Luận văn thạc sĩ: Tối ưu hóa thông số công nghệ quá trình tạo mẫu nhanh FDM

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích công nghệ chế tạo máy tối ưu hóa thông số công nghệ quá trình tạo mẫu nhanh fdm, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi

• Tác giả: Ngô Thị Hoa
• Người hướng dẫn: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Tối ưu hóa thông số công nghệ trong quá trình tạo mẫu nhanh FDM
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM (Fused Deposition Modeling) là một trong những phương pháp phổ biến trong lĩnh vực chế tạo mẫu nhanh. Nguyên lý hoạt động của FDM dựa trên việc đùn nhựa nhiệt dẻo từ đầu đùn, tạo ra các lớp vật liệu chồng lên nhau để hình thành mẫu. Tối ưu hóa các thông số công nghệ như độ dày lớp, nhiệt độ đầu đùn và tốc độ điền đầy là rất quan trọng để cải thiện chất lượng mẫu in. Theo một nghiên cứu, chất liệu in và hiệu suất in có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác và độ nhám của mẫu. Do đó, việc nghiên cứu và tối ưu hóa các thông số này không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất.

1.1 Khái niệm về công nghệ tạo mẫu nhanh

Tạo mẫu nhanh là một kỹ thuật gia công đặc biệt cho phép sản xuất các mô hình vật lý từ dữ liệu CAD một cách nhanh chóng và hiệu quả. Công nghệ này giúp giảm thời gian và chi phí so với các phương pháp gia công truyền thống. FDM là một trong những công nghệ nổi bật trong lĩnh vực này, cho phép tạo ra các mẫu phức tạp mà không cần đến các công cụ gia công thông thường. Việc áp dụng FDM trong sản xuất giúp tăng cường khả năng sáng tạo và đổi mới trong thiết kế sản phẩm.

1.2 Tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh

Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM có nhiều ưu điểm nổi bật, như khả năng tạo ra mẫu 3D nhanh chóng, giúp nhà thiết kế có thể kiểm tra và đánh giá sản phẩm trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt. Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu rủi ro trong quá trình phát triển sản phẩm. Hơn nữa, FDM cho phép sản xuất các chi tiết phức tạp mà các phương pháp truyền thống khó có thể thực hiện được. Nhờ đó, công nghệ này đã trở thành một công cụ thiết yếu trong nhiều lĩnh vực, từ hàng không đến y tế.

II. Nghiên cứu các thông số công nghệ của quy trình FDM

Các thông số công nghệ trong quy trình FDM bao gồm độ dày lớp, nhiệt độ đầu đùn và tốc độ điền đầy. Mỗi thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng của mẫu in. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng độ dày lớp ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt và độ chính xác kích thước của sản phẩm. Nhiệt độ đầu đùn cần được điều chỉnh phù hợp để đảm bảo nhựa được đùn ra với độ chảy tốt nhất, trong khi tốc độ điền đầy cũng cần được tối ưu hóa để tránh tình trạng bọt khí trong mẫu in. Việc cải thiện chất lượng mẫu in thông qua tối ưu hóa các thông số này không chỉ giúp nâng cao giá trị sản phẩm mà còn tạo ra lợi thế cạnh tranh trong ngành công nghiệp chế tạo.

2.1 Độ dày lớp

Độ dày lớp là một trong những thông số quan trọng nhất trong quy trình FDM. Nó ảnh hưởng đến độ nhám của bề mặt mẫu in và thời gian sản xuất. Độ dày lớp nhỏ thường dẫn đến mẫu có bề mặt mịn hơn nhưng tốn nhiều thời gian hơn để hoàn thành. Ngược lại, độ dày lớp lớn có thể rút ngắn thời gian in nhưng có thể làm giảm độ chính xác. Do đó, việc tìm ra sự cân bằng giữa độ dày lớp và chất lượng mẫu là điều cần thiết. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa độ dày lớp có thể cải thiện đáng kể độ chính xác kích thước và độ nhám của mẫu.

2.2 Nhiệt độ đầu đùn

Nhiệt độ đầu đùn là yếu tố quyết định đến khả năng chảy và kết dính của nhựa trong quá trình in. Nhiệt độ quá thấp có thể dẫn đến tình trạng tắc nghẽn đầu đùn, trong khi nhiệt độ quá cao có thể làm giảm chất lượng mẫu in. Việc điều chỉnh nhiệt độ đầu đùn phù hợp với loại nhựa sử dụng là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng mẫu. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa nhiệt độ đầu đùn có thể cải thiện đáng kể độ chính xác và độ bền của sản phẩm in.

III. Phương pháp thực nghiệm và tối ưu hóa

Phương pháp thực nghiệm tâm xoay (hỗn hợp quay đều) đã được áp dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng mẫu in. Sử dụng phần mềm Matlab, các thông số được tối ưu hóa nhằm đạt được độ chính xác kích thước tốt nhất và độ nhám bề mặt tối thiểu. Việc áp dụng phương pháp này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí mà còn mang lại kết quả đáng tin cậy. Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thông số công nghệ có thể tạo ra những sản phẩm có chất lượng cao hơn, từ đó nâng cao giá trị sản phẩm và khả năng cạnh tranh trên thị trường.

3.1 Phương pháp thực nghiệm

Phương pháp thực nghiệm được tiến hành với nhiều biến thể khác nhau của các thông số công nghệ. Các mẫu thử nghiệm được in với các thông số khác nhau về độ dày lớp, nhiệt độ và tốc độ điền đầy. Sau khi in xong, các mẫu sẽ được đánh giá về độ chính xác kích thước và độ nhám bề mặt. Phân tích dữ liệu thu được sẽ giúp xác định các thông số tối ưu nhất cho quy trình FDM. Việc áp dụng phương pháp thực nghiệm này đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất.

3.2 Xử lý số liệu

Sau khi thực hiện các thí nghiệm, số liệu thu được sẽ được xử lý và phân tích bằng phần mềm Matlab. Các phương trình hồi quy sẽ được thiết lập để đánh giá mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và chất lượng mẫu in. Việc xử lý số liệu không chỉ giúp xác định được các thông số tối ưu mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc về ảnh hưởng của từng thông số đến chất lượng sản phẩm. Kết quả phân tích cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thông số công nghệ có thể cải thiện đáng kể độ chính xác và độ nhám của mẫu in.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới Thiệu Đề Tài 1 1.1 Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh.1Khái niệm về công nghệ tạo mẫu nhanh: 1 1.2 Tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh 1 1.3 Các phương pháp tạo mẫu nhanh 2 1. Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh FDM 3 1. Nguyên lý chung của tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM 3 1.2 Ưu nhượt điểm và phạm vi ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh FDM.3 Tính cấp thiết của đề tài 11 1.4 Mục tiêu của luận văn 12 1.5 Nội dung thực hiện của luận văn.6 Phương pháp nghiên cứu 12 Chương 2: Tổng quan 13 2.1 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm 13 2.1 Độ chính xác mẫu 13 2.2 Mẫu thực nghiệm 19 2.3 Phương pháp thực nghiệm 21 2.4 Nhận xét và đánh giá 22 Chương 3: Nghiên Cứu Thực Nghiệm 23 3.1 Mẫu thực nghiệm 23 3.2 Thiết bị thí nghiệm 23 3.3 Vật liệu tạo mẫu 25 3.4 phương pháp thực nghiệm 26 3.5 Thông số công nghệ 27 3.7 Kết quả thực nghiệm 32 Chương 4: Xử lý kết quả và tối ưu hóa 35 4.1 Cơ sở lý thuyết 35 HVTH: Ngô Thị Hoa_11044531 viii GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Tối ưu hóa thông số công nghệ quá trình tạo mẫu nhanh FDM 4. Tính toán hệ số phương trình hồi quy 35 4.

Đánh giá mức chính xác, ý nghĩa của các hệ số phương trình hồi quy 36 4. Kiểm tra tính thích hợp của phương trình hồi quy 36 4.2 Tính toán quy hoạch thực nghiệm.1 Độ chính xác mẫu 38 4.4 Tối ưu hóa thông số công nghệ 51 4.1 Độ chính xác mẫu 51 4.2 Độ nhám mẫu 54 Chương 5: Kết Luận và kiến nghị 58 5. 2 Kiến nghị 58 Tài Liệu Tham Khảo 59 Phụ Lục 62 Phụ Lục 1 62 Phụ lục 2 65 HVTH: Ngô Thị Hoa_11044531 ix GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Tối ưu hóa thông số công nghệ quá trình tạo mẫu nhanh FDM Chƣơng 1: Giới Thiệu Đề Tài 1.1 Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh.1 Khái niệm về công nghệ tạo mẫu nhanh: Theo bài báo cáo của Woler 2002, tạo mẫu nhanh được định nghĩa như kỹ thuật gia công đặc biệt tạo ra mô hình sản phẩm nhanh chóng và những mẫu chi tiết từ dữ liệu 3D được sử dụng để tạo nên mô hình vật thể thật. Hệ thống tạo mẫu nhanh cho phép xây dựng mô hình vật thể bằng cách đắp dần vật liệu theo từng lớp ,do đó, những mô hình phức tạp và khó khăn hơn vẫn có thể được tạo nên với hệ thống tạo mẫu nhanh[1].

Một mặc khác, tạo mẫu nhanh là một trong những kỹ thuật phổ biến cho phép sản phẩm được tạo nên mà không cần tốn kém cho những công cụ gia công thông thường cho đối tượng đầu tiên và không cần triển khai các dịch vụ rèn luyện kỹ năng cho thợ sản xuất khuôn mẫu.2 Tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh Công nghệ tạo mẫu nhanh có rất nhiều ưu điểm nổi bậc so vơi phương pháp gia công truyền thống, đó cũng là tầm quan trọng của công nghệ này. sau đây là một số ưu điểm của công nghệ tạo mẫu nhanh:  Hình dung ra sản phẩm tốt hơn bản vẽ.  Tăng khả năng quan sát của chi tiết, người thiết kế sau khi thiết kế vài giờ sẽ tạo ra sản phẩm thật 3 chiều, có thể quan sát sản phẩm rất nhanh chóng mà không cần qua quá trình gia công phức tạp.  Giúp nhà thiết kế đưa sản phẩm ra thi trường nhanh chóng kip thời với nhu cầu xã hội.

 Kiểm tra được độ chính xác của khuôn mẩu trước khi đưa vào sản xuất hàng lọt.  Giảm được thời gian và chi phí trong việc thiết kế và tìm ra sản phẩm mới.  Chế tạo được những sản phẩm phức tạp nhờ vào phương pháp đắp dần vật liệu.  Phương pháp tạo mẫu nhanh đã tạo một kênh thông tin hiệu quả giữa các nhà thiết kế với nhau, giữa nhà thiết kế với nhà sản xuất và người tiêu dùng, nhằm thỏa mãn tốt nhất nhu cầu của thị trường.

HVTH: Ngô Thị Hoa_11044531 1 GVHD:PGS.TS: Thái Thị Thu Hà Tối ưu hóa thông số công nghệ quá trình tạo mẫu nhanh FDM 1.3 Các phương pháp tạo mẫu nhanh Trên thế giới hiện nay có khoảng hơn 30 công nghệ chế tạo mẫu nhanh đang được sử dụng và thương mại hoá. Trong đó, nhiều công nghệ có những đặc điểm chung về vật liệu sử dụng, nguồn năng lượng, phương pháp tạo mẫu. – Phân loại theo vật liệu sử dụng để tạo mẫu nhanh. +Vật liệu lỏng: SLA +Vật liệu bột: SLS, 3D printer + Vật liệu tấm rắn: LOM +Vật liệu nhựa nhiệt dẻo :FDM – Phân loại nguyên lí tạo vật thể: + Lắng đọng vật chất: SLA.

+Thiêu kết vật liệu bột:SLS. + Đùn vật liệu nhựa nóng chảy chẳng hạn như FDM. + Xếp dán các mặt biên dạng cắt lớp, chẳng hạn như LOM. – Phân loại theo vật liệu hỗ trợ: + Không cần thêm vào vật liệu hỗ trợ, chẳng hạn như SLS, LOM, 3DP.

+ Cần có vật liệu hỗ trợ, chẳng hạn như FDM. – Phân loại theo tính chất kết nối vật liệu: tính chất hóa học hay tính chất vật lí. Vật liệu tạo mẫu nhanh, dựa vào sự thay đổi tính chất hóa học của vật liệu tạo hình để tạo ra thay đổi hóa học SL, SGC. Như vậy quá trình tạo mẫu nhanh dựa trên việc chiếu tia mang năng lương cao (laser) vào vật liệu, vật liệu tạo mẫu sẽ thay đổi tính chất hóa học do laser gây ra.

Dựa trên các hiệu ứng vật lý như khuếch tán, liên kết phân tử, hấp phụ, chuyển động vật chất mà giúp cho sự liên kết của các thành phần phân tử của vật chất lại với nhau, giúp cho quá trình tạo mẫu nhanh được thực hiện, mặc dù các phân tử hóa học có dịch chuyển nhưng nó chỉ là sự thay đổi tính chất vật lí của vật liệu chứ không ảnh hưởng đến tính chất hóa học của vật liệu. Tạo mẫu nhanh dựa vào phương pháp liên kết dính vật liệu. Quá trình tạo mẫu nhanh của phương pháp liên kết dính là dựa vào một chất keo dính để các lớp vật liệu được nối kết lại với nhau trong quá trình tạo mẫu HVTH: Ngô Thị Hoa_11044531 2 GVHD:PGS.TS: Thái Thị Thu Hà Tối ưu hóa thông số công nghệ quá trình tạo mẫu nhanh FDM nhanh, ví dụ như công nghệ LOM, SLS, 3DP. Sự kết nối vật liệu dựa vào hiện tượng hóa lỏng rồi đông đặc lại thường được dùng trong công nghệ FDM 3D Plotting, MJS, CC, SLS [2].

Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh FDM 1. Nguyên lý chung của tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM Nguyên lý làm việc của của tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM được mô tả ở hình 1. FDM là một trong những công nghệ tạo mẫu nhanh bằng phương pháp đùn nhựa nóng chảy rồi hóa rắn từng lớp tạo nên cấu trúc mẫu. Vật liệu ban đầu được cấp từ cuộn dây cấp liệu, vật liệu dây sẽ được kéo bởi hệ thống các con lăn.

Các con lăn có nhiệm vụ kéo và đưa vật liệu vào hệ thống đầu đùn, trong quá trình di chuyển đến miệng vòi đùn, vật liệu sẽ đi qua bộ phận gia nhiệt và được gia nhiệt và hóa dẻo, sau đó được đùn ra ngoài bởi một áp lực sao cho tốc độ ra và tốc độ hóa dẻo tương ứng với nhau, cùng với quá trình đùn vật liệu ra khỏi vòi đùn thì đầu đùn cũng di chuyển theo hai phương X và Y tạo ra biên dạng 2D tương ứng với lớp cắt chi tiết trên mô hình ảo. Sau đó bàn máy sẽ hạ xuống một khoảng đúng bằng chiều dày lớp để tiếp tục tạo lớp thứ hai. Cứ như vậy, quá trình tiếp tục cho đến khi tất cả các biên dạng được đùn ra hết. Tổng quát, quy trình FDM bao gồm các bước cơ bản để tạo ra mô hình chi tiết như hình 1.2:thiết kế mô hình CAD, chuyển đổi mô hình CAD sang định dạng STL(Stereolithography), máy tính phân tích file .STL để xác định rõ ràng mô hình cho sản xuất và cắt lớp trên mặt cắt ngang, tạo thành mẫu theo từng lớp chồng lên nhau, làm sạch và hoàn thành[3].

HVTH: Ngô Thị Hoa_11044531 3 GVHD:PGS.TS: Thái Thị Thu Hà Tối ưu hóa thông số công nghệ quá trình tạo mẫu nhanh FDM Hình 1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống FDM Hình 1.2 Hình ảnh minh họa tạo ra mô hình mẫu máy FDM 1.2 Ưu nhượt điểm và phạm vi ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh FDM. Quá trình FDM có những ưu điểm bao gồm sử dụng vật liệu đa dạng, dễ dàng thay đổi vật liệu, chi phí bảo trì thấp và có khả năng sản xuất những chi tiết mỏng, không gia công, không có vật liệu độc hại. Mặt khác, nó tồn tại một vài nhược điểm như là có đường gân giữa những lớp, đầu đùn phải di chuyển liên tục hoặc vật liệu va đụn, có thể cần phần hổ trợ, nhiệt độ dao động trong suốt quá trình sản xuất có thể dẫn đến tách tấm [4] HVTH: Ngô Thị Hoa_11044531 4 GVHD:PGS.TS: Thái Thị Thu Hà Tối ưu hóa thông số công nghệ quá trình tạo mẫu nhanh FDM  Ưu điểm: - Sự mô hình hóa các khái niệm làm cho đánh giá hiệu quả hơn, những thông số và giao tiếp của người thiết kế. Nó có chia sẽ những thiết kế mới của sản phẩm với quản lý, khách hàng, người mua, thị trường và sự chế tạo.

- Chức năng của mẫu FDM sử dụng nhựa dẻo công nghiệp. Đây là một thuận lợi là có thể cho phép người sử FDM để kiểm tra môi trường thật và đưa đến quyết định chi phí sản xuất của sản phẩm. - Giá thành của máy rẻ hơn so với các công nghệ tạo mẫu nhanh khác như những máy sử dụng tia lazer. - Nâng cao khả năng chế tạo các sản phẩm 3D phức tạp - Tạo ra các mẫu có chất lượng cao và tính chất của vật liệu được sử dụng it có sự thay đổi.

- FDM có thể sản xuất ra những sản phẩm công cụ như là dụng cụ kẹp, đồ gá, bộ phận hỗ trợ lắp ráp và sản phẩm dụng cụ trong hàng giờ, không cần gia công và dụng cụ. - Các vật liệu được sử dụng không độc hại nên không lo lắng đối với việc phải tiếp xúc với hóa chất độc hại, các tia laser hoặc các chất hóa học dạng lỏng. - Tạo được nhiều kích cỡ mẫu phù hợp và tạo ra một kênh thông tin hiệu quả giữa các bộ phận có liên quan.  Nhược điểm: - Bề mặt mẫu tạo ra có độ nhám cao do nguyên tắc bồi đắp theo lớp.

- Giữa các lớp đùn có đường phân cách.