Nghiên cứu nâng cao chất lượng sản phẩm của công nghệ fdm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH HỮU NGHỊ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM CỦA CÔNG NGHỆ FDM LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH HỮU NGHỊ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM CỦA CÔNG NGHỆ FDM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số chuyên ngành: 62520103 Phản biện độc lập: PGS.TS Lê Hồng Kỳ Phản biện độc lập: PGS.TS Lê Thanh Danh Phản biện: PGS.TS Đỗ Thành Trung Phản biện: PGS.TS Phan Chí Chính Phản biện: PGS.TS Nguyễn Thanh Hải NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Huỳnh Hữu Nghị i TĨM TẮT LUẬN ÁN Trong cơng nghệ AM (Additive Manufacturing), công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) chiếm thị phần lớn ưu điểm: sử dụng vật liệu thông dụng, phù hợp cho sản phẩm công nghiệp (đặc biệt lĩnh vực khí), khơng sử dụng lượng laser tia UV phí đầu tư bảo trì thấp Từ đó, thiết bị FDM có kết cấu đơn giản, dễ điều khiển, dễ vận hành Tuy nhiên, để tạo sản phẩm lĩnh vực cơng nghiệp, cơng nghệ FDM cịn cần phải cải thiện đặc tính chất lượng như: độ xác kích thước, độ nhám bề mặt, tính…Các đặc tính chủ yếu bị ảnh hưởng thơng số cơng nghệ q trình tạo sản phẩm Theo hướng này, luận án tập trung vào việc tìm hiểu trình chế tạo sản phẩm FDM cách kiểm sốt thơng số cơng nghệ có liên quan để cải thiện độ xác kích thước độ bền kéo sản phẩm Kết nghiên cứu giúp nhà sản xuất người sử dụng thiết bị hiểu ảnh hưởng thông số công nghệ chiều dày lớp, hướng chế tạo, nhiệt độ đầu đùn, nhiệt độ buồng tạo sản phẩm…đến đặc tính chất lượng, đặc biệt độ xác kích thước, độ bền kéo Để cải thiện độ xác kích thước độ bền kéo, luận án xây dựng quy trình kiểm sốt thơng số cơng nghệ thơng qua q trình thực nghiệm dựa phương pháp thiết kế tổng hợp trung tâm (Face - Centered Central Composite Design - FCCCD) Tính phù hợp mơ hình ý nghĩa thống kê thơng số cơng nghệ thiết lập phân tích cách sử dụng phương pháp phân tích phương sai (Analysis of Variance - ANOVA) Ngồi ra, luận án cịn sử dụng thuật tốn tối ưu hóa hàm mục tiêu phương pháp RSM (Response Surface Design), phương pháp tiên tiến, phổ biến để tìm mức giá trị thông số công nghệ cho mục tiêu đề Đồng thời, luận án xây dựng mô hình mạng nơ ron nhân tạo (Artificial Neural Network – ANN) để dự đoán tiến hành so sánh đối chiếu hai phương pháp RSM ANN Kết thực nghiệm theo phương pháp RSM kiểm tra mẫu chế tạo từ thông số cơng nghệ tối ưu tìm Từ khóa: cơng nghệ FDM, thơng số cơng nghệ, độ xác kích thước, độ bền kéo, quy hoạch thực nghiệm, phương pháp FCCCD, mạng nơ ron nhân tạo ii ABSTRACT In AM (Additive Manufacturing) technologies, FDM (Fused Deposition Modeling) technology accounts for a large market share due to its advantages: using common materials but very suitable for industrial products (especially in the field of mechanical engineering), simple energy sources with no need for complex energy sources, for example, lasers or UV light come with high investment and maintenance costs Moreover, FDM equipments also have a simple structure, easy to control, operate and maintain at low cost However, in order to create products in the industrial sector, FDM technology needs to be improved in product quality characteristics such as dimensional accuracy, surface roughness, mechanical properties etc These characteristics are mainly influenced by technological parameters during fabrication Following this direction, the thesis focuses on researching the FDM product fabrication process by controlling the relevant technological parameters to improve the dimensional accuracy and tensile strength of the product The results of the study help manufacturers and users understand the influence of technological parameters, namely layer thickness, fabrication angle, extrusion head temperature, chamber temperature, etc on quality characteristics, especially dimensional accuracy and tensile strength To improve these two important characteristics, the thesis formulated a process for controlling technological parameters through the experimental process based on the central composite design method (Face - Centered Central Composite Design - FCCCD) The suitability of the model and the statistical significance of each technological parameter were established and analyzed using the variance analysis method (ANOVA) In addition, the thesis also uses the objective function optimization algorithm by RSM (Response Surface Design), an advanced and popular method today to find out the value levels of each technological parameter for the set goal At the same time, the thesis also built an artificial neural network model (Artificial Neural Network – ANN) to predict and conduct comparative comparisons between the two methods The experimental results were verified by samples made from the optimal set of technological parameters found Keyword: FDM technology, technological parameter, dimensional accuracy, tensile strength, experimental planning, FCCCD method, artifical neuron network iii LỜI CÁM ƠN Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Thái Thị Thu Hà, người Cô tận tâm dạy, động viên giúp đỡ từ lúc học Đại học, Cao học suốt trình làm Nghiên cứu sinh Trường Đại học Bách Khoa Xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô, Quý đồng nghiệp Trường Đại học Bách Khoa, đặc biệt Quý Thầy Cơ, Q đồng nghiệp Khoa Cơ Khí, Bộ môn Chế Tạo Máy truyền cảm hứng, trang bị, chia sẻ kiến thức bổ ích đồng hành suốt thời gian học tập, nghiên cứu làm việc Tôi xin trân trọng cám ơn gia đình, vợ trai ln đồng hành, động viên tơi lúc khó khăn, suốt trình học tập, nghiên cứu thực luận án Xin chân thành cảm ơn! iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC BẢNG BIỂU x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ AM 1.2 Công nghệ FDM 1.3 Tổng quan nghiên cứu 1.3.1 Các nghiên cứu nước 1.3.2 Các nghiên cứu nước 16 1.4 Nhận xét 17 1.5 Đề xuất mục tiêu nghiên cứu 22 1.6 Phạm vi nghiên cứu 22 1.7 Phương pháp nghiên cứu 23 1.8 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn 23 1.9 Cấu trúc luận án 24 CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM FDM 26 2.1 Chiều dày lớp (t) 26 2.2 Góc đường đùn () 27 2.3 Tốc độ đầu đùn (Vp) 27 2.4 Mật độ điền đầy (D) 28 2.5 Nhiệt độ buồng tạo sản phẩm (Tb) 29 2.6 Hướng chế tạo 29 2.7 Kiểu điền đầy 32 2.8 Nhiệt độ đầu đùn 32 2.9 Bề rộng đường đùn 33 2.10 Số đường bao 33 CHƯƠNG 3.1 MƠ PHỎNG Q TRÌNH ĐÙN NHỰA 35 Giới thiệu công cụ mô vật liệu 35 3.1.1 Phần mềm Ansys 35 3.1.2 Vật liệu 36 3.1.3 Các phương trình 38 v 3.2 Tính tốn nhiệt cần thiết cho đầu đùn 39 3.2.1 Tổng quan kết cấu nhiệt đầu đùn 39 3.2.2 Nhiệt lượng cần thiết để đầu đùn đạt đến nhiệt độ làm việc 40 3.2.3 Tính tốn nhiệt tổn thất 41 3.3 Trình tự thực 44 3.3.1 Nhập mơ hình vào phần mềm chia lưới: 45 3.3.2 Thiết lập điều kiện ban đầu 46 3.4 Kết 47 3.4.1 Ảnh hưởng vận tốc cấp liệu đến khoảng nóng chảy hồn tồn 47 3.4.2 Ảnh hưởng vận tốc cấp liệu đến vận tốc đùn 49 3.4.3 Ảnh hưởng vận tốc cấp liệu đến áp suất giới hạn vận tốc cấp liệu 50 3.5 Nhận xét xác định giá trị thông số tốc độ đầu đùn 52 3.5.1 Nhận xét 52 3.5.2 Xác định giá trị tốc độ đầu đùn 53 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH 54 4.1 Phương pháp thực 54 4.2 Trình tự thực 55 4.3 Thông số thực nghiệm 56 4.4 Quá trình thực nghiệm 57 4.5 Chế tạo mẫu – thu thập số liệu 58 4.5.1 Lựa chọn mẫu: 58 4.5.2 Chế tạo mẫu thực nghiệm 59 4.5.3 Kết đo 61 4.6 Kết thực nghiệm phân tích số liệu 66 4.6.1 Kết thực nghiệm: 66 4.6.2 Phân tích số liệu 68 4.7 Huấn luyện mạng nơron nhân tạo (Artificial Neural Network-ANN) 80 4.7.1 Thiết lập mạng 80 4.7.2 Huấn luyện mơ hình ANN 83 4.7.3 So sánh hai phương pháp RSM ANN 91 CHƯƠNG 5.1 TỐI ƯU THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ 95 Tối ưu thông số công nghệ 95 5.1.1 Tối ưu thông số công nghệ đa mục tiêu cho độ xác kích thước 96 vi 5.1.2 Tối ưu thông số công nghệ cho độ bền kéo 97 5.1.3 Tối ưu thông số công nghệ đa mục tiêu cho độ xác độ bền kéo 98 5.2 Đánh giá thông số công nghệ tối ưu 99 5.2.1 Bộ thơng số tối ưu cho độ xác kích thước 99 5.2.2 Kiểm chứng thông số tối ưu cho độ bền kéo 99 5.2.3 Bộ thông số tối ưu đa mục tiêu (độ xác độ bền kéo) 100 5.3 Thảo luận 100 CHƯƠNG KẾT LUẬN – ĐỀ XUẤT 103 6.1 Kết đạt 103 6.2 Những đóng góp nghiên cứu 105 6.3 Đề xuất 106 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Doanh thu tất sản phẩm dịch vụ cơng nghiệp AM năm 2017 Hình 1.2 Xu hướng sử dụng công nghệ AM công nghiệp Hình 1.3 Dự đốn mức tăng trưởng cơng nghệ AM điển hình Hình 1.4 Doanh thu cơng nghệ FDM năm 2012 Hình 1.5 Nguyên lý công nghệ FDM Hình 2.1 Các thơng số chiều dày lớp, góc đưởng đùn, bề rộng đường đùn, đường bao 24 Hình 2.2 Ảnh hưởng chiều dày lớp đến chất lượng bề mặt 25 Hình 2.3 Tốc độ đùn vật liệu tốc độ đầu đùn 26 Hình 2.4 Mật độ điền đầy 27 Hình 2.5 Các định hướng sản phẩm bàn máy 28 Hình 2.6 Hướng chế tạo thơng số định lượng thơng số định tính 28 Hình 2.7 Độ chịu tải sản phẩm 29 Hình 2.8 Ảnh hưởng hướng chế tạo đến cấu trúc đỡ 29 Hình 2.9 Ảnh hưởng hướng chế tạo đến chất lượng sản phẩm 29 Hình 2.10 Một số kiểu điền đầy 30 Hình 2.11 Tiết diện sợi vật liệu theo nhiệt độ 31 Hình 3.1 Sơ đồ phân bố vận tốc, ứng suất cắt ứng suất trượt 35 Hình 3.2 Sơ đồ tính toán giới hạn chịu nén 36 Hình 3.3 Các thành phần cụm đầu đùn 37 Hình 3.4 Lưu đồ q trình mơ 42 Hình 3.5 Thiết kế đầu đùn 43 Hình 3.6 Đầu đùn định nghĩa 44 Hình 3.7 Vật thể chia lưới 44 Hình 3.8 Khoảng nóng chảy hồn toàn PLA- đồng 46 Hình 3.9 Đồ thị khoảng nóng chảy hồn tồn PLA-đồng 46 Hình 3.10 Ảnh hưởng vận tốc cấp liệu đến tốc độ đùn 47 Hình 3.11 Đồ thị vận tốc đùn vật liệu PLA-đồng 58 Hình 3.12 Đồ thị áp suất PLA-đồng mức vận tốc cấp liệu 49 Hình 3.13 Ảnh hưởng vận tốc cấp liệu đến áp suất 50 Hình 4.1 Lưu đồ trình thực nghiệm 53 Hình 4.2 Thiết kế thực nghiệm theo FCCCD Minitab 55 Hình 4.3 Thiết kế thực nghiệm Minitab với năm thông số 55 Hình 4.4 Mẫu thử nghiệm độ bền kéo 57 Hình 4.5 Mẫu thử nghiệm độ xác kích thước 57 Hình 4.6 Thiết bị FDM - Vina2015 57 Hình 4.7 Mẫu thử nghiệm độ xác sau chế tạo 58 Hình 4.8 Mẫu thử nghiệm độ bền kéo sau chế tạo 59 Hình 4.9 Thiết bị đo độ bền kéo DELTALAB 59 Hình 4.10 Biểu đồ ứng suất-biến dạng 64 viii