CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ở thời đại 4.0 hiện nay mọi người chắc hẳn đã không còn xa lạ với cụm từ “tự động hóa”. Để đem lại những lợi ích cũng như sự đổi mới cho các doanh nghiệp các thiết bị tự động đang từng bước thể hiện vai trò của mình trong việc tiết kiệm lao động, tiết kiệm năng lượng, nguyên vật liệu và nâng cao chất lượng với độ chính xác cao. Có thể nói trong bối cảnh nền kinh tế đang phải đối phó với các hiện tượng như lạm phát, chi phí cho vật tư, lao động, quảng cáo và bán hàng ngày càng tăng buộc công nghiệp chế tạo phải tìm kiếm các phương pháp sản xuất tối ưu để giảm giá thành sản phẩm nhưng vẫn phải đảm bảo chất lượng.
Bên cạnh đó, công nghệ tạo mẫu nhanh từ khi ra đời đến nay đã được cải tiến và phát triển rất nhiều. Hàng loạt phương pháp và công nghệ tạo mẫu ra đời, mỗi công nghệ tạo mẫu có những ưu điểm riêng. Hiện nay mong trong những phương pháp tạo mẫu được sử dụng phổ biến nhất là công nghệ FDM với những ưu điểm như đơn giản, dễ thiết kế, vật liệu dễ tìm, không gây độc hại, … Việc sử dụng công nghệ in 3D vào ngành Đồ gốm mỹ thuật, nói chính xác hơn là các sản phẩm mỹ thuật từ gốm sẽ được sản xuất theo hướng tự động hóa bằng máy móc. Sẽ mang lại những bước tiến quan trọng trong ngành gốm ở nước ta hiện nay.
Thay vì sản xuất gốm bằng phương pháp thủ công truyền thống, giờ đây các sản phẩm gốm sẽ được sản xuất một cách tự động bằng máy móc với số lượng lớn, tiết kiệm thời gian hơn khi gia công những sản phẩm có biên dạng phức tạp hơn. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài có những ý nghĩa khoa học và thực tiễn như: Thiết kế mẫu máy in 3D với nguồn vật liệu mới là đất sét phục vụ cho ngành mỹ nghệ gốm, cũng như tạo mẫu cho việc giảng dạy trên trường lớp. Phát triển kết cấu máy in 3D so với những dòng in 3D truyền thống trên thị trường, nhưng phải đảm bảo về chi phí hợp lí và chế độ vận hành. Mục tiêu nghiên cứu Đề tài nhằm mục đích nghiên cứu thiết kế chế và chế tạo máy in 3D với vật liệu đất sét sử dụng công nghệ FDM, thay đổi một số thiết kế so với một số dòng in 3D 10 Luan van truyền thống, mang lại thiết kế nhỏ gọn đảm bảo có thể làm việc trong không gian nhỏ hơn so với các dòng máy in truyền thống.
Sử dụng các linh kiện cơ khí có độ chính xác, độ ổn định khi vận hành. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy in 3D công nghệ FDM. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài như sau: Nghiên cứu tổng quan về công nghệ in 3D.
Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu truyền động của máy. Nghiên cứu thiết kế đầu phun với vật liệu đất sét. Nghiên cứu phần mềm giao tiếp, hỗ trợ lập trình in 3D. Cơ sở phương pháp lí luận Từ cơ sở các tài liệu, các nghiên cứu, đề tài đi trước, các mẫu máy có trên thị trường để phân tích ưu nhược điểm của các dòng máy có trước.
Từ đó chọn phương án thiết kế mẫu máy tốt hơn, nhưng vẫn đảm bảo về chất lượng và chi phí hợp lí. Phương pháp nghiên cứu Đề tài kết hợp nghiên cứu giữa phương pháp lí thuyết và thực nghiệm trên mô hình. Cụ thể: - Nghiên cứu lí thuyết: Tìm kiếm, tổng hợp các tài liệu liên quan đến đề tài. Nghiên cứu lí thuyết về công nghệ tạo mẫu nhanh với phương pháp FDM.
Tổng hợp tài liệu tính toán, thiết kế cơ cấu truyền động đảm bảo độ chính xác, tối ưu háo chuyển động. - Thực nghiệm: Chế tạo mô hình máy in 3D. Nghiên cứu các đường chạy của đầu phun có thể sử dụng với các mẫu in để tối ưu mẫu in. 11 Luan van CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ IN 3D CHO CHI TIẾT GỐM SỨ 2.
Giới thiệu về công nghệ in 3D cho chi tiết gốm sứ. Do có nhiều đặc tính khác nhau, gốm sứ được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm công nghiệp hóa chất, máy móc, điện tử, hàng không vũ trụ và kỹ thuật y sinh. Các đặc tính giúp chúng trở thành vật liệu linh hoạt bao gồm độ bền và độ cứng cơ học cao, ổn định nhiệt và hóa học tốt và hiệu suất nhiệt quang điện và từ khả thi. Các thành phần gốm được tạo thành các hình dạng mong muốn bắt đầu từ hỗn hợp bột có hoặc không có chất kết dính và các chất phụ gia khác sử dụng các công nghệ thông thường bao gồm ép phun, ép khuôn, đúc, … Tuy nhiên, các kỹ thuật tạo hình gốm này có hạn chế là thời gian gia công lâu và giá thành cao.
Các cấu trúc có hình học phức tạp cao và các liên kết bên trong chi tiết không thể sản xuất được. Mặt khác, việt gia công các thành phần gốm sứ có xu hướng cực kỳ khó khăn do độ cứng và độ giòn rất cao của chúng. Không chỉ các dụng cụ cắt bị mài mòn nghiêm trọng, mà các khuyết tật như nứt vỡ cũng có thể tạo ra trong quá trình gia công ra các bộ phận bằng gốm. Chưa kể đến việc khó đạt được chất lượng bề mặt tốt và độ chính xác về kích thước.
Việc đưa in 3D vào sản xuất các thành phần gốm sứ mang lại những khả năng hoàn toàn mới giải quyết các vấn đề và thách thức nêu trên. Việc in 3D gốm sứ lần đầu tiên được báo cáo bởi Marcus [8] và Sachs [9] trong những năm 1990. Cho đến nay, với những tiến bộ mới nhất trong khoa học vật liệu và khoa học máy tính, rất nhiều công nghệ in 3D đã được phát triển đặc biệt cho sản xuất gốm sứ. Sau khi hoàn tất quá trình in tương tự phương pháp FDM thông thường, phần gốm được in sẽ được nung.
Tương tự như trường hợp FDM đối với vật liệu nhựa thông thường, trong FDM của gốm sứ, chất lượng của các bộ phận được in, chẳng hạn như tính đồng nhất, độ nhám bề mặt, độ chính xác về kích thước và tính chất cơ học cũng phụ thuộc vào các thông số của quá trình in như đường kính đầu in, chiều dày lớp in, tốc độ in, hướng xây dựng, … Trong số các đặc tính nêu ở trên, độ nhám bề mặt là mối quan tâm hàng đầu đối với các chi tiết được in bằng phương pháp này. Ứng dụng của in 3D gốm vào hàng không vũ trụ ở Mĩ. [10] Chế tạo một vũ khí siêu thanh hoặc phương tiện phóng không gian là một chuyện. Sản xuất hàng loạt chúng là một việc khác.
Các thành phần gốm chịu nhiệt, bền mà chúng yêu cầu rất khó sản xuất. Keith Button đã nói chuyện với các nhà khoa học vật liệu nghĩ rằng họ có giải pháp. Để tạo ra một bộ phận gốm sứ, một kỹ thuật viên thường ép một vật liệu giống như đất sét mềm vào khuôn để tạo ra hình dạng gần đúng với hình dạng mong muốn, làm cứng nó trong lò và sau đó mài nó xuống đến hình dạng chính xác. Quá trình xay xát này có thể mất hàng tháng và dẫn đến các bộ phận bị sứt mẻ hoặc nứt.
Các kỹ sư vật liệu và nhà hóa học tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ ở Washington, DC, đang phát triển một phương pháp in 3D có thể tạo ra hình dạng bộ phận gốm chính xác mà không cần phay. Các bộ phận cấu thành có thể được chế tạo bởi bất kỳ nhà sản xuất hàng không vũ trụ nào bằng một loại máy in 3D thương mại bán sẵn, hỗn hợp kim loại và polymer do các nhà khoa học NRL phát minh ra và một lò nung để chữa các bộ phận. Ý tưởng in các bộ phận bằng gốm xuất phát từ sự phát triển của nhóm hóa học NRL, bắt đầu từ khoảng 12 năm trước, từ một loại bột nhựa polyme mà nó trộn với các loại bột kim loại khác nhau để tạo ra cacbua chịu lửa, một loại gốm chịu nhiệt cực cao. Các nhà nghiên cứu của NRL đã tạo ra các viên từ nhựa polyme trộn với các kim loại như silicon, titan hoặc vonfram, sau đó ép viên bằng máy ép thủy lực và dập thành các hình dạng đơn giản.
Khi họ nung những hình dạng ép này trong lò chứa đầy khí argon ở 1.500 độ C - giống như nung một nồi đất - nhựa polyme cháy thành cacbon và phản ứng với kim loại để tạo thành gốm. Boris Dyatkin, một kỹ sư nghiên cứu vật liệu tại NRL, giải thích: Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu ý tưởng in 3D vì họ muốn áp dụng hóa học gốm kim loại polyme của mình vào những hình dạng phức tạp hơn đĩa, hình cầu và hình nón mà họ đang tạo ra, Boris Dyatkin, một kỹ sư nghiên cứu vật liệu tại NRL giải thích. Với phương pháp ép khuôn, kích thước và hình dạng của phần gốm được quyết định bởi khuôn và một số hình dạng không thể thực hiện được với khuôn ép. Ngoài ra, “nếu bạn cần thay đổi kích thước của bộ phận hoặc nếu bạn cần thay đổi một khía cạnh hình học nào đó của nó, thì việc thực hiện nhanh chóng sẽ khó hơn”.
13 Luan van Khi các nhà nghiên cứu NRL bắt đầu làm việc nghiêm túc về khái niệm in 3D, vào năm 2018, trước tiên họ phải quyết định loại in 3D nào là tốt nhất. Họ đã cân nhắc rất nhiều lựa chọn máy in. Một khả năng là lập mô hình lắng đọng hợp nhất. Một đầu máy in được gắn trên một cánh tay robot lắng đọng các hạt polyme nóng chảy làm cứng lại từng lớp để tạo thành vật thể.
Một ứng cử viên khác là in 3D bột. Một tia laser làm tan chảy các đốm bột khi các lớp bột được thêm vào một lớp bột giống như hộp, và các đốm này cứng lại với nhau để tạo ra cấu trúc. Hình dạng được tiết lộ bằng cách loại bỏ bột rời. Hoặc, cách khác, một đầu máy in sẽ bơm vật liệu đóng gáy vào bột để tạo cấu trúc.
Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu một phương pháp in 3D được gọi là robocasting. Họ đưa ra quyết định này dựa trên lời khuyên của NanoArmor, một công ty nghiên cứu và phát triển ở California trả tiền cho NRL để sản xuất gốm sứ và thử nghiệm chúng cho chương trình phát triển vật liệu siêu thanh của Cơ quan Phòng thủ Tên lửa.