Thử nghiệm chế tạo và công nghệ in 3d vật liệu kim loại đồng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

THI QUANG TUÂN

THỬ NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ CÔNG NGHỆ IN 3D
VẬT LIỆU KIM LOẠI ĐỒNG

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã ngành: 60520101

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, Tháng 01 năm 2019


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: GS. TS. Ngô Kiều Nhi

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS. Lưu Thanh Tùng...........................................

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Trương Quang Tri..................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày
15 tháng 01 năm 2019
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS. Trương Tích Thiện – Chủ tịch HĐ
2. TS. Nguyễn Tường Long – Thư ký HĐ
3. TS. Vũ Cơng Hịa - Ủy viên
4. PGS.TS. Lưu Thanh Tùng - Ủy viên

5. TS. Trương Quang Tri - Ủy viên
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: THI QUANG TUÂN

MSHV: 1670289

Ngày, tháng, năm sinh: 22/05/1992

Nơi sinh: Bến Tre

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

Mã ngành: 60520101

I. TÊN ĐỀ TÀI: Thử nghiệm chế tạo và công nghệ in 3D vật liệu kim loại đồng
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
x Tìm hiểu lý thuyết về năng lượng laser, phương pháp tính tốn: nhiệt đốt nóng
bột kim loại, lựa chọn cơng suất, lựa chọn chế độ gia nhiệt.
x Đề xuất cơ cấu máy in 3D cho nguyên liệu in là bột kim loại. Tính tốn thiết kế
phục vụ chế tạo.
x Chế tạo mơ hình thiết kế
x Thử nghiệm vận hành thiết bị được chế tạo; nghiên cứu chế độ công nghệ in.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/01/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/01/2019
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS. TS. NGND. NGÔ KIỀU NHI
Tp. HCM, ngày …. tháng … năm 2019.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và Chữ ký)

(Họ tên và Chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và Chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Khơng có sự thành cơng nào mà khơng có sự hỗ trợ giúp đỡ của người khác.Với
tấm lịng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn Phịng Thí Nghiệm Cơ học, các
thầy cơ bộ mơn Cơ Kỹ Thuật trong khoa Khoa Học Ứng Dụng, đặc biệt là cơ Ngơ
Kiều Nhi cùng các anh: Phạm Bảo Tồn, Nguyễn Quang Thành, bên cạnh đó cịn có
các bạn trong cùng khóa học truyền đạt cho em kiến thức và đã giúp đỡ em rất nhiều

trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Bên cạnh việc thu nhận các kiến thức trong quá trình học của chương trình đào tạo
cao học, thơng qua việc thực hiện luận văn này có được cơ hội vận dụng chúng để
nghiên cứu tạo ra sản phẩm cụ thể. Em đã cố gắng tận dụng tất cả những kiến thức đã
học ở trường cùng với sự tìm tịi nghiên cứu, mong sao hồn thành tốt luận văn tốt
nghiệp này. Kết quả là những thiết kế, sản phẩm đạt được trong ngày hôm nay tuy
không lớn lao nhưng nó là thành quả của hơn 2 năm học tại trường là thành công đầu
tiên của chúng em trước khi trước khi ra trường.
Luận văn Thiết kế, Thử nghiệm chế tạo và công nghệ in 3D vật liệu kim loại đồng
là một lĩnh vực mới mẻ ở nước ta. Vì vậy, trong luận văn khơng thể khơng có những
thiếu sót, rất mong sự thơng cảm và những lời đóng góp chân thành của q thầy cơ
cùng các bạn để cùng nhau nghiên cứu và phát triển ngày càng hồn thiện hơn.

Xin chân thành cảm ơn
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 01, năm 2019

Thi Quang Tuân


a

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay khoa học - kỹ thuật đang phát triển rất nhanh trong thời kì cơng nghiêp 4.0,
việc chế tạo các chi tiết bằng phương pháp truyền thống sẽ dần được thay thế tự động
và công nghệ in 3D chính là giải pháp đó. Luận văn này sẽ tính tốn, đưa ra giải pháp
sử dụng vật liệu in bằng kim loại. Để từng bước đưa công nghệ in 3D vào phục vụ in
các chi tiết cho cơ khí, máy móc… Đưa Việt Nam tiếp cận với nền công nghiệp in 3D
thế giới.
Trong luận văn này sẽ tiến hành nghiên cứu 2 phần chính là:
Nghiên cứu lý thuyết, q trình làm nóng chảy kim loại bằng tia laser, phương

thức hoạt động của máy in sử dụng công nghệ laser với bột kim loại đồng. Giải quyết
vấn đề động học và điều khiển để có thể điều khiển vận hành máy in theo ý muốn.
Kiểm tra thực nghiệm, vận hành thử nghiệm mơ hình. Thử nghiệm các chế độ in
khác nhau với các thông số in như tốc độ in, cơng suất laser, độ dày lớp in… từ đó có
được thơng số tối ưu cho chế độ in.
Đây là mơ hình máy in 3D vật liệu in kim loại đầu tiên ở Việt Nam được thiết kế và
chế tạo thành cơng, mơ hình có thể vận hành in thử nghiệm. Đề tài đã hoàn thành đầy
đủ các nhiệm vụ nghiên cứu lý thuyết và mơ hình thử nghiệm máy in 3D in bằng kim
loại đồng đã đề ra ban đầu. Và đưa ra những phương pháp cải tiến để tiến đến một máy
in 3D hoàn chỉnh.


b

ABSTRACT
Today, science and technology are developing very fast in the industrial period 4.0.
The construction of details by traditional methods will gradually be replaced
automatically and 3D printing technology is the solution. This thesis will calculate and
provide solutions for using metal printing materials. To step by stepbring 3D printing
technology into service of printing details for mechanics, machinery ... Bringing
Vietnam to the 3D printing industry in the world.
In this thesis, two main parts will be researched:
Research the theory, the process of metal melting by laser, the mode of operation of
the printer using laser technology with copper metal powder. Solve dynamic and
control problems so that you can control the printer operation as you like.
Experimental testing, operating test models. Test different print modes with print
parameters such as print speed, laser power, printing layer thickness, etc. Thereby
obtaining optimal parameters for printing mode.
This is the first 3D printer model in Vietnam that has been designed and manufactured
successfully, the model can operate test printing. The thesis has completed all the

theoretical research tasks and prototype models of 3D copper printers originally
proposed. And offer innovative methods to reach a complete 3D printer.


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan những kết quả có được trong Luận Văn là do bản thân tôi thực hiện
dưới sự hướng dẫn của GS. TS. Ngô Kiều Nhi, ThS. Nguyễn Quang Thành thuộc PTN
Cơ Học Ứng Dụng. Phần tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các số liệu và kết quả thực
nghiệm là trung thực và chưa được cơng bố trong bất cứ cơng trình nào khác.

TP. HCM, ngày 15 tháng 01 năm 2019
Người thực hiện

Thi Quang Tuân


c

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Chương 1
Hình 1.1.Charles Hull- người phát minh máy in 3D ............................................................ 1
Hình 1.2. Robot vẽ hình 3D.................................................................................................. 2
Hình 1.3. Ứng dụng thiết kế trang phục. .............................................................................. 3
Hình 1.4. Ứng dụng các bộ phận giá rẻ. ............................................................................... 4
Hình 1.5. Ứng dụng các linh kiện thay thế. .......................................................................... 4
Hình 1.6. Ứng dụng trong thực phẩm................................................................................... 5
Hình 1.7. Ứng dụng trong xây dựng..................................................................................... 5
Hình 1.8. Quả tim nhân tạo từ cơng nghệ in 3D................................................................... 6
Hình 1.9. Mơ tơ sản xuất bằng cơng nghệ in 3D năm 2018 ................................................. 7
Hình 1.10. Ứng dụng chế tạo vũ khí .................................................................................... 7

Hình 1.11. Ngun lí hoạt động máy in 3D ......................................................................... 8
Hình 1.12. Các cơng nghệ in 3D .......................................................................................... 9
Hình 1.13. Ngun lý của phương pháp SLS. .................................................................... 10
Hình 1. 14. Máy in 3D kim loại OPM250L và sản phẩm .................................................. 12
Chương 2
Hình 2.1. Cấu tạo cơ bản và cơ chế hoạt động của laser. ................................................... 15
Hình 2.2. Hình chiếu xạ và trục tọa độ ............................................................................... 21
Hình 2.3. Hội tụ laser qua thấu kính ................................................................................... 23
Hình 2.4. Chùm tia và góc lệch của chùm tia khi rời khởi sợi vận chuyển ....................... 24
Hình 2.5. Bột kim loại đồng ............................................................................................... 25
Hình 2.6. Ảnh SEM bột kim loại đồng ............................................................................... 26
Hình 2.7. Nguồn phát laser và thấu kính hội tụ .................................................................. 27
Hình 2.8. Bột kim loại đồng được đốt chảy bằng tia laser ................................................. 29
Hình 2.9. Bột kim loại đông được đốt bằng tia laser bước sóng ngắn ............................... 30
Chương 3
Hình 3.1. Lược đồ cơ cấu máy in 3D ................................................................................. 31
Hình 3.2. Sơ đồ động học điều khiển x-y ........................................................................... 34
Hình 3.3. Đồ thị vị trí của đầu laser theo góc xoay động cơ với r =10mm ........................ 35
Hình 3.4. Đồ thị góc xoay của động cơ theo vị trí x, y với r =10mm ................................ 35
Hình 3.5. Lược đồ động học trải đều bột vật liệu.............................................................. 36
Hình 3.6. Lược đồ động học bàn nâng sử dụng vít me ...................................................... 37
Hình 3.7. Mơ hình tính lực căng đai ................................................................................... 37
Hình 3.8. Các thành phần lực trên thanh trượt ................................................................... 40


d

Hình 3.9. Mơ hình tính lực thanh trượt cơ cấu trải bột ...................................................... 40
Hình 3.10. Mơ hình tính lực thanh trượt cơ cấu x-y........................................................... 43
Hình 3.11. Mơ hình tính lực trục vít ................................................................................... 44

Hình 3. 12. Mơ hình tính lực thanh trượt cơ cấu nâng bàn ................................................ 46
Chương 4
Hình 4.1. Mơ hình máy in kim loại trên INVENTOR ....................................................... 49
Hình 4.2. Lắp ráp cụm xy và đầu laser ............................................................................... 52
Hình 4.3. Lắp ráp trục z bàn in và trục xy và đầu laser ...................................................... 53
Hình 4.4. Mặt cắt tại vị trí thanh gạt................................................................................... 53
Hình 4.5. Lắp ráp cân chỉnh trục z bàn in .......................................................................... 54
Hình 4.6. Sơ đồ điều khiển máy in ..................................................................................... 54
Hình 4.7. Mega2560 và ramps1.4 ...................................................................................... 55
Hình 4.8. Mạch điều khiển laser ......................................................................................... 55
Hình 4.9. Mơ hình máy in 3D thực tế................................................................................. 56
Chương 6
Hình 5.1. Hình mẫu in 3D .................................................................................................. 57
Hình 5.2. Hình mẫu được cắt lớp ....................................................................................... 57
Hình 5.3. Sản phẩm in 3D thử nghiệm lần 1 ...................................................................... 58
Hình 5.4. Sản phẩm in 3D thử nghiệm lần 2 ...................................................................... 59
Hình 5.5. Sản phẩm in 3D thử nghiệm lần 3 ...................................................................... 61
Hình 5.6. Sản phẩm in 3D thử nghiệm lần 4 .................................................................... 61


e

DANH MỤC CÁC BẢNG
Chương 2
Bảng 2.1. Giá trị ܲȀ‫ ܣ‬nhỏ nhất ở bước sóng 10.6 μm có thể làm nóng chảy bề mặt
kim loại với tia laser hội tụ bán kính A .............................................................................. 22
Bảng 2.2. Thơng số của kim loại đồng ............................................................................... 26
Bảng 2.3.Thông số laser PLD-30 ....................................................................................... 27
Bảng 2.4. Kết quả tính tốn cơng suất đốt của laser (tại vị trí z khơng xảy ra hiện tượng
nóng chảy- chuyển pha)...................................................................................................... 28

Bảng 2.5. Kết quả tính tốn cơng suất đốt của laser (tại vị trí bề mặt) .............................. 28
Chương 3
Bảng 3.1. Chi tiết cơ cấu máy in 3D .................................................................................. 32
Bảng 3.2. Thông số đề bài máy in 3D ................................................................................ 32
Chương 5
Bảng 5.1. Đánh giá in lần 1 ................................................................................................ 58
Bảng 5.2. Đánh giá in lần 2 ................................................................................................ 60
Bảng 5.3.Đánh giá in lần 3 ................................................................................................. 61
Bảng 5.4. Thơng số cho mơ hình máy in 3D đã chế tạo .................................................... 64


a

DANH M C CÁC CHỮ VI T TẴT
Chữ viết tắt
3D
LASER
SLS
CNC

Tên chữ tiếng Anh
Three- Dimensional
Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation
Selective Laser Sintering
Computer(ized) Numerical(ly)
Control(led)

Tên chữ tiếng Việt
Ba chiều

Khuếch đại ánh sáng bằng
phát xạ kích thích
Thiêu kết nóng chảy
Điều khiển bằng máy tính


I

M CL C

NHI M VỤ LU N V N THẠC S .................................................................................... b
LỜI C M ĐO N ................................................................................................................. c
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... d
ABSTRACT ......................................................................................................................... b
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................................... c
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... e
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẴT ................................................................................... a
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D (Three- Dimensional) ................................ 1
1.1.

Cơng nghệ in 3D ..................................................................................................... 1

1.1.1.

Q trình phát triển .......................................................................................... 1

1.1.2.

Ứng dụng trong đời sống ................................................................................. 2

1.1.3.

Nguyên lý hoạt động máy in 3D ...................................................................... 8

1.1.4.

Công nghệ in 3D .............................................................................................. 9

1.2.

Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................ 11

1.3.

Ý nghĩa th c tiễn của đề tài .................................................................................. 12

1.4.

Nội dung nghiên cứu của đề tài ............................................................................ 12

1.5.

Đối tƣợng nghiên cứu và phƣơng pháp nghiên cứu.............................................. 13

1.5.1.

Đối tƣợng nghiên cứu..................................................................................... 13

1.5.2.

Phƣơng pháp nghiên cứu................................................................................ 13

1.6.

Mục tiêu và kết quả d kiến đạt đƣợc ................................................................... 13

CHƢƠNG 2: CÔNG NGH LASER................................................................................. 15
2.1.

Giới thiêu về thiết bị tạo năng lƣợng bằng tia laser .............................................. 15

2.1.1.

Nguyên lý cấu tạo thiết bị laser ...................................................................... 15

2.1.2.

Các chế độ hoạt động của laser ...................................................................... 16

2.1.3.

An toàn khi sử dụng laser............................................................................... 17

2.2.

Phƣơng trình truyền nhiệt khi đƣợc đốt nóng ....................................................... 17


II

2.2.1.

Phƣơng trình truyền nhiệt trong một chất rắn ba chiều ................................. 17

2.2.2.

Khả năng dẫn nhiệt......................................................................................... 18

2.2.3.

Các trƣờng hợp hấp thụ trong một lớp vật liệu rất mỏng............................... 19

2.3.

Nguyên lý hội tụ chùm tia laser ............................................................................ 22

2.4.

Quá trình thiêu kết bột kim loại đồng (cu-based powder) sử dụng fiber laser ..... 25

2.4.1.

Đặc tính bột kim loại đồng. ............................................................................ 25

2.4.2.

Chế độ thí nghiệm thiêu kết bằng laser .......................................................... 26

2.5.

Kết luận chƣơng 2 ................................................................................................. 30

CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ Đ NG HỌC MÁY IN 3D SỬ DỤNG CÔNG NGH LASER
............................................................................................................................................ 31
3.1.

Lƣợc đồ cơ cấu ...................................................................................................... 31

3.1.1.

Các cụm cơ cấu .............................................................................................. 31

3.1.2.

Chọn thơng số kích thƣớc máy in .................................................................. 32

3.1.3.

Phƣơng pháp tạo chuyển động các cụm ......................................................... 33

3.2.

Quan hệ động học ................................................................................................. 33

3.2.1.

Quan hệ động học cụm điều khiển thiết bị chiếu tia laser (cơ cấu H-Frame) 34

3.2.2.

Quan hệ động học cụm trải đều bột vật liệu .................................................. 36

3.2.3.
in

Quan hệ động học cụm bàn nâng chứa bột vật liệu và bàn nâng chứa chi tiết
........................................................................................................................ 36

3.3.

Tính tốn thiết kế. ................................................................................................. 37

3.3.1.

Tính tốn thiết kế cơ cấu trải đều bột vật liệu ................................................ 37

3.3.2.

Tính tốn thiết kế cơ đấu điều khiển thiết bị chiếu tia laser (cơ cấu H-Frame) .
........................................................................................................................ 41

3.3.3.
in

Tính tốn thiết kế cơ cấu bàn nâng chứa bột vật liệu và bàn nâng chứa chi tiết
........................................................................................................................ 43

3.4.

Kết luận chƣơng 3 ................................................................................................. 47

CHƢƠNG 4: CHẾ TẠO MÁY IN 3D V T LI U IN KIM LOẠI ĐỒNG ...................... 48
4.1.

Xây d ng các bản vẽ chế tạo ................................................................................ 48

4.1.1.

Bản vẽ thiết kế ................................................................................................ 48


III

4.1.2.

Chế tạo, lắp ráp .............................................................................................. 52

4.2.

Sơ đồ điều khiển ................................................................................................... 54

4.3.

Mơ hình máy in 3D hồn chỉnh ............................................................................ 55

4.4.

Quy trình in ........................................................................................................... 56

CHƢƠNG 5: THỬ NGHI M IN TRÊN MÔ HÌNH MÁY IN 3D V T LI U

KIM LOẠI ĐỒNG ............................................................................................................. 57
5.1.

Mục tiêu và nội dung ............................................................................................ 57

5.2.

Các lần thử nghiệm ............................................................................................... 57

5.2.1.

Thử nghiệm in lần 1 ....................................................................................... 58

5.2.2.

Thử nghiệm in lần 2 ....................................................................................... 59

5.2.3.

Thử nghiệm in lần 3 ....................................................................................... 60

5.2.4.

Thử nghiệm in lần 4 ....................................................................................... 62

CHƢƠNG 6: KẾT LU N V HƢ NG PHÁT TRIỂN ................................................... 65
TÀI LI U THAM KHẢO .................................................................................................. 67
PHỤ LỤC 1 ........................................................................................................................ 70
PHỤ LỤC 2 ........................................................................................................................ 75
PHỤ LỤC 3 ........................................................................................................................ 78

PHỤ LỤC 4 ........................................................................................................................ 79


1

ƢƠNG 1 TỔNG QUAN V MÁY IN 3D (Three- Dimensional)
1.1.

Công nghệ in 3D

1.1.1. Quá trình phát triển
In 3D là một công nghệ đang đƣợc phát triển với tốc độ khá nhanh đƣợc ứng dụng
trong nhiều lĩnh v c khác nhau. Công nghệ in 3D đã đƣợc khai sinh từ những năm 80
của thế kỷ trƣớc và qua thời gian, in 3D đã đƣợc cải tiến với nhiều biến thể nhằm đáp
ứng với nhiều nhu cầu in ấn tạo hình khác nhau.

Hình 1.1.Charles Hull- ngƣời phát minh máy in 3D
Charles Hull là ngƣời đầu tiên phát minh ra Stereolithography - một phƣơng pháp
đột phá tạo ra một đối tƣợng 3D hữu tĩnh từ những dữ liệu kỹ thuật số, công nghệ này
đƣợc sử dụng để chế tạo ra các vật phẩm 3D chỉ từ những hình ảnh mơ phỏng trên
máy tính. Ƣu điểm nổi bật của công nghệ này là cho phép ngƣời dùng kiểm tra các
mẫu thiết kế một cách nhanh chóng, chính xác trƣớc khi quyết định đầu tƣ sản xuất
hàng loạt


2

In 3D xử dụng nhiều loại công nghệ khác nhau, trong đó có 4 loại chính đó là:
SLA, SLS, LOM, FDM. Ngồi ra có nhiều cơng nghệ khác nhƣng chủ yếu vẫn d a
trên 4 loại công nghệ trên. (J-P phát triển từ SLA, 3DP phát triển từ SLS, những máy

in 3D kim loại, gốm,

sử dụng chủ yếu d a trên cơng nghệ SLS).

Hình 1.2. Robot vẽ hình 3D
Ta thấy rằng nhu cầu tạo nên mẫu sản phẩm ban đầu là một nhu cầu thiết yếu trong
quá trình sản xuất, trƣớc khi sản xuất hàng loạt một sản phẩm nào cũng phải cần tạo mẫu
sản phẩm trƣớc để kiểm tra tính hiện th c và khả thi. Nếu mẫu sản phẩm càng chính xác
bao nhiêu càng tránh đƣợc những lỗi mắc phải trong quá trình sản xuất sau này và càng
tiết kiệm đƣợc chi phí sản xuất bấy nhiêu.
1.1.2. Ứng dụng trong đời sống
Ngày nay in 3D ngày càng phát triển và trở thành một phần của xu hƣớng về cơng
nghệ, nó sẽ khơng chỉ đơn thuần đƣợc sử dụng để sản xuất các chi tiết nhỏ lẻ nữa, mà
trong thập kỷ tới, 50% sản phẩm tạo ra bởi máy in 3D là các thành phẩm cuối cùng.
Sau đây là một số lĩnh v c đã áp dụng công nghệ in 3D
a. Thiết kế quần áo:


3

Sản phẩm in 3D của PTN Cơ Học Ứng Dụng trên sân khấu của Vietnam International
Fashion Week 2018.

Hình 1.3. Ứng dụng thiết kế trang phục.
b. Chân tay giả giá rẻ
Với y học phát triển nhƣ hiện nay, những ngƣời không may mắn bị mất đi tay hoặc
chân của mình đã có cơ hội hoạt động bình thƣờng với những bộ chân tay giả có thể
cử động linh hoạt.

4

Hình 1.4. Ứng dụng các bộ phận giá rẻ.
c. Linh kiện thay thế cho mọi thứ
Các đồ điện tử, hay bất kỳ đồ vật nào xung quanh ch ng ta đều có thể bị hỏng một
vài bộ phận. Thơng thƣờng nếu không thể sửa, sẽ phải thay thế bằng những linh kiện
mới. Tuy nhiên không phải l c nào việc tìm kiếm và thay thế linh kiện cũng đơn giản,
có thể do đồ vật đó đã q cũ và khơng cịn đƣợc sản xuất.

Hình 1.5. Ứng dụng các linh kiện thay thế.


5

d. Th c phẩm
Không chỉ dừng lại ở việc chế tạo các đồ vật, cơng nghệ in 3D cịn gi p tạo ra
những đồ ăn đặc biệt, trong đó có các loại kẹo. Tại triển lãm điện tử tiêu dùng Las
Vegas năm 2014, công ty 3D Systems đã lần đầu tiên giới thiệu một chiếc máy in 3D
có thể sử dụng nguyên liệu là các loại socola, đƣờng, vani và hƣơng liệu để tạo ra
nhiều loại kẹo có hình dạng th vị khác nhau.

Hình 1.6. Ứng dụng trong th c phẩm
e. Xây d ng

Hình 1.7. Ứng dụng trong xây d ng


6

Sử dụng một máy in 3D khổng lồ để phun xi-măng và một loại vật liệu đã đƣợc tái

chế thay thế cho các loại bê-tông thông thƣờng dùng để xây nhà. Những ngôi nhà
đƣợc xây bằng công nghệ 3D không có thiết kế q đẹp và kích thƣớc lớn, tuy nhiên
giá thành của chúng khá rẻ, chỉ khoảng 5000 USD một căn. Bên cạnh đó, thời gian
hồn thành một ngơi nhà đƣợc xây bằng công nghệ in 3D rất nhanh, công ty này đã
xây xong 10 ngôi nhà chỉ trong một ngày.
f. Chế tạo các cơ quan cấy ghép bên trong cơ thể
Các nhà khoa học đã tạo ra một bƣớc đột phá lớn trong việc cấy ghép các cơ quan
bên trong cơ thể con ngƣời bằng công nghệ in 3D, đƣợc gọi là bioprinting. Trong đó,
các nhà khoa học đã lấy tế bào của ngƣời từ sinh thiết hay tế báo gốc, nhân bản ch ng
trong đĩa petit, sau đó sử dụng nhƣ một loại m c sinh học để tạo nên các cơ quan nội
tạng của con ngƣời nhƣ tim, thận.

Hình 1.8. Quả tim nhân tạo từ cơng nghệ in 3D
g. Sản xuất xe
Chiếc xe mô tô đầu tiên đƣợc sản xuất tất cả các chi tiết hoàn tồn bằng cơng nghệ
in 3D. Vật liệu đƣợc sử dụng ProHT, ProFLEX, PETH and PLA


7

Hình 1.9. Mơ tơ sản xuất bằng cơng nghệ in 3D năm 2018
h. Vũ khí
Năm 2013, một nhà thiết kế tại Texas đã chế tạo thành công một khẩu s ng lục có
thể bắn đƣợc đạn thật bằng cơng nghệ in 3D. Khẩu s ng đƣợc làm từ nh a, tuy nhiên
có một số bộ phận đƣợc làm bằng kim loại vì nhà thiết kế này lo sợ nó sẽ trở thành
một loại vũ khí có thể mang qua an ninh sân bay. Ứng dụng này của công nghệ 3D
đem lại khá nhiều rủi ro, khi bất kỳ ai cũng có thể tải bản thiết kế trên mạng và chế tạo
một khẩu s ng cho mình.

Hình 1.10. Ứng dụng chế tạo vũ khí

8

1.1.3. Nguyên lý hoạt động máy in 3D
a. Nguyên lý hoạt động của máy in 3D
In 3D là tạo vật thể 3D bằng cách in ra từng lớp, các lớp đƣợc in lần lƣợt chồng
liên tiếp lên nhau, từng lớp, từng lớp. M c in chính là vật liệu muốn áp lên vật thể 3D,
có thể là nh a, giấy, bột, polymer, hay kim loại

, các vật liệu này có đặc điểm là có

s kết dính với nhau để vật liệu lớp bên trên kết dính với lớp bên dƣới đƣợc.

Hình 1.11. Ngun lí hoạt động máy in 3D
b. Cơ chế hoạt động của máy in 3D
Để máy in có thể hoạt động đƣợc thì máy in 3D cần phải đƣợc lập trình, viết mã
nguồn (firware) để nạp vào bo mạch (Phụ lục 1). L c đó máy in mới có thể hiểu đƣợc
và làm theo những gì mà ngƣời dùng ra lệnh. Tuy nhiên ngƣời dùng cần phải ra lệnh
bằng ngơn ngữ của máy in. Ngơn ngữ đó đƣợc gọi tên là Gcode. Để chuyển một bản
vẽ 3D CAD ra ngôn ngữ Gcode sử dụng phần mềm điều khiển (Phụ lục 2). Ƣu điểm
của cộng đồng nguồn mở là mọi thứ đều miễn phí và chỉ cần tải phần mềm về sử
dụng mà không lo vấn đề bản quyền. Các phần mềm in phải kể đến nhƣ Cura,
Repetier-Host, Kisslicer

Phần mềm in giúp bạn l a chọn chế độ in phù hợp cho

bản vẽ 3D CAD, những yêu cầu về độ phân giải, tốc độ in, nhiệt độ đầu phun
chuyển những yêu cầu đó thành Gcode để ra lệnh cho máy in 3D.

và


9

1.1.4. Cơng nghệ in 3D
Việc tạo hình trong cơng nghệ in 3D d a trên cơ sở lắp vật liệu từng lớp, nhiều
công nghệ đƣợc đề xuất để tạo lớp vật liệu

phổ biến là: Quang hóa “photo-

polymerisation” (Stereolithography (SL ) and its derivates), dung dịch kết dính “inkjet printing” (IJP), dung dịch kết dính “3D printing” (3DP), Sợi vật liệu “Fused
Deposition Modelling” (FDM), Thiêu kết nóng chảy “Selective Laser Sintering or
Melting” (SLS/SLM and EBM1 ) và tấm vật liệu “Laminated Object Manufacturing”
(LOM and similar sheet stacking processes) and phun kim loại nóng chảy “laser
cladding” (LC)

Hình 1.12. Các cơng nghệ in 3D
- Phƣơng pháp in 3D FDM dùng vật liệu dạng dây dễ chảy, ví dụ nh a in 3D
BS, PL . Nhƣ mơ tả trên hình 1.12, sợi dây qua đầu gia nhiệt sẽ hoá dẻo và đƣợc
trải lên mặt nền theo đ ng biên dạng mặt cắt của mẫu, theo từng lớp có chiều dày
bằng chiều dày lớp cắt. Nh a dẻo sẽ liên kết theo từng lớp cho đến khi tạo xong
mẫu.
- Phƣơng pháp SL

(Stereo lithography apparatus) tạo ra các mẫu từ vật liệu

cao su bắt sáng (photocurable resin) lỏng. Khi nguồn laser, đƣợc điều khiển theo
tín hiệu của máy tính, qt phủ mặt cắt ngang của mơ hình 3D làm hố cứng một

10

lớp. Sau đó thùng đ ng cao su lỏng hạ xuống một nấc và cứ thế dần dần sẽ hình
thành mẫu theo từng lớp một.
- Phƣơng pháp LOM (Laminated Object Manufacturing) dùng vật liệu dạng
tấm có phủ keo dính (chủ yếu là giấy nhƣng cũng có thể dùng tấm nh a, tấm kim
loại v.v.). Nguồn Laser tạo ra từng lớp mặt cắt bằng cách cắt tấm vật liệu theo
đƣờng biên của mặt cắt vật thể. Các lớp mặt cắt đƣợc dán lần lƣợt chồng lên nhau
nhờ hệ thống con lăn gia nhiệt
Trong Luận văn này em chọn biện pháp công nghệ SLS. Phƣơng pháp hoạt
động d a trên nguyên lý thiêu kết làm nóng chảy vật liệu ở nhiệt độ cao, sau khi
nguội vật liệu hóa cứng và tạo nên hình dạng vật thể. Năng lƣợng dùng thiêu kết
vật liệu là chùm laser CO2. Giống các phƣơng pháp tạo mẫu nhanh khác, SLS d a
trên nguyên lý theo từng lớp. .
Ƣu điểm cơ bản của SLS là vật liệu đa dạng: kim loại (thép, titan
(nylon), composite

), polymer

Phƣơng pháp này còn có thể tạo ra các mẫu sản phẩm có mật độ

vật liệu cao nhƣ phƣơng pháp gia công khác (đ c) nên mẫu làm ra có cơ tính tốt, có
thể dùng để sản xuất đơn chiếc.

Hình 1.13. Nguyên lý của phƣơng pháp SLS.
Do phƣơng pháp SLS có thể in đƣợc những chi tiết có nhiệt độ nóng chảy cao nên
đây sẽ là phƣơng pháp công nghệ đƣợc sử dụng để nghiên cứu trong đề tài này.

11

1.2.

Tính cấp thiết của đề tài

a. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
Tại Việt Nam các máy in 3D chỉ in bằng vật liệu nh a chỉ đáp ứng đƣợc nhu cầu
tạo mẫu và các sản phẩm mỹ thuật. Chƣa có một cơng trình nghiên cứu nào về việc in
bằng kim loại.
Các cơng trình nghiên cứu máy in kim loại trên thế giới cũng chƣa đƣợc phổ biến,
đây là cơng nghệ mới nên vấn đề nghiên cứu cịn nhiều hạn chế.
Chƣa có bài báo khoa học nào hồn chỉnh về máy in 3D bằng kim loại, chủ yếu là
các nghiên cứu nhỏ về công nghệ phụ trợ cho máy in 3D kim loại
b. Các nghiên cứu về thiêu kết bột kim loại
“Direct manufacturing of Cu-based alloy parts by selective laser melting” [1]. Giải
quyết vấn đề sử dụng bột đồng để thiêu kết nóng chảy, bài báo đƣa ra cơng thức tính
năng lƣợng laser, và thí nghiệm thiêu kết với tia laser tốc độ và công suất laser.
“Balling phenomena during direct laser sintering of multi-component Cu-based
metal powder” [2]. Thành phần của bột kim loại đồng, q trính nóng chảy và kết tinh.
“Consolidation phenomena in laser and powder-bed based layered manufacturing”
[3]. Bài báo cung cấp cơ cấu đƣợc sử dụng trong sản xuất lớp d a trên laser và bột, tức
là thiêu kết / tan chảy bằng laser (SLS / SLM). Đƣa ra cơ chế vật lý chính ảnh hƣởng
đến s hợp nhất và làm thế nào các tính chất và thành phần vật chất đóng vai trị quan
trọng.
“Balling phenomena in direct laser sintering of stainles steel powder: Metallurgical
mechanisms and control methods” [4]. Q trình thiêu kết bột sắt, cơng suất laser với
tốc độ đốt cháy kim loại và quá trính hóa học xảy ra khi đốt chảy bột kim loại sắt.
c. Trong dịch vụ thƣơng mại.