Nghiên cứu thiết kế máy tách vật liệu đỡ từ mẫu trong công nghệ fdm

Khác với công nghệ truyền thống là tách vật liệu, bản chất của công nghệ tạo mẫu nhanh là tạo hình và gia công các mô hình, các chi tiết sản phẩm trên cơ sở bồi đắp và dính kết vật liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HỒNG THÁI

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY TÁCH VẬT LIỆU ĐỠ

TỪ MẪU TRONG CÔNG NGHỆ EDM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

MÃ NGÀNH : 60 52 04

NĂM 2014

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP

HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Thái Thị Thu Hà

Cán bộ chấm nhận xét 1: ……… ………

Cán bộ chấm nhận xét 2: ……… ………

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

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 … ………

2 … ………

3 … ………

4 … ………

5 … ………

Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp HCM, ngày tháng năm 20…

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY TÁCH VẬT LIỆU ĐỠ TỪ

MẪU TRONG CÔNG NGHỆ FDM

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Tìm hiểu về vật liệu trong công nghệ FDM

Tìm hiểu về ứng dụng sóng siêu âm trong việc tách vật liệu

Tìm hiểu về nguyên lý tách vật liệu bằng sóng siêu âm

Cơ sở lựa chọn đầu phát siêu âm

Tính toán thiết kế biến áp cho mạch dao động sóng siêu âm

Thiết kế máy thể tích 4 lít

Nghiên cứu thực nghiệm máy

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 24/06/2013

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 22/11/2013

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ

( Họ tên và chữ ký) ( Họ tên và chữ ký) ( Họ tên và chữ ký)

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 và thầy PGS.TS Đặng Văn Nghìn đã tận tình hướng

dẫn cũng như hỗ trợ và giúp đỡ em vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Em cũng xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã hết lòng hỗ trợ và động viên em trong những lúc khó khăn khi thực hiện luận văn này Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến anh NCS Nguyễn Khoa Triều, cựu sinh viên cao học của trường ĐHBK-HCM đã hỗ trợ em rất nhiều trong việc tìm kiếm tư liệu để hoàn thành luận văn này

Em cũng xin được gởi lời cảm ơn đến:

– Ban giám hiệu trường Đại Học Bách Khoa TPHCM

– Quý thầy, cô khoa cơ khí trường ĐHBK

– Quý thầy, cô phòng quản lý sau đại học trường ĐHBK

Cuối cùng, em xin gởi lời cảm ơn đến các bạn đồng nghiệp, các bạn lớp cao học công nghệ chế tạo máy K2011 của trường ĐHBK đã có những ý kiến đóng góp cho em trong thời gian thực hiện luận văn này

TP Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 11 năm 2013

NGUYỄN HỒNG THÁI

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Những năm gần đây, công nghệ tạo mẫu nhanh đã và đang là xu hướng phát triển vượt bậc trong thời đại khoa học kỹ thuật của thế kỷ thứ XXI Những sản phẩm tạo ra ngày càng được ứng dụng đa dạng và phong phú Giúp cải thiện được rất nhiều chi phí trong việc chế tạo mẫu thử, tạo tiền đề cho việc nghiên cứu phát triển sản phẩm một cách tối ưu nhất Đặc biệt trong đó có công nghệ FDM ngày một phát triển, việc tạo mẫu cũng đòi hỏi những yêu cầu cao, cả về hình dáng lẫn chất lượng

Công nghệ FDM có nhiều ưu điểm và ứng dụng vượt trội so với một số phương pháp chế tạo mẫu nhanh khác, giá thành rẻ và chất lượng cao, vì có sử dụng thêm vật liệu đỡ, để tạo ra những chi tiết phức tạp hơn, thành mỏng hơn những phương pháp khác Công nghệ FDM có thể tạo ra những chi tiết với những biên dạng vô cùng phức tạp, nhưng để loại bỏ được lớp vật liệu đỡ của sản phẩm lại là một vấn đề rất khó khăn Để đáp ứng được yêu cầu đó, cần phải có một quy trình và công nghệ tách vật liệu đỡ

Hiện nay, ngành công nghệ FDM đã đi đến một bước phát triển rất cao, nó mang lại nhiều lợi ích cho ngành nghiên cứu phát triển sản phẩm Việc tạo ra một mẫu sản phẩm phức tạp không còn là vấn đề khó khăn đối với các doanh nghiệp hiện nay Nhưng để có một mẫu đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật như độ bóng bề mặt, độ phức tạp của mẫu không phải là điều đơn giản Ngoài công đoạn tạo mẫu nhanh bằng phương pháp in 3D, việc xử lý mẫu, loại bỏ những phần vật liệu dư thừa, là một thách thức cho đến ngày nay

Luận văn đưa ra một cái nhìn tổng quan về công nghệ FDM, những vấn đề liên quan đến vật liệu, đến quá trình xử lý mẫu Từ những phương pháp thủ công đến phương pháp hiện đại nhất hiện nay Luận văn nghiên cứu về ứng dụng sóng siêu âm trong việc tách vật liệu đỡ của sản phẩm FDM Vật liệu sẽ được làm mềm bằng dung môi sau đó nhờ sóng siêu âm kích thích, quá trình xử lý sẽ diễn ra nhanh hơn, chất lượng mang lại tốt hơn những phương pháp khác Chế tạo mô hình để kiểm nghiệm thực tế để nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá các kết quả đạt được

ABSTRACT

Over the recent years, Rapid Prototyping Technology has been top developing tendency in the era of the twentieth century’s science and technology The products are increasingly applied plentifully and diversely helping improve cost efficiency in making tentative samples It also makes a premise for researching and developing products optimally In particular, the Fused Deposition Modeling (FDM) technology is developing every day and modeling requires high demands in term of both appearance and quality

comparison with other rapid prototyping, of competitive price and high quality because of using a support material in order to create more sophisticated details and thinner edges than other technology The FDM technology can create details of very sophistications, however, it is very difficult to remove support material of the product So as to meet that requirement, it needs to have a process and removal support material technology of FDM’s products

Nowadays, the FDM technology has made a great stride and brought about many benefits for research and development of products Now, It is no longer difficult for businesses to make up a complicate sample Nevertheless, so as to have

a sample meeting technical requirements such as surface finishing and complication

of sample is not simple, besides the step of modeling by 3D Printing method, finish processing and removal support material of sample parts is a challenge of today The thesis has given out an overview on FDM technology, ranging from problems relating to material, finish processing background From the handmade methods to the latest modern ones The thesis covers the research of ultrasonic apply for the removal support material of FDM Parts The material will be soluble

by solvent then stimulated by Ultrasonic waves and the processing will soon take places and quality is better than other methods Model making is used for practical experience to do an empiric research and evaluate the outcomes

LỜI CAM KẾT

Tôi tên: NGUYỄN HỒNG THÁI

Học viên lớp: cao học công nghệ chế tạo máy K2011

Mã số học viên: 11044550

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, thiết kế máy tách vật liệu đỡ từ mẫu trong công nghệ FDM” dưới sự hướng

dẫn của PGS.TS Thái Thị Thu Hà từ ngày 24/06/2013 đến 22/11/2013

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, 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 Hồng Thái

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iv

LỜI CAM KẾT vi

MỤC LỤC 1

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT TRONG THUYẾT MINH 4

HÌNH ẢNH DÙNG TRONG THUYẾT MINH 5

CÁC BẢNG BIỂU DÙNG TRONG THUYẾT MINH 8

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 9

1.1 Giới thiệu chung về các công nghệ tạo mẫu nhanh 9

1.1.1 Khái niệm công nghệ tạo mẫu nhanh 9

1.1.2 Tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh 10

1.2 Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh FDM 11

1.2.1 Khái niệm công nghệ tạo mẫu nhanh FDM 11

1.2.2 Chức năng và ưu điểm của công nghệ tạo mẫu nhanh FDM 12

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 13

1.4 Mục tiêu của luận văn 14

1.5 Nội dung thực hiện của luận văn 15

1.6 Phương pháp nghiên cứu 15

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 16

2.1 Tổng quan về các nghiên cứu trong nước và nước ngoài .16

2.2 Các phương pháp tách vật liệu đỡ từ mẫu của công nghệ FDM 20

2.2.1 Phương pháp thủ công 20

2.2.2 Phương pháp thủ công kết hợp hóa chất 20

2.2.3 Phương pháp kết hợp hóa chất hòa tan và sóng siêu âm 21

2.3 Vật liệu trong công nghệ tạo mẫu nhanh FDM 22

2.3.1 Vật liệu mẫu 22

2.3.2 Vật liệu đỡ 31

2.4 Dung môi làm mềm vật liệu đỡ 34

2.5 Một số loại máy làm sạch thương mại hóa trên thị trường thế giới 36

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 39

3.1 Nguyên lý và cơ chế tách vật liệu bằng sóng siêu âm 39

3.1.1 Nguyên lý tách vật liệu đỡ khỏi mẫu bằng sóng siêu âm 39

3.1.2 Cơ chế tách vật liệu đỡ của mẫu FDM bằng sóng siêu âm 40

3.2 Tổng quan sóng siêu âm 42

3.2.1 Định nghĩa sóng siêu âm 42

3.2.2 Phân loại sóng siêu âm 43

3.2.3 Các đặc tính kỹ thuật của sóng siêu âm 45

3.2.4 Những hiện tượng sóng siêu âm truyền trong dung môi chất lỏng 48

3.2.5 Ảnh hưởng của quá trình Cavitation đến bề mặt vật liệu 52

3.2.6 Các thông số công nghệ trong quá trình tách vật liệu 53

3.2.7 Biến tử siêu âm – Đầu rung siêu âm 57

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách vật liệu bằng sóng siêu âm 60

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY TÁCH VẬT LIỆU ĐỠ TỪ MẪU TRONG CÔNG NGHỆ FDM 62

4.1 Cấu tạo của máy tách vật liệu bằng sóng siêu âm 62

4.2 Chọn phương án thiết kế 63

4.3 Tính toán, lựa chọn các thiết bị cho máy .67

4.3.1 Cảm biến siêu âm – Đầu phát 68

4.3.2 Tính toán, lựa chọn điện trở nhiệt cho máy 69

4.3.3 Tính toán, thiết kế biến áp cho mạch dao động 71

4.3.4 Thiết kế cơ khí bộ gá đỡ cho bể chứa dung môi 74

4.3.5 Thiết kế mạch dao động 75

4.4 Tính toán khoảng cách giữa các cảm biến siêu âm và mẫu để hiệu suất đạt tối ưu 82

4.5 Nguyên lý hoạt động của máy 85

CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 87

5.1 Mục đích thực nghiệm 87

5.2 Máy thực nghiệm 87

5.3 Mẫu thực nghiệm 87

5.4 Dung dịch thực nghiệm 89

5.5 Các thông số thực nghiệm 89

5.6 Nghiên cứu thực nghiệm 89

5.7 Nhận xét và kết luận 107

CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ 108

6.1 Kết quả 108

6.2 Hướng phát triển 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110

PHỤ LỤC 115

TÓM TẮT LÝ LỊCH 122

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT TRONG THUYẾT MINH

3D = Three – Dimensional

3DP = Three – Dimensional Printing

CAD = Computer-Aided Design

CAE = Computer-Aided Engineering

CAM = Computer-Aided Manufacturing

FDM = Fused Deposition Modeling

RP = Rapid Prototyping

NC = Number Control

CT = Computer – Assisted Tomography

URI = Magnectic Resonance Imaging

CNC = Computerized Numerically Controlled

RT = Rapid Tooling

EDM = Electrical Discharge Machining

MRI = Magnetic Resonance Imaging

ABS = Acrylonitrile Butadiene Styrene

PC – ABS = Polycarbonate – Acrylonitrile Butadiene Styrene

ABS – ESD7 = Acrylonitrile Butadiene Styrene – Electrostatic Dissipative 7

ABS – M30 = Bio compatible Acryl onitrile/Butadiene /Styrene

PC – ISO = Polycarbonate – ISO

PE = Polyethylene

PC = Polycarbonate

PPSF/PPSU = PolyphenylSulfone

PP = Polypropylene

PLA = Polylactic Acid

PLGA = Poly Lactic – Co – Glycolic Acid

HÌNH ẢNH DÙNG TRONG THUYẾT MINH

Hình 1.4: So sánh giữa quy trình sản xuất truyền thống và qui trình sản xuất sử

dụng công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

Hình 2.2: Mô hình vật liệu đỡ và vật liệu mẫu trong sản xuất nhanh

Hình 2.3: Quy trình tạo mẫu A: tạo mẫu với vật liệu đỡ; B: ngâm mẫu trong

dùng dịch Clo; C: mẫu hoàn thành

Hình 2.6: Hình ảnh thực tế của dung môi hòa tan Soluble Solvent

Hình 2.7: Máy tách vật liệu đỡ DT3TM của hãng CleanStation

Hình 2.8: Máy tách vật liệu đỡ DT JrTM của hãng CleanStation

Hình 2.9: Máy tách vật liệu đỡ XL PlusTM của hãng CleanStation

Hình 3.1: Dung môi, chi tiết và lớp vật liệu cần tách

Hình 3.2: Lớp dung môi hòa tan trên bề mặt lớp vật liệu

Hình 3.3: Quá trình tách lớp vật liệu bằng bọt khí

Hình 3.5: Lớp vật liệu đã tách, với dung môi chứa vật liệu hòa tan một phần Hình 3.6: Chi tiết sau khi đã hoàn thành quá trình tách vật liệu đỡ

Hình 3.7: Phân loại các loại sóng theo tần số

Hình 3.10: Sóng ngang

Hình 3.11: Sóng gián đoạn

Hình 3.12: Sóng quét thay đổi tần số liên tục

Hình 3.13: Đồ thị biểu diễn dao động của sóng âm

Hình 3.14: Quá trình hình thành dòng bong bóng khí

Hình 3.15: Quá trình kéo, nén và hình thành bọt bong bóng

Hình 3.16: Bong bóng được hình thành trong hiệu ứng Cavitation

Hình 3.17: Quá trình hình thành sóng xung kích – Shockwaves

Hình 3.18: Bề mặt vật liệu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Cavitation

Hình 3.19: Hiệu ứng đám mây Cavitation và hư hại trên bề mặt vật liệu rắn

Hình 3.20: Mối quan hệ giữa tần số và kích thước bong bóng

Hình 3.21: Mối quan hệ giữa tần số, kích thước và mật độ bong bóng khí

Hình 3.22: Quang phổ của công suất âm mô hình ống van, không có hiệu ứng

Cavitation σ = 0,523 và hiệu ứng cativation tại σ = 0,452 và σ = 0,342 Hình 3.23: Mối quan hệ giữa thể tích và công suất đầu phát

Hình 3.24: Cấu tạo của đầu phát siêu âm áp điện

Hình 3.25: Cấu tạo cảm biến từ giảo

Hình 3.26: Mối quan hệ giữa kích thước hạt và hiệu tách vật liệu

Hình 4.1: Sơ đồ khối của hệ thống máy tách vật liệu theo công nghệ siêu âm Hình 4.2: Cấu tạo của bể rửa siêu âm và đầu rung siêu âm gắn dưới đáy bể

Hình 4.6: Điện trở nhiệt dùng cho máy tách vật liệu sử dụng sóng siêu âm

Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý biến áp theo nguyên lý Push – Pull [53]

Hình 4.8: Mối quan hệ giữa mật độ từ thông của lõi thép và tần số

Hình 4.10: Sơ đồ khối mạch khuếch đại công suất

Hình 4.11: Mạch dạo động sóng Sin R-C

Hình 4.12: Mạch dạo động sóng Sin L-C

Hình 4.13: Mạch dao động sóng Sin dạng Colpits

Hình 4.14: Mạch dao động sóng Sin dùng Thạch Anh

Hình 4.15: Sơ đồ khối mạch điều khiển máy phát sóng siêu âm [13]

Hình 4.16: Sơ đồ nguồn và nguyên lý tạo dòng một chiều [13]

Hình 4.17: Sơ đồ nguyên lý tạo dao động Sin [13]

Hình 4.18: Sơ đồ mạch khuếch đại công suất cho tín hiệu đầu ra [13]

Hình 4.19: Sơ đồ mạch khuếch đại công suất đầu phát 40Khz

Hình 4.20: Sơ đồ mạch điều khiển trong máy tách sử dụng sóng siêu âm

Hình 4.21: Cơ sở giao thoa của 2 nguồn phát sóng

Hình 4.22: Mô tả mối quan hệ giữa L và Y

Hình 4.23: Đầu phát sóng siêu âm gắn trên máy

Hình 4.24: Sản phẩm thiết kế máy tách vật liệu bằng sóng siêu âm

Hình 5.7: Mối quan hệ giữa khoảng cách đặt sản phẩm và hiệu suất tách vật

liệu

Hình 5.8 đến 5.61: Các hình ảnh chụp quá trình thực nghiệm trên máy

CÁC BẢNG BIỂU DÙNG TRONG THUYẾT MINH

Bảng 2.1: Đặc điểm của nhựa ABS

Bảng 2.2: Đặc điểm của nhựa ABSi

Bảng 2.3: Đặc điểm của nhựa ABS-M30i

Bảng 2.4: Đặc điểm của nhựa ABS-ESD7

Bảng 2.5: Đặc điểm của nhựa PC-ABS

Bảng 2.6: Đặc điểm của nhựa PC-ISO

Bảng 2.7: Đặc điểm của nhựa PE

Bảng 2.8: Đặc điểm của nhựa PC

Bảng 2.9: Đặc điểm của nhựa ULTEM 9085

Bảng 2.10: Đặc điểm của nhựa PPSF/PPSU

Bảng 2.11: Đặc điểm của nhựa PP

Bảng 2.12: Đặc điểm của nhựa PLA

Bảng 2.13: Đặc điểm của nhựa Epoxy

Bảng 2.14: So sánh các loại nhựa

Bảng 2.15: Tổng hợp một số vật liệu mẫu sử dụng trong sản xuất FDM

Bảng 2.16: Tổng hợp một số vật liệu đỡ được sử dụng trong sản xuất FDM

Bảng 3.1: Một số ứng dụng của các dải tần số sóng siêu âm thông dụng

Bảng 4.1: Quan hệ giữa J theo S2 (điều kiện làm việc liên tục, làm nguội tự

nhiên hoặc dùng cấp cách điện thấp Y hay A Bảng 5.1: Kết quả thực nghiệm về khoảng cách từ mặt đáy đến sản phẩm và

hiểu quả tách vật liệu của máy

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu chung về các công nghệ tạo mẫu nhanh

1.1.1 Khái niệm công nghệ tạo mẫu nhanh

Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping Technology) [1], [5]: là thuật ngữ chung dùng để diễn tả công nghệ liên quan đến việc chế tạo vật thể một cách tự động từ nguồn dữ liệu được thiết kế trên máy tính, bằng phương pháp đắp dần vật liệu theo từng lớp để hình thành nên vật thể 3D Công nghệ tạo mẫu nhanh sẽ làm giảm thời gian chế tạo sản phẩm đáng kể

Khác với công nghệ truyền thống là tách vật liệu, bản chất của công nghệ tạo mẫu nhanh là tạo hình và gia công các mô hình, các chi tiết sản phẩm trên cơ sở bồi đắp và dính kết vật liệu từng lớp với nhau bằng các phương pháp như: xử lý nhiệt, quang, cắt dán, nóng chảy và đông đặc v.v… được mô tả như trên hình 1.1

Hình 1.1: Nguyên lý tạo sản phẩm của tạo mẫu nhanh [4]

Quá trình này nhờ các thiết bị Rapid Rrototyping (viết tắt là RP) cho phép người thiết kế chuyển những dữ liệu CAD 3D thành những mẫu thực một cách nhanh chóng Tùy thuộc vào kích thước và độ phức tạp của mẫu mà thời gian để tạo

ra một mẫu mới mất khoảng từ 3 đến 72 giờ, thậm chí ít hơn Như vậy so với việc tạo mẫu bằng máy truyền thống thường mất từ nhiều tuần đến nhiều tháng để hoàn thành một thiết kế mới thì việc tạo mẫu bằng công nghệ RP nhanh hơn rất nhiều Do mất ít thời gian nên công nghệ RP giúp cho nhà sản xuất nhanh chóng đưa sản phẩm ra thị trường và giảm chi phí sản xuất

Trên thế giới hiện nay có khoảng hơn 30 công nghệ chế tạo mẫu nhanh đang được sử dụng và thương mại hoá Có thể phân chia các công nghệ tạo mẫu nhanh theo ba nhóm công nghệ: công nghệ sử dụng vật liệu dạng bột, công nghệ sử dụng vật liệu dạng lỏng, công nghệ sử dụng vật liệu dạng rắn

1.1.2 Tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh

Công nghệ tạo mẫu nhanh có một vai trò rất quan trọng trong cạnh tranh và phát triển của kinh tế toàn cầu Công nghệ này giúp rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm, giúp chế tạo các sản phẩm với độ phức tạp cao mà các phương pháp gia công truyền thống không thể làm được Nhằm đáp ứng thách thức này, các cơ quan nghiên cứu, các nhà khoa học trên thế giới đã phát minh ra một loạt các phương pháp tạo mẫu nhanh để phát triển các sản phẩm mới và cũng như là mở rộng khả năng ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh vào trong đời sống và sản xuất

Một số ưu điểm chính của công nghệ tạo mẫu nhanh:

- Giúp nhà sản xuất có thể nhanh việc đưa sản phẩm ra thị trường

- Rút ngắn thời gian cũng như là chi phí cho việc thiết kế sản phẩm mới

- Tăng khả năng quan sát chi tiết: nhờ vào sự phát triển vượt bậc của công nghệ máy vi tính, mà chúng ta có thể tạo ra chi tiết 3D một cách nhanh chóng mà không cần phải qua các quy trình chế tạo phức tạp theo phương pháp gia công truyền thống

- Chế tạo được những chi tiết có độ phức tạp cao mà các phương pháp truyền thống khác không thể hoặc khó thực hiện được

- Tăng khả năng tối ưu hóa và phát triển sản phẩm

- Kiểm tra được sự chính xác của các chi tiết

- Phương pháp tạo mẫu nhanh đã tạo một kênh thông tin hiệu quả giữa nhà thiết kế với nhà sản xuất và người tiêu dùng, giữa các nhà thiết kế với nhau, nhằm thỏa mãn tốt nhất nhu cầu và đáp ứng của thị trường

Như vậy với nhiều ưu điểm như trên thì công nghệ tạo mẫu nhanh đã trở thành một phần không thể thiếu trong sự phát triển của kinh tế toàn cầu

1.2 Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

1.2.1 Khái niệm công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

Công nghệ FDM được phát hiện bởi Scott Crump vào năm 1989 và được thương mại hóa đầu tiên vào năm 1992 bởi Stratasys Inc [1]

Hình 1.2: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy FDM 2 đầu phun [5]

Nguyên lý chung của FDM (hình 1.2) là phương pháp tạo mẫu nhanh trên cơ

sở đùn vật liệu theo từng lớp để xây dựng thành mô hình 3D cho sản phẩm Hệ thống này bao gồm tấm đế, đầu phun vật liệu và hệ thống điều khiển Vật liệu dùng

là nhựa nhiệt dẻo được nóng chảy nhờ phần gia nhiệt trên đầu đùn và sau đó được đùn ra qua một lỗ nhỏ ở đỉnh đầu đùn Đầu đùn được truyền động theo hai trục X-Y

và phối hợp với chuyển động của đùn nhựa tạo thành biên dạng 2D cho sản phẩm trên tấm đế Sau một lớp đùn đầu đùn sẽ dịch lên hay tấm đế sẽ dịch xuống theo phương đứng (Z) một lượng bằng lớp cắt và cứ tiếp tục như thế cho tới khi hoàn thành sản phẩm

Hình 1.3: Sản phẩm được tạo ra từ công nghệ FDM

FDM dùng nhựa nhiệt dẻo, theo nguyên tắc xếp lớp để tạo thành biên dạng sản phẩm Đối với những biên dạng mỏng hoặc không có thành đỡ trong quá trình tạo hình, khi vật liệu chưa kịp hóa rắn, có thể gây ra biến dạng hoặc làm sai số biên dạng của chi tiết Công nghệ FDM sử dụng vật liệu đỡ tạm thời gọi là vật liệu đỡ để

đỡ tạm thời các biên dạng tại các vị trí có thể gây ra biến dạng chi tiết Mô hình chi tiết của công nghệ FDM được trình bày như hình 1.3

1.2.2 Chức năng của công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM cho phép chúng ta rút ngắn được nhiều lần quá trình chuẩn bị sản xuất và sản xuất so với các phương pháp truyền thống, quy trình rút gắn các bước công nghệ (hình 1.4)

Qui trình sản xuất truyền thống Qui trình sản xuất sử dụng công nghệ

tạo mẫu nhanh FDM Hình 1.4: So sánh giữa quy trình sản xuất truyền thống và qui trình sản xuất

sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

Không những thế, tạo mẫu nhanh theo phương pháp FDM còn giúp tăng độ linh hoạt, độ phức tạp của sản phẩm đặc biệt là các sản phẩm có kích thước nhỏ Do

đó, phương pháp tạo mẫu nhanh FDM có rất nhiều ưu điểm

a) Ưu điểm của công nghệ tạo mẫu nhanh FDM [3]:

- Không cần nguồn Lazer

- Vật liệu rất đa dạng

- Thân thiện với môi trường sống

Sản xuấtKiểm tra và chỉnh sửa

Thiết kế nhờ máy tính (CAD)

- Chế tạo được những chi tiết có độ phức tạp cao

- Giúp nhà thiết kế chế tạo và đưa sản phẩm tới thị trường nhanh hơn

- Giảm nhiều thời gian và chi phí thiết kế, các chi tiết có thể chỉnh sửa trong quá trình thiết kế

- Tăng khả năng tối ưu hóa và phát triển sản phẩm

- Kiểm tra được độ chính xác của các chi tiết

Như vậy với nhiều ưu điểm trên thì công nghệ tạo mẫu nhanh FDM có một vai trò rất quan trọng để đạt tới sự thành công trong cạnh tranh kinh tế toàn cầu Là cầu nối cho việc sáng tạo khoa học kỹ thuật đặc biệt là trong ngành nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới

là mẫu thuần túy Mà nó còn có thể tạo ra một sản phẩm hoàn chỉnh, với các cơ tính

có thể sử dụng được, tuy theo từng ứng dụng cụ thể Như mới đây nhất, công nghệ FDM đã tạo ra sản phẩm báng súng AK47, robot đồ chơi mô hình, các sản phẩm thời trang dày dép, các bộ phận trên cơ thể con người cũng được sản xuất bằng công nghệ FDM với vật liệu y sinh

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Ngành công nghệ tạo mẫu nhanh nói chung cũng như ngành tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM nói riêng đã phát triển từ những năm 1989 Hơn 20 năm phát triển, lĩnh vực sản xuất nhanh FDM đã có những phát triển vượt bậc so với giai đoạn đầu Sản phẩm do công nghệ tạo mẫu nhanh FDM rất đa dạng và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành: Cơ khí chế tạo, công nghệ xe hơi, ngành công nghệ sinh học, y sinh học,

Những sản phẩm tạo ra từ công nghệ FDM ngày một đa dạng với những biên dạng và đường nét phức tạp, độ chính xác của sản phẩm ngày càng cao Những

thách thức trong quá trình tạo mẫu nhanh chính là công đoạn loại bỏ vật liệu đỡ của mẫu FDM

Với những bề mặt có biên dạng phức tạp, khả năng tách vật liệu đỡ bằng phương pháp thủ công rất khó để đạt được yêu cầu và có thể ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng sản phẩm Trong những năm gần đây, một số công nghệ dùng sóng siêu

âm, hóa chất hòa tan đã được nghiên cứu và ứng dụng rất phổ biến

Ứng dụng công nghệ sóng siêu âm để tách vật liệu đỡ của sản phẩm FDM có những kết quả rất đáng chú ý Nhiều hãng sản xuất FDM trên toàn thế giới đều ứng dụng để tách vật liệu đỡ của sản phẩm FDM

Từ những năm 1999, trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học, các tập đoàn công nghiệp về ứng dụng phương pháp này Việt Nam, công nghệ FDM sử dụng cho việc nghiên cứu, phát triển sản phẩm và rất nhiều công việc khác, cũng chưa phát triển Hầu hết các thiết bị sản xuất FDM và máy tách vật liệu

đỡ của sản phẩm FDM đều được nhập khẩu từ nước ngoài Việc tìm hiểu, nghiên cứu và đưa ra những số liệu kỹ thuật để có thể chế tạo và ứng dụng thực tế, đáp ứng được nhu cầu trong nước là hết sức cần thiết và rất có ý nghĩa

Việc tìm hiểu, nghiên cứu và chế tạo máy tách vật liệu đỡ của mẫu trong công nghệ FDM là một vấn đề đáng quan tâm và rất cần thiết so với nhu cầu thực tế của Việt Nam Bên cạnh đó còn đóng một vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí giá thành cho sản phẩm trong sản xuất

Vì vậy, việc nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế máy tách vật liệu đỡ từ

mẫu trong công nghệ FDM”, nhằm giải quyết một số điểm hạn chế ở trên Mặt

khác, cũng là cơ hội để tìm hiểu thêm về những công nghệ mới của thế giới và các nước khoa học kỹ thuật đang phát triển

1.4 Mục tiêu của luận văn

Mục tiêu của luận văn là:

- Tìm hiểu nguyên lý tách vật liệu đỡ của mẫu trong công nghệ FDM nhờ sóng siêu âm và dung môi hòa tan

- Nghiên cứu, thiết kế máy tách vật liệu đỡ khỏi mẫu FDM

- Chế tạo mô hình để thực nghiệm đánh giá kết quả

1.5 Nội dung thực hiện của luận văn

Để đạt được nội dùng đề ra cần thực hiện những nội dụng:

- Tổng quan về đề tài nghiên cứu

- Giới thiệu công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

- Giới thiệu các phương pháp tách vật liệu đỡ trong sản xuất FDM

- Tìm hiểu về sóng siêu âm và các đầu phát sóng siêu âm

- Thiết kế sơ đồ nguyên lý và sơ đồ động của máy

- Sơ đồ mạch điện và nguyên lý hoạt động

- Thiết kế bản vẽ chi tiết máy

- Chế tạo mô hình máy với kích thước nhỏ có thể hoạt động tốt

- Thực nghiệm, đánh giá kết quả

1.6 Phương pháp nghiên cứu

- Tổng quan tài liệu

- Tìm hiểu thực tế một số mô hình ứng dụng công nghệ sóng siêu âm trong việc tẩy rửa, tách các loại vật liệu khác

- Chế tạo mô hình để tiến hành thực nghiệm

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

2.1 Tổng quan về các nghiên cứu trong nước và nước ngoài

Những nghiên cứu trong nước ứng dụng sóng siêu âm để làm sạch

 Năm 2008, Trung tâm công nghệ vi điện tử và tin học thuộc Bộ Khoa Học và Công Nghệ đã nghiên cứu thiết kế thành công máy rửa vật liệu sử dụng sóng siêu

âm với tần số làm việc có thể điều chỉnh đa tần số từ 10Hz đến 1000Khz, dung tích

bể là 10 lít, công suất là 150W, tần số làm việc của mô hình khoảng 28Khz đến 40Khz, hóa chất kết hợp thường là Natrihydroxit (NaOH), Axit Clohydrit (HCl) Trong nghiên cứu này đã chế tạo thành công mô hình và ứng dụng trong việc rửa sạch các thiết bị y tế với kết quả tốt

 Năm 2012, trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, nghiên cứu thành công mô hình rửa vật liệu khuân mẫu với tần số làm việc cố định 28Khz với hệ thống kết hợp gồm 4 buồng rửa, qua 4 giai đoạn khác nhau Hóa chất dùng trong hệ thống cũng là Natrihydroxit (NaOH), Axit Clohydrit (HCl) nồng độ thấp Hiệu suất làm việc đạt hiệu quả tốt trong việc rửa sạch bề mặt khuôn ép nhựa Nghiên cứu chỉ ra được một

số vấn đề về việc thiết kế mạch dao động, tính toán công suất tối ưu cho máy, thiết

kế bộ nguồn phát sóng siêu âm cho đầu rung

 Năm 2013, Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, nghiên cứu chế tạo thành công mô hình rửa các vật liệu trong phòng thí nghiệm hóa học của trường và rửa sạch khuôn ép nhựa Đề tài nghiên cứu máy với tần số 28Khz, kết hợp một số loại dung môi như Natrihydroxit (NaOH), Axit HCl nồng độ thấp, có thể dùng kết hợp xà bông (bột giặt gia đình) để tăng hiệu năng tạo bọt cho dung môi tẩy Đạt hiệu quả tốt với 2 mô hình dung tích 8 lít và mô hình lớn với dung tích lên đến 100 lít có kết hợp đầu phun nước áp lực để tăng áp lực làm sạch bề mặt

Một số nghiên cứu cơ bản của các trường Đại Học và Viện nghiên cứu trên

cả nước để thấy rằng, ứng dụng siêu âm trong việc tách và rửa vật liệu rất đa dạng,

và phong phú nhưng những nghiên cứu về ứng dụng siêu âm cho việc tách vật liệu

đỡ trong các công nghệ sản xuất nhanh, chưa được nghiên cứu và ứng dụng thực tế

Những nghiên cứu trên thế giới về ứng dụng siêu âm tách vật liệu trên màng lọc

 Từ những năm 1987, nhà khoa học Allen và Shippey đã nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm trong việc tách lớp vật liệu bám trên những màng lọc hóa chất

Họ phát hiện ra rằng, sóng siêu âm có tác dụng tăng khả năng làm sạch và khả năng thẩm thấu trên màng lọc Sóng siêu âm có thể giúp cho các phần tử dung môi hoạt động hỗn độn với tần suất rất cao nhờ tác dụng của sóng siêu âm Sau đó, năm 1999 Allen và Shippey tiếp tục những nghiên cứu này và họ nhận thấy rằng, sóng siêu âm với tần số càng nhỏ (nhưng lớn hơn 20Khz) thì có khả năng tách lớp vật liệu trên bề mặt mạnh hơn

 Busnaina và Gale (1995) cũng chỉ ra được sự kết hợp sóng siêu âm cùng với việc tách vật liệu nhờ sóng siêu âm Các nghiên cứu đã chỉ ra được ảnh hưởng của cường độ sóng với việc tạo bong bóng khí, phụ thuộc vào tần số, kích thước hạt vật liệu cần tách Họ đưa ra kết luận, đối với những tần số quá lớn có thể ảnh hưởng tới hiệu suất tạo bong bóng Việc này sẽ ảnh hưởng tới chất lượng cũng như khả năng tác dụng của sóng siêu âm trong việc tách vật liệu Hãng điện tử Branson cũng đưa

ra được mối quan hệ giữa tần số và kích thước hạt có thể tách được nhờ sóng siêu âm.Những tần số lớn (từ 400Khz đến ~ 1MHz) sẽ tách được các hạt nhỏ và ngược lại, những tần số thấp (từ 20 đến 200Hkz) sẽ tách được các hạt lớn hơn [8]

 Năm 2000, Fan Zhang, Michael A Fury, Shi- Qing Wang [14] thuộc trường đại học Clarkson và Ahmed A Busnaina thuộc công ty AlliedSignal đã nghiên cứu phương pháp tách vật liệu với kích thước hạt latex (dạng như cao su silicone, rất nhỏ từ 0,1 m0,5 m và có khả năng bị biến dạng đàn hồi) bằng phương pháp xoay và ứng dụng sóng siêu âm với tần số rất cao (từ 760Khz đến 820Khz) Kết quả chỉ ra được tác động của tần số sóng siêu âm, nồng độ PH cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo các bọt bong bóng khí Nội dung chủ yếu nghiên cứu về các lực liên kết vật liệu và đưa ra được kết luận, lực có tác dụng trực tiếp tới việc tách vật liệu, chính là lực kéo (tạo ra do mô mem xoắn của trục quay) và tác dụng của sóng siêu âm trong việc tác động gia tăng khả năng tách vật liệu ra khỏi màng

 Năm 2001, nhà khoa học Masselin, sử dụng sóng siêu âm có tần số khoảng 47Khz trong nghiên cứu làm sạch màng lọc, kế thừa những kết quả nghiên cứu của Allen, Shippey và đưa sóng siêu âm ứng dụng trong việc tách ly màng lọc Trong

mô hình lý thuyết kết hợp thực nghiệm, Ông đưa ra được những lý thuyết chứng minh được kích thước bong bóng khí, có tác dụng đến bề mặt của màng lọc Kích thước bong bóng càng lớn, động năng khi vỡ càng mạnh, điều này có thể gây ảnh hưởng tới bề mặt của màng lọc [47]

 Năm 2003, Kobayashi trong nghiên cứu về ứng dụng sóng siêu âm để tách vật bám trên những màng lọc với kích thước nhỏ Kết quả đưa ra cho thấy mật độ năng lượng của đầu phát siêu âm vào khoảng từ 0 đến 5W/cm2 có thể tăng hiệu suất lên đến 200% so với điều kiện không sử dụng kết hợp với sóng siêu âm (Zhu và Liu, 2000) [46]

 Trong nghiên cứu của Ismail Kashkoush và Ahmed Busnaina thuộc trường Đại Học Clarkson, Potsdam, New York đã nghiên cứu việc sử dụng năng lượng sóng siêu âm để tách những hạt siêu nhỏ (cỡ 0,3µm hoặc lớn hơn) trên các bề mặt cứng Nghiên cứu cho thấy rõ, mối liên hệ giữa tần số và kích thước hạt, ảnh hưởng của siêu âm có thể cải thiện tới 80% năng suất so với khi không có tác động của sóng siêu âm mà chỉ sử dụng phương pháp cơ học truyền thống Trong nghiên cứu, cũng có những sơ đồ kết quả về mối liên hệ giữa tần số, kích thước hạt và yếu tố về nồng độ PH của dung môi tẩy rửa vào khoảng 5,2 đến 9,2 độ PH là cho những kết quả tối ưu tùy theo thời gian và yêu cầu về bề mặt vật liệu cùng với tần số [10]

 Năm 2009, công ty Cleaning Technologies Group chuyên về công nghệ làm sạch và tách vật liệu cũng đưa ra những kết luận tương tự những kết luận của Brason trong nghiên cứu của mình [15] Hơn nữa, họ còn đưa ra phương pháp loại

bỏ kích thước hạt đa dạng hơn bằng việc thay đổi tần số sóng siêu âm liên tục để có thể tách được kích thước hạt đa dạng hơn, phù hợp với nhu cầu thực tế Bên cạnh những công bố về tần số, cũng có kết luận về việc sử dụng hóa chất để tăng khả năng tạo sóng xung kích liên tục nhờ mật độ bong bóng khí nhiều hơn khi có dung môi thích hợp, tạo điều kiện cho việc hình thành các bong bóng khí

 Năm 2009, Xu Li, nghiên cứu về ứng dụng sóng siêu âm để tách lớp vật liệu bẩn bám dính vào bề mặt của màng lọc Đưa ra nhiều kết luận về ảnh hưởng của nhiệt độ, mật độ năng lượng của sóng siêu âm đều có tỷ lệ thuận với khả năng tách những màng vật liệu bám trên bề mặt của màng Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, với các tần số thấp 40 đến 68Khz cũng có khả năng tách vật liệu với hiệu suất cao hơn rất nhiều so với tần số 170Khz ở cùng điều kiện và các yếu tố giống nhau Nhưng cũng chỉ ra rằng, với tần số thấp có thể ảnh hưởng đến bề mặt của màng [27]

 Năm 2009, Lu và Collogues cũng nghiên cứu về ứng dụng sóng siêu âm, với

áp lực tập trung lên đến 2,7Mpa và tần số cao 671Khz để tách vật liệu bám trên bề mặt màng lọc Cũng một nghiên cứu về ứng dụng tách vật liệu bám bẩn trên bề mặt màng, tần số thích hợp để ứng dụng là khoảng từ 70 đến 620Khz có thể đảm bảo an toàn cho bề mặt màng (Lamminen, 2004) [43]

 Năm 2011, trong nghiên cứu của mình, tiến sĩ Ahmed A Busnaina và nhà khoa học Glenn W Gale đã thực nghiệm và đưa ra được các mối quan hệ giữa hiệu ứng làm sạch nhờ dung môi hóa học như các loại Axit HCl, H2SO4 với nhiều nồng

độ khác nhau và độ PH càng cao, tác dụng tách vật liệu càng tốt Đưa ra được các

đồ thị về mối quan hệ giữa hóa chất, thời gian và hiệu suất tách vật liệu với nhiều tần số khác nhau Kết quả đạt được khá tối ưu ở tần số khoảng 40Khz Với các tần

số cao như trong thí nghiệm là khoảng 760 Khz, các hạt tách được với kích thước rất nhỏ Thời gian tách rất lâu nếu mật độ vật liệu nhiều Kích thước bong bóng rất nhỏ, nên lực tạo ra trong hiệu ứng Cavitation nhỏ Trong nghiên cứu, Ông cũng đưa

ra kết luận rằng tần số không ảnh hưởng nhiều tới quá trình tạo bong bóng, nó chỉ ảnh hưởng tới các khả năng vỡ bọt khí và tách vật liệu [34]

Những nghiên cứu trên thế giới về ứng dụng siêu âm tách vật liệu đỡ từ mẫu của sản phẩm FDM

 Tháng 05/2001, các nhà khoa học John Lang Lambardi, Dragan Popovich, Gregory John Artz thuộc Tucson, AZ tại Mỹ (thuộc công ty Stratasys Inc Mỹ, một công ty thương mại hóa về máy tách vật liệu đỡ khỏi mẫu trong công nghệ sản xuất nhanh rất lớn trên thế giới hiện nay) cũng đã nghiên cứu và đưa ra hệ thống tách vật

liệu đỡ từ mẫu trong công nghệ sản xuất nhanh sử dụng năng lượng sóng siêu âm, kết hợp với các hóa chất hòa tan vật liệu đỡ

 Tháng 10/2009 nhà phát minh David Jonathan Tafoya, đưa ra một nghiên cứu về ứng dụng công nghệ siêu âm kết hợp với những dung môi hòa tan vật liệu đỡ

để ứng dụng vào khâu xử lý mẫu tạo bởi phương pháp FDM Nghiên cứu trình bày nguyên lý hoạt động của máy, đưa ra các cấu trúc chung của một hệ thống máy Bao gồm các cụm chính như: mạch nguồn tạo sóng siêu âm và điện áp cao, đầu phát rung, thiết bị gia nhiệt dung môi, nhằm tạo điều kiện dễ dàng hòa tan vật liệu đỡ và tăng hoạt tính kích thích sóng siêu âm Nghiên cứu chỉ ra những nguyên lý tách bằng phương pháp tạo bọt khí để phá vỡ liên kết vật liệu đỡ với mẫu nhờ sóng siêu

âm và sự hỗ trợ của dung môi hòa tan

2.2 Các phương pháp tách vật liệu đỡ từ mẫu của công nghệ FDM

2.2.1 Phương pháp thủ công

Trong những giai đoạn đầu của ngành tạo mẫu nhanh bằng phương pháp FDM (Fused Deposition Modeling) Phương pháp phổ biến dùng để tách vật liệu đỡ khỏi mẫu hầu hết sử dụng phương pháp cơ học như: áp lực nước, dùng khí nén để loại bỏ vật liệu đỡ của những chi tiết có biên dạng đơn giản Khi công nghệ ngày một phát triển, người ta dùng một số hóa chất để làm mềm vật liệu đỡ, nhằm dễ dàng loại bỏ những phần dư trong sản phẩm FDM Dung môi thường được sử dụng

của một số hãng sản xuất máy FDM, phụ thuộc vào đặc tính của mỗi loại vật liệu Đôi khi, kết hợp giữa cơ học và hóa chất để tạo điều kiện dễ dàng tách vật liệu hơn

2.2.2 Phương pháp thủ công kết hợp hóa chất

Một số vấn đề khi tách vật liệu đỡ khỏi mẫu bằng phương pháp cơ học, có thể gây ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm đối với những chi tiết phức tạp Vì vậy, những bước tiến ban đầu trong khâu xử lý mẫu chính là nghiên cứu ra loại hóa chất

để làm mềm vật liệu đỡ Sau đó, sử dụng lực cơ học để tách chúng ra khỏi lớp vật liệu mẫu Phương pháp này đã cải thiện đáng kể về thời gian và chất lượng của sản phẩm mẫu Tuy nhiên, hạn chế của vấn đề này là đối với những mẫu phức tạp, dù

đã làm mềm hoặc hòa tan, nhưng dùng lực cơ học đối với những vị trí phức tạp rất mất thời gian và phải cẩn thận trong xử lý Đối với những mẫu quá phức tạp thì gần như không thể xử lý được theo yêu cầu Mặt khác, rất tốn thời gian do phải chờ cho hóa chất làm mềm hoặc hòa tan một phần vật liệu thì mới có thể tách được Một số vấn đề trở ngại vẫn còn tồn đọng Chính vì vậy, một công nghệ mới hơn đã được nghiên cứu và ứng dụng được trình bày chi tiết ở phần tiếp

2.2.3 Phương pháp kết hợp hóa chất hòa tan và sóng siêu âm

Chỉ cần nhúng những chi tiết cần phải làm sạch vào bể chứa dung môi (như: Natrihydroxit (NaOH), xăng, Ca(OH)2…) sau đó đưa sóng siêu âm vào bể dung môi, nhiệt độ dung môi được gia nhiệt để làm vật liệu hỗ trợ mềm và bị hòa tan vào dung môi Dưới tác dụng của sóng siêu âm, dung môi lúc thì bị ép lại, lúc thì bị dãn

ra Do dùng dịch chịu không nổi lực kéo nên khi bị kéo ra đã tạo thành những chỗ trống, sinh ra rất nhiều bọt không khí nhỏ Những bọt này trong chớp mắt sẽ vỡ tan

ra Quá trình vỡ bọt sinh ra những dòng sóng xung kích nhỏ rất mạnh, được gọi là

“hiện tượng sóng xung kích” – sốc sóng Do tần số của sóng siêu âm rất cao

(>20KHz), theo nghiên cứu của Busnaina & Gale (1995) và Branson Electronics Corporation (1998) kết quả của những dòng sóng siêu âm này sẽ tạo thành những bọt khí nhỏ luân phiên xuất hiện và mất đi vô cùng nhanh Sóng xung kích mà chúng sản sinh ra giống như muôn nghìn chiếc “chổi nhỏ” vô hình, rất nhanh và mạnh lan tới, chải, quét mọi góc cạnh của chi tiết và đánh bay những hạt bám trên

bề mặt vật liệu nhưng có lực liên kết yếu trên bề mặt mẫu[15]

a) Đặc điểm của việc tách vật liệu đỡ bằng sóng siêu âm kết hợp hóa chất

Tách vật liệu đỡ bằng phương pháp sử dụng năng lượng sóng siêu âm và dung môi hòa tan, có một số ưu điểm và nhược điểm

- Ưu điểm: Chất lượng bề mặt tốt hơn phương pháp truyền thống, xử lý bề mặt có

hình dáng phức tạp hơn so với phương pháp truyền thống

- Nhược điểm: Có thể ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt nếu không lựa chọn thích

hợp được tần số sóng siêu âm Dung môi hòa tan không phổ biến đối với một số loại vật liệu, kích thước chi tiết có thể bị hạn chế do kích thước máy

b) Phạm vi ứng dụng

Máy tách vật liệu đỡ từ mẫu FDM có thể ứng dụng cho viêc tách vật liệu hầu hết các sản phẩm có vật liệu đỡ từ công nghệ tạo mẫu nhanh tùy theo việc kết hợp với dung môi hòa tan Bên cạnh đó, máy còn có thể sử dụng như một máy làm sạch

bề mặt các loại vật liệu cứng như kim loại, hoặc gốm sứ,…

Qua những phân tích trên, cho thấy được tầm quan trọng của việc tách vật liệu đỡ từ mẫu trong công nghệ FDM là một quá trình có độ phức tạp rất cao Đòi hỏi phải có một phương pháp tối ưu để đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của mẫu Như vậy với nhiều phương pháp có thể tách được vật liệu đỡ từ mẫu như đã trình bày tổng quan ở trên Để đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật cũng như hiệu quả thì việc kết hợp sóng siêu âm trong quy trình tách vật liệu đỡ khỏi mẫu sẽ đem lại kết quả cao Đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật như độ chính xác, độ bóng bề mặt

và xử lý được những mẫu có độ phức tạp

Trong nội dung của luận văn này sẽ nghiên cứu, chế tạo máy tách vật liệu có ứng dụng công nghệ sóng siêu âm và hóa chất hòa tan vật liệu để tách vật liệu đỡ khỏi mẫu của sản phẩm FDM

2.3 Vật liệu trong công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

2.3.1 Vật liệu mẫu

Vật liệu được sử dụng trong đầu đùn gồm 2 loại là vật liệu mẫu và vật liệu

đỡ được minh họa trong hình 2.1 Vật liệu mẫu dùng để tạo ra mẫu Vật liệu đỡ được dùng để tạo ra bộ phận đỡ, để đỡ các phần nhô ra ngoài không gian của mẫu trong quá trình đùn [3]

Hình 2.1: Vật liệu mẫu và vật liệu đỡ trong tạo mẫu nhanh FDM

Vật liệu mẫu được sử dụng trong công nghệ tạo mẫu nhanh FDM là các loại nhựa nhiệt dẻo như: ABS, PP, PE, PC, … được trình bày ở phần tiếp theo

Bảng 2.1: Đặc điểm của nhựa ABS

và có độ trong suốt cao (độ trong suốt cao hơn ABS), thích hợp cho các ứng dụng tạo mẫu nhanh trong ngành y sinh, các ngành công nghiệp ô tô, Đặc điểm của nhựa ABSi được trình bày trong bảng 2.2

Bảng 2.2: Đặc điểm của nhựa ABSi

c) Nhựa ABS-M30i

Là loại nhựa dẻo, có cơ tính cao, thích hợp cho các ngành công nghiệp bao

bì, thực phẩm Các sản phẩm được sản xuất bằng ABS-M30i đáp ứng được các yêu cầu về tương tác sinh học ABS-M30i đạt tiêu chuẩn ISO 10993-1 Đặc điểm của nhựa ABS – M30i được trình bày trong bảng 2.3

Bảng 2.3: Đặc điểm của nhựa ABS-M30i

ra ABS cũng được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghệ tạo mẫu nhanh để tạo

ra các sản phẩm ứng dụng cho ngành điện công nghiệp, bao bì, đóng gói,… Đặc điểm của nhựa ABS – ESD7 được trình bày trong bảng 2.4

Bảng 2.4: Đặc điểm của nhựa ABS-ESD7

tử và viễn thông Khi dùng trong ngành tạo mẫu nhanh, PC – ABS được ứng dụng rất rộng rãi, đặc biệt tạo ra các mẫu có cơ tính tốt hơn các vật liệu ABS khác (bảng 2.5) Đặc điểm của nhựa PC – ABS được trình bày trong bảng 2.5

Bảng 2.5: Đặc điểm của nhựa PC-ABS

Sức căng bền 41 MPa

Bảng 2.6: Đặc điểm của nhựa PC-ISO

PE có đặc tính nấu chảy cao, rất phù hợp đùn hoặc thổi vì nó nóng chảy ở nhiệt độ tương đối thấp và không cần động cơ đùn có công suất lớn PE kết dính ở nhiệt độ cao dể dàng

Đặc điểm của nhựa PE được trình bày trong bảng 2.7

Bảng 2.7: Đặc điểm của nhựa PE

Bảng 2.8: Đặc điểm của nhựa PC

i) ULTEM 9085

Là một loại nhựa có khả năng chống cháy cao Với những đặc tính nổi trội

về cơ tính, loại nhựa này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Đặc điểm của nhựa ULTEM 9085 được trình bày trong bảng 2.9

Bảng 2.9: Đặc điểm của nhựa ULTEM 9085

Bảng 2.10: Đặc điểm của nhựa PPSF/PPSU

Bảng 2.11: Đặc điểm của nhựa PP

PLA là một loại polyester nhiệt dẻo, phân huỷ sinh học và có nguồn gốc

từ thực vật (lên men từ cây ngô ở Mỹ, các mẫu sắn ở châu Á hoặc cây mía) PLA là một Polyme có phạm vi ứng dụng rộng vì khả năng kết dính, tạo thành chất trùng hợp có thể tạo lớp màng trong suốt hoặc thổi chai PET Nhiệt độ nóng chảy thay đổi lớn tùy thuộc vào cấu trúc và ứng dụng Đặc điểm của nhựa PLA được trình bày trong bảng 2.12

Bảng 2.12: Đặc điểm của nhựa PLA

mà Epoxy có thể ở dạng cứng hay mềm dẻo như cao su Đặc điểm của nhựa Epoxy được trình bày trong bảng 2.13

Bảng 2.13: Đặc điểm của nhựa Epoxy

Giá thành (USD/LB)

Có thể tái sử dụng nhiều lần

Thấp, dùng cho mẫu có

độ chính xác cao

Có thể tái sử dụng nhiều lần

Thấp, dùng cho mẫu có

độ chính xác cao

Có thể tái chế nhưng rất khó

Độ co ngót thấp

Rất khó để tái chế

VI

Có khả năng tai chế, nhưng rất khó

C Độ bền cơ học cao Khó xử lí do khối lượng

phân tử cao

Có khả năng tái chế Trung bình 22

vũ trụ

Có khả năng tái chế rất tốt

Thấp, dùng cho mẫu có

độ chính xác cao

Có khả năng tái chế

Độ co ngót thấp 34.25

P Độ bền và độ cứng cao Có phần vượt

trội hơn ABS

PP không thấm nước, làm việc tốt

ở nơi độ ẩm cao

Có khả năng tái chế

Thấp, co nhiều hơn ABS, PLA

Rất khó tái chế

Thấp, dùng cho mẫu có

độ chính xác

Khó tái chế

Cao, chỉ nên dùng để thử nghiệm

2.3.2 Vật liệu đỡ

Khâu xử lý cho sản phẩm mẫu được tạo ra từ công nghệ tạo mẫu nhanh FDM ngày càng trở nên vô cùng quan trọng, bởi các yếu tố kỹ thuật, độ phức tạp của mẫu ngày càng cao Vật liệu đỡ đóng một vai trò quan trọng, trong việc tạo ra các biên dạng với độ khó cao Tuy nhiên, việc xử lý tách các vật liệu đỡ ra khỏi mẫu FDM cũng là một công nghệ đòi hỏi nhiều kỹ thuật cao Nên việc nghiên cứu vật liệu đỡ đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật như: có thể hoàn tan bằng dung môi, đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật để sản xuất, là vấn đề hết sức quan trọng Trong những năm gần đây rất nhiều sản phẩm vật liệu đỡ phục vụ cho ngành FDM đã được nghiên cứu và chế tạo Góp phần thúc đẩy ngành công nghệ FDM có những bước tiến mới Các vật liệu đỡ được sử dụng hiện nay thường là: Sap hydrocarbon, PLGA, WaterWorks™ và đất sét rắn, P400R, SR-10/P400SR, SR-20-30-100, Ultem 9085 Mẫu cần vật liệu đỡ được minh họa trong hình 2.2

Hình 2.2: Mô hình vật liệu đỡ và vật liệu mẫu trong sản xuất nhanh

a) Vật liệu sap hydrocarbon

Là loại vật liệu có nguồn gốc từ dầu thô, được sử dụng nhiều trong các nghành công nghiệp khác nhau, đặc biệt sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ống PVC Ngoài ra, vật liệu này còn được sử dụng trong sản xuất nến, giá thành sản xuất rất thấp Sap hydrocarbon là vật liệu cứng và dễ vỡ, có độ bền thấp Tuy nhiên, trong quá trình đùn vật liệu đỡ không đòi hỏi khả năng chịu lực cao nên sap hydrocarbon cũng được sử dụng Ưu điểm của sap hydrocarbon là sau khi quá trình tạo mẫu kết thúc có thể ngâm mẫu trong một số chất hóa học phù hợp

sẽ tạo thành CO2 và nước nên dễ dàng loại bỏ sau khi sử dụng Một số đặc điểm của sap hydrocarbon là:

 Điểm nóng chảy thấp khoảng 80 – 900C

 Đông đặc ở nhiệt độ thường

 Hàm lượng tro tối đa 0,05%

 Bốc cháy ở nhiệt độ 2800C

b) Vật liệu PLGA

Đây là vật liệu phân huỷ sinh học có khả năng tan trong nước biển Ngoài ra, PLGA có thể được hòa tan bởi một loạt các dung môi phổ biến bao gồm các dung môi clo, tetrahydrofuran, acetone hoặc ethyl acetate Quá trình tạo mẫu sử dụng vật liệu đỡ PLGA được minh họa trong hình 2.3

Hình 2.3: Quy trình tạo mẫu A: tạo mẫu với vật liệu đỡ; B: ngâm mẫu trong

dùng dịch Clo; C: mẫu hoàn thành

PLGA một lựa chọn phổ biến trong sản xuất các thiết bị y sinh như: ghép, khâu vết thương, cấy ghép bộ phận giả, vi mô và các hạt nano Bằng việc thay đổi kết cấu hoá học của nhựa PLGA, có thể thay đổi đặc tính cơ học đa dạng từ mềm và dẻo dai đến cứng và rắn, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi Sau khi hoà tan, chúng sẽ biến thành CO2 và nước, cũng như các hoá chất hữu cơ tự nhiên khác như axit lactic

c) Vật liệu WaterWorks™

Đây là vật liệu được sử dụng nhiều đối với những mẫu có độ phức tạp cao được minh họa trong hình 2.4 Khả năng đỡ và dễ dàng hòa tan trong nước, có thể tách rời bằng lực cơ học nhỏ hoặc sử dụng nhiệt Vì vậy mà nó làm sạch mẫu một cách tuyệt vời với thời gian ngắn mà không có bất kỳ ảnh hưởng nào đến tính năng của mẫu

Hình 2.4: Mẫu sử được tạo ra từ vật liệu WaterWorks bằng công nghệ FDM

Mặc dù vật liệu này vẫn chưa đảm bảo yêu cầu cao về khả năng chịu lực nhưng với giá thành, yêu cầu chịu lực không cao trong quá trình tạo mẫu và lợi thế

dễ dàng tách khỏi mẫu giúp giảm thời gian xử lý nên hiện nay Stratasys FDM vẫn chú trọng sử dụng loại vật liệu hỗ trợ này trong các máy tạo mẫu nhanh để tạo ra các mẫu 3D phức tạp Bảng 2.15, 2.16 tổng hợp các loại vật liệu mẫu và vật liệu đỡ được dùng cho công nghệ FDM hiện nay

Bảng 2.15: Tổng hợp một số vật liệu mẫu sử dụng trong sản xuất FDM [45]

- Hòa tan bằng hóa chất

0.13 0.18 0.25

0.18 0.25 0.33