Nghiên cứu thông số công nghệ ảnh hưởng đến độ chính xác trên máy vina fdm 2015

Cho nên vấn đề nghiên cứu những sai số của công nghệ tạo mẫu nhanh FDM để từ đó có cơ sở đưa ra các giải pháp nâng cao độ chính xác của các máy tạo mẫu nhanh.. Tổng quan về tình hình ngh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN MINH DƯƠNG

NGHIÊN CỨU THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC TRÊN MÁY

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Huỳnh Nguyễn Hoàng

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Tôn Thiện Phương

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày 04 tháng 01 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Trần Doãn Sơn

2 TS Huỳnh Nguyễn Hoàng

3 TS Tôn Thiện Phương

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN MINH DƯƠNG MSHV: 13041410

Ngày, tháng, năm sinh: 06/10/1990 Nơi sinh: 1990

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số : 60520103

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ẢNH HƯỞNG ĐẾN

ĐỘ CHÍNH XÁC TRÊN MÁY VINA FDM 2015

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

2 Tìm hiểu và đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ chính xác của máy FDM

3 Nghiên cứu thiết kế thực nghiệm trên hệ thống Vina FDM 2015

4 Phân tích thực nghiệm và tối ưu hóa các thông số thực nghiệm

5 Đánh giá và đưa ra hướng nghiên cứu tiếp theo

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/01/2015

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/11/2015

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến cô

PGS.TS Thái Thị Thu Hà đã tận tình hướng dẫn cũng như hỗ trợ và giúp đỡ em

vượt qua nhiều khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn Chúc c u n i

ào s c khỏ , vui vẻ, thành c ng trong c ng tác gi ng y và nghi n c u khoa học c mình

Em cũng xin gởi lời c m ơn đến các thầy , Thạc sĩ G a Xuâ Long c ng các n trong nhóm thực hiện đề tài máy t o mẫu nh nh in M

20 đã tận tình giúp đỡ, góp và hỗ trợ r t nhiều trong thời gi n th m gi thực hiện đề tài

Đ ng thời em xin gửi lời c m ơn chân thầy đến thầy Võ Tường

Quân-Trưởng phòng thí nghiệm Đo ường đã t o điều kiện thuận lợi nh t để em thực hiện luận văn t i đơn vị

TP Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 12 năm 2015

Nguyễn Minh Dương

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hiện nay công nghệ tạo mẫu nhanh FDM rất được phổ biến trên thế giới, và hiện tại ở Việt Nam, công nghệ tạo mẫu nhanh FDM cũng được nhiều nhà khoa học quan tâm Nhiều công trình nghiên cứu về công nghệ FDM trong nước đã được công bố, nhiều trường đã chế tạo thành công mô hình, nhưng hầu hết độ chính xác của chúng không được cao Cho nên vấn đề nghiên cứu những sai số của công nghệ tạo mẫu nhanh FDM để từ đó có cơ sở đưa ra các giải pháp nâng cao độ chính xác của các máy tạo mẫu nhanh

Luận văn này trình bày những sai số gặp phải của máy tạo mẫu Vina FDM

2015, từ đó đưa ra những hướng khắc phục sai số Ngoài ra luận văn còn nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến độ chính xác của sản phẩm FDM Đưa ra kết quả tối ưu hóa các thông số công nghệ để nâng cao độ chính xác của máy tạo mẫu nhanh FDM dựa trên phần mềm hỗ trợ tối ưu Minitab R16

Ngoài những nghiên cứu trên, luận văn còn đưa ra kết luận độ chính xác của máy Vina FDM 2015 dựa trên kết quả đạt được sau khi tiến hành tối ưu hóa các thông số ảnh hưởng

ABSTRACT

To day, FDM rapid prototyping technology is gaining popularity around the world, and now in Vietnam, FDM rapid prototyping technology are no longer unfamiliar Many research projects designed and manufactured FDM system in the country was published, many schools have created successful models, but most of their accuracy is not high So study the problem of error of FDM rapid prototyping technology from which to solutions to improve the accuracy of the rapid prototyping machine

This thesis shows the errors encountered by Vina FDM 2015 machine, given the direction of fix errors Also thesis also studied effects of some technological parameters to the accuracy of the FDM Results optimized technological parameters

to enhance the accuracy of FDM rapid prototyping machine based on optimized software Minitab R16

Thesis was concluded Vina the accuracy of Vina FDM 2015 machine based on the results achieved after conducting optimization parameters influence

LỜI CAM KẾT

Tôi tên: NGUYỄN MINH DƯƠNG

Học viên lớp: Cao học Kỹ thuật cơ khí K2013

Mã số học viên: 13041410

Theo quyết định giao đề tài luận văn cao học của phòng Đào tạo Sau đại học, Đại học Bách khoa Tp.HCM, tôi đã thực hiện luận văn cao học với đề tài “NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC MÁY VINA FDM 2015”

dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Thái Thị Thu Hà từ ngày 19/01/2015 đến

20/11/2015

Tôi xin cam kết đây là luận văn tốt nghiệp cao học do tôi thực hiện Tôi đã thực hiện luận văn đúng theo quy định của phòng đào tạo sau đại học, trường Đại

học Bách Khoa TP.HCM và theo sự hướng dẫn của PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam kết trên đây Nếu có sai phạm trong quá trình thực hiện luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu các hình thức xử

lý của phòng đào tạo sau đại học và Ban Giám Hiệu Trường đại học Bách Khoa TP

Hồ Chí Minh

Học viên

Nguyễn Minh Dương

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN v

LỜI CAM KẾT vii

MỤC LỤC viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiv

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan: 1

1.1.1 Tổng quan công nghệ tạo mẫu nhanh: 1

1.1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu các phương pháp nâng cao độ chính xác máy FDM: 2

1.2 Tính cấp thiết của đề tài: 6

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC MÁY FDM 9

2.1 Nguyên lý tạo mẫu nhanh FDM: 9

2.2 Khái quát các sai số máy FDM: 11

2.3 Sai số động học của máy tạo mẫu nhanh FDM: 12

2.3.1 Sai số chuyển động: 12

2.3.2 Sai số vị trí: 14

2.3.3 Sai số do lắp ráp: 14

2.4 Sai số file STL: 20

2.4.1 Sai số thiết lập file STL: 20

2.4.2 Sai số khi chuyển định dạng từ mô hình CAD sang STL: 22

2.4.3 Sai số nội suy từ dữ liệu đám mây: 24

2.5 Sai số cắt lớp: 25

2.5.1 Sai số cắt lớp theo chiều dày Z: 25

2.5.2 Sai số nội suy đường biên trong mặt phẳng tọa độ XOY : 28

2.5.3 Sai số do Offset đường biên: 29

2.6 Sai số do vật liệu: 31

2.7 Sai số do điều khiển: 33

2.8 Phương pháp tối ưu hóa thông số công nghệ sản phẩm: 34

2.8.1 Các thông số công nghệ quá trình FDM: 34

2.8.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng chi tiết FDM: 37

2.9 Kết luận: 40

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM TRÊN HỆ THỐNG VINA FDM 2015 42

3.1 Xác định yếu tố thực nghiệm: 42

3.2 Phương pháp thực nghiệm: 45

3.3 Hệ thống thực nghiệm Vina FDM 2015: 47

3.4 Mẫu thí nghiệm: 48

3.5 Kết quả thí nghiệm: 49

CHƯƠNG 4: XỬ LÝ KẾT QUẢ VÀ TỐI ƯU HÓA 52

4.1 Phương trình hồi quy: 52

4.1.1 Lý thuyết hồi quy dạng Box-Behnken: 52

4.1.2 Đánh giá mức chính xác, ý nghĩa của các hệ số phương trình hồi quy: 53

4.1.3 Kiểm tra tính thích hợp của phương trình hồi quy: 53

4.2 Phương trình hồi quy đối với kích thước theo phương X: 54

4.2.1 Xác định các hệ số: 54

4.2.2 Kiểm tra tính thích hợp của phương trình hồi quy: 56

4.2.3 Phân tích bề mặt đáp ứng trong Minitab 16: 57

4.3 Phương trình hồi quy đối với kích thước theo phương Y: 60

4.3.1 Xác định các hệ số: 60

4.3.2 Kiểm tra tính thích hợp của phương trình hồi quy: 62

4.3.3 Phân tích bề mặt đáp ứng trong Minitab 16: 63

4.4 Phương trình hồi quy đối với độ nhám Ra: 65

4.4.1 Xác định các hệ số: 65

4.4.2 Kiểm tra tính thích hợp của phương trình hồi quy: 67

4.4.3 Phân tích bề mặt đáp ứng trong Minitab 16: 68

4.5 Tối ưu hóa các thông số trên phần mềm MINITAB: 69

4.5.1 Tối ưu hóa độ chính xác theo hướng X: 69

4.5.2 Tối ưu hóa độ chính xác theo hướng Y: 71

4.5.3 Tối ưu hóa độ nhám bề mặt Ra: 72

4.5.4 Tối ưu hóa độ chính xác theo hướng X-Y: 74

4.5.5 Tối ưu hóa độ chính xác X-Y và độ nhám bề mặt Ra: 75

4.6 Kết luận 76

CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 77

5.1 Đánh giá kết quả: 77

5.1.1 Đánh giá kết quả tối ưu đối với kích thước X: 77

5.1.2 Đánh giá kết quả tối ưu đối với kích thước Y: 78

5.1.3 Đánh giá kết quả tối ưu đối với độ nhám bề mặt Ra: 78

5.1.4 Đánh giá kết quả tới ưu đối với kích thước X-Y: 79

5.1.5 Đánh giá kết quả tới ưu đối với kích thước X-Y và độ nhám Ra 80

5.2 Kết luận: 81

5.3 Hướng phát triển: 81

TÀI LIỆU KHAM THẢO 83

PHỤ LỤC 89

Phụ lục 1: 89

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 90

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Các chi tiết được tạo từ công nghệ tạo mẫu nhanh FDM 1

Hình 1 2 Mô hình bàn tay robot làm từ công nghệ FDM 1

Hình 1 3 Ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh 2

Hình 1 4 Những chi tiết phức tạp 3

Hình 1 5 Mẫu thực nghiệm đánh giá độ chính xác 4

Hình 2 1 Quy trình tạo mẫu nhanh 9

Hình 2 2 Nguyên lý xây dựng từng lớp (layer by layer) 10

Hình 2 3 Các sai số ảnh hưởng chất lượng sản phẩm FDM 12

Hình 2 4 Mô tả các sai số động học theo bậc tự do 13

Hình 2 5 Sáu thành phần gây sai số đối với 1 trục Z 13

Hình 2 6 Sai số vị trí của trục thẳng 14

Hình 2 7 Sơ đồ gá Eke và đồng hồ so 16

Hình 2 8 Kiểm tra độ song song của trục X 17

Hình 2 9 Kiểm tra độ song song trục Y 17

Hình 2 10 Kiểm tra độ song song của trục X so với bàn máy 18

Hình 2 11 Kiểm tra độ vuông góc trục Z so bàn máy 19

Hình 2 12 Hình kiểm tra độ song song trục Y so với bàn máy 19

Hình 2 13 Kiểm tra độ vuông góc trục Z so bàn máy 20

Hình 2 14 Các thông số thiết lập file STL 21

Hình 2 15 Biên dạng thay đổi ứng với chiều cao dây cung 21

Hình 2 16 Bề mặt xấp xỉ thay đổi khi thay đổi chiều cao day cung đối với khối cầu có đường kính 30mm 21

Hình 2 17 Các sai số khi chuyển sang file STL 23

Hình 2 18 Quá trình xấp xỉ dữ liệu điểm nội suy tam giác 24

Hình 2 19 Sai số xấp xỉ cung tròn bằng đường bậc thang 25

Hình 2 20 Sai lệch biên dạng khi chọn cắt lớp khác nhau 25

Hình 2 21 Sai số quá trình cắt lớp Z 26

Hình 2 22 Quá trình cắt lớp thích nghi 27

Hình 2 23 Biên dạng chi tiết sau khi cắt lớp từ file xấp xỉ lưới tam giác 28

Hình 2 24 Nội suy cung 29

Hình 2 25 Sai số do offset đường kính đầu đùn 30

Hình 2 26 Biến dạng sợi vật liệu đùn [15] 30

Hình 2 27 Cắt lớp và offset đường kính đầu đùn 31

Hình 2 28 Chiều dày cắt lớp 35

Hình 2 29 Khe hở giữa các đường điền đầy 36

Hình 2 30 Hướng tạo mẫu và vật liệu đỡ 36

Hình 2 31 Phân bố các nguyên nhân gây ra sai số đối với công nghệ FDM 38

Hình 2 32 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền 39

Hình 3 1 Đường kính sợi vật liệu đùn ra lớn hơn đường kính đầu đùn 43

Hình 3 2 Ảnh hưởng vận tốc đùn đến sợi vật được đùn ra khỏi vòi đùn 44

Hình 3 3 Hệ thống tạo mẫu nhanhVina FDM 2015 47

Hình 3 4 Mẫu thí nghiệm 48

Hình 3 5 Mẫu sau khi được tạo trên hệ thống Vina FDM 2015 49

Hình 3 6 Kiểm tra kích thước và độ nhám trên thiết bị đo 49

Hình 4 1 Tương tác cắt lớp và đường kính đầu đùn đối với kích thước X 57

Hình 4 2 Tương tác cắt lớp và vận tốc đùn đối với kích thước X 58

Hình 4 3 Tương tác cắt lớp và vận tốc chạy máy đối với kích thước X 58

Hình 4 4 Tương tác đầu đùn và vận tốc đùn đối với kích thước X 58

Hình 4 5 Tương tác đầu đùn và vận tốc chạy máy đối với kích thước X 59

Hình 4 6 Tương tác vận tốc đùn và vận tốc chạy máy đối với kích thước X 59

Hình 4 7 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến kích thước theo phương X 59

Hình 4 8 Tương tác cắt lớp và đầu đùn đối với kích thước Y 63

Hình 4 9 Tương tác cắt lớp và vận tốc đùn đối với kích thước Y 63

Hình 4 10 Tương tác cắt lớp với vận tốc chạy máy đối với kích thước Y 63

Hình 4 11 Tương tác đầu đùn và vận tốc đùn đối với kích thước Y 64

Hình 4 12 Tương tác đầu đùn và vận tốc đùn đối với kích thước Y 64

Hình 4 13 Tương tác vận tốc đùn và vận tốc chạy máy đối với kích thước Y 64

Hình 4 14 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến kích thước theo phương Y 65

Hình 4 15 Tương tác cắt lớp và vận tốc đùn đối với độ nhám Ra 68

Hình 4 16 Ảnh hưởng của các yếu tố đến độ nhám bề mặt Ra 68

Hình 4 17 Lựa chọn các hệ số có ý nghĩa phân tích tối ưu kích thước X 69

Hình 4 18 Lựa chọn thông số tối ưu 70

Hình 4 19 Kết quả tối ưu kích thước phương X trên phần mềm Minitab 70

Hình 4 20 Lựa chọn các hệ số có ý nghĩa đối với kích thước Y 71

Hình 4 21 Kết quả tối ưu kích thước phương Y trên phần mềm Minitab 72

Hình 4 22 Lựa chọn hệ số có ý nghĩa trong phương trình hồi quy 72

Hình 4 23 Kết quả tối ưu thông số đối với độ nhám Ra 73

Hình 4 24 Kết quả tối ưu đối với 2 mục tiêu X=25mm và Y=25mm 74

Hình 4 25 Kết quả tối ưu đối với 2 mục tiêu X=25mm; Y=25mm và Ra minimax 75 Hình 5 1 Hiệu ứng biến dạng sợi vật liệu đùn khi thay đổi cắt lớp 79

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1 Kết quả đo kiểm và hiệu chuẩn độ vuông góc trục X-Y 16

Bảng 2 2 Các thông số công nghệ quá trình FDM: 35

Bảng 3 1 Bảng giá trị các nhân tố thực nghiệm: 45

Bảng 3 2 Bảng ma trận quy hoạch với các nhân tố mã hóa: 46

Bảng 3 3 Đặc tính kỹ thuật máy Vina FDM 2015 48

Bảng 3 4 Kết quả đo kích thước và độ nhám 50

Bảng 4 1 Bảng ma trận X: 52

Bảng 4 2 Giá trị của các hệ số phương trình hồi qui đối với kích thước hướng X 55 Bảng 4 3 Các hệ số có ý nghĩa sau khi được tính toán lại 56

Bảng 4 4 Giá trị của các hệ số phương trình hồi qui đối với kích thước Y 60

Bảng 4 5 Các hệ số có ý nghĩa sau khi được tính toán lại 61

Bảng 4 6 Giá trị của các hệ số phương trình hồi qui đối với độ nhám Ra 66

Bảng 4 7 Các hệ số có ý nghĩa sau khi được tính toán lại 67

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan:

1.1.1 Tổng quan công nghệ tạo mẫu nhanh:

Tạo mẫu nhanh là một công nghệ mới ra đời trong vài thập niên gần đây, nó

đã chứng tỏ được khả năng vượt bậc so với những công nghệ truyền thống như rút ngắn thời gian nhận được mẫu thật từ lúc lên ý tưởng đến gian đoạn thử nghiệm hoàn chỉnh, một số chi tiết phức tạp như chi tiết khối cầu rổng bên trong, hoặc những chi tiết đan xéo lẫn nhau thì công nghệ truyền thống hầu như là không thực

hiện được (Hình 1 1) Từ những thiết kế trên bản vẽ 3D, sau khi được xử lí cắt lớp,

chọn các thông số kĩ thuật thì chúng ta chỉ cần chờ vài phút hoặc vài tiếng đồng hồ

là có một chi tiết thực 3D mà ta có thể cầm, sờ và quan sát thực tế sản phẩm mà ta

đã thiết kế

Hình 1 1 Các chi tiết được tạo từ công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping – RP): là công nghệ tạo hình sản phẩm bằng phương pháp đắp từng lớp vật liệu dựa trên dữ liệu thiết kế CAD, hay còn gọi là bồi đắp và dính kết vật liệu từng lớp với nhau (add and bone materials) Công nghệ này ngày càng được ứng dụng nhiều trong công nghiệp

và chứng tỏ ưu thế vượt trội trong quá trình tạo mẫu chi tiết thực tế ngay sau khi thiết kế trên máy tính, từ đó chúng ta có được mô hình chi tiết thực tế để phục vụ

nghiên cứu, đánh giá sản phẩm trước khi chế tạo sản phẩm thương mại (Hình 1 2)

Hình 1 2 Mô hình bàn tay robot làm từ công nghệ FDM

Tuy chỉ mới chính thức ra đời từ năm 1998, nhưng công nghệ tạo mẫu nhanh đang là mục tiêu nghiên cứu và ứng dụng trong ngành cơ khí công nghệ cao, ngoài

ra nó còn được ứng dụng cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau, cho phép tạo nhanh các sản phẩm Ví dụ như trong công nghệ tạo mẫu đế giày, tạo ra các tượng

mỹ nghệ trong ngành kim hoàn, tạo khuôn mẫu cho ngành nhựa với kích thước lớn nhỏ khác nhau, ứng dụng trong các ngành sản xuất chế tạo ô tô, xe máy, điện dân dụng, máy điều hòa nhiệt độ, vỏ ti vi, máy nông nghiệp, với hiệu quả kinh tế rất lớn Trong lĩnh vực y học, công nghệ tạo mẫu nhanh được dùng để chế tạo các mô hình y học, các bộ phận cấy ghép thay thế các bộ phận của con người và các công

cụ trợ giúp phẫu thuật chỉnh hình (Hình 1 3)

Hình 1 3 Ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh

1.1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu các phương pháp nâng cao độ chính xác máy FDM:

 Tình hình nghiên cứu trên thế giới:

Hiện nay trên thế giới, công nghệ 3D Printer là một trong những công nghệ được quan tâm nhiều nhất, vì khả năng nó mang lại đối với việc thiết kế kỹ thuật là không giới hạn từ việc tạo những mẫu có hình học đơn giản cho đến những mẫu có hình dáng phức tạp mà những công nghệ truyền thống không thể thực hiện được

(Hình 1 4), cho nên việc nghiên cứu tăng độ chính xác được rất nhiều quốc gia

Một số công trình nghiên cứu trên thế giới về nâng cao độ chính xác máy FDM:

 Các nghiên cứu â g cao độ chính xác v kíc t ước:

Ông Sood et al 2009 [1], đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hướng

đùn, độ dày lớp, góc raster, chiều rộng raster, và khoảng cách raster bằng phương pháp Taguchi đến độ chính xác kích thước của chi tiết để tìm ra yếu tố ảnh hưởng quan trọng và các mối quan hệ tương tác của các yếu tố với nhau Tìm ra các bộ thông số tối ưu cho quá tình tạo mẫu để nâng cao chất lượng kích thước của chi tiết

Ông Ekaterin Minev đã nghiên cứu phương pháp calip và nâng cao độ chính

xác của hệ thống tạo mẫu nhanh thông qua sử dụng thực nghiệm chế tạo mẫu thử

như Hình 1 5 và tiến hành đo đạc kiểm tra chi tiết mẫu thử để xác định quy luật

phân bố sai số của hệ thống

Hình 1 5 Mẫu thực nghiệm đánh giá độ chính xác

Ông Thrimurthulu, 2004 [2], báo cáo nghiên cứu quá trình xác định mối

tương quan giữa hai thông số thời gian tạo mẫu và hướng tạo mẫu để tìm được hướng tối ưu trong quá trình FDM Thời gian tạo mẫu và độ nhám bề mặt là hai mục tiêu mâu thuẫn nhau, trong đánh giá về hai mục tiêu trên ảnh hưởng của cấu trúc hỗ trợ được đưa vào nghiên cứu Để xác định hướng tạo mẫu tối ưu thì việc sử dụng các phương pháp cắt lớp thích nghi cũng cần được nghiên cứu trong bài báo

Ông Rajan Bansal và các cộng sự (2011) [3] đã nghiên cứu tối ưu thông số

để nâng cao độ chính xác kích thước Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến đáp ứng thông qua phương pháp đáp ứng bề mặt (Response surface methodology) hỗn hợp quay đều Ba thông số ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

là độ dày từng lớp(A), định hướng của chi tiết(B), góc đùn(C) Tác giả đã nghiên

cứu, đưa ra được phương trình hồi quy độ chính xác các hướng theo chiều dài, chiều rộng và chiều cao

Ông Akhil Garg và cộng sự (2010) [4] tác giả nghiên cứu các thông số tối ưu cho quá trình FDM Nghiên cứu nâng cao độ chính xác mẫu bằng cách tối ưu năm thông số ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm là độ dày lớp(A), định hướng của chi tiết(B), góc đùn(C), bề rộng của mỗi lần đùn (D)khoảng cách giữa những lần đùn(E) Nghiên cứu cũng đánh giá độ chính xác của hệ thống thông qua 3 đối tượng

đó là độ chính xác chiều dài, chiều rộng và chiều cao

 Các nghiên cứu nâng cao chất lượng bề mặt:

Ông Anitha và cộng sự (2001) [5] đã sử dụng phương pháp Taguchi nghiên

cứu ảnh hưởng của chiều rộng đường điền đầy, bề dày lớp và tốc độ đùn ở ba mức khác nhau để xác định độ nhám bề mặt của chi tiết FDM Từ những kết quả nghiên cứu này chỉ ra rằng độ dày lớp là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt sau đó là yếu tố chiều rộng đường điền đầy và tốc độ đùn

Ông Pandey và công sự (2004) [6] đã nghiên cứu ảnh hưởng độ nhám bề

mặt chi tiết và thời gian tạo mẫu, nghiên cứu chỉ ra rằng hai yếu tố này bị chi phối bởi hướng đùn tạo mẫu Trong nghiên cứu này trình bày tập hợp các giải pháp tối

ưu Pareto để xác định hướng đùn tạo mẫu thông qua việc sử dụng các NSGA-II Rút

ra được hai hạn chế: khi giảm thời gian tạo mẫu thì độ nhám bề mặt sẽ tăng lên, hai

là, nếu tăng thời gian tạo mẫu thì độ nhám bề mặt sẽ giảm Báo cáo cũng đưa ra được hệ thống điều chỉnh để cho người sử dụng có thể thay đổi tùy thuộc vào mục tiêu mình mong muốn

Ông Ognjan Lužanin và cộng sự (2013) [7] đã công bố kết quả nghiên cứu

ảnh hưởng của tốc độ đùn và nhiệt độ đùn đến độ nhám của chi tiết FDM Nhóm sử dụng quy hoạch thực nghiệm cho 2 biến độc lập (22) và 2 nhân trung tâm Kết quả cho thấy, mức độ ảnh hưởng của thông số nghiên cứu đến chất lượng sản phẩn là không tuyến tính

Ông Fahraz Ali và cộng sự (2014), [8] đã trình bày ảnh hưởng các thông số

chẳng hạn như chiều dày cắt lớp, chiều rộng đường điền đầy, góc điền đầy (raster),

số đường conture, khoảng cách không khí giữa các đường, độ lệch file STL, và góc

điều khiển của file STL trong quá trình FDM để đánh giá mức độ ảnh hưởng của chúng Phương pháp thiết kế thí nghiệm Taguchi được thông qua, và nó là công cụ phân tích mức độ ảnh hưởng và các tín hiệu nhiễu (N/S) đó là tỷ lệ được thực hiện

để đánh giá tác động của các thông số quy trình về các biện pháp thực hiện bao gồm thời gian xây dựng, vật tư tiêu hao và độ nhám bề mặt Nghiên cứu này được kiểm tra và đánh giá dựa trên mô hình thử nghiệm, và đưa ra kết quả tối ưu để người sử dụng lựa chọn những mục tiêu về thời gian hoặc chất lượng bề mặt đối với quá trình tạo mẫu trên máy FDM

 Tình hình nghiên cứu trong nước:

Vì là công nghệ mới trên thế giới và trong nước, nên vấn đề nghiên cứu tăng

độ chính xác vẫn chưa được triển khai nhiều tại Việt Nam, chỉ có một số cơ sở tham gia nghiên cứu chế tạo sản phẩm nhưng chưa quan tâm đến vấn đề nâng cao độ chính xác cũng như các phương pháp hiệu chỉnh sai số khi gia công bằng phương pháp FDM Hầu hết các nghiên cứu chủ yếu là thông số công nghệ và tính chất vật liệu tạo mẫu để nâng cao chất lượng bề mặt và cơ tính, vấn đề hiệu chỉnh hệ thống

và hiệu chỉnh dữ liệu cắt lớp ít được quan tâm nghiên cứu, nhưng đây lại là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công chi tiết FDM

Một số luận án liên quan đến vấn đề hiệu chỉnh hệ thống máy FDM:

Tại Việt Nam, chỉ có một số cơ quan đầu tư nghiên cứu máy tạo mẫu phương pháp FDM như Trường Đại học Bách Khoa TPHCM, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật, Trường ĐH Cần Thơ, Trường ĐH Nha Trang

Hiện tại, Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Điều Khiển Số và Kỹ Thuật Hệ Thống đang thực hiện đề tài nghiên cứu chế tạo hệ thống tạo mẫu nhanh FDM

Hệ thống Vina FDM 2015 tại PTN đã được thiết kế, chế tạo lắp ráp nhưng vẫn chưa có một nghiên cứu nào về nâng cao độ chính xác máy FDM được thực hiện

1.2 Tính cấp thiết của đề tài:

Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM còn có một ưu điểm vượt trội hơn so với những công nghệ khác đó là khả năng tạo mẫu với nhiều loại vật liệu khác nhau với

nhiều màu sắc làm cho mẫu được tạo ra trực quan hơn, các chi tiết được phân biệt

rõ ràng, giúp cho người thiết kế đáng giá sản phẩm mà mình thiết kế tốt hơn, làm cho việc sửa chữa cải thiện sản phẩm được thực hiện nhanh hơn, tăng hiệu suất làm việc của người thiết kế Ngoài ra, việc không sử dụng nguồn lazer là ưu điểm nổi bậc của công nghệ FDM so với các công nghệ khác

Đối với các công nghệ tạo mẫu nhanh nói chung và công nghệ FDM nói riêng, các sản phẩm đều được tạo bởi việc ghép các lớp cho nên độ chính và độ nhám bề mặt chưa cao, do đó, nghiên cứu phương pháp nâng cao độ chính xác của hệ thống tạo mẫu nhanh đang là vấn đề cấp thiết.Ngoài ra, nghiên cứu phương pháp nâng cao

độ chính xác của hệ thống tạo mẫu nhanh có ý nghĩa quan trọng, đóng góp vào sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh trong nước, từ đó sẽ nắm bắt được công nghệ này trước tình hình phát triển ngày càng nhanh của thế giới

 Mục tiêu của luận văn:

- Nghiên cứu nâng cao độ chính xác của máy Vina FDM 2015

- Tiến hành thực nghiệm trên hệ thống hiện có

- Đánh giá độ chính xác của máy tạo mẫu nhanh FDM tại phòng thí nghiệm

 Nội dung thực hiện của luận văn:

- Hiệu chỉnh hệ thống cơ khí, truyền động trên máy FDM

- Nghiên cứu hiệu chỉnh các yếu tố ảnh hưởng đến cắt lớp file STL

- Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố cắt lớp và đường kín đầu đùn đến chất lượng bề mặt

 Phương pháp nghiên cứu:

 Phương pháp tổng quan tài liệu:

- Các tài liệu liên quan đến sai số động học, xử lý file STL

- Các tài liệu liên quan đến hiệu chỉnh, nâng cao độ chính xác chi tiết FDM

 Phương pháp nghi n c u lý thuyết:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hiệu chỉnh máy gia công

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xử lý file STL

- Nghiên cứu các bài báo nói về hiệu chỉnh (calip) máy gia công và xử lý file dữ liệu STL

 Phương pháp nghi m c u thực nghiệm:

- Thực nghiệm đối với hệ thống hiện có tại PTN

- Đánh giá phương pháp sử dụng

Ý g ĩa k oa ọc của luậ vă : Xây dựng được quy trình calip máy cũng

như mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng của sản phẩm

Ý g ĩa t ực tiễn của luậ vă : Hiện nay, công nghệ tạo mẫu nhanh dần dần

trở thành công nghệ chủ đạo trong các lĩnh vực khoa học, khuân mẫu, thiết kế xây dựng, mô phỏng mô hình, y học, giải trí…Do đó, nâng cao độ chính xác của phương pháp tạo mẫu nhanh FDM đang là nhu cầu thiết yếu đối với ngành công nghiệp in 3D Việc nâng cao chất lượng bề mặt, cũng như độ chính xác của máy tạo mẫu nhanh FDM có ảnh hưởng quan trọng trong ngành công nghiệp khuôn mẫu, cũng như các ngành y học của đất nước và cũng là của thế giới

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH

XÁC MÁY FDM

Theo chúng ta biết, tất cả các hệ thống cơ khí sau khi thiết kế, gia công chế tạo

và lắp ráp luôn luôn xuất hiện các sai số, sai số có thể phát sinh từ khâu gia công, khâu lắp ráp cho nên vấn đề tìm hiểu và đưa ra các phương pháp để khắc phục sai

số hoặc giảm tối thiểu sai số luôn là vấn đề cần thiết Ngoài những sai số trên, đối với máy FDM còn có thêm các sai số khác như sai số file STL, sai số quá trình cắt lớp, sai số công nghệ, sai số điều khiển… Đo đó, để đưa ra được phương pháp nâng cao độ chính xác của hệ thống FDM ta cần phải nghiên cứu ảnh hưởng của các sai

số đến quá trình tạo mẫu chi tiết

2.1 Nguyên lý tạo mẫu nhanh FDM:

Mô hình Cad 3D (dạng mặt hoặc khối) được thiết kế trên máy tính sẽ được xuất sang định dạng STL (dạng xấp xỉ bề mặt lưới tam giác), sau đó file STL được

xử lý cắt lớp xuất dữ liệu sang máy FDM để xây dựng tạo mẫu chi tiết đã thiết kế

Quy trình được trình bày trên Hình 2 1

Hình 2 1 Quy trình tạo mẫu nhanh

Máy tạo mẫu FDM sẽ đùn từng lớp, từng lớp với chiều dày đã được cắt lớp từ phần mềm cắt lớp, quy trình sẽ hoàn tất khi chi tiết được xây dựng đến lớp cuối cùng

Hình 2 2 Nguyên lý xây dựng từng lớp (layer by layer)

Quá trình đùn là quá trình vật liệu nóng chảy (trạng thái dẻo) được đùn ra thông qua đầu đùn, đầu đùn được di chuyển theo hai trục X và Y tạo nên biên dạng theo biên dạng cắt lớp, sau đó vật liệu sẽ bị nguội nhanh và cứng lại Khi một lớp được phủ hoàn thành trên mặt phẳng thì đế di chuyển xuống phía dưới một lớp bàng với chiều dày căt lớp và quá trình được lặp lại cho đến khi tạo xong sản phẩm

 Đặc điểm công nghệ tạo mẫu nhanh FDM:

Trong các công nghệ tạo mẫu nhanh hiện nay, công nghệ FDM đang được sự quan tâm nhiều bởi các đặc tính công nghệ như:

(A) Vật liệu tạo mẫu đa dạng: Công nghệ FDM sử dụng nguồn vật liệu gần

gũi, không ảnh hưởng đến sức khỏe với con người, hầu hết các loại vật liệu nhiệt dẻo như nhựa, sáp, nylon, caosu… đều có thể sử dụng đối với công nghệ đùn ép FDM Đo đó, đây là đặc điểm làm cho công nghệ FDM được quan tam nhiều nhất

(B) Thiết bị tạo mẫu đơn giản, chi phí thấp: Quá trình tạo mẫu nhanh FDM

sử dụng nguyên lý gia nhiệt để vật liệu dẻo và sau đó đùn vật liệu để tạo hình cho nên nó không giống như công nghệ SLA, LOM, SLS phải sử dụng nguồn laser để thêu kết vật liệu cho nên nguồn nhiệt FDM không gây hại đối với con người khi sử dụng Thiết bị tạo mẫu hoạt động đơn giản chỉ là một hệ thống vận hành 3 trục trong không gian và đầu gia nhiệt cho nên việc bảo dưỡng, bảo trì tương đối dễ dàng

(C) Quá trình tạo mẫu không ảnh hưởng đến môi trường: Công nghệ tạo

mẫu nhanh FDM sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo không độc, không mùi khó chịu,

do đó không gây ô nhiễm môi trường xung quanh Thiết bị hoạt động tạo ra ít tiếng

ồn

(D) Thích ứng với hệ thống máy tính để bàn và máy công nghiệp Rapid Prototyping: Phần mềm cắt lớp và phần mềm điều khiển chạy trên nền Window

Mirosoft cho nên điều tương thích với tất cả các hệ thống máy tính văn phòng hoặc

cá nhân, không sử dụng những máy tính chuyên dùng, yêu cầu cao về xử lý

Từ những đặc điểm vượt trội hơn so với những công nghệ tạo mẫu nhanh khác, thì công nghệ FDM hoàn toàn phù hợp với xu hướng phát triển bền vững trên thế giới

Tuy nhiên, đối với công nghệ tạo mẫu FDM, hầu hết các chi tiết tạo ra đều bị hạn chế bởi độ nhám đạt được sau khi hoàn thành quá trình tạo mẫu, độ chính xác chi tiết phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như chiều dày cắt lớp, quá trình đùn,

độ chính xác máy tạo mẫu Do đó, để đạt được độ chính xác và độ nhám theo mong muốn thì cần phải thực hiện thêm một số nguyên công gia công tinh, xử lý bề mặt như sử dụng hóa chất, sử dụng phương pháp nguội

2.2 Khái quát các sai số máy FDM:

Tổng hợp các nghiên cứu của nhiều tác gia trên thế giới và trong nước, các sai

số của máy FDM được trình bày theo sơ đồ xương cá như Hình 2 3 Các sai số

được phân thành từng nhóm lớn, và trong các nhóm có các yếu tổ ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống tạo mẫu FDM Độ chính xác ở đây được quan tâm là độ chính xác về kích thước và độ nhám về mặt của chi tiết tạo thành từ máy FDM

Độ chính xác máy FDM Động học

Sai số do lắp ráp Rung động

Sai số chuyển động

Tính chất

Cấu trúc

Biến dạng Phình

Thông số công nghệ

Vận tốc Nhiệt độ

Áp suất

Lực đùn

Sai số chuyển định dạng

Hình 2 3 Các sai số ảnh hưởng chất lượng sản phẩm FDM 2.3 Sai số động học của máy tạo mẫu nhanh FDM:

 Xác định các sai số trên máy FDM:

Trong công nghệ tạo mẫu nhanh FDM, ta thấy nguyên lý di chuyển tạo hình của máy FDM tương tự như các máy CNC và các máy đo tọa độ CMM, chúng đều thực hiện chuyển động trên 3 trục X-Y-Z do đó, từ những tài liệu của các tác giả H Schwenke [9], Dr sc ETH Z¨ urich [10], Gyula Hermann [11]…về sai số động học của máy 3 trục ( three asix) ta có các sai số động học của hệ thống máy FDM

2.3.1 Sai số chuyển động:

Sai số này là do sai số chuyển động tương đối giữa máy FDM và chi tiết đang được tạo hình

Hình 2 4 Mô tả các sai số động học theo bậc tự do

Các sai số chuyển động của máy FDM được chia ra thành hai nhóm chuyển động theo bậc tự do của hệ thống 3 trục là: ba sai số do chuyển động tính tiến và ba

sai số do chuyển động quay quanh trục như Hình 2 4

Trong đó, đối với một chuyển động tịnh tiến sẽ có sáu thành phần gây ra sai số

vị trí là: hai sai số chuyển động thẳng, hai sai số chuyển động quay và hai sai số chuyển động nghiêng, được gọi sai số bước chuyển động và sai số nghiêng đối với trục ngang Các sai số tịnh tiến không có tính chất tuyến tính; do đó các sai số do

định hướng (ví dụ như vuông góc và song song ), Hình 2 5 mô tả các thành phần

của sáu sai số cho một chuyển động ngang Z

Hình 2 5 Sáu thành phần gây sai số đối với 1 trục Z

Cho nên, đối với một máy tạo mẫu nhanh FDM, với 3 trục tịnh tiến trong không gian sẽ ứng với 18 sai số được thể hiện Bên cạnh đó do các tham chiếu 3 trục trong không gian là 3 trục vuông góc với nhau sẽ có thêm 3 sai số vuông góc của từng trục với nhau Kết luận lại, đối với sai số chuyển động của một hệ thống 3 trục có 21 biến số ảnh hưởng đến sai số động học của chi tiết FDM

Yaw

Để xác định các sai số này, cần phải xác định được phương trình hồi quy của

độ chính xác của chi tiết sao khi gia công, từ đó ta tìm được giá trị của các thông số này [12]

2.3.2 Sai số vị trí:

Sai số vị trí được xác định là độ lệch giữa vị trí mong muốn và vị trí máy đạt được Ví dụ như sai số song song hoặc vuông góc giữa hai trục chuyển động tuyến tính hay giá trị bù của một trục quay từ vị trí danh nghĩa của nó trong hệ tọa độ tương ứng Điều đó có nghĩa là chúng có thể được mô tả bởi một tham số (mặc dù

độ lệch từng thông số gây ra trong không gian có thể phụ thuộc vào từng vị trí)

 Sai số vị trí c a các trục thẳng (Location errors of linear axes)

Hình 2 6 Sai số vị trí của trục thẳng

Ví dụ các sai số vị trí của trục Z có thể được nhìn thấy trong Hình 2 6 Ba sai

số vị trí của trục Z theo [10]:

- Vị trí Zero: Z0Z

- A0Z: góc vuông của Z với trục Y của hệ thống tọa độ

- B0Z: góc vuông của Z với trục X của hệ thống tọa độ

2.3.3 Sai số do lắp ráp:

Nguyên lý làm việc của hệ thống tạo mẫu nhanh FDM giống như hoạt động của máy CNC (Computer Numberical Control) Do đó, khi lắp ráp hệ thống 3 trục cần phải kiểm tra độ vuông góc của các trục với nhau, và độ song song của bàn máy

so với mặt phẳng làm việc OXY Máy Vina FDM 2015 được nhóm nghiên cứu thiết

kế, chế tạo và lắp ráp tại phòng thí nghiệm Đo lường Khoa Cơ khí, Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM Trong quá trình lắp ráp, do dung sai chế tạo các chi tiết khi gia công và dung sai lắp ghép khi lắp các cụm máy lên hệ thống FDM thì vấn đề xuất hiện các sai số do quá trình lắp ráp là không thể tránh khỏi, do đó, sau khi lắp đặt hoàn chỉnh tất cả các chi tiết lên hệ thống máy thì tác giả và nhóm nghiên cứu

đã tiến hành hiệu chỉnh lại các sai số về độ vuông góc các trục dẫn hướng của máy Quá trình kiểm tra được thực hiện trên thiết bị đồng hồ so điện tử Mitutoyo kết hợp với Eke chuẩn vuông góc Theo công bố của các hãng thương mại công nhệ tạo mẫu nhanh FDM hiện nay như Stratasys thì độ chính xác kích thước sản phẩm của máy FDM các hãng có thể đạt được là từ 0.09-0,0015mm, ngoài ra do độ chính xác đặt ra lúc thiết kế máy Vina FDM 2015 cần đạt là 0.05mm thì việc sử dụng đồng hồ

so điện tử để kiểm tra độ vuông góc là chấp nhận được

Kết quả kiểm tra độ vuông góc và kết quả hiệu chuẩn độ vuông góc các trục trong quá trình lắp ráp máy Vina FDM 2015 như sau:

 Sử dụng Eke với thông số như sao:

o Độ vuông góc cạnh ngoài: ┴ 0,012/100 mm

o Độ vuông góc cạnh trong: ┴ 0,009/100 mm

 Kiểm tra và điều chỉnh độ vuông góc của trục X và trục Y:

Kiểm tra độ vuông góc của của hai trục trong mặt phẳng OXY, ta tiến hành gá đồng hồ so trên đồ gá đầu đùn, lắp thướt Eke lên bàn máy sao cho cạnh dài của Eke

song song với trục Y theo Hình 2 7, vì theo nguyên lý thiết kế chuyển động hệ thống Vina FDM 2015 là trục Y sẽ mang toàn bộ hệ thống trục X di chuyển (Hình

2 7), do đó ta sẽ hiệu chỉnh trục X theo trục Y (cố định trục Y và hiệu chỉnh trục X

bằng cách thay đổi vị trí các khớp nối giữa trục X và con trượt trên trục Y)

Hình 2 7 Sơ đồ gá Eke và đồng hồ so

Sau khi gá đặt Eke có cạnh dài song song với trục Y, ta tiến hành cho đầu đùn mang theo đồng hồ so di chuyển dọc theo trục X với đoạn di chuyển là 100mm từ

X1 đến X2 ( độ song song trục X với cạnh Eke đƣợc tính bằng hiệu hai giá trị đồng

hồ so hiển thị tại X1 và X2) Tiến hành đọc kết quả của đồng hồ so,sau đó, nới lỏng các bu lông xiết tại các gối đỡ để hiệu chỉnh lại độ vuông góc, sao cho giá trị độ vuông góc là nhỏ nhất rồi tiến hành xiết chặt các bu lông tại các gối đỡ Kết quả hiệu chỉnh đƣợc trình bày trên bảng:

Bảng 2 1 Kết quả đo kiểm và hiệu chuẩn độ vuông góc trục X-Y

Lần hiệu

chỉnh Kết quả đo đƣợc (mm)

Độ vuông góc Eke

Độ vuông góc của trục X-Y

Hình 2 9 Kiểm tra độ song song trục Y

Như vậy, sau quá trình kiểm tra và điều chỉnh vị trí trục X nhóm đã xác định

được độ vuông góc của trục X-Y là 0.009/100mm

 Kiểm tra và điều chỉnh độ vuông góc của bàn máy so với trục Z:

Trước khi kiểm tra và hiệu chỉnh độ vuông góc của trục X và Z, cần phải điều chỉnh độ vuông góc của bàn máy so với trục Z, tiến hành gá đồng hồ so lên trục Z, lắp Eke lên bàn máy sao cho 1 mặt Eke tựa vào bàn máy và song song với trục X,

mặt còn lại tựa vào đồng hồ so, tiến hành cho trục Z di chuyển lên và xuống, nếu đồng hồ so lệch ta sẽ hiệu chỉnh xoay bàn máy sao cho giá trị lệch của đồng hồ so là

0 Kết thúc quá trình điều chỉnh độ vuông góc bàn máy so với trục X theo phương

X Tiếp tục thực hiện đối với phương Y, ta gá Eke sao cho cạnh dàu tựa lên bàn máy và song song với trục Y, tiến hành cho đầu đùn di chuyển dọc theo trục Z để tiến hành điều chỉnh độ vuông góc bàn máy theo trục Y

 Kiểm tra và điều chỉnh độ vuông góc của trục X và trục Z:

Tương tự việc kiểm tra và hiệu chỉnh độ vuông góc trục X-Y, nhưng trường hợp này ta sẽ sử dụng bàn máy là trục chuẩn, trục Z là trục điều chỉnh, tiến hành gá

Eke như Hình 2 10, sau đó cho đầu đùn mang đồng hồ so d chuyển theo trục X,

nếu có sai lệch trên đồng hồ so thì ta phải điều chỉnh vị trí trục Z sao cho sai lệch trên đồng hồ so là 0 Điều chỉnh trục Z đến khi nào giá trị sai lệch trên đồng hồ so là

0 thì ta khóa các bu lông xiết chặc trục Z lại, quá trình điều chỉnh xem như là hoàn tất

Hình 2 10 Kiểm tra độ song song của trục X so với bàn máy

Sau khi khóa các bu long xiết định vị các trục, ta tiến hành kiểm tra lại độ

vuông góc của các trục theo Hình 2 11 và được kết quả: độ vuông góc hai trục X-Z

là 0,02/100 mm

Hình 2 11 Kiểm tra độ vuông góc trục Z so bàn máy

 Kiểm tra và điều chỉnh độ vuông góc của trục Y và trục Z:

Quá trình kiểm tra và điều chỉnh độ vuông góc của trục Y-Z được thực hiện tương tự như trục X-Z Sau khi kiểm tra và điều chỉnh ta thu được kết quả độ vuông góc truc Y-Z là 0,07 /100mm

Hình 2 12 Hình kiểm tra độ song song trục Y so với bàn máy

Hình 2 13 Kiểm tra độ vuông góc trục Z so bàn máy Kết luận: Sau khi tiến hành căn chỉnh độ vuông góc và sai lệch vị trí của các

trục trên hệ thống, ta xác định được sai số lắp ghép vuông góc các trục trên máy tạo mẫu FDM với độ vuông góc của các trục tương ứng trên bảng kết quả bên dưới

- Độ vuôn góc trục X-Y: 0.009/100mm

- Độ vuông góc trục X-Z: 0.02/100mm

- Độ vuông góc trục Y-Z: 0.07/100mm

2.4 Sai số file STL:

2.4.1 Sai số thiết lập file STL:

STL là định dạng tập tin được sử dụng cho phương pháp tạo mẫu nhanh, cho phép chuyển dữ liệu mô hình CAD sang một định dạng tập tin mà máy tạo mẫu nhanh sử dụng để chia lớp và thực hiện tạo mẫu chi tiết 3D Theo tài liệu [13] định dạng STL sẽ được thiết lập các thông số sau:

 Các thông số thiết lập đối với file STL:

Chiều cao dây cung (Chordal Tolerance): là khoảng cách lớn nhất giữa bề

mặt thực và bề mặt xấp xỉ của tập tin STL Hình 2 14

Hình 2 14 Các thông số thiết lập file STL

Thông số này ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác của mô hình CAD sau khi chuyển sang định dạng lưới tam giác STL Ví dụ: đối với một cung tròn thì khi thay đổi giá

trị chiều cao dây cung thì biên dạng cung tròn sau khi xấp xỉ sẽ thay đổi như

Hình 2 15

Hình 2 15 Biên dạng thay đổi ứng với chiều cao dây cung

Tương ứng đối với khối cầu, khi thay đổi giá trị chiều cao dây cung thì bề mặt

xấp xỉ sẽ thay đổi như Hình 2 16

Hình 2 16 Bề mặt xấp xỉ thay đổi khi thay đổi chiều cao day cung đối với

khối cầu có đường kính 30mm

Do đó, vấn để xác định giá trị chiều cao dây cung cho phù hợp với độ chính xác cần đặt ra để cho cấu trúc dữ liệu là nhỏ nhất, và độ chính xác xấp xỉ càng đạt được theo yêu cầu cần phải tiến hành thực nghiệm trên hệ thống để có được bộ thông số chiều cao dây cung phù hợp

Góc điều khiển (Angle Control): góc điều khiển ảnh hưởng đến lưới tam

giác của đường cong, bán kính so với kích thước tổng thể của mô hình CAD Góc này ảnh hưởng đến quá trình xử lý các dữ liệu điểm trong cắt lớp

(Dạng tập tin STL) Type of exported STL file: tập tin STL được định dạng

thông thường là loại nhị phân Binary hoặc dạng ASCII

Tập tin STL đại diện cho bề mặt của mô hình CAD, nó là tập hợp các tam giác

xấp xỉ được thể hiện Hình 2 14 Khi chuyển đổi tập tin mô hình CAD sang

tập tin định dạng STL thì cần thiết lập 2 thông số cơ bản là chiều cao dây cung và góc điều khiển

2.4.2 Sai số khi chuyển định dạng từ mô hình CAD sang STL:

Tập tin CAD được thiết kế trên các phần mềm chuyên dùng hoặc từ công nghệ thiết

kế ngược (Rapid form) được chuyển đổi sang định dạng STL sẽ gặp các sai số phát sinh do quá trình cài đặt thông số định dạng file STL Theo tài liệu [13] thì những sai số khi chuyển đổi như sau:

- Sai số khoảng cách mặt cong và lưới tam giác (Tessellation generation

error):, thể hiện như hình Hình 2 17a sai số này gây ra bởi giá trị cài đặt

chiều cao dây cung (chordal tolerance), các bề mặt cong của chi tiết 3D sẽ được xấp xỉ thành các mặt tam giác với giá trị chiều cao dây cung được thiết lập trong quá trình chuyển đổi định dạng file

- Sai số do xấp xỉ dư hoặc thiếu biên dạng (Convex boundary error ) thể

hiện Hình 2 17b sai số này do quá trình xấp xỉ cung với các biên dạng khác

nhau, tại những vị trí đỉnh giới hạn của chi tiết sẽ bị mất đi hoặc những phần lõm sẽ bị thêm vào bởi cạnh của tam giác xấp xỉ

- Sai số các vector chỉ phương (Flipped normal): sai số này xuất hiện bởi

thông số góc điều khiển, khi chuyển đổi định dạng sang sấp xỉ tam giác, tập

tin dữ liệu chủ yếu là các đỉnh của các tam giác nội suy, cho nên vấn đề sai

số bởi vector chỉ phương sẽ xuất hiện, sai số này gây ảnh hưởng đến quá trình xử lý dữ liệu cắt lớp Quá trình xử lý dữ liệu gặp khó khăn khi các vector chỉ phương bị đổi chiều, làm cho quá trình cắt lớp không phân biệt được những bề mặt trong hay bề mặt ngoài của một chi tiết

- Sai số trùng cạnh của tam giác (More than two triangles per edge

(mid-line nodes): được thể hiện Hình 2 17c , sai số này sẽ làm cho quá trình cắt

lớp không nhận dạng được cạnh của tam giác nội suy, dẫn đến quá trình cắt lớp bị lỗi hoặc nhận dạng sai các cạnh của tam giác xấp xỉ

- Sai số do phần cứng (Truncation errors): sai số này chủ yếu do phần cứng

của hệ thống máy tính xử lý, đó là sai số cố định và không thể can thiệp được, nhưng mức độ ảnh hưởng của sai số này lên độ chính xác của file chuyển đổi là không đáng kể

- Những sai số khác (Other errors): sai số do chương trình chuyển đổi từ file

CAD sang STL …

Hình 2 17 Các sai số khi chuyển sang file STL

Vấn đề hiệu chỉnh để thiết lập được một file chuyển đổi STL là vô cùng phức tạp, cần phải có quá trình nghiên cứu dựa trên thực nghiệm để đạt được độ sai số khi chuyển đổi là nho nhất Việc lựa chọn các thông số chuyển đổi để các tam giác xấp xỉ một mặt cong là tốt nhất, mịn nhất và giá trị dữ liệu (dung lượng) file là nhỏ nhất Như vậy việc xấp xỉ một mặt cong từ nhiều tam giác nhỏ để có được một mặt cong trơn, chính xác nhưng mặt khác sẽ gặp khó khăn về vấn đề xử lý dữ liệu trên các phần mềm CAD hoặc gặp khó khăn cho một số máy tính

Do đó, để giảm thiểu tối đa các sai số khi chuyển đổi dữ liệu từ CAD sang STL thì việc sử dụng các phần mềm chuyên dùng là điều cần thiết, nhưng vấn đề hiệu chuẩn, chỉnh sửa các dữ liệu đòi hỏi người sử dụng phần mềm cần phải có nhiều kinh nghiệm và tốn nhiều thời gian tiếp cận hơn Các sai số nhỏ có thể được điều chỉnh tự động bằng phần mềm chuyên dùng, nhưng những sai số lớn phải được sửa chữa bằng tay

2.4.3 Sai số nội suy từ dữ liệu đám mây:

Sai số này thưởng chủ yếu xảy ra trong quá trình thiết kế ngược, dữ liệu đám mây điểm được thu thập bằng nhiều phương pháp như quét lazer, quét camera, tay

đo biên dạng…để từ đó xây dựng lại bề mặt chi tiết Trong quá trình chuyển đổi dữ liệu từ các tập hợp đám mây điểm sang dạng tam giác xấp xỉ bề mặt chi tiết, với các thông số thiết lập về chiều cao dây cung, giá trị góc điều khiển, chiều dài dây cung… thì sẽ xãy ra các sai số trong quá trình xấp xỉ ngược lại bề mặt quét

Hình 2 18 Quá trình xấp xỉ dữ liệu điểm nội suy tam giác

Những sai số xuất hiện là do quá trình loại bỏ những điểm thừa được lấy từ dữ liệu đám mây điểm hoặc do quá trình bổ sung những điểm trống trên một cung bất

kỳ để nội suy lại bề mặt cần quét

2.5 Sai số cắt lớp:

2.5.1 Sai số cắt lớp theo chiều dày Z:

Do các phương pháp RP đều tạo hình theo từng lớp vì vậy biên dạng mô hình

CAD theo phương Z được xấp xỉ bằng đường bậc thang như Hình 2 19

Hình 2 19 Sai số xấp xỉ cung tròn bằng đường bậc thang

Sai số này quyết định bởi giá trị chiều dày cắt lớp, cần xây dựng mối quan hệ giữa chiều dày cắt lớp, độ chính xác và thời gian tạo mẫu để tùy vào những ứng dụng cụ thể Nếu chọn đường cắt lớp quá lớn thì thời gian xây dựng tạo mẫu sẽ ngắn lại, khi đó độ chính xác theo hướng cắt lớp sẽ giảm, có thể gây ra sai số biên

dạng hình học Hình 2 20 [14] thể hiện sai lệch do hiệu ứng bậc thang khi lựa chọn chiều dày lớp cắt khác nhau

Hình 2 20 Sai lệch biên dạng khi chọn cắt lớp khác nhau

Ngoài ra, chiều dày cắt lớp còn gây ảnh hưởng đến hình dạng chi tiết, sai số

này được thể hiện trong Hình 2 21 [14]

Hình 2 21 Sai số quá trình cắt lớp Z

Việc đánh giá sai số đường bậc thang thực hiện bằng cách thay thế đường cong giao tuyến trên mặt phẳng chứa trục Z cắt mô hình CAD bằng những cung tròn Ta sẽ sử dụng các cung tròn để đánh giá sai số đường bậc thang xấp xỉ Sai số

xấp xỉ cung tròn bằng đường bậc thang được minh hoạ trên Hình 2 19 và dựa vào

Từ Hình 2 19 ta tính l như sau:



cos2

2

2 a ar r