Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Thiết kế tối ưu kết cấu và chế tạo bánh răng bằng vật liệu nhựa

-

NGUYỄN THANH KHÔI

THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU VÀ CHẾ TẠO BÁNH RĂNG BẰNG VẬT LIỆU NHỰA

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2023

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Nguyễn Hữu Lộc Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS TS Lê Thanh Danh Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Phạm Quang Trung

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 10 tháng 01 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch: PGS TS Nguyễn Thanh Hải

2 Thư ký: TS Dương Huyền Luynh

3 Cán bộ phản biện 1: PGS TS Lê Thanh Danh 4 Cán bộ phản biện 2: TS Phạm Quang Trung 5 Ủy viên: PGS TS Phạm Sơn Minh

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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN THANH KHÔI MSHV: 2270007 Ngày, tháng, năm sinh: 16/12/1999 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số: 8520103

I TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU VÀ CHẾ TẠO BÁNH RĂNG BẰNG VẬT LIỆU NHỰA (STRUCTURAL OPTIMIZATION AND MANUFACTURE OF PLASTIC GEARS)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

• Nghiên cứu đặc tính của vật liệu nhựa cổ điển và hiện đại, từ đó lựa chọn vật liệu phù hợp để áp dụng cho bánh răng

• Nghiên cứu các phương pháp chế tạo bánh răng, các phương pháp hậu xử lý và các dạng hỏng Từ đó thiết kế bánh răng theo vật liệu và phương pháp chế tạo phù hợp • Nghiên cứu các phương pháp tối ưu khối lượng truyền thống và hiện đại Lựa chọn ra

các phương pháp tối ưu tốt nhất để tối ưu khối lượng bánh răng

• Mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn và xử lý số liệu theo quy hoạch thực nghiệm Cuối cùng so sánh với bánh răng đặc theo chuẩn VDI2736 và đưa ra kết luận

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/05/2023

i

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin phép gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC, TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ – TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM, người đã luôn theo sát và hỗ trợ tôi rất nhiều trong thời gian thực hiện luận

văn vừa qua Thầy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện cho các nghiên cứu cũng như luận văn của tôi thuận lợi nhất có thể, và từ đó thu được kết quả rất mỹ mãn Nếu không có sự hỗ trợ của thầy, tôi đã không thể nào đạt được kết quả như thế Một lần

nữa tôi xin cảm ơn và kính chúc PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC và gia đình thật

nhiều sức khỏe, chúc thầy thành công hơn nữa trong công tác nghiên cứu, giảng dạy và đào tạo tại trường Đại học Bách Khoa TP.HCM

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20… Học viên thực hiện

Nguyễn Thanh Khôi

ii

TÓM TẮT

Nghiên cứu này được đề ra với mục tiêu tối ưu kiểu dáng của bánh răng nhựa để giảm bớt lượng vật liệu của bánh răng nhưng vẫn đảm bảo cơ tính, sau đó chế tạo thử nghiệm bằng phương pháp in 3D Nội dung nghiên cứu bao gồm nghiên cứu tổng quan về vật liệu nhựa để hiểu được ưu điểm và nhược điểm Khi đã hiểu rõ về vật liệu chế tạo bánh răng, tiếp theo là thiết kế bánh răng nhựa kết hợp với chuẩn VDI 2736 Sau đó, nghiên cứu phương tối ưu kiểu dáng dựa trên topology và mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để có thể tiết kiệm vật liệu, tinh giảm khối lượng và gia tăng một số cơ tính nhất định Xử lý số liệu bằng phương pháp quy hoạch thực nghiện và rút ra kết luận Kết quả cho thấy các cách topology mới thu được kết quả rất khả quan và có thể áp dụng để chế tạo bánh răng

Từ khóa: bánh răng, topology, in 3D, polymer, FEM

ABSTRACT

This study was proposed to optimize the design of plastic gears to reduce the amount of gear material while still ensuring mechanical properties, then fabricated by a 3D printing method The research content includes an overview of plastic materials to understand their advantages and disadvantages Once the gear material is well understood, the next step is to design non-metallic gears in combination with the VDI 2736 standard After that, the design optimization method based on topology and simulation by Finite Element Method (FEM) to save materials, reduce mass and increase specific mechanical properties Data processing by experimental design method and finally concluding The results show that the new topology methods have got very positive results and can apply to the manufacture of gears

Keywords: gears, topology, 3D printing, polymer, FEM

iii

LỜI CAM KẾT

Tôi xin cam kết luận văn thạc sĩ “THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU VÀ CHẾ TẠO BÁNH RĂNG BẰNG VẬT LIỆU NHỰA” là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và tài liệu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào Tất cả những tài liệu tham khảo đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20… Học viên thực hiện

Nguyễn Thanh Khôi

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 6

1.4 Mục tiêu của đề tài 6

1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 7

1.6 Phương pháp nghiên cứu 7

1.7 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 7

1.8 Cấu trúc của luận văn 8

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Tổng quan về Polymer 9

2.2 Lựa chọn vật liệu chế tạo bánh răng nhựa 12

2.3 Vật liệu chế tạo bánh răng thông dụng 16

2.4 Tổng quan về gia công bánh răng nhựa (phương pháp, lợi và hại) 18

2.5 Hậu xử lý để cải thiện bề mặt 30

2.6 Tổng quan về Topology (thiết kế tối ưu thân bánh răng) 45

2.7 Giới thiệu về phương pháp Michell Truss 55

v

2.8 Giới thiệu về phương pháp Lattice 56

2.9 Giới thiệu phương pháp quy hoạch thực nghiệm 62

2.10 Tổng kết chương 62

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU 63

3.1 Cấu trúc Michell Truss 63

3.2 Cấu trúc Lattice 65

3.3 Tổng kết chương 83

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Bánh răng nhựa trong cơ cấu sấy của máy làm giấy (ảnh: Euroshore) 2

Hình 1.2 Các khu vực của bánh răng a) May ơ bánh răng, b) Thân bánh răng, c) Vành răng 3

Hình 1.3 Ảnh chụp cấu trúc bên trong cánh bướm [11] 5

Hình 1.4 Mô hình Michell Truss (ảnh của Arek Mazurek phục chế từ [17], Wikipedia) 5

Hình 1.5 Nhụy hoa hướng dương (ảnh từ Encyclopædia Britannica) 5

Hình 1.6 Gian giữa của nhà thờ Durham (chụp bởi Oliver-Bonjoch, Wikipedia) 6

Hình 1.7 Trung tâm CITIC ở Thâm Quyến, Trung Quốc (ảnh từ © SOM) 6

Hình 2.1 Cấu tạo của polymer đồng nhất và côplyme 1) polymer đồng nhất 2) copolymer thay thế 3) copolymer ngẫu nhiên 4) copolymer hóa khối 5) copolymer ghép (ảnh: Wikipedia) 10

Hình 2.2 Một số cấu trúc điển hình của polymer (ảnh: Wikipedia) 11

Hình 2.3 Ứng suất bền mỏi bề mặt so với chu kỳ đặt tải trọng [4] 13

Hình 2.4 Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ đến mô đun, của nhựa nhiệt dẻo tinh thể và vô định hình, có và không có độn sợi thủy tinh [1] 14

Hình 2.5 Biểu diễn nhựa tinh thể và nhựa vô định hình trên mặt phẳng hai chiều [1] 15

Hình 2.6 Công nghệ tạo hình [24] 18

Hình 2.7 Công nghệ cắt gọt [24] 18

Hình 2.8 Công nghệ bồi đắp [24] 19

Hình 2.9 A) Phay đĩa, B) Phay ngón [25] 19

Hình 2.10 Chuốt bánh răng trong [25] 20

Hình 2.11 Sơ đồ minh họa chuốt bánh răng [26] 20

Hình 2.12 Xọc răng trên máy chép hình A) Sơ đồ minh họa, B) hình ảnh thực tế [25] 20

Hình 2.13 Sơ đồ mô tả các quá trình bào, phay lăn răng và xọc [26] 21

Hình 2.14 Đúc phun ép (ảnh của Boyan Manufacturing Solutions) 23

Hình 2.15 Phân loại phương pháp theo nguyên lý [24] 24

vii

Hình 2.16 Phân loại phương pháp theo vật liệu [24] 24

Hình 2.17 Chọn phương pháp theo nhu cầu trưng bày [24] 29

Hình 2.18 Chọn phương pháp theo nhu cầu chức năng [24] 29

Hình 2.19 Bánh răng nhựa ABS in 3D và độ nhám đo được [28] 30

Hình 2.20 Bánh răng nhựa PEI in 3D và độ nhám đo được [28] 31

Hình 2.21 Bánh răng nhựa PEEK in 3D và độ nhám đo được [28] 32

Hình 2.22 Các phương pháp xử lý bề mặt cho phương pháp in FDM [29] 33

Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp dòng mài mòn [29] 34

Hình 2.24 Sơ đồ mô tả phương pháp phun cát [29] 35

Hình 2.25 Sơ đồ mô tả chậu rung [29] 36

Hình 2.26 Sơ đồ mô tả thùng trộn [29] 37

Hình 2.27 Sơ đồ mô tả phương pháp cắt nóng [29] 37

Hình 2.28 Sơ đồ mô tả phương pháp lăn ép bi [29] 38

Hình 2.29 Sơ đồ mô tả phương pháp mài từ [29] 39

Hình 2.30 Sơ đồ mô tả phương pháp khuấy ma sát [29] 40

Hình 2.31 Sơ đồ của quá trình kết tinh lại bao gồm (A) trạng thái ban đầu, (B) lệch nguyên tử (atomic dislocation) trên diện rộng được tạo ra trong quá trình hàn khuấy ma sát (được thể hiện bằng các vòng tròn), (C) sự định hướng lại của cấu trúc nguyên tử và cấu trúc hạt hoàn chỉnh [31] 40

Hình 2.32 Sơ đồ mô tả phương pháp ngâm acetone [29] 42

Hình 2.33 Sơ đồ mô tả phương pháp ngâm acetone [29] 42

Hình 2.34 Sơ đồ mô tả phương pháp tái tan chảy bằng laser [29] 44

Hình 2.35 Sơ đồ mô tả phương pháp chảy CNC [29] 45

Hình 2.36 Ô đơn vị với phần vật liệu và khoảng rỗng với kích thước 𝑎 × 𝑏 và định hướng 𝜃 [32] 47

Hình 2.37 Cấu tạo Michell Truss với N=3 56

Hình 2.38 Michell Truss với N=5 56

Hình 2.39 Mô hình CAD 56

Hình 2.40 Chia lưới FE 56

Hình 2.41 Ràng buộc (đỏ) và momen xoắn (vàng) 56

viii

Hình 2.42 Kết quả mô phỏng 56

Hình 2.43 Một số cấu trúc Lattice 59

Hình 2.44 Họa tiết Gyroid trong a) hệ tọa độ hộp chữ nhật, b) hệ tọa độ trụ 59

Hình 2.45 a) Ví dụ về hệ tọa độ trụ; b) Hình ảnh của một unit cell 60

Hình 2.46 Ô cơ sở Gyroid với độ dày a) 0,5 mm, b) 2,5 mm 60

Hình 2.47 a) SplitP; b)Neovius; c) Diamond; d) Schwarz; e) Lininoid; f) Gyroid 60Hình 2.48 a) Bánh răng TPMS 61

Hình 2.49 FE Robust Tetrahedral Mesh 61

Hình 2.50 Ràng buộc (đỏ) và mô men xoắn (vàng) 61

Hình 2.51 Hình ảnh kết quả mô phỏng được 61

Hình 2.52 Mẫu bánh răng Michell Truss 64

Hình 2.53 Đồ thị Taguchi Analysis a) Lượng giảm thể tích, b) Chuyển vị 68

Hình 2.54 Đồ thị Taguchi Analysis a) Biến dạng, b) Ứng suất 69

Hình 2.55 Đồ thị Taguchi Analysis a) D/RV, b) ε/RV, c) σ/RV 71

Hình 2.56 Biểu đồ đường hồi quy bậc ba của lượng giảm thể tích và chuyển vị 74

Hình 2.57 Biểu đồ Pareto đánh giá tầm quan trọng của các yếu tố đối với phương trình hồi quy của a) Lượng giảm khối lượng, b) Chuyển vị 74

Hình 2.58 Biểu đồ đường hồi quy bậc ba của độ giảm thể tích và chuyển vị (lần 2) 77

Hình 2.59 Biểu đồ Pareto đánh giá tầm quan trọng của các yếu tố đối với phương trình hồi quy của a) Giảm khối lượng, b) Chuyển vị (lần 2) 78

Hình 2.60 Cấu trúc Gyroid sẽ lỗi cấu trúc khi chọn số cung quá thấp C=5 (các vùng đen xuất hiện) 80

Hình 2.61 Các vị trí phân bố lực trong một ô cơ sở Gyroid 81

Hình 2.62 Mặt cắt của phần TPMS có chiều cao a) 0,5 mm; b) 5 mm 81

Hình 2.63 Xem trước dưới dạng file STL 83

Hình 2.64 In 3D bánh răng 83

Hình 2.65 Mẫu bánh răng 83

Hình 2.66 Góc chụp thể hiện rõ các lỗ 83

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Nhiệt độ chuyển thủy tinh của một số polymer [20] 16

Bảng 2.2 Cơ tính của nhựa nhiệt dẻo điển hình [6] 17

Bảng 2.3 Khả năng kháng hóa chất của các nhựa nhiệt dẻo điển hình [6] 17

Bảng 2.4 Bảng tóm tắt công nghệ bồi đắp [24] 25

Bảng 2.5 Bảng tóm tắt quy trình lựa chọn phương pháp in 3D [24] 27

Bảng 2.6 Công thức cấu trúc TPMS 61

Bảng 2.7 Mô phỏng cấu trúc Michell Truss với N = 3 một số trường hợp 63

Bảng 2.8 Mô phỏng các trường hợp thay đổi độ dày t và số vòng tròn N 64

Bảng 2.9 Nhân tố và mức giá trị khi phân tích Taguchi 65

Bảng 2.10 Bảng các nhân tố theo Taguchi và kết quả mô phỏng 65

Bảng 2.11 Taguchi Analysis: RV so với Type, Radius, Height, Arc, Thickness; nhỏ hơn tốt hơn 67

Bảng 2.12 Taguchi Analysis: Chuyển vị so với Type, Radius, Height, Arc, Thickness; nhỏ hơn tốt hơn 67

Bảng 2.13 Taguchi Analysis: Strain so với Type, Radius, Height, Arc, Thickness; nhỏ hơn tốt hơn 67

Bảng 2.14 Taguchi Analysis: Stress so với Type, Radius, Height, Arc, Thickness; nhỏ hơn tốt hơn 67

Bảng 2.15 Bảng so sánh khi cùng thông số của các biến điều khiển 70

Bảng 2.16 Bảng nhân tố và các mức giá trị FCCCD 72

Bảng 2.17 Bảng kết quả thu được sau khi mô phỏng 25 thí nghiệm 72

Bảng 2.18 R-sq của phương trình hồi quy của các đáp ứng 74

Bảng 2.19 Bảng nhân tố và các mức giá trị FCCCD (lần 2) 75

Bảng 2.20 Bảng kết quả thu được sau khi mô phỏng 25 thí nghiệm (lần 2) 75

Bảng 2.21 R-sq của phương trình hồi quy của các đáp ứng (lần 2) 77

Bảng 2.22 Bảng kết quả mô phỏng, sắp xếp theo thứ tự giảm dần D/D0 81

Bảng 2.23 Kết quả mô phỏng bánh răng lớn (d=120mm) 82

Bảng 2.24 Kết quả mô phỏng bánh răng lớn (d=200mm) 82

2

Hình 1.1 Bánh răng nhựa trong cơ cấu sấy của máy làm giấy (ảnh: Euroshore)

Tuy nhiên, vì nhiều lý do nên cơ tính của vật liệu nhựa, đặc biệt là nhựa kỹ thuật, vẫn còn chưa hoàn thiện được cơ sở dữ liệu để có thể thiết kế dễ dàng như kim loại Theo [2], [3], [6] vật liệu nhựa khó gia công chính xác do có đặc tính hút ẩm; cơ tính không ổn định do phụ thuộc nhiều vào đặc tính của tải, nhiệt độ và đặc tính vật liệu; có nhiều dạng hư hỏng mới và dễ xảy ra hơn kim loại; việc áp dụng nhựa vào sản xuất bánh răng là còn khá mới nên chưa có kho dữ liệu đồ sộ như kim loại; giá thành của vật liệu cũng bị biến động theo giá dầu thô Hơn nữa, để tạo được lợi thế hơn về cơ tính, bắt buộc phải hy sinh giá thành sản phẩm Những phụ gia thêm vào vật liệu nhựa có thể thỏa mãn đa mục tiêu, đạt độ tin cậy tốt đều là những yếu tố làm giá thành sản phẩm tăng mạnh mặc dù chưa kể đến những tác động bên ngoài như giá dầu thô nói trên Vì vậy ta cần tiếp tục cải thiện giá thành để tạo thêm lợi thế cạnh tranh cho bánh răng nhựa Những nghiên cứu gần đây liên quan đến tối ưu hiệu suất, còn việc giảm giá thành thông qua việc tiết kiệm nguyên liệu là rất ít, trong khi giá cả lại là một trong những yếu tố cạnh tranh cốt lõi trong thị trường

Theo [3] thì bánh răng nhựa có các dạng hỏng chính như: chảy, nứt thân răng, nứt chân răng, mỏi răng, biến dạng răng, rổ bề mặt, tách lớp, mài mòn Các hư hỏng này chỉ xảy ra trên phần răng của bánh răng, còn phần vật liệu từ may ơ đến chân răng còn thừa rất nhiều (Hình 1.2), cần có phương pháp cắt giảm vật liệu thừa đồng

3 thời giúp giảm bớt khối lượng bánh răng Các phương pháp cắt giảm vật liệu truyền thống như khoét lỗ, làm mỏng mayer, … chủ yếu dựa trên kinh nghiệm, các phương pháp khoa học hơn là cần thiết để đạt được sự tinh giảm tối ưu

Hình 1.2 Các khu vực của bánh răng

a) May ơ bánh răng, b) Thân bánh răng,

c) Vành răng

Phương pháp topology giúp phân tích và cải thiện được lượng vật liệu cần dùng mà vẫn đảm bảo bánh răng hoạt động tốt Tuy nhiên, việc tối ưu bằng topology phức tạp và vẫn chưa được nhiều tác giả nghiên cứu áp dụng thực tiễn vào bánh răng Việc áp dụng topology vào bánh răng polymer rất ít Chính vì vậy, đề tài này đặt ra hướng nghiên cứu để tối ưu kiểu dạng của bánh răng nhựa để tiết kiệm giá thành nhưng vẫn đảm bảo cơ tính làm gia tăng tính cạnh tranh của bánh răng nhựa so với kim loại

1.2 Tình hình nghiên cứu

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Các nghiên cứu về việc cải thiện biên dạng bánh răng thì lại còn hạn chế, đa số dùng ngay kiểu dáng bánh răng mà các phần mềm CAD cung cấp, kiểu dáng khá thô, hao vật liệu và khối lượng rất lớn Các phần mềm kỹ thuật như SolidWorks, Autodesk Inventor, Altair OptiStruct, … đã tích hợp các thuật toán tối ưu kiểu dáng theo topology nhằm cắt giảm lượng vật liệu thừa tối đa Tuy nhiên các phần mềm này sử dụng các phương pháp topology truyền thống như phương pháp Homogenization,

a) b) c)

4 Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP), và Evolutionary Structural Optimization (ESO) chiếm khối lượng tính toán rất lớn, thời gian tính toán lâu và khó chỉnh sửa theo nhu cầu khi ra kết quả, vẫn phải sử dụng kinh nghiệm để tạo hình lại cho chi tiết ví dụ như trong [7] Theo [8], các phương pháp tối ưu theo topology của các phần mềm thương mại chỉ tối thiểu hóa sự biến dạng mềm (compliance, tính bằng nghịch đảo của stiffness) của thiết kế trong khi ràng buộc phần khối lượng tổng thể thành một giá trị mục tiêu Theo [9] các cấu trúc tối ưu mới được tạo ra sẽ có các nhánh vật liệu nhô ra (overhang structures), cần phải in thêm phần support để đỡ mới có thể gia công được Phần support đó khó loại bỏ, có ảnh hưởng xấu tới bề mặt chi tiết; gây tốn vật liệu, thời gian và chi phí khi gia công và loại bỏ Bên cạnh đó, kết quả tối ưu này cần phải chuyển đổi sang mô hình CAD được làm mịn trước khi chế tạo Trong khi đó, cấu trúc Lattice và Michell Truss lại đang được đánh giá rất cao trong việc tối ưu kết cấu do khả năng tinh giảm khối lượng dễ dàng hơn vì có thể điều khiển bằng các hàm và biến

Theo [10], Lattice structure hay còn gọi là cellular structure là các cấu trúc có sẵn trong tự nhiên như gỗ, tổ ong, xương ống (trabecular bone), foam hay trong cánh bướm Hình 1.3 [11] giúp tối ưu tổn thất năng lượng Thiên nhiên đã thiết kế các cấu trúc này để đạt được các giải pháp năng lượng tối ưu trên cơ sở lâu dài cực kỳ phù hợp về kiểu dáng (morphology), thích nghi tốt với môi trường xung quanh, nhẹ, tối ưu về cấu trúc và chức năng [12] [13] đã áp dụng cấu trúc Lattice như Spiral, Honeycomb và Gyroid vào trong lĩnh vực cơ khí với mục đích cắt giảm khối lượng bánh răng Ti6Al4V ở vị trí từ trục truyền đến chân răng, kết quả là cấu trúc Gyroid có thể chịu tải tốt hơn 21% so với bánh răng đặc [standard gear (DIN 867)] dù đã giảm 33% thể tích Tuy nhiên [13] chỉ khai triển bánh răng trên hệ tọa độ Đề các do đó phân bố lực không đều trên toàn bộ bánh răng vì cấu trúc chịu tác dụng của lực xiên , trong nghiên cứu của [14] thì khả năng chịu lực dọc và lực xiên là khác nhau Hơn nữa các tác giả chỉ nghiên cứu trên bánh răng kim loại chứ chưa có nghiên cứu nào thực hiện trên bánh răng nhựa, và luận văn này sẽ lấp đầy khoảng trống đó

5

Hình 1.3 Ảnh chụp cấu trúc bên trong cánh bướm [11]

Michell Truss (Hình 1.4), với đặc trưng là có thể giúp cấu trúc trọng lượng tối thiểu và độ cứng tối đa, có mặt trong một số cấu trúc tự nhiên như nhụy hoa hướng dương (Hình 1.5), đã có ảnh hưởng đáng kể đến các kiến trúc đương đại như Rib Vault (Hình 1.6), các khái niệm thiết kế kết cấu trong công trình dân dụng hiện đại (Hình 1.7) [15] đã áp dụng cấu trúc này vào bánh răng nhựa bằng phương pháp Michell Truss Design (MTD) rất đơn giản và thu được kết quả khả quan, tuy nhiên tác giả chưa làm rõ mối tương quan và tầm ảnh hưởng của các thông số thiết kế đối với bánh răng [16] đã nghiên cứu các trường hợp làm tăng hoặc giảm cơ tính của cấu trúc Michell dạng dầm chịu uốn, tuy nhiên vẫn chưa đầy đủ các thông số thiết kế cần sử dụng trong thiết kế bánh răng

Hình 1.4 Mô hình Michell Truss (ảnh của

Arek Mazurek phục chế từ [17], Wikipedia)

Hình 1.5 Nhụy hoa hướng dương (ảnh

từ Encyclopædia Britannica)

6

Hình 1.6 Gian giữa của nhà thờ Durham

(chụp bởi Oliver-Bonjoch, Wikipedia)

Hình 1.7 Trung tâm CITIC ở Thâm

Quyến, Trung Quốc (ảnh từ © SOM) Các cấu trúc trên vẫn chưa đạt đến tối ưu, và cũng không có mối tương quan giữa các thông số thiết kế để có được một quy trình tinh giảm khối lượng hoàn thiện Luận văn này được thực hiện với mục đích nghiên cứu quy trình thiết kế tinh gọn khối lượng bánh răng nhựa một cách khoa học mà vẫn đảm bảo cơ tính bánh răng

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc đã có nghiên cứu về tối ưu kiểu dáng của các chi tiết cơ khí [18], tuy nhiên việc đảm bảo độ bền hay độ cứng vẫn chưa được chứng minh Còn hiện nước ta chưa có nghiên cứu nào liên quan tới topology theo các phương pháp mới hay áp dụng cho bánh răng nhựa nên đề tài này có thể giúp các doanh nghiệp trong nước có cái nhìn mới trong công cuộc thiết kế bánh răng

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Thị trường bánh răng nhựa đang dần phát triển do nhu cầu thay thế bánh răng kim loại và tận dụng nhiều lợi thế của nhựa, nên đề tài này hình thành thuận theo tình hình thực tế, nỗ lực tạ ra ưu thế cho các nhà nghiên cứu bánh răng và doanh nghiệp có thể tiết kiệm được chi phí khi gia công hay tạo mô hình thí nghiệm bánh răng nhựa, hạ khối lượng bánh răng xuống thấp hơn để phù hợp cho các nhu cầu thực tế

1.4 Mục tiêu của đề tài

Do như cầu tối ưu giá thành để tạo ra ưu điểm cạnh tranh cho bánh răng nhựa, mục tiêu nghiên cứu của đề tài này là vận dụng cơ sở lý thuyết của phương pháp topology để tối ưu biên dạng bánh răng nhựa nhưng vẫn đảm bảo các điều kiện bền Từ đó rút

7 ra được quy trình tối ưu biên dạng bánh răng nhựa, giúp cho các nhà thiết kế bánh răng có thêm một tư liệu để tham khảo khi mục tiêu của họ là tối ưu giảm khối lượng và giảm giá thành

1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu này giúp mạng lại một quy trình tối ưu biên dạng bánh răng mới theo phương pháp số và từ đó có thể áp dụng vào thực tế hoặc điều chỉnh cho phù hợp với điều kiện khảo sát Từ đó mở ra một hướng nghiên cứu tối ưu khối lượng khoa học và hiệu quả hơn các phương pháp truyền thống

Nếu có thể đề xuất được biên dạng bánh răng mới và giảm được lượng vật liệu đáng kể thì nghiên cứu này có thể hạ giá thành của bánh răng nhựa một cách khoa học thay vì tinh gọn vật liệu thừa theo kinh nghiệm hay công thức Từ đó có thể tạo ra một quy trình thiết kế mới và một biên dạng tinh gọn mới cho bánh răng, giúp doanh nghiệp và những nhà nghiên cứu bánh răng có thể tiết kiệm được một khoản chi phí khi sản xuất, sử dụng hoặc nghiên cứu thực nghiệm bánh răng nhựa Đồng thời tạo ra ưu thế cạnh tranh đối với bánh răng kim loại

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là phương pháp lý thuyết kết hợp với phương pháp số, trước tiên sẽ nghiên cứu về vật liệu polymer để hiểu rõ cơ tính, cấu hình và trật tự của vật liệu cũng như chọn được vật liệu phù hợp cho bánh răng Tìm hiểu các dạng hỏng của bánh răng nhựa hay mắc phải và mức ảnh hưởng của nó đến phần vật liệu từ chân răng đến trục truyền Tìm hiểu về lý thuyết topology và các phương pháp tối ưu kiểu dáng phù hợp Dùng phương pháp số để thiết kế bánh răng và để phân tích phần tử hữu hạn cũng như áp dụng topology để tối ưu, sau đó kiểm bền, sử quy hoạch thực nghiệm để đánh giá số liệu thu được, sau đó so sánh với các phương pháp tối ưu kiểu dáng theo kinh nghiệm

1.7 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

- Tối ưu biên dạng bánh răng nhựa để truyền động công suất

8 Phạm vi nghiên cứu:

- Bài toán chỉ khảo sát bánh răng trụ răng thẳng, thân khai và sử dụng các vật liệu nhựa phổ biến Tính toán thiết kế bánh răng sẽ dựa trên chuẩn VDI 2736 trong điều kiện nhất định như không bôi trơn và tải liên tục, mục tiêu chủ yếu của đề tài là nghiên cứu các dạng hỏng và tối ưu biên dạng để đảm bảo không hỏng, phân tích dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn So sánh lượng giảm của bánh răng trước và sau khi tối ưu để kết luận

1.8 Cấu trúc của luận văn

Luận văn có 4 chương gồm: Tổng quan, Cơ sở lý thuyết, Thiết kế và tối ưu, Kết luận Chương 1 Tổng quan: giới thiệu về ứng dụng của bánh răng nhựa, tình hình nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài, từ đó đề ra mục tiêu và rút ra ý nghĩa nghiên cứu Xác định phương pháp nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu và chỉ ra cấu trúc của luận văn

Chương 2 Cơ sở lý thuyết: trình bày tổng quát về polymer, cũng như nghiên cứu về khả năng chế tạo để có thể chọn cấu hình khả thi và phù hợp nhất cho bánh răng Trình bày về các dạng hỏng của bánh răng nhựa Cơ sở sử dụng topology so với các mô hình cắt giảm vật liệu bánh răng truyền thống

Chương 3 Trình bày quá trình thiết kế bánh răng (chuẩn VDI 2736) Áp dụng các phương pháp topology đã chọn So sánh kết quả trước và sau khi tối ưu Chế tạo bánh răng theo phương pháp in 3D

Chương 4 Kết luận về kết quả thu được

2.1.2 Phân loại polymer

Theo [19] ta có thể phân loại polymer theo nhiều cách khác nhau - Phân loại theo đơn vị

Khi tất cả các đơn vị đều giống nhau và được liên kết tuyến tính (một polymer mạch thẳng), polymer được gọi là polymer đồng nhất (homopolymer) Khi có nhiều hơn một loại đơn vị lặp lại tham gia, polymer là copolymer Copolymer nếu không rõ cách sắp xếp gọi là poly(A-co-B), ví dụ: poly(styrene-co-butadiene) Copolymer thống kê: poly(A-stat-B) Copolymer thay thế: poly(A-alt-B) Copolymer ngẫu nhiên: poly(A-ran-B) Copolymer hóa khối: poly(A-block-B) Copolymer ghép: poly(A-graft-B) Về quá trình chế tạo, pôlyme đồng nhất được tạo thành bằng quá trình trùng hợp của một monome Copolymer được tạo thành bằng quá trình trùng hợp của nhiều hơn một monome Mô tả cấu tạo của polymer đồng nhất và copolymer ở Hình 2.1

- Phân loại theo quy trình sản xuất:

Polymer được sản xuất dựa trên mặt sinh học trong tự nhiên là polymer tự nhiên hoặc polymer sinh học Polymer được sản xuất tổng hợp là polymer tổng hợp Các polymer tổng hợp được tạo ra bằng phản ứng trùng hợp chuỗi là các polymer mạch (hoặc polymer cộng), trong đó loại phổ biến nhất là polymer vinyl Các polymer được tạo ra bằng phản ứng trùng hợp tăng trưởng từng bước (step-growth polymerization) là các polymer tăng trưởng theo từng bước, thường cũng là các polymer ngưng tụ (condensation polymers)

10

Hình 2.1 Cấu tạo của polymer đồng nhất và côplyme 1) polymer đồng nhất 2)

copolymer thay thế 3) copolymer ngẫu nhiên 4) copolymer hóa khối 5) copolymer ghép (ảnh: Wikipedia)

- Phân loại theo mạch:

Polymer mạch cacbon: chỉ chứa các nguyên tử cacbon trong mạch, chẳng hạn như polymer vinyl và polydienes Polymer dị mạch (heterochain polymers): có thể chứa oxy, nitơ, lưu huỳnh, phốt pho hoặc các nguyên tử khác trong mạch

- Phân loại theo cấu trúc:

Có thể chia polymer theo cấu trúc đơn giản và phức tạp Polymer phức tạp sẽ phân ra thành cấu trúc phân nhánh và liên kết chéo Cấu trúc phân nhánh (branched) là chuỗi cấu trúc polymer bị phân nhánh, và các nhánh có thể liên kết với nhau Cấu trúc phân nhánh được chia thành: phân nhánh chuỗi ngắn, phân nhánh chuỗi dài, siêu phân nhánh và đuôi gai Liên kết chéo nhau (crosslinked) là cấu trúc mạng polymer chứa các mạch tuyến tính được liên kết chéo Một số hình ảnh minh họa cho cấu trúc polymer (Hình 2.2):

11 Mạch thẳng Mạch nhánh Mạch chéo nhau

Hình 2.2 Một số cấu trúc điển hình của polymer (ảnh: Wikipedia)

- Phân loại theo vật liệu

Polymer được phân loại là nhiệt dẻo khi mạch polymer tuyến tính, chủ yếu là vật liệu nhựa Polymer được phân loại là nhiệt rắn khi mạch polymer chéo nhau, chủ yếu là vật liệu cao su

- Phân loại theo cấu tạo

Theo cấu tạo, polymer được chia thành polymer hữu cơ, lai tạo và vô cơ Polymer hữu cơ (organic) đa số là các polymer sinh học và tổng hợp trên thị trường Polymer lai tạo (organometallic) có tồn tại nhưng ít gặp Polymer vô cơ (inorganic) thì vẫn chưa được định nghĩa rõ ràng, các nhà khoa học vẫn đang tranh cãi

- Phân loại theo tổ chức

Có ba loại tổ chức trong polymer là polymer tinh thể rắn, polymer tinh thể bán rắn và polymer vô định hình Polymer tinh thể rắn được kết tinh ở trạng thái rắn, ổn định nhất Polymer tinh thể bán rắn chỉ ở dạng tinh thể một phần, do đó chứa cả vùng kết tinh và vùng vô định hình Polymer vô định hình là các polymer không kết tinh ở trạng thái rắn Nếu có liên kết tuyến tính, polymer vô định hình sẽ có tổ chức cuộn ngẫu nhiên (random coil conformation), thường thấy trong dung dịch polymer Nếu không có liên kết tuyến tính thì được xem là các polymer vô định hình còn lại

12

2.2 Lựa chọn vật liệu chế tạo bánh răng nhựa

2.2.1 Tính chất chung của bánh răng nhựa

Theo [2] và [4], Vật liệu polymer được ứng dụng rộng rãi trong truyền động máy móc và cơ khí do ưu thế của chúng so với kim loại Đầu tiên là chi phí sản xuất tương đối thấp, đặc biệt đối với bánh răng đúc phun khối lượng lớn Dễ sản xuất hàng loạt Đạt được nhiều loại cấu hình và biên dạng phức tạp Có thể không cần gia công hoàn thiện hoặc đánh bóng Có thể gia công lên lõi insert kim loại và các thiết kế tích hợp khác Khối lượng riêng thấp hơn (trọng lượng nhẹ và quán tính thấp) Khả năng giảm chấn và va đập vừa phải Khả năng hoạt động với lượng dầu bôi trơn tối thiểu hoặc không có và hệ số ma sát thấp nên hoạt động trơn tru, yên tĩnh hơn Dung sai ít khắt khe hơn so với bánh răng kim loại, một phần do khả năng đàn hồi của nhựa Chống ăn mòn (corrosion) và kháng được các loại dầu và hóa chất nên độ an toàn cao

Bánh răng nhựa cũng có một số bất lợi như khả năng chịu tải tối đa thấp hơn bánh răng kim loại Giảm khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao, gây giảm tuổi thọ, thường được giới hạn dưới 120°C (Hình 2.3) Các ứng dụng ở nhiệt độ lạnh cũng bị hạn chế Nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt độ ở bề mặt tiếp xúc cũng bị giới hạn Bánh răng nhựa đúc sẽ không đạt được cấp chính xác như bánh răng kim loại đã được gia công/mài Bánh răng nhựa không ổn định về kích thước do hệ số giãn nở nhiệt và hấp thụ độ ẩm lớn Chi phí khuôn ban đầu cao để có được hình dạng và kích thước răng chính xác Có thể bị một số hóa chất và thậm chí một số chất bôi trơn gây ảnh hưởng xấu Các dụng cụ và quy trình đúc không phù hợp có thể tạo ra ứng suất dư ở chân răng dẫn đến vượt ứng suất tới hạn và/hoặc biến dạng do lão hóa Giá thành của nhựa dựa trên giá hóa dầu và do đó dễ biến động hơn so với kim loại

2.2.2 Loại vật liệu phù hợp cho bánh răng nhựa

Các vật liệu tốt nhất cho bánh răng nhựa phải có các đặc tính như độ bền uốn (flexural strength), độ cứng (stiffness) và độ bền cắt (shear strength) thật cao để chịu được sự đứt gãy của thân răng và bề mặt răng Các vật liệu có độ bền nén cao, có khả năng chống mài mòn và hệ số ma sát thấp được ưu tiên sử dụng Về cơ bản, polymer

13 nhiệt dẻo có độ bền va đập cao hơn, dễ gia công hơn và cho thấy khả năng thích ứng với thiết kế bánh răng tốt hơn so với nhựa nhiệt rắn (thermosetting)

Hình 2.3 Ứng suất bền mỏi bề mặt so với chu kỳ đặt tải trọng [4]

Theo [2], nhựa nhiệt dẻo có thể liên tục mềm hoặc chảy ở nhiệt độ cao và đông lại khi nguội nhiệt độ cho phép các chuỗi phân tử đan xen trượt tương đối với nhau nhiệt độ càng cao, các chuỗi trượt càng tự do, làm nhựa có đặc tính như chất lỏng và như thế điền đầy khuôn Mức độ mềm phụ thuộc vào nhiệt độ, tùy vào từng loại và cấp của nhựa Khi nguội, các phân tử phục hồi liên kết giữa các phân tử, lúc này vật liệu sẽ giống chất rắn Tuy nhiên, những vật liệu này dù ở dạng rắn nhưng vẫn duy trì hình thái lỏng với nhiều mức độ khác nhau dưới dạng đàn hồi nhớt (viscoelastic behaviour) Liên kết loại này làm tăng độ bền và kháng tải va đập Tuy nhiên, so với nhiệt độ phòng, chúng sẽ mất đi 50% cơ tính nếu nhiệt độ tăng lên đến 1200𝐶 Nhựa nhiệt dẻo được phân làm 2 loại dựa trên tổ chức của chúng, đó là nhựa nhiệt dẻo bán tinh thể và nhựa nhiệt dẻo vô định hình

[19] định nghĩa: nhựa nhiệt dẻo bán tinh thể là nhựa chỉ kết tinh một phần, độ kết tinh thường khoảng 30-80% Theo [1], các loại nhựa có tinh thể sẽ màu đục (opaque) khác với nhựa vô định hình Chúng sở hữu khả năng kháng hóa chất, độ bền mỏi và bền mòn tốt hơn nhựa vô định hình Cơ tính này duy trình khi nhiệt độ vượt

14 ra khỏi nhiệt độ chuyển thủy tinh như biểu diễn ở Hình 2.4 khi vượt qua nhiệt độ này nhựa sẽ dần hóa lỏng và thay đổi cấu trúc tinh thể dẫn đến thay đổi cơ tính như Hình 2.5

[19] định nghĩa nhựa nhiệt dẻo vô định hình là một loại polymer trong đó các chuỗi phân tử tồn tại ở dạng cuộn ngẫu nhiên (random coil conformation), không có trật tự đều đặn Một số polymer trên danh nghĩa là vô định hình có thể có một số trật tự ngắn, điều này ngụ ý là chúng có thể vô định hình ở thể rắn, do polymer thường xuyên được hiểu là vô định hình ở thể lỏng hoặc trong dung dịch Nếu không liên kết chéo, chúng dễ hòa tan hơn các polymer kết tinh Chúng thường đẳng hướng (trừ khi được định hướng) và đồng nhất Vì chúng không chứa các tinh thể để tán xạ ánh sáng nên chúng cũng trong suốt Theo [1], nhựa nhiệt dẻo vô định hình trông như chất lỏng siêu nguội hơn là chất rắn Bởi vì chất dẻo vô định hình không có nhiệt độ nóng chảy cụ thể, nhiệt độ chuyển thủy tinh có thể được coi là lúc bắt đầu nóng chảy Nhựa vô định hình chống rão (creep) tốt Độ co ngót thấp và không chênh lệch quá cao cho phép các bộ phận được đúc chính xác, không bị cong vênh Một số loại nhựa có thể chống va đập tốt

Hình 2.4 Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ đến mô đun, của nhựa nhiệt dẻo

tinh thể và vô định hình, có và không có độn sợi thủy tinh [1]

16

Bảng 2.1 Nhiệt độ chuyển thủy tinh của một số polymer [20]

Bisphenol A polycarbonate 423 Poly(N-vinyl carbazole) 423 Poly(α-vinyl naphthalene) 432 Poly(bisphenol A terephthalate) 478 Poly[oxy(2,6-dimethyl-1,4-phenylene) 482 Poly[4,4-diphenoxy di(4-phenylene)sulfone] 493 Poly(m-phenylene isophthalamide) 545 Poly(p-phenylene terephthalamide) 600

Theo [19]: nhựa nhiệt rắn là một polymer chứa liên kết chéo nhiều đến mức khi gia nhiệt nó sẽ không mềm đi như nhựa nhiệt dẻo Các liên kết chéo được tạo thành bằng cách gia nhiệt hoặc sử dụng xúc tác (hoặc cả hai) lên một polymer tiền nhiệt rắn (thermosetting pre-polymer) Polymer nhiệt rắn không nhất thiết phải cứng và đặc, ví dụ như cao su lưu hóa cũng được xem là nhựa nhiệt rắn Theo [1], nhựa nhiệt rắn trở thành vật liệu đàn hồi như kim loại và duy trì tính chất ở nhiệt độ cao Khuyết điểm là đặc tính nhớt dẻo (viscoelastic) giảm so với nhựa nhiệt dẻo, khả năng chịu tải va đập giảm đi rất nhiều, và cần thêm phụ gia mới phù hợp với việc chịu tải va đập vừa phải

2.3 Vật liệu chế tạo bánh răng thông dụng

Theo [1], nhựa được dùng để làm bánh răng nằm trong danh mục nhựa kỹ thuật, để ám chỉ nó có độ bền cao Đến nay, khi mà nhu cầu về truyền động bằng bánh răng nhựa tăng mạnh, khái niệm bánh răng nhựa hiệu suất cao ra đời, theo [6] thì bánh răng nhựa dùng để truyền động nên là nhựa nhiệt dẻo bán tinh thể như: High-molecular polyethylene of high density (PE-HD), Polyoxymethylene (POM), Polyamide (PA), Polybutylene terephthalate (PBT), Polyetheretherketone (PEEK)

17 Một số thông số cơ học của nhựa làm bánh răng hiệu suất cao được thể hiện ở bảng Bảng 2.2 và khả năng kháng các loại hóa chất của chúng ở bảng Bảng 2.3

Bảng 2.2 Cơ tính của nhựa nhiệt dẻo điển hình [6]

Vật liệu

Khối lượng riêng (𝑘𝑔 𝑚⁄ 3)

Mô đun đàn hồi Young (𝑁 𝑚𝑚⁄ 2) ở 23℃

Độ bền kéo (𝑁 𝑚𝑚⁄ 2) ở 23℃

Nhiệt độ làm việc liên tục tối

Bảng 2.3 Khả năng kháng hóa chất của các nhựa nhiệt dẻo điển hình [6]

Hóa chất PA 46 PA 66 POM PEEK

Hình 2.6 Công nghệ tạo hình [21]

Hình 2.7 Công nghệ cắt gọt [21]

19

Hình 2.8 Công nghệ bồi đắp [21]

2.4.2 Tổng quan về gia công cắt gọt

Theo [22], quá trình cắt gọt được phân loại thành quá trình cắt chép hình cutting) và quá trình cắt lăn (generative)

(form-Quá trình chép hình là những quá trình mà các biên dạng răng được tạo ra giống với hình dạng của dụng cụ cắt, ví dụ: phay (milling) như Hình 2.9, chuốt (broaching) như Hình 2.10 và Hình 2.11, và xọc răng trên máy chép hình (shaper) như Hình 2.12 [22] Theo [23], Ưu điểm của quá trình chép hình là năng suất cắt cao và không để lại dấu tiến dao do tiếp xúc đường (line contact) Khuyết điểm là mỗi cấu hình phải thay một dụng cụ cắt khác và chỉ chuyển động cục bộ (partial movement)

Hình 2.9 A) Phay đĩa, B) Phay ngón [22]

Feed

Feed

20

Hình 2.10 Chuốt bánh răng trong [22]

Hình 2.11 Sơ đồ minh họa chuốt bánh răng [23]

Hình 2.12 Xọc răng trên máy chép hình A) Sơ đồ minh họa, B) Hình ảnh thực tế

[22]

21 Quá trình cắt lăn tạo ra răng bánh răng từ chuyển động tương đối giữa phôi bánh răng và dụng cụ cắt, với dụng cụ cắt có cùng dạng hình học với răng được cắt Máy cắt chuyển động qua lại và/hoặc xoay so với phôi bánh răng xoay để cắt răng Các quy trình sản xuất điển hình là phay lăn răng (hobbing), xọc răng (shaping) và bào (planing) Hình 2.13 [22] Theo [23], ưu điểm của cắt lăn là một dụng cụ cắt có thể áp dụng nhiều cấu hình, và có thể gia công liên tục (continuous movement) Khuyết điểm là tạo ra sai lệch cắt hoặc dấu tiến dao do tiếp xúc điểm

Hình 2.13 Sơ đồ mô tả các quá trình bào, phay lăn răng và xọc [23]

2.4.3 Tổng quan về gia công tạo hình

Theo [22], trong tất cả các nguyên công tạo hình răng, các răng trên bánh răng được tạo thành đồng thời bằng khuôn đúc (die) hoặc khuôn phun ép (mold) với dạng hình học răng thích hợp Chất lượng của khuôn chịu trách nhiệm chính cho độ chính xác của răng Hầu hết các quá trình tạo hình chỉ phù hợp với số lượng sản xuất cao do công cụ đắt tiền Sản xuất bánh răng bằng phương pháp tạo hình có một số ưu điểm so với quy trình cắt gọt, ví dụ, thời gian xử lý ngắn hơn đáng kể, hao hụt vật liệu thấp hơn và sau đó không phải loại bỏ phoi, đồng thời tăng cường độ bền và độ hoàn thiện bề mặt cao hơn trong một số trường hợp Một số phương pháp tạo hình

𝑣𝑐: 𝑣ậ𝑛 𝑡ố𝑐 𝑐ắ𝑡

𝑓𝑎: 𝑏ướ𝑐 𝑐ắ𝑡 ℎướ𝑛𝑔 𝑡𝑟ụ𝑐 𝑓𝑟: 𝑏ướ𝑐 𝑐ắ𝑡 ℎướ𝑛𝑔 𝑘í𝑛ℎ 𝑓𝑤: 𝑏ướ𝑐 𝑐ắ𝑡 𝑙ă𝑛

22 như dập, đùn, kéo nguội, cán và rèn được sử dụng để chế tạo bánh răng bằng cách tạo hình răng cho phôi sử dụng khuôn có biên dạng và kích thước yêu cầu Tuy nhiên, đa số phương pháp chỉ dùng được cho kim loại, chỉ có đúc là dùng phù hợp và dùng nhiều cho bánh răng nhựa Đúc được chia thành hai loại phổ biến đó là đúc áp lực (die cast) chủ yếu cho kim loại và đúc phun ép (injection mould) cho nhựa

Theo [24], số lượng lớn các bánh răng nhỏ được gia công bằng cách đúc khuôn Trong quá trình đúc khuôn thường sử dụng khuôn thép Các số vật liệu có độ nóng chảy thấp sẽ được đổ đầy vào lòng khuôn, chẳng hạn như hợp kim kẽm, nhôm hoặc đồng Với bộ khuôn được gia công chính xác và chi tiết được thiết kế để không dễ bị co ngót bất thường, có thể có được độ chính xác tương đương với cắt gọt thương mại Các hình dạng bánh răng phức tạp sẽ khá tốn kém khi cắt gọt có thể được chế tạo nhanh chóng và với chi phí thấp hơn bằng quy trình đúc khuôn Nhược điểm lớn của quá trình này là các kim loại nóng chảy thấp không đủ độ cứng để chịu tải lớn

Theo [24], một quá trình tương tự như đúc áp lực là đúc phun ép (Hình 2.14) được sử dụng trong sản xuất bánh răng đúc bằng nhựa Các bánh răng này được đúc chỉ trong một nguyên công Nguyên liệu nhựa thô được nung trong xi-lanh đến nhiệt độ nóng chảy Nó được ép vào khuôn thép dưới áp suất cao Độ chính xác của bánh răng đúc phun từ tốt đến khá Một số nhựa ít bị co ngót hơn những nhựa khác Một số nhựa như nylon hấp thụ nước hoặc dầu và có thể bị biến dạng khi giãn nở Theo [22], thời gian gia công phụ thuộc vào loại nhựa và dạng hình học bánh răng Sau khi đông đặc, bánh răng được đẩy ra khỏi khuôn Quá trình này có tốc độ sản xuất cao và hiếm khi cần hậu xử lý Đúc phun ép có thể tạo ra bánh răng nhựa có chất lượng AGMA 7 Máy ảnh, máy in, đồ chơi, thiết bị điện tử, máy chiếu, đồng hồ đo tốc độ và thiết bị gia dụng là những lĩnh vực ứng dụng quan trọng của bánh răng nhựa đúc phun Hiện nay, đúc vi phun (microinjection molding) cũng được sử dụng rộng rãi để sản xuất bánh răng siêu nhỏ bằng bột kim loại và nhựa

23

Hình 2.14 Đúc phun ép (ảnh của Boyan Manufacturing Solutions)

2.4.4 Tổng quan về gia công bồi đắp

Theo [21], công nghệ bồi đắp vật liệu (thường được gọi là in 3D) là quá trình bồi đắp từng lớp một bộ phận tại một thời điểm Có nhiều công nghệ in 3D, mỗi công nghệ đều có những lợi ích và hạn chế riêng và mỗi công nghệ có thể in các chi tiết từ các vật liệu khác nhau (Hình 2.15, Hình 2.16) Các phương pháp được mô tả kỹ hơn trong

Bảng 2.4 Các chi tiết có thể được sản xuất ở hầu hết mọi dạng hình học, đây là một

trong những thế mạnh cốt lõi của in 3D Ngoài ra, in 3D không phụ thuộc vào công cụ đắt tiền và về cơ bản không có chi phí khởi đầu Ưu điểm của điều này là kiểm chứng và phát triển mẫu hình nhanh chóng và các chi tiết sản xuất với số lượng thấp Một trong những hạn chế lớn nhất của in 3D là không sản xuất được các chi tiết có các đặc tính vật liệu tương đương với khi chế tạo bằng kỹ thuật cắt gọt hoặc tạo hình Hầu hết các công nghệ in 3D tạo ra các chi tiết không đẳng hướng hoặc không hoàn toàn đặc In 3D cũng có những hạn chế về tính ổn định, nghĩa là các chi tiết thường sẽ có những thay đổi và chênh lệch nhỏ do tính chất vật liệu do nhiệt độ nguội tự nhiên không giống nhau, hoặc cong vênh trong quá trình hóa rắn

24

Hình 2.15 Phân loại phương pháp theo nguyên lý [21]

Hình 2.16 Phân loại phương pháp theo vật liệu [21]

Kim loại

Bột kim loại

BJ

25

Bảng 2.4 Bảng tóm tắt công nghệ bồi đắp [21]

Đùn vật liệu Material Extrusion

Vật liệu phun có chọn lọc qua vòi

trong bể được đông đặc chọn lọc

bằng quy trình polymer hóa do

ánh sáng

Stereolithography (SLA), Direct Light Processing (DLP)

In đắp bột Powder Bed Fusion

Dùng nhiệt năng nung chảy lớp bột

lọc và hóa rắn trên một tấm sàn

Material Jetting (MJ), Drop On Demand (DOD)

26

Phun chất kết dính Binder Jetting

Chất kết dính lỏng liên kết có chọn lọc với các vùng của lớp bột

Binder Jetting (BJ)

Bắn năng lượng trực tiếp

Direct Energy Deposition

Năng lượng nhiệt tập trung được sử

dụng để nung chảy vật liệu khi chúng đang được

phun xuống

Laser Engineering Net Shaping (LENS), Laser-Based Metal Deposition (LBMD)

Cán tấm Sheet Lamination

Các tấm vật liệu được liên kết với

nhau thành một khối

Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM),

Laminated Object Manufacturing (LOM)

Công nghệ bồi đặp vật liệu có nhiều phương pháp, mỗi phương pháp sẽ được chọn tùy vào vật liệu và nhu cầu sử dụng Bảng 2.5 đưa ra các ưu điểm và khuyết điểm, vật liệu thông dụng của phương pháp đó cũng như cấp chính xác và ứng dụng Có hai mục đích sử dụng chính là tạo mẫu trưng bày (Hình 2.17) và bộ phận chức năng (functional part) (Hình 2.18)

27

Bảng 2.5 Bảng tóm tắt quy trình lựa chọn phương pháp in 3D [21]

Nhóm vật liệu

Sợi nhựa nhiệt dẻo Resin nhựa nhạy sáng Bột nhựa nhiệt dẻo

Vật liệu thông dụng

PLA ABS PE TPU

Nhựa cơ bản Nhựa đúc Nhựa trong suốt Nhựa chịu nhiệt

Nylon 6, 11, 12

Độ chính xác

±0,5% (𝑡ố𝑖 𝑡ℎ𝑖ể𝑢± 0,5 𝑚𝑚)

±0,5% (𝑡ố𝑖 𝑡ℎ𝑖ể𝑢± 0,15 𝑚𝑚)

±0,3% (𝑡ố𝑖 𝑡ℎ𝑖ể𝑢± 0,3 𝑚𝑚)

Lợi/Hại + Rẻ

+ Có thể in chi tiết được dùng làm bộ phần chức năng (không đại trà) - Chính xác kém khi in chi tiết nhỏ

- Lộ rõ các phân lớp trên bề mặt

+ Bề mặt nhẵn + Chi tiết tinh xảo

- Giòn, không phù hợp cho chi tiết cơ khí

+ In được bộ phận chức năng, cơ tính tốt

+ Độ phức tạp cao - Tốn thời gian hơn - Đắt hơn FFF nếu in bộ phận chức năng

Ứng dụng

- Nắp/vỏ thiết bị điện - Mẫu thử kiểm tra kiểu dáng

- Đồ gá hoặc miếng cố định (fixture) - Mẫu đúc khuôn chảy

- Mẫu tương tự đúc khuôn phun ép

- Trang sức (đúc khuôn chảy)

- Một số chi tiết trong nha khoa

- Thiết bị trợ thính

- Bộ phận chức năng polymer

- Ống dẫn phức tạp (dạng hollow)

- Chi tiết ít vận hành

28

Nhóm vật liệu

Resin nhựa nhạy sáng Bột kim loại hoặc cát Bột kim loại

Vật liệu thông dụng

Nhựa cơ bản Nhựa đúc Nhựa trong suốt Nhựa chịu nhiệt

Thép không rỉ/Đồng Cát đủ màu

Silica

Nhôm

Thép không rỉ Titan

Độ chính xác

±0,1 𝑚𝑚 ±0,2 𝑚𝑚 𝑐ℎ𝑜 𝑘𝑖𝑚 𝑙𝑜ạ𝑖 ±0,3 𝑚𝑚 𝑐ℎ𝑜 𝑐á𝑡

±0,1 𝑚𝑚

Lợi/Hại + Độ bóng bề mặt tốt nhất

+ In được nhiều màu và đa dạng vật liệu - Giòn, không hợp với chi tiết cơ khí - Đắt hơn SLA/DLP nếu dùng làm mẫu trung bày

+ Rẻ

+ Thể tích in lớn

+ Bộ phận chức năng kim loại

- Cơ tính không tốt bằng in đắp bột

+ Chi tiết bền nhất + Biên dạng phức tạp

- Chi tiết in nhỏ - Đắt nhất trong tất cả

Ứng dụng

Mẫu thử đủ màu Mẫu thử giống in đúc phun

Khuôn đúc phun số lượng ít

Mẫu trưng bày y tế

Bộ phận chức năng kim loại

Mẫu trưng bày đủ màu Đúc cát

Bộ phận chức năng kim loại (ô tô và hàng không vũ trụ) Y tế

Nha khoa