Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping Manufacturing - RPM) là sự tích hợp giữa thiết kế có sự trợ giúp của máy tính (CAD), kỹ thuật thiết kế ngược (Reverse Engineering - RE), tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP) và kỹ thuật chế tạo khuôn nhanh (Rapid Tooling - RT). Trong các phương thức sản xuất hiện đại, in 3D (sản xuất đắp dần) đã trở thành công nghệ then chốt phục vụ đa dạng lĩnh vực như công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ, điện tử, y tế, kiến trúc, thực phẩm và giáo dục đào tạo nhờ khả năng chế tạo các biên dạng hình học phức tạp, giảm thiểu phế liệu và rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm.

Tuy nhiên, các chi tiết được chế tạo bằng phương pháp mô hình hóa lắng đọng nóng chảy (Fused Deposition Modeling - FDM) thường bộc lộ hai nhược điểm kỹ thuật lớn: độ bền cơ học chưa cao và độ sai lệch kích thước hình học so với thiết kế ban đầu còn đáng kể do hiện tượng co rút vật liệu và ảnh hưởng của các thông số cài đặt khi in.

Đề tài "Nghiên cứu sản phẩm của máy in 3D với độ chính xác kích thước và bền kéo" (Mã số: SV2019-116) được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ và mục tiêu cụ thể sau:

  1. Nghiên cứu và thiết lập thông số in: Xây dựng tập hợp các thông số công nghệ in FDM đa dạng nhằm làm cơ sở dữ liệu ban đầu phục vụ in thực nghiệm và phân tích so sánh.
  2. Chế tạo mẫu thử chuẩn: Thiết kế và gia công tạo hình các mẫu thử nghiệm cơ tính theo tiêu chuẩn ISO 3167 Loại A1 trên máy in 3D FDM.
  3. Thực nghiệm cơ tính và đo đạc kích thước: Thực hiện đo kiểm kích thước hình học trên 85 mẫu thử và gửi 22 mẫu thử đến trung tâm chuyên môn để kiểm tra phá hủy độ bền kéo.
  4. Phân tích dữ liệu và mô hình hóa quan hệ: Xây dựng các biểu đồ tương quan giữa từng thông số in với sự biến đổi của độ bền kéo và độ sai lệch kích thước sản phẩm.
  5. Xác định miền thông số tối ưu: Đưa ra bảng khuyến nghị thông số công nghệ in FDM tối ưu nhằm đồng thời nâng cao độ bền kéo, hạn chế sai số kích thước và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế (thời gian in, lượng vật liệu tiêu hao).
  • Đối tượng nghiên cứu: Sản phẩm mẫu in 3D nhựa bằng phương pháp FDM.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát các thông số công nghệ máy in 3D FDM và cơ tính/kích thước mẫu thử tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (hoàn thành tháng 06/2019).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ in 3D

Đề tài tổng hợp cơ sở lý thuyết về các công nghệ sản xuất đắp lớp phổ biến:

  • SLA (Stereolithography): Quang hóa đông cứng chất lỏng photopolymer bằng tia laser/UV theo từng lớp.
  • JP (Jetted Photopolymer): Phun photopolymer qua đầu phun kết hợp đèn chiếu UV làm đông kết trực tiếp.
  • FDM (Fused Deposition Modeling): Đùn và đắp từng lớp sợi nhựa nhiệt dẻo nóng chảy qua đầu đùn nhiệt.
  • SLS (Selective Laser Sintering): Thiêu kết bột vật liệu bằng tia laser công suất cao.
  • 3DP (Three-Dimensional Printing): Phun keo kết dính kết hợp màu sắc lên bề mặt các lớp bột vật liệu.
  • LOM (Laminated Object Manufacturing): Cắt và dán ép xếp lớp các vật liệu dạng màng/tấm mỏng (giấy, gỗ).

Đối với công nghệ FDM, vật liệu sử dụng là các loại nhựa nhiệt dẻo gồm PLA, ABS, PETG, Nylon và Poly-carbonate. Trong đó, dải nhiệt độ đùn của vật liệu tạo mẫu ABS dao động từ 200°C đến 280°C, nhiệt độ đùn của vật liệu đỡ ABS từ 200°C đến 260°C.

Lý thuyết độ bền kéo và độ chính xác kích thước

  • Cơ chế phá hủy kéo: Quá trình phá hủy kéo bắt đầu từ những vết nứt tế vi tại vùng chịu ứng suất cục bộ cao, mở rộng dần qua các chu trình chịu tải dẫn đến gãy hỏng hoàn toàn.
  • Tiêu chuẩn mẫu thử: Tiêu chuẩn ISO 3167 Loại A1 quy định kích thước hình học mẫu đo cơ tính kéo cho vật liệu polyme.
Đại lượng kích thước mẫu ISO 3167 Ký hiệu Giá trị tiêu chuẩn Loại A1 (mm)
Chiều dài tổng thể $l_3$ $\ge 170$
Khoảng cách giữa hai điểm bắt đầu thắt $l_2$ $109{,}3 \pm 3{,}2$
Chiều dài đoạn hẹp có cạnh song song $l_1$ $80 \pm 2$
Bán kính vai chuyển tiếp $r$ $24 \pm 1$
Chiều rộng hai đầu kẹp $b_2$ $20{,}0 \pm 0{,}2$
Chiều rộng đoạn hẹp song song $b_1$ $10 \pm 0{,}2$
Độ dày mẫu thử $h$ $4{,}0 \pm 0{,}2$
Khoảng cách ban đầu giữa hai ngàm kẹp - $115 \pm 1$

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích - tổng hợp:

  • Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế, lắp ráp thiết bị in 3D FDM; tạo mẫu thử hàng loạt với việc thay đổi đơn biến từng thông số in; kiểm tra kích thước bằng dụng cụ đo cơ khí chính xác; đo kéo phá hủy mẫu trên máy kéo nén chuyên dụng.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm thu được từ 85 mẫu đo kích thước và 22 mẫu thử kéo gửi về từ trung tâm kiểm định cơ tính vật liệu.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy in 3D FDM độ chính xác cao được thiết kế và chế tạo bao gồm hai phân hệ chính: hệ thống cơ khí đa trục và hệ thống điều khiển điện tử.

                  +-----------------------------------+
                  |      BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM      |
                  |     (Arduino Mega 2560 + RAMPS 1.4|
                  |       + Màn hình LCD 12864-XL)    |
                  +-----------------+-----------------+
                                    |
          +-------------------------+-------------------------+
          |                         |                         |
          v                         v                         v
+-------------------+     +-------------------+     +-------------------+
|  CỤM TRỤC X       |     |  CỤM TRỤC Y       |     |  CỤM TRỤC Z       |
| - Động cơ servo   |     | - Động cơ bước    |     | - Động cơ bước    |
|   SGMAV10A        |     |   KH56KM2-907     |     |   KH56KM2-907     |
| - Đai răng (b=10) |     | - Đai răng m=1.5  |     | - Vitme 50CrMo4   |
| - Ray TBI THR-F   |     | - Ray dẫn hướng   |     |   (bước 10mm)     |
| - Hành trình      |     | - Hành trình      |     | - Ray dẫn hướng   |
|   1200mm          |     |   1100mm          |     | - Hành trình 800mm|
+-------------------+     +-------------------+     +-------------------+
                                    |
                                    v
                          +-------------------+
                          |     ĐẦU PHUN      |
                          | (Extruder nóng/lạnh|
                          |  + Rơ-le gia nhiệt|
                          |  + Cảm biến nhiệt)|
                          +-------------------+

Thiết kế hệ thống cơ khí

Thông số thiết kế Cụm trục X Cụm trục Y Cụm trục Z
Động cơ truyền động SGMAV10A KH56KM2-907 KH56KM2-907
Cơ cấu truyền động Đai răng ($b = 10\text{ mm}$, $a = 25\text{ mm}$) Đai răng ($m = 1{,}5$, $b = 10\text{ mm}$, $a = 114\text{ mm}$) Trục vitme bi thép 50CrMo4 ($l = 10\text{ mm/vòng}$)
Cơ cấu dẫn hướng Ray trượt vuông TBI THR-F Thanh ray và con trượt vuông Ray trượt vuông ($K = 1{,}5$)
Hành trình dịch chuyển ($L_s$) $1200\text{ mm}$ $1100\text{ mm}$ $800\text{ mm}$
Vận tốc lớn nhất ($V$) $12\text{ m/phút}$ ($0{,}2\text{ m/s}$) $12\text{ m/phút}$ ($0{,}2\text{ m/s}$) $12\text{ m/phút}$ ($0{,}2\text{ m/s}$)
Gia tốc lớn nhất ($a$) $5\text{ m/s}^2$ $5\text{ m/s}^2$ $5\text{ m/s}^2$ ($g/2$)
Khoảng cách 2 con chạy ($l_1$) $45\text{ mm}$ $62\text{ mm}$ $36\text{ mm}$
Đặc tính tải & độ chính xác Khối lượng đầu đùn gắn ngoài Bàn máy dịch chuyển Tải nâng $M = 14\text{ kg}$; độ chính xác lặp $0{,}005\text{ mm}$; sai lệch không tải $0{,}03/1000\text{ mm}$

Cụm đầu phun nhựa (Extruder) được thiết kế gồm hai phần tách biệt: cụm đầu lạnh (cold end) trang bị động cơ bước để kẹp và đẩy sợi nhựa vào ổn định, cùng cụm đầu nóng (hot end) trang bị thanh gia nhiệt điện trở rơ-le và cảm biến nhiệt nhằm hóa lỏng chính xác sợi nhựa trước khi đùn qua đầu phun.

Hệ thống điều khiển điện tử và phần mềm

  • Mạch điều khiển trung tâm: Mạch RAMPS 1.4 kết hợp với bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560. Mạch tích hợp hệ thống cách ly quang (OPTO) chống nhiễu tín hiệu, hỗ trợ điện áp đầu vào dải rộng từ 12V đến 24V, cung cấp ba đầu ra 5V và ba đầu ra 24V, có mạch bảo vệ ngắt khi quá dòng và quá nhiệt.
  • Module điều khiển động cơ bước: Driver MKS TB6600 (PWM chopper lưỡng cực sin) chịu được điện áp cực đại $V_{CC} = 50\text{ V}$, dòng điện định mức cực đại $I_{OUT} = 5{,}5\text{ A}$, vỏ tản nhiệt nhôm kích thước $50 \times 50 \times 23\text{ mm}$, tích hợp bảo vệ nhiệt tắt (TSD), khóa thấp áp (UVLO), phát hiện quá dòng (ISD), hỗ trợ các chế độ vi bước: $1/1$, $1/2\text{A}$, $1/2\text{B}$, $1/4$, $1/8$, $1/16$. Ngoài ra hệ thống còn sử dụng driver B242 và driver A4988/DRV8825.
  • Giao tiếp hiển thị: Màn hình LCD 12864-XL cho phép cấu hình và theo dõi tọa độ, tốc độ, nhiệt độ bàn in và đầu đùn trực tiếp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện bức tranh công nghệ tạo mẫu nhanh trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả phân tích chi tiết nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của 6 công nghệ in 3D cơ bản (SLA, JP, FDM, SLS, 3DP, LOM) và các ứng dụng thực tế trong công nghiệp ô tô (xe Urbee), hàng không vũ trụ (Airbus, NASA in linh kiện ngoài không gian), y tế (tái tạo mô, xương hàm, tai người), xây dựng (nhà in đắp lớp Contour Crafting) và giáo dục.

Tiểu mục kỹ thuật đi sâu vào công nghệ FDM, phân tích các thông số vận hành máy (đường kính sợi đùn, nhiệt độ đầu đùn 200–280°C, hành trình trục XYZ, tốc độ đùn) và các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm như loại vật liệu (PLA, ABS, PETG, Nylon, Poly-carbonate), độ dày thành (Perimeters), chiều cao lớp (Layer Height), kiểu điền đầy (Infill Pattern) và mật độ điền đầy (Infill Density). Chương này cũng xác lập cơ sở lý thuyết về ứng suất kéo, cơ chế tạo vết nứt tế vi, quy chuẩn thử nghiệm kéo ISO 3167 Loại A1 và định rõ mục tiêu, nội dung nghiên cứu của đề tài.

Chương 2: Thiết kế chế tạo máy in 3D

Chương 2 trình bày toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế và chế tạo thực tế máy in 3D FDM khổ lớn, độ chính xác cao. Nội dung tập trung vào:

  • Tính toán động học và động lực học cụm trục X: Lựa chọn động cơ SGMAV10A, thiết kế bộ truyền đai răng bước rộng $b=10\text{ mm}$, tính chọn ray trượt TBI THR-F với vận tốc $0{,}2\text{ m/s}$, gia tốc $5\text{ m/s}^2$ trên hành trình $1200\text{ mm}$.
  • Tính toán cụm trục Z: Xác định tải trọng $M=14\text{ kg}$ (hệ số an toàn $K=1{,}5$), chọn trục vitme bi thép 50CrMo4 bước $10\text{ mm/vòng}$, động cơ KH56KM2-907 tốc độ $3000\text{ rpm}$, tính toán đảm bảo độ chính xác vị trí không tải $0{,}03/1000\text{ mm}$ và độ lặp $0{,}005\text{ mm}$.
  • Tính toán cụm trục Y: Thiết kế cơ cấu truyền động đai răng mô-đun $m=1{,}5$, $b=10\text{ mm}$, khoảng cách trục $114\text{ mm}$, hành trình $1100\text{ mm}$ kết hợp động cơ bước KH56KM2-907.
  • Thiết kế cụm đầu đùn nhựa (Extruder) và tích hợp hệ thống điều khiển: Lắp ráp bo mạch RAMPS 1.4 phối hợp Arduino Mega 2560, màn hình LCD 12864-XL và các mạch công suất driver MKS TB6600 (dòng tải $5{,}5\text{ A}$, áp $50\text{ V}$).

Chương 3: Thiết kế, chế tạo mẫu thử bằng phương pháp in 3D

Chương 3 trình bày quy trình công nghệ chế tạo mẫu thử thực nghiệm:

  • Thiết kế hình học mẫu thử kéo tiêu chuẩn ISO 3167 Loại A1 trên phần mềm CAD với các kích thước chuẩn: chiều dài tổng thể $\ge 170\text{ mm}$, chiều rộng đoạn thắt $10\text{ mm}$, chiều dày $4\text{ mm}$.
  • Sử dụng phần mềm cắt lớp (slicing software) để chuyển đổi mô hình 3D sang mã lệnh G-code.
  • Thiết lập ma trận thông số công nghệ in FDM phục vụ khảo sát gồm:
    • Chiều cao lớp in (Layer Height)
    • Chiều cao lớp in đầu tiên (First Layer Height)
    • Mật độ điền đầy ruột (Infill Density)
    • Dạng hoa văn điền đầy ruột (Infill Pattern)
    • Hoa văn điền đầy bề mặt đáy/đỉnh (Top/Bottom Infill Pattern)
    • Nhiệt độ đầu đùn (Temperature Extruder)
    • Số lớp đường bao (Perimeters)
    • Số lớp đặc trên bề mặt đỉnh (Solid Layer Top)
    • Số lớp đặc trên bề mặt đáy (Solid Layer Bottom)
  • Thực hiện gia công in tạo hình toàn bộ 85 mẫu kiểm tra kích thước và 22 mẫu kiểm tra kéo theo các bộ thông số đã lập.

Chương 4: Khảo sát chất lượng sản phẩm in 3D

Chương 4 ghi nhận phương pháp, trình tự và dữ liệu đo đạc thực nghiệm:

  • Tiến hành đo đạc kích thước thực tế của 85 mẫu in bằng dụng cụ đo chính xác, so sánh đối chiếu với kích thước danh nghĩa trên bản vẽ thiết kế để tính toán sai số hình học.
  • Gửi 22 mẫu thử kéo tiêu chuẩn đến trung tâm thử nghiệm cơ tính vật liệu để kéo đứt phá hủy, thu thập số liệu về lực kéo giới hạn, độ giãn dài và độ bền kéo cực đại.
  • Xây dựng hệ thống biểu đồ thực nghiệm đánh giá quy luật biến thiên của độ bền kéo và độ sai lệch kích thước theo từng biến số công nghệ in:
    • Biến thiên theo Layer Height (Hình 4.1)
    • Biến thiên theo First Layer Height (Hình 4.2)
    • Biến thiên theo Infill Density (Hình 4.3)
    • Biến thiên theo Infill Pattern (Hình 4.4)
    • Biến thiên theo Top/Bottom Infill Pattern (Hình 4.5)
    • Biến thiên theo Temperature Extruder (Hình 4.6)
    • Biến thiên theo Perimeters (Hình 4.7)
    • Biến thiên theo Solid Layer Top (Hình 4.8)
    • Biến thiên theo Solid Layer Bottom (Hình 4.9)
  • Đánh giá các yếu tố thuận lợi, khó khăn trong quá trình thực nghiệm, tổng kết các kết quả đạt được và chỉ rõ những vấn đề còn tồn tại.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

  • Chế tạo thành công thiết bị: Hoàn thành máy in 3D FDM khổ lớn với hành trình làm việc ba trục $X \times Y \times Z = 1200 \times 1100 \times 800\text{ mm}$, cơ cấu dẫn động vitme bi 50CrMo4 và ray trượt vuông TBI THR-F hoạt động ổn định ở vận tốc $12\text{ m/phút}$, gia tốc $5\text{ m/s}^2$.
  • Dữ liệu thực nghiệm đầy đủ: Thu thập trọn vẹn số liệu kiểm tra cơ tính kéo của 22 mẫu thử chuẩn ISO 3167 Loại A1 và số liệu sai số kích thước từ 85 mẫu thử in FDM.
  • Quy luật ảnh hưởng của thông số in:
    • Độ dày lớp in (Layer Height): Ảnh hưởng trực tiếp đến độ liên kết giữa các lớp đắp; lớp in mỏng giúp tăng diện tích tiếp xúc nhiệt và độ kết dính, cải thiện độ bền kéo và độ mịn bề mặt nhưng làm tăng thời gian in.
    • Mật độ điền đầy (Infill Density): Tỷ lệ thuận với độ bền kéo; mật độ điền đầy càng cao thì khả năng chịu lực căng danh nghĩa của chi tiết càng lớn.
    • Nhiệt độ đầu đùn (Temperature Extruder): Nhiệt độ đùn tối ưu giúp nhựa nóng chảy hoàn toàn, tăng độ bám dính giữa các đường đùn mà không làm thoái hóa nhiệt vật liệu.
    • Số lớp vỏ (Perimeters) và số lớp đặc (Solid Layers): Đóng vai trò chịu ứng suất kéo biên chính; gia tăng số vòng viền giúp nâng cao đáng kể độ bền kéo mà không cần tăng mật độ ruột lên 100%.
    • Sai lệch kích thước: Hiện tượng co ngót nhiệt phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ đầu đùn, chiều cao lớp in đầu tiên và tốc độ nguội của vật liệu nhựa.

Đóng góp của đề tài

  1. Về mặt kỹ thuật chế tạo máy: Cung cấp bộ hồ sơ tính toán, thiết kế chi tiết hệ thống truyền động cơ khí (vitme bi, đai răng, ray trượt vuông) và mạch điều khiển bán dẫn công suất (RAMPS 1.4, Arduino Mega 2560, MKS TB6600) cho máy in 3D FDM.
  2. Về mặt công nghệ in: Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm định lượng về mối quan hệ giữa 9 thông số cài đặt in FDM với độ bền kéo và độ chính xác kích thước sản phẩm.
  3. Giá trị ứng dụng: Giúp người vận hành máy in 3D FDM thiết lập được miền thông số in tối ưu, cân bằng giữa yêu cầu cơ tính, độ chính xác lắp ghép và tiết kiệm chi phí vật liệu/thời gian chế tạo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Số lượng mẫu thử kéo phá hủy còn giới hạn ở 22 mẫu do điều kiện kinh phí và phụ thuộc vào thiết bị đo kéo tại trung tâm kiểm định bên ngoài.
  • Chưa khảo sát toàn diện sự biến đổi cơ tính trên nhiều chủng loại vật liệu nhựa FDM kỹ thuật khác nhau (chủ yếu tập trung trên nhóm vật liệu nhiệt dẻo cơ bản).
  • Ảnh hưởng của môi trường in (nhiệt độ buồng in, độ ẩm không khí) chưa được kiểm soát và đánh giá triệt để trong quá trình tạo mẫu.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng khảo sát thêm các chỉ tiêu cơ tính khác của sản phẩm in 3D FDM như độ bền uốn, độ bền va đập, độ cứng bề mặt và độ bền mỏi chu kỳ cao.
  • Nghiên cứu công nghệ in 3D trên các vật liệu nhựa kỹ thuật chịu lực cao (Nylon pha sợi carbon, PC, PEEK).
  • Thiết kế bổ sung buồng in giữ nhiệt có điều khiển nhiệt độ chủ động để giảm thiểu triệt để hiện tượng co ngót nhiệt và tăng cường độ chính xác kích thước chi tiết lớn.

Giá trị tham khảo

Báo cáo nghiên cứu khoa học là tài liệu tham khảo chuyên môn cho:

  • Sinh viên, học viên ngành Công nghệ Chế tạo Máy, Cơ khí, Cơ điện tử: Tham khảo phương pháp tính toán chọn động cơ, chọn vitme bi, đai răng, thanh ray dẫn hướng và tích hợp mạch điều khiển vi bước công suất cao (MKS TB6600, RAMPS 1.4).
  • Kỹ sư vận hành và tối ưu hóa công nghệ in 3D: Tham khảo quy trình thiết lập thông số cắt lớp (slicing parameters), hiểu rõ quy luật ảnh hưởng của Layer Height, Infill Density, Perimeters, Temperature Extruder đến cơ tính kéo và độ sai lệch kích thước chi tiết FDM.
  • Người nghiên cứu vật liệu polyme và công nghệ tạo mẫu nhanh: Tham khảo quy trình chế tạo mẫu thử kéo tiêu chuẩn ISO 3167 Loại A1 bằng phương pháp đắp lớp.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài sử dụng tiêu chuẩn nào để thiết kế mẫu thử độ bền kéo và kích thước danh nghĩa là bao nhiêu?

Đề tài sử dụng mẫu thử kéo tiêu chuẩn ISO 3167 Loại A1 với các thông số kích thước danh nghĩa: chiều dài tổng thể $l_3 \ge 170\text{ mm}$, khoảng cách giữa hai điểm bắt đầu thắt $l_2 = 109{,}3 \pm 3{,}2\text{ mm}$, chiều dài đoạn hẹp song song $l_1 = 80 \pm 2\text{ mm}$, bán kính vai chuyển tiếp $r = 24 \pm 1\text{ mm}$, chiều rộng hai đầu kẹp $b_2 = 20{,}0 \pm 0{,}2\text{ mm}$, chiều rộng đoạn hẹp $b_1 = 10 \pm 0{,}2\text{ mm}$, độ dày mẫu $h = 4{,}0 \pm 0{,}2\text{ mm}$ và khoảng cách ngàm kẹp $115 \pm 1\text{ mm}$.

2. Hệ cơ khí các trục X, Y, Z của máy in 3D được thiết kế bằng các linh kiện dẫn động nào?

  • Trục X: Sử dụng động cơ servo SGMAV10A, dẫn động bằng đai răng ($b = 10\text{ mm}$, $a = 25\text{ mm}$), dẫn hướng bằng ray trượt vuông TBI THR-F, hành trình $1200\text{ mm}$.
  • Trục Y: Sử dụng động cơ bước KH56KM2-907, dẫn động bằng đai răng ($m = 1{,}5$, $b = 10\text{ mm}$, $a = 114\text{ mm}$), dẫn hướng bằng ray trượt vuông, hành trình $1100\text{ mm}$.
  • Trục Z: Sử dụng động cơ bước KH56KM2-907, dẫn động bằng trục vitme bi vật liệu thép 50CrMo4 bước $10\text{ mm/vòng}$, dẫn hướng bằng ray trượt vuông, tải trọng nâng $M = 14\text{ kg}$, hành trình $800\text{ mm}$.

3. Hệ thống điều khiển máy in 3D sử dụng vi điều khiển và mạch công suất nào?

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm là board RAMPS 1.4 tích hợp bo vi điều khiển Arduino Mega 2560 (có cách ly quang OPTO chống nhiễu, hỗ trợ nguồn 12V–24V, cung cấp ba ngõ ra 5V và ba ngõ ra 24V), kết hợp với các mạch driver công suất điều khiển động cơ bước MKS TB6600 ($V_{CC} = 50\text{ V}$, dòng $I_{OUT} = 5{,}5\text{ A}$, vi bước tối đa $1/16$) cùng màn hình LCD 12864-XL.

4. Tổng số lượng mẫu thực nghiệm được chế tạo và đo kiểm trong đề tài là bao nhiêu?

Nghiên cứu đã gia công và thực nghiệm đo kiểm trên 85 mẫu thử độ chính xác kích thước và 22 mẫu thử độ bền kéo tiêu chuẩn.

5. Những thông số in (slicing parameters) nào được khảo sát để đánh giá chất lượng sản phẩm?

Có 9 thông số công nghệ in chính được khảo sát: Chiều cao lớp (Layer Height), Chiều cao lớp đầu tiên (First Layer Height), Mật độ điền đầy (Infill Density), Kiểu hoa văn điền đầy (Infill Pattern), Kiểu điền đầy đỉnh/đáy (Top/Bottom Infill Pattern), Nhiệt độ đầu đùn (Temperature Extruder), Số vòng biên (Perimeters), Số lớp đặc đỉnh (Solid Layer Top) và Số lớp đặc đáy (Solid Layer Bottom).

Kết luận

Công trình nghiên cứu khoa học sinh viên mã số SV2019-116 đã hoàn thành việc thiết kế, tính toán cơ khí và chế tạo một hệ thống máy in 3D FDM khổ lớn với độ chính xác cao. Thông qua việc thực nghiệm trên 85 mẫu đo kích thước và 22 mẫu thử kéo tiêu chuẩn ISO 3167 Loại A1, đề tài đã làm sáng tỏ quy luật tác động của các thông số công nghệ in chính đến độ bền cơ học và dung sai hình học của sản phẩm. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm và giải pháp chọn vùng thông số in tối ưu, phục vụ trực tiếp cho việc ứng dụng công nghệ in 3D FDM trong chế tạo và sản xuất công nghiệp.