Chương 1 trình bày về các vấn đề đã được nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm FDM. Trên cơ sở đó, tiến hành phân tích, đánh giá các ưu điểm đạt được và những tồn tại cần tiếp tục khắc phục. Từ đó, đề xuất các hướng cần nghiên cứu, các giải pháp phù hợp và hiệu quả nhằm đáp ứng nhu cầu của thực tiễn sản xuất đối với sản phẩm FDM bằng vật liệu nhựa kết hợp kim loại PLA-Cooper (nhựa PLA-đồng).1 Công nghệ AM Công nghệ AM (Additive Manufacturing), ra đời từ những năm 1980, được đánh giá là nhóm công nghệ chế tạo tiên tiến với nhiều ưu điểm nổi bật, đặc biệt là tạo ra các sản phẩm có độ phức tạp về hình dáng hình học mà các công nghệ truyền thống không làm được. Công nghệ AM, đang phát triển với tốc độ nhanh chóng, cho phép hiện thực hóa các sản phẩm phức tạp được thiết kế bằng máy tính dưới dạng mô hình khối rắn ba chiều.
Một quy trình chế tạo sản phẩm theo công nghệ AM gồm 08 bước cơ bản như sau: thiết kế sản phẩm, chuyển dữ liệu thiết kế sang định dạng chuyên dùng STL (Standard Triangle Language), kiểm tra chất lượng dữ liệu STL, cài đặt các thông số công nghệ và cắt lớp, chế tạo sản phẩm, lấy sản phẩm ra khỏi thiết bị và sử dụng sản phẩm theo các tính năng yêu cầu khi thiết kế. Công nghệ AM đã chứng minh hiệu quả trong thực tế sản xuất khi tạo ra được những thay đổi đáng kể trong quá trình thiết kế cũng như chế tạo sản phẩm ở những quy mô sản xuất khác nhau. Theo báo cáo của Terry Wohlers năm 2018 [1], được thể hiện trong Hình 1.1, trong năm 2017, ngành công nghiệp AM, bao gồm tất cả các sản phẩm và dịch vụ trên toàn thế giới đã tăng từ 6,063 tỷ USD lên 7,336 tỷ USD. Còn theo báo cáo hàng quý, sử dụng dữ liệu từ 7,000 nhà cung cấp dịch vụ quốc tế với hơn 200,000 sản phẩm AM mỗi quý, của 3D Hubs thì trong quý 1 năm 2018 công nghệ 1 FDM là công nghệ phổ biến nhất với thị phần là 66%, công nghệ SLA + DLP ở vị trí thứ 2 là 15% , công nghệ SLS là 12% và các công nghệ AM khác là 7% (Hình 1.1 Doanh thu các sản phẩm và dịch vụ của công nghiệp AM năm 2017 [1] Hình 1.2 Xu hướng sử dụng công nghệ AM trong công nghiệp (Quý 1 – 2018) [1] Cụ thể hơn, công nghệ FDM còn được dự báo có mức tăng trưởng về doanh thu trong giai đoạn 2013-2024 cao nhất so với các công nghệ còn lại (Hình 1.3) và theo Hình 1.4, công nghệ FDM đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trọng từ sản xuất cho đến đời sống hằng ngày như hàng tiêu dùng, điện tử (chiếm 22%), công nghiệp ô tô (chiếm 19%), thiết bị công nghiệp (chiếm 13%).3 Dự đoán mức tăng trưởng các công nghệ AM điển hình [1] Hình 1.4 Doanh thu công nghệ FDM [1] Trên thế giới hiện nay có khoảng hơn 30 công nghệ AM đang được sử dụng và thương mại hoá.
Có nhiều phương pháp khác nhau để phân loại công nghệ này như: phương pháp dựa theo dạng vật liệu sử dụng, dựa theo nguồn năng lượng và dựa theo phương pháp tạo lớp…Tuy nhiên, phổ biến nhất hiện nay là phương pháp phân loại theo vật liệu sử dụng. Theo cách phân loại này, công nghệ AM được phân thành ba nhóm chủ yếu là công nghệ sử dụng vật liệu dạng bột, vật liệu dạng lỏng và vật liệu dạng rắn như được trình bày trong bảng 1.1 Phân loại công nghệ AM dựa trên vật liệu sử dụng Dạng vật liệu Loại vật liệu Công nghệ Nguyên lý Các loại nhựa Stereolithography Tia laser được điều khiển dạng lỏng như (SLA) quét lên bề mặt chất lỏng acrylate, làm đông rắn chất lỏng theo Lỏng epoxi… biên dạng mỗi mặt cắt ngang của sản phẩm. Các loại nhựa Solid Base Curing Chiếu chùm tia UV lên bề dạng lỏng như (SBC) mặt chất lỏng thông qua các acrylate, mặt nạ để tạo thành một mặt epoxi… cắt ngang của sản phẩm. Vật liệu bột Three-Dimentional Phun chất kết dính vật liệu như gốm, nhựa, Printing (3DP) bột theo biên dạng một mặt kim loại…và cắt ngang của sản phẩm.
Bột chất kết dính. Vật liệu bột Selective Laser Điều khiển tia laser quét lên như Sintering (SLS) bề mặt lớp bột để thiêu kết Polycarbonates, và làm kết dính vật liệu bột nylons, gốm và theo biên dạng mỗi mặt cắt một số kim ngang của sản phẩm. loại… Vật liệu dạng Laminated Object Sử dụng tia laser cắt tấm vật tấm bằng giấy, Manufacturing liệu theo biên dạng mặt cắt gỗ, nhựa… (LOM) ngang của sản phẩm. Rắn Nhựa dạng sợi Fused Deposition Sợi nhựa được gia nhiệt đến như PLA, ABS, Modeling (FDM) trạng thái nóng chảy và PLA-đồng, được đùn qua đầu đùn.
Đầu PLA-sắt. đùn di chuyển theo phương X,Y tạo nên biên dạng một mặt cắt ngang của sản phẩm.2 Công nghệ FDM Công nghệ FDM tạo ra sản phẩm bằng cách thêm và liên kết vật liệu theo từng lớp. Nguyên lý công nghệ FDM được trình bày trong Hình 1.5 như sau sợi nhựa được cấp vào đầu đùn bằng cặp con lăn, đầu đùn được gia nhiệt để sợi nhựa đạt đến trạng thái nóng chảy và được đùn ra ngoài qua một vòi phun dưới áp suất được tạo ra bởi chính chuyển động đẩy sợi nhựa vào. Vòi phun sẽ di chuyển theo hai phương X, Y để 4 tạo nên một lớp vật liệu theo tiết diện ngang của sản phẩm.
Sau khi hoàn thành một lớp, bàn máy sẽ di chuyển xuống theo phương Z một khoảng bằng chiều dày lớp đã cài đặt và quá trình sẽ được lặp lại cho đến khi hoàn thành sản phẩm. Tùy theo mục đích, yêu cầu của sản phẩm mà người sử dụng sẽ chọn vật liệu cho phù hợp. FDM sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo như PLA, ABS, PEEK… để chế tạo sản phẩm và vật liệu nhựa chuyên dùng như PVA… để tạo cấu trúc đỡ (khi cần thiết).5 Nguyên lý công nghệ FDM [3] Ban đầu, công nghệ FDM được sử dụng để chế tạo các mô hình trực quan, mô hình trình diễn và tạo mẫu để kiểm tra quá trình thiết kế. Yêu cầu đối với các ứng dụng này chủ yếu liên quan đến hình dáng tổng thể.
Theo quá trình phát triển, công nghệ FDM dần được sử dụng để chế tạo các chi tiết dùng trong đồ gá, khuôn … hay tạo ra thành phẩm (end-product) …Yêu cầu đối với các ứng dụng dạng này chủ yếu liên quan đến độ chính xác kích thước, độ nhám bề mặt và cơ tính [2]. Có nhiều nguyên nhân ảnh hưởng đến độ chính xác của sản phẩm FDM trong đó chủ yếu là do ảnh hưởng của các thông số công nghệ [3-8], Ngoài ra, các đặc tính cơ học của sản 5 phẩm FDM cũng được quyết định bởi việc lựa chọn các thông số công nghệ, đặc biệt là các thông số có ảnh hưởng đến độ bền liên kết giữa các sợi bên trong một lớp, độ bền liên kết giữa các lớp cũng như kích thước mối liên kết tại các vị trí giao nhau giữa các sợi nhựa [9-11], kết hợp nhựa với bột kim loại để tăng độ bền của sản phẩm sau khi được chế tạo Từ phân tích trên cho thấy tùy vào từng mục đích sử dụng khác nhau mà mỗi sản phẩm sẽ có những yêu cầu cụ thể về chất lượng khác nhau. Do đó, việc phân tích, kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng, đặc biệt là độ chính xác kích thước và cơ tính, trong quá trình chế tạo sản phẩm bằng công nghệ FDM là một vấn đề quan trọng. Công việc này đã được quan tâm nghiên cứu từ những năm 1996 và tiếp tục được mở rộng, phát triển cho đến ngày nay.3 trình bày về các công trình nghiên cứu liên quan.3 Tổng quan nghiên cứu: Hiện nay, công nghệ FDM đã được sử dụng khá phổ biến trong nhiều lĩnh vực với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau.
Do vậy, trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu liên quan đến công nghệ FDM đã được thực hiện với các hướng nghiên cứu khác nhau như: 1.1 Các nghiên cứu ngoài nước Trong thời gian qua, nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước đã nghiên cứu về công nghệ FDM, cụ thể như: Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến độ chính xác kích thước: Độ chính xác kích thước là một trong những chỉ tiêu quan trọng cho một sản phẩm cơ khí có yêu cầu lắp ráp. Do đó, nó được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Trong nghiên cứu năm 2019 của Oguzhan Emre Akbas [12] tại Đại học Istanbul Thổ Nhĩ Kỳ, tác giả thực hiện phân tích thực nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ đầu đùn và tốc độ cấp liệu đến kích thước của các sản phẩm FDM. Kết quả cho thấy độ chính xác trung bình của các mẫu bằng vật liệu PLA tốt hơn so với các mẫu bằng vật liệu ABS.
Bề rộng trung bình của đường đùn có xu hướng tăng khi nhiệt độ tăng đối với các mẫu bằng PLA, trong khi các mẫu bằng ABS thì có lúc tăng lúc giảm. Đối với bề rộng 6 đường đùn, khi tăng tốc độ cấp liệu thì bề rộng đường đùn sẽ giảm trong tất cả các trường hợp. Các dự đoán của mô hình số phù hợp với dữ liệu thực nghiệm. Tác giả Beibit Zharylkassyn và các công sự [13] tại Kazakhstan vào năm 2021 đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và vật liệu đến độ chính xác của kích thước của các sản phẩm FDM.
Nhóm đã sử dụng các vật liệu: ABS, PLA và một số loại nhựa khác. Kết quả cho thấy độ chính xác kích thước của các sản phẩm FDM phụ thuộc vào các thông số công nghệ như: chiều dày lớp, bề rộng đường đùn, kiểu điền đầy. cụ thể giá trị chiều dày lớp thường (0,1÷ 0,2) mm là thích hợp đối với các sản phẩm là nhựa ABS và PLA, trong khi các sản phẩm bằng nhựa ASA (Acrylonitrile Styrene Acrylate copolymer) và Nylon có xu hướng chính xác hơn với các khi giá trị chiều dày lớp cao hơn. Về hướng tạo sản phẩm, giá trị thông số này ở mức 00 và 900 được xem là tối ưu cho ABS và PLA.
Ngoài ra, việc tối ưu của từng thông số công nghệ có thể thay đổi theo các yếu tố như kích thước, hình dáng sản phẩm và loại vật liệu sử dụng. Tại khoa Kỹ thuật Cơ khí, Học viện Kỹ thuật và Công nghệ Vignana Jyothi, Ấn Độ, D. Murthy (2018) [14] đã trình bày quá trình xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ và sự tương tác của chúng đối với độ chính xác kích thước các mẫu được chế tạo bằng hai vật liệu khác nhau là ABS và PLA.