90

Đánh giá cấu trúc và độ bền kéo của sợi composit nền polypropylene cốt hạt TiH2 chế tạo bằng phương pháp ép đùn sử dụng cho công nghệ in 3D FDM

Microstructure and tensile strength evaluation of polypropylene matrix composite filament reinforced with titanium hydride powder by a single screw extruder for using in FDM 3D printing

LÊ THÁI HÙNG*, LÊ VĂN SƠN, NGUYỄN TUẤN HUY, HOÀNG NGUYÊN KỲ, LÊ MẠNH CƯỜNG, NGUYỄN VĂN ĐẠT, NGUYỄN MINH THUYẾT
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

*Corresponding author: hung.lethai@hust.edu.vn

Ngày nhận bài: 24/4/2020, Ngày duyệt đăng: 6/6/2020

TÓM TẮT

Trong bài báo này, sợi composit nền polypropylene (PP) cốt hạt titan hydrit (TiH2) đã được chế tạo thành công để sử dụng cho công nghệ in 3D FDM (Fused Deposition Modeling). Cốt hạt được trộn đều trong nhựa PP với tỷ lệ 1,2,3 và 4 % khối lượng, sau đó ép đùn thành sợi có đường kính 1,75 mm. Các sợi sau khi ép đùn được quan sát tổ chức tế vi và kiểm tra độ bền kéo. Kết quả cho thấy, sợi với các tỷ lệ khối lượng TiH2 đã nêu có cơ tính cải thiện rõ rệt và cốt hạt TiH2 phân tán khá đồng đều trong nền PP đáp ứng điều kiện in 3D FDM.

Từ khóa: In 3D, FDM, Polypropylene (PP), TiH2, sợi composit

ABSTRACT

In this paper, the polypropylene (PP) matrix composite filament reinforced with Titanium hydride (TiH2) powder was successfully manufactured to use for FDM 3D printing (Fused Deposition Modeling). TiH2 powder reinforced was mixed well in PP with 1,2,3 and 4 % weight ratio then extruded to become the fibers having 1,75 mm in diameter. The extruded fibers were evaluated through microstructure and tension test. The results showed that the higher TiH2 ratio, the better fiber’s property is improved and TiH2 powder reinforced was equally dispersed in PP matrix meet the condition of FDM 3D printing technology.

Keywords: 3D printing, FDM, PP, TiH2, composite filament

1.  ĐẶT VẤN ĐỀ

In 3D là một phương pháp chế tạo tiên tiến, cho phép chế tạo các chi tiết phức tạp, ít tốn kém vật liệu hơn so với các phương pháp sản xuất truyền thống. In 3D được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống như: công nghiệp chế tạo, y tế, giáo dục, xây dựng, thời trang… Hiện nay các công nghệ như: FDM (Fused Deposition Modeling), SLA (Stereolithography), SLS (Selective Laser Sintering), SLM (Selective Laser Melting) được sử dụng phổ biến trong cả nghiên cứu và công nghiệp [1]. Trong đó, công nghệ FDM được sử dụng để mô hình hóa và chế tạo sản phẩm, đặc biệt phù hợp với những người mới tìm hiểu và nghiên cứu về in 3D vì giá thành hợp lý, dễ tiếp cận và có độ phân giải tương đối tốt [2]. Hiện nay, các loại vật liệu nhựa nhiệt dẻo như ABS (acrylonitrile Butadiene Styrene), PC (Polycarbonate), PLA (Axit Polylactic), PA (Polyamide), PP (Polypropylene),… được sử dụng phổ biến cho công nghệ FDM. Tuy nhiên, các sản phẩm in bằng những vật liệu này vẫn chưa hoàn toàn đáp ứng được độ bền cơ học, chịu tải,… do tính chất vốn có của polyme, vì vậy hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo các thành phần cơ khí [2-3]. In 3D sử dụng vật liệu composit polyme khắc phục những vấn đề này bằng cách kết hợp cốt sợi, cốt hạt vào nền polyme nhằm đạt được những vật liệu có tính chất và cấu trúc tăng cường so với vật liệu nguyên chất [4].

Hiện nay, trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về vật liệu composit nền polyme với những đặc tính nổi trội hơn so với vật liệu thông thường.

Ví dụ, như vật liệu gia cường cốt hạt Fe trên nền ABS (Fe/ABS) hoặc cốt hạt đồng trên nền ABS (Cu/ABS) có tính chất nâng cao như cải thiện độ bền kéo, tăng môđun lưu trữ và độ dẫn nhiệt, giảm hệ số giãn nở nhiệt [5-6]. Vật liệu polyme PLA gia cường cốt sợi cácbon 6,6 % thể tích giúp tăng mạnh độ bền kéo lên đến 335 % [7]. Vật liệu composit ứng dụng trong lĩnh vực y sinh như HA/PLA cấu trúc giàn giáo phân hủy sinh học với khả năng chống nứt [8], vật liệu HA/PEG/PLA cấu trúc giàn giáo phân hủy sinh học cải thiện tính kị nước và độ bám tế bào, cải thiện độ bền nén [9]. Những nghiên cứu đó cho biết những tính chất đặc biệt so với vật liệu thông thường giúp tìm ra ứng dụng mới trong sản xuất và đời sống. Tuy nhiên, trong quá trình chế tạo sợi composit sử dụng trong in 3D đã gặp phải một số vấn đề như sự tích tụ cốt, tạo lỗ trống nhiều khi in, khả năng điền đầy [3-4, 10-12].

Trong nghiên cứu này, nhựa PP và cốt hạt TiH2 được sử dụng để chế tạo sợi composit theo công nghệ ép đùn. Nhựa PP có nhiều ưu điểm như khả năng kháng hóa chất và tính linh hoạt tương đối tốt. Tuy nhiên, nó cũng bộc lộ những thách thức cho in 3D. Một trong những lý do chủ yếu là sợi PP rất khó in. Hầu hết các máy in rất khó kiểm soát quá trình in nhựa PP, vì PP nguội đi và đông cứng không đồng nhất, dẫn đến ứng suất dư tạo ra cong vênh. TiH2 đã được nghiên cứu nhiều, vì tính chất cơ học và nhiệt động độc đáo của nó. TiH2 được sử dụng rộng rãi như phương tiện lưu trữ hydro, sử dụng để nối gốm với vật liệu kim loại và điều chế hợp kim titan hydro hóa và hợp kim Al xốp [13-14]. Mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giá khả năng cải thiện cơ tính cho sợi composit khi gia cường cốt hạt TiH2 và khảo sát sự phân tán của cốt TiH2 trong nền PP khi chế tạo sợi bằng máy ép đùn trục vít đơn.

2.  THỰC NGHIỆM

2.1. Vật liệu và qui trình chế tạo sợi composit

Bột TiH2 (có kích thước 300 nm) màu đen, với độ tinh khiết 99 %, nhiệt độ nóng chảy khoảng 350 ℃  được  cung  cấp  dạng  thương  mại.  Các hạt nhựa  PP thương  mại  có  màu  trắng  trong suốt, không độc. Nhiệt độ nóng chảy của PP là » 165 °C. Sơ đồ qui trình chế tạo sợi composit được nêu trên hình 1.

Hạt nhựa PP và bột TiH2 được cân với độ chính xác 0,01 g rồi trộn cơ học (ở nhiệt độ 25 oC).

Hình 1. Sơ đồ quy trình chế tạo sợi composit

Sau đó, hỗn hợp được trộn gia nhiệt-đùn ở 175 oC bằng một máy đùn trục vít đơn (tỉ lệ chiều dài/đường kính trục vít là L/D = 12 và tốc độ ép đùn 40 cm/phút). Trục vít có vai trò vừa tạo áp lực trộn đều hai chất với nhau, vừa tạo một lực đẩy để đùn ra sợi hỗn hợp. Để làm đồng đều hóa hỗn hợp và giúp cốt phân tán đều trong nền của sợi composit, đã trộn gia nhiệt – đùn trong 3 lần. Sau mỗi lần ép đùn sợi lại được cắt nhỏ để tiếp tục ép đùn. Ở lần trộn-gia nhiệt và ép đùn lần thứ 3 sợi được kéo với tốc độ là 40 cm/phút và nhiệt độ ép đùn là 175 oC và để nguội ngoài không khí. Nhiệt độ ép đùn đảm bảo nhựa PP không bị thoái hóa và đạt nhiệt độ chảy của nhựa. Sợi được kéo ra có đường kính 1,75 mm ( ± 0,1 mm).

2.2.  Phương pháp đánh giá tính chất của vật liệu in

Mẫu sợi composit sau khi ép đùn được quan sát tổ chức tế vi và thử kéo. Mẫu sợi composit có đường kính 1,75 mm (± 0,1 mm) với các tỷ lệ TiH2 lần lượt là 1,2,3 và 4 % khối lượng, được gá và kéo trên máy DEVOTRANS (model: FU/R) với vận tốc 100 mm/phút. Mẫu 2 và 3 % TiH2 sau khi kéo đứt, bề mặt gãy được đổ epoxy, mài và đánh bóng trước khi quan sát tổ chức tế vi trên kính hiển vi VHX7000. Mẫu sau khi đánh giá tính chất và tổ chức tế vi được in thử mẫu kéo trên máy in 3D.

3.  KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Tính chất cơ học

Hình 2 là kết quả thử kéo các mẫu sợi PP nguyên chất và các sợi composit chứa 1, 2, 3 và 4 % TiH2.

Hình 2. Đồ thị ứng suất – biến dạng của các mẫu nhựa PP và 1,2,3,4 % TiH2

Kết quả cho thấy, khi thêm 1 % TiH2 tính chất cơ học của sợi composit không thay đổi nhiều so với nhựa PP thông thường, giới hạn bền giảm một chút là 35,33 MPa ở tỷ lệ 1 %, và giảm xuống 34,79 MPa ở tỷ lệ 2 % có thể do sự bám dính chưa tốt của cốt với nền. Hiện tượng này được khắc phục khi tăng lượng cốt đến 3 % và 4 %. Giới hạn bền tăng lên 36,57 MPa ở mẫu 3 % và đạt 41,84 MPa ở 4 % TiH2 so với 35,6 MPa của mẫu nhựa PP nguyên chất.

Ảnh hưởng của lượng TiH2 đến khả năng biến dạng của sợi cho thấy, với thành phần 1 % thì lượng biến dạng gần như không thay đổi so với vật liệu nhựa PP ban đầu. Khi tăng TiH2 lên 2 % độ giãn dài tăng mạnh đến 13 % so với nhựa nguyên chất và giảm dần khi tăng lên 3 và 4 % TiH2. Có thể tỷ lệ 2 % TiH2 là điểm chuyển tiếp dẻo – giòn, với tỉ lệ thành phần vừa phải TiH2 giúp cho nền PP tăng độ dẻo.

Mẫu 4 % có mức độ giãn dài tương đương với mẫu nhựa ban đầu, nhưng đã tăng được độ bền lên khoảng 15 %. Sự gia tăng độ bền sẽ giúp cải thiện cơ tính cho các chi tiết được chế tạo ra.

Các kết quả đo độ bền kéo và độ giãn dài cho giá trị tương tự hoặc cao hơn so với công bố [15] dùng sợi composit cốt sợi thủy tinh ngắn trong nền nhựa PP. Với tính chất này sợi chế tạo hoàn toàn phù hợp để sử dụng trong máy in 3D FDM.

3.2.  Tổ chức tế vi của sợi composit

Hình 3. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu 2 % TiH2 với độ phóng đại 500 lần (a) – 1000 lần (b) và mẫu 3 % TiH2 với độ phóng đại 500 lần (c) – 1000 lần (d)

Các mẫu kiểm tra tổ chức tế vi với 2 và 3 % TiH2 đã được chuẩn bị từ mặt đứt gãy của sợi thử kéo. Các mẫu được chụp ở độ phóng đại 500 và 1000 lần như trên hình 3. Kết quả cho thấy sự xuất hiện rất rõ ràng của hạt TiH2 (pha màu sáng) trên nền nhựa (pha màu tối). Các hạt phân bố tương đối đồng đều trên nền cho thấy các quá trình trộn và ép đùn đã giúp cốt phân tán tốt được trong nền. Tuy nhiên, như đã nêu phần 1, hiện tượng vón cục vẫn còn xảy ra, cục vón lớn nhất đo được khoảng 10 µm so với kích thước hạt ban đầu TiH2 khoảng 300 nm, điều này có thể ảnh hưởng đến cơ tính và gây nguy hiểm cho quá trình in nếu chọn đầu phun quá nhỏ. Xuất hiện một vài lỗ trống nhỏ (màu đen), có thể do bọt khí hình thành trong quá trình ép đùn hoặc do sự bong tróc của hạt cốt dưới tác dụng của các hạt mài và hạt oxit đánh bóng trong quá trình chuẩn bị mẫu.

3.3.  Đánh giá khả năng in của sợi composit

Mục đích cuối cùng của sợi sau khi ép đùn là để sử dụng cho máy in 3D FDM. Mẫu thử kéo với kích thước theo TCVN 4501-2:2009 (ISO 527- 2:1993) được dùng làm mẫu in thử. Thông số in được thiết lập trên phần mềm Simplify3D với các thông số như sau: nhiệt độ in (220 oC), tốc độ in (40 mm/s) và độ dày lớp (0.2 mm). Quá trình in được thực hiên trên máy in SDLs MX 250 với hệ thống đầu phun 0,4 mm với sợi 2 % TiH2 (hình 4a). Quá trình in cho thấy vật liệu sợi composit được chế tạo phù hợp cho máy in 3D FDM. Mẫu thử kéo nhận được như trên hình 4b đạt yêu cầu về kích thước hình học.

Hình 4. a) mẫu sợi composit sau khi ép đùn; b) mẫu in thử kéo từ sợi composit chế tạo với 2 % TiH2

4.  KẾT LUẬN

Sợi composit nền PP với cốt hạt TiH2 đã được chế tạo thành công và sử dụng cho công nghệ in 3D FDM. Đường kính sợi chế tạo ra có kích thước 1,75 ± 0.1 mm đảm bảo được điều kiện in cho máy in FDM. Sợi composit đã được đánh giá tính chất cơ học và so sánh với sợi nhựa PP nguyên chất. Độ bền kéo tăng 15 % khi tăng lên 4 %TiH2 so với nhựa PP nguyên chất. Tuy nhiên, vẫn còn xảy ra hiện tượng tích tụ, độ phân tán hạt chưa hoàn toàn đồng đều và có thể làm cho tính chất cơ học của sợi không đồng đều. Mẫu kéo được in thử trong trường hợp 2 %TiH2 đạt yêu cầu không bị tắc vòi phun và đứt sợi trong quá trình in.

LỜI CẢM ƠN

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Bách khoa Hà Nội theo đề tài mã số T2018- PC-086. Tác giả xin trân trọng cảm ơn quý trường đã tài trợ cho nghiên cứu này.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

  1. Lipson and M. Kurman; Fabricated: The New World of 3D Printing, Indiana; Canada, 2013
  2. D. Ngo, A. Kashani, G. Imbalzano, K. T. Nguyen and D. Hui.; Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges, Composites Part B: Engineering, vol. 143, 2018, pp. 172-196
  3. S. Ivanova, C. B. Williams and T. A. Campbell; Additive manufacturing (AM) and nanotechnology: promises and challenges, Rapid Prototyping Journal, vol. 19, No. 5, 2013, pp. 353-364
  4. Parandoush and D. Lin, A review on additive manufacturing of polymer-fiber composites, Composite Structures, vol. 182, 2017, pp. 36-53
  5. Nikzad, S. H. Masood and I. Sbarski; Thermo-mechanical properties of a highly filled polymeric composites, Materials and Design, vol. 32, No. 6, 2011, pp. 3448-3456
  6. Hwang, E. I. Reyes, K.-s. Moon, R. C. Rumpf and N. S. Kim; Thermo-mechanical Characterization of Metal/Polymer Composite Filaments and Printing Parameter Study for Fused Deposition Modeling in the 3D Printing Process, Journal of Electronic Materials, vol. 44, No. 3, , 2015, pp. 771-777
  7. Matsuzaki, M. Ueda, M. Namiki, T.-K. Jeong, H. Asahara, K. Horiguchi, T. Nakamura, A. Todoroki and Y. Hirano; Three-dimensional printing of continuous-fiber composites by in-nozzle impregnation; Scientific Reports, 2016
  8. S. Senatov, K. V. Niaza, A. A. Stepashkin and S. D. Kaloshkin; Low-cycle fatigue behavior of 3D-printed PLA- based porous scaffolds; Composites Part B: Engineering, vol. 97, 2016, pp. 193-200
  9. Kutikov A, B Song, Gurijala and Jie; Rapid Prototyping Amphiphilic Polymer/Hydroxyapatite Composite Scaffolds with Hydration-Induced Self-Fixation Behavior, Tissue Engineering Part C: Methods, vol. 21, No. 3, 2014
  10. Wang, M. Jiang, Z. Zhou, J. Gou and D. Hui; 3D printing of polymer matrix composites: a review and prospec- tive, Composites Part B Engineering, vol. 110, 2017, pp. 442-458
  11. Kalsoom, P. N. Nesterenko and B. Paull; Recent developments in 3D printable composite materials, RSC Advances, vol. 6, No. 65, 2016, pp. 60355-60371
  12. K. Sezer and O. Eren; FDM 3D printing of MWCNT re-inforced ABS nano-composite parts with enhanced mechanical and electrical properties, Journal of Manufacturing Processes, vol. 37, 2019, pp. 339-347
  13. Xue, H. Ma, Z. Shen, Y. Yu and L. Ren; Study on Ball Milling of TiH2 and Application in Energetic Materials, Applied Mechanics and Materials, Vols. 599-601, 2014, pp. 107-110
  14. Liu, P. He, J. Feng and J. Cao, Kinetic study on nonisothermal dehydrogenation of TiH2 powders, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 34, No. 7, 2009, pp. 3018-3025
  15. Sodeifian, S. Ghaseminejad and A. A. Yousefi; Preparation of polypropylene/short glass fiber composite as Fused Deposition Modeling (FDM) filament, Results in Physics, No. 12, 2019, pp. 205-222

 

Leave a Reply

Your email address will not be published.