Các nhà khoa học Trung Quốc đã tạo ra một bước đột phá mới trong việc giải quyết "các vấn đề công nghiệp" của công nghệ in 3D!

Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ ngày nay, công nghệ in 3D đã lan rộng trên mọi tầng lớp xã hội như một cơn gió đông mạnh. Từ các bộ phận cơ khí phức tạp và chính xác đến các mô hình sản phẩm giống như thật, từ các nguyên mẫu kiến trúc tuyệt vời đến các nhu cầu thiết yếu hàng ngày được cá nhân hóa, công nghệ in 3D, với sự sáng tạo vô tận và đủ linh hoạt, đã đưa trí tưởng tượng vào thực tế, giúp cuộc sống của mọi người thuận tiện hơn đồng thời mang đến cho chúng ta những điều bất ngờ.

Nguyên lý làm việc của công nghệ in 3D

Công nghệ in 3D, còn được gọi là công nghệ sản xuất bồi đắp, là một phương pháp sản xuất sáng tạo xây dựng các thực thể ba chiều bằng cách xếp chồng vật liệu lên nhau từng lớp. Nguyên tắc của nó tương tự như xây dựng một ngôi nhà gạch, có thể được tóm tắt đơn giản là "sản xuất nhiều lớp, xếp từng lớp".

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

Các quy trình in 3D bao gồm mô hình lắng đọng hợp nhất (FDM), in 3D lập thể ảnh (SLA, DLP, LCD), thiêu kết laser chọn lọc (SLS), nóng chảy laser chọn lọc (SLM), in phun âm thanh nổi (3DP) và sản xuất từng lớp (LOM).

Mô hình lắng đọng nóng chảy (FDM) là một quá trình trong đó các vật liệu nhựa nhiệt dẻo dạng sợi được nung nóng và tan chảy qua vòi phun, lắng đọng từng lớp trên một nền tảng và cuối cùng được đông đặc thành một vật thể ba chiều. Công nghệ này thường sử dụng vật liệu nhiệt dẻo làm nguyên liệu, chẳng hạn như đồng trùng hợp acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), axit polylactic (PLA), v.v. Nó có yêu cầu thiết bị thấp và dễ vận hành, phù hợp với cá nhân và studio nhỏ. "Con dao củ cải" và "thanh kiếm kính thiên văn" đang phổ biến trên thị trường đồ chơi gần đây được làm theo cách này.

In 3D lập thể (SLA, DLP, LCD) sử dụng ánh sáng của một dải và hình dạng cụ thể để chiếu xạ nhựa cảm quang, và nhựa cảm quang được xử lý từng lớp để tạo ra các vật thể có hình dạng mong muốn. Công nghệ này có độ chính xác đúc cao và bề mặt nhẵn, và phù hợp để chế tạo các mô hình tốt và các bộ phận nhỏ.

Thiêu kết laser chọn lọc (SLS) sử dụng chùm tia laser để quét các vật liệu bột để làm tan chảy và liên kết chúng lại với nhau, tích lũy từng lớp thành một vật thể ba chiều. Công nghệ này sử dụng bột làm nguyên liệu thô (như nylon, bột kim loại, bột gốm, v.v.), có độ chính xác đúc cao, và phù hợp để sản xuất các bộ phận chức năng có cấu trúc phức tạp.

Nóng chảy laser chọn lọc (SLM) có năng lượng laser cao hơn, tương tự như thiêu kết laser chọn lọc (SLS) và hoàn toàn có thể làm tan chảy bột kim loại để đạt được tạo mẫu nhanh các bộ phận kim loại. Công nghệ này thường sử dụng bột kim loại (như hợp kim titan, thép không gỉ, v.v.) làm nguyên liệu thô, có thể in các bộ phận kim loại có độ bền cao, độ chính xác cao và được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, y tế và các lĩnh vực khác.

In phun âm thanh nổi (3DP) sử dụng vật liệu bột (kim loại hoặc phi kim loại) và chất kết dính làm nguyên liệu thô, đồng thời sử dụng cơ chế liên kết để in từng lớp thành phần. Các mẫu đúc của công nghệ in này có cùng màu với sản phẩm thực tế, và hiện tại nó là một công nghệ in 3D màu trưởng thành hơn.

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

Mặc dù sản phẩm công nghệ in 3D có mức độ phục hồi cao, nhưng nó bị hạn chế bởi các nguyên liệu in. Các sản phẩm in 3D rất giòn và dễ bị phá vỡ bởi ngoại lực. Khi các sản phẩm như vậy được sử dụng trong các tình huống có yêu cầu hiệu suất cơ học cao, chúng sẽ có vẻ hơi "không có khả năng". Vậy, làm thế nào để cải thiện "trái tim thủy tinh" của các sản phẩm in 3D, để chúng có một "làn da" ưa nhìn và "tính linh hoạt" không dễ phá vỡ?

Ngày 3/7/2024, các nhà khoa học Trung Quốc đã công bố kết quả nghiên cứu về chất đàn hồi in 3D trên tạp chí Nature. Các dây cao su được điều chế bằng công nghệ này có thể được kéo dài gấp 9 lần chiều dài của chính chúng và độ bền kéo tối đa có thể đạt tới 94,6MPa, tương đương với 1 milimet vuông có thể chịu được trọng lực gần 10 kg, cho thấy độ bền và độ dẻo dai siêu cao.

"Điều hòa" giữa tốc độ đúc và độ dẻo dai của thành phẩm

Trong quá trình quang hóa in 3D (SLA, DLP, LCD), việc nâng cao hiệu quả sản xuất đòi hỏi tốc độ đúc nhanh hơn, dẫn đến tăng mật độ liên kết ngang của vật liệu và giảm độ dẻo dai của vật liệu trong quá trình đóng rắn. Theo các phương pháp thông thường, trong khi độ dẻo dai của vật liệu tăng lên, độ nhớt của vật liệu cũng sẽ tăng lên, điều này sẽ dẫn đến giảm tính lưu động và giảm tốc độ đúc. Mâu thuẫn giữa tốc độ đúc của in 3D và độ dẻo dai của thành phẩm luôn gây rắc rối cho toàn bộ ngành công nghiệp.

Các nhà khoa học Trung Quốc đã "dung hòa" hai mâu thuẫn này. Các nhà nghiên cứu đã đề xuất một chiến lược in ấn và xử lý hậu kỳ theo giai đoạn bằng cách phân tích nhựa cảm quang nguyên liệu thô của in 3D và tháo rời quá trình in. Các nhà nghiên cứu đã thiết kế một tiền chất DLP (xử lý ánh sáng kỹ thuật số) của dimethacrylate, chứa liên kết urê bị cản trở động và hai nhóm carboxyl trên chuỗi chính. Trong giai đoạn in và đúc, các thành phần chính này ở trạng thái "không hoạt động" và đóng vai trò cứng rắn trong giai đoạn gia công sau đúc.

a. 3D đối tượng in và thay đổi kích thước của chúng trong quá trình xử lý hậu kỳ; b. Hiệu suất chống thủng của bóng bay in 3D; c. Mô hình hóa lực đâm thủng cơ học; D-E. Thử nghiệm nâng tạ kẹp khí nén in 3D. Nguồn ảnh: Tham khảo [1]

Trong giai đoạn hậu xử lý ở 90 ° C, các liên kết urê bị cản trở trong các sản phẩm in 3D phân ly để tạo ra các nhóm isocyanate, một mặt tạo thành liên kết amide với các nhóm carboxyl chuỗi bên, và mặt khác phản ứng với nước được hấp phụ bởi axit cacboxylic để tạo thành liên kết urê. Những thay đổi trong các liên kết hóa học trong các phân tử kết nối cấu trúc mạng đơn trong vật liệu thành một cấu trúc mạng xuyên thấu tương tự như "tay trong tay", mang lại nhiều liên kết hydro hơn và tăng cường cấu trúc bên trong của vật liệu. Chính vì những thay đổi trong cấu trúc bên trong của vật liệu mà các sản phẩm in 3D có không gian đệm lớn hơn khi bị biến dạng bởi ngoại lực, tương tự như hiệu ứng hấp thụ năng lượng của va chạm xe, giúp cải thiện khả năng chống va đập và chống gãy của sản phẩm và có độ dẻo dai cao hơn.

Kết quả thí nghiệm cho thấy, màng được điều chế bằng cách in 3D sử dụng tiền chất DLP với độ dày chỉ 0,8 mm thể hiện hiệu suất chống đâm thủng cực kỳ mạnh, cho phép nó chịu được lực 74,4 Newton mà không bị vỡ. Ngay cả trong điều kiện lạm phát áp suất cao, kẹp khí nén in 3D vẫn có thể lấy một quả bóng đồng nặng 70 gram với gai nhọn trên bề mặt mà không bị vỡ, điều này thể hiện độ dẻo dai và độ bền cấu trúc cực cao của các sản phẩm in 3D.

Ứng dụng rộng rãi của chất đàn hồi in 3D

Trong lĩnh vực thiết bị thể thao, chất đàn hồi in 3D cung cấp cho các vận động viên thiết bị cá nhân hóa, hiệu suất cao. Ví dụ, đế lót và thiết bị bảo vệ tùy chỉnh sử dụng các đặc tính hấp thụ sốc và hỗ trợ của chất đàn hồi để tối ưu hóa hiệu suất thể thao của vận động viên và nâng cao trải nghiệm mặc. Đặc biệt là trong các môn thể thao mạo hiểm và thể thao có tác động cao, vật liệu đàn hồi in 3D có thể làm giảm đáng kể tác động lên vận động viên trong quá trình tập thể dục và bảo vệ khớp và cơ bắp của họ khỏi chấn thương.

Trong lĩnh vực ô tô và hàng không vũ trụ, chất đàn hồi in 3D được sử dụng cho các thành phần chính như bộ phận giảm xóc nhẹ và con dấu. 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, loa thông minh, vòng đeo tay thông minh, vỏ điện thoại di động và các sản phẩm khác có thể được in bằng vật liệu đàn hồi. Những sản phẩm này không chỉ có độ mềm mại và đàn hồi tuyệt vời mà còn có khả năng chống mài mòn và độ bền cao, có thể đáp ứng nhu cầu nhiều mặt của người tiêu dùng về hình thức và hiệu suất sản phẩm.

Trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp, công nghệ đàn hồi in 3D được sử dụng để sản xuất khuôn mẫu công nghiệp và đai truyền động khác nhau và các bộ phận khác. Những bộ phận này cần phải chịu được ứng suất và rung động cơ học lớn hơn, và vật liệu đàn hồi là lựa chọn lý tưởng với độ đàn hồi và khả năng chống mỏi tuyệt vời của chúng. Sản xuất các bộ phận này thông qua công nghệ in 3D không chỉ có thể nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn giảm chi phí sản xuất.

Sự ra đời của công nghệ đàn hồi in 3D đã mở rộng hơn nữa các kịch bản sử dụng của các sản phẩm in 3D và mang lại nhiều khả năng đầy màu sắc hơn cho cuộc sống của chúng ta.