Ảnh hưởng thông số in 3d của công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) đến độ bền kéo của sản phẩm

TĨM TẮT
Hiện nay, cơng nghệ in 3D ứng dụng vào tất cả các lĩnh vực trong cuộc sống,
sự phát triển về công nghệ in 3D ngày càng nhiều, các sản phẩm được tạo ra từ công
nghệ in 3D rất đa dạng. Trong đó, cơng nghệ in DLP đáp ứng được các yêu cầu về
tốc độ in, độ chính xác và độ láng mịn của sản phẩm. Nhưng chất lượng sản phẩm về
mặt cơ tính của cơng nghệ in DLP cịn cần phải được nghiên cứu và cải tiến thêm để
đáp ứng nhu cầu của sử dụng. Đề tài trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các
thông số in 3D của công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) đến độ bền kéo của
sản phẩm. Các thông số được nghiên cứu là độ dày lớp, độ phơi sáng, góc hình thành
sản phẩm. Sử dụng máy in 3D dùng công nghệ DLP để in ra các mẫu theo tiêu chuẩn
ASTM – D638 và dùng máy thử kéo để kiểm tra độ bền kéo của sản phẩm. Sau đó sử
dụng phân tích ANOVA để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số đến độ bền
kéo của sản phẩm.
Để xác định các thơng số đầu vào, thí nghiệm thăm dò đơn yếu tố được tiến hành
lần lượt với các thông số: độ dày lớp (D), thời gian phơi sáng (t) và góc hình thành sản
phẩm góc anpha (α), góc beta (β). Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố cho cho thấy hai
thông số là độ dày lớp (D) và góc beta (β) có ảnh hưởng nhiều nhất đến độ bền kéo
nên tác giả chỉ chọn hai thông số này để làm thí nghiệm đa yếu tố để xác định được
các chỉ số thích hợp của các thơng số đầu vào nhằm đạt độ bền kéo cao nhất.
Kết quả xác định được:
- Ảnh hưởng của độ dày lớp D (mm) và góc beta β (độ) đến độ bền kéo BK (MPa)
của sản phẩm được biểu diễn qua phương trình sau:
BK = 26.1058 + 320.076*D + 0.1037*β - 4304.63*D^2 + 0.4*D*β - 0.001405* β^2
Dựa trên kết quả thực nghiệm và giải bài tốn tối ưu đã cho thấy thơng số tối ưu
cho độ bền kéo của sản phẩm đạt giá trị cao nhất khi độ dày lớp là D = 0.039155
(mm) và góc beta β = 42.4755o thì đạt được chỉ số tối ưu độ bền kéo BK = 34.5739
(MPa).

xi

ABSTRACT
Currently, 3D printing technology is apply into all fields of the life, the
development of 3D printing technology is many, products are made from 3D printing
technology are very diverse. In particular, DLP printing technology meets the
requirements of print speed, accuracy and smoothness of the product. But the
mechanical product quality of DLP printing technology still needs to be further
researched and improved to meet the needs of use. The thesis presents the results of
researching the influence of 3D printing parameters of digital light processing
technology (DLP) on the tensile strength of the product. The parameters studied are
layer thickness, exposure, angle of product formation. 3D printer using DLP
technology is performed to print out the samples according to ASTM - D638 and use
the tensile testing machine to check the tensile strength of the product. Then use
ANOVA analysis to assess the influence of the parameters on the tensile strength of
the product.
In order to determine the input parameters, the single-element probe
experiment was conducted in turn with the parameters: layer thickness (D), exposure
time (t) and angle alpha (α) and beta angle (β). The single-factor experimental results
show that the two parameters, layer thickness (D) and beta angle (β), have the most
influence on tensile strength, so the author only chose these two parameters for multiweak testing factors to determine the appropriate index of the input parameters to
achieve the highest tensile strength.
Determined results:
- The influence of thickness of layer D (mm) and angle beta β (degree) on tensile
strength BK (MPa) of the product is expressed through the following equation:
BK = 26.1058 + 320.076*D + 0.1037*β - 4304.63*D^2 + 0.4*D*β - 0.001405* β^2
Based on experimental results and solving the optimal problem, it shows that
the optimal parameters for the tensile strength of the product reach the highest value
when the layer thickness is D = 0.039155 (mm) and the beta angle β = 42.4755o then
achieve optimum tensile strength BK = 34.5739 (MPa).
xii

MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LVTN ............................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. ix
LỜI CẢM ƠN.....................................................................................................x
TÓM TẮT ........................................................................................................ xi
ABSTRACT .................................................................................................... xii
MỤC LỤC ...................................................................................................... xiii
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................... xvi
DANH SÁCH CÁC HÌNH............................................................................ xvii
DANH SÁCH CÁC BẢNG .............................................................................xx
MỞ ĐẦU ............................................................................................................1
1.

Đặt vấn đề ............................................................................................ 1

2.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................ 2
2.1.

Ý nghĩa khoa học ............................................................................. 2

2.2.

Ý nghĩa thực tiễn .............................................................................. 2

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ........................................................... 2

3.
3.1.

Mục tiêu chung................................................................................. 2

3.2.

Mục tiêu cụ thể ................................................................................. 2
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................... 3

4.
4.1.

Đối tượng nghiên cứu ...................................................................... 3

4.2.

Phạm vi nghiên cứu.......................................................................... 3

5.

Điểm mới của luận văn........................................................................ 3

6.

Kết cấu của luận văn ........................................................................... 4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU ...............................5

Giới thiệu về công nghệ in 3D ................................................................ 5
Các công nghệ in 3D phổ biến hiện nay................................................ 16
1.2.1. Công nghệ in 3D FDM (Fused Deposition Modeling) .................. 16
1.2.2. Công nghệ SLA (Stereo Lithography Aparatus) ............................ 17
xiii


1.2.3. Công nghệ DLP (Digital Light Processing) ................................... 18
1.2.4. Công nghệ in 3D JP ........................................................................ 18
1.2.5. Cơng nghệ tạo hình liên tục CLIP (Continuous Liquid Interface
Production) ........................................................................................................ 19
1.2.6. Công nghệ in 3D SLS..................................................................... 20
1.2.7. Công nghệ in 3D 3DP .................................................................... 21
1.2.8. Công nghệ in 3D LOM ................................................................... 21
Các nghiên cứu trong và ngoài nước ..................................................... 22
1.3.1. Nghiên cứu trong nước ................................................................... 22
1.3.2. Các kết quả nghiên cứu ngoài nước ............................................... 22
Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................24
Nội dung nghiên cứu ............................................................................. 24
Phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 24
2.2.1. Phương pháp kế thừa ...................................................................... 24
2.2.2. Phương pháp thu thập thông tin ..................................................... 24
2.2.3. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ........................................... 25
Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................30
Nguyên lý chung của công nghệ in 3D ................................................. 30
Công nghệ in 3D DLP ........................................................................... 31
3.2.1. Nguyên lý in của công nghệ DLP .................................................. 31
3.2.2. Ưu và nhược điểm của công nghệ DLP ......................................... 33
3.2.3. Ứng dụng công nghệ in 3D bằng phương pháp DLP ..................... 33
Nguyên lý đóng rắn của nhựa epoxy bằng tia UV ................................ 36

3.3.1. Cơng thức hóa học nhựa epoxy ...................................................... 36
3.3.2. Tia UV ............................................................................................ 38
3.3.3. Nguyên lý đóng rắn bằng tia UV ................................................... 39
Các thông số kỹ thuật của máy in 3D (DLP) ........................................ 40
3.4.1. Vật liệu tạo mẫu ............................................................................. 40
3.4.2. Độ dày lớp (Layer Thickness) ........................................................ 42

xiv


3.4.3. Thời gian phơi sáng (Exposure Time)............................................ 43
3.4.4. Góc hình thành sản phẩm ............................................................... 43
3.4.5. Cấu trúc in bên trong đối tượng (Infill Pattern) ............................. 44
3.4.6. Vật liệu hỗ trợ ................................................................................. 45
Chương 4 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..........................48
Các thông số khi tiến hành in ................................................................ 48
4.1.1. Độ dày lớp (Layer Thickness) ........................................................ 48
4.1.2. Thời gian phơi sáng (Exposure Time)............................................ 49
4.1.3. Góc hình thành sản phẩm ............................................................... 49
Thiết kế thí nghiệm................................................................................ 50
4.2.1. Kích thước chi tiết mẫu đề xuất ..................................................... 50
4.2.2. Các bước thực nghiệm .................................................................... 50
Kết quả thực nghiệm ............................................................................. 52
4.3.1. Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố ....................................................... 52
4.3.2. Kết quả thí nghiệm đa yếu tố ......................................................... 61
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..........................................................................69
1.

Kết luận ............................................................................................. 69

2.

Kiến nghị ........................................................................................... 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................71
PHỤ LỤC .........................................................................................................76

xv


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AM

Additive Manufacturing

Công nghệ bồi đắp vật liệu

FDM

Fused Deposition Modeling

In lắng đọng

American Society for Testing

Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm

Materials

Mỹ

SLA

Stereo Lithography Aparatus

In lập thể

DLP

Digital Light Processing

Xử lý ánh sáng kỹ thuật số

ASTM

xvi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Một sản phẩm của cơng nghệ in 3D...........................................................6
Hình 1.2: Máy in 3D có thể in mạch điện tử [4] ........................................................8
Hình 1.3: Bộ váy in 3D được diễn trên sàn catwalk [5] ............................................8
Hình 1.4: Xe Urbee [3]...............................................................................................9
Hình 1.5: Xe “Divergent Microfactories Blade”[6]. ..................................................9
Hình 1.6: Máy bay chim ưng biển MV-22 của Mỹ[6] .............................................10
Hình 1.7: Tên lửa được in 3D[4] ..............................................................................10
Hình 1.8: Máy in 3D Made in Space thử nghiệm trên tàu giả lập không trọng lượng
Vomit Comet[4] ........................................................................................................11
Hình 1.9: Thức ăn được làm từ máy in 3D[4]..........................................................12
Hình 1.10: Cơng nghệ in 3D là cơng cụ hỗ trợ đắc lực cho y học [7] .....................12

Hình 1.11: Hình ảnh tai, tay, hàm răng được chế tạo bằng công nghệ in 3D[4] .....13
Hình 1.12: Căn biệt thự được “in” bằng cơng nghệ in 3D [6] .................................13
Hình 1.13: Cầu được xây dựng bằng cơng nghệ in 3D [6] ......................................14
Hình 1.14: Tạo ra các mơ hình kiến trúc khi sử dụng cơng nghệ in 3D ..................14
Hình 1.15: Cơng nghệ in 3D khơi nguồn sáng tạo cho trẻ em [7] ...........................15
Hình 1.16: In 3D và cuộc cách mạng trong lớp học [4] ...........................................15
Hình 1.17: Những chi tiết trong các đồ vật được tạo ra nhờ in 3D[4] .....................16
Hình 1.18: Máy in FDM...........................................................................................17
Hình 1.19: Sản phẩm của máy in FDM ...................................................................17
Hình 1.20: Máy in SLA[10] .....................................................................................17
Hình 1.21: Máy in 3D Digital Light Processing (DLP)[1] ......................................18
xvii


Hình 1.22: Cơng nghệ in 3D JP [12] ........................................................................19
Hình 1.23: Cơng nghệ tạo hình liên tục (CLIP)[10] ................................................20
Hình 1.24: Một số dạng sản phẩm của SLS .............................................................20
Hình 1.25: Cơng nghệ in 3D 3DP ............................................................................21
Hình 1.26: Hình dáng máy in 3D cơng nghệ LOM .................................................22
Hình 2.1: Nhựa lỏng Anycubic[29] .........................................................................25
Hình 2.2: Máy in 3D Anycubic LCD photon...........................................................26
Hình 2.3: Máy thử nghiệm kéo nén vạn năng 1000PC[27] .....................................27
Hình 2.4: Mơ hình bài tốn hộp đen mơ tả q trình nghiên cứu ............................28
Hình 3.1: Ngun lý cơng nghệ DLP [30] ...............................................................33
Hình 3.2: Tạo mẫu ngành kiến trúc..........................................................................34
Hình 3.3: Tạo mẫu nghệ thuật ..................................................................................34
Hình 3.4: Tạo mẫu kim hồn....................................................................................35
Hình 3.5: Tạo mẫu trong y khoa ..............................................................................35
Hình 3.6: Tạo mẫu phức tạp .....................................................................................35
Hình 3.7: Cơng thức hóa học nhựa Epoxy (preolyme và monome) ........................36

Hình 3.8: Cơng thức hóa học nhựa Epoxy nền Bisphenol – A ................................37
Hình 3.9: Cơng thức hóa học Bisphenol A ..............................................................37
Hình 3.10: Cơng thức hóa học Epichlorohydrin ......................................................37
Hình 3.11: Cơng thức hóa học nhựa Epoxy nền Bisphenol – F...............................37
Hình 3.12: Cơng thức hóa học nhựa epoxy phenol novolac (EPN) .........................38
Hình 3.13: Cơng thức hóa học nhựa epoxy cresol novolac (ECN) ..........................38
Hình 3.14: Nguyên lý đóng rắn bằng tia UV ...........................................................40

xviii


Hình 3.15: Máy in 3D DLP ......................................................................................41
Hình 3.16: In nhân vật Game[18] ............................................................................41
Hình 3.17: In mơ hình hàm răng[18] .......................................................................42
Hình 3.18: In mơ hình chiếc nhẫn[18] .....................................................................42
Hình 3.19: Thiết lập góc α= 45o với mẫu thử kéo....................................................44
Hình 3.20: Thiết lập góc β = 45o với mẫu thử kéo ...................................................44
Hình 3.21: Tỷ lệ lấp đầy từ 20% (trái), 50% (giữa) và 75% (phải)[21]. .................45
Hình 3.22: Mật độ điền đầy 8, 15, 28, 45% [20] .....................................................45
Hình 3.23: Phần nhơ ra nghiên 1 góc lớn hơn 45o cần vật liệu hỗ trợ .....................46
Hình 3.24: Mẫu in sử dụng support .........................................................................47
Hình 4.1: Kích thước mẫu kéo .................................................................................50
Hình 4.2: Mẫu sau khi in ..........................................................................................51
Hình 4.3: Mẫu kéo trước và sau khi thử kéo ............................................................51
Hình 4.4: Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của độ dày lớp đến độ bền kéo ...................55
Hình 4.5: Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của thời gian phơi sáng ...............................57
Hình 4.6: Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của góc hình thành sản phẩm .....................59
Hình 4.7: Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của góc hình thành sản phẩm .....................61
Hình 4.8: Đồ thị quan hệ giữa độ bền kéo với độ dày lớp .......................................66

xix


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 4.1: Độ dày của các lớp ...................................................................................48
Bảng 4.2: Thời gian phơi sáng ..................................................................................49
Bảng 4.3: Các góc hình thành sản phẩm ...................................................................49
Bảng 4.4: Kết quả độ bền kéo cho các lớp, thời gian phơi sáng và góc hình thành sản
phẩm khác nhau .........................................................................................................52
Bảng 4.5: Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố theo độ dày lớp .......................................53
Bảng 4.6: Kết quả phân tích phương sai của độ dày lớp (D) ....................................54
Bảng 4.7: Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố theo thời gian phơi sáng..........................56
Bảng 4.8: Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố theo góc anpha (α) ..................................57
Bảng 4.9: Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố theo góc beta (β) .....................................59
Bảng 4.10: Kết quả phân tích phương sai góc beta(β) ..............................................60
Bảng 4.11: Miền thực nghiệm ...................................................................................62
Bảng 4.12: Ma Trận quy hoạch thực nghiệm phương án quay bậc 2 .......................63
Bảng 4.13: Bảng ma trận thực nghiệm......................................................................64
Bảng 4.14: Kết quả đa yếu tố của độ dày lớp và góc beta đến độ bền kéo của nhựa
resin ...........................................................................................................................64
Bảng 4.15: Kết quả phân tích phương sai của độ bền kéo (BK) ...............................65
Bảng 4.16: Kết quả bài tốn tối ưu .............................................................................67
Bảng 4.17: Kết quả thí nghiệm kiểm chứng chỉ số tối ưu của các thông số .............68

xx


MỞ ĐẦU
1.

Đặt vấn đề
Công nghệ in 3D hoặc được gọi là Công nghệ bồi đắp vật liệu (AM – Additive

Manufacturing) được thế giới coi là một trong những công nghệ quan trọng của cách
mạng công nghiệp hiện nay. Công nghệ bồi đắp vật liệu là một quá trình dùng các vật
liệu để chế tạo nên sản phẩm 3D bằng phương pháp đắp chồng từng lớp vật liệu lên
nhau, từ dữ liệu thiết kế 3D đã được vẽ sẵn trên phần mềm CAD (Computer Aided
Design). Với công nghệ bồi đắp này giúp các nhà thiết kế có thể tạo ra các sản phẩm
chính xác từ mơ hình 3D CAD với độ phức tạp cao trong khoảng thời gian ngắn và
chi phí thấp hơn so với các công nghệ chế tạo truyền thống. Các sản phẩm của công
nghệ in 3D ngày càng nhiều. Trong những năm gần đây thì cơng nghệ in 3D đã được
các nhà nghiên cứu triển khai đưa vào các lĩnh vực công nghiệp, khoa học và cuộc
sống xã hội hàng ngày. Cho đến nay công nghệ in 3D đã đạt được nhiều thành cơng
lớn và phong phú.
Trong đó, các công nghệ in 3D từ vật liệu lỏng đang là hướng phát triển của cả
thế giới nên sản phẩm được sản xuất từ công nghệ in 3D từ vật liệu lỏng rất đa dạng.
Trong các công nghệ in 3D từ vật liệu lỏng thì cơng nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số
(DLP) đáp ứng được các yêu cầu về tốc độ in, độ chính xác, độ phức tạp và độ láng
mịn của sản phẩm. Tuy nhiên, chất lượng sản phẩm của cơng nghệ in 3D này cịn cần
phải được nghiên cứu và cải tiến thêm để có thể đáp ứng nhu cầu của sử dụng, đặc
biệt là cơ tính của sản phẩm.
Để góp phần định hướng giảm chi phí, thời gian chế tạo và nâng cao chất lượng
của các sản phẩm in 3D bằng công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) nên đề tài
“Ảnh hưởng thông số in 3D của công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) đến độ
bền kéo sản phẩm” đã được triển khai và thực hiện. Kết quả của đề tài sẽ góp phần
phục vụ các nghiên cứu về in 3D bằng công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP),
đồng thời giúp cho các cơ sở chế tạo máy và sản xuất các sản phẩm in 3D sử dụng
công nghệ công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) có các thơng số cơng nghệ

1

khả thi áp dụng vào quy trình chế tạo, sản xuất phù hợp nhằm nâng cao chất lượng
sản phẩm in.
2.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
2.1. Ý nghĩa khoa học

- Nghiên cứu và bổ sung cơ sở lý thuyết về cơng nghệ bồi đắp vật liệu (AM)
nói chung và cơng nghệ DLP nói riêng.

- Nghiên cứu chế tạo mẫu kéo để kiểm tra các thông số công nghệ khác nhau
bằng phương pháp công nghệ DLP.

- Xác định được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ chính với các yếu
tố quyết định tới khả năng ảnh hưởng đến độ bền kéo, từ đó đưa ra được vùng thông
số công nghệ phù hợp.
2.2. Ý nghĩa thực tiễn

- Góp phần đề ra được một phương án phù hợp trong việc chế tạo, sản xuất các
sản phẩm in từ công nghệ DLP ở các xưởng sản xuất tại Việt Nam.

- Kết quả nghiên cứu đạt được có thể ứng dụng vào việc chế tạo các chi tiết
chịu kéo trong công nghiệp.

- Giảm được thời gian, công sức, nâng cao chất lượng sản phẩm mang lại hiệu
quả kinh tế và tăng tính cạnh tranh cho một số lĩnh vực chế tạo các sản phẩm bằng
công nghệ DLP.
3.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
3.1. Mục tiêu chung
Mục tiêu chung của đề tài là nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D bằng công

nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) đến độ bền kéo sản phẩm. Qua đó, các thơng
số công nghệ in 3D bằng phương pháp công nghệ DLP, tiêu chuẩn ASTM D-638
cũng được khảo sát và chỉ rõ.
3.2. Mục tiêu cụ thể
Từ mục tiêu chung của đề tài, các mục tiêu cụ thể được đặt ra cho đề tài như
sau:

2


- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đến độ bền kéo của sản phẩm khi in
bằng công nghệ DLP theo tiêu chuẩn ASTM D-638;

- Dùng nhựa lỏng Anycubic để chế tạo mẫu kéo bằng phương pháp công nghệ
DLP;

- Kiểm tra và phân tích độ bền kéo của sản phẩm in 3D bằng cơng nghệ DLP;
- Tìm ra quy luật thay đổi của độ bền kéo phụ thuộc vào các yếu tố bằng phân
tích hồi quy và đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thơng số chính đến độ bền kéo
của sản phẩm nhựa của công nghệ DLP bằng phương pháp thực nghiệm.
4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.1. Đối tượng nghiên cứu

- Công nghệ in 3D bằng phương pháp DLP;
- Các thông số công nghệ khi in bằng phương pháp DLP ảnh hưởng đến độ
bền kéo của sản phẩm;

- Độ bền kéo của sản phẩm in bằng phương pháp DLP theo tiêu chuẩn ASTM
D-638.
4.2. Phạm vi nghiên cứu
Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu các công việc sau đây được thực hiện:

- Phương pháp in là phương pháp DLP;
- Dùng nhựa lỏng Anycubic để in các mẫu thực nghiệm;
- In thực nghiệm các chi tiết mẫu theo tiêu chuẩn ASTM D-638, được kiểm tra
đánh giá độ bền kéo bằng phương pháp thử kéo.

- Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thơng số chính đến độ bền kéo của sản
phẩm nhựa của công nghệ DLP bằng phương pháp thực nghiệm.
5.

Điểm mới của luận văn
Hiện nay, công nghệ in 3D bằng phương pháp DLP còn mới ở Việt Nam. Các

nghiên cứu về chất lượng sản phẩm được in bằng cơng nghệ in 3D bằng phương pháp
DLP cịn ít. Vì vậy nghiên cứu ảnh thưởng các thơng số in 3D của công nghệ xử lý
ánh sáng kỹ thuật số (DLP) đến độ bền kéo của sản phẩm giúp hệ thống hóa và bở

3


sung cơ sở lý thuyết về công nghệ in 3D của công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số
(DLP) nói riêng và cơng nghệ in 3D nói chung của nước ta.

6.

Kết cấu của luận văn
Nội dung nghiên cứu của đề tài được cầu trúc trong 4 chương với các trình bày

chi tiết như sau:

- Mở đầu
Giới thiệu lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu của đề tài cũng như giới
hạn phạm vi nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, …

- Chương 1: Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Giới thiệu công nghệ in AM, giới thiệu vật liệu in trong công nghệ in 3D, các
công nghệ in 3D phổ biến hiện nay, …

- Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Trình bày nội dung nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, kế hoạch thực hiện
của đề tài.

- Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Trình bày nguyên lý chung của công nghệ in 3D, công nghệ DLP, nguyên lý
đóng rắn của nhựa expoxy bằng tia UV, ...

- Chương 4: Thực nghiệm và kết quả nghiên cứu
Trình bày các thông số công nghệ khi in sử dụng công nghệ DLP, thiết kế
thực nghiệm, kết quả thực nghiệm.

- Kết luận và kiến nghị
Nhận xét và đánh giá các kết quả thu được, đưa ra phương hướng phát triển
thêm cho đề tài.

- Tài liệu tham khảo
- Phụ lục.

4


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
Giới thiệu về cơng nghệ in 3D
Có rất nhiều thuật ngữ khác nhau dùng để nói về cơng nghệ bồi đắp vật liệu.
Theo Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Mỹ. Công nghệ in 3D trái ngược với công nghệ
cắt gọt truyền thống dùng, cơng nghệ in 3D là một q trình sử dụng các vật liệu để
chế tạo ra mơ hình 3D bằng phương pháp đắp chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau[1].
In 3D là một quá trình chế tạo một vật thể ba chiều từ mơ hình 3D kỹ thuật số
được xây dựng bởi phần mềm CAD. In 3D bao gồm các công đoạn khác nhau được
kết hợp với nhau để tạo ra một sản phẩm ba chiều. Khi tiến hành in 3D, các lớp
nguyên liệu được đắp chồng lên nhau và được định dạng trong sự kiểm sốt của máy
tính để tạo ra các mơ hình. Đầu tiên, ta chuẩn bị ngay trước khi in một bản thiết kế
vật thể 3D của đối tượng bạn muốn in. Vật thể 3D này có thể được tạo bằng phần
mềm CAD hoặc với máy qt 3D. Tiếp theo, khi mơ hình vật thể đã được hoàn thiện,
ta dùng phần mềm chia nhỏ mẫu thiết kế thành nhiều lớp khác nhau và chuyển thông
tin đó đến các thiết bị in 3D. Sau đó, máy in 3D sẽ tự chế tạo vật thể theo từng lớp từ
trên xuống dưới hoặc từ dưới lên trên cho đến khi vật thể cần sản xuất được hoàn
thiện.
Sau khi sản phẩm được máy in xong chúng còn được trải qua khâu hồn thiện
sản phẩm. Có thể là khâu loại bỏ các giá đỡ, bụi bẩn hoặc các vật liệu khác bám trên
sản phẩm. Hoặc các sản phẩm được thiêu kết để đạt được độ hoàn hảo trên sản phẩm.
Ngành công nghiệp in 3D ngày càng đổi mới về phần cứng cũng như các vật
liệu và quy trình để tạo ra các đối tượng hoặc các bộ phận. Tùy thuộc vào nhiều yếu

tố như ngân sách, thiết kế hoặc chức năng, việc chọn quy trình in 3D phù hợp cũng
như chất liệu phù hợp là rất quan trọng. In 3D có thể tạo ra nhiều đối tượng in 3D
khác nhau mà trước đây chỉ được chế tạo thông qua các phương pháp sản xuất hàng
loạt.

5


Hình 1.1: Một sản phẩm của cơng nghệ in 3D
Ưu và nhược điểm của cơng nghệ in 3D
In 3D có rất nhiều ưu điểm so với các phương pháp cắt gọt truyền thống. Khi
áp dụng công nghệ in 3D, các ý tưởng của nhà thiết kế được xây dựng, tùy chỉnh trên
các phần mềm thiết kế sau đó sử dụng phần mềm cắt lát để chia mơ hình thành từng
lớp nhỏ tùy theo nhà thiết kê. Các tập tin thiết kế đó được chuyển trực tiếp tới một bộ
phận hồn chỉnh sản phẩm và tiến hành in sản phẩm. Như vậy, quá trình in 3D được
rút ngắn nhiều bước so với sản xuất truyền thống. Do đó, chi phí, thời gian để sản
xuất một sản phẩm giảm đi rất nhiều.
In 3D cũng có thể tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu chế tạo sản phẩm, làm
giảm lượng vật liệu bị lãng phí trong sản xuất và tạo ra các vật thể có độ phức tạp
hoặc sản phẩm khơng thể sản xuất với các kỹ thuật truyền thống thông thường.
Công nghệ in 3D cịn ưu điểm nởi bật là tạo ra mẫu một cách nhanh chóng.
Cơng nghệ này có thể chế tạo một sản phẩm hoàn thiện với thời gian ngắn. Bình
thường, một sản phẩm mới được tạo ra mất khoảng từ 1 – 72 giờ, tùy thuộc vào cấu
trúc và độ phức tạp của sản phẩm. Nhưng khi so với thời gian mà một sản phẩm được
tạo ra từ các cơng nghệ chế tạo truyền thống thì nó nhanh hơn rất nhiều. Vậy nên các
sản phẩm được tạo ra tốn ít chi phí và thời gian, đáp ứng kịp thời nhu cầu sử dụng.
Công nghệ in 3D ngày càng phát triển đa dạng, các sản phẩm in 3D được tạo ra
với nhiều chủng loại khác nhau về vật liệu, dạng khối…. Máy in 3D có kích thước
rất khác nhau, đa dạng về chủng loại, từ những máy có kích thước có thể đặt trong

6


nhà, hộ gia đình với khơng gian nhỏ cho đến những máy có kích thước lớn dùng trong
các nhà máy sản xuất.
Cơng nghệ in 3D có thể in được sản phẩm với các nguyên liệu khác nhau trong
một lần in. Ví dụ như sử dụng cơng nghệ in 3D DLP ta có thể in nhiều loại nhựa có
tính chất khác nhau lên một sản phẩm tùy theo mục đích sử dụng và thiết kế của nhà
sản xuất. Các sản phẩm tạo ra cũng có độ chính xác nhất định tùy thuộc từng loại
cơng nghệ in mà sản phẩm có độ chính xác cao hay thấp.
Tóm lại, cơng nghệ in 3D có những ưu điểm chính sau: Tốc độ tạo ra sản phẩm
rất nhanh so với công nghệ truyền thống; Chi phí sản xuất thấp; Đa dạng về vật liệu
tạo ra sản phẩm và các ứng dụng rộng rãi; In được các vật có cấu tạo hình học phức
tạp trong một lần in; Sản phẩm được tạo ra từ công nghệ là đa dạng màu sắc….
Về các hạn chế hiện tại của cơng nghệ in 3D, nó rất khác nhau tùy theo từng
loại công nghệ in, bao gồm tốc độ in của một số công nghệ chưa cao so với yêu cầu
đặt ra, kích thước sản phẩm in bị hạn chế, các chi tiết có độ sai lệch chưa đạt do hạn
chế về độ phân giải, độ bền của các sản phẩm cũng chưa đạt yêu cầu cao.
Công nghệ in 3D hiện nay đã được ứng dụng vào tất cả các lĩnh vực trong cuộc
sống và ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp như: hàng không, y tế, giáo
dục, kiến trúc, trang sức, ô tô, điện tử, quân đội.... Mặc dù là công nghệ mới được
phát triển trong thời gian gần đây công nghệ in 3D đã đạt được những thành tựu đáng
kể. Cụ thể một số thành công trong nghiên cứu, đã được triển khai trong các lĩnh vực
của ở các nước về công nghệ in 3D như sau:
Trong ngành công nghiệp điện tử:
Trong công nghiệp điện tử máy in 3D được sử dụng để sản xuất các sản phẩm
phức tạp và kết hợp các vật liệu khác nhau để tạo ra sản phẩm theo mục đích sử dụng
đã và đang là trào lưu phát triển của ngành công nghiệp này. Với công nghệ này các
chi tiết nhỏ phức tạo được sản xuất ra một cánh nhanh chóng và chính xác hơn.

7


Hình 1.2: Máy in 3D có thể in mạch điện tử [4]
Trong cơng nghiệp thời trang:
Cơng nghệ in 3D cịn len lỏi vào trong ngành may mặc thời trang. Thậm chí có
những b̉i trình diễn thời trang mà người người mẫu trình diễn những trang phục
được sản xuất hồn tồn bằng cơng nghệ in 3D.

Hình 1.3: Bộ váy in 3D được diễn trên sàn catwalk [5]
Trong công nghiệp ô tô:
Tưởng chừng như công nghệ in 3D không thể xâm nhập vào ngành cơng nghiệp
ơ tơ vì đây là ngành chun sản xuất những bộ phận động cơ cao cấp, nhưng thực tế
hiện nay đã có những chiếc xe được sản xuất ra từ công nghệ in 3D. Minh chứng cho
điều này thì một chiếc xe tên là Urbee đã được sản xuất từ công nghệ in 3D.

8


Hình 1.4: Xe Urbee [3]
Ngồi ra, hãng Divergent Microfactories vào ngày 25/6/2015 đã cho ra mắt
chiếc Divergent Microfactories Blade có thiết kế hiện đại và vô cùng bắt mắt. Chiếc
xe này có cơng suất tới 700 mã lực, nhưng thật bất ngờ là chiếc xe được sản xuất
bằng công nghệ in 3D.

Hình 1.5: Xe “Divergent Microfactories Blade”[6].
Trong nghành cơng nghiệp hàng không:
Mỹ chế tạo máy bay “Chim ưng biển” MV-22 bằng Công Nghệ In 3D của hải
quân Mỹ đánh dấu sự phát triển của công nghệ in 3D. Công nghệ in 3D cịn có thể
dùng để sản xuất ra các cấu kiện theo mẫu chiếc MV-22. Với công nghệ in 3D nhiều

lớp vật liệu mỏng đắp chồng lên nhau và được liên kết bằng các chất phụ gia giúp

9


hình dáng của sản phẩm đạt đến mức hồn hảo. Máy in đáp ứng các yêu cầu phức
tạp, làm cho nó mạnh hơn và nhẹ hơn trong một thời gian ngắn. Các bộ phận máy
bay được in bằng công nghệ 3D nên nhẹ hơn.

Hình 1.6: Máy bay chim ưng biển MV-22 của Mỹ[6]
Bên cạnh đó, cơng nghệ in 3D cũng được áp dụng vào sản xuất các loại vũ khí
đặc biệt dùng cho ngành cơng nghiệp quốc phịng để giảm chi phí. Với cơng nghệ in
3D ta hồn tồn có thể in được một khẩu súng hoặc một tên lửa mang tính sát thương
cao khơng khác gì nhiều so với vũ khí thơng thường.

Hình 1.7: Tên lửa được in 3D[4]
Trong ngành hàng không vũ trụ:
Hiện nay ứng dụng công nghệ in 3D rất nhiều trong cuộc sống. Vì vậy việc đưa
các máy in 3D ra ngồi khơng gian đang là những ý tưởng táo bạo. Dựa vào máy in
3D này các nhà du hành vũ trụ có thể tự mình khắc phục những hư hỏng thông thường

10


của các máy móc thiết bị trong khi đang thực hiện chuyến du hành giúp rút ngắn thời
gian sửa chữa và có thể tiếp tục du hành.

Hình 1.8: Máy in 3D Made in Space thử nghiệm trên tàu giả lập không trọng
lượng Vomit Comet[4]
Trong công nghiệp thực phẩm:

Trong giai đoạn hiện nay sự phát triển nhanh của xã hội, con người ngày càng
bận rộn với cơng việc của mình và việc giành thời gian để chế biến một món ăn là
một điều rất khó khăn. Để rút ngắn thời gian này, người ta lại nghĩ tới việc sử dụng
những chiếc máy in 3D để tạo ra một món ăn vừa đẹp mắt và tốn ít thời gian là cần
thiết. Từ đó, những chiếc máy in 3D được đưa vào trong công việc sản xuất thực
phẩm ngày càng nhiều. Những chiếc máy in thực phẩm 3D được lập trình và tạo ra
các sản phẩm như: sô-cô-la, bánh pizza, mỳ, kẹo…Máy in thực phẩm này tạo ra các
thực phẩm thông qua các vòi phun, các vòi phun này nhả ra các thực phẩm ăn được
ở dạng lỏng và đắp chồng từng lớp lên nhau để tạo hình dáng bắt mắt cho thực phẩm
với nhiều màu sắc đa dạng từ đó kích thích thị hiếu và nhu cầu của khách hàng.

11


Hình 1.9: Thức ăn được làm từ máy in 3D[4]
Trong y tế:
Trong lĩnh vực y học, độ chính xác là yếu tố quan trọng trong y học. Mơ hình
mơ phỏng não, mô phỏng tim, mô phỏng các khớp xương 3D có độ chính xác cao sẽ
giúp các bác sĩ có cái nhìn trực quan từ đó việc lên kế hoạch, tiến hành phẫu thuật sẽ
dễ dàng và có tỉ lệ thành cơng cao hơn.

Hình 1.10: Cơng nghệ in 3D là công cụ hỗ trợ đắc lực cho y học [7]
Các sản phẩm của công nghệ in 3D được dùng trong việc hỗ trợ đào tạo đội ngũ
y bác sĩ mới đạt hiệu quả cao.

12


Cơng nghệ in 3D trong y học có những đóng góp to lớn trong việc tạo ra các bộ
phận thay thế cho những người khuyết tật như sản xuất ra các bộ phận: tai, mũi,

xương, răng, chân, tay …

Hình 1.11: Hình ảnh tai, tay, hàm răng được chế tạo bằng công nghệ in 3D[4]
Trong kiến trúc và xây dựng:
Việc thiết kế tạo ra các mơ hình thu nhỏ trong ngành kiến trúc và xây dựng là
rất cần thiết để có thể phát triển các dự án và thu hút vốn đầu tư. Vì vậy, việc ứng
dụng cơng nghệ in 3D trong ngành kiến trúc giúp tạo ra các mơ hình thiết kế một cách
nhanh chóng và chính xác hơn rút ngắn được thời gian thiết kế. Thực tế hiện nay đã
có những máy in 3D khởng lồ xử dụng vật liệu phổ biến là nhựa và bê tông, dùng để
xây dựng các ngôi nhà. Áp dụng phương pháp in 3D trong xây dựng giúp cải thiện
đáng kể về thời gian, chất lượng, chi phí, đặc biệt là nhân cơng lao động.

Hình 1.12: Căn biệt thự được “in” bằng cơng nghệ in 3D [6]

13


Cơng nghệ in 3D có thể xây dựng nên những cơng trình có cấu trúc ấn phức tạp
những vẫn tồn tại theo thời gian và đảm bảo an toàn cho lao động rút ngắn được chi
phí, thời gian. Cơng nghệ in 3D đang dần phát triển trở thành một trào lưu xây dựng
mới của cả thế giới.

Hình 1.13: Cầu được xây dựng bằng công nghệ in 3D [6]
Nhờ sự giúp đỡ của công nghệ in 3D việc tạo ra các mơ hình kiến trúc cực kỳ
đơn giản giúp nhà thiết kế có nhiều thời gian cho cơng việc thiết mới.

Hình 1.14: Tạo ra các mơ hình kiến trúc khi sử dụng công nghệ in 3D

14

Trong giáo dục:
Việc khơi nguồn sáng tạo, trí tưởng của học sinh, sinh viên trong ngành giáo
dục đang là nhiệm vụ khó khăn. Với áp dụng cơng nghệ in 3D vào giảng dạy đang
bước phát triển hiện nay.

Hình 1.15: Cơng nghệ in 3D khơi nguồn sáng tạo cho trẻ em [7]
Khơi gợi hứng thú, tạo điều kiện thuận lợi phát triển chương trình giáo dục
STEM (Science-Technology-Engineering- Mathematics), kích thích việc thúc đẩy kỹ
năng giải quyết vấn đề, tiếp cận với các đối tượng học tập mới, mở ra các khả năng
học tập mới đang là những lợi ích thiết thực mà cơng nghệ in 3D mang lại cho giáo
dục.

Hình 1.16: In 3D và cuộc cách mạng trong lớp học [4]

15