Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP) đã trở thành một trong những lĩnh vực phát triển nhanh chóng và có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành như y học, cơ khí, thương mại và quân sự. Theo báo cáo của ngành, công nghệ Fused Deposition Modeling (FDM) là một trong những phương pháp tạo mẫu nhanh được ứng dụng phổ biến nhờ ưu điểm về chi phí thấp, khả năng tạo mẫu với vật liệu nhựa nhiệt dẻo và thiết kế đơn giản. Tại Việt Nam, mặc dù đã có một số nghiên cứu và ứng dụng công nghệ FDM, nhưng so với các nước trong khu vực và trên thế giới, mức độ phát triển vẫn còn hạn chế, đặc biệt trong việc thiết kế và chế tạo máy FDM nội địa.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền động và khung máy cho máy tạo mẫu nhanh FDM nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 6 đến tháng 11 năm 2013 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Mục tiêu cụ thể là khảo sát các thông số dòng lưu chất trên đầu đùn, thiết kế hệ thống truyền động, khung máy, mô phỏng ứng suất, chuyển vị và rung động để đảm bảo máy hoạt động ổn định, giảm sai số và nâng cao chất lượng mẫu đùn.

Việc nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy phát triển công nghệ FDM tại Việt Nam, góp phần giảm chi phí sản xuất, nâng cao năng lực thiết kế và chế tạo máy tạo mẫu nhanh trong nước, đồng thời mở rộng ứng dụng trong các ngành công nghiệp và y tế. Các chỉ số kỹ thuật như kích thước sản phẩm tối đa 200x200x300 mm, vận tốc đùn 20-50 mm/s và vận tốc chạy không 100 mm/s được sử dụng làm tiêu chuẩn đánh giá hiệu quả thiết kế.

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 sau:

  • Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP): Là quá trình tạo mẫu vật thể 3D bằng cách đắp vật liệu theo từng lớp, sử dụng dữ liệu CAD 3D cắt lớp theo định dạng STL. Các phương pháp RP phổ biến gồm SLA, SLS, LOM, 3D Printing và FDM. FDM sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo đùn nóng chảy qua đầu phun để tạo mẫu.

  • Mô hình truyền động cơ khí: Nghiên cứu các hệ thống truyền động đai răng, vít me đai ốc bi và dây cáp trong việc điều khiển chuyển động trục X, Y, Z của máy FDM. Lý thuyết về động cơ bước và động cơ servo được áp dụng để lựa chọn loại động cơ phù hợp với yêu cầu độ chính xác và chi phí.

  • Phân tích phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng để mô phỏng chuyển vị, ứng suất và rung động của hệ thống truyền động và khung máy dưới tác động của tải trọng và nhiệt độ môi trường làm việc. Phương pháp này giúp đánh giá độ bền, độ cứng và ổn định của thiết kế.

Các khái niệm chính bao gồm: chuyển động cơ học đa trục, vật liệu nhựa nhiệt dẻo ABS và các loại vật liệu đỡ, mô phỏng dòng chảy vật liệu nóng chảy tại đầu đùn, rung động cơ học và hệ số an toàn trong thiết kế cơ khí.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu khoa học, báo cáo ngành, các bằng sáng chế quốc tế về máy FDM, cùng với dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng trên phần mềm CAD/CAM và phần mềm phân tích phần tử hữu hạn.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Khảo sát và phân tích: Tổng quan các công nghệ tạo mẫu nhanh, đặc biệt là FDM, khảo sát vật liệu đùn và vật liệu đỡ, phân tích các dạng hỏng và thông số công nghệ liên quan đến quá trình đùn.

  • Thiết kế cơ khí: Sử dụng phần mềm Inventor để thiết kế hệ thống truyền động XY, trục Z và khung máy, tính toán lực tác động, mô men và công suất động cơ cần thiết.

  • Mô phỏng: Thực hiện mô phỏng dòng chảy vật liệu tại đầu đùn để xác định vận tốc đùn tối ưu, mô phỏng chuyển vị, ứng suất và rung động của hệ thống truyền động và khung máy bằng phương pháp phần tử hữu hạn.

  • Chọn mẫu và kiểm tra: Cỡ mẫu thiết kế máy có kích thước sản phẩm tối đa 200x200x300 mm, hành trình trục X, Y lần lượt 500 mm, hành trình trục Z 400 mm. Động cơ bước được lựa chọn do ưu điểm về chi phí, độ ổn định và khả năng chịu quá tải.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong 6 tháng, từ tháng 6 đến tháng 11 năm 2013, bao gồm các giai đoạn khảo sát, thiết kế, mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế hệ thống truyền động XY và trục Z: Hệ thống truyền động XY sử dụng đai răng với động cơ bước, đảm bảo độ chính xác và khả năng điều chỉnh lực căng đai. Trục Z sử dụng bộ truyền vít me đai ốc bi với động cơ bước công suất 200W, đáp ứng yêu cầu tải trọng tối đa 190,2 N và mô men 47,55 Nm. Kích thước hành trình trục X, Y, Z lần lượt là 500 mm, 500 mm và 400 mm.

  2. Mô phỏng dòng chảy vật liệu tại đầu đùn: Mô phỏng xác định vận tốc đùn hợp lý trong khoảng 20-50 mm/s, giúp tránh hiện tượng bẻ cong vật liệu và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Việc điều chỉnh đường kính miệng đầu phun ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng dòng chảy và độ ổn định của quá trình đùn.

  3. Phân tích chuyển vị, ứng suất và rung động: Mô phỏng phần tử hữu hạn cho thấy khung máy bằng thép V50x50x5 mm chịu tải trọng khoảng 385 N với ứng suất trung bình chỉ 0,2 N/mm², thấp hơn nhiều so với giới hạn bền của thép CT38 (380-490 N/mm²). Rung động được kiểm soát hiệu quả nhờ thiết kế khung cứng vững và hệ thống truyền động đồng bộ, giảm sai số và nâng cao độ chính xác sản phẩm.

  4. Lựa chọn vật liệu đùn và vật liệu đỡ: Vật liệu nhựa ABS được chọn làm vật liệu tạo mẫu với đường kính sợi 1,75 mm, nhiệt độ đùn 230-280°C, nhiệt độ buồng làm việc 60-75°C. Vật liệu đỡ WaterWorks-ABS có khả năng tách dễ dàng khi ngâm trong dung môi ở nhiệt độ khoảng 70°C hoặc sử dụng máy siêu âm.

Thảo luận kết quả

Kết quả thiết kế và mô phỏng cho thấy hệ thống truyền động và khung máy được tối ưu để đảm bảo độ chính xác và ổn định trong quá trình tạo mẫu nhanh FDM. Việc sử dụng động cơ bước cho các trục truyền động giúp giảm chi phí và đơn giản hóa hệ thống điều khiển so với động cơ servo, phù hợp với điều kiện nghiên cứu và sản xuất trong nước.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, thiết kế này có ưu điểm về chi phí và khả năng chế tạo dễ dàng, tuy nhiên vẫn cần cải tiến để nâng cao tốc độ đùn và mở rộng kích thước sản phẩm. Mô phỏng dòng chảy vật liệu và rung động cung cấp cơ sở khoa học để điều chỉnh các thông số công nghệ, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm đùn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ vận tốc đùn theo thời gian, bảng so sánh ứng suất và chuyển vị của khung máy dưới các tải trọng khác nhau, cũng như biểu đồ tần số rung động của hệ thống truyền động. Những kết quả này giúp minh chứng tính khả thi và hiệu quả của thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa hệ thống truyền động: Cải tiến hệ thống truyền động đai răng bằng việc sử dụng vật liệu đai có độ bền cao hơn và cơ cấu căng đai tự động để giảm hiện tượng trượt đai, nâng cao độ chính xác chuyển động. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: nhóm kỹ thuật cơ khí.

  2. Nâng cấp động cơ trục Z: Thay thế động cơ bước bằng động cơ servo có khả năng điều khiển chính xác hơn và tốc độ cao hơn, nhằm tăng hiệu suất đùn và giảm thời gian sản xuất. Thời gian thực hiện: 12 tháng; chủ thể: phòng nghiên cứu và phát triển.

  3. Phát triển vật liệu đùn mới: Nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu nhựa nhiệt dẻo mới có tính năng cơ học và nhiệt tốt hơn, phù hợp với yêu cầu sản xuất đa dạng. Thời gian thực hiện: 18 tháng; chủ thể: phòng vật liệu và công nghệ chế tạo.

  4. Mở rộng kích thước máy: Thiết kế và chế tạo máy FDM với kích thước sản phẩm lớn hơn (ví dụ 500x500x500 mm) để đáp ứng nhu cầu sản xuất các chi tiết lớn trong công nghiệp và y tế. Thời gian thực hiện: 24 tháng; chủ thể: nhóm thiết kế cơ khí và tự động hóa.

  5. Ứng dụng mô phỏng nâng cao: Áp dụng các phần mềm mô phỏng tiên tiến hơn để dự đoán chính xác hơn các hiện tượng vật lý trong quá trình đùn và vận hành máy, từ đó tối ưu hóa thiết kế và quy trình sản xuất. Thời gian thực hiện: liên tục; chủ thể: phòng nghiên cứu và phát triển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Công nghệ Chế tạo Máy: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế hệ thống truyền động và khung máy FDM, giúp nâng cao kỹ năng thiết kế và mô phỏng trong lĩnh vực chế tạo máy.

  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm: Các kỹ sư làm việc trong ngành công nghiệp chế tạo máy và sản xuất mẫu nhanh có thể áp dụng các phương pháp thiết kế và mô phỏng trong luận văn để cải tiến sản phẩm và quy trình sản xuất.

  3. Doanh nghiệp sản xuất máy tạo mẫu nhanh: Các công ty sản xuất và phát triển máy FDM có thể tham khảo để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và phát triển các dòng máy phù hợp với thị trường trong nước.

  4. Nhà nghiên cứu vật liệu và công nghệ chế tạo: Luận văn cung cấp thông tin về vật liệu nhựa nhiệt dẻo và vật liệu đỡ trong công nghệ FDM, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu mới và ứng dụng trong sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ FDM có ưu điểm gì so với các phương pháp tạo mẫu nhanh khác?
    FDM có ưu điểm về chi phí thấp, thiết kế đơn giản, sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo đa dạng, không cần nguồn laser hay phản ứng hóa học, thân thiện môi trường và dễ tái chế vật liệu. Ví dụ, FDM phù hợp với sản xuất mẫu lớn và phức tạp với chi phí hợp lý.

  2. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác trong hệ thống truyền động máy FDM?
    Độ chính xác được đảm bảo bằng việc sử dụng động cơ bước với bước di chuyển nhỏ nhất 0,025 mm, hệ thống truyền động đai răng có thể điều chỉnh lực căng đai, và thiết kế khung máy cứng vững giảm rung động. Mô phỏng rung động giúp tối ưu thiết kế.

  3. Vật liệu nhựa ABS có những đặc tính gì phù hợp cho công nghệ FDM?
    Nhựa ABS có độ bền cao, chịu nhiệt tốt, dễ gia công, có tính kháng hóa chất và giá thành hợp lý. Các loại ABS như ABSplus, ABS-M30 có độ bền tăng 40-70% so với ABS thường, phù hợp cho các sản phẩm yêu cầu độ bền và độ chính xác cao.

  4. Tại sao cần mô phỏng dòng chảy vật liệu tại đầu đùn?
    Mô phỏng giúp xác định vận tốc đùn tối ưu, tránh hiện tượng bẻ cong vật liệu, đảm bảo dòng chảy ổn định và chất lượng sản phẩm. Ví dụ, vận tốc đùn trong khoảng 20-50 mm/s được xác định là phù hợp để tránh lỗi trong quá trình đùn.

  5. Làm thế nào để tách vật liệu đỡ khỏi sản phẩm sau khi đùn?
    Vật liệu đỡ như WaterWorks-ABS có thể tách dễ dàng bằng cách ngâm trong dung môi ở nhiệt độ khoảng 70°C hoặc sử dụng máy siêu âm. Điều này giúp giữ nguyên chất lượng sản phẩm và giảm thời gian xử lý sau đùn.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế thành công hệ thống truyền động và khung máy cho máy tạo mẫu nhanh FDM với kích thước sản phẩm tối đa 200x200x300 mm, vận tốc đùn 20-50 mm/s và vận tốc chạy không 100 mm/s.
  • Mô phỏng dòng chảy vật liệu và phân tích rung động giúp tối ưu hóa thiết kế, đảm bảo máy vận hành ổn định và sản phẩm đạt chất lượng cao.
  • Lựa chọn vật liệu nhựa ABS và vật liệu đỡ WaterWorks-ABS phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và chi phí sản xuất trong nước.
  • Kết quả nghiên cứu tạo nền tảng cho việc phát triển máy FDM nội địa, góp phần nâng cao năng lực công nghệ chế tạo máy tại Việt Nam.
  • Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm nâng cấp hệ thống truyền động, mở rộng kích thước máy và phát triển vật liệu mới nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất đa dạng.

Để tiếp tục phát triển công nghệ FDM trong nước, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu này, đồng thời phối hợp nghiên cứu nâng cao hiệu quả và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp và y tế.