Luận văn thạc sĩ công nghệ chế tạo máy nghiên cứu thiết kế hệ thống đầu đùn tạo mẫu nhanh cho máy fdm

Luận văn thạc sĩ công nghệ chế tạo máy nghiên cứu thiết kế hệ thống đầu đùn tạo mẫu nhanh cho máy FDM, ứng dụng công nghệ in 3D hiện đại.

• Tác giả: Phạm Hữu Thái Sơn
• Người hướng dẫn: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đầu đùn tạo mẫu nhanh cho máy FDM
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về Luận Văn Thạc Sĩ

Luận Văn Thạc Sĩ của Phạm Hữu Thái Sơn tập trung vào Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Đầu Đùn Tạo Mẫu Nhanh Cho Máy FDM. Công trình này được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Thái Thị Thu Hà. Luận văn đã được bảo vệ vào tháng 12 năm 2012, với mục tiêu chính là thiết kế và chế tạo Hệ Thống Đầu Đùn kép cho máy FDM, nhằm tối ưu hóa quy trình Tạo Mẫu Nhanh. Nghiên cứu này không chỉ mang tính học thuật mà còn có giá trị thực tiễn cao, góp phần phát triển Công Nghệ FDM tại Việt Nam.

1.1. Mục tiêu và nhiệm vụ

Mục tiêu chính của luận văn là Thiết Kế Hệ Thống Đầu Đùn kép cho máy FDM, nhằm cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong quá trình Tạo Mẫu Nhanh. Các nhiệm vụ cụ thể bao gồm: tìm hiểu về Hệ Thống Đầu Đùn hiện có, tính toán và thiết kế đầu đùn kép, chế tạo và thực nghiệm để đánh giá hiệu quả. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần vào việc phát triển Công Nghệ Tạo Mẫu Nhanh tại Việt Nam, đặc biệt trong lĩnh vực Máy In 3D FDM.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận văn có ý nghĩa khoa học lớn khi đưa ra phương pháp Thiết Kế Hệ Thống đầu đùn kép, một giải pháp mới trong Công Nghệ FDM. Về mặt thực tiễn, nghiên cứu này giúp tối ưu hóa quy trình Tạo Mẫu Nhanh, giảm thời gian và chi phí sản xuất. Điều này có thể ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như y tế, kiến trúc, và sản xuất ô tô, góp phần thúc đẩy sự phát triển của Công Nghệ In 3D tại Việt Nam.

II. Phân tích và thiết kế Hệ Thống Đầu Đùn

Luận văn đi sâu vào phân tích và Thiết Kế Hệ Thống Đầu Đùn kép cho máy FDM. Nghiên cứu này bao gồm việc phân tích nguyên lý hoạt động của Đầu Đùn 3D, tính toán các thông số kỹ thuật như áp suất, nhiệt độ, và tốc độ đùn vật liệu. Qua đó, tác giả đã đề xuất một thiết kế tối ưu cho Hệ Thống Đầu Đùn, đảm bảo hiệu suất cao và độ chính xác trong quá trình Tạo Mẫu Nhanh.

2.1. Nguyên lý hoạt động của Đầu Đùn

Đầu Đùn 3D hoạt động dựa trên nguyên lý nung chảy vật liệu nhựa và đùn chúng qua một vòi phun để tạo thành từng lớp của mô hình 3D. Luận văn đã phân tích chi tiết quá trình này, bao gồm việc kiểm soát nhiệt độ, áp suất, và tốc độ đùn. Điều này giúp đảm bảo rằng vật liệu được đùn ra một cách đồng đều và chính xác, tạo nên các lớp mỏng với độ chính xác cao.

2.2. Tính toán và thiết kế

Tác giả đã thực hiện các tính toán chi tiết để Thiết Kế Hệ Thống Đầu Đùn kép, bao gồm việc xác định áp suất cần thiết tại các vùng khác nhau của đầu đùn, lực kéo của con lăn, và tốc độ đùn vật liệu. Các thông số này được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất cao nhất trong quá trình Tạo Mẫu Nhanh. Kết quả là một thiết kế đầu đùn kép hoàn chỉnh, có khả năng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe của Máy In 3D FDM.

III. Thực nghiệm và kết quả

Luận văn đã tiến hành các thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của Hệ Thống Đầu Đùn kép. Các thử nghiệm bao gồm việc chạy thử với các loại vật liệu khác nhau, thay đổi nhiệt độ và tốc độ đùn để tìm ra các thông số tối ưu. Kết quả cho thấy, Hệ Thống Đầu Đùn kép hoạt động ổn định và đạt được độ chính xác cao trong quá trình Tạo Mẫu Nhanh.

3.1. Thực nghiệm với vật liệu mẫu

Các thử nghiệm đầu tiên được thực hiện với vật liệu mẫu, nhằm kiểm tra khả năng đùn và độ chính xác của Đầu Đùn 3D. Kết quả cho thấy, hệ thống hoạt động ổn định, với độ chính xác cao trong việc tạo ra các lớp mỏng của mô hình 3D. Điều này chứng tỏ rằng thiết kế đầu đùn kép đã đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của Máy In 3D FDM.

3.2. Tối ưu hóa thông số

Luận văn cũng tiến hành các thử nghiệm để tối ưu hóa các thông số như nhiệt độ, tốc độ đùn, và khoảng cách giữa đầu đùn và tấm đỡ. Kết quả cho thấy, việc điều chỉnh các thông số này có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Qua đó, tác giả đã xác định được các thông số tối ưu để đảm bảo hiệu suất cao nhất trong quá trình Tạo Mẫu Nhanh.

IV. Kết quả và hướng phát triển

Luận văn đã đạt được những kết quả đáng kể trong việc Thiết Kế Hệ Thống Đầu Đùn kép cho máy FDM. Các kết quả thực nghiệm cho thấy, hệ thống này có khả năng đáp ứng nhu cầu Tạo Mẫu Nhanh với độ chính xác cao và hiệu suất ổn định. Trong tương lai, nghiên cứu này có thể được phát triển thêm để ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, từ y tế đến kiến trúc, góp phần thúc đẩy sự phát triển của Công Nghệ In 3D tại Việt Nam.

4.1. Kết quả đạt được

Luận văn đã thành công trong việc thiết kế và chế tạo Hệ Thống Đầu Đùn kép, với khả năng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của Máy In 3D FDM. Các thực nghiệm đã chứng minh rằng hệ thống này hoạt động ổn định và đạt được độ chính xác cao trong quá trình Tạo Mẫu Nhanh. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển Công Nghệ FDM tại Việt Nam.

4.2. Hướng phát triển

Trong tương lai, nghiên cứu này có thể được mở rộng để ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, từ y tế đến kiến trúc. Việc tối ưu hóa Hệ Thống Đầu Đùn kép sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác của Máy In 3D FDM, góp phần thúc đẩy sự phát triển của Công Nghệ Tạo Mẫu Nhanh tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh a) Khái niệm công nghệ tạo mẫu nhanh Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid prototyping technology): là thuật ngữ chung dùng để diễn tả công nghệ liên quan đến việc chế tạo vật thể một cách tự động từ nguồn dữ liệu được thiết kế trên máy tính, bằng phương pháp đắp dần vật liệu theo từng lớp để hình thành nên vật thể 3D với tốc độ nhanh hơn nhiều so với phương pháp thông thường. Công nghệ tạo mẫu nhanh sẽ làm giảm thời gian chế tạo sản phẩm cách đáng kể. Khác với công nghệ truyền thống là hớt bớt vật liệu đi, bản chất của công nghệ tạo mẫu nhanh là tạo hình và gia công các mô hình, các chi tiết sản phẩm trên cơ sở bồi đắp và dính kết vật liệu từng lớp với nhau (add and bone materials) bằng các phương pháp như xử lý nhiệt, quang; cắt dán; nóng chảy & đông đặc v.1: Nguyên lý tạo sản phẩm của công nghệ tạo mẫu nhanh Quá trình này nhờ các thiết bị RP như những máy in ba chiều cho phép người thiết chuyển những dữ liệu CAD 3D thành những mẫu thực một cách nhanh chóng. Tùy thuộc vào kích thước và độ phức tạp của mẫu mà thời gian để tạo ra một mẫu mới mất khoảng từ 3 – 72 giờ, thậm chí ít hơn.

Như vậy so với việc tạo mẫu bằng HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 7 GVHD: PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ LUẬN VĂN THẠC SĨ máy truyền thống thường mất từ nhiều tuần đến nhiều tháng thì việc tạo mẫu bằng RP nhanh hơn rất nhiều. Do mất ít thời gian nên RP giúp cho nhà sản xuất nhanh chóng đưa sản phẩm ra thị trường và giảm chi phí sản xuất. Đó cũng là ưu điểm nổi bật của quá trình tạo mẫu nhanh. Tuy chỉ mới chính thức ra đời từ khoảng từ năm 1998, nhưng công nghệ tạo mẫu nhanh đang là mục tiêu nghiên cứu và ứng dụng trong ngành cơ khí công nghệ cao, cho phép tạo nhanh các sản phẩm công nghiệp: chế tạo khuôn nhanh (rapid tooling) bằng nhiều loại vật liệu khác nhau như vật liệu lỏng quang hóa (photopolimer), vật liệu rắn (giấy, gỗ…), sứ, kim loại, đặc biệt là trong công nghệ tạo mẫu đế giày, tạo ra các tượng mỹ nghệ trong ngành kim hoàn, tạo khuôn mẫu cho ngành nhựa với kích thước lớn nhỏ khác nhau, ứng dụng trong các ngành sản xuất chế tạo ô tô, xe máy, điện dân dụng, máy điều hòa nhiệt độ, vỏ ti vi, máy nông nghiệp, với hiệu quả kinh tế rất lớn.

b) Phân loại công nghệ tạo mẫu nhanh Lịch sử của công nghệ tạo mẫu nhanh được đánh dấu bằng sáng chế của Hull vào năm 1984 về Thiết bị tạo hình lập thể (StereoLithography Aparatus – SLA), được công nhận vào năm 1986 và thương mại hóa bởi công ty 3D System vào năm 1988. Sau khi được thương mại hóa vào năm 1988, 34 hệ thống đã được cung cấp vào năm 1988 và theo báo cáo tổng kết của Hiệp hội Tạo mẫu nhanh thế giới do Wohler làm chủ tịch, tính đến năm 2001, đã có khoảng 8000 hệ thống tạo mẫu nhanh được trang bị cho 53 nước trên thế giới. Từ một phương pháp tạo hình lập thể SLA, chỉ sau gần hai chục năm, đã có khoảng 30 phương pháp tạo mẫu nhanh khác nhau. Do có nhiều phương diện sản xuất nên hình thành nhiều loại hệ thống tạo mẫu nhanh trên thị trường, để phân loại một cách bao quát các hệ thống tạo mẫu nhanh là dựa trên cơ sở vật liệu tạo mẫu.

Qua đó tất cả các hệ thống tạo mẫu nhanh có thể dễ dàng phân thành ba loại: - Dựa trên cơ sở vật liệu dạng lỏng. - Dựa trên cơ sở vật liệu dạng khối. - Dựa trên cơ sở vật liệu dạng bột.1) Dựa trên cơ sở vật liệu dạng lỏng : Các hệ thống tạo mẫu nhanh dựa trên cơ sở nền tảng chất lỏng bắt đầu với vật liệu ở trạng thái lỏng. Quá trình tạo mẫu là một quá trình lưu hóa, vật liệu chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn.

Hiện nay máy tạo mẫu nhanh dựa trên cơ sở vật liệu dạng lỏng được sử dụng phổ biến nhất là phương pháp SLA (Stereo Lithography Apparatus). Phương pháp SLA dựa vào nguyên tắc đông cứng vật liệu lỏng thành dạng rắn khi nó được chiếu bởi một chùm tia laser cường độ cao. Có thể sử dụng laser He-Cd với bước sóng 325nm hoặc laser rắn Nd:YVO4 với bước sóng 354,7nm. Một thùng chứa đầy dung dịch lỏng là hỗn hợp của các monome acrylic, các oligome và photoinitiator.

Trong thùng có bệ đỡ (bàn gá) có thể nâng hạ được. Khi bệ đỡ ở vị trí HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 8 GVHD: PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ LUẬN VĂN THẠC SĨ cao nhất thì trên bệ đỡ là một lớp chất lỏng mỏng. Máy phát laser phát ra chùm tia cực tím tập trung trên một diện tích của dung dịch và di chuyển theo hướng X-Y. Chùm tia cực tím làm đông phần dung dịch được chiếu sáng.

Sau đó bệ đỡ được hạ xuống một lượng vừa đủ để một lượng chất lỏng phủ lên phần vật liệu đã đông đặc và quá trình được lặp lại. Quá trình tiếp diễn cho đến khi đạt hình dạng 3D cho sản phẩm. Sau khi lấy chi tiết ra khỏi hệ thống SLA, chi tiết phải trải qua quá trình hậu xử lý (post-processing) để làm sạch sản phẩm.2: Nguyên lý hoạt động của phương pháp SLA Ngoài phương pháp SLA, hiện nay các hệ thống tạo mẫu nhanh dựa trên cơ sở nền tảng chất lỏng còn nhiều phương pháp khác như: Thiết bị in sử dụng tia tử ngoại tạo vật thể dạng khối SOUP (Solid Object Utraviolet-laser Plotter) của Misuibishi, thiết bị điêu khắc bằng ánh sáng (Light Scupting), Thiết bị hai chùm tia laser (Two Laser Beam), v.2) Dựa trên cơ sở vật liệu dạng khối: Các hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu cơ bản dạng khối có liên quan đến tất cả các hình thức vật liệu dạng khối bao gồm các dạng: dây, cuộn, dát mỏng và dạng viên. Phổ biến nhất dạng này là phương pháp LOM (Laminated Object Manufacturing) sử dụng vật liệu dạng tấm.

Trong phương pháp LOM, thiết bị nâng (đế) ở vị trí cao nhất cách con lăn nhiệt một khoảng bằng đúng độ dày của lớp vật liệu, tiếp theo con lăn nhiệt sẽ cán lớp vật liệu này, dưới bề mặt của vật liệu có chất kết dính nên khi được ép và gia nhiệt bởi trục lăn nó sẽ giúp lớp này liên kết với lớp trước. Hệ thống quang học sẽ đưa tia laser đến để cắt vật liệu theo hình dạng hình học của mô hình đã tạo từ CAD. Vật liệu được cắt bởi tia laser theo đường viền của mặt cắt. Phần vật liệu dư sẽ được thu hồi bằng con lăn hồi liệu.

Sau đó đế hạ xuống cấu nâng hạ xuống thấp và quá trình được lặp lại cho đến khi hoàn thành sản phẩm. Hiện nay các hệ thống tạo mẫu nhanh dựa trên cơ sở vật liệu dạng khối có một số phương pháp như: thiết bị phun từng lớp FDM (Fused Deposition Modeling) của HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 9 GVHD: PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ LUẬN VĂN THẠC SĨ Stratasys, Thiết bị dập nóng có sử dụng chất liên kết SAHP (Selective Adhesive and Hot Press) của Kira, thiết bị tạo mẫu nhanh của Kinergy, v.3: Nguyên lý hoạt động của phương pháp LOM b.3) Dựa trên cơ sở vật liệu dạng bột: Trong khả năng giới hạn, dạng trạng thái bột vẫn còn được xem như dạng trạng thái khối. Tuy nhiên, nó được tạo ra trên ý tưởng là một loại thiết bị không phụ thuộc vào vật liệu có trạng thái hình học cơ sở. Trong quá trình tạo mẫu nhanh trên cơ sở vật liệu dạng bột, một lớp mỏng của bột nguyên liệu được trải trên bề mặt của bệ đỡ.

Sau đó, tia laser hóa rắn (kết tinh) phần bột nằm trong đường biên của mặt cắt (không thực sự làm chảy chất bột), làm cho chúng dính lại ở những chỗ có bề mặt tiếp xúc. Trong một số trường hợp, quá trình nung chảy hoàn toàn hạt bột vật liệu được áp dụng. Quá trình kết tinh có thể được điều khiển tương tự như quá trình polymer hoá trong phương pháp tạo hình lập thể SLA. Sau đó xy lanh hạ xuống một khoảng cách bằng độ dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu được đưa vào và quá trình được lặp lại cho đến khi chi tiết được hoàn thành.

Một số phương pháp tạo mẫu nhanh đặc trưng loại này như: Thiết bị thiêu kết bằng laser SLS (Selective Laser Sintering) của DTM, thiết bị in ba chiều 3DP (Three Dimension Printing) của MIT, Thiết bị in phun (Ink-Jet) hay còn gọi là BPM (Ballistic Partical Manufacturing) của BPM Technology, thiết bị đúc khuôn vỏ mỏng trực tiếp DSPC (Direct Shell Production Casting) của Soligen, v. HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 10 GVHD: PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 1.4: Nguyên lý hoạt động của phương pháp tạo mẫu nhanh SLS c) Tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh Một số ưu điểm chính của công nghệ tạo mẫu nhanh:
Tăng khả năng quan sát chi tiết: nhờ vào sự phát triển của công nghệ thông tin, người thiết kế có thể thiết kế chi tiết trên máy tính, sau đó có được mô hình chi tiết 3 chiều chỉ trong vài giờ mà không cần phải qua quy trình chế tạo mẫu phức tạp theo phương pháp truyền thống.
Chế tạo được những chi tiết có phức tạp cao nhờ quá trình chế tạo bằng cách thêm vật liệu từng lớp theo mặt cắt ngang.
Giúp nhà thiết kế và chế tạo đưa sản phẩm tới thị trường nhanh hơn.

Giảm nhiều thời gian và chi phí thiết kế, các chi tiết có thể chỉnh sửa trong quá trình thiết kế.
Tăng khả năng tối ưu hóa và phát triển sản phẩm.
Kiểm tra được sự chính xác của các chi tiết.
Phương pháp tạo mẫu nhanh đã tạo một kênh thông tin hiệu quả giữa các nhà thiết kế với nhau, giữa nhà thiết kế với nhà sản xuất và người tiêu dùng, nhằm thỏa mãn tốt nhất nhu cầu và khả năng của thị trường.

Như vậy với nhiều ưu điểm trên thì công nghệ tạo mẫu nhanh có một vai trò rất quan trọng để đạt tới sự thành công trong cạnh tranh kinh tế toàn cầu, giảm chu kỳ HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 11 GVHD: PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ LUẬN VĂN THẠC SĨ phát triển sản phẩm, làm tăng tính phức hợp, đòi hỏi những phương pháp mới để biến các tư tưởng sáng tạo thành hiện thực. Phương pháp tạo mẫu nhanh ra đời nhằm phát triển sản phẩm mới và mở rộng khả năng ứng dụng của nó.