Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu và khảo sát ảnh hưởng rung động đến cơ tính của sản phẩm in 3D

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu và khảo sát ảnh hưởng rung động đến cơ tính của sản phẩm in 3d, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực

• Tác giả: Lê Phi Hồ
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Quang Khoa
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Khảo Sát Ảnh Hưởng Rung Động Đến Cơ Tính Của Sản Phẩm In 3D
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• MỞ ĐẦU. MỞ ĐẦU
• 1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Vấn đề nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4.1. Thu thập tài liệu
• 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
• 1.5. Khớp mềm đàn hồi
• 1.5.1. Khớp mềm đàn hồi có nhiều ưu điểm
• 1.6. Nghiên cứu dao động hỗ trợ
• 1.7. Ứng dụng của khớp mềm đàn hồi trong in 3D
• 1.8. Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro-met
• 1.9. Thiết bị truyền động PZT
• 1.9.1. Cấu trúc PZT
• 1.9.2. Tính chất của PZT
• 1.9.3. Chế độ hoạt động của PZT
• 1.9.3.1. Chế độ cộng hưởng
• 1.9.3.2. Chế độ không cộng hưởng
• 1.9.4. Ứng dụng của PZT
• 2. CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ IN 3D FDM
• 2.1. Ưu điểm và nhược điểm
• 2.2. Nhược điểm
• 2.3. Nguyên lý hoạt động
• 2.4. Phạm vi áp dụng
• 2.5. Chọn loại vật liệu nhựa
• 3. CHƯƠNG III: TỐI ƯU, PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG BÀN IN VAP
• 3.1. Nguyên lý hoạt động của bàn in VAP
• 3.2. Tối ưu hoá bàn in VAP
• 3.3. Phân tích cấu trúc tĩnh
• 4. CHƯƠNG IV: LẮP RÁP, THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
• 4.1. Thiết kế khung máy in 3D
• 4.2. Lắp ráp bàn in 3D
• 4.3. Gá đặt thí nghiệm
• 4.4. Lắp đặt PZT
• 4.5. Mục đích thí nghiệm
• 4.6. Các thông số ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt
• 4.7. Thiết kế và bố trí thí nghiệm
• 4.7.1. Thí nghiệm in 3D
• 4.7.2. Thí nghiệm đo độ bền kéo
• 4.8. Đánh giá kết quả thực nghiệm
• 4.9. Xử lý số liệu
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng của rung động đến cơ tính sản phẩm in 3D

Nghiên cứu về rung động trong in 3D đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ chế tạo hiện đại. Việc áp dụng rung động vào quy trình in 3D không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm in 3D mà còn nâng cao độ bền và tính cơ học của sản phẩm. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng rung động có thể lấp đầy các khoảng trống trong cấu trúc sản phẩm, từ đó tạo ra những sản phẩm có độ bền cao hơn.

1.1. Tình hình nghiên cứu rung động trong in 3D

Nghiên cứu về ảnh hưởng của rung động đã được thực hiện ở nhiều quốc gia, với các kết quả cho thấy rằng việc tích hợp rung động vào quy trình in 3D có thể cải thiện đáng kể cơ tính sản phẩm in 3D. Các nghiên cứu này đã chỉ ra rằng rung động giúp tăng cường độ bám dính giữa các lớp vật liệu.

1.2. Tính cấp thiết của nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện nay, việc nâng cao chất lượng sản phẩm in 3D là rất cần thiết. Các nhà sản xuất đang tìm kiếm những giải pháp mới để cải thiện độ bền và tính năng của sản phẩm, và rung động được xem là một trong những công nghệ tiềm năng.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu rung động

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc áp dụng rung động trong in 3D cũng gặp phải một số thách thức. Các sản phẩm in 3D không có hỗ trợ rung động thường có cơ tính kém và dễ bị hỏng. Điều này đặt ra yêu cầu cho các nhà nghiên cứu phải tìm ra các phương pháp tối ưu để áp dụng rung động một cách hiệu quả.

2.1. Các vấn đề trong quy trình in 3D

Khi không có hỗ trợ rung động, sản phẩm in 3D thường gặp phải tình trạng lấp đầy không đồng đều, dẫn đến chất lượng sản phẩm in 3D thấp. Các vấn đề này cần được giải quyết để đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng cao.

2.2. Thách thức trong việc áp dụng công nghệ rung động

Việc tích hợp công nghệ rung động vào quy trình in 3D đòi hỏi phải có thiết bị và kỹ thuật phù hợp. Các nhà nghiên cứu cần phải khảo sát và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính sản phẩm in 3D để tối ưu hóa quy trình.

III. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của rung động

Để nghiên cứu ảnh hưởng của rung động đến cơ tính sản phẩm in 3D, nhóm nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau. Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá sự thay đổi trong cơ tính của sản phẩm khi có và không có hỗ trợ rung động.

3.1. Phương pháp thực nghiệm

Các thí nghiệm được thiết kế để so sánh độ bền kéo của sản phẩm in 3D có hỗ trợ rung động và không có hỗ trợ rung động. Kết quả cho thấy rằng sản phẩm có hỗ trợ rung động có độ bền cao hơn đáng kể.

3.2. Phân tích số liệu

Số liệu thu thập từ các thí nghiệm được phân tích để xác định mối quan hệ giữa rung động và cơ tính sản phẩm in 3D. Phân tích này giúp xác định các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng rung động trong in 3D không chỉ cải thiện chất lượng sản phẩm in 3D mà còn giảm thiểu lãng phí nguyên liệu. Các sản phẩm in 3D có hỗ trợ rung động cho thấy độ bền và tính cơ học tốt hơn.

4.1. Đánh giá kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng sản phẩm in 3D có hỗ trợ rung động có độ bền kéo cao hơn so với sản phẩm không có hỗ trợ. Điều này chứng tỏ rằng rung động có ảnh hưởng tích cực đến cơ tính sản phẩm in 3D.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp

Công nghệ in 3D có hỗ trợ rung động đang được áp dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ sản xuất linh kiện điện tử đến chế tạo máy móc. Việc cải thiện chất lượng sản phẩm in 3D sẽ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất.

V. Kết luận và triển vọng tương lai

Nghiên cứu về ảnh hưởng của rung động đến cơ tính sản phẩm in 3D đã mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp chế tạo. Việc áp dụng công nghệ rung động không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn tạo ra những sản phẩm có tính năng vượt trội.

5.1. Kết luận nghiên cứu

Nghiên cứu đã chứng minh rằng rung động có thể cải thiện đáng kể cơ tính sản phẩm in 3D. Các kết quả thu được sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.

5.2. Triển vọng phát triển công nghệ

Trong tương lai, việc phát triển công nghệ in 3D có hỗ trợ rung động sẽ tiếp tục được nghiên cứu và cải tiến. Điều này sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Báo Cáo Nghiên Cứu: Ảnh Hưởng Của Rung Động Đến Cơ Tính Sản Phẩm In 3D (VAP)

---

Tóm tắt nghiên cứu (Research Summary)

• Câu hỏi nghiên cứu cốt lõi (Core Research Question): Việc tích hợp dao động vi mô tần số cao thông qua cơ cấu khớp mềm đàn hồi và bộ truyền động áp điện PZT (Piezoelectric Actuator) vào bàn in có giúp khắc phục nhược điểm rỗng xốp cục bộ và gia tăng độ bền cơ học của chi tiết in 3D công nghệ FDM hay không?
• Tổng quan phương pháp (Methodology Snapshot): Đề tài kết hợp mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng. Nhóm tác giả thiết kế cấu trúc bàn in hỗ trợ rung động (Vibration-Assisted Printing - VAP) bằng hợp kim nhôm Al7075-T6, tối ưu hóa hình học trên SOLIDWORKS và ANSYS Workbench (phân tích tĩnh cấu trúc, phân tích dao động riêng Modal Analysis). Sau đó, tiến hành gia công lắp ráp thực tế với bộ kích rung PZT P-225.10, in mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn ASTM D638 Type V bằng vật liệu nhựa PLA và đo kiểm độ bền kéo trên máy kéo nén vạn năng Testometric.
• Phát hiện then chốt (Key Findings): Sự hỗ trợ của rung động vi mô giúp dòng nhựa nóng chảy lấp đầy các khe hở tế vi giữa các lớp in và đường in liền kề, cải thiện mật độ đắp và nâng cao đáng kể giới hạn bền kéo cùng độ hoàn thiện bề mặt so với công nghệ in FDM truyền thống.
• Hàm ý thực tiễn (Implications): Khẳng định tính khả thi của công nghệ VAP trong việc nâng tầm chất lượng cơ tính cho các sản phẩm chế tạo đắp lớp giá rẻ, mở ra hướng ứng dụng sản xuất linh kiện chức năng chịu lực trong công nghiệp.

---

Bối cảnh và tầm quan trọng (Context & Significance)

1. Hiện trạng công nghệ chế tạo đắp lớp FDM

Công nghệ in 3D lắng đọng sợi nhựa nóng chảy (Fused Deposition Modeling - FDM) hiện là một trong những phương pháp gia công đắp lớp phổ biến nhất nhờ chi phí đầu tư thấp, khả năng tạo hình linh hoạt và tương thích với nhiều loại vật liệu nhiệt dẻo như PLA, ABS, TPU. Tuy nhiên, nhược điểm chí mạng của FDM truyền thống nằm ở cơ chế liên kết lớp: dòng nhựa sau khi đùn ra nguội nhanh dẫn đến hiện tượng bám dính liên kết lớp (interlayer adhesion) kém, tạo ra nhiều khoảng rỗng (air voids) bên trong cấu trúc. Điều này làm cho sản phẩm có tính dị hướng cao, giòn, độ bền kéo thấp và dễ nứt gãy dọc theo thớ in khi chịu tải trọng.

2. Khoảng trống nghiên cứu (Research Gap)

Mặc dù công nghệ gia công cơ khí có hỗ trợ rung động (Vibration-Assisted Machining - VAM) đã chứng minh được hiệu quả vượt trội trong phay, tiện và khoan siêu chính xác, việc ứng dụng dao động vi mô vào in 3D (Vibration-Assisted Printing - VAP) vẫn còn là một hướng đi mới mẻ. Đa phần các nghiên cứu trước đây chỉ can thiệp bằng thông số phần mềm (nhiệt độ, tốc độ đùn, chiều dày lớp) hoặc xử lý nhiệt sau in, vốn tốn kém thời gian và dễ làm biến dạng kích thước hình học chi tiết.

3. Tính cấp thiết và tác động kỳ vọng

Đề tài mã số SV2022-179 do nhóm sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Quang Khoa đóng vai trò đón đầu xu hướng kỹ thuật. Nghiên cứu giải quyết bài toán cốt lõi: nâng cao cơ tính sản phẩm trực tiếp trong quá trình in mà không làm tăng đáng kể giá thành thiết bị, tạo tiền đề nâng cao độ tin cậy của sản phẩm in 3D khi đưa vào các ứng dụng thực tế.

---

Phương pháp luận và cách tiếp cận (Methodology & Approach)

[Thiết kế CAD & Tối ưu khớp mềm Al7075] 
                   ↓
[Mô phỏng FEM (ANSYS Workbench: Tĩnh & Modal)] 
                   ↓
[Chế tạo & Tích hợp PZT P-225.10 vào Bàn in VAP] 
                   ↓
[In mẫu thử ASTM D638 Type V (Vật liệu PLA)] 
                   ↓
[Thử nghiệm cơ tính trên máy kéo nén Testometric]

1. Thiết kế và tối ưu hóa cấu trúc bàn in VAP

• Cơ cấu khớp mềm đàn hồi (Compliant Mechanisms): Lựa chọn dạng cấu trúc nguyên khối không khe hở bản lề, loại bỏ hoàn toàn ma sát và mài mòn, cho phép dẫn động với độ phân giải vi mô (micromet).
• Vật liệu chế tạo bàn in: Sử dụng hợp kim nhôm Al7075-T6 có giới hạn chảy cao ($\sigma_y = 503\text{ MPa}$), khối lượng riêng nhẹ và độ đàn hồi tốt.
• Mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM): Thực hiện trên ANSYS Workbench 2020 R1:
  • Phân tích tĩnh (Static Structural): Xác định ứng suất tương đương cực đại đạt $83.67\text{ MPa}$ (nhỏ hơn nhiều so với giới hạn bền $503\text{ MPa}$ của Al7075-T6), độ biến dạng tối đa đạt $0.082\text{ mm}$, đảm bảo bàn in hoạt động an toàn trong miền đàn hồi.
  • Phân tích dao động riêng (Modal Analysis): Tần số tự nhiên bậc 1 của hệ thống đạt $580.99\text{ Hz}$, đảm bảo độ cứng vững và tránh hiện tượng cộng hưởng phá hủy không mong muốn.

2. Thiết lập hệ thống thực nghiệm

• Bộ kích rung áp điện (Piezo Stack Actuator): Sử dụng model P-225.10 có khả năng tạo chuyển vị vi mô lên đến $15\ \mu\text{m}$, lực đẩy tối đa $12500\text{ N}$, tích hợp đầu tiếp xúc bi (ball tip) truyền lực chính xác vào bàn in.
• Máy in 3D và vật liệu: Máy in FDM chuẩn công nghiệp thu nhỏ, đầu phun di chuyển 2 trục X-Y, bàn in nâng hạ trục Z. Vật liệu in là sợi nhựa PLA đường kính $1.75\text{ mm}$, nhiệt độ đùn $180 - 230^\circ\text{C}$, tốc độ in $50 - 100\text{ mm/s}$.
• Quy chuẩn mẫu thử: Thiết kế và in mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn quốc tế ASTM D638 Type V thông qua phần mềm cắt lớp Simplify3D.
• Đo kiểm cơ tính: Thử nghiệm kéo đứt trên máy đo độ bền kéo vạn năng Testometric, thu thập các thông số về giới hạn bền kéo, độ dãn dài và mô đun đàn hồi.

---

Phát hiện nghiên cứu chính (Major Findings)

1. Giảm thiểu khoảng rỗng tế vi và gia tăng mật độ đắp

Dưới tác động của dao động tần số cao và biên độ micromet từ bộ truyền động PZT, dòng nhựa PLA lỏng nhớt khi vừa rời khỏi đầu đùn được kích thích rung động cưỡng bức. Hiệu ứng cơ học này tạo ra áp lực dao động vi mô giúp sợi nhựa lấp đầy các rãnh tam giác giữa các đường in liền kề và các lớp đắp kế tiếp, giảm đáng kể độ xốp thể tích của phôi in.

2. Cải thiện vượt bậc độ bền kéo (Tensile Strength)

So sánh đối chứng giữa mẫu in thông thường và mẫu in có hỗ trợ rung động (VAP) cho thấy:

• Mẫu in VAP đạt giới hạn bền kéo cao hơn rõ rệt ở cùng một chế độ thông số in (chiều dày lớp, mật độ điền đầy, nhiệt độ đầu phun).
• Mức độ gắn kết phân tử giữa các lớp in tăng lên, biến cấu trúc lớp phân mảnh thành một khối đồng nhất hơn, chuyển cơ chế phá hủy từ trượt tách lớp giòn (interlayer delamination) sang phá hủy dẻo dọc thân mẫu.

3. Tối ưu hóa tương quan giữa chiều dày lớp và tần số rung

• Ảnh hưởng của chiều dày lớp (Layer Height): Chiều dày lớp in càng mỏng kết hợp với dao động vi mô càng mang lại mật độ nén ép nhựa tối ưu.
• Ảnh hưởng của tần số và biên độ dao động: Tồn tại vùng làm việc tối ưu của PZT; khi tần số rung tiến gần đến vùng cộng hưởng thích hợp, hiệu quả điền đầy đạt cực đại mà không làm mất ổn định quỹ đạo di chuyển của đầu in.

4. Nâng cao chất lượng thẩm mỹ bề mặt

Biên dạng ngoài của sản phẩm in VAP có độ nhám bề mặt thấp hơn, các vân sọc đặc trưng của in FDM (stair-stepping effect) mờ đi rõ rệt nhờ sự phân bổ đều của vật liệu dẻo dưới tác động rung động đều đặn.

---

Đóng góp khoa học và giá trị thực tiễn (Contributions & Applications)

                       CÁC ĐÓNG GÓP CỐT LÕI
[VỀ MẶT HỌC THUẬT]           [CÔNG NGHỆ & THIẾT KẾ]       [ỨNG DỤNG CÔNG NGHIỆP]
Hệ thống hóa lý thuyết       Thiết kế thành công bàn      Chế tạo linh kiện cơ khí
khớp mềm & PZT trong FDM     in VAP Al7075 tối ưu FEM     chịu lực, chi phí thấp

1. Đóng góp về mặt lý thuyết và học thuật

• Mở rộng cơ sở lý thuyết về việc áp dụng sóng cơ học và dao động vi mô vào lĩnh vực gia công vật liệu polyme đắp lớp (Additive Manufacturing).
• Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về ứng xử cơ tính của nhựa PLA dưới tác động rung động tần số cao, làm tài liệu tham khảo giá trị cho các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo.

2. Cải tiến kỹ thuật và phương pháp thiết kế

• Đề xuất thành công quy trình khép kín từ thiết kế mô hình hóa 3D, phân tích phần tử hữu hạn (FEM - ANSYS) cấu trúc tĩnh và động, đến tối ưu hóa hình học khớp mềm đàn hồi không ma sát.
• Giải quyết triệt để bài toán tích hợp cơ cấu truyền động vi sai PZT P-225.10 vào khung máy in 3D FDM mà vẫn đảm bảo độ cứng vững, khả năng tản nhiệt và an toàn kết cấu.

3. Ứng dụng thực tiễn trong sản xuất

• Mở ra phương án nâng cấp trực tiếp các dòng máy in 3D FDM thương mại thành các hệ thống in chất lượng cao phục vụ chế tạo chi tiết mẫu chức năng (functional prototypes), vỏ thiết bị kỹ thuật, đồ gá chuyên dụng và sản phẩm y sinh mà không cần chuyển đổi sang các công nghệ đắt đỏ như SLS hay SLA.

---

Đối tượng hưởng lợi và quan tâm (Target Audience)

• Giới nghiên cứu học thuật (Academic Researchers): Các nhà khoa học, giảng viên và sinh viên ngành Cơ kỹ thuật, Cơ điện tử, Công nghệ Chế tạo máy quan tâm đến cơ cấu đàn hồi vi mô, vật liệu thông minh áp điện PZT và công nghệ chế tạo đắp lớp tiên tiến.
• Kỹ sư và doanh nghiệp chế tạo mẫu (Industry Professionals): Các trung tâm R&D, xưởng sản xuất khuôn mẫu và công ty in 3D đang tìm kiếm giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao cơ tính, khắc phục hiện tượng nứt tách lớp sản phẩm nhựa FDM với chi phí đầu tư hợp lý.
• Cộng đồng Maker và kỹ thuật viên in 3D: Những người trực tiếp vận hành máy in mong muốn cải tiến phần cứng máy in tự chế (RepRap, CoreXY) để đạt chất lượng sản phẩm tiệm cận tiêu chuẩn công nghiệp.

---

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Phát hiện quan trọng nhất của nghiên cứu này là gì?

Nghiên cứu chứng minh rằng việc áp dụng rung động vi mô thông qua bộ truyền động PZT và bàn in khớp mềm đàn hồi (VAP) giúp lấp đầy các khoảng trống tế vi giữa các lớp in, làm tăng mật độ đắp và nâng cao đáng kể giới hạn bền kéo của sản phẩm in 3D FDM bằng nhựa PLA.

2. Điểm đặc biệt trong phương pháp nghiên cứu của đề tài là gì?

Điểm đột phá là việc kết hợp mô phỏng số chuyên sâu (ANSYS Static Structural & Modal Analysis) trên vật liệu nhôm Al7075-T6 với thiết kế cơ cấu khớp mềm nguyên khối, giúp truyền tải chính xác dao động biên độ nhỏ cỡ micromet mà không làm phát sinh ma sát hay rung lắc phá hủy khung máy.

3. Kết quả của nghiên cứu có thể tổng quát hóa (generalize) cho các vật liệu khác không?

Có. Mặc dù thực nghiệm tập trung vào nhựa PLA $1.75\text{ mm}$, nguyên lý hỗ trợ rung động VAP hoàn toàn có thể áp dụng cho các loại nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật khác như ABS, PETG, TPU, Nylon hoặc thậm chí là vật liệu composite gia cường sợi carbon.

4. Đâu là bước phát triển tiếp theo của hướng nghiên cứu này?

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào: (1) Tích hợp mạch điều khiển tự động điều chỉnh tần số theo thời gian thực (Closed-loop frequency tuning); (2) Khảo sát tác động dao động đồng thời trên cả 2 trục X-Y hoặc trực tiếp tại cụm đầu đùn; (3) Đánh giá chi tiết hơn về độ bền va đập và độ bền mỏi (fatigue life).

5. Khớp mềm đàn hồi mang lại lợi thế gì so với khớp trượt truyền thống?

Khớp mềm là dạng kết cấu nguyên khối, không sử dụng bạc đạn hay lò xo lắp ghép nên hoàn toàn không có khe hở, không ma sát, không cần bôi trơn, không bị mài mòn và có khả năng định vị chính xác tuyệt đối ở cấp độ micromet.

---

Kết luận (Conclusion)

Công trình nghiên cứu khoa học "Nghiên cứu và khảo sát ảnh hưởng rung động đến cơ tính của sản phẩm in 3D" (Mã số: SV2022-179) đã khẳng định một cách thuyết phục hiệu quả của công nghệ in 3D có hỗ trợ rung động (VAP). Bằng cách kết hợp linh hoạt giữa cơ cấu khớp mềm đàn hồi Al7075-T6, bộ truyền động áp điện PZT P-225.10 và quy trình mô phỏng - thực nghiệm chuẩn mực, đề tài đã mở ra một hướng tiếp cận kỹ thuật sáng tạo, giúp giải quyết triệt để bài toán suy giảm cơ tính cố hữu của công nghệ FDM. Đây chính là tiền đề quan trọng thúc đẩy sự phát triển của các hệ thống in 3D thế hệ mới, đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe của nền sản xuất thông minh hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.