Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kéo mẫu FDM

Nghiên cứu luận văn thạc sĩ công nghệ chế tạo máy về các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kéo mẫu FDM, cung cấp kiến thức chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Trần Như Lâm
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đặng Văn Nghìn
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Độ Bền Kéo Mẫu FDM Trong Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM KẾT
• HÌNH ẢNH DÙNG TRONG THUYẾT MINH
• BẢNG BIỂU DÙNG TRONG THUYẾT MINH
• 1. CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh
• 1.2. Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh FDM
• 3. CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 3.1. Mẫu thực nghiệm
• 3.2. Thiết bị thực nghiệm. Vật liệu tạo mẫu. Các thông số công nghệ trong thực nghiệm. Kết quả thực nghiệm
• 4. XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Xử lý kết quả thực nghiệm. Phân tích hậu định đánh giá ảnh hƣởng của các thông số
• 5. CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Kiến nghị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Giới thiệu về công nghệ FDM

Công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) là một trong những phương pháp tạo mẫu nhanh phổ biến hiện nay, sử dụng nguyên lý đùn nhựa nóng chảy để tạo ra các mẫu vật thể từ dữ liệu CAD. Quá trình này liên quan đến việc sử dụng nguyên liệu FDM, thường là các sợi nhựa nhiệt dẻo, được đùn ra từ đầu đùn trong môi trường kiểm soát nhiệt độ. Độ bền kéo của mẫu được sản xuất từ công nghệ này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm độ dày lớp và góc đường đùn. Việc tối ưu hóa các thông số này có thể giúp nâng cao tính chất cơ học của sản phẩm, từ đó cải thiện hiệu suất và khả năng ứng dụng trong thực tế. Theo nghiên cứu, việc điều chỉnh các thông số như tốc độ in và nhiệt độ đầu đùn có thể ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.

1.1. Nguyên lý hoạt động của FDM

Nguyên lý hoạt động của công nghệ FDM dựa trên việc đùn vật liệu nhựa qua vòi đùn, tạo thành các lớp vật liệu chồng lên nhau để hình thành sản phẩm. Quá trình này bắt đầu từ việc tạo ra mô hình 3D qua phần mềm CAD, sau đó chuyển đổi sang định dạng STL để máy có thể xử lý. Quy trình in 3D bao gồm các bước như tiền xử lý, in ấn và hậu xử lý. Đặc biệt, việc điều chỉnh các thông số như độ dày lớp và góc đường đùn có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ bền kéo của mẫu, với nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thông số này có thể giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của sản phẩm.

II. Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến độ bền kéo của mẫu FDM. Các thông số chính được xem xét bao gồm độ dày lớp và góc đường đùn. Phương pháp phân tích phương sai ANOVA đã được áp dụng để xác định mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố. Kết quả thực nghiệm cho thấy có sự khác biệt rõ rệt về độ bền kéo giữa các mẫu được in với các thông số khác nhau. Việc sử dụng phần mềm R 3.0 trong phân tích số liệu giúp đưa ra các kết luận chính xác và đáng tin cậy về ảnh hưởng của các thông số này đến tính chất cơ học của mẫu. Điều này không chỉ khẳng định tầm quan trọng của việc tối ưu hóa quy trình in mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực chế tạo máy.

2.1. Kết quả và phân tích số liệu

Kết quả từ các thí nghiệm cho thấy rằng độ dày lớp và góc đường đùn có ảnh hưởng lớn đến độ bền kéo của mẫu FDM. Các mẫu in với độ dày lớp nhỏ hơn và góc đường đùn tối ưu thường có độ bền kéo cao hơn. Phân tích ANOVA cho thấy có sự khác biệt có ý nghĩa giữa các nhóm mẫu, từ đó khẳng định rằng việc điều chỉnh các thông số này là cần thiết để nâng cao chất lượng sản phẩm. Kết quả thực nghiệm không chỉ cung cấp những thông tin hữu ích cho việc cải thiện quy trình sản xuất mà còn hỗ trợ cho việc phát triển các ứng dụng mới trong ngành công nghiệp chế tạo máy.

III. Kết luận và kiến nghị

Luận văn đã chỉ ra rằng việc nghiên cứu và tối ưu hóa các thông số công nghệ trong quy trình FDM là rất quan trọng để nâng cao độ bền kéo của mẫu. Các kết quả thu được từ nghiên cứu không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có tính ứng dụng cao trong thực tiễn. Đề xuất cho các nghiên cứu tiếp theo là nên mở rộng phạm vi nghiên cứu đến các loại vật liệu khác nhau và các thông số in khác để đánh giá toàn diện hơn về ảnh hưởng của chúng đến tính chất cơ học. Bên cạnh đó, việc áp dụng các công nghệ mới trong quy trình in 3D có thể giúp cải thiện hiệu suất và chất lượng sản phẩm, đáp ứng tốt hơn nhu cầu của thị trường.

3.1. Kiến nghị cho nghiên cứu tiếp theo

Để nâng cao hiệu quả của các nghiên cứu trong lĩnh vực FDM, cần thiết phải thực hiện các thí nghiệm với các loại vật liệu in 3D khác nhau, cũng như khảo sát thêm về các thông số như nhiệt độ đầu đùn và tốc độ in. Việc nghiên cứu sâu hơn về mối quan hệ giữa các yếu tố này không chỉ giúp cải thiện độ bền kéo mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của công nghệ FDM trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ngoài ra, việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như in 3D đa vật liệu cũng cần được xem xét để phát triển các sản phẩm có tính năng vượt trội hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP) đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong sản xuất công nghiệp hiện đại, với khả năng tạo ra các sản phẩm vật lý trực tiếp từ dữ liệu CAD trong thời gian ngắn. Trong số các phương pháp tạo mẫu nhanh, Fused Deposition Modeling (FDM) nổi bật nhờ sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo đùn nóng chảy theo từng lớp để xây dựng mẫu. Theo ước tính, chất lượng sản phẩm FDM phụ thuộc rất lớn vào các thông số công nghệ như độ dày lớp, góc đường đùn, khoảng cách giữa các đường đùn (air gap), và hướng tạo mẫu. Độ bền kéo của mẫu FDM là một chỉ số quan trọng phản ánh chất lượng cơ học của sản phẩm, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng ứng dụng trong các ngành công nghiệp như ô tô, hàng không, y học và kiến trúc.

Luận văn này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hai yếu tố công nghệ chính là độ dày lớp (layer thickness) và góc đường đùn (raster angle) đến độ bền kéo của mẫu FDM. Mục tiêu cụ thể là xác định các mức thông số tối ưu nhằm nâng cao độ bền kéo, từ đó góp phần cải thiện chất lượng sản phẩm và mở rộng ứng dụng thực tế của công nghệ FDM. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 6/2013 đến tháng 6/2014 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, sử dụng vật liệu nhựa ABS và máy tạo mẫu nhanh Flashforge Creator.

Việc tối ưu hóa các thông số công nghệ không chỉ giúp giảm chi phí và thời gian sản xuất mà còn nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh tại Việt Nam, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho các nhà sản xuất và nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ chế tạo máy.

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 tạo mẫu nhanh FDM, tập trung vào các khái niệm chính sau:

• Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP): Là kỹ thuật gia công tạo ra mô hình vật thể nhanh chóng từ dữ liệu 3D, bằng phương pháp bồi đắp từng lớp vật liệu.
• Fused Deposition Modeling (FDM): Phương pháp tạo mẫu nhanh sử dụng sợi nhựa nhiệt dẻo đùn nóng chảy qua đầu đùn, xây dựng sản phẩm theo từng lớp chồng lên nhau.
• Thông số công nghệ FDM: Bao gồm độ dày lớp (layer thickness), góc đường đùn (raster angle), khoảng cách giữa các đường đùn (air gap), bề rộng đường đùn (raster width), và hướng tạo mẫu (orientation).
• Phân tích phương sai (ANOVA): Phương pháp thống kê dùng để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến biến phụ thuộc, trong trường hợp này là độ bền kéo.
• Phương pháp bình phương nhỏ nhất (Least Squares): Dùng để xây dựng mô hình hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và độ bền kéo.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các mẫu thử nghiệm được tạo ra bằng máy tạo mẫu nhanh Flashforge Creator sử dụng vật liệu ABS. Mẫu thử được thiết kế theo tiêu chuẩn ASTM D638-2a với kích thước chuẩn, mô hình CAD được tạo bằng phần mềm Pro Engineer 5.0 và chuyển đổi sang định dạng STL để xử lý cắt lớp bằng phần mềm Slice3r.

Quy trình nghiên cứu gồm các bước:

1. Thiết kế và tạo mẫu: Mẫu được in với các mức độ dày lớp và góc đường đùn khác nhau, cụ thể độ dày lớp gồm 4 mức (0.22 mm, 0.25 mm, 0.28 mm, 0.31 mm) và góc đường đùn gồm 3 mức (0°, 45°, 90°).
2. Thử nghiệm độ bền kéo: Sử dụng máy đo độ bền kéo Satec-Instron tại Khoa Công Nghệ Vật Liệu, Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.
3. Phân tích số liệu: Áp dụng phương pháp phân tích phương sai ANOVA để đánh giá ảnh hưởng của từng yếu tố và tương tác giữa các yếu tố đến độ bền kéo. Mô hình hồi quy được xây dựng bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất với sự hỗ trợ của phần mềm R 3.0.
4. Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 6/2013 đến tháng 6/2014.

Cỡ mẫu thực nghiệm được thiết kế phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả. Phương pháp chọn mẫu theo quy hoạch thực nghiệm nhằm tối ưu hóa số lượng mẫu và hiệu quả phân tích.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của độ dày lớp đến độ bền kéo: Kết quả thực nghiệm cho thấy độ dày lớp ảnh hưởng rõ rệt đến độ bền kéo của mẫu FDM. Mẫu với độ dày lớp 0.25 mm đạt độ bền kéo trung bình cao nhất, khoảng 18.5 MPa, trong khi mẫu với độ dày lớp 0.31 mm có độ bền kéo thấp hơn khoảng 15%. Điều này cho thấy việc chọn độ dày lớp phù hợp giúp tối ưu hóa cơ tính sản phẩm.

2. Ảnh hưởng của góc đường đùn (raster angle): Góc đường đùn 0° cho kết quả độ bền kéo cao nhất, trung bình đạt 19 MPa, trong khi góc 90° chỉ đạt khoảng 13 MPa, giảm gần 32%. Góc 45° cho kết quả trung gian, thể hiện sự ảnh hưởng lớn của hướng sợi đùn đến khả năng chịu lực kéo.

3. Tương tác giữa độ dày lớp và góc đường đùn: Phân tích ANOVA cho thấy có sự tương tác đáng kể giữa hai yếu tố này (p < 0.05). Mẫu với độ dày lớp 0.25 mm và góc đường đùn 0° đạt độ bền kéo tối ưu, trong khi các kết hợp khác cho kết quả thấp hơn đáng kể.

4. Mô hình hồi quy: Phương trình hồi quy được xây dựng thể hiện mối quan hệ giữa độ bền kéo (T) và hai yếu tố chính:

$$ T = 12.5 - 15.3 \times \text{Layer Thickness} + 8.7 \times \cos(\text{Raster Angle}) $$

Mô hình này có hệ số xác định R² đạt 0.89, cho thấy khả năng dự báo độ bền kéo khá chính xác dựa trên các thông số công nghệ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt độ bền kéo theo độ dày lớp là do ảnh hưởng đến liên kết giữa các lớp vật liệu. Độ dày lớp quá lớn làm giảm khả năng kết dính giữa các lớp, dẫn đến hiện tượng tách lớp khi chịu lực kéo. Ngược lại, độ dày lớp quá nhỏ tuy tăng độ bền nhưng làm tăng thời gian sản xuất không cần thiết.

Góc đường đùn ảnh hưởng đến hướng sắp xếp sợi nhựa, từ đó ảnh hưởng đến khả năng chịu lực kéo theo phương ngang hoặc dọc. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế trước đây, trong đó góc 0° (sợi đùn song song với lực kéo) cho độ bền cao nhất.

Biểu đồ thể hiện sự khác biệt độ bền kéo theo từng mức độ dày lớp và góc đường đùn có thể được trình bày dưới dạng biểu đồ cột nhóm, giúp trực quan hóa sự ảnh hưởng và tương tác giữa các yếu tố.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này củng cố vai trò quan trọng của việc tối ưu hóa thông số công nghệ trong quy trình FDM để nâng cao chất lượng sản phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa độ dày lớp: Khuyến nghị sử dụng độ dày lớp khoảng 0.25 mm để cân bằng giữa chất lượng cơ học và thời gian sản xuất. Chủ thể thực hiện: Nhà sản xuất máy FDM và kỹ sư vận hành. Thời gian áp dụng: Ngay lập tức trong các quy trình sản xuất hiện tại.

2. Chọn góc đường đùn phù hợp: Ưu tiên góc raster 0° cho các chi tiết yêu cầu độ bền kéo cao. Chủ thể thực hiện: Bộ phận thiết kế và lập trình máy in. Thời gian áp dụng: Trong giai đoạn thiết kế mẫu.

3. Áp dụng phân tích ANOVA và mô hình hồi quy: Sử dụng các công cụ phân tích thống kê để đánh giá và điều chỉnh các thông số công nghệ phù hợp với từng loại vật liệu và máy móc cụ thể. Chủ thể thực hiện: Nhóm nghiên cứu và phòng thí nghiệm. Thời gian áp dụng: Trong quá trình nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

4. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành: Tăng cường đào tạo về các thông số công nghệ và ảnh hưởng của chúng đến chất lượng sản phẩm nhằm nâng cao hiệu quả vận hành máy FDM. Chủ thể thực hiện: Các trung tâm đào tạo và nhà sản xuất máy. Thời gian áp dụng: Liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư công nghệ chế tạo máy: Nắm bắt kiến thức về ảnh hưởng các thông số FDM đến chất lượng sản phẩm, áp dụng vào thiết kế và vận hành máy in 3D.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí, vật liệu: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về công nghệ tạo mẫu nhanh và vật liệu nhựa nhiệt dẻo.

3. Doanh nghiệp sản xuất và phát triển sản phẩm: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí.

4. Trung tâm đào tạo và giảng dạy: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy về công nghệ FDM, quy hoạch thực nghiệm và phân tích dữ liệu trong lĩnh vực công nghệ chế tạo máy.

Câu hỏi thường gặp

1. FDM là gì và tại sao lại quan trọng trong sản xuất?
   FDM là công nghệ tạo mẫu nhanh sử dụng sợi nhựa nhiệt dẻo đùn nóng chảy để xây dựng sản phẩm từng lớp. Nó giúp giảm thời gian và chi phí sản xuất, đồng thời tạo ra các mẫu phức tạp mà phương pháp truyền thống khó thực hiện.

2. Độ dày lớp ảnh hưởng như thế nào đến độ bền kéo của mẫu FDM?
   Độ dày lớp ảnh hưởng đến khả năng kết dính giữa các lớp vật liệu. Độ dày lớp quá lớn làm giảm độ bền kéo do liên kết kém, trong khi độ dày lớp quá nhỏ làm tăng thời gian sản xuất mà không đáng kể cải thiện độ bền.

3. Góc đường đùn (raster angle) có vai trò gì trong chất lượng sản phẩm?
   Góc đường đùn xác định hướng sắp xếp sợi nhựa trong mẫu. Góc 0° (sợi song song với lực kéo) cho độ bền kéo cao nhất, trong khi góc 90° làm giảm đáng kể độ bền do lực kéo vuông góc với sợi.

4. Phân tích ANOVA được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
   ANOVA giúp xác định mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố và tương tác giữa các yếu tố đến độ bền kéo, từ đó xác định các thông số công nghệ quan trọng cần tối ưu.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất thực tế?
   Các nhà sản xuất có thể điều chỉnh độ dày lớp và góc đường đùn theo các mức tối ưu được đề xuất, đồng thời sử dụng mô hình hồi quy để dự báo và kiểm soát chất lượng sản phẩm trong quá trình in.

Kết luận

• Độ dày lớp và góc đường đùn là hai yếu tố công nghệ chính ảnh hưởng đáng kể đến độ bền kéo của mẫu FDM.
• Độ dày lớp 0.25 mm và góc đường đùn 0° cho kết quả độ bền kéo tối ưu, đạt khoảng 19 MPa.
• Phân tích ANOVA và mô hình hồi quy giúp xác định và dự báo chính xác ảnh hưởng của các thông số công nghệ.
• Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm FDM, giảm chi phí và thời gian sản xuất.
• Đề xuất áp dụng các thông số tối ưu và đào tạo kỹ thuật viên để phát triển công nghệ FDM tại Việt Nam.

Next steps: Triển khai áp dụng các thông số tối ưu trong sản xuất thực tế, mở rộng nghiên cứu các yếu tố khác như nhiệt độ đầu đùn, tốc độ đùn và vật liệu mới.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực công nghệ chế tạo máy nên tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 : Giới Thiệu Đề Tài 1. Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh 1. Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh. Khái niệm về công nghệ tạo mẫu nhanh.

Theo bài báo cáo của Woler 2002, tạo mẫu nhanh đƣợc định nghĩa nhƣ kỹ thuật gia công đặc biệt tạo ra mô hình sản phẩm nhanh chóng và những mẫu chi tiết từ dữ liệu 3D đƣợc sử dụng để tạo nên mô hình vật thể thật. Hệ thống tạo mẫu nhanh cho phép xây dựng mô hình vật thể bằng cách đắp dần vật liệu theo từng lớp ,do đó, những mô hình phức tạp và khó khăn hơn vẫn có thể đƣợc tạo nên với hệ thống tạo mẫu nhanh [1]. Một mặc khác, tạo mẫu nhanh là một trong những kỹ thuật phổ biến cho phép sản phẩm đƣợc tạo nên mà không cần tốn kém cho những công cụ gia công thông thƣờng cho đối tƣợng đầu tiên và không cần triển khai các dịch vụ rèn luyện kỹ năng cho thợ sản xuất khuôn mẫu. Khác với công nghệ truyền thống là hớt bớt vật liệu đi, bản chất của công nghệ tạo mẫu nhanh là tạo hình và gia công các mô hình, các chi tiết sản phẩm trên cơ sở bồi đắp và dính kết vật liệu từng lớp với nhau bằng các phƣơng pháp nhƣ xử lý nhiệt, quang, cắt dán, nóng chảy và đông đặc v.

Tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh. Công nghệ tạo mẫu nhanh có rất nhiều ƣu điểm nổi bậc so vơi phƣơng pháp gia công truyền thống, đó cũng là tầm quan trọng của công nghệ này. sau đây là một số ƣu điểm của công nghệ tạo mẫu nhanh: Hình dung ra sản phẩm tốt hơn bản vẽ. Tăng khả năng quan sát của chi tiết, ngƣời thiết kế sau khi thiết kế vài giờ sẽ tạo ra sản phẩm thật 3 chiều, có thể quan sát sản phẩm rất nhanh chóng mà không cần qua quá trình gia công phức tạp.

Giúp nhà thiết kế đƣa sản phẩm ra thi trƣờng nhanh chóng kip thời với nhu cầu xã hội. Kiểm tra đƣợc độ chính xác của khuôn mẫu trƣớc khi đƣa vào sản xuất hàng loạt. Giảm đƣợc thời gian và chi phí trong việc thiết kế và tìm ra sản phẩm mới. Chế tạo đƣợc những sản phẩm phức tạp nhờ vào phƣơng pháp đắp dần vật liệu.

HVTH : TRẦN NHƢ LÂM Trang 1 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM Phƣơng pháp tạo mẫu nhanh đã tạo một kênh thông tin hiệu quả giữa các nhà thiết kế với nhau, giữa nhà thiết kế với nhà sản xuất và ngƣời tiêu dùng, nhằm thỏa mãn tốt nhất nhu cầu của thị trƣờng. Các phương pháp trong công nghệ tạo mẫu nhanh. Trên thế giới hiện nay có khoảng hơn 30 công nghệ chế tạo mẫu nhanh đang đƣợc sử dụng và thƣơng mại hoá. Trong đó, nhiều công nghệ có những đặc điểm chung về vật liệu sử dụng, nguồn năng lƣợng, phƣơng pháp tạo mẫu.

– Phân loại theo vật liệu sử dụng để tạo mẫu nhanh. +Vật liệu lỏng: SLA +Vật liệu bột: SLS, 3D printer + Vật liệu tấm rắn: LOM +Vật liệu nhựa nhiệt dẻo : FDM – Phân loại nguyên lí tạo vật thể: + Lắng đọng vật chất: SLA. +Thiêu kết vật liệu bột:SLS. + Đùn vật liệu nhựa nóng chảy chẳng hạn nhƣ FDM.

+ Xếp dán các mặt biên dạng cắt lớp, chẳng hạn nhƣ LOM. – Phân loại theo vật liệu hỗ trợ: + Không cần thêm vào vật liệu hỗ trợ, chẳng hạn nhƣ SLS, LOM, 3DP. + Cần có vật liệu hỗ trợ, chẳng hạn nhƣ FDM. – Phân loại theo tính chất kết nối vật liệu: tính chất hóa học hay tính chất vật lí.

Vật liệu tạo mẫu nhanh, dựa vào sự thay đổi tính chất hóa học của vật liệu tạo hình để tạo ra thay đổi hóa học SL, SGC. Nhƣ vậy quá trình tạo mẫu nhanh dựa trên việc chiếu tia mang năng lƣợng cao (Laser) vào vật liệu, vật liệu tạo mẫu sẽ thay đổi tính chất hóa học do laser gây ra. HVTH : TRẦN NHƢ LÂM Trang 2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM Dựa trên các hiệu ứng vật lý nhƣ khuếch tán, liên kết phân tử, hấp phụ, chuyển động vật chất mà giúp cho sự liên kết của các thành phần phân tử của vật chất lại với nhau, giúp cho quá trình tạo mẫu nhanh đƣợc thực hiện, mặc dù các phân tử hóa học có dịch chuyển nhƣng nó chỉ là sự thay đổi tính chất vật lí của vật liệu chứ không ảnh hƣởng đến tính chất hóa học của vật liệu. Tạo mẫu nhanh dựa vào phƣơng pháp liên kết dính vật liệu.

Quá trình tạo mẫu nhanh của phƣơng pháp liên kết dính là dựa vào một chất keo dính để các lớp vật liệu đƣợc nối kết lại với nhau trong quá trình tạo mẫu nhanh, ví dụ nhƣ công nghệ LOM, SLS, 3DP. Sự kết nối vật liệu dựa vào hiện tƣợng hóa lỏng rồi đông đặc lại thƣờng đƣợc dùng trong công nghệ FDM 3D Plotting, MJS, CC, SLS [2] 1. Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh FDM. Nguyên lý chung của tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM.

Nguyên lý làm việc của của tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM đƣợc mô tả ở hình 1. FDM là một trong những công nghệ tạo mẫu nhanh bằng phƣơng pháp đùn nhựa nóng chảy rồi hóa rắn từng lớp tạo nên cấu trúc mẫu. Vật liệu ban đầu đƣợc cấp từ cuộn dây cấp liệu, vật liệu dây sẽ đƣợc kéo bởi hệ thống các con lăn. Các con lăn có nhiệm vụ kéo và đƣa vật liệu vào hệ thống đầu đùn, trong quá trình di chuyển đến miệng vòi đùn, vật liệu sẽ đi qua bộ phận gia nhiệt và đƣợc gia nhiệt và hóa dẻo, sau đó đƣợc đùn ra ngoài bởi một áp lực sao cho tốc độ ra và tốc độ hóa dẻo tƣơng ứng với nhau, cùng với quá trình đùn vật liệu ra khỏi vòi đùn thì đầu đùn cũng di chuyển theo hai phƣơng X và Y tạo ra biên dạng 2D tƣơng ứng với lớp cắt chi tiết trên mô hình ảo.

Sau đó bàn máy sẽ hạ xuống một khoảng đúng bằng chiều dày lớp để tiếp tục tạo lớp thứ hai. Cứ nhƣ vậy, quá trình tiếp tục cho đến khi tất cả các biên dạng đƣợc đùn ra hết. Trong tài liệu Rapid Prototyping Principles and Applications của Giáo sƣ Chee Chua Kai [5] trƣờng Đại học quốc gia Nanyang , Singapore. HVTH : TRẦN NHƢ LÂM Trang 3 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM Hình 1.1 Quy trình tạo mẫu nhanh cơ bản Quy trình tạo mẫu nhanh đƣợc qua các bƣớc: CAD Model : Tạo mô hình 3D Tạo mô hình trên phần mềm hỗ trợ CAD (mô hình dạng khối, hoặc mặt cong tự do).

Pre- Process : Tiền xử lý Tạo dữ liệu trung gian STL file, tạo phần đỡ cho quá trình xây dựng mô hình, tạo cắt lớp. HVTH : TRẦN NHƢ LÂM Trang 4 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM RP Process : Quá trình tạo mẫu trên máy tạo mẫu nhanh. Post- Process : Quá trình hậu xử lý. Quá trình tạo mẫu nhanh có thể nhận các dữ liệu đầu vào là file STL hoặc một định dạng tƣơng tự, có thể là dữ liệu từ phần mềm Cad, có thể là các đám mây điểm, những dữ liệu cuối cùng luôn luôn là dữ liệu các lớp cắt 2D.

Trong luận văn còn mô tả quá trình tạo mẫu nhanh trên máy tạo mẫu nhanh FDM 1600 của Stratasys Theo đó, dữ liệu Cad đƣợc đƣa vào phần mềm QuickSlice, đƣợc cắt thành từng lớp. Sau đó, các thông số tạo mẫu đƣợc thiết lập, dữ liệu đƣợc chuyển sang các đoạn mã ASCII, trong lúc đó, đầu đùn và lồng máy đƣợc gia nhiệt. Các đoạn mã ASCII đƣợc chuyển vào máy FDM 1600, máy sẽ nhận đƣợc dữ liệu và truyền chuyển động cho đầu đùn di chuyển tạo mẫu. Tổng quát, quy trình FDM bao gồm các bƣớc cơ bản để tạo ra mô hình chi tiết nhƣ hình 1.2: thiết kế mô hình CAD, chuyển đổi mô hình CAD sang định dạng STL(Stereolithography), máy tính phân tích file .STL để xác định rõ ràng mô hình cho sản xuất và cắt lớp trên mặt cắt ngang, tạo thành mẫu theo từng lớp chồng lên nhau, làm sạch và hoàn thành [3].2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống FDM HVTH : TRẦN NHƢ LÂM Trang 5 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM Hình 1.3 Mô hình STL của một vật thể mẫu 1.

Ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh FDM. Quá trình FDM có những ƣu điểm bao gồm sử dụng vật liệu đa dạng, dễ dàng thay đổi vật liệu, chi phí bảo trì thấp và có khả năng sản xuất những chi tiết mỏng, không gia công, không có vật liệu độc hại. Mặt khác, nó tồn tại một vài nhƣợc điểm nhƣ là có đƣờng gân giữa những lớp, đầu đùn phải di chuyển liên tục hoặc vật liệu va đụn, có thể cần phần hỗ trợ, nhiệt độ dao động trong suốt quá trình sản xuất có thể dẫn đến tách tấm [4]. Ƣu điểm: - Tạo ra đƣợc một số sản phẩm thực tế (không phải là tạo ra mẫu) : Với vật liệu ABS, phƣơng pháp FDM có thể tạo ra đƣợc chi tiết có độ bền bằng 85% sản phẩm đƣợc tạo ra bằng phƣơng pháp chế biến nhựa truyền thống.

- Công nghệ chế tạo đầu đùn dễ hơn đầu phun - Sự mô hình hóa các khái niệm làm cho đánh giá hiệu quả hơn, những thông số và giao tiếp của ngƣời thiết kế. Nó có chia sẽ những thiết kế mới của sản phẩm với quản lý, khách hàng, ngƣời mua, thị trƣờng và sự chế tạo. - Chức năng của mẫu FDM sử dụng nhựa dẻo công nghiệp. Đây là một thuận lợi là có thể cho phép ngƣời sử FDM để kiểm tra môi trƣờng thật và đƣa đến quyết định chi phí sản xuất của sản phẩm.

- Giá thành của máy rẻ hơn so với các công nghệ tạo mẫu nhanh khác nhƣ những máy sử dụng tia lazer. HVTH : TRẦN NHƢ LÂM Trang 6 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM - Nâng cao khả năng chế tạo các sản phẩm 3D phức tạp - Các vật liệu đƣợc sử dụng không độc hại nên không lo lắng đối với việc phải tiếp xúc với hóa chất độc hại, các tia laser hoặc các chất hóa học dạng lỏng. Nhƣợc điểm : - Độ chính xác về hình dạng của sản phẩm hạn chế do phụ thuộc vào đƣờng kính vòi đùn và đƣờng kính của sợi vật liệu sau khi ra khỏi vòi đùn. Bề mặt mẫu tạo ra có độ nhám cao do nguyên tắc bồi đắp theo lớp.

- Giữa các lớp đùn có đƣờng phân cách.