MẪU 14/KHCN BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tà[.]
THÔNG TIN CHUNG
Thông tin tổng quát
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ KHẢO NGHIỆM THIẾT BỊ ĐÙN SỢI NHỰA CHO MÁY IN 3D
1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài
(học hàm, học vị) Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài
(sinh viên) Đại Học Công Nghiệp TP
(sinh viên) Đại Học Công Nghiệp TP
(sinh viên) Đại Học Công Nghiệp TP
(sinh viên) Đại Học Công Nghiệp TP
(sinh viên) Đại Học Công Nghiệp TP
1.4 Đơn vị chủ trì: Khoa cơ khí
1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 12 năm 2019 đến tháng 12 năm 2020
1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng 06 năm 2021
1.5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng12 năm 2019 đến tháng 05 năm 2021
1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):
(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến của Cơ quan quản lý)
1.7 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 15 triệu đồng
Kết quả nghiên cứu
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
In 3D là công nghệ sản xuất vật thể bằng cách đắp vật liệu theo lớp Trong đó, mỗi lớp là một mặt cắt ngang mỏng của vật thể đó, được tạo ra bằng máy tính [1] Theo tạp chí Forbes, hàng ngàn ngành công nghiệp, từ xe hơi và không gian vũ trụ đến công nghiệp da giầy và nữ trang, đã ứng dụng công nghệ 3D để tạo ra các sản phẩm Nghiên cứu chuyên sâu hàng năm Wohlers Report đã ước tính, in 3D sẽ phát triển thành ngành công nghiệp trị giá 5,2 tỷ USD vào năm 2020, tăng từ mức 1,3 tỷ USD vào năm 2010 [2] Ưu điểm vượt trội của công nghệ in 3D là có thể rút ngắn thời gian, sản xuất nhanh sản phẩm với số lượng nhỏ, giúp đẩy nhanh quá trình đưa sản phẩm ra thị trường; giảm bớt chi phí với chất lượng tốt hơn, mẫu mã đẹp hơn; đơn giản, tự động hóa; tối ưu hóa quá trình kiểm tra và chỉnh sửa sản phẩm (điều khiến in 3D trở thành công nghệ “như mơ”, chính là khả năng tạo sản phẩm thật trực tiếp từ bản vẽ) Với công nghệ này, có thể chế tạo vật thể có kết cấu đặc biệt phức tạp, đòi hỏi tinh xảo, chính xác mà các phương pháp gia công truyền thống không thể làm được Không những vậy, công nghệ in 3D gần như không có chất thải của vật liệu xây dựng hay giàn giáo; giúp công nhân bảo vệ được sức khỏe; giảm chi phí vận chuyển, và bớt đi sự tác động, phát thải khí CO2 ra môi trường trong quá trình vận chuyển [3] Công nghệ in 3D đã có những bước phát triển đầy triển vọng - đó là công nghệ của tương lai, biến tất cả các ý tưởng của con người thành hiện thực Có thể nói rằng công nghệ in 3D là công nghệ chủ lực của cách mạng công nghiệp 4.0 Hay nói một cách khác, nước ta không thể tiến tới công nghiệp 4.0 nếu không nắm được hoàn toàn công nghệ in 3D
Trong tình hình đó, các nhà quản lý, các nhà khoa học của nước ta đã rất chú trọng giải mã và ứng dụng công nghệ 3D Từ những năm 2010, nhóm nghiên cứu của PGS TS Đặng Văn Nghìn, PGS TS Thái Thị Thu Hà, trường Đại học Bách Khoa tp HCM đã thực hiện nhiều đề tài để giải mã các công nghệ in 3D và thu được những kết quả quan trọng, góp phần không nhỏ vào việc hiểu biết và tiếp cận các công nghệ in 3D ở nước ta Thực tế cho thấy, hiện nay, giá thành một chiếc máy in 3D đơn giản trên thị trường chỉ hơn 4 triệu đồng Công nghệ in 3D đã được ứng dụng rộng rãi vào việc tạo mẫu nhanh và một phần vào sản xuất
Tuy nhiên, việc nghiên cứu phát triển công nghệ in 3D tại Việt Nam đang bị chậm lại Tuy chưa có số liệu chính chức, nhưng trong thời gian 5 năm gần đây, không có bất kỳ bài báo khoa học nào của các tác giả Việt Nam từ các viện, các trường trong nước về công nghệ in 3D được xuất bản trên các tạp chí có uy tín Trong khi đó, trên thế giới, các bài báo về công nghệ in 3D vẫn đang được xuất bản rất nhiều, ngay cả những tạp chí hàng đầu như Nature vẫn chấp nhận bài về in 3D [3] Việc ứng dụng công nghệ in 3D hiện nay ở Việt Nam chỉ dừng lại ở việc làm các mẫu, các mô hình đơn giản Theo nhiều chuyên gia đầu ngành về công nghệ in 3D tại Việt Nam hiện nay như PGS TS Đặng Văn Nghìn, PGS TS Thái Thị Thu Hà, trường Đại học Bách Khoa tp HCM, TS Nguyễn Minh Triển - Phó Trưởng phòng Khoa học, Công nghệ và Hợp tác phát triển, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, TS Nguyễn Việt Hải - Phó Viện trưởng Viện Khoa học - Công nghệ Vinasa, Hiệp hội Phần mềm và Dịch vụ công nghệ thông tin Việt Nam thì in 3D tại Việt Nam hiện nay chỉ là demo, tạo mẫu, chưa tạo ra được chuỗi giá trị [4]
Một trong những nguyên nhân chính của hiện trạng trên là do ta chưa chủ động được nguyên liệu cho công nghệ in 3D, theo TS Hoàng Xuân Tùng thuộc Khoa Công nghệ Vật liệu (ĐH Bách Khoa TP.HCM) [5] Không tự sản xuất được nguyên liệu cho in 3D, không nắm được các thành phần nguyên liệu từ đó không nắm rõ được cơ tính, hóa tính của vật liệu, từ đó không nắm rõ được cơ tính, hóa tính của sản phẩm sản xuất ra Từ đó, sản phẩm in từ Việt Nam không thể không thể đi vào chuỗi giá trị của những sản phẩm kỹ thuật cao Không thể nghiên cứu thành phần, tính chất của nguyên liệu, ta không thể mở rộng phạm vi ứng dụng của in 3D Thêm vào đó, ta không thể chủ động được nguồn cung và giá cho nguyên liệu của in 3D, đặc biệt là in 3D kỹ thuật cao Từ đó, việc nghiên cứu về vật liệu in 3D tại Việt Nam ngày càng trở nên cấp thiết
1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Lần đầu tiên những dạng máy tạo sợi nhựa cho máy in 3D thương mại chủ yếu đang được sử dụng trên thế giới được tổng hợp và phân tích tổng quan về ưu nhược điểm cũng như giá thành
- Những công trình nghiên cứu, các bài báo khoa học, bằng phát minh sáng chế về máy tạo sợi nhựa cho máy in 3D cũng được tổng hợp và phân tích
- Tất cả các dạng máy tạo sợi nhựa cho máy in 3D sau đó được phân loại vào ba dạng cơ bản gồm trục vít đơn, trục vít đôi và nhiều trục vít
- Lý thuyết đùn cũng được nghiên cứu chi tiết
- Một dạng máy tạo sợi nhựa cho máy in 3D phù hợp với cho những nghiên cứu bước đầu về sản xuất sợi nhựa cho máy in 3D của Việt Nam được nghiên cứu và đề nghị
- Dựa trên nguyên lý này, kết cấu máy tạo sợi nhựa cho máy in 3D quy mô nhỏ, quy mô phòng thí nghiệm được phân vào các hệ thống và cơ cấu chức năng phù hợp, sau đó được tính toán thiết kế
- Dựa vào kết quả tính toán theo những phương pháp áp dụng trong những trường hợp cụ thể, đưa ra được bản vẽ chế tạo
- Từ những khảo nghiệm, những phương pháp tối ưu hóa phù hợp được vận dụng nhằm đưa ra những kết luận, những giải pháp kỹ thuật và khuyến nghị về phương cách vận hành máy
Kỹ thuật đùn vật liệu đã được sử dụng rất rộng rãi, cả trong công nghiệp lẫn học thuật Nghiên cứu này đi sâu vào lý thuyết đùn vật liệu, góp phần làm sáng tỏ hơn việc thành lập những công thức cơ bản của quá trình đùn Qua đó, giúp cho những nhà thiết kế, đặc biệt là trong môi trường đại học nắm vững thêm về lý thuyết đùn
Máy đùn được tính toán lý thuyết, cả về kích thước lẫn truyền nhiệt Sau đó được ứng dụng thành công vào thực tiễn, chế tạo thành công một thiết bị đùn sợi nhựa cho máy in 3D
Làm chủ công nghệ về thiết kế và công nghệ chế tạo máy tạo sợi nhựa cho máy in 3D trong điều kiện cụ thể của phòng thí nghiệm của trường đại học / Việt Nam Đề tài có ý nghĩa to lớn, nhằm góp phần nâng cao khả năng nghiên cứu các lý thuyết thiết kế, có khả năng tạo ra các công cụ mạnh, làm gia tăng khả năng xuất bản bài báo quốc tế của các tác giả Việt Nam
- Thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm được một máy tạo sợi nhựa cho máy in 3D
- Xây dựng được chế độ làm việc của máy
- Trích xuất một phần kết quả nghiên cứu phục vụ công tác đào tạo trong trường đại học Công nghiệp TPHCM
Nội dung thực hiện công trình, phương pháp nguyên cứu
Các nội dung, công việc chủ yếu cần được thực hiện
Kỹ thuật thực hiện Kết quả cần đạt được
3.1 Tổng quan về các loại máy tạo sợi nhựa cho máy in 3D hiện có trên thế giới và phân tích những ưu-nhược của chúng
- Phân tích và tổng hợp
- Phương pháp biên / phiên dịch
Tìm kiếm và thu thập các tài liệu tham khảo (TLTK)
Tìm kiếm các TLTK, sau đó đọc và ghi chú lại những ưu và nhược điểm của từng loại máy tạo sợi nhựa cho máy in 3D
Tập hợp các tư liệu ở dạng văn bản phân tích tổng quan về ưu- nhược điểm của các loại máy tạo sợi nhựa cho máy in 3D hiện hành
3.2 Lựa chọn nguyên lý và thiết kế tổng thể máy
- Phương pháp phân tích tổng hợp
Xem xét tổng thể các bài toán động lực học của trục vít; bài toán xác định công suất cần
- Tập hợp tất cả các TLTK liên quan đến các vấn đề cần tiếp cận
- Biến đổi các công thức, phương trình sao cho phù hợp với bài toán thiết kế
Bản thiết kế tổng thể của máy
6 thiết, bài toán truyền động, độ bền các chi tiết máy máy để xác định các công thức tính công suất, áp suất
- Tính toán thử nghiệm với các số liệu cụ thể để kiểm nghiệm mức độ chính xác và phù hợp của các hệ thống, cơ cấu thu được đối với yêu cầu thiết kế
3.3 Tính toán, lựa chọn trục vít
- Xem xét tính chất của hỗn hợp nhựa
- Xem xét lý thuyết áp lực đùn, tổn thất áp dọc trục
- Tập hợp tất cả các TLTK liên quan đến các vấn đề cần tiếp cận
- Tính toán với các số liệu cụ thể để kiểm định tính chính xác của cơ cấu thu được
Kết cấu, thông số trục vít phù hợp
3.4 Chọn động cơ - Phương pháp năng lượng
Xem xét đến công suất cần thiết để tạo áp lực đùn
- Tập hợp tất cả các TLTK liên quan đến các vấn đề cần tiếp cận
Các công thức, hệ thức toán học xác định công suất máy
7 công thức theo các phương pháp nghiên cứu để xác định công suất cần thiết
3.5 Tính toán thiết kế hệ thống phễu cấp liệu của máy
- Phương pháp phân tích động lực học
Xem xét hệ thống phễu cấp liệu của một số loại máy tạo sợi và các máy tương đương hiện tại, lựa chọn cơ cấu gần sát, cải tiến cho phù hợp với điều kiện cụ thể
- Tập hợp tất cả các TLTK liên quan đến các vấn đề cần tiếp cận
- Tính toán thử nghiệm với các số liệu cụ thể để kiểm định tính chính xác của hệ thống thu được
Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo
1.1 Kết quả nghiên cứu (sản phẩm dạng 1,2,3)
Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật Đăng ký Đạt được
1 Thiết bị đùn sợi nhựa cho máy in 3D (dạng I)
-Tốc độ đùn 200 mm/phút
-Tốc độ đùn 200 mm/phút
2 Sợi nhựa in 3D (dạng I) Đường kính 1.75 mm Dung sai ± 0.1 mm Đường kính 1.75 mm Dung sai ± 0.1 mm
3 Tập bản vẽ thiết kế (dạng
II) Đầy đủ dung sai kích thước và yêu cầu kỹ thuật Đầy đủ dung sai kích thước và yêu cầu kỹ thuật
4 Mô hình 3D (dạng II) Độ tin cậy cao, kích thước chuẩn xác Độ tin cậy cao, kích thước chuẩn xác
Quy trình công nghệ sản xuất sợi nhựa cho máy in
3D ở quy mô phòng thí nghiệm (dạng II)
Rõ ràng, đúng thực tế Rõ ràng, đúng thực tế
(Lưu đồ và các thông số)
Nghiên cứu dòng chảy của nhựa nóng chảy trong thiết bị đùn trục vít đơn
Tạp chí IUH Tạp chí IUH
Bảng 3 Kết quả nghiên cứu Ghi chú:
- Các ấn phẩm khoa học (bài báo, báo cáo KH, sách chuyên khảo…) chỉ được chấp nhận nếu có ghi nhận địa chỉ và cảm ơn trường ĐH Công Nghiệp Tp HCM đã cấp kính phí thực hiện nghiên cứu theo đúng quy định
- Các ấn phẩm (bản photo) đính kèm trongphần phụ lục minh chứng ở cuối báo cáo (đối với ấn phẩm là sách, giáo trình cần có bản photo trang bìa, trang chính và trang cuối kèm thông tin quyết định và số hiệu xuất bản)
Thời gian thực hiện đề tài
Tên chuyên đề nếu là NCS Tên luận văn nếu là Cao học Đã bảo vệ
Bảng 4: Kết quả đào tạo
- Kèm bản photo trang bìa chuyên đề nghiên cứu sinh/ luận văn/ khóa luận và bằng/giấy chứng nhận nghiên cứu sinh/thạc sỹ nếu học viên đã bảo vệ thành công luận án/ luận văn;( thể hiện tạiphần cuối trong báo cáo khoa học)
Tình hình sử dụng kinh phí
2 Nguyên, nhiên vật liệu, cây con 3,000,000 3,000,000
6 Hội nghị, hội thảo,thù lao nghiệm thu giữa kỳ
7 In ấn, Văn phòng phẩm 1,250,000 1,250,000
Bảng 5: Tình hình sử dụng kinh phí
Kiến nghị ( về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)
Máy tạo sợi nhựa đã được vận dụng vào thiết kế thành công một đoạn sợi nhựa về cơ bản đáp ứng được yêu cầu về kích thước cho máy in 3D
Tuy nhiên, vẫn còn vấn đề về độ biến thiên của kích thước và nhiệt độ đùn
Thiết kế một bộ quấn dây để đảm bảo độ biến thiên của đường kính sợi đùn
Những điểm này đang là những nghiên cứu tiếp theo của nhóm
Dù vậy, việc chế tạo thành công thiết bị đùn góp phần mở ra khả năng tự sản xuất ra sợi nhựa cho máy in 3D Tuy không thể cạnh tranh với sợi nhựa sản xuất ở quy mô công nghiệp, trước mắt, nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng vào việc sản xuất sợi nhựa có các tính chất màu sắc độc, lạ theo yêu cầu cá nhân, về lâu dài, nếu một trong những sợi loại sợi nhựa đó có nhu cầu cao thì đây sẽ là nền tảng cho việc sản xuất hàng loạt.
Phụ lục sản phẩm ( liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)
1 Thiết bị đùn sợi nhựa cho máy in 3D
Hình 58: Hình ảnh thực tế của thiêt bị đùn sợi nhựa
Hình 59 Sản phẩm của thiết bị đùn sợi nhưa
3 Tập bản vẽ thiết kế
Hình 60 Bản vẽ chi tiết của thiết bị đầu gia nhiệt
Hình 61 Thiêt kế 3D của thiết bị đùn sợi nhựa
5 Quy trình công nghệ sản xuất sợi nhựa cho máy in 3D ở quy mô phòng thí nghiệm
Tài liệu hướng dẫn công việc
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SỢI NHỰA CHO MÁY IN 3D Ở QUY MÔ PHÒNG THÍ
Tên khách hàng Mã số sản phẩm
Bảng 6 Sơ đồ quy trình
Bước Lưu trình Hình minh họa Nội dung Ghi chú
Bật công tắc gia nhiệt Đợi nhiệt độ của máy gia nhiệt từ 110 −
115 ℃ ( thời gian chờ 5-10 phút) sau đó khởi động động cơ của máy
Nếu chưa đủ 110°C hạt nhựa sẽ dính vào trục vít làm cho kẹt nhựa có thể dẫn đến gãy trục vít Nếu hơn 115°C hạt nhựa sẽ biến tính dẫn đến sợi nhựa đùn không ổn định và giảm độ bền của máy
Cho nguyên liệu vào phễu với mỗi lần thêm nguyên liệu từ 50-100g hạt nhựa Thường xuyên cung cấp nguyên liệu vào phễu cho quá trình đùn được liên tục đến khi đủ chiều dài mong muốn của sợi nhựa
Quá trình đùn không để bị ngắt quãng vì thiếu nguyên liệu sẽ dẫn đến việc sợi nhựa có đường kính không đều có khả năng đứt đoạn
3 Kéo sợi Dùng bao tay hoặc vật dụng cách nhiệt kéo sợi nhựa không để dính vào quạt và thân máy
Sợi nhựa mới ra sẽ có nhiệt độ cao dễ đứt đoạn, chú ý kéo nhẹ tay
Dùng thước cặp để đo đường kính sợi
Kích thước đường kính cần đạt là 1.75 ± 0.1 𝑚𝑚
Nếu đường kính sợi đạt yêu cầu tiếp tục quá trình đùn sợi Nếu đường kính sợi không đạt yêu cầu cần phải kiểm tra lại nhiệt độ và tốc độ đùn cho phù hợp
5 Cuốn sợi Dùng cuộn quấn nhựa để cuộn dây lại
Dùng cuộn quấn nhựa có đường kính tối thiểu 15cm tránh nứt, cong biến dạng sợi
6 Kết thúc Chờ hạt nhựa chạy hết trong máy rồi mới tắt máy và vệ sinh Đảm bảo máy được vệ sinh sạch cho lần đùn sau
Bảng 7 Quy trình công nghệ sản xuất sợi nhựa cho máy in 3D ở quy mô phòng thí nghiệm
Những lưu ý khi sản xuất sợi nhựa cho máy in 3D:
+ Kiểm tra máy trước khi sử dụng đảm bảo trong máy không còn nguyên liệu hay vật thể lạ + Gia nhiệt đúng nhiệt độ cài đặt mới được khởi động động cơ
+ Quá trình đùn nếu xuất hiện âm thanh lạ từ máy thì phải ngừng hoạt động để kiểm tra
Hãy luôn đặt yếu tố an toàn lên hàng đầu khi sử dụng máy
Tp HCM, ngày 26 tháng 08 năm 2021
Phòng QLKH&HTQT (ĐƠN VỊ)
Trưởng (đơn vị) (Họ tên, chữ ký)