Các nhà khoa học Trung Quốc đã đạt được bước đột phá mới trong việc giải quyết các 'vấn đề ngành' của công nghệ in 3D!

Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ ngày nay, công nghệ in 3D đã lan rộng khắp các ngành nghề như một làn gió Đông mạnh mẽ. Từ những bộ phận máy móc phức tạp và chính xác đến các mô hình sản phẩm逼thật, từ các nguyên mẫu kiến trúc kỳ vĩ đến các vật dụng cá nhân hàng ngày, công nghệ in 3D, với sự sáng tạo vô tận và tính linh hoạt đầy đủ, đã biến tưởng tượng thành hiện thực, làm cho cuộc sống của con người thuận tiện hơn đồng thời cũng mang lại cho chúng ta những bất ngờ.

Nguyên lý hoạt động của công nghệ in 3D

công nghệ in 3D, còn được gọi là công nghệ sản xuất thêm, là phương pháp sản xuất sáng tạo xây dựng các đối tượng ba chiều bằng cách叠加 vật liệu lớp này lên lớp khác. Nguyên lý của nó tương tự như việc xây một ngôi nhà bằng gạch, có thể tóm tắt đơn giản là "sản xuất theo lớp,叠加 từng lớp một".

Quy trình in 3D không phức tạp. Đầu tiên, một mô hình số được tạo ra hoặc thu được thông qua phần mềm thiết kế hỗ trợ máy tính, sau đó mô hình được cắt thành một loạt các lớp cắt ngang rất mỏng (tức là các lát cắt), và độ dày của mỗi lát cắt thường nằm trong khoảng từ vài chục micron đến vài trăm micron. Sau đó, dựa trên thông tin của các lát cắt này, máy in 3D xây dựng đối tượng cuối cùng lớp một cách tuần tự thông qua công nghệ và vật liệu cụ thể.

các quy trình in 3D bao gồm tạo hình lắng đọng fused deposition modeling (FDM), in 3D quang lập thể (SLA, DLP, LCD), kết dính chọn lọc bằng tia laser (SLS), tan chảy chọn lọc bằng tia laser (SLM), in phun mực ba chiều (3DP) và sản xuất lớp chồng lớp (LOM).

Fused deposition modeling (FDM) là một quy trình trong đó các vật liệu thermoplastic dạng sợi được làm nóng và tan chảy qua một vòi phun, sau đó được đắp lớp lên lớp trên một nền tảng và cuối cùng đông đặc thành một đối tượng ba chiều. Công nghệ này thường sử dụng các vật liệu thermoplastic làm nguyên liệu thô, chẳng hạn như copolymer acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), axit polylactic (PLA), v.v. Nó có yêu cầu thiết bị thấp và dễ vận hành, phù hợp cho cá nhân và các phòng thí nghiệm nhỏ. Những "dao củ cải" và "kiếm thu gọn" đã trở nên phổ biến gần đây trên thị trường đồ chơi được sản xuất theo cách này.

In 3D bằng công nghệ stereolithography (SLA, DLP, LCD) sử dụng ánh sáng của một dải và hình dạng cụ thể để chiếu vào nhựa quang trùng hợp, và nhựa này sẽ được đóng rắn từng lớp để tạo ra các đối tượng có hình dạng mong muốn. Công nghệ này có độ chính xác cao trong quá trình tạo hình và bề mặt mịn màng, phù hợp để làm các mô hình chi tiết và các bộ phận nhỏ.

Selective laser sintering (SLS) sử dụng tia laser để quét lên vật liệu dạng bột, làm tan và kết dính chúng lại với nhau, tích lũy lớp này qua lớp khác thành một đối tượng ba chiều. Công nghệ này sử dụng bột làm nguyên liệu (như nylon, bột kim loại, bột gốm, v.v.), có độ chính xác tạo hình cao và phù hợp để sản xuất các chi tiết chức năng có cấu trúc phức tạp.

Selective laser melting (SLM) có năng lượng laser cao hơn, tương tự như selective laser sintering (SLS), có thể làm tan hoàn toàn bột kim loại để đạt được việc tạo mẫu nhanh cho các chi tiết kim loại. Công nghệ này thường sử dụng bột kim loại (như hợp kim titan, thép không gỉ, v.v.) làm nguyên liệu, có thể in ra các chi tiết kim loại có độ bền cao, độ chính xác cao và được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ, y tế và nhiều lĩnh vực khác.

In phun lập thể (3DP) sử dụng các vật liệu dạng bột (kim loại hoặc không phải kim loại) và chất kết dính làm nguyên liệu, và sử dụng cơ chế kết dính để in từng lớp thành phần. Các mẫu được tạo hình từ công nghệ in này có màu sắc giống với sản phẩm thực tế, và hiện nay đây là một trong những công nghệ in 3D màu chín chắn hơn.

Chế tạo vật thể tầng (LOM) sử dụng các vật liệu dạng tấm mỏng (như giấy, màng nhựa, v.v.) và keo nóng chảy làm nguyên liệu, và tích lũy các đối tượng cần thiết theo từng lớp thông qua cắt laser và kết dính nhiệt. Công nghệ này có tốc độ tạo hình nhanh và chi phí nguyên liệu thấp, phù hợp để làm các cấu trúc và vỏ lớn.

Mặc dù sản phẩm công nghệ in 3D có độ phục hồi cao, nhưng nó bị giới hạn bởi vật liệu in. Sản phẩm in 3D rất giòn và dễ bị phá vỡ bởi các lực bên ngoài. Khi những sản phẩm này được sử dụng trong các tình huống yêu cầu hiệu suất cơ học cao, chúng sẽ tỏ ra "bất lực". Vậy làm thế nào để cải thiện "trái tim thủy tinh" của sản phẩm in 3D, để chúng không chỉ có "làn da" đẹp mà còn có "sự linh hoạt" khó bị phá vỡ?

Vào ngày 3 tháng 7 năm 2024, các nhà khoa học Trung Quốc đã công bố một kết quả nghiên cứu về chất đàn hồi in 3D trên tạp chí Nature. Các dây cao su được chế tạo bằng công nghệ này có thể được kéo dài đến 9 lần chiều dài ban đầu, và độ bền chịu tension tối đa có thể đạt 94,6MPa, tương đương với việc 1 milimét vuông có thể chịu được gần 10 kilogram trọng lượng, cho thấy cường độ và độ dai siêu cao.

“Điều hòa” giữa tốc độ tạo hình và độ dai của sản phẩm hoàn thiện

Trong quá trình in 3D bằng phương pháp photocuring (SLA, DLP, LCD), việc nâng cao hiệu suất sản xuất đòi hỏi tốc độ tạo hình nhanh hơn, điều này dẫn đến sự gia tăng mật độ chéo của vật liệu và làm giảm độ dai của vật liệu trong quá trình đông cứng. Theo các phương pháp thông thường, khi độ dai của vật liệu tăng lên, độ nhớt của vật liệu cũng sẽ tăng, điều này sẽ làm giảm khả năng lưu động và giảm tốc độ tạo hình. Mâu thuẫn giữa tốc độ tạo hình của in 3D và độ dai của sản phẩm hoàn thiện luôn làm phiền toàn ngành công nghiệp.

Các nhà khoa học Trung Quốc đã "hoà giải" hai mâu thuẫn này. Các nhà nghiên cứu đã đề xuất một chiến lược in ấn theo giai đoạn và xử lý hậu kỳ bằng cách phân tích chất liệu thô là nhựa quang nhạy của công nghệ in 3D quang trùng hợp và phân giải quy trình in. Các nhà nghiên cứu đã thiết kế tiền chất DLP (xử lý ánh sáng số) dimethacrylate, chứa liên kết ure động bị cản trở và hai nhóm carboxyl trên chuỗi chính. Trong giai đoạn in và tạo hình, các thành phần then chốt này ở trạng thái "ngủ" và đóng vai trò tăng độ dai trong giai đoạn xử lý sau khi tạo hình.

a. Đối tượng được in 3D và sự thay đổi kích thước trong quá trình xử lý hậu kỳ; b. Hiệu suất chống thủng của bóng bay được in 3D; c. Mô hình hóa lực đâm thủng cơ học; d-e. Thử nghiệm nâng trọng lượng của kẹp khí nén được in 3D. Nguồn ảnh: Tài liệu tham khảo [1]

Trong giai đoạn xử lý hậu tại 90°C, các liên kết ure bị cản trở trong sản phẩm in 3D phân ly để tạo ra các nhóm isocyanate, mà một mặt hình thành các liên kết amid với các nhóm carboxyl ở chuỗi bên, và mặt khác phản ứng với nước được hấp thụ bởi axit carboxylic để tạo ra các liên kết ure. Những thay đổi trong các liên kết hóa học bên trong phân tử kết nối cấu trúc mạng đơn trong vật liệu thành một cấu trúc mạng xuyên chéo tương tự như "tay trong tay", mang lại nhiều liên kết hidro hơn và tăng cường cấu trúc nội bộ của vật liệu. Chính nhờ những thay đổi trong cấu trúc nội bộ của vật liệu mà các sản phẩm in 3D có không gian đệm lớn hơn khi bị biến dạng bởi lực ngoại lực, giống như hiệu ứng hấp thụ năng lượng trong va chạm xe hơi, điều này cải thiện khả năng chịu va đập và chống nứt vỡ của sản phẩm và có độ dai cao hơn.

Kết quả thí nghiệm cho thấy tấm phim được chế tạo bằng in 3D sử dụng tiền chất DLP với độ dày chỉ 0,8 mm thể hiện khả năng chống thủng cực kỳ mạnh, cho phép chịu được lực 74,4 Newton mà không bị rách. Ngay cả trong điều kiện bơm hơi áp suất cao, kẹp khí nén in 3D vẫn có thể抓紧 một quả cầu đồng nặng 70 gram có gai nhọn trên bề mặt mà không bị vỡ, điều này chứng minh độ dai và độ bền cấu trúc siêu cao của sản phẩm in 3D.

Ứng dụng rộng rãi của elastomer in 3D

Trong lĩnh vực thiết bị thể thao, các elastomer được in 3D cung cấp cho vận động viên thiết bị cá nhân hóa với hiệu suất cao. Ví dụ, đế giày tùy chỉnh và thiết bị bảo vệ sử dụng đặc tính hấp thụ sốc và hỗ trợ của elastomer để tối ưu hóa hiệu suất thể thao của vận động viên và cải thiện trải nghiệm khi mặc. Đặc biệt trong các môn thể thao mạo hiểm và thể thao có tác động mạnh, vật liệu elastomer được in 3D có thể giảm đáng kể tác động lên vận động viên trong khi tập luyện và bảo vệ khớp và cơ bắp của họ khỏi chấn thương.

Trong lĩnh vực ô tô và hàng không vũ trụ, các elastomer được in 3D được sử dụng cho các bộ phận quan trọng như các bộ phận giảm xóc siêu nhẹ và các gioăng kín. Những bộ phận này có thể giảm trọng lượng và duy trì hiệu suất cao thông qua các thiết kế cấu trúc phức tạp.

Trong lĩnh vực sản phẩm điện tử, các sản phẩm như loa thông minh, vòng đeo tay thông minh, ốp điện thoại và các sản phẩm khác có thể được in với vật liệu đàn hồi. Những sản phẩm này không chỉ có độ mềm mại và tính đàn hồi tuyệt vời mà còn có khả năng chống mài mòn cao và độ bền tốt, đáp ứng được nhiều nhu cầu đa dạng của người tiêu dùng về ngoại hình và hiệu suất sản phẩm.

Trong lĩnh vực chế tạo công nghiệp, công nghệ in 3D sử dụng vật liệu đàn hồi được áp dụng để sản xuất các loại khuôn công nghiệp và dây truyền động cùng các bộ phận khác. Các bộ phận này cần phải chịu được áp lực cơ học lớn và rung động, và vật liệu đàn hồi là lựa chọn lý tưởng nhờ tính đàn hồi và khả năng kháng mỏi tuyệt vời. Sản xuất các bộ phận này thông qua công nghệ in 3D không chỉ giúp nâng cao hiệu suất sản xuất mà còn giảm chi phí sản xuất.

Sự ra đời của công nghệ in 3D vật liệu đàn hồi đã mở rộng thêm các tình huống sử dụng của sản phẩm in 3D và mang đến nhiều khả năng phong phú hơn cho cuộc sống của chúng ta.