Mở đầu 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Trong nước: Trong lĩnh vực kỹ thuật, các chi tiết thường được liên kết với nhau bằng các khớp nối truyền thống như: khớp bản lề, khớp tịnh tiến, khớp cầu. Những hạn chế cố hữu của các khớp này là luôn tồn tại khe hở nên sẽ gây ra sai số truyền động và sai số này thường cỡ 0,01 mm. Ngoài ra, trong tất cả các loại khớp nối truyền thống luôn có lực ma sát.
Lực này là nguyên nhân làm giảm hiệu suất, gây mài mòn các chi tiết, làm tăng khe hở trong khớp nối theo thời gian, từ đó làm giảm chất lượng hoạt động của thiết bị cũng như chất lượng của sản phẩm. Các khuyết điểm kể trên làm khớp truyền thống không phù hợp với các kết cấu máy có yêu cầu độ chính xác cao (cỡ 0,001 mm) hay không thỏa điều kiện sạch và nhu cầu làm việc trong chân không. Một trong những giải pháp khả thi để khắc phục các khuyết điểm của khớp truyền thống là việc sử dụng cơ cấu đàn hồi. Cơ cấu đàn hồi-mềm cũng cho phép truyền hay biến đổi chuyển động, lực và moment, tuy nhiên, không giống cơ cấu cứng truyền thống, cơ cấu đàn hồi có thể thực hiện ít nhất một hoặc một vài chuyển động nhờ vào sự biến dạng của các khớp đàn hồi chứ không chỉ dựa vào các khớp động thường dùng.
Một dạng cơ cấu đàn hồi thường được sử dụng khi tổng hợp cơ cấu là khớp bản lề đàn hồi. Nó có cấu tạo đơn giản từ một khối vật liệu được cắt khoét một phần và tạo ra chuyển động được là dựa trên độ mềm trong bản thân vật liệu. Chính vì vậy nó khắc phục được các yếu điểm của khớp truyền thống. Do không phải chế tạo từ nhiều chi tiết khác nhau nên khớp nối đàn hồi không tồn tại các nhược điểm như: ma sát, tiếng ồn, mài mòn, phải bôi trơn và khe hở.
Ngoài ra, nó còn tiết kiệm được không gian và giảm chi phí của các bộ phận, vật liệu, lắp ráp và bảo trì. Kết cấu nguyên khối của khớp nối đàn hồi tỏ ra ưu thế khi sử dụng để truyền chuyển động có độ chính xác ở mức micro và dưới micro trong các tác vụ gia công cần độ chính xác cao hay trong các thiết bị y sinh, các hệ thống vi cơ điện tử (MEMS). Ngoài nước: Cơ cấu đàn hồi đang được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới trong những năm gần đây nhằm tạo ra chuyển động nhỏ cỡ micron và có độ chính xác dưới micron, thậm chí nano nhưng chịu tải lớn. Hiện nay, các nghiên cứu tương tự chưa có nhiều ở trong nước.
Các nghiên cứu gần đây tập trung vào cơ cấu định vị chính xác dùng 1 trong quang học, tay kẹp vật kích thước nhỏ micron, tay máy cho chuyển động có độ phân giải đến micron. Lý do chọn đề tài Ở Việt Nam và trên thế giới, các thông tin về in 3D cũng đang là xu hướng quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu. Một số sản phẩm được tạo bằng công nghệ in 3D trong một số lĩnh vực như thiết kế thời trang, linh kiện thay thế, thực phẩm, công nghiệp, xây dựng và y học được áp dụng rất nhiều trong đời sống ngày nay. Công nghệ tạo mẫu nhanh từ khi ra đời đến nay đã được cải tiến và phát triển rất nhiều.
Hàng loạt phương pháp và công nghệ tạo mẫu ra đời, mỗi công nghệ tạo mẫu có những ưu điểm riêng. Hiện nay một trong những phương pháp tạo mẫu được sử dụng phổ biến nhất là công nghệ FDM với những ưu điểm như đơn giản, dễ thiết kế, vật liệu dễ tìm, không gây độc hại. Bên cạnh những ưu điểm đó thì nhược điểm là độ bóng bề mặt thấp, tốc độ in chưa cao. Từ những ưu điểm và nhược điểm đó nhóm quyết định thiết kế chế tạo mẫu máy in 3D có thể phát huy được những ưu điểm của công nghệ này đồng thời nâng cao tốc độ và chất lượng mẫu in.
Một trong những giải pháp khả thi để khắc phục các khuyết điểm máy In 3D ,thì việc ứng dụng rung động trong gia công với phương pháp In cũng đang được nghiên cứu một cách rất tích cực bởi một số hiểu quả của phương pháp này. Hòa nhập với thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước thì việc nghiên cứu và phát triển những phương pháp gia công mới, với những ưu điểm vượt trội hơn so với những phương pháp gia công truyền thống đã đag và sẽ là một mục tiêu và thách thức đối với nền khoa học kỹ thuật nước nhà. Vì vậy nhóm sinh viên Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM dưới sự hướng dẫn của thầy PGS. Phạm Huy Tuân đang nghiên cứu và phát triển cụm đầu in có hỗ trợ rung động trong quá trình gia công, tạo hình thành sản phẩm với những hiệu quả đáng kể đang được nghiên cứu và phát triển trong và ngoài nước.
Cùng với những nghiên cứu trong và ngoài nước thì những ưu điểm đáng kể của phương pháp gia công mới này mang lại như: Tăng chất lượng bề mặt gia công, độ chính xác cũng như là về độ hoàn thiện cho sản phẩm, Giảm hiện tượng hình thành ba- via trên bề mặt gia công, Giảm nhiệt cắt trong quá trình gia công và phun lắng đọng của đầu in, qua đó làm giảm quá trình hư hại đầu in và tăng tuổi thọ cho máy, Giảm hiện tượng xuất hiện phoi sợi (dành cho vật liệu nhựa). Mục tiêu đề tài – Chế tạo, thiết kế thành công mô hình máy in 3D có tích hợp hệ dao động, cụ thể là với tích hợp công nghệ FDM và VA vào bộ phận đầu in. Qua đó thay đổi một số thiết kế so với một số dòng máy in 3D truyền thống, nâng cao chất lượng mẫu in, tốc độ mẫu in. – Lắp ráp hệ thống và thử nghiệm.
– Đánh giá chất lượng sản phẩm khi có sử dụng công nghệ VA thông qua độ hoàn thiện, chất lượng đầu in. – Đánh giá và cải thiện tốc độ in, qua đó kiểm tra lắp ráp và vệ sinh cụm đầu in. – Vận hành mô hình trong thực tế với chất lượng mẫu in tốt phục vụ cho công việc nghiên cứu và giảng dạy trên trường lớp. – Máy được chế tạo đảm bảo an toàn lao động và thân thiện với môi trường.
– Máy được chế tạo có văn bản hướng dẫn sử dụng các thao tác vận hành máy, bảo trì - bảo dưỡng, các công nghệ mà máy có thể thực hiện một cách chi tiết. – Nghiên cứu những ảnh hưởng tích cực của gia công bồi đắp vật liệu có dao động hỗ trợ. Phương pháp nghiên cứu – Phương pháp nghiên cứu, tham khảo lý thuyết (Thu thập, phân tích và biên dịch những tài liệu liên quan đến máy in 3D, công nghệ FDM, VAM, VA…) – Phương pháp thực nghiệm (Dựa trên các kết quả và thất bại trên thực nghiệm, lựa chọn được thiết bị cấu hình thiết kế phù hợp, tối ưu hóa được quy trình thu thập kết quả thí nghiệm). – Phương pháp kế thừa các công trình nghiên cứu đã thực hiện.
– Phương pháp kiểm tra, đánh giá. – Tính toán, thiết kế máy trên các phần mềm CAD/CAE. – Lập trình, mô phỏng gia công trên các phần mềm CAD/CAM/CNC/CAE. – Phương pháp thiết kế cụm đầu in VA với các thông số kích thước bàn máy được thực hiện bởi phương pháp Finite Element Analysis (FEA).
Cùng với chương trình tối ưu của phần mềm MATLAB. Bên cạnh đó phần mềm ANSYS WORKBENCH cũng được ứng dụng để phân tích độ bền, khả năng làm việc của bàn máy VAM, tần số dao động riêng, chuyển vị… 3 1. Cơ sở phương pháp luận Từ cơ cở các tài liệu, các nghiên cứu, đề tài đi trước, các mẫu máy có trên thị trường để phân tích những ưu điểm cũng như những nhược điểm của các dòng máy có trước từ đó lựa chọn thiết kế được mẫu máy tốt hơn. Cách tiếp cận: – Tổng hợp các nghiên cứu, sản phẩm hiện có của thế giới và Việt Nam.
– Đưa ra giải pháp thiết kế, chế tạo và thực nghiệm. – Tối ưu hóa thiết kế mô hình đã được xây dựng theo hàm mục tiêu đề ra. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu – Từ các kết quả nghiên cứu trước đó về khả năng áp dụng công nghệ rung động trong quá trình gia công của các nước đi trước như Đài Loan, Hàn quốc, Nhật Bản… Thì hiện nay đề tài đang nghiên cứu cũng như nâng cao khả năng áp dụng những công nghệ đó vào trong quá trình gia công bồi đắp, cụ thể là với Công nghệ bồi đắp vật liệu, là một chuỗi kết hợp các công đoạn khác nhau để tạo ra một vật thể ba chiều. – Thông quá đó phương pháp nghiên cứu của đề tài là: tối ưu hóa thiết kế và thử nghiệm bằng phần mềm ANSYS sau đó gia công mô hình sau khi thiết kế.
4 Chương 2: Tổng quan về công nghệ in 3D 2. Thống kê tình hình và phân loại các thiết bị 2. Thống kê tình hình Cách đây khoảng 40 năm về trước, những ai lần đầu tiên nghe tiếng phát ra trên radio, nhìn thấy hình mình trên 1 tấm giấy, hay xem những con người bé tí chạy nhảy trong chiếc hộp vuông thì ta đã thấy công nghệ đó thật hiện đại.Ngày nay khoa học công nghệ phát triển vượt bậc, đi bất cứ đâu chúng ta cũng nghe thấy TV 3D, phim 3D, âm thanh 3D, Hình 3D. Tất cả những cụm từ trên dùng để chỉ những công nghệ tạo ảo giác hình khối lên thị giác và thính giác của con người, nhằm mô phỏng lại những gì ta có thể thấy và nghe được.
Nhưng 3D trong công nghệ in 3D là một định nghĩa hoàn toàn khác với 3D mang tính mô phỏng mà ta đã nói như ở trên. In 3D là in ấn ra một vật thể theo không gian ba chiều (Dài-Rộng-Cao) mà ta có thể cầm nắm, quan sát hay sử dụng nó như: mô hình xe hơi, máy bay, lọ hoa, giày, quần áo,. thậm chí là một ngôi nhà, đôi giày, cái chụp đèn ngủ. Đối với in 3D, cảm hứng sáng tạo là vô tận, tất cả những gì bạn cần là một ý tưởng tuyệt vời.
Hiện nay có nhiều công nghệ in 3D, trong đó FDM và SLA là 2 công nghệ 3D được sử dụng rộng rãi nhất: FDM (Fused Deposition Modeling), SLA (Stereolithograp). Công nghệ tạo in 3D hỗ trợ rất nhiều cho người thiết kế và những nhà sản xuất có thể kiểm tra các chi tiết hay hệ thống được thiết kế trước khi được cấp vốn để sản xuất hàng loạt.