Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, tự động hóa và công nghệ in 3D ngày càng trở nên thiết yếu trong ngành công nghiệp chế tạo. Theo ước tính, việc ứng dụng công nghệ in 3D giúp giảm thiểu chi phí nguyên vật liệu và thời gian sản xuất đến 30-50%, đồng thời nâng cao độ chính xác và chất lượng sản phẩm. Đặc biệt, ngành gốm sứ, vốn truyền thống sử dụng phương pháp thủ công với nhiều hạn chế về thời gian và độ chính xác, đang có nhu cầu cấp thiết chuyển đổi sang công nghệ hiện đại để đáp ứng yêu cầu sản xuất hàng loạt và phức tạp.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in 3D sử dụng công nghệ Fused Deposition Modeling (FDM) cho chi tiết gốm sứ với vật liệu đất sét. Mục tiêu cụ thể là phát triển mô hình máy in 3D nhỏ gọn, có khả năng in các chi tiết gốm sứ phức tạp với chi phí hợp lý và độ chính xác cao, đồng thời phục vụ mục đích đào tạo và ứng dụng thực tiễn tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế cơ cấu truyền động, đầu phun đất sét, phần mềm điều khiển và kiểm nghiệm mô hình trong khoảng thời gian năm 2020 tại thành phố Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc tạo ra giải pháp tự động hóa trong sản xuất gốm sứ, góp phần nâng cao năng suất, giảm chi phí và thời gian gia công, đồng thời mở rộng ứng dụng công nghệ in 3D trong ngành mỹ nghệ gốm sứ, một lĩnh vực có giá trị kinh tế và văn hóa quan trọng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

  1. Công nghệ Fused Deposition Modeling (FDM): Đây là phương pháp tạo mẫu nhanh bằng cách đùn vật liệu dạng sợi nóng chảy theo từng lớp, được phát minh năm 1988. FDM có ưu điểm chi phí thấp, vật liệu dễ tìm, không độc hại, phù hợp với việc tạo mẫu phức tạp và đa dạng màu sắc. Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế về độ chính xác hình dáng do đường kính đầu đùn và bề mặt sản phẩm có độ nhám cao.

  2. Cơ cấu truyền động vít me đai ốc bi và ray trượt dẫn hướng: Vít me đai ốc bi được chọn để đảm bảo độ chính xác cao và vận hành êm ái cho trục Z, trong khi ray trượt vuông MGN12C được sử dụng cho các trục XY nhằm đảm bảo độ cứng vững và tuổi thọ phù hợp với tải trọng nhẹ của máy in 3D.

Các khái niệm chính bao gồm: độ phân giải lớp in (2-5 mm), tốc độ in (20-60 mm/s), cấu trúc máy in 3D kiểu Cetus, và các thông số kỹ thuật của động cơ bước NEMA17.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Tổng hợp tài liệu chuyên ngành về công nghệ in 3D, đặc biệt là FDM, các mẫu máy in 3D trên thị trường, tài liệu kỹ thuật về cơ cấu truyền động và vật liệu đất sét.

  • Phương pháp phân tích: Tính toán thiết kế cơ khí chi tiết, mô phỏng kiểm nghiệm mô hình bằng phần mềm Ansys 2020 R1, lựa chọn và tính toán động cơ, ray trượt, vít me đai ốc bi phù hợp.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2020, bao gồm các giai đoạn thiết kế, gia công, lắp ráp, kiểm nghiệm và đánh giá mô hình máy in 3D.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình máy in 3D thực tế với kích thước in tối đa 300x300x300 mm, sử dụng vật liệu đất sét làm nguyên liệu in.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế máy in 3D kiểu Cetus phù hợp cho in gốm sứ: Máy có không gian in 300x300x300 mm, độ phân giải lớp in từ 2 đến 5 mm, tốc độ in tối đa 60 mm/s. Thiết kế nhỏ gọn, sử dụng ray trượt vuông MGN12C và vít me đai ốc bi cho trục Z giúp đảm bảo độ chính xác và ổn định vận hành.

  2. Tính toán cơ khí và lựa chọn linh kiện: Động cơ bước NEMA17 được chọn cho các trục XY và Z với moment xoắn phù hợp (trục Z: 0,48 Nm; trục X: 0,48 Nm; trục Y: 0,63 Nm). Vít me đai ốc bi SFU1204 với chiều dài 400 mm đảm bảo tuổi thọ làm việc khoảng 14.600 giờ.

  3. Kiểm nghiệm mô hình bằng phần mềm Ansys: Mô hình cơ khí được phân tích ứng suất và biến dạng, kết quả cho thấy kết cấu khung nhôm định hình 20x40, 20x60 và 60x60 mm có độ cứng vững cao, chịu được tải trọng tối đa 30 kg mà không gây biến dạng lớn, đảm bảo độ chính xác in.

  4. Thiết kế bộ phận đùn đất sét: Cơ cấu đùn đất sét sử dụng trục vít điều khiển bởi động cơ bước, đảm bảo cung cấp vật liệu liên tục và ổn định đến đầu phun. Bình chứa đất sét được thiết kế với hai ống dẫn khí nén và đất sét, giúp kiểm soát lưu lượng vật liệu hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng công nghệ FDM với vật liệu đất sét là khả thi và có tiềm năng phát triển trong ngành gốm sứ. So với các phương pháp truyền thống như ép phun hay đúc, máy in 3D cho phép tạo hình các chi tiết phức tạp với thời gian nhanh hơn và chi phí thấp hơn. Việc lựa chọn cấu trúc máy in kiểu Cetus giúp giảm kích thước và trọng lượng máy, thuận tiện cho không gian làm việc nhỏ, đồng thời đảm bảo độ chính xác tương đương máy Delta.

Phân tích mô phỏng Ansys hỗ trợ đánh giá độ bền và độ ổn định của kết cấu, giúp tối ưu thiết kế trước khi gia công thực tế. Việc sử dụng vít me đai ốc bi thay vì vít me thường giúp giảm ma sát, tăng hiệu suất truyền động và độ chính xác, phù hợp với yêu cầu in 3D chi tiết gốm sứ có độ dày lớp in nhỏ.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này phù hợp với xu hướng phát triển máy in 3D chuyên dụng cho vật liệu phi truyền thống, mở rộng ứng dụng in 3D trong lĩnh vực mỹ nghệ và công nghiệp gốm sứ tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất thử nghiệm máy in 3D đất sét: Thực hiện gia công và lắp ráp theo thiết kế đã tính toán, tiến hành kiểm nghiệm thực tế để đánh giá hiệu suất và chất lượng sản phẩm in. Thời gian dự kiến 6 tháng, chủ thể thực hiện là nhóm nghiên cứu và các phòng thí nghiệm cơ khí.

  2. Phát triển phần mềm điều khiển tối ưu: Nâng cấp phần mềm giao tiếp và lập trình in 3D để hỗ trợ điều chỉnh các thông số in như tốc độ, độ dày lớp, áp suất đùn đất sét nhằm nâng cao chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước. Thời gian 3 tháng, do nhóm kỹ thuật phần mềm đảm nhiệm.

  3. Nghiên cứu vật liệu đất sét mới: Tiếp tục khảo sát và thử nghiệm các loại đất sét có tính chất phù hợp với công nghệ FDM, nhằm cải thiện độ bền, độ mịn và khả năng nung chảy của sản phẩm. Thời gian 1 năm, phối hợp với các viện nghiên cứu vật liệu.

  4. Đào tạo và ứng dụng trong giáo dục: Sử dụng mô hình máy in 3D đất sét làm công cụ giảng dạy cho sinh viên ngành cơ khí và mỹ thuật gốm sứ, giúp nâng cao kỹ năng thực hành và hiểu biết về công nghệ in 3D. Chủ thể là các trường đại học kỹ thuật và mỹ thuật, triển khai ngay trong năm học tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí: Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ in 3D trong thiết kế và chế tạo máy móc, nâng cao kiến thức thực tiễn về cơ cấu truyền động và vật liệu mới.

  2. Chuyên gia và kỹ sư trong ngành gốm sứ và mỹ nghệ: Áp dụng công nghệ in 3D để sản xuất các chi tiết gốm sứ phức tạp, giảm thời gian và chi phí gia công truyền thống.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị tự động hóa và máy in 3D: Tham khảo thiết kế máy in 3D chuyên dụng cho vật liệu đất sét, phát triển sản phẩm mới phù hợp với thị trường trong nước và quốc tế.

  4. Các nhà nghiên cứu vật liệu và công nghệ in 3D: Khai thác dữ liệu về tính toán cơ khí, mô phỏng Ansys và thiết kế bộ phận đùn vật liệu để phát triển các công nghệ in 3D tiên tiến hơn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy in 3D sử dụng công nghệ FDM có phù hợp để in gốm sứ không?
    Công nghệ FDM có thể được điều chỉnh để in vật liệu đất sét, tuy nhiên cần thiết kế đầu phun và bộ phận đùn phù hợp để đảm bảo vật liệu được đùn liên tục và chính xác. Ví dụ, việc sử dụng trục vít điều khiển bởi động cơ bước giúp kiểm soát lưu lượng đất sét hiệu quả.

  2. Độ phân giải và tốc độ in của máy in 3D đất sét như thế nào?
    Máy được thiết kế với độ phân giải lớp in từ 2 đến 5 mm và tốc độ in tối đa 60 mm/s, phù hợp để tạo ra các chi tiết gốm sứ có độ chính xác và bề mặt tương đối mịn.

  3. Lý do chọn vít me đai ốc bi cho trục Z thay vì vít me thường?
    Vít me đai ốc bi có ma sát thấp, hiệu suất truyền động cao (gần 0,9), đảm bảo chuyển động ổn định và độ chính xác lâu dài, trong khi vít me thường có ma sát lớn và độ cứng vững thấp hơn.

  4. Ray trượt vuông MGN12C có ưu điểm gì trong máy in 3D?
    Ray trượt vuông MGN12C có khả năng chịu tải tốt, độ cứng vững cao và tuổi thọ lâu dài, giúp đảm bảo độ chính xác di chuyển của bàn in và đầu phun trong quá trình vận hành.

  5. Ứng dụng thực tế của máy in 3D đất sét trong ngành gốm sứ?
    Máy giúp tạo mẫu nhanh các chi tiết gốm sứ phức tạp, giảm thời gian gia công từ hàng tuần xuống còn vài giờ, đồng thời hỗ trợ đào tạo sinh viên và phát triển sản phẩm mỹ nghệ gốm sứ tự động hóa.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy in 3D sử dụng công nghệ FDM với vật liệu đất sét, có kích thước in tối đa 300x300x300 mm và độ phân giải lớp in từ 2-5 mm.
  • Lựa chọn cấu trúc máy in kiểu Cetus với cơ cấu truyền động vít me đai ốc bi và ray trượt vuông MGN12C đảm bảo độ chính xác và ổn định vận hành.
  • Kiểm nghiệm mô hình bằng phần mềm Ansys cho thấy kết cấu khung nhôm định hình và các bộ phận cơ khí đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và tải trọng vận hành.
  • Thiết kế bộ phận đùn đất sét hiệu quả, đảm bảo cung cấp vật liệu liên tục và ổn định cho quá trình in.
  • Đề xuất triển khai sản xuất thử nghiệm, phát triển phần mềm điều khiển, nghiên cứu vật liệu mới và ứng dụng trong đào tạo nhằm nâng cao giá trị thực tiễn của đề tài.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành gia công, lắp ráp và thử nghiệm thực tế mô hình trong 6 tháng tới. Mọi cá nhân và tổ chức quan tâm có thể liên hệ để hợp tác phát triển và ứng dụng công nghệ in 3D đất sét trong sản xuất và đào tạo.