MỞ ĐẦU Tên đề tài NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CỦA QUÁ TRÌNH IN 3D SỬ DỤNG VẬT LIỆU LỎNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM MẪU ĐÚC RESEARCH ON EFFECTS OF TECHNOLOGY PARAMETERS IN 3D PRINTING PROCESS USING LIQUID MATERIALS TO QUALITY OF CASTING SAMPLE PRODUCTS Từ khóa: Công nghệ bồi đắp vật liệu, Resin Printers, đúc mẫu chảy, LCD. Công nghệ bồi đắp vật liệu 1. Giới thiệu Công nghệ bồi đắp vật liệu (Additive Manufacturing – AM) hay với tên gọi ban đầu là công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping – RP) là một công nghệ chế tạo sản phẩm, tạo ra sản phẩm bằng cách đắp dần vật liệu theo từng lớp (layer by layer) và kết dính chúng lại với nhau. Về mặt xã hội và truyền thông, theo nhiều khảo sát gần đây cho thấy thuật ngữ “công nghệ in 3D” (3D Printing) được sử dụng phổ biến do sự quen thuộc của đa số người sử dụng với công nghệ in hai chiều, nay được mở rộng thêm chiều thứ ba [1].
Cần phân biệt sự khác nhau giữa công nghệ AM và công nghệ in 3D. Theo tiêu chuẩn ISO / ASTM52900 - 15 của Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (American Society for Testing and Materials – ASTM) thì bồi đắp vật liệu (AM) là quá trình kết hợp vật liệu để tạo ra các chi tiết từ dữ liệu mô hình 3D, thường là từng lớp, trái ngược với phương pháp chế tạo loại bỏ và chế tạo định hình. Trong khi đó, in 3D (3D Printing) là sự chế tạo các vật thể thông qua việc lắng đọng vật liệu bằng cách sử dụng đầu in, vòi phun hoặc công nghệ máy in khác. Trong ngữ cảnh phi kỹ thuật thì thuật ngữ này thường được sử dụng đồng nghĩa với bồi đắp vật liệu; cho đến thời điểm hiện tại thuật ngữ này đặc biệt được liên kết với các máy có giá thành và / hoặc khả năng tổng thể cấp thấp.
Cũng theo tiêu chuẩn này, thuật ngữ Fused filement fabrication (FFF) được sử dụng với ý nghĩa tương tự. Công nghệ AM chế tạo sản phẩm trực tiếp từ dữ liệu thiết kế số ba chiều với sự hỗ trợ của hệ thống máy tính (3D – CAD) mà không cần phải lập quy trình công nghệ, 1 Luận văn thạc sĩ quá trình đòi hỏi sự phân tích cẩn thận hình dáng hình học của chi tiết để xác định thứ tự, đặc điểm, các dụng cụ hay lựa chọn quy trình cần sử dụng. Công nghệ AM chế tạo sản phẩm bằng cách thêm và liên kết vật liệu theo từng lớp, mỗi lớp là một mặt cắt mỏng của một vật thể cần chế tạo bắt nguồn từ dữ liệu CAD gốc. Mỗi lớp có một bề dày hữu hạn và do đó sản phẩm chế tạo ra sẽ là một kết quả xấp xỉ của các dữ liệu ban đầu [1].
Mô hình của chi tiết trên phần mềm Quá trình gia công dựa trên nguyên lý Bắt đầu gia công đắp dần từng lớp vật mẫu theo từng lớp liệu lên nhau Chi tiết hoàn chỉnh sau khi gia công Hình 1. Nguyên lý chế tạo sản phẩm của công nghệ AM [1] Công nghệ in AM ngày càng được ứng dụng nhiều trong công nghiệp và chứng tỏ được ưu thế vượt trội trong quá trình tạo mẫu vật lý để nghiên cứu, đánh giá thiết kế trước khi chế tạo sản phẩm. Vai trò của AM trong nền Công nghiệp 4.0, một nền sản xuất kết nối và thông minh, bước tiến tiếp theo của cuộc cách mạng công nghiệp, đang có sức lan tỏa ngày càng lớn. Mục tiêu chính của cuộc cách mạng này là tùy chỉnh, tăng cường đổi mới, lợi nhuận, hiệu quả, hiệu suất và quản lý an toàn tốt hơn.0 sử dụng tự động hóa bằng cách sử dụng 2 Luận văn thạc sĩ các máy móc và công nghệ kỹ thuật số khác nhau như in 3D, Internet of Things, điện toán đám mây, phân tích nâng cao, hệ thống vật lý mạng, v.
Một trong những vấn đề quan trọng cần được thực hiện trong cuộc Công nghiệp 4.0 là sản phẩm mang tính cá nhân hóa cao, tùy biến theo yêu cầu của từng khách hàng và tồn kho sản phẩm ảo. Công nghệ bồi đắp vật liệu là một yếu tố quan trọng, một bước đột phá để hoàn thiện yêu cầu đặt ra. Nó là sự tích hợp của phần mềm thiết kế và máy in 3D để hoàn thành việc chế tạo sản phẩm, một kỹ thuật sản xuất thiết yếu đem lại kết quả mang tầm thế giới. AM có thể giúp cải thiện khả năng tùy chỉnh, giảm thiểu chất thải, khối lượng, thể tích sản phẩm, tăng khả năng tái chế, rút ngắn chuỗi cung ứng, chi phí thấp.
AM cũng cung cấp một quy trình sản xuất sáng tạo, trong đó hàng tồn kho được lưu trữ dưới dạng kỹ thuật số và có thể đáp ứng đầy đủ các nhiệm vụ sản xuất khi được yêu cầu. Đó là một cách tiếp cận linh hoạt đối với quá trình phát triển sản phẩm và thay đổi toàn bộ quy trình sản xuất. Trong quá trình này, việc sản xuất được thực hiện tự động bằng cách đưa ra lệnh thông qua phần mềm và giảm bớt công sức của con người. Đối với các nhà máy thông minh trong tương lai, AM có khả phát huy hết những tiềm năng to lớn của nó [2, 3].
Các bài nghiên cứu công bố về các ứng dụng của công nghệ bồi đắp vật liệu trong Công nghiệp 4.0 đã và đang được thực hiện. Bằng cách tìm kiếm các từ khóa "công nghệ bồi đắp vật liệu " và "Công nghiệp 4.0", ta xác định được 116 bài báo đang được xuất bản cho đến tháng 7 năm 2019. Năm 2015, bài báo nghiên cứu đầu tiên được xuất bản, 13 bài báo vào năm 2016 và 12 bài báo vào năm 2017. Trong năm 2018, có số lượng xuất bản tăng nhanh, trong năm nay 58 bài báo và năm 2019, 31 bài báo nghiên cứu được xuất bản cho đến nay và 1 bài báo được xuất bản vào năm 2020 [2].
Lĩnh vực đóng góp nhiều nhất trong các nghiên cứu về công nghệ bồi đắp vật liệu trong Công nghiệp 4.0 là Kỹ thuật (Engineering) (38%), xếp phía sau lần lượt là Khoa học máy tính (Computer science) (20%), Kinh doanh, Quản lý và Kế toán (Business, Management and Accounting) (9%), Khoa học Vật liệu (Materials Science) (7%), Khoa học Quyết định (Decision sciences) (6%), Vật lý và Thiên văn học (Physics and Astronomy) (4%), Khoa học Môi trường (Environmental Science) (3%), Toán học (Mathematics) (3%), Kỹ thuật hóa học (Chemical Engineering) (3%), Khoa học xã hội (Social Sciences) (2%). Ngoài ra còn có sự đóng góp 5% của các các lĩnh vực khác, bao gồm Hóa học (Chemistry), Năng lượng (Energy), Khoa học Nông nghiệp và Sinh học (Agricultural and Biological Science), Kinh tế (Economics), Kinh 3 Luận văn thạc sĩ tế lượng và Tài chính (Econometrics and Finance), Y học (Medicine) và Tâm lý học (Psychology) [2]. Từ dữ liệu Scopus, ta thấy ứng dụng của công nghệ bồi đắp vật liệu trong Công nghiệp 4.0 ngày càng tăng và các nghiên cứu cũng đang phát triển trong lĩnh vực này. Với tiềm năng phát triển to lớn như vậy, việc thực hiện nghiên cứu về công nghệ AM là rất cần thiết.
Ứng dụng Trong những năm vừa qua, nhu cầu chế tạo mẫu và các sản phẩm ở dạng loạt nhỏ liên tục phát triển. tuy nhiên, các phương pháp chế tạo mẫu truyền thống mất khá nhiều thời gian. Vì vậy, cần có một phương pháp mới có thể chế tạo nhanh các sản phẩm đơn chiếc, có hình dạng phức tạp nhằm đáp ứng nhanh cho chuỗi cung ứng thị trường. công nghệ in 3D là phương pháp sản xuất mới có hiệu quả cao, nó có thể chế tạo những sản phẩm có hình dạng phức tạp mà các phương pháp gia công truyền thống gặp khó khăn hoặc thậm chí không thể chế tạo được, như có sản phẩm có khoang rỗng kín, những chi tiết mang tính chất trừu tượng.
Ngày nay, cuộc chạy đua công nghệ giữa các nước trên thế giới đang diễn ra ngày càng mạnh mẽ. Nhằm mục đích nâng cao hiệu quả sản xuất và tạo sự đột phá trong tăng trưởng, tiềm năng của công nghệ in 3D đang được chú trọng khai thác và ứng dụng vào các lĩnh vực khác nhau. Công nghiệp sản xuất, chế tạo Công nghệ in 3D bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong môi trường công nghiêp do nó cho phép chế tạo các sản phẩm với số lượng ít, hình dạng phức tạp, giảm phế liệu, từ đó góp phần đẩy nhanh quá trình thử nghiệm sản phẩm, đặc biệt là trong trường hợp chế tạo mẫu đúc vì những lý do sau: Mẫu dùng trong đúc khuôn cát Thông thường, việc chế tạo mẫu đúc rất khó khăn, tốn thời gian và chi phí. Phương pháp phổ biến nhất là tạo ra các mẫu đúc bằng nhôm được gia công trên máy CNC hoặc chế tạo mẫu gỗ bằng tay.
Phương pháp này thường có chi phí cao, tốn thời gian và có thể gặp phải những vấn đề khác, chẳng hạn như bù trừ lượng co rút của sản phẩm sau khi đúc. Quá trình thiết kế sai đồng nghĩa với việc các mẫu đúc phải được làm lại từ đầu, tăng thêm thời gian và chi phí. 4 Luận văn thạc sĩ Mẫu dùng trong khuôn mẫu chảy Các mẫu sáp dùng cho quá trình đúc trong khuôn mẫu chảy thường được chế tạo bằng phương pháp ép phun với chi phí từ $5.000, thời gian sản xuất trong khoảng hai tháng. Một vấn đề lớn là họ không thể tạo ra các mẫu thử nghiệm, kiểm tra trước cho đến khi chế tạo được khuôn ép, điều đó có thể khiến thời gian và chi phí tăng lên rất nhiều do sửa chữa khuôn nếu thiết kế không đạt yêu cầu.
Mặt khác, chế tạo mẫu sáp bằng khuôn sẽ làm cho độ phức tạo của sản phẩm bị giới hạn. Ví dụ về khuôn ép phun in 3D được sản xuất bằng ABS kỹ thuật số [4] 1. Hàng không, vũ trụ Ngành hàng không vũ trụ là ngành tiên phong trong việc ứng dụng công nghệ in 3D để tạo mẫu và phát triển sản phẩm. Các công ty về lĩnh vực này đã và đang cộng tác với các viện nghiên cứu, các học viện khoa học để đưa công nghệ in 3D đạt mức có thể sản xuất, chế tạo ra thành phẩm.
Do tầm quan trọng của việc phát triển các loại máy bay, tàu vũ trụ, … nên việc phát triển thiết bị in 3D công nghiệp với tiêu chuẩn cao là yêu cầu cấp thiết của đội ngũ nghiên cứu và phát triển. Trong đó, việc phát triển, hoàn thiện công nghệ in và vật liệu sử dụng là một trong những nhiệm vụ hàng đầu. Những thương hiệu nổi tiếng như GE, Morris, Airbus / EADS, Rolls-Royce, BAE Systems & Boeing đã và đang phát triển những công nghệ in 3D có thể đưa vào ứng dụng thực tế.
