Luận án tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: 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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Huỳnh Hữu Nghị

ii

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Trong các công nghệ AM (Additive Manufacturing), công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) chiếm một thị phần lớn do những ưu điểm: sử dụng vật liệu thông dụng, phù hợp cho sản phẩm công nghiệp (đặc biệt là trong lĩnh vực cơ khí), không sử dụng năng lượng laser hoặc tia UV nên chi phí đầu tư và bảo trì thấp Từ đó, thiết bị FDM có kết cấu đơn giản, dễ điều khiển, dễ vận hành Tuy nhiên, để tạo ra các sản phẩm trong lĩnh vực công nghiệp, công nghệ FDM còn cần phải được cải thiện các đặc tính chất lượng như: độ chính xác kích thước, độ nhám bề mặt, cơ tính…Các đặc tính này chủ yếu bị ảnh hưởng bởi các thông số công nghệ trong quá trình tạo sản phẩm Theo hướng này, luận án tập trung vào việc tìm hiểu quá trình chế tạo sản phẩm FDM bằng cách kiểm soát các thông số công nghệ có liên quan để cải thiện độ chính xác kích thước và độ bền kéo của sản phẩm Kết quả nghiên cứu giúp các nhà sản xuất và người sử dụng thiết bị hiểu được ảnh hưởng của các thông số công nghệ như chiều dày lớp, hướng chế tạo, nhiệt độ đầu đùn, nhiệt độ buồng tạo sản phẩm…đến các đặc tính chất lượng, đặc biệt là độ chính xác kích thước, độ bền kéo Để cải thiện độ chính xác kích thước và độ bền kéo, luận án đã xây dựng một quy trình kiểm soát các thông số công nghệ thông qua quá trình thực nghiệm dựa trên phương pháp thiết kế tổng hợp trung tâm (Face - Centered Central Composite Design - FCCCD) Tính phù hợp của mô hình và ý nghĩa thống kê của từng thông số công nghệ được thiết lập và phân tích bằng cách sử dụng phương pháp phân tích phương sai (Analysis of Variance - ANOVA) Ngoài ra, luận án còn sử dụng thuật toán tối ưu hóa hàm mục tiêu bằng phương pháp RSM (Response Surface Design), đây là phương pháp tiên tiến, phổ biến hiện nay để tìm các mức giá trị của từng thông số công nghệ cho mục tiêu đề ra

Đồng thời, luận án cũng xây dựng mô hình mạng nơ ron nhân tạo (Artificial Neural Network – ANN) để dự đoán và tiến hành so sánh đối chiếu giữa hai phương pháp RSM và ANN Kết quả thực nghiệm theo phương pháp RSM đã được kiểm tra bởi các mẫu được chế tạo từ bộ thông số công nghệ tối ưu tìm được

Từ khóa: công nghệ FDM, thông số công nghệ, độ chính xác kích thước, độ bền kéo, quy hoạch thực nghiệm, phương pháp FCCCD, mạng nơ ron nhân tạo

iii 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

iv

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS Thái Thị Thu Hà, người Cô đã tận tâm chỉ dạy, động viên và giúp đỡ tôi từ lúc tôi học Đại học, Cao học và trong suốt quá trình làm Nghiên cứu sinh tại Trường Đại học Bách Khoa

Xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô, Quý đồng nghiệp tại Trường Đại học Bách Khoa, đặc biệt là Quý Thầy Cô, Quý đồng nghiệp tại Khoa Cơ Khí, tại Bộ môn Chế Tạo Máy đã truyền cảm hứng, trang bị, chia sẻ những kiến thức bổ ích và đồng hành cùng tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và làm việc

Tôi xin trân trọng cám ơn gia đình, vợ và con trai đã luôn đồng hành, động viên tôi trong những lúc khó khăn, cũng như trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án này

Xin chân thành cảm ơn!

v MỤC LỤC

1.3 Tổng quan nghiên cứu 6

1.3.1 Các nghiên cứu ngoài nước 6

1.3.2 Các nghiên cứu trong 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

2.10 Số đường bao ngoài 33

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐÙN NHỰA 35

3.1 Giới thiệu công cụ mô phỏng và vật liệu 35

3.1.1 Phần mềm Ansys 35

3.1.2 Vật liệu 36

3.1.3 Các phương trình 38

vi

3.2 Tính toán 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 toán nhiệt tổn thất 41

3.3 Trình tự thực hiện 44

3.3.1 Nhập mô hình vào phần mềm và chia lưới: 45

3.3.2 Thiết lập các điều kiện ban đầu 46

3.4 Kết quả 47

3.4.1 Ảnh hưởng của vận tốc cấp liệu đến khoảng nóng chảy hoàn toàn 47

3.4.2 Ảnh hưởng của vận tốc cấp liệu đến vận tốc đùn 49

3.4.3 Ảnh hưởng của vận tốc cấp liệu đến áp suất và giới hạn vận tốc cấp liệu 50

3.5 Nhận xét và xác định giá trị thông số tốc độ đầu đùn 52

4.7.2 Huấn luyện mô hình ANN 83

4.7.3 So sánh giữa hai phương pháp RSM và ANN 91

CHƯƠNG 5 TỐI ƯU THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ 95

5.1 Tối ưu thông số công nghệ 95

5.1.1 Tối ưu thông số công nghệ đa mục tiêu cho độ chính xác kích thước 96

vii

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 chính xác và độ bền kéo 98

5.2 Đánh giá các bộ thông số công nghệ tối ưu 99

5.2.1 Bộ thông số tối ưu cho độ chính xác kích thước 99

5.2.2 Kiểm chứng bộ thông số tối ưu cho độ bền kéo 99

5.2.3 Bộ thông số tối ưu đa mục tiêu (độ chính xác và độ bền kéo) 100

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Doanh thu tất cả các sản phẩm và dịch vụ của công nghiệp AM năm 2017 2

Hình 1.2 Xu hướng sử dụng công nghệ AM trong công nghiệp 2

Hình 1.3 Dự đoán mức tăng trưởng các công nghệ AM điển hình 3

Hình 1.4 Doanh thu công nghệ FDM năm 2012 3

Hình 2.5 Các định hướng sản phẩm trên bàn máy 28

Hình 2.6 Hướng chế tạo là thông số định lượng và thông số định tính 28

Hình 2.7 Độ chịu tải của sản phẩm 29

Hình 2.8 Ảnh hưởng của hướng chế tạo đến cấu trúc đỡ 29

Hình 2.9 Ảnh hưởng của 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 và 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 quá trình mô phỏng 42

Hình 3.5 Thiết kế đầu đùn 43

Hình 3.6 Đầu đùn được định nghĩa 44

Hình 3.7 Vật thể đã được chia lưới 44

Hình 3.8 Khoảng nóng chảy hoàn toàn của PLA- đồng 46

Hình 3.9 Đồ thị khoảng nóng chảy hoàn toàn của 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 của PLA-đồng ở các mức vận tốc cấp liệu 49

Hình 3.13 Ảnh hưởng vận tốc cấp liệu đến áp suất 50

Hình 4.1 Lưu đồ quá trình thực nghiệm 53

Hình 4.2 Thiết kế thực nghiệm theo FCCCD trên Minitab 55

Hình 4.3 Thiết kế thực nghiệm trên Minitab với năm thông số 55

Hình 4.4 Mẫu thử nghiệm độ bền kéo 57

Hình 4.5 Mẫu thử nghiệm độ chính xác kích thước 57

Hình 4.6 Thiết bị FDM - Vina2015 57

Hình 4.7 Mẫu thử nghiệm độ chính xác sau khi chế tạo 58

Hình 4.8 Mẫu thử nghiệm độ bền kéo sau khi chế tạo 59

Hình 4.9 Thiết bị đo độ bền kéo DELTALAB 59

Hình 4.10 Biểu đồ ứng suất-biến dạng 64

ix

Hình 4.11 Phân tích phương sai cho độ chính xác theo phương X 69

Hình 4.12 Biểu đồ đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng thông số tới độ chính xác cích thước theo phương X 69

Hình 4.13 Đồ thị bề mặt của sai số kích thước phương X 70

Hình 4.14 Phân tích phương sai cho độ chính xác theo phương Y 72

Hình 4.15 Biểu đồ đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thành phần tới độ chính xác phương Y 72

Hình 4.16 Đồ thị bề mặt của sai số kích thước phương Y 73

Hình 4.17 Phân tích phương sai cho độ chính xác theo phương Z 75

Hình 4.18 Biểu đồ đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thành phần tới độ chính xác phương Z 75

Hình 4.19 Đồ thị bề mặt của sai số kích thước phương Y 75

Hình 4.20 Phân tích phương sai cho độ bền kéo 78

Hình 4.21 Biểu đồ đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thành phần tới độ bền kéo 78

Hình 4.22 Đồ thị bề mặt của độ bền kéo 80

Hình 2.33 Biểu đồ so sánh tốc độ và yêu cầu bộ nhớ giữa các thuật toán 81

Hình 4.24 Hàm Tansig 82

Hình 4.25 Hàm Purelin 82

Hình 4.26 Cấu trúc mạng ANN được xây dựng với một lớp ẩn 83

Hình 4.27 Quá trình huấn luyện mạng dự đoán sai số kích thước X 83

Hình 4.28 Đồ thị thể hiện hệ số tương quan của mô hình dự đoán kích thước X 83

Hình 4.29 Đồ thị đánh giá sai số bình phương trung bình MSE cho kích thước X 83

Hình 4.30 Quá trình huấn luyện mạng dự đoán sai số kích thước Y 85

Hình 4.31 Đồ thị thể hiện hệ số tương quan của mô hình dự đoán kích thước Y 86

Hình 4.32 Đồ thị đánh giá sai số bình phương trung bình MSE cho kích thước Y 86

Hình 4.33 Quá trình huấn luyện mạng dự đoán sai số kích thước Z 87

Hình 4.34 Đồ thị thể hiện hệ số tương quan của mô hình dự đoán kích thước Z 87

Hình 4.35 Đồ thị đánh giá sai số bình phương trung bình MSE cho kích thước Z 88

Hình 4.36 Quá trình huấn luyện mạng dự đoán độ bền kéo 89

Hình 4.37 Đồ thị thể hiện hệ số tương quan của mô hình dự đoán độ bền kéo 90

Hình 4.38 Đồ thị đánh giá sai số bình phương trung bình MSE cho độ bền kéo 90

Hình 5.1 Chọn công cụ tối ưu trên Minitab 95

Hình 5.2 Đồ thị tối ưu cho kích thước X, Y, Z 96

Hình 5.3 Đồ thị tối ưu cho độ bền kéo 97

Hình 5.4 Đồ thị tối ưu cho độ chính xác và độ bền kéo 98

x

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phân loại công nghệ AM dựa trên vật liệu 4

Bảng 1.2 Tổng hợp các công trình nghiên cứu 17

Bảng 1.3 So sánh các phương pháp 20

Bảng 3.1 Thông số vật liệu PLA-đồng 37

Bảng 3.2 Khoảng nóng chảy của PLA-đồng tương ứng với các vận tốc cấp liệu 49

Bảng 3.3 Vận tốc đùn tương ứng với vận tốc cấp liệu 50

Bảng 3.4 Các giá trị áp suất của PLA-đồng tại các vận tốc cấp liệu 51

Bảng 4.1 Thông số và các mức thông số trong thí nghiệm 56

Bảng 4.2 Thông số thực nghiệm được thiết kế theo phương pháp FCCCD 58

Bảng 4.3 Đặc tính kỹ thuật thiết bị FDM Vina 2015 60

Bảng 4.4 Kết quả đo kích thước 65

Bảng 4.5 Kết quả đo ứng suất kéo của mẫu trên thiết bị DELTALAB 66

Bảng 4.6 Dữ liệu thực nghiệm thu được từ FCCCD 67

Bảng 4.7 Bảng tổng hợp các kết quả dự đoán sai số theo phương X 92

Bảng 4.8 Bảng tổng hợp các kết quả dự đoán sai số theo phương Y 92

Bảng 4.9 Bảng tổng hợp các kết quả dự đoán sai số theo phương Z 93

Bảng 4.10 Bảng tổng hợp các kết quả dự đoán sai số theo độ bền kéo 93

Bảng 5.1 Bộ thông số tối ưu cho kích thước X, Y, Z 96

Bảng 5.2 Bộ thông số tối ưu cho độ bền kéo 97

Bảng 5.3 Bộ thông số tối ưu cho độ chính xác và độ bền kéo 98

Bảng 5.4 Kết quả kiểm tra cho độ chính xác kích thước 99

Bảng 5.5 Kết quả kiểm tra cho độ bền kéo 100

Bảng 5.6 Kết quả kiểm tra bộ thông số đa mục tiêu 100

xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

FCCCD Face Centered Central Composite Design Thiết kế tổng hợp trung tâm

1

Sản phẩm của công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là các sản phẩm công nghiệp sử dụng vật liệu nhựa Chương 1 trình bày về các vấn đề đã được nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm FDM Trên cơ sở đó, tiến hành phân tích, đánh giá các ưu điểm đạt được và những tồn tại cần tiếp tục khắc phục Từ đó, đề xuất các hướng cần nghiên cứu, các giải pháp phù hợp và hiệu quả nhằm đáp ứng nhu cầu của thực tiễn sản xuất đối với sản phẩm FDM bằng vật liệu nhựa kết hợp kim loại PLA-Cooper (nhựa PLA-đồng)

1.1 Công nghệ AM

Công nghệ AM (Additive Manufacturing), ra đời từ những năm 1980, được đánh giá là nhóm công nghệ chế tạo tiên tiến với nhiều ưu điểm nổi bật, đặc biệt là tạo ra các sản phẩm có độ phức tạp về hình dáng hình học mà các công nghệ truyền thống không làm được Công nghệ AM, đang phát triển với tốc độ nhanh chóng, cho phép hiện thực hóa các sản phẩm phức tạp được thiết kế bằng máy tính dưới dạng mô hình khối rắn ba chiều Một quy trình chế tạo sản phẩm theo công nghệ AM gồm 08 bước cơ bản như sau: thiết kế sản phẩm, chuyển dữ liệu thiết kế sang định dạng chuyên dùng STL (Standard Triangle Language), kiểm tra chất lượng dữ liệu STL, cài đặt các thông số công nghệ và cắt lớp, chế tạo sản phẩm, lấy sản phẩm ra khỏi thiết bị và sử dụng sản phẩm theo các tính năng yêu cầu khi thiết kế

Công nghệ AM đã chứng minh hiệu quả trong thực tế sản xuất khi tạo ra được những thay đổi đáng kể trong quá trình thiết kế cũng như chế tạo sản phẩm ở những quy mô sản xuất khác nhau Theo báo cáo của Terry Wohlers năm 2018 [1], được thể hiện trong Hình 1.1, trong năm 2017, ngành công nghiệp AM, bao gồm tất cả các sản phẩm và dịch vụ trên toàn thế giới đã tăng từ 6,063 tỷ USD lên 7,336 tỷ USD Còn theo báo cáo hàng quý, sử dụng dữ liệu từ 7,000 nhà cung cấp dịch vụ quốc tế với hơn 200,000 sản phẩm AM mỗi quý, của 3D Hubs thì trong quý 1 năm 2018 công nghệ

Hình 1.1 Doanh thu các sản phẩm và dịch vụ của công nghiệp AM năm 2017 [1]

Hình 1.2 Xu hướng sử dụng công nghệ AM trong công nghiệp (Quý 1 – 2018) [1]

3

Trên thế giới hiện nay có khoảng hơn 30 công nghệ AM đang được sử dụng và thương mại hoá Có nhiều phương pháp khác nhau để phân loại công nghệ này như: phương pháp dựa theo dạng vật liệu sử dụng, dựa theo nguồn năng lượng và dựa theo phương pháp tạo lớp…Tuy nhiên, phổ biến nhất hiện nay là phương pháp phân loại theo vật liệu sử dụng Theo cách phân loại này, công nghệ AM được phân thành ba nhóm chủ yếu là công nghệ sử dụng vật liệu dạng bột, vật liệu dạng lỏng và vật liệu dạng rắn như được trình bày trong bảng 1.1

Hình 1.3 Dự đoán mức tăng trưởng các công nghệ AM điển hình [1]

Hình 1.4 Doanh thu công nghệ FDM [1]

4 1.2 Công nghệ FDM

Công nghệ FDM tạo ra sản phẩm bằng cách thêm và liên kết vật liệu theo từng lớp Nguyên lý công nghệ FDM được trình bày trong Hình 1.5 như sau sợi nhựa được cấp vào đầu đùn bằng cặp con lăn, đầu đùn được gia nhiệt để sợi nhựa đạt đến trạng thái nóng chảy và được đùn ra ngoài qua một vòi phun dưới áp suất được tạo ra bởi chính chuyển động đẩy sợi nhựa vào Vòi phun sẽ di chuyển theo hai phương X, Y để

Bảng 1.1 Phân loại công nghệ AM dựa trên vật liệu sử dụng Dạng vật liệu Loại vật liệu Công nghệ Nguyên lý

Lỏng

Các loại nhựa dạng lỏng như acrylate,

epoxi…

Stereolithography (SLA)

Tia laser được điều khiển quét lên bề mặt chất lỏng làm đông rắn chất lỏng theo biên dạng mỗi mặt cắt ngang của sản phẩm

Các loại nhựa dạng lỏng như acrylate,

Bột

Vật liệu bột như gốm, nhựa, kim loại…và chất kết dính

Three-Dimentional Printing (3DP)

Phun chất kết dính vật liệu bột theo biên dạng một mặt cắt ngang của sản phẩm Vật liệu bột

như

Polycarbonates, nylons, gốm và một số kim loại…

Selective Laser Sintering (SLS)

Điều khiển tia laser quét lên bề mặt lớp bột để thiêu kết và làm kết dính vật liệu bột theo biên dạng mỗi mặt cắt ngang của sản phẩm

Rắn

Vật liệu dạng tấm bằng giấy, gỗ, nhựa…

Laminated Object Manufacturing (LOM)

Sử dụng tia laser cắt tấm vật liệu theo biên dạng mặt cắt ngang của sản phẩm

Nhựa dạng sợi như PLA, ABS, PLA-đồng, PLA-sắt

Fused Deposition Modeling (FDM)

Sợi nhựa được gia nhiệt đến trạng thái nóng chảy và được đùn qua đầu đùn Đầu đùn di chuyển theo phương X,Y tạo nên biên dạng một mặt cắt ngang của sản phẩm.

5

tạo nên một lớp vật liệu theo tiết diện ngang của sản phẩm Sau khi hoàn thành một lớp, bàn máy sẽ di chuyển xuống theo phương Z một khoảng bằng chiều dày lớp đã cài đặt và quá trình sẽ được lặp lại cho đến khi hoàn thành sản phẩm Tùy theo mục đích, yêu cầu của sản phẩm mà người sử dụng sẽ chọn vật liệu cho phù hợp FDM sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo như PLA, ABS, PEEK… để chế tạo sản phẩm và vật liệu nhựa chuyên dùng như PVA… để tạo cấu trúc đỡ (khi cần thiết)

Ban đầu, công nghệ FDM được sử dụng để chế tạo các mô hình trực quan, mô hình trình diễn và tạo mẫu để kiểm tra quá trình thiết kế Yêu cầu đối với các ứng dụng này chủ yếu liên quan đến hình dáng tổng thể Theo quá trình phát triển, công nghệ FDM dần được sử dụng để chế tạo các chi tiết dùng trong đồ gá, khuôn … hay tạo ra thành phẩm (end-product) …Yêu cầu đối với các ứng dụng dạng này chủ yếu liên quan đến độ chính xác kích thước, độ nhám bề mặt và cơ tính [2] Có nhiều nguyên nhân ảnh hưởng đến độ chính xác của sản phẩm FDM trong đó chủ yếu là do ảnh hưởng của các thông số công nghệ [3-8], Ngoài ra, các đặc tính cơ học của sản

Hình 1.5 Nguyên lý công nghệ FDM [3]

6

phẩm FDM cũng được quyết định bởi việc lựa chọn các thông số công nghệ, đặc biệt là các thông số có ảnh hưởng đến độ bền liên kết giữa các sợi bên trong một lớp, độ bền liên kết giữa các lớp cũng như kích thước mối liên kết tại các vị trí giao nhau giữa các sợi nhựa [9-11], kết hợp nhựa với bột kim loại để tăng độ bền của sản phẩm sau khi được chế tạo

Từ phân tích trên cho thấy tùy vào từng mục đích sử dụng khác nhau mà mỗi sản phẩm sẽ có những yêu cầu cụ thể về chất lượng khác nhau Do đó, việc phân tích, kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng, đặc biệt là độ chính xác kích thước và cơ tính, trong quá trình chế tạo sản phẩm bằng công nghệ FDM là một vấn đề quan trọng Công việc này đã được quan tâm nghiên cứu từ những năm 1996 và tiếp tục được mở rộng, phát triển cho đến ngày nay Phần 1.3 trình bày về các công trình nghiên cứu liên quan

1.3 Tổng quan nghiên cứu:

Hiện nay, công nghệ FDM đã được sử dụng khá phổ biến trong nhiều lĩnh vực với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau Do vậy, trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu liên quan đến công nghệ FDM đã được thực hiện với các hướng nghiên cứu khác nhau như:

1.3.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Trong thời gian qua, nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước đã nghiên cứu về công nghệ FDM, cụ thể như:

Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến độ chính xác kích thước:

Độ chính xác kích thước là một trong những chỉ tiêu quan trọng cho một sản phẩm cơ khí có yêu cầu lắp ráp Do đó, nó được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Trong nghiên cứu năm 2019 của Oguzhan Emre Akbas [12] tại Đại học Istanbul Thổ Nhĩ Kỳ, tác giả thực hiện phân tích thực nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ đầu đùn và tốc độ cấp liệu đến kích thước của các sản phẩm FDM Kết quả cho thấy độ chính xác trung bình của các mẫu bằng vật liệu PLA tốt hơn so với các mẫu bằng vật liệu ABS Bề rộng trung bình của đường đùn có xu hướng tăng khi nhiệt độ tăng đối với các mẫu bằng PLA, trong khi các mẫu bằng ABS thì có lúc tăng lúc giảm Đối với bề rộng

được xem là tối ưu cho ABS và PLA Ngoài ra, việc tối ưu của từng thông số công nghệ có thể thay đổi theo các yếu tố như kích thước, hình dáng sản phẩm và loại vật liệu sử dụng

Tại khoa Kỹ thuật Cơ khí, Học viện Kỹ thuật và Công nghệ Vignana Jyothi, Ấn Độ, D Hyndhavi, G R Babu, và S B Murthy (2018) [14] đã trình bày quá trình xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ và sự tương tác của chúng đối với độ chính xác kích thước các mẫu được chế tạo bằng hai vật liệu khác nhau là ABS và PLA Ba thông số đầu vào là chiều dày lớp, góc đường đùn và hướng chế tạo Kết quả cho thấy độ chính xác kích thước của các mẫu được cải thiện bằng cách kiểm soát thích hợp các thông số công nghệ

Cũng tại Ấn Độ, A Mohanty và các cộng sự (2021) [15] xem xét mối quan hệ giữa năm thông số bao gồm góc đường đùn, hướng chế tạo, khoảng cách giữa các đường đùn, chiều dày lớp và bề rộng đường đùn cũng như ảnh hưởng của chúng đến độ chính xác kích thước Nghiên cứu đã xác định được rằng hướng chế tạo là nhân tố quan trọng nhất

Trong khi đó, tại Ai Cập, K.E Aslani, K Kitsakis, J.D Kechagias, N.M Vaxevanidis và D.E Manolakos (2020) [16] đã nghiên cứu về độ chính xác kích thước của một mẫu tiêu chuẩn dạng đơn giản chế tạo bằng phương pháp FDM Các thông số được chọn bao gồm: số đường bao ngoài, nhiệt độ đầu đùn, mật độ điền đầy và kiểu

8

điền đầy Phân tích dữ liệu cho thấy nhiệt độ đầu đùn là thông số có ảnh hưởng nhiều nhất

Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến cơ tính sản phẩm

Để đánh giá và tối ưu ảnh hưởng của thông số công nghệ đến độ bền kéo, vào năm 2016, Fuda Ning và cộng sự tại khoa Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Kỹ thuật Texas, Mỹ [17] đã sử dụng các thông số đầu vào là góc đường đùn, tốc độ đầu đùn, nhiệt độ đầu đùn và chiều dày lớp để chế tạo các mẫu thử theo tiêu chuẩn ASTM D638-10 Nhóm đã rút ra được các kết luận như sau: (1) góc đường đùn có giá trị 00 và 900 sẽ cho độ bền kéo, mô đun đàn hồi và giới hạn chảy lớn hơn đáng kể so với khi góc đường đùn có giá trị (– 45)0 và 450, (2) độ bền kéo sẽ đạt giá trị trung bình lớn nhất khi tốc độ đầu đùn là 25 mm/s, (3) độ bền kéo tăng lên và sau đó giảm đi khi nhiệt độ đầu đùn bằng 2200C, (4) độ bền kéo, mô đun đàn hồi và giới hạn chảy có giá trị trung bình lớn nhất khi chiều dày lớp là 0,15 mm Tuy nhiên, độ dai và độ dẻo có giá trị trung bình lớn nhất khi chiều dày của lớp là 0,25 mm

Tại Khoa Cơ khí – Học viện Kỹ thuật Quốc gia, Ấn Độ, Shilpesh R Rajpurohit và Harshit K Dave (2018) [18] đã khảo sát ảnh hưởng của góc đường đùn, chiều dày lớp và bề rộng đường đùn đến độ bền kéo của mẫu thử được làm từ vật liệu PLA theo tiêu chuẩn ASTM D638 loại I Kết quả cho thấy: (1) độ bền kéo cao nhất thu được khi góc đường đùn 00, (2) chiều dày lớp giảm sẽ làm độ bền kéo tăng lên, (3) tăng giá trị bề rộng đường đùn có thể cải thiện được độ bền kéo

Gebisa và Lemu tại Đại học Stavanger, Na Uy (2019) [19] khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ gồm khoảng cách giữa các đường đùn, bề rộng đường đùn, góc đường đùn, số đường bao ngoài và bề rộng đường bao đến độ bền kéo Mẫu thử được chế tạo bằng thiết bị Fortus 450Mc theo tiêu chuẩn ASTM D3039 và kiểm tra bằng máy thử nghiệm đa năng Instron 5895 Kết quả cho thấy, chỉ có một thông số là góc đường đùn ảnh hưởng đáng kể đến độ bền kéo

Deng, Zeng, Peng, Yan, & Ke tại Đại học Công nghệ và Giáo dục Thiên Tân, Trung Quốc (2018) [20] đã sử dụng một máy FDM có thể thay đổi được các thông số và giá trị thông số công nghệ để khảo sát ảnh hưởng của tốc độ đầu đùn, chiều dày lớp,

9

nhiệt độ đầu đùn và mật độ điền đầy đối với độ bền kéo của mẫu chế tạo bằng vật liệu PEEK Kết quả cho thấy, độ bền kéo tối ưu của các mẫu được xác định ở các mức giá trị các thông số như: tốc độ đầu đùn bằng 60 mm/s, chiều dày lớp bằng 0,2 mm, nhiệt độ đầu đùn bằng 370C và mật độ điền đầy là 40%

Tại Ấn Độ, Dinesh Yadav và cộng sự (2019) [21, 22] đề cập đến ảnh hưởng của các thông số công nghệ gồm nhiệt độ đầu đùn, chiều dày lớp và mật độ điền đầy đến độ bền kéo của các vật liệu như PETG, ABS và vật liệu hỗn hợp (60% ABS + 40% PETG) Các mẫu thử theo tiêu chuẩn ASTM D638-IV Kết quả cho thấy độ bền kéo bị ảnh hưởng bởi cả nhiệt độ đầu đùn và chiều dày lớp, trong đó nhiệt độ đầu đùn có ảnh hưởng lớn hơn

Trong khi đó, M Heidari-Rarani và cộng sự tại Khoa Kỹ thuật, Đại học Isfahan, Iran [23] vào năm 2020 đã khảo sát ảnh hưởng đồng thời của ba thông số công nghệ là mật độ điền đầy, tốc độ đầu đùn và chiều dày lớp đến độ bền kéo của mẫu thử bằng nhựa PLA theo tiêu chuẩn ASTM D638 loại I Kết quả cho thấy các giá trị thông số công nghệ tối ưu cho mô đun đàn hồi và độ bền kéo là mật độ điền đầy 80%, tốc độ đầu đùn 40 mm/s và chiều dày lớp 0,1 mm, trong khi đối với biến dạng phá hủy là mật độ điền đầy 80%, tốc độ đầu đùn 40 mm/s và chiều dày lớp 0,2 mm

Tối ưu hóa thông số công nghệ cho đa mục tiêu

Chất lượng đầu ra một sản phẩm cơ khí thường gồm nhiều đặc tính khác nhau như: chất lượng bề mặt, độ chính xác hoặc cơ tính… Vì vậy, nhiều công trình nghiên cứu được thực hiện theo hướng tối ưu hóa thông số công nghệ để dung hòa nhiều mục tiêu đầu ra Theo hướng này, tại Đại học Castilla-La Mancha, Tây Ban Nha, J.M Chacón và cộng sự (2019) [24] đã phân tích và đánh giá ảnh hưởng của các thông số bao gồm hướng chế tạo, chiều dày lớp và tỉ lệ của sợi đến độ bền kéo, độ bền uốn và độ cứng của ba loại vật liệu nhựa nhiệt dẻo tổng hợp được chế tạo bằng công nghệ FDM Các mẫu thử độ cứng, kéo và uốn được chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM D3039 và D790 Thông qua ảnh kính hiển vi điện tử (SEM -Scanning Electron Microscope) của bề mặt đứt gãy, các tác giả thấy rằng, đối với từng loại vật liệu khác nhau thì ảnh hưởng của các thông số đầu vào là khác nhau Đồng thời, các tác giả đã mô tả và đánh

10

giá ảnh hưởng của hướng chế tạo, chiều dày lớp và tốc độ đầu đùn đến mục tiêu đầu ra tương tự đối với các mẫu PLA [25] Cũng qua kết quả phân tích SEM của bề mặt đứt gãy, các tác giả kết luận rằng hướng chế tạo theo phương cạnh và hướng chế tạo theo phương mặt phẳng cho độ bền kéo và độ cứng cao nhất Độ dẻo giảm đi khi chiều dày lớp và tốc độ đầu đùn tăng lên

Cũng cùng mục đích trên, tại Đại học Maine, Hoa Kỳ, Lu Wang và cộng sự (2018) [26] đánh giá ảnh hưởng của chiều dày lớp, nhiệt độ đầu đùn và tốc độ đầu đùn đến cơ tính của mẫu thử bằng vật liệu PP Đồng thời các tác giả cũng so sánh công nghệ FDM với phương pháp ép phun Các thông số được lựa chọn gồm: nhiệt độ đầu đùn, tốc độ đầu đùn và chiều dày lớp Mẫu kiểm tra độ bền kéo và độ uốn được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D 638-14 và ASTM D 790-10 Kết quả thu được như sau: (1) các mẫu FDM có ít tinh thể α hơn và nhiều tinh thể β hơn các mẫu ép phun, (2) nhiệt độ đùn cao hơn, tốc độ đầu đùn chậm hơn và chiều dày lớp nhỏ hơn đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán phân tử tại các bề mặt và tạo ra kích thước vùng liên kết nhỏ hơn trong các mẫu, (3) các tính chất cơ học được cải thiện khi nhiệt độ đầu đùn cao, (4) các mẫu FDM có mô đun uốn tương tự hoặc thậm chí cao hơn so với mẫu ép phun

Abhinav Chadha và cộng sự (2019) [27] nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ bàn máy, chiều dày lớp và kiểu điền đầy đến độ bền kéo và độ bền uốn Vật liệu được sử dụng là PLA Các mẫu thử được sản xuất theo các tiêu chuẩn ASTM D638 loại 1 và ASTM D790 Thử nghiệm kéo và uốn được thực hiện trên các mẫu thử sau đó quan sát bề mặt đứt gãy bằng kính hiển vi điện tử Kết quả cho thấy: (1) khi tăng nhiệt độ bàn máy, độ bền kéo và độ bền uốn tăng đến một giá trị nhất định và sau đó giảm dần, (2) khi tăng chiều dày lớp, độ bền kéo và độ bền uốn tăng lên, (3) các mẫu có kiểu điền đầy hình tam giác và tổ ong cho độ bền kéo và độ bền uốn tốt hơn

Omar Ahmed Mohamed và cộng sự, Đại học Kỹ thuật Swinburne, Úc, vào năm 2016 [28] đã trình bày nghiên cứu về ảnh hưởng của sáu thông số công nghệ gồm: chiều dày lớp, khe hở giữa các đường đùn, góc đường đùn, hướng chế tạo, bề rộng đường đùn và số đường bao ngoài đến các đặc tính cơ học, động lực học của các mẫu thử bằng nhựa PC/ABS pha bột kim loại Kết quả cho thấy chiều dày lớp, khe hở giữa

11

các đường đùn và số lượng đường bao có ảnh hưởng lớn nhất đến các đặc tính cơ - động học Bộ thông số tối ưu tìm được là chiều dày lớp 0,3302 mm, khe hở giữa các đường đùn 0 mm, góc đường đùn 00, hướng chế tạo 00, bề rộng đường đùn 0,4572 mm và 10 đường bao

Trong khi đó, Shuheng Wang và cộng sự tại Đại học Bách khoa Tây Bắc, Trung Quốc vào năm 2020 [29] đã tiến hành thử nghiệm độ bền kéo theo tiêu chuẩn ISO 527-2:2012 và phân tích động lực học cho các mẫu thử được chế tạo trên thiết bị FDM với các thông số đầu vào là hướng chế tạo, chiều dày lớp, mật độ điền đầy và nhiệt độ đầu đùn trong điều kiện nhiệt độ môi trường thường xuyên thay đổi Kết quả cho thấy: (1) các thông số công nghệ ảnh hưởng đến trọng lượng của vật liệu, độ bền liên kết giữa các lớp, khoảng cách giữa các đường đùn… và đây là những lý do chính dẫn đến cơ tính khác nhau, (2) hướng chế tạo ảnh hưởng chủ yếu đến chế độ đứt gãy của mẫu bằng vật liệu PLA, (3) chiều dày lớp chủ yếu ảnh hưởng đến độ bền liên kết giữa các lớp, chiều dày lớp nhỏ giúp tăng cường độ bền liên kết giữa các lớp, (4) tăng tỷ lệ điền đầy, làm giảm khoảng cách giữa các đường đùn bên trong sản phẩm giúp cho các lớp vật liệu và các sợi liên kết chặt chẽ hơn, (5) nhiệt độ đầu đùn chủ yếu ảnh hưởng đến tính lưu biến của vật liệu, khi nhiệt độ đầu đùn quá thấp, tính lưu biến của vật liệu đùn kém, dẫn đến độ bền liên kết giữa các lớp yếu và ngược lại

Wang và cộng sự tại Đại học Sơn Đông, Tế Nam, Trung Quốc [30] vào năm 2019 đã áp dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn để mô phỏng điều kiện nóng chảy và tính lưu biến của vật liệu, từ đó xác định các thông số công nghệ cần thiết để cải thiện chất lượng bề mặt và các đặc tính cơ học Một số thực nghiệm đã được thực hiện với các thông số nhiệt độ đầu đùn, tốc độ đầu đùn và chiều dày lớp đến các đặc tính cơ học, cấu trúc vi mô và chất lượng bề mặt Kết quả cho thấy: nhiệt độ đầu đùn cao hơn 4400C, tốc độ đầu đùn là 20 mm/s và chiều dày lớp 0,1 mm có thể giảm khuyết tật bên trong sản phẩm, tăng cường liên kết giữa các lớp đồng thời giảm giá trị độ nhám bề mặt

K Durgashyam (Ấn Độ) và cộng sự (2019) [31] nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ gồm tốc độ cấp liệu, mật độ điền đầy và chiều dày lớp đến độ bền uốn và kéo Mẫu thử được chế tạo trên thiết bị FDM “DRONA CS300” theo tiêu

12

chuẩn ASTM D638 loại I và ASTM D70 Các tác giả đưa ra kết luận như sau: (1) khi chiều dày lớp nhỏ nhất cho phép, tốc độ cấp liệu vừa phải và tỷ lệ phần trăm mật độ điền đầy ít hơn, mẫu thử thể hiện tính chất uốn tốt hơn, (2) sự ảnh hưởng của thông số chiều dày lớp cao hơn so với tốc độ cấp liệu và mật độ điền đầy với tỷ lệ lần lượt là 57,82% và 41,87% cho độ bền kéo và độ bền uốn

Carmita Camposeco Negrete (2020), Trường Kỹ thuật và Khoa học, Cárdenas, Mexico [32] trình bày một nghiên cứu thử nghiệm tập trung vào việc tối ưu hóa năm mục tiêu đầu ra gồm: mức tiêu thụ năng lượng, thời gian xử lý, độ chính xác kích thước, lượng vật liệu sử dụng và độ bền cơ học Mẫu thử theo tiêu chuẩn ASTM D638-14 loại 5 được chế tạo bằng thiết bị F270 của Stratasys Dụng cụ đo kích thước là thước cặp Mitutoyo Dụng cụ đo năng lượng tiêu thụ là bộ phân tích năng lượng Fluke 43B và sử dụng thiết bị MTS 810 để kiểm tra độ bền kéo Các thông số được lựa chọn để đánh giá là chiều dày lớp, kiểu điền đầy, góc đường đùn, hướng chế tạo và vị trí của mẫu trên bàn máy Kết quả cho thấy hướng chế tạo là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến thời gian xử lý, năng lượng tiêu thụ, độ chính xác kích thước, độ bền chảy và độ bền kéo Để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đầu đùn và hướng chế tạo đến cơ tính của sản phẩm chế tạo bằng FDM, S Jiang và cộng sự, Đại học Thượng Hải, Trung Quốc (2018) [33] đã sử dụng thiết bị mã nguồn mở Makerpi M2030 để chế tạo các mẫu thử độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM D638 loại IV, máy thử cơ học đa năng Instron 5567 có tải trọng 10 kN và tốc độ kéo được quy định không đổi ở mức 5 mm/ph Kết quả cho thấy hướng chế tạo và nhiệt độ đầu đùn có liên quan nhiều đến độ bền kéo của mẫu Khi nhiệt độ đầu đùn là 3700C, độ bền kéo trung bình của các mẫu có thể đạt tới 104 MPa, chỉ thấp hơn 7% so với các mẫu tương ứng được chế tạo bằng phương pháp ép phun

K I Byberg, A W Gebisa và H G Lemu, tại Đại học Stavanger, Na Uy [34] đã thay đổi hai thông số công nghệ khác nhau của máy Fortus 450MC gồm góc đường đùn có ba giá trị là 00, + 450/- 450, 900 và hướng chế tạo theo ba phương: phương mặt phẳng, phương trên cạnh và phương thẳng đứng để xác định đặc tính cơ học (kéo, nén và uốn) của các mẫu thử Kết quả cho thấy các đặc tính cơ học phụ thuộc rất lớn vào các thông số công nghệ Độ bền kéo, nén, uốn tối đa tương ứng với các bộ thông số

13

tương ứng gồm (00, theo phương trên cạnh), (900, phương mặt phẳng) và (00, phương mặt phẳng)

Về ảnh hưởng của nhiệt độ buồng tạo sản phẩm

Để nghiên cứu ảnh hưởng của thông số nhiệt độ buồng tạo sản phẩm, tại Đài Loan, Kou và cộng sự [35] đã thiết kế, chế tạo một hệ thống cung cấp nhiệt độ buồng theo hai dạng kín và hở Đồng thời, các tác giả cũng đánh giá ảnh hưởng của các thông số nhiệt độ đầu đùn, nhiệt độ bàn máy, nhiệt độ buồng tạo sản phẩm và tốc độ đầu đùn đến độ cong vênh của các mẫu chế tạo bằng vật liệu ABS Kết quả cho thấy, hai thông số nhiệt độ bàn máy và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm có ảnh hưởng lớn nhất đến độ cong vênh với tỉ lệ lần lượt là 54,18% và 39,87% Wichniarek và cộng sự [36] tại Ba Lan đã khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ chiều dày lớp, tốc độ đầu đùn, nhiệt độ đầu đùn và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm đến các đặc tính cơ học của mẫu thử bằng nhựa ABS Kết quả cho thấy, chiều dày lớp là thông số có ảnh hưởng lớn nhất Casavola và cộng sự [37] tại Ý đã kiểm tra ảnh hưởng của thông số nhiệt độ buồng đến độ cong vênh, tách lớp và biến dạng của mẫu nhựa ABS Kết quả cho thấy thiết bị có nhiệt độ buồng của hãng Stratasys có khả năng làm giảm ứng suất dư bên trong mẫu bằng cách làm giảm hiện tượng chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp so với thiết bị không có nhiệt độ buồng của hãng MakerBot Từ đó, góp phần làm giảm độ cong vênh, tách lớp và biến dạng Trong khi đó, tại Trung Quốc, Wang và cộng sự [38] nghiên cứu quá trình biến dạng của mẫu bằng cách xây dựng mô hình toán học mô tả biến dạng dọc có xét đến các thông số công nghệ bao gồm số lớp, chiều dài mẫu, nhiệt độ buồng tạo sản phẩm và tốc độ co rút của vật liệu Kết quả cho thấy, đối với nhiệt độ buồng tạo sản phẩm, biến dạng dọc giảm một cách tuyến tính khi nhiệt độ buồng tăng lên Khi nhiệt độ buồng đạt đến nhiệt độ chuyển thủy tinh hóa thì độ biến dạng bằng không Tuy nhiên, khi nhiệt độ buồng liên tục tăng, thời gian đông cứng của sợi nhựa sẽ kéo dài, có thể ảnh hưởng đến chất lượng của lớp do sợi nhựa đã đùn ra chưa được đông đặc hoàn toàn Wu và cộng sự [39] đã phát triển một hệ thống FDM có nhiệt độ buồng để giải quyết vấn đề biến dạng của mẫu thử chế tạo bằng vật liệu PEEK Kết quả cho thấy biến dạng cong vênh là nhỏ nhất với nhiệt độ buồng tạo sản phẩm có giá trị 1300C và nhiệt độ đầu đùn có giá trị 3500C

14 Vật liệu sử dụng

Các nhà khoa học thường sử dụng các loại vật liệu đơn chất để nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của thông số công nghệ đến các chất lượng sản phẩm Các loại vật liệu thường dùng như ABS, PLA, Nylon, ASA Ivory, PETG…như Carmita Camposeco Negrete (2020) [32] trình bày một nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng đến mức tiêu thụ năng lượng, thời gian xử lý, độ chính xác kích thước, lượng vật liệu sử dụng và độ bền cơ học S Vyavahare, S Kumar, và D Panghal (Học viện Kỹ thuật Quốc gia Sardar Vallabhbhai - Ấn Độ) [40] vào năm 2020 đã nghiên cứu ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước M Vishwas, C Basavaraj, và M Vinyas (Ấn Độ) (2018) [41] nghiên cứu ảnh hưởng đến độ bền kéo và độ chính xác kích thước Xinhua Liu và cộng sự - Đại học Mỏ và Công nghệ, Trung Quốc (2016) [42] nghiên cứu ảnh hưởng đến độ bền kéo, độ bền uốn và độ bền va đập Carmita Camposeco Negrete (Mexico) (2020) [43] đã kiểm tra sai số kích thước và năng lượng tiêu thụ Hongbin Li (Trung Quốc) và cộng sự (2017) [44] đánh giá ảnh hưởng đến độ chính xác và độ bền kéo Các tác giả D Hyndhavi (Irap), G R Babu (Hungary), và S B Murthy (Malayxia) (2018) [45] đã trình bày quá trình xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ và tương tác của chúng đối với độ chính xác kích thước K.E Aslani, K Kitsakis, J.D Kechagias, N.M Vaxevanidis, and D.E Manolakos (Ai cập) (2020) [46] nghiên cứu về độ chính xác kích thước K Durgashyam (Ấn Độ) và cộng sự (2019) [47] nghiên cứu ảnh hưởng đến độ bền uốn và và độ bền kéo

Ngoài ra, trong thời gian gần đây, các công trình nghiên cứu còn nhằm mục đích tạo ra hoặc sử dụng các loại vật liệu mới, là các loại vật liệu tổng hợp nền nhựa (PLA hoặc ABS) có pha trộn sợi các bon, bột sắt, bột đồng …để đánh giá ảnh hưởng của thông số công nghệ hay khả năng ứng dụng của chúng trong công nghệ FDM Ví dụ như các tác giả J.M Chacón và cộng sự (2019) [24] đã phân tích và đánh giá ảnh hưởng của các thông số đối với hiệu suất cơ học của ba loại vật liệu tổng hợp là nhựa nhiệt dẻo có gia cố sợi liên tục (Continuous Fibre Reinforced ThermoPlastic Composites – CFRTPCs) đến độ bền kéo và độ bền uốn D Bilkar, R Keshavamurthy, và V Tambrallimath (Ấn Độ) [48] vào năm 2021 đã sử dụng vật liệu tổng hợp ABS có gia cố sợi nano carbon được tạo sợi bằng phương pháp đùn trục vít để kiểm tra độ bền

15

kéo, độ chính xác kích thước và độ nhám bề mặt S.H Masood (Đại học Kỹ thuật Swinburne, Úc) và các cộng sự [49] đã nghiên cứu, thử nghiệm đánh giá độ bền nén Nikzad và cộng sự [50], tại Đại học Kỹ thuật Swinburne, Úc, đã trình bày kết quả mô phỏng 2D và 3D dòng chất lỏng nóng chảy của hỗn hợp ABS-sắt qua một ống cong 90 độ trong đầu đùn Kết quả cho thấy vật liệu tổng hợp giữa nhựa và kim loại có tiềm năng lớn khi sử dụng cho công nghệ FDM và có thể tối ưu hóa các thông số công nghệ để có chất lượng sản phẩm tốt hơn Sa’ude (Đại học UTHM, Malaysia) và cộng sự [51] trình bày nghiên cứu về độ bền uốn và độ cứng Omar Ahmed Mohamed (Ấn Độ) và các cộng sự [52] đã tiến hành nghiên cứu và phát triển một loại nhựa tổng hợp mới từ nhựa ABS với bột sắt hoặc bột đồng gọi là ABS-Iron và ABS-Copper và kết luận rằng cơ tính của các sản phẩm được chế tạo từ các vật liệu trên cũng tăng lên và tính dẫn nhiệt cũng tốt hơn so với sản phẩm làm bằng nhựa thông thường

Phương pháp thực nghiệm

Các công trình nghiên cứu thường sử dụng các kỹ thuật và phương pháp khác nhau trong quá trình thực nghiệm, tối ưu hóa thông số công nghệ như Mohanty và các cộng sự (2021) [15] đã tiến hành 27 thực nghiệm theo phương pháp Taguchi và phương pháp Marcos Đồng thời họ cũng sử dụng các thuật toán tối ưu khác như thuật toán di truyền, thuật toán tối ưu bầy đàn để dự đoán giá trị thông số tối ưu Nghiên cứu cũng kiểm tra, so sánh các thuật toán này với nhau M Heidari-Rarani và cộng sự (2020) [23] sử dụng phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi cùng với phân tích tỷ lệ S/N để khảo sát ảnh hưởng đồng thời của ba thông số công nghệ là mật độ điền đầy, tốc độ đầu đùn và chiều dày lớp đến độ bền kéo của mẫu thử Kết quả cho thấy đây là một phương pháp đáng tin cậy và có thể dự đoán các đặc tính cơ học khác trong mảng trực giao với độ chính xác cao J.M Chacón và cộng sự (2017) [25] đã mô tả và đánh giá ảnh hưởng của hướng chế tạo, chiều dày lớp và tốc độ đầu đùn đến hiệu suất cơ học của các mẫu PLA bằng phương pháp phương pháp phân tích phương sai (ANOVA) và mô hình hồi quy bề mặt đáp ứng, kết hợp với phân tích SEM Cùng mục đích trên, Omar Ahmed Mohamed và cộng sự (2016) [28] đã sử dụng phương pháp thực nghiệm riêng phần và phân tích phương sai (ANOVA) cộng với một kỹ thuật khác là phân tích cơ học, động lực học với mẫu thử chịu biến dạng nhỏ theo chu kỳ

16

trình bày để nghiên cứu ảnh hưởng của sáu thông số công nghệ gồm: chiều dày lớp, khe hở giữa các đường đùn, góc đường đùn, hướng chế tạo, bề rộng đường đùn và số lượng đường bao đến các đặc tính cơ học, động lực học của các mẫu thử bằng nhựa hợp kim PC/ABS Xinhua Liu và cộng sự (2016) [37] sử dụng phương pháp Taguchi, phân tích ANOVA và phân tích quan hệ xám để nghiên cứu ảnh hưởng các thông số gồm hướng lắng đọng, chiều dày lớp, kiểu lắng đọng, bề rộng đường đùn và khoảng cách đường đùn đến độ bền kéo, độ bền uốn và độ bền va đập sản phẩm FDM Saty Dev (Học viện Kỹ thuật Quốc gia Allahabad, Ấn Độ) và cộng sự (2020) [53] sử dụng phương pháp Taguchi để thiết kế thử nghiệm và xây dựng các mô hình thực nghiệm bằng phần mềm Minitab Các hàm mục tiêu đã được tối ưu hóa bằng cách sử dụng phương pháp thuật toán di truyền và các giải pháp tối ưu Pareto

Mặt khác, Omar Ahmed Mohamed và cộng sự (2016) [47] đã sử dụng thiết kế tối ưu Q (Q-optimal design) và kỹ thuật tối ưu hóa đồ họa đồng thời xây dựng mô hình toán học để biểu diễn mối quan hệ giữa các điều kiện xử lý và chất lượng của quá trình Mô hình toán học được kiểm tra tính đầy đủ và ý nghĩa bằng kỹ thuật phân tích phương sai Kết quả cho thấy thiết kế tối ưu Q là một phương pháp hữu ích trong việc tối ưu hóa thông số của công nghệ FDM, đồng thời cũng xác nhận tính đầy đủ của các mô hình được phát triển Ngoài ra, Dinesh Yadav và cộng sự (2019) [21, 22] đề cập đến việc sử dụng phương pháp trí tuệ nhân tạo (ANFIS), mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) để huấn luyện dữ liệu và sử dụng công cụ lai thuật toán di truyền để khảo sát ảnh hưởng của mật độ vật liệu, mật độ điền đầy và nhiệt độ đầu đùn đến độ bền kéo

Tổng hợp các công trình nghiên cứu ngoài nước được trình bày trong Bảng 1.2 1.3.2 Các nghiên cứu trong nước:

Về độ chính xác kích thước, tác giả Đoàn Yên Thế (2019) [54] tại Trường Đại học Thủy lợi đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số như chiều dày lớp, tốc độ đầu đùn và mật độ điền đầy đến độ chính xác kích thước của các mẫu PLA chế tạo trên thiết bị mã nguồn mở Thí nghiệm được thiết kế theo phương pháp Taguchi với ba mức giá trị Kết quả phân tích số liệu đã xác định được các bộ thông số tối ưu để giảm sai lệch kích thước theo phương X, Y, Z và đường kính lỗ

17

Về cơ tính, năm 2018, tác giả Phan Quang Thế (2018) [55] tại trường Đại học Kỹ thuật Thái Nguyên đã nghiên cứu ảnh hưởng của thông số khoảng cách giữa các đường đùn đến độ bền của mẫu thử bằng vật liệu nhựa PC chế tạo trên thiết bị FDM công nghiệp Stratasys Fortus 400MC theo tiêu chuẩn ASTM D638 Kết quả cho thấy khi khe hở giữa các đường đùn bằng không và âm sẽ làm thay đổi về cả chiều cao lẫn mật độ của mẫu thử và khi khe hở đường đùn âm sẽ làm tăng độ bền kéo so với khi khe hở bằng không

Ngoài ra, tại Việt Nam, còn có nhiều công trình nghiên cứu (luận văn đại học, luận văn cao học, đề tài nghiên cứu khoa học) về công nghệ FDM tập trung vào hướng ứng dụng trong lĩnh vực y tế, sản xuất công nghiệp hoặc chế tạo thiết bị FDM mã nguồn mở hay thiết bị FDM theo hướng công nghiệp Điển hình như đề tài “Nghiên cứu công nghệ tạo mẫu nhanh để gia công các bề mặt phức tạp” do PGS.TS Đặng Văn Nghìn làm chủ nhiệm Đề tài trên đã nghiên cứu chế tạo mẫu nhanh cho các doanh nghiệp trong nước như công ty bút bi Thiên Long, v.v… đồng thời cũng được triển khai tại các bệnh viện khu vực Tp Hồ Chí Minh để nghiên cứu, chế tạo các chi tiết y học như mảnh vá sọ não cho 25 bệnh nhân Các mảnh ghép này đã được tiến hành cấy ghép thành công Năm 2010, một đề tài nghiên cứu khác của phòng Thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia Điều khiển số và Kỹ thuật Hệ thống, Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM đã được triển khai với nội dung “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị tạo mẫu nhanh theo phương pháp FDM” do PGS.TS Thái Thị Thu Hà làm chủ nhiệm đề tài Đề tài của PGS.TS Thái Thị Thu Hà đã chế tạo thành công thiết bị FDM công nghiệp đầu tiên tại Việt Nam với tên gọi là FDM-Vina2015 Ngoài ra, còn có các nghiên cứu khác như “Nghiên cứu thiết kế sản phẩm máy in 3D theo mô đun” do GS.TS Nguyễn Thanh Nam chủ trì với nội dung (năm 2019) hay đề tài “Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển nhiệt độ buồng cho máy in 3D nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm” do PGS.TS Bùi Trọng Hiếu làm chủ nhiệm (năm 2020)

1.4 Nhận xét

Qua quá trình nghiên cứu các tài liệu trong nước và nước ngoài cho thấy việc nghiên cứu, hiệu chỉnh thông số công nghệ nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm, đặc biệt là độ chính xác kích thước và độ bền kéo đã và đang được thực hiện nhiều nơi trên

18

thế giới Các nội dung nghiên cứu, thông số, vật liệu được tổng hợp trong bảng 1.2 và thống kê, so sánh các phương pháp sử dụng được tổng hợp trong Bảng 1.3 Qua đó, mục tiêu nghiên cứu sẽ được đề xuất trong Mục 1.5

Bảng 1.2 Tổng hợp các công trình nghiên cứu ngoài nước

STT Thông số Vật liệu Phương pháp Nội dung Công trình

dày lớp

ASA, PP, PETG, PEEK,

ABS, ABS, LA, CFRP, CFRTPCs và một số loại khác

- Phương pháp Taguchi - Phân tích SEM

- Thực nghiệm riêng phần - Mảng trực giao

- ANN, GA-ANN, ANFIS - Bề mặt đáp ứng

- Phân tích ANOVA - Phương pháp phần tử hữu hạn

- Độ chính xác kích thước - Độ bền kéo, nén, uốn - Đặc tính cơ học, động lực học

- Thời gian xử lý

- Mức năng lượng tiêu thụ

[13], [14], [15], [17], [18], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32],

[36]

đường đùn

ABS, PLA, CFRP, ULTEM 9085, ASA, ULTEM 9085

- Phương pháp Taguchi - Phân tích SEM

- Thực nghiệm toàn phần

- Độ chính xác kích thước - Đặc tính động lực học

- Mức năng lượng tiêu thụ - Độ bền kéo, nén, uốn

[14], [15], [17], [18], [19], [28], [32], [34]

đầu đùn

PP, PLA, ABS, CFRP, PEEK, PETG

- Phân tích thực nghiệm - Giải tích số

- Phân tích SEM - Mảng trực giao - ANN, GA-ANN - Phương pháp Taguchi - Bề mặt đáp ứng - Phân tích ANOVA - Phần tử hữu hạn

- Độ chính xác kích thước - Hiệu suất cơ học

- Độ bền kéo, uốn

- Chất lượng bề mặt

- Đặc tính cơ học

[12], 17], [20], 21], [23], 25], [26], 30], [35]

điền đầy

ABS, PLA, ULTEM 9085, PEEK, PETG

- Phương pháp Taguchi - Thực nghiệm toàn phần - Mảng trực giao

- Phân tích SEM - ANN, ANFIS - Phân tích ANOVA

- Độ chính xác kích thước - Độ bền kéo, nén, uốn - Phân tích động lực học

[16], [19], [20], [21], [22], [23], [29], [31], [34]

5 Nhiệt ABS, Phương pháp Taguchi Độ cong vênh [35],

19

Bảng 1.2 Tổng hợp các công trình nghiên cứu ngoài nước (tiếp theo)

STT Thông số Vật liệu Phương pháp Nội dung Công trình

5 Nhiệt độ buồng tạo sản phẩm

ABS, ABS P400, PEEK

- Phương pháp Taguchi - Phân tích ANOVA

- Độ cong vênh - Đặc tính cơ học

- Hiện tượng tách lớp, biến dạng

[35], [36], [37], [38], [39]

chế tạo

PLA, ABS, CFRTPCs

Ultem 1000-1000, ULTEM 9085

- Phương pháp Taguchi - Các công cụ tối ưu hóa - Phân tích SEM

- Bề mặt đáp ứng - Phân tích ANOVA - Thực nghiệm riêng phần

- Độ chính xác kích thước - Độ bền kéo, uốn, nén - Thời gian xử lý

- Mức năng lượng tiêu thụ

[13], [15], [17], [24], [25], [28], [29], [32], [33], [34]

điền đầy

ABS, PLA, ASA

- Phương pháp Taguchi - Phân tích quan hệ xám - Phân tích SEM

- Độ chính xác kích thước - Độ bền kéo, uốn

- Thời gian xử lý

- Mức năng lượng tiêu thụ

[13], [16], [27], [32]

8 Nhiệt độ

đầu đùn PP, PLA, ABS, PEEK, PETG, PEI Ultem 1000-1000

- Phân tích thực nghiệm - Giải tích số

- Phương pháp Taguchi - Mảng trực giao - Phân tích SEM - ANN, GA-ANN, ANFIS

- Phân tích ANOVA - Phần tử hữu hạn

- Độ chính xác kích thước - Độ bền kéo, uốn

- Độ cong vênh - Hiện tượng tách lớp, biến dạng

[12], [16], [17], [20], [21], [22], [26], [29], [30] [33], [35], [36]

đường đùn

ABS, PLA, ULTEM 9085

- Phương pháp Taguchi - Các công cụ tối ưu hóa - Thực nghiệm toàn phần - Phân tích ANOVA

- Độ bền kéo - Đặc tính cơ học, động lực học

[13], [15], [18], [19], [28]

đường bao ngoài

PLA, ULTEM 9085

- Phương pháp Taguchi - Thực nghiệm toàn phần

- Độ bền kéo - Đặc tính cơ học, động lực học

[16], [19], [28]

giữa các đường đùn

PC - ABS - Thực nghiệm riêng phần

- Phân tích ANOVA - Đặc tính cơ học, động lực học

[28]

20

Bảng 1.2 Tổng hợp các công trình nghiên cứu ngoài nước (tiếp theo)

STT Thông số Vật liệu Phương pháp Nội dung Công trình

của vật liệu

trên bàn máy

kích thước - Độ bền cơ học - Mức tiêu thụ năng lượng - Thời gian xử lý

- Lượng vật liệu xử dụng

[32]

cách giữa các đường đùn

ULTEM 9085

- Thực nghiệm toàn phần - Phân tích ANOVA

ưu

Độ chính

xác

Tối ưu đa

mục tiêu

Yêu cầu mô hình toán

Thời

gian Phương pháp tiếp cận

Mô hình tuyến

tính hoặc phi tuyến

Phạm vi dữ liệu

Khả năng tương

tác giữa

các biến

Độ khó

Giải thuật di

truyền (GA)

Cao Có thể Không Rất

dài Đơn giản Cả hai Cao Không thể Khó Rất

Mạng nơ ron nhân tạo

21

Bảng 1.3 So sánh giữa các phương pháp thực hiện: quy hoạch thực nghiệm, phương pháp tối ưu, phương pháp mô hình xấp xỉ và nội suy [56] (tiếp theo)

Kỹ thuật và phương pháp tối

ưu

Độ chính

xác

Tối ưu đa

mục tiêu

Yêu cầu mô hình toán

Thời

gian Phương pháp tiếp cận

Mô hình tuyến

tính hoặc

phi tuyến

Phạm vi dữ liệu

Khả năng tương

tác giữa

các biến

Độ khó

Thiết kế giai thừa

Trung bình

Không thể

giản

Tuyến tính

Trung bình

Một nhân tố tại một thời điểm (OFAT)

Thấp Không thể

dài

Đơn giản

Tuyến tính

Thấp Không thể

giản

Tuyến tính

Trung bình

Phân tích quan hệ

xám

Trung bình

giản

Tuyến tính

Trung bình

Bề mặt đáp ứng

(RSM)

Rất cao

qua mô phỏng

bình

Xử lý dữ liệu nhóm

22 1.5 Mục tiêu nghiên cứu

 Xây dựng mô hình thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với độ chính xác kích thước và độ bền kéo

 Xác định các giá trị thông số công nghệ tối ưu nhằm cải thiện độ chính xác kích thước và độ bền kéo của sản phẩm FDM

 Xây dựng quy trình giúp cho quá trình kiểm định thiết bị FDM được chế tạo tại Việt Nam trong tương lai

 Đề xuất mô hình dự đoán độ chính xác kích thước và độ bền kéo của sản phẩm FDM dựa trên các thông số công nghệ đầu vào với độ chính xác hợp lý nhằm giảm thời gian thực nghiệm khi cần thiết

23

 Sử dụng nhựa PLA-đồng, là loại vật liệu chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều, nhằm đáp ứng nhu cầu mở rộng khả năng ứng dụng của sản phẩm FDM trong thực tế sản xuất công nghiệp

1.7 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu: Các tài liệu được thu thập từ các nhà xuất bản như Springer, ScienceDirect, MDPI, Academia, Google Scholar, Taylor & Francis, Scopus, Microsoft Academic, Emerald Group Publishing, Hindawi Các tài liệu được hệ thống hoá và sắp xếp

Phương pháp phân tích - tổng hợp: Dựa vào mục tiêu, thông số, phương pháp thực hiện, kết quả đạt được để xác định các vấn đề còn tồn tại của các nghiên cứu đã công bố, từ đó, đánh giá, phân tích, tổng hợp và đề xuất mục tiêu, phương pháp, quy trình thực hiện một cách đầy đủ và phù hợp với điều kiện nghiên cứu

Phương pháp sử dụng số liệu: Các số liệu trong luận án được tham khảo từ các công trình nghiên cứu trước đó, từ khuyến cáo của nhà sản xuất và kinh nghiệm sử dụng thiết bị Các công trình nghiên cứu này đã được xác minh và công bố bởi các nhà xuất bản uy tín

Phương pháp tính toán và mô phỏng: Tham khảo từ những nghiên cứu trước và các kiến thức đã có để tổng hợp, đề xuất các phương pháp tính toán, xử lý số liệu hợp lý và thực hiện bài toán mô phỏng phục vụ cho quá trình nghiên cứu

Phương pháp thực nghiệm: nghiên cứu theo các phương pháp thực nghiệm, xử lý số liệu và đưa ra kết luận dựa trên kết quả thu được

1.8 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa khoa học:

 Đánh giá được ảnh hưởng của năm thông số công nghệ quan trọng như chiều dày lớp, tốc độ đầu đùn, góc đường đùn, mật độ điền đầy và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm đến độ chính xác kích thước và độ bền kéo của sản phẩm FDM trong điều kiện gia công cụ thể

 Xác lập được chế độ công nghệ tối ưu khi chế tạo sản phẩm bằng công nghệ

 Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở cho các hướng nghiên cứu tiếp theo theo hướng mở rộng và nâng cao không chỉ cho công nghệ FDM mà còn cho các công nghệ AM khác như SLA, DLP, SLM…về chế độ gia công tối ưu và tối ưu hóa quá trình gia công nhằm nâng cao chất lượng và năng suất

Ý nghĩa thực tiễn

 Kết quả nghiên cứu giúp cho các nhà chế tạo và sử dụng thiết bị FDM hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm, xác định được những yếu tố có thể kiểm soát nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm, nâng cao hiệu quả trong quá trình hiệu chuẩn, sử dụng thiết bị trong sản xuất cũng như quá trình chế tạo thiết bị FDM công nghiệp tại Việt Nam

Chương 2: Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm FDM

25

Chương 2 trình bày về định nghĩa các thông số công nghệ, làm rõ ảnh hưởng của chúng đến chất lượng của sản phẩm, đặc biệt chú trọng đến các thông số có ảnh hưởng lớn đến mục tiêu được lựa chọn như chiều dày lớp, nhiệt độ buồng tạo sản phẩm, góc đường đùn, tốc độ đầu đùn và mật độ điền đầy

Chương 3: Mô phỏng quá trình đùn nhựa

Chương 3 trình bày quá trình sử dụng phần mềm Ansys để xác định khoảng giá trị tối ưu cho thông số vận tốc cấp liệu Từ đó, xác định được các mức giá trị cần sử dụng trong quá trình thực nghiệm của thông số tốc độ đầu đùn

Chương 4: Thực nghiệm và phân tích

Chương 4 trình bày về quá trình thực nghiệm để phân tích, đánh giá ảnh hưởng của từng thông số công nghệ đến mục tiêu đầu ra, xây dựng mô hình thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số đầu vào với từng mục tiêu đầu ra cụ thể bao gồm độ chính xác kích thước theo ba phương, độ bền kéo Đồng thời, xây dựng mô hình dự đoán bằng phương pháp ANN và so sánh kết quả

Chương 5: Tối ưu hóa thông số công nghệ

Chương 5 trình bày quá trình tối ưu hoá và các giá trị tối ưu của các bộ thông số thực nghiệm theo các mục tiêu Chế tạo lại mẫu thử bằng các bộ thông số đó để kiểm tra, cuối cùng đưa ra các nhận xét, đánh giá

Chương 6: Kết luận và đề xuất

Trình bày các kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án trong thực tiễn tại Việt Nam, đồng thời, đề xuất các hướng nghiên cứu trong thời gian sắp tới

2.1 Chiều dày lớp (t)

Theo nguyên lý công nghệ FDM được trình bày ở Hình 1.5, chiều dày lớp là độ dày một lớp (tính theo phương Z) trong quá trình chế tạo (như Hình 2.1) tương ứng với độ dày một mặt cắt của sản phẩm khi chia lớp trên phần mềm Chiều dày lớp ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và thời gian chế tạo sản phẩm (như Hình 2.2) Chiều dày lớp càng nhỏ thì chất lượng bề mặt sản phẩm càng cao nhưng thời gian chế tạo càng lâu Giá trị thông số chiều dày lớp phụ thuộc vào giá trị đường kính vòi phun, đường kính sợi vật liệu, loại vật liệu cụ thể và khả năng của thiết bị

Hình 2.1 Các thông số: chiều dày lớp, góc đưởng đùn, bề rộng đường đùn và số đường bao ngoài

27

Ngoài ra, thông số này còn có ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác kích thước và độ bền kéo của sản phẩm do ảnh hưởng đến độ bền liên kết giữa các lớp Dựa các tài liệu khảo sát, kinh nghiệm vận hành cũng như khả năng của thiết bị thực nghiệm, giá trị chiều dày lớp khi thực nghiệm được chọn ở mức thấp (1) là 0,1 mm, mức cao (+1) là 0,3 mm và mức trung bình (0) là 0,2 mm

2.2 Góc đường đùn ()

Là góc của đường nhựa được đùn ra so với trục X tính trong một lớp (Hình 2.1), có giá trị từ 00  900 Góc đường đùn là thông số quan trọng, đặc biệt đối với các sản phẩm có độ cong nhỏ Tùy thuộc vào hướng của lực tác dụng mà góc đường đùn có thể ảnh hướng đến sự phân bố lực tác dụng cấu trúc bên trong của chi tiết Do đó, nó ảnh hưởng đến độ bền kéo của sản phẩm Ngoài ra, nếu thiết lập thông số này không tốt có thể gây ra hiện tượng thiếu nhựa, không kết dính giữa lớp điền đầy và bề mặt ngoài của sản phẩm Trong quá trình thực nghiệm, nhằm đánh giá ảnh hưởng của góc đường đùn đến mục tiêu, giá trị thông số này được chọn ở mức thấp (-1) là 00, mức cao (+1) là 900 và mức trung bình (0) là 450

2.3 Tốc độ đầu đùn (Vp)

Là tốc độ di chuyển của đầu đùn trong quá trình làm việc (Vp) và nó có mối quan hệ mật thiết với vận tốc cấp liệu (Ve), tức là tốc độ đẩy vật liệu ra khỏi đầu đùn như Hình 2.3 Khi hai thông số này không phù hợp với nhau, đường vật liệu đùn ra sẽ bị đứt quãng do thiếu nhựa hoặc bị phình do thừa nhựa gây ảnh hưởng đến chất lượng