Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ lên độ nhám bề mặt và độ chính xác kích thước sản phẩm tạo hình bằng máy in 3d (fdm)

NGUYỄN MINH TÂM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ LÊN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC KÍCH THƯỚC SẢN PHẨM TẠO HÌNH BẰNG MÁY IN 3D FDM.. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu ản

NGUYỄN MINH TÂM

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ LÊN

ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC KÍCH THƯỚC SẢN PHẨM TẠO HÌNH BẰNG MÁY IN 3D (FDM)

RESEARCH ON THE EFFECTS OF TECHNOLOGY PARAMETERS ON THE SURFACE ROUGHNESS AND THE DIMENSIONAL ACCURACY OF PRODUCTS

Cán bộ hướng dẫn khoa học: GS.TS NGUYỄN THANH NAM

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS NGUYỄN HUY BÍCH

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS HỒ TRIẾT HƯNG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM

ngày 22 tháng 01 năm 2021

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

1 PGS.TS LƯU THANH TÙNG ( Chủ tịch hội đồng)

2 PGS.TS NGUYỄN HUY BÍCH ( Phản biện 1)

3 TS HỒ TRIẾT HƯNG ( Phản biện 2)

4 PGS TS BÙI TRUNG THÀNH ( Ủy viên)

5 TS LÊ THANH LONG ( Thư ký)

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

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN MINH TÂM MSHV: 1870611

Ngày, tháng, năm sinh: 16/07/1993 Nơi sinh: Huyện Chợ Gạo, Tiền Giang Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã số : 8520103

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ gồm Độ dày lớp, Bề rộng lớp thành, Bề rộng đường đùn, Góc raster và Góc định hướng đến chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước Sử dụng phương pháp Phân tích quan hệ-vùng xám (Grey Relational Analysis) kết hợp Taguchi và ANOVA để phân tích ảnh hưởng của các thông số với ba mức giá trị khác nhau để tìm ra bộ thông số tối ưu để giảm độ nhám bề mặt, đồng thời tăng độ chính xác kích thước của sản phẩm in 3D bằng công nghệ FDM

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/02/2020

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2020

IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS.TS NGUYỄN THANH NAM

– Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Thanh Nam, người hướng dẫn và cũng là người đã luôn tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và động viên em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài nghiên cứu này – Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn khích lệ, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu khoa học

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng không tránh khỏi những thiếu sót; em rất mong nhận được sự thông cảm, chỉ dẫn, giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các nhà khoa học, của quý thầy cô, các cán bộ quản lý và các bạn đồng nghiệp

TPHCM, ngày 05 tháng 08 năm 2020 Học viên thực hiện

Nguyễn Minh Tâm

bề mặt hoàn thiện

Trong nghiên cứu này thì góc định hướng tối ưu là 00và độ dày lớp tối ưu là 0.2mm, các thông số còn lại thì tùy thuộc vào từng yêu cầu của chi tiết để lựa chọn giá trị hợp lý Kết quả thực nghiệm kiểm chứng cho kết quả khả quan, có thể nâng

độ chính xác kích thước lên cấp IT9-IT10 theo tiêu chuẩn ISO 286-1, độ nhám bề mặt đạt giá trị ở mức cao (Ra=7µm)

on multiple value response such as length, height, width and surface finish

In this study, the optimal Build orientation is 00 and the optimal layer thickness is 0.2mm, the remaining parameters depend on each part's requirements to choose the reasonable value Experimental results confirm positive results, which can increase dimensional accuracy to IT9-IT10 grade according to ISO 286-1 standards, surface roughness reaches a good value (Ra = 7µm)

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ

Tôi xin cam đoan luận văn về đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông

số công nghệ lên độ nhám bề mặt và độ chính xác kích thước sản phẩm tạo hình bằng máy in 3D (FDM).” là công trình nghiên cứu cá nhân của tôi trong thời gian qua Mọi số liệu sử dụng phân tích trong luận văn và kết quả nghiên cứu là do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách khách quan, trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và chưa được công bố dưới bất kỳ hình thức nào Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có

sự không trung thực trong thông tin sử dụng trong công trình nghiên cứu này

TPHCM, ngày 05 tháng 08 năm 2020 Học viên thực hiện

Nguyễn Minh Tâm

MỤC LỤC

DANH SÁCH CÁC HÌNH i

DANH SÁCH CÁC BẢNG iii

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

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

1.1 Định nghĩa và các khái niệm 1

1.2 Lịch sử của công nghệ in 3D 2

1.3 Ưu điểm và hạn chế của công nghệ in 3D 4

1.4 Các công nghệ in 3D 6

1.5 Vật liệu ứng dụng trong công nghệ in 3D 7

1.5.1 Nhóm polymer 7

1.5.2 Nhóm kim loại 8

1.5.3 Nhóm vật liệu khác 8

1.6 Ứng dụng của công nghệ in 3D 9

1.6.1 Trong ngành công nghiệp ô tô : Phụ lục 1.b 10

1.6.2 Trong ngành công nghiệp điện tử : Phụ lục 1.b 10

1.6.3 Trong ngành hàng không vũ trụ : Phụ lục 1.b 10

1.6.4 Trong ngành cơ khí chế tạo 10

1.7 Tính hình nghiên cứu trong và ngoài nước 13

1.7.1 Nghiên cứu trong nước 13

1.7.2 Nghiên cứu ngoài nước 14

1.8 Tính cấp thiết của đề tài 17

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23

2.1 Nguyên lý làm việc của máy in 3D 23

2.2 Ý nghĩa của các thông số khảo sát 23

2.2.1 Góc định hướng (Build orientation) 23

2.2.2 Độ dày lớp (Layer Height) 24

2.2.3 Bề rộng đường đùn (Raster width) và Bề rộng lớp thành (Contour width) 25 2.2.4 Góc raster (Raster angle) 25

2.3.Ý nghĩa độ nhám bề mặt và độ chính xác kích thước trong FDM 26

2.3.1 Độ nhám bề mặt 26

2.3.2 Độ chính xác 27

2.4 Các dụng cụ đo và phương pháp đo 29

2.4.1 Độ nhám bề mặt 29

2.4.2 Kích thước 31

2.5 Mẫu thử: 33

2.5.1 Mẫu thử đo độ nhám bề mặt 33

2.5.2 Mẫu thử đo kích thước 36

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37

3.1 Phương pháp và thiết kế nghiên cứu 37

3.2 Thiết bị thí nghiệm 40

3.3 Nghiên cứu thực nghiệm 40

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ 44

4.1 Xử lý và phân tích số liệu 44

4.1.1 Phương pháp sử dụng tỷ lệ tín hiệu / nhiễu (Signal-to-noise ratio)[43] 46

4.1.2 Phương pháp Phân tích quan hệ-vùng xám (Grey Relational Analysis-GRA)[44] 47

4.1.3.Xử lý số liệu 49

4.2 Phân tích ảnh hưởng của các thông số 58

4.2.1 Đối với trường hợp độ nhám 60

4.2.2 Đối với trường hợp chiều cao H 61

4.2.4 Đối với chiều rộng W và chiều dài L 61

4.3 Thực nghiệm kiểm chứng 62

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 63

Danh mục các công trình khoa học 64

Tài liệu tham khảo 65

Phụ lục 70

Phụ lục 1a 70

1.4.1 Công nghệ “Tạo hình nhờ tia laser” (Stereolithography-SLA) 70

1.4.2 Công nghệ Thiêu kết lazer chọn lọc (Selective laser sintering - SLS) 71

1.4.3 Phương pháp nóng chảy lắng đọng (Fused deposition modeling – FDM)

……… 72

1.4.4 Công nghệ in 3D dán nhiều lớp (Laminated Object Manufacturing – LOM) ……… 74

1.4.5 Thiêu kết lazer chọn lọc trực tiếp (Direct metal laser sintering – DMLS) ……… 75

Phụ lục 1.b 76

1.6.1 Trong ngành công nghiệp ô tô 76

1.6.2 Trong ngành công nghiệp điện tử 77

1.6.3 Trong ngành hàng không vũ trụ 78

Phụ lục 2.Tiêu chuẩn ISO 286-1 79

Phụ lục 3 Các thông số công nghệ của quá trình in 3D 80

TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC 82

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1 1.Công nghệ in 3D tế bào sống [3] 2

Hình 1 2.Xu hướng sử dụng các công nghệ in 3D của năm 2020 [10] 7

Hình 1 3.Nguyên lý phương pháp SLA [5] 71

Hình 1 4.Nguyên lý phương pháp SLS.[6] 72

Hình 1 5.Nguyên lý phương pháp FDM.[7] 73

Hình 1 6.Nguyên lý phương pháp LOM.[8] 75

Hình 1 7.Nguyên lý phương pháp DMLS [9] 76

Hình 1 8 Tỷ trọng các lĩnh vực trong thị trường in 3D……… 9

Hình 1 9 Xe Urbee sản xuất bằng công nghệ in 3D.[11]……… 77

Hình 1.10 In 3D mạch điện tử.[12]……… 78

Hình1.11 Ứng dụng in 3D trong ngành đúc.[13]……… 11

Hình 1.12 Quy trình đúc mẫu chảy sử dụng công nghệ in FDM, vật liệu in nhựa PLA……… 12

Hình 1.13 Quá trình xử lý bề mặt sau khi in 3D.[26]……… 18

Hình 1.14.Minh họa các thông số nghiên cứu.[27]……… 22

Hình 2 1 Góc định hướng-so với trục Z 24

Hình 2 2.Minh họa độ dày lớp.[28] 24

Hình 2 3.Một số thông số in FDM [28] 25

Hình 2 4.Minh họa các góc raster khác nhau [29] 26

Hình 2 5.Định nghĩa sai lệch trung bình Ra [31] 27

Hình 2 6.Định nghĩa chiều cao nhấp nhô Rz [31] 27

Hình 2 7.Dung sai kích thước của quá trình in 3D FDM.[33] 28

Hình 2 8.Phương pháp đo trực tiếp: a) Máy đo loại tiếp xúc, b) Kính hiển vi nguyên tử lực [35] 30

Hình 2 9.Phương pháp đo gián tiếp: a) Giao thoa ánh sáng trắng, b) Kính hiển vi laser [35] 30

Hình 2 10.Máy đo độ nhám loại tiếp xúc trực tiếp.[36] 31

Hình 2 11.a) Thước cặp, b) Panme [38] 32

Hình 2 12.Mẫu thử dạng hình hộp chữ nhật 33

Hình 2 13.Mẫu thử dạng hình thang.[4][39] 33

Hình 2 14.Mặt trước và mặt trên của mẫu “truncheon” [40] 34

Hình 2 15.Mẫu thử “truncheon” được gá lắp đo độ nhám.[41] 35

Hình 2 16.Tiêu chuẩn ISO 286-1 [34] 79

Hình 3 1 Các mẫu đo 41

Hình 3 2.Bố trí thiết bị đo độ nhám bề mặt 42

Hình 3 3 Các thông số công nghệ của quá trình in 3D trong phần mềm Cura 80

Hình 3 4 Quá trình in 3D (FDM) 81

Hình 4 1.Dạng phân bố của dữ liệu độ nhám (Ra) 44

Hình 4 2.Dạng phân bố của dữ liệu chiều dài (L) 45

Hình 4 3.Dạng phân bố của dữ liệu chiều rộng (W) 45

Hình 4 4.Dạng phân bố của dữ liệu chiều cao (H) 46

Hình 4 5.Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến cấp quan hệ GRG 53

Hình 4 6.Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến độ nhám Ra 54

Hình 4 7.Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến ΔL 56

Hình 4 8.Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến ΔW 57

Hình 4 9.Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến ΔH 58

Hình 4 10.Sơ đồ mặt cắt của 2 lớp nhựa in với góc định hướng θ 60

Hình 4 11.Định hướng sản phẩmt trên bàn in.[44] 61

Hình 4 12.Đặc tính cơ học ở các góc raster khác nhau.[45] 62

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1 1 Thống kê các thông số ảnh hưởng và các giá trị tương ứng 19

Bảng 1 2 Tóm tắt các thông số quan trọng và mức độ ảnh hưởng đến giá trị đáp ứng 21

Bảng 2 1 Các phương pháp đo độ nhám [35] 29

Bảng 3 1.Các thông số được nghiên cứu 37

Bảng 3 2.Bảng so sánh các phương pháp quy hoạch thực nghiệm [42] 38

Bảng 3 3.Thiết kế trực giao theo phương pháp Taghuchi L27 39

Bảng 3 4.Thiết bị/dụng cụ thí nghiệm trong nghiên cứu 40

Bảng 3 5.Kết quả đo thực nghiệm 43

Bảng 4 1.Bảng xử lý số liệu kích thước theo S/N 50

Bảng 4 2.Giá trị chuẩn hóa & Bảng 4 3.Giá trị chuỗi lệch Δoi 51

Bảng 4 4.Hệ số quan hệ & Bảng 4 5.Cấp quan hệ và xếp hạng 52

Bảng 4 6.Phân tích ANOVA cho Cấp quan hệ-GRG 53

Bảng 4 7.Phân tích ANOVA cho Độ nhám-Ra 53

Bảng 4 8.Phân tích ANOVA cho ΔL 55

Bảng 4 9.Phân tích ANOVA cho ΔW 56

Bảng 4 10.Phân tích ANOVA cho ΔH 57

Bảng 4 11.Tổng hợp mức ảnh hưởng của các thông số 58

Bảng 4 12.Kết quả thực nghiệm kiểm chứng 62

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

FDM: Fused Deposition Modeling

AM: Additive Manufacturing

SLA: System’ stereo Lithography Apparatus

SLS: Selective Laser Sintering

3DP: Three Dimensional Printing

LOM: Laminated Object Manufacturing

DMLS: Direct metal laser sintering

ASTM: American Society for Testing Materials

MDF: Medium Density Fiberbroad

GRA: Grey Relational Analysis

GRG: Grey Relational Grade

ANOVA: Analysis of Variance

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D

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 Định nghĩa và các khái niệm

Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ (American Society for Testing

Materials - ASTM) đã đưa ra một khái niệm rõ ràng về công nghệ bồi đắp vật liệu:

“Công nghệ bồi đắp vật liệu là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo

nên mô hình 3D, thường là chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau và quá trình này

trái ngược với quá trình cắt gọt vẫn thường dùng để chế tạo xưa nay” [1] Có thể

thấy đây là một phương pháp sản xuất hoàn toàn trái ngược so với các phương pháp

gia công hiện có- bằng cách loại bỏ hoặc cắt gọt đi một phần vật liệu, nhằm có được

sản phẩm cuối cùng Còn với công nghệ bồi đắp vật liệu, ta có thể coi nó là công

nghệ tạo hình như đúc hay ép khuôn, nhưng từ những nguyên liệu riêng lẻ để đắp

dần thành sản phẩm cuối cùng

Tạp chí The Engineer của Anh định nghĩa: “In 3D là một chuỗi các công

đoạn khác nhau được kết hợp để tạo ra một vật thể ba chiều Trong in ấn 3D, các

lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy

tính để tạo ra vật thể Các đối tượng này có thể có hình dạng bất kỳ, và được sản

xuất từ một mô hình 3D hoặc nguồn dữ liệu điện tử khác Máy in 3D là một loại

robot công nghiệp.” [2]

Ngày nay, in 3D có thể tạo ra đồ vật từ nhiều loại vật liệu bao gồm nhựa,

kim loại, gốm sứ, thủy tinh, giấy và thậm chí cả tế bào sống Các vật liệu này có thể

dưới dạng bột, dây tóc, chất lỏng hoặc tấm Với một số kỹ thuật, một vật đơn giản

có thể được in bằng nhiều vật liệu và màu sắc, và một tác vụ in đơn lẻ thậm chí có

thể tạo ra các bộ phận chuyển động kết nối (như bản lề, liên kết chuỗi hoặc lưới)

Hình 1 1.Công nghệ in 3D tế bào sống [3]

1.2 Lịch sử của công nghệ in 3D

Những mốc quan trọng trong lịch sử công nghệ in 3D [4]:

Năm 1984: Quy trình sản xuất đắp dần được phát triển bởi Charles Hull

Năm 1986: Charles Hull đăng ký bản quyền chiếc máy tạo vật thể 3D bằng công

nghệ SLS và từ file định dạng STL Charles Hull đặt tên cho công nghệ của mình là

Stereolithography, thành lập công ty 3D System và phát triển máy in 3D thương

mại đầu tiên được gọi là Stereolithography Apparatus (SLA)

Năm 1987: 3DSystem phát triển dòng sản phẩm SLA-250, đây là phiên bản máy in

3D đầu tiên được giới thiệu ra công chúng Năm 1988: Hãng Stratasys và Công ty

3Dsystems lần đầu công bố những chiếc máy sản xuất đắp dần

Năm 1989: Ra đời công nghệ SLS (Selective Laser Sintering), là công nghệ in 3D

sử dụng con lăn để dát mỏng nguyên liệu ra thành các lớp, sau đó xếp chồng và

dính chặt các lớp lại với nhau bằng cách chiếu tia laser vào

Năm 1990: Công ty Stratasys thương mại hóa Công nghệ “Mô hình hóa bằng

phương pháp nóng chảy lắng đọng” (Fused deposition modeling - FDM) được phát

triển bởi S Scott Crump vào cuối những năm 1980 Stratasys bán chiếc máy FDM

đầu tiên: “3D Modeler” năm 1992

Năm 1991: Ra đời công nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing), đây là công

nghệ in 3D sử dụng những vật liệu dễ dàng dát mỏng như giấy, gỗ, nhựa…

Năm 1993: Công ty Solidscape được thành lập để chế tạo ra dòng máy in 3D dựa

trên công nghệ in phun , máy có thể tạo ra những sản phẩm nhỏ với chất lượng bề

mặt rất cao Cũng trong năm này, Viện Công nghệ Massachusetts Institute of

Technology (MIT) đăng ký bảo hộ công nghệ “3 Dimensional Printing techniques

(3DP)”

Năm 1995: Công ty Z Corporation đã mua lại giấy phép độc quyền từ MIT để sử

dụng công nghệ 3DP và bắt đầu sản xuất các máy in 3D

Năm 1996: Stratasys giới thiệu dòng máy in 3D ”Genisys” Cùng năm này, Z

Corporation cũng giới thiệu dòng “Z402″ 3D Systems cũng giới thiệu dòng máy

“Actua 2100″ Tới lúc này thì cụm từ “Máy in 3D ” được sử dụng lần đầu tiên để

chỉ những chiếc máy tạo mẫu nhanh

Năm 2005: Z Corporation giới thiệu dòng máy Spectrum Z510 Đây là dòng máy in

3D đầu tiên tạo ra những sản phẩm có nhiều màu sắc chất lượng cao

Năm 2006: Dự án máy in 3D mã nguồn mở được khởi động – Reprap – mục đích là

tạo ra những máy in 3D có thể sao chép chính bản thân nó Người ta có thể điều

chỉnh hay sửa đổi nó tùy ý, nhưng phải tuân theo điều luật GNU (General Public

Licence)

Năm 2008: Phiên bản đầu tiên của Reprap được phát hành Nó có thể sản xuất được

50% các bộ phận của chính mình Năm 2008: Objet Geometries Ltd đã tạo ra cuộc

cách mạng trong ngành tạo mẫu nhanh khi giới thiệu Connex500™ Đây là chiếc

máy đầu tiên trên thế giới có thể tạo ra sản phẩm 3D với nhiều loại vật liệu khác

nhau trong cùng 1 thời điểm

Năm 2009: Bản quyền về công nghệ “Mô hình hóa bằng phương pháp nóng chảy

lắng đọng” (FDM) hết hạn bảo hộ và chiếc máy in 3D mã nguồn mở đầu tiên ra đời

Năm 2010: Urbee - chiếc xe hơi nguyên mẫu đầu tiên được giới thiệu Đây là chiếc

xe đầu tiên trên thế giới mà toàn bộ phần vỏ được in ra từ máy in 3D Tất cả các bộ

phận bên ngoài, kể cả kính chắn gió đều được tạo ra từ máy in 3D Fortus khổ lớn

của Stratasys

Năm 2010: Organovo Inc một công ty y học tái tạo nghiên cứu trong lĩnh vực in

3D sinh học đã công bố việc chế tạo ra hoàn chỉnh mạch máu đầu tiên hoàn toàn

bằng công nghệ in 3D

Năm 2012: Thương mại hóa máy in 3D cá nhân đầu tiên

Năm 2014: Các bằng sáng chế cho công nghệ “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective

Laser Sintering - SLS) cũng bắt đầu hết hạn bảo hộ, tạo cơ hội cho những sáng chế

mới phát triển hơn nữa ngành sản xuất đắp dần, mở đường cho một thời kỳ phát

triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp này trong tương lai gần

Năm 2015: In 3D kim loại, điểm khởi đầu của những phát triển lớn trong xây dựng

và in sinh học 3D Carbon 3D phát hành máy in 3D CLIP siêu nhanh mang tính

cách mạng của họ

Năm 2016: Phòng thí nghiệm của Daniel Kelly thông báo có thể in 3D xương

Năm 2017: Các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang ở Hàn

Quốc đã công bố sự phát triển của da người in 3D Họ tuyên bố in 3D một làn da

dựa trên collagen với màng polycaprolactone (PCL) Sự phát triển thú vị này có thể

dẫn đến việc điều trị tốt hơn cho các nạn nhân bị bỏng và thử nghiệm thuốc trên da

Năm 2018: Gia đình đầu tiên chuyển đến một ngôi nhà in 3D.Ngôi nhà in 3D này

nằm ở thành phố Nantes, Pháp

Năm 2020: Adidas ra mắt giày chạy bộ Futurecraft STRUNG với đế giữa được in

3D 'hoàn hảo nhất' cho đến nay

1.3 Ưu điểm và hạn chế của công nghệ in 3D

In 3D có nhiều ưu điểm so với các phương pháp thông thường Với in 3D,

một ý tưởng có thể chuyển trực tiếp từ một tệp tin trên máy tính của nhà thiết kế tới

một bộ phận hoàn chỉnh hoặc sản phẩm, có thể bỏ qua nhiều bước sản xuất truyền

thống (bao gồm mua sắm từng bộ phận, tạo ra các bộ phận bằng cách sử dụng

khuôn mẫu, gia công để khắc các bộ phận từ khối vật liệu, hàn phần kim loại với

nhau và lắp ráp)

In 3D cũng có thể làm giảm lượng vật liệu bị lãng phí trong sản xuất và tạo

ra các vật thể khó hoặcvật thể không thể sản xuất với các kỹ thuật truyền thống, bao

gồm các vật có cấu trúc bên trong phức tạp làm tăng độ bền, giảm trọng lượng hoặc

tăng chức năng

Ưu điểm của công nghệ in 3D còn ở chỗ tạo mẫu nhanh Công nghệ này có

sự vượt trội về thời gian chế tạo một sản phẩm hoàn thiện “Nhanh” ở đây cũng chỉ

là một giới hạn tương đối Thông thường, để tạo ra một sản phẩm mới mất khoảng

từ 3 –72 giờ, phụ thuộc vào kích thước và độ phức tạp của sản phẩm Có thể khoảng

thời gian này có vẻ chậm, nhưng so với thời gian mà các công nghệ chế tạo truyền

thống thường mất từ nhiều tuần đến nhiều tháng để tạo ra một sản phẩm thì nó

nhanh hơn rất nhiều Chính vì cần ít thời gian hơn để tạo ra sản phẩm nên các công

ty sản xuất tiết kiệm được chi phí, nhanh chóng đưa ra thị trường những sản phẩm

mới

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 Gọi là tạo mẫu nhanh vì so với các phương pháp gia công chế tạo vật thể

3D (mẫu) khác như cắt, gọt, tiện, phay, bào, nặn … Thì phương pháp này cho phép

tạo ra mẫu nhanh hơn

Tóm lại, công nghệ in 3D có những ưu điểm chính:

 Tốc độ hình thành sản phẩm rất nhanh so với công nghệ khác;

 Chi phi đầu tư sở hữu thấp nhất trong lĩnh vực công nghệ tạo mẫu nhanh;

 Chi phí nguyên vật liệu và chi phí sản xuất thấp;

 Đa dạng về vật liệu chế tạo và các ứng dụng;

 Có thể in các vật có cấu tạo hình học phức tạp mà không cần giá đỡ;

 Dễ dàng chuẩn bị, sử dụng và bảo dưỡng;

 Là công nghệ tạo mẫu có đầy đủ màu sắc lên đến hàng triệu màu;

 Cho phép chế tạo các sản phẩm đa dạng từ các vật liệu khác nhau, màu

sắc khác nhau, khối lượng và kích thước với các tỷ lệ khác nhau so với

chi tiết hoặc sản phẩm thật

Về các hạn chế hiện tại của in 3D khác nhau tùy theo kỹ thuật in, bao gồm

tốc độ in hiện tại chưa thực sự tương xứng với tiềm năng, kích thước đối tượng

được in hạn chế, chi tiết hoặc độ phân giải của đối tượng còn giới hạn, chi phí vật

liệu còn cao và trong một số trường hợp, độ bền của sản phẩm được in cũng hạn

chế Tuy nhiên, trong những năm gần đây đã có những tiến bộ nhanh chóng trong

việc giảm các hạn chế này

1.4 Các công nghệ in 3D

Một loạt các công nghệ in 3D được sử dụng ngày nay, mỗi loại đều có những

ưu điểm và hạn chế riêng Các công nghệ chính bao gồm:

 Tạo hình nhờ tia laser (System’ stereo Lithography Apparatus-SLA)

 Thiêu kết lazer chọn lọc (Selective laser sintering - SLS)

 Phương pháp nóng chảy lắng đọng (Fused deposition modeling - FDM)

 Công nghệ in 3D dán nhiều lớp (Laminated Object Manufacturing – LOM)

 Thiêu kết lazer chọn lọc trực tiếp (Direct metal laser sintering - DMLS)

Các công nghệ này được phân loại dựa vào bản chất vật liệu In 3D hay sản

xuất bồi đắp có thể làm việc với vật liệu rắn (nhựa, kim loại, polymer), vật liệu

lỏng (nhựa lỏng đông cứng lại nhờ tác động của laser hay ánh sáng điện tử), hay vật

liệu dạng bột (bột kim loại, bột gốm kết dính với nhau tạo thành sản phẩm…)

Chi tiết các ưu, nhược điểm và nguyên lý của từng phương pháp được trình

bày trong Phụ lục 1

Hình 1 2.Xu hướng sử dụng các công nghệ in 3D của năm 2020 [10]

1.5 Vật liệu ứng dụng trong công nghệ in 3D

Vật liệu dùng trong in 3D có thể chia thành 3 nhóm chính: vật liệu polymer;

kim loại và các loại vật liệu khác

1.5.1 Nhóm polymer

a) Nhựa ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)

ABS là một loại nhựa kỹ thuật có nguồn gốc dầu mỏ (nhiên liệu hóa thạch)

Đây là một loại vật liệu có cơ tính tốt, có thể sơn, xi mạ, dán dễ dàng hơn so với

PLA ABS kháng va đập rất tốt, có khả năng gia công, tính thẩm mỹ cao, dễ sơn, xi

mạ, dán, độ cứng tốt, độ bền cao

Tuy nhiên, ABS đòi hỏi điều kiện in 3D nghiêm ngặt hơn.Thông số kỹ thuật:

Nhiệt độ nóng chảy: 200oC, độ bền kéo: 75.84 MPa, độ bền kéo: 44.81 MPa

Nhựa ABS cứng và dai hơn nhựa PLA Chịu lực, chịu va đạp tốt – chịu nhiệt

tốt hơn nhựa PLA Có thể chịu được nhiệt độ đến 800C trong thời gian 3-5 tiếng

đồng hồ Sản phẩm in 3D bằng ABS hoàn thiện, mịn đẹp hơn PLA và dễ làm nguội

b) Nhựa PLA (Polylactic Axit)

PLA là một nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học có nguồn gốc từ các nguồn tái

tạo, chẳng hạn như bột ngô, mía, củ sắn hoặc thậm chí tinh bột khoai tây Điều này

tạo giải pháp thân thiện với môi trường nhất trong lĩnh vực in ấn 3D

Bản chất ban đầu 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

c) Nhựa Resin

Là một loại nhựa tổng hợp thường được dùng trong công nghệ in SLA nhiều

hơn thay vì ABS và PLA vốn hay dùng với công nghệ FDM Resin có rất nhiều

loại, chủ yếu sử dụng được là những loại có thể ngưng kết dưới tác động của tia

UV, tức là bao gồm những chất như acrylics, epoxies, urethanes, polyesters,

silicones…

1.5.2 Nhóm kim loại

Đặc điểm của nhóm vật liệu này là thường được xử lý ở dạng bột, khi in ra

thành phẩm có độ cứng và độ bền cao, có thể sử dụng trực tiếp Một số vật liệu in

3D kim loại phổ biến có thể kể đến như: nhôm, dẫn xuất cacbon, thép không gỉ,

vàng, bạc (được sử dụng trong máy in 3D nữ trang), titanium…

1.5.3 Nhóm vật liệu khác

Các loại vật liệu khác cũng được sử dụng trong công nghệ in 3D có thể kể

đến như: socola, đường (được dùng trong thực phẩm), đất sét (dùng trong sản xuất

các sản phẩm thủ công mỹ nghệ) hoặc mô, tế bào…

Các vật liệu in 3D hiện nay dù vẫn còn đang là 1 hạn chế cho việc ứng dụng

công nghệ này trong đời sống, xong nó đang được thế giới tiếp tục nghiên cứu và

phát triển, trong tương lai không xa, các loại vật liệu này sẽ ngày càng đa dạng hơn,

đáp ứng được nhiều mục đích sử dụng khác nhau của con người

1.6 Ứng dụng của công nghệ in 3D

Công nghệ in 3D đang ngày càng phát triển, không chỉ giúp cho việc chế tạo

khuôn mẫu được chính xác và dễ dàng hơn mà còn tìm được nhiều ứng dụng trong

thực tế cuộc sống Công nghệ in 3D đang được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực

công nghiệp sản xuất chế tạo, y khoa, kiến trúc, xây dựng…

Hình 1.8 Tỷ trọng các lĩnh vực trong thị trường in 3D năm 2020 [10]

Dưới đây chỉ tập trung tìm hiểu trong công nghiệp sản xuất/chế tạo

Các ngành công nghiệp sản xuất/chế tạo đã trở thành đối tượng sử dụng in

3D nhiều nhất Lý do chính khiến công nghệ sản xuất đắp dần được sử dụng rộng

rãi trong môi trường công nghiệp là do nó cho phép sản xuất các bộ phận với số

lượng ít, bộ phận có hình dạng phức tạp, cắt giảm phế liệu, tạo nhanh sản phẩm thử

nghiệm, sản xuất theo yêu cầu, 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, in 3D 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

1.6.1 Trong ngành công nghiệp ô tô : Phụ lục 1.b

1.6.2 Trong ngành công nghiệp điện tử : Phụ lục 1.b

1.6.3 Trong ngành hàng không vũ trụ : Phụ lục 1.b

1.6.4 Trong ngành cơ khí chế tạo

Công nghệ in 3D phát triển đã đóng góp một phần không nhỏ giúp khuôn

mẫu được chế tạo chính xác và cung cấp các ứng dụng thực tế hơn Ngày nay, chỉ

với một bản vẽ kỹ thuật 3 chiều, công nghệ in 3D sẽ tạo ra các sản phẩm chi tiết

mang đầy đủ yêu cầu hình dáng bạn mong muốn, không cần gia công phức tạp trên

loại máy CNC Trong lĩnh vực sản xuất phụ kiện và khuôn mẫu, in 3D thường được

dùng để in đồ gá lắp, công cụ, máy đo, mô hình, khuôn mẫu, Rõ ràng, với công

nghệ mới này, chúng ta có cơ hội tạo ra các khuôn mẫu và tùy chỉnh công cụ đem

lại sự linh hoạt, tiết kiệm thời gian cũng như giảm chi phí và rủi ro thường gặp

trong sản xuất truyền thống Thay vì dành thời gian và tiền bạc để mua máy rồi chế

tạo khuôn và các công cụ, chúng ta có thể dễ dàng in chúng bằng cách sử dụng

nhiều loại vật liệu hiệu suất cao

a) b)

c) d)

e) f)

Hình1.11 Ứng dụng in 3D trong ngành đúc.[13]

a) Tạo mẫu và hộp lõi bằng FDM

b),c) Tạo khuôn, lõi cát tạo bằng FDM

d),e),f) Quy trình làm khuôn đúc với mẫu tạo bằng FDM

Ứng dụng trong ngành đúc hiện nay: In 3D với vật liệu cát với công nghệ

Binder Jetting và SLS tạo ra các nửa khuôn/ruột để tạo ra sản phẩm, ngoài ra có thể

thay thế vật liệu làm mẫu (pattern) thông thường như gỗ, nhôm

Riêng trong ngành đúc mẫu chảy (Investment casting/ Lost wax casting): In

3D với vật liệu sáp (chi phí cao), nhựa PLA hoặc ABS làm giảm chi phí và thời

gian sản xuất, tăng tốc độ phát triển sản phẩm và khả năng cạnh tranh giữa các nhà

máy đúc Tuy nhiên, xử lý bề mặt sản phẩm sau khi in và độ chính xác kích thước

của sản phẩm là các vấn đề cần kiểm soát và tối ưu hóa Trong đó, hai thông số để

đánh giá là độ nhám bề mặt và độ chính xác kích thước

Các phần tiếp theo sẽ tập trung tìm hiểu các nghiên cứu trong và ngoài nước

về vấn đề tối ưu hóa độ nhám bề mặt và độ chính xác kích thước của sản phẩm in

3D

Hình 1.12 Quy trình đúc mẫu chảy sử dụng công nghệ in FDM, vật liệu in nhựa

PLA

1.7 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.7.1 Nghiên cứu trong nước

Các thầy/cô gồm Huỳnh Hữu Nghị, Nguyễn Hữu Sang, Trương Quốc

Thanh và Thái Thị Thu Hà, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG

TP HCM, trong bài báo “TỐI ƯU HÓA ĐỘ NHÁM BỀ MẶT SẢN PHẨM FDM

CHẾ TẠO TRÊN MÁY FDM” đã nghiên cứu năm thông số là độ dày lớp, góc định

hướng, góc raster, bề rộng raster và bề rộng đường viền Đồng thời phương pháp

Taguchi để thiết kế thí nghiệm và phương pháp ANOVA nhằm đánh giá ảnh hưởng

của các thông số nhằm tìm ra bộ thông số tối ưu để giảm độ nhám bề mặt của sản

phẩm trên máy FDM Từ nghiên cứu thông số ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề

mặt là góc định hướng, thông số bề rộng đường viền không có ảnh hưởng với độ

nhám của ba bề mặt thí nghiệm Vì thế để cải thiện độ nhám bề mặt cần điều chỉnh

góc đỉnh hướng hợp lý Trong nghiên cứu này điều tra ba góc nghiêng là 00

, 150,

300, góc nghiêng ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt là 300, góc 00 cho độ

nhám bề mặt phù hợp nhất Và độ dày lớp có giá trị 0.1 mm là phù hợp nhất trong

ba mức được chọn các thông số góc raster, bề rộng raster tùy thuộc vào bề mặt mà

phù hợp ở mức khác nhau [14]

Các thầy/cô gồm Huỳnh Hữu Nghị, Nguyễn Ngọc Tín, Nguyễn Anh Tuấn,

Thái Thị Thu Hà, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP HCM,

trong bài báo “TỐI ƯU HÓA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ NHẰM NÂNG CAO ĐỘ

CHÍNH XÁC KÍCH THƯỚC SẢN PHẨM FDM” đã nghiên cứu các thông số quan

trọng như bề dày lớp, raster width, raster angle và số lớp thành Các thông số này

đóng vai trò quan trọng trong việc giảm sai lệch kích thước của sản phẩm khi vận

hành máy Thông số ảnh hưởng đến chiều cao nhiều nhất là bề dày lớp và bề rộng

đường đùn Các thông số tối ưu cho chiều dài và rộng là bề dày lớp 0.2 mm, bề rộng

đường đùn 0.5 mm, số lớp thành 3 và bề rộng thành 0.5 mm Các thông số tối ưu

cho chiều cao là bề dày lớp 0.3 mm, bề rộng đường đùn 0.4 mm, góc raster 0o, số

lớp thành 3 và bề rộng thành 0.6mm [15]

1.7.2 Nghiên cứu ngoài nước

Thrimurthulu và các cộng sự (năm 2004) đã xác định góc định hướng tối ưu

cho quy trình FDM để tăng cường hoàn thiện bề mặt và giảm thiểu thời gian xây

dựng Để có được kết quả tối ưu, giải thuật di truyền đã được sử dụng Hai mục tiêu

mâu thuẫn đã đạt được là thời gian xây dựng tối thiểu và hoàn thiện bề mặt tối đa

Ngoài ra, tối thiểu hóa cấu trúc hỗ trợ đã được thực hiện ngầm trong công việc này

Họ đã phát triển một mô hình để đánh giá thời gian xây dựng và độ nhám bề mặt

phần trung bình Phương pháp đóng góp của họ có thể được sử dụng để nhận ra

định hướng phần tối ưu cho bất kỳ phần phức tạp nào [16]

Wang và cộng sự (năm 2007) đã sử dụng phương pháp Taguchi với phương

pháp Grey Relational Analysis (GRA) để tối ưu hóa các tham số quy trình FDM

Hai mẫu thử đã được chuẩn bị là mẫu thử hình thang và mẫu thử kéo Sáu tham số

quy trình đã được thực hiện là độ dày lớp, kiểu hỗ trợ, kiểu lắng đọng, hướng lắng

đọng theo hướng Z, hướng lắng đọng theo hướng X và vị trí xây dựng Mô hình

trực giao Taguchi L18 được áp dụng để xác định các lần chạy thử nghiệm Các thông

số đáp ứng như độ bền kéo, độ chính xác kích thước và độ nhám bề mặt đã được

thực hiện GRA đã được sử dụng để xác định cài đặt tham số tối ưu Kết quả GRA

đã được xác minh bằng phương pháp TOPSIS Kết quả của nghiên cứu này cho

thấy sự lắng đọng theo hướng Z có ảnh hưởng đến tham số trong trường hợp độ bền

kéo và độ chính xác kích thước trong khi độ dày lớp được coi là thông số ảnh

hưởng nhất trong trường hợp độ nhám bề mặt Họ đã đề xuất một phương pháp tích

hợp phương pháp Taguchi với GRA để tối ưu hóa các quy trình Phương pháp

TOPSIS đã được sử dụng để xác minh giải pháp của nhiều vấn đề đặc trưng chất

lượng [17]

Sood và các cộng sự (năm 2009) đã nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số

FDM quan trọng đến độ chính xác kích thước Các tham số quá trình nghiên cứu

là độ dày lớp, góc định hướng, góc raster, khe hở không khí và chiều rộng raster

cùng với các tương tác của chúng Mẫu thử nghiệm tiêu chuẩn đã được lấy và các

thí nghiệm được thiết kế theo thiết kế thí nghiệm của Taguchi Phương pháp Grey

Taguchi đã được áp dụng trong nghiên cứu này để có được các cài đặt tối ưu của

các tham số quy trình Giảm thiểu phần trăm thay đổi chiều dài, chiều rộng và độ

dày đồng thời đạt được Nó đã được quan sát từ nghiên cứu, sự co ngót là yếu tố chi

phối cùng với chiều dài và chiều rộng của phần được xây dựng Họ đã áp dụng

phương pháp Grey Taguchi để xác định giá trị cài đặt chung sao cho tất cả ba chiều

của một phần được chế tạo cho độ lệch ít hơn so với giá trị thực Họ đã tìm thấy các

cài đặt tham số quy trình tối ưu để giảm phần trăm thay đổi về chiều dài, chiều rộng

và độ dày [18]

Zhang và Peng (năm 2012) đã thực hiện nghiên cứu tối ưu hóa dựa trên

Taguchi để xác định các tham số tối ưu cho quy trình FDM Bốn tham số quá trình

đã được chọn trong nghiên cứu này là chiều rộng sợi in, tốc độ đùn, độ dày lớp in

và tốc độ điền đầy Lỗi kích thước và biến dạng cong vênh được lấy làm tham số

phản hồi Mô hình trực giao L9 được sử dụng với bốn tham số quá trình với ba cấp

độ Để tối ưu hóa, phương pháp Taguchi được sử dụng kết hợp với đánh giá toàn

diện Kết quả cho thấy tham số quan trọng nhất là bù chiều rộng sợi in Họ đã sử

dụng phương pháp Taguchi tích hợp với đánh giá toàn diện để tối ưu hóa bốn tham

số quy trình Họ phát hiện ra rằng chỉ số hiệu suất của quá trình FDM bị ảnh hưởng

rất lớn bởi bù chiều rộng dây, sau đó là tốc độ đùn, độ dày lớp và tốc độ điền đầy

[19]

Alhubail và các cộng sự (năm 2013) đã làm việc dựa trên phương pháp

Taguchi tối ưu hóa các tham số đầu vào FDM để cải thiện chất lượng sản phẩm

Các biến quy trình cụ thể là độ dày lớp, hướng raster, khe hở không khí, chiều

rộng raster và chiều rộng lớp thành (contour width) đã được xem xét và tác động

của các tham số này đến các đặc tính chất lượng như độ bền kéo và độ nhám bề

mặt đã được nghiên cứu Họ kết luận rằng việc thiết lập độ dày lớp và chiều rộng

raster ở các giá trị thấp hơn có thể giảm thiểu độ nhám bề mặt ngoài khi khe hở

không khí ở 0.01 mm và độ bền kéo cao hơn cũng có thể đạt được Họ xác định

rằng độ bền kéo và độ nhám bề mặt của bộ phận được xử lý bị ảnh hưởng rất lớn

bởi thông số khe hở không khí (air gap) Chạy xác thực đã được thực hiện để xác

nhận phân tích dự đoán [20]

Raol và các cộng sự (năm 2014) đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số

in FDM đến độ nhám bề mặt Các tham số in như độ dày lớp, hướng xây dựng

một phần và góc raster đã được xem xét Các thí nghiệm được thực hiện bằng

phương pháp đáp ứng bề mặt và từ kết quả của các thí nghiệm, mô hình toán học đã

được phát triển Phân tích kết quả thí nghiệm và sơ đồ bề mặt kết luận rằng định

hướng xây dựng bộ phận có ảnh hưởng quan trọng nhất đến độ nhám bề mặt tiếp

theo là độ dày lớp Tuy nhiên, góc raster có ảnh hưởng ít quan trọng nhất đến độ

nhám bề mặt [21]

Kumar và các cộng sự (năm 2014) đã tiến hành nghiên cứu để tối ưu hóa các

tham số quy trình của các bộ phận ABS-M30i được chế tạo bởi FDM để có được độ

nhám bề mặt tối thiểu Năm tham số đã được xem xét trong nghiên cứu này và thiết

kế các thí nghiệm của Taguchi và ANOVA được sử dụng để phân tích ảnh hưởng

của từng tham số Nó đã được tìm thấy rằng trong nghiên cứu này, không phải tất cả

các tham số máy in FDM có tác động đến độ nhám bề mặt nhưng ảnh hưởng khác

nhau đến từng biến phản ứng được đề xuất Cấu trúc bề mặt nhẵn và Ra thấp hơn

được đảm bảo với giá trị độ dày lớp là 0.254 mm và khe hở không khí âm 0.01 mm

hoặc chiều rộng raster là 0.508 mm Họ đã phân tích các thông số biến đổi của quá

trình FDM như độ dày, khe hở không khí, chiều rộng raster, chiều rộng lớp

thành và hướng raster và các tương tác của chúng Họ xác định rằng lớp mỏng

hơn và khe hở giữa không khí có thể giảm thiểu độ nhám bề mặt [22]

Abdullah và các cộng sự (năm 2015) đã nghiên cứu tác động của hướng in

và độ dày lớp đến tính chất cơ học và cấu trúc liên kết của các mẫu ABS được in

Hai hướng in (XY và YZ) với ba chiều cao lớp khác nhau (0.1; 0.2 và 0.3 mm) đã

được chọn và mẫu vật được in sử dụng máy in 3D Phân tích ANOVA được thực

hiện để nghiên cứu mối quan hệ giữa chiều cao lớp và hướng in đối với độ bền kéo

và độ nhám bề mặt của mẫu thử Họ kết luận rằng chiều cao lớp và cài đặt hướng

có thể được cải thiện để có các đặc tính cơ học [23]

Manikandan và các cộng sự (năm 2015) đã nghiên cứu ảnh hưởng của các

tham số FDM đến cường độ uốn và độ nhám bề mặt của hỗn hợp PC-ABS sử dụng

máy FDM 900mc Các thông số được xem xét trong nghiên cứu là góc raster, kiểu

đường viền, chiều rộng raster và khe hở không khí Phương pháp Taguchi được

áp dụng cho các thí nghiệm thiết kế và độ bền uốn và độ nhám bề mặt đã được thử

nghiệm Họ cũng nhận thấy rằng kiểu đường viền (contour style) có ảnh hưởng

quan trọng nhất đến độ nhám bề mặt của phần PC-ABS được thực hiện bằng quy

trình FDM so với các tham số khác Họ đã xác định các thông số tốt nhất có thể của

quá trình FDM để đảm bảo các đặc tính độ nhám và uốn cong bề mặt tốt Họ đã chỉ

ra rằng góc raster có ảnh hưởng lớn đến cường độ uốn kiểu đường viền có ảnh

hưởng lớn đến độ nhám bề mặt [24]

Nidagundi và các cộng sự (năm 2015) đã sử dụng các tham số quy trình

FDM để tối ưu hóa Các tham số quá trình được xem xét để tối ưu hóa là độ dày

lớp, góc định hướng và góc điền đầy (fill angle) Các tham số đầu ra được xem xét

là độ bền kéo cuối cùng, độ nhám bề mặt, độ chính xác kích thước và thời gian

xây dựng Mô hình trực giao Taguchi từ L9 đã được sử dụng để tiến hành chạy thử

nghiệm Họ đã tối ưu hóa các tham số của quy trình FDM để tăng cường các thuộc

tính cụ thể: độ bền kéo; độ chính xác kích thước; độ nhám bề mặt và thời gian sản

xuất Họ đã xác nhận hiệu suất của các điều kiện tối ưu của FDM bằng cách tiến

hành thử nghiệm xác minh [25]

1.8 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, công nghệ FDM đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong

nhiều lĩnh vực Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của công nghệ FDM hiện nay là

chất lượng sản phẩm Độ nhám bề mặt, độ chính xác kích thước là các chỉ tiêu quan

trọng đánh giá chất lượng sản phẩm, đặc biệt là sản phẩm cơ khí Do đó, việc cải

tiến và nâng cao chất lượng của sản phẩm FDM là cần thiết

Chất lượng sản phẩm đi đôi với thời gian thực hiện quá trình (tương ứng chi

phí) nên việc tập trung vào chất lượng sản phẩm có thể phải đánh đổi bằng chi phí

cao Trong giới hạn của luận văn sẽ không tính đến vấn đề thời gian thực hiện quá

trình in 3D

Độ chính xác kích thước cũng như chất lượng sản phẩm FDM phụ thuộc

nhiều vào thông số chế tạo Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ

đến chất lượng sản phẩm, từ đó cung cấp những cơ sở cho việc lựa chọn các thông

số phù hợp trong quá trình tạo sản phẩm FDM là rất quan trọng

Riêng ứng dụng của công nghệ in 3D vào ngành đúc vẫn còn nhiều hạn chế,

một phần do chất lượng bề mặt chưa đáp ứng yêu cầu, một phần do độ chính xác

kích thước chưa đảm bảo đối với các sản phẩm cần độ chính xác cao Cụ thể độ

chính xác kích thước (trung bình) của sản phẩm in 3D ở mức IT 11-14 theo tiêu

chuẩn ISO 286-1 và độ nhám bề mặt (Ra) từ 1.6-25µm

Hình 1.13 Quá trình xử lý bề mặt sau khi in 3D.[26]

Bảng 1 1 Thống kê các thông số ảnh hưởng và các giá trị tương ứng

STT Thông số

công nghệ

Phương pháp đo Phương pháp

thay đổi thông số

Giá trị gia công thông thường

Độ nhám

(Ra)/ Sai số

kích thước tương ứng

(%DA)

Giá trị tối ưu theo các công bố

Độ nhám

(Ra)/Sai số

kích thước tương ứng

Thay đổi thông số công nghệ

0.1÷0.35mm

Thay đổi thông số công nghệ

0.3÷0.83mm

Thay đổi thông số công nghệ

Thay đổi thông số công nghệ

Thay đổi thông số công nghệ

Thay đổi thông số công nghệ

1÷3 đường

Thay đổi thông số công nghệ

0.01÷0

 %DAy: % thay đổi kích thước theo phương Y

 %DAz: % thay đổi kích thước theo phương Z

Bảng 1 2 Tóm tắt các thông số quan trọng và mức độ ảnh hưởng đến giá trị đáp

Góc định hướng (Build orientation)

2 Độ dày lớp (Layer height) Độ dày lớp (Layer height)

3 Bề rộng đường đùn (Raster

width)

Bề rộng đường đùn (Raster width)

4 Khe hở không khí (Air gap) Bề rộng lớp thành (Contour width)

5 Góc raster (Raster angle)

Mức độ ảnh hưởng từ 1 đến 5 tương ứng mức độ quan trọng từ cao xuống

thấp

Từ đó đề tài sẽ nghiên cứu các thông số ảnh hưởng độ chính xác kích thước

và độ nhám bề mặt sản phẩm của chi tiết được sản xuất bằng công nghệ FDM, với

vật liệu PLA, sử dụng phương pháp quy hoạch và phân tích thực nghiệm để thiết kế

thí nghiệm và tìm giá trị tối ưu của các thông số chế tạo, xác định mức độ ảnh

hưởng của các thông số

Các thông số được nghiên cứu bao gồm:

 Góc định hướng (Build orientation): góc tạo hình giữa mặt nằm ngang

và mặt phẳng tạo mẫu

 Độ dày lớp (Layer height): bề dày mỗi lớp in

 Bề rộng đường đùn (Raster width): chiều rộng mỗi đường in bên

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nguyên lý làm việc của máy in 3D

Công nghệ FDM dựa trên nguyên tắc làm nóng chảy sợi vật liệu được lắng

lại thông qua một đầu phun nhiệt trên một bề mặt Cử động của đầu phun được điều

khiển dựa trên số liệu 3D được cung cấp đến máy in Mỗi lớp sau khi lắng lại sẽ rắn

hóa và liên kết với lớp được in trước đó:

 Mô hình sản phẩm được tạo ra bởi phần mềm CAD sử dụng file JGES hoặc

file STL

 File CAD được cắt thành từng lớp, sau đó được xử lý bởi phần mềm chuyên

dụng Cấu trúc đỡ chi tiết được tự động tạo ra nếu cần thiết

 Vật liệu cung cấp sau khi qua đầu phun được gia nhiệt sẽ nóng chảy và đùn

ra Chiều rộng của vật liệu thoát ra có thể thay đổi trong khoảng

0,254mm-2,54mm

 Khi một lớp vật liệu hoàn thành, đầu phun của máy FDM sẽ di chuyển theo

phương Z để tạo ra lớp kế tiếp Lớp vật liệu vừa đùn ra sẽ liên kết với lớp vật

liệu trước đó Quá trình lặp lại cho đến khi mẫu được tạo ra hoàn chỉnh

2.2 Ý nghĩa của các thông số khảo sát

2.2.1 Góc định hướng (Build orientation)

Đây là thông số đáng chú ý nhất được nghiên cứu bởi các nhà nghiên cứu để

đạt được các đặc tính bề mặt tốt nhất Góc định hướng có thể được thay đổi đối với

hệ tọa độ máy trong mô hình CAD (Hình 2.1) để đạt được các mục tiêu mong

muốn Tuy nhiên, điều chỉnh góc định hướng không thể đạt giá trị tối ưu trên toàn

bộ các bề mặt chi tiết [28]

Hình 2 1 Góc định hướng-so với trục Z

2.2.2 Độ dày lớp (Layer Height)

Độ dày lớp là chiều cao của lớp được lắng đọng bởi đầu phun và là một tham

số quá trình có ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt Khi độ dày của các lớp giảm,

tổng số lớp tăng lên thì càng có nhiều lớp để in và thời gian in sẽ càng lâu, chất

lượng bề mặt tốt Khi độ dày lớp tăng, số lớp sẽ giảm và chất lượng bề mặt kém

Do đó, phải có sự đánh đổi giữa thời gian xây dựng và độ dày lớp trước khi bắt đầu

quá trình Có thể kết luận rằng độ hoàn thiện bề mặt tốt nhất và độ chính xác kích

thước đạt được từ độ dày lớp tối thiểu [28]

Hình 2 2.Minh họa độ dày lớp.[28]

2.2.3 Bề rộng đường đùn (Raster width) và Bề rộng lớp thành (Contour width)

Bề rộng đường đùn là chiều rộng của đường đi của vật liệu nóng chảy được

lắng đọng trên bàn in, nó gấp 1,2÷1,5 lần đường kính vòi phun tùy thuộc vào vật

liệu Nói chung, chiều rộng đường có liên quan chặt chẽ với đường kính đầu vòi

phun và thay đổi tuyến tính với nó Tác động của chiều rộng đường đùn tối thiểu

dẫn đến độ hoàn thiện bề mặt tối đa và độ chính xác kích thước

Bề rộng lớp thành là chiều rộng của lớp ngoài cùng của lớp trên cùng hoặc

ngoài cùng của phần được xây dựng bởi FDM Bề rộng lớp thành rộng hơn là tốt

nhất cho chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước vì bề rộng lớp thành mỏng

dễ bị biến dạng do nhiệt phát triển trong quá trình ép đùn.[28]

Hình 2 3.Một số thông số in FDM [28]

2.2.4 Góc raster (Raster angle)

Góc raster là góc hợp bởi hướng điền đầy bên trong sản phẩm với trục X

hoặc Y Nhìn chung, có các góc raster được các nhà nghiên cứu áp dụng là (0°/90°)

và (−45°/+45°) Một số tác giả đã thay đổi góc raster 30°/60° để tối ưu hóa các đầu

ra khác nhau [28]

Hình 2 4.Minh họa các góc raster khác nhau [29]

2.3.Ý nghĩa độ nhám bề mặt và độ chính xác kích thước trong FDM

2.3.1 Độ nhám bề mặt

Độ nhám bề mặt thường được rút ngắn thành độ nhám, là một thành phần

của kết cấu bề mặt Độ nhám được định lượng bằng độ lệch theo hướng của vectơ

bình thường của một bề mặt thực so với dạng lý tưởng của nó Nếu những sai lệch

này lớn, bề mặt gồ ghề; nếu chúng nhỏ, bề mặt mịn Độ nhám thường là một yếu tố

dự báo tốt về hiệu suất của một thành phần cơ học vì các bất thường trên bề mặt có

thể hình thành các vị trí tạo mầm cho các vết nứt hoặc ăn mòn Mặt khác, độ nhám

có thể thúc đẩy sự bám dính.[30]

Trong FDM sẽ rất khó khăn và tốn kém để kiểm soát độ nhám bề mặt của

các bộ phận được sản xuất, giảm độ nhám của bề mặt thường làm tăng thời gian in,

dẫn đến chi phí sản xuất của nó cũng tăng Điều này thường dẫn đến sự đánh đổi

giữa chi phí sản xuất của một bộ phận và hiệu suất của nó trong ứng dụng

Độ nhám bề mặt được đánh giá qua hai chỉ tiêu: Sai lệch trung bình Ra và chiều

cao nhấp nhô Rz

Sai lệch trung bình Ra: Là trung bình số học các giá trị tuyệt đối của profile

(hi) trong khoảng chiều dài chuẩn (L) Độ nhám bề mặt (Ra) của các bộ phận in

bằng công nghệ FDM thông thường từ 1.6-25µm

Hình 2 5.Định nghĩa sai lệch trung bình Ra [31]

Chiều cao nhấp nhô Rz: Là trị số trung bình của tổng các giá trị tuyệt đối của

chiều cao 5 đỉnh cao nhất và chiều sâu của 5 đáy thấp nhất của profile trong khoảng

chiều dài chuẩn (L)

Hình 2 6.Định nghĩa chiều cao nhấp nhô Rz [31]

2.3.2 Độ chính xác

Độ chính xác gia công là mức độ chính xác đạt được khi gia công so với yêu

cầu thiết kế Trong thực tế, độ chính xác gia công được biểu thị bằng các sai số về

kích thước, sai lệch về hình dáng hình học, sai lệch về vị trí tương đối giữa các yếu

tố hình học của chi tiết được biểu thị bằng dung sai [32]

Trong quá trình in 3D, độ chính xác về kích thước đề cập đến mức độ phù

hợp của đối tượng in với kích thước và thông số kỹ thuật của mô hình gốc