CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1. Tổng quan tình hình công nghệ in 3D 1.1 Công nghệ In 3D và ứng dụng thực tế Công nghệ in 3D hay chế tạo đắp lớp, là một chuỗi các công đoạn khác nhau được kết hợp để tạo ra một vật thể ba chiều. Các lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể. [1] Các sản phẩm có thể có hình dạng bất kỳ, và được sản xuất từ một mô hình 3D hoặc nguồn dữ liệu điện tử khác.
Một số sản phẩm của công nghệ in 3D 1.2 Ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất và đời sống • Ngoài mục đích thử nghiệm, thiết kế, tạo mẫu và sản xuất một số bộ phận, công cụ lắp ráp đặc biệt, ngành công nghiệp ô tô đã sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất ra những chiếc xe hoàn chỉnh. Trên thực tế, một chiếc xe tên là Urbee là một minh chứng cho ứng dụng của công nghệ in 3D 1 Luan van • Công nghiệp điện tử cũng là một trong những ngành ứng dụng của công nghệ in 3D: chế tạo các bộ phận phức tạp đặc biệt từ các chất liệu khác nhau và đã mở ra một ứng dụng [9] mới của ngành công nghiệp này. • Một đối tượng nổi bật khác của ứng dụng công nghệ in 3D là ngành hàng không vũ trụ. Con người đã ứng dụng công nghệ này trong việc sản xuất các bộ phận máy bay, đặc biệt là các bộ phận có hình dạng phức tạp.
Demo máy bay drone của hãng hàng không Airbus • Tương tự, ngành công nghiệp quốc phòng sử dụng in 3D cho các mục đích sản xuất đặc biệt và tiết kiệm chi phí Hình 1. 3: Tên lửa được in 3D 2 Luan van • Trong ngành thực phẩm, máy in 3D đã tạo ra rất nhiều loại thực phẩm khác nhau. Hầu hết các thực phẩm có nguyên liệu là chất lỏng hoặc bột đều có thể in ra bằng máy in 3D, trong đó sô-cô-la và bánh kẹo là những sản phẩm phổ biến hiện nay sử dụng công nghệ này. • Ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất các mô hình sinh học Công nghệ in 3D còn hỗ trợ các thử nghiệm phương pháp và công nghệ y tế mới, tăng cường nghiên cứu y khoa, giảng dạy và đào tạo đội ngũ y bác sĩ.
• Kiến trúc và xây dựng dù mới chỉ ở giai đoạn đầu tiên nhưng đã có rất nhiều nỗ lực được thực hiện thành công trong việc xây dựng các toà nhà bằng các máy in 3D khổng lồ. Vật liệu phổ biến nhất cho in xây dựng là nhựa, bê tông và cát Hình 1.Xây nhà bằng in 3D Contour Crafting 1. Các công nghệ in 3D phổ biến hiện nay Do có nhiều phương diện sản xuất nên hình thành nhiều loại hệ thống tạo mẫu nhanh trên thị trường, để quát các hệ thống tạo mẫu nhanh là dựa trên cơ sở vật liệu tạo mẫu. Qua đó tất cả các hệ thống tạo mẫu nhanh có thể dễ dàng phân thành bốn loại: - Dựa trên cơ sở vật liệu dạng lỏng.
- Dựa trên cơ sở vật liệu dạng khối. - Dựa trên cơ sở vật liệu dạng bột. -Dựa trên cơ sở vật liệu dạng SỢI 1.1 Dựa trên cơ sở vật liệu dạng lỏng : -Là công nghệ sử dụng tia sáng (tia laser, tia UV hoặc tia sáng bình thường) làm đông 3 Luan van cứng lớp photopolymer lỏng (polymer quang hóa - polymer đóng rắn khi có ánh sáng chiếu vào) được chứa trong bồn, từng lớp từng lớp để hình thành nên vật thể 3D. Sau khi lấy chi tiết ra khỏi hệ thống SLA, chi tiết phải trải qua một loạt các quá trình hậu xử lý (post-processing) để tẩy rửa hoàn thành sản phẩm.
Đây là công nghệ đầu tiên và cũng là công nghệ đem lại độ dày layer nhỏ nhất hiện nay (độ chi tiết tốt nhất). 5: Nguyên lý hoạt động của phương pháp SLA 1. Dựa trên cơ sở vật liệu dạng khối : Các hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu cơ bản dạng khối có liên quan đến tất cả các hình thức vật liệu dạng khối bao gồm các dạng: dây, cuộn hay tờ, dát mỏng như giấy gỗ. Phổ biến nhất dạng này là phương pháp LOM (Laminated Object Manufacturing) sử dụng vật liệu dạng tấmTrong phương pháp LOM 4 Luan van Hình 1.
Nguyên lý hoạt động của phương pháp LOM 1.3 Dựa trên cơ sở vật liệu dạng bột Công nghệ in 3D SLS - Sử dụng nguyên liệu dạng bột được chứa trong các bồn, các layer được xếp chồng lên nhau bằng các bánh lăn (roller), vừa cuộn vừa kéo san phẳng vật liệu ra thành lớp mỏng. Biên dạng layer được hình thành bằng cách dùng tia laser chiếu cho nóng chảy bột để bột lớp layer trên liên kết với layer dưới. 5 Luan van Hình 1.Nguyên lý hoạt động của phương pháp tạo mẫu nhanh SLS 1.4 Dựa trên cơ sở vật liệu dạng SỢI Công nghệ in 3D FDM (Fused Deposition Modeling) Nguyên lý làm việc của của tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM là một trong những công nghệ tạo mẫu nhanh bằng phương pháp đùn nhựa nóng chảy rồi hóa rắn từng lớp tạo nên cấu trúc mẫu. Vật liệu ban đầu được cấp từ cuộn dây cấp liệu, vật liệu dây sẽ được kéo bởi hệ thống các con lăn.
Các con lăn có nhiệm vụ kéo và đưa vật liệu vào hệ thống đầu đùn, trong quá trình di chuyển đến miệng vòi đùn, vật liệu sẽ đi qua bộ phận gia nhiệt và được gia nhiệt và hóa dẻo, sau đó được đùn ra ngoài bởi một áp lực sao cho tốc độ ra và tốc độ hóa dẻo tương ứng với nhau. Tổng quát, quy trình FDM bao gồm các bước cơ bản để tạo ra mô hình chi tiết như hình 1.2:thiết kế mô hình CAD, chuyển đổi mô hình CAD sang định dạng STL(Stereolithography), máy tính phân tích file .STL để xác định rõ ràng mô hình cho sản xuất và cắt lớp trên mặt cắt ngang, tạo thành mẫu theo từng lớp chồng lên nhau, làm sạch và hoàn thành 6 Luan van Hình 1. Nguyên lý hoạt động của FDM Hình 1. Hình ảnh minh họa tạo ra mô hình mẫu máy FDM Đây là công nghệ phổ biến nhất hiện nay vì nó đơn giản và dễ chế tạo.
Và em quyết định nghiên cứu độ bền uốn của chi tiết in 3D công nghệ FDM này vì khả năng ứng dụng rộng rãi của nó.Tính cấp thiết của đề tài: Trong các ngành công nghiệp sản xuất, in 3D giúp tạo nên các mẫu vật thể phức tạp một cách nhanh chóng và mà các công nghệ gia công truyền thống rất khó hoặc không 7 Luan van thể thực hiện.Tuy nhiên độ bền của sản phẩm in 3D vẫn còn thấp cho nên em quyết định nghiên cứu độ bền uốn của sản phẩm là một vấn đề cần thiết. Các nghiên cứu trong và ngoài nước: 1.Các nghiên cứu trong nước: Nghiên cứu thiết kế chế tạo và điều khiển CNC hệ thống tạo mẫu nhanh Tác giả PGS.TS Đặng Văn Nghìn. Viện Cơ học và Tin học ứng dụng Năm 2012- 2013 Tóm tắt Mục tiêu của đề tài là làm chủ công nghệ, thiết kế chế tạo, xây dựng phần mềm cắt lớp, phần mềm điều khiển máy tạo mẫu nhanh theo công nghệ đùn và giá thành hợp lý cho các doanh nghiệp Việt Nam. Mục tiêu thứ hai của đề tài là xây dựng và phát triển đội ngũ khoa học trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh Sản phẩm của đề tài có khả năng ứng dụng cao trong các doanh nghiệp nhựa và khuôn mẫu.
Ngoài ra, có thể áp dụng trong lĩnh vực thiết kế và phát triển sản phẩm nhằm rút ngắn thời gian từ quá trình thiết kế đến khi ra sản phẩm, sản xuất đồ chơi, khảo cổ, y học Nghiên cứu Tối ưu hóa thông số quá trình nhằm cải thiện độ bền nén của sản phẩm FDM.TS Thái Thị Thu Hà. Huỳnh Hữu Nghị, Trần Minh Tôn Trường Đại Học Bách Khoa tp Hồ Chí Minh Năm 2017 8 Luan van Mục tiêu nghiên cứu các thông số: Bề dày lớp, hướng tạo mẫu, góc Tóm tắt raster, khoảng hở, chiều rộng raster ảnh hưởng đến độ bền nén của sản phẩm FDM bởi tính dị hướng của sản phẩm FDM. Bài báo này đã thực hiện điều chỉnh các yếu tố: kiểu điền đầy, mật độ điền đầy, số lớp thành, bề dày lớp, góc raster đến độ bền nén của sản phẩm FDM. Nhờ vào phương pháp thiết kế thí nghiệm (DOE) cho ta biết được số thí nghiệm cần làm đạt độ tin cậy cao.
Phương pháp Taguchi đã giúp ta phân tích kết quả thí nghiệm) là bộ thông số tối ưu nhất cho việc tăng độ bền nén. Nghiên cứu Sự ảnh hưởng của khe hở đường in đến độ bền và đặc tính cơ học của Polycarbonate trong in 3D – FDM.TS Phan Quang Thế. Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên Năm 2019 Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm nhằm phân tích ảnh hưởng của Tóm tắt khoảng cách giữa các sợi in đến độ bền và đặc tính của PC trong in 3D thông qua thí nghiệm kéo và nén theo phương liên kết giữa các sợi in. Sự thay đổi của khoảng cách giữa các sợi in là nguyên nhân gây ra sự thay đổi cấu trúc dẫn tới thay đổi độ bền và đặc tính của sản phẩm in.
Nghiên cứu các thông số làm việc ảnh hưởng đến độ chính xác sản phẩm của máy in 3D hai đầu phun theo công nghệ FDM. Tác giả Đoàn Yên Thế. Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi Năm 2019 9 Luan van Mục tiêu nghiên cứu thiết kế chế tạo máy in 3D hai đầu phun và Tóm tắt nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thông số làm việc như: độ dày lớp in, tốc độ in và độ điền đầy ảnh hưởng đến độ chính xác cũng như chất lượng bề mặt của chi tiết in 3D. Phương pháp thực nghiệm Taguchi được sử dụng để thiết kế thí nghiệm và đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng thông số đó đến độ chính xác chi tiết mẫu in 3D.Các nghiên cứu ngoài nước: Bài nghiên cứu của K.
Jaya Christiyan (2016) Nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số quá trình đến Tính chất cơ học của hỗn hợp ABS được in 3D) Người ta nhận thấy rằng ứng suất kéo giảm đi khi tăng lớp độ dày cũng như ứng suất kéo giảm khi tăng tốc độ in. Tuy nhiên, hiệu ứng này là ít khi độ dày lớp được tăng lên. ABS + hydrous magnesium silicate composite; FDM; Additive Manufacturing; Rapid prototype; 3D printing; Tensile Strength; Flexural Strength; Mechanical Properties. Bài nghiên cứu của Mohamad A M J Alhubail (2012)[7] Bài nghiên cứu này, nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của qui trình FDM để cải thiện độ chính xác chi tiết.