Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công nghệ sản xuất đắp dần (in 3D), đặc biệt là phương pháp mô hình hóa bằng lắng đọng nóng chảy (Fused Deposition Modelling - FDM / Fused Filament Fabrication - FFF), đã khẳng định vai trò quan trọng trong việc chế tạo mẫu nhanh, sản xuất linh kiện phức tạp và phục vụ đa dạng các ngành công nghiệp như ô tô, hàng không vũ trụ, y tế và kiến trúc. Tuy nhiên, các dòng máy in 3D FDM thương mại và dân dụng phổ biến hiện nay chủ yếu sử dụng vật liệu đầu vào ở dạng sợi nhựa cuộn (filament) có đường kính tiêu chuẩn từ 1,75 mm đến 3,0 mm. Dạng nguyên liệu này có nhược điểm lớn là giá thành gia công sợi cao, chủng loại vật liệu bị giới hạn (chủ yếu là PLA và ABS sơ cấp), đồng thời không đáp ứng được yêu cầu về năng suất đùn khi mở rộng kích thước in lên quy mô khổ lớn (như hệ thống Big Area Additive Manufacturing - BAAM).

Trong khi đó, nguyên liệu hạt nhựa (pellets) dùng trong công nghiệp hóa dầu và công nghệ ép đùn truyền thống có giá thành thấp hơn rất nhiều, chủng loại phong phú (PE, PP, PS, PVC, PA...) và nguồn cung dồi dào. Việc ứng dụng trực tiếp nguyên lý đùn trục vít để nung chảy hạt nhựa và tạo dòng đùn liên tục cấp cho đầu in 3D là giải pháp kỹ thuật nhằm hạ giá thành nguyên liệu đầu vào và nâng cao năng suất in.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài "Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ đùn ép hạt nhựa cho máy in 3D" do nhóm sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện, tập trung giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về lịch sử công nghệ chế biến vật liệu nhựa, công nghệ in 3D FDM và các dòng máy ép đùn polymer dạng trục vít.
  2. Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí cho cụm đùn ép hạt nhựa trục vít đơn thu nhỏ, bao gồm phễu cấp liệu, xylanh gia nhiệt, trục vít tải 3 vùng chức năng và đầu đùn định hình.
  3. Tính toán lựa chọn động cơ truyền động, bộ truyền đai giảm tốc và hệ thống gia nhiệt điện trở.
  4. Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ và điều khiển tốc độ dẫn động trục vít.
  5. Chế tạo mô hình thực nghiệm, tiến hành đùn thử nghiệm với hạt nhựa kỹ thuật (như PS), phân tích các hiện tượng sai hỏng và đề xuất giải pháp hiệu chỉnh.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là cơ cấu đùn ép hạt nhựa sử dụng trục vít đơn dùng cho máy in 3D. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc tính toán thiết kế cơ khí, mô phỏng kết cấu, gia công chế tạo mô hình thử nghiệm tại xưởng cơ khí và thực nghiệm kiểm chứng khả năng đùn nhựa liên tục tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM vào năm 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự giao thoa giữa hai nền tảng kỹ thuật: công nghệ tạo hình đắp dần FDM/FFF và công nghệ đùn polymer trục vít đơn.

  • Lý thuyết đùn ép nhựa trục vít đơn: Quá trình vận chuyển chất rắn, nén ép, gia nhiệt nóng chảy và bơm định lượng chất lỏng dẻo qua khe hở đầu tạo hình dưới tác dụng của lực ma sát, lực nén cơ học và truyền nhiệt điện trở.
  • Mô hình tính toán cơ học và nhiệt động: Thiết lập phương trình cân bằng áp suất dọc trục, hệ số ma sát giữa vật liệu với xylanh và trục vít, tính toán công suất yêu cầu $N$ (kW), năng suất lý thuyết của trục vít và cân bằng nhiệt lượng nung chảy hạt nhựa.
  • Tiêu chuẩn hình học trục vít công nghiệp: Áp dụng công thức tính toán tiêu chuẩn với góc xoắn răng $\varphi = 17,5^\circ$, bước vít $t = D$, bề rộng răng $e = 0,1D$, tỷ lệ chiều dài trên đường kính $L/D$ trong khoảng từ 16:1 đến 32:1 (chọn các giá trị chuẩn 20:1, 24:1 hoặc 28:1).

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế cơ điện tử và chế tạo - thực nghiệm kiểm chứng:

  • Phương pháp tính toán giải tích: Xác định các thông số động học, động lực học của bộ truyền đai, công suất động cơ, vận tốc và gia tốc chuyển động của hạt nhựa trong rãnh vít.
  • Phương pháp thiết kế CAD/CAE: Dựng mô hình 3D các chi tiết cơ khí của cụm đùn (trục vít, xylanh, bạc đỡ, phễu nạp, puly) trên phần mềm chuyên ngành nhằm kiểm tra tính lắp ghép và không gian làm việc.
  • Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp mô hình thực tế, bố trí mạch gia nhiệt với vòng nhiệt điện trở và cảm biến đo nhiệt, tiến hành nạp hạt nhựa Polystiren (PS) để kiểm tra chất lượng dòng nhựa đùn ra ở các mức nhiệt độ và tốc độ quay khác nhau.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu nghiên cứu bao gồm các thông số nhiệt lý của vật liệu nhựa nhiệt dẻo (nhiệt độ nóng chảy, độ nhớt, nhiệt dung riêng của PE, PP, PS, PVC, PA), thông số kỹ thuật của thép chế tạo máy (18XTT, 40XH thấm nitơ), các tiêu chuẩn thiết kế chi tiết máy và tài liệu công nghệ in 3D khổ lớn BAAM của Cincinnati Incorporated.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống bộ đùn ép hạt nhựa được tính toán và tích hợp từ 3 phân hệ chính: cơ cấu cơ khí đùn ép, phân hệ truyền động và hệ thống gia nhiệt - điều khiển.

Thành phần hệ thống Thông số và giải pháp thiết kế được lựa chọn Vai trò chức năng
Xylanh gia nhiệt Ống thép hợp kim dày, bề mặt trong nhẵn bóng (hoặc có rãnh nén đoạn đầu), bên ngoài quấn vòng nhiệt điện trở công suất $25 - 45\text{ W/in}^2$. Chứa trục vít, dẫn hướng vật liệu, tiếp nhận nhiệt từ điện trở để nung chảy hạt nhựa.
Trục vít đùn Thép 18XTT hoặc 40XH thấm nitơ, góc nghiêng răng $\varphi = 17,5^\circ$, bước vít $t = D$, chia làm 3 vùng: Cấp liệu (rãnh sâu $h_1$), Nén ép (độ sâu giảm dần), Bơm liệu (rãnh nông $h_2$). Vận chuyển hạt nhựa từ phễu, nén đẩy bọt khí ra ngoài, nhào trộn đồng nhất và tạo áp lực đẩy nhựa qua đầu đùn.
Bộ truyền động Động cơ điện (động cơ một chiều kích từ độc lập hoặc động cơ bước) kết hợp bộ truyền đai giảm tốc. Cung cấp mô-men xoắn lớn để quay trục vít ép dòng nhựa có độ nhớt cao qua vòi phun.
Hệ thống điều khiển Mạch điều chỉnh tốc độ động cơ và mạch điều khiển nhiệt độ điện trở gia nhiệt. Giữ nhiệt độ ổn định theo từng vùng nung chảy và kiểm soát lưu lượng đùn nhựa ra đầu vòi.

Hệ thống hoạt động theo nguyên lý: Hạt nhựa từ phễu cấp rơi vào vùng 1 của trục vít, được chuyển tiếp vào vùng nén dưới chuyển động xoay tròn. Vòng nhiệt gia nhiệt gián tiếp qua xylanh làm chảy dẻo hạt nhựa kết hợp với ma sát trượt. Khí thừa được thoát ngược qua miệng phễu. Khi đến vùng bơm liệu, chất dẻo đạt trạng thái nóng chảy đồng nhất và được trục vít tạo áp suất cao đẩy liên tục qua vòi phun có biên dạng tròn nhỏ để cấp trực tiếp vào bàn in hoặc tạo sợi.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này phân tích lịch sử hình thành và phát triển của ngành công nghiệp nhựa thế giới từ phát minh nhựa Parkesine năm 1862 của Alexander Parkes, Celluloid năm 1868 của John Wesley Hyatt, đến máy ép trục vít của James Watson Hendry năm 1946. Tác giả mô tả chuỗi giá trị ngành nhựa từ khâu cracking dầu mỏ/khí thiên nhiên, tổng hợp monomer, trùng hợp polymer đến phối trộn phụ gia (plastic compounders) và gia công thành phẩm. Chương 1 cũng trình bày bức tranh ngành nhựa Việt Nam: sự hình thành nhà máy hóa chất Việt Trì (1959-1962), liên doanh PVC TPC Vina (1998), tốc độ tăng trưởng tiêu thụ chất dẻo bình quân đầu người từ 1 kg/năm (1975) lên trên 50 kg/năm (2016). Đồng thời, tác giả khảo sát các công nghệ gia công nhựa chủ lực tại Việt Nam gồm: công nghệ ép đúc (khoảng 6.000 máy), công nghệ đùn - thổi màng, thổi chai lọ và công nghệ đùn định hình ống/profile.

Chương 2: Giới thiệu

Chương 2 trình bày tổng quan về công nghệ sản xuất đắp dần (in 3D), định nghĩa theo ASTM, lịch sử phát minh SLA của Charles Hull (1986) và sự phát triển của FDM từ Stratasys. Tác giả nêu rõ bước ngoặt năm 2009 khi bằng sáng chế FDM hết hạn bảo hộ đã dẫn đến sự bùng nổ của cộng đồng RepRap và máy in 3D FFF mã nguồn mở. Chương này giới thiệu các dòng máy in 3D khổ lớn ứng dụng đầu đùn hạt nhựa công suất cao như máy BAAM (Big Area Additive Manufacturing) của Cincinnati Incorporated và Lockheed Martin. Tiếp theo, tác giả phân loại chi tiết các loại máy đùn: máy đùn trục vít đơn, máy đùn trục vít đôi (quay cùng chiều/ngược chiều), máy đùn trục hành tinh của Battenfeld và máy đùn kiểu piston (RAM). Cuối chương là phân tích sâu về cấu tạo xylanh (tỷ lệ $L/D$, cơ cấu làm mát quạt gió/chất lỏng) và hình học trục vít 3 vùng (vùng cấp liệu, vùng nén, vùng bơm).

Chương 3: Nghiên cứu thiết kế đầu ép phun cho máy in 3D

Nội dung chương 3 tập trung vào toàn bộ các bước tính toán thiết kế kỹ thuật cho cụm đùn ép hạt nhựa:

  • Tính toán xylanh và trục vít: Xác định quan hệ áp suất dọc trục theo chiều dài vít, hệ số ma sát giữa vật liệu và bề mặt kim loại, xác định phản lực tác dụng lên trục vít.
  • Tính toán động lực học: Thiết lập phương trình chuyển động, gia tốc và vận tốc dịch chuyển của hạt nhựa trong rãnh vít; tính toán năng suất lý thuyết của đầu đùn.
  • Tính toán công suất: Xác định công suất yêu cầu $N$ (kW) để thắng lực ma sát, lực cản chảy dẻo và tổn thất cơ khí; tính chọn công suất sơ bộ cho động cơ dẫn động.
  • Tính toán nhiệt và truyền động: Xác định nhiệt lượng cần cấp để nung chảy hạt nhựa theo năng suất máy; tính toán phân phối tỉ số truyền và thông số hình học của bộ truyền đai.

Chương 4: Lựa chọn vật liệu

Chương 4 phân tích cấu trúc phân tử, tính chất cơ lý và nhiệt độ gia công của các loại nhựa nhiệt dẻo phổ biến: Polyethylene (gồm LDPE, LLDPE, HDPE), Polystyren (PS), Polyvinylclorua (PVC), Polyamide (PA/Nylon), ABS và PLA. Tác giả luận giải việc lựa chọn vật liệu kim loại cho xylanh và trục vít máy đùn (thép 18XTT, 40XH qua tôi và thấm nitơ bề mặt nhằm chống mài mòn và chịu nhiệt cao). Đồng thời, chương này phân tích đặc tính của các dòng động cơ điện (động cơ DC kích từ độc lập và động cơ bước) để ứng dụng vào hệ thống dẫn động đùn ép.

Chương 5: Thiết kế mạch điều khiển

Chương 5 trình bày sơ đồ nguyên lý và sơ đồ đấu nối của hệ thống điều khiển cụm đùn. Nội dung bao gồm mạch điều khiển tốc độ quay của động cơ dẫn động trục vít nhằm điều chỉnh lưu lượng nhựa đùn theo yêu cầu in, kết hợp với mạch điều khiển đóng ngắt các vòng điện trở gia nhiệt thông qua cảm biến nhiệt độ gắn dọc thân xylanh để duy trì dải nhiệt nóng chảy chính xác cho từng loại nhựa.

Chương 6: Thực nghiệm

Chương 6 ghi nhận toàn bộ quá trình lắp ráp và thử nghiệm thực tế của mô hình bộ đùn ép hạt nhựa. Nhóm nghiên cứu tiến hành chạy thử với nguyên liệu hạt nhựa PS, theo dõi quá trình nạp liệu, gia nhiệt và đùn sợi nhựa ra khỏi đầu vòi. Chương này tổng kết bảng số liệu thực nghiệm, chỉ ra các dạng sai hỏng thực tế gồm:

  • Hiện tượng rỗ khí trên bề mặt sợi nhựa đùn do hơi ẩm trong hạt nhựa hoặc bọt khí chưa thoát hết ở vùng nén.
  • Hiện tượng nhựa bị quá nhiệt dẫn đến đổi màu, biến tính nhiệt và suy giảm cơ tính.
  • Đề xuất bảng đối chiếu: Dạng sai hỏng – Nguyên nhân – Biện pháp khắc phục.

Chương 7: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ kết quả thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình đùn ép hạt nhựa; chỉ ra các điểm đạt được trong việc tạo dòng chảy liên tục từ hạt nhựa nguyên sinh và nêu ra các kiến nghị hoàn thiện hệ thống cơ khí, mạch điều khiển nhiệt độ tự động hồi tiếp và khả năng tích hợp lên khung máy in 3D 3 trục hoàn chỉnh.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

  • Đã thiết kế và tính toán hoàn chỉnh các thông số hình học của cụm trục vít đơn 3 vùng chức năng (cấp liệu, nén, bơm) và xylanh gia nhiệt phù hợp cho mô hình đùn hạt nhựa thu nhỏ.
  • Lựa chọn và kiểm nghiệm bộ truyền đai cùng động cơ điện đáp ứng đủ mô-men xoắn để đùn nhựa nóng chảy qua vòi phun có kích thước nhỏ.
  • Chế tạo thành công mô hình phần cứng của bộ đùn ép hạt nhựa và tiến hành thử nghiệm nung chảy, đùn tạo hình sợi liên tục với vật liệu hạt nhựa PS.
  • Xây dựng bảng phân tích nguyên nhân và giải pháp cho các sự cố vận hành:
Dạng sai hỏng thực nghiệm Nguyên nhân xác định Giải pháp khắc phục
Rỗ khí bề mặt sản phẩm Hạt nhựa bị ẩm hoặc vùng cấp/nén không thoát hết bọt khí ra phễu nạp. Sấy khô hạt nhựa trước khi nạp; kiểm soát nhiệt độ vùng cấp liệu thấp hơn nhiệt nóng chảy để tránh bít kín đường thoát khí.
Nhựa bị quá nhiệt / cháy Nhiệt độ vòng nhiệt vượt ngưỡng cho phép hoặc thời gian lưu nhựa trong xylanh quá lâu. Điều chỉnh giảm công suất nhiệt qua bộ điều khiển; tăng tốc độ quay trục vít để giảm thời gian lưu của polymer.

Đóng góp của đề tài

  • Đặt nền tảng nghiên cứu thực nghiệm tại trường về việc thay thế sợi filament đắt tiền bằng hạt nhựa thương phẩm giá rẻ trong công nghệ in 3D.
  • Cung cấp bộ số liệu tính toán chi tiết về hình học trục vít nhỏ, công suất động cơ và cân bằng nhiệt cho hệ thống đùn ép polymer thu nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Mô hình thực nghiệm chưa tích hợp bộ cảm biến áp suất đầu đùn để đo chính xác áp lực dòng nhựa nóng chảy theo thời gian thực.
    • Hiện tượng truyền nhiệt ngược từ vùng nung về vùng nạp liệu đôi khi làm dính hạt nhựa ở cổ phễu nếu hệ thống tản nhiệt làm mát chưa đủ mạnh.
    • Bộ đùn mới dừng lại ở bước thử nghiệm độc lập tạo dòng nhựa, chưa được gắn hoàn chỉnh lên hệ thống khung dẫn động 3 trục (X-Y-Z) của máy in 3D để in ra sản phẩm khối hoàn chỉnh.
  • Hướng phát triển:
    • Bổ sung hệ thống làm mát bằng quạt gió hoặc dung dịch tại vùng nạp liệu để ngăn ngừa dính hạt nhựa.
    • Nghiên cứu tích hợp đầu đùn hạt nhựa lên khung máy in 3D khổ lớn, hoàn thiện thuật toán đồng bộ tốc độ đùn với tốc độ di chuyển của đầu in.
    • Thử nghiệm thêm nhiều loại hạt nhựa kỹ thuật khác như ABS, PLA, PE, PP và nhựa tái chế.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Cơ khí chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật vật liệu polyme đang làm đồ án, khóa luận về máy ép đùn nhựa hoặc máy in 3D FDM.
  • Các nhóm nghiên cứu muốn tự thiết kế, tính toán cơ cấu đùn hạt nhựa trực tiếp (FGF - Fused Granular Fabrication) nhằm tối ưu hóa chi phí vật liệu cho các máy in 3D cỡ lớn.
  • Phần đáng tham khảo nhất là Chương 3 (các công thức tính toán áp lực, công suất, hình học trục vít và truyền động đai) và Chương 6 (bảng phân tích nguyên nhân, xử lý sự cố rỗ khí và quá nhiệt khi đùn nhựa thực tế).

Câu hỏi thường gặp

1. Mục tiêu cốt lõi của việc chuyển từ dùng sợi nhựa (filament) sang hạt nhựa (pellet) trong đồ án này là gì? Mục tiêu cốt lõi là giảm đáng kể chi phí nguyên liệu đầu vào cho máy in 3D và đa dạng hóa nguồn vật liệu sử dụng (tận dụng nguồn hạt nhựa phong phú từ công nghiệp nhựa thương phẩm và nhựa tái chế), đồng thời tạo tiền đề nâng cao năng suất đùn cho các dòng máy in 3D khổ lớn.

2. Trục vít của bộ đùn được chia thành những vùng chức năng nào? Trục vít được thiết kế chia làm 3 vùng rõ rệt: Vùng 1 (Vùng cấp liệu) có rãnh sâu $h_1$ để vận chuyển hạt nhựa; Vùng 2 (Vùng nén) có độ sâu rãnh giảm dần để nén ép hạt nhựa nóng chảy và đẩy khí ngược ra ngoài; Vùng 3 (Vùng bơm/định lượng) có rãnh nông $h_2$ để đồng nhất nhựa lỏng và tạo áp suất cao đẩy qua đầu phun.

3. Tỷ lệ chiều dài trên đường kính ($L/D$) của xylanh có ý nghĩa kỹ thuật gì trong thiết kế? Tỷ lệ $L/D$ xác định mối quan hệ giữa diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (gia nhiệt/giải nhiệt) và khả năng tạo nhiệt do ma sát khi nhào trộn vật liệu. Tỷ lệ này trong máy đùn công nghiệp thường nằm trong dải 16:1 đến 32:1 (các mức thông dụng là 20:1, 24:1, 28:1).

4. Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng rỗ khí bề mặt khi thực nghiệm đùn hạt nhựa PS là gì? Hiện tượng rỗ khí xuất phát từ hai nguyên nhân chính: hạt nhựa đầu vào bị ẩm chưa được sấy khô hoàn toàn trước khi nạp, hoặc nhiệt độ vùng cấp liệu bị quá cao làm hạt nhựa nóng chảy sớm, bịt kín đường thoát khí ngược về phễu khiến bọt khí bị nén và cuốn theo dòng nhựa ra đầu vòi.

5. Vật liệu nào được lựa chọn để gia công xylanh và trục vít của bộ đùn? Trục vít và xylanh chịu mài mòn cơ học và nhiệt độ cao nên được lựa chọn chế tạo từ các mác thép hợp kim có độ bền cao như thép 18XTT hoặc 40XH, bề mặt làm việc được xử lý nhiệt luyện và thấm nitơ để tăng độ cứng và tính chống mài mòn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ đùn ép hạt nhựa cho máy in 3D" đã giải quyết trọn vẹn quy trình từ nghiên cứu tổng quan công nghệ đùn polymer, tính toán thiết kế cơ khí trục vít đơn 3 vùng đến chế tạo và thực nghiệm đùn hạt nhựa PS. Kết quả thực nghiệm đã khẳng định tính khả thi của việc sử dụng hạt nhựa trực tiếp để tạo dòng đùn liên tục, đồng thời chỉ rõ các thông số vận hành và giải pháp khắc phục lỗi rỗ khí, quá nhiệt. Công trình là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo tốt cho sinh viên và kỹ sư cơ khí trong việc phát triển các đầu in 3D đùn hạt nhựa khổ lớn giá thành thấp.