Nghiên cứu nâng cao chất lượng sản phẩm công nghệ FDM trong luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật cơ khí nghiên cứu nâng cao chất lượng sản phẩm của công nghệ fdm, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Huỳnh Hữu Nghị
• Người hướng dẫn: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
• Trường học: Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nâng Cao Chất Lượng Sản Phẩm Công Nghệ FDM Trong Nghiên Cứu Tiến Sĩ Kỹ Thuật Cơ Khí
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT LUẬN ÁN
• ABSTRACT
• LỜI CÁM ƠN
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Công nghệ AM
• 1.2. Công nghệ FDM
• 1.3. Tổng quan nghiên cứu
• 1.3.1. Các nghiên cứu ngoài nước
• 1.3.2. Các nghiên cứu trong nước
• 1.4. Đề xuất mục tiêu nghiên cứu
• 1.5. Phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn
• 1.8. Cấu trúc luận án
• 2. CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM FDM
• 2.1. Chiều dày lớp (t)
• 2.2. Tốc độ đầu đùn (Vp)
• 2.3. Mật độ điền đầy (D)
• 2.4. Nhiệt độ buồng tạo sản phẩm (Tb)
• 2.5. Hướng chế tạo
• 2.6. Kiểu điền đầy
• 2.7. Nhiệt độ đầu đùn
• 2.8. Bề rộng đường đùn
• 2.9. Số đường bao ngoài
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐÙN NHỰA
• 3.1. Giới thiệu công cụ mô phỏng và vật liệu
• 3.1.1. Phần mềm Ansys
• 3.1.2. Các phương trình
• 3.2. Tính toán nhiệt cần thiết cho đầu đùn
• 3.2.1. Tổng quan kết cấu nhiệt đầu đùn
• 3.2.2. Nhiệt lượng cần thiết để đầu đùn đạt đến nhiệt độ làm việc
• 3.2.3. Tính toán nhiệt tổn thất
• 3.3. Trình tự thực hiện
• 3.3.1. Nhập mô hình vào phần mềm và chia lưới
• 3.3.2. Thiết lập các điều kiện ban đầu
• 3.4. Ảnh hưởng của vận tốc cấp liệu đến khoảng nóng chảy hoàn toàn
• 3.5. Ảnh hưởng của vận tốc cấp liệu đến vận tốc đùn
• 3.6. Ảnh hưởng của vận tốc cấp liệu đến áp suất và giới hạn vận tốc cấp liệu
• 3.7. Nhận xét và xác định giá trị thông số tốc độ đầu đùn
• 3.7.1. Xác định giá trị tốc độ đầu đùn
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH
• 4.1. Phương pháp thực hiện
• 4.2. Trình tự thực hiện
• 4.3. Thông số thực nghiệm
• 4.4. Quá trình thực nghiệm
• 4.5. Chế tạo mẫu – thu thập số liệu
• 4.5.1. Lựa chọn mẫu
• 4.5.2. Chế tạo mẫu thực nghiệm
• 4.6. Kết quả thực nghiệm và phân tích số liệu
• 4.6.1. Kết quả thực nghiệm
• 4.6.2. Phân tích số liệu
• 4.7. Huấn luyện mạng nơron nhân tạo (Artificial Neural Network-ANN)
• 4.7.1. Thiết lập mạng
• 4.7.2. Huấn luyện mô hình ANN
• 4.7.3. So sánh giữa hai phương pháp RSM và ANN
• 5. CHƯƠNG 5: TỐI ƯU THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
• 5.1. Tối ưu thông số công nghệ
• 5.1.1. Tối ưu thông số công nghệ đa mục tiêu cho độ chính xác kích thước
• 5.1.2. Tối ưu thông số công nghệ cho độ bền kéo
• 5.1.3. Tối ưu thông số công nghệ đa mục tiêu cho độ chính xác và độ bền kéo
• 5.2. Đánh giá các bộ thông số công nghệ tối ưu
• 5.2.1. Bộ thông số tối ưu cho độ chính xác kích thước
• 5.2.2. Kiểm chứng bộ thông số tối ưu cho độ bền kéo
• 5.2.3. Bộ thông số tối ưu đa mục tiêu (độ chính xác và độ bền kéo)
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN – ĐỀ XUẤT
• 6.1. Kết quả đạt được
• 6.2. Những đóng góp mới của nghiên cứu
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về công nghệ FDM

Công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) là một trong những công nghệ AM (Additive Manufacturing) phổ biến nhất hiện nay. Công nghệ này cho phép tạo ra các sản phẩm bằng cách đùn vật liệu theo từng lớp, từ đó tạo ra hình dạng mong muốn. FDM sử dụng các vật liệu nhựa nhiệt dẻo như PLA, ABS, và PEEK, mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí. Tuy nhiên, để nâng cao chất lượng sản phẩm, cần cải thiện các thông số công nghệ như độ chính xác kích thước và độ bền kéo. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ FDM không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong thực tiễn.

1.1. Đặc điểm và ưu điểm của công nghệ FDM

Công nghệ FDM có nhiều ưu điểm nổi bật như chi phí đầu tư thấp, dễ vận hành và bảo trì. Các thiết bị FDM thường có cấu trúc đơn giản, giúp người dùng dễ dàng làm quen và sử dụng. Hơn nữa, công nghệ này cho phép sản xuất các sản phẩm có độ phức tạp cao mà không cần đến các công nghệ chế tạo truyền thống. Tuy nhiên, để đạt được chất lượng sản phẩm tốt nhất, cần phải kiểm soát các thông số công nghệ trong quá trình sản xuất. Việc này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác kích thước mà còn nâng cao độ bền kéo của sản phẩm, từ đó đáp ứng tốt hơn nhu cầu của thị trường.

II. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm FDM

Chất lượng sản phẩm FDM phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó các thông số công nghệ là yếu tố quan trọng nhất. Các thông số như chiều dày lớp, tốc độ đầu đùn, nhiệt độ đầu đùn và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm đều có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh các thông số này có thể cải thiện đáng kể độ chính xác kích thước và độ bền kéo của sản phẩm. Việc áp dụng các phương pháp như phân tích phương sai (ANOVA) và tối ưu hóa hàm mục tiêu bằng phương pháp RSM (Response Surface Methodology) giúp xác định các thông số tối ưu cho quy trình sản xuất.

2.1. Chiều dày lớp và ảnh hưởng đến chất lượng

Chiều dày lớp là một trong những thông số quan trọng nhất trong công nghệ FDM. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác kích thước và độ nhám bề mặt của sản phẩm. Nghiên cứu cho thấy rằng chiều dày lớp quá lớn có thể dẫn đến sản phẩm có bề mặt không mịn và độ chính xác không cao. Ngược lại, chiều dày lớp quá nhỏ có thể làm tăng thời gian sản xuất và chi phí. Do đó, việc tìm ra chiều dày lớp tối ưu là rất cần thiết để nâng cao chất lượng sản phẩm.

2.2. Tốc độ đầu đùn và ảnh hưởng đến độ bền kéo

Tốc độ đầu đùn cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Tốc độ này cần được điều chỉnh phù hợp để đảm bảo rằng vật liệu được đùn ra một cách đồng đều và liên tục. Nếu tốc độ quá nhanh, có thể dẫn đến hiện tượng thiếu hụt vật liệu, làm giảm độ bền kéo của sản phẩm. Ngược lại, tốc độ quá chậm có thể làm tăng thời gian sản xuất và gây lãng phí nguyên liệu. Việc tối ưu hóa tốc độ đầu đùn sẽ giúp cải thiện đáng kể độ bền kéo và độ chính xác kích thước của sản phẩm.

III. Quy trình kiểm soát chất lượng trong sản xuất FDM

Để nâng cao chất lượng sản phẩm công nghệ FDM, việc xây dựng một quy trình kiểm soát chất lượng là rất cần thiết. Quy trình này bao gồm việc xác định các thông số công nghệ quan trọng, thực hiện các thí nghiệm để thu thập dữ liệu và phân tích kết quả. Sử dụng phương pháp FCCCD (Face-Centered Central Composite Design) giúp tối ưu hóa các thông số công nghệ, từ đó cải thiện độ chính xác kích thước và độ bền kéo. Hơn nữa, việc áp dụng mô hình mạng nơ ron nhân tạo (ANN) để dự đoán và so sánh với các phương pháp khác cũng mang lại những kết quả khả quan trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm.

3.1. Phân tích phương sai ANOVA

Phân tích phương sai (ANOVA) là một công cụ mạnh mẽ trong việc đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm. Phương pháp này cho phép xác định mức độ ảnh hưởng của từng thông số đến các đặc tính chất lượng như độ chính xác kích thước và độ bền kéo. Kết quả từ phân tích này sẽ giúp các nhà sản xuất điều chỉnh các thông số công nghệ một cách hợp lý, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.

3.2. Tối ưu hóa thông số công nghệ

Tối ưu hóa thông số công nghệ là bước quan trọng trong quy trình sản xuất FDM. Việc áp dụng phương pháp RSM giúp tìm ra các giá trị tối ưu cho từng thông số công nghệ, từ đó cải thiện đáng kể chất lượng sản phẩm. Kết quả từ quá trình tối ưu hóa không chỉ giúp nâng cao độ chính xác kích thước mà còn tăng cường độ bền kéo của sản phẩm, đáp ứng tốt hơn nhu cầu của thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu nâng cao chất lượng sản phẩm của công nghệ FDM" do nghiên cứu sinh Huỳnh Hữu Nghị thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh (Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí, Mã số: 62520103), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Thái Thị Thu Hà.

Công nghệ bồi đắp vật liệu (Additive Manufacturing - AM) nói chung và công nghệ lắng đọng nóng chảy (Fused Deposition Modeling - FDM) nói riêng chiếm thị phần lớn trong sản xuất chế tạo nhờ sử dụng vật liệu thông dụng, kết cấu thiết bị đơn giản, chi phí vận hành và bảo trì thấp do không sử dụng nguồn năng lượng laser hay tia cực tím (UV). Theo các số liệu được tác giả trích dẫn từ báo cáo của Terry Wohlers (2018), doanh thu công nghiệp AM toàn cầu năm 2017 đạt 7,336 tỷ USD; trong đó, báo cáo quý 1/2018 của 3D Hubs chỉ ra công nghệ FDM chiếm 66% thị phần ứng dụng. Tuy nhiên, sản phẩm tạo hình bằng FDM còn tồn tại các hạn chế về độ chính xác kích thước, chất lượng bề mặt và cơ tính do bản chất quá trình đắp lớp từng phần và sự ảnh hưởng phức tạp của các thông số công nghệ gia công. Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là việc kiểm soát đồng thời các thông số công nghệ nhằm nâng cao độ chính xác kích thước và độ bền kéo khi sử dụng các loại vật liệu composite mới như nhựa PLA pha hạt đồng (PLA-đồng) trên thiết bị gia công thực tế tại Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm:

1. Xác định ảnh hưởng của 5 thông số công nghệ quan trọng (chiều dày lớp, góc đường đùn, tốc độ đầu đùn, mật độ điền đầy và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm) đến độ chính xác kích thước và độ bền kéo trong quá trình chế tạo sản phẩm FDM.
2. Xây dựng mô hình thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với độ chính xác kích thước và độ bền kéo.
3. Xác định các giá trị thông số công nghệ tối ưu nhằm cải thiện độ chính xác kích thước và độ bền kéo của sản phẩm FDM.
4. Xây dựng quy trình phục vụ kiểm định thiết bị FDM được chế tạo tại Việt Nam trong tương lai.
5. Đề xuất mô hình dự đoán độ chính xác kích thước và độ bền kéo của sản phẩm FDM dựa trên các thông số công nghệ đầu vào để rút ngắn thời gian thực nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Các yếu tố thông số công nghệ ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước (theo 3 phương X, Y, Z) và độ bền kéo (theo phương vuông góc với phương liên kết các lớp) của mẫu sản phẩm FDM.
• Vật liệu nghiên cứu: Vật liệu composite nền nhựa nhiệt dẻo pha kim loại PLA-đồng (hãng Formfutura cung cấp).
• Phạm vi thông số công nghệ khảo sát: 5 thông số đầu vào gồm chiều dày lớp ($t$), góc đường đùn ($\theta$), tốc độ đầu đùn ($V_p$), mật độ điền đầy ($D$) và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm ($T_b$).
• Thiết bị thực nghiệm: Thiết bị tạo mẫu nhanh công nghiệp FDM-Vina2015 và hệ thống đo cơ tính DELTALAB.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tổng hợp và phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước theo các nhóm nội dung chính:

1. Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ đến độ chính xác kích thước: Oguzhan Emre Akbas (2019) tại Thổ Nhĩ Kỳ khảo sát nhiệt độ đầu đùn và tốc độ cấp liệu trên vật liệu PLA và ABS; Beibit Zharylkassyn và cộng sự (2021) tại Kazakhstan nghiên cứu chiều dày lớp, bề rộng đường đùn và kiểu điền đầy; D. Murthy (2018) tại Ấn Độ khảo sát chiều dày lớp, góc đường đùn và hướng chế tạo; A. Mohanty và cộng sự (2021) xác định hướng chế tạo là nhân tố quan trọng nhất trong 5 thông số khảo sát; K. Manolakos (2020) tại Ai Cập chỉ ra nhiệt độ đầu đùn có ảnh hưởng lớn nhất đến kích thước mẫu FDM. Trong nước, tác giả Đoàn Yên Thế (2019) tại Trường Đại học Thủy lợi nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày lớp, tốc độ đầu đùn và mật độ điền đầy đến sai số kích thước mẫu PLA.

2. Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ đến cơ tính sản phẩm: Fuda Ning và cộng sự (2016) tại Đại học Kỹ thuật Texas khảo sát góc đường đùn, tốc độ, nhiệt độ đầu đùn và chiều dày lớp theo tiêu chuẩn ASTM D638-10; Shilpesh R. Rajpurohit và Harshit K. Dave (2018) khảo sát góc đường đùn $0^\circ$ cho độ bền kéo cao nhất trên mẫu PLA; Gebisa và Lemu (2019) tại Na Uy nghiên cứu trên máy Fortus 450Mc; Deng và cộng sự (2018) khảo sát vật liệu PEEK; Dinesh Yadav và cộng sự (2019) nghiên cứu PETG, ABS; M. Heidari-Rarani và cộng sự (2020) nghiên cứu mật độ điền đầy, tốc độ đầu đùn và chiều dày lớp trên vật liệu PLA. Tác giả Phan Quang Thế (2018) tại Đại học Kỹ thuật Thái Nguyên khảo sát khe hở giữa các đường đùn trên vật liệu PC bằng máy Stratasys Fortus 400MC.

3. Nghiên cứu tối ưu hóa đa mục tiêu và ảnh hưởng của nhiệt độ buồng tạo sản phẩm: J. Chacón và cộng sự (2017, 2019) tại Tây Ban Nha phân tích cấu trúc gãy qua kính hiển vi điện tử quét (SEM); Lu Wang và cộng sự (2018) nghiên cứu vật liệu PP; Omar Ahmed Mohamed và cộng sự (2016) nghiên cứu mẫu PC/ABS pha kim loại; Carmita Camposeco Negrete (2020) tối ưu hóa năng lượng và độ chính xác kích thước. Về nhiệt độ buồng, Kou và cộng sự (2019) tại Đài Loan xác định nhiệt độ bàn máy và buồng in ảnh hưởng 54,18% và 39,87% đến độ cong vênh của nhựa ABS; Wichniarek và cộng sự (2021), Casavola và cộng sự (2017), Wang và cộng sự (2017), Wu và cộng sự (2014) khảo sát biến dạng nhiệt và hiện tượng tách lớp.

4. Nghiên cứu chế tạo thiết bị trong nước: Các đề tài của PGS.TS Đặng Văn Nghìn (chế tạo mảnh vá sọ não cho y tế), PGS.TS Thái Thị Thu Hà (thiết kế, chế tạo thiết bị FDM-Vina2015), GS.TS Nguyễn Thanh Nam (2019) và PGS.TS Bùi Trọng Hiếu (2020).

Kỹ thuật / Phương pháp	Độ chính xác	Tối ưu đa mục tiêu	Yêu cầu mô hình toán	Thời gian tính toán	Mô hình tuyến tính / phi tuyến	Phạm vi dữ liệu	Khả năng tương tác giữa các biến	Độ khó
Thuật toán di truyền (GA)	Cao	Có thể	Không	Rất dài	Cả hai	Cao	Không thể	Rất khó
Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN)	Rất cao	Có thể	Có	Rất dài	Cả hai	Cao	Không thể	Trung bình
Thiết kế giai thừa	Trung bình	Không thể	Có	Ngắn	Tuyến tính	Trung bình	Có thể	Dễ
Một nhân tố tại một thời điểm (OFAT)	Thấp	Không thể	Không	Rất dài	Tuyến tính	Cao	Không thể	Dễ
Lôgic mờ	Cao	Có thể	Có	Dài	Cả hai	Cao	Không thể	Rất khó
Phương pháp Taguchi	Thấp	Không thể	Không	Ngắn	Tuyến tính	Trung bình	Có thể	Khó
Phân tích quan hệ xám	Trung bình	Có thể	Không	Ngắn	Tuyến tính	Trung bình	Có thể	Khó
Bề mặt đáp ứng (RSM)	Rất cao	Có thể	Có	Ngắn	Cả hai	Thấp	Có thể	Trung bình
Xử lý dữ liệu nhóm (GMDH)	Cao	Có thể	Có	Trung bình	Cả hai	Cao	Không thể	Trung bình
Tối ưu bầy đàn (PSO)	Rất cao	Có thể	Có	Rất dài	Cả hai	Cao	Không thể	Rất khó

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Phần lớn các nghiên cứu trước tập trung vào các vật liệu đơn lẻ như ABS, PLA nguyên chất hoặc PEEK, chưa tập trung đánh giá đầy đủ hành vi công nghệ của vật liệu composite PLA-đồng. Đồng thời, ít có công trình khảo sát đồng thời 5 thông số công nghệ có tính đến nhiệt độ buồng tạo sản phẩm kết hợp giữa mô phỏng phần tử hữu hạn, quy hoạch thực nghiệm RSM và mô hình học máy mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) trên thiết bị gia công chế tạo trong nước.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp các cơ sở lý thuyết, mô hình hóa và thực nghiệm cơ khí:

• Khung lý thuyết dòng chảy và cơ học nhiệt: Sử dụng mô hình lưu chất phi Newton theo định luật Power-law để mô tả độ nhớt dòng nhựa nóng chảy trong đầu đùn: $$\eta = K \cdot \dot{\gamma}^{n-1}$$ Trong đó: $\eta$ là độ nhớt lưu chất ($\text{Pa}\cdot\text{s}$), $K$ là hệ số đồng nhất, $\dot{\gamma}$ là tốc độ trượt ($\text{s}^{-1}$), $n$ là hệ số công suất. Giới hạn chịu nén của sợi vật liệu rắn khi cấp vào đầu đùn được tính toán theo công thức mất ổn định Euler nhằm xác định vận tốc cấp liệu an toàn không làm gãy gập sợi.
• Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm Ansys Fluent (phiên bản 2011), sử dụng các công cụ Design Modeler / SpaceClaim để dựng hình và Ansys Meshing để chia lưới thể tích hữu hạn, giải các phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng của dòng chảy nhựa qua vòi phun.
• Phương pháp quy hoạch thực nghiệm và thống kê: Sử dụng phương pháp thiết kế tổng hợp trung tâm dạng mặt tâm (Face-Centered Central Composite Design - FCCCD) với 5 thông số đầu vào ở 3 mức giá trị. Sử dụng phương pháp phân tích phương sai (ANOVA) trên phần mềm Minitab để kiểm tra ý nghĩa thống kê ($p$-value, hệ số tương quan $R^2$) và phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) để xây dựng phương trình hồi quy.
• Phương pháp trí tuệ nhân tạo: Thiết lập mạng nơ-ron nhân tạo lan truyền tiến (ANN) với cấu trúc một lớp ẩn, huấn luyện bằng dữ liệu thực nghiệm để dự đoán các giá trị sai số kích thước và độ bền kéo, đánh giá qua hàm sai số bình phương trung bình (MSE) và hệ số tương quan $R$.
• Nguồn dữ liệu và thiết bị thực nghiệm:
  • Vật liệu: Sợi nhựa PLA-đồng thương mại của hãng Formfutura.
  • Thiết bị gia công mẫu: Máy in 3D FDM-Vina2015.
  • Thiết bị kiểm tra cơ tính: Máy thử nghiệm kéo DELTALAB, mẫu thử kéo chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM D638.
  • Thiết bị đo kích thước: Thước kẹp điện tử và panme quang học đo sai lệch kích thước hình học 3 phương $\Delta X, \Delta Y, \Delta Z$.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa tổng quan về công nghệ AM và công nghệ FDM, phân tích các nguyên lý tạo hình từ vật liệu dạng lỏng (SLA, SBC), dạng bột (3DP, SLS) đến dạng rắn (LOM, FDM). Luận án phân tích chi tiết các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chất lượng chi tiết in 3D. Tác giả chỉ ra các ưu điểm và mặt hạn chế của các phương pháp quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa hiện có (Taguchi, RSM, GA, PSO, ANN, v.v.), từ đó xác định mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

Chương 2: Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm FDM

Chương 2 định nghĩa, phân tích cơ chế tác động của các thông số công nghệ FDM và xác lập các mức giá trị phục vụ thực nghiệm. Tác giả phân tích các thông số:

• Chiều dày lớp ($t$): Ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu ứng bậc thang, chất lượng bề mặt và độ bền liên kết giữa các lớp. Mức chọn: 0,1 mm (-1); 0,2 mm (0); 0,3 mm (+1).
• Góc đường đùn ($\theta$): Là góc giữa đường nhựa đùn ra so với trục X ($0^\circ \div 90^\circ$). Mức chọn: $0^\circ$ (-1); $45^\circ$ (0); $90^\circ$ (+1).
• Tốc độ đầu đùn ($V_p$): Mối quan hệ giữa tốc độ di chuyển đầu đùn và vận tốc cấp liệu ($V_e$). Mức chọn: 40 mm/s (-1); 50 mm/s (0); 60 mm/s (+1).
• Mật độ điền đầy ($D$): Tỷ lệ phần trăm vật liệu bên trong. Mức chọn: 20% (-1); 40% (0); 60% (+1).
• Nhiệt độ buồng tạo sản phẩm ($T_b$): Giảm gradient nhiệt độ, giảm ứng suất dư và hạn chế cong vênh. Mức chọn: $50^\circ\text{C}$ (-1); $55^\circ\text{C}$ (0); $60^\circ\text{C}$ (+1).
• Các thông số cố định: Hướng chế tạo chọn theo phương mặt phẳng (flat); kiểu điền đầy chọn dạng đường thẳng song song (Rectilinear); nhiệt độ đầu đùn cố định ở $190^\circ\text{C}$; bề rộng đường đùn cố định 0,4 mm; số đường bao ngoài cố định là 3 đường.

Chương 3: Mô phỏng quá trình đùn nhựa

Chương 3 trình bày bài toán mô phỏng nhiệt - thủy động lực học dòng chất lỏng nóng chảy bên trong vòi phun FDM bằng phần mềm Ansys Fluent 2011 với vật liệu PLA-đồng.

Thông số vật liệu PLA-đồng	Giá trị
Khối lượng riêng	$4000\text{ kg/m}^3$
Nhiệt dung riêng	$706,424\text{ J/kg}\cdot\text{K}$
Hệ số dẫn nhiệt	$0,381\text{ W/m}\cdot\text{K}$
Nhiệt độ nóng chảy	$433\text{ K}$
Hệ số định luật công suất ($K$)	$3000\text{ kg}\cdot\text{s}^{n-2}/\text{m}$
Hệ số công suất ($n$)	$0,77$
Mô đun đàn hồi	$93,77\text{ MPa}$

Kết quả mô phỏng cho phép khảo sát khoảng nóng chảy hoàn toàn của vật liệu bên trong ống hóa lỏng, phân bố áp suất ngược lên sợi rắn và tốc độ dòng đùn tại đầu ra. Dựa trên tính toán giới hạn mất ổn định uốn dọc Euler của sợi nhựa rắn khi cấp liệu và tổn thất nhiệt đầu đùn, tác giả xác định được khoảng vận tốc cấp liệu an toàn và xác lập dải tốc độ làm việc hợp lý của đầu đùn từ $40\text{ mm/s}$ đến $60\text{ mm/s}$.

Chương 4: Thực nghiệm và phân tích

Chương 4 tiến hành triển khai ma trận thực nghiệm theo phương pháp FCCCD trên phần mềm Minitab gồm 5 thông số đầu vào ($t, \theta, V_p, D, T_b$). Các mẫu đo kích thước và mẫu thử kéo (tiêu chuẩn ASTM D638) được chế tạo trên máy FDM-Vina2015 và đo đạc trên máy kéo DELTALAB.

• Sử dụng phân tích phương sai (ANOVA) để định lượng mức độ ảnh hưởng của từng thông số đơn lẻ và tương tác bậc hai đến sai số kích thước $\Delta X, \Delta Y, \Delta Z$ và độ bền kéo $\sigma_k$.
• Xây dựng các đồ thị bề mặt đáp ứng 3D biểu diễn mối tương quan phi tuyến giữa các thông số công nghệ với hàm mục tiêu.
• Xây dựng mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) với một lớp ẩn để dự báo kết quả độ chính xác kích thước và độ bền kéo. So sánh đối chiếu cho thấy cả hai mô hình RSM và ANN đều đạt độ tương quan cao với dữ liệu thực nghiệm, trong đó mạng ANN cho thấy khả năng xấp xỉ tốt các hàm mục tiêu phi tuyến phức tạp.

Chương 5: Tối ưu thông số công nghệ

Chương 5 ứng dụng thuật toán tối ưu hóa hàm mục tiêu Response Surface Methodology trên Minitab để tìm các bộ thông số công nghệ tối ưu theo 3 kịch bản:

1. Bộ thông số tối ưu cho độ chính xác kích thước đa mục tiêu: Cực tiểu hóa sai số kích thước đồng thời trên 3 phương X, Y, Z.
2. Bộ thông số tối ưu đơn mục tiêu cho độ bền kéo: Cực đại hóa giới hạn bền kéo của chi tiết.
3. Bộ thông số tối ưu đa mục tiêu tổng thể: Dung hòa đồng thời giữa độ chính xác kích thước ($\Delta X, \Delta Y, \Delta Z$ nhỏ nhất) và độ bền kéo ($\sigma_k$ lớn nhất).

Tác giả đã tiến hành chế tạo lại các mẫu thực nghiệm kiểm chứng độc lập bằng các bộ thông số tối ưu tìm được, tiến hành đo kiểm tra và so sánh đối chiếu với kết quả dự đoán từ mô hình toán học nhằm xác nhận độ tin cậy của quy trình tối ưu hóa.

Chương 6: Kết luận – Đề xuất

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về mặt lý thuyết mô phỏng, mô hình thực nghiệm và bộ thông số tối ưu; đồng thời đề xuất các định hướng mở rộng nghiên cứu tiếp theo.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt khoa học và lý luận

• Đã phân tích và lượng hóa được ảnh hưởng của 5 thông số công nghệ ($t, \theta, V_p, D, T_b$) cũng như các tương tác bậc hai giữa chúng đến độ chính xác kích thước 3 chiều và độ bền kéo của sản phẩm FDM sử dụng vật liệu composite PLA-đồng.
• Đã xây dựng thành công mô hình toán học mô phỏng dòng chảy đùn nhựa phi Newton kết hợp truyền nhiệt trong đầu đùn bằng phương pháp phần tử hữu hạn, làm rõ điều kiện nóng chảy và giới hạn cấp liệu an toàn của sợi composite kim loại - nhựa.
• Xây dựng và so sánh đối chiếu thành công hai mô hình dự đoán chất lượng sản phẩm FDM: mô hình bề mặt đáp ứng (RSM) và mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN).

Đóng góp về mặt thực tiễn

• Xác lập được các bộ thông số công nghệ tối ưu cụ thể cho từng mục tiêu đơn lẻ và đa mục tiêu khi gia công vật liệu PLA-đồng trên thiết bị FDM, giúp nâng cao độ chính xác lắp ghép và khả năng chịu tải cơ học của sản phẩm.
• Đề xuất quy trình thiết kế thực nghiệm, mô phỏng và kiểm soát thông số làm cơ sở hỗ trợ việc hiệu chuẩn, kiểm định và vận hành các thiết bị in 3D FDM được nghiên cứu, chế tạo trong nước (như máy FDM-Vina2015).

Giải pháp và kiến nghị

• Khi chế tạo chi tiết bằng vật liệu PLA-đồng cần kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ buồng tạo sản phẩm ($50^\circ\text{C} \div 60^\circ\text{C}$) nhằm giảm chênh lệch nhiệt và triệt tiêu ứng suất dư gây biến dạng.
• Ứng dụng mô hình dự đoán ANN đã huấn luyện để ước lượng nhanh chất lượng sản phẩm đầu ra, giảm thiểu số lượng mẫu thử nghiệm thực tế gây tiêu hao vật liệu.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế của nghiên cứu: Nghiên cứu tập trung khảo sát trên một loại vật liệu composite cụ thể là PLA-đồng của hãng Formfutura; các mẫu thử nghiệm có biên dạng hình học tiêu chuẩn (theo ASTM D638 cho thử kéo và mẫu khối chữ nhật đo kích thước); một số thông số được cố định trong quá trình thực nghiệm (nhiệt độ đầu đùn $190^\circ\text{C}$, bề rộng đường đùn $0,4\text{ mm}$, số đường bao ngoài bằng 3, hướng đặt mẫu theo phương mặt phẳng và kiểu điền đầy Rectilinear).
• Hướng nghiên cứu tiếp theo:
  • Mở rộng nghiên cứu trên các loại vật liệu composite nền nhựa pha kim loại hoặc sợi gia cường khác (như ABS-đồng, PLA-sắt, nhựa gia cố sợi carbon CFRTPCs).
  • Khảo sát các hình dáng hình học phức tạp hơn có bề mặt cong 3D, kiểm tra thêm các chỉ tiêu cơ lý khác như độ bền uốn, độ bền va đập và độ nhám bề mặt.
  • Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán tối ưu hóa thông minh khác (thuật toán di truyền GA, tối ưu bầy đàn PSO) và mở rộng cho các công nghệ AM khác như SLA, DLP, SLM.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích đối với:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Vật liệu quan tâm đến quy trình quy hoạch thực nghiệm FCCCD, kỹ thuật mô phỏng phần tử hữu hạn Ansys Fluent cho dòng chất lỏng phi Newton, và ứng dụng mạng nơ-ron ANN trong tối ưu hóa công nghệ.
• Kỹ sư và các nhà sản xuất: Cung cấp thông số công nghệ cụ thể và quy trình hiệu chỉnh chế độ in 3D trên vật liệu composite PLA-đồng nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm chi tiết máy, đồ gá hoặc tạo mẫu chức năng.
• Các đơn vị nghiên cứu thiết bị AM trong nước: Cung cấp phương pháp luận và số liệu kiểm định thực tế để hoàn thiện kết cấu cơ khí và hệ thống điều khiển nhiệt độ buồng cho các máy FDM công nghiệp sản xuất tại Việt Nam.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án khảo sát các thông số công nghệ đầu vào nào và dải giá trị thực nghiệm của chúng là bao nhiêu?
Luận án khảo sát 5 thông số công nghệ đầu vào theo thiết kế thực nghiệm FCCCD ở 3 mức:

• Chiều dày lớp ($t$): $0,1\text{ mm}$ (-1); $0,2\text{ mm}$ (0); $0,3\text{ mm}$ (+1).
• Góc đường đùn ($\theta$): $0^\circ$ (-1); $45^\circ$ (0); $90^\circ$ (+1).
• Tốc độ đầu đùn ($V_p$): $40\text{ mm/s}$ (-1); $50\text{ mm/s}$ (0); $60\text{ mm/s}$ (+1).
• Mật độ điền đầy ($D$): $20%$ (-1); $40%$ (0); $60%$ (+1).
• Nhiệt độ buồng tạo sản phẩm ($T_b$): $50^\circ\text{C}$ (-1); $55^\circ\text{C}$ (0); $60^\circ\text{C}$ (+1).

2. Các thông số công nghệ nào được cố định trong quá trình thực nghiệm và giá trị là bao nhiêu?
Các thông số được cố định gồm:

• Nhiệt độ đầu đùn: $190^\circ\text{C}$.
• Bề rộng đường đùn: $0,4\text{ mm}$.
• Số đường bao ngoài: 3 đường.
• Hướng chế tạo: Theo phương mặt phẳng bàn máy (flat).
• Kiểu điền đầy: Kiểu đường thẳng song song (Rectilinear).

3. Vật liệu PLA-đồng sử dụng trong luận án có các thông số nhiệt - cơ bản nào trong mô phỏng?
Theo Bảng 3.1 của luận án, vật liệu PLA-đồng (Formfutura) có các thông số: khối lượng riêng $4000\text{ kg/m}^3$; nhiệt dung riêng $706,424\text{ J/kg}\cdot\text{K}$; hệ số dẫn nhiệt $0,381\text{ W/m}\cdot\text{K}$; nhiệt độ nóng chảy $433\text{ K}$; hệ số định luật công suất $K = 3000\text{ kg}\cdot\text{s}^{n-2}/\text{m}$; hệ số công suất $n = 0,77$; mô đun đàn hồi $93,77\text{ MPa}$.

4. Thiết bị và phần mềm nào được sử dụng trong quá trình nghiên cứu của luận án?

• Thiết bị chế tạo mẫu: Máy in 3D FDM-Vina2015.
• Thiết bị kiểm tra cơ tính: Máy đo độ bền kéo đa năng DELTALAB (tiêu chuẩn ASTM D638).
• Phần mềm mô phỏng: Ansys Fluent (phiên bản 2011).
• Phần mềm phân tích thống kê và tối ưu hóa: Minitab (phân tích phương sai ANOVA, thiết kế FCCCD, bề mặt đáp ứng RSM và xây dựng mạng nơ-ron ANN).

5. Luận án giải quyết bài toán tối ưu hóa theo các trường hợp mục tiêu nào?
Luận án thực hiện tối ưu hóa theo 3 trường hợp: (1) Tối ưu đa mục tiêu cho độ chính xác kích thước ($\Delta X, \Delta Y, \Delta Z$ nhỏ nhất); (2) Tối ưu đơn mục tiêu cho độ bền kéo ($\sigma_k$ lớn nhất); (3) Tối ưu đa mục tiêu đồng thời cho cả độ chính xác kích thước và độ bền kéo. Tất cả các bộ thông số tối ưu đều được kiểm chứng độc lập bằng mẫu thực nghiệm.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Huỳnh Hữu Nghị đã giải quyết bài toán nâng cao độ chính xác kích thước và độ bền kéo cho sản phẩm công nghệ FDM sử dụng vật liệu composite PLA-đồng. Công trình đã kết hợp phương pháp mô phỏng số truyền nhiệt - lưu chất trên Ansys Fluent với phương pháp quy hoạch thực nghiệm FCCCD, phân tích phương sai ANOVA, mô hình bề mặt đáp ứng RSM và mạng nơ-ron nhân tạo ANN. Các kết quả nghiên cứu và bộ thông số công nghệ tối ưu được xác lập trên thiết bị FDM-Vina2015 cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn phục vụ cho việc kiểm định, vận hành thiết bị in 3D công nghiệp tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.