(Đồ án tốt nghiệp) 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(Đồ án tốt nghiệp) 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(Đồ án tốt nghiệp) 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(Đồ án tốt nghiệp) 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(Đồ án tốt nghiệp) 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(Đồ án tốt nghiệp) 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(Đồ án tốt nghiệp) 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(Đồ án tốt nghiệp) 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(Đồ án tốt nghiệp) 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(Đồ án tốt nghiệp) 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(Đồ án tốt nghiệp) 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(Đồ án tốt nghiệp) 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(Đồ án tốt nghiệp) 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(Đồ án tốt nghiệp) 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(Đồ án tốt nghiệp) 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(Đồ án tốt nghiệp) 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(Đồ án tốt nghiệp) 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(Đồ án tốt nghiệp) 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(Đồ án tốt nghiệp) 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
TỔNG QUAN
Giới thiệu về đề tài nghiên cứu
Thuật ngữ in 3D bao gồm nhiều quy trình và công nghệ khác nhau, cho phép sản xuất một chi tiết hoặc toàn bộ sản phẩm từ các vật liệu đa dạng Về cơ bản, mọi quy trình in 3D đều dựa trên nguyên lý bổ sung: sản phẩm được xây dựng bằng cách xếp từng lớp và bồi đắp dần để hình thành cấu trúc cuối cùng Khác với các phương pháp sản xuất truyền thống như gia công cắt gọt trên nguyên liệu sẵn có hoặc đúc khuôn, in 3D có thể tạo ra các hình dạng phức tạp và tối ưu thiết kế mà khó thực hiện với các phương pháp cổ điển.
Quá trình in 3D bắt đầu từ một tệp thiết kế kỹ thuật số được tạo ra bằng CAD; sau khi hoàn thiện, thiết kế được xuất sang định dạng STL, tệp tin này chuyển đổi mặt và đỉnh thành vô số tam giác để mô phỏng mô hình 3D Tệp STL sau đó được cắt thành hundreds, thậm chí hàng nghìn lớp 2D; máy in 3D đọc từng lớp 2D và in lần lượt, lớp này chồng lên lớp kia để tạo thành sản phẩm khối 3D Tất cả các tệp thiết kế, bất kể công nghệ in 3D nào, đều trải qua quá trình cắt thành lớp trước khi in Độ dày của lớp in, hay kích thước của từng lớp, phụ thuộc phần lớn vào công nghệ in, một phần do vật liệu và một phần theo độ phân giải và thời gian mong muốn; lớp dày hơn cho phép in nhanh hơn, trong khi lớp mỏng hơn cho độ phân giải tốt hơn, chi tiết mịn hơn và ít phải xử lý sau in.
Nguyên tắc cơ bản nhất để phân biệt in 3D với sản xuất truyền thống là in 3D hoạt động theo phương pháp sản xuất bồi đắp (additive manufacturing), một công nghệ tiên tiến tạo ra các bộ phận bằng cách cộng dồn vật liệu theo từng lớp và bồi đắp lên nhau cho đến thành phẩm với độ chính xác ở mức millimet Chính đặc trưng này làm in 3D trở thành một phương pháp sản xuất hoàn toàn khác so với mọi kỹ thuật sản xuất truyền thống hiện có.
Hình 1.1: Giới thiệu về in 3D [02]
Công nghệ in 3D đang thúc đẩy đổi mới bằng cách giải phóng thiết kế khỏi khuôn khổ và rút ngắn chu trình sản xuất mà không cần nhiều công cụ, từ đó giảm chi phí Các thành phần có thể được thiết kế đặc biệt để tránh lắp ráp phức tạp, khi các khối hình học và tính năng phức tạp được tạo ra mà không phát sinh chi phí bổ sung In 3D cũng nổi lên như một công nghệ tiết kiệm năng lượng, mang lại lợi ích về môi trường ngay trong quy trình sản xuất nhờ sử dụng tới 90% vật liệu tiêu chuẩn, giúp sản phẩm nhẹ hơn và bền hơn.
Trong những năm gần đây, in 3D đã tiến xa trong quá trình phát triển mẫu và quy trình sản xuất công nghiệp, nhờ công nghệ ngày càng dễ tiếp cận hơn với các doanh nghiệp nhỏ và cả cá nhân Các tập đoàn lớn và các công ty đa quốc gia có thể sở hữu một máy in 3D, trong khi các máy in 3D nhỏ hơn vẫn có thể được mua với giá dưới 1.000 USD Điều này làm cho công nghệ in 3D trở nên tiếp cận hơn với nhiều đối tượng, và tỷ lệ sử dụng tiếp tục tăng lên theo cấp số nhân, mở rộng sang nhiều ngành nghề, hệ thống, vật liệu và ứng dụng mới của công nghệ in 3D.
Trong thế giới công nghệ sản xuất, ngoài máy in 3D còn có một khái niệm rất phổ biến khác là CNC CNC, viết tắt của Computer Numerical Control, là thuật ngữ chỉ các hệ thống máy tiện và máy phay cơ khí được điều khiển bằng máy tính Công nghệ này phát triển từ cuối thập niên 1940 – đầu thập niên 1950 tại Phòng thí nghiệm Servomechanism của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), mở đường cho tự động hóa điều khiển bằng số trong gia công cơ khí.
Máy CNC gia công kim loại ra đời từ những cải tiến nhằm khắc phục khuyết điểm của máy cơ truyền thống Gia công CNC là quá trình gia công kim loại (inox, sắt thép, đồng, nhôm…) được điều khiển bằng máy tính Quá trình này được thiết kế và kiểm tra trên máy tính bằng phần mềm CAM trước khi sản xuất thực tế Sau khi mô phỏng và tối ưu xong, phần mềm sẽ xuất ra mã NC cho quá trình gia công Mã NC được chuyển sang máy CNC và máy sẽ gia công sản phẩm đúng như quy trình đã mô phỏng trên máy tính.
Hình 1.2: Công nghệ CNC đang là xu hướng hàng đầu hiện nay [03]
Với việc điều khiển bằng máy tính, máy CNC có thể cắt laser kim loại theo những đường cong mềm mại như đường thẳng, thậm chí là đục rỗng bên trong khối phôi và tỉa những hoa văn chính xác Nhờ được lập trình và điều khiển bằng máy tính, quy trình gia công trở nên linh hoạt, cho phép xử lý các chi tiết phức tạp một cách nhanh chóng và đồng nhất Cắt laser kim loại bằng máy CNC giúp tối ưu hóa vật liệu, tăng năng suất và đảm bảo chất lượng bề mặt, đồng thời mở rộng khả năng thiết kế các hoa văn và đường nét tinh xảo.
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 từ thời cổ đại đã lan rộng sang nhiều nước khác Loài cây này được đánh giá cao về giá trị cảnh quan và thường được trồng để trang trí cho ao hồ, nước và các vườn hoa ở Thái Lan và Myanmar Tại Việt Nam, Cây Bông Súng phân bố rộng khắp trên nhiều vùng miền.
Lá Hoa Súng là lá đơn mọc cách, có dạng hình tròn hoặc xoan, mép răng cưa thưa và mặt dưới không lông với màu tím đậm hoặc lam, trong khi mặt trên nhẵn bóng xanh Lá xẻ thùy sâu hoặc hình tròn, có gân to tròn nổi rõ ở mặt dưới Thân cây bông súng có tiết diện ngoài hình tròn và bên trong có ống nhỏ chạy dọc theo suốt chiều dài thân.
Đối tượng và ứng dụng công nghệ
Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào thiết kế và chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt có biên dạng thân cây bông súng nhằm tối ưu hiệu suất trao đổi nhiệt và giảm thiểu độ chênh lệch áp suất Thiết kế được hiện thực hóa bằng hai công nghệ chính là in 3D và gia công CNC để sản xuất các mẫu thiết bị trao đổi nhiệt, từ đó tiến hành khảo sát độ chênh lệch áp suất và phân tích mối liên hệ giữa hình học của biên dạng và hiệu suất trao đổi nhiệt Kết quả cho thấy biên dạng thân cây bông súng mang lại lợi thế nhất định về lưu lượng và áp suất, đồng thời công nghệ in 3D và CNC hỗ trợ hiệu quả quá trình sản xuất và tùy biến cấu hình thiết bị cho các ứng dụng trao đổi nhiệt trong công nghiệp.
1.2.2 Ứng dụng công nghệ in 3D
1.2.2.1 Ứng dụng công nghệ in 3D trong ngành vũ trụ [04]
In 3D có thể cách mạng hóa việc thám hiểm không gian bằng cách cho phi hành gia tự chế tạo tại chỗ các vật thể cần thiết theo yêu cầu: các bộ phận thay thế để sửa chữa thiết bị, phụ kiện tùy chỉnh cho các thí nghiệm khoa học và thậm chí cả thực phẩm được in 3D Việc in 3D trên tàu vũ trụ giúp giảm sự phụ thuộc vào kho dự trữ từ Trái đất, tăng tính linh hoạt và tự chủ của các sứ mệnh, đồng thời mở ra khả năng thiết kế và tối ưu hóa phụ kiện một cách nhanh chóng Với tiềm năng ứng dụng rộng lớn, công nghệ in 3D hứa hẹn trở thành công cụ chủ chốt để nâng cao hiệu quả nghiên cứu và an toàn của phi hành gia.
Trong không gian, môi trường khắc nghiệt khiến rất ít nguyên liệu thô có thể khai thác, dù tồn tại vô số bụi vũ trụ trôi nổi quanh khu vực Công nghệ in 3D cho phép xây dựng các cấu trúc vững chắc từ bụi tổng hợp và các hạt siêu nhỏ, biến thách thức về nguồn lực thành cơ hội thiết kế ngoài Trái Đất Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đang xem xét in 3D căn cứ trên mặt trăng, mở đường cho sự hiện diện lâu dài của con người và các căn cứ nghiên cứu trên bề mặt vệ tinh gần nhất của Trái Đất.
Trong hình 1.3 về ứng dụng in 3D trong ngành vũ trụ, NASA đang tài trợ cho một dự án do Tập đoàn Nghiên cứu Vật liệu và Hệ thống thực hiện nhằm phát triển một máy in thực phẩm 3D dành cho các bữa ăn của phi hành gia, có thể hoạt động 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 ngay trong không gian NASA và Made in Space đang hợp tác để giải quyết thách thức này; kết quả thí nghiệm cho thấy máy in 3D G có thể hoạt động trong môi trường không trọng lực Họ đã in thành công một cái cờ lê ratchet từ một tệp 3D gửi từ Trái đất lên trạm vũ trụ Máy in 3D này sử dụng công nghệ Mô hình lắng đọng (FDM – Fused Deposition Modeling) và có thể in các đối tượng bằng nhựa, mở ra khả năng sản xuất phụ tùng trực tiếp trên quỹ đạo và giảm sự phụ thuộc vào vận chuyển từ Trái đất.
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
Ở đây, các kỹ sư nhận thấy công nghệ nuôi dưỡng phi hành gia có tiềm năng trở thành nền tảng hoàn hảo cho các nhiệm vụ không gian dài hạn, mở ra cơ hội sống và làm việc trên các cơ sở vũ trụ NASA đã đầu tư 125.000 đô la Mỹ vào SMRC, một dự án 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 vì chúng được làm từ nhiều lớp khác nhau, cho phép mô phỏng và tối ưu hóa quy trình công nghệ phụ gia như in 3D Đặc tính đa lớp của pizza giúp hình dung cách máy in 3D xây dựng sản phẩm từ từng lớp vật liệu một, cải thiện liên kết giữa các lớp và độ chính xác của mẫu in Vì vậy, pizza có thể đóng vai trò minh họa hữu ích cho ứng dụng của công nghệ in 3D và các quy trình công nghệ phụ gia trong thiết kế và sản xuất.
- 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 bánh pizza trong vài phút Theo Nhà thầu Anjan, carbs, protein, vĩ mô và vi chất được lưu trữ trong một hộp mực đặc biệt ở dạng bột ăn được, có thể tồn tại trong khoảng 30 năm, đủ 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 đã phát triển nhanh chóng trong ngành công nghiệp ô tô 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 và hiệu quả, giúp doanh nghiệp rút ngắn chu trình phát triển và thoát khỏi phụ thuộc vào các phương pháp sản xuất truyền thống Mặc dù còn một số hạn chế, nền tảng dịch vụ in 3D công nghiệp ngày nay đã được áp dụng vào nhiều khía cạnh của sản xuất ô tô, từ các chi tiết nội thất như tay vịn và hộp chứa đến các mô-đun và linh kiện khác.
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]
Trong ngành ô tô, các nhà lãnh đạo đang tận dụng công nghệ in 3D để tạo ra các mô hình bền, nguyên mẫu chức năng, công cụ sản xuất và các bộ phận có khối lượng thấp, cho phép kỹ sư và nhà thiết kế tiến hành đánh giá thiết kế toàn diện trước khi đưa vào sản xuất; đồng thời, công nghệ này giúp các công ty giảm đáng kể chi phí R&D và rút ngắn thời gian tiếp cận thị trường.
Hình 1.10: Các chi tiết nhỏ được in 3D [06]
Bộ phận, hệ thống truyền động in 3D
Sử dụng công nghệ in 3D để tạo ra các mô hình khái niệm và nguyên mẫu chức năng có thể giúp các nhà thiết kế và kỹ sư ô tô xác minh 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 minh thiết kế và giảm thiểu chi phí do lỗi thiết kế Lamborghini, hãng xe thể thao châu Âu nổi tiếng, đã ứng dụng in 3D để chế tạo ống động cơ cho các mẫu xe của mình, cho phép tạo ra các hình học phức tạp trong thời gian rất ngắn.
Hình 1.11: Khung xe ô tô được in 3D [06]
Trong phát triển và sản xuất các hệ thống gầm xe ô tô, in 3D được ứng dụng cho công cụ sản xuất và lắp ráp cũng như kiểm tra chức năng, giúp rút ngắn thời gian từ thiết kế tới sản xuất và cải thiện hiệu suất chế tạo Lamborghini đã sử dụng nhựa nhiệt dẻo cấp kỹ thuật để chế tạo các nguyên mẫu khung gầm ô tô có độ bền cao, đồng thời dùng nhựa kỹ thuật hiệu suất cao để tùy chỉnh các công cụ lắp ráp, tăng độ chính xác và tối ưu hóa quy trình chế tạo.
Nhà lãnh đạo ngành công nghiệp ô tô sử dụng công nghệ in 3D, bao gồm đồ đạc, bộ phận sử dụng cuối và tạo mẫu chức năng, để đơn giản hóa chu trình sản xuất ngoại thất ô tô, giảm trọng lượng của các công cụ sản xuất ô tô và giảm chi phí sản xuất, bao gồm cản va và chắn bùn Nhiều bộ phận bên ngoài như bảng, đèn và logo xe hơi Chẳng hạn, in 3D đã trở thành một công cụ kỹ thuật không thể thiếu trong chu
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 mới nhất để sản xuất 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 conducted a study on how temperature changes in the convection cooling of the extrusion head affect polymer melt flow, a work presented at the International Conference on Energy and Thermal Engineering in April 2017.
Trong bài nghiên cứu được công bố trên IJESRT ngày 06/08/2017, tác giả thuộc Kỹ thuật Công nghiệp (Jl Teknik Industri) đã phân tích ảnh hưởng của cấu trúc bên trong đến khả năng chịu lực của vật thể in 3D bằng nhựa PLA Nghiên cứu cho thấy sự bố trí và đặc điểm của mạng in nội bộ ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và khả năng chịu tải của các mẫu PLA Kết quả được tham chiếu là [11] và đặt nền tảng cho thiết kế in 3D bền chắc hơn bằng nhựa PLA, giúp tối ưu hóa quy trình in và hiệu suất chịu lực của sản phẩm.
Nhóm tác giả Wonjin Jo, O-Chang Kwon và Myoung-Woon Moon đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền cơ học của vật thể in 3D bằng công nghệ FDM, được đăng trên Rapid Prototyping Journal vào ngày 24/03/2018 [12].
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 mong muốn tạo ra một thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ gọn, tiện lợi để làm mát và mang lại không khí trong lành cho ngôi nhà của mình, nên ông đã thiết kế và chế tạo bộ trao đổi nhiệt kênh mini bằng máy in 3D.
1.3.2 Các nghiên cứu trong nước
Sau kết quả tìm kiếm, chúng tôi chưa tìm thấy nghiên cứu nào ở Việt Nam nói về thiết bị trao đổi nhiệt được thiết kế theo biên dạng thân cây bông súng và in bằng máy in 3D Hiện tại, nguồn tài liệu và bằng chứng khoa học tại Việt Nam cho chủ đề này còn rất hạn chế Việc khám phá thiết kế thân cây bông súng làm biên dạng và áp dụng in 3D cho thiết bị trao đổi nhiệt có thể mở ra cơ hội nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới, đồng thời tăng cường hiệu suất trao đổi nhiệt và tối ưu quy trình sản xuất.
Lý do chọn đề tài nghiên cứu
Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt được in bằng công nghệ in 3D, mang lại những thiết kế tối ưu và hiệu suất cao Tuy nhiên tại Việt Nam, công nghệ này vẫn chưa phổ biến và những ứng dụng liên quan còn gặp nhiều khó khăn về nhận thức, hạ tầng và tiêu chuẩn Việc đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng thiết bị trao đổi nhiệt in 3D tại Việt Nam có thể mang lại lợi ích về tiết kiệm vật liệu, tối ưu hiệu suất và thúc đẩy tiến trình đổi mới công nghệ.
Qua quá trình tìm kiếm, chúng em chưa tìm thấy nghiên cứu nào nói về 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 có một khoảng trống nghiên cứu lớn giữa hình học sinh học và các công nghệ chế tạo hiện đại như in 3D trong lĩnh vực thiết bị trao đổi nhiệt Việc khai thác biên dạng của thân cây bông súng để tối ưu hóa hiệu suất trao đổi nhiệt có thể mở ra hướng đi mới cho thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt nhẹ, hiệu quả và tích hợp công nghệ in 3D.
Nhận thấy in 3D đang góp phần quan trọng vào các ứng dụng thực tiễn trong đời sống và sản xuất, đồng thời công nghệ in 3D đang trên đà phát triển mạnh mẽ và được đề cập trong nhiều nghiên cứu khoa học trên toàn cầu Dựa trên thực tế ấy, chúng em mong muốn thực hiện một nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt kênh mini được thiết kế bằng in 3D và theo biên dạng thân cây bông súng 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.”
Bài viết 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 được chế tác bằng in 3D và công nghệ CNC, nhằm xác định mối quan hệ giữa hình học kênh, vật liệu và điều kiện gia công với hiệu quả truyền nhiệt và tổn thất áp suất Các yếu tố then chốt được làm rõ gồm hình học kênh và biên dạng thân cây, độ nhám và chất lượng bề mặt, vật liệu và quy trình in 3D, cũng như tham số gia công CNC, tất cả đều tác động lên độ chênh áp suất và hiệu suất trao đổi nhiệt Từ phân tích này, bài viết đề xuất các điều kiện in 3D tối ưu như lựa chọn vật liệu phù hợp, thiết lập độ phân giải in và mật độ phủ lớp, tối ưu hóa đường đi của dòng chảy và hoàn thiện bề mặt để giảm tổn thất áp suất và nâng cao chất lượng thiết bị Ngoài ra, bài viết gợi ý các bước hậu kỳ như gia công CNC bổ sung, xử lý bề mặt và kiểm soát tolerances nhằm đảm bảo thiết bị trao đổi nhiệt kênh mini đạt chất lượng cao và hiệu suất ổn định.
Nghiên cứu cho thấy tính hiệu quả của phương pháp Taguchi kết hợp với phần mềm Minitab 19 trong lĩnh vực nhiệt nói riêng và các lĩnh vực kỹ thuật nói chung Việc áp dụng thiết kế thí nghiệm Taguchi giúp kiểm soát biến động, tối ưu hóa thông số vận hành và nâng cao chất lượng sản phẩm cũng như hiệu quả của các quá trình nhiệt Phần mềm Minitab 19 hỗ trợ phân tích dữ liệu, xác định ảnh hưởng của các yếu tố và đề xuất các tối ưu hóa một cách nhanh chóng và chính xác Sự kết hợp này mang lại lợi ích thực tiễn lớn cho nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp, minh chứng cho tính linh hoạt của Taguchi trong nhiều ngành kỹ thuật.
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 nhằm đánh giá 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, nhằm tối ưu hiệu suất trao đổi nhiệt và tiết kiệm vật liệu Bài viết phân tích các biến như chất liệu nhôm, thiết kế cấu trúc kênh dẫn, độ hoàn thiện bề mặt và độ chính xác gia công CNC, cùng ảnh hưởng của quá trình in 3D đến đặc tính liên quan đến áp suất và lưu lượng Kết quả cho thấy việc tối ưu hóa kích thước và hình dạng kênh, phân bổ dòng chảy và lựa chọn công nghệ sản xuất phù hợp (in 3D và gia công CNC) có thể giảm đáng kể độ chênh áp suất và nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt của 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 sử dụng mô hình số hóa trên máy tính để tạo ra 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 sử dụng vật liệu dạng bột và phun trực tiếp chất kết dính lên bột để tạo ra sản phẩm mong muốn Vật thể được hình thành từ từng lớp in cho đến khi hoàn thiện 100%, giúp gia tăng độ chính xác và chi tiết Nhờ đặc tính cho phép in với kích thước lớn, phương pháp này phù hợp để sản xuất các sản phẩm quy mô lớn mà không cần khuôn mẫu.
Hình 2.1: Sản phẩm của Công nghệ in 3D Binder Jetting [15]
Công nghệ in BJ sử dụng hai loại vật liệu cơ bản: vật liệu dạng bột như kim loại, bột gốm và cát, và vật liệu ở dạng lỏng có chức năng gắn kết các loại bột lại với nhau Vật liệu bột được chọn tùy theo tính chất và mục đích ứng dụng của sản phẩm, trong khi chất kết dính lỏng đảm nhận vai trò gắn kết để hình thành lớp vật liệu liên kết bền vững trước khi quá trình xử lý cuối cùng hoàn tất.
Trong công nghệ in mô hình bằng cát, quy trình xử lý sau chế tạo gần như không cần thiết, giúp rút ngắn thời gian sản xuất và giảm chi phí Bên cạnh đó, các vật liệu khác vẫn được sấy khô và kết dính với nhau, sau đó thẩm thấu với một vật liệu khác để tạo ra sản phẩm cuối cùng phù hợp với từng ứng dụng.
Về nguyên lý, công nghệ in 3D BJ hoạt động tương tự như in mực trên giấy truyền thống khi chất kết dính được phun lên các lớp vật liệu và hình thành sản phẩm cuối cùng Nhờ khả năng xây dựng các lớp vật liệu rắn, in 3D BJ có thể in được các vật thể có kích thước lớn và hình dáng phức tạp mà nhiều công nghệ in 3D khác khó thực hiện Với ưu thế này, công nghệ in 3D BJ mở rộng ứng dụng trong sản xuất và chế tác các mẫu thiết kế lớn, từ các bộ phận máy móc đến các cấu kiện và sản phẩm cuối cùng có độ chi tiết vừa phải nhưng có kích thước lớn.
Quá trình bắt đầu bằng việc con lăn chuyển động để phủ lớp bột vật liệu mỏng lên tấm đế đỡ, tạo thành lớp cắt thứ nhất đồng nhất và chuẩn bị bề mặt cho quá trình gia công tiếp theo Tiếp theo, đầu phun sẽ phun chất lỏng kết dính lên đúng theo hình dạng của lớp cắt thứ nhất nhằm cố định các hạt bột và đảm bảo liên kết vững chắc giữa các lớp Nhờ đó, lớp vật liệu được cố định chính xác, giúp nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất của quy trình cắt và ghép.
Quá trình phun hình thành ở đế một lớp cắt đầu tiên được tạo nên từ các hạt bột vật liệu liên kết chặt với nhau Tấm đế hạ xuống một khoảng bằng đúng chiều dày của lớp cắt, giúp lớp bột được cố định và làm cơ sở cho các lớp tiếp theo Thông thường quanh lớp cắt đầu tiên vẫn còn các hạt bột chưa gắn kết, nhưng chúng được giữ lại để làm nền cho lớp bột tiếp theo và duy trì nền tảng cho quá trình gia công.
Quá trình lăn tiếp tục trải đều lớp bột thứ hai lên lớp bột thứ nhất Đầu phun chứa chất lỏng kết dính di chuyển liên tục và phun chất liệu này lên bề mặt để gắn kết theo hình dạng của lớp cắt thứ hai Sau bước này, lớp cắt thứ hai được phủ lên lớp cắt thứ nhất, tạo thành một lớp ghép hoàn chỉnh và sẵn sàng cho các bước tiếp theo trong quy trình sản xuất.
Quy trình in 3D bằng bột vật liệu gắn kết được lặp đi lặp lại cho đến khi hoàn thiện lớp cắt cuối cùng, cho ra một sản phẩm in 3D rắn được hình thành từ bột vật liệu gắn kết Sau khi quá trình in kết thúc, lấy vật phẩm đã in và loại bỏ phần bột rời còn lại để sản phẩm in 3D có đúng hình dáng như thiết kế đã được tạo ra.
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 dựa trên nguyên tắc làm nóng chảy sợi nhựa và đẩy qua đầu phun nhiệt để nhựa được lắng đọng và đông đặc thành từng lớp Dữ liệu mô hình 3D do người dùng cung cấp được máy in FDM đọc và biến thành các chuyển động điều khiển của đầu phun, từ đó nung chảy nhựa và lấp đầy cấu trúc theo thiết kế Vật liệu phổ biến nhất cho máy in 3D công nghệ FDM là nhựa ABS và PLA, đáp ứng nhiều ứng dụng từ in mẫu đến sản phẩm cuối cùng.
Mô hình sản phẩm được tạo ra từ file JGES hoặc STL nhờ phần mềm AutoCAD Các dữ liệu từ hai định dạng này sẽ được cắt thành nhiều lớp và xử lý bằng các phần mềm Quickslide và Supportwork Nếu cần thiết, cấu trúc đỡ chi tiết sẽ được tự động tạo ra để đảm bảo tính ổn định và thuận tiện cho quá trình sản xuất.
Vật liệu sau khi qua đầu phun được gia nhiệt sẽ nóng chảy và đùn ra lên tấm đế theo đường dẫn do phần mềm Quickslide tạo ra, và lúc này lớp đầu tiên đã được hoàn thành Người dùng có thể điều chỉnh độ rộng của vật liệu thoát ra trong khoảng từ 0,254mm đến 2,54mm để tối ưu quá trình in và chất lượng của lớp đầu.
Trong in 3D bằng công nghệ FDM, khi lớp vật liệu đầu tiên được hình thành, đầu phun di chuyển theo hướng Z để tạo ra lớp kế tiếp Lớp vật liệu mới đùn được liên kết với vật liệu từ các lớp trước đó, nhờ sự kết dính giữa các lớp và quá trình làm lạnh, tạo thành cấu trúc bền vững cho mẫu vật Quá trình này được lặp đi lặp lại nhiều lần cho đến khi mẫu in hoàn chỉnh, đáp ứng các yêu cầu về kích thước, chất lượng bề mặt và độ bền mong muốn.
Hình 2.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của FDM [15]
Với công nghệ in 3D FDM, đường kính vòi phun thường dao động từ 0,25 đến 1 mm, cho phép in ấn với đa dạng vật liệu nhựa dẻo Do đó, hầu hết các loại nhựa dẻo có thể được sử dụng để tạo mẫu vật, giúp rút ngắn thời gian prototyping và tối ưu chi phí Việc chọn vật liệu và điều chỉnh thông số in như độ dày lớp, tốc độ in và nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến độ bền, chi tiết và tính linh hoạt của mẫu, từ đó đáp ứng các yêu cầu thiết kế khác nhau.
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 đang trở nên phổ biến trên toàn cầu và tiếp tục phát triển vượt bậc, mở ra nhiều cơ hội sáng tạo và ứng dụng mới trong nhiều ngành Với tiến bộ này, vật liệu in 3D ngày càng đa dạng, từ nhựa, kim loại và composite đến xi măng, vật liệu hữu cơ, giấy và thậm chí thức ăn Sự đa dạng của vật liệu in 3D cho phép thiết kế và sản xuất các sản phẩm tùy biến, tối ưu hóa quy trình và giảm chi phí sản xuất.
2.2.1 Các loại vật liệu nhựa
Nhựa in 3D là vật liệu dùng để bồi đắp lên mô hình sản phẩm bằng các công nghệ in 3D, nhờ sự hỗ trợ của máy in 3D và các phần mềm kỹ thuật Có nhiều loại vật liệu nhựa in 3D khác nhau, tùy thuộc vào nhu cầu và phương pháp công nghệ, để đáp ứng các tiêu chí như chất lượng, độ bền, độ cứng và thẩm mỹ Lựa chọn vật liệu in 3D phù hợp ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sản xuất và thành phẩm cuối cùng, định hình độ bền, độ chính xác và khả năng ứng dụng của sản phẩm.
Hình 2.6: Vật liệu nhựa được sử dụng trong công nghệ in 3D [ 16]
Vật liệu in 3D phổ biến thứ hai sau nhựa là kim loại, cho phép sản xuất các bộ phận từ nhiều kim loại và hợp kim như nhôm, thép không gỉ, titan, crom, coban và Inconel In 3D kim loại 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 hoặc gia công thêm Kim loại quý như vàng, bạch kim, palađi 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.
Một thế mạnh quan trọng của in 3D kim loại là khả năng tương thích với các vật liệu cường độ cao, chẳng hạn như siêu hợp kim niken hoặc coban-crôm, những vật liệu này thường khó xử lý bằng các phương pháp sản xuất truyền thống Nhờ công nghệ này, các chi tiết có độ bền cao và hình học phức tạp có thể được chế tạo với độ chính xác và linh hoạt cao hơn so với các phương pháp gia công truyền thống.
Hình 2.7: Khung xe đạp được in bằng máy in 3D [16]
2.2.3 Vật liệu Graphite và Graphene
Graphene là tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử cacbon, liên kết sp2 tạo thành mạng tinh thể hình tổ ong Tên gọi graphene được ghép từ "graphite" (than chì) và hậu tố "-ene" (tiếng Anh là "-ene"); trong đó than chì thực chất là sự ghép lại của nhiều tấm graphene Khoảng cách liên kết C–C trong graphene là 0,142 nm Graphene được phát hiện bởi Andre Geim và Kostya Novoselov vào năm 2004.
Graphene là vật liệu có nhiều tính chất đặc biệt, nổi bật với khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện tốt, độ cứng rất lớn (gấp hàng trăm lần thép) và gần như trong suốt, mở ra nhiều triển vọng ứng dụng trong điện tử, quản lý nhiệt và chế tạo vật liệu composite.
Các nhà nghiên cứu cho thấy mực graphene có thể in 3D; giống như các vật liệu dẫn điện khác, nó có thể ảnh hưởng đến hành vi của tế bào, đặc biệt là ở các dòng tế bào gốc thần kinh Những phát hiện này cho thấy tiềm năng ứng dụng của công nghệ in 3D với mực graphene trong lĩnh vực sinh học vật liệu và y sinh, nơi tương tác giữa vật liệu và tế bào thần kinh có thể được tối ưu hóa.
Những kết quả này cho thấy mực graphene in 3D có các tính chất vật lý, điện và sinh học độc đáo Những đặc điểm này mở ra cơ hội giải quyết nhiều vấn đề y tế yêu cầu tái tạo các mô điện bị hư hỏng, thoái hóa hoặc không hoạt động Các ứng dụng tiềm năng bao gồm hỗ trợ hồi phục và tích hợp với hệ thần kinh, xương, cơ xương và cơ tim nhờ khả năng dẫn điện và tương tác sinh học của graphene Điều này gợi ý các giải pháp mới cho phục hồi chức năng và phát triển mô cấy tích hợp cho các hệ cơ quan khác nhau.
Nhờ các tính chất đặc biệt của graphene, các vật thể graphene được in 3D đang thu hút sự quan tâm mạnh mẽ từ nhiều ngành công nghiệp như pin và lưu trữ năng lượng, hàng không vũ trụ, tách chất, quản lý nhiệt, cảm biến và xúc tác Việc in 3D graphene mở ra các giải pháp thiết kế tối ưu cho các hệ thống pin, quản lý nhiệt và cảm biến, đồng thời nâng cao hiệu suất và độ bền của sản phẩm và thúc đẩy các ứng dụng xúc tác ở quy mô công nghiệp.
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 sử dụng trong in 3D Vật liệu này bền hơn kim loại và nhựa vì có thể chịu được nhiệt độ và áp suất cực cao mà không bị vỡ hay cong vênh Ngoài ra, gốm sứ không dễ bị ăn mòn như kim loại khác và ít bị hao mòn như nhựa Vật liệu này được ứng dụng trong các công nghệ in 3D như Binder Jetting, SLA và DLP (Digital Light Processing).
Hình 2.9: Bộ chén được in 3D bằng vật liệu gốm [16]
Mực in tế bào (cellular ink) là công nghệ in sinh học cho phép in ra các cơ quan và tế bào sống bằng cách ghép nhiều loại tế bào thành từng mô có cấu trúc phức tạp Với cellular ink, con người có thể in sinh học ra các mô và cơ quan có thể được ứng dụng cho cấy ghép mô, da và thử nghiệm thuốc trong phòng thí nghiệm, mở ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu y sinh Các ứng dụng này không chỉ tối ưu hóa quy trình phát triển thuốc mà còn rút ngắn thời gian thử nghiệm và tăng tính an toàn của các liệu pháp mới Trong tương lai, công nghệ mực in tế bào hứa hẹn mang lại lợi ích lớn cho chăm sóc sức khỏe, điều trị bệnh phức tạp và tiến tới y sinh cá nhân hóa.
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 làm nguyên liệu để tạo ra các sản phẩm ăn được, cho thấy tiềm năng ứng dụng của công nghệ in 3D trong ẩm thực Trong xây dựng, cát được sử dụng làm vật liệu in 3D, mở ra các triển vọng mới cho quy trình thiết kế và thi công công trình bằng công nghệ in 3D.
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 phù hợp và thân thiện với môi trường, có ít mùi khó chịu và cho tốc độ in cao cùng độ phân giải tốt Quá trình in được thực hiện một cách tỉ mỉ, ít cong hoặc vênh vật liệu, đảm bảo độ chính xác và chất lượng ở các sản phẩm đòi hỏi sự tỉ mỉ cao Sản phẩm phù hợp với những ứng dụng cần chi tiết tinh xảo và sự ổn định về chất lượng, đáp ứng tốt các yêu cầu về hiệu suất và độ chính xác trong sản xuất.
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
Trong quá trình lựa chọn vật liệu in 3D, yếu tố kinh tế và mức đầu tư cho máy in được xem xét kỹ lưỡng để tối ưu chi phí tổng thể Ví dụ, giá thành máy in 3D sử dụng vật liệu kim loại thường mắc hơn nhiều so với máy in dùng vật liệu nhựa do chi phí vật liệu và quy trình xử lý cao hơn.
Từ những điều trên, vật liệu nhựa được xem là lựa chọn hàng đầu Trong số các loại nhựa xuất hiện trên thị trường, ba loại được sử dụng nhiều nhất là ABS, PLA và PVA.
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 và đòi hỏi một cơ cấu vững chắc cùng chính xác Được làm bằng kim loại, khung có độ bền cao, giúp hạn chế rung lắc và giảm thiểu hỏng hóc trong quá trình vận chuyển.
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 kế bằng nhôm giúp tăng độ bền, chịu nhiệt và ổn định vận hành của hệ thống in 3D Đồng thời, nó được tích hợp quạt giải nhiệt và quạt làm nguội sợi nhựa, đảm bảo nhựa rời khỏi kim phun khô tức thì và giảm thiểu tình trạng ướt nhựa ở đầu phun, từ đó nâng cao chất lượng in và hiệu suất làm việc.
Hình 2.15: Trục vít-me của máy [17]
Máy in 3D đòi hỏi độ chính xác cao ở từng chi tiết Chính vì vậy, C-gen đã tích hợp trục vít-me cho máy in để đạt được độ chính xác cao và giảm hao mòn trong quá trình sử dụng.
2.3.2 Những lí do nên chọn máy in 3D - V2 của C-Gen
Trên thị trường toàn cầu hiện nay, có nhiều thương hiệu và sản phẩm công nghệ in 3D thương mại như Creatbox, 3D Systems và Cubify, hoạt động mạnh mẽ trong lĩnh vực máy in 3D Tuy nhiên, máy in 3D‑V2 C‑GEN nổi bật với sự xuất hiện của giải pháp và sản phẩm mã nguồn mở, mang lại tính linh hoạt và khả năng tùy biến cao cho người dùng Với một mô hình mở, người dùng có thể truy cập, chỉnh sửa và tối ưu phần mềm và firmware, đồng thời khai thác sức mạnh của cộng đồng hỗ trợ và hợp tác trong phát triển công nghệ in 3D Điều này giúp mở rộng ứng dụng, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh so với các sản phẩm in 3D truyền thống.
Công nghệ nguồn mở được phát triển và hỗ trợ bởi một cộng đồng lớn trên khắp thế giới, mang lại sự ổn định và cập nhật liên tục Vì vậy, máy in 3D-V2 C-GEN dễ dàng sửa chữa và nâng cấp công nghệ, được chia sẻ và hỗ trợ đầy đủ miễn phí từ cộng đồng.
Chi phí của máy in 3D V2 C-GEN và vật liệu in 3D FDM tương đối phù hợp cho việc nghiên cứu công nghệ in 3D và ứng dụng trong một số công việc đơn giản Do đó, công nghệ in 3D FDM là công nghệ in 3D phổ biến nhất hiện nay.
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
Khi nhắc tới CNC, khả năng cắt chỉ là một phần, bởi máy CNC còn được tối ưu hóa theo mục đích sử dụng Dựa vào nhu cầu của khách hàng, máy CNC được phân loại thành các loại như máy khoan, máy phay, máy tiện và máy cắt Tùy theo mục đích sản xuất, bạn có thể chọn mua máy CNC phù hợp hoặc tìm đến cơ sở gia công CNC uy tín để đảm bảo hiệu quả và chất lượng gia công.
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 và đập là những thao tác thường được thực hiện trên máy CNC gia công theo điểm Hiểu đơn giản, chúng chỉ gia công tại các điểm nhất định trên chi tiết, những điểm này được định nghĩa như điểm trong toán học Vì vậy, các máy CNC theo điểm không thể gia công toàn phần hay gia công liên tục trên toàn bề mặt, mà chỉ thực hiện quá trình gia công tại những điểm đã được lập trình trước.
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
So với sản phẩm làm thủ công, máy gia công CNC cho thấy độ chính xác gần như tuyệt đối trên từng lần cắt Quá trình gia công CNC đòi hỏi người điều khiển máy nhập đúng file được lập trình, đảm bảo các tham số kích thước và độ chính xác được duy trì Nhờ vậy, CNC tối ưu hóa hiệu suất gia công và mang lại chất lượng đồng nhất cho mỗi sản phẩm, đặc biệt ở những chi tiết yêu cầu độ lặp lại cao.
Tiến bộ công nghệ ngày càng nhanh đang làm cho người quản lý máy móc trở nên hiệu quả hơn, giảm thiểu các thao tác thủ công và cho phép họ tập trung vào lập trình CNC, vận hành và giám sát các máy móc để nâng cao hiệu suất và chất lượng vận hành.
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 đã và đang tạo ra một cuộc cách mạng cho nền công nghiệp thế kỷ 21 của đất nước Hiện nay, công nghệ gia công điều khiển số CNC tiếp tục phát triển không ngừng về tốc độ cắt, độ chính xác và trí tuệ của bộ xử lý cùng dao cắt CNC, mang lại hiệu suất sản xuất cao và tối ưu hóa quy trình gia công.
Các máy CNC hiện nay được trang bị nhiều chức năng, phù hợp với nhu cầu của các doanh nghiệp có diện tích xưởng nhỏ Trước đây, máy CNC sử dụng màn hình đen trắng gây khó khăn cho người vận hành và theo dõi quá trình gia công Hiện nay đã có màn hình màu cùng giao diện trực quan dễ sử dụng, giúp thao tác thuận tiện hơn và mở rộng nhiều thao tác cũng như chức năng hỗ trợ cho quy trình gia công.
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 là một công cụ thiết kế thí nghiệm hiệu quả giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Nó cho kết quả tốt nhất khi số yếu tố khảo sát từ 3 đến 50, với số tương tác ít và chỉ có một số yếu tố có ý nghĩa tác động đến đáp ứng Việc hạn chế số yếu tố có ý nghĩa làm giảm độ phức tạp của mô hình và tăng độ tin cậy của kết quả Nhờ đó, thiết kế Taguchi cho phép phân tích nguồn biến động và tối ưu hóa quá trình một cách tiết kiệm tài nguyên.
Phương pháp Taguchi (tiếng Nhật: グ チ ソ) là một phương pháp thống kê hay còn gọi là phương pháp thiết kế mạnh mẽ do Genichi Taguchi (1924-2012) phát triển nhằm cải thiện chất lượng hàng hóa sản xuất, và gần đây được áp dụng rộng rãi trong kỹ thuật, công nghệ sinh học, tiếp thị và quảng cáo Các nhà thống kê chuyên nghiệp đánh giá cao mục tiêu cải tiến chất lượng và khả năng nghiên cứu biến thể nhờ các thiết kế Taguchi, đồng thời ghi nhận sự đóng góp của nó vào việc tối ưu hóa các quá trình và sản phẩm; tuy vậy, một số đề xuất của Taguchi cũng nhận được ý kiến chỉ trích về tính hiệu quả chưa đồng nhất trong mọi hoàn cảnh.
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 biết lý thuyết thống kê chủ yếu từ những người theo Ronald A Fisher Phản ứng với các phương pháp thiết kế thí nghiệm của Fisher, Taguchi giải thích các phương pháp của Fisher là những cách thích nghi nhằm cải thiện kết quả trung bình của một quy trình Thật vậy, công việc của Fisher chủ yếu được thúc đẩy bởi các chương trình nhằm so sánh năng suất nông nghiệp thông qua các phương pháp xử lý và thiết kế 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
Trong sản xuất công nghiệp, Taguchi nhận thấy một nhu cầu phải đạt được kết quả đúng mục tiêu và cho rằng kỹ thuật chất lượng nên bắt đầu bằng hiểu biết về chi phí chất lượng ở mọi tình huống Trong nhiều kỹ thuật công nghiệp, chi phí chất lượng thường được đo bằng số lượng vật phẩm ngoài đặc điểm kỹ thuật nhân với chi phí sửa chữa hoặc phế liệu; tuy nhiên, ông nhấn mạnh rằng cần mở rộng tầm nhìn để xem xét cả chi phí xã hội Dù chi phí ngắn hạn có thể chỉ là chi phí không phù hợp, mọi mặt hàng được sản xuất đều mang lại tổn thất cho khách hàng hoặc cộng đồng như hao mòn sớm, khó khăn giao tiếp giữa các bộ phận và sự cần thiết phải tích hợp yếu tố an toàn Những mất mát này là ngoại tác và thường bị bỏ qua vì tập trung vào chi phí tư nhân; nhưng phân tích ngoại tác cho thấy chúng làm giảm hiệu quả thị trường Taguchi cho rằng những tổn thất đó sẽ quay lại tập đoàn và khi các nhà sản xuất làm việc để giảm thiểu chúng, họ sẽ nâng cao uy tín thương hiệu, giành thị phần và tăng lợi nhuận.
Mục tiêu của phương pháp Taguchi:
Chất lượng nên được tạo nên ngay từ trong quá trình thiết kế và được thể hiện 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 nào ảnh hưởng nhiều nhất đến 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 nghĩa là sản phẩm được sản xuất ở mức chất lượng có thể kiểm soát, và những sai lệch quá xa so với giá trị trung bình sẽ bị loại bỏ.
Chất lượng tối ưu được đạt được bằng cách giảm thiểu độ sai lệch so với chỉ tiêu đặt ra Thiết kế sản phẩm nên đảm bảo khả năng chịu đựng và miễn nhiễm với các yếu tố môi trường không thể kiểm soát, từ nhiệt độ và độ ẩm đến rung động và nhiễu từ bên ngoài, nhằm duy trì hiệu suất ổn định và đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn chất lượng.
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 và nhược điểm của cách tiếp cận này phụ thuộc vào cách đo lường và triển khai, nhưng khi được thực hiện đồng bộ trên toàn hệ thống, nó giúp nhận diện những điểm yếu, tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu tác động tiêu cực đến khách hàng và xã hội.
Một lợi thế nổi bật của phương pháp Taguchi là nhấn mạnh hiệu suất ở mức trung bình thay vì tối ưu tại một giá trị giới hạn kỹ thuật, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm Thiết kế thí nghiệm của Taguchi rất đơn giản và dễ áp dụng cho nhiều trường hợp, giúp phương pháp này vừa mạnh mẽ vừa dễ triển khai Nó có thể nhanh chóng thu hẹp phạm vi của một dự án nghiên cứu dựa trên dữ liệu có sẵn và đồng thời cho phép phân tích nhiều tham số khác nhau mà không cần số lượng thí nghiệm lớn.
Nhược điểm nổi bật của phương pháp Taguchi là kết quả thu được mang tính tương đối và không xác định được tham số nào có ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất của đặc tính Do các mảng trực giao không kiểm tra toàn bộ các sự kết hợp biến nên phương pháp này gây khó khăn trong việc ước lượng và tính toán các tham số tối ưu Thêm vào đó, vì phương pháp Taguchi tập trung vào thiết kế chất lượng bên trong nên trọng tâm vấn đề chủ yếu đặt vào 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
Để thiết kế nghiên cứu hiệu quả, nhà nghiên cứu cần xác định trước các tương tác có ý nghĩa giữa các yếu tố Bảng hoạch định trực giao Taguchi được xây dựng trên cơ sở kết hợp một cách có hệ thống các hình vuông Latin, đảm bảo tính độc lập giữa các yếu tố và cho phép phân tích sâu các tác động, kể cả các tương tác, nhằm tối ưu hóa kết quả thí nghiệm.
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
Trong thiết kế thí nghiệm, các cột được giả định là trực giao, nên việc thay đổi giá trị của các mức độ ở mỗi cột sẽ ảnh hưởng lẫn nhau giữa các cột khác Chính tính chất trực giao này dẫn tới việc các bảng qui hoạch trực giao được xây dựng nhằm bảo đảm sự độc lập giữa các yếu tố, và chúng có thể được tìm thấy trong nhiều tài liệu tham khảo chuyên môn về thống kê và thiết kế thí nghiệm.
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 các yếu tố tương tác là yếu tố quan trọng nhất trong quá trình hoạch định Để xây dựng danh sách các yếu tố tương tác cần khảo sát một cách hiệu quả, người làm nghiên cứu cần có kiến thức sâu về vấn đề khảo sát và tham khảo ý kiến từ các nghiên cứu trước đây như nguồn tham chiếu tin cậy để đảm bảo tính khả thi và độ chính xác của kế hoạch.
Chọn mức độ khảo sát
Việc lựa chọn mức độ khảo sát cho các yếu tố chính phụ thuộc vào mức độ ảnh hưởng của chúng đến đáp ứng Nếu ảnh hưởng là tuyến tính, nên chọn 2 mức độ khảo sát Ngược lại, nếu ảnh hưởng là phi tuyến, số mức độ có thể là 3 hoặc 4, tùy thuộc vào mối quan hệ có bậc 2 hay bậc 3 giữa yếu tố và đáp ứng.
Khi chưa xác định chính xác mối quan hệ giữa các biến, nên chọn số mức độ là 2 Sau khi phân tích dữ liệu thí nghiệm, quyết định về số mức độ sẽ được căn cứ vào phần trăm đóng góp của các yếu tố và sai số đo được, từ đó tối ưu hóa mô hình và nâng cao độ chính xác của kết quả nghiên cứu.
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 phải lớn hơn hoặc bằng tổng số độ tự do để đảm bảo thiết kế thí nghiệm đầy đủ và cho phép ước lượng các tham số một cách chính xác Việc xác định số thí nghiệm tối thiểu giúp tối ưu hóa kế hoạch nghiên cứu và tăng độ tin cậy của kết quả Vì vậy, nguyên tắc căn bản là số thí nghiệm tối thiểu phải đáp ứng yêu cầu lớn hơn hoặc bằng tổng độ tự do khi lựa chọn bảng trực giao cho khảo sát.
- 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