CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1. Giới thiệu về công nghệ chế tạo nhanh Công nghệ tạo mẫu nhanh ra đời từ những thập niên 80 và bắt đầu được sử dụng ở nhiều quốc gia từ năm 1997. Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping Engineering) được phát minh nhằm giúp cho quá trình tạo mẫu dễ dàng kiểm tra trước khi sản xuất hàng loạt. Hiện nay công nghệ được sử dụng phổ biến để chế tạo nhanh các sản phẩm tùy ý người dùng với quy mô từ nhỏ đến công nghiệp.
Tạo mẫu nhanh là công nghệ thiết kế mẫu nhanh nhờ quá trình CAD với những “máy in ba chiều” cho phép người thiết kế nhanh chóng tạo ra bất kỳ mẫu vật từ ý tưởng thiết kế của người dùng. Đặc điểm của tạo mẫu nhanh là : - Điểm mạnh của công nghệ tạo mẫu nhanh có thể chế tạo mẫu sản phẩm với thời gian rất ngắn. - Có thể dùng để kiểm tra các mẫu được sản xuất bằng các phương pháp khác. - Mẫu tạo ra hỗ trợ nhiều cho quá trình sản xuất.
- Chế tạo các chi tiết làm mẫu cho quá trình thiết kế sơ bộ - Chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp. - Độ chính xác của mẫu cao Có thể kể đến một số xu hướng ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong các lĩnh vực: - Ứng dụng trong y học: Tạo mẫu nhanh ứng dụng trong chế tạo các chi tiết mảnh vỡ chính xác cho quá trình cấy ghép xương, sọ - Ứng dụng trong quảng cáo tiếp thị: Tạo các mô hình sản phẩm có tính trực quan so với bản vẽ khi trình bày và giới thiệu đến khách hàng. - Văn hóa và giải trí: Có thể nhanh chóng tạo ra các mô hình nhân vật từ các nhân vật hoạt hình, đồ chơi, bộ sưu tập từ những ý tưởng thiết kế của người dùng - Kiểm tra sản phẩm: Chế tạo các chi tiết trong mô hình để kiểm tra các yêu cầu về hình dạng trước khi đi vào sản xuất 1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong suốt quá trình nghiên cứu phát triển, công nghệ tạo hình 3D ngày càng phát triển.
Dựa trên đó thị trường công nghệ in 3D phát triển và với in 3D chất liệu nhựa đã không còn quá xa lạ, nhưng để phát triển tiếp nối tiếp công nghệ vật liệu nhựa thay thế bằng nguồn vật liệu đã có qua nhiều thế hệ con người Việt Nam. Đó là đất sét khi nói đến đất sét, ta liên tưởng ngay các nghệ nhân thủ công quá trình mồ hôi công sức tạo ra một tác phẩm hoàn chỉnh và quá trình thành phẩm vượt qua khá nhiều giai đoạn từ tạo hình, điêu khắc, chỉnh sửa, và nung tạo ra thành phẩm. Thông qua các quá trình theo dõi ấy em cũng dựa trên việc tiếp xúc một quãng thời gian với công nghệ in 3D theo xu hướng thế giới, đã bắt tay vào nghiên cứu chế tạo máy in 3D nhằm rút ngắn thời gian tạo hình và nghệ thuật là sự kết hợp hoàn hảo tinh hoa từ khâu tạo hình từ máy móc đến sự sắc sảo tinh hoa từ đường nét điêu khắc của một nghệ nhân thủ công mỹ nghệ gốm sứ. Mục tiêu nghiên cứu đề tài Nghiên cứu chế tạo máy in 3D gốm rút ngắn được thời gian tạo hình với độ hoàn thiện cao.
Máy có thể đáp ứng được về các thông số kỹ thuật đầu vào, hoạt động ổn định tạo hình sản phẩm có tính thẩm mĩ. Kích thước máy 380x380x460mm. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài 1. Đối tượng nghiên cứu 1.
Giới thiệu về vật liệu đất sét Đất sét được dùng để miêu tả một nhóm các khoáng vật phyllosilicat nhôm ngậm nước, thông thường có đường kính hạt nhỏ hơn 2 μm (micromét). Đất sét bao gồm các loại khoáng chất phyllosilicat giàu các oxit và hidroxit của silic và nhôm cũng như bao gồm một lượng lớn nước tham gia vào việc tạo cấu trúc và thay đổi theo từng loại đất sét. Đất sét được phân biệt với các loại hạt đất đá nhỏ khác có trong đất, chẳng hạn như bùn nhờ kích thước nhỏ của chúng, hình dạng tạo bông hay tạo lớp, khả năng hút nước cũng như chỉ số độ dẻo cao. 2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao Hình 1.
Tính chất và ứng dụng Đất sét là chất mềm dẻo khi ẩm, điều này có nghĩa là rất dễ tạo dạng cho nó bằng tay. Khi khô nó trở nên rắn chắc hơn và khi bị "nung" hay làm cứng bằng nhiệt độ cao, đất sét trở thành rắn vĩnh cửu. Thuộc tính này làm cho đất sét trở thành một chất lý tưởng để làm các đồ gốm sứ có độ bền cao, được sử dụng cả trong những mục đích thực tế cũng như dùng để làm đồ trang trí. Với các dạng đất sét khác nhau và các điều kiện nung khác nhau, người ta thu được đất nung, gốm và sứ.
Phạm vi nghiên cứu đề tài Đồ án tốt nghiệp tập trung vào nghiên cứu, chế tạo mô hình máy in gốm 3D. Với vật liệu là đất sét cần khảo sát các tính chất và nghiên cứu thiết kế khung máy và các cụm trục phù hợp với tính chất vật liệu. Phương pháp tiếp cận 1. Cách tiếp cận - Khảo sát về quy trình chế tạo gốm tại các khu vực.
- Nghiên cứu tìm hiểu các mô hình máy ín 3D hiện có, và được sử dụng nhiều trên thị trường hiện tại. 3 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao - Tìm hiểu tính chất vật liệu đất sét, yêu cầu quan trọng khi làm thành gốm. - Tiến hành đánh giá phân tích các phương án phù hợp, các phương pháp ít sai số và đem lại hiệu quả cao nhất. Phương pháp nghiên cứu - Xác định vấn đề nghiên cứu, các tiếu chuẩn và yếu tố ảnh hướng đến chất lượng sản phẩm in, và thành phẩm khi tạo ra gốm.
- Nghiên cứu tổng quan các cơ cấu máy in hiện có trên thị trường, đánh giá ưu nhược điểm. - Xây dựng phương pháp nghiên cứu hệ thống máy in dựa vào vật liệu đầu vào là đất sét. - Thiết kế mô hình dựa theo những mục tiêu đã được đề ra. - Xây dựng thuật toán, phương pháp tính toán sao cho quá trình hoạt động có tính ổn định, ít sai sót.
- Bắt đầu thực hiện chế tạo, đánh giá thực nghiệm 1. Nghiên cứu tình hình các loại máy phân loại có trên thị trường Hình 1.2 Một số mẫu in máy in nhựa Hiện nay trên thị trường các dạng máy in 3D rất phổ biến về dạng 3D nhựa thì có từ các hang lớn Flsun, Prusa,Ender,Kingroon,…. Các dòng máy Fdm cũng khá nổi trội cho dân DIY như Voron , Ratting nhưng đa số là in nhựa. 4 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao Hình 1.3 Máy in 3D Voron Một số máy in kim loại như công nghệ SLS Hình 1.4 Máy in kim loại 5 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao Hình 1.5 Máy in resin Photon, Allego,Anycubic,… 6 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.
Phương án thiết kế 2. Phương pháp in 3D Hiện nay với sự phát triển của công nghệ chế tạo mẫu nhanh thì có nhiều phương pháp in 3D ra đời. ➢ Công nghệ SLA: Phương pháp SLA (Stereo lithography apparatus): được phát minh ở Mỹ vào năm 1984. Phương pháp SLA tạo ra các mẫu từ vật liệu cao su bắt sáng lỏng (photocurable resin).
Khi nguồn laser được điều khiển theo tín hiệu của máy tính quét phủ mặt cắt ngang của mô hình 3D sẽ làm hoá cứng một lớp. Sau đó, mặt bàn gia công hạ xuống một nấc và cứ thế dần dần hình thành mẫu theo từng lớp một.1 Công nghệ SLA ➢ Công nghệ in FDM (Fused deposition modeling): Công nghệ in FDM được sử dụng khá nhiều trong các loại máy in hiện nay với kết cấu đơn giản, vật liệu dễ tìm. 7 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao Hình 2.2 Công nghệ FDM Ở vị trí ban đầu đầu phun cách bàn in khoảng cách bằng chiều dày lớp in. Sợi nhựa được đưa vào hệ thống tời bằng cặp bánh răng hoạt động liên tục.
Tại vị trí đầu phum nhựa được nung nóng tới khoảng nhiệt độ thích hợp bằng bộ phận gia nhiệt. Nhựa lỏng được trải đều theo sự dịch chuyển của đầy phun. Sau khi hết 1 lớp đầu phun lại dịch chuyển lên 1 khoảng bằng chiều dày in và tiếp túc lặp lại đến khi hoàn thành. ➢ Công nghệ SLS: Công nghệ SLS vận hành tương tự SLA những vật liệu ở dạng bột, thủy tinh,…có thể tạo lớp bằng vật liệu phụ trợ là keo chuyên dụng (có khi kèm màu sắc CMYK, RGB nếu in 3D đa sắc màu), hoặc tia laser, tia UV,….
Đây là loại máy in 3D đòi hỏi việc sử dụng laser công suất lớn đắt tiền, tuy nhiên, trong giá của nó khá cao với của người tiêu dùng phổ thông.3 Công nghệ SLS 8 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao → Với yêu cầu đầu vào là vật liệu đất sét thì ta sẽ ứng dụng công nghệ in FDM là khả thi với tính chất của vật liệu, tuy nhiên cần điều chỉnh các chi tiết cơ khí để phù hợp cho quá trình đùn thành các sợi đất sét. Phương pháp truyền động ➢ Bộ truyền đai Hình 2.4 Bộ truyền đai - Ưu điểm: Chi phí thấp, bộ truyền nhẹ, truyền động đơn giản, êm, có khả năng phòng quá tải, cắt rung động, tuổi thọ thấp - Nhược điểm: Khó có thể nối chính xác được độ dài cần thiết, độ bền thấp, dễ bị dãn, đứt trong quá trình sử dụng, tỉ số truyền không ổn định. Có thể bị hiện tượng trượt bước. ➢ Bộ truyền bánh răng Hình 2.5 Bộ truyền bánh răng 9 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao - Ưu điểm: Kích thước nhỏ nhưng tải lớn, tỉ số truyền cố định, hiệu suất cao, tuổi thọ, độ tin cậy cao - Nhược điểm: Chế tạo phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao, gây ồn khi hoạt động ở vận tốc cao.
Không thể truyền khoảng cách lớn ➢ Bộ truyền xích Hình 2.6 Bộ truyền xích - Ưu điểm: Lắp nối dễ dàng và canh chỉnh độ dài tùy ý, độ bền cao, không bị hiện tượng trượt bước trong quá trình truyền động. Hoạt động dựa trên nguyên lý ăn khớp nên có thể sử dụng cùng lúc nhiều bánh bị động, không bị ảnh hưởng nhiều về góc ôm.