THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT SVTH: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÊNH ÁP SUẤT CỦA THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT THIẾT KẾ THEO BIÊN DẠNG THÂ
TỔNG QUAN
Giới thiệu về đề tài nghiên cứu
Thuật ngữ in 3D bao gồm nhiều quy trình và công nghệ khác nhau, giúp sản xuất chi tiết hoặc toàn bộ sản phẩm từ nhiều vật liệu khác nhau Các quy trình in 3D và công nghệ liên quan đều có đặc điểm chung là xây dựng sản phẩm theo từng lớp, bồi đắp dần để hình thành hình dáng mong muốn, khác với phương pháp sản xuất truyền thống như gia công cắt gọt trên nguyên liệu sẵn có hoặc đúc khuôn.
Trong in 3D, mọi sản phẩm bắt đầu từ một tệp tin kỹ thuật số được tạo ra bằng phần mềm thiết kế hỗ trợ bởi máy tính (CAD) Sau khi thiết kế được hoàn thiện, nó được xuất sang định dạng STL, có nghĩa là mô hình được dịch sang thành vô số mặt và đỉnh và sau đó được cắt thành hàng trăm, thậm chí hàng nghìn lớp 2D Máy in 3D sẽ đọc các lớp 2D này và in lần lượt từng lớp chồng lên nhau để hình thành một sản phẩm khối ba chiều Dù ở công nghệ in 3D nào, tất cả các tệp thiết kế đều được phân tách thành từng lớp trước khi in Độ dày lớp in – kích thước của mỗi lớp – được xác định một phần bởi công nghệ, một phần bởi vật liệu, và một phần theo độ phân giải và thời gian mong muốn của bạn; lớp dày hơn sẽ cho thời gian in nhanh hơn, trong khi lớp mỏng hơn sẽ cho độ phân giải tốt hơn, chi tiết mịn hơn và do đó ít phải xử lý sau in.
Nguyên tắc cơ bản phân biệt in 3D với sản xuất truyền thống là in 3D là một quy trình sản xuất bồi đắp: các lớp vật liệu được bổ sung dần lên nhau để hình thành chi tiết, thay vì gia công cắt gọt từ khối như các kỹ thuật truyền thống In 3D dựa trên công nghệ tiên tiến để xây dựng các bộ phận bằng cách bồi đắp nhiều lớp với độ chính xác ở mức milimet, cho phép thiết kế phức tạp và tối ưu hóa vật liệu Đây là một phương pháp sản xuất hoàn toàn khác với các kỹ thuật truyền thống hiện có.
Hình 1.1: Giới thiệu về in 3D [02]
Công nghệ in 3D đang đẩy mạnh đổi mới bằng cách cho phép thiết kế được giải phóng khỏi khuôn mẫu và loại bỏ sự phụ thuộc vào công cụ sản xuất, từ đó giúp giảm chi phí và rút ngắn thời gian sản xuất Nhờ khả năng tạo ra các khối hình học và tính năng phức tạp trực tiếp trong quá trình in, các thành phần có thể được thiết kế đặc biệt để hạn chế hoặc loại bỏ yêu cầu lắp ráp mà không tăng thêm chi phí Đồng thời, in 3D đang nổi lên như một công nghệ tiết kiệm năng lượng, mang lại hiệu quả môi trường ngay trong quy trình sản xuất khi có thể sử dụng tới 90% vật liệu tiêu chuẩn, giúp sản phẩm nhẹ hơn và bền hơn.
Trong những năm gần đây, công nghệ in 3D đã tiến xa trong quá trình tạo mẫu và quy trình sản xuất công nghiệp nhờ ngày càng dễ tiếp cận với các doanh nghiệp nhỏ và cá nhân Các tập đoàn lớn và công ty đa quốc gia có thể sở hữu máy in 3D, trong khi các máy in 3D nhỏ hơn, dù có hiệu suất chưa bằng, hiện có thể được mua với giá dưới 1000 USD, giúp công nghệ này tiếp cận nhiều người dùng hơn Nhờ đó, tỷ lệ sử dụng in 3D tiếp tục tăng theo cấp số nhân, mở ra nhiều ngành nghề, hệ thống, vật liệu và ứng dụng mới cho công nghệ in 3D trong thiết kế, prototyping và sản xuất.
Gần đây chúng ta hay nghe nói về máy in 3D, nhưng vẫn có một khái niệm phổ biến khác mà bạn chắc chắn đã từng nghe qua ít nhất một lần: CNC CNC là viết tắt của Computer Numerical Control, là thuật ngữ chỉ các hệ thống máy tiện cơ khí được điều khiển bằng máy tính, và nó được phát triển từ cuối thập niên 1940 – đầu thập niên 1950 tại phòng thí nghiệm Servomechanism của MIT.
Gia công CNC ra đời nhằm khắc phục những khuyết điểm của máy cơ truyền thống trong gia công kim loại Quá trình gia công CNC được hiểu là quá trình gia công kim loại (inox, sắt thép, đồng, nhôm…) được điều khiển hoàn toàn bằng máy tính Việc thực hiện diễn ra trên máy tính thông qua các phần mềm CAM, giúp lên kế hoạch, mô phỏng và tối ưu đường chạy dao Sau khi quá trình gia công trên máy tính được hoàn thiện, phần mềm CAM sẽ xuất ra mã NC cho quá trình gia công Mã NC này được nạp vào máy CNC, và máy sẽ gia công đúng như mô hình đã được lập trình trên máy tính.
Hình 1.2: Công nghệ CNC đang là xu hướng hàng đầu hiện nay [03]
Với sự điều khiển bằng máy tính, máy CNC có thể cắt laser kim loại theo các đường cong một cách dễ dàng như đường thẳng, thậm chí đục rỗng bên trong khối phôi và tỉa những hoa văn chính xác Nhờ được lập trình và điều khiển bằng máy, quá trình gia công trở nên tự động, đảm bảo độ chính xác cao và hiệu suất làm việc vượt trội, mở rộng ứng dụng trong chế tác kim loại.
Trang 4 tính nên độ chính xác của CNC được cho là tuyệt đối, tạo ra các sản phẩm được cắt gọt rất sắc sảo và đẹp mắt Tuy nhiên, sự chính xác của máy CNC cũng bị phụ thuộc bởi một vài yếu tố, ví dụ: chất lượng máy, nhập liệu của người đứng máy, chất lượng của vật liệu
1.1.3 Giới thiệu cây bông súng
Tên thường gọi: Cây Hoa Súng, Cây Bông Súng
Tên khoa học: Nymphaea rubra / Nymphaea Spp
Họ thực vật: Nymphaeaceae (họ Súng)
Cây Bông Súng có nguồn gốc từ vùng tiểu lục địa Ấn Độ và đã lan rộng sang nhiều nước từ thời cổ đại Trong suốt lịch sử, loài hoa này được coi là có giá trị cảnh quan cao, thường được dùng để trang trí ao hồ và vườn hoa ở Thái Lan và Myanmar Tại Việt Nam, cây bông súng phân bố rộng khắp các vùng miền và ngày càng được ưa chuộng cho các khu vực nước, hồ và sân vườn cảnh quan.
Hoa Súng có lá đơn mọc cách, hình tròn hoặc xoan, mép răng cưa thưa; mặt dưới lá không lông và có màu tím đậm hoặc lam, mặt trên nhẵn và có màu xanh bóng Lá có thể xẻ thùy sâu hoặc hình tròn, với gân to tròn nổi rõ ở mặt dưới Thân cây Hoa Súng có tiết diện ngoài hình tròn, bên trong có ống nhỏ dọc theo suốt chiều dài của thân.
Đối tượng và ứng dụng công nghệ
Trong bài nghiên cứu lần này, chúng tôi tập trung thiết kế và thử nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt được định hình theo biên dạng thân cây bông súng để tận dụng tối đa hiệu quả truyền nhiệt từ hình học đặc trưng Bằng việc ứng dụng công nghệ in 3D và công nghệ CNC, chúng tôi chế tạo các thiết bị trao đổi nhiệt từ các mô hình thiết kế này và tiến hành nghiên cứu độ chênh áp suất (độ tụt áp) khi chất làm lạnh hoặc chất lỏng làm việc đi qua hệ thống.
1.2.2 Ứng dụng công nghệ in 3D
1.2.2.1 Ứng dụng công nghệ in 3D trong ngành vũ trụ [04]
Công nghệ in 3D ngoài không gian hứa hẹn cách mạng hóa thám hiểm vũ trụ bằng cách cho phép các phi hành gia chế tạo tại chỗ các vật thể theo yêu cầu: từ những bộ phận thay thế để sửa chữa hệ thống, thiết bị tùy chỉnh cho các thí nghiệm khoa học cho đến cả những mặt hàng như thực phẩm.
Trong môi trường không gian khắc nghiệt với rất ít nguyên liệu thô có thể khai thác, còn tồn tại rất nhiều bụi trôi nổi quanh các tàu và thiết bị; công nghệ in 3D cho phép xây dựng các cấu trúc vững chắc từ bụi tổng hợp và các hạt siêu nhỏ, tối ưu hoá việc sử dụng tài nguyên và nâng cao khả năng tự cung cấp tại các căn cứ ngoài Trái Đất; Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đang xem xét in 3D căn cứ của họ trên mặt trăng như một bước đi đầy triển vọng cho sự hiện diện lâu dài và nghiên cứu không gian sâu.
Hình 1.3: Ứng dụng in 3D trong ngành vũ trụ [04] Đối với các bữa ăn được in 3D cho các phi hành gia, NASA đang tài trợ cho một dự án của Tập đoàn nghiên cứu vật liệu và hệ thống để phát triển một máy in thực phẩm 3D, có thể sử dụng trong môi trường không trọng lực
1.2.2.2 Phụ tùng thay thế in 3D trong không gian [05]
Một trong những thách thức chính đối với các phi hành gia là cần một bộ phận thay thế cụ thể mà họ không có trên tàu vũ trụ
Gửi một phụ tùng đơn giản có thể kéo dài vài tháng và chi phí khoảng 17.000 đô la mỗi kg
Hình 1.4: Phụ tùng được in 3D [05]
1.2.2.3 Máy in 3D không trọng lực
Nhờ công nghệ in 3D, giờ đây có thể sản xuất phụ tùng trong không gian NASA và Made in Space đang hợp tác để giải quyết vấn đề đó Kết quả thí nghiệm của họ là máy in 3D G, máy in 3D có thể hoạt động trong môi trường không trọng lực Họ quản lý để tạo ra một cờ lê ratchet từ một tệp 3D được gửi từ Trái đất đến trạm vũ trụ Máy in 3D này sử dụng công nghệ Mô hình lắng đọng Fuse và có thể in các đối tượng bằng nhựa
Hình 1.5: Máy in 3D không trọng lực [05]
1.2.2.4 Giải quyết vấn đề thực phẩm với in 3D [06]
Hình 1.6: Bánh hamburger được in 3D [06]
Thực phẩm in 3D trong không gian:
- Máy in 3D có khả năng tạo ra nhiều loại sản phẩm với một lượng nhỏ nguyên liệu thô
Các kỹ sư cho rằng công nghệ nuôi dưỡng phi hành gia tại SMRC có tiềm năng trở thành nền tảng cho các nhiệm vụ không gian dài hạn, đáp ứng nhu cầu nuôi dưỡng và chăm sóc sức khỏe cho phi hành gia trong các hành trình kéo dài NASA đã đầu tư 125.000 đô la Mỹ vào dự án SMRC, một sáng kiến đầy tham vọng do nhà thầu Anjan dẫn đầu.
- Ông đã thành công trong việc tạo ra một máy in 3D có thể in 3D một chiếc bánh pizza trong không gian
Hình 1.7: Bánh pizza được in 3D [06]
Những chiếc bánh pizza rất lý tưởng cho máy in 3D nhờ đặc tính đa lớp: chúng được làm từ nhiều lớp khác nhau, phù hợp với quy trình công nghệ phụ gia như in 3D Đặc tính này cho phép mô phỏng và thử nghiệm các cấu trúc phức tạp một cách trực quan và hiệu quả, đồng thời tăng tính thực tế cho các bài học và nghiên cứu liên quan đến bánh pizza và công nghệ in 3D.
- Một lớp bột đầu tiên được tráng trên giường gia nhiệt của máy in 3D để được nấu trực tiếp
- Một lớp thứ hai của nước, dầu và bột cà chua tạo thành nước sốt cà chua
- Một lớp phô mai khác được rắc lên
- Cuối cùng, protein động vật và thực vật được thêm vào để cung cấp các chất dinh dưỡng thiết yếu
Hình 1.8: Quá trình in 3D mẫu bánh pizza [06]
Quá trình này cho phép nấu một chiếc pizza trong vài phút Theo nhà thầu Anjan Contractor, các carbohydrate, protein và các chất dinh dưỡng ở mức macro và vi chất được lưu trữ trong một hộp mực đặc biệt ở dạng bột ăn được, có thể dùng được trong khoảng 30 năm Điều này cung cấp đầy đủ dinh dưỡng cho một nhiệm vụ giữa Trái đất và Sao Hỏa.
1.2.2.5 Ứng dụng công nghệ in 3D trong ngành ô tô [06]
Trong những năm gần đây, in 3D trong ngành công nghiệp ô tô đã phát triển nhanh chóng Dù là nhà sản xuất ô tô, nhà sản xuất linh kiện hay nhà cung cấp dịch vụ hậu mãi, in 3D mở ra lối đi đổi mới nhanh hơn và hiệu quả hơn, giúp doanh nghiệp không bị ràng buộc bởi các phương pháp sản xuất truyền thống Tuy nhiên, vẫn còn những hạn chế và thách thức khi tiếp cận công nghệ này, đòi hỏi sự chuẩn bị và chiến lược phù hợp trên lộ trình tăng trưởng nhanh của ngành Nền tảng dịch vụ in 3D công nghiệp ngày nay được áp dụng cho nhiều khía cạnh của sản xuất ô tô, từ các bộ phận nội thất như tay vịn hộp cho tới các mô-đun và linh kiện khác, giúp rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm, giảm chi phí và tăng tính linh hoạt cho chuỗi cung ứng.
Trang 9 hình điều hòa không khí ô tô, in 3D thân cây, đồ đạc sản xuất, v.v.) để giúp khách hàng của chúng tôi nâng cao hiệu quả, nâng cao chất lượng và giảm chi phí
Hình 1.9: Sản phẩm ôtô được in 3D [06]
Các nhà lãnh đạo ngành ô tô đang tận dụng công nghệ in 3D để sản xuất mô hình bền, nguyên mẫu chức năng, công cụ sản xuất và các bộ phận có khối lượng thấp, giúp kỹ sư và nhà thiết kế ô tô tiến hành đánh giá thiết kế toàn diện trước khi đưa vào sản xuất Nhờ in 3D, quá trình thiết kế và prototyping được tối ưu hóa, đồng thời giảm đáng kể chi phí R&D và rút ngắn thời gian tiếp cận thị trường, nâng cao tính cạnh tranh và sự linh hoạt trong chuỗi cung ứng.
Hình 1.10: Các chi tiết nhỏ được in 3D [06]
Bộ phận, hệ thống truyền động in 3D
Việc in 3D để tạo mô hình khái niệm và nguyên mẫu chức năng giúp các nhà thiết kế và kỹ sư ô tô xác nhận thiết kế của bộ ly hợp và các thành phần động cơ trong quá trình phát triển sản phẩm So với các phương pháp truyền thống, công nghệ in 3D có thể tiết kiệm thời gian xác nhận thiết kế và giảm thiểu chi phí lỗi thiết kế Công nghệ này cho phép thử nghiệm các hình học phức tạp và tối ưu hóa hiệu suất nhanh hơn, từ đó rút ngắn chu trình phát triển sản phẩm Ví dụ, Lamborghini – nhà sản xuất xe thể thao châu Âu – đã ứng dụng in 3D để chế tạo ống động cơ, cho phép tạo ra các hình học phức tạp với thời gian rất ngắn.
Hình 1.11: Khung xe ô tô được in 3D [06]
In 3D được ứng dụng phổ biến trong sản xuất, lắp ráp và kiểm tra chức năng các hệ thống gầm xe ô tô, giúp tối ưu quá trình phát triển và sản xuất, đồng thời rút ngắn chu trình thiết kế Lamborghini áp dụng nhựa nhiệt dẻo cấp kỹ thuật để tạo các nguyên mẫu khung gầm ô tô có độ bền cao và dùng nhựa kỹ thuật hiệu suất cao để tùy chỉnh các công cụ lắp ráp, nâng cao hiệu quả chế tạo và chất lượng sản phẩm.
Trong ngành công nghiệp ô tô, công nghệ in 3D đang trở thành công cụ chiến lược để tối ưu hóa chu trình sản xuất ngoại thất, đồng thời giảm trọng lượng của các công cụ sản xuất và hạ chi phí In 3D được ứng dụng cho đồ đạc, các bộ phận sử dụng cuối và cả các mẫu chức năng, giúp rút ngắn thời gian phát triển và tăng tính linh hoạt của quy trình sản xuất Ngoài ra, in 3D cho phép sản xuất nhanh các phụ kiện ngoài như bảng điều khiển, đèn và logo xe hơi, đồng thời hỗ trợ chế tạo các thành phần ngoại thất như cản va và chắn bùn với độ chính xác cao Vì vậy, in 3D đã trở thành một công cụ kỹ thuật không thể thiếu trong chu trình phát triển và sản xuất ô tô.
Trang 11 trình R & D của BMW Bộ phận dụng cụ và thiết bị của công ty sử dụng in 3D để chế tạo đồ đạc để lắp ráp và thử nghiệm ô tô, và thông qua thiết kế gọn nhẹ, nó cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất
Phương hướng nghiên cứu
1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới
Trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về sản phẩm trao đổi nhiệt bằng máy in 3D
Năm 2016, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Maryland đã sử dụng công nghệ in 3D tiên tiến nhất để chế tạo một bộ trao đổi nhiệt được cho là hiệu quả hơn 20% so với công nghệ hiện tại [08].
Năm 2017, Farsoon đã nghiên cứu cắt giảm 35% chi phí hàn đồng trong các bộ trao đổi nhiệt thay bằng in 3D [09]
Researchers Onur Gunel, Emre Koc, and Tahir Yavuz examined how temperature variations influence convective cooling of the extrusion nozzle and, consequently, the flow of molten polymer The study, presented at the International Conference on Energy and Thermal Engineering in April 2017, highlights the relationship between thermal conditions and polymer melt behavior during extrusion [10].
Trong bài báo đăng trên IJESRT ngày 06/08/2017, tác giả Jl Teknik Industri tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc bên trong đến khả năng chịu lực của các vật thể in 3D bằng nhựa PLA Nghiên cứu nhấn mạnh mối liên hệ giữa thiết kế cấu trúc nội bộ và độ bền chịu lực của các mẫu in 3D, từ đó đưa ra những gợi ý tối ưu hóa cấu hình in và vật liệu PLA để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy trong các ứng dụng công nghiệp.
Nhóm tác giả Wonjin Jo, O-Chang Kwon và Myoung-Woon Moon đã thực hiện một nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền cơ học của các vật thể in 3D bằng công nghệ FDM, được đăng trên Rapid Prototyping Journal ngày 24/03/2018 Nghiên cứu cho thấy nhiệt độ có tác động đáng kể đến các đặc tính cơ học của vật liệu in 3D và làm rõ mức độ biến đổi của độ bền khi điều kiện nhiệt độ thay đổi.
Năm 2019, GE Research 3D đã in một bộ trao đổi nhiệt để chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn [13]
Một kỹ sư Hà Lan muốn tạo ra một thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ gọn và tiện lợi để làm mát và mang lại không khí trong lành cho ngôi nhà của mình Để hiện thực hóa ý tưởng này, ông đã chế tạo bộ trao đổi nhiệt kênh mini bằng máy in 3D [14].
1.3.2 Các nghiên cứu trong nước
Sau kết quả tìm kiếm, chúng tôi chưa tìm thấy bất kỳ nghiên cứu nào tại Việt Nam đề cập đến thiết bị trao đổi nhiệt được thiết kế theo biên dạng thân cây bông súng và in bằng công nghệ in 3D Điều này cho thấy vẫn còn khoảng trống nghiên cứu ở Việt Nam về ứng dụng thiết kế biomimicry trong trao đổi nhiệt bằng in 3D, mở cơ hội cho các dự án nghiên cứu và phát triển sản phẩm liên quan.
Lý do chọn đề tài nghiên cứu
Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt được sản xuất bằng công nghệ in 3D, cho thấy tiềm năng cải thiện hiệu suất và tối ưu hóa thiết kế Tuy nhiên ở Việt Nam, ứng dụng và sự phổ biến của công nghệ này vẫn còn hạn chế.
Qua quá trình tìm kiếm tài liệu, chúng em chưa phát hiện bất kỳ nghiên cứu nào đề cập đến thiết bị trao đổi nhiệt được thiết kế theo biên dạng thân cây bông súng và in bằng máy in 3D Điều này cho thấy dữ liệu liên quan đang hạn chế, mở ra cơ hội cho các nghiên cứu tương lai về thiết kế tích hợp hình dạng tự nhiên với công nghệ in 3D nhằm tối ưu hiệu suất trao đổi nhiệt và vật liệu Để đánh giá tính khả thi, cần có thêm bài báo khoa học hoặc thử nghiệm thực nghiệm và mô phỏng chuyên sâu về biên dạng này cũng như quy trình sản xuất bằng in 3D Tóm lại, hiện tại không có bằng chứng nghiên cứu nào xác nhận sự thành công của ý tưởng thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dựa trên biên dạng thân cây bông súng được in 3D.
Nhận thấy công nghệ in 3D đang đóng góp đáng kể vào đời sống và sản xuất, đồng thời trên đà phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu và được ghi nhận qua nhiều nghiên cứu khoa học về in 3D, nhóm em mong muốn thực hiện một nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt kênh mini được thiết kế theo biên dạng thân cây bông súng và sản xuất bằng in 3D Vì thế, chúng em quyết định thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chênh áp suất của thiết bị trao đổi nhiệt thiết kế theo biên dạng thân cây bông súng”.
Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chênh áp suất của thiết bị trao đổi nhiệt kênh mini theo biên dạng thân cây bông súng dựa trên in 3D và công nghệ CNC cho thấy lưu lượng chất lỏng, nhiệt độ vận hành, vật liệu chế tạo, độ nhám và độ chính xác gia công của kênh cùng với hiện tượng co ngót và sự đồng nhất của lớp in đều ảnh hưởng đến áp lực dòng và hiệu quả truyền nhiệt Từ kết quả này, bài viết đề xuất các điều kiện in 3D tối ưu nhằm tạo ra thiết bị có chất lượng tốt nhất, gồm lựa chọn vật liệu có độ bền và hệ số ma sát thấp, tối ưu hóa thiết kế biên dạng kênh để phân bổ lưu lượng và áp lực đồng đều, điều chỉnh độ dày lớp, thông số in (tốc độ in, nhiệt độ, độ làm mịn bề mặt, độ phân giải và thông số infill), cũng như xem xét phương pháp in phù hợp và quá trình CNC để gia công bề mặt và các chi tiết có độ chính xác cao, nhằm đạt hiệu suất trao đổi nhiệt tối ưu và giảm độ chênh áp suất.
Chúng tôi chứng minh tính hiệu quả của phương pháp Taguchi và các phần mềm hỗ trợ Minitab 19 trong lĩnh vực nhiệt nói riêng và các lĩnh vực kỹ thuật khác nói chung Việc áp dụng thiết kế Taguchi giúp tối ưu hóa các tham số và giảm thiểu biến thiên trong quá trình sản xuất, từ đó nâng cao chất lượng và hiệu suất hệ thống nhiệt Minitab 19 cung cấp các công cụ phân tích thống kê và đồ thị trực quan để đánh giá ảnh hưởng của từng yếu tố, xác định các biến ảnh hưởng lớn nhất và tối ưu hóa tham số vận hành Sự kết hợp giữa phương pháp Taguchi và Minitab 19 không chỉ rút ngắn chu trình thiết kế và thử nghiệm mà còn mang lại kết quả đáng tin cậy cho các ứng dụng kỹ thuật nhiệt và các lĩnh vực kỹ thuật khác.
1.4.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng được lựa chọn là thiết bị trao đổi nhiệt được in từ vật liệu nhựa và gia công CNC từ nhôm
Nghiên cứu này tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng tới độ chênh áp suất của thiết bị trao đổi nhiệt được in bằng máy in 3D và gia công từ nhôm bằng CNC Các yếu tố chính được xem xét gồm hình học kênh dòng chảy, kích thước lỗ, độ nhám và sự đồng nhất của bề mặt trên bản in 3D, cũng như chất lượng gia công nhôm bằng CNC và ảnh hưởng của quy trình liên kết (nếu có) Việc phân tích các yếu tố này nhằm đánh giá tác động lên sự tắc nghẽn và mất áp suất, từ đó đề xuất tối ưu hóa thiết kế và quy trình sản xuất Kết quả của nghiên cứu cung cấp các khuyến nghị về lựa chọn vật liệu nhôm, công nghệ in 3D và chu trình gia công CNC để cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt và giảm độ chênh áp suất cho thiết bị.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM
Cơ sở lý thuyết về Các công nghệ in 3D [15]
Công nghệ in 3D là quá trình chuyển đổi mô hình số hóa trên máy tính thành các mô hình vật lý thực tế Có nhiều công nghệ in 3D khác nhau được ứng dụng trên nhiều lĩnh vực, trong đó bốn công nghệ phổ biến nhất là Binder Jetting (BJ), Fused Deposition Modeling (FDM), Stereolithography (SLA) và Selective Laser Sintering (SLS).
2.1.1 Công nghệ in 3D Binder Jetting
Công nghệ in 3D bằng vật liệu dạng bột phun trực tiếp chất kết dính để tạo ra sản phẩm in 3D mong muốn Vật thể được xây dựng theo từng lớp cho đến khi hoàn thiện 100%, đảm bảo sự kết dính và hình dáng chính xác Phương pháp này cho phép sản xuất các sản phẩm có kích thước lớn, phù hợp với các ứng dụng cần kích thước và chi tiết phức tạp.
Hình 2.1: Sản phẩm của Công nghệ in 3D Binder Jetting [15]
Công nghệ in BJ (Binder Jetting) sử dụng hai loại vật liệu cơ bản: vật liệu dạng bột như kim loại, bột gốm và cát, và vật liệu dưới dạng lỏng có chức năng gắn kết các loại bột lại với nhau Quá trình gắn kết này cho phép in 3D với nhiều lựa chọn vật liệu và tạo ra các sản phẩm đa dạng từ kim loại đến gốm và composite, mang lại hiệu suất sản xuất và mức độ linh hoạt cao.
Việc in mô hình bằng cát cho phép quy trình xử lý sau chế tạo hầu như không cần thiết, giúp rút ngắn thời gian hoàn thiện sản phẩm Trong khi đó, các vật liệu khác vẫn được sấy khô và kết dính, rồi thẩm thấu với một vật liệu khác để tạo ra sản phẩm cuối cùng tùy theo ứng dụng.
Về nguyên lý, công nghệ in 3D Binder Jetting (BJ) tương đối giống với phương pháp in mực lên giấy truyền thống: chất kết dính được phun lên từng lớp vật liệu để hình thành sản phẩm cuối cùng Nhờ khả năng xây dựng các lớp vật liệu rắn, công nghệ in 3D BJ có thể in được các vật thể có kích thước lớn, đáp ứng các yêu cầu in 3D ở quy mô từ nhỏ đến lớn Vì vậy, BJ là lựa chọn linh hoạt cho các ứng dụng sản xuất và chế tạo các thành phẩm có kích thước đa dạng.
Trong quá trình sản xuất, con lăn chuyển động đẩy lớp bột vật liệu mỏng của lớp cắt thứ nhất lên trên tấm đế đỡ Sau đó, đầu phun phun chất kết dính lên lớp bột đúng theo hình dạng của lớp cắt thứ nhất để tạo liên kết chắc chắn và đảm bảo độ chính xác của sản phẩm.
Trong quá trình phun lên đế, lớp cắt đầu tiên được hình thành từ các hạt bột vật liệu liên kết chặt với nhau Tấm đế hạ xuống đúng bằng bề dày của lớp cắt, tạo nền đồng nhất cho các lớp bột tiếp theo Thông thường quanh lớp cắt đầu tiên vẫn còn các hạt bột chưa gắn kết, nhưng được giữ nguyên để làm nền cho lớp bột tiếp theo và đảm bảo sự liên kết ổn định giữa các lớp.
Trong quy trình sản xuất, lăn tiếp tục phủ lớp bột thứ hai lên lớp bột thứ nhất Đầu phun chứa chất kết dính di chuyển liên tục và phun chất kết dính lên bề mặt để gắn kết theo hình dạng của lớp cắt thứ hai Nhờ quá trình này, lớp cắt thứ hai được phủ lên lớp cắt thứ nhất, hình thành một lớp hai liên kết chặt chẽ với nhau.
Quá trình lặp lại các công đoạn cho đến khi hoàn tất lớp cắt cuối razem sẽ cho ra một sản phẩm in 3D rắn, được hình thành từ bột vật liệu gắn kết Sau khi in xong, lấy vật phẩm ra và loại bỏ phần bột rời còn sót lại, để sản phẩm in 3D có hình dạng chính xác như thiết kế đã được tạo thành.
2.1.2 Công nghệ in 3D FDM Đây là công nghệ in 3D được sử dụng rất phổ biến cho các máy in 3D (in nhựa) hiện nay tại Việt Nam Những loại máy thường thấy: Prusa, delta, Cube,… đều dùng công nghệ này Các loại máy in 3D dùng công nghệ này khá đơn giản và dễ sử dụng
Hình 2.2: Sản phẩm công nghệ in 3D FDM và SLA [15]
- Cơ cấu điều khiển đầu đùn: Di chuyển theo hai hướng XY của bàn
- Đầu đùn: Hoạt động theo file được cài đặt trước
- Sợi nhựa nhiệt dẻo hay sáp: Đùn qua đầu phun nhỏ của khuôn được gia nhiệt
- Cơ cấu cung cấp sợi nhựa
- Bàn: Tùy ý nâng lên hạ xuống theo mục đích sử dụng
Công nghệ in 3D FDM hoạt động bằng cách làm nóng chảy sợi nhựa và đẩy nó qua đầu phun nhiệt lên bề mặt để tạo thành từng lớp Dữ liệu 3D do người dùng cung cấp được máy in đọc và điều khiển chuyển động của đầu phun sao cho vật liệu lắng lại đúng vị trí mong muốn Vật liệu phổ biến nhất được sử dụng cho máy in 3D theo công nghệ FDM là nhựa ABS và PLA, mang lại hiệu quả cân bằng giữa độ bền, chi phí và dễ dàng xử lý.
Mô hình sản phẩm được tạo từ file JGES hoặc STL bằng AutoCAD Các file dữ liệu này sau đó được cắt thành nhiều lớp và qua quá trình xử lý bằng Quickslide và Supportwork Khi cần thiết, cấu trúc đỡ chi tiết sẽ được tự động sinh ra để đảm bảo tính ổn định và chất lượng cho mô hình.
Vật liệu sau khi qua đầu phun được nung nóng, nóng chảy và đùn lên tấm đế theo đường dẫn do phần mềm Quickslide tạo ra, hoàn thiện lớp đầu tiên Người dùng có thể điều chỉnh độ rộng của vật liệu thoát ra trong khoảng từ 0,254 mm đến 2,54 mm để tối ưu chất lượng in và độ phủ bề mặt.
Trong in 3D bằng công nghệ FDM, lớp vật liệu đầu tiên được hình thành khi đầu phun di chuyển dọc theo trục Z để đùn lớp kế tiếp Lớp vật liệu mới được đùn sẽ liên kết chặt chẽ với lớp đã in trước đó, tạo nên cấu trúc liên tục của mẫu vật Quá trình đùn và liên kết này được lặp lại nhiều lần cho đến khi toàn bộ mẫu vật được hoàn thiện và đạt đúng kích thước, hình dáng như bản thiết kế.
Hình 2.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của FDM [15]
Trong công nghệ in 3D FDM, đường kính vòi phun phổ biến từ 0,25–1 mm, cho phép điều chỉnh độ chi tiết và tốc độ in cho từng yêu cầu Nhờ phạm vi kích thước này, hầu hết các loại vật liệu nhựa dẻo có thể được dùng để tạo mẫu vật và mô hình thử nghiệm Tuy nhiên, ngay cả khi sử dụng cùng một loại vật liệu, kết quả in còn bị ảnh hưởng nhiều bởi thiết kế chi tiết và các tham số in do người dùng thiết lập, như nhiệt độ, độ cao lớp và tốc độ in, dẫn tới sự khác biệt về chất lượng và độ bền của mẫu.
Trang 23 có thể bổ sung thêm nhiều màu sắc khác để tạo thành những sản phẩm có màu sắc sặc sỡ
Vật liệu in 3D [16]
Công nghệ in 3D ngày càng phổ biển và phát triển vượt bậc trên thế giới, cùng với sự phát triển đó thì vật liệu in cũng ngày càng đa dạng: nhựa, kim loại, composite, xi-măng, các vật liệu hữu cơ, giấy, thức ăn…
2.2.1 Các loại vật liệu nhựa
Nhựa in 3D là vật liệu để bồi đắp lên mô hình sản phẩm bằng những công nghệ in 3D thông qua sự hỗ trợ của máy in 3D và các phần mềm kỹ thuật Có rất nhiều các loại vật liệu khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu và phương pháp công nghệ để có thể đưa ra sự lựa chọn, vật liêu in 3D là yếu tố quan trọng để cấy thành lên sản phẩm (chất lượng, độ bền, độ cứng, độ thẩm mỹ,….)
Hình 2.6: Vật liệu nhựa được sử dụng trong công nghệ in 3D [ 16]
In 3D kim loại là vật liệu phổ biến thứ hai sau nhựa trong công nghệ in 3D, có thể sản xuất các bộ phận từ nhiều loại kim loại và hợp kim như nhôm, thép không gỉ, titan, cobalt và Inconel Công nghệ này đã trở nên đặc biệt phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô và y tế nhờ khả năng tạo ra các thiết kế phức tạp mà không cần hàn hay gia công bổ sung Kim loại quý như vàng, bạch kim, palladium và bạc cũng có thể được xử lý bằng in 3D, nhưng các ứng dụng của chúng chủ yếu giới hạn ở chế tác đồ trang sức.
Trong in 3D kim loại, một thế mạnh quan trọng là khả năng tương thích với các vật liệu cường độ cao, chẳng hạn như siêu hợp kim niken hoặc coban-crôm, vốn rất khó xử lý với các phương pháp sản xuất truyền thống Khả năng này cho phép thiết kế và sản xuất các chi tiết chịu nhiệt và tải trọng cao với độ bền và hiệu suất tối ưu, đồng thời mở rộng cơ hội tích hợp nhiều vật liệu trong một quy trình sản xuất duy nhất.
Hình 2.7: Khung xe đạp được in bằng máy in 3D [16]
2.2.3 Vật liệu Graphite và Graphene
Graphene hay graphene là tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử cacbon, với liên kết sp2 tạo thành mạng tinh thể hình tổ ong Tên gọi của nó được ghép từ 'graphit' (than chì) và hậu tố '-en' (tiếng Anh là '-ene'); trong đó graphite là do nhiều tấm graphene ghép lại Chiều dài liên kết C–C là 0,142 nm Graphene được phát hiện bởi Andre Geim và Kostya Novoselov vào năm 2004.
Graphene là vật liệu có nhiều đặc tính nổi bật như dẫn nhiệt và dẫn điện tốt, độ cứng rất lớn—lên tới hàng trăm lần thép—và khả năng trong suốt gần như tuyệt đối Nhờ những đặc tính này, graphene mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong điện tử linh hoạt, màn hình siêu mỏng, cảm biến nhạy và các vật liệu composite nhẹ nhưng bền.
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng mực graphene có thể in 3D, giống như các vật liệu dẫn điện khác, có thể ảnh hưởng đến hành vi của tế bào, đặc biệt là ở các dòng tế bào gốc thần kinh Nghiên cứu cho thấy graphene in 3D có tiềm năng tác động lên quá trình phát triển và chức năng của tế bào thần kinh, mở ra triển vọng ứng dụng trong y sinh và thiết kế vật liệu sinh học Những phát hiện này gợi ý cách thức sử dụng mực in 3D graphene để điều hướng hành vi tế bào và tối ưu hóa các hệ thống nghiên cứu tế bào gốc thần kinh.
Những kết quả mới cho thấy mực graphene in 3D có các tính chất vật lý, điện và sinh học độc đáo, mở ra những cơ hội đột phá trong y học Các đặc tính này có tiềm năng giải quyết các vấn đề liên quan đến tái tạo các mô điện bị hư hỏng hoặc thoái hóa, từ dây thần kinh đến xương và cơ tim Việc ứng dụng mực graphene in 3D có thể tạo nền tảng cho các phương pháp chữa trị mới, tăng cường phục hồi chức năng và phát triển các vật liệu sinh học tiên tiến cho y tế.
Nhờ các tính chất đặc biệt của vật liệu graphene được in 3D, các đối tượng graphene 3D trở nên rất được săn đón trong nhiều ngành công nghiệp, gồm pin và lưu trữ năng lượng, hàng không vũ trụ, phân tách, quản lý nhiệt, cảm biến và xúc tác, mang lại hiệu suất cao và khả năng ứng dụng rộng rãi cho các hệ thống công nghệ tiên tiến.
Hình 2.8: Vách ngăn graphene octet in 3D trên hoa dâu tây [16]
2.2.4 Vật liệu cho ngành nghề đặc biệt
Các ngành nghề đặc biệt như y học, xây dựng, thực phẩm sử dụng một số vật liệu in 3D đặc thù Ví dụ:
Gốm sứ là một trong những vật liệu mới nhất được ứng dụng trong in 3D Nó bền hơn kim loại và nhựa nhờ khả năng chịu nhiệt độ và áp suất cực cao mà không vỡ hay cong vênh Bên cạnh đó, gốm sứ có khả năng chống ăn mòn tốt hơn kim loại và có độ bền mòn cao hơn so với nhựa, giúp các sản phẩm chịu được môi trường khắc nghiệt và kéo dài tuổi thọ Vật liệu này được ứng dụng phổ biến trong các công nghệ in 3D như Binder Jetting, SLA (Stereolithography) và DLP (Digital Light Processing).
Hình 2.9: Bộ chén được in 3D bằng vật liệu gốm [16]
Mực in tế bào (cellular ink) cho phép in sinh học ra các cơ quan và sinh vật sống, mở ra nhiều ứng dụng y sinh như cấy ghép mô và da cũng như thử nghiệm thuốc Công nghệ này tận dụng in 3D và vật liệu sinh học để tạo ra các mô có chức năng gần như thật và khả năng tương thích cao với cơ thể người Nhờ đó, cellular ink có tiềm năng rút ngắn thời gian phát triển thuốc, giảm sự phụ thuộc vào thử nghiệm trên động vật và mang lại lợi ích lâu dài cho y học cá nhân hóa Đây là bước tiến đáng chú ý trong lĩnh vực in sinh học và hứa hẹn mang lại các giải pháp chữa bệnh và tái tạo mô trong tương lai.
Hình 2.10: Van tim được in bởi mực in là một tổ hợp alginate, tế bào cơ trơn và tế bào kẽ van [16]
Trong lĩnh vực thực phẩm, máy in 3D sử dụng đường để tạo ra các sản phẩm ăn được, mở ra cơ hội thiết kế món ăn sáng tạo và cá nhân hóa trải nghiệm ẩm thực; còn trong xây dựng, cát được dùng làm vật liệu in 3D, khai thác tiềm năng của công nghệ in 3D để tạo các cấu trúc và mô hình quy mô lớn bằng vật liệu tự nhiên.
Hình 2.11: Máy in thực phẩm 3D [16]
Dựa trên công nghệ được chọn là công nghệ FDM, ta chọn vật liệu in theo những tiêu chí sau:
- Vật liệu in dễ tìm
Bảng 2.1: So sánh vật liệu ABS, PLA và PVA STT
Acrylonitrile Butadiene Styrene Polylactic Acid Polyvinyl
(Petroleum) Tinh bột thực vật Dầu khí
3 Đặc tính Bền, linh hoạt, chịu nhiệt tốt Dẻo và chịu nhiệt tốt
Hoà tan trong nước, khả năng liên kết cao
Nhiệt độ nóng chảy sợi nhựa
Chịu đựng tốt, dễ dàng kết dính, dễ phân huỷ, tan ra
Khả năng kết dính có hạn, có thể chịu đựng tốt
Sản phẩm hoàn thành mịn màn Phù hợp với các ngành in ấn và cơ khí ô tô
Máy in này thân thiện với môi trường, ít mùi, cho tốc độ in cao và độ phân giải tốt, đảm bảo in ấn tỉ mỉ và ít cong hoặc vênh Phù hợp với các sản phẩm đòi hỏi sự tỉ mỉ cao.
Phân huỷ sinh học, Tái chế được Không độc hại
Dễ hư hỏng khi gặp ánh nắng mặt trời, có mùi hắc nhẹ khi in trong phòng máy lạnh
Chậm hạ nhiệt cần bộ phận làm mát, khả năng chịu nhiệt không cao, dể bị phá vỡ hơn ABS
Chi phí đắt tiền dể hư hỏng do độ ẩm không khí
Ngoài ra, việc lựa chọn vật liệu in được xác định dựa trên yếu tố tính kinh tế và chi phí đầu tư cho máy in, nhằm tối ưu chi phí sản xuất và hiệu quả đầu tư Ví dụ, máy in 3D sử dụng vật liệu kim loại có chi phí đầu tư và vận hành cao hơn nhiều so với máy in sử dụng vật liệu nhựa.
Trên cơ sở những gì đã phân tích, vật liệu nhựa được xem là lựa chọn hàng đầu cho in 3D Trong các loại nhựa phổ biến trên thị trường, ba loại được sử dụng nhiều nhất là ABS, PLA và PVA, mỗi loại có đặc điểm riêng đáp ứng các mục đích khác nhau: ABS có độ bền và khả năng chịu nhiệt tốt cho sản phẩm cần sức mạnh cơ học; PLA dễ gia công và thân thiện với môi trường, phù hợp cho mẫu thử và sản phẩm tiêu dùng; PVA được dùng như chất hỗ trợ in dễ tan trong nước, giúp in các cấu trúc phức tạp Việc chọn loại nhựa phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về độ bền, chi phí và điều kiện sử dụng của dự án.
Giới thiệu máy in 3D-V2 của C-Gen và lý do chọn máy
Bảng 2.2: Thông số kĩ thuật của máy in C-Gen [17]
STT Đặc điểm Thông số
2 Độ dày lớp in 0.1 – 0.3 mm
4 Nhiệt độ đầu phun (Nozzle) 180 – 260 o C
5 Nguồn cấp cho thiết bị 110 – 220 V
6 Vật liệu in được hỗ trợ Nhựa ABS, PLA
7 Phần mềm điều khiển thiết bị Repetier Hosting
8 Kết nối hỗ trợ USB, SD Card
C-Gen đã tích hợp một số chi tiết máy cho độ chính xác và độ bền cao hơn Khung máy kim loại được gia công bằng CNC, cho độ cứng cao và không rung khi
Trang 36 máy hoạt động Máy đã được lắp ráp sẵn và có chế độ bảo hành Sản phẩm in ra từ máy in 3D-V2 C-GEN có đọ nét cao, độ dày mỗi lớp in từ 0.1mm đến 0.3mm 2.3.1.1 Khung sắt
C-gen đã nâng cấp khung máy từ V1 (mica) lên V2 (khung sắt) được gia công bằng máy CNC và sơn đen, máy in 3D cho chất lượng sản phẩm in 3D cao
Khung máy đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận hành, vì vậy cần một cơ cấu vững chắc và chính xác Khung được chế tạo bằng kim loại mang lại độ bền cao, giúp giảm rung lắc và hạn chế hư hỏng trong quá trình vận chuyển cũng như sử dụng Việc dùng khung kim loại không chỉ tăng độ ổn định của hệ thống mà còn kéo dài tuổi thọ máy, từ đó tối ưu hiệu suất và an toàn khi vận hành.
2.3.1.2 Đầu phun E3D-V6 Để có được sản phẩm in 3D chất lượng cao thì đòi hỏi kim phun phải được gia công chính xác và độ bền cao
Đầu phun 3D-V6 bằng nhôm của Cgen được thiết kế để tăng tuổi thọ và hạn chế tình trạng kẹt nhựa Thiết bị còn tích hợp quạt giải nhiệt và quạt làm nguội sợi nhựa, giúp nhựa ra khỏi kim phun khô tức thì.
Hình 2.15: Trục vít-me của máy [17]
Máy in 3D yêu cầu độ chính xác cao cho từng chi tiết Để đáp ứng yêu cầu này, C-gen đã tích hợp trục vít me vào cấu trúc máy in, giúp nâng cao độ chính xác và ổn định trong quá trình in Việc sử dụng trục vít me còn giảm hao mòn cơ khí và kéo dài tuổi thọ của thiết bị, từ đó tối ưu hóa hiệu suất vận hành Nhờ công nghệ này, máy in 3D của C-gen mang lại chất lượng in đồng nhất, độ lặp lại cao và chi phí vận hành được tối ưu.
2.3.2 Những lí do nên chọn máy in 3D - V2 của C-Gen
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều thương hiệu và sản phẩm công nghệ in 3D cùng với các máy in 3D như Creatbox, 3D Systems, Cubify Tuy nhiên, máy in 3D-V2 C-GEN có một sự khác biệt so với các sản phẩm công nghệ trước đây ở chỗ nó giới thiệu giải pháp và sản phẩm mã nguồn mở.
Công nghệ nguồn mở được phát triển và hỗ trợ bởi một cộng đồng lớn trên khắp thế giới, giúp máy in 3D-V2 C-GEN dễ dàng sửa chữa và nâng cấp công nghệ Nhờ sự chia sẻ và hỗ trợ miễn phí trong hệ sinh thái nguồn mở, người dùng có thể tiếp cận tài liệu hướng dẫn, bản vá và cập nhật mới nhất một cách nhanh chóng Cộng đồng toàn cầu đảm bảo sự tương thích giữa phần mềm và phần cứng, tối ưu hóa hiệu suất và thúc đẩy sự đổi mới của máy in 3D-V2 C-GEN.
Chi phí cho máy in 3D-V2 C-GEN và vật liệu in 3D FDM ở mức tương đối phù hợp cho nghiên cứu công nghệ in 3D và thử nghiệm các ứng dụng đơn giản, do đó công nghệ in 3D FDM trở thành lựa chọn phổ biến nhất hiện nay FDM mang lại chi phí đầu tư thấp, thao tác dễ dàng và khả năng in nhanh các mẫu thử, giúp các dự án nghiên cứu và phát triển tiết kiệm thời gian và nguồn lực Do tính linh hoạt và đa dạng vật liệu, in 3D FDM đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực từ giáo dục đến prototyping và sản xuất quy mô nhỏ.
Máy ở Việt Nam, giao diện tiếng việt, các thành phần cấu thành máy được làm từ chính vật liệu in 3D
Công nghệ CNC
Nhắc đến máy CNC, khả năng cắt chỉ là một phần; dựa vào mục đích sử dụng, máy CNC được phân loại thành các loại như máy khoan, máy phay, máy tiện và máy cắt Tùy nhu cầu gia công của bạn, hãy chọn đúng loại máy hoặc cơ sở gia công CNC phù hợp để tối ưu hiệu suất, chất lượng sản phẩm và chi phí.
Trên thị trường hiện nay có bán những loại máy phục vụ cho mục đích riêng như: máy phay CNC, máy tiện CNC
2.4.1 Máy CNC phân loại dựa trên hệ điều khiển
2.4.1.1 Máy gia công theo dạng đường thẳng
Dựa trên những đường thẳng đã vạch ra, máy CNC có thể cắt đúng yêu cầu theo trục thẳng
2.4.1.2 Máy CNC cắt theo đường chỉ định
Có thể cắt theo những đường mà file cắt vạch ra trước Có thể sử dụng các loại máy 2D, 3D, điều khiển 2D1/2, điều khiển 4D, 5D,…
2.4.1.3 Máy CNC mini gia công theo dạng điểm
Khoan, khoét, hàn, đột, đập là những thao tác phổ biến trên máy CNC gia công theo điểm, nghĩa là máy chỉ thực hiện gia công trên các điểm nhất định Hiểu đơn giản, các điểm này được xác định theo khái niệm toán học – vị trí trên bề mặt hoặc trong không gian Những máy CNC này không có khả năng gia công toàn phần mà tập trung xử lý tại các điểm được chỉ định, nhằm đảm bảo độ chính xác cao và tối ưu hóa quy trình gia công.
Các định dạng file có thể dùng để cắt CNC là: file pdf, file corel, file adobe ilustrator, file art cam
2.4.2 Ưu điểm khi cắt CNC
Khi so sánh với các sản phẩm làm thủ công bằng tay, máy CNC cho thấy độ chính xác gần như tuyệt đối ở từng bản cắt Trong quá trình gia công CNC, người điều khiển máy cần nạp và lập trình đúng các file để đảm bảo chất lượng và hiệu quả của sản phẩm.
Tiến bộ công nghệ ngày càng nhanh chóng giúp người quản lý máy móc làm việc hiệu quả hơn, giảm thiểu thao tác thủ công và tập trung vào kỹ thuật lập trình CNC, vận hành và giám sát máy móc, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu suất cũng như chất lượng quản lý dây chuyền.
Trang 39 Độ chính xác cao Nếu vận hành tốt, độ sai số khi cắt là rất nhỏ Các đường cắt CNC khá nhanh và độ chính xác theo “phần nghìn mm”
Tốc độ cắt nhanh Nhờ cấu trúc cứng cáp và công suất hoạt động cao, mọi loại vật liệu cứng đều có thể gia công trong thời gian ngắn
Hình 2.16: Hình ảnh về CNC [07]
2.4.3 Một số nhược điểm của CNC
- Giá thành nhập máy cao
- Rất bền và ít hỏng hóc, nhưng mỗi khi sửa thường tốn nhiều chi phí
- Nếu nhân viên vận hành máy nghỉ việc, sẽ mất thời gian để tìm người thay thế
2.4.4 Kỹ thuật cắt CNC ngày càng hiện đại, chính xác
CNC xuất hiện đã tạo nên một cuộc cách mạng trong nền công nghiệp thế kỷ 21, đẩy quá trình gia công vào kỷ nguyên tự động hóa và chính xác cao Hiện nay, công nghệ CNC tiếp tục phát triển nhanh về tốc độ cắt, độ chính xác và độ thông minh của bộ xử lý, đồng thời tối ưu hóa dao cắt CNC, giúp tăng năng suất, giảm sai số và nâng cao chất lượng sản phẩm trong sản xuất hàng loạt.
Các máy CNC hiện nay được tích hợp nhiều chức năng hơn, đáp ứng nhu cầu của các doanh nghiệp có diện tích hạn chế Trước đây, máy CNC dùng màn hình đen trắng gây khó khăn cho người vận hành Nay đã có màn hình màu và giao diện dễ sử dụng hơn, đồng thời hỗ trợ nhiều thao tác và chức năng phong phú, giúp nâng cao hiệu suất gia công và tối ưu hóa quy trình làm việc cho doanh nghiệp.
Thiết lập thực nghiệm
Phương pháp Taguchi bổ sung cho 2 phương pháp hoạch định yếu tố toàn phần và yếu tố phần
Phương pháp Taguchi dựa trên bảng hoạch định trực giao (OA – Orthogonal Arrays) xây dựng trước và phương pháp để phân tích đánh giá kết quả
Các yếu tố có thể có 2, 3, 4 mức độ
Phương pháp Taguchi được xem là tối ưu khi số yếu tố khảo sát nằm trong khoảng từ 3 đến 50 Nó đặc biệt phù hợp khi có ít tương tác giữa các yếu tố và khi chỉ một số ít yếu tố thực sự có ý nghĩa ảnh hưởng đến kết quả Nhờ khả năng tập trung phân tích vào những yếu tố then chốt, Taguchi giúp tiết kiệm thời gian thử nghiệm và chi phí, đồng thời cung cấp cái nhìn rõ ràng về tác động của từng yếu tố lên kết quả cuối cùng.
Phương pháp Taguchi (tiếng Nhật: グ チ ソ) là một phương pháp thống kê, đôi khi được gọi là thiết kế mạnh mẽ, được Genichi Taguchi (1924-2012) phát triển để cải thiện chất lượng hàng hóa sản xuất và gần đây cũng được áp dụng cho kỹ thuật, công nghệ sinh học, tiếp thị và quảng cáo Các nhà thống kê chuyên nghiệp hoan nghênh các mục tiêu và cải tiến mà phương pháp Taguchi mang lại, đặc biệt là nhờ sự phát triển các thiết kế của Taguchi nhằm nghiên cứu biến thể, nhưng cũng có những chỉ trích về tính hiệu quả của một số đề xuất của Taguchi.
Công việc của Taguchi bao gồm ba đóng góp chính cho thống kê:
- Một chức năng mất cụ thể
- Triết lý kiểm soát chất lượng ngoại tuyến
- Những đổi mới trong thiết kế thí nghiệm
Taguchi tiếp thu chủ yếu lý thuyết thống kê từ các học giả theo Ronald A Fisher Phản ứng với các phương pháp thiết kế thí nghiệm của Fisher, Taguchi cho rằng những phương pháp này là các biến đổi nhằm tìm cách cải thiện kết quả trung bình của một quy trình Thực tế, công trình của Fischer được thúc đẩy bởi các chương trình so sánh năng suất nông nghiệp thông qua các phương pháp xử lý thí nghiệm.
Trang 41 lý và khối khác nhau, và các thí nghiệm như vậy đã được thực hiện như một phần của chương trình dài hạn để cải thiện thu hoạch
Taguchi nhận ra trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn có một nhu cầu rõ ràng là đạt được kết quả đúng mục tiêu, nên kỹ thuật chất lượng phải bắt đầu bằng hiểu biết về chi phí chất lượng trong các tình huống khác nhau Trong nhiều công nghệ sản xuất thông thường, chi phí chất lượng được đo bằng số lượng sản phẩm không phù hợp nhân với chi phí sửa chữa hoặc phế liệu Tuy nhiên, Taguchi mở rộng quan điểm bằng cách nhấn mạnh chi phí xã hội cần được xem xét, bởi mỗi mặt hàng sản xuất không chỉ gây chi phí tư nhân mà còn gây tổn thất cho khách hàng hoặc cộng đồng do hao mòn, giao tiếp giữa các bộ phận khó khăn hay yêu cầu xây dựng trong khuôn khổ an toàn Những mất mát này là ngoại tác và thường bị bỏ qua khi tập trung vào chi phí riêng tư Các phân tích ngoài phạm vi như vậy làm suy giảm hiệu quả thị trường theo nguyên tắc kinh tế học công chúng Taguchi cho rằng những tổn thất này sẽ quay trở lại doanh nghiệp dưới hình thức bài học về chi phí xã hội, và bằng cách giảm thiểu chúng, nhà sản xuất có thể nâng cao uy tín thương hiệu, mở rộng thị trường và tăng lợi nhuận.
Mục tiêu của phương pháp Taguchi:
Chất lượng nên được tích hợp ngay từ quá trình thiết kế thông qua thiết kế hệ thống, thiết kế tham số và thiết kế dung sai Tham số thiết kế sẽ là trọng tâm của bài viết này, được thực hiện bằng cách xác định những tham số và quá trình có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng sản phẩm và sau đó thiết kế chúng để đạt được một mục tiêu chất lượng cụ thể cho sản phẩm Chất lượng "được kiểm tra" của một sản phẩm có nghĩa là sản phẩm được sản xuất ở mức chất lượng như mong đợi và những sản phẩm lệch xa so với giá trị trung bình sẽ bị loại bỏ.
Chất lượng đạt được tốt nhất bằng cách giảm thiểu độ sai số so với chỉ tiêu đề ra Sản phẩm nên được thiết kế sao cho có khả năng miễn nhiễm với các yếu tố môi trường không thể kiểm soát, từ đó duy trì độ ổn định và tính nhất quán trong quá trình sản xuất và vận hành Việc tối ưu thiết kế và quy trình sản xuất giúp giảm biến động chất lượng, nâng cao hiệu suất và đáp ứng mọi yêu cầu về chất lượng từ người dùng và thị trường.
Trang 42 kiểm soát Nói cách khác, độ kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm phải đạt giá trị cao
Chi phí chất lượng được đo bằng hàm sai số so với tiêu chuẩn và các tổn thất nên được kiểm tra trên toàn bộ hệ thống, đây là khái niệm về chuyển đổi tổn thất, hay tổn thất chung phát sinh từ khách hàng và xã hội từ một sản phẩm chất lượng kém; ưu điểm của khung đo lường này là giúp nhận diện sớm các điểm lỗi, tối ưu hóa vòng đời sản phẩm, giảm thiểu chi phí do lỗi và nâng cao sự hài lòng của khách hàng đồng thời củng cố quản trị rủi ro cho toàn hệ thống, trong khi nhược điểm là việc đo lường chi phí chất lượng có thể phức tạp, đòi hỏi dữ liệu toàn diện và đầu tư ban đầu cho hệ thống kiểm tra, giám sát và có thể gây khó khăn trong việc thể hiện lợi ích ngắn hạn so với chi phí đầu tư.
Một ưu điểm của phương pháp Taguchi là tập trung vào hiệu suất ở mức trung bình thay vì bị giới hạn bởi một giá trị kỹ thuật cụ thể, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm Thiết kế thử nghiệm của Taguchi rất đơn giản và dễ áp dụng trong nhiều trường hợp, khiến nó vừa mạnh mẽ vừa dễ triển khai Phương pháp này có thể được dùng để nhanh chóng thu hẹp phạm vi của một dự án nghiên cứu dựa trên dữ liệu sẵn có Ngoài ra, Taguchi cho phép phân tích đồng thời nhiều tham số khác nhau mà vẫn duy trì số lượt thử nghiệm ở mức hợp lý, giúp tối ưu hóa quá trình nghiên cứu mà không phải tăng đáng kể số lần thử.
Nhược điểm chính của phương pháp Taguchi là kết quả thu được chỉ tương đối và không chỉ ra chính xác tham số nào có ảnh hưởng cao nhất đến giá trị đặc tính hiệu suất Ngoài ra, vì các mảng trực giao không kiểm tra tất cả các biến kết hợp, phương pháp này gây khó khan trong việc tính toán các tham số Hơn nữa, vì phương pháp của Taguchi liên quan đến việc thiết kế chất lượng bên trong nên hầu hết trọng tâm của vấn đề đặt vào việc phát triển quá trình sản xuất
2.5.1.2 Hoạch định taguchi – hoạch định thí nghiệm
Chỉ có yếu tố chính và tương tác bậc 1 giữa 2 yếu tố là quan trọng Tương tác bậc cao xem như không đáng kể
Nhà nghiên cứu phải xác định trước các tương tác có ý nghĩa Bảng hoạch định trực giao Taguchi được xây dựng trên cơ sở kết hợp các hình vuông Latin theo một cách nhất quán
TÍNH CHẤT BẢNG HOẠCH ĐỊNH TRỰC GIAO:
➢ Các cột phải trực giao – tổng số tích số các mức độ tương ứng của 2 cột bằng
Do các cột phải trực giao, việc thay đổi giá trị các mức độ ở một cột sẽ ảnh hưởng đến giá trị của các cột khác Do đó, các bảng qui hoạch trực giao được xây dựng để quản lý sự phụ thuộc giữa các mức độ, tối ưu hóa thiết kế thí nghiệm và tạo điều kiện phân tích độc lập giữa các yếu tố Bạn có thể tìm thấy các bảng này trong nhiều tài liệu tham khảo về thiết kế thí nghiệm và thống kê, nơi chúng đóng vai trò quan trọng giúp giảm nhiễu và nâng cao hiệu quả khai thác dữ liệu.
Chọn số mức độ cho mỗi biến
Chọn các biến và tương tác
Xác định các yếu tố và mức độ vào bảng trực giao
Hình 2.17: Các bước tiến hành
Chọn yếu tố khảo sát
Việc lựa chọn yếu tố khảo sát và yếu tố tương tác đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong hoạch định dự án Để xây dựng danh sách các yếu tố cần khảo sát, cần có kiến thức chuyên sâu về vấn đề khảo sát và tham khảo đầy đủ các nghiên cứu trước đây nhằm bảo đảm tính chính xác và toàn diện của kế hoạch.
Chọn mức độ khảo sát
Việc lựa chọn mức độ khảo sát cho các yếu tố chính phụ thuộc vào ảnh hưởng của chúng đối với đáp ứng Nếu các yếu tố này ảnh hưởng tuyến tính, nên chọn hai mức độ khảo sát Tuy nhiên, nếu ảnh hưởng là phi tuyến, số mức độ có thể là 3 hoặc 4, tùy thuộc mối quan hệ là bậc hai hay bậc ba.
Khi chưa xác định chính xác mối quan hệ giữa các biến, nên chọn số mức độ ban đầu là 2 Sau khi phân tích dữ liệu thí nghiệm, số mức độ sẽ được quyết định dựa trên phần trăm đóng góp và sai số.
Chọn bảng quy hoạch trực giao
Trước khi chọn bảng trực giao cho khảo sát, cần tính toán số thí nghiệm tối thiểu dựa trên tổng số độ tự do Số thí nghiệm tối thiểu này phải bằng hoặc lớn hơn tổng số độ tự do để đảm bảo tính khả thi, độ tin cậy của kết quả và tối ưu hóa quá trình thiết kế thí nghiệm với bảng trực giao.
- Độ tự do của giá trị trung bình: 1
- Độ tự do của các yếu tố chính: n – 1; với n là số mức độ của yếu tố
- Độ tự do của tương tác bằng tích số độ tự do của các yếu tố chính
Bảng 2.4: Bảng thông số lựa chọn bảng Taguchi [23]
5 L25 L25 L25 L25 L25 L50 L50 L50 L50 L50 L50 Ấn định các yếu tố ảnh hưởng vào bảng trực giao