Study of the infill ratios effect on mechanica properties and ability to create a mold shell of casst able wax in 3d printing technology for investment casting

Tài liệu nghiên cứu Study of the infill ratios effect on mechanica properties and ability to create a mold shell of, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu

• Tác giả: Nguyen Thanh Phuc
• Người hướng dẫn: M.E Nguyen Thanh Tan
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering Technology
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Tỷ Lệ Lấp Đầy Đến Tính Chất Cơ Học Và Khả Năng Tạo Vỏ Khuôn Sáp Đúc Trong Công Nghệ In 3D
• Loại tài liệu: Graduation Project
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• DISCLAIMER
• ACKNOWLEDGEMENTS
• ABSTRACT
• TÓM TẮT
• TABLE OF CONTENTS
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. General introduction of investment casting and 3D printing technology
• 2. CHAPTER 2: THEORETICAL BASIS
• 2.1. Defects of investment casting
• 2.2. Advantages and disadvantages
• 2.3. Three-dimensional printing technology
• 2.4. General process and classification
• 2.5. Application of SLA based 3D printing in investment casting
• 2.6. Introduction about “infill”
• 3. CHAPTER 3: MATERIALS AND METHODS
• 3.1. Castable wax resin
• 3.2. Preparation of shell mold
• 3.3. Evaluation Mechanical Properties
• 3.4. Surface roughness measurement
• 3.5. Metallography Specimen Preparation and Microscopic Examination
• 4. CHAPTER 4: EXPERIMENT RESULTS AND DISCUSSION
• 4.1. Effect of infill ratio on the mass of 3D printed part
• 4.2. Effect of infill ratio on dimensional accuracy of 3D printed part
• 4.3. Effect of infill ratio on mechanical properties of Castable Wax material
• 4.4. Effect of infill ratio on the ability to create mold shell
• 4.5. Effect of temperature heating for the mold shell on the dimension of casted part
• 4.6. Effect of temperature heating for the mold shell on the surface roughness of casted part
• 4.7. Effect of temperature heating for the mold shell on the microstructures of casted part
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF KEYWORDS
• LIST OF FORMULAS

Tóm tắt

I. Tổng Quan Công Nghệ In 3D và Đúc Sáp Giới Thiệu Chung

Công nghệ đúc mẫu chảy, hay còn gọi là đúc sáp, là quy trình sản xuất được sử dụng rộng rãi, nổi tiếng với khả năng tạo ra các chi tiết kim loại phức tạp với độ chính xác và độ hoàn thiện bề mặt cao. Trong những năm gần đây, đúc mẫu chảy đã chứng kiến những tiến bộ vượt bậc về công nghệ, vật liệu và tối ưu hóa quy trình nhằm nâng cao hiệu quả và độ chính xác. Ngành công nghiệp này cũng đã chứng kiến những tiến bộ trong vật liệu khuôn, bao gồm việc sử dụng gốm sứ tiên tiến và vật liệu chịu lửa, mang lại sự ổn định nhiệt được cải thiện, độ hoàn thiện bề mặt tốt hơn và độ chính xác kích thước được nâng cao. Hơn nữa, việc ứng dụng tự động hóa và robot trong quy trình xây dựng vỏ đã tăng lên, giúp tăng hiệu quả và tính nhất quán. Tuy nhiên, một số thách thức quan trọng phải đối mặt trong đúc mẫu chảy hiện nay bao gồm độ phức tạp trong thiết kế, độ chính xác kích thước, độ xốp và khuyết tật, lựa chọn vật liệu, thời gian sản xuất và chi phí. Công nghệ in 3D hay còn gọi là sản xuất đắp lớp, nổi lên như một công nghệ đột phá, tạo ra cuộc cách mạng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Nó cho phép tạo ra các vật thể ba chiều trực tiếp từ thiết kế kỹ thuật số, từng lớp một, mang lại sự linh hoạt và tùy biến chưa từng có trong quy trình sản xuất.

1.1. Ưu điểm và Nhược điểm của Quy trình Đúc Sáp Truyền Thống

Đúc sáp mang lại độ chính xác cao và độ hoàn thiện bề mặt tốt. Tuy nhiên, quy trình tốn thời gian và chi phí cao cho các mẫu phức tạp. Khả năng tạo hình phức tạp là một lợi thế lớn. Mặt khác, rủi ro về khuyết tật và giới hạn về vật liệu là những hạn chế đáng kể. Giải pháp hiện đại là kết hợp với công nghệ in 3D để giảm chi phí và thời gian.

1.2. Vai trò của In 3D trong Cải tiến Quy trình Đúc Mẫu Chảy

Việc tích hợp kỹ thuật in 3D đã cách mạng hóa việc sản xuất các mẫu sáp, cho phép tạo mẫu nhanh, linh hoạt trong thiết kế và giảm thời gian sản xuất. Các công cụ thiết kế và mô phỏng hỗ trợ bằng máy tính (CAD) đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa thiết kế chi tiết, dự đoán khuyết tật và cải thiện chất lượng đúc tổng thể. Một trong những công nghệ đó là in Stereolithography (SLA), cho phép tạo ra các mẫu và khuôn phức tạp trực tiếp từ thiết kế kỹ thuật số. Bằng cách kết hợp độ chính xác và tính linh hoạt của in SLA với quy trình đúc sáp truyền thống, có thể cải thiện quy trình sản xuất, giảm chi phí và đẩy nhanh quá trình sản xuất các thành phần kim loại chất lượng cao.

II. Tỷ Lệ Lấp Đầy In 3D Yếu Tố Quyết Định Tính Chất Cơ Học

Trong kỹ thuật in 3D, tỷ lệ lấp đầy (infill ratio) là một thông số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ học và khối lượng của vật thể được in. Tỷ lệ lấp đầy in 3D thể hiện mật độ vật liệu bên trong một chi tiết in. Tỷ lệ lấp đầy cao hơn đồng nghĩa với việc có nhiều vật liệu hơn bên trong chi tiết, dẫn đến độ bền và độ cứng cao hơn. Ngược lại, tỷ lệ lấp đầy thấp hơn giúp tiết kiệm vật liệu và giảm thời gian in, nhưng có thể làm giảm độ bền của chi tiết. Việc lựa chọn tỷ lệ lấp đầy phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể của chi tiết và các yêu cầu về tính chất cơ học.

2.1. Ảnh hưởng của Tỷ lệ Lấp đầy Đến Độ Bền Vật Liệu In 3D

Độ bền vật liệu in 3D chịu ảnh hưởng lớn bởi tỷ lệ lấp đầy. Tỷ lệ lấp đầy cao thường đi kèm với độ bền kéo, độ bền uốn và độ bền nén cao hơn. Tuy nhiên, việc tăng tỷ lệ lấp đầy cũng làm tăng trọng lượng và thời gian in. Do đó, cần tìm ra sự cân bằng tối ưu giữa độ bền và các yếu tố khác.

2.2. So sánh Các Loại Kết Cấu Lấp Đầy In 3D Phổ Biến

Có nhiều loại kết cấu lấp đầy in 3D khác nhau như hình tổ ong, hình tam giác, hình lưới và hình zig-zag. Mỗi loại kết cấu lấp đầy có ưu và nhược điểm riêng về độ bền, trọng lượng và thời gian in. Hình tổ ong thường được sử dụng vì tỷ lệ độ bền trên trọng lượng tốt. Hình tam giác và hình lưới cung cấp độ bền cao hơn nhưng có thể tốn nhiều thời gian in hơn.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Tối Ưu Tỷ Lệ Lấp Đầy Cho Đúc Sáp

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ lấp đầy đến tính chất cơ học vật liệu in 3D và khả năng tạo vỏ khuôn sáp đúc. Các mẫu in 3D được tạo ra với nhiều tỷ lệ lấp đầy khác nhau, sau đó được kiểm tra độ bền kéo, độ bền uốn và độ cứng. Đồng thời, các mẫu này cũng được sử dụng để tạo vỏ khuôn sáp đúc và đánh giá chất lượng của vỏ khuôn, bao gồm độ chính xác kích thước, độ nhám bề mặt và khả năng chịu nhiệt.

3.1. Quy trình In 3D SLA và Chuẩn bị Mẫu Thử Nghiệm

Công nghệ in 3D SLA (Stereolithography) được sử dụng để tạo ra các mẫu thử nghiệm với vật liệu sáp đúc. Các mẫu được thiết kế bằng phần mềm CAD và in với các tỷ lệ lấp đầy khác nhau. Quá trình in được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng và độ chính xác của mẫu.

3.2. Các Thử Nghiệm Cơ Học Đánh Giá Độ Bền Vật Liệu In

Các thử nghiệm cơ học, bao gồm thử nghiệm kéo, thử nghiệm uốn và thử nghiệm nén, được tiến hành để đánh giá độ bền vật liệu in 3D. Các kết quả thử nghiệm được phân tích để xác định ảnh hưởng của tỷ lệ lấp đầy đến các tính chất cơ học của vật liệu.

3.3. Đánh Giá Khả Năng Tạo Vỏ Khuôn Sáp Đúc

Các mẫu in 3D được sử dụng để tạo vỏ khuôn sáp đúc theo quy trình đúc mẫu chảy. Chất lượng của vỏ khuôn được đánh giá dựa trên độ chính xác kích thước, độ nhám bề mặt và khả năng chịu nhiệt trong quá trình đúc.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Tỷ Lệ Lấp Đầy Đến Chất Lượng Đúc

Kết quả nghiên cứu cho thấy tỷ lệ lấp đầy có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học và khả năng tạo vỏ khuôn sáp đúc. Tỷ lệ lấp đầy cao hơn thường dẫn đến độ bền cao hơn, nhưng cũng làm tăng trọng lượng và thời gian in. Ngoài ra, tỷ lệ lấp đầy cũng ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước và độ nhám bề mặt của vỏ khuôn.

4.1. Phân tích Độ Chính Xác Kích Thước Vật Liệu In 3D

Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ lấp đầy ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước vật liệu in 3D. Tỷ lệ lấp đầy quá thấp có thể dẫn đến biến dạng trong quá trình in, trong khi tỷ lệ lấp đầy quá cao có thể gây co ngót. Cần tìm ra tỷ lệ lấp đầy tối ưu để đảm bảo độ chính xác kích thước của chi tiết in.

4.2. Đánh Giá Độ Nhám Bề Mặt và Các Khuyết Tật trên Vỏ Khuôn

Độ nhám bề mặt và các khuyết tật trên vỏ khuôn có thể ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm đúc. Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ lấp đầy đến độ nhám bề mặt và sự xuất hiện của các khuyết tật trên vỏ khuôn. Mục tiêu là tìm ra tỷ lệ lấp đầy giúp tạo ra vỏ khuôn có bề mặt nhẵn mịn và ít khuyết tật nhất.

4.3. So sánh Tính Chất Cơ Lý của Vật Liệu Đúc với Tỷ Lệ Lấp Đầy Khác Nhau

Nghiên cứu so sánh tính chất cơ lý của vật liệu đúc được tạo ra từ các vỏ khuôn có tỷ lệ lấp đầy khác nhau. Các tính chất cơ lý được đánh giá bao gồm độ bền kéo, độ bền uốn và độ cứng. Kết quả so sánh giúp xác định tỷ lệ lấp đầy tối ưu để đạt được tính chất cơ lý mong muốn cho sản phẩm đúc.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Tối Ưu In 3D cho Quy Trình Đúc Sáp Công Nghiệp

Kết quả nghiên cứu này có thể được ứng dụng để tối ưu hóa quy trình in 3D cho đúc sáp trong công nghiệp. Bằng cách lựa chọn tỷ lệ lấp đầy phù hợp, có thể cải thiện chất lượng bề mặt vật liệu in 3D, độ chính xác kích thước và tính chất cơ học của sản phẩm đúc, đồng thời giảm chi phí và thời gian sản xuất. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và độ bền cao.

5.1. Hướng Dẫn Lựa Chọn Tỷ Lệ Lấp Đầy Tối Ưu cho Từng Ứng Dụng

Hướng dẫn này cung cấp các nguyên tắc lựa chọn tỷ lệ lấp đầy in 3D tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể trong quy trình đúc sáp. Các yếu tố cần xem xét bao gồm yêu cầu về độ bền, độ chính xác, chi phí và thời gian sản xuất.

5.2. Ví dụ Thực Tế về Ứng Dụng Thành Công Trong Sản Xuất

Các ví dụ thực tế về ứng dụng thành công của việc tối ưu hóa tỷ lệ lấp đầy trong sản xuất đúc sáp được trình bày. Các ví dụ này minh họa lợi ích của việc áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế, bao gồm cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và rút ngắn thời gian sản xuất.

5.3. Đề xuất Cải Tiến Quy trình Đúc Sáp dựa trên Nghiên Cứu

Nghiên cứu này đề xuất các cải tiến quy trình đúc sáp dựa trên kết quả nghiên cứu. Các đề xuất này bao gồm việc sử dụng phần mềm mô phỏng để tối ưu hóa tỷ lệ lấp đầy, tự động hóa quy trình in 3D và cải tiến quy trình kiểm tra chất lượng vỏ khuôn.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tương Lai về Vật Liệu In 3D

Nghiên cứu này đã thành công trong việc đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ lấp đầy đến tính chất cơ học và khả năng tạo vỏ khuôn sáp đúc. Kết quả nghiên cứu cung cấp thông tin hữu ích cho việc tối ưu hóa quy trình in 3D cho đúc sáp. Hướng nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu polymer in 3D mới cho đúc sáp và nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số in 3D khác đến chất lượng sản phẩm đúc.

6.1. Tóm tắt Các Kết Quả Chính và Ý Nghĩa của Nghiên Cứu

Nghiên cứu đã xác định mối quan hệ giữa tỷ lệ lấp đầy, tính chất cơ học và khả năng tạo vỏ khuôn sáp đúc. Các kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình in 3D cho đúc sáp và nâng cao chất lượng sản phẩm đúc.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo về Vật liệu Composite In 3D

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ lấp đầy và các thông số in 3D khác đến tính chất của vật liệu composite in 3D. Vật liệu composite có tiềm năng mang lại độ bền và độ cứng cao hơn so với vật liệu polymer truyền thống, mở ra cơ hội cho các ứng dụng mới trong đúc sáp.

6.3. Tiềm Năng Phát Triển Công Nghệ In 3D Sáp Đúc

Công nghệ in 3D sáp đúc có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong tương lai. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới, quy trình in mới và phần mềm thiết kế chuyên dụng sẽ giúp công nghệ này trở nên hiệu quả hơn, chính xác hơn và dễ dàng tiếp cận hơn.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đúc mẫu chảy (investment casting hay lost-wax casting) là phương pháp đúc chính xác có lịch sử lâu đời, đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo các chi tiết kim loại có hình học phức tạp, độ chính xác kích thước cao và độ nhẵn bề mặt tốt phục vụ cho các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, ô tô, y tế, năng lượng và thiết bị công nghiệp. Quy trình truyền thống đòi hỏi việc chế tạo các khuôn kim loại để ép mẫu sáp, dẫn đến chi phí đầu tư ban đầu cao và thời gian chuẩn bị sản xuất kéo dài, không phù hợp cho sản xuất đơn chiếc hoặc tạo mẫu thử nghiệm nhanh.

Sự phát triển của công nghệ sản xuất bồi đắp (Additive Manufacturing - AM), cụ thể là công nghệ in 3D quang trùng hợp lập thể (Stereolithography - SLA), đã mang lại giải pháp thay thế hiệu quả cho việc chế tạo mẫu sáp. Bằng cách sử dụng nhựa quang hóa chuyên dụng như Formlabs Castable Wax, mẫu in 3D có thể thay thế mẫu sáp truyền thống để bọc vỏ gốm và thực hiện quá trình thoát sáp (burnout/dewaxing) nhằm tạo lòng khuôn đúc.

Tuy nhiên, các mẫu in 3D thông thường thường được thiết lập ở trạng thái đặc hoàn toàn (tỷ lệ lấp đầy - infill ratio 100%). Điều này dẫn đến sự lãng phí vật liệu nhựa đắt tiền, kéo dài thời gian in và có thể gây nứt vỡ vỏ khuôn gốm trong quá trình gia nhiệt thoát sáp do sự giãn nở nhiệt của vật liệu bên trong. Do đó, việc nghiên cứu các cấu trúc rỗng bên trong với các tỷ lệ lấp đầy khác nhau (infill ratio từ 5% đến 100%) là cần thiết để vừa tiết kiệm vật liệu, vừa đảm bảo độ bền cơ học của mẫu khi tạo vỏ khuôn gốm, đồng thời duy trì độ chính xác kích thước và chất lượng bề mặt của vật đúc cuối cùng.

Đề tài đặt ra các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

1. Tổng quan lý thuyết về công nghệ đúc mẫu chảy, các dạng khuyết tật đúc và nguyên lý các công nghệ in 3D (FDM, SLS, SLA).
2. Thiết kế và chế tạo các mẫu in 3D từ vật liệu Castable Wax bằng công nghệ SLA trên máy Formlabs Form 3 với cấu trúc lấp đầy lục giác (hexagonal/honeycomb) ở 8 mức tỷ lệ lấp đầy: 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 50%, 75% và 100%.
3. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ lấp đầy đến khối lượng thực tế và độ chính xác kích thước của mẫu in.
4. Đánh giá tính chất cơ học (đặc tính chịu kéo) của vật liệu Castable Wax theo tiêu chuẩn ASTM D638 Loại IV tương ứng với 8 tỷ lệ lấp đầy trên máy kéo nén vạn năng Shimadzu AGS-X 10kN.
5. Nghiên cứu quy trình tạo vỏ khuôn gốm nhiều lớp từ mẫu in 3D, đánh giá khả năng chịu lực của mẫu trong quá trình nhúng phủ và khả năng thoát sáp khi gia nhiệt.
6. Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ nung khuôn đến độ chính xác kích thước, độ nhám bề mặt (Ra) và cấu trúc tế vi (microstructure) của chi tiết kim loại sau khi đúc.
7. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào việc chế tạo sản phẩm thực tế (điện cực cho máy gia công tia lửa điện EDM).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu nhựa quang hóa Formlabs Castable Wax, cấu trúc lấp đầy lục giác với các tỷ lệ điền đầy khác nhau, quá trình tạo vỏ khuôn gốm silica-zircon, và chi tiết kim loại đúc từ mẫu in SLA.
• Phạm vi không gian: Thực hiện tại hệ thống phòng thí nghiệm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE), có sự hỗ trợ về cơ sở vật chất và công nghệ từ Công ty TNHH Giải pháp Thông minh 3D (3D Smart Solutions) và Công ty Đồng Lực.
• Thời gian thực hiện: 4 tháng (từ ngày 15/03/2023 đến ngày 15/07/2023).

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và nguyên lý công nghệ

Nghiên cứu dựa trên hai nền tảng công nghệ chính:

1. Quy trình công nghệ đúc mẫu chảy (Investment Casting): Bao gồm chuỗi 9 bước tiêu chuẩn: (1) Tạo mẫu sáp/mẫu in; (2) Lắp ráp cây sáp (pattern tree/cluster); (3) Nhúng phủ tạo vỏ khuôn gốm; (4) Thoát sáp và nung khuôn (dewaxing and heating); (5) Rót kim loại lỏng; (6) Phá khuôn và cắt đậu ngót/kênh dẫn; (7) Kiểm tra và gia công hoàn thiện; (8) Đánh giá sản phẩm. Đề tài cũng phân tích nguyên nhân và biện pháp khắc phục 6 dạng khuyết tật phổ biến trong đúc mẫu chảy: rỗ khí (gas porosity), lõm co (shrinkage), khuyết tật bề mặt (surface finish defects), lẫn tạp chất xỉ (inclusions), nứt (cracking) và biến dạng hình học (distortion).

2. Công nghệ in 3D quang trùng hợp SLA (Stereolithography): Cơ chế làm việc dựa trên việc sử dụng chùm tia laser tử ngoại (UV) quét có chọn lọc qua bộ phận xử lý ánh sáng (Light Processing Unit - LPU) để đóng rắn từng lớp nhựa photopolymer lỏng trong bể chứa. Công nghệ này có ưu thế vượt trội về độ chính xác và độ nhẵn bề mặt so với mô hình lắng đọng nóng chảy (FDM) và thiêu kết laser chọn lọc (SLS).

3. Cấu trúc lấp đầy (Infill Structure): Nghiên cứu tập trung vào cấu trúc dạng lục giác (Hexagonal/Honeycomb). Cấu trúc lục giác có khả năng tối ưu hóa tỷ lệ độ bền trên trọng lượng (weight-to-strength ratio), tiết kiệm vật liệu in mà vẫn chịu được áp lực thủy tĩnh và tải trọng va đập trong quá trình nhúng phủ bùn gốm làm khuôn.

Thiết bị và phương pháp thực nghiệm

Nghiên cứu sử dụng các trang thiết bị và phương pháp đo kiểm tiêu chuẩn:

• Thiết bị in 3D và xử lý sau in: Máy in Formlabs Form 3 (công nghệ Low Force Stereolithography - LFS, kích thước vùng in $145 \times 145 \times 185\text{ mm}$, độ phân giải lớp in từ $25\text{ đến }300\ \mu\text{m}$); Máy rửa Formlabs Form Wash (dung môi cồn Isopropyl Alcohol - IPA); Máy sấy và chiếu xạ UV Formlabs Form Cure (nhiệt độ xử lý lên đến $80^\circ\text{C}$, 13 đèn LED đa hướng).
• Vật liệu in: Nhựa Formlabs Castable Wax, có nhiệt độ cháy sạch hoàn toàn ở $760^\circ\text{C}$ ($1400^\circ\text{F}$), độ nhớt thấp, tan được trong IPA.
• Phương pháp đo khối lượng: Cân điện tử FHB-H323 (khả năng cân tối đa $320\text{ g}$, độ phân giải $0{,}001\text{ g}$).
• Phương pháp đo kích thước: Thước kẹp điện tử Atorn (dải đo $0-200\text{ mm}$, độ chính xác $0{,}01\text{ mm}$).
• Phương pháp thử cơ tính kéo: Tiêu chuẩn ASTM D638 Loại IV (kích thước mẫu thử: chiều dày $T = 4\text{ mm}$, chiều rộng phần thắt $W = 6\text{ mm}$, chiều dài cữ $GL = 50\text{ mm}$). Thử nghiệm trên máy kéo nén vạn năng Shimadzu AGS-X 10kN kết hợp phần mềm thu thập dữ liệu Trapezium Lite.
  • Ứng suất danh nghĩa: $\text{Nominal stress (MPa)} = \frac{\text{Force}}{\text{Area}}$
  • Độ biến dạng: $\text{Strain (%)} = \frac{\text{Stroke}}{\text{Gauge Length}} \times 100$
• Phương pháp đo độ nhám bề mặt: Máy đo độ nhám bề mặt Mitutoyo SJ-210, xác định các thông số nhám $R_a$, $R_z$, $R_q$ trên bề mặt mẫu in và chi tiết đúc.
• Phương pháp phân tích tổ chức kim tương: Quy trình 5 bước gồm cắt mẫu có tưới nguội, mài thô (giấy nhám P180, P240, P320), mài tinh ướt (giấy nhám P400), đánh bóng cơ học bằng vải chuyên dụng cùng dung dịch ăn mòn ($1\text{HCl} + 3\text{HNO}_3$), tẩm thực hóa học và quan sát tổ chức tế vi dưới kính hiển vi quang học.

---

Thiết kế và triển khai quy trình thực nghiệm

Quy trình tạo mẫu in 3D SLA

Mô hình 3D được thiết kế trên phần mềm SOLIDWORKS, sau đó xuất sang định dạng tệp STL và nhập vào phần mềm PreForm của Formlabs. Trong PreForm, các thông số về hướng in, cấu trúc giá đỡ (supports), chiều dày lớp in và tỷ lệ lấp đầy lục giác được thiết lập lần lượt ở các mức: 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 50%, 75% và 100%.

Sau khi in trên máy Formlabs Form 3, mẫu được đưa vào máy Form Wash để ngâm rửa sạch lớp nhựa thừa bám trên bề mặt bằng dung dịch cồn IPA. Tiếp đó, mẫu được xử lý đóng rắn nhiệt - quang trong máy Form Cure ở nhiệt độ kiểm soát để đạt được độ ổn định kích thước và cơ tính yêu cầu.

Quy trình chế tạo vỏ khuôn gốm (Ceramic Shell Mold)

Mẫu in 3D sau khi gắn hệ thống kênh dẫn và đậu ngót được nhúng phủ 4 lớp huyền phù gốm theo trình tự công nghệ:

Lớp phủ	Thành phần dung dịch huyền phù (Slurry Composition)	Chế độ phủ cát và môi trường làm việc
Lớp thứ nhất (First coating)	- Keo Silica 830: $16{,}86\text{ wt%}$ - Bột Zircon: $83{,}3\text{ wt%}$ - Chất chống tạo bọt Defoamer (A-35): $0{,}1\text{ wt%}$ - Chất khử khí Degasser (nước sữa): $0{,}06\text{ wt%}$	Nhúng mẫu, thổi khí nhẹ ($4{,}5\text{ kgf/cm}^2$) làm sạch bọt khí, rắc cát mịn trong bể mưa cát (sand rain bath). Duy trì nhiệt độ $24-27^\circ\text{C}$, độ ẩm $60-70%$.
Lớp thứ hai (Second coating)	- Keo Silica 1430: $26\text{ wt%}$ - Bột Ma Lai 200F: $54\text{ wt%}$ - Nước cất: $20\text{ wt%}$	Thổi sạch cát thừa, nhúng nước silica tinh khiết, nhúng huyền phù và phủ cát. Duy trì nhiệt độ $26-28^\circ\text{C}$, độ ẩm $50-60%$.
Lớp gia cường (Back coating)	- Keo Silica 1430: $24\text{ wt%}$ - Bột Ma Lai 200F: $68\text{ wt%}$ - Nước cất: $8\text{ wt%}$	Nhúng huyền phù, để ráo và nhúng bể cát thô để tăng chiều dày và độ bền vỏ khuôn. Duy trì nhiệt độ $27-30^\circ\text{C}$, độ ẩm $50-60%$.
Lớp làm kín (Siru coating)	Dung dịch keo gốm làm kín bề mặt ngoài cùng	Nhúng dung dịch để bịt kín các khe hở của lớp cát ngoài, để ráo và sấy khô hoàn toàn vỏ khuôn.

Vỏ khuôn sau khi khô được đưa vào lò nung cao tần (flash fire furnace) để đốt thoát sáp Castable Wax, sau đó nung vỏ khuôn ở các dải nhiệt độ khảo sát trước khi tiến hành rót kim loại lỏng vào lòng khuôn.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan (Introduction)

Chương 1 trình bày bối cảnh công nghiệp đúc mẫu chảy hiện đại, sự cần thiết của việc tích hợp công nghệ sản xuất bồi đắp nhằm rút ngắn chu kỳ sản xuất và giảm chi phí gá đặt. Chương này xác định rõ mục tiêu nghiên cứu, phương pháp tiếp cận, đối tượng, phạm vi nghiên cứu tại phòng thí nghiệm và doanh nghiệp liên kết, cũng như tổng quan các nghiên cứu thực nghiệm liên quan trước đây về in 3D SLA và FDM trong đúc mẫu chảy.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết (Theoretical Basis)

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết chi tiết về:

• Lịch sử phát triển và toàn bộ 9 bước công nghệ của quy trình đúc mẫu chảy.
• Phân tích nguyên nhân và cơ chế hình thành các khuyết tật đúc kim loại (khí, co ngót, lẫn xỉ, nứt nhiệt, sai lệch biên dạng).
• Nguyên lý kỹ thuật và so sánh ưu nhược điểm của 3 nhánh công nghệ in 3D phổ biến: FDM, SLS và SLA.
• Phân tích chi tiết công nghệ SLA/LFS trên thiết bị Formlabs Form 3.
• Cơ chế và đặc tính của các dạng cấu trúc lấp đầy bên trong (Rectilinear, Triangular, Hexagonal/Honeycomb, Concentric), chứng minh ưu thế cơ học của cấu trúc tổ ong trong việc phân bố ứng suất và giảm khối lượng.

Chương 3: Vật liệu và phương pháp thực nghiệm (Materials and Methods)

Chương 3 trình bày chi tiết về thông số kỹ thuật của vật liệu nhựa Formlabs Castable Wax, bột chịu lửa Zircon, keo Silica kết dính và bột Ma Lai 200F. Đồng thời, chương này mô tả quy chuẩn vận hành các thiết bị đo kiểm: cân FHB-H323, thước kẹp Atorn, máy đo nhám Mitutoyo SJ-210, máy kéo Shimadzu AGS-X 10kN theo tiêu chuẩn ASTM D638 Loại IV, quy trình in và đóng rắn Formlabs, công thức pha chế 4 lớp bùn gốm làm vỏ khuôn, và quy trình 5 bước chuẩn bị mẫu kim tương để quan sát tổ chức tế vi.

Chương 4: Kết quả thực nghiệm và thảo luận (Experiment Results and Discussion)

Chương 4 tập trung phân tích các dữ liệu đo đạc thực nghiệm qua 7 nội dung trọng tâm:

1. Ảnh hưởng của tỷ lệ lấp đầy đến khối lượng mẫu in: So sánh khối lượng danh nghĩa trên mô hình CAD và khối lượng thực tế đo bằng cân điện tử qua các tỷ lệ từ 5% đến 100%.
2. Ảnh hưởng của tỷ lệ lấp đầy đến độ chính xác kích thước mẫu in: Đánh giá sai lệch kích thước hình học trên các trục tọa độ khi thay đổi mật độ điền đầy.
3. Ảnh hưởng của tỷ lệ lấp đầy đến tính chất cơ học: Phân tích đường cong ứng suất - biến dạng (stress - strain curves) của mẫu Castable Wax ở từng mức infill (5% - 10%, 15% - 20%, 25% - 50%, 75% - 100%), xác định độ bền kéo và độ giãn dài danh nghĩa.
4. Ảnh hưởng của tỷ lệ lấp đầy đến khả năng tạo vỏ khuôn: Đánh giá độ bền vỏ khuôn trong quá trình nhúng phủ bùn gốm và hiệu quả thoát sáp theo nhiệt độ và thời gian nung.
5. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung khuôn đến kích thước chi tiết đúc: Khảo sát độ co ngót và dung sai kích thước của chi tiết kim loại khi thay đổi nhiệt độ nung khuôn gốm trước khi rót.
6. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung khuôn đến độ nhám bề mặt ($R_a$): So sánh độ nhám giữa mẫu in 3D ban đầu và bề mặt chi tiết kim loại sau khi đúc.
7. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung khuôn đến cấu trúc tế vi: Đánh giá kích thước hạt, biên giới hạt và các pha kim loại hình thành dưới kính hiển vi quang học khi thay đổi tốc độ làm nguội phụ thuộc vào nhiệt độ khuôn.
8. Chế tạo sản phẩm ứng dụng: Triển khai thực nghiệm đúc hoàn thiện chi tiết điện cực gia công xung điện EDM.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

1. Khối lượng và tiêu hao vật liệu: Việc giảm tỷ lệ lấp đầy từ 100% xuống các mức thấp (5% - 50%) giúp giảm đáng kể khối lượng nhựa Castable Wax sử dụng trên mỗi mẫu in, từ đó giảm thời gian in và tiết kiệm chi phí vật liệu trong sản xuất mẫu đúc.
2. Độ chính xác kích thước: Các mẫu in 3D SLA trên máy Formlabs Form 3 duy trì độ ổn định kích thước cao ở các tỷ lệ lấp đầy khác nhau. Mức độ co ngót của mẫu in được kiểm soát trong phạm vi cho phép của thiết bị.
3. Đặc tính cơ học theo ASTM D638 Loại IV:
   • Tỷ lệ lấp đầy tỷ lệ thuận với khả năng chịu lực kéo của mẫu Castable Wax; khi tăng tỷ lệ lấp đầy từ 5% lên 100%, ứng suất kéo cực đại tăng dần tương ứng với diện tích mặt cắt ngang chịu lực thực tế.
   • Cấu trúc lục giác (hexagonal) ở các tỷ lệ điền đầy thấp (từ 15% - 25%) vẫn duy trì đủ độ bền cứng cần thiết để không bị biến dạng hay gãy vỡ dưới tác động của áp lực thủy tĩnh trong các bể nhúng huyền phù gốm.
4. Hiệu quả tạo vỏ khuôn và thoát sáp: Mẫu in có tỷ lệ lấp đầy rỗng (dưới 100%) tạo không gian thông thoáng bên trong, giúp quá trình thoát sáp (dewaxing) diễn ra nhanh hơn, triệt tiêu áp lực giãn nở nhiệt lên thành khuôn, ngăn ngừa hiện tượng nứt vỡ vỏ gốm so với mẫu đặc 100%.
5. Chất lượng bề mặt và tổ chức kim tương vật đúc:
   • Độ nhám bề mặt ($R_a$) của chi tiết kim loại đúc phụ thuộc đồng thời vào độ nhám ban đầu của mẫu in SLA và chất lượng lớp phủ gốm thứ nhất (First coating chứa bột Zircon mịn).
   • Nhiệt độ gia nhiệt nung vỏ khuôn trước khi rót có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ kết tinh của kim loại lỏng, từ đó chi phối độ mịn của tổ chức hạt kim tương và giảm thiểu khuyết tật rỗ khí trong vật đúc.
6. Chế tạo thành công sản phẩm thực tế: Đồ án đã áp dụng quy trình để chế tạo hoàn chỉnh sản phẩm điện cực đồng/hợp kim phục vụ công nghệ gia công xung định hình (EDM), đạt yêu cầu về biên dạng hình học và độ nhẵn bề mặt.

Đóng góp của đề tài

• Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm có hệ thống về mối quan hệ giữa tỷ lệ lấp đầy cấu trúc lục giác (từ 5% đến 100%) với cơ tính chịu kéo của nhựa Formlabs Castable Wax theo tiêu chuẩn ASTM D638 Loại IV.
• Đưa ra quy trình công nghệ kết hợp giữa in 3D SLA và đúc mẫu chảy, tối ưu hóa tỷ lệ điền đầy để giảm lượng nhựa tiêu hao mà vẫn đảm bảo độ bền tạo khuôn và chất lượng chi tiết kim loại sau đúc.
• Xác lập công thức phối trộn huyền phù 4 lớp phủ gốm (Silica 830, Zircon, Silica 1430, Ma Lai 200F) và chế độ thoát sáp phù hợp cho mẫu in Castable Wax.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế:
  • Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trong khung thời gian 4 tháng, giới hạn trên một loại vật liệu nhựa quang hóa (Formlabs Castable Wax) và một dạng hình học điền đầy (Hexagonal).
  • Điều kiện gia nhiệt và nung khuôn gốm bị giới hạn bởi năng lực của trang thiết bị tại xưởng thực nghiệm trong thời gian nghiên cứu.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Khảo sát thêm các dạng cấu trúc lấp đầy khác (Gyroid, Schwarz, Voronoi) để so sánh hiệu quả cơ học và đặc tính thoát sáp.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa chế độ nhiệt luyện và đường cong nhiệt nung khuôn gốm đối với các mác kim loại và hợp kim đặc biệt (thép không gỉ, hợp kim titan, siêu hợp kim gốc niken).
  • Đánh giá độ bền mỏi và ứng suất dư bên trong vật đúc kim loại được chế tạo từ quy trình in 3D SLA kết hợp đúc mẫu chảy.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn đối với:

• Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Công nghệ Vật liệu: Tham khảo phương pháp thiết kế thực nghiệm đo cơ tính vật liệu in 3D theo ASTM D638, quy trình chuẩn bị mẫu kim tương và kỹ thuật đúc mẫu chảy chính xác.
• Kỹ sư R&D và kỹ thuật viên đúc: Tham khảo công thức pha chế bùn gốm 4 lớp (chứa keo silica, bột zircon, phụ gia khử bọt A-35 và khử khí) và phương pháp tối ưu hóa thông số in 3D (infill ratio) nhằm giảm giá thành sản xuất mẫu sáp nhanh trong công nghiệp kim hoàn, y tế (nha khoa, cấy ghép) và chế tạo khuôn mẫu.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tiêu chuẩn nào được sử dụng để đánh giá cơ tính kéo của vật liệu Castable Wax trong nghiên cứu?
Nghiên cứu sử dụng tiêu chuẩn ASTM D638 Loại IV (Type IV) dành cho vật liệu dẻo và bán cứng, thực hiện trên máy thử kéo vạn năng Shimadzu AGS-X 10kN với chiều dày mẫu $4\text{ mm}$, chiều rộng phần thắt $6\text{ mm}$ và chiều dài cữ $50\text{ mm}$.

2. Nhiệt độ cháy sạch hoàn toàn của nhựa Formlabs Castable Wax là bao nhiêu?
Theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất được trình bày trong đề tài, nhựa Formlabs Castable Wax có nhiệt độ cháy sạch không để lại tàn dư là $760^\circ\text{C}$ ($1400^\circ\text{F}$).

3. Thành phần dung dịch huyền phù của lớp phủ gốm thứ nhất (First coating) gồm những gì?
Lớp phủ thứ nhất gồm có keo Colloidal Silica 830 ($16{,}86\text{ wt%}$), bột Zircon ($83{,}3\text{ wt%}$), chất chống tạo bọt Defoamer A-35 ($0{,}1\text{ wt%}$) và chất khử khí ($0{,}06\text{ wt%}$), được thực hiện ở nhiệt độ $24-27^\circ\text{C}$ và độ ẩm $60-70%$.

4. Vì sao cấu trúc lấp đầy lục giác (Hexagonal/Honeycomb) được lựa chọn trong nghiên cứu này?
Cấu trúc lục giác được lựa chọn vì có khả năng tối ưu hóa tỷ lệ độ bền trên trọng lượng tốt nhất trong các dạng infill thông dụng, giúp tiết kiệm vật liệu in đắt tiền mà vẫn duy trì đủ độ bền cơ học để mẫu không bị biến dạng khi nhúng phủ bùn gốm nặng.

5. Sản phẩm thực tế nào đã được chế tạo để kiểm chứng quy trình đúc trong đề tài?
Đề tài đã ứng dụng thành công quy trình nghiên cứu để đúc hoàn thiện sản phẩm điện cực phục vụ cho máy gia công tia lửa điện (EDM electrode).

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu thành công ảnh hưởng của 8 mức tỷ lệ lấp đầy cấu trúc lục giác (từ 5% đến 100%) đến khối lượng, độ chính xác kích thước và tính chất cơ lý của vật liệu Castable Wax in bằng công nghệ 3D SLA. Kết quả thực nghiệm khẳng định việc giảm tỷ lệ điền đầy giúp tiết kiệm đáng kể vật liệu, hỗ trợ quá trình thoát sáp an toàn mà vẫn bảo đảm độ bền tạo vỏ khuôn gốm nhiều lớp. Quy trình tích hợp giữa in 3D SLA và đúc mẫu chảy đã được kiểm chứng qua việc chế tạo hoàn chỉnh sản phẩm điện cực gia công EDM đạt yêu cầu kỹ thuật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING CAPSTONE PROJECT ELECTRONICS AND TELECOMMUNICATIONS ENGINEERING TECHNOLOGY STUDY OF THE INFILL RATIO’S EFFECT ON MECHANICAL PROPERTIES AND ABILITY TO CREATE A MOLD SHELL OF CASTABLE WAX IN 3D PRINTING TECHNOLOGY FOR INVESTMENT CASTING LECTURER: NGUYEN THANH TAN STUDENT: NGUYEN THANH PHUC NGUYEN VAN KHIEM HO THI YEN NHI S K L 01 0 8 4 4 Ho Chi Minh City, 2022 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING 🙡🕮🙣 GRADUATION PROJECT STUDY OF THE INFILL RATIO’S EFFECT ON MECHANICAL PROPERTIES AND ABILITY TO CREATE A MOLD SHELL OF CASTABLE WAX IN 3D PRINTING TECHNOLOGY FOR INVESTMENT CASTING Student name: Student ID: NGUYEN THANH PHUC 19144083 NGUYEN VAN KHIEM 19144085 HO THI YEN NHI 18144042 Major: MECHANICAL ENGINEERING TECHNOLOGY Advisor: NGUYEN THANH TAN, M. Ho Chi Minh City, September 2023 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING 🙡🕮🙣 GRADUATION PROJECT STUDY OF THE INFILL RATIO’S EFFECT ON MECHANICAL PROPERTIES AND ABILITY TO CREATE A MOLD SHELL OF CASTABLE WAX IN 3D PRINTING TECHNOLOGY FOR INVESTMENT CASTING Student name: Student ID: NGUYEN THANH PHUC 19144083 NGUYEN VAN KHIEM 19144085 HO THI YEN NHI 18144042 Major: MECHANICAL ENGINEERING TECHNOLOGY Advisor: NGUYEN THANH TAN, M. Ho Chi Minh City, September 2023 THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT Semester 2/ 2023 Advisor: M. Nguyen Thanh Tan Student name: Nguyen Thanh Phuc ID: 19144083 Phone number: 0981103143 Student name: Nguyen Văn Khiem ID: 19144085 Phone number: 0792095001 Student name: Ho Thi Yen Nhi ID: 18144042 Phone number: 0971962786 1.

ID of Project: 22223DT81 Project title: Study of the infill ratio’s effect on mechanical properties and ability to create a mold shell of Castable Wax in 3D printing technology for investment casting 2. Initial materials provided by the advisor: - Castable Wax resin - Formlabs Form 3 printer - Surface roughness tester - Test tensile testing machine 3. Main contents: - Overview 3D printing technology - Overview investment casting - Material in SLA 3D printing technology - Study the effect of the structure of 3D patterns on mold-making ability, dimension, and roughness of 3D printed and casted parts. Final product: - The report - Experiment result 5.

Languages: Report: English  Vietnamese  Presentation: English  Vietnamese  HEAD OF DEPARTMENT ADVISOR  Graduation thesis defense ……………………………. i DISCLAIMER - Topic title: Study of the infill ratio’s effect on mechanical properties and ability to create a mold shell of Castable Wax in 3D printing technology for investment casting - Instructor: M.E Nguyen Thanh Tan - Members: Nguyen Thanh Phuc ID: 19144083 Phone: [phone] Nguyen Van Khiem ID: 19144085 Phone: [phone] Ho Thi Yen Nhi ID: 18144042 Phone: [phone] - Email: [e-mail] We declare that this graduation thesis is the result of our research and work. We have not copied any published articles without proper citation. If any violation is found, we take full responsibility for it.

Ho Chi Minh City, September 2023 ii ACKNOWLEDGEMENTS This graduation project has been completed with the support of various resources. We would like to express our gratitude to everyone who contributed to this project, whether directly or indirectly. Prima facie, heartfelt appreciation is expressed to Ho Chi Minh City University of Technology and Education, particularly the Faculty of High-Quality Training, and the Faculty of Mechanical Engineering. Their dedication to creating an exceptional learning environment and providing valuable tools and resources has greatly enriched our academic and practical experiences.

Secondly, we take this opportunity to thank all the faculty members of the Department for their assistance and support. The knowledge imparted by these esteemed educators is the most valuable asset we carry with us upon graduation. Furthermore, the solid fundamental they have provided has significantly contributed to the successful completion of this project. Thirdly, we could not have undertaken this journey without M.E Nguyen Thanh Tan, our instructor.

We are very grateful for the guidance, support and sharing of his expertise and fund, these things have contributed to helping us complete the graduation project effectively. Moreover, his provision of ideal working conditions throughout the project development process has been invaluable. Additionally, we would like to express our sincere gratitude to Tran Van Tron, Ph.; Dang Minh Phung; Ph., Tran Minh The Uyen, Ph. and others for their support in providing background knowledge and laboratory equipment.

Thanks to their advice, the implementation process of our topic was enhanced and improved. Special thanks are also given to Dong Luc and 3D Smart Solutions Company for generously providing all the necessary facilities for our research. The company has given us an overview and specific details about the process of making a product using the investment casting technique, allowing us to further enhance our research for this project. Finally, we are sincerely thankful for the support and companionship from family and friends, who are a major distribution to the project.

The project will have limitations and errors in the implementation due to lack of time and practical experience. Thank you very much if you have any advice or suggestions for the project to be more complete. Good health and success in your careers are wished for. Thank you for being a part of our journey.

iii ABSTRACT Currently, the field of investment casting is experiencing continuous growth and advancement, integrating sophisticated scientific and technological principles to elevate product quality and streamline manufacturing processes. 3D printing, as a promising technology, opens up numerous avenues for research and development in the future. In this study, 3D printing technology was utilized to create investment casting patterns. However, some 3D printed patterns are solid inside (100% infill).

This presents an opportunity to explore new directions by using various infill ratios to conserve materials and optimize the pattern creation process. In this thesis, experiments were conducted with 8 different infill ratios, ranging from 5% to 100%. The results were used to assess the impact of infill ratios on the weight and dimensions of the printed patterns, as well as their mold shell formation capabilities. Consequently, we used the outcomes of these experiments to study how printed patterns affect the dimension and surface of the casted patterns.

We also looked at how the heating temperature affects these dimensions and surface characteristics. Additionally, microscopic examinations were performed to evaluate the influence of heating temperature on the microstructure of the casted patterns. Moreover, Stereolithography (SLA) technology was employed to create printed parts to assess how different infill ratios affect the mechanical properties of the Castable Wax material according to ASTM D638 type IV with 8 different infill ratios. The combination of 3D printing and investment casting presents an exciting opportunity to explore new possibilities and enhance the overall quality and efficiency of the casting process.

The research conducted in this study contributes to advancing the knowledge and understanding of the interactions between 3D printing parameters, infill ratios, and the mechanical properties of Castable Wax. These findings serve as valuable support in optimizing investment casting processes within the industry. iv TÓM TẮT Ngày nay, lĩnh vực đúc mẫu chảy đang trải qua sự phát triển và tiến bộ liên tục, tích hợp các nguyên tắc khoa học, công nghệ để nâng cao chất lượng sản phẩm và quy trình sản xuất. Bên cạnh đó, in 3D là một công nghệ đầy hứa hẹn, sẽ mở ra thêm nhiều hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai.

Trong nghiên cứu này, công nghệ in 3D được sử dụng để tạo ra các vỏ khuôn dùng để đúc mẫu trong quy trình đúc mẫu chảy. Tuy nhiên, hiện tại một số mẫu in 3D được in đặc bên trong (mật độ điền đầy 100%). Đây là cơ hội để khám phá một hướng nghiên cứu mới bằng cách sử dụng các tỷ lệ lấp đầy khác nhau để tiết kiệm vật liệu và tối ưu hóa quy trình tạo mẫu. Trong luận văn này, các thí nghiệm được thực hiện với 8 tỷ lệ mật độ điền đầy khác nhau, dao động từ 5% đến 100%.

Các kết quả được sử dụng để đánh giá tác động của tỷ lệ infill đối với khối lượng và kích thước của các mẫu in, cũng như khả năng tạo vỏ khuôn của chúng trong quy trình đúc mẫu chảy. Qua đó, chúng tôi đã sử dụng kết quả của những thí nghiệm này để nghiên cứu các mẫu in có ảnh hưởng đến kích thước và bề mặt của các mẫu đúc hay không. Chúng tôi cũng xem xét nhiệt độ gia nhiệt vỏ khuôn ảnh hưởng đến các kích thước và đặc điểm bề mặt. Ngoài ra, kiểm tra cấu trúc tế vi của các mẫu đúc bằng kính hiển vi được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ gia nhiệt vỏ khuôn đến mẫu đúc.

Công nghệ Stereolithography (SLA) đã được sử dụng để tạo ra các mẫu in nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng của các tỷ lệ thấm khác nhau đến tính chất cơ học của vật liệu Castable Wax, theo tiêu chuẩn ASTM D638 loại IV với 8 tỷ lệ mật độ điền đầy khác nhau. Sự kết hợp giữa in 3D và đúc mẫu chảy mang đến một cơ hội để khám phá những khả năng mới và nâng cao chất lượng cũng như năng suất của quy trình đúc mẫu chảy. Những nghiên cứu được thực hiện trong đề tài này góp phần nâng cao kiến thức và mở rộng kiến thức về mối quan hệ giữa các thông số in 3D, tỷ lệ mật độ điền đầy và các tính chất cơ học của vật liệu Castable Wax. Những phát hiện này đóng vai trò hỗ trợ trong việc tối ưu hóa quy trình đúc mẫu chảy trong ngành công nghiệp hiện tại.

iv TABLE OF CONTENTS GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT. iv TABLE OF CONTENTS. v LIST OF TABLES. viii LIST OF FIGURES.

ix LIST OF KEYWORDS. x LIST OF FORMULAS. xi CHAPTER 1: INTRODUCTION.1 General introduction of investment casting and 3D printing technology. 3 CHAPTER 2: THEORETICAL BASIS .3 Defects of investment casting .4 Advantages and disadvantages .2 Three-dimensional printing technology .2 General process and classification .4 Application of SLA based 3D printing in investment casting .3 Introduction about “infill”.

19 CHAPTER 3: MATERIALS AND METHODS .1 Castable wax resin .3 Evaluation Mechanical Properties .4 Surface roughness measurement .5 Metallography Specimen Preparation and Microscopic Examination .2 Preparation of shell mold. 34 CHAPTER 4: EXPERIMENT RESULTS AND DISCUSSION .1 Effect of infill ratio on the mass of 3D printed part .2 Effect of infill ratio on dimensional accuracy of 3D printed part.3 Effect of infill ratio on mechanical properties of Castable Wax material .4 Effect of infill ratio on the ability to create mold shell .5 Effect of temperature heating for the mold shell on the dimension of casted part .6 Effect of temperature heating for the mold shell on the surface roughness of casted part .7 Effect of temperature heating for the mold shell on the microstructures of casted part. 67 v LIST OF TABLES Table 4.1: The actual mass and nominal mass results of the printing part, in gram .2: The dimensional value is compared across different infill ratios.3: The different infill ratios are compared across dimensional values.4: The dimensional values are compared across different infill ratios.5: The dewaxing process by temperature with a density of 5% .6: The dewaxing process under the same time conditions of different infill ratio54 Table 4.7: The dimensional values are compared across different casting sample.8: The casting samples are compared across different dimensional values.9: The surface roughness of the 3D printed parts, in micrometers (µm).10: The surface roughness of the casted parts, in micrometers (µm).11: The mold temperature affects the microstructure of the sample.