Nghiên cứu phân tích vật liệu Onyx, ứng dụng trong công nghệ in 3D

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9- 2020 37 NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH VẬT LIỆU ONYX, ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ IN 3D Đinh Thế Dũng*, Khuất Hoàng Bình, Nguyễn Thu Hương, Hoàng Anh Tuấn, Phan Văn Cường, Lê Hữu Thành, Nguyễn Trần Hùng Tóm tắt: Onyx là vật liệu composite có vật liệu nền là nhựa polyamide và được gia cường bởi sợi cacbon được cắt nhỏ do hãng Markforged sản xuất và ứng dụng cho công nghệ in 3D. Onyx có những tính năng vượt trội so với các loại vật liệu khác như độ bền uốn 81 MPa so với polyamide là 32MPa, cứng gấp 3.5 lần so với polyamide và 1.4 lần so với ABS. Khi kết hợp Onyx với các vật liệu gia cường khác cho sản phẩm có độ bền kéo đứt hơn 700 MPa, cao hơn so với nhôm 6061-T6, cứng hơn 27 lần và có độ bền kéo đứt hơn 24 lần so với vật liệu ABS và một ưu điểm khác của Onyx là vật liệu in 3D được sử dụng mà sản phẩm không cần xử lý sau in. Nghiên cứu tập trung vào phân tích thành phần vật liệu làm cơ sở cho việc chế thử và ứng dụng cho thiết bị in 3D. Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng là FTIR, XRD, SEM-EDX, TGA, DSC và phương pháp phân tích hóa học. Kết quả phân tích cho thấy, vật liệu Onyx được làm từ polyamide 6 và sợi cacbon có kích thước nhỏ hơn 100µm với hàm lượng sợi khoảng 27 % khối lượng, trong thành phần Onyx không có phụ gia vô cơ. Từ khóa: Vật liệu in 3D; Onyx; Composite. 1. MỞ ĐẦU C ng nghệ in D ang ngày àng tr nên h iến trên th trường thế gi i, là t h trong ng nghệ hế t o ật liệu trong u h ng ng nghệ 4.0. Th o nghiên u a C ng ty ohl r A o iat , huyên tư ấn ề ng nghệ à hiến lư trong l nh in D thì oanh thu t ư t ng nghệ in 3D nă 2015 là khoảng 5 tỉ la, nă 2016 là 6,1 tỉ la, nă 2017 là 7, tỉ la. D o n ến 2020 ẽ tăng lên 21 tỉ la à 2 tỉ la ào nă 202 [1]. Vậy ng nghệ in D là gì à t i ao l i ngày àng h iến trên thế gi i C ng nghệ in D là u trình hế t o ật liệu th o hương h ế t ng l t o nên t th hiều a trên t hình ư t o n. Phương h này th hế t o ật liệu kết ấu h t , kh ao t h ễ àng i tiết kiệ nguyên ật liệu t i ưu. C th hế t o ật liệu i hình ng i nguyên ật liệu kh nhau tùy th o yêu ầu t nh hất a ản h . C ản h a ng nghệ in D rất a ng. T những ật ng th ng thường như vât ng gia ình: àn, ghế, t , ến ản h ao ấ hơn như nhà , xe ô tô, ho ản h thù ư ng là hận y ay, tên l a như th n ng ơ, ng ơ, [2, 3]. Đa hần ản h a ng nghệ in D là t ật liệu o o it i t nh ền à nh . Trong nghiên u n i ật hiện nay ề ật liệu o o it ho ng nghệ in 3D thì ật liệu ny ư h ng ark org ản uất th hiện nhiều t nh năng ưu iệt. ny là ật liệu o o it nền nh a nhiệt o olya i 6 i ật liệu gia ường là i on ư t nh [4]. ny òn ư ng là ật liệu nền trong ật liệu o o it ư gia ường i i a on, k lar, th y tinh, t o ra ẫu ật liệu ền kéo t > 700 Pa, ao hơn o i nh 6061-T6, ng gấ 27 lần à ền gấ 24 lần ABS [5]. Vì ậy, h ng t i tậ trung nghiên u h n t h ật liệu ny là ơ hế t o à ng ng lo i ật liệu này trong ng nghệ in D hế t o ản h h u hòng, giả hi h ua nguyên liệu à t h thu ào nư ngoài. Hóa học và Kỹ thuật môi trường Đ. T. Dũng, , N. T. Hùng, “Nghiên cứu phân tích vật liệu công nghệ in 3D.” 38 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên liệu Vật liệu ny , olya i 6 ư ản uất i h ng ark org . 2.2. Thực nghiệm ẫu i ny ư hòa tan trong a it or i 85%, au tiến hành l lo i kết t a, ung h au l ư i ấy kh , ản h au ấy là àng nh a ư thấy như trên hình 1. Hình 1. Mẫu phân tích: a - Mẫu sợi Onyx; b- Màng nhựa sau xử lý. C hương h ư ng h n t h ẫu: + Ph n t h h hồng ngo i (FTIR): ằng thiết Bruk r TENS R II. àng nh a thu ư au ấy ư o FTIR i nền là kh ng kh i th ng o như au: Dải ng uét 400-4000 cm-1; Đ h n giải: 4; Chế o tr nền; lần uét:16. + Ph n t h nhiễu tia ( RD): ằng thiết nhiễu tia PERT PR . ẫu h n t h: àng nh a. Th ng o ẫu: ải g o t 5o ến 90o; ư o 0,1o; thời gian o ỗi ư o 1 gi y; Kα1 =1,54046 Ȧ ; Kα2 = 1,5444 Ȧ; Kβ=1, 9225 Ȧ; Nguồn h t năng lư ng: 45 KV, 40 mA. + Ph n t h nhiệt tr ng lư ng (TGA): ằng thiết La y TG/DSC 1600. ẫu h n t h: i ny , olya i 6 à i a on. Th ng o: t gia nhiệt 10 o C/ h t. Dải nhiệt nhiệt hòng ến 900 oC. i trường o: kh ng kh . + Ph n t h nhiệt uét i ai (DSC): ằng thiết La y DSC1 1, SETARA . Dải nhiệt: nhiệt hòng ến 00 oC, t gia nhiệt 5 oC/phút. + Phương h h k nh hi n i iện t uét à t n năng lư ng tia (SE – ED ): ằng thiết 6610LA J ol. ẫu h n t h: i ny . Th ng o: h ng i: 00; ải năng lư ng: 0-20 keV. + Phương h h n t h h a h nh hà lư ng i a on th o tiêu hu n TCVN 10594-2014 (quy trình A3). ẫu h n t h: i ny . C ư hu n ư th hiện ng th o tiêu hu n i giấy l ng là giấy l hat an ường k nh lỗ là 5µ . 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Xác định vật liệu nền àng nh a au khi ư t h ra h n t h FTIR, kết uả ư trình ày hình 2. D a trên ơ o nh h hồng ngo i a ẫu nh a nền a ật liệu ny (hình 1a) à h hu n a olya i 6 (hình 1 ). Đ trưng a liên kết N-H trong olya i 6 ư th hiện ỉnh 01 -1 - ao ng h a tr ất i ng a nh N-H; ỉnh 085 cm -1 - ao ng h a tr i ng a liên kết N-H [6-8]; ỉnh 1546 -1 - ao ng iến Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9- 2020 39 ng a N-H [6]. Đ trưng a ao ng liên kết nh a onyl C= th hiện ỉnh 1639 cm -1 [6]. C ỉnh kh như 29 6 -1 và 2865 cm-1 th hiện ao ng a liên kết C-H a nh CH2 tương ng i ao ng h a tr ất i ng à i ng [6]; ỉnh 1463 cm -1 - ao ng iến ng trên t t hẳng a C-H trong CH2 [6-8], ao ng iến ng ngoài t hẳng uất hiện ỉnh 1265 -1 và 1202 cm-1 [6]. Ngoài ra, dao ng a ng (CH2)4 th hiện ỉnh 7 0 -1 [6]. Hình 2. Phổ hồng ngoại FTIR: a – Màng nhựa; b – PA6. Th o h hu n a olya i 6 (PA6) ư ung ấ i hần ề a h ng Bruk r (hình 1 ), th thấy ư ật liệu ny ỉnh trưng trùng i ỉnh a ật liệu PA6 hù h i th ng tin ư ung ấ t nhà ản uất ark org . Ngoài ra, ẫu ư h n t h ằng hương h TGA ng thê kết luận ề ật liệu nền i ỉnh trưng a olya i 6. Hình là h h n t h nhiệt TGA a ẫu: ny à olya i 6 ư ản uất i h ng ark org . Kết uả ho thấy: nhiệt 460 oC ny à olya i 6 ều h n h y à ất kh i lư ng tương ng là 60% à 80%. Ở nhiệt 700 oC Onyx và olya i tiế t ất kh i lư ng òn l i là ản h trung gian a u trình h n h y ầu tiên [9]. Hình 3. Phân tích nhiệt TGA của các mẫu vật liệu Onyx, polyamide 6. 3.2. Xác định vật liệu gia cường Vật liệu gia ường u nh i h SE -ED . Kết uả h h ư trình ày trên hình 4. Kết uả h ho thấy, ật liệu gia ường là i a on i k h thư i khoảng 10- 100 µm. Hà lư ng i gia ường ư nh th o TCVN 10594-2014: C = * 100% (1) Trong : C: Hà lư ng i a on ( hần tră kh i lư ng); m1: Kh i lư ng ẫu au khi l à ấy (g); m2: Kh i lư ng ẫu an ầu (g). Hóa học và Kỹ thuật môi trường Đ. T. Dũng, , N. T. Hùng, “Nghiên cứu phân tích vật liệu công nghệ in 3D.” 40 Kết uả th nghiệ ho kết uả hà lư ng i a on C ~ 27%. a b Hình 4. Chụp kính hiển vi điện tử SEM (a) và tán sắc năng lượng EDX (b) mẫu Onyx. Vật liệu ny là ật liệu o o it ật liệu gia ường là i on t nh k h thư t 10 - 100µ hiế khoảng 27% kh i lư ng ẫu. Ngoài ra, t kết uả ED th thấy, trong thành hần a ẫu ny kh ng h a h gia ơ. 3.2. Xác định một số tính chất nhiệt của vật liệu Nhiệt n ng hảy à nhiệt huy n ha th y tinh a ẫu ật liệu ny ư h n t h nhiệt DSC i kết uả ư trình ày hình 5a. T kết uả h n t h ho thấy ẫu ật liệu ỉnh hấ thu nhiệt tương ng i ỉnh t i nhiệt 59 oC, 211 oC và 264 oC. Đỉnh ầu tiên 59 oC tương ng i nhiệt huy n ha th y tinh a ật liệu. Hai ỉnh 211 oC và 264 oC tương ng i u trình n ng hảy ật liệu i thành hần kết ấu ha tinh th kh nhau: t ha kết ấu tinh th là α, ha òn l i kết ấu tinh th γ [10, 11]. Điều này ư h ng inh th ng ua kết uả phân tích XRD (hình 5b). Hình 5. Phổ DSC (a) và XRF (b) của Onyx. T th ng nthal y th t nh to n ư hà lư ng tinh th trong ật liệu a trên o nh nhiệt lư ng hấ thu i i ật liệu kết ấu tinh th 100% [12]. Bảng 1. Một số thông số nhiệt của mẫu vật liệu. Pha tinh thể Nhiệt độ bắt đầu nóng chảy (oC) Nhiệt độ nóng chảy (oC) Enthalpy (J/g) Mức độ tinh thể (%) γ 196.94 211.40 28.99 12.6 α 241.47 264.70 13.51 5.9 4. KẾT LUẬN Vật liệu ny ật liệu nền là PA 6 i nhiệt huy n h a th y tinh 59 oC, trong thành hần a PA 6 2 ha tinh th ga a à al ha i tỷ lệ là 2,1:1. Vật liệu gia ường a ny là i a on ường k nh khoảng 10 μ , hiều ài 10- 100μ hiế khoảng 27% kh i lư ng ật liệu. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9- 2020 41 Trong thành hần ật liệu kh ng h a thành hần h gia ơ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Wohlers report 2018, “3D printing and Additive Manufacturing State of the Industry”, Wohlers associates, 344 pages. [2]. Hod Lipson and Melba Kurman, “Fabricated: The New World of 3D Printing”, John Wiley and Son 2013, 301 pages. [3]. Nguyễn u n Ch nh, “Công nghệ in 3D đã đột phá vào mọi ngành nghề”, Nhà uất ản B h Khoa 2016, 19 . [4]. [5]. https://markforged.com/download/3628/ [6]. Mistry B.D., “A handbook of spectroscopic data chemistry”, Offord book company, 242 pages. [7]. Mária Porubská et al., “FTIR spectroscopy study of polyamide-6 irradiated by electron and proton beams”, Polymer degradation and stability 97 (2012), page 523-531. [8]. Kett P., “Crystallinity in linear polyamides: a study using melt blending with small- molecule diluents”, Thesis. University of South Australia 2004. Appendix C, p.335-337. [9]. Pauline Tranchard et al., “Kinetic analysis of the thermal decomposition of a carbon fibre-reinforced epoxy resin laminate”, Journal of Analytical and Applied pyrolysis 126 (2017), page 14-21. [10]. Vasanthan N., Salem D.R., “Polymer Physics”, Journal of Polymer Science Part B, Vol. 39 (2001) 536-547. [11]. Klata E., Borysiak S., “Fibres and textiles in Easten Europe”, Vol. 12(2004), 64-69. [12]. TN 48, “Polymer Heats of Fusion”, TA Instruments, New Castle, DE. ABSTRACT RESEARCH ON ANALYZING ONYX MATERIALS, APPLIED IN 3D PRINTING TECHNOLOGY Onyx material is a combination of polyamide and chopped carbon fiber, manufactured by Markforged and applied for 3D printing equipment. Materials have outstanding properties in the comparison with other materials, applied in 3D printing for composite such as 81 MPa flexural strength in the comparison with 32 MPa of polyamide, stiffer than polyamide about 3.5 times, stiffer than ABS about 1.4 times. Tensile strength is more than 700 MPa when it is combined with reinforcement, higher than aluminum, 27 times stiffer and 24 times stronger than ABS material, and especially does not need to post-processing after printing. Our research focuses on the analysis procedure for Onyx and results will be used for the next steps of manufacturing and application in composite 3D printing techniques. In addition to chemical analysis methods, some methods as FTIR, XRF, EDX, SEM, TGA, DSC have been used. The results show that Onyx has been made of polyamide 6 and chopped carbon fiber with a length less than 100μm and content of carbon approximately is 27 wt% and without any metallic trace. Keywords: 3D printing; Composite material; Onyx. Nhận bài ngày 15 tháng 7 năm 2020 Hoàn thiện ngày 10 tháng 8 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 24 tháng 8 năm 2020 Địa chỉ: Viện H a h - Vật liệu, Viện Khoa h à C ng nghệ u n . *Email: gnudktvn@gmail.com.