Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ in 3D, đặc biệt là phương pháp Fused Deposition Modeling (FDM), ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các chi tiết cơ khí với yêu cầu cao về độ chính xác kích thước và bề mặt hoàn thiện. Theo báo cáo ngành, các sản phẩm in 3D FDM thường gặp phải các vấn đề về độ nhám bề mặt và sai số kích thước, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và hiệu suất sử dụng. Nghiên cứu này tập trung phân tích ảnh hưởng của các tham số công nghệ như độ dày lớp in, chiều rộng đường viền, góc raster, góc nghiêng xây dựng đến độ nhám bề mặt và độ chính xác kích thước của sản phẩm in FDM.

Mục tiêu chính của luận văn là xác định bộ tham số tối ưu giúp cải thiện đồng thời độ nhám bề mặt và độ chính xác kích thước, nâng cấp sản phẩm đạt cấp độ IT9-IT10 theo tiêu chuẩn ISO 286-1, với độ nhám bề mặt Ra đạt khoảng 7µm. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2019-2020, sử dụng vật liệu PLA phổ biến trong in 3D. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm in 3D, giảm chi phí gia công sau in và mở rộng ứng dụng trong các ngành công nghiệp ô tô, điện tử và y sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Công nghệ Fused Deposition Modeling (FDM): Nguyên lý tạo hình sản phẩm bằng cách đùn vật liệu nóng chảy theo từng lớp mỏng, với các tham số chính ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm gồm độ dày lớp in (layer thickness), chiều rộng đường viền (contour width), góc raster (raster angle), và góc nghiêng xây dựng (build orientation).

  • Phân tích Taguchi và Grey Relational Analysis (GRA): Phương pháp thiết kế thí nghiệm Taguchi được sử dụng để tối ưu hóa nhiều tham số công nghệ, kết hợp với phân tích quan hệ xám (GRA) nhằm xử lý đa mục tiêu, tối ưu đồng thời các chỉ tiêu về độ nhám và sai số kích thước.

  • Khái niệm độ nhám bề mặt (Ra) và độ chính xác kích thước (cấp độ IT theo ISO 286-1): Ra là giá trị trung bình độ lệch bề mặt, ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ và chức năng sản phẩm; cấp độ IT thể hiện sai số kích thước cho phép, ảnh hưởng đến khả năng lắp ghép và vận hành.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm in 3D trên máy FDM sử dụng vật liệu PLA, với các biến số công nghệ được điều chỉnh theo thiết kế thí nghiệm Taguchi L18.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thí nghiệm được thực hiện với 18 mẫu thử, mỗi mẫu ứng với một tổ hợp tham số khác nhau, nhằm đánh giá ảnh hưởng của từng tham số đến độ nhám và sai số kích thước.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phân tích phương sai (ANOVA) để xác định mức độ ảnh hưởng của từng tham số; áp dụng Grey Relational Grade (GRG) để tổng hợp và tối ưu đa mục tiêu; kết quả được so sánh với tiêu chuẩn ISO 286-1 để đánh giá độ chính xác kích thước.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành từ tháng 6/2019 đến tháng 6/2020, bao gồm giai đoạn thiết kế thí nghiệm, thu thập dữ liệu, phân tích và xác minh kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của độ dày lớp in: Độ dày lớp in 0.2 mm được xác định là giá trị tối ưu, giúp giảm độ nhám bề mặt xuống mức Ra khoảng 7µm và cải thiện độ chính xác kích thước đạt cấp IT9-IT10. Độ dày lớp in quá lớn hoặc quá nhỏ đều làm tăng sai số và độ nhám.

  2. Góc nghiêng xây dựng (Build orientation): Góc 0° là góc xây dựng tối ưu, giảm thiểu sai số kích thước và độ nhám bề mặt so với các góc 15° và 30°. Sai số kích thước tăng lên đến 3% khi góc nghiêng tăng, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng sản phẩm.

  3. Chiều rộng đường viền (Contour width) và góc raster: Các tham số này có ảnh hưởng phụ thuộc vào yêu cầu chi tiết của từng sản phẩm. Chiều rộng đường viền khoảng 0.6 mm và góc raster 0°/90° giúp cân bằng giữa độ nhám và độ chính xác.

  4. Tối ưu đa mục tiêu bằng GRA: Phân tích quan hệ xám cho thấy bộ tham số tối ưu gồm build orientation 0°, layer thickness 0.2 mm, contour width 0.6 mm và raster angle 0°/90°, giúp nâng cao đồng thời các chỉ tiêu về bề mặt và kích thước.

Thảo luận kết quả

Kết quả thí nghiệm phù hợp với các nghiên cứu trước đây, khẳng định vai trò quan trọng của độ dày lớp in và góc nghiêng xây dựng trong việc kiểm soát chất lượng sản phẩm FDM. Việc áp dụng phương pháp Taguchi kết hợp GRA giúp tối ưu hóa đa mục tiêu hiệu quả, giảm thiểu thời gian và chi phí thí nghiệm. Biểu đồ phân tích ANOVA minh họa rõ mức độ ảnh hưởng của từng tham số, trong đó độ dày lớp in chiếm tỷ lệ ảnh hưởng lớn nhất (khoảng 40%), tiếp theo là build orientation (khoảng 30%). Bảng tổng hợp sai số kích thước và độ nhám cho thấy sự cải thiện rõ rệt khi áp dụng bộ tham số tối ưu, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm in 3D trong thực tế sản xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng bộ tham số tối ưu trong sản xuất: Các doanh nghiệp sử dụng máy in FDM nên thiết lập build orientation ở 0°, layer thickness 0.2 mm, contour width 0.6 mm và raster angle 0°/90° để đạt chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước cao trong vòng 3-6 tháng.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết lập tham số in 3D và phân tích chất lượng sản phẩm nhằm nâng cao năng lực vận hành, giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất.

  3. Phát triển phần mềm hỗ trợ tối ưu: Khuyến khích nghiên cứu và phát triển phần mềm tích hợp phương pháp Taguchi và GRA để tự động đề xuất tham số tối ưu dựa trên yêu cầu sản phẩm, rút ngắn thời gian thiết kế và thử nghiệm.

  4. Mở rộng nghiên cứu vật liệu: Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số công nghệ trên các loại vật liệu in 3D khác như ABS, Resin để đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất và kỹ thuật viên in 3D: Nắm bắt được các tham số công nghệ tối ưu giúp cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm chi phí gia công sau in.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí, vật liệu: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về công nghệ in 3D.

  3. Các công ty phát triển phần mềm CAD/CAM: Tham khảo để tích hợp các thuật toán tối ưu tham số in 3D vào phần mềm thiết kế và lập trình gia công.

  4. Ngành công nghiệp ô tô, điện tử và y sinh: Áp dụng công nghệ in 3D FDM với chất lượng cao cho sản xuất linh kiện, thiết bị y tế, giúp tăng tính linh hoạt và giảm thời gian sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao độ dày lớp in 0.2 mm được chọn là tối ưu?
    Độ dày lớp in 0.2 mm cân bằng giữa thời gian in và chất lượng bề mặt, giúp giảm độ nhám Ra xuống khoảng 7µm và đạt độ chính xác kích thước cấp IT9-IT10, phù hợp với tiêu chuẩn ISO 286-1.

  2. Góc nghiêng xây dựng ảnh hưởng thế nào đến sản phẩm?
    Góc 0° giúp giảm sai số kích thước và độ nhám bề mặt tốt nhất, trong khi góc nghiêng lớn hơn làm tăng sai số lên đến 3%, ảnh hưởng đến khả năng lắp ghép và thẩm mỹ.

  3. Phương pháp Taguchi và GRA có ưu điểm gì?
    Taguchi giúp thiết kế thí nghiệm hiệu quả với số lượng mẫu tối thiểu, GRA xử lý đa mục tiêu, tối ưu đồng thời nhiều chỉ tiêu như độ nhám và sai số kích thước, tiết kiệm thời gian và chi phí nghiên cứu.

  4. Có thể áp dụng kết quả này cho vật liệu khác không?
    Kết quả chủ yếu áp dụng cho vật liệu PLA, tuy nhiên phương pháp nghiên cứu có thể mở rộng cho các vật liệu khác như ABS, Resin với điều chỉnh tham số phù hợp.

  5. Làm thế nào để kiểm tra độ nhám và sai số kích thước?
    Độ nhám được đo bằng máy đo chuyên dụng với chỉ số Ra, sai số kích thước được đánh giá theo tiêu chuẩn ISO 286-1 bằng các thiết bị đo chính xác như panme, máy đo tọa độ.

Kết luận

  • Xác định bộ tham số công nghệ tối ưu cho in 3D FDM gồm build orientation 0°, layer thickness 0.2 mm, contour width 0.6 mm và raster angle 0°/90°.
  • Nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm với độ nhám Ra đạt khoảng 7µm, đồng thời cải thiện độ chính xác kích thước đạt cấp IT9-IT10 theo ISO 286-1.
  • Áp dụng phương pháp Taguchi kết hợp Grey Relational Analysis giúp tối ưu đa mục tiêu hiệu quả, giảm chi phí và thời gian nghiên cứu.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, hỗ trợ các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm in 3D.
  • Đề xuất tiếp tục mở rộng nghiên cứu với các vật liệu và ứng dụng khác, đồng thời phát triển phần mềm hỗ trợ tối ưu tham số in 3D.

Hành động tiếp theo: Áp dụng bộ tham số tối ưu trong sản xuất thực tế, tổ chức đào tạo kỹ thuật viên và phát triển công cụ hỗ trợ tối ưu tham số để nâng cao hiệu quả sản xuất in 3D.