thiết kế máy in 3d tạo hình các sản phẩm nhựa gỗ tre

Với những ưu điểm vượt trội, phương pháp FDM góp mặt trong nhiều lĩnh vực khác nhau như cơ khí chế tạo khuôn đúc, chi tiết máy…, y tế thiết bị trợ thính, răng giả, chi giả, mô hình sinh

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Chuyên nghành: Thiết Kế Máy

TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MÁY IN 3D TẠO HÌNH CÁC

MỤC LỤC

DANH SÁCH CÁC HÌNH 9

DANH SÁCH CÁC BẢNG 14

DANH MỤC CÁC TỰ VIẾT TẮT 15

TÓM TẮT 16

LỜI CẢM ƠN 17

MỞ ĐẦU 18

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D 19

1.1 Công nghệ bồi đắp vật liệu 19

Công nghệ in 3D là gì? 19

1.1.1 Phân loại các công nghệ bồi đắp vật liệu 22

1.1.2 Các phương pháp đặc trưng của công nghệ bồi đắp vật liệu 22

Phương pháp SLA (System’ stereo Lithography Apparatus) 22

Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering) 24

Phương pháp FDM (Fused Deposition Modeling) 25

Phương pháp LOM ( Laminated Object Manufacturing) 27

1.1.3 VẬT LIỆU TẠO MẪU 28

1.1.3.1 Nhựa ABS (acrylonitrile butadiene styrene ) 29

1.1.3.2 Nhựa PLA 29

1.1.3.3 Nhựa Resin 29

1.1.3.4 Nhựa gỗ 30

Lý do dùng nhựa gỗ tre 30

1.1.4 Ứng dụng của công nghệ bồi đắp vật liệu 31

Công nghiệp sản xuất chế tạo: 31

Hàng không, vũ trụ 33

Quốc phòng 34

Ngành thực phẩm 34

Y tế - Chăm sóc sức khỏe 35

Giáo dục 37

Kiến trúc và xây dựng 38

Trong gia đình 39

Thiết bị giá rẻ 41

b) Thiết bị mini 42

c) Thiết bị Reprap 42

Thiết bị công nghiệp 43

1.2.2 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu tại Việt Nam 44

Trong công nghiệp 44

Trong giáo dục 44

Trong y tế 45

1.2.3 Nhu cầu của công nghệ bồi đắp vật liệu 45

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 45

1.4 Phương pháp nghiên cứu 46

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY IN 3D TẠO HÌNH CÁC SẢN PHẨM NHỰA GỖ THEO MODUN 47

Khái quát chung về máy in 3D 47

2.1 Nguyên lý làm việc của máy in 3D công nghệ FDM 47

2.2 Các thành phần, kết cấu thiết bị 47

Cụm khung 47

Cụm truyền động 48

Bộ đùn nhựa 48

Bàn thiết bị 49

Bộ điều khiển 49

2.2 Phương pháp thiết kế theo mô đun 50

2.2.1 Phân tích sản phẩm 53

2.2.2 Phân tích sản phẩm theo cấu trúc 54

2.2.3 Phân tích sản phẩm theo chức năng 55

2.2.3.1 Xác định thông số kỹ thuật cấp hệ thống (System – Level Specification SLS) 57 2.2.3.2 Xác định tác động của các đặc tính kỹ thuật (SLS) đến yêu cầu thực hiện chức năng chung (GFR) 58

2.2.3.3 Chỉ số tương đồng 59

2.3.1 Nhóm các chi tiết thành cụm (mô đun) 60

2.3.2 Các thuật toán nhóm đối tượng thủ công 60

2.3.2.1 Thuật toán nhóm đối tượng thứ bậc (Rank Order Clustering (ROC) Algorithm)

[1] 60

2.3.2.2 Thuật toán “năng lượng liên kết” (Bond Energy Algorithm – BEA) 62

2.3.2.3 Thuật toán nhận dạng cụm (Cluster Indentification Algorithm – CIA) 64

2.3.3.4 Thuật toán phân cụm dựa trên hệ số tương đồng 66

2.4.1 Một số giải thuật nhóm đối tượng dựa trên lập trình toán 68

2.4.1.1 Mô hình P – Median 68

2.4.2 Kết luận 70

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHO MÁY IN 3D NHỰA GỖ TRE 72

3.1 Phân tích, lựa chọn kết cấu chuyển động cơ học 72

3.1.1 Kết cấu truyền động Catersian 72

3.1.2 Kết cấu truyền động Delta 75

3.1.3 Kết cấu truyền động Scara 76

3.1.4 Kết cấu truyền động Polar 76

3.1.5 Phân tích lựa chọn phương án kết cấu truyền động 77

3.1.6 Phương án thiết kế truyền động Cartesian 79

Phương án 1: Truyền động Cartesian - XY 79

Phương án 2: Truyền động Cartesian - XZ 79

3.2 Phân modun cho máy in 3D nhựa gỗ tre 80

3.2.1 Phân tích yêu cầu sản phẩm 80

3.2.2 Phân tích sản phẩm 81

Xác định mức độ ảnh hưởng của SLS đến GFR (Bảng 3.12): 86

3.3 Tổng hợp sản phẩm 88

Kết luận 91

3.4 Phân tích, lựa chọn các cụm thiết bị 91

3.4.1 Lựa chọn cụm truyền động 91

3.4.2 Lựa chọn cụm dẫn động 93

3.4.3 Lựa chọn cụm khung thiết bị 94

3.4.4 Lựa chọn cụm XY 96

3.4.5 Lựa chọn cụm trục Z 101

3.5.3 Động cơ bước 106

3.5.4 A4988 Step Driver 107

3.5.5 Đầu phun 109

3.5.6 Endstop 110

3.5.7 Quạt tản nhiệt 110

3.5.8 Linh kiện cơ khí 111

- Rây trượt và con trượt trên rây: 111

- Góc ke 30x30mm: 111

- Tấm đỡ rây trượt gia công cnc: 111

- Gối đỡ có bạc trượt KP08 và KFL08: 112

- Puli 20 răng: 112

- Dây curoa 6mm: 112

- Puli Gt2 20 răng có bạc trượt bên trong: 113

- Mica, kiếng: 113

- Chi tiết nhựa máy in 3D: 114

- Nhựa in: 114

Tổng kết chương 3 115

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC CỤM THIẾT BỊ 116

4.1.2 Tính toán lựa chọn động cơ trục Z 118

4.1.3 Lựa chọn visme đai ốc 119

4.1.4 Lựa chọn nối trục cho trục Z 120

4.1.5Tính toán, lựa chọn trục dẫn hướng cho trục Z 121

4.2 Tính toán và thiết kế cụm XY 123

4.2.1 Lựa chọn ray dẫn hướng cho trục XY 123

4.2.2 Tính toán chọn động cơ 124

4.2.3 Tính toán chọn đai 126

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ 129

5.1 Sơ đồ khối hệ thống 129

5.1.1 Yêu cầu của hệ thống 129

5.1.2 Sơ đồ và chức năng mỗi khối 129

a Máy in 3D 129

5.2 Hoạt động của hệ thống 130

5.2.1 Hoạt động của máy in 3D 130

5.3 Thiết kế, tính toán hệ thống 130

5.3.1 Máy in 3D 130

a Khối xử lý trung tâm 130

b Khối chấp hành 132

c Khối nguồn 132

5.4 Kết nối hệ thống 133

5.4.1 Máy in 3D 133

5.5 Lưu đồ giải thuật 134

5.5.1 Máy in 3D 134

5.6 Thiết lập Firmware Marlin 136

5.6.1 Tốc độ truyền dữ liệu 137

5.6.2 Board điều khiển 137

5.6.3 Số đầu đùn 138

5.6.4 Cảm biến nhiệt độ 138

5.6.5 Nhiệt độ 138

5.6.6 Kiểm tra ổn định nhiệt độ đầu đùn 138

5.6.7 Thiết lập PID cho đầu nung 139

5.6.8 Nhiệt độ tối thiểu trước khi di chuyển đầu đùn 139

5.6.9 Kiểm tra sự cố cảm biến nhiệt độ 140

5.6.10 Tín hiệu kích hoạt Endstop 140

5.6.11 Kích thước in (mm) 140

5.6.12 Đảo hướng các trục tọa độ 140

5.6.13 Vị trí Home 141

5.6.14 Số trục máy in 141

5.6.15 Số bước động cơ trên mỗi trục 141

a Trục X và Y 142

b Trục Z 142

c Đùn nhựa 142

5.7 Thiết lập Repetier Host 142

b Infill 146

c Skirt and brim 150

d Support material 151

e Speed 153

f Multiple Extruders 155

g Advanced 155

h Output option 156

i.Notes 157

5.7.2 Filament Settings 157

a Filament 157

b Cooling 158

5.7.3 Printer Settings 159

a General 159

b Custom G-code 160

c Extruder 1 161

Tổng kết chương 5 162

CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO, LẮP RÁP 163

6.1 Chế tạo 163

6.2 Lắp ráp 164

Một số hình ảnh trong quá trình lắp ráp: 166

6.3 Thiết lập ban đầu cho thiết bị 168

Nạp firmware cho thiết bị 168

Thiết lập vùng làm việc cho thiết bị 169

Cân chỉnh bàn, đầu đùn của thiết bị 169

Lắp vật liệu nhựa cho thiết bị 169

CHƯƠNG 7: VẬN HÀNH, THỬ NGHIỆM 170

7.1 Quy trình in sản phẩm 3D 170

Thiết kế mô hình hình 3D cho sản phẩm: 170

Thiết lập thông số gia công sản phẩm: 171

Gia công trên thiết bị FDM: 171

Hậu xử lý: 171

CHƯƠNG 8: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ ĐỀ XUẤT 173

8.1 Kết quả đạt được 173

8.2 Đề xuất 173

TÀI LIỆU THAM KHẢO 174

PHỤ LỤC 176

1 Chuyển động của đầu phun 176

2 Quá trình chuyển G-code sang lệnh điều khiển động cơ 176

Hình 1.1 Công nghệ in 3D với kích thước nano 20

Hình 1.2 Charles Hull với máy in 3D 21

Hình 1.3 Nguyên lý phương pháp SLA 23

Hình 1.4 Máy in 3D SLA 23

Hình 1.5 Nguyên lý phương pháp SLS 24

Hình 1.6 Máy in 3D SLS 25

Hình 1.7 Nguyên lý phương pháp FDM 26

Hình 1.8 Máy in 3D FDM 26

Hình 1.9 Nguyên lý phương pháp LOM 27

Hình 1.10 So sánh các đặc điểm tre với gỗ 31

Hình 1.11 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu sản xuất giày của công ty Adidas 32

Hình 1.12 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu trong công nghiệp - Wohlers Associates, tháng 5/2014 33

Hình 1.13 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu trong động cơ máy bay 33

Hình 1.14 Một số bộ phận súng được sản xuất từ công nghệ bồi đắp vật liệu 34

Hình 1.15 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu sử dụng vật liệu chocolate 35

Hình 1.16 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu chế tạo chân giả 36

Hình 1.17 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu chế tạo xương nhân tạo 37

Hình 1.18 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu vào giáo dục 38

Hình 1.19 Mô hình công trình xây dựng 39

Hình 1.20 Căn nhà tại Sơn Đông, Trung Quốc được làm từ công nghệ bồi đắp vật liệu 39 Hình 1.21 Bàn ghế được chế tạo từ công nghê bồi đắp vật liệu 40

Hình 1.22 Sản phẩm đồ chơi từ công nghệ bồi đắp vật liệu 40

Hình 1.23 Thiết bị FDM giá rẻ 41

Hình 1.24 Thiết bị FDM mini 42

Hình 1.25 Thiết bị FDM RepRap 43

Hình 1.26 Thiết bị FDM công nghiệp 43

Hình 1.27 Mẫu sáp từ công công nghệ bồi đắp vật liệu 44

Hình 1.28 Ứng dụng thiết bị FDM trong giáo dục 45

Hình 2.1 Nguyên lý máy in 3D công nghệ FDM 47

Hình 2.1 Các giai đoạn của quá trình phát triển sản phẩm theo mô đun 51

Hình 2.2 Thiết kế theo mô đun 52

Hình 2.3 Sơ đồ quá trình thiết kế theo mô đun 53

Hình 2.4 Sơ đồ chức năng – cấu trúc 54

Hình 2.5 Phân tích máy vi tính theo cấu trúc 55

Hình 2.6 Sơ đồ dòng chảy chức năng chung 55

Hình 2.7 Sơ đồ phân tích chức năng 56

Hình 2 8 Sơ đồ dòng chảy chức năng cơ bản 56

Hình 2.9 Cấu trúc thứ bậc của mô hình khai triển đặc tính hệ kỹ thuật 58

Hình 2.10 Ma trân tương đồng 59

Hình 2.11 Gán trọng số nhị phân cho cột 61

Hình 2.12 Tính đẳng trị thập phân cho hàng 61

Hình 2.13 Sắp xếp đẳng trị thập phân giảm dần 61

Hình 2.14 Trong số nhị phân cho hàng 62

Hình 2.15 Đẳng trị thập phân cho cột và sắp xếp giảm dần 62

Hình 2.16 Hình thành 2 nhóm chi tiết riêng biệt 62

Hình 2.17 Ma trận cho ví dụ 2 63

Hình 2.18 Bước 1, 2 – VD2 63

Hình 2.19 Kết quả của thuật toán “năng lượng liên kết” 64

Hình 2.20 Ma trận sử dụng cho ví dụ 3 64

Hình 2.21 Bước 1, 2 – VD3 65

Hình 2.22 Bước 3 – VD3 65

Hình 2.23 Bước 4 – VD3 65

Hình 2.24 Lặp lại bước 1 – 4 với các chi tiết còn lại 66

Hình 2.25 Ma trận chéo khối với các cụm riêng biệt 66

Hình 2.26 Phương pháp nhóm đối tượng dựa trên hệ số tương đồng 67

Hình 2.27 Bước 1 – VD4 67

Hình 2.28 Bước 3 – VD4 68

Hình 2.29 Bước 4 – VD4 68

Hình 2.30 Ma trận sử dụng cho ví dụ 5 69

Hình 2.31 Chỉ số tương đồng tính theo công thức 2.46 69

Hình 2.32 (hình 2.2) Thiết kế theo mô đun 71

Hình 2.33 Quá trình thiết kế theo mô đun 71

Hình 3.1 Các loại kết cấu thiết bị FDM 72

Hình 3.2 Máy in 3D Cartesian 72

Hình 3.3 Một thiết bị có kết cấu bàn di chuyển trục Z, đầu đùn di chuyển trục XY 73

Hình 3.4 Một thiết bị có kết cấu bàn di chuyển trục Y, đầu đùn di chuyển trục XZ 74

Hình 3.5 Máy in 3D Delta 75

Hình 3.6 Máy in 3D Scara 76

Hình 3.7 Máy in 3D Polar 77

Hình 3.10 Sơ đồ thứ bậc đặc tính hệ thống 83

Hình 3.11 Thuật toán CIA cho ma trận tương đồng về chức năng 90

Hình 3.12 Ma trận mô đun về chức năng 90

Hình 3.13 Ma trận mô đun về cấu trúc vật lý 90

Hình 3.14 Ma trận mô đun tổng thể 91

Hình 3.15 Cơ cấu XY độc lập 96

Hình 3.16 Sơ đồ, kết cấu cơ cấu Core XY 97

Hình 3.17 Sơ đồ, kết cấu cơ cấu H-Bot 98

Hình 3.18 Cơ cấu D-Bot 99

Hình 3.19 Máy in 3D dạng Cartesian 102

Hình 3.20 Board Arduino Mega 2560 R3 104

Hình 3.21 GSM/GPRS/GPS Shield 105

Hình 3.22 L293DMotor Shield 105

Hình 3.23 RAMPS 1.4 105

Hình 3.24 Động cơ bước KH42JM2B194A 106

Hình 3.25 A4988 Step Driver 107

Hình 3.26 Sơ đồ nguyên lý A4988 Step Driver 108

Hình 3.27 Đầu phun 109

Hình 3.28 Endstop 110

Hình 3.29 Quạt tản nhiệt 110

Hình 3.30 Rây trượt và con trượt trên rây 111

Hình 3.31 Góc ke 30x30mm 111

Hình 3.32 Tấm đỡ rây trượt gia công cnc 111

Hình 3.33 Gối đỡ có bạc trượt Kp08 và KFL08 112

Hình 3.34 Bánh răng motor 112

Hình 3.35 Dây curoa 6mm 112

Hình 3.36 Puli Gt2 20 răng có bạc trượt bên trong 113

Hình 3.37 Mica, kiếng cho máy in 3D 113

Hình 3.38 Chi tiết nhựa máy in 3D 114

Hình 3.39 Nhựa máy in 3D 114

Hình 4.1 Sơ đồ cụm trục Z 117

Hình 4.2 Sơ đồ chịu tải bàn thiết bị 117

Hình 4.3 Thông số nối trục lựa chọn 120

Hình 4.4 Sơ đồ trục Z 121

Hình 4.5 Thông số con trượt dẫn hướng LMK12LUU 122

Hình 4.6 Thông số kỹ thuật ray và con trượt 1 123

Hình 4.7 Thông số kỹ thuật ray và con trượt 2 124

Hình 4.8 Cấu tạo và thông số mặt cắt của đai răng được dùng 127

Hình 5.1 Sơ đồ khối máy in 3D 129

Hình 5.2 MKS Base V1.2 (ATmega 2560) 130

Hình 5.3 SainSmart Melzi (ATmega 1284p) 131

Hình 5.4 Shanhai® Gt2560 (ATmega 2560) 131

Hình 5.5 BAM shield 131

Hình 5.6 Bộ nguồn 12V 5A 132

Hình 5.7 Sơ đồ kết nối các thiết bị máy in 3D 133

Hình 5.8 Lưu đồ giải thuật máy in 3D 134

Hình 5.9 Lưu đồ giải thuật máy in 3D (tt) 135

Hình 5.10 Sơ đồ nối dây thiết bị điện 136

Hình 5.11 Thiết lập firmware Marlin 137

Hình 5.12 Giao diện phần mềm Repetier Host 143

Hinh 5.13 Thiết lập cho Repetier Host 144

Hình 5.14 Thiết lập Layers, perimeters 145

Hình 5.14 Spiral vase 145

Hình 5.16 Sản phẩm thiếu Solid layers ở đỉnh 145

Hình 5.17 Overhang 146

Hình 5.18 Thiết lập Infill 146

Hình 5.19 Ví dụ về thông số Fill density 147

Hình 5.20 Line Infill 147

Hình 5.21 Rectilinear Infill 147

Hình 5.22 Concentric Infill 148

Hình 5.23 Honeycomb Infill 148

Hình 5.24 Hilbert Curve Infill 148

Hình 5.25 Archimedean Chords Infill 148

Hình 5.26 Octagram Spiral Infill 149

Hình 5.27 Honeycomb Infill và Line Infill với cùng một chi tiết 149

Hình 5.28 Thiết lập Skirt, brim 150

Hình 5.29 Skirt 150

Hình 5.30 Brim 151

Hình 5.31 Sản phẩm in với Support material 151

Hình 5.32 Thiết lập Support 152

Hình 5.35 Thiết lập Speed 153

Hình 5.36 Thiết lập Speed (tt) 154

Hình 5.37 Thiết lập Multiple Extruders 155

Hình 5.38 Thiết lập nâng cao 155

Hình 5.39 Thiết lập Output 156

Hình 5.40 Thiết lập Extruder clearance 156

Hình 5.41 Notes 157

Hình 5.42 Thiết lập nhựa in 157

Hình 5.43 Thiết lập quạt tản nhiệt 158

Hình 5.44 Bridges 159

Hình 5.45 Thiết lập chung cho máy in 159

Hình 5.46 Thiết lập hình dạng, kích cỡ bàn in 159

Hình 5.47 Thiết lập G-code 160

Hình 5.48 Thiết lập đầu phun 161

Hình 6.1 Chế tạo giá gắn đầu đùn 163

Hình 6.2 Chế tạo pas kẹt chặt khung thiết bị 164

Hình 6.3 Lắp 4 thanh nhôm và bàn thiết bị 166

Hình 6.4 Lắp cụm XY 167

Hình 6.5 Hoàn thành lắp cụm XY, bàn thiết bị và động cơ 167

Hình 6.4 Kiểm tra lỗi firmware 168

Hình 6.5 Nạp firmware 169

Hình 7.1 Quy trình in sản phẩm trên thiết bị FDM 170

Hình 7.2 Sản phẩm sau khi gia công 1 172

Hình 7.3 Sản phẩm sau khi gia công 2 172

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2 1 Ví dụ về tác động của SLS lên GFR 59

Bảng 3.1 Điểm đánh giá các phương án kết cấu thiết bị FDM 78

Bảng 3.2 Các thành phần trong máy 3D FDM 82

Bảng 3.3 Mối quan hệ giữa Động cơ Z (DCZ ) và các thành phần 83

Bảng 3.4 Mối quan hệ giữa khớp nối (KN) và các thành phần 84

Bảng 3.5 Mối quan hệ giữa Vít me (VM) và các thành phần 84

Bảng 3.6 Mối quan hệ giữa Dẫn hướng (DH) và các thành phần 85

Bảng 3.7 Mối quan hệ giữa Bi (BI) và các thành phần 85

Bảng 3.8 Mối quan hệ giữa Động cơ X (DCX) và các thành phần 85

Bảng 3.9 Mối quan hệ giữa Dẫn hướng X (DHX) và các thành phần 86

Bảng 3.10 Mối quan hệ giữa Động cơ Y (DCY) và các thành phần 86

Bảng 3.11 Mối quan hệ giữa Động cơ đầu đùn (DCDD) và các thành phần 86

Bảng 3.12 Tác động của SLS đến GFR 87

Bảng 3.13 Ma trận tương đồng về chức năng 88

Bảng 3.14 Ma trận tương đồng về cấu trúc vật lý 89

Bảng 3.15 Ma trận tương đồng tổng thể 89

Bảng 3.16 Bảng đánh giá các phương án truyền động 91

Bảng 3.17 Bảng đánh giá các phương án dẫn động 93

Bảng 3.18 Bảng đánh giá khung thiết bị 94

Bảng 3.19 Điểm đánh giá các phương án thiết kế cụm XY của thiết bị FDM 100

Bảng 3.20 So sánh các phương án thiết kế cụm trục z 101

Bảng 3.21 Các chi tiết lựa chọn 102

Bảng 3.22 Các chi tiết chế tạo 103

Bảng 3.23 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 104

Bảng 3.24 Thông số kỹ thuật động cơ bước KH42JM2B194A 106

Bảng 3.25 Lựa chọn chế độ điều khiển cho driver A4988 109

Bảng 4.1 Bộ thông số thiết kế 116

Bảng 4.2 Thông số đầu vào thiết bị 116

Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật động cơ bước KH42JM2B194A 119

Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật của động cơ trục X, Y trên cataloge 125

Bảng 5.1 Jumper trên RAMPS 1.4 133

Bảng PL1 Chi phí chế tạo 178

FDM : Fused Deposition Modeling

AM : Additive Manufacturing

SLA :System’ stereo Lithography Apparatus

DLP :Digital Light Processing

J-P :Jetted Photopolymer

SLS :Selective Laser Sintering

B-J :Binder Jetting

CAD :Computer Adided Design

CAM :Computerized Adided Manufacturing

3DP :Three Dimensional Printing

LOM :Laminated Object Manufacturing

PJ :PolyJ

TÓM TẮT

Được nghiên cứu từ những năm 80 của thế kỷ XX và chính thức có bản thương mại 10 năm sau đó, công nghệ Additive Manufacturing (AM) hay còn gọi là công nghệ bồi đắp vật liệu với hơn 30 năm hình thành và phát triển đang thực sự mở ra một lối đi mới đầy tiềm năng cho các nhà thiết kế trong việc hiện thực hóa ý tưởng của mình Trong số các phương pháp của công nghệ bồi đắp vật liệu, thì phương pháp FDM (Fused Deposition Modeling) được biết đến như là một trong những phương pháp ra đời sớm nhất và phát triển nhất Nguyên lý đơn giản, chất lượng sản phẩm tạo ra ngày càng nâng cao giúp cho phương pháp FDM đang thực sự phổ biến Với những ưu điểm vượt trội, phương pháp FDM góp mặt trong nhiều lĩnh vực khác nhau như cơ khí chế tạo (khuôn đúc, chi tiết

máy…), y tế (thiết bị trợ thính, răng giả, chi giả, mô hình sinh học…), giáo dục (dụng cụ học tập, sách nổi cho người mù, mô hình giảng dạy…), kiến trúc và xây dựng, công nghệ thực phẩm và thậm chí cả ngành hàng không vũ trụ…

Tại Việt Nam, mặc dù phương pháp FDM được biết đến khá sớm và hiện nay là rất phổ biến, tuy nhiên trong số đó chiếm hơn 90% thiết bị chỉ có một đầu đùn, tức là tại một sản phẩm nó chỉ có thể sử dụng được duy nhất một loại vật liệu Điều này gây khó khăn đối với những chi tiết phức tạp cần vật liệu đỡ Đối với thiết bị chỉ có một đầu đùn thì vật

liệu đỡ được tạo ra cùng với vật liệu tạo sản phẩm, vì thế sau khi chế tạo hoàn tất rất khó làm sạch vật liệu đỡ và để lại những vết sần trên bề mặt sản phẩm Vì vậy ý tưởng thiết

kế một thiết bị FDM có thể sử dụng hai vật liệu cùng một lúc, để vật liệu phần đỡ và vật liệu chế tạo sản phẩm khác nhau Vật liệu đỡ là vật kém bền và có thể gỡ bỏ dễ dàng sau khi chế tạo hoàn tất Do đó việc nghiên cứu về vấn đề này là rất cần thiết

Nội dung chính của luận văn là nghiên cứu các thiết bị FDM đã được thương mại hóa, đồng thời kết hợp phân tích các ảnh hưởng của các yêu tố đến sai số của chi tiết tạo sản phẩm, từ đó đưa ra các phương án và lựa chọn phương án phù hợp cho việc thiết kế thiết

bị máy in 3D tạo hình các sản phẩm nhựa gỗ theo modun (FDM)

Để có được thành quả như ngày hôm nay, đó là một quá trình phấn đấu học hỏi

và trau dồi kiến thức không ngừng của bản thân em Bên cạnh sự thành công đó, em

không bao giờ quên được công lao to lớn của các thầy cô đã dậy dỗ Em xin gửi đến các thầy cô trong bộ môn Thiết Kế Máy nói riêng và các thầy cô trong trường đại học Bách Khoa nói chung một lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất

Tiếp theo em xin cám ơn thầy Nguyễn Thanh Nam đã tận tình hướng dẫn em

trong suốt quá trình để em có thể hoàn thành luận văn này

Lời tiếp theo em xin cám ơn gia đình, bạn bè, đã giúp đỡ tạo mọi điều kiện và cho em những lời động viên, góp ý chân thành Mặc dù luận văn đã hoàn thành với tất cả sự cố gắng, nổ lực của bản thân, nhưng với thời gian hạn chế và phần kiến thức còn nhiều hạn hẹp nên nội dung luận văn chắc chắn khó tránh khỏi những thiếu sót

Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của Quý thầy cô để em được củng cố

lại kiến thức và rút ra được những kinh nghiệm thiết thực và hoàn thiện hơn

Một lần nữa em xin chân thành cám ơn!

MỞ ĐẦU

Trong nước ta hiện hay có rất nhiều nơi có máy tạo mẫu nhanh nhưng phục vụ trong đào tạo như trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên, Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa TP.HCM… hoặc trong sản xuất như công ty VietCAD, công ty giày

Adidas… Tuy nhiên những nơi này chủ yếu là khai thác thiết bị phục vụ cho sản xuất và nghiên cứu ứng dụng là chính

Ở Việt Nam, máy in 3D và sản phẩm in 3D đang được nghiên cứu và từng bước áp dựng trong nhiều lĩnh vực Trong các trường đại học, việc sử dụng máy in 3D để chế tạo các mô hình học tập, chế tạo nhanh các mẫu từ các thiết kế để kiểm tra kích thước, hình dáng, sản xuất nhanh một số sản phẩm, … đang là nhu cầu cấp bách Do đó, việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo máy in 3D ở Việt Nam là một vấn đề cấp thiết

Từ thực tế trên, chúng em lựa chọn đề xuất đề tài: “Thiết kế máy in 3D tạo hình các

sản phẩm nhựa gỗ tre” làm luận văn tốt nghiệp

Luận văn này sẽ đề cập về công nghệ in 3D hiện nay và chủ yếu là dựa theo công

nghệ in FDM (Fused Deposition Modeling) Mục đích của đề tài là nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo 01 thiết bị tạo mẫu nhanh ứng dụng trong đào tạo về công nghệ RE/RP, chế tạo nhanh các sản phẩm mẫu hoặc sản xuất nhanh ra các sản phẩm từ các thiết kế 3D trên máy tính Nhiệm vụ cụ thể của luận văn như sau:

Nghiên cứu tổng quan (thiết kế máy in 3D tạo hình các sản phẩm nhựa gỗ, thiết kế theo mô đun, nghiên cứu trong & ngoài nước, sự cần thiết, nhiệm vụ thiết kế)

- Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế máy in 3D tạo hình các sản phẩm nhựa gỗ

- Phân tích chức năng, đưa ra, lựa chọn phương án thiết kế máy in 3D tạo hình các sản phẩm nhựa gỗ

- Thiết kế hệ thống & thiết kế các mô đun cho máy in 3D tạo hình các sản phẩm nhựa gỗ

- Tính toán động học & động lực học cho máy in 3D tạo hình các sản phẩm nhựa

gỗ

- Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí và điều khiển

- Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm và hiệu chỉnh

Chương này giới thiệu về công nghệ bồi đắp vật liệu (Additive Manufacturing-AM) với một cái nhìn tổng quan, nắm được nguyên lý tạo sản phẩm, các đặc điểm, khả năng ứng dụng của các công nghệ đặc trưng trên thế giới Cùng với đó là tình hình nghiên cứu và phát triển công nghệ bồi đắp vật liệu tại Việt Nam, cụ thể là phương pháp FDM.Từ đó, đưa ra tính cấp thiết của đề tài, đề ra các yêu cầu thiết kế và chế tạo thiết bị theo phương pháp này

1.1 Công nghệ bồi đắp vật liệu

Công nghệ bồi đắp vật liệu (Additive Manufacturing-AM) là một thuật ngữ chính thức để gọi cho các tên gọi khác như công nghệ tạo mẫu nhanh, công nghệ đắp dần, công nghệ chế tạo trực tiếp hay tên gọi được sử dụng rộng rãi là công nghệ in 3D

Công nghệ bồi đắp vật liệu là một công nghệ sản xuất tiên tiến được sử dụng để chế tạo sản phẩm trực tiếp từ dữ liệu thiết kế 3D (CAD) Với nguyên lý chế tạo bằng cách đắp dần vật liệu theo từng lớp để tạo thành một sản phẩm vật lý ba chiều (3D), công nghệ này cho phép tạo ra các sản phẩm có độ phức tạp cao, giá thành thấp so với các phương pháp gia công truyền thống Công nghệ bồi đắp vật liệu được sử dụng rộng rãi theo yêu cầu của khách hàng, các mô hình chức năng, các mô hình trước khi mổ…

Công nghệ in 3D là gì?

In 3D là in ấn ra một vật thể 3D mà ta có thể cầm nắm, quan sát hay sử dụng nó như: mô hình xe hơi, ốc vít, mẫu chai nước ngọt, lọ hoa, giày, quần áo,…thậm chí là một ngôi nhà, đôi giày, cái chụp đèn ngủ… Đối với in 3D, cảm hứng sáng tạo là vô tận, tất cả

những gì bạn cần là một ý tưởng tuyệt vời

Ngày nay công nghệ in 3D phát triển rất đa dạng, với mỗi sản phẩm 3D có thể được in ra với nhiều loại vật liệu khác nhau, vật liệu dạng khối, dạng lỏng, dạng bột bụi Với mỗi loại vật liệu cũng có nhiều phương thức để in như sử dụng tia laser, dụng cụ cắt, đùn ép nhựa,… Cách thức in thì có in từ dưới lên, in từ đỉnh xuống

Hình 1.1 Công nghệ in 3D với kích thước nano

Quá trình này trái ngược với quá trình cắt gọt hay còn gọi là phương pháp gia công mài giũa vật liệu nguyên khối-bằng cách loại bỏ hoặc cắt gọt đi một phần vật liệu, nhằm có được sản phẩm cuối cùng Trong nhiều ứng dụng, quá trình thiết kế và sản xuất truyền thống mang rất nhiều những hạn chế khó chấp nhận, bao gồm việc cần các dụng cụ đắt tiền, các đồ gá, và đôi khi cả việc lắp ghép (đối với các chi tiết phức tạp) Thêm vào đó, quá trình gia công cắt gọt như tiện, phay, bào… có thể gây ra hao phí lên đến hơn 90% khối vật liệu gốc

Còn với sản xuất bồi đắp vật liệu, ta có thể coi nó là công nghệ tạo hình như đúc hay ép khuôn, từ những nguyên liệu riêng lẻ để bồi đắp vật liệu thành sản phẩm cuối cùng Công nghệ khá “linh hoạt”, khuyến khích và thúc đẩy sáng tạo với một sự tự do chưa từng có trong thiết kế Các thành phần có thể được thiết kế đặc biệt để tránh việc phải lắp ghép sau khi hoàn thiện, các biên dạng phức tạp và có thể được tạo ra mà không cần thêm chi phí nào Ngoài ra công nghệ bồi đắp vật liệu cũng nổi lên là một công nghệ tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường trong cả quá trình gia công

 Lịch sử máy in 3D

Công nghệ in 3D được biết đến vào cuối những năm 1980 với tên gọi là Rapid Prototyping (RP) Vì các quy trình ban đầu hình thành như một phương pháp nhanh chóng và hiệu quả về chi phí tạo nguyên mẫu để phát triển các sản phẩm

Năm 1986, Charles Hull sáng tạo ra môt quá trình gọi là Stereolihography - sản xuất vật

Hình 1.2 Charles Hull với máy in 3D

Vào năm 1989 , Carl Deckard, làm việc tại đại học Texas, đã được cấp bằng sáng chế cho quá trình gia công bằng laser thêu kết(Selective Laser Sintering (SLS)) sau đó được mua lại bởi 3 systems, đây cũng là năm Scott Crump đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho Fused Deposition Modeling (FDM)

Các công nghệ và quy trình in 3D khác cũng nổi lên trong những năm này, một trong số

đó là quy trình sản xuất bằng hạt Ballistic (BPM) đã được cấp bằng sáng chế bởi William Masters vì thế đầu những năm chín mươi chứng kiến sự gia tăng vượt bậc của những công ty trong lĩnh vực in 3D

Từ những năm 1990 đến 2000 nhiều công nghệ in 3D đã được liên tiếp giới thiệu và tập trung chủ yếu vào các ứng dụng công nghiệp nên dần dần xuất hiện những thuật ngữ mới như chạy dao nhanh (RT), là khuôn nhanh và sản suất nhanh (RM) Tuy vậy những máy

in 3D được tạo ra hoặc những sản phẩm của chúng nhìn chung có chi phí rất cao

Nhìn chung từ năm 1986 đến 2007 công nghệ này chỉ có những bước đi nhỏ và chậm, đây gọi là giai đoạn xâm nhập, bước nền cho công nghệ tạo mẫu nhanh.Tuy nhiên đến năm 2009 , đã có một biến động lớn trên thị trường, nhiều bằng sáng chế và công nghệ

đã hết hạn bảo vệ bản quyền, trong đó có bằng sở hữu FDM Qúa trình Fuse Deposition Modelling (FDM) tạo hình sản phẩm nhờ nấu chảy vật liệu rồi xếp đặt chồng lớp, vốn được sở hữu bởi hãng Stratasys.Khi bằng sáng chế về FDM hết giá trị, công nghệ này đã thu hút nhiều nhà sản xuất tham gia làm cho giá thành sản xuất giảm và FDM trở thành nền tảng công nghệ cho các máy in 3Dđược tiêu thụ trên thị trường hiện nay mở ra một thời kỳ phát triển mạnh mẽ cho công nghiệp in 3D trong tương lai

Năm 2013, ngành công nghiệp in 3D đạt giá trị khoảng 3.1 tỷ USD/năm, tăng 35 % so với năm 2012 Dự đoán trong vòng 6 năm tới tốc độ tăng trưởng trung bình khá cao khoảng 32 %/Năm và đạt mức 21 tỷ USD vào năm 2020

1.1.1 Phân loại các công nghệ bồi đắp vật liệu

Hiện nay, trên thế giới có nhiều phương pháp ra đời dựa trên nguyên lý chung của công nghệ bồi đắp vật liệu, một cách tổng quát ta có thể phân loại các phương pháp này theo dạng vật liệu sử dụng:

Các phương pháp sử dụng vật liệu lỏng: Quá trình tạo sản phẩm là một quá trình lưu hóa, vật liệu chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn Sau đây là một số phương pháp bồi đắp vật liệu dựa trên cơ sở vật liệu dạng lỏng:

Phương pháp SLA (System’ stereo Lithography Apparatus)

Phương pháp DLP (Digital Light Processing)

Phương pháp J-P (Jetted Photopolymer)

Các phương pháp sử dụng vật liệu bột: Quá trình tạo sản phẩm là quá trình kết dính vật liệu bột thành khối Các phương pháp bồi đắp vật liệu từ vật liệu dạng bột:

Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering)

Phương pháp B-J (Binder Jetting)

Các phương pháp sử dụng vật liệu khối: Ngoại trừ các vật liệu dạng bột, các phương pháp với vật liệu cơ bản dạng khối có liên quan đến tất cả các hình thức vật liệu dạng khối bao gồm các dạng: dây, cuộn, dát mỏng và dạng viên Từ các khối vật liệu sử dụng các phương pháp thay đổi trạng thái hoặc sử dụng chất phụ trợ để thêu kết vật liệu thành sản phẩm Một số phương pháp bồi đắp vật liệu dựa trên vật liệu dạng khối:

Phương pháp LOM (Laminated Object Manufacturing)

Phương pháp FDM (Fused Deposition Modeling)

Phương P-J(PolyJet)

1.1.2 Các phương pháp đặc trưng của công nghệ bồi đắp vật liệu

Phương pháp SLA (System’ stereo Lithography Apparatus)

Nguyên lý:

Phương pháp SLA dùng tia Lazer để đông cứng vật liệu lỏng Hệ thống bao gồm nguồn

chứa vật liệu lỏng Hệ thống tiếp tục điều khiển tia Lazer và quy trình cứ lặp lại cho đến khi hoàn thành sản phẩm

Hình 1.3 Nguyên lý phương pháp SLA

Hình 1.4 Máy in 3D SLA

Ưu điểm:

Có thể tạo được hình dáng phức tạp và các lỗ có kích thước nhỏ

Quá trình được tự động hóa hoàn toàn

Độ chính xác cao

Sản phẩm có chất lượng bề mặt tốt

Nhược điểm:

Vật liệu sử dụng không đa dạng

Cần quá trình hậu xử lý

Có thể xảy ra cong vênh, co rút ở một số loại nhựa

Vật liệu và nguồn Lazer khá đắt

Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering)

Nguyên lý:

Phương pháp SLS tương tự như phương pháp SLA khi cũng sử dụng tia Lazer để thiêu kết vật liệu Trong phương pháp SLS, vật liệu được sử dụng ở dạng bột, bộ phận cấp vật liệu là các bánh lăn có nhiệm vụ rải đều từng lớp bột lên bàn thiết bị độ dày được điều chỉnh Tia lazer được điều khiển di chuyển theo biên dạng sản phẩm qua hệ thống thấu kính nhằm chiếu cho nóng chảy vật liệu bột tạo thành sản phẩm

Hình 1.5 Nguyên lý phương pháp SLS

là khác nhau

Hình 1.7 Nguyên lý phương pháp FDM

Kích thước nhỏ gọn

Nhược điểm:

Giữa các lớp có vết gãy

Đầu đùn phải di chuyển liên tục, nếu không vật liệu sẽ đùn lên

Cần phải có vật liệu hỗ trợ các sản phẩm có phần rỗng dưới đáy

Độ chính xác bị giới hạn do hình dạng của vật liệu sử dụng

Kém cứng vững theo phương vuông góc với trục tạo sản phẩm

Diện tích mặt cắt càng lớn thì thời gian tạo mẫu càng lâu

Phương pháp LOM ( Laminated Object Manufacturing)

Nguyên lý:

Phương pháp LOM dùng vật liệu dạng tấm kết hợp với tia Lazer để hình thành sản phẩm Tấm vật liệu nằm trên vùng làm việc và được kéo căng nhờ hệ thống con lăn cung cấp vật liệu và con lăn cuộn Tiếp theo con lăn gia nhiệt sẽ di chuyển để dán lớp vạt liệu mới với các lớp vật liệu cũ Sau đó tia Lazer được điều khiển thông qua hệ thống thấu kính để cắt tấm vật liệu mới liên kết theo biên dạng của sản phẩm cần chế tạo Tiếp tục lặp lại cho đến khi hoàn thành sản phẩm

Hình 1.9 Nguyên lý phương pháp LOM

Không thu hồi được vật liệu dư

Khó khăn cho lấy phần thừa ra khỏi sản phẩm

Độ bóng bề mặt không cao

1.1.3 VẬT LIỆU TẠO MẪU

Yêu cầu đối với vật liệu tạo mẫu trong công nghệ in 3D:

- Khả năng hóa dẻo: là khả năng biến đổi trạng thái từ dạng rắn sang dạng chảy dẻo dưới tác dụng của nhiệt độ cao Khả năng này giúp dễ dàng định hình vật kiệu và điều phối thể tích theo ý muốn Điều này mang tính quyết định trong việc hình thành chiều dày lớp tạo hình

- Thời gian đông cứng: sau khi gia nhiệt và định hình theo ý muốn thì vật liệu sẽ tiếp xúc với môi trường không khí ở nhiệt độ phòng, khi đó vật liệu phải đông cứng trở lại Thời gian đông cứng của vật liệu phải thật nhanh, thường phải thấp hơn 10s Tính đông cứng này giúp vật liệu có độ cứng vững cần thiết sau mỗi lớp

- Khả năng liên kết: Chính là khả năng kết dính bề mặt của 2 lớp vật liệu mỏng liền

kề nhau trong quá trình tạo mẫu, 2 lớp vật liệu này có thể ở 2 nhiệt độ khác nhau,

2 trạng thái vật lí khác nhau Tính chất này mang ý nghĩa quan trọng đối với cơ tính, độ cứng vững của sản phẩm tạo hình khi hoàn thành

- Độ nhớt của vật liệu: độ nhớt của vật liệu sẽ quyết định khả năng di chuyển của dòng vật liệu khi ở trạng thái chảy dẻo dưới tác dụng của nhiệt độ Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định mức độ lực cần thiết để đẩy dòng vật liệu với vận tốc xác định trước, do đó nó sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc và kích thước cụm đùn vật liệu của máy

1.1.3.1 Nhựa ABS (acrylonitrile butadiene styrene )

 Sợi nhựa ABS là vật liệu tổng hợp có nguồn gốc từ dầu mỏ và được sử dụng nhiều nhất cho máy in 3D FDM sơ cấp Đặc tính của nhựa ABS là có độ bền cao, chiu lực tốt , chịu được nhiệt độ cao, linh hoạt

 Các sản phẩm tạo ra từ vật liệu in 3D là nhựa ABS được ứng dụng trong công nghiệp: sản xuất ống cống, ống chất thải, linh kiện ô tô, dụng cụ nhà bếp…

 Nhiệt độ in của nhựa ABS khá cao từ 2300C trở lên

1.1.3.2 Nhựa PLA

 Nhựa PLA là nhựa nhiệt dẻo phân ban đầu huỷ sinh học Nhựa có nguồn gốc từ các nguồn tái tạo như bột ngô, mía, củ sắn.Bản chất của PLA có màu trong suốt nên nó có thể dễ dàng nhuộm thành bất cứ màu gì hay bất cứ sắc độ đậm nhạt nào cũng được và có khả năng phát sáng trong buổi tối

 Khi chọn vật liệu in 3D là nhựa PLA thì sẽ không bền và dẻo như nhựa ABS

nhưng nhựa PLA cứng và khỏe hơn ABS nên đôi khi khó chế tác gia công đối với những chi tiết ở những bộ phận phải lồng ghép vào nhau như khớp nối chẳng hạn

 Trong điều kiện nhiệt độ in thông thường PLA không có mùi lạ Nhiệt độ in của PLA cũng tương đối thấp 1900

1.1.3.4 Nhựa gỗ

 Nhựa gỗ in 3D hay còn gọi là Wood Filament 3D Printing là loại vật liệu kết hợp 40% gỗ tái sinh và nhựa polymer giúp dễ dàng trên công nghệ RepRap Với loại vật liệu gỗ mới này ta có thể in các vật thể tương tự và có mùi như gỗ thực, cho phép sáng tạo các mô hình như gỗ thật

 Nhiệt độ nóng chảy của sợi gỗ in 3D tương đương hoặc cao hơn PLA và có thể in

ở khoảng 185-250°C Vật thể khi hoàn thành sẽ trong giống như gỗ thật, có mùi

gỗ và có thể được xử lý như gỗ thật Sau khi in ta có thể cắt, mài, và sơn tác phẩm của bạn như có thể làm với các vật thể bằng gỗ khác

 Tuỳ thuộc vào nhiệt độ được in mà vật thể có màu sắc khác nhau Điều đó có nghĩa bằng cách thay đổi nhiệt độ, ta có thể mô phỏng hiệu ứng vòng tăng trưởng của cây Ở 180°C vật liệu wood in ra sẽ có màu sáng hơn là ở 245°C vật thể in sẽ tối hơn Nên sử dụng đầu phun 0.4mm để hạn chế việc tắc nghẽn ở đầu phun

 Không cần bàn nhiệt vẫn bám dính vô bàn in

 Thay đổi độ sáng của vật liệu in bằng các thay đổi nhiệt độ đùn khác nhau (đề xuất từ khoảng 185 –250°C)

Lý do dùng nhựa gỗ tre

Sở thích sử dụng vật liệu gỗ tự nhiên vốn đã xuất hiện từ rất lâu, nhờ vào vẻ đẹp sang trọng, quý phái mà nó mang lại cho không gian nội thất Sự bền bỉ với thời gian và khả năng tạo nên sự ấm cúng cho không gian đã biến gỗ là thành một vật liệu không thể thiếu trong nội thất Thế nhưng nguồn nguyên liệu gỗ là hữu hạn, mà nhu cầu thì ngày càng

tăng cao, khiến cho nguồn tài nguyên rừng bị đi dọa nghiêm trọng

Vấn đề bảo vệ môi trường đang được rất nhiều người quan tâm, đặc biệt là những kiến trúc sư Để giảm thiểu nạn tàn phá rừng nhiều kiến trúc sư đã lên những thiết kế xanh từ vật liệu tre Cây tre cũng được cộng động quốc tế đánh giá cao, và được chọn là vật liệu xanh có thể thay thế gỗ trong tương lai.Nhiều người tỏ ra chuộng vật liệu tre hơn cả, họ

Không chỉ sử dụng cây tre là vật liệu sinh thái với tốc độ tái sinh nhanh, các vật liệu và phụ gia khác dùng làm sàn tre cũng được lựa chọn và đáp ứng các tiêu chuẩn về an toàn

sử dụng và thân thiện môi trường

Hình 1.10 So sánh các đặc điểm tre với gỗ

Chất kháng khuẩn tự nhiên: Để kiểm tra tính kháng khuẩn có trong cây tre hay không? Các nhà khoa học đã tiến hành một thí nghiệm so sánh giữa sợi tre và sợi bông trong

vòng 24 giờ, kết quả là cây tre đã diêt hầu hết các loại vi khuẩn, còn sợi bông thì không

có tác động tới vi khuẩn Điều này cho thấy tre có tính kháng khuẩn rất tốt Chính vì vậy,

tre rất được ưa chuộng sử dụng làm vật liệu may mặc

Chất khử mùi tự nhiên: Trong sợi tre chứa chất diệp lục và đồng natri có tác dụng khử mùi, ngăn ngừa nấm mốc và vi khuẩn hiệu quả Vì thế tre được sử dụng làm chất liệu sản

xuất các sản phẩm khử mùi cực tốt

Người Việt Nam vẫn có câu nói “Tre già bằng bà Lim” Cây tre đủ 3 đến 5 năm tuổi,

không bị cộc hoặc gãy ngọn, không bị sâu bệnh là nguyên liệu tốt dùng làm ván sàn Sàn tre được kiểm định đạt các tiêu chuẩn cơ lý tương tự gỗ nhóm 1 như Đinh, Lim, Sến,

Táu… Tre còn được ví như “thép xanh”, không những bền mà sàn tre còn có độ ổn định

cao và ít bị trầy xước

1.1.4 Ứng dụng của công nghệ bồi đắp vật liệu

Công nghiệp sản xuất chế tạo:

Các ngành công nghiệp sản xuất đã trở thành đối tượng sử dụng công nghệ bồi đắp vật liệu nhiều nhất Lý do chính khiến công nghệ sản xuất bồi đắp vật liệu được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp là do nó cho phép sản xuất các chi tiết với số lượng ít, chi tiết có hình dạng phức tạp, cắt giảm phế liệu, tạo nhanh sản phẩm thử nghiệm, sản xuất

theo yêu cầu Một lý do khác để sử dụng công nghệ bồi đắp vật liệu là giúp giảm độ phức tạp trong quản lý chuỗi cung ứng, cho phép sản xuất các bộ phận tại chỗ thay vì phải sản xuất ở nơi khác mang đến Vì vậy, công nghệ bồi đắp vật liệu mở ra tiềm năng về lợi thế chi phí sản xuất, cải tiến quy trình và cả sản phẩm cho các nhà cung cấp trong một số trường hợp cụ thể

Công nghiệp điện tử cũng là một trong những ngành ứng dụng đầu tiên của công nghệ bồi đắp vật liệu Thiết bị công nghệ bồi đắp vật liệu đã được sử dụng để chế tạo các chi tiết phức tạp đặc biệt từ các chất liệu khác nhau và đã mở ra một trào lưu mới của ngành công nghiệp này Bên cạnh đó, công nghệ bồi đắp vật liệu còn hoàn toàn phù hợp với ngành công nghiệp thời trang, nơi mà cá tính đóng vai trò vô cùng quan trọng Trang sức

và trang phục thiết kế theo yêu cầu cá nhân được sản xuất bằng công nghệ bồi đắp vật liệu hiện nay đã trở nên phổ biến trên thế giới

Hình 1.11 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu sản xuất giày của công ty Adidas

Hình 1.12 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu trong công nghiệp - Wohlers Associates,

tháng 5/2014

Hàng không, vũ trụ

Một đối tượng nổi bật khác của công nghệ sản xuất bồi đắp vật liệu là ngành hàng không vũ trụ Con người đã ứng dụng công nghệ sản xuất bồi đắp vật liệu trong việc sản xuất các bộ phận thiết bị bay, đặc biệt là các bộ phận có hình dạng phức tạp Công nghệ tiên tiến này hữu ích trong sản xuất công cụ, kiểm tra, bảo trì, lắp ráp và hạn chế số lượng hàng tồn kho Hơn nữa, công nghệ bồi đắp vật liệu cho phép cải tiến hiệu suất, như tiết kiệm nhiên liệu nhờ giảm trọng lượng các bộ phận từ các nguyên liệu tiên tiến hơn

Hình 1.13 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu trong động cơ máy bay

Quốc phòng

Tương tự, ngành công nghiệp quốc phòng sử dụng công nghệ bồi đắp vật liệu cho các mục đích sản xuất đặc biệt và tiết kiệm chi phí Ngoài sản xuất theo yêu cầu phức tạp, sản xuất với số lượng nhỏ, công nghệ bồi đắp vật liệu có lợi thế khác biệt trong sản xuất quốc phòng - đó là sản xuất và thay thế nhanh chóng khi có nhu cầu, và trực tiếp trên chiến trường Sau việc sử dụng nhựa để sản xuất, thiết bị bồi đắp vật liệu kim loại chế tạo súng đã ra đời bởi một công ty con của tập đoàn Stratasys kể trên Bên cạnh đó, cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) sử dụng công nghệ bồi đắp vật liệu để sản xuất một số bộ phận đặc biệt cho tàu vũ trụ Hơn thế, NASA đã thực hiện việc chế tạo này ngay trong không gian vũ trụ

Hình 1.14 Một số bộ phận súng được sản xuất từ công nghệ bồi đắp vật liệu

Ngành thực phẩm

Thiết bị công nghệ bồi đắp vật liệu đã tạo ra rất nhiều loại thực phẩm khác nhau Hầu hết các thực phẩm có nguyên liệu là chất lỏng hoặc bột đều có thể in ra bằng thiết bị công nghệ bồi đắp vật liệu, trong đó chocolate và bánh kẹo là những sản phẩm phổ biến hiện nay sử dụng công nghệ này Người ta dự kiến thiết bị công nghệ bồi đắp vật

liệu sẽ được áp dụng để sản xuất thịt từ các nguồn nguyên liệu khác nhau với mong muốn trở thành giải pháp cho nhu cầu dinh dưỡng của nhân loại

Hình 1.15 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu sử dụng vật liệu chocolate

Y tế - Chăm sóc sức khỏe

Công nghệ bồi đắp vật liệu rất hữu ích trong sản xuất các mô hình sinh học (các mô hình

bộ phận con người như xương, răng, tai giả ).Trong ứng dụng này, mô hình điện tử của

bộ phận cơ thể con người được dựng bởi các hình ảnh ba chiều hoặc một thiết bị quét 3D Sau đó, mô hình sinh học được tạo ra từng lớp từng lớp nhờ vào công nghệ sản xuất bồi đắp vật liệu Trong ngành giải phẫu, mỗi bệnh nhân là một cá thể riêng biệt và duy nhất,

mô hình sinh học 3D cho phép bác sỹ thực hiện phẫu thuật thuận lợi hơn do có được sự hiểu biết sâu hơn về cơ thể bệnh nhân và các chẩn đoán được chính xác hơn Nhờ đó, kế hoạch phẫu thuật được chi tiết hơn, các thử nghiệm, diễn tập phẫu thuật hay hướng dẫn trong ca mổ được đảm bảo về độ chính xác và chất lượng Công nghệ bồi đắp vật liệu còn hỗ trợ các thử nghiệm phương pháp và công nghệ y tế mới, tăng cường nghiên cứu y khoa, giảng dạy và đào tạo đội ngũ y bác sỹ

Hình 1.16 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu chế tạo chân giả

Ngoài ra, cũng tương tự như việc tạo mô hình sinh học, công nghệ bồi đắp vật liệu còn được dùng để thiết kế và sản xuất các bộ phận cơ thể giúp cho phẫu thuật tái tạo và cấy ghép Đã có nhiều trường hợp các em bé bị bệnh tim hay mất cánh tay được cấy ghép các

bộ phận được tạo ra nhờ công nghệ bồi đắp vật liệu, giúp cho cuộc sống của các em được

dễ dàng và thuận lợi hơn Các dụng cụ y tế như thiết bị trợ thính, khung đỡ, mặt nạ, răng giả đều có thể sản xuất bằng công nghệ bồi đắp vật liệu theo đúng như kích thước, hình dạng, đặc điểm của từng bệnh nhân Một trong những ứng dụng thú vị nhất của công nghệ bồi đắp vật liệu là chế tạo mô và các cơ quan của con người, mà người ta hay gọi là

In sinh học - Bioprinting Nhờ vào công nghệ này, hệ thống tế bào mô của con người có thể được in theo lớp bằng mực sinh học - mực thu được qua xử lý đặc biệt các tế bào con người và các chất khác Mặc dù vẫn có một số vấn đề liên quan đến sự ổn định và chức năng cấu trúc trong in sinh học, nhưng những tiến bộ đáng kể đã được ghi nhận với mô người và các cơ quan In sinh học hứa hẹn những cơ hội quý báu cho phát triển thuốc y

tế, phương pháp điều trị thử nghiệm, nghiên cứu y học, chữa lành vết thương, và cả cấy ghép

Hình 1.17 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu chế tạo xương nhân tạo

Cung ứng dược phẩm cũng được thực hiện tốt hơn với công nghệ bồi đắp vật liệu Việc mỗi bệnh nhân cần điều trị với từng thành phần thuốc và liều lượng khác nhau mà các sản phẩm thuốc có sẵn trên thị trường không hoàn toàn đáp ứng chính xác cho từng cá nhân dẫn đến việc sử dụng thuốc không đạt hiệu quả cao nhất gây lãng phí cho bệnh nhân cũng như ngành y tế Bên cạnh đó có những bệnh nhân dị ứng với một số thành phần của thuốc đã có sẵn trên thị trường dẫn đến khó khăn trong việc điều trị Vì thế trong tương lai, dựa vào phân tích bệnh án cũng như tiểu sử dị ứng thuốc của bệnh nhân mà các hiệu thuốc hoặc thậm chí cá nhân có thể tự chế tạo ra loại thuốc riêng cho mình từ các hợp chất thuốc bằng cách sử dụng thiết bị công nghệ bồi đắp vật liệu Có thể điều chỉnh thành phần và liều lượng để phù hợp với từng bệnh nhân Điều này giúp giảm các chi phí liên quan và cải thiện đáng kể việc điều trị tùy theo từng cá nhân

Mỹ hay Trung Quốc, các kế hoạch đưa công nghệ và thiết bị công nghệ bồi đắp vật liệu đến các trường học, ngay cả cho trẻ em và học sinh tiểu học, đã được bắt đầu triển khai

Hình 1.18 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu vào giáo dục

Kiến trúc và xây dựng

Dù mới chỉ ở giai đoạn đầu tiên nhưng đã có rất nhiều nỗ lực được thực hiện thành công trong việc xây dựng các toà nhà bằng các thiết bị công nghệ bồi đắp vật liệu khổng lồ Vật liệu phổ biến nhất cho in xây dựng là nhựa, bê tông và cát Công nghệ bồi đắp vật liệu trong xây dựng có thể mang lại những cải tiến đáng kể về chất lượng, tốc độ, chi phí, đặc biệt là trong chi phí lao động, cải thiện tính linh hoạt, đảm bảo an toàn xây dựng và giảm các tác động môi trường Ý tưởng xây nhà trên mặt trăng bằng công nghệ bồi đắp vật liệu đã xuất hiện tại một số trung tâm nghiên cứu trên thế giới Công nghệ sản xuất bồi đắp vật liệu hay công nghệ bồi đắp vật liệu cho phép sáng tạo, chỉnh sửa một cách dễ dàng theo ý của khách hàng trong thiết kế kiến trúc và xây dựng thực tế

Hình 1.19 Mô hình công trình xây dựng

Hình 1.20 Căn nhà tại Sơn Đông, Trung Quốc được làm từ công nghệ bồi đắp vật liệu

Trong gia đình

Với chi phí thấp và sự tiện dụng, thiết bị công nghệ bồi đắp vật liệu sẽ dần trở thành một thiết bị trong gia đình bạn Thiết bị bồi đắp vật liệu để bàn cho phép bạn sản xuất bất cứ thứ gì bạn muốn ngay trong căn nhà riêng của mình, tất nhiên là với kích thước phù hợp với thiết bị và các nguyên liệu có thể có Các vật dụng yêu thích như đồ chơi, đồ dùng và

đồ vật trang trí là những ứng dụng phổ biến nhất Nhờ thiết bị bồi đắp vật liệu để bàn, mỗi người có thể tự thiết kế và sản xuất vật dụng theo yêu cầu riêng biệt, làm nên cá tính của bản thân Công nghệ này cũng góp phần làm tăng khả năng và cơ hội sáng tạo của mỗi người Và hơn thế, công nghệ bồi đắp vật liệu tại gia đình làm giảm bớt các khó khăn trong chuỗi cung ứng truyền thống Sự xuất hiện của công nghệ bồi đắp vật liệu trực tuyến đóng vai trò quan trọng trong việc sử dụng rộng rãi thiết bị công nghệ bồi đắp vật liệu để bàn Ở môi trường trực tuyến, mọi người có thể mua và chia sẻ các kiến thức,

ý tưởng, thiết kế và các vật thể công nghệ bồi đắp vật liệu Ví dụ như trang web Thingiverse cho phép mọi người tải về thiết kế công nghệ bồi đắp vật liệu miễn phí trong kho dữ liệu của họ, cũng như cho phép bổ sung những thiết kế riêng của mình vào kho

dữ liệu đó Khác một chút, Shapeways là một chợ in ấn trực tuyến, nơi mọi người có thể mua và bán sản phẩm công nghệ bồi đắp vật liệu, tạo cơ hội kinh doanh từ khả năng công nghệ bồi đắp vật liệu của mỗi người, cũng như tạo điều kiện cho những người không sở hữu thiết bị bồi đắp vật liệu có thể tận dụng nguồn tài nguyên của cộng đồng

Hình 1.21 Bàn ghế được chế tạo từ công nghê bồi đắp vật liệu

Hình 1.22 Sản phẩm đồ chơi từ công nghệ bồi đắp vật liệu