Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ in 3D, đặc biệt là kỹ thuật FDM (Fused Deposition Modeling), đã trở thành xu hướng phát triển mạnh mẽ trong ngành kỹ thuật cơ khí và sản xuất hiện đại. Theo báo cáo ngành, thị trường công nghệ in 3D toàn cầu đạt giá trị khoảng 3,1 tỷ USD năm 2013 và dự kiến tăng trưởng trung bình 32% mỗi năm, đạt 21 tỷ USD vào năm 2020. Tại Việt Nam, công nghệ này đã được ứng dụng từ năm 2003 và ngày càng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như sản xuất, y tế, giáo dục và xây dựng.

Tuy nhiên, để tạo ra sản phẩm in 3D có độ chính xác kích thước cao, tiết kiệm thời gian và chi phí, việc lựa chọn và điều chỉnh các thông số in là rất quan trọng. Các thông số như mật độ điền đầy, dạng điền đầy, độ dày lớp in, tốc độ in và vật liệu in ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích ảnh hưởng của các thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm, từ đó đề xuất bộ thông số tối ưu nhằm nâng cao chất lượng mẫu in.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào ba loại vật liệu phổ biến là PLA, ABS và PETG, với các thí nghiệm được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2017-2019. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ in 3D vào sản xuất cơ khí, giúp giảm thiểu sai số kích thước, tăng hiệu quả sản xuất và tiết kiệm chi phí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về công nghệ in 3D FDM, trong đó:

  • Công nghệ FDM: Nguyên lý bồi đắp vật liệu theo từng lớp, sử dụng nhựa nhiệt dẻo nung chảy và đùn qua đầu phun để tạo hình sản phẩm. Công nghệ này có ưu điểm chi phí thấp, vật liệu phổ biến và thân thiện môi trường, nhưng hạn chế về độ chính xác và bề mặt sản phẩm.

  • Thông số in 3D ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm: Bao gồm mật độ điền đầy (fill density), dạng điền đầy (infill pattern), độ dày lớp in (layer height), tốc độ in (print speed), số lớp in thành, lớp đáy và lớp đỉnh (solid layers), độ dày thành mẫu (side thickness), và vật liệu in (PLA, ABS, PETG).

  • Khái niệm về độ chính xác kích thước: Độ sai lệch kích thước được đo theo ba phương X, Y, Z, phản ánh mức độ phù hợp giữa kích thước thực tế của mẫu in và kích thước thiết kế.

Các khái niệm chính bao gồm: mật độ điền đầy, dạng điền đầy, độ dày lớp in, tốc độ in, và vật liệu nhựa.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích lý thuyết:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu trong nước và quốc tế về công nghệ in 3D, các bài báo khoa học, báo cáo ngành và kết quả thí nghiệm thực tế.

  • Thiết kế thí nghiệm: Thực hiện in các mẫu thử với các biến đổi thông số in khác nhau, bao gồm vật liệu (PLA, ABS, PETG), mật độ điền đầy (60-80%), dạng điền đầy (tổ ong, zigzag, concentric), độ dày lớp in (0.1-0.3 mm), tốc độ in (60-70 mm/s), số lớp in mặt trên/dưới và thành mẫu.

  • Cỡ mẫu: Mỗi nhóm thí nghiệm gồm nhiều mẫu in với các thông số được điều chỉnh riêng biệt, giữ các thông số khác ở mức trung bình để đánh giá ảnh hưởng từng yếu tố.

  • Phương pháp phân tích: Đo đạc độ sai lệch kích thước theo ba phương, phân tích thống kê so sánh các nhóm mẫu, sử dụng biểu đồ và bảng số liệu để minh họa kết quả.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong giai đoạn 2017-2019 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của vật liệu in đến độ chính xác kích thước: Mẫu in sử dụng vật liệu PLA cho độ sai lệch kích thước thấp nhất, với độ chính xác cao hơn khoảng 15% so với ABS và PETG. PLA cũng cho bề mặt mẫu mịn, bóng hơn, giảm thiểu biến dạng do co rút.

  2. Mật độ điền đầy và dạng điền đầy: Mật độ điền đầy từ 60-80% kết hợp với dạng điền đầy tổ ong (honeycomb) bên trong và dạng đường thẳng zigzag (rectilinear) ở mặt trên/dưới mẫu giúp giảm sai số kích thước trung bình xuống dưới 0.2 mm, cải thiện độ chắc chắn và giảm thời gian in khoảng 10% so với mật độ điền đầy 100%.

  3. Độ dày lớp in và số lớp in: Độ dày lớp in 0.3 mm cùng với số lớp in mặt trên và mặt dưới từ 6-7 lớp đạt được sự cân bằng giữa độ chính xác và thời gian in. Độ dày lớp nhỏ hơn (0.1-0.2 mm) tuy tăng độ chính xác nhưng kéo dài thời gian in lên đến 30-40%.

  4. Tốc độ in: Tốc độ in từ 60-70 mm/s là mức tối ưu, giúp giảm thời gian in mà không làm giảm độ chính xác kích thước. Tốc độ quá cao (>80 mm/s) gây ra hiện tượng sai lệch kích thước tăng lên đến 20%.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu PLA phù hợp nhất với yêu cầu độ chính xác kích thước trong in 3D nhựa, do đặc tính co rút thấp và khả năng bám dính tốt. Mật độ điền đầy và dạng điền đầy ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc bên trong mẫu, từ đó tác động đến độ ổn định kích thước và bề mặt sản phẩm. Độ dày lớp in và số lớp in quyết định độ phân giải và chất lượng bề mặt, đồng thời ảnh hưởng đến thời gian và chi phí sản xuất.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương đồng với báo cáo của Patel và cộng sự về ảnh hưởng mật độ điền đầy và dạng điền đầy đến chất lượng sản phẩm. Các biểu đồ thể hiện độ sai lệch kích thước theo phương X, Y, Z minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa các nhóm mẫu, giúp dễ dàng nhận diện thông số tối ưu.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để điều chỉnh thông số in 3D nhựa, nâng cao độ chính xác kích thước sản phẩm, giảm thiểu sai số và tiết kiệm chi phí sản xuất trong ngành kỹ thuật cơ khí và các lĩnh vực ứng dụng khác.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa vật liệu in: Ưu tiên sử dụng vật liệu PLA cho các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao và bề mặt mịn, đồng thời giảm thiểu hiện tượng co rút và biến dạng. Thời gian thực hiện: ngay lập tức; Chủ thể: các nhà sản xuất và kỹ sư thiết kế.

  2. Điều chỉnh mật độ điền đầy và dạng điền đầy: Áp dụng mật độ điền đầy từ 60-80% với dạng tổ ong bên trong và zigzag ở mặt trên/dưới để cân bằng giữa độ chính xác, thời gian in và chi phí vật liệu. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng; Chủ thể: bộ phận kỹ thuật vận hành máy in.

  3. Kiểm soát độ dày lớp in và số lớp in: Sử dụng độ dày lớp in 0.3 mm và số lớp in mặt trên/dưới từ 6-7 lớp để đạt hiệu quả tối ưu về chất lượng và thời gian. Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể: phòng nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

  4. Quản lý tốc độ in: Giữ tốc độ in trong khoảng 60-70 mm/s để đảm bảo độ chính xác và giảm thiểu sai số kích thước. Thời gian thực hiện: ngay lập tức; Chủ thể: kỹ thuật viên vận hành máy in.

  5. Đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật điều chỉnh thông số in 3D cho nhân viên kỹ thuật và thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; Chủ thể: các trường đại học, trung tâm đào tạo và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và nhà thiết kế sản phẩm trong ngành cơ khí: Nghiên cứu giúp họ hiểu rõ ảnh hưởng của các thông số in 3D đến độ chính xác kích thước, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất mẫu thử và sản phẩm cuối cùng.

  2. Doanh nghiệp sản xuất sử dụng công nghệ in 3D: Áp dụng kết quả nghiên cứu để giảm thiểu sai số, tiết kiệm chi phí vật liệu và thời gian sản xuất, nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, công nghệ chế tạo máy: Tài liệu tham khảo bổ ích cho việc giảng dạy và nghiên cứu về công nghệ in 3D và ứng dụng thực tiễn.

  4. Nhà nghiên cứu và phát triển vật liệu in 3D: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về ảnh hưởng của vật liệu và thông số in đến chất lượng sản phẩm, hỗ trợ phát triển vật liệu mới và cải tiến công nghệ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu nào phù hợp nhất để in 3D với độ chính xác cao?
    Vật liệu PLA được đánh giá là phù hợp nhất nhờ đặc tính co rút thấp, dễ in và cho bề mặt mẫu mịn, bóng. Ví dụ, mẫu in PLA có độ sai lệch kích thước thấp hơn khoảng 15% so với ABS và PETG.

  2. Mật độ điền đầy ảnh hưởng thế nào đến chất lượng sản phẩm?
    Mật độ điền đầy từ 60-80% giúp cân bằng giữa độ chắc chắn, độ chính xác và thời gian in. Mật độ quá thấp làm giảm độ bền, quá cao làm tăng thời gian và chi phí.

  3. Độ dày lớp in nên chọn bao nhiêu để tối ưu?
    Độ dày lớp in 0.3 mm được đề xuất là tối ưu, vừa đảm bảo độ chính xác vừa giảm thời gian in. Độ dày nhỏ hơn tăng độ chính xác nhưng kéo dài thời gian in đáng kể.

  4. Tốc độ in ảnh hưởng như thế nào đến sai số kích thước?
    Tốc độ in từ 60-70 mm/s là mức tối ưu. Tốc độ quá cao (>80 mm/s) làm tăng sai số kích thước do nhựa không kịp bám dính, gây biến dạng.

  5. Làm thế nào để giảm sai số kích thước khi in 3D?
    Ngoài việc chọn vật liệu và thông số in phù hợp, cần đảm bảo máy in được hiệu chuẩn chính xác, sử dụng phần mềm cắt lớp tốt và kiểm soát nhiệt độ in ổn định.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng rõ rệt của vật liệu, mật độ điền đầy, dạng điền đầy, độ dày lớp in và tốc độ in đến độ chính xác kích thước sản phẩm in 3D.
  • Vật liệu PLA, mật độ điền đầy 60-80%, dạng tổ ong bên trong và zigzag ở mặt trên/dưới, độ dày lớp in 0.3 mm, tốc độ in 60-70 mm/s là bộ thông số tối ưu cho sản phẩm có độ chính xác cao và tiết kiệm chi phí.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm in 3D trong ngành kỹ thuật cơ khí và các lĩnh vực ứng dụng khác.
  • Đề xuất các giải pháp thực tiễn nhằm áp dụng hiệu quả trong sản xuất và đào tạo kỹ thuật viên vận hành máy in 3D.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu với các vật liệu mới và ứng dụng trong sản xuất quy mô lớn.

Hành động ngay hôm nay: Các doanh nghiệp và kỹ sư nên áp dụng bộ thông số tối ưu này để nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất trong công nghệ in 3D.