Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ bồi đắp vật liệu (Additive Manufacturing – AM) đã trở thành một trong những xu hướng phát triển mạnh mẽ trong ngành sản xuất hiện đại, đặc biệt trong bối cảnh cách mạng công nghiệp 4.0. Theo báo cáo của ngành, số lượng bài báo khoa học về AM tăng trưởng liên tục, với hơn 116 bài được công bố trong giai đoạn gần đây, tập trung vào các ứng dụng và cải tiến công nghệ. Trong đó, công nghệ mô hình hóa lắng đắp nóng chảy (Fused Deposition Modeling – FDM) là phương pháp phổ biến nhất trong nhóm công nghệ AM dựa trên đùn vật liệu, được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất nhanh mẫu thử và sản phẩm công nghiệp.

Tuy nhiên, FDM vẫn tồn tại nhiều thách thức về mặt cơ tính sản phẩm, như độ bền kéo, độ chính xác kích thước và hiện tượng cong vênh, tách lớp. Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và khả năng ứng dụng của sản phẩm in 3D trong các lĩnh vực như ô tô, hàng không, y tế và xây dựng. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính như độ dày lớp, tốc độ đùn, góc raster, mật độ đổ đầy và nhiệt độ buồng in đến tính chất cơ học của sản phẩm FDM làm từ vật liệu ABS.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh trong năm 2021, sử dụng phương pháp thiết kế thí nghiệm trung tâm (Central Composite Design – CCD) kết hợp với mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Networks – ANN) để phân tích và tối ưu hóa các thông số. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm FDM, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất công nghiệp và đào tạo kỹ thuật.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết về công nghệ bồi đắp vật liệu (AM) và mô hình hóa quá trình sản xuất FDM. AM là quá trình tạo sản phẩm bằng cách thêm vật liệu từng lớp theo mô hình CAD 3D, giúp giảm thiểu phế liệu và rút ngắn thời gian sản xuất. FDM là một trong bảy nhóm công nghệ AM, hoạt động dựa trên nguyên lý nung chảy và đùn vật liệu nhiệt dẻo qua vòi phun, tạo thành từng lớp vật liệu liên kết với nhau.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

  • Độ dày lớp (Layer thickness): Chiều cao của mỗi lớp vật liệu được đùn ra, ảnh hưởng đến độ mịn bề mặt và thời gian in.
  • Tốc độ đùn (Extrusion speed): Tốc độ di chuyển của vòi phun vật liệu, ảnh hưởng đến độ liên kết giữa các lớp.
  • Góc raster (Raster angle): Góc hướng sắp xếp các đường đùn vật liệu trên mỗi lớp, ảnh hưởng đến tính chất cơ học theo các hướng khác nhau.
  • Mật độ đổ đầy (Infill density): Tỷ lệ phần trăm thể tích bên trong chi tiết được lấp đầy vật liệu, ảnh hưởng đến trọng lượng và độ bền.
  • Nhiệt độ buồng in (Chamber temperature): Nhiệt độ môi trường xung quanh chi tiết trong quá trình in, ảnh hưởng đến hiện tượng cong vênh và tách lớp.

Ngoài ra, các phương pháp tối ưu hóa và phân tích dữ liệu như thiết kế thí nghiệm trung tâm (CCD) và mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) được áp dụng để mô hình hóa và dự đoán ảnh hưởng của các thông số.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm sản xuất mẫu kéo bằng công nghệ FDM sử dụng vật liệu ABS tại phòng thí nghiệm của trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu thí nghiệm khoảng 30 mẫu, được thiết kế theo phương pháp FCCD nhằm khảo sát ảnh hưởng của 5 thông số chính: độ dày lớp, tốc độ đùn, góc raster, mật độ đổ đầy và nhiệt độ buồng in.

Phương pháp phân tích dữ liệu bao gồm:

  • Thiết kế thí nghiệm trung tâm (CCD): Giúp xác định mối quan hệ giữa các thông số và tính chất cơ học, đồng thời tìm ra vùng tối ưu.
  • Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN): Mô hình hóa phi tuyến, dự đoán chính xác tính chất cơ học dựa trên dữ liệu thí nghiệm.
  • Phân tích phương sai (ANOVA): Đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng thông số đến kết quả.
  • So sánh mô hình: Đánh giá hiệu quả của CCD và ANN trong việc dự đoán và tối ưu hóa.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2021, bao gồm các giai đoạn thiết kế thí nghiệm, thực hiện thí nghiệm, thu thập và xử lý dữ liệu, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của độ dày lớp: Độ dày lớp ảnh hưởng rõ rệt đến độ bền kéo của sản phẩm. Khi giảm độ dày lớp từ khoảng 0,3 mm xuống 0,1 mm, độ bền kéo tăng trung bình 15%, do liên kết giữa các lớp vật liệu được cải thiện và bề mặt sản phẩm mịn hơn.

  2. Tốc độ đùn và góc raster: Tốc độ đùn và góc raster có tương tác phức tạp. Tốc độ đùn quá cao (> 50 mm/s) làm giảm độ bền kéo khoảng 10% do vật liệu không kịp liên kết tốt. Góc raster 45° cho kết quả độ bền kéo cao hơn 12% so với góc 0° hoặc 90%, do phân bố ứng suất đồng đều hơn.

  3. Mật độ đổ đầy: Mật độ đổ đầy tăng từ 50% lên 100% làm tăng độ bền kéo khoảng 20%, tuy nhiên thời gian in cũng tăng gần 30%. Mật độ đổ đầy 80% được xác định là điểm cân bằng tối ưu giữa chất lượng và hiệu quả sản xuất.

  4. Nhiệt độ buồng in: Nhiệt độ buồng in duy trì ở khoảng 60°C giúp giảm hiện tượng cong vênh và tách lớp, tăng độ bền kéo lên đến 18% so với nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, nhiệt độ quá cao (> 80°C) có thể gây biến dạng sản phẩm.

Các kết quả được minh họa qua biểu đồ phân tích phương sai và đồ thị dự đoán của mô hình ANN, cho thấy sự phù hợp cao giữa dữ liệu thực nghiệm và mô hình dự báo với sai số trung bình (MSE) dưới 5%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các ảnh hưởng trên là do cơ chế liên kết giữa các lớp vật liệu trong quá trình đùn nóng chảy. Độ dày lớp nhỏ giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa các lớp, cải thiện liên kết cơ học. Tốc độ đùn và góc raster ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt và ứng suất trong sản phẩm, từ đó tác động đến độ bền kéo.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với xu hướng chung về việc tối ưu hóa thông số in để nâng cao tính chất cơ học. Ví dụ, một nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra rằng góc raster 45° và mật độ đổ đầy cao giúp tăng độ bền kéo sản phẩm PLA in FDM. Tuy nhiên, nghiên cứu này mở rộng thêm về ảnh hưởng nhiệt độ buồng in và sử dụng mô hình ANN để dự đoán chính xác hơn.

Ý nghĩa của kết quả là giúp các nhà sản xuất và kỹ sư thiết kế quy trình in 3D FDM phù hợp với yêu cầu kỹ thuật, giảm thiểu lỗi sản phẩm và nâng cao hiệu quả sản xuất. Dữ liệu có thể được trình bày qua bảng tổng hợp các thông số và biểu đồ so sánh độ bền kéo theo từng điều kiện thí nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa độ dày lớp: Khuyến nghị sử dụng độ dày lớp từ 0,1 đến 0,15 mm để cân bằng giữa chất lượng bề mặt và thời gian in, nhằm tăng độ bền kéo sản phẩm. Chủ thể thực hiện: nhà thiết kế quy trình sản xuất, thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn thiết kế sản phẩm.

  2. Điều chỉnh tốc độ đùn và góc raster: Đề xuất duy trì tốc độ đùn dưới 50 mm/s và góc raster 45° để tối ưu hóa liên kết vật liệu và phân bố ứng suất. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên vận hành máy in, thời gian áp dụng: trong quá trình vận hành sản xuất.

  3. Kiểm soát mật độ đổ đầy: Sử dụng mật độ đổ đầy khoảng 80% để đảm bảo độ bền cơ học và tiết kiệm thời gian in. Chủ thể thực hiện: bộ phận lập trình máy in, thời gian áp dụng: trong giai đoạn lập trình in 3D.

  4. Quản lý nhiệt độ buồng in: Thiết lập nhiệt độ buồng in khoảng 60°C để giảm hiện tượng cong vênh và tách lớp, nâng cao chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện: nhà sản xuất máy in và kỹ thuật viên vận hành, thời gian áp dụng: trong quá trình vận hành và bảo trì thiết bị.

Các giải pháp trên cần được áp dụng đồng bộ và kiểm soát chặt chẽ để đạt hiệu quả tối ưu. Ngoài ra, nên tiếp tục nghiên cứu mở rộng với các vật liệu khác và ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp cụ thể.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và nhà thiết kế sản phẩm: Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình in 3D, nâng cao chất lượng và độ bền sản phẩm, giảm thiểu lỗi kỹ thuật trong sản xuất.

  2. Nhà sản xuất và vận hành máy in 3D: Sử dụng các khuyến nghị về thông số công nghệ để điều chỉnh máy in, đảm bảo hiệu suất và độ ổn định trong quá trình sản xuất hàng loạt.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, vật liệu: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc giảng dạy, nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan đến công nghệ in 3D và vật liệu nhiệt dẻo.

  4. Doanh nghiệp ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất: Hỗ trợ trong việc lựa chọn công nghệ, vật liệu và thiết lập quy trình sản xuất phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. FDM là gì và tại sao lại phổ biến trong AM?
    FDM là công nghệ in 3D dựa trên nguyên lý nung chảy và đùn vật liệu nhiệt dẻo từng lớp. Nó phổ biến do chi phí thiết bị thấp, vật liệu đa dạng và dễ vận hành, phù hợp với nhiều ứng dụng từ mẫu thử đến sản xuất.

  2. Các thông số công nghệ nào ảnh hưởng nhiều nhất đến tính chất cơ học của sản phẩm FDM?
    Độ dày lớp, tốc độ đùn, góc raster, mật độ đổ đầy và nhiệt độ buồng in là những thông số quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền kéo, độ chính xác và hiện tượng cong vênh.

  3. Làm thế nào để tối ưu hóa các thông số này?
    Sử dụng thiết kế thí nghiệm trung tâm (CCD) kết hợp với mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) giúp phân tích và dự đoán hiệu quả của từng thông số, từ đó tìm ra bộ thông số tối ưu cho từng mục đích sử dụng.

  4. Vật liệu ABS có ưu điểm gì trong công nghệ FDM?
    ABS có tính bền kéo tốt, chịu va đập và nhiệt độ nóng chảy phù hợp với FDM. Nó cũng có khả năng chống hóa chất và dễ gia công, là vật liệu phổ biến trong sản xuất các chi tiết kỹ thuật.

  5. Nhiệt độ buồng in ảnh hưởng như thế nào đến sản phẩm?
    Nhiệt độ buồng in giúp kiểm soát quá trình làm nguội của vật liệu, giảm hiện tượng cong vênh và tách lớp. Nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp đều gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng sản phẩm.

Kết luận

  • Công nghệ FDM là phương pháp in 3D phổ biến với nhiều ưu điểm về chi phí và tính linh hoạt, nhưng còn hạn chế về tính chất cơ học sản phẩm.
  • Nghiên cứu đã xác định các thông số công nghệ chính ảnh hưởng đến độ bền kéo của sản phẩm ABS in FDM, bao gồm độ dày lớp, tốc độ đùn, góc raster, mật độ đổ đầy và nhiệt độ buồng in.
  • Phương pháp thiết kế thí nghiệm trung tâm (CCD) kết hợp mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) cho phép mô hình hóa và tối ưu hóa hiệu quả các thông số này.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để cải tiến quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu lỗi kỹ thuật trong ứng dụng công nghiệp.
  • Đề xuất các giải pháp cụ thể nhằm tối ưu hóa quy trình in FDM, đồng thời khuyến khích nghiên cứu mở rộng với các vật liệu và ứng dụng khác trong tương lai.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên áp dụng các kết quả này vào thực tiễn sản xuất, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các vật liệu mới và công nghệ in 3D tiên tiến hơn nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.