Nghiên cứu chế tạo sợi composite nền polyme cốt hạt kim loại định hướng ứng dụng trong công nghệ in 3d

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu chế tạo sợi composite nền
polyme cốt hạt kim loại định hướng
ứng dụng trong công nghệ in 3D
NGUYỄN VĂN ĐẠT


Ngành Khoa học Vật liệu

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS. Lê Thái Hùng

Viện:

Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu

HÀ NỘI, 06/2020
i


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu chế tạo sợi composite nền
polyme cốt hạt kim loại định hướng
ứng dụng trong công nghệ in 3D
NGUYỄN VĂN ĐẠT

Ngành Khoa học Vật liệu

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS. Lê Thái Hùng

Viện:

Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu

HÀ NỘI, 06/2020
ii

Chữ ký của GVHD


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Văn Đạt
Đề tài luận văn: Nghiên cứu chế tạo sợi composite nền Polyme cốt hạt
kim loại định hướng ứng dụng trong công nghệ in 3D
Chuyên ngành: Khoa học vật liệu
Mã số SV: CA180173
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
23/06/2020 với các nội dung sau:

- Tác giả đã trích dẫn đầy đủ các tài liệu tham khảo vào trong nội dung của
luận văn
- Chỉnh sửa các thuật ngữ cho phù hợp với chuyên môn
- Chỉnh sửa các lỗi chính tả, hành văn
Ngày 29 tháng 06 năm 2020
Giảng viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

PGS. Lê Thái Hùng

Nguyễn Văn Đạt

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS. Trần Văn Dũng

3


ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Nghiên cứu chế tạo sợi composite nền Polyme cốt hạt kim loại định hướng ứng
dụng trong công nghệ in 3D.
Học viên: Nguyễn Văn Đạt
Mã số HV: CA180173

Giáo viên hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)

PGS. Lê Thái Hùng

4


Lời cảm ơn
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ,
đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của các thầy cơ.
Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS. Lê Thái Hùng,
giảng viên hướng dẫn, người đã tận tình hướng dẫn khoa học, chỉ bảo em trong
suốt quá trình làm luận văn. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Thày cô trong
Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, các Thày cô trong Viện Khoa học và Kỹ
thuật Vật liệu đã trang bị cho em các kiến thức cơ sở và đóng góp ý kiến để hồn
thành nội dung luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn các bạn sinh viên Bộ môn Cơ học Vật liệu và Cán
kim loại trong nhóm nghiên cứu về công nghệ in 3D đã giúp đỡ tôi trong quá trình
tiến hành thực nghiệm.

Tóm tắt nội dung luận văn
Luận văn trình bày tổng quan về in 3D, các cơng nghệ in 3D, các loại vật liệu
in 3D và các công trình nghiên cứu về vật liệu compozit trong in 3D bằng cơng
nghệ FDM hiện nay. Trong đó, vật liệu sợi composite tạo nên một số tính chất nổi
trội hơn so với vật liệu sợi nhựa thơng thường. Tính chất cơ nhiệt được cải thiện
đáng kể khi được tăng cường thêm một số loại cốt ở một lệ nhất định. Tuy nhiên,
còn một số hạn chế như khả năng phân tán đồng đều của cốt trong nền nhựa, các
hạt kim loại có thể gây tắc vịi in cũng như nhiều loại vật liệu cốt trên nền polyme
có tính chất ưu việt chưa được nghiên cứu.
Trong đề tài luận văn này, sợi compozit nền polyppropylene (PP) cốt hạt
Titanium hydride (TiH2) đã được chế tạo thành công sử dụng cho công nghệ in 3D
FDM (Fused Deposition Modeling). Cốt hạt TiH2 được trộn đều trong nhựa PP
với tỷ lệ 2,3,4 và 6% khối lượng sau đó ép đùn thành sợi có đường kính

1.75±0.1mm. Các sợi sau khi ép đùn được đánh giá cấu trúc và kiểm tra độ bền
kéo. Kết quả cho thấy, sợi với các tỷ lệ khối lượng TiH2 có cơ tính cải thiện rõ rệt
và cốt hạt TiH2 phân tán khá đồng đều trong nền PP. Sợi sau khi ép đùn đã được
in thử nghiệm đáp ứng điều kiện công nghệ in 3D FDM.
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên

Nguyễn Văn Đạt

5


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. v
LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CÔNG
NGHỆ IN 3D ......................................................................................................... 3
1.1. Tổng quan công nghệ in 3D ...................................................................... 3
1.1.1. Khái niệm ............................................................................................. 3
1.1.2. Lịch sử phát triển ................................................................................. 3
1.1.3. Ứng dụng của công nghệ in 3D ........................................................... 6
1.2. Các công nghệ in 3D hiện nay ................................................................ 12
1.2.1. Fused Deposition Modeling (FDM):.................................................. 12
1.2.2. Stereolithography (SLA): ................................................................... 14
1.2.3. Digital Light Processing (DLP): ........................................................ 15
1.2.4. Selective Laser Sintering (SLS): ........................................................ 16
1.2.5. Selective laser melting (SLM): .......................................................... 17
1.3. Vật liệu ứng dụng trong công nghệ in 3D ............................................. 18
1.3.1. Polymer .............................................................................................. 18

1.3.2. Kim loại .............................................................................................. 19
1.3.3. Các loại vật liệu khác ......................................................................... 19
1.4. Các nghiên cứu về vật liệu compozit trong in 3D trên thế giới........... 19
1.5. Tình hình phát triển cơng nghệ in 3D trong nước ............................... 31
1.6. Kết luận .................................................................................................... 32
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ............................................. 34
2.1. Vật liệu ..................................................................................................... 34
2.1.1. Bột TiH2 ............................................................................................. 34
2.1.2. Nhựa PP ............................................................................................. 35
2.2. Thiết bị thí nghiệm .................................................................................. 36
2.2.1. Thiết bị ép đùn ................................................................................... 36
2.2.2. Cân tiểu ly .......................................................................................... 37
2.2.3. Thiết bị thử cơ tính ............................................................................. 38
2.2.4. Thiết bị xác định cấu trúc ................................................................... 39
2.2.5. Thiết bị xác định chuyển biến nhiệt vi sai ......................................... 39
2.3. Trình tự thí nghiệm ................................................................................. 41
2.3.1. Chế tạo sợi .......................................................................................... 41
2.3.2. Thí nghiệm đánh giá tính chất vật liệu in........................................... 43
2.4. Kết luận .................................................................................................... 44
i


CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ......................... 45
3.1. Đánh giá cấu trúc vật liệu ...................................................................... 45
3.2. Đánh giá cơ tính sợi ................................................................................ 47
3.3. Nhiệt quét vi sai ....................................................................................... 50
3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đùn đến cơ tính của sợi ................................ 52
3.5. Đánh giá khả năng in 3D của sợi ........................................................... 53
3.6. Kết luận .................................................................................................... 54
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 57
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 58

ii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mạch điện tử được sản xuất bằng phương pháp In 3D .......................................... 7
Hình 1.2. Trang phục In 3D ................................................................................................... 7
Hình 1.3. Ứng dụng cơng nghệ in 3D để chế tạo xe Urbee ................................................... 8
Hình 1.4. Ứng dụng In 3D trong hàng không vũ trụ ............................................................. 8
Hình 1.5. Súng bắn đạn thật được sản xuất bằng In 3D ........................................................ 9
Hình 1.6. Ứng dụng in 3D trong ngành thực phẩm ............................................................... 9
Hình 1.7. Các bộ phận con ngươì được sản xuất bằng In 3D .............................................. 10
Hình 1.8. Mơ hình giảng dạy sản xuất bằng In 3D .............................................................. 10
Hình 1.9. Căn biệt thự được “In” bằng cơng nghệ in 3D .................................................... 11
Hình 1.10. Đồ vật được chế tạo bằng In 3D ........................................................................ 11
Hình 1.11. Máy in 3D Fused Deposition Modeling (FDM) ................................................ 12
Hình 1.12. Chi tiết bị cong vênh sau in ............................................................................... 13
Hình 1.13. Máy in 3D Stereolithography (SLA) ................................................................. 14
Hình 1.14. Máy in 3D Digital Light Processing (DLP) ....................................................... 15
Hình 1.15. Máy in 3D Selective Laser Sintering (SLS) ...................................................... 16
Hình 1.16. Máy in 3D Selective laser melting (SLM) ......................................................... 17
Hình 1.17. Biểu đồ cơng nghệ in 3D được sử dụng............................................................. 18
Hình 1.18. Ứng suất, mơ đun đàn hồi, độ giãn dài của các mẫu ......................................... 22
Hình 1.19. Phổ Raiman của các mẫu ................................................................................... 23
Hình 1.20. Ảnh tổ chức của mẫu ......................................................................................... 24
Hình 1.21.Sự thay đổi của nhiệt độ thủy tinh hóa, ứng suất khi thay đổi thành phần titan
oxit ....................................................................................................................................... 25
Hình 1.22. Sự thay đổi độ bền kéo và mơ đun ..................................................................... 27

Hình 1.23. Ảnh SEM của bề mặt gãy .................................................................................. 29
Hình 1.24. Ảnh lỗ trống của các mẫu .................................................................................. 29
Hình 2.1. Bột TiH2 cung cấp thương mại ............................................................................ 34
Hình 2.2. Nhựa Polypropylene thương mại ......................................................................... 35
Hình 2.3. Máy đùn trục vít đơn............................................................................................ 37
Hình 2.4. Cân tiểu ly với cấp chính xác 0.01g ..................................................................... 37
Hình 2.5. Máy thử cơ tính DEVOTRANS .......................................................................... 38
Hình 2.6. Kính hiển vi quang học kỹ thuật số VHX 7000 ................................................... 39
Hình 2.7. Máy DSC 7020 .................................................................................................... 40
Hình 2.8. Qui trình chế tạo sợi compozit nền polyme ......................................................... 41
Hình 2.9. Mơ hình máy đùn trục vít đơn ............................................................................. 43

iii


Hình 2.10. Mẫu thử kéo được gá vào máy thơng qua hai quả lơ gá mẫu ............................ 44
Hình 3.1. Ảnh tổ chức của mẫu 2 và 3% ở độ phóng đại 500 lần ....................................... 45
Hình 3.2. Ảnh tổ chức của mẫu 2 và 3 % ở độ phóng đại 1000 lần .................................... 46
Hình 3.3. Ảnh tổ chức của mẫu 2 và 3% ở độ phóng đại 2000 lần ..................................... 46
Hình 3.4. Kết quả thử kéo các mẫu nhựa nguyên chất, 2%, 4% và 6% TiH2 ..................... 48
Hình 3.5. So sánh kết quả thử kéo các mẫu nhựa nguyên chất và 2%, 4%, 6% TiH2 ........ 49
Hình 3.6. Kết quả DSC các mẫu nhựa nguyên chất, 2%, 4% và 6% TiH2 ......................... 51
Hình 3.7. Kết quả thử kéo các mẫu 4% TiH2 ở nhiệt độ đùn 175 ͦ C, 180 ͦ C và 185oC ...... 52
Hình 3.8. Máy in 3D SDLs MX250 .................................................................................... 54
Hình 3.9. Mẫu kéo in thử từ sợi compozit chế tạo được ..................................................... 54

iv


DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1. Tỷ lệ phần trăm khối lượng nền nhựa PP, cốt TiH2 và nhiệt độ đùn…………. 41
Bảng 3.1. Nhiệt độ chuyển biến của các mẫu……………………………………………. 51
Bảng 3.2. Thông số in mẫu kéo…………………………………………………………... 53

v



LỜI NĨI ĐẦU
Cơng nghệ in 3D tại Việt Nam nói riêng và trên tồn thế giới nói chung đã
mang lại bước đột phá trong việc chế tạo các đồ vật, hiện thực hóa những ý
tưởng thiết kế tưởng chừng khơng thể thực hiện. Công nghệ in 3D được ứng
dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, công nghệ tạo mẫu nhanh giúp các
doanh nghiệp biến các sáng kiến, ý tưởng của mình thành các sản phẩm thực tế
một cách nhanh chóng và hiệu quả nhất.
Cơng nghệ in 3D tại Việt Nam đã có mặt khoảng năm 2003, tuy nhiên do giá
thành còn cao nên vẫn chưa được ứng dụng nhiều, chủ yếu dùng trong công tác
nghiên cứu. Hiện nay, công nghệ này đã được ứng dụng phổ biến hơn trong rất
nhiều các lĩnh vực từ kiến trúc, xây dựng, thời trang, mỹ thuật, y học, thẩm mỹ,
giáo dục đến các ngành công nghiệp sản xuất…
Vật liệu in 3D tại Việt Nam chủ yếu là nhập khẩu, tuy khá đa dạng về chủng
loại, nhưng vẫn khá khó khăn khi tiếp cận với các loại vật liệu in 3D mới trên thế
giới đã phát triển như vật liệu compozit với nền nhựa cốt hạt kim loại hoặc
cacbon được sử dụng nhiều trong các máy in FDM vốn đã khá phổ biến tại Việt
Nam. Đây cũng là một dấu hiệu cho thấy việc phát triển vật liệu cho in 3D tại
nước ta vẫn chưa thực sự được quan tâm. Tuy nhiên, việc phát triển công nghệ in
3D lại gắn liền phát triển vật liệu in, trên cả thế giới cũng như là ở Việt Nam. Với
sự phát triển của công nghệ in 3D ngày càng phổ biến toàn cầu, nghiên cứu phát
triển vật liệu in 3D sẽ là yếu tố thúc đẩy ngành cơng nghiệp trị giá hàng tỷ đơ

này, cùng đó là thúc đẩy ngành in 3D ở Việt Nam, không chỉ là in những sản
phẩm dịch vụ hay trang trí mà sẽ tiến đến in những chi tiết, vật dụng trong nhiều
lĩnh vực mà thế giới hiện đã đang làm như là xây nhà, cầu, thuyền…hay đơn giản
như những đồ vật gia dụng nhưng cần những chỉ tiêu về chất lượng cao hơn.
Phát triển được vật liệu cho FDM sẽ thúc đẩy công nghệ này đi xa nữa, cụ
thể là phát triển vật liệu compozit nền nhựa đã được nhiều nhà nghiên cứu trên
thế giới quan tâm. Việc phát triển vật liệu in 3D là cần thiết, sẽ là những viên
gạch nền móng cho in 3D ở Việt Nam được phát huy khả năng tiềm năng thực sự
của nó cũng như đóng góp cho ngành in 3D thế giới vẫn cịn đang tiếp tục lớn
mạnh. Hơn nữa, với những kết quả nghiên cứu sẽ đạt được, luận văn sẽ đóng góp

1


vào việc chủ động chế tạo sợi nhựa, sợi compozit nền nhựa trong nước, góp phần
giảm tỉ lệ nhập khẩu hoặc/và thay thế hàng nhập khẩu.
Qua tìm hiểu tài liệu, chưa có bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào trong nước
liên quan đến việc chế tạo sợi compozit nền nhựa với các loại cốt khác nhau.
Chính vì những ưu điểm nổi trội của công nghệ in 3D, cũng như những thách
thức trong việc chế tạo vật liệu compozit dạng sợi, luận văn với đề tài “Nghiên
cứu chế tạo sợi composite nền polyme cốt hạt kim loại định hướng ứng dụng
trong công nghệ in 3D” với mục tiêu chế tạo thành cơng sợi compozit với tính
chất cơ học được cải thiện để ứng dụng cho công nghệ in 3D.
Luận văn sẽ được trình bày trong 3 chương. Chương 1 nghiên cứu tổng quan
liên quan đến các nghiên cứu và ứng dụng cơng nghệ in 3D. Đề xuất q trình
thực nghiệm đi từ vật liệu nhựa PP và cốt hạt TiH2 được trình bày trong chương
2. Chương 3 là kết quả và thảo luận về sợi chế tạo được từ công nghệ ép đùn.

2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG
CÔNG NGHỆ IN 3D

1.1. Tổng quan công nghệ in 3D
1.1.1. Khái niệm
In 3D là một phương pháp chế tạo tiên tiến, là một chuỗi các công đoạn khác
nhau được kết hợp để tạo ra một vật thể ba chiều bắt đầu từ một mơ hình kỹ thuật
số. Trên thực tế, in 3D xây dựng các vật thể 3D với các lớp được thêm vào nhau
trực tiếp từ dữ liệu CAD mà khơng cần khn. Q trình bắt đầu bằng cách xuất
mơ hình CAD 3D của bộ phận sang phần mềm AM điều khiển máy, ở định dạng
STL. Mơ hình STL sau đó được cắt thành các lớp nhỏ nhất có thể và thông tin lát
được gửi đến máy in 3D để tạo các lớp tương ứng. Các lát được in lần lượt cho
đến khi phần được hoàn thành. In từng lớp có thể khác nhau tùy thuộc vào máy
in 3D được sử dụng.
Các công nghệ in 3D đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây và đã
thay đổi khỏi lĩnh vực ứng dụng truyền thống của chúng, cụ thể là tạo mẫu
nhanh. Thật vậy, in 3D hiện đang được sử dụng thường xuyên trong nhiều lĩnh
vực sản xuất khác nhau, từ hàng không vũ trụ và ô tô cho đến kỹ thuật sinh học,
giáo dục, thời trang, thực phẩm...
Vật liệu của in 3D hiện nay khá đa dạng từ nhựa dưới dạng sợi, bột và lỏng,
bột kim loại, các tấm kim loại, thủy tinh và các hợp chất hữu cơ (sử dụng trong in
thực phẩm). Vài năm trở lại đây việc nghiên cứu các vật liệu in compozit đặc biệt
vật liệu in compozit nền polyme sử dụng cho công nghệ FDM được rất nhiều
nhóm thực hiện.
1.1.2. Lịch sử phát triển
Công nghệ in 3D được biết đến vào cuối những năm 1980, với cái tên là
công nghệ Rapid Prototyping (RP). Người xin cấp bằng sáng chế đầu tiên cho
công nghệ RP này là DR.Kodama, người Nhật Bản vào tháng 5-1980. Thật
không may cho DR.Kodama là tài liệu sáng chế đầy đủ của ông lại không nộp

đúng thời hạn 1 năm sau khi nộp đơn,điều tệ hại hơn là người duyệt đơn cho ông
lại là 1 luật sư sáng chế. Tuy nhiên, về mặt thực tế, nguồn gốc của in ấn 3D có
3


thể được bắt nguồn từ năm 1986, khi bằng sáng chế đầu tiên được cấp cho thiết
bị tạo khối (SLA). Bằng sáng chế này thuộc về Charles (Chuck) Hull, người đầu
tiên đã phát minh ra máy SLA vào năm 1983. Hull cũng là người đồng sáng lập
Tổng Công ty Hệ thống 3D - một trong những tổ chức lớn nhất và giàu có nhất
hoạt động trong ngành in 3D hiện nay.
Hệ thống 3D thương mại đầu tiên với công nghệ RP, SLA-1, được giới
thiệu vào năm 1987 và sau khithử nghiệm nghiêm ngặt, hệ thống này đã được
bán vào năm 1988.Là 1 cơng nghệ mới điển hình, SLA có thể tuyên bố họ là
người dẫn đầu trong công nghệ RP, tuy nhiên nó khơng phải là cơng nghệ RP
duy nhất trong sự phát triển vào thời điểm này, vì vào năm 1987, Carl Deckard,
người đang làm việc tại Đại học Texas, đã đệ trình bằng sáng chế tại Hoa Kỳ cho
q trình gia cơng bằng laser thêu kết (Selective Laser Sintering - SLS) RP. Bằng
sáng chế này đã được cấp vào năm 1989 và SLS sau đó được cấp phép cho DTM.
Inc, sau đó được mua lại bởi 3D Systems. Năm 1989 cũng là năm Scott Crump,
đồng sáng lập của Stratasys Inc. đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho Fused
Deposition Modeling (FDM) - công nghệ độc quyền mà công ty vẫn giữ ngày
hôm nay. Bằng sáng chế FDM đã được ban hành cho Stratasys năm 1992. Tại
Châu Âu, năm 1989 cũng chứng kiến sự hình thành của EOS GmbH tại Đức, do
Hans Langer thành lập. Sau một quá trình SL, sự tập trung nghiên cứu và phát
triển của EOS được đặt rất nhiều vào quy trình thiêu kết laser (LS), điều này tiếp
tục vượt xa hơn nhưng thứ ban đầu. Ngày nay, các hệ thống EOS được công
nhận trên toàn thế giới về chất lượng sản xuất cho các ứng dụng sản xuất và chế
tạo công nghiệp bằng in 3D. EOS đã bán hệ thống 'Stereos' đầu tiên vào năm
1990. Quá trình thiêu kết kim loại laser trực tiếp của công ty (DMLS) bắt nguồn
từ một dự án ban đầu với một bộ phận của Electrolux Finland, sau đó được EOS

mua lại.
Các cơng nghệ và quy trình in 3D khác cũng đang nổi lên trong những năm
này, cụ thể là Sản xuất bằng hạt Ballistic (BPM) được cấp bằng sáng chế bởi
William Masters, Laminated Object Manufacturing (LOM) ban đầu được cấp
bằng sáng chế bởi Michael Feygin, Solid Ground Curing (SGC) do Itzchak
Pomerantz et. Al và 'in ba chiều' (3DP) ban đầu được cấp bằng sáng chế bởi
Emanuel Sachs et al. Và do đó những năm chín mươi đầu chứng kiến sự gia tăng
4


số lượng các công ty cạnh tranh trong thị trường RP nhưng chỉ cịn tồn tại 3 cơng
ty gốc cho tới nay - 3D Systems, EOS và Stratasys.
Trong suốt những năm 1990 và đầu những năm 2000, một loạt các công
nghệ mới tiếp tục được giới thiệu, vẫn tập trung hồn tồn vào các ứng dụng
cơng nghiệp và trong khi chúng vẫn là các quy trình cho các ứng dụng mẫu, R &
D cũng đang được tiến hành bởi các nhà cung cấp công nghệ tiên tiến hơn cho
các dụng cụ cụ thể, Ứng dụng sản xuất trực tiếp. Điều này chứng kiến sự xuất
hiện của các thuật ngữ mới, cụ thể là chạy dao nhanh (RT), là khuôn nhanh và
sản suất nhanh (RM).
Trong các hoạt động thương mại, Sanders Prototype (sau Solidscape) và
ZCorporation được thành lập vào năm 1996, Arcam được thành lập vào năm
1997, Objet Geometries ra mắt vào năm 1998, MCP Technologies (một nhà máy
sản xuất chân không OEM) giới thiệu công nghệ SLM vào năm 2000,
EnvisionTec đã Được thành lập vào năm 2002, ExOne được thành lập vào năm
2005 như là công ty con từ tập đoàn Corporation và Sciaky Inc đã đi tiên phong
trong quá trình phụ gia riêng của mình dựa trên cơng nghệ hàn chùm điện tử độc
quyền của mình. Các cơng ty này đều phục vụ cho hàng ngũ các công ty phương
Tây hoạt động trên toàn cầu. Thuật ngữ cũng đã phát triển với sự gia tăng của các
ứng dụng sản xuất và thuật ngữ được chấp nhận cho tất cả các quy trình là sản
xuất phụ gia (AM). Đáng chú ý, đã có nhiều sự phát triển song song diễn ra ở bán

cầu phía Đơng. Tuy nhiên, những cơng nghệ này, tuy có ý nghĩa quan trọng với
bản thân và được hưởng một số thành công ở địa phương, nhưng thực sự khơng
ảnh hưởng đến thị trường tồn cầu vào thời điểm đó.
Trong năm 2007, thị trường đã chứng kiến hệ thống đầu tiên dưới 10.000
đô la từ Hệ thống 3D, nhưng điều này chưa bao giờ đạt được kết quả đáng kể.
Điều này một phần do bản thân hệ thống, nhưng cũng ảnh hưởng đến thị trường
khác. Đỉnh cao tại thời điểm đó là để có được một máy in 3D dưới 5000 đô la điều này đã được nhiều người trong ngành, người sử dụng và nhà bình luận nhìn
nhận là chìa khóa mở ra cơng nghệ in 3D cho nhiều đối tượng hơn. Mặc dù vậy,
năm 2007 thực sự là năm đánh dấu bước ngoặt cho công nghệ in 3D - mặc dù ít
người nhận ra nó vào thời điểm đó - như hiện tượng RepRap đã bắt đầu. Tiến sĩ
Bowyer đã đưa ra khái niệm RepRap về một máy in 3D nguồn mở, tự sao chép
5


vào đầu năm 2004, và hạt giống đã được nảy nở trong những năm tiếp theo với
một cú sệt nặng từ nhóm của ơng tại Bath, đáng chú ý là Vik Oliver và Rhys
Jones, người đã phát triển Khái niệm thông qua để làm việc nguyên mẫu của một
máy in 3D bằng cách sử dụng quá trình lắng đọng. Năm 2007 là năm các chồi bắt
đầu hiển thị thông qua và phong trào này đã bắt đầu tăng khả năng hiển thị.
Nhưng đến tháng 1 năm 2009, mẫu máy in 3D thương mại có sẵn đầu tiên
và dựa trên khái niệm RepRap đã được chào bán. Đây là máy in BfB RapMan
3D. Tiếp theo là Makerbot Industries vào tháng 4 năm đó, những người sáng lập
đã tham gia rất nhiều vào việc phát triển RepRap cho đến khi họ rời khỏi triết lý
nguồn mở sau khi đầu tư rộng rãi. Từ năm 2009, một loạt máy in tương tự đã
xuất hiện với các điểm bán hàng độc đáo (USPs) và họ tiếp tục làm như vậy. Sự
thú vị ở đây là, trong khi hiện tượng RepRap đã tạo ra một thị trường máy in 3D
hạng thương mại hoàn toàn mới, đặc tính của cộng đồng RepRap là về phát triển
mã nguồn mở cho việc in 3D và giữ được thương mại hóa ngay lập tức.
Năm 2012 là năm mà các quy trình in ấn 3D đã được giới thiệu ở mức nhập
khẩu của thị trường. The B9Creator (sử dụng công nghệ DLP) ra mắt trong tháng

sáu, tiếp theo là Form 1 (sử dụng bản đồ khối) vào tháng Mười Hai. Cả hai đều
được đưa ra thông qua trang web Kickstarter - và cả hai đều đã rất thành công.
Vào năm 2014, Nasa đã thành công trong việc in 3D một chi tiết (cờ lê)
ngay trên trạm vũ trụ.
Từ đó đến nay, rất nhiều cải tiến được thêm vào máy in. Chẳng hạn như:
tăng tốc độ in, giảm giá thành dịch vụ in 3D, nhiều đột phá mới trong công nghệ
vật liệu in 3D và y học….

1.1.3. Ứng dụng của công nghệ in 3D
Hiên nay, các ứng dụng của công nghệ in 3D đang ngày càng phát triển
rộng rãi, nó thâm nhập sâu từ các lĩnh vực công nghiệp vĩ mô như hàng không,
vũ trụ đến các ngành cơ bản như y tế, giáo dục, xây dựng, kiến trúc và thậm chí
là cả ẩm thực, nghệ thuật và thời trang,…. Cụ thể:
● Trong ngành công nghiệp điện tử:

6


Máy in 3D đã được sử dụng để chế tạo các bộ phận phức tạp đặc biệt từ
các chất liệu khác nhau và đã mở ra một trào lưu mới của ngành cơng nghiệp
nay. Hình 1.1 mạch điện tử được chế tạo bằng cơng nghệ in 3D.

Hình 1.1. Mạch điện tử được sản xuất bằng phương pháp In 3D

● Trong cơng nghiệp thời trang:
Đã có những show diễn mà ở đó người mẫu trình diễn các trang phục được
sản xuất 100% bằng công nghệ in 3D. Trang sức và trang phục thiết kế theo yêu
cầu cá nhân được sản xuất bằng công nghệ in 3D hiện nay đã trở nên khá phổ
biến trên thế giới. Hình 1.2 là bộ trang phục được chế tạo bằng cơng nghệ in 3D.

Hình 1.2. Trang phục In 3D

● Trong công nghiệp sản xuất:
Đây là ngành sử dụng máy in 3D nhiều nhất. Lý do chính khiến cơng nghệ
này được sử dụng rộng rãi trong mơi trường cơng nghiệp là do nó cho phép sản
xuất các mơ hình có hình dạng phức tạp, cắt giảm phế liệu, tạo nhanh sản phẩm
thử nghiệm theo yêu cầu. Vì vậy, in 3D mở ra tiềm năng về lợi thế chi phí sản

7


xuất, cải tiến quy trình và cả sản phẩm cho các nhà cung cấp trong một số trường
hợp cụ thể.
● Trong công nghiệp ô tô:
Công nghệ in 3D được sử dụng để sản xuất thử nghiệm các thiết kế, tạo
mẫu và sản xuất một số bộ phận, công cụ lắp ráp đặc biệt. Ngồi ra, người ta
cũng đã dùng cơng nghệ in 3D để sản xuất ra những chiếc xe hồn chỉnh. Hình
1.3 là chế tạo xe ơ tơ bằng cơng nghệ in 3D.

Hình 1.3. Ứng dụng cơng nghệ in 3D để chế tạo xe Urbee

● Trong ngành hàng không vũ trụ:
Đã có cơng ty ứng dụng cơng nghệ in 3D trong việc sản xuất ra các bộ phận
máy bay và người ta đang kỳ vọng có thể đưa các máy in 3D ra ngồi khơng gian
để các nhà du hành vụ trụ có thể tự sản xuất các bộ phận thay thế ngay khi cần
thiết.

Hình 1.4. Ứng dụng In 3D trong hàng không vũ trụ

● Trong công nghiệp quốc phịng:

Ngành cơng nghiệp quốc phịng sử dụng in 3D cho các mục đích sản xuất
đặc biệt và tiết kiệm chi phí. Hiện nay, các máy in 3D kim loại dùng để sản xuất
súng đã ra đời.
8


Hình 1.5. Súng bắn đạn thật được sản xuất bằng In 3D

● Trong cơng nghiệp thực phẩm:
Đã có nhiều cơng ty chuyên về ứng dụng công nghệ in 3D trong thực
phẩm được thành lập. Người ta có thể thiết kế các món ăn như socola hay bánh
kẹo thành những hình dạng đẹp mắt và cầu kỳ, sau đó sử dụng các nguyên liệu
thực phẩm ở dạng lỏng hoặc dạng bột để in thành món ăn theo những hình dạng
đã được thiết kế.

Hình 1.6. Ứng dụng in 3D trong ngành thực phẩm

● Trong y tế:
Công nghệ in 3D đã được ứng dụng để sản xuất các mơ sinh học, mơ hình
giải phẫu bộ phận cơ thể con người (xương, răng, tai giả,…). Công nghệ này
cũng được sử dụng để hỗ trợ các thử nghiệm về phương pháp và công nghệ y tế
mới, tăng cường nghiên cứu y khoa, giảng dạy và đào tạo đội ngũ y bác sĩ. Đặc
biệt, với Bioprinting (in 3D các mơ sinh học), người ta cịn kỳ vọng là có thể sản
9


xuất ra các bộ phận cơ thể người phục vụ cho việc thay thế và cấy ghép các cơ
quan bị hỏng (như ghép da, ghép thận, ghép tim,…).

Hình 1.7. Các bộ phận con ngươì được sản xuất bằng In 3D

● Trong giáo dục:
In 3D cũng có những ứng dụng rất thiết thực, đặc biệt liên quan đến các
môn học khoa học, cơng nghệ, kỹ thuật và kỹ năng tốn học. Sinh viên có thể
thiết kế và sản xuất các sản phẩm trong lớp học và có cơ hội thử nghiệm các ý
tưởng, vừa học vừa làm với máy in 3D. Cách làm này làm tăng hứng khởi học
tập, làm việc theo nhóm, tương tác trong lớp học cũng như hỗ trợ khả năng sáng
tạo, kỹ năng máy tính, và khả năng tư duy ba chiều của sinh viên.

Hình 1.8. Mơ hình giảng dạy sản xuất bằng In 3D

● Trong kiến trúc và xây dựng:
Kiến trúc và xây dựng dù mới chỉ ở giai đoạn đầu tiên nhưng đã có rất
nhiều nỗ lực được thực hiện thành công trong việc xây dựng các toà nhà bằng
các máy in 3D khổng lồ. Vật liệu phổ biến nhất cho in xây dựng là nhựa, bê tông
và cát. Phương pháp in 3D trong xây dựng có thể mang lại những cải tiến đáng
10


kể về chất lượng, tốc độ, chi phí, đặc biệt là trong chi phí lao động, cải thiện tính
linh hoạt, đảm bảo an toàn xây dựng và giảm các tác động mơi trường. Ngồi ra,
người ta cũng dùng cơng nghệ in 3D để in ra các mơ hình kiến trúc, các thiết kế
căn hộ để phục vụ cho việc trưng bày hoặc kiểm tra lại thiết kế.

Hình 1.9. Căn biệt thự được “In” bằng công nghệ in 3D

● Trong gia đình:
Máy in 3D để bàn cho phép bạn sản xuất bất cứ thứ gì bạn muốn ngay
trong căn nhà riêng của mình, tất nhiên là với kích thước phù hợp với máy in và
các nguyên liệu có thể có. Các vật dụng yêu thích như đồ chơi, đồ dùng và đồ vật

trang trí là những ứng dụng phổ biến nhất. Nhờ máy in 3D để bàn, mỗi người có
thể tự thiết kế và sản xuất vật dụng theo yêu cầu riêng biệt, làm nên cá tính của
bản thân.

Hình 1.10. Đồ vật được chế tạo bằng In 3D

11


1.2. Các công nghệ in 3D hiện nay
1.2.1. Fused Deposition Modeling (FDM):

Hình 1.11. Máy in 3D Fused Deposition Modeling (FDM)

FDM là quá trình bồi đắp vật liệu bằng cách nung nhựa sợi nóng chảy dẻo
rồi tạo từng lớp theo mặt cắt 2D sau mỗi lớp trục z sẽ nâng lên độ cao bằng độ
cao của 1 lớp in để dần tạo nên cấu trúc chi tiết.
Vật liệu in: Sợi nhựa PLA, ABS…
Ưu điểm: Là công nghệ in 3D giá rẻ, chi phí cho thiết bị và vật liệu thấp.
Thường sử dụng trong các sản phẩm cần chịu lực, sản phẩm có độ cứng
cao. Tốc độ tạo hình 3D nhanh.
Nhược điểm: Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác khơng cao, ngun
nhân sai số từ đường kính sợi nhựa. Khả năng chịu lực không đồng nhất.
 Hiện tượng hư hại sản phẩm khi in bằng công nghệ FDM
 Cong vênh
Cong vênh là một trong những khiếm khuyết phổ biến nhất trong FDM
(hình 1.12). Khi vật liệu ép đùn nguội đi trong q trình hóa rắn, kích thước của
nó giảm xuống. Khi các phần khác nhau của bản in nguội ở các tốc độ khác nhau,
kích thước của chúng cũng thay đổi ở các tốc độ khác nhau. Sự nguội khác biệt
gây ra sự tích tụ của các ứng suất bên trong kéo lớp bên dưới lên trên, làm cho nó

bị cong vênh. Từ quan điểm cơng nghệ, có thể ngăn ngừa cong vênh bằng cách
theo dõi chặt chẽ hơn nhiệt độ của hệ thống FDM (ví dụ như bàn in và buồng in)
và bằng cách tăng độ bám dính giữa chi tiết và bàn in.
12


Hình 1.12. Chi tiết bị cong vênh sau in

 Lớp dính
Độ bám dính tốt giữa các lớp lắng đọng là rất quan trọng đối với một chi
tiết FDM. Khi nhựa nhiệt dẻo nóng chảy được đùn qua vịi phun, nó được ép vào
lớp trước. Nhiệt độ cao và áp suất làm tan chảy bề mặt của lớp trước và cho phép
liên kết lớp mới với phần được in trước đó.
Độ bền liên kết giữa các lớp khác nhau luôn thấp hơn độ bền cơ bản của vật
liệu.
Điều này có nghĩa là các chi tiết FDM vốn đã dị hướng: cường độ của
chúng trong trục Z luôn nhỏ hơn cường độ của chúng trong mặt phẳng XY. Vì lý
do này, nên cần phải giữ phần tâm định hướng khi thiết kế các chi tiết với FDM.
Hơn nữa, vì vật liệu nóng chảy được ép vào lớp trước, hình dạng của nó bị
biến dạng thành hình bầu dục. Điều này có nghĩa rằng chi tiết FDM sẽ ln ln
có một bề mặt gợn sóng, ngay cả đối với bề dày lớp thấp, và những đường bao
nhỏ, chẳng hạn như các lỗ nhỏ hoặc mạch có thể cần phải được bài xử lý sau in.
 Cấu trúc hỗ trợ:
Cấu trúc hỗ trợ là điều cần thiết để tạo hình với phần nhơ ra trong FDM.
Nhựa nhiệt dẻo nóng chảy khơng thể lắng đọng trên khơng khí. Vì lý do này, một
số hình học yêu cầu cấu trúc hỗ trợ.
Các bề mặt được in trên cấu trúc hỗ trợ nói chung thường có chất lượng bề
mặt thấp hơn các phần còn lại của chi tiết. Vì lý do này, các chi tiết được thiết kế
theo cách mà để giảm thiểu nhu cầu phải dùng cấu trúc hỗ trợ.
Cấu trúc hỗ trợ thường được in với cùng loại vật liệu như chi tiết. Các vật

liệu hỗ trợ hòa tan trong chất lỏng cũng tồn tại, nhưng chúng được sử dụng chủ
yếu trong máy in 3D FDM công nghiệp hoặc máy in để bàn cao cấp. In trên các
cấu trúc hỗ trợ có thể tan giúp cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt của chi tiết,
nhưng làm tăng chi phí chung của một bản in, vì máy chuyên dụng (với ép đùn
kép) là bắt buộc và vì chi phí của vật liệu hịa tan tương đối cao.
13


 Độ điền đầy và độ dày lớp viền:
Các chi tiết FDM thường không được in đặc để giảm thời gian in và tiết
kiệm vật liệu. Thay vào đó, chu vi bên ngoài được xác lập bằng cách sử dụng
một số đường chuyền, được gọi là viền và bên trong được lấp đầy bằng một cấu
trúc mật độ thấp bên trong, được gọi là độ điền đầy.
Độ điền đầy và độ dày viền ảnh hưởng rất lớn đến độ bền của chi tiết. Đối
với máy in FDM để bàn, cài đặt mặc định là mật độ lấp đầy 25% và độ dày viền
1 mm, đây là sự hài hòa tốt giữa cường độ và tốc độ để in nhanh.
1.2.2. Stereolithography (SLA):

Hình 1.13. Máy in 3D Stereolithography (SLA)

SLA là kỹ thuật dùng tia laser làm đông cứng nguyên liệu lỏng để tạo các
lớp mặt cắt cho đến khi sản phẩm hoàn tất. Có thể hình dung kỹ thuật này như
sau: đặt một bệ đỡ trong thùng chứa nguyên liệu lỏng, chùm tia laser di chuyển
lên mặt trên cùng của nguyên liệu lỏng theo hình mặt cắt ngang của sản phẩm
làm lớp nguyên liệu này cứng lại. Bệ đỡ chứa lớp nguyên liệu đã cứng được hạ
xuống để tạo một lớp mới, các lớp tiếp theo được thực hiện tiếp tục đến khi sản
phẩm hồn tất.
Vật liệu: Nhựa lỏng Resin.
Ưu điểm: Cơng nghệ SLA có khả năng tạo ra các mơ hình có độ phân giải cao,
sắc nét và chính xác. Sử dụng nguồn lazer nên tốc độ in nhanh hơn các công

14