Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP) bằng phương pháp in 3D đã trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành kỹ thuật cơ khí và sản xuất hiện đại. Theo báo cáo ngành, thị trường công nghệ in 3D toàn cầu đạt khoảng 3,1 tỷ USD năm 2013 và dự kiến tăng trưởng trung bình 32% mỗi năm, đạt 21 tỷ USD vào năm 2020. Tuy nhiên, một trong những hạn chế lớn của công nghệ RP là độ chính xác của mẫu in chưa cao, đặc biệt khi so sánh với các phương pháp truyền thống như CAD/CAM/CNC. Độ chính xác thấp ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và hiệu quả ứng dụng trong thực tế.

Luận văn tập trung nghiên cứu và tối ưu hóa ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến độ chính xác của mẫu trong công nghệ tạo mẫu nhanh trên máy in 3D Prusa i3, sử dụng phương pháp FDM (Fused Deposition Modelling) với vật liệu PLA (Polylactic Acid). Phạm vi nghiên cứu bao gồm các kích thước mẫu in từ 1 mm đến 250 mm theo trục Z, thực hiện tại Trường Đại học Thủy Lợi, Hà Nội, năm 2019. Mục tiêu chính là xây dựng phương trình bù sai số nhằm nâng cao độ chính xác kích thước mẫu in, góp phần cải thiện chất lượng sản phẩm và mở rộng ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ in 3D tại Việt Nam, giúp giảm thiểu sai số kích thước, tiết kiệm chi phí và thời gian sản xuất, đồng thời nâng cao năng lực cạnh tranh của các doanh nghiệp trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và sản xuất mẫu nhanh.

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 ra mô hình vật lý 3D từ dữ liệu thiết kế CAD bằng cách đắp từng lớp vật liệu. RP giúp rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm và giảm chi phí thử nghiệm.
  • Phương pháp FDM (Fused Deposition Modelling): Là kỹ thuật in 3D phổ biến sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo như PLA, ABS. Vật liệu được nung chảy và đùn qua đầu phun để tạo từng lớp chồng lên nhau.
  • Sai số kích thước trong in 3D: Bao gồm sai số do cơ khí (dây đai, puli, vít me), sai số do lớp in (độ dày lớp, nhiệt độ in), và sai số do phần mềm điều khiển (chuyển đổi dữ liệu CAD sang STL, hiệu chỉnh G-code).
  • Phương pháp bù sai số: Xác định sai số thực tế của mẫu in so với kích thước danh nghĩa, từ đó tính toán giá trị bù để điều chỉnh dữ liệu đầu vào nhằm nâng cao độ chính xác.

Các khái niệm chính bao gồm: độ chính xác kích thước, sai số lớp in, vật liệu PLA, máy in 3D Prusa i3, và phần mềm Ultimaker Cura.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích số liệu:

  • Nguồn dữ liệu: Mẫu in 3D được tạo trên máy in Prusa i3 với vật liệu PLA, kích thước mẫu theo trục Z từ 1 mm đến 250 mm, chia thành 4 nhóm kích thước (1-10 mm, 10-50 mm, 50-150 mm, 150-250 mm).
  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn kích thước mẫu đại diện cho phạm vi in thực tế, đảm bảo tính đa dạng và khả năng đánh giá sai số theo từng khoảng kích thước.
  • Phương pháp đo kiểm tra: Sử dụng thước cặp Mitutoyo với độ chính xác 0,01 mm để đo kích thước thực tế của mẫu in trên các mặt khác nhau, lấy giá trị trung bình để xác định sai số.
  • Phân tích số liệu: Tính sai số kích thước (AX) giữa kích thước danh nghĩa và thực tế, xây dựng phương trình bù sai số (By) dựa trên kết quả đo, áp dụng điều chỉnh trong phần mềm Ultimaker Cura để in mẫu hiệu chỉnh.
  • Timeline nghiên cứu: Quá trình thực nghiệm và phân tích kéo dài trong năm 2019, với các bước thiết kế mẫu, in thử, đo đạc, tính toán sai số và hiệu chỉnh.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khách quan, chính xác và khả năng áp dụng thực tiễn cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Sai số kích thước theo trục Z tăng theo chiều cao mẫu:

    • Với mẫu kích thước từ 1-10 mm, sai số trung bình khoảng 0,1 mm.
    • Mẫu từ 150-250 mm có sai số lên đến khoảng 0,3 mm.
      Điều này cho thấy sai số tích lũy theo chiều cao, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác tổng thể.

  2. Ảnh hưởng của độ dày lớp in đến sai số:

    • Độ dày lớp in 0,2 mm gây sai số khoảng 0,05-0,2 mm trên mỗi lớp.
    • Lớp in càng dày thì sai số càng lớn, đặc biệt trên trục Z, làm biến dạng kích thước thực tế so với thiết kế.

  3. Hiệu quả của phương pháp bù sai số:

    • Sau khi áp dụng giá trị bù By vào phần mềm Cura, sai số kích thước giảm trung bình 40-50% so với mẫu in chưa hiệu chỉnh.
    • Ví dụ, sai số trục Z từ 0,3 mm giảm xuống còn khoảng 0,15 mm sau hiệu chỉnh.

  4. Ảnh hưởng của các yếu tố cơ khí:

    • Dây đai trục X, Y chưa căng đúng mức và vít me trục Z không chuẩn gây ra dao động và sai lệch kích thước.
    • Các vết lượn sóng trên bề mặt mẫu in xuất hiện do rung động và lắp đặt không chính xác.

Thảo luận kết quả

Sai số kích thước trong in 3D Prusa i3 chủ yếu do sự tích lũy sai số lớp in và các yếu tố cơ khí. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu gần đây cho thấy sai số trục Z thường lớn hơn trục X, Y do ảnh hưởng của độ dày lớp in và cơ cấu vít me. Việc áp dụng phương pháp bù sai số dựa trên dữ liệu thực nghiệm giúp cải thiện đáng kể độ chính xác, đồng thời giảm thiểu sai lệch kích thước so với thiết kế CAD.

Biểu đồ sai số trước và sau hiệu chỉnh thể hiện rõ sự giảm đáng kể sai số, minh chứng cho hiệu quả của phương pháp nghiên cứu. So với các nghiên cứu khác, luận văn đã mở rộng phạm vi kích thước mẫu và tập trung vào máy in Prusa i3, một trong những dòng máy phổ biến nhất hiện nay, giúp tăng tính ứng dụng thực tế.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm in 3D, giảm chi phí vật liệu phế thải và thời gian chỉnh sửa mẫu, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất công nghiệp và giáo dục.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường bảo trì và hiệu chỉnh cơ khí định kỳ:

    • Thực hiện kiểm tra và căng dây đai trục X, Y thường xuyên để giảm dao động.
    • Kiểm tra và thay thế vít me trục Z khi phát hiện mòn hoặc không chính xác.
    • Chủ thể thực hiện: Bộ phận kỹ thuật vận hành máy in.
    • Timeline: Hàng tháng.

  2. Áp dụng phương pháp bù sai số tự động trong phần mềm Cura:

    • Cập nhật giá trị bù By dựa trên kết quả thực nghiệm để tự động điều chỉnh kích thước mẫu in.
    • Chủ thể thực hiện: Người vận hành máy in và kỹ sư phần mềm.
    • Timeline: Ngay sau khi hoàn thành nghiên cứu.

  3. Giảm độ dày lớp in để nâng cao độ chính xác:

    • Sử dụng độ dày lớp in từ 0,05 đến 0,1 mm cho các mẫu yêu cầu độ chính xác cao.
    • Chủ thể thực hiện: Người thiết kế và vận hành máy in.
    • Timeline: Theo yêu cầu sản xuất.

  4. Đào tạo nâng cao kỹ năng vận hành máy in 3D:

    • Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật vận hành, bảo trì và xử lý sai số cho nhân viên.
    • Chủ thể thực hiện: Trường đại học, trung tâm đào tạo kỹ thuật.
    • Timeline: Định kỳ hàng năm.

Các giải pháp trên nhằm mục tiêu giảm sai số kích thước xuống dưới 0,1 mm, nâng cao chất lượng mẫu in, đồng thời tăng hiệu quả sản xuất và tiết kiệm chi phí.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật cơ khí:

    • Học hỏi phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và tối ưu hóa công nghệ in 3D.
    • Áp dụng kiến thức vào các đề tài liên quan đến sản xuất mẫu nhanh.

  2. Kỹ sư vận hành và bảo trì máy in 3D:

    • Nắm bắt các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác và cách khắc phục sai số.
    • Cải thiện quy trình vận hành, bảo trì máy in để nâng cao hiệu suất.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và thiết kế sản phẩm:

    • Áp dụng công nghệ in 3D hiệu quả hơn trong quy trình phát triển sản phẩm.
    • Giảm chi phí và thời gian thử nghiệm mẫu, nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

  4. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ in 3D:

    • Tham khảo kết quả nghiên cứu để phát triển các đề tài mới.
    • Cập nhật kiến thức về công nghệ in 3D và phương pháp tối ưu hóa độ chính xác.

Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn và cơ sở khoa học giúp các đối tượng trên nâng cao năng lực chuyên môn và ứng dụng công nghệ in 3D hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao độ chính xác của mẫu in 3D Prusa i3 lại bị ảnh hưởng nhiều bởi trục Z?
    Sai số trục Z tích lũy do độ dày lớp in và cơ cấu vít me trục Z. Mỗi lớp in có sai số nhỏ, nhưng khi cộng dồn theo chiều cao mẫu, sai số tổng thể tăng lên. Ví dụ, với độ dày lớp 0,2 mm, sai số có thể lên đến 0,3 mm cho mẫu cao 250 mm.

  2. Phương pháp bù sai số hoạt động như thế nào?
    Phương pháp này tính toán sai số thực tế giữa kích thước danh nghĩa và mẫu in, sau đó điều chỉnh dữ liệu CAD đầu vào bằng giá trị bù. Phần mềm in 3D sẽ tự động hiệu chỉnh để mẫu in ra gần đúng kích thước mong muốn, giảm sai số đáng kể.

  3. Vật liệu PLA có ưu điểm gì trong in 3D?
    PLA là nhựa nhiệt dẻo sinh học, thân thiện môi trường, dễ in, không có mùi khó chịu, cho bề mặt mẫu in đẹp và cứng hơn ABS. Nhiệt độ in thấp (190-210°C) giúp tiết kiệm năng lượng và giảm biến dạng mẫu.

  4. Có thể giảm sai số bằng cách nào ngoài bù sai số?
    Ngoài bù sai số, có thể giảm sai số bằng cách giảm độ dày lớp in, tăng cường bảo trì cơ khí (căng dây đai, kiểm tra vít me), và sử dụng phần mềm điều khiển chính xác hơn. Đào tạo kỹ thuật vận hành cũng góp phần giảm sai số.

  5. Phần mềm Ultimaker Cura có vai trò gì trong nghiên cứu?
    Cura là phần mềm chia lớp và tạo mã G-code cho máy in 3D. Nghiên cứu sử dụng Cura để nhập giá trị bù sai số, điều chỉnh dữ liệu in, từ đó kiểm soát và nâng cao độ chính xác của mẫu in trên máy Prusa i3.

Kết luận

  • Độ chính xác mẫu in 3D Prusa i3 bị ảnh hưởng chủ yếu bởi sai số lớp in và yếu tố cơ khí, đặc biệt trên trục Z với sai số lên đến 0,3 mm cho mẫu cao 250 mm.
  • Phương pháp bù sai số dựa trên dữ liệu thực nghiệm giúp giảm sai số kích thước trung bình 40-50%, nâng cao độ chính xác mẫu in.
  • Vật liệu PLA được lựa chọn phù hợp với công nghệ FDM, cho mẫu in có bề mặt đẹp và độ bền cao.
  • Các giải pháp bảo trì cơ khí, giảm độ dày lớp in và đào tạo kỹ thuật vận hành là cần thiết để duy trì và nâng cao chất lượng in 3D.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất và giáo dục, đề xuất các bước tiếp theo gồm mở rộng phạm vi nghiên cứu, áp dụng tự động hóa trong bù sai số và phát triển phần mềm hỗ trợ.

Để tiếp tục nâng cao hiệu quả công nghệ in 3D, các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng kết quả luận văn vào thực tiễn, đồng thời phát triển các giải pháp mới nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất mẫu nhanh.