THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu cấu trúc vật liệu và công nghệ in 3D các chi tiết máy từ vật liệu composite có cấu trúc vi mô tùy biến nền polymer

- Mã số: B2022-TNA-27

- Chủ nhiệm đề tài: TS. Hoàng Tiến Đạt

- Tổ chức chủ trì: Đại học Thái Nguyên

- Thời gian thực hiện: từ tháng 1/2022 đến tháng 06/2024.

2. Mục tiêu:

Mục tiêu chung

Nghiên cứu cấu trúc vật liệu và công nghệ in 3D sử dụng vật liệu composite nhằm mở rộng ứng dụng của các kết cấu in 3D.

Mục tiêu cụ thể:

- Xác định được cấu trúc vi mô của vật liệu composite nền polymer gia cường sợi phù hợp điều kiện làm việc của một số họ chi tiết in 3D;

- Xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu đa mục tiêu, dung hoà các tiêu chí: độ bền, khối lượng, giá thành;

- Xây dựng được quy trình công nghệ chế tạo một số chi tiết của robot, ứng dụng được trong sản xuất;

  - Chế tạo được một số mẫu chi tiết điển hình của robot với cấu trúc vật liệu và công nghệ đề xuất; kiểm nghiệm và đánh giá được khả năng làm việc và các tính năng vượt trội của chúng.

3. Tính mới và sáng tạo:

Tính mới: Đề tài có nhiều tính mới, nhưng tính mới nổi trội nhất là đã tìm ra được giải pháp tối ưu hóa kết cấu in 3D composite sử dụng nhiều vật liệu khác nhau trong quá trình in như sợi gia cường carbon trên nền vật liệu polymer PLA, PetG hay PA. Thêm vào đó, một dòng máy in composite mới có thể in đồng thời sợi gia cường dài liên tục cũng đã được thiết kế, chế tạo và ứng dụng in thử nghiệm thành công.

Tính sáng tạo: Đề tài đã kết hợp đồng thời nhiều vật liệu trong quá trình in bao gồm sợi gia cường cắt ngắn, sợi gia cường liên tục cùng vật liệu nhựa polymer nhằm nâng cao cơ tính hay độ cứng trên khối lượng của chi tiết in.

4. Kết quả nghiên cứu:

Đề tài thực hiện đã đánh giá thực trạng và phân tích được các tồn tại của các cấu trúc vật liệu in 3D hiện có, từ đó xây dựng được:

- Xây dựng được mô hình cấu trúc vi mô của một số vật liệu in 3D từ đó làm cơ sở cho các bước khảo sát và dự đoán cơ tính, ứng xử của vật liệu in 3D composites.

- Xây dựng được mô hình toán đồng nhất hóa đa tỉ lệ (Multiscale Homogenization Method - MHM) dự đoán cơ tính vĩ mô và biến dạng của các cấu trúc vi mô của vật liệu in 3D composites.

- Lựa chọn phương pháp giải phần tử hữu hạn (FEM) cho các bài toán mô phỏng dự đoán MHM thông qua kỹ thuật giải trên từng phần tử có dẫn hướng bởi điều kiện đầu tỉ lệ (Element -by-Element Scaled Conjugate Gradient – EBE SCG) và phương pháp FEM tích hợp sẵn trong phần mềm Abaqus.

- Tối ưu hóa hình dáng hình học các kết cấu in 3D composite sử dụng sợi carbon liên tục (CCF) trên nền vật liệu polymer như Polylactic acid (PLA) và Polyamide 12 (PA12) có chứa sợi carbon cắt ngắn từ đó giúp nâng cao được tỉ lệ độ bền/độ cứng trên khối lượng và tiết kiệm được giá thành chế tạo chi tiết.

- Thiết kế, chế tạo 01 máy in 3D có khả năng in được các vật liệu nhựa thuần hay nhựa composite có chưa các sợi cắt ngắn như carbon trên nền vật liệu PLA, PETG, PA, ABS.

- Chế tạo và thử nghiệm một số mẫu in 3D composite tiêu chuẩn như ASTM D638 dành cho vật liệu nhựa hay composite nền nhựa.

- Chế tạo và đánh giá một số chi tiết ứng dụng trong thực tế như puly, thanh đỡ, tay kẹp robot, chân robot, giá đỡ bằng công nghệ in 3D composite.

5. Sản phẩm:

5.1. Sản phẩm khoa học:

Đã công bố 01 Bài báo ISI Q1/Q2, 01 bài báo Scopus và 02 Bài báo trong nước

1. Ho, T. N. T., Nguyen, S. H., Le, V. T., & Hoang, T. D. (Corresponding author), Coupling design and fabrication of continuous carbon fiber-reinforced composite structures using two-material topology optimization and additive manufacturing. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, ISSN 1433-3015, 130, 4277–4293, 2024.
2. Nguyen Ba Thuan, Van Du Nguyen, Ngo Nhu Khoa, Nguyen Thi Thu Dung, Vu Van Dam, Nguyen Quoc Tuan, Nguyen Dang Viet , Khairul Salleh Basaruddin and Tien-Dat Hoang (Corresponding author), Stiffness Prediction of 3D Printed Lattice Designs With Continuous Carbon Fibers Based Polylactic Acid Resin, Lecture Notes in Networks and Systems, ISSN 2367-3370, 2023.
3. Hoàng Tiến Dũng, Nguyễn Hữu Phấn, Hoàng Tiến Đạt (Tác giả liên hệ), Khảo sát sự ảnh hưởng của cấu trúc lưới tới cơ tính của kết cấu in 3d sử dụng nhựa phân hủy sinh học polylactic acid, HaUI Journal of Science and Technology, ISSN 2615-9619, 107-110, Tập 60, Số 1, 2024.
4. Tien-Dat Hoang, Van-Truong Nguyen, Nguyen Van Tu, Tensile performance of continuous fiber reinforced thermoplastic printed by fused filament fabrication, Tuyển tập công trình hội nghị cơ học toàn quốc lần thứ XI, Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và Công nghệ, 326-333, 2022.

5.2. Sản phẩm đào tạo:

Hướng dẫn 02 học viên làm luận văn thạc sĩ.

[1]. Nguyễn Văn Tứ (2022), “Nghiên cứu nâng cao chất lượng sản phẩm in 3D sử dụng vật liệu Composite”, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Kinh tế - Công nghệ Thái Nguyên.

Người hướng dẫn: TS. Hoàng Tiến Đạt

Ngày bảo vệ luận văn: 29/07/2023.

Điểm đánh giá của Hội đồng: 9,1

[2]. Nguyễn Văn Duy (2023), “Nghiên cứu khảo sát sự ảnh hưởng của cấu trúc lưới tới cơ tính của kết cấu in 3D sử dụng vật liệu composite”, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Kinh tế - Công nghệ Thái Nguyên.

Người hướng dẫn: TS. Hoàng Tiến Đạt

Ngày bảo vệ luận văn: 27/01/2024.

Điểm đánh giá của Hội đồng: 8,8

5.3. Sản phẩm ứng dụng:

- 01 hệ thống thiết bị in 3D vật liệu composite polymer gia cường sợi có một số thông số chính như:

+ Kích thước khổ in ít nhất từ 250 × 250 × 150 mm;

+ Nhiệt đầu in có thể đạt đến 260^oC để có thể làm chảy các loại dây nhựa như PLA, PETG, PA, ABS;

+ Đầu in có hai vòi phun để có thể đùn đồng thời sợi tăng cường và nhựa;

+ Chức năng in tương tự như máy in 3D Ultimaker S3.

- Một số chi tiết của robot như tay máy, thanh truyền, khớp nối, gối đỡ, bánh răng, hoặc puly

+ Có thể đạt được độ chính xác kích thước khoảng ± 0.1 mm;

+ Độ chính xác hình dáng như độ phẳng có thể đạt dung sai khoảng 0.2 mm;

độ trụ có dung sai khoảng 0.25 mm.

Độ bền cơ học lớn hơn ít nhất 15 lần so với nhựa thông thường.

5.4. Sở hữu trí tuệ

01 Giải pháp hữu ích (được chấp nhận đơn hợp lệ ngày 4/5/2024).

6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu:

6.1. Phương thức chuyển giao:

Sau kết thúc đề tài, toàn bộ kết quả và sản phẩm của đề tài sẽ được chuyển giao cho trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên.

Quy trình chế tạo, sản xuất, và công nghệ in 3D vật liệu composite được chuyển giao cho đơn vị phối hợp thử nghiệm và ứng dụng sản phẩm.

6.2. Địa chỉ ứng dụng:

-  Phòng STEM, viện nghiên cứu phát triển công nghệ cao về kỹ thuật công nghiệp, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên.

- Đơn vị phối hợp ứng dụng sản phẩm là Công ty TNHH Sharetech, Bắc từ liêm, Hà Nội.

6.3. Tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu:

+ Đối với lĩnh vực giáo dục và đào tạo

• Công bố khoa học trên các tạp chí quốc tế ISI có thứ hạng cao, đóng góp cho thành tích xếp hạng Đại học.
• Mở ra hướng mới về lĩnh vực in 3D, đặc biệt là in 3D composite ứng dụng trong đào tạo và nghiên cứu.

+ Đối với lĩnh vực khoa học và công nghệ có liên quan

• Tạo điều kiện cho nghiên cứu trẻ có cơ hội đóng góp và nâng tầm nhóm nghiên cứu của Đại học thành nhóm nghiên cứu mạnh.

+ Đối với phát triển kinh tế - xã hội

• Hứa hẹn ứng dụng thực tiễn rộng rãi trong sản xuất chế tạo robot cũng như các lĩnh vực sản xuất công nghệ cao khác trong nước.

+ Đối với tổ chức chủ trì và các cơ sở ứng dụng kết quả nghiên cứu

Việc thực hiện đề tài sẽ tạo điều kiện để các nghiên cứu trẻ, tiến sỹ vừa trở về nước, cán bộ giảng dạy của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên được trực tiếp tham gia vào các hoạt động nghiên cứu về các vấn đề khoa học và công nghệ mang tính thời đại hiện nay; Sản phẩm khoa học của đề tài là các bài báo ISI, Scopus sẽ góp phần tăng cường thương hiệu và thứ tự xếp hạng của các trường đại học tại Việt Nam trên thế giới.

 INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1. General information:

- Project title: Research on the structure of materials and 3D printing technology for machine parts made from composite materials with customizable microstructure based on polymers.

- Code number: B2022 - TNA - 27

- Lead researcher: Dr. Hoang Tien Dat

- Project implementing organization: TNU - University of Technology

- Duration: from January, 2022 to June, 2024 

2. Objectives:

General objective:

Research on the structure of materials and 3D printing technology using composite materials to enhance the application of 3D printed structures.

Specific objective:

Determine the microstructure of polymer matrix composite materials reinforced with suitable fibers for the working conditions of some 3D printed components.

Determine the multi-objective optimized process parameters, balancing criteria such as strength, weight, and cost.

Develop a manufacturing process for certain robot components applicable to production.

Manufacture typical samples of robot components using the proposed materials and technology; test and evaluate their performance and superior features.

3. Novelty and  creativity:

Novelty: The project has many novelties, but the most outstanding novelty is that it has found a solution to optimize composite 3D printing structures using many different materials in the printing process such as carbon reinforced fiber on PLA, PetG or PA. In addition, a new line of composite printers that can simultaneously print continuously long reinforcing fibers has also been designed, manufactured and successfully tested in printing applications.

Creativity: The project simultaneously combined many materials in the printing process including short-cut reinforcing fibers, continuous reinforcing fibers and polymer plastic materials to improve the mechanical properties or stiffness based on the mass of the printed part.

4. Research results:

The project has assessed the literature review and analyzed the existing structures of existing 3D printed materials, thereby constructing:

- Built models of the microstructure of some 3D printing materials, serving as the basis for surveys and predictions of the mechanical properties and behaviors of composite 3D printing materials.

- Developed a multiscale homogenization method (MHM) mathematical model to predict the macroscopic mechanical properties and deformations of the microstructures of composite 3D printing materials.

- Selected finite element method (FEM) techniques for MHM prediction simulations through element-by-element scaled conjugate gradient (EBE SCG) conditions and FEM methods integrated into Abaqus software.

- Optimized the geometric shapes of 3D composite structures using continuous carbon fiber (CCF) on polymer materials such as Polylactic Acid (PLA) and Polyamide 12 (PA12) containing short carbon fibers to improve strength/stiffness-to-weight ratio and save manufacturing costs.

- Designed and manufactured a 3D printer capable of printing pure plastic materials or composite plastics containing short fibers such as carbon on PLA, PETG, PA, ABS materials.

- Manufactured and tested some standard 3D composite samples such as ASTM D638 for plastic or plastic composite materials.

- Manufactured and evaluated some practical application components such as pulleys, brackets, robot grippers, robot legs, and supports using 3D composite printing technology.

5. Products

5.1. Scientific products:

- Published 01 ISI/SCIE Q2, 01 Scopus Q4, 02 national articles:

1. Ho, T. N. T., Nguyen, S. H., Le, V. T., & Hoang, T. D. (Corresponding author), Coupling design and fabrication of continuous carbon fiber-reinforced composite structures using two-material topology optimization and additive manufacturing. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, ISSN 1433-3015, 130, 4277–4293, 2024.

2. Nguyen Ba Thuan, Van Du Nguyen, Ngo Nhu Khoa, Nguyen Thi Thu Dung, Vu Van Dam, Nguyen Quoc Tuan, Nguyen Dang Viet , Khairul Salleh Basaruddin and Tien-Dat Hoang (Corresponding author), Stiffness Prediction of 3D Printed Lattice Designs With Continuous Carbon Fibers Based Polylactic Acid Resin, Lecture Notes in Networks and Systems, ISSN 2367-3370, 2023.

3. Hoàng Tiến Dũng, Nguyễn Hữu Phấn, Hoàng Tiến Đạt (Tác giả liên hệ), Khảo sát sự ảnh hưởng của cấu trúc lưới tới cơ tính của kết cấu in 3d sử dụng nhựa phân hủy sinh học polylactic acid, HaUI Journal of Science and Technology, ISSN 2615-9619, 107-110, Tập 60, Số 1, 2024.

4. Tien-Dat Hoang, Van-Truong Nguyen, Nguyen Van Tu, Tensile performance of continuous fiber reinforced thermoplastic printed by fused filament fabrication, Tuyển tập công trình hội nghị cơ học toàn quốc lần thứ XI, Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và Công nghệ, 326-333, 2022.

5.2. Training products:

Supervising 02 master students:

[1]. Nguyen Van Tu (2022), “Nghiên cứu nâng cao chất lượng sản phẩm in 3D sử dụng vật liệu Composite”, Master thesis, TUTECH University.

Defense day: 29/07/2023.

Score: 9,1

[2]. Nguyen Van Duy (2023), “Nghiên cứu khảo sát sự ảnh hưởng của cấu trúc lưới tới cơ tính của kết cấu in 3D sử dụng vật liệu composite”, Master thesis, TUTECH University.

Defense day: 27/01/2024.

Score: 8,8

5.3. Applied products:

A 3D printing system for reinforced polymer composite materials has several key specifications, including:

Minimum print dimensions of 250 × 250 × 150 mm.

The print head can reach temperatures of up to 260°C to melt various plastic filaments such as PLA, PETG, PA, ABS.

The print head has two nozzles to simultaneously extrude reinforcement fibers and plastic.

Printing capabilities similar to the Ultimaker S3 3D printer.

Some components of the robot such as robot arms, transmission shafts, joints, supports, gears, or pulleys.

Dimensional accuracy of approximately ± 0.1 mm can be achieved.

Shape accuracy such as flatness can achieve a tolerance of about 0.2 mm; cylindrical accuracy with a tolerance of about 0.25 mm.

Strength is larger 15 times than that of normal plastic.

5.4. Patents

01 patent (accepted as a valid application from 4/5/2024)

6. Transfer method, applied place, impacts and benefits of research results:

6.1.  Transfer method

After finishing the project, all results and products of the project will be transferred to the Thai Nguyen University of Technology, Thai Nguyen University.

The manufacturing process, production, and 3D printing technology of composite materials are transferred to the unit that coordinates product testing and application.

6.2. Applied place

- STEM Lab, Research Development Institute of Advanced Industrial Technologies (RIAT)​​, Thai Nguyen University of Technology, Thai Nguyen University.

- The product application coordination unit is Sharetech Co., Ltd., Bac Tu Liem, Hanoi.

6.3. Impacts and benefits of research results

+ For the field of education and training:

- Scientific publications in high-ranking ISI international journals, contributing to the University's ranking achievements.

- Opens up new research directions in the field of 3D printing, especially composite 3D printing applied in training and research.

+ For science and technology fields:

- Create conditions for young researchers to have the opportunity to contribute and elevate the University's research group into a strong research group.

 + For socio-economic development:

- Promising wide practical application in robot manufacturing as well as other domestic high-tech manufacturing fields.

+ For implementing organization and establishments applying research results

The implementation of the project will create conditions for young researchers, PhDs who have just returned home, and teaching staff of Thai Nguyen University of Technology to directly participate in research activities on these issues. modern science and technology topics; The scientific products of the project are ISI and Scopus articles that will contribute to strengthening the brand and ranking of universities in Vietnam in the world.