(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm
TỔNG QUAN
Công ngh ệ in 3d
Cách đây khoảng 40 năm, ai lần đầu nghe tiếng phát ra trên radio, nhìn thấy hình in trên một tờ giấy, hay xem những người bé tí chạy nhảy trong chiếc hộp vuông, đều cảm nhận công nghệ lúc ấy thật hiện đại Ngày nay khoa học công nghệ phát triển vượt bậc, ở bất cứ nơi đâu chúng ta cũng gặp TV, phim 3D, âm thanh 3D và hình 3D, nhằm tạo ra các công nghệ tạo ảo giác hình khối và âm thanh để mô phỏng những gì ta có thể nhìn thấy và nghe được Tuy nhiên, 3D trong công nghệ in 3D là một khái niệm hoàn toàn khác với 3D mang tính mô phỏng như đã nói ở trên.
Trong đời sống hàng ngày, 3D là sự hiện diện của những vật thể thật mà ta có thể cầm trên tay và quan sát một cách chính xác; 3D là mọi thứ xung quanh ta, từ thời nguyên thủy đến ngày nay, và chúng ta luôn tiếp xúc với nó hàng ngày, quá quen thuộc đến mức không còn gọi nó là 3D.
Thế nào là in 3D? In 3D là in ấn ra một vật thể theo không gian ba chiều
Những vật thể có kích thước Dài-Rộng-Cao mà ta có thể cầm nắm, quan sát hoặc sử dụng như mô hình xe hơi, máy bay, lọ hoa, giày dép, quần áo, thậm chí là một ngôi nhà hay đèn ngủ cho thấy tiềm năng ứng dụng của in 3D (3D printing) Trong in 3D, cảm hứng sáng tạo là vô tận và tất cả những gì bạn cần chỉ là một ý tưởng tuyệt vời để biến nó thành hiện thực.
Công nghệ bồi đắp vật liệu (AM) đang nhận được sự chú ý nhờ những lợi ích to lớn mà nó mang lại, đặc biệt là khả năng rút ngắn thời gian chế tạo và giảm chi phí so với công nghệ gia công truyền thống Dựa trên dữ liệu thiết kế 3D từ CAD, các máy AM sản xuất sản phẩm theo nguyên lý bồi đắp vật liệu theo từng lớp, lớp sau chồng lên lớp trước cho đến khi hoàn tất quá trình Nhờ cơ chế này, AM có thể tạo ra những sản phẩm có hình dạng phức tạp một cách nhanh chóng mà các phương pháp gia công truyền thống khó hoặc không thể thực hiện được.
Mỗi công nghệ tạo mẫu có ưu điểm riêng của nó, nhưng công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) là một trong những công nghệ in 3D phổ biến nhất nhờ chi phí thấp và khả năng sử dụng vật liệu thông dụng, dễ tìm và thân thiện với môi trường.
Công nghệ tạo mẫu nhanh từ khi ra đời đến nay đã trải qua hàng loạt cải tiến và phát triển vượt bậc, mang lại nhiều phương pháp in 3D phục vụ thiết kế và sản xuất Các công nghệ nổi bật như FDM (Fused Deposition Modeling), SLS (Selective Laser Sintering) và SLA (Stereolithography) đã mở rộng phạm vi ứng dụng với độ chính xác cao, tốc độ in nhanh và chi phí hợp lý Nhờ sự tiến bộ của những phương pháp này, người dùng có thể tạo mẫu nhanh để kiểm tra hình dáng, chức năng và kích thước trước khi sản xuất hàng loạt, từ đó rút ngắn chu trình phát triển sản phẩm và tối ưu hóa quy trình thiết kế.
Trong lĩnh vực công nghệ in 3D, mỗi công nghệ tạo mẫu có những ưu điểm riêng của nó Đáng chú ý, công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) là một trong những công nghệ phổ biến nhất nhờ giá thành rẻ và sử dụng các loại vật liệu thông dụng, dễ tìm và thân thiện với môi trường, phù hợp cho các mẫu nhanh và chi phí tối ưu cho quá trình prototyping.
Công nghệ in 3D xu hướng của tương lai!
Công nghệ in 3D được xem là xu hướng phát triển đầy mạnh mẽ trong thời gian tới và được các chuyên gia đánh giá sẽ mở ra nhiều cơ hội đổi mới cho sản xuất; ưu điểm đầu tiên là khả năng rút ngắn thời gian chế tạo sản phẩm hoàn chỉnh, thông thường từ 3–72 giờ tùy kích thước và độ phức tạp, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí so với các công nghệ chế tạo truyền thống vốn mất từ nhiều tuần đến nhiều tháng; mặc dù thời gian chỉ là một giới hạn tương đối, nhưng so với thời gian dài của công nghệ truyền thống, in 3D cho phép đưa sản phẩm ra thị trường nhanh hơn rất nhiều; ưu điểm đặc biệt thứ hai là khả năng chế tạo được các bộ phận bên trong và bên ngoài của một sản phẩm một cách chi tiết trong một lần in, điều mà các phương pháp truyền thống khó có thể làm được, ví dụ như có thể chế tạo được một đầu người đầy đủ cấu trúc cả bên trong lẫn bên ngoài.
Cùng với sự phát triển của công nghệ và máy in 3D, vật liệu in 3D ngày càng có những bước tiến đáng kể Ban đầu, vật liệu in chủ yếu là nhựa dẻo, bột kim loại và bột sứ; nhờ các nghiên cứu và thử nghiệm liên tục của con người, danh mục vật liệu in ngày càng đa dạng và phong phú, đáp ứng nhiều ứng dụng và yêu cầu công nghiệp khác nhau.
Vật liệu in 3D phong phú, từ PLA, ABS, PETG đến Flexible, gỗ, giấy, bột, polymer và kim loại, thậm chí cả các ứng dụng đặc biệt như socola hay kem Những vật liệu này có đặc điểm nổi bật là khả năng liên kết giữa các lớp: lớp in ở phía trên dính chặt với lớp ở phía dưới, nhờ đó tạo thành sản phẩm liền mạch, có độ bền và chất lượng bề mặt mong muốn.
L ịch sử phát triển công nghệ in 3d
Thuật ngữ in 3D gợi hình dung về việc sử dụng máy in với đầu in di động để tạo ra các vật thể từ mô hình số Đây là một khía cạnh của công nghệ sản xuất đắp dần (additive manufacturing) và còn được gọi bằng nhiều tên khác nhau như công nghệ in 3D, công nghệ tạo mẫu nhanh, hay công nghệ gia công bằng lớp Nguyên lý hoạt động của in 3D là xây dựng sản phẩm theo từng lớp chất liệu, từ đó bỏ qua các bước đúc hay khuôn và rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm Nhờ ưu thế này, công nghệ in 3D được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế, làm mẫu, y tế, hàng không và nhiều ngành công nghiệp khác Tuy nhiên, mỗi nền tảng có giới hạn về vật liệu, kích thước và tốc độ in, đòi hỏi sự đánh giá kỹ lưỡng trước khi triển khai.
3 công nghệ chế tạo nhanh và công nghệ chế tạo trực tiếp cho thấy sự chuyển đổi từ khái niệm trên giấy sang các sản phẩm hoàn chỉnh, trong đó công nghệ sản xuất đắp dần hoạt động như in 3D bằng cách xếp chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau thay vì loại bỏ vật liệu như trong gia công cắt gọt truyền thống Theo ASTM (American Society for Testing Materials), công nghệ sản xuất đắp dần là quá trình sử dụng nguyên liệu để chế tạo mô hình 3D, thường bằng cách chồng lớp liên tiếp, hoàn toàn đối lập với phương pháp gia công mài giũa vật liệu nguyên khối bằng cách loại bỏ một phần vật liệu Vì vậy, sản xuất đắp dần được xem như một công nghệ tạo hình tương tự đúc hay ép khuôn, nhưng dựa trên các nguyên liệu riêng lẻ để dần hình thành sản phẩm cuối cùng.
Công nghệ sản xuất đắp dần đã hình thành và phát triển suốt hơn 30 năm qua Năm 1986, Charles Hull sáng chế quá trình Stereolithography – công nghệ sản xuất vật thể từ nhựa lỏng được làm cứng nhờ laser – và sau đó thành lập công ty 3D Systems, một trong những nhà cung cấp công nghệ lớn nhất hiện nay trong lĩnh vực này Nếu xem biểu đồ thời gian, công nghệ này phát triển theo đường cong logarithmic: từ 1986 đến 2007 là giai đoạn xâm nhập với những bước đi nhỏ, chậm, làm nền cho công nghệ tạo mẫu nhanh Tuy nhiên đến năm 2009, thị trường có biến động lớn khi nhiều bằng sáng chế liên quan đến công nghệ đắp dần hết hiệu lực, nổi bật là bằng sáng chế về Fuse Deposition Modeling (FDM) do Stratasys sở hữu; khi bằng sáng chế này hết hạn, nhiều nhà sản xuất khác gia nhập, chi phí sản xuất được hạ xuống và FDM trở thành một trong những chìa khóa công nghệ cơ bản của các máy sản xuất đắp dần trên thị trường hiện nay Ngoài ra, đến năm 2014, các bằng sáng chế cho công nghệ nung kết sử dụng laser (Selective Laser Sintering – SLS) cũng bắt đầu hết hạn, mở đường cho các sáng chế mới phát triển mạnh mẽ hơn và thúc đẩy ngành công nghiệp sản xuất đắp dần.
4 thời kỳ phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp này trong tương lai rất gần
Năm 2013, ngành công nghệ sản xuất đắp dần có giá trị ước tính khoảng 3,1 tỷ USD mỗi năm, tăng 35% so với năm 2012 Trong sáu năm tới, tốc độ tăng trưởng trung bình được dự báo ở mức khoảng 32% mỗi năm, đưa ngành lên khoảng 21 tỷ USD vào năm 2020.
Hình 1.1: Biểu đồ phát triển của công nghệ in 3D [23]
Tình hình công ngh ệ in 3d một số nước trên thế giới
Công nghệ in 3D đang được quan tâm trên toàn thế giới, thúc đẩy tăng cường sản xuất công nghiệp và giáo dục Ở Mỹ, công nghệ này được xem là tiềm năng cách mạng hóa phương pháp sản xuất cho hầu hết mọi thứ, và Chính phủ Mỹ đã hỗ trợ từ nhiều thập kỷ trước; năm 2012 NAMII được thành lập nhằm thúc đẩy in 3D ở Mỹ, năm 2014 NAMII đầu tư 9 triệu USD cho nghiên cứu và ứng dụng in 3D Ngoài ra, các quỹ như National Science Foundation và Bộ Quốc phòng Mỹ cũng rất quan tâm và đầu tư cho công nghệ in 3D Ở Trung Quốc, năm 2012 nước này đã đưa công nghệ in 3D vào chương trình nghiên cứu và phát triển công nghệ cao quốc gia; Chính phủ cấp 6,5 triệu USD cho nghiên cứu tập trung về in 3D, và tháng 6 năm 2013 cam kết đầu tư 245 triệu USD cho nghiên cứu và ứng dụng in 3D.
Ở Anh, vào tháng 6 năm 2013, nước này đã cấp 13,9 triệu USD cho các công ty tư nhân để phát triển công nghệ in 3D Đến năm 2014, Anh công bố thành lập Trung tâm quốc gia in 3D với một nguồn đầu tư đáng kể nhằm thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng công nghệ in 3D trên toàn quốc.
25 triệu USD Ở Nhật Bản (NB): 2014, NB dành khoảng 44 triệu USD trong ngân sách để hỗ trợ hoạt động nghiên cứu, phát triển công nghệ 3D
Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở ngoài nước: Đề tài “Study on optimization of 3D printing parameters (Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số in 3D)” [26]
Nhóm nghiên cứu do Junhui Wu dẫn đầu đã thực hiện tối ưu hóa các tham số in 3D, đặc biệt tập trung vào ảnh hưởng của độ dày lớp in đến thời gian in, lượng vật liệu tiêu hao và độ chính xác của mẫu Thử nghiệm được tiến hành bằng cách thay đổi độ dày từng lớp và đánh giá sự ảnh hưởng lên kết quả in Mẫu in trên máy Raise3D N2Plus với nhiệt độ đầu phun 210°C, dùng vật liệu PLA và mật độ điền đầy 10% Kết quả cho thấy độ dày lớp in càng nhỏ thì độ chính xác kích thước càng cao; ngược lại, tăng độ dày lớp làm tăng sai số kích thước Khi lớp in mỏng, tốc độ in giảm, còn lớp dày cho tốc độ in nhanh hơn nhưng mô hình có thể trở nên thô Đáng chú ý, khi chiều cao lớp đạt 0,14 mm thì thời gian in ngắn nhất có thể đạt được mà vẫn đảm bảo chất lượng in (hình 1.5).
Hình 1.2: Kết quả ảnh hưởng của độ dày từng lớp in đến thời gian [23]
Hình 1.3: Kết quả ảnh hưởng của độ dày từng lớp in đến tiêu hao vật liệu [23]
Hình 1.4: Kết quả ảnh hưởng của độ dày từng lớp in đến độ chính xác [23]
Đề tài "Tối ưu hóa các thông số cho máy in 3D FDM" trình bày Hình 1.5, biểu đồ mô tả ảnh hưởng của độ dày lớp in đối với độ chính xác, thời gian in và tiêu hao vật liệu Nội dung cho thấy mức độ liên hệ giữa độ dày lớp và các tham số then chốt của quá trình in, nhấn mạnh vai trò của tối ưu hóa độ dày lớp để cân bằng giữa chất lượng sản phẩm, tốc độ in và chi phí vật liệu trong máy in 3D FDM.
Nhóm nghiên cứu gồm Yash Magdum, Divyansh Pandey, Akash Bankar, Shantanu Harshe, Vasudev Parab và ông Mahesh Shivaji Kadam thực hiện nghiên cứu tối ưu hóa các tham số in 3D Nghiên cứu tập trung vào tối ưu hóa độ dày từng lớp in và độ dày vỏ nhằm cải thiện chất lượng và độ bền của sản phẩm in 3D Các thử nghiệm được thực hiện bằng cách thay đổi độ dày lớp in ở các mức 0,1 mm, 0,2 mm và 0,3 mm, với độ dày vỏ được giữ ở 0,6 mm để đánh giá tác động lên kết cấu và hiệu suất in.
Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của hai thông số in 3D là độ dày lớp (0,8 mm và 1,0 mm) và mật độ điền đầy (50%, 75% và 100%) đối với tính chất cơ học và độ chính xác của mẫu in, sử dụng vật liệu PLA với nhiệt độ đầu phun 215°C Kết quả cho thấy tính chất cơ học và độ chính xác của mẫu in được cải thiện khi độ dày lớp giảm, đồng thời tăng độ dày vỏ và tăng mật độ điền đầy Đề tài mang tiêu đề 'Ảnh hưởng độ dày lớp đến tính chất bề mặt vật liệu in được sản xuất từ vật liệu bột gỗ và sợi nhựa PLA' [12].
Nadir Ayrilmis và cộng sự [12] đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày lớp in đến độ nhám bề mặt của mẫu in Kết quả cho thấy độ dày lớp in có tác động trực tiếp đến độ nhám bề mặt, khi độ dày lớp in tăng thì độ nhám bề mặt cũng tăng theo.
Việc giảm độ dày của lớp in làm tăng thời gian in, kéo dài quá trình sản xuất và làm tăng chi phí in Dựa trên kết quả kiểm tra thời gian in, độ dày lớp in được đề xuất là 0.2mm.
Độ dày lớp in tối ưu đóng vai trò quan trọng trong chất lượng in 3D; khi bề mặt không láng mịn bóng, sai số kích thước của mẫu in tăng lên, qua đó ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác kích thước của mẫu Đề tài “Ảnh hưởng của các thông số độ dày lớp đến các tính chất cơ học và độ chính xác của vật liệu ABS” đã làm rõ mối liên hệ giữa độ dày lớp in và tính chất của vật liệu ABS, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát độ dày lớp để tối ưu độ chính xác và các tính chất cơ học của mẫu [13].
Các nghiên cứu của Pritish Shubha, Arnab Sikidarn và Teg Chand [13] cho thấy độ dày lớp in có vai trò quan trọng trong điều chỉnh các cơ chế của vật liệu ABS: khi độ dày lớp tăng lên, độ bền kéo giảm, độ cứng giảm và độ chính xác của mẫu in cũng suy giảm Đề tài 'Ảnh hưởng của các thông số mô hình infill đến thời gian, độ chính xác và độ nhám bề mặt mẫu in' [10] mô tả rõ mối quan hệ giữa các thông số infill với thời gian in, độ chính xác và độ nhám bề mặt, từ đó hỗ trợ tối ưu hóa quy trình in ABS.
Dhruv Maheshkumar Patel và cộng sự [10] đã đưa ra tầm ảnh hưởng của mật độ điền đầy đến chất lượng, độ nhám bề mặt và thời gian của mẫu
Trong nghiên cứu của Dhruv Maheshkumar Patel và cộng sự [10], khi tăng mật độ điền đầy, kiểu chạy nhựa đồng tâm (concentric, hình 1.7) được chứng minh là tốn ít thời gian để in sản phẩm hơn các kiểu chạy nhựa thẳng zigzag (rectilinear, hình 1.6) và các kiểu còn lại.
Hình 1.6: Kiểu zigzag Hình 1.7: Kiểu concentric
Thông tin cho thấy công nghệ in 3D có ứng dụng to lớn và thể hiện rõ tác động của các thông số in đến độ chính xác kích thước của sản phẩm Việc nghiên cứu ảnh hưởng của thông số in lên độ chính xác kích thước là vấn đề then chốt nhằm nâng cao chất lượng mẫu in, đồng thời tiết kiệm thời gian và chi phí in Các kết quả của nghiên cứu có thể hướng dẫn tối ưu hóa tham số in để giảm sai lệch kích thước và cải thiện độ tin cậy của sản phẩm in Nhờ tối ưu hóa thông số in, doanh nghiệp có thể đẩy nhanh quá trình sản xuất và nâng cao hiệu quả chi phí trong công nghệ in 3D.
Tình hình công ngh ệ in 3d ở việt nam
Công nghệ in 3D ở Việt Nam xuất hiện từ khoảng năm 2003, khi giá thành còn khá cao nên chủ yếu được sử dụng cho nghiên cứu Hiện nay, công nghệ này được ứng dụng phổ biến hơn trên nhiều lĩnh vực và có thể tối đa hóa lợi ích kinh tế cho doanh nghiệp lẫn cá nhân Với việc mua máy in 3D và có thể thiết kế 3D, bạn có thể biến ý tưởng thành mẫu một cách nhanh chóng, rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm và gia tăng khả năng cạnh tranh.
Hiện nay, trong sản xuất công nghiệp, quá trình tạo prototype chiếm khá nhiều thời gian trong quy trình nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới do phải đưa mẫu thiết kế tới các cơ sở gia công để thực hiện, đồng thời độ chính xác chưa cao và chi phí phát sinh đáng kể Vì thế, việc tối ưu hóa quy trình prototyping và tìm giải pháp tăng độ chuẩn xác cũng như giảm chi phí là mục tiêu của nhiều doanh nghiệp, từ tối ưu hóa thiết kế và lựa chọn công nghệ gia công phù hợp cho prototype đến áp dụng các phương pháp prototyping nhanh, in 3D và mô phỏng để kiểm nghiệm trước khi sản xuất hàng loạt.
Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở ngoài nước:
ThS Trần Minh Thế Uyên và cộng sự đã tiến hành nghiệm cứu trên mô hình máy, kiểm tra các mẫu in và đưa ra các kết quả cho thấy honeycomb, archimedeanchords, 3dhoneycomb là các kiểu chạy nhựa tương đối phù hợp với lớp ở phía trong và có thể in với tốc độ cao hơn; ngược lại, các kiểu chạy nhựa rectilinear, linear, concentric thường được dùng cho lớp đáy và lớp phía trên của mẫu in nhằm tăng thẩm mỹ và chất lượng bề mặt, bởi những lớp này không yêu cầu tốc độ in cao nên có thể sử dụng các kiểu trên Đề tài “Tối ưu hóa thông số quá trình nhằm cải thiện độ bền của sản phẩm FDM” do PGS.TS Thái Thị Thu Ha, TS Nguyễn Hữu Tho, ThS Huỳnh Hữu Nghị thực hiện.
Trong nghiên cứu được tham chiếu [24], các thông số in 3D FDM như kiểu điền (fill pattern), mật độ điền (fill density), số lớp thành, bề dày lớp và góc raster được điều chỉnh để tối ưu hóa độ bền nén của sản phẩm FDM Nhờ phương pháp thiết kế thí nghiệm DOE, nhóm xác định được số lần thí nghiệm cần thực hiện để đạt độ tin cậy cao và thu thập dữ liệu có ý nghĩa Phương pháp Taguchi sau đó được dùng để phân tích kết quả thí nghiệm và tìm ra bộ tham số tối ưu nhất nhằm tăng độ bền nén của sản phẩm FDM.
ANOVA sau khi phân tích cho thấy mật độ điền đầy là yếu tố quan trọng nhất đến độ bền nén của mẫu in
Hiện nay trên thị trường Việt Nam có rất nhiều các công ty máy in 3D tham gia vào thị trường trong nước
• Công ty 3D MAKER: chuyên nghiên cứu, sản xuất, phân phối các loại máy in 3D uy tín, chất lượng với nhiều dòng khác nhau: STARTER, PRO225, PRO230, PRO350
• Công ty Flashgorge Việt Nam: công ty phân phối máy in 3D tại Việt Nam với nhiều loại máy đa dạng: 3D printer chocolate, 3D full color
HD printer, 3D printer A Finder,3D Creator X…
Hình 1.8: Máy in 3D maker starter [1] Hình 1.9: Máy in 3D creator X [1]
Ứng dụng trong sản xuất và đời sống
Công nghệ sản xuất chế tạo [6]:
Tất nhiên, các ngành công nghiệp sản xuất đã trở thành đối tượng sử dụng in
Công nghệ in 3D (in đắp dần) đang trở nên phổ biến trong môi trường công nghiệp bởi khả năng sản xuất với số lượng nhỏ, tạo ra các bộ phận có hình dạng phức tạp và giảm thiểu phế liệu, đồng thời cho phép nhanh chóng xuất hiện các sản phẩm thử nghiệm và sản xuất theo yêu cầu Bên cạnh đó, in 3D làm giảm sự phức tạp của quản lý chuỗi cung ứng bằng cách cho phép sản xuất tại chỗ thay vì phải vận chuyển từ nơi khác đến, từ đó tối ưu hóa quy trình cung ứng và tăng tính linh hoạt cho dây chuyền sản xuất.
Ngành công nghiệp ô tô đang áp dụng in 3D để sản xuất xe hoàn chỉnh, với Urbee là minh chứng điển hình khi chiếc xe này được chế tạo toàn bộ bằng công nghệ in 3D Nhà sản xuất Urbee đã tập trung tăng tối đa số lượng các bộ phận xe được in 3D với mục tiêu chính là tiết kiệm nhiên liệu, cho thấy tiềm năng của in 3D trong tối ưu hóa quy trình sản xuất và hiệu suất của xe.
Hình 1.10: Chiếc xe Urbee được in bằng công nghệ 3D [23]
Trong số các ngành ứng dụng in 3D, công nghiệp điện tử là một trong những lĩnh vực đi đầu Máy in 3D đã được sử dụng để chế tạo các bộ phận phức tạp từ nhiều chất liệu khác nhau, mở ra một trào lưu mới cho ngành công nghiệp điện tử và thúc đẩy sự đổi mới trong thiết kế và sản xuất các sản phẩm điện tử.
Hình 1.11: Loa điện tử in bằng công nghệ 3D
Y tế, chăm sóc sức khỏe [6, 25]:
Công nghệ in 3D rất hữu ích trong y tế (sản xuất chân, tay, răng, tai giả…)
Hình 1.12: Răng giả in bằng công nghệ 3D
Hình 1.13: Hình học bằng công nghệ in 3D
Ngoài ra, công nghệ in 3D còn được dùng để thiết kế và sản suất các bộ phận cơ thể giúp cho phẫu thuật tái tạo và cấy ghép
In 3D cũng có những ứng dụng thiết thực trong giáo dục, đặc biết liên quan đến các môn khoa học, công nghệ, kỹ thuật, kỹ năng toán học (hình 1.9)
Kiến trúc và xây dựng [6]:
Xây dựng các tòa nhà bằng máy in 3D khổng lồ đang mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành xây dựng Vật liệu phổ biến cho in 3D trong lĩnh vực xây dựng gồm nhựa, bê tông và cát, cho phép chọn lựa vật liệu phù hợp với từng bài toán kết cấu và chi phí Phương pháp in 3D mang lại những cải tiến đáng kể về chất lượng và tốc độ thi công, đồng thời giảm chi phí, đặc biệt là chi phí lao động, tăng tính linh hoạt trong thiết kế, đảm bảo an toàn lao động và giảm tác động môi trường.
Hình 1.14: Xây nhà bằng in 3D
Máy in 3D để bàn cho phép bạn sản xuất ngay tại nhà những vật dụng bạn muốn, miễn sao kích thước in tương ứng với máy và nguồn nguyên liệu có sẵn Các món đồ bạn yêu thích như đồ chơi, đồ dùng và đồ trang trí có thể được thiết kế và in ấn theo nhu cầu cá nhân, mang lại sự sáng tạo và tối ưu hóa không gian sống.
12 ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ in 3D mở ra cơ hội cho mỗi người tự thiết kế và sản xuất các vật dụng theo yêu cầu riêng, qua đó thể hiện cá tính và phong cách cá nhân Nhờ máy in 3D, ý tưởng có thể biến thành sản phẩm thực tế với chi phí và thời gian tối ưu, từ phụ kiện thời trang, đồ gia dụng, mô hình và linh kiện sửa chữa đến các mẫu thử nghiệm thiết kế và đồ trang trí.
T ổng quan nghiên cứu
Các thông số chính ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước của mẫu in có thể được tóm tắt như sau:
Mật độ điền đầy (fill density) là thông số xác định lượng nhựa điền đầy bên trong chi tiết in 3D Mật độ này được thể hiện ở dạng phần trăm và qua các mẫu điền như solid, grid hay gyroid, ảnh hưởng trực tiếp đến trọng lượng in, lượng vật liệu tiêu thụ, độ bền cơ học, thời gian in và đôi khi cả tính chất trang trí bề mặt Việc chọn mật độ phù hợp giúp cân bằng giữa độ bền, chi phí và thời gian sản xuất: mật độ cao cho chi tiết chịu lực tốt nhưng tốn vật liệu và thời gian in nhiều, trong khi mật độ thấp giảm trọng lượng và tiết kiệm vật liệu nhưng có thể làm giảm độ bền và ảnh hưởng tới bề mặt Quyết định mật độ điền đầy phụ thuộc vào chức năng của chi tiết, loại vật liệu và mục tiêu in ấn.
Nghiên cứu của Maheshkumar Patel và cộng sự [10] cho biết mật độ điền đầy ảnh hưởng đến chất lượng, độ nhám bề mặt và thời gian in của mẫu Khi in ở mật độ 20% (hình 1.19) và 40% (hình 1.20) có sự khác biệt rất lớn về độ nhám bề mặt cũng như thời gian in sản phẩm Các kết quả này cho thấy việc tối ưu mật độ điền đầy là yếu tố quan trọng để cân bằng giữa chất lượng bề mặt và thời gian chế tạo trong quy trình in.
Các dạng điền đầy (Infill pattern) do Slic3r cung cấp khá nhiều đường đi nhựa khác nhau, giúp chọn đường đi tối ưu cho từng mẫu in khác nhau Theo ThS Trần Minh Thế Uyên và cộng sự, sau các cuộc thực nghiệm trên mô hình máy và kiểm tra mẫu in, honeycomb, archimedean chords và 3D honeycomb là các kiểu điền phù hợp cho lớp ở phía trong và có thể in với tốc độ cao hơn so với các kiểu khác Trong khi đó, các kiểu rectilinear, linear và concentric thường được dùng cho lớp đáy và lớp trên của mẫu in do thẩm mỹ cao hơn; các lớp này không yêu cầu tốc độ in cao nên có thể sử dụng những kiểu này Dhruv
Maheshkumar Patel và cộng sự [10] đã nghiên cứu và cho thấy khi tăng mật độ điền đầy, kiểu chạy nhựa đồng tâm (concentric, hình 1.24) sẽ tiết kiệm thời gian in sản phẩm so với kiểu chạy nhựa thẳng zigzag (rectilinear).
Độ dày lớp in (Layer height) xác định độ phân giải của bản in theo cách tương tự như số pixel quyết định độ phân giải của màn hình Chiều cao lớp thấp hơn thường cho bề mặt in mịn hơn, nhưng nhược điểm là thời gian in tăng lên khi độ dày lớp giảm Nadir Ayrilmis và cộng sự [12] đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày lớp in đến độ nhám bề mặt của mẫu in và kết quả cho thấy độ dày lớp in tác động trực tiếp đến độ nhám: độ nhám bề mặt tăng lên khi độ dày lớp in tăng Thời gian in cũng kéo dài khi giảm độ dày lớp in, ảnh hưởng đến thời gian sản xuất.
Trong in 3D, chi phí in và thời gian in phụ thuộc vào độ dày lớp in; dựa trên kết quả kiểm tra, độ dày lớp 0.2 mm được đề xuất là độ dày tối ưu Khi bề mặt in không láng mịn bóng, sai số kích thước của mẫu in tăng lên và ảnh hưởng lớn đến độ chính xác kích thước Nghiên cứu của Pritish Shubha, Arnab Sikidarn và Teg Chand cho thấy độ dày lớp in đóng vai trò then chốt trong việc điều chỉnh các cơ chế của vật liệu ABS; tăng độ dày lớp dẫn đến giảm độ bền kéo, giảm độ cứng và giảm độ chính xác kích thước Đối với công nghệ FDM, chiều cao lớp là tham số thiết kế quan trọng ảnh hưởng đến thời gian in, chi phí, hình thức trực quan và tính chất vật lý của một phần in Độ dày lớp in đầu tiên (First layer height) được xem là yếu tố quyết định sự thành công của bản in 3D; nếu chiều cao vòi phun không đúng, độ bám dính của lớp đầu tiên sẽ kém Giữ chiều cao lớp đầu tiên ở mức phù hợp và duy trì độ rộng ở 100% sẽ cải thiện đáng kể độ bám dính cho các đường in nhỏ, chặt và gần như liền mạch.
Trong in 3D, số lớp in thành, lớp đáy và lớp đỉnh (solid layers) là yếu tố then chốt quyết định độ chính xác của mẫu Số lớp in bao phủ toàn bộ bề mặt bằng các lớp nhựa dính vào nhau; nếu số lớp quá thưa, các lớp nhựa không có chỗ dựa chắc chắn, dễ biến dạng và khiến bề mặt trở nên sần sùi với nhiều khe hở Ngược lại, tăng số lớp sẽ làm mẫu được điền đầy và chắc chắn, tạo nền tảng cho các lớp phía trên chính xác hơn Độ dày thành (side thickness) liên quan đến số lớp mà tường ngoài sẽ có trước khi bắt đầu in; thiết lập càng cao, độ dày vỏ càng lớn và các bức tường bên ngoài của đối tượng sẽ cứng chắc hơn Độ dày lớp trên và lớp dưới (top/bottom thickness) xác định lượng vật liệu đặt trước và sau khi in, và độ dày của vật liệu ở phía đáy mang lại nền tảng mạnh mẽ và ổn định, trong khi độ dày ở phía trên giúp ngăn chặn sự chảy xệ và gối khi lớp vật liệu trên cùng được đặt lên mạng tinh thể; đây là điều quan trọng khi bạn đang tối ưu hóa độ bền và chất lượng bề mặt của vật thể in 3D.
14 Sử dụng cài đặt chiều cao lớp nhỏ hơn có thể dẫn tới độ dày lớp mỏng hơn, khiến lớp phủ không che phủ toàn bộ bề mặt nếu chỉ dùng một lớp; vì vậy việc áp dụng nhiều lớp là cần thiết để đảm bảo phủ kín và đồng nhất bề mặt.
Tốc độ in ảnh hưởng rất lớn đến khả năng bám dính của các lớp vật liệu Tốc độ in quá thấp làm kéo dài thời gian in và có thể gây đùn nhựa ở đầu phun dẫn đến tắc nghẽn đầu phun Ngược lại, tốc độ in quá nhanh có thể khiến các đường nét sợi nhựa đùn không đúng vị trí, làm giảm khả năng bám dính giữa các lớp và làm sản phẩm bị cong vênh.
Hiện nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ bền kéo, uốn, và độ va đập của sản phẩm Tuy nhiên, độ chính xác kích thước cũng là một tiêu chí quan trọng cần được nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của bài báo này là cải thiện độ chính xác kích thước khi điều chỉnh các thông số quá trình dùng cho mục đích sản xuất trong các ngành in 3D như ô tô, hàng không và dân dụng Sau khi có kết quả thí nghiệm, chúng ta có thể đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số đến độ chính xác kích thước và từ đó đưa ra kết luận cho bài báo này.
Hình 1.15: Độ dày lớp in [12] Hình 1.16: Tốc độ in 30 mm/s [16]
Hình 1.17: Tốc độ in 40 mm/s [16] Hình 1.18: Tốc độ in 80 mm/s [16]
Hình 1.19: Mật độ điền đầy 20% [10] Hình 1.20: Mật độ điền đầy 40% [10]
Hình 1.21: Góc nghiêng khi in [17]
Slic3r cung cấp khá nhiều đường chạy nhựa khác nhau để có thể lựa chọn đường chạy nhựa tối ưu cho từng loại mẫu in khác nhau
Một số kiểu đường chạy đầu phun nhựa [18]:
Hình 1.22: Kiểu rectilinear Hình 1.23: Kiểu line Hình 1.24: Kiểu concentric
Hình 1.25: Kiểu honeycomb Hình 1.26: Kiểu hibertcurve
Hình 1.27: Kiểu archimedeanchords Hình 1.28: Kiểu octagramspirals
Mỗi kiểu chạy nhựa đều có ưu điểm và nhược điểm riêng
Kiểu rectilinear và kiểu line cơ bản có cùng cách di chuyển; tuy nhiên, kiểu line có các đường chạy nhựa liên kết với nhau nên giảm thời gian di chuyển giữa các khu vực, còn các đường chạy của kiểu rectilinear không liên kết khiến mất thêm thời gian cho các đoạn chạy không liên kết.
Kiểu hilbertcure các đường chạy nhựa có nhiều đường gấp khúc do đó không nên chạy với tốc độ cao do quán tính và gia tốc tại những vị trí này là khá lớn sẽ là ảnh hưởng đến máy và chất lượng mẫu in
Các kiểu lấp đầy honeycomb, archimedeanchords và 3dhoneycomb là các mẫu in 3D thiết kế để lấp đầy cấu trúc ở phía bên trong mô hình, giúp tăng cường độ ổn định cho lớp ở giữa và cho phép in với tốc độ cao hơn so với một số kiểu lấp đầy khác.
Trong in 3D, các kiểu rectilinear, linear và concentric thường được dùng cho lớp đáy và lớp trên của mẫu in, vì chúng mang lại thẩm mỹ cao hơn so với các kiểu khác Những lớp này không yêu cầu tốc độ in cao nên có thể sử dụng các kiểu này để tối ưu chất lượng bề mặt và độ ổn định của cấu trúc mẫu in.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
Để tối ưu độ chính xác kích thước của sản phẩm in 3D, cần xác định và phân tích một số yếu tố chính: vật liệu in ảnh hưởng tới giãn nở và ổn định kích thước; các tham số in như mật độ điền đầy, dạng điền đầy ở bên trong và ở mặt trên/mặt dưới của mẫu, độ dày từng lớp, các dạng điền đầy cho support và góc nghiêng của support, số lớp in, cũng như tốc độ in và sự khác biệt giữa các vật liệu tác động lên độ chính xác kích thước của sản phẩm in 3D.
1.7.2 Thực tiễn của đề tài:
-Các kết quả nghiên cứu của đề tài này sẽ phục vụ cho ứng dụng về lĩnh vực độ chính xác kích thước sản phẩm in 3D.
M ục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài này là phân tích ảnh hưởng đồng thời của vật liệu in và các tham số in 3D đến độ chính xác kích thước của sản phẩm in Cụ thể, nghiên cứu xem mật độ điền đầy, dạng điền đầy ở bên trong và ở mặt trên/mặt dưới, độ dày từng lớp in, các loại điền đầy và góc nghiêng của support, số lớp in, tốc độ in và vật liệu in khác nhau tác động như thế nào đến độ chính xác kích thước và chất lượng bề mặt của mẫu in Từ quá trình khảo sát, đề tài xác định được các thông số in tối ưu để nâng cao độ chính xác và chất lượng của mẫu in 3D.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu và phân tích lý thuyết dựa trên tham khảo từ các bài báo khoa học và tài liệu trong nước và quốc tế liên quan đến in 3D Tiến hành tìm kiếm có hệ thống các nguồn tin và tổng hợp các kết quả từ các công trình nghiên cứu nhằm nắm bắt các nguyên lý, tiến bộ và ứng dụng của công nghệ in 3D Thực hiện thí nghiệm với các mẫu in 3D và đánh giá các tham số chính như độ bền, độ chính xác và chất lượng bề mặt, đồng thời xây dựng biểu đồ trực quan để giải quyết các vấn đề được đặt ra trong quá trình nghiên cứu Kết quả được trình bày dựa trên dữ liệu thu thập, từ đó đề xuất các biện pháp tối ưu hóa quy trình in 3D và mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ này.
- Xác định ảnh hưởng của vật liệu đến độ chính xác kích thước sản phẩm in 3D
- Xác định ảnh hưởng của mật độ điền đầy đến độ chính xác kích thước sản phẩm in 3D.
Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số in 3D như kiểu điền đầy bên trong (infill), dạng điền đầy ở mặt trên và mặt dưới của mẫu in, độ dày của từng lớp in và các dạng điền đầy dành cho hỗ trợ nhằm tối ưu hóa chất lượng bề mặt, độ bền chi tiết và hiệu quả sản xuất.
18 góc nghiêng in support, số lớp in, tốc độ và vật liệu in khác nhau đến độ chính xác kích thước sản phẩm in 3D.
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác của kích thước sản phẩm Thực hiện thí nghiệm trên các mẫu in có hình dạng, vật liệu nhựa và các thông số in khác nhau nhằm xác định mức độ ảnh hưởng của từng tham số lên sai số kích thước của sản phẩm in 3D từ nhựa Kết quả cho thấy sự biến thiên của độ chính xác liên quan đến các yếu tố như nhiệt độ in, tốc độ in, độ dày lớp và loại nhựa, từ đó đề xuất các tham số tối ưu để cải thiện độ chính xác kích thước cho các sản phẩm in 3D từ nhựa.
Ph ạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu được xác định bằng việc áp dụng lý thuyết công nghệ in để phân tích ảnh hưởng của vật liệu và các tham số đến độ chính xác, một lĩnh vực rộng lớn và đa dạng Do tính phức tạp của công nghệ in và sự biến thiên của vật liệu, đề tài giới hạn phạm vi thực hiện theo các nội dung sau để đảm bảo tính khả thi và mức độ tập trung cần thiết.
Mẫu in thứ nhất được thí nghiệm với vật liệu nhựa ABS để đánh giá quá trình in 3D Các thông số quan trọng như nhiệt độ in, độ điền đầy, chiều dày của từng lớp in và các kiểu chạy máy được xác định bằng cách lấy giá trị trung bình từ nhiều lần thử, nhằm tối ưu hóa chất lượng in và đảm bảo tính ổn định của quá trình sản xuất.
Với mẫu in thứ hai được thực hiện thí nghiệm với vật liệu nhựa PLA, các tham số phụ như nhiệt độ in, độ điền đầy, chiều dày lớp in và các kiểu chạy (profile in) được chọn ở mức giá trị trung bình nhằm đảm bảo tính nhất quán và dễ so sánh giữa các mẫu.
Đối với mẫu in thứ 3 thực hiện thí nghiệm với vật liệu PETG, các tham số chính như nhiệt độ in, độ điền đầy (infill), chiều dày lớp in và các kiểu chạy máy được chọn ở mức giá trị trung bình để đảm bảo sự ổn định và dễ so sánh giữa các lần thí nghiệm Việc sử dụng giá trị trung bình cho các tham số này giúp giảm biến thiên và cho phép đánh giá khách quan chất lượng in trên PETG ở mẫu thứ 3 Kết quả cho thấy nhiệt độ, độ điền đầy và chiều dày lớp in tác động trực tiếp lên bề mặt và độ bám dính, vì vậy thiết lập chúng ở mức trung bình cung cấp dữ liệu phù hợp để phân tích và tối ưu cho các lần in tiếp theo. -**Support Pollinations.AI:** -🌸 **Ad** 🌸Powered by Pollinations.AI free text APIs [Support our mission](https://pollinations.ai/redirect/kofi) to keep AI accessible for everyone.
Ở các mẫu in tiếp theo, ta tiến hành thí nghiệm bằng cách thay đổi một tham số điều chỉnh duy nhất và giữ nguyên các tham số còn lại ở giá trị trung bình Việc này giúp đánh giá ảnh hưởng của từng tham số lên kết quả một cách rõ ràng và có thể lặp lại với độ tin cậy cao.
Hình 1.29: Thông số điều chỉnh
TÌM HI ỂU CƠ SỞ LÍ THUYẾT VÀ CÔNG CỤ SỬ DỤNG
Tìm hi ểu cơ sở lí thuyết
2.1.1 khái quát chung về máy in 3D
Máy in 3D đầu tiên xuất hiện từ những năm 1980 với dòng máy in SLA, đánh dấu bước khởi đầu của công nghệ in 3D trên toàn thế giới Về cơ bản, các máy in 3D có kết cấu cơ khí tương đối giống nhau, sự khác biệt chủ yếu nằm ở bộ phận tạo mẫu Xét tổng quan, máy in 3D FDM có cấu trúc gồm ba phần chính: phần mềm điều khiển, phần điện và phần cơ khí, đi kèm bộ đùn nhựa giúp nung chảy và đẩy vật liệu lên khuôn làm việc.
Hình 2.0: Cấu trúc máy in 3D
Cấu trúc cơ khí của máy in 3D gần giống với các loại máy CNC, với truyền động cho các trục chủ yếu bằng bộ truyền vít me – đai ốc hoặc bộ truyền đai Đặc điểm của truyền động trong máy in 3D là tải trọng tác dụng lên các thành phần cơ khí khá nhỏ, nên thiết kế tương đối đơn giản và các trục được làm gọn nhẹ Các chi tiết lắp ráp không đòi hỏi khả năng chịu lực quá cao, giúp giảm chi phí chế tạo và tăng tính linh hoạt cho việc bảo trì, nâng cấp và tùy biến máy in 3D cho nhiều mục đích in khác nhau.
Việc dùng các chi tiết được in bằng các máy in 3D để lắp ráp là một ưu điểm nổi bật của công nghệ in 3D Một số dòng máy in 3D có thể in đến khoảng 80% các chi tiết lắp ráp bằng chính các máy in 3D sẵn có.
Phần điện của máy in 3D được chia thành hai khối chính: khối điều khiển và khối chấp hành Khối điều khiển gồm các thành phần như vi điều khiển, board kết nối và driver, đảm nhiệm việc điều khiển và xử lý dữ liệu cho toàn bộ quá trình in Khối chấp hành gồm các thành phần như động cơ bước, cảm biến nhiệt, động cơ servo (nếu có), tản nhiệt và các phụ kiện khác, chịu trách nhiệm chuyển động và thực hiện các thao tác cơ học của máy in.
Bộ đùn nhựa là một trong những phần quan trọng nhất của máy đùn nhựa, đảm bảo hai chức năng chính: bộ tời nhựa cung cấp nhựa chạy liên tục và đầu phun nhựa thực hiện nung chảy nhựa cũng như đùn nhựa để tạo mẫu Bộ tời nhựa chịu trách nhiệm cấp nguyên liệu vào hệ thống với lưu lượng ổn định, trong khi đầu phun nhựa được nung nóng đến nhiệt độ phù hợp để nhựa chảy và đẩy qua lỗ phun, hình thành sản phẩm mẫu có kích thước và hình dạng mong muốn.
Phần mềm in 3D được chia làm hai thành phần chính: CAD/CAM và phần mềm điều khiển Phần mềm CAD có chức năng tạo mẫu 3D cho các mô hình sẽ in, với các công cụ như SolidWorks, Creo, SketchUp, và các mô hình này sau đó được xuất sang định dạng STL để đưa vào phần mềm CAM xử lý tiếp Phần mềm CAM thực hiện quá trình cắt lớp vật thể dựa trên công nghệ in 3D; lớp cắt nhỏ cho chất lượng in tốt nhưng thời gian in tăng lên, trong khi lớp in lớn cho tốc độ in nhanh hơn nhưng chất lượng có thể giảm Để tối ưu giữa chất lượng và thời gian in, cần thiết lập các thông số in cho phù hợp Sau khi cắt lớp, phần mềm sẽ tạo đường đi in và xuất file G-code; mã lệnh G-code của máy in 3D phần lớn tương đồng với G-code trên máy CNC, nhưng có một số lệnh riêng dành cho in 3D.
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống CAD CAM [15]
Trong lĩnh vực in 3D, các phần mềm CAM phổ biến như Cura, Slic3r và Simplify3D được dùng để tối ưu đường đi in và xuất G-code cho máy Một số ứng dụng tích hợp cả CAM và module điều khiển trong một giao diện, điển hình là Repetier-Host, giúp công việc xử lý mẫu in nhanh hơn và hiệu quả hơn Repetier-Host tích hợp các công cụ CAM như Slic3r, Cura và Skeinforge, cho phép lựa chọn một trong ba module để so sánh và từ đó chọn module phù hợp cho từng kiểu mẫu in khác nhau Để máy hoạt động, người dùng nạp G-code vào máy thông qua phần mềm điều khiển hoặc qua thẻ nhớ trên màn hình LCD điều khiển Giao diện điều khiển được sử dụng có thể là Repetier-Host hoặc Pronterface.
2.1.2 Công Nghệ Tạo Mẫu Nhanh FDM
Công nghệ in FDM được sử dụng khá nhiều trong các loại máy in hiện nay với kết cấu đơn giản, vật liệu dễ tìm
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu FDM [5]
Nguyên lý hoạt động của máy in 3D: Ở vị trí ban đầu, bàn in cách đầu phun nhiệt một khoảng bằng chiều dày của lớp in Nhựa được cấp liên tục vào kim phun nhờ hệ thống tời nhựa hoạt động bằng cặp bánh răng Tại đầu phun, nhựa được nung nóng ở nhiệt độ phù hợp bởi bộ phận gia nhiệt, sau đó nhựa nóng chảy được đùn ra theo biên dạng di chuyển của đầu phun Khi lớp thứ nhất hoàn thành, bàn máy được dịch xuống một khoảng bằng chiều dày của một lớp và quá trình này được lặp lại cho đến khi chi tiết hoàn tất.
Mặc dù công nghệ FDM ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
Trong lĩnh vực chế tạo các chi tiết sử dụng ngay, chất lượng sản phẩm in bằng công nghệ FDM hiện vẫn cần được cải tiến để đáp ứng yêu cầu của khách hàng, đặc biệt về độ chính xác kích thước Bản chất của công nghệ FDM là bồi đắp và liên kết vật liệu theo từng lớp nên cơ tính và độ chính xác của sản phẩm thường kém Quá trình chế tạo bằng công nghệ FDM là phức tạp, và chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào rất nhiều thông số công nghệ khác nhau.
Các ưu điểm của công nghệ này cho thấy sự vượt trội về thời gian chế tạo một sản phẩm hoàn thiện, thiết kế dễ dàng và vật liệu không gây độc hại Bên cạnh đó, nhược điểm nổi bật là độ chính xác chưa cao, độ bóng bề mặt thấp và tốc độ in chưa nhanh, khiến thời gian in vẫn còn dài và chi phí vận hành tăng lên [1, 5, 7, 9].
Từ các ưu điểm và nhược điểm của công nghệ in 3D nhựa, bài viết quyết định nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số in nhằm phát huy tối đa lợi thế của công nghệ này Việc tối ưu các thông số in 3D nhựa có thể nâng cao tốc độ in, kiểm soát độ bóng bề mặt ở mức phù hợp, rút ngắn thời gian in và cải thiện độ chính xác cùng chất lượng của mẫu in Kết quả nghiên cứu sẽ hỗ trợ đưa ra các thiết lập tham số tối ưu cho sản phẩm in 3D nhựa với mục tiêu ứng dụng thực tế.
T ổng quan vật liệu nhựa
Vật liệu sử dụng cho máy in 3D là nhựa dạng sợi Sợi nhựa dùng cho in 3D phải là nhựa nguyên chất, không pha tạp, tránh dùng sợi nhựa tái chế dễ có cặn như cát, sạn, bụi bẩn, vì chúng dễ gây tắc đầu phun và ảnh hưởng đến chất lượng mẫu in Đường kính sợi nhựa được chế tạo theo hai chuẩn phổ biến là 1,75 mm và 3 mm, với dung sai ±0,05 mm Độ đồng đều của đường kính sợi quyết định khả năng kéo sợi vào đầu phun: sợi bị thu hẹp bất thường sẽ làm đầu phun không đủ lực kéo, trong khi đường kính sợi lớn bất thường có thể gây tắc đầu phun.
Có 3 loại vật liệu thường được sử dụng trong các máy in 3D FDM hiện nay là nhựa ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) và nhựa PLA (Polylactic Acid), và nhựa PETG [1, 4, 6, 14]
Nhựa ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) có một lịch sử lâu dài trong thế giới in 3D và là một trong những loại nhựa đầu tiên được sử dụng với máy in 3D công nghiệp Nhiều năm sau, ABS vẫn là một vật liệu rất phổ biến nhờ chi phí thấp và tính chất cơ học tốt, cho phép các bản in 3D có độ bền cao và khả năng gia công dễ dàng Được biết đến với độ dẻo dai và khả năng chống va đập, ABS tiếp tục là lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng prototyping và sản phẩm yêu cầu hiệu suất cơ học ổn định.
Nhựa ABS có độ bền va đập cao, giúp in 3D các sản phẩm chắc chắn và chịu mài mòn tốt hơn Với nhiệt độ chuyển tiếp cao hơn, ABS có thể chịu được nhiệt độ cao trước khi biến dạng, nên đây là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng ngoài trời và trong môi trường nhiệt độ cao Khi in 3D bằng ABS, nên làm việc trong không gian mở có hệ thống thông gió tốt vì ABS có mùi nhẹ Tuy nhiên, ABS có xu hướng co lại khi nguội, vì vậy kiểm soát nhiệt độ của quá trình in và của sản phẩm hoàn thiện mang lại nhiều lợi ích.
- Cho mô hình hoàn thiện mịn hơn
- Cần bàn in nóng hoặc không gian in nóng
- Tạo mùi hăng khi in
- Các chi tiết có xu hướng co lại dẫn đến không chính xác
Trước khi in 3D với ABS, hãy đảm bảo máy in 3D của bạn đáp ứng đầy đủ các yêu cầu phần cứng được liệt kê dưới đây để đạt chất lượng in tối ưu Việc đáp ứng các yêu cầu này giúp giảm biến dạng, cải thiện sự ổn định của nhiệt và kiểm soát tốt hơn nhiệt độ đầu in, nhiệt độ bàn in cùng độ bám dính của vật liệu ABS Kết quả là bạn sẽ có các lớp in đồng nhất và độ bền cao hơn, cho ra sản phẩm cuối cùng chất lượng và đáng tin cậy khi làm việc với ABS.
- Không có yêu cầu đặc biệt
Nhựa ABS là nhựa nhiệt dẻo có cơ tính tốt và nhiệt độ in cao, thường trên 230°C tùy nhà sản xuất; vì in ở nhiệt độ cao nên sản phẩm có thể cong vênh hoặc gãy, do đó cần thiết kế thêm hệ thống support để hạn chế hiện tượng này Mặt khác, lớp đầu tiên của mẫu in ABS thường không kết dính với bàn in do bị nguội quá nhanh, đây là một nhược điểm khi in nhựa ABS cần được khắc phục bằng các điều chỉnh phù hợp về nhiệt độ và độ bám của bàn.
Nhựa PLA là nhựa nhiệt dẻo có nguồn gốc từ tự nhiên, nên thân thiện và không gây độc hại trong quá trình sử dụng Tuy nhiên, PLA tương đối giòn và dễ gãy trong quá trình in, có thể gây tắc đầu phun nhựa khi filament đứt hoặc bị lệch Nhiệt độ in của nhựa PLA ở mức thấp, khoảng từ 190–210°C, giúp quá trình in dễ kiểm soát và ít mùi khó chịu.
2100C nên quá trình in dễ dàng hơn so với nhựa ABS Giá thành của nhựa PLA cũng thường thấp hơn nhựa ABS từ khoảng 100.000 VNĐ đến 200.000 VNĐ
Nhựa PLA (Polylactic axit) là vật liệu chính được dùng trong công nghệ in 3D, cho phép sản xuất các vật dụng phổ biến như giày dép thời trang, ly tách uống nước và cả các ứng dụng in ấn phức tạp như in chân dung [1, 4].
Nhựa PETG có nguồn gốc từ PET (Polyethylene terephthalate), là một loại vật liệu thông dụng để sản xuất bao bì và có tính chống ẩm cao PETG là một loại vật liệu mới dùng cho máy in 3D và được đánh giá rất tốt PETG có độ chịu nhiệt cao, tương đương ABS (100°C trở lên), dễ in như PLA nhưng lại có độ cứng rất cao.
Độ co của vật liệu PETG rất thấp, tương đương PLA, khiến quá trình in 3D dễ dàng và cho vật thể có độ chính xác cao PETG ít co rút và biến dạng so với ABS, giúp bảo toàn kích thước và chất lượng bề mặt tốt trong các ứng dụng in 3D.
- Dễ in và có độ bám dính lớp tốt Bền chặt
- Có thể được khử trùng
- Tốt khi làm vật dụng đựng thức ăn và đồ uống
- PETG trở nên giòn từ quá nóng
- PETG có thể bị suy yếu với ánh sáng UV
- Dễ bị trầy xước Ứng dụng:
- PETG thường được sử dụng để in các chi tiết nhỏ hay chịu va đập, mài mòn như bánh răng, pulley nhựa trong xích tải…
Tìm hi ểu công cụ sử dụng và cơ sỏ để thiết kế mẫu
CAD stands for Computer-Aided Design or Computer-Aided Drafting, referring to the use of computer systems to assist in drawing and designing The first CAD software, Sketchpad, appeared in 1962 and was created by Ivan Sutherland at the Massachusetts Institute of Technology, marking a milestone in the history of computer graphics and engineering design.
Phần mềm CAD cho phép vẽ thiết kế bản vẽ hai chiều (2D – Drafting), thiết kế mô hình ba chiều (3D – Modeling) và tính toán kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA – Analysis) Các chức năng 2D giúp tạo bản vẽ kỹ thuật chi tiết, trong khi 3D cho phép mô hình hóa hình học chính xác và trực quan, còn FEA cho phép phân tích kết cấu để đánh giá độ bền và tối ưu hệ thống trước khi sản xuất Việc kết hợp đầy đủ các chức năng CAD này giúp tăng năng suất làm việc, giảm sai sót và nâng cao chất lượng thiết kế bằng cách liên kết chặt chẽ giữa bản vẽ, mô hình và phân tích kết cấu.
Các phần mềm Cad có ba đặc điểm sau:
+ Năng suất cao nhờ các lệnh sao chép
+ Dễ dàng trao đổi với các phần mềm khác
Hiện nay trên thế giới có hàng ngàn phần mềm Cad và một trong những phần mềm thiết kế trên máy tính cá nhân phổ biến nhất là Autocad
AutoCAD là phần mềm CAD cho phép tạo bản vẽ kỹ thuật 2D và 3D, được phát triển bởi Autodesk Phần mềm này lần đầu được giới thiệu vào tháng 11 năm 1982 tại hội chợ COMDEX và phiên bản đầu tiên được công bố vào tháng 12 năm 1982 Vào thời điểm đó, AutoCAD trở thành một trong những chương trình vẽ kỹ thuật đầu tiên có thể chạy trên máy tính cá nhân, đặc biệt là trên máy tính IBM.
Những phiên bản Autocad trước đây sử dụng các đối tượng nguyên thủy như đường thẳng, đường polyline, đường tròn, đường cong và text để xây dựng các hình học từ đơn giản đến phức tạp Từ giữa thập niên 1990, Autocad đã hỗ trợ công cụ có khả năng tùy biến cao thông qua ứng dụng lập trình bằng ngôn ngữ C++, mở rộng đáng kể khả năng tự động hóa và tùy chỉnh cho người dùng Các phiên bản gần đây của Autocad tiếp tục bổ sung các công cụ cơ bản về hình khối 3D, đáp ứng nhu cầu thiết kế và mô phỏng không gian ngày càng phức tạp Sự tiến hóa này cho thấy Autocad từ việc làm việc với đối tượng nguyên thủy đến tích hợp khả năng lập trình và công cụ 3D đã nâng cao đáng kể hiệu quả thiết kế kỹ thuật.
AutoCAD đã có sự phát triển ngày càng mạnh mẽ qua các phiên bản, nổi bật từ AutoCAD 2007 với sự cải thiện đáng kể các công cụ dựng và chỉnh sửa mô hình 3D, giúp người dùng làm việc nhanh chóng và dễ dàng hơn Đến AutoCAD 2010, hệ thống quản lý đối tượng theo tham số và mô hình lưới được mở rộng, cho phép kiểm soát chi tiết thiết kế và tối ưu hóa quy trình làm việc.
Các định dạng tập tin chính của Autocad là DWG và định dạng trao đổi
Định dạng DXF đã trở thành chuẩn trên thực tế cho dữ liệu CAD, giúp lưu trữ, trao đổi và tích hợp các thiết kế giữa nhiều nền tảng CAD khác nhau Gần đây AutoCAD cũng hỗ trợ định dạng DWF, một định dạng được phát triển và quảng bá nhằm xuất bản dữ liệu CAD một cách dễ dàng và hiệu quả.
Ngày nay, AutoCAD là phần mềm thiết kế 2D và 3D quan trọng cho các lĩnh vực như cơ khí, xây dựng và nhiều ngành khác; nó được dùng để thực hiện các bản vẽ kỹ thuật trong các ngành xây dựng, cơ khí, kiến trúc, điện, bản đồ và nhiều lĩnh vực liên quan Những bản vẽ trước đây được làm bằng compa, bút chì và thước kẻ có thể được thiết kế và chỉnh sửa bằng AutoCAD, giúp tăng độ chính xác và hiệu suất làm việc.
AutoCAD là một trong những phần mềm phổ biến nhất nhờ khả năng thiết lập, vẽ và hiệu chỉnh bản vẽ kỹ thuật trong các lĩnh vực từ cơ khí đến kiến trúc và xây dựng Phần mềm cho phép thiết kế và chỉnh sửa các hình dạng một cách linh hoạt bằng các lệnh vẽ và lệnh hiệu chỉnh cần thiết khi làm việc AutoCAD in được bản vẽ với tỉ lệ chính xác và có thể xuất bản vẽ sang nhiều định dạng tương thích với các phần mềm khác Việc sử dụng AutoCAD giúp các nhà thiết kế hiện thực hóa ý tưởng thiết kế thành bản vẽ, xử lý và sửa đổi nhanh chóng mà vẫn tiết kiệm chi phí Giao diện và các lệnh trong AutoCAD dễ tiếp cận, ngôn ngữ giao diện thường là tiếng Anh nên người dùng dễ thao tác và nắm bắt.
2.3.2 Cơ sở thiết kế mẫu
Mẫu in đóng vai trò rất quan trọng trong in 3D, ảnh hưởng trực tiếp tới độ chính xác, chất lượng sản phẩm và cả thời gian, chi phí sản xuất Vì vậy thiết kế mẫu in tối ưu sẽ dẫn tới một mẫu in 3D đẹp, đúng kích thước và đồng thời tiết kiệm vật liệu, thời gian và chi phí Các yếu tố thiết kế mẫu in 3D hiện nay bao gồm tối ưu hóa hình học, độ bền của liên kết, khả năng tháo lắp và tính khả thi sản xuất, nhằm giảm thiểu sai số và dư thừa vật liệu khi in Một số cơ sở để thiết kế mẫu dùng trong in 3D hiện nay [1].
Thiết kế dựa vào giới hạn của máy in 3D
Tuỳ theo dòng máy và công nghệ in 3D, mỗi máy in có phạm vi tạo mẫu cố định và giới hạn kích thước riêng; thường chiều cao trục Z nhỏ hơn các chiều X và Y, nên khi lên kế hoạch in bạn cần lưu ý để tránh mô hình vượt quá khổ in và phải cắt thành nhiều phần ghép lại sau khi in Kiểm tra kích thước mô hình so với khổ in và điều chỉnh thiết kế hoặc phân mảnh phù hợp sẽ tối ưu hóa quá trình in, đảm bảo chất lượng và tính khả thi của sản phẩm cuối cùng.
Hiện nay, tốc độ in 3D vẫn còn khá chậm và đôi khi bạn phải mất vài ngày để hoàn thiện những mẫu có độ phức tạp cao Điều gì quyết định thời gian in 3D? Xét về mặt thiết kế, các yếu tố chính bao gồm kích thước mô hình, độ phức tạp và lượng support cần dùng để đảm bảo chất lượng và độ bền của sản phẩm.
Thời gian in quá dài sẽ dẫn tới việc bạn gặp một hoặc nhiều tình trạng:
- Xác suất đầu in bị kẹt nhựa cao hơn và nếu không phát hiện kịp thời, bạn sẽ phải in lại từ đầu
- Mẫu in dễ bị cong vênh hoặc tróc khỏi bề mặt bàn in
Thiết kế dựa trên nguyên lý in 3D [28]
Vật liệu hỗ trợ là phần cần thiết để nâng đỡ mô hình trong in 3D Mô hình càng phức tạp thì lượng hỗ trợ càng nhiều, kéo theo thời gian in dài hơn và chi phí tăng lên Vì vậy, để giảm thời gian in và chi phí, ta có thể giảm lượng hỗ trợ bằng cách thiết kế tối ưu cấu trúc hỗ trợ ở giai đoạn thiết kế mô hình.
- Nếu được, hãy thiết kế theo hình mẫu “kim tự tháp”, tức là, phần dưới to phần trên nhỏ
- Phần nhô ra nên nên giới hạn một góc 45 độ, vì phải in thêm support Có thể không cần in, nhưng sẽ rất xấu
Hình 2.3: Phần nhô ra mẫu in có góc giới hạn theo phương thẳng đứng
“Printer Setting” để thiết lập máy in
Trong tab “Connection” ta thiết lập như sau:
+ Default: tên do người dùng tự đặt
COM3 là tên cổng COM kết nối giữa máy tính và mạch điều khiển Arduino Mega 2560 Để biết máy tính đang kết nối với cổng COM nào (ví dụ để kết nối với máy in qua cổng COM), vào mục Device Manager của máy tính để xem danh sách các cổng COM đang được nhận diện.
+ Các thiết lập khác để mặc định theo phần mềm
Trong tab “Extruder” ta thiết lập như sau:
+ Number of Extruder: số đầu đùn của máy in
+ Max Extruder Temperature: nhiệt độ tối đa của đầu đùn
+ Max Bed Temperature: nhiệt độ tối đa của bàn nhiệt
+ Diameter (0.4) là đường kính lỗ đùn nhựa Đường kính lỗ được ghi trên đầu đùn nhựa (ví dụ: 40 thì đường kính là 0.4 mm)
Repetier Host tích hợp hai bộ công cụ dung để cắt vật in là Cura Engine và Slic3r Để thiết lập Slicer, ngoài màn hình chính chọn tab “Slicer”:
Chọn Slicer muốn sử dụng: Cura Enginr hoặc Slic3r
Sau khi chọn Slicer, click vào Configulation để thiết lập Slicer đã chọn
- Thiết lập Layers and perimeters:
Layer height, hay chiều cao lớp, là độ dày của mỗi lớp khi in 3D Lớp cao hơn cho phép in nhanh hơn nhưng dễ gây sai lệch kích thước, bề mặt kém bóng và chất lượng mẫu in thấp; ngược lại, chiều cao lớp nhỏ cho chi tiết in mịn và giảm thiểu các khuyết tật như nhựa dư hay chảy nhựa, nhưng thời gian in sẽ kéo dài Chiều dày một lớp tối đa không vượt quá đường kính của đầu phun nhựa.
First layer height, hay chiều dày lớp in đầu tiên, là thông số quan trọng quyết định độ bám của vật in lên bàn in 3D Lớp đầu tiên quá dày có thể làm tăng thời gian in và lãng phí vật liệu, trong khi độ dày hợp lý giúp vật in bám chắc và ổn định trong quá trình in Việc chọn thông số phù hợp phụ thuộc vào hình dáng và kích thước của mẫu in, cũng như kinh nghiệm in với từng loại chi tiết và vật liệu khác nhau Để tối ưu chất lượng và độ bám, người dùng nên thử nghiệm ở nhiều mức chiều dày khác nhau và điều chỉnh dựa trên đặc tính của vật liệu và thiết kế.
+ Solid layers là số lớp in cần để in lớp đáy và lớp đỉnh Thông số này tương
33 đối quan trọng nhất là đối với lớp đỉnh
+ Các thiết lập khác có thể để mặc định
+ Fill density: phần trăm điền đầy vật liệu trong lòng vật in
+ Fill pattern: dạng điền đầy (rectilinear, honeycomb, line, concentric, 3d honeycomb)
+ Top/bottom fill pattern: đạng điền kín mặt trên/dưới cùng (rectilinear, concentric, hilbert curve, octagram spiral, archimedeanchords)
+ Các thiết lập khác có thể để mặc định
Vật liệu hỗ trợ (support material) là các cấu trúc bằng chất liệu do máy in tạo ra nhằm nâng đỡ các chi tiết của vật in trong quá trình in 3D Sau khi quá trình in hoàn tất, lớp hỗ trợ này được gỡ bỏ thủ công để hoàn thiện bề mặt và kích thước của sản phẩm.
Thông thường không cần dùng tới chức năng này trừ trường hợp vật in có hình dáng đặc biệt
+ Perimeters (external): tốc độ in thành/vách phía trong/ngoài của vật thể + Small perimeters: tốc độ in thành/vách khi vật in có kích thước nhỏ
+ Infill: tốc độ di chuyển khi điền vật liệu trong vật in
+ Solid infill: tốc độ điền đầy khu vực vật in cần làm đặc
+ Top solid infill: tốc độ điền đầy kín mặt trên vật thể
+ Support material: tốc độ in lớp nâng/đỡ
+ Bridges: tốc độ khi in qua khe hở
+ Gap fill: tốc độ khi điền vật liệu trong những khe hẹp
+ Travel: tốc độ di chuyển đầu đùn khi không đùn vật liệu
+ Các thiết lập khác có thể cài mặc định
Trong tab “Filament Settings” (thiết lập nhựa in) ta thiết lập các thông số như sau:
+ Diameter: đường kính sợi nhựa in
+ Extrusion multiplier: hệ số đùn nhựa
Đối với extruder và bàn nhiệt, cần căn chỉnh nhiệt độ cho lớp đầu tiên và các lớp sau sao cho quá trình in diễn ra ổn định Nhiệt độ ở lớp đầu tiên có thể được tăng nhẹ so với các lớp tiếp theo để vật thể in bám chắc hơn vào bàn nhiệt, từ đó cải thiện độ bám dính, chất lượng bề mặt và hiệu suất in.
+ Nozzle diameter: đường kính lỗ đùn nhựa (trên đầu đùn nhựa có in số)
+ Length: chiều dài đoạn nhựa sẽ bị rút ngược lại trước khi máy in di chuyển qua vùng không đùn nhựa
+ Lift Z: chiều cao đầu đùn sẽ được nâng lên trước khi rút ngược nhựa in và di chuyển xang vị trí khác
+ Các thông số còn lại có thể cài mặc định
Chú ý: Sau khi thiết lập các thuộc tính xong, nhấn chọn ký hiệu sau để lưu các thuộc tính đã được cài đặt lại
3.1.2 Các bước cơ bản để in 3d
3.1.2.1 Dựng hình 3d bằng phần mềm vẽ 3d và xuất file 3d ra định dạng stl
Bạn thiết kế mô hình 3D bằng các phần mềm vẽ 3D như Autocad 3D,
SolidWorks và 3ds Max là những phần mềm thiết kế 3D phổ biến, thường có sẵn tính năng xuất mô hình sang định dạng STL phục vụ cho in 3D Tuy nhiên, nếu phiên bản cài đặt của bạn chưa có tùy chọn xuất STL mặc định, bạn có thể cài thêm plugin hoặc extension để kích hoạt chức năng này và đảm bảo mô hình được xuất đúng chuẩn STL cho máy in 3D.
3.1.2.2 Đưa file stl vào phần mềm in 3d repetier host
Giao diện chính của phần mềm sau khi khởi động như hình 4.1 Sau khi mở Repetier Host, click “Connect” để kết nối với máy in, kết nối thành công sẽ có biểu tượng màu xanh ở góc bên trái như hình sau:
Hình 3.3: Kết nối máy tính với máy in
Click vào biểu tượng “Load” để nạp file chi tiết 3D, có thể nạp một hoặc nhiều file định dạng STL tùy theo kích thước vật so với bàn nhiệt
Các file chi tiết 3D sau khi nạp sẽ hiện lên cửa sổ của phần mềm Repetier Host
Muốn xóa chi tiết nào, click vào biểu tượng thùng rác bên phải tên của chi tiết tương ứng
Muốn xoay các chi tiết (theo 3 chiều X, Y, Z), click chọn chi tiết và ấn “R” sau đó điền góc muốn quay tương ứng vào từng trục (thông thường quay 90 dộ hoặc
Hình 3.4: Xoay chi tiết theo các trục
Muốn phóng to/thu nhỏ vật in, click chọn vật in rồi ấn “S” Sau đó điền tỉ lệ như hình (lớn hơn 1 là phóng to, nhỏ hơn 1 là thu nhỏ):
Hình 3.5: Phóng to/ thu nhỏ theo các trục
Để đảm bảo độ cố định và ổn định khi in, nên đặt vật in sao cho mặt phẳng có kích thước lớn nhất tiếp xúc với bàn nhiệt Đồng thời xoay vật in để trong quá trình in càng ít phần của nó bị nhô ra ngoài mà không có lớp đỡ dưới.
Sau khi đã chỉnh xong, trong màn hình chính ta chọn Slicer, sau đó click
“Slice with Slic3r” để cắt vật thể và tạo file G-code
Sau khi tạo xong file G-code, nhấn biểu tượng Print để bắt đầu in 3D Trong quá trình in, Repetier Host sẽ hiển thị tiến trình in từng lớp và các thông số như nhiệt độ, vị trí của đầu in và các tham số liên quan trên màn hình máy tính, giúp người dùng theo dõi và điều chỉnh khi cần.
Thi ết kế thí nghiệm
Trong nghiên cứu này, máy in 3D được trang bị đầu phun 0,4 mm cho phép in với độ dày lớp tối thiểu 0,1 mm để tạo mẫu hình 8, tiến hành các thí nghiệm trên các mẫu in 3D với các vật liệu và thông số in khác nhau Khi thay đổi một thông số, các thông số in còn lại được giữ ở giá trị trung bình Kết quả thu được được trình bày bằng biểu đồ nhằm xác định ảnh hưởng của vật liệu đến độ chính xác kích thước của sản phẩm in 3D Nghiên cứu sử dụng ba loại vật liệu: PLA (Polylactic acid) – vật liệu sinh học, thân thiện với môi trường và người dùng; ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) – vật liệu phổ biến với chi phí thấp và tính chất cơ học tốt, có độ dẻo dai và khả năng chống va đập giúp in các sản phẩm bền chắc; PETG (Polyethylene terephthalate Glycol) – vật liệu mới được đánh giá cao, có độ chịu nhiệt cao bằng ABS (100°C trở lên), dễ in như PLA và có độ cứng rất cao.
Để đánh giá độ chính xác kích thước của sản phẩm in 3D, cần phân tích ảnh hưởng của mật độ điền đầy và các dạng điền đầy ở bên trong cũng như ở mặt trên và mặt dưới mẫu in, cùng với độ dày từng lớp in và các dạng điền đầy hỗ trợ Nghiên cứu cũng xem xét tác động của tốc độ in và vật liệu in khác nhau lên độ chính xác kích thước, bề mặt và cấu trúc bên trong của sản phẩm Kết quả từ đó giúp xác định mức tối ưu của mật độ điền đầy, dạng điền đầy, độ dày lớp in, cấu hình support và thông số in như tốc độ và vật liệu để đạt được kích thước chuẩn xác và chất lượng in mong muốn.
Mô hình CAD được thiết kế bằng phần mềm SolidWorks và xuất ra ở định dạng STL, chia lưới (tạo mesh) cho mô hình Sau đó, mô hình được đưa vào phần mềm cắt lớp Slic3r để điều chỉnh thông số cắt lớp, độ dày lớp và các tham số in 3D, nhằm chuẩn bị cho quá trình in 3D và tạo ra tệp G-code tối ưu cho máy in.
38 chỉnh các thông số chạy mẫu, sau đó xuất sang file có định dạng gcode và nạp trực tiếp vào máy in 3D FDM
Hình 3.7: Giá trị trung bình thông số thí nghiệm
Hình 3.8: Giá trị thay đổi thông số thí nghiệm
Thông s ố tiến hành thí nghiệm
3.3.1 Thông số thí nghiệm với sự thay đổi vật liệu
- Với mẫu in thứ 1: thực hiện thí nghiệm với vật liệu nhựa PLA
Trong tối ưu hóa in 3D, các giá trị thông số quan trọng bao gồm mật độ điền đầy (%) và độ dày của từng lớp in (mm), các kiểu in bên trong mẫu, kiểu in mặt trên và mặt dưới của mẫu in, kiểu di chuyển đầu in khi in Support, góc nghiêng in support, độ dày thành (mm), độ dày mặt trên và mặt dưới mẫu (mm), số lớp in thành, số lớp in mặt trên và mặt dưới mẫu in, tốc độ in (mm/s) và độ dày lớp in đầu tiên (mm); nên chọn giá trị trung bình cho các tham số này để cân bằng giữa chất lượng và thời gian in, đảm bảo kết quả in ổn định và phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.
- Với mẫu in thứ 2: thực hiện thí nghiệm với vật liệu nhựa ABS
Các tham số chính ảnh hưởng đến chất lượng in 3D bao gồm mật độ điền đầy (%) , độ dày của từng lớp in (mm) , các kiểu in bên trong mẫu, in mặt trên và mặt dưới của mẫu, kiểu di chuyển đầu in khi in support, góc nghiêng của support, độ dày thành (mm) , độ dày mặt trên và mặt dưới của mẫu (mm) , số lớp in thành, số lớp in ở mặt trên và mặt dưới của mẫu, tốc độ in (mm/s), và độ dày lớp in đầu tiên (mm) Nên chọn giá trị trung bình cho các tham số này để đạt được chất lượng in tối ưu.
- Với mẫu in thứ 3: thực hiện thí nghiệm với vật liệu nhựa PETG
Để tối ưu quá trình in 3D, các tham số như mật độ điền đầy (%) và độ dày của từng lớp in (mm) cần được cân nhắc, cùng với các kiểu in bên trong mẫu, kiểu in mặt trên và mặt dưới của mẫu, và kiểu di chuyển đầu in khi in Support cùng với góc nghiêng của support Ta cũng xét đến độ dày thành (mm), độ dày mặt trên và mặt dưới của mẫu (mm), số lớp in thành và số lớp in mặt trên và mặt dưới của mẫu in, tốc độ in (mm/s) và độ dày lớp in đầu tiên (mm) Trong nhiều trường hợp, nên chọn giá trị trung bình cho các tham số này để cân bằng chất lượng in, thời gian in và khả năng lặp lại.
3.3.2 Thông số thí nghiệm với sự thay đổi mật độ điền đầy
- Với mẫu in thứ 1: thực hiện thí nghiệm với mật độ điền đầy (20%)
Để tối ưu chất lượng in 3D, các giá trị thông số như độ dày của từng lớp in (mm), các kiểu in bên trong mẫu, kiểu in mặt trên và mặt dưới của mẫu in, và kiểu di chuyển đầu in khi in cần được xem xét kỹ Kiểm soát support bao gồm góc nghiêng in support và cách hỗ trợ liên kết với mẫu để đảm bảo bề mặt và chi tiết đạt yêu cầu Các tham số liên quan như độ dày thành (mm), độ dày mặt trên và mặt dưới mẫu (mm), số lớp in thành, số lớp in mặt trên và mặt dưới mẫu in, tốc độ in (mm/s), và độ dày lớp in đầu tiên (mm) cũng ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng và nên được cân nhắc và chọn giá trị trung bình.
Hình 3.11: Thiết lập mật độ điền đầy: 20%
- Tương tự với mẫu in tiếp theo: thực hiện thí nghiệm với mật độ điền đầy (40%, 40%, 80%, 100%)
Các giá trị thông số khác như độ dày của từng lớp in (mm), các kiểu in bên trong mẫu, kiểu in mặt trên và mặt dưới của mẫu in và kiểu di chuyển đầu in khi in đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm Việc xác định độ dày của từng lớp in (mm) ảnh hưởng đến độ bền, chi phí và thời gian sản xuất Các kiểu in bên trong mẫu cho phép kiểm soát mật độ chất liệu và sự đồng nhất của bề mặt Kiểu in mặt trên và mặt dưới của mẫu in ảnh hưởng đến độ cân đối của bề mặt và khả năng kết dính với các lớp tiếp theo Kiểu di chuyển đầu in khi in quyết định mức độ chi tiết và tốc độ hoàn thiện, từ đó tối ưu hóa hiệu suất sản xuất.
Trong quá trình tối ưu in 3D, các tham số cần cân nhắc gồm: support, góc nghiêng in support; độ dày thành (mm); độ dày mặt trên và mặt dưới mẫu (mm); số lớp in thành; số lớp in mặt trên và mặt dưới mẫu in; tốc độ in (mm/s); và độ dày lớp in đầu tiên (mm) Để đạt được chất lượng và hiệu suất, người dùng nên so sánh các giá trị của từng tham số và → chọn giá trị trung bình cho kết quả in mong muốn.
3.3.3 Thông số thí nghiệm với sự thay đổi kiểu in bên trong mẫu
- Với mẫu in thứ 1: thực hiện thí nghiệm với các kiểu in bên trong mẫu: rectilinear
Các giá trị thông số khác như mật độ điền đầy (%), độ dày của từng lớp in
Để tối ưu chất lượng in 3D, cần xác định các tham số chính liên quan đến kiểu in mặt trên và mặt dưới của mẫu, cách di chuyển đầu in khi in và các yếu tố hỗ trợ như support Việc chọn góc nghiêng in support, độ dày thành (mm), và độ dày mặt trên và mặt dưới của mẫu (mm) ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và chi tiết của sản phẩm Các yếu tố về số lớp in thành, số lớp in mặt trên và mặt dưới mẫu in, cùng với tốc độ in (mm/s) và độ dày lớp in đầu tiên (mm) cần được cân nhắc và thường chọn giá trị trung bình để cân bằng giữa tốc độ và chất lượng, từ đó đạt được kết quả in tối ưu.
Hình 3.12: Thiết lập kiểu in bên trong mẫu: rectilinear
- Tương tự với mẫu in tiếp theo: thực hiện thí nghiệm với các kiểu in bên trong mẫu: honeycomb, line, concentric, 3d honeycomb
Các giá trị thông số khác như mật độ điền đầy (%), độ dày của từng lớp in
Trong in 3D, các tham số quan trọng cần xác định gồm độ dày thành (mm), độ dày mặt trên và mặt dưới của mẫu in, kiểu in cho mặt trên và mặt dưới, kiểu di chuyển của đầu in khi in, và cấu hình hỗ trợ với góc nghiêng in support Việc tối ưu những yếu tố này sẽ cải thiện chất lượng bề mặt, độ bền và độ chính xác của sản phẩm in.
Đối với 42 mẫu (mm), ta ghi nhận các tham số gồm số lớp in thành, số lớp in ở mặt trên và mặt dưới mẫu, tốc độ in (mm/s) và độ dày lớp in đầu tiên (mm) Từ các giá trị này, chọn giá trị trung bình làm tham chiếu cho từng tham số nhằm đảm bảo tính nhất quán và tối ưu hóa chất lượng in Việc xác định độ dày lớp đầu tiên và tốc độ in chuẩn hóa giúp cân bằng độ bám dính, độ chính xác kích thước và bề mặt của các mẫu.
3.3.4 Thông số thí nghiệm với sự thay đổi kiểu in ở mặt trên mẫu
- Với mẫu in thứ 1: thực hiện thí nghiệm với các kiểu in ở mặt trên mẫu: rectilinear
Các giá trị thông số khác như mật độ điền đầy (%), độ dày của từng lớp in
Trong quá trình in 3D, các tham số quan trọng cần xem xét gồm độ dày thành (mm), độ dày mặt trên và mặt dưới của mẫu (mm), nhiệt độ, tốc độ in (mm/s), độ dày lớp in đầu tiên (mm) và số lớp in thành cùng với số lớp in mặt trên và mặt dưới của mẫu in Bên cạnh đó, kiểu in bên trong của mẫu in, kiểu in mặt dưới của mẫu in, kiểu di chuyển đầu in khi in Support, và góc nghiêng in Support cũng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và kết cấu Để ổn định quá trình in và đạt chất lượng mong muốn, hãy chọn giá trị trung bình cho các tham số này và điều chỉnh cho từng ứng dụng.
Hình 3.13: Thiết lập kiểu in ở mặt trên mẫu: rectilinear
- Tương tự với mẫu in tiếp theo: thực hiện thí nghiệm với các kiểu in ở mặt trên mẫu: concentric, hilbert curve, octagram spiral, archimedeanchords
Các giá trị thông số khác như mật độ điền đầy (%), độ dày của từng lớp in
Trong quá trình in 3D, các tham số quan trọng bao gồm kiểu in bên trong của mẫu và kiểu in mặt dưới, cùng với cách di chuyển đầu in khi in Support và góc nghiêng in Support Độ dày thành (mm) và độ dày mặt trên và mặt dưới của mẫu (mm) ảnh hưởng đến độ bền và độ chính xác của chi tiết Số lớp in thành và số lớp in mặt trên và mặt dưới của mẫu in xác định độ phân giải và bề mặt cuối cùng Tốc độ in (mm/s) và độ dày lớp in đầu tiên (mm) cần được cân nhắc và đưa về giá trị trung bình để tối ưu hóa hiệu suất in và chất lượng mẫu.
3.3.5 Thông số thí nghiệm với sự thay đổi support
- Với mẫu in thứ 1: thực hiện thí nghiệm với kiểu di chuyển đầu in khi in Support: pillars
Để tối ưu quá trình in 3D, cần xác định các giá trị thông số như mật độ điền đầy (%), độ dày của từng lớp in (mm), các kiểu in bên trong mẫu, kiểu in mặt trên và mặt dưới của mẫu in, góc nghiêng của support, độ dày thành (mm), độ dày mặt trên và mặt dưới của mẫu (mm), số lớp in thành, số lớp in mặt trên và mặt dưới mẫu in, tốc độ in (mm/s) và độ dày lớp in đầu tiên (mm) Trong thực tế, nên chọn giá trị trung bình của các tham số này để cân bằng giữa chất lượng và thời gian in.
Hình 3.14: Thiết lập kiểu di chuyển đầu in khi in Support: pillars
- Tương tự với mẫu in tiếp theo: thực hiện thí nghiệm với kiểu di chuyển đầu in khi in Support: rectilinear, honeycomb
Đối với các giá trị tham số khác như mật độ điền đầy (%), độ dày của từng lớp in (mm), các kiểu in bên trong mẫu, kiểu in mặt trên và mặt dưới của mẫu in, góc nghiêng in support, độ dày thành (mm), độ dày mặt trên và mặt dưới mẫu (mm), số lớp in thành, số lớp in mặt trên và mặt dưới của mẫu in, tốc độ in (mm/s) và độ dày lớp in đầu tiên (mm), nên được cân nhắc và chọn giá trị trung bình để tối ưu hóa chất lượng in và hiệu suất sản xuất → chọn giá trị trung bình.
- Với mẫu in thứ 4: thực hiện thí nghiệm với góc nghiêng in: 0°c)
Trong in 3D, các tham số như mật độ điền đầy (%) và độ dày của từng lớp in (mm) ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độ bền của mẫu Cần xác định rõ các kiểu in bên trong mẫu, kiểu in mặt trên và mặt dưới, cũng như cách di chuyển đầu in khi in Support để tối ưu liên kết và bề mặt hoàn thiện Các giá trị khác như độ dày thành (mm), độ dày mặt trên và mặt dưới mẫu (mm), số lớp in thành, số lớp in mặt trên và mặt dưới mẫu, tốc độ in (mm/s), và độ dày lớp in đầu tiên (mm) nên được xem xét và tính toán kỹ lưỡng; chọn giá trị trung bình làm tham chiếu khi có nhiều phương án.
Hình 3.15: Thiết lập góc nghiêng in: 0°c
- Tương tự với mẫu in tiếp theo: thực hiện thí nghiệm với góc nghiêng in (pattern Angle: 45°c, 90°c)
Để tối ưu quá trình in 3D, xác định các giá trị thông số khác như mật độ điền đầy (%), độ dày của từng lớp in (mm), các kiểu in bên trong mẫu và kiểu in mặt trên/mặt dưới, cách di chuyển đầu in khi in Support, độ dày thành (mm), độ dày mặt trên và mặt dưới của mẫu, số lớp in thành, số lớp in mặt trên và mặt dưới, tốc độ in (mm/s) và độ dày lớp in đầu tiên (mm) Sau khi xác định đầy đủ, chọn giá trị trung bình cho từng tham số làm đại diện cho thiết kế và đảm bảo tính ổn định của kết quả in.
3.3.6 Thông số thí nghiệm với sự thay đổi độ dày từng lớp in
- Với mẫu in thứ 1: thực hiện thí nghiệm với độ dày lớp in: 0.2 (mm)