MỞ ĐẦU 1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: Trong nước: - Trước đó, nhóm tác giả Phạm Hữu Đầy, Bùi Đức Thịnh, Nguyễn Thị Mỹ Duyên đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bàn máy VAM có hỗ trợ rung động trong gia công phay và đã chứng minh được hỗ trợ rung động mang lại kết quả có lợi cho gia công phay. [1] - Bên cạnh đó, một bài nghiên cứu về cơ cấu đàn hồi và các hướng ứng dụng được nhóm tác giả Nguyễn Văn Khiển, Phạm Huy Hoàng, Phạm Huy Tuân làm rõ về việc sử dụng cơ cấu đàn hồi tạo chuyển động với biên độ nhỏ cỡ micromet để tạo ra các cơ cấu chuyển động chính xác cũng như phân tích chuyên sâu hơn về loại khớp mềm đàn hồi này. [2] - Hiện tại trên thực tế, việc nghiên cứu và áp dụng cơ cấu rung động trên các máy công cụ với việc thay đổi các loại vật liệu khác nhau cũng như khảo sát độ cứng vững của cơ cấu vẫn còn chưa được phát triển và phổ biến nhằm nâng cao chất lượng gia công.
- Khớp mềm đàn hồi đã được ứng dụng và phổ biến khá rộng rãi trong công nghiệp gia công ở một số nước. Bên cạnh đó, họ còn nghiên cứu để phát triển các loại khớp mềm với việc sử dụng các loại vật liệu có độ đàn hồi cao như là nhựa, nhôm,… - Năm 1952, PZT được sản xuất bởi Viện Công nghệ Tokyo. Đặt vấn đề - Các phương pháp in 3D phổ biến cho ra sản phẩm có tính chất cơ học thấp. Khi in 3D không có hỗ trợ rung động sẽ làm cho sản phẩm lấp đầy với mức độ thưa, không có độ dày.
Nó dẫn đến các sản phẩm bên trong không được chắc chắn, dễ bị tổn thương và hỏng hóc. 1(a) In 3D có hỗ trợ rung động (b) In 3D thông thường. Tính cấp thiết của đề tài - Đối với thời đại công nghiệp hóa, tự động hóa hiện nay, việc nâng cao chất lượng sản phẩm của ngành sản xuất là ưu tiên hàng đầu. Trong lĩnh vực gia công nhựa, các nhà sản xuất luôn mong muốn sản phẩm được tạo ra khi đến tay người tiêu dùng với chất lượng tốt nhất.
Vì vậy, các nhà sản xuất và các kỹ sư chuyên nghiệp luôn nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ mới vào máy móc để nâng cao chất lượng sản phẩm nói chung và độ tin cậy nói riêng. Ngoài ra còn có nhiều cách như cải tiến phần mềm, các kỹ sư chuyên gia bổ sung thêm các tính năng mới giúp can thiệp vào quá trình xử lý bề mặt,. Đặc biệt, việc sử dụng công nghệ hỗ trợ rung để ứng dụng kết cấu đàn hồi đã được đưa vào nghiên cứu, đặc biệt là in 3D có hỗ trợ rung. Vì vậy, nhóm chúng tôi 2 được sự hướng dẫn của GS Phạm Huy Tuấn, người đang nghiên cứu và phát triển cấu trúc này thông qua việc chế tạo bàn máy hỗ trợ rung trong in 3D.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Với các nghiên cứu trong và ngoài nước, những ưu điểm đáng kể của phương pháp in 3D với sự hỗ trợ của rung động như: Tăng chất lượng sản phẩm. - Giảm thiếu li cũng như các vết nứt trong in ấn - Tránh lãng phí nguyên liệu đầu vào - Tăng độ cứng của sản phẩm - Tăng độ tin cậy của sản phẩm. Vấn đề nghiên cứu - Thiết kế và tối ưu hóa kích thước thiết kế của các khớp mềm đàn hồi như khớp mềm kiểu bán nguyệt rỗng,. - Chọn ra những biến không thể đoán trước được, từ đó có thể kết luận ra được những biến nào có khả năng ảnh hưởng đến độ bền kéo của sản phẩm - So sánh độ bền kéo của hai mẫu thử với việc in 3D kết hợp cơ cấu rung động và không có cơ cấu rung động, từ đó kết luận việc hỗ trợ rung động có mang lại hiệu quả trong công nghệ in 3D hay không.
Phương pháp nghiên cứu a. Thu thập tài liệu - Thu thập, phân tích tài liệu của nhóm trước và các tài liệu có liên quan đến hỗ trợ rung động, piezo, các khớp mềm đàn hồi,…dựa vào các kết quả của hỗ trợ dao động gia công phay để rút kinh nghiệm. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Dựa vào kết quả thực nghiệm của gia công phay có hỗ trợ rung động, nhóm chúng em đã có thêm kinh nghiệm và có thể tóm gọn các số liệu để cho ra những yếu tố có ảnh hưởng đến cơ cấu rung. Từ đó chúng em có thể dự đoán được xu hướng ảnh hưởng tới độ bền của sản phẩm và thay đổi có hiệu quả.
- Cùng với việc tối ưu hóa vật liệu và trọng lượng bàn in bằng phần mềm INVENTOR, còn sử dụng phần mềm ANSYS WORKBENCH để phân tích quá trình chuyển vị, lực đẩy, độ bền và tần số rung của PIEZO 2.55 - 10 ảnh hưởng đến bàn VAP. Bên cạnh đó, nhóm của chúng em đã nảy ra ý tưởng thiết kế khung máy in 3D bằng phần mềm SOLIDWORKS để có thể đặt bàn trên đó. Sau khi bảng được cài đặt hoàn chỉnh, nhóm của chúng em sẽ tiến hành in nguyên mẫu D638 bằng cách thiết lập các tham số thông qua phần mềm SIMPLIFY 3D.1 Khớp mềm đàn hồi Các khớp mềm đàn hồi là một dạng cấu trúc nguyên khối gắn liền, có thể là dạng một mảnh hoặc hai mảnh. Người ta thường sử dụng khớp mềm đàn hồi vì các cơ chế của nó khác với các cơ chế thông thường.
Những thiết bị cổ điển sẽ dùng các mối nối để ghép lại với nhau, đồng thời có thể chuyển động các bộ phận một cách linh hoạt. Nhược điểm của nó là nhanh hao mòn và cần phải bảo trì hoặc thay thế vì nó là các bộ phận lắp ghép với nhau nên sẽ sinh ra ma sát, đồng thời nếu chuyển động với cường độ nhiều sẽ dễ làm lỏng các khớp nối với nhau. Còn khớp mềm đàn hồi thì đơn giản hơn, loại này thì không cần lắp ráp. Các bộ phần liền kề nhau nên không bị hao mòn cũng như là phải bảo trì.
Vì khớp mềm là dạng nguyên khối nên chế tạo đơn giản nhưng bù lại chi phí sản xuất có thể cao hơn so với các khớp nối thông thường. Nhược điểm của khớp mềm là giới hạn phạm vi chuyển động vì các khớp nối gắn liền với nhau nên biên dạng chuyển động cũng hạn chế. Chính vì vậy mà các nhà nghiên cứu thường sử dụng khớp mềm đàn hồi cho các chuyển động với quy mô nhỏ, cụ thể là với kích thước vi mô cỡ micro hoặc nano. Các khớp mềm có thể được gia công dạng đơn mảnh như gia công bằng máy cắt dây, máy bắn điện.
2: Các loại khớp mềm cơ bản (a) Semicircle, (b) ElipParabol, (c) Fillet, (d) Parabolic (e) Hyperbol, (f) Curve cycloid, (g) Spline, (h) Semicircle combine fillet. 3: Khớp mềm đàn hồi [5] 1.2 Khớp mềm đàn hồi có nhiều ưu điểm: 1. Số lượng bộ phận được giảm bằng cách có các bộ phận linh hoạt thay vì lò xo và bản lề. Giảm giá vì ít bộ phận hơn.
Chuyển động chính xác lên đến đơn vị micromet, phù hợp với rung động hỗ trợ. Không cần sử dụng thêm chất bôi trơn trong quá trình di chuyển. Có tính di động vì trọng lượng nhẹ do thiết kế đơn giản hơn.3 Nghiên cứu dao động hỗ trợ Trong VAP, các dao động nhỏ được sử dụng để cải thiện chất lượng sản phẩm bằng các thiết bị Piezo. Do đó, rung động được tạo ra theo một hoặc hai hướng trên bàn VAP để sợi nhựa có thể len lỏi và lấp đầy các khoảng trống trong khi tạo ra một sản phẩm.
Độ rung được lựa chọn dựa trên quy trình in 3D của nó. 4: (a) In 3D không có hỗ tr ợ rung động (b) In 3D có hỗ trợ rung động 1.4 Ứng dụng của khớp mềm đàn hồi trong in 3D Đảm bảo rằng sự truyền động tốc độ cao phù hợp tốt trong việc nghiên cứu ứng dụng trong nhiều phương pháp gia công, và việc ứng dụng khớp mềm đàn hồi trong in 3D, đặc biệt là VAP trong phạm vi micro-met sẽ cải thiện chất lượng bề mặt sản phẩm, tăng tính cơ học của sản phẩm đặc tính và giảm nguyên liệu đầu vào. 5: Ứng dụng khớp mềm đàn hồi trong các sản phẩm MEMS [6] 1.5 Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro-met Nguyên lý hoạt động của cấu trúc truyền động với độ phân giải micromet được sử dụng vật liệu rắn, không quá cứng cũng không quá mềm, đảm bảo độ đàn hồi cho cấu trúc truyền động phù hợp. Một cơ chế truyền động của PZT bao gồm một hoặc hai piezo để kích dòng rung, phần dẫn, phần bị dẫn và thiết bị khuếch đại vi sai.
Các cấu trúc như thế này rất phù hợp để sử dụng trong các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao và đảm bảo sự ổn định lâu dài. 6: Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro-met [7] 8 1.6 Thiết bị truyền động PZT 1.1 Cấu trúc PZT Hình 1. 7: Cấu tạo của PZT. Thân PZT, bao gồm: 1a: đế với mặt phẳng siết (wrench flat) 1b: vỏ thép không gỉ.
Đầu vặn và lỗ ren M8 bên trong. Lối ra cáp cho điện áp PZT. Dây nối đất. [8] Đặc điểm kĩ thuật của P-225.10: • Độ cứng rất cao.
• Lực đẩy đạt được 12500 N. • Lực kéo đạt được 2000 N. • Phạm vi truyền động 120. 1: Bảng thông số Piezo.2 Bản vẽ Hình 1.
8: Bản vẽ Piezo [9] Bảng 2. 2: Thông số Piezo [9] L [mm] A [mm] A [mm] SW 55 39,8 16 13 [1] P-225.3 Tính chất của PZT Động cơ Piezo được cấu tạo bởi hai phần rôto và một phần stato được ép lại với nhau. Động cơ piezo biến đổi năng lượng điện thành sóng cơ học trên stato, đẩy rôto chuyển động thẳng hoặc quay. 11 Động cơ piezo được tích hợp trong một vỏ thép không gỉ.
Nó được sử dụng phổ biến trong gia công cơ khí chính xác và tạo rung động để cải thiện hiệu suất và tăng cơ tính sản phẩm. Một lưu ý về hoạt động của PZT là thời gian sử dụng PZT không được quá lâu và nhiệt độ không quá 80°C. Vì vậy, chúng ta cần sử dụng PZT trong thời gian ngắn hoặc tạm nghỉ sau đó tiếp tục vận hành để PZT được sử dụng hiệu quả và bền vững. 9: Mô phỏng hoạt động của VAP trong in 3D.4 Chế dộ hoạt động của PZT - Có 2 chế độ hoạt động: + Chế độ cộng hưởng + Chế độ không cộng hưởng 1.