Luận án tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu nâng cao chất lượng sản phẩm của công nghệ FDM

TỔNG QUAN

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

2 FDM là công nghệ phổ biến nhất với thị phần là 66%, công nghệ SLA + DLP ở vị trí thứ 2 là 15% , công nghệ SLS là 12% và các công nghệ AM khác là 7% (Hình 1.2)

Cụ thể hơn, công nghệ FDM còn được dự báo có mức tăng trưởng về doanh thu trong giai đoạn 2013-2024 cao nhất so với các công nghệ còn lại (Hình 1.3) và theo Hình 1.4, công nghệ FDM đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trọng từ sản xuất cho đến đời sống hằng ngày như hàng tiêu dùng, điện tử (chiếm 22%), công nghiệp ô tô (chiếm 19%), thiết bị công nghiệp (chiếm 13%)

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]

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

Các loại nhựa dạng lỏng như acrylate, epoxi…

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, epoxi…

Chiếu chùm tia UV lên bề mặt chất lỏng thông qua các mặt nạ để tạo thành một mặt cắt ngang của sản phẩm

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

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

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

Vật liệu dạng tấm bằng giấy, gỗ, nhựa…

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

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.

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

7 đường đùn, khi tăng tốc độ cấp liệu thì bề rộng đường đùn sẽ giảm trong tất cả các trường hợp Các dự đoán của mô hình số phù hợp với dữ liệu thực nghiệm

Tác giả Beibit Zharylkassyn và các công sự [13] tại Kazakhstan vào năm 2021 đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và vật liệu đến độ chính xác của kích thước của các sản phẩm FDM Nhóm đã sử dụng các vật liệu: ABS, PLA và một số loại nhựa khác Kết quả cho thấy độ chính xác kích thước của các sản phẩm FDM phụ thuộc vào các thông số công nghệ như: chiều dày lớp, bề rộng đường đùn, kiểu điền đầy cụ thể giá trị chiều dày lớp thường (0,1÷ 0,2) mm là thích hợp đối với các sản phẩm là nhựa ABS và PLA, trong khi các sản phẩm bằng nhựa ASA (Acrylonitrile Styrene Acrylate copolymer) và Nylon có xu hướng chính xác hơn với các khi giá trị chiều dày lớp cao hơn Về hướng tạo sản phẩm, giá trị thông số này ở mức 0 0 và 90 0 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 0 0 và

90 0 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 45 0 , (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 220 0 C, (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 0 0 , (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 37 0 C 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

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

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

- Phương pháp phần tử hữu hạn

- Độ chính xác kích thước

- Độ bền kéo, nén, uốn

- Đặc tính cơ học, động lực học

- Mức năng lượng tiêu thụ

- Độ chính xác kích thước

- Đặc tính động lực học

- Mức năng lượng tiêu thụ

- Độ bền kéo, nén, uốn

PP, PLA, ABS, CFRP, PEEK, PETG

- Độ chính xác kích thước

- Độ chính xác kích thước

- Độ bền kéo, nén, uốn

- Phân tích động lực học

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

- Hiện tượng tách lớp, biến dạng

PLA, ABS, CFRTPCs , PEI Ultem 1000-

- Các công cụ tối ưu hóa

- Độ chính xác kích thước

- Độ bền kéo, uốn, nén

- Mức năng lượng tiêu thụ

- Phân tích quan hệ xám

- Độ chính xác kích thước

- Mức năng lượng tiêu thụ

8 Nhiệt độ đầu đùn PP, PLA,

ABS, PEEK, PETG, PEI Ultem 1000-

- Độ chính xác kích thước

- Hiện tượng tách lớp, biến dạng

- Các công cụ tối ưu hóa

- Đặc tính cơ học, động lực học

- Đặc tính cơ học, động lực học

11 Khe hở giữa các đường đùn

PC - ABS - Thực nghiệm riêng phần

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

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

12 Tốc độ co rút của vật liệu

13 Vị trí trên bàn máy

ASA - Phương pháp Taguchi - Độ chính xác kích thước

- Mức tiêu thụ năng lượng

- Lượng vật liệu xử dụng

14 Khoảng cách giữa các đường đùn

PLA - Phân tích SEM - Độ bền kéo, uốn

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]

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

Khả năng tương tác giữa các biến Độ khó

Cao Có thể Không Rất dài Đơn giản Cả hai Cao Không thể Rất

Mạng nơ ron nhân tạo

Rất cao Có thể Có Rất dài Thông qua mô phỏng

Cả hai Cao Không thể Trung bình

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

Khả năng tương tác giữa các biến Độ khó

Một nhân tố tại một thời điểm

Không Rât dài Đơn giản

Lôgic mờ Cao Có thể Có Dài Thông qua mô phỏng

Cả hai Cao Không thể Rất

Phân tích quan hệ xám

Có thể Không Ngắn Đơn giản

Có thể Có Ngắn Thông qua mô phỏng

Cả hai Thấp Có thể Trung bình

Xử lý dữ liệu nhóm

Cao Có thể Có Trung bình Thông qua mô phỏng

Cả hai Cao Không thể Trung bình

Rất cao Có thể Có Rất dài Thông qua mô phỏng

Cả hai Cao Không thể Rất

Nghiên cứu nâng cao chất lượng sản phẩm được chế tạo bằng công nghệ FDM Mục tiêu cụ thể:

 Xác định ảnh hưởng của năm thông số công nghệ quan trọng đến độ chính xác kích thước và độ bền kéo trong quá trình chế tạo nhằm kiểm soát một cách hiệu quả chất lượng của sản phẩm FDM

 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

 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước và độ bền kéo (theo phương vuông góc với phương liên kết các lớp)

 Sử dụng năm thông số công nghệ đầu vào gồm chiều dày lớp, góc đường đùn, tốc độ đầu đùn, mật độ điền đầy và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm

 Sử dụng phương pháp phân tích ANOVA để đánh giá ảnh hưởng của năm thông số công nghệ đến mục tiêu Phương pháp bề mặt đáp ứng được lựa chọn để thiết kế thực nghiệm và tối ưu hóa giá trị của các thông số công nghệ Đồng thời, sử dụng mô hình mạng nơ ron nhân tạo để dự đoán kết quả độ chính xác kích thước và độ bền kéo dựa trên các thông số đầu vào

 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

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

24 FDM bằng phần mềm và thông qua ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm

 Xây dựng được mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các yếu tố của chất lượng sản phẩm (độ chính xác kích thước và độ bền kéo) với các thông số công nghệ trong quá trình gia công và mô hình dự đoán kết quả mục tiêu đầu ra dựa trên các thông số đầu vào Mối quan hệ này có thể trở thành thuật toán cho phần mềm tối ưu hóa các thông số công nghệ trong quá trình chế tạo sản phẩm bằng công nghệ FDM

 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

Nội dung luận án được bố cục thành sáu chương với các nội dung như sau: Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu tiềm năng, lĩnh vực ứng dụng của công nghệ AM, công nghệ FDM cũng như trình bày các vấn đề còn tồn tại khi sử dụng công nghệ FDM để chế tạo các sản phẩm, đặc biệt là các sản phẩm cơ khí Từ đó, xác định vấn đề cần giải quyết, khảo sát các công trình nghiên cứu liên quan và các hạn chế của chúng Đề xuất mục tiêu, phạm vi, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

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

Phạm vi nghiên cứu

 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước và độ bền kéo (theo phương vuông góc với phương liên kết các lớp)

 Sử dụng năm thông số công nghệ đầu vào gồm chiều dày lớp, góc đường đùn, tốc độ đầu đùn, mật độ điền đầy và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm

 Sử dụng phương pháp phân tích ANOVA để đánh giá ảnh hưởng của năm thông số công nghệ đến mục tiêu Phương pháp bề mặt đáp ứng được lựa chọn để thiết kế thực nghiệm và tối ưu hóa giá trị của các thông số công nghệ Đồng thời, sử dụng mô hình mạng nơ ron nhân tạo để dự đoán kết quả độ chính xác kích thước và độ bền kéo dựa trên các thông số đầu vào

 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.

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.

Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn

 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

24 FDM bằng phần mềm và thông qua ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm

 Xây dựng được mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các yếu tố của chất lượng sản phẩm (độ chính xác kích thước và độ bền kéo) với các thông số công nghệ trong quá trình gia công và mô hình dự đoán kết quả mục tiêu đầu ra dựa trên các thông số đầu vào Mối quan hệ này có thể trở thành thuật toán cho phần mềm tối ưu hóa các thông số công nghệ trong quá trình chế tạo sản phẩm bằng công nghệ FDM

 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.

Cấu trúc luận án

Nội dung luận án được bố cục thành sáu chương với các nội dung như sau: Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu tiềm năng, lĩnh vực ứng dụng của công nghệ AM, công nghệ FDM cũng như trình bày các vấn đề còn tồn tại khi sử dụng công nghệ FDM để chế tạo các sản phẩm, đặc biệt là các sản phẩm cơ khí Từ đó, xác định vấn đề cần giải quyết, khảo sát các công trình nghiên cứu liên quan và các hạn chế của chúng Đề xuất mục tiêu, phạm vi, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

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.

ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM FDM

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.

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 0 0  90 0 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 0 0 , mức cao (+1) là 90 0 và mức trung bình (0) là 45 0

Tốc độ đầu đùn (V p )

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

Hình 2.2 Ảnh hưởng của chiều dày lớp đến chất lượng bề mặt: (a) mô hình CAD; (b) mô hình chia lớp và (c) hiệu ứng bậc thang trong đó t là chiều dày lớp và c là chiều cao dây cung

28 của sản phẩm Với giá trị phù hợp, tốc độ đầu đùn có thể làm giảm khuyết tật bên trong và tăng liên kết giữa các lớp từ đó cải thiện được độ chính xác kích thước và độ bền kéo của sản phẩm Thông thường, sản phẩm sẽ có chất lượng tốt nhất khi giá trị tốc độ đầu đùn được thiết lập trong khoảng (40  60) mm/s Trong quá trình thực nghiệm, dựa trên kinh nghiệm vận hành máy, các nghiên cứu đã có và kết quả mô phỏng ở chương 3, giá trị tốc độ đầu đùn được chọn ở mức thấp (-1) là 40 mm/s, mức cao (+1) là 60 mm/s và mức trung bình (0) là 50 mm/s.

Mật độ điền đầy (D)

Thông số mật độ điền đầy để chỉ mức độ dày đặc bên trong của sản phẩm tính bằng tỉ lệ phần trăm Tỉ lệ càng cao thì cấu trúc bên trong của sản phẩm càng đặc làm giảm các khoảng trống giúp cho các lớp và các sợi vật liệu liên kết với nhau tốt hơn (Hình 2.4)

Khi chế tạo bằng công nghệ FDM, giá trị mật độ điền đầy thường được cài đặt trong khoảng (20  60)% để giảm thời gian, vật liệu mà vẫn đảm bảo được tính năng sử dụng cũng như không có hiện tượng bị lún nhựa ở các lớp bề mặt trên của sản phẩm Để đánh giá ảnh hưởng của thông số này, giá trị mật độ điền đầy được chọn trong khoảng điều chỉnh tối đa, nghĩa là giá trị ở mức thấp (-1) là 20%, mức cao (+1) là 60% và mức trung bình (0) là 40%

Hình 2.3 Vận tốc cấp liệu (ve) và tốc độ đầu đùn (vp)

Nhiệt độ buồng tạo sản phẩm (T b )

Là nhiệt độ xung quanh vùng chế tạo sản phẩm của thiết bị FDM Đây là một thông số quan trọng, có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm, đặc biệt là đặc tính cơ học và độ chính xác kích thước như phân tích ở mục 1.4 chương 1 Khi không có nhiệt độ buồng, nhiệt độ của sợi vật liệu được đùn ra khỏi đầu đùn sẽ giảm nhanh từ (225 ÷ 235) 0 C xuống còn (30  37) 0 C (nhiệt độ môi trường bên ngoài) làm cho sợi vật liệu bị nguội nhanh, hình thành ứng suất dư làm sản phẩm dễ bị cong vênh, tách lớp Thiết bị FDM có nhiệt độ buồng giúp chất lượng mỗi lớp vật liệu tốt hơn, đặc biệt là giúp tăng khả năng liên kết giữa các lớp, giảm độ cong vênh, tách lớp trên sản phẩm Theo các công trình nghiên cứu đã công bố cũng như quá trình thử nghiệm thực tế trên thiết bị, giá trị nhiệt độ buồng tạo sản phẩm nằm trong khoảng từ (50  60) 0 C sẽ cho chất lượng sản phẩm tốt nhất đối với nhựa PLA-đồng và một số loại vật liệu khác Vì vậy, trong thực nghiệm các giá trị nhiệt độ buồng tạo sản phẩm được cài đặt ở mức thấp (-1) là 50 0 C, mức cao (+1) là 60 0 C và mức trung bình (0) là 55 0 C.

Hướng chế tạo

Là cách định hướng sản phẩm trên bàn máy theo hệ trục toạ độ XYZ của thiết bị FDM như Hình 2.5 Trong đó, mặt phẳng XY là mặt bàn máy Trục Z dọc theo phương thẳng đứng Theo một số nhà nghiên cứu, hướng chế tạo vừa là thông số định lượng vừa là thông số định tính Hình 2.6a biểu diễn trường hợp hướng chế tạo là thông số định lượng, khi đó, nó được định nghĩa là góc nghiêng của sản phẩm trong không gian làm việc của máy tương ứng với các trục X, Y, Z Trong trường hợp định

Hình 2.4 Mật độ bên trong sản phẩm tùy theo tỉ lệ điền đầy

30 tính, hướng chế tạo được định nghĩa là cách đặt mô hình sản phẩm trên bàn máy như Hình 2.6b

Hướng chế tạo có ảnh hưởng lớn đến cơ tính của sản phẩm (đặc biệt là độ bền kéo) do liên quan trực tiếp tới hướng chịu tải của sản phẩm (Hình 2.7) Đồng thời, nó cũng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt sản phẩm do với các hướng chế tạo khác nhau sẽ có các cấu trúc đỡ khác nhau (Hình 2.8) ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt ở vị trí tiếp xúc (Hình 2.9a) Việc chọn hướng chế tạo không phù hợp cũng thể hiện rõ nhược điểm của nguyên lý đắp lớp của công nghệ AM, nhất là trên các bề mặt nghiêng, tạo nên hiệu ứng bậc thang (Hình 2.9b) Ngoài ra, hướng chế tạo cũng ảnh hưởng đến thời gian chế tạo sản phẩm do kết cấu, số lượng cấu trúc đỡ cần thiết cũng như thời gian chạy không của đầu đùn

Hình 2.5 Các định hướng sản phẩm khác nhau trên bàn máy

Hình 2.6 Hướng chế tạo là thông số định lượng (a) và thông số định tính (b)

31 Theo một số công trình nghiên cứu, hướng chế tạo còn là thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước và độ bền kéo của sản phẩm Quá trình thực nghiệm cho thấy hướng chế tạo theo phương mặt phẳng là tối ưu nếu hình dạng của chi tiết không quá đặc biệt Khi chế tạo sản phẩm theo phương này sẽ tạo nên lớp nền vững chắc hơn so với hai phương còn lại dẫn đến sự ổn định trong quá trình làm việc giúp sản phẩm có chất lượng cao hơn Ngoài ra, chế tạo sản phẩm theo phương mặt phẳng cũng giúp giảm số lượng các lớp, giảm chu kì gia nhiệt - làm mát, từ đó giảm được sai số kích thước Vì những lý do trên, hướng chế tạo trong nghiên cứu này được chọn theo phương mặt phẳng

Hình 2.7 Độ chịu tải theo hướng vuông góc với lớp (a) sẽ yếu hơn chịu tải theo hướng song song với lớp (b)

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

Hình 2.9 (a) Bề mặt sản phẩm bị ảnh hưởng tại vị trí tiếp xúc với cấu trúc đỡ và (b) ảnh hưởng của hướng chế tạo đến chất lượng bề mặt sản phẩm.

Kiểu điền đầy

Với công nghệ FDM, sản phẩm được chế tạo ra có cấu trúc bên trong đặc hay rỗng tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng Để làm đầy phần phía trong, người ta sử dụng nhiều kiểu khác nhau Vì thế, công nghệ FDM còn có thông số quan trọng là kiểu điền đầy Mỗi kiểu điền đầy có ưu nhược điểm khác nhau và có những ảnh hưởng khác nhau đến các chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm (Hình 2.10)

Trong nghiên cứu này, do hình dáng mẫu thử đơn giản và mục tiêu là khảo sát ảnh hưởng của các thông số thực nghiệm nên kiểu điền đầy được chọn là kiểu Rectilinear cho tất cả các mẫu thử vì kiểu này giúp rút ngắn quá trình chế tạo mẫu thử, tiết kiệm vật liệu.

Nhiệt độ đầu đùn

Là nhiệt độ dùng để gia nhiệt cho sợi vật liệu đạt tới trạng thái nóng chảy hoàn toàn Giá trị thông số này tùy thuộc vào loại vật liệu, hãng sản xuất, màu vật liệu (liên quan tới lượng tạp chất) cũng như yêu cầu về đặc tính sử dụng của sản phẩm Sự thay đổi giá trị nhiệt độ đầu đùn ảnh hưởng đến hình dáng của tiết diện ngang của sợi vật liệu khi vừa ra khỏi vòi phun, khi nằm trên bàn máy hoặc nằm trên lớp đã được tạo ra trước đó Ở nhiệt độ thích hợp, sợi vật liệu được đùn ra sẽ đều và liên tục Nếu nhiệt độ đầu đùn thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của vật liệu, khi đó vật liệu chưa đạt được trạng thái nóng chảy hoàn toàn nên không đùn ra được Nếu lớn hơn, vật liệu sẽ bị quá nhiệt, bị rỗ khí, giòn và sẽ bị dẹt ra như Hình 2.11 Khi đó, sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm trong đó có độ chính xác kích thước và độ bền kéo Dựa trên khuyến Hình 2.10 Một số kiểu điền đầy: (a) Kiểu hình chữ nhật; (b) Kiểu lượn sóng; (c) Kiểu hình tam giác; (d) Kiểu hình lục giác hay còn gọi là tổ ong

33 cáo của nhà sản xuất cũng như trong quá trình thực nghiệm, giá trị nhiệt độ đầu đùn cho vật liệu PLA-đồng được chọn là 190 0 C.

Bề rộng đường đùn

Là chiều rộng của sợi nhựa điền đầy sau khi được đùn ra và đã nằm ổn định trên bàn máy hoặc trên lớp ngay trước đó (Hình 2.1) Giá trị thông số này góp phần đảm bảo sự vững chắc cấu trúc bên trong và do đó, góp phần cải thiện độ bền kéo sản phẩm Tùy thuộc vào kích thước, đặc điểm và yêu cầu về tính năng sử dụng của sản phẩm mà người lập trình sẽ chọn giá trị bề rộng đường đùn phù hợp Dựa theo các kết quả khảo sát nghiên cứu và kinh nghiệm vận hành máy, giá trị bề rộng đường đùn được chọn là 0,4 mm để giảm thời gian chế tạo nhưng vẫn đảm bảo được độ kết dính và độ cứng vững của chi tiết.

Số đường bao ngoài

Là số đường bao xung quanh sản phẩm tính trên một lớp của sản phẩm (Hình 2.1) Thông số này ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, độ chính xác hình dáng hình học… đặc biệt là cơ tính, độ chính xác kích thước Số đường bao ngoài càng tăng giúp sản phẩm càng cứng vững, các sợi nhựa và các lớp liên kết với nhau tốt hơn Tuy nhiên, khi tăng số đường bao ngoài lên quá nhiều các đường bao bên trong sẽ có nhiệt độ cao hơn, do khó thoát nhiệt, làm tích luỹ ứng suất dư gây ra sai lệch kích thước Dựa theo các nghiên cứu và kinh nghiệm vận hành máy, số đường bao ngoài được chọn là 3 cho tất cả các mẫu thử nghiệm

Chương 2 đã trình bày định nghĩa và xác định được sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ được lựa chọn trong nghiên cứu đến chất lượng sản phẩm nói chung và Hình 2.11 Tiết diện của sợi vật liệu khi ở nhiệt độ cao (a) và nhiệt độ thấp (b)

34 độ chính xác kích thước, độ bền kéo nói riêng, đồng thời cũng xác định được khoảng giá trị dùng trong quá trình thực nghiệm của chúng Các thông số trên đều có ảnh hưởng đến mục tiêu đã xác định vì chúng góp phần làm tăng độ cứng vững, giảm thiểu cong vênh, tách lớp và cải thiện độ liên kết giữa các sợi nhựa và các lớp với nhau Các thông số và khoảng giá trị của thông số trình bày trong chương 2 sẽ được sử dụng để tiến hành quá trình thực nghiệm theo phương pháp FCCCD và xây dựng mạng nơ ron nhân tạo được trình bày trong chương 4.

MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐÙN NHỰA

Giới thiệu công cụ mô phỏng và vật liệu

Ansys là một công cụ mô hình hóa và mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) Các công cụ chính của phần mềm Ansys phiên bản 2011 bao gồm:

 Structural: dùng cho các bài toán cơ học vật rắn, phổ biến nhất là các bài toán về cơ học rạn nứt (Fracture mechanics), tính độ bền mỏi (Fatigue)

 Mechanical: dùng để giải quyết các bài toán trong lĩnh vực chế tạo máy và xây dựng về động lực học, truyền nhiệt, truyền âm và điện áp

 Fluent: công cụ chuyên dùng giải quyết các bài toán lưu chất như động lực học lưu chất, truyền nhiệt…

 Eletronics: dùng để mô phỏng hiệu suất điện từ trong quá trình thiết kế các thành phần, thiết kế mạch và hệ thống

Trong đó, công cụ FLUENT có khả năng thiết lập mô hình dòng chảy, truyền nhiệt, khí động học Ngày nay, nhiều công ty trên thế giới xem FLUENT như một công cụ không thể thiếu trong giai đoạn thiết kế, tối ưu hóa sản phẩm do khả năng cung cấp kết quả nhanh chóng, chính xác và linh hoạt Việc tích hợp FLUENT vào Ansys cho phép người sử dụng nhập mô hình cần tính toán từ nhiều phần mềm CAD khác nhau, sửa đổi và chia lưới bằng công cụ Ansys Meshing, là công cụ có khả năng

36 mô phỏng với độ chính xác cao Trong Fluent, Ansys còn tích hợp một số công cụ khác để tạo tiện ích cho người sử dụng, bao gồm:

 Design Modeling/Space Claim: người dùng có thể thiết kế vật thể cần mô phỏng ngay trên phần mềm Ansys

 Meshing: là công cụ cho phép người sử dụng tiến hành chia lưới cho vật thể cần mô phỏng ngay trong Ansys Công cụ Meshing của Ansys được đánh giá là tương đối mạnh với nhiều chức năng tinh chỉnh lưới dễ dàng, thuận lợi

3.1.2 Vật liệu Đa số các công trình nghiên cứu trước đây thường sử dụng các loại vật liệu như PLA, ABS…Với mục tiêu cải thiện chất lượng, đặc biệt là độ chính xác kích thước và độ bền kéo, nhằm mở rộng khả năng ứng dụng sản phẩm FDM trong công nghiệp, luận án sử dụng vật liệu PLA-đồng Vật liệu này do công ty Formfutura nghiên cứu, phát triển và thương mại hóa Đây là loại vật liệu sử dụng nhựa PLA làm chất nền có pha trộn hạt đồng Nó có ưu điểm ít bị cong vênh, biến dạng trong quá trình chế tạo, cải thiện dòng chảy và độ bám dính giữa các lớp Sau khi chế tạo, quá trình hậu xử lý như: mài, cắt, đánh bóng, sơn… được thực hiện dễ dàng, cho phép tạo ra những sản phẩm tốt, phục vụ nhiều mục đích khác nhau Tuy nhiên, loại vật liệu này có một nhược điểm là làm cho đầu đùn bị mòn nhanh trong quá trình làm việc

Vật liệu PLA-đồng là một loại nhựa nhiệt dẻo nên khi gia nhiệt nó sẽ chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng Trong quá trình mô phỏng, độ nhớt là đặc tính rất quan trọng do hiện tượng ma sát sinh ra khi dòng chảy tiếp xúc với thành ống làm giảm vận tốc và tăng áp suất bên trong cụm đầu đùn Vận tốc của các phần tử trong dòng chảy tiếp xúc trực tiếp với thành ống bằng không, càng ra xa thành ống vận tốc của các phần tử ngày càng tăng Ngoài ra, vật liệu nhựa PLA-đồng ở pha lỏng là chất lỏng phi Newton nên độ nhớt của nó phụ thuộc vào ứng suất trượt Ngược với vận tốc, ứng suất trượt đạt giá trị lớn nhất tại thành ống và giảm dần khi ra xa (hình 3.1) Các thông số đặc tính của vật liệu như độ nhớt, khối lượng riêng, thể tích… được trình bày trong Bảng 3.1

37 Độ nhớt của dòng chảy phi Newton được xác định theo định luật Power-law (định luật công suất) là một trong những mô hình đơn giản nhất để biểu diễn độ nhớt, trạng thái của dòng chảy nhựa [61]:

Trong đó,  - độ nhớt của lưu chất (Pa.s) , K – hệ số đồng nhất,  - tốc độ trượt (s -1 ) , n – hệ số công suất Độ bền nén của vật liệu PLA-đồng: sợi nhựa được cấp vào đầu đùn, ban đầu ở trạng thái rắn và có giới hạn chịu nén riêng Vì vậy, vận tốc cấp liệu (tốc độ đẩy sợi nhựa vào đầu đùn) phải đảm bảo không tạo ra áp lực quá lớn, vượt qua giới hạn chịu nén của sợi vật liệu thì nó sẽ bị cong Giới hạn chịu nén của sợi vật liệu được xác định theo công thức Euler (3.2) với sơ đồ tính toán như Hình 3.2 [61]:

Hình 3.1 Sơ đồ phân bố: vận tốc (a), tốc độ trượt (b), ứng suất trượt (c) của dòng chảy trong ống hóa lỏng [60]

Bảng 3.1 Thông số vật liệu PLA-đồng [59-61]

Hệ số định luật công suất 3000 kg.sn -2 /m

Mô đun đàn hồi của vật liệu 93,77 MPa

Trong đó, E - Mô đun đàn hồi của vật liệu (MPa),  - giới hạn độ bền của sợi vật liệu (MPa), L - khoảng cách từ tâm con lăn cấp liệu đến ống hóa lỏng (mm), R - bán kính của ống hóa lỏng, bằng đường kính sợi nhựa vào (mm)

Trong đó, khoảng cách từ tâm con lăn đến điểm bắt đầu vào ống hóa lỏng là L

= 4 mm, đường kính sợi nhựa là D = 1,75 mm, mô đun đàn hồi của vật liệu E = 93,77 MPa Giới hạn chịu nén của sợi nhựa được tính từ công thức 3.2 như sau:

Các phương trình năng lượng và động lượng được trình bày ở các công thức 3.4 và 3.5:

Hình 3.2 Sơ đồ tính toán giới hạn chịu nén của sợi nhựa

Trong đó: H – enthalpy,  - trọng lượng riêng, v⃗ – vận tốc dòng chảy, S – nguồn thất thoát

Trong đó:  – thể tích một phần của chất lỏng,  - số vô cùng nhỏ nhằm giúp phương trình không bị chia cho 0, A – vùng mềm của vật liệu trong giai đoạn nóng chảy, v⃗ – vận tốc của nhựa rắn.

Tính toán nhiệt cần thiết cho đầu đùn

3.2.1 Tổng quan kết cấu nhiệt đầu đùn

Việc tính toán nhiệt lượng trong từng phần của cụm đầu đùn làm cơ sở lựa chọn điện trở cung cấp nhiệt cho cụm đầu đùn trong quá trình thực nghiệm và làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo cụm đầu đùn khi cần thiết Để có thể tính toán nhiệt đầu đùn, các bộ phận của cụm đầu đùn được mô hình hóa như Hình 3.3, gồm ba phần:

- Phần 1: hình trụ tròn có đường kính d1= 6 mm, dài l1 = 20 mm, vật liệu là đồng

Hình 3.3 Mô hình hóa cụm đầu đùn

- Phần 2: hình trụ tròn có đường kính d2= 10 mm, dài l2 = 14 mm, vật liệu là nhôm

- Phần 3: hình trụ tròn có d3 = 6 mm, dài l3 = 7 mm, vật liệu là đồng

Như vậy, nhiệt lượng toàn phần gồm:

Trong đó: Qcn – nhiệt lượng cần thiết để đầu đùn đạt đến nhiệt độ làm việc trong một khoảng thời gian cần thiết (W), Qtt - nhiệt lượng tổn thất ra môi trường (W)

Với: Qc: nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho đầu đùn (J), t: khoảng thời gian cần thiết (s)

3.2.2 Nhiệt lượng cần thiết để đầu đùn đạt đến nhiệt độ làm việc

Trong đó: Qc1 - nhiệt lượng cần cho phần 1, Qc2 - nhiệt lượng cần cho phần 2,

Qc3 - nhiệt lượng cần cho phần 3

Nhiệt lượng cần được tính theo công thức [63]:

Với: m - khối lượng chi tiết, Cp - nhiệt dung riêng (J/Kg.K), T - độ chênh giữa nhiệt độ làm việc (190 0 C) và nhiệt độ phòng (25 0 C)

Khi đó, nhiệt độ cần cho các phần được tính như sau:

Nhiệt lượng cần cho phần 1:

Qc1 = m1  Cp đồng  T = V  đ  Cp đồng  T = ,  1,75  8,94  380  (190 − 25)

= 277,3 (J) (3.10) trong đó: đ = 8,94 (g/cm 3 ), Cp đồng = 380 (J/Kg.K)

41 Nhiệt lượng cần cho phần 2:

Qc2 = m2  Cp nhôm  T = V x nh  Cp nhôm  T =  1,4  2,7  880  (190 − 25) 431 (J) (3.11) trong đó: Cp nhôm = 880 (J/Kg.K), nh = 2,7 (g/cm 3 )

Nhiệt lượng cần cho phần 3:

Qc3 = m3  Cp đồng  T = V  đ  Cp đồng  T = ,  0,7  8,94  380  (190 −

25) = 110,9 (J) (3.12) trong đó: đ= 8,94 (g/cm 3 ), Cp đồng = 380 (J/Kg.K)

Vậy nhiệt lượng cần thiết để đầu đùn làm việc là:

Thông thường, trên các máy FDM, thời gian gia nhiệt cần thiết để đầu đùn đạt đến trạng thái làm việc là 3 phút Từ đó, nhiệt lượng cần thiết được tính như sau:

Qcn = =  , = 4,55 (W) (3.14) 3.2.3 Tính toán nhiệt tổn thất

Phần 2 là bộ phận gia nhiệt và được bọc cách nhiệt nên nhiệt thất thoát không đáng kể Do đó, nhiệt tổn thất chủ yếu sẽ ở phần 1 và phần 3 của cụm đầu đùn

Nhiệt tổn thất ở phần 1 do đối lưu tự nhiên với không khí xung quanh Nhiệt thất thoát được tính theo công thức [63]:

Qtt1 =   F1  (tw – tf) (3.15) Trong đó:

Qtt1: nhiệt lượng truyền qua bề mặt 1 trong một đơn vị thời gian, W

: hệ số tỏa nhiệt trên bề mặt, W/m 2 độ

F: diện tích bề mặt tỏa nhiệt, m 2 ,

F1 =   d1 x l1 =   0,006  0,02 = 3,77 x 10 -4 (m 2 ) (3.16) l1 là chiều dài đoạn 1 (l1 = 20 mm); D1 là đường kính đoạn 1 (D1 = 6 mm) tw: nhiệt độ trung bình trên bề mặt vật rắn, độ (tw = 190 0 ) tf: nhiệt độ trung bình của môi trường, độ (tf = 25 0 )

Giá trị  được tính theo tiêu chuẩn Nusselt [63] như sau:

Các thông số nhiệt vật lý trong công thức 3.17 được xác định theo nhiệt độ tính toán tm: tm= 0,5 x (tw + tf) = 0,5 x (190 + 25) = 107,5 0 C (3.18)

Với tm = 107,5 0 C, nội suy từ bảng thông số vật lý của không khí khô [63], ta có:

Num = C x 𝑅𝑎 = 7,66 (3.22) với Ra = 40562,5 tra được C = 0,54 và n = 0,25 (theo tài liệu [64])

Từ công thức 3.16 ta tính được  = 12,4858 (3.23)

Do đó, theo công thức 3.15, nhiệt tổn thất ở phần 1 là:

Tương tự, ở phần 3, nhiệt tổn thất cũng qua đối lưu tự nhiên nên cách tính cũng tương tự như phần 1 như sau:

F =   D3  l3 =   0,006  0,007 = 1,54  10 -4 (m 2 ) l3 là chiều dài đoạn 3 (l3 = 7 mm); D3 là đường kính đoạn 3 (D3 = 6 mm)

Các thông số nhiệt vật lý được xác định như sau:

Num = C x 𝑅𝑎 = 3,488 (3.28) với Ra = 1741,575 ta có C = 0,54 và n = 0,25 (tra được từ [64])

Do đó, nhiệt lượng tổn thất ở phần 3 là:

 Tổng nhiệt lượng cần cung cấp:

Trình tự thực hiện

Chia lưới mô hình với chức năng mesh của Ansys

Cài đặt vật liệu, điều kiện biên, điều kiên nhiệt độ trong Setup

Kiểm tra vật liệu, điều kiện biên, nhiệt độ

Cài đặt thời gian, mật độ thời gian mô phỏng trong phần Solution

Chạy mô phỏng Đạt Đạt Đạt

Không đạt Nhập mô hình 3D khối rắn vào phần mềm Ansys

Lấy kết quả và lưu

Hình 3.4 Lưu đồ quá trình mô phỏng

45 Quá trình mô phỏng được thực hiện theo lưu đồ như Hình 3.4 Trước tiên, mô hình 3D khối rắn của cụm đầu đùn được thiết kế trên phần mềm SolidWork phiên bản

2020 Nhập mô hình vào phần mềm Ansys phiên bản 2011, chia lưới cho mô hình, cài đặt vật liệu, các điều kiện biên, nhiệt độ…cho mô hình lưới Thiết lập thời gian, tiến hành quá trình tính toán mô phỏng và thu nhận các kết quả

3.3.1 Nhập mô hình vào phần mềm và chia lưới:

Mô hình cụm đầu đùn sau khi được thiết kế trên phần mềm CAD sẽ được nhập vào phần mềm Ansys, gán vật liệu, định nghĩa các chi tiết và tiến hành chia lưới Việc chia lưới có vai trò quan trọng vì mật độ lưới ảnh hưởng đến thời gian phân tích và độ chính xác của kết quả mô phỏng Nếu mật độ lưới quá dày thì kết quả mô phỏng sẽ có độ chính xác cao nhưng thời gian phân tích lâu hơn Nếu mật độ quá thưa thì kết quả mô phỏng không chính xác Trong trường hợp này, do vật thể là hình trụ tròn, phương pháp chia lưới sweep được chọn để mặt lưới được đều và mô hình được chia thành 26,973 phần tử Các chỉ số đánh giá đạt được như sau:

Các bước được minh họa từ Hình 3.5 đến Hình 3.7

Hình 3.5 Thiết kế đầu đùn bằng phần mềm SolidWorks 2020, nhập mô hình vào module Design Modeler và định nghĩa các bộ phận

46 3.3.2 Thiết lập các điều kiện ban đầu

Sau khi chia lưới, tiến hành thiết lập các điều kiện ban đầu cho quá trình mô phỏng và tiến hành phân tích kết quả Một số thiết lập ban đầu bao gồm:

Gravity: tính toán xét đến gia tốc trọng trường g = 9,81 mm/s

Giới hạn chịu nén của sợi nhựa  = 11,07 Mpa (công thức 3.3)

Nhiệt độ đầu vào (nhiệt độ phòng): 25 0 C Điều kiện dẫn nhiệt của ống hóa lỏng: Heat Flux

Hình 3.6 Mô hình đầu đùn đã được định nghĩa

Hình 3.7 Mô hình đầu đùn đã được chia lưới

47 Thiết lập dòng chảy tầng: Viscous-Laminar

Sử dụng phương trình năng lượng và phương trình động lượng ở mục 3.2.3

Sử dụng vật liệu đồng với giá trị nhiệt dung riêng là 380 J/KgK

Sử dụng vật liệu nhôm với giá trị nhiệt dung riêng là 880 J/KgK

Các bước và lựa chọn cụ thể được trình bày trong phụ lục 4.

Kết quả

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

Từ kết quả như Hình 3.8 cho thấy, khoảng nóng chảy hoàn toàn L (là khoảng cách từ vị trí miệng ống hóa lỏng đến vị trí mà sợi nhựa nóng chảy hoàn toàn) của nhựa PLA-đồng tăng khi vận tốc cấp liệu tăng Giá trị khoảng nóng chảy hoàn toàn tương ứng với các giá trị vận tốc cấp liệu được trình bày trong Bảng 3.2 và đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa khoảng nóng chảy hoàn toàn và vận tốc cấp liệu được biểu diễn ở đồ thị Hình 3.9

 Khi vận tốc cấp liệu nhỏ, vật liệu trao đổi nhiệt tốt hơn, khoảng nóng chảy hoàn toàn L sẽ ngắn Ngược lại, nếu trong cùng khoảng thời gian, khi vận tốc cấp liệu tăng lên, vật liệu trao đổi nhiệt kém hơn dẫn đến khoảng nóng chảy hoàn toàn dài hơn

 Với cùng độ dài ống hóa lỏng, khi vận tốc cấp liệu ở giá trị hợp lý để sợi nhựa không bị cong, dòng vật liệu nhựa ra khỏi đầu đùn có tính ổn định cao hơn do khoảng nóng chảy hoàn toàn ngắn

 Do khoảng nóng chảy hoàn toàn dao động từ (3  17) mm nên có thể giảm chiều dài ống hóa lỏng trong cụm đầu đùn để làm giảm ma sát giữa dòng vật liệu với thành ống giúp tăng vận tốc đùn vật liệu

 Vật liệu nhựa PLA-đồng có hệ số dẫn nhiệt cao (do có hạt đồng) nên với vận tốc cấp liệu càng lớn thì nhiệt độ trên ống hóa lỏng sẽ càng giảm Do đó, để

48 nhiệt độ được ổn định, khi cần giảm chiều dài ống hóa lỏng, thì phải tăng chiều dày thành ống

Hình 3.8 Khoảng nóng chảy hoàn toàn (L) của vật liệu nhựa PLA-đồng:

(a) ở vận tốc cấp liệu 1mm/s, (b) ở vận tốc cấp liệu 2mm/s, (c) ở vận tốc cấp liệu

3mm/s và ở vận tốc cấp liệu 3,5 mm/s

Hình 3.9 Đồ thị khoảng nóng chảy hoàn toàn của vật liệu nhựa PLA-đồng ở các giá trị vận tốc cấp liệu khác nhau

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

Bảng 3.2 Khoảng nóng chảy hoàn toàn của vật liệu nhựa PLA-đồng tương ứng với các giá trị vận tốc cấp liệu khác nhau

Vận tốc cấp liệu (mm/s)

Khoảng nóng chảy hoàn toàn (mm) 3,17 6,22 8,5 11,3 13,6 16,9

Hình 3.10 Ảnh hưởng của vận tốc cấp liệu đến tốc độ đùn vật liệu:

(a) ở vận tốc cấp liệu 1mm/s, (b) ở vận tốc cấp liệu 2mm/s, (c) ở vận tốc cấp liệu

3mm/s và ở vận tốc cấp liệu 3,5 mm/s

50 Vận tốc cấp liệu có mối quan hệ mật thiết đến tốc độ đùn vật liệu Nếu vận tốc cấp liệu quá thấp dẫn đến tiết diện sợi nhựa đùn ra không đều Ngược lại, nếu vận tốc cấp liệu quá cao làm cho tốc độ đùn vật liệu quá cao sẽ gây rung trong quá trình làm việc Kết quả mô phỏng trình bày trong Bảng 3.3, Hình 3.10 và đồ thị Hình 3.11 cho thấy tốc độ đùn vật liệu lớn nhất khoảng 150 mm/s (tương ứng với vận tốc cấp liệu khoảng 3,5 mm/s) là phù hợp với đa số thiết bị FDM hiện nay

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

Kết quả mô phỏng trình bày ở Bảng 3.4, đồ thị Hình 3.12 và Hình 3.13 cho thấy giá trị áp suất nén lên sợi vật liệu sẽ tăng khi vận tốc cấp liệu tăng Tại giá trị vận tốc cấp liệu 5,5 mm/s, sợi vật liệu sẽ bắt đầu bị cong (do vượt quá giới hạn chịu nén của sợi vật liệu có giá trị σ = 11,07 MPa) Vì thế, trong quá trình chế tạo sản phẩm, ta nên chọn giá trị vận tốc cấp liệu dưới 5,5mm/s Khi có nhu cầu tăng vận tốc cấp liệu, ta phải thay đổi các thông số của đầu đùn như: D, l, α Trong trường hợp cần giảm thông số l (Hình 3.2) ta cần tăng chiều dày thành ống hóa lỏng để nhiệt độ được ổn định

Bảng 3.3 Tốc độ đùn vật liệu tương ứng với vận tốc cấp liệu

Vận tốc cấp liệu (mm/s)

Tốc độ đùn vật liệu

Hình 3.11 Đồ thị tốc độ đùn vật liệu PLA-đồng tương ứng với các giá trị vận tốc cấp liệu khác nhau

51 Hình 3.12 Ảnh hưởng của vận tốc cấp liệu đến áp suất:

(a) ở vận tốc cấp liệu 2 mm/s, (b) ở vận tốc cấp liệu 4 mm/s, (c) ở vận tốc cấp liệu

5,5 mm/s và ở vận tốc cấp liệu 6 mm/s

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

Vận tốc cấp liệu (mm/s)

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

Kết quả quá trình sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis - FEA) để mô phỏng dòng chảy của vật liệu nhựa PLA-đồng trong ống hoá lỏng cho thấy vận tốc cấp liệu có ảnh hưởng đến các thông số công nghệ của FDM gồm nhiệt độ, áp suất và vận tốc cấp liệu Cụ thể:

 Vận tốc cấp liệu càng tăng, khoảng nóng chảy hoàn toàn càng dài làm tăng chiều dài ống hóa lỏng Khi khoảng nóng chảy quá rộng, khả năng xảy ra hiện tượng tràn nhựa trên cụm đầu đùn càng lớn Tuy nhiên, khoảng nóng chảy của vật liệu PLA-đồng nhỏ hơn nhiều so với vật liệu PLA nên có thể sử dụng các loại đầu đùn có chiều dài ống hóa lỏng ngắn hơn

 Khi vận tốc cấp liệu tăng, áp suất trong ống hóa lỏng tăng giúp quá trình đùn tốt hơn Tuy nhiên, nếu vận tốc cấp liệu quá lớn sẽ làm tăng áp suất nén lên sợi vật liệu Khi áp suất này vượt quá giới hạn chịu nén của sợi vật liệu sẽ làm cho sợi vật liệu bị cong Lúc này, quá trình đùn vật liệu sẽ không được ổn định Để tránh hiện tượng này, khoảng vận tốc cấp liệu kiến nghị cho vật liệu PLA-đồng có giá trị từ 5,5 mm/s trở xuống

 Vận tốc cấp liệu tăng sẽ làm tăng vận tốc đùn vật liệu theo quan hệ tuyến tính và khi đó giá trị tốc độ đầu đùn (vp) cũng phải tăng lên tương ứng Tuy nhiên, Hình 3.13 Đồ thị áp suất của PLA-đồng ở các giá trị vận tốc cấp liệu khác nhau

53 khi tốc độ đầu đùn lớn, có thể xảy ra hiện tượng rung lắc gây ồn và không đảm bảo chất lượng sản phẩm

3.5.2 Xác định giá trị tốc độ đầu đùn

Như đã trình bày ở mục 1.6 chương 1, tốc độ đầu đùn (Vp) được chọn là một thông số điều khiển (thông số thay đổi) trong quá trình thực nghiệm Dựa theo kết quả mô phỏng về mối liên hệ giữa vận tốc cấp liệu và áp suất trong cụm đầu đùn đang được sử dụng, đối với vật liệu PLA-đồng, cho thấy giá trị vận tốc cấp liệu tối ưu có giá trị dưới 1,5 mm/s là phù hợp Kết hợp với kết quả quá trình khảo sát các công trình nghiên cứu đã được công bố, giá trị tốc độ đầu đùn được chọn trong quá trình thực nghiệm nằm trong khoảng (40  60) mm/s

Chương 3 trình bày quá trình sử dụng phần mềm Ansys-Fluent để mô phỏng nhằm xác định mối liên hệ giữa vận tốc cấp liệu với khoảng nóng chảy hoàn toàn, vận tốc đùn vật liệu và áp suất bên trong cụm đầu đùn đang được sử dụng Kết quả đã xác định được khoảng giá trị thực nghiệm cho thông số tốc độ đầu đùn (Vp) trong khoảng (40  60) mm/s (được trình bày trong Bảng 4.1 trang 56) Kết quả này tương đối phù hợp với các công trình nghiên cứu đã công bố trước đây cho các loại vật liệu khác như PLA, ABS…và cũng đã được trình bày trong công trình công bố số 1 Mặt khác, kết quả mô phỏng có thể được sử dụng trong quá trình tính toán, thiết kế, chế tạo cụm đầu đùn trên máy FDM phục vụ mục tiêu thiết kế, chế tạo thiết bị FDM tại Việt Nam.

THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH

Phương pháp thực hiện

Như đã trình bày ở phần 1.3, khi nghiên cứu về công nghệ FDM, đặc biệt là các nghiên cứu về tối ưu hóa thông số công nghệ, các nhà khoa học trên thế giới đã sử dụng nhiều công cụ để phân tích như: phân tích theo ANOVA, phân tích theo SEM (Scanning Electron Microscope), phân tích S/N…Về phương pháp thiết kế thực nghiệm và tối ưu hóa, các phương pháp thường được sử dụng như: phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM), thiết kế tối ưu Q, thiết kế giai thừa…Gần đây, hai tác giả A J Sheoran và H Kumar (2020) [61] đã đưa ra một số đánh giá về các phương pháp đã và đang được sử dụng (phụ lục 3) Dựa vào đánh giá trên, có thể thấy phương pháp bề mặt đáp ứng được đánh giá là một phương pháp có mức độ phổ biến rộng, độ chính xác cao, có khả năng tối ưu đồng thời nhiều mục tiêu và phân tích được ảnh hưởng của các thông số tương tác Với lý do trên, luận án sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng để thiết kế thực nghiệm, tối ưu hóa thông số công nghệ và xây dựng mô hình hồi quy, phương pháp phân tích ANOVA để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến mục tiêu đầu ra Ngoài ra, mô hình mạng nơ ron nhân tạo (ANN) cũng được xây dựng để dự đoán kết quả độ chính xác kích thước và độ bền kéo dựa trên các thông số đầu vào Sau đó tiến hành so sánh giữa phương pháp bề mặt đáp ứng và mạng nơ ron nhân tạo nhằm đưa ra đánh giá, kết luận, đề xuất.

Trình tự thực hiện

Xác định các mức giá trị

Kiểm tra mẫu Đo kích thước và độ bền kéo của các mẫu

Phân tích kết quả theo phương pháp bề mặt đáp ứng

Phân tích ANOVA, đồ thị bề mặt, xây dựng mô hình hồi quy

Xác định bộ thông số tối ưu

Tối ưu hóa thông số công nghệ

Các thông số công nghệ đầu vào

Lấy kết quả tối ưu

Hình 4.1 Lưu đồ quá trình thực nghiệm

56 Quá trình thực nghiệm được tiến hành theo lưu đồ Hình 4.1 Trong đó, các thông số đầu vào và các mức giá trị được lựa chọn dựa trên quá trình nghiên cứu tài liệu, máy FDM Vina2015 và kinh nghiệm vận hành máy Thực nghiệm được thiết kế theo phương pháp FCCCD nhằm đánh giá ảnh hưởng của từng thông số công nghệ đến độ chính xác kích thước và độ bền kéo, xây dựng mô hình hồi quy biểu diễn mối liên hệ giữa các thông số công nghệ đến độ chính xác kích thước và độ bền kéo cho sản phẩm FDM.

Thông số thực nghiệm

Các thông số công nghệ được sử dụng trong quá trình thực nghiệm gồm: chiều dày lớp (t), tốc độ đầu đùn (Vp), góc đường đùn (), mật độ điền đầy (D) và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm (Tb) Để có thể kiểm định mức độ phù hợp của mô hình theo

FCCCD, mỗi thông số đầu vào cần có ba mức giá trị Bởi vì nếu chỉ khảo sát hai giá trị, mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số và mục tiêu sẽ ở dạng bậc nhất, tức là luôn phù hợp với dữ liệu đầu vào nên không thể đánh giá được mô hình có phù hợp hay không Trong các thực nghiệm khởi đầu, để có ba mức giá trị cho mỗi thông số, ta thường bổ sung điểm thực nghiệm trung tâm, là điểm có giá trị trung

Bảng 4.1 Thông số và các mức giá trị của thông số

Thông số Ký hiệu Đơn vị

Mức cao (1) Các thông số đầu vào

Tốc độ đầu đùn Vp mm/s 40 50 60

Nhiệt độ buồng tạo sản phẩm Tb 0C 50 55 60

Các thông số cố định

Bề rộng đường đùn - mm 0,4

Hướng chế tạo - - Mặt phẳng

57 bình cộng của hai giá trị cao nhất và thấp nhất Theo phương pháp FCCCD, với mỗi thông số thực nghiệm đầu vào, ta cần lựa chọn giá trị các thông số ở hai mức thấp (-1) và cao (1) Mức trung bình (0) sẽ là giá trị trung bình giữa hai mức thấp - cao đã được lựa chọn Các thông số còn lại (còn gọi là thông số cố định) nhận mức giá trị trung bình (tức giá trị phù hợp nhất) Tổng hợp các thông số và các mức giá trị được trình bày trong Bảng 4.1.

Quá trình thực nghiệm

Quá trình thực nghiệm được xây dựng theo phương pháp FCCCD, sử dụng phần mềm thống kê Minitab 19 Minitab là phần mềm thống kê ứng dụng được phát triển ở Đại học Pennsylvania vào năm 1972 Số lượng thực nghiệm để thực hiện trong phương pháp CCD và FCCCD được xác định theo một trong hai công thức sau [62]:

Khi kết hợp đủ: N = 2 + 2k + n (4.1) Khi kết hợp giảm: N = 2 + 2k + n (4.2)

Trong đó k là số lượng thông số đầu vào (k = 5), n là số lần lặp của nghiệm thức tâm (n = 6), p là số biến được giảm bớt (p = 1) Trong luận án, mô hình thực nghiệm được thiết kế dựa trên thiết kế kết hợp giảm để giảm số lượng thí nghiệm nhằm tiết kiệm thời gian, chi phí mà vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết Do đó, số lượng thực nghiệm được xác định theo công thức 4.2 như sau:

Hình 4.2 Thiết kế thực nghiệm theo FCCCD trên Minitab

58 Để thiết kế thực nghiệm, trên phần mềm Minitab, ta chọn công cụ Create Response Surface Desgin Tiếp theo, ta chọn loại thiết kế là Central composite (Hình 4.2), chọn số lượng thông số đầu vào là 5 và giá trị của α là Face Centered (Hình 4.3)

Ta được bảng thông số thực nghiệm được trình bày trong Bảng 4.2

Chế tạo mẫu – thu thập số liệu

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

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

59 Dựa trên các tài liệu đã tham khảo về tối ưu hoá thông số công nghệ cho thiết bị FDM (chương 1), luận án sử dụng mẫu theo tiêu chuẩn ASTM D638-01 (Hình 4.4) là mẫu thường được sử dụng để đánh giá độ bền kéo như đã trình bày ở mục 1.4 trang 17 Mẫu để kiểm tra độ chính xác kích thước có dạng hình khối chữ nhật kích thước 40 x

4.5.2 Chế tạo mẫu thực nghiệm

Các mẫu thực nghiệm kiểm tra độ chính xác kích thước và độ bền kéo được chế tạo trên thiết bị FDM Vina 2015 (Hình 4.6) Thiết bị là sản phẩm của đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước do PGS.TS Thái Thị Thu Hà làm chủ nhiệm đề tài, hoàn thành vào năm 2015 Thiết bị được trang bị hai đầu đùn, một cho vật liệu chế tạo mẫu và đầu còn lại cho vật liệu đỡ Các thông số cơ bản của thiết bị được thể hiện trong Bảng 4.3

Hình 4.4 Mẫu thử nghiệm độ bền kéo

Hình 4.5 Mẫu thử nghiệm độ chính xác kích thước

60 Vật liệu được sử dụng để chế tạo mẫu là nhựa PLA-đồng của hãng ESUN với đường kính 1,75 mm Đặc tính của vật liệu này đã được trình bày trong chương 3 Sau khi chế tạo, bộ mẫu được tiến hành hậu xử lý: làm sạch bề mặt và loại bỏ nhựa thừa dính trên bề mặt và để ổn định ở nhiệt độ phòng từ 24 đến 48 tiếng Hình ảnh bộ mẫu sau khi hoàn thành được thể hiện trong Hình 4.7 và Hình 4.8

Hình 4.6 Thiết bị FDM - Vina2015

Bảng 4.3 Đặc tính kỹ thuật thiết bị FDM Vina 2015 Đặc tính Giá trị Đơn vị

Số lượng đầu đùn 2 đầu Đường kính đầu đùn 0,2; 0,4; 0,6 mm

Vật liệu ABS, PLA, PLA-đồng, PVA… - Độ chính xác ± 0,25 mm

Chiều dày lớp nhỏ nhất 0,1 mm

Bề rộng lớp đùn 0,2 ÷ 3 mm

Tốc độ đầu đùn tối đa 150 mm/s

Nhiệt độ buồng tạo mẫu 40  70 0 C

Giá trị kích thước được đo bằng thước cặp điện tử Mitutoyo có độ chia nhỏ nhất 0,01 mm, giới hạn đo 200 mm Độ chính xác kích thước của mẫu được đánh giá bằng độ lệch giữa kích thước danh nghĩa và kích thước đo được Độ lệch kích thước được tính theo công thức:

∆𝐿 = 𝐿 𝑖 − 𝐿𝑐 (4.3) Với: - 𝐿: các giá trị trung bình đo trên mẫu theo phương X (𝑋), Y (𝑌), Z (𝑍̅)

- 𝐿𝑐: các kích thước danh nghĩa của mẫu theo phương X (X ), Y (Y ), Z (Z )

- ∆L: sai số tuyệt đối của kích thước đo được trên mẫu so với kích thước danh nghĩa theo phương X (∆Xi), Y (∆Y ), Z (∆𝑍𝑖)

- i: số thứ tự của mẫu đo

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

Hình 4.8 Một số mẫu thử nghiệm độ bền kéo sau khi chế tạo

62 Kết quả đo và độ lệch kích thước của các mẫu được trình bày ở Bảng 4.4 Với độ tin cậy  = 99,73%,  là trị số sai lệch bình phương trung bình, được tính theo công thức 4.4 [75]:

𝜎 = ∑ ( ) (4.4) với: - Li là giá trị trung bình giữa ba lần đo, theo phương X là 𝑋, theo phương

Y là 𝑌 và theo phương Z là 𝑍̅ 𝐿: là giá trị trung bình của 32 mẫu, theo phương X là (𝑋i), theo phương Y là (𝑌i) và theo phương Z là (𝑍̿i) n: là số lượng mẫu (n = 32)

Miền dung sai của phép đo () được tính theo công thức 4.5 [7]

 = 3  (4.5) với:  tính theo công thức 4.6 [75]:

√ n là số lần đo tại một vị trí đo (n = 3) (4.6)

Thay các giá trị 𝑋 và 𝑋 vào công thức 4.4 ta có sai lệch bình phương trung bình theo phương X là: x = 0,12 Thay x vào công thức 4.6 ta tính được x = 0,07 Từ đó, theo công thức 4.5 ta được miền dung sai của phép đo theo phương X là: X = 3 x 0,07

Tương tự, thay các giá trị 𝑌, 𝑌 và 𝑍̅, 𝑍̿ trong bảng kết quả đo theo phương Y và phương Z vào công thức 4.4 ta có:

Sai lệch bình phương trung bình theo phương Y là: y = 0,12, thay y vào công thức 4.6 ta được Y = 0,07 và thay Y vào công thức 4.5 ta tính được miền dung sai của phép đo theo phương Y: Y = 3  0,073 = 0,21

Sai lệch bình phương trung bình theo phương Z là: z = 0,13, thay z vào công thức 4.6 ta được z = 0,08 và thay z vào công thức 4.5, ta được miền dung sai của phép đo theo phương Z: Z = 3  0,08 = 0,24

63 Bảng 4.4 Kết quả đo kích thước theo phương X STT Lần 1 Lần 2 Lần 3 𝑿 STT Lần 1 Lần 2 Lần 3 𝑿

Giá trị trung bình của 32 mẫu: 𝑿 = 19,73 Bảng 4.4 (tiếp theo) Kết quả đo kích thước theo phương Y STT Lần 1 Lần 2 Lần 3 𝒀 STT Lần 1 Lần 2 Lần 3 𝒀

Giá trị trung bình của 32 mẫu: 𝒀 = 19,76

64 Giá trị của các lần đo chỉ được ghi nhận khi nằm trong khoảng cho phép là 𝑋± εX, 𝑌 ± εY, 𝑍̅ ± εZ Kết quả cho thấy giá trị của cả ba lần đo đều nằm trong miền giá trị cho phép Các giá trị này được sử dụng trong quy hoạch thực nghiệm như Bảng 4.4

Tiến hành kéo 32 mẫu thử ở nhiệt độ phòng trên thiết bị kiểm tra độ bền kéo DELTALAB, thuộc Phòng Thí nghiệm Kỹ thuật Hàng không, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG.HCM Chế độ kéo được thiết lập với tốc độ kéo 5 mm/phút và tải trọng

10 kN Ứng suất kéo bằng lực kéo trên diện tích mặt cắt ngang của mẫu Qua biểu đồ kéo vật liệu của các mẫu thử, ví dụ mẫu số 10 ở Hình 4.10, có thể thấy ứng suất càng tăng thì tỷ lệ biến dạng của chi tiết càng lớn Khi ứng suất đạt giá trị lớn nhất, trên vùng nào đó của mẫu sẽ xuất hiện biến dạng tập trung, tiết diện mẫu giảm nhanh, tại đó vết nứt xuất hiện, kích thước vết nứt tăng nhanh, cuối cùng gây phá hủy mẫu và ứng suất bắt đầu giảm dần, lúc này, ta dừng kéo và ghi nhận kết quả Kết quả độ bền kéo của tất cả các mẫu được trình bày trong Bảng 4.5

Bảng 4.4 (tiếp theo) Kết quả đo kích thước theo phương Z STT Lần 1 Lần 2 Lần 3 𝒁 STT Lần 1 Lần 2 Lần 3 𝒁

Giá trị trung bình của 32 mẫu: 𝒁 = 39,89

65 Hình 4.9 Thiết bị đo độ bền kéo

Hình 4.10 Biểu đồ ứng suất – biến dạng (a) và mẫu sau khi bị kéo đứt (b) a b

66 Tương tự như phần đo kích thước, kéoi là giá trị độ bền kéo của các mẫu và kéo là độ bền kéo trung bình của 32 mẫu Thay các giá trị kéoi và kéo vào công thức 4.4 ta có sai lệch bình phương trung bình của độ bền kéo là:  = 5,74, thay  vào công thức 4.6 ta được  = 3,18 và thay  vào 4.5 ta được miền dung sai của độ bền kéo là:

Giá trị của các lần đo chỉ được ghi nhận khi nằm trong khoảng cho phép là kéoi ± εkéo Kết quả cho thấy giá trị đo đều nằm trong miền giá trị cho phép Các giá trị này được sử dụng trong quy hoạch thực nghiệm như Bảng 4.5.

Kết quả thực nghiệm và phân tích số liệu

Kế hoạch thực nghiệm của luận án được thiết kế theo quy hoạch hỗn hợp đối xứng bậc hai dạng B (FCCCD), các điểm sao nằm ở tâm mỗi mặt của không gian giai

Bảng 4.5 Kết quả đo ứng suất kéo của mẫu

(kN) Độ bền (MPa) (kéo) STT Lực kéo đứt

(kN) Độ bền (MPa) (kéo)

Giá trị trung bình của 32 mẫu: kéo = 21,86

67 thừa, do đó   1 (các ô màu xanh) Dữ liệu thực nghiệm thu được từ mô hình FCCCD được trình bày trong Bảng 4.6

Bảng 4.6 Dữ liệu thực nghiệm thu được từ FCCCD

Phân tích dữ liệu thực nghiệm thu thập được từ thiết kế FCCCD bằng phần mềm Minitab 19 Qua tham khảo tài liệu, phương trình biểu diễn cơ sở dữ liệu càng đầy đủ (thường là bậc 2 hoặc bậc 3) càng chính xác Tuy nhiên, phương trình bậc càng cao càng mất nhiều thời gian Vì vậy, đầu tiên, các nhà nghiên cứu thường chọn phương trình bậc 2 để phân tích Nếu không phù hợp sẽ chọn bậc cao hơn hoặc thấp hơn Phương trình hồi quy đa thức bậc 2 có dạng tổng quát như sau:

 y là đáp ứng đầu ra

 x x i , j lần lượt là nhân tố thứ i j ,

 k là tổng số nhân tố đầu vào

Thao tác thực hiện trên Minitab như sau: Mở cửa sổ chứa Worksheet > Chọn menu Stat > DOE > Response Surface > Analyze Response Surface Design Trong hộp thoại mới xuất hiện, chọn tên hàm mục tiêu cho mục Responses từ danh sách bên cạnh Trong danh sách Analyze data using, chọn kiểu số liệu mã hóa (Coded units) để phân tích Chọn nút Term và chọn cấp độ mô hình hồi quy trong danh sách Include the following terms là Full quadratic Chọn OK Quay về hộp thoại chính, chọn nút Graph và chọn các dạng đồ thị Sau khi hoàn tất, chọn nút OK

 Phân tích độ chính xác kích thước theo phương X

Phân tích phương sai: Dựa vào kết quả phân tích phương sai thu được từ Minitab (Hình 4.11), ta thấy chỉ có các thông số chiều dày lớp (t), mật độ điền đầy (D), nhiệt độ buồng tạo sản phẩm (Tb), yếu tố tương tác giữa chiều dày lớp và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm (D×Tb) là có ý nghĩa thống kê (P-value < 0,05), đây chính là những thông số có ảnh hưởng đáng kể đến sai số kích thước theo phương X Vì vậy, các thông số này được giữ lại trong mô hình hồi quy và loại bỏ đi các thành phần không có ý nghĩa Kết quả của phép kiểm định Lack-of-Fit có giá trị P-value > 0,05 nên có thể kết luận mô hình đã xây dựng là phù hợp để mô tả dữ liệu

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

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

70 Đánh giá mức độ ảnh hưởng: Tầm quan trọng của từng thông số được thể hiện qua biểu đồ Pareto (Hình 4.12) Trên biểu đồ này, ta có thể thấy thông số t, D, Tb là những thông số có ảnh hưởng lớn tới độ chính xác theo phương X Bên cạnh đó, sự tương tác giữa hai thông số D và Tb cũng có sự ảnh hưởng lớn đến mục tiêu

Mô hình hồi quy dự đoán sai số kích thước phương X theo các thông số đầu vào được xác định như sau:

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

71 Đồ thị Hình 4.13 cho thấy chiều dày lớp (t), nhiệt độ buồng tạo sản phẩm (Tb) là thông số có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác theo phương X Khi chiều dày lớp nhỏ, giá trị nhiệt độ buồng thích hợp thì số lớp càng nhiều, nhiệt độ các lớp tăng lên do sự truyền nhiệt, điều này làm tăng sự khuếch tán, tăng liên kết giữa các sợi, hạn chế cong vênh, tách lớp góp phần tăng độ chính xác kích thước của sản phẩm Ngoài ra, thông số mật độ điền đầy (D) cũng có ảnh hưởng lớn đến sai số kích thước theo phương X Giá trị mật độ điền đầy thích hợp sẽ làm cho sản phẩm tăng độ cứng vững, hạn chế cong vênh Yếu tố tương tác giữa mật độ điền đầy và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm cũng có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác kích thước

 Phân tích độ chính xác kích thước theo phương Y

Phân tích phương sai: dựa vào kết quả phân tích phương sai thu được từ Minitab (Hình 4.14) cho thấy chỉ có các thông số chiều dày lớp (t), tốc độ đầu đùn (Vp) và các yếu tố tương tác t × Vp (giữa chiều dày lớp và tốc độ đầu đùn), D × Tb

(giữa mật độ điền đầy và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm) là có ý nghĩa thống kê (P-value

< 0,05) Các thông số này được giữ lại trong mô hình hồi quy và loại bỏ đi các thành phần không có ý nghĩa Kết quả phép kiểm định Lack-of-Fit có giá trị P-value > 0,05 nên ta có thể kết luận mô hình đã xây dựng là phù hợp để mô tả dữ liệu Đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng thông số: mức độ ảnh hưởng của từng thông số lên sai số kích thước theo phương Y được thể hiện trên biểu đồ Pareto như Hình 4.15 Trên biểu đồ này ta có thể thấy chiều dày lớp (t) và tốc độ đầu đùn (Vp) là hai thông số có ảnh hưởng lớn tới độ chính xác theo phương Y Bên cạnh đó, sự tương tác giữa các thông số mật độ điền đầy (D) và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm (Tb), chiều dày lớp (t) và tốc độ đầu đùn (Vb) cũng có sự ảnh hưởng lớn đến độ chính xác theo phương Y

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

Hình 4.15 Biểu đồ đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số tới độ chính xác phương Y

Mô hình hồi quy dự đoán sai số kích thước phương Y theo các thông số đầu vào được xác định như sau:

Y = 2,26 + 0,46 t + 0,19 Vp + 0,17 t×Vp + 0,17 D×Tb (4.8) Trong đó:

Từ các đồ thị bề mặt ở Hình 4.16 có thể quan sát được rằng chiều dày lớp (t) nhỏ nhất sẽ cho sai số ít nhất Tuy nhiên mối tương quan giữa chúng không tuân theo quy luật tuyến tính Quan sát các đồ thị, ta có thể thấy sai số lớn nhất thường nằm ở vị trí có chiều dày lớp ở mức trung bình (0), tức là ở mức giá trị 0,2 mm Mặt khác, ta có

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

74 thể thấy ảnh hưởng của thông số tốc độ đầu đùn (Vp) là khá lớn Sai số thấp nhất đạt được khi tốc độ đầu đùn nằm ở mức trung bình (0) tương ứng với giá trị 40 mm/s, điều này thể hiện việc chọn khoảng giá trị ban đầu cho thông số này là hợp lý Cũng tương tự như kích thước phương X, sự tương tác giữa mật độ điền đầy (D) và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm (Tb) có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác kích thước phương Y Do đó, trong quá trình sản xuất, ta cũng cần lưu ý điều chỉnh tỉ lệ giữa hai thông số này ở mức phù hợp để có kết quả tốt nhất

 Phân tích độ chính xác kích thước theo phương Z

Phân tích phương sai: dựa vào kết quả phân tích phương sai thu được từ Minitab (Hình 4.17) cho thấy chỉ có các thông số chiều dày lớp (t), mật độ điền đầy (D) và sự tương tác giữa các thông số t×Vp (giữa chiều dày lớp và tốc độ đầu đùn), t× (giữa chiều dày lớp và góc đường đùn), t×Tb (giữa chiều dày lớp và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm), Vb× (giữa tốc độ đầu đùn và góc đường đùn), ×Tb (giữa góc đường đùn và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm), Vp×D (giữa tốc độ đầu đùn và mật độ điền đầy),

×D (giữa góc đường đùn và mật độ điền đầy), Vp×Tb (giữa tốc độ đầu đùn và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm), Tb×D (giữa nhiệt độ buồng tạo sản phẩm và mật độ điền đầy) là có ý nghĩa thống kê (P-value < 0,05) Do vậy, ta giữ lại các thông số này trong mô hình hồi quy và loại bỏ đi các thành phần không có ý nghĩa Kết quả phép kiểm định Lack-of-Fit có giá trị P-value > 0,05 nên có thể kết luận mô hình đã xây dựng là phù hợp để mô tả dữ liệu Đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng thông số: Biểu đồ Pareto Hình 4.18 cho thấy thông số t, D là những thông số có ảnh hưởng lớn tới độ chính xác theo phương Z Bên cạnh đó, sự tương tác giữa các cặp thông số Vp và Tb, Vp và , thông số

 và Tb, thông số  và D, thông số t và Tb, thông số t và , thông số D và Tb, thông số t và Vp, thông số Vp và D cũng có sự ảnh hưởng rất lớn Từ đó cho thấy sự ảnh hưởng của các thông số và tương tác của chúng đến độ chính xác theo phương Z là rất phức tạp

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

Hình 4.18 Biểu đồ đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số tới độ chính xác phương Z

Mô hình hồi quy dự đoán sai số kích thước phương Z theo các thông số đầu vào được xác định như sau:

+ 0,14 t× – 0,15 t×Tb + 0,12 t×Vp + 0,1 D×Tb – 0,1 Vp×D (4.9) Trong đó:

Nhận xét Đồ thị Hình 4.19, cho ta thấy ảnh hưởng của chiều dày lớp (t) không còn lớn như đối với kích thước theo phương X và Y Điều này có thể được giải thích là do ảnh hưởng của thông số nhiệt độ buồng tạo sản phẩm (Tb) Trên các thiết bị có buồng nhiệt, sự liên kết giữa các lớp sẽ tốt hơn, hạn chế được tình trạng cong vênh, nứt lớp, tách lớp, nhờ đó mà độ chính xác theo phương Z được cải thiện rất nhiều Mật độ điền đầy (D) cũng là thông số có ảnh hưởng lớn đến kích thước theo phương Z Mật độ điền đầy cao giúp làm giảm hiện tượng bị sụt lún nhựa ở các lớp bề mặt trên của sản phẩm giúp tăng độ chính xác Ngoài ra, đối với kích thước phương Z, sự ảnh hưởng của các yếu tố tương tác là rất phức tạp Do đó, người sử dụng phải điều chỉnh tỉ lệ của các yếu tố tương tác này một cách cẩn thận nếu muốn đạt độ chính xác cao hơn

 Phân tích độ bền kéo

Phân tích phương sai: dựa vào kết quả phân tích phương sai thu được từ Minitab (Hình 4.20), ta nhận thấy các thông số góc đường đùn (), mật độ điền đầy (D), nhiệt độ buồng tạo sản phẩm (Tb) và các yếu tố tương tác Vp×Tb (giữa tốc độ đầu đùn và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm), t×Tb (giữa chiều dày lớp và nhiệt độ buồng tạo sản phẩm), × (góc đường đùn), ×D (giữa góc đường đùn và mật độ điền đầy) là có ý nghĩa thống kê (P-value < 0,05) Ta giữ lại các thông số này trong mô hình hồi quy và loại bỏ các thành phần không có ý nghĩa Kết quả phép kiểm định Lack-of-Fit có giá trị P-value > 0,05 nên có thể kết luận mô hình đã chọn là phù hợp để mô tả dữ liệu

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

78 Hình 4.20 Phân tích phương sai ANOVA cho độ bền kéo

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

Huấn luyện mạng nơron nhân tạo (Artificial Neural Network-ANN)

Với mục tiêu xây dựng mô hình dự đoán kết quả đầu ra (độ chính xác kích thước và độ bền kéo) dựa trên dữ liệu đầu vào (năm thông số được trình bày ở Bảng 4.1) một cách nhanh chóng và dễ dàng nhằm kiểm chứng cho mô hình hồi quy theo quy hoạch thực nghiệm RSM, luận án sử dụng phần mềm MATLAB R2015 để mô phỏng và huấn luyện mạng ANN MATLAB là phần mềm cung cấp môi trường tính toán số và lập trình, do công ty MathWorks thiết kế MATLAB cho phép tính toán, vẽ đồ thị hàm số, biểu đồ thông tin, tạo các giao diện với người dùng và liên kết với nhiều ngôn ngữ lập trình khác

Lựa chọn thuật toán huấn luyện: có năm thuật toán điển hình thường được sử dụng để xây dựng mô hình ANN gồm: Gradient Descent (GD), Newton’s method (NM), Conjurgate Gradient (CG), Quasi-Newton method (QNM) và Levenberg- Marquardt (LM) Trong quá trình đánh giá hiệu suất của các thuật toán huấn luyện, tác giả Alberto Quesada và Artelnics [66] đã chỉ ra rằng Levenberg-Marquest là thuật toán có tốc độ hội tụ nhanh nhất Biểu đồ dưới đây mô tả tốc độ tính toán và yêu cầu bộ nhớ giữa các thuật toán huấn luyện trên

Hình 4.22 Đồ thị bề mặt của độ bền kéo

81 Dựa vào đồ thị Hình 4.23, ta có thể thấy, thuật toán huấn luyện chậm nhất và đòi hỏi bộ nhớ ít nhất là Gradient Descent (GD) Ngược lại, thuật toán Levenberg- Marquest (LM) có tốc độ nhanh nhất và đòi hỏi nhiều bộ nhớ nhất Quasi-Newton (QNM) là thuật toán có sự cân bằng giữa tốc độ huấn luyện và yêu cầu bộ nhớ Trong luận án này thuật toán Levenberg-Marquest được lựa huấn luyện mạng ANN

Chọn số lớp ẩn: luận án chọn sử dụng một lớp ẩn với lý do các bài toán cụ thể chỉ cần sử dụng một lớp ẩn cho mạng là đủ để giải quyết vấn đề [69]

Chọn số nơron trong lớp ẩn: trong phần lớn các trường hợp, không thể dễ dàng xác định được số lượng các đơn vị trong lớp ẩn tối ưu mà không phải luyện thử với các lớp ẩn khác nhau và dự báo lỗi của từng lựa chọn Cách tốt nhất là sử dụng phương pháp thử-sai (trial-and-error) Việc thiết kế nạng ANN sẽ bắt đầu với một lớp ẩn Số nơron trong lớp ẩn sẽ được điều chỉnh tăng dần cho đến khi đạt được kết quả sai số và giá trị đầu ra mong muốn Nếu số nơron quá lớn (hơn 50) mà sai số vẫn chưa chấp nhận được thì tăng số lớp ẩn thành hai Quá trình này được lặp lại cho đến khi đạt được sai số và đầu ra mong muốn

Số nơron ban đầu trong lớp ẩn được chọn (theo mặc định của phần mềm) là 10 Theo tài liệu hướng dẫn xây dựng mô hình ANN của Matlab [69], trong trường hợp nếu sai số huấn luyện quá cao thì ta tiến hành tăng số nơron và huấn luyện lại Ngược lại, nếu xảy ra hiện tượng quá khớp thì ta cân nhắc giảm số lượng nơron Quá trình huấn luyện thử cho thấy số nơron trong lớp ẩn tối ưu là 3

Hình 4.23 Biểu đồ so sánh tốc độ và yêu cầu bộ nhớ giữa các thuật toán [69]

82 Chọn hàm truyền: trong các đơn vị ẩn (hidden units), ANN thường dùng hàm truyền Sigmoid hoặc Tansig để biểu diễn sự phi tuyến trong mạng với các giá trị đầu ra được xác định trong khoảng [0,1] hoặc [-1,1] Đối với các đơn vị đầu ra (output units), hàm truyền cần được chọn sao cho phù hợp với sự phân bố của các giá trị mục tiêu mong muốn Nếu các giá trị mục tiêu không biết trước khoảng xác định, thì hàm hay được sử dụng là hàm đồng nhất (Purelin) Để biểu diễn mối quan hệ phi tuyến giữa các thông số đầu vào và các biến đầu ra (độ chính xác kích thước theo ba phương và độ bền kéo), luận án sử dụng hàm truyền Tansig (Hình 4.24) Đối với số nơron đầu ra, do không biết trước được khoảng xác định của giá trị mục tiêu, luận án sử dụng hàm đồng nhất Purelin (Hình 4.25)

Như vậy, mạng ANN được xây dựng với cấu trúc 5-3-1 nghĩa là năm thông số đầu vào và giá trị của chúng như đã trình bày ở Bảng 4.1 trang 56, ba lớp ẩn và một mục tiêu đầu ra (bao gồm độ chính xác theo phương X, Y, Z và độ bền kéo) sử dụng hàm truyền tansig-purelin với thuật toán huấn luyện Levenberg-Marquest (LM) Cấu trúc được thể hiện như trong Hình 4.26

83 4.7.2 Huấn luyện mô hình ANN

 Mô hình dự đoán sai số kích thước theo phương X

Quá trình và kết quả huấn luyện mạng cho sai số kích thước theo phương X được thể hiện từ Hình 4.27 đến Hình 4.29

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

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

84 Đồ thị Hình 4.28 ta thấy hệ số tương quan R của quá trình huấn luyện và kiểm tra đều rất cao, điều này có nghĩa là mạng được huấn luyện tốt, mô hình dự đoán được xây dựng có mối tương quan rất mật thiết với dữ liệu

Quan sát đồ thị 4.29, ta thấy sai số huấn luyện (màu xanh dương) và sai số kiểm tra (màu đỏ) đều thấp, nghĩa là kết quả dự đoán khá chính xác Bên cạnh đó, luận án sử

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

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

85 dụng kỹ thuật kết thúc sớm để tránh hiện tượng quá trùng khớp giữa mô hình và dữ liệu (overfitting) Dựa trên tập dữ liệu xác thực (màu xanh lá) ta có thể thấy thuật toán huấn luyện đã được dừng lại ở lần lấy dữ liệu thứ tư (epoch 3) để tránh hiện tượng overfitting

 Mô hình dự đoán sai số kích thước theo phương Y

Quá trình và kết quả huấn luyện cho sai số kích thước theo phương Y được thể hiện từ Hình 4.30 đến Hình 4.32

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

86 Đồ thị Hình 4.31, ta thấy hệ số tương quan R của quá trình huấn luyện và kiểm tra đều cao, điều này có nghĩa là mạng được huấn luyện tốt, mô hình dự đoán được xây dựng có mối tương quan mật thiết với dữ liệu

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

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

87 Đồ thị Hình 4.32, ta thấy sai số huấn luyện (màu xanh dương) và sai số kiểm tra (màu đỏ) đều thấp, nghĩa là kết quả dự đoán chính xác Bên cạnh đó, luận án sử dụng kỹ thuật kết thúc sớm để tránh hiện tượng overfitting Dựa trên tập dữ liệu xác thực (màu xanh lá) ta có thể thấy thuật toán huấn luyện đã được dừng lại ở lần lấy dữ liệu thứ ba (epoch 2) để tránh hiện tượng overfitting

 Mô hình dự đoán sai số kích thước theo phương Z

Quá trình và kết quả huấn luyện cho sai số kích thước theo phương Z được thể hiện từ Hình 4.33 đến Hình 4.35

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

88 Hình 4.34 Đồ thị thể hiện hệ số tương quan của mô hình dự đoán sai số kích thước theo phương Z

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

89 Trong đồ thị Hình 4.34 ta thấy hệ số tương quan R của quá trình huấn luyện và kiểm tra đều cao Điều này có nghĩa là mạng được huấn luyện tốt, mô hình dự đoán được xây dựng có mối tương quan mật thiết với dữ liệu

Quan sát đồ thị Hình 4.35 ta thấy sai số huấn luyện (màu xanh dương) và sai số kiểm tra (màu đỏ) đều thấp, nghĩa là kết quả dự đoán chính xác Bên cạnh đó, luận án sử dụng kỹ thuật kết thúc sớm để tránh hiện tượng overfitting Dựa trên tập dữ liệu xác thực (màu xanh lá) ta có thể thấy thuật toán huấn luyện đã được dừng lại ở lần lấy dữ liệu thứ tư (epoch 3) để tránh hiện tượng overfitting

 Mô hình dự đoán cho độ bền kéo

Quá trình và kết quả huấn luyện cho độ bền kéo được thể hiện từ Hình 4.36 đến Hình 4.38

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

TỐI ƯU THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ

Tối ưu thông số công nghệ

Hình 5.1 Chọn công cụ tối ưu trên Minitab

96 Tiến hành tối ưu hóa đa mục tiêu bằng công cụ Response Optimizer trên phần mềm Minitab để tìm ra được bộ thông số tối ưu cho độ chính xác kích thước theo cả ba phương, cho độ bền kéo và tối ưu hoá đồng thời cho độ chính xác với độ bền kéo thông qua phương pháp phân tích hàm mục tiêu Các bước thực hiện như sau: chọn công cụ Response Optimizer, chọn các mục tiêu cần tối ưu (trong trường hợp này là độ chính xác kích thước và độ bền kéo), chọn mục đích cần tối ưu là “Maximize” cho độ bền kéo và “Minimize” cho các sai số kích thước như Hình 5.1 Sau khi thiết lập xong, phần mềm sẽ tính toán, cho kết quả cùng với đồ thị minh hoạ được trình bày ở các phần bên dưới như sau

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

Hình 5.2 Đồ thị tối ưu đa mục tiêu cho độ chính xác kích thước theo ba phương X,

Bảng 5.1 Bộ thông số tối ưu đa mục tiêu cho kích thước cả ba phương X, Y, Z

Giá trị thực 0,1 mm 48 mm/s 66 0 60% 50 0 C

97 Sau khi phân tích hàm mục tiêu bằng công cụ Response Optimizer trên Minitab

19, ta thu được đồ thị tối ưu như Hình 5.2 và từ đó, xác định được bộ thông số tối ưu cho sai số kích thước theo ba phương X, Y, Z (Bảng 5.1) Trọng số được chọn cho cả ba biến đều bằng nhau và bằng 1 Quan sát đồ thị Hình 5.2, ta có thể thấy, giá trị mục tiêu chung của bộ thông số này khá tốt với D = 0,72 Giá trị này cho thấy rằng, với bộ thông số tối ưu chung cho cả ba phương X, Y, Z, độ chính xác của từng kích thước sẽ thấp hơn mức mà chúng có thể đạt được khi tối ưu theo từng mục tiêu riêng lẻ Điều này có thể dễ dàng giải thích được như sau: khi muốn dung hoà cùng lúc nhiều đầu ra thì độ chính xác kích thước theo từng phương phải giảm đi để đạt được sự dung hoà đó Sai lệch kích thước dự đoán theo phương X là 1,11%, theo phương Y là 1,02% và theo phương Z là 0,05% Theo đó, ta có được phương trình thể hiện tổng các sai lệch cho độ chính xác kích thước như sau:

5.1.2 Tối ưu thông số công nghệ cho độ bền kéo

Sau khi phân tích hàm mục tiêu bằng công cụ Response Optimizer trên Minitab

19, ta thu được đồ thị tối ưu như Hình 5.3 và từ đó thu được bộ thông số tối ưu cho độ bền kéo (lớn nhất) được trình bày trong Bảng 5.2 Hình 5.3, ta có thể thấy, giá trị mục tiêu D của bộ thông số này rất tốt (D = 0,98) Điều này có nghĩa rằng, ta có thể đạt

Hình 5.3 Đồ thị tối ưu cho độ bền kéo

Bảng 5.2 Bộ thông số tối ưu cho độ bền kéo

Giá trị thực 0,1 mm 40 mm/s 0 0 60% 50 0 C

98 được độ bền kéo gần như tối đa với bộ thông số trên Độ bền kéo dự đoán sẽ đạt được giá trị tối đa là 38,94 MPa

5.1.3 Tối ưu thông số công nghệ đa mục tiêu cho độ chính xác và độ bền kéo Ở phần này, ta tối ưu hóa các thông số cho độ chính xác kích thước theo cả ba phương và độ bền kéo Kết quả tối ưu thu được thể hiện trên đồ thị Hình 5.4 và từ đó, xác định được giá trị thông số tối ưu trình bày trong Bảng 5.3 Trong quá trình tối ưu,

Hình 5.4 Đồ thị tối ưu đa mục tiêu cho độ chính xác và độ bền kéo

Bảng 5.3 Bộ thông số tối ưu đa mục tiêu cho độ chính xác và độ bền kéo

Giá trị thực 0,3 mm 41 mm/s 0 0 59% 50 0 C

Đánh giá các bộ thông số công nghệ tối ưu

Sau khi xác định được giá trị tối ưu của các thông số tiến hành chế tạo lại mẫu thử nghiệm bằng các giá trị trên Kết quả đo lại độ chính xác kích thước và độ bền kéo được trình bày từ Bảng 5.4  Bảng 5.6

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

Kết quả đo lại độ chính xác kích thước của mẫu kiểm tra được trình bày trong Bảng 5.4

Nhận xét: với bộ thông số tối ưu cho độ chính xác kích thước tìm được, sai số kích thước theo phương X, Y, Z đạt: 1,62%, 1,32% và 0,07% không sai lệch nhiều so với giá trị tìm được theo phương pháp bề mặt đáp ứng là là 1,11%, 1,02% và 0,05% 5.2.2 Bộ thông số tối ưu cho độ bền kéo

Kết quả đo độ bền kéo của mẫu kiểm tra được trình bày trong Bảng 5.5

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

Stt Thông số Dự đoán từ RSM Kết quả kiểm chứng t Vp  D Tb ∆X ∆Y ∆Z ∆X ∆Y ∆Z

1 -1 -0,17 0,47 1 -1 1,11 1,02 0,05 1,62 1,32 0,07 Quy đổi sang độ lệch so với kích thước danh nghĩa (mm)

100 Nhận xét: với bộ thông số tối ưu tìm được có thể thấy giá trị độ bền kéo theo phương pháp bề mặt đáp ứng và giá trị kiểm tra gần như tương đương nhau Điều này cho thấy kết quả theo phương pháp bề mặt đáp ứng có độ chính xác cao Giá trị độ bền kéo của mẫu sau khi tối ưu đạt 35,3 MPa, tăng lên hơn 1,6 lần so với độ bền kéo trung bình của bộ mẫu thực nghiệm

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

Kết quả đo độ chính xác kích thước và độ bền kéo của mẫu kiểm tra được trình bày trong Bảng 5.6

Nhận xét: với bộ thông số tối ưu đồng thời cho độ chính xác và độ bền kéo tìm được có thể thấy giá trị độ bền kéo đạt mức 35,5 MPa, cao hơn 1,6 lần so với độ bền trung bình của bộ mẫu thực nghiệm Sai số kích thước kiểm tra theo phương X, Y, Z đạt 1,27%, 1,75% và 0,27%, gần như tương đương với kết quả theo phương pháp bề mặt đáp ứng là là 1,12%, 1,51%, 0,19% .

Thảo luận

Kết quả kiểm tra bộ thông số công nghệ tối ưu tìm được cho thấy độ chính xác kích thước và độ bền kéo của các mẫu thử được cải thiện đáng kể Độ sai lệch giữa giá

Bảng 5.5 Kết quả kiểm tra cho độ bền kéo

Stt Thông số Dự đoán từ RSM Kết quả kiểm chứng t Vp  D Tb Độ bền kéo Độ bền kéo

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

Thông số Dự đoán từ RSM Kết quả kiểm chứng t Vp  D Tb ∆X ∆Y ∆Z Bền kéo

1 1 -0,86 -1 0,88 -1 0,63 0,66 0,91 35,39 0,27 0,25 0,71 35,5 Quy đổi sang độ lệch so với kích thước danh nghĩa

101 trị tìm được theo phương pháp bề mặt đáp ứng và giá trị kiểm tra không nhiều Các bộ thông số tối ưu này có thể được sử dụng trong bước chế tạo các mẫu thử để đánh giá độ chính xác kích thước và độ bền kéo của quy trình kiểm định thiết bị FDM nhằm giới hạn số lượng và giá trị các thông số công nghệ đầu vào Kết quả này cũng thể hiện phương pháp bề mặt đáp ứng và mô hình thực nghiệm FCCCD được sử dụng trong luận án có khả năng tối ưu tốt cho đồng thời nhiều mục tiêu đầu ra Điều này chứng minh tính đúng đắn của mô hình thực nghiệm được xây dựng và việc lựa chọn thông số, các mức giá trị ban đầu của các thông số là hợp lý Quan sát các biểu đồ bề mặt điều này có thể được giải thích như sau:

 Đối với độ chính xác kích thước:

 Trong năm thông số công nghệ, chiều dày lớp thể hiện là thông số có sự ảnh hưởng lớn nhất đến độ chính xác kích thước chung của sản phẩm Việc giảm giá trị chiều dày lớp sẽ làm cho các sợi nhựa và các lớp liên kết với nhau tốt hơn làm giảm biến dạng, cong vênh góp phần tăng độ chính xác kích thước

 Thông số nhiệt độ buồng tạo sản phẩm có vai trò duy trì nhiệt độ xung quanh trong quá trình chế tạo sản phẩm làm giảm sự chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp góp phần làm giảm ứng suất dư, hạn chế biến dạng, cong vênh của sản phẩm

 Ngoài ra, các thông số mật độ điền đầy, tốc độ đầu đùn cũng góp phần làm giảm sai lệch kích thước Mật độ điền đầy càng lớn giúp cho sản phẩm đảm bảo độ cứng vững, hạn chế hiện tượng sụt lún trên bề mặt Ngược lại, vận tốc đầu đùn thấp và chiều dày lớp nhỏ có thể làm giảm khuyết tật bên trong, tạo điều kiện thuận lợi và tăng độ liên kết giữa các lớp, từ đó, góp phần đảm bảo độ chính xác kích thước chung và độ bền kéo của sản phẩm

 Đối với độ bền kéo:

 Trong năm thông số công nghệ, thông số góc đường đùn và mật độ điền đầy thể hiện sự ảnh hưởng lớn đến độ bền kéo Với kết quả tối ưu của góc đường đùn tìm được là 0 0 C, hướng chịu tải sẽ song song với góc đường đùn và khi đó độ bền kéo đạt được là tốt nhất Với thông số mật độ điền đầy, giá trị tìm được là

102 lớn nhất (60%), khi đó, các khoảng hở bên trong sản phẩm sẽ nhỏ nhất, các đường nhựa nằm sát vào nhau, tạo điều kiện cho các sợi nhựa và các lớp liên kết tốt hơn, góp phần làm cho độ bền kéo tăng lên

 Thông số nhiệt độ buồng tạo sản phẩm cũng là thông số có ảnh hưởng lớn đến độ bền kéo Đối với vật liệu nhựa PLA-đồng, nhiệt độ buồng ở giá trị 50 0 C làm giảm hiện tượng tách lớp, cải thiện độ liên kết giữa các lớp, các đường nhựa với nhau góp phần làm tăng độ bền kéo cho sản phẩm

Chương 5 trình bày kết quả quá trình tối ưu hóa thông số công nghệ cho các mục tiêu của luận án là độ chính xác kích thước và độ bền kéo cho các mẫu thử FDM bằng vật liệu PLA-đồng Kết quả cho thấy độ chênh lệch giữa kết quả tìm được theo phương pháp bề mặt đáp ứng và kết quả kiểm tra tương đối nhỏ chứng tỏ phương pháp, mô hình, việc lựa chọn thông số và các mức giá trị ban đầu là hợp lý.