Luận văn thạc sĩ Công nghệ chế tạo máy: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kéo mẫu FDM

Theo bài báo cáo của Woler 2002, tạo mẫu nhanh được định nghĩa như kỹ thuật gia công đặc biệt tạo ra mô hình sản phẩm nhanh chóng và những mẫu chi tiết từ dữ liệu 3D được sử dụng để tạo

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1 1.1 Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh 1

Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh FDM 3 1 Nguyên lý chung của tạo mẫu theo công nghệ FDM 3 2 Ƣu, nhƣợc điểm và phạm vi ứng dụng của công nghệ FDM 6

1.2.1 Nguyên lý chung của tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM

Nguyên lý làm việc của của tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM đƣợc mô tả ở hình 1.1 FDM là một trong những công nghệ tạo mẫu nhanh bằng phương pháp đùn nhựa nóng chảy rồi hóa rắn từng lớp tạo nên cấu trúc mẫu Vật liệu ban đầu đƣợc cấp từ cuộn dây cấp liệu, vật liệu dây sẽ đƣợc kéo bởi hệ thống các con lăn Các con lăn có nhiệm vụ kéo và đƣa vật liệu vào hệ thống đầu đùn, trong quá trình di chuyển đến miệng vòi đùn, vật liệu sẽ đi qua bộ phận gia nhiệt và đƣợc gia nhiệt và hóa dẻo, sau đó đƣợc đùn ra ngoài bởi một áp lực sao cho tốc độ ra và tốc độ hóa dẻo tương ứng với nhau, cùng với quá trình đùn vật liệu ra khỏi vòi đùn thì đầu đùn cũng di chuyển theo hai phương X và Y tạo ra biên dạng 2D tương ứng với lớp cắt chi tiết trên mô hình ảo Sau đó bàn máy sẽ hạ xuống một khoảng đúng bằng chiều dày lớp để tiếp tục tạo lớp thứ hai Cứ nhƣ vậy, quá trình tiếp tục cho đến khi tất cả các biên dạng đƣợc đùn ra hết

Trong tài liệu Rapid Prototyping Principles and Applications của Giáo sƣ Chee Chua Kai [5] trường Đại học quốc gia Nanyang , Singapore

Hình 1.1 Quy trình tạo mẫu nhanh cơ bản

Quy trình tạo mẫu nhanh được qua các bước:

CAD Model : Tạo mô hình 3D

Tạo mô hình trên phần mềm hỗ trợ CAD (mô hình dạng khối, hoặc mặt cong tự do)

Pre- Process : Tiền xử lý

Tạo dữ liệu trung gian STL file, tạo phần đỡ cho quá trình xây dựng mô hình, tạo cắt lớp

RP Process : Quá trình tạo mẫu trên máy tạo mẫu nhanh

Post- Process : Quá trình hậu xử lý

Quá trình tạo mẫu nhanh có thể nhận các dữ liệu đầu vào là file STL hoặc một định dạng tương tự, có thể là dữ liệu từ phần mềm Cad, có thể là các đám mây điểm, những dữ liệu cuối cùng luôn luôn là dữ liệu các lớp cắt 2D Trong luận văn còn mô tả quá trình tạo mẫu nhanh trên máy tạo mẫu nhanh FDM 1600 của Stratasys

Theo đó, dữ liệu Cad đƣợc đƣa vào phần mềm QuickSlice, đƣợc cắt thành từng lớp Sau đó, các thông số tạo mẫu đƣợc thiết lập, dữ liệu đƣợc chuyển sang các đoạn mã ASCII, trong lúc đó, đầu đùn và lồng máy đƣợc gia nhiệt Các đoạn mã ASCII đƣợc chuyển vào máy FDM 1600, máy sẽ nhận đƣợc dữ liệu và truyền chuyển động cho đầu đùn di chuyển tạo mẫu

Tổng quát, quy trình FDM bao gồm các bước cơ bản để tạo ra mô hình chi tiết như hình 1.2: thiết kế mô hình CAD, chuyển đổi mô hình CAD sang định dạng STL(Stereolithography), máy tính phân tích file STL để xác định rõ ràng mô hình cho sản xuất và cắt lớp trên mặt cắt ngang, tạo thành mẫu theo từng lớp chồng lên nhau, làm sạch và hoàn thành [3]

Hình 1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống FDM

Hình 1.3 Mô hình STL của một vật thể mẫu 1.2.2 Ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

Quá trình FDM có những ƣu điểm bao gồm sử dụng vật liệu đa dạng, dễ dàng thay đổi vật liệu, chi phí bảo trì thấp và có khả năng sản xuất những chi tiết mỏng, không gia công, không có vật liệu độc hại Mặt khác, nó tồn tại một vài nhược điểm như là có đường gân giữa những lớp, đầu đùn phải di chuyển liên tục hoặc vật liệu va đụn, có thể cần phần hỗ trợ, nhiệt độ dao động trong suốt quá trình sản xuất có thể dẫn đến tách tấm [4] Ƣu điểm:

- Tạo ra đƣợc một số sản phẩm thực tế (không phải là tạo ra mẫu) : Với vật liệu ABS, phương pháp FDM có thể tạo ra được chi tiết có độ bền bằng 85% sản phẩm được tạo ra bằng phương pháp chế biến nhựa truyền thống

- Công nghệ chế tạo đầu đùn dễ hơn đầu phun

- Sự mô hình hóa các khái niệm làm cho đánh giá hiệu quả hơn, những thông số và giao tiếp của người thiết kế Nó có chia sẽ những thiết kế mới của sản phẩm với quản lý, khách hàng, người mua, thị trường và sự chế tạo

- Chức năng của mẫu FDM sử dụng nhựa dẻo công nghiệp Đây là một thuận lợi là có thể cho phép người sử FDM để kiểm tra môi trường thật và đưa đến quyết định chi phí sản xuất của sản phẩm

- Giá thành của máy rẻ hơn so với các công nghệ tạo mẫu nhanh khác nhƣ những máy sử dụng tia lazer

- Nâng cao khả năng chế tạo các sản phẩm 3D phức tạp

- Các vật liệu đƣợc sử dụng không độc hại nên không lo lắng đối với việc phải tiếp xúc với hóa chất độc hại, các tia laser hoặc các chất hóa học dạng lỏng

- Độ chính xác về hình dạng của sản phẩm hạn chế do phụ thuộc vào đường kính vòi đùn và đường kính của sợi vật liệu sau khi ra khỏi vòi đùn Bề mặt mẫu tạo ra có độ nhám cao do nguyên tắc bồi đắp theo lớp

- Giữa các lớp đùn có đường phân cách

- Có sự chênh lệch kích thước mẫu so với kích thước trên mô hình CAD

Phạm vi ứng dụng của công nghệ FDM :

Hiện nay, công nghệ tạo mẫu nhanh đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hàng không vũ trụ, ô tô, máy móc, điện tử, thiết bị điện, y học, kiến trúc, đồ chơi, hàng thủ công, và mang lại nhiều kết quả tuyệt vời khác

- Phát triễn sản phẩm mới :

Trong quá trình phát triển sản phẩm mới, nó cho ta thấy đƣợc hiện tƣợng vật lí các mẫu thử nghiệm, chủ yếu bao gồm các khía cạnh sau:

+ Thiết kế: Tạo ra nhiều sản phẩm, đặc biệt là các thiết bị gia dụng và ngoại thất ô tô xuất hiện nhiều và mới lạ hơn Đối với các phương pháp truyền thống, trước khi chi tiết được mang ra sản xuất hang loạt thì phải chế tạo thử nghiệm một mô hình vật lý, phương pháp truyền thống cần phải chi tiêu rất nhiều thời gian và tiền bạc, để giảm chi phí trên thì sản phẩm đƣợc mô phỏng trên máy tính để hiển thị các mô hình sản phẩm đã thiết kế (sản xuất ảo), nhƣng khuyết điểm là không thể có cái nhìn trực quan về sản phẩm, không thể hiện đƣợc những đặc tính vật lí của sản phẩm vì vậy công nghệ RP có thể nhanh chóng làm ra một mẫu vật thật đã được thiết kế để người thiết kế có cái nhìn trực quan, đánh giá hiệu quả công việc hiệu quả hơn, thiết kế và kiểm tra dễ dàng hơn

+ Kiểm tra chất lượng thiết kế: Để tạo khuôn mẫu sản xuất, ví dụ, phương pháp tạo khuôn truyền thống đƣợc thực hiện trên máy công cụ CNC, nó quá nguy hiểm đối với những khuôn có giá trị hàng trăm ngàn đô la hoặc thậm chí hàng triệu đô la cho thiết kế nhƣng khuôn phức , bất kì một lỗi nhỏ nào sẽ mang lại hậu quả, thiệt hại không thể khắc phục đƣợc khuôn lại.phương pháp RP này có thể tạo khuôn đúng và chính xác các bộ phận nguyên mẫu, một loạt các vấn đề nhỏ và các lỗi có thể đƣợc hiển thị trong nháy mắt trên mô hình sau khi đƣợc thiết kế, làm giảm đáng kể nguy cơ bị hỏng hóc, phế phẩm

+ Khả năng thể hiện: Từ việc thiết kế các sản phẩm đến việc tối ƣu hóa chúng là một thời gian dài và khó khăn, lợi thế của việc tạo mẫu nhanh giúp cho chúng ta xác định đƣợc, xem xét đề xuất một phương án tối ưu nhất, thiết kế các gân tăng cứng, những đường cong, bề mặt giảm tiếng ồn…Tuy nhiên, việc cảm nhận chi tiết thông qua một mẫu đƣợc tạo mẫu nhanh mà mọi người có thể chạm vào và cảm giác được từ thực tế so với việc nhìn trên máy ảnh Ngoài ra công nghệ tạo mẫu nhanh giúp tối ƣu hóa sản phẩm đƣợc thiết kế, ví dụ nhƣ thiết kế các dụng cụ điện cầm tay phải thật nhẹ, trọng lƣợng nhỏ là vô cùng quan trọng, nó có một ý nghĩa lớn đối với người sử dụng

+ Thử nghiệm lắp ráp: Trong không gian lắp ráp phức tạp và hạn chế của hệ thống, việc thử nghiệm lắp ráp là vô cùng quan trọng, chẳng hạn nhƣ lắp rắp tên lửa, hệ thống vệ tinh Các mẫu đƣợc tạo mẫu nhanh này có thể đƣợc sử dụng để làm các mô hình mô phỏng, lắp ráp, cái nhìn,quan sát vị trí tương quan giữa các chi tiết, và làm thế nào để tương tác chúng với nhau Chẳng hạn như ống xả trên các động cơ xe hơi, việc lắp ráp vị trí tương quan cực kì phức tạp, việc mô phỏng lắp ráp có thể là một nghiên cứu thành công vào thiết kế

Tính cấp thiết của đề tài 12

Công nghệ tạo mẫu nhanh là công nghệ mới ra đời nhƣng đã phát triển rất nhanh Ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh đã mở rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM đóng góp đáng kể trong sản xuất công nghiệp, giảm thời gian để sản xuất chi tiết và cải thiện khả năng hình dung dạng hình học mẫu Mẫu thật cung cấp khả năng phát hiện sớm lỗi thiết kế nhỏ nhất nhanh chóng tạo ra sản phẩm trên thị trường, tăng khả năng cạnh tranh và giảm chi phí thiết kế, tạo ra được nhiều sản phẩm phức tạp, chất lượng cao Người thiết kế có thể chỉnh sửa trong quá trình thiết kế trước khi đưa sản phẩm đến sản xuất hàng lọat

Trong máy FDM chất lƣợng của mẫu phụ thuộc cao vào các thông số công nghệ khác nhau của quá trình.Hiện tại chất lƣợng sản phẩm cao, chi phí thấp và rút ngắn thời gian sản xuất là yêu cầu của người sử dụng Chính vì thế mà chúng ta cần phải hiểu rõ các đặc tính của quá trình đùn, thông số công nghệ trong quá trình đùn, cũng nhƣ phải xác định đƣợc mối quan hệ, sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ của đầu đùn đến chất lượng sản phẩm Từ đó chúng ta mới có thể xác định các thông số công nghệ hợp lý cho quá trình đùn, làm chủ công nghệ và ứng dụng hiệu quả công nghệ này vào sản xuất thực tế

Xuất phát từ yêu cầu đó đề tài: “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kéo mẫu FDM" đƣợc đặt ra nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách hiện nay.

Mục tiêu của luận văn 13 1.5 Nội dung thực hiện của luận văn 13

Bài nghiên cứu xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kéo của mẫu FDM Sau đó khảo sát, đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số tìm ra giá trị lớn nhất của độ bền kéo ứng với các mức giá trị thông số nghiên cứu nhằm nâng cao độ bền đầu ra của mẫu

1.5 Nội dung thực hiện của luận văn Để đạt đƣợc mục tiêu đã đề ra, nôi dung của luận văn bao gồm những nội dung sau:

- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

- Nghiên cứu các thông số công nghệ của qui trình FDM

- Nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm

- Khảo sát, nhận xét đánh giá ảnh hưởng.

Phương pháp nghiên cứu 13

- Phương pháp tổng quan tài liệu

- Nghiên cứu đặc tính công nghệ FDM và các thông số khác nhau

- Cơ sở lý thuyết về qui hoạch thực nghiệm

- Nghiên cứu thực nghiệm và kết luận dựa trên kết quả

- Áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm bình phương nhỏ nhất tìm mối liên hệ

- Áp dụng phương pháp phân tích phương sai ANOVA

- Sử dụng phần mềm R 3.0 để nghiên cứu.

TỔNG QUAN 14 2.1 Giới thiệu các thông số công nghệ trong tạo mẫu nhanh FDM 14 2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 19

Tình hình nghiên cứu trên thế giới 20

 Báo cáo khoa học của các tác giả Sung- Hoon Ahn , Michael Montero, Dan Odell, Shad Roundy, and Paul K Wright [8]

Bài báo tiến hành phân tích thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ bền kéo của mẫu FDM tạo ra với vật liệu là nhựa ABS nhƣ : Bead / Road with ( Độ dày lớp đùn ) , Air gap ( khoảng cách giữa hai đường đùn liên tiếp nhau), Model build temperature ( Nhiệt độ đùn) , Raster orientation ( hướng đùn ), và Color ( màu sắc của ABS)

Những thông số nghiên cứu đƣợc lựa chọn từ kinh nghiệm trong quá trình tạo mẫu và những tổng hợp từ nhiều nghiên cứu trước đó Tác giả đã đưa ra mô hình xương cá thể hiện các yếu tố/ thông số ảnh hưởng đến độ bền kéo Để tiến hành tạo mẫu thực nghiệm, tác giả lựa chọn ra 5 thông số từ ba phân loại : Vật liệu ABS, thông số kỹ thuật trong quá trình tạo mẫu và môi trường khi tạo mẫu

Hình 2.11 Biểu đồ xương cá mô tả các thông số ảnh hưởng đến độ bền kéo [7]

Trong 5 biến số này, có một biến số định tính ( Màu sắc ABS) , còn các biến còn lại là định lƣợng Những biến số này có hai mức độ đƣợc thể hiện ở bảng sau :

Khoảng cách giữa 2 đường đùn liên tiếp (inch/mm) A 0.0/0.0 -0.002/-0.0508

Chiều rộng của đường đùn (inch/mm)

Hướng đùn tạo mẫu E Nằm ngang Thẳng trục

Bảng 2.1- Các thông số và mức giá trị trong tạo mẫu thực nghiệm

Mẫu được tạo ra với các thông số về kích thước theo tiêu chuẩn ASTM D3039 ( ASTM, 1976) 229 mm x 25.4 mm x 3.3 mm

Bài báo sử dụng phương pháp quy hoạch bậc hai quay đều với k= 5 Số thực nghiệm N=2 5 với thực nghiệm ở nhân gồm 2 5-1 = 16, với E = ABCD Các giá trị của các nhân tố dưới dạng mã hóa là -1 hoặc +1

Phân tích thực nghiệm cho thấy thông số A- Air gap và E- Raster orientation ảnh hưởng đáng kể đến độ bền kéo của mẫu Do đó, hai thông số này tiếp tục được nghiên cứu kỹ ở phần tiếp theo của bài báo, tác giả đi sâu so sánh độ bền kéo của mẫu tạo ra bằng công nghệ FDM ứng với các giá trị khác nhau của hai thông số Air gap và Raster orientation với mẫu tạo ra bằng phương pháp phun ép

Hình 2.13- Mô hình thực nghiệm

+ Mỗi mẫu bao gồm 12 lớp đùn

+ Thông số hướng đùn Raster orientation với những hướng như sau :

- Hướng [0 0 ] 12 : cùng chiều với các trục tọa độ x, y,z nên góc = 0 0

- Hướng [45 0 / -45 0 ] 6 : với hai lớp đan chéo lần lượt 45 0 và -45 0

- Hướng [0 0 / 90 0 ] 6 : với hai lớp đan chéo lần lượt 0 0 và 90 0

- Hướng [ 90 0 ] 12 : vuông góc với các trục

+ Thông số khoảng cách giữa hai dường đùn Air gap với những mức giá trị : 0 và - 0.003 inch

Hình 2.14 - Mẫu sau khi thử kéo

Hình 2.15- Biểu đồ so sánh độ bền kéo với Air gap = 0 và các hướng khác nhau Độ bền kéo

Hình 2.16 - Biểu đồ so sánh độ bền kéo với Air gap =-0.003 inch và các hướng khác nhau

Hai biểu đồ cho thấy rằng độ bền kéo lớn nhất ở thông số hướng đùn Raster orientation

 Nghiên cứu của Vedansh Chaturvedi: 2009 [9]

Luận văn này nghiên cứu vật liệu nhựa ABS, tiến hành chế tạo mẫu và tiến hành phân tích thực nghiệm mẫu để đánh giá ảnh hưởng của năm thông số đến các thông số về độ bền ( độ bền kéo, độ bền uốn và độ bền nén ) là độ dày từng lớp –Layer thickness

(A), hướng tạo mẫu – Sample orientation (B), góc đùn- Raster angle (C), bề rộng của đường đùn- Raster with (D), khoảng cách giữa hai đường đùn – Air gap (E) Sau khi thực nghiệm, xác định phương trình thể hiện mối quan hệ giữa các thông số thực nghiệm và độ bền mẫu Đồng thời, tối ƣu các thông số để đạt đƣợc giá trị độ bền lớn nhất Độ bền kéo

Hình 2.17- Các thông số được đánh giá thực nghiệm

- Để tạo mẫu thực nghiệm , với mỗi thông số nghiên cứu , tác giả lựa chọn năm mức giá trị đƣợc thể hiện ở bảng sau :

Bảng 2.2 - Giá trị các thông số trong tạo mẫu thực nghiệm

Góc đùn Độ rộng đường đùn

Khoảng hở giữa hai đường đùn

- Mẫu thực nghiệm độ bền kéo :

Tác giả sử dụng mẫu theo tiêu chuẩn ISO R527: 1966 , với các kích thước như sau:

- Phương pháp và kết quả thực nghiệm :

Luận văn dùng phương pháp quy hoạch bậc hai quay đều với k= 5, E = ABCD , với số thực nghiệm N 2 Sau khi thực nghiệm kéo trên máy Instron 1195 thu đƣợc kết quả sau :

Hình 2.19 (a) Máy kiểm tra độ bền kéo (b) Mẫu sau khi kiểm tra kéo

Bảng 2.3- Kết quả thực nghiệm

- Sau khi tiến hành xử lý số liệu thực nghiệm bằng phần mềm MINITAB R14 , kết hợp với phân tích phương sai ANOVA đã đưa ra phương trình thể hiện mối quan hệ giữa độ bền kéo và các thông số ảnh hưởng

Bảng 2.4- Thông số tối ưu

Thông số đầu ra Mục tiêu Giá trị thông số đầu ra

Mức thông số đầu vào Độ bền kéo Maximum 17.76 MPa

 Bài nghiên cứu của Anoop Kumar Sood (2011) [6]

Trong bài luận văn này nghiên cứu các thông số tối ưu cho quy trình FDM Nghiên cứu các yếu tố cải tiến chất lượng sản phẩm mẫu ABS như : độ chính xác, độ nhám bề mặc, độ bền cơ học ( độ bền kéo, bền nén,độ bền tác động, độ bền uốn ) Năm thông số ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm là độ dày từng lớp(A), định hướng của chi tiết(B), góc đùn (C), bề rộng của mỗi lần đùn(D), khoảng cách giữa những lần đùn(E)

Các thông số đƣợc chọn ở các mức giá trị nhƣ bảng 2.5 :

Bảng 2.5- Thông số thực nghiệm

Kí hiệu Thấp (-) Giữa (0) Cao (+) Độ dày lớp

Góc đùn ( độ) C 0 0 30 0 60 0 Độ rộng đường đùn ( mm) D 0.4064 0.4564 0.5064

Bảng 2.6- Mô hình thực nghiệm

Luận văn sử dụng mẫu theo tiêu chuẩn ISO R527 :1966 Với các kích thước như hình ( đơn vị mm)

Khoảng cách giữa hai đường đùn ( mm)

T.5625 + 0.7156A - 1.3123B + 0.9760C + 0.5183E + 1.1671A 2 - 1.3014B 2 -0.4363AC + 0.4364AD - 0.4364AE + 0.4364BC + 0.4898BE - 0.5389CD + 0.5389CE - 0.5389DE

- Các thông số sau khi tối ưu hóa :

Bảng 2.7- Thông số tối ưu

Thông số đầu ra Mục tiêu Giá trị thông số đầu ra

Mức thông số đầu vào Độ bền kéo Maximum 16.34 MPa

 Bài nghiên cứu của Mahammad A J Alhubail(2012) [12]

Bài nghiên cứu này, nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của qui trình FDM để cải thiện mô hình chi tiết Bài báo cáo nghiên cứu sử dụng máy FDM với vật liệu nhựa ABS M30i Năm thông số ảnh hưởng chính đến đặc tính chi tiết là độ dày từng lớp, khoảng cách giữa những đường đùn, bề rộng đường đùn, bề rộng đường bao, và góc đùn Các đặc tính chi tiết cần nghiên cứu cải thiện là độ chính xác, độ nhám, độ bền kéo

Kết quả độ bền kéo sau khi tối ƣu là 37,51Mpa

Ngoài ra còn rất nhiều nhà nghiên cứu cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của những thông số công nghệ khác nhau đến chất lƣợng sản phẩm ứng với nhiều máy khác nhau.

Nhận xét và đánh giá 31

- Độ dày của lớp phụ thuộc vào loại đầu đùn và tốc độ đùn Mỗi lớp quá mỏng sẽ mất rất nhiều thời gian để tạo mẫu, nếu quá dày thì kích thước từng lớp sẽ không chính xác, dẫn đến sai số toàn bộ mẫu Giá trị lớn nhất là 0.33mm, nhỏ nhất là 0.1778mm [5]; giá trị lớn nhất là 0.254mm, nhỏ nhất là 0.127mm [8] Giá trị lớn nhất là 0.353mm, nhỏ nhất là 0.254 mm [9]

- Nhiệt độ đùn ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mẫu tạo thành Nhiệt độ quá cao vật liệu sẽ ở trạng thái chất lỏng, xuất hiện vữa, phá vỡ cấu trúc nguyên tử vật liệu làm cho bề mặt của các sợi ép đùn trước khi lớp vật liệu chưa được đông cứng thì lớp sau lại chồng lên dẫn đến tạo ra mẫu không chính xác Nhiệt độ quá thấp vật liệu sẽ thiên về trạng thái rắn, khó đùn, vật liệu khó kết dính, hình dạng mẫu sẽ bị sai lệch dẫn đến sai số Khảo sát các nghiên cứu đối với vật liệu ABS, giá trị lớn nhất là 290 0 C, giá trị nhỏ nhất là 200 0 C [4]

- Góc raster : Giá trị lớn nhất 45 0 , giá trị nhỏ nhất là 0 0 [5] ; giá trị lớn nhất 60 0 , giá trị nhỏ nhất là 0 0 [8], [13] ; giá trị lớn nhất 60 0 , giá trị nhỏ nhất là 0 0 [6]

- Bề rộng của đường đùn (raster width) phụ thuộc vào đường kính đầu đùn Giá trị lớn nhất là 0.4864 mm, nhỏ nhất là 0.4064 mm [6] ; giá trị lớn nhất là 0.5064mm, nhỏ nhất là 0,4064mm [8]; giá trị lớn nhất là 0.80mm, nhỏ nhất là 0.508mm [9]

- Khoảng cách giữa hai đường đùn (air gap) ảnh hưởng khá lớn đến độ chính xác kích thước, độ bền của sản phẩm Giá trị lớn nhất là 0.02mm, nhỏ nhất là -0.02mm [5]; giá trị lớn nhất là 0.008mm, nhỏ nhất là 0mm [6] ; giá trị lớn nhất là 0.008mm, nhỏ nhất là 0mm[8]; giá trị lớn nhất là 0 mm, nhỏ nhất là -0.01mm [9]

- Hướng tạo mẫu : Hướng tạo mẫu cũng ảnh hưởng không nhỏ đến chất lượng sản phẩm .Trong các luận văn đã khảo sát, giá trị lớn nhất là 30 0 , nhỏ nhất là 0 0 [8]; giá trị lớn nhất là 90 0 , nhỏ nhất là 45 0 [9]

Lựa chọn các yếu tố nghiên cứu 32

- Các nghiên cứu trên thế giới về sự ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng sản phẩm có nhiều Hàm mục tiêu là độ nhám bề mặt, độ chính xác kích thước, độ bền Các thông số thường được khảo sát về sự ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm tương đối đầy đủ là : tốc độ điền đầy (tốc độ di chuyển của đầu đùn), nhiệt độ đầu đùn, khoảng cách giữa hai đường đùn, hướng tạo mẫu

- Các nghiên cứu trên thế giới hầu hết thực nghiệm trên vật liệu ABS Do máy tạo mẫu là những máy công nghiệp nên có công suất lớn, khả năng hóa dẻo và đùn vật liệu tốt nên không gây tắc nghẽn đầu đùn Trong khi, máy tạo mẫu nhanh FDM trong nước hiện nay hầu hết là loại máy giá rẻ nên công suất không cao, thường bị tắc đầu đùn khi sử dụng vật liệu ABS

- Một số nghiên cứu trong nước chủ yếu khảo sát về quỹ đạo đầu đùn, nhiệt độ đầu đùn, vận tốc đùn mà chƣa khảo sát các thông số trong một lớp đùn nhƣ độ dày lớp, góc đường đùn Đây là hai yếu tố theo khảo sát thực tế có ảnh hưởng lớn đến độ bền của sản phẩm Do đó, bài nghiên cứu này tiến hành nghiên cứu khảo sát hai yếu tố trên với các mức giá trị thường được sử dụng trong quá trình tạo mẫu FDM

- Độ dày mỗi lớp (Layer thickness): là độ dày mỗi lớp đùn ra độ phụ thuộc nhiều vào đường kính đầu đùn và đường kính sợi vật liệu Ứng với mỗi giá trị của đường kính đầu đùn và sợi vật liệu thì sẽ có một giới hạn độ dày lớp riêng, không thể quá lớn so với đường kính sợi, thông số này rất quan trọng và ảnh hưởng rất trực tiếp đến chất lƣợng sản phẩm Trong luận văn này lựa chọn 4 mức giá trị của độ dày mỗi lớp là 0.1, 0.2, 0.25, 0.3 (mm)

Hình 2.22 Độ dày lớp (Layer Thickness)

- Góc đường đùn : ảnh hưởng rất lớn đến độ bền mẫu cũng như chất lượng mẫu tạo ra Thông thường khi tạo mẫu, tùy vào yêu cầu của mẫu cần cơ tính về độ bền kéo, độ bền nén hay độ bền uốn Ta tiến hành khảo sát các hướng đùn như sau :

Hình 2.23 Góc đường đùn ( a Góc đùn -45 0 /45 0 , b Góc đùn 0 0 /0 0 , c Góc đùn 90 0 /90 0 )

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 34

Mẫu thực nghiệm 34

Sau khi tham khảo các bài nghiên cứu liên quan, đƣa ra thiết kế mẫu cho thực nghiệm + Mẫu đƣợc thiết kế có các thông số theo tiêu chuẩn ASTM D638- 2a Các mẫu dùng cho thử nghiệm độ bền kéo là vật liệu nhựa Ở đây, dùng mẫu loại I với các kích thước :

L O = 115 (mm), D = 65(mm), L = 33 (mm), W O = 19 (mm), W = 13(mm), R = 40(mm) T 3.2 (mm)

+ Mẫu đƣợc thiết bằng phần mềm 3D Pro Engineer 5.0, sau đó mô hình CAD 3D phải đƣợc định dạng file STL, mà đƣợc nhận dạng bởi hầu hết các hệ thống tạo mẫu nhanh để chuyển đổi hiệu quả dữ liệu trước để bắt đầu qui trình xây dựng

Hình 3.1 Mô hình 3D của mẫu thiết kế bằng phần mềm Pro E 5.0

3.2.1 Thiết bị tạo mẫu : a) Máy tạo mẫu

Hình 3.2 Máy tạo mẫu nhanh Flashforge

- Vật liệu có thể gia công đùn (Printing Material) : ABS&PLA

- Đường kính sợi vật liệu 1.75mm

- Kích thước máy : 12.6 x 18.4 x 15 inches/ 320 X 467 X 381mm b) Phần mềm cắt lớp

Phần mềm được sử dụng trong suốt quá trình thử nghiệm là Slice3r Phần mềm này có khả năng xử lý khá linh hoạt cho quá trình cắt lớp, xác định quỹ đạo di chuyển của đầu đùn, chuyển dữ liệu sang file G-code và đổ vào phần mềm điều khiển dễ dàng.[16]

Hình 3.3 Giao diện làm việc

Ngoài ra phần mềm còn cho những chế độ hiệu chỉnh chi tiết như: xoay ,phóng to, thu nhỏ, nhân bản thành nhiều chi tiết để có thể đùn trong 1 lần Phần mềm cho phép hiệu chỉnh rất linh hoạt các giá trị thông số của máy : Góc đường đùn , độ dày lớp , tốc độ cấp liệu, vận tốc di chuyển trục x,y, nhiệt độ bàn máy, nhiệt độ đầu đùn , cách điền đầy…

Trong quá trình đo, thu thập số liệu, luận văn được sự hỗ trợ của khoa Công Nghệ Vật Liệu, thực nghiệm được đo trên máy Satec-Instron Đây là máy đo độ bền kéo loại nhỏ nên phù hợp với kích thước mẫu và vật liệu nhựa

Hình 3.4 Máy đo độ bền kéo Satec- Instron – khoa Công Nghệ Vật Liệu- Đại Học Bách Khoa

Hình 3.5 Gá đặt mẫu lên máy và kết quả đo

Khả năng đo dưới 150kN

Có hệ thống đo lực độc lập dùng cảm biến biến dạng có độ chính xác 0.5% giá trị đo xuống tới 1/250 khả năng đo của cảm biến lực

Có khoang chứa các miệng kẹp nằm trong đầu trượt và các bộ phận gá lắp miệng kẹp,có bộ phận khử khe hở nhằm hạn chế các "điểm chết" trong quá trình gia tải,các cột chịu lực mạ Crom có khắc rãnh,có bộ phận chống quay piston

 Bộ phận cung cấp thuỷ lực:

Thiết kế nằm trong khoang dưới của khung máy, tiết kiệm diện tích phòng thí nghiệm với độ ồn nhỏ hơn 70dB.Bơm và motor gắn liền trong thùng đựng dầu.Van tự xả dầu nhằm hạn chế quá áp Có đồng hồ đo mức dầu và nhiệt độ dầu.Có van tản nhiệt nhằm hạn chế toả nhiệt

Servo valve kiểu Moog với bộ lọc dầu

Thứ nguyên: Si, Metric, và US Customary Tốc độ thu thập số liệu: 500 Hz đồng bộ trên tất cả các kênh, với tốc độ lấy mẫu đồng bộ là 40kHz

Tốc độ điều chỉnh khoảng mở 380 mm/phút Tốc độ thử tối đa 76 mm/phút

Khoảng mở thử kéo điều chỉnh được từ 77 đến 889 mm Khoảng mở ngang 381 mm

Hành trình piston 152 mm Kích thước mâm trượt 355 mm x 355 mm

 Bộ má kẹp dạng nêm:

Bộ 4 má kẹp dạng nêm, có khía rãnh nhám, dùng cho mẫu tròn có đường kính từ 5 mm đến 13 mm, đường kính từ 12 mm đến 32 mm, dùng cho mẫu dẹt dày từ 0 - 25 mm, rộng 50 mm

Bộ gá thử uốn dành cho mẫu dày tối đa 1/4 inch Mặt phẳng thử nén có đường kính: 162mm

Phần mềm Instron Bluehill 3, bao gồm các chương trình phần mềm: Cho cả 3 phép thử kéo, nén, uốn

Phần mềm Instron Bluehill 3 sử dụng hệ điều hành Windows với giao diện graphic Phần mềm cơ bản cung cấp khả năng đo lường chỉ tiêu sức bền vật liệu, điều khiển phép thử, tạo báo cáo kết quả Phần mềm có khả năng hiển thị số liệu tức thời tới tối đa 4 giá trị và các tiện ích tạo đồ thị và bảng biểu

3.3.1 Yêu cầu đối với vật liệu tạo mẫu trong công nghệ FDM

- Khả năng hóa dẻo: là khả năng biến đổi trạng thái từ dạng rắn sang dạng chảy dẻo dưới tác dụng của nhiệt độ cao Khả năng này giúp ta có thể dễ dàng định hình vật liệu và điều phối thể tích vật liệu theo ý muốn Điều này mang tính quyết định trong việc hình thành chiều dày lớp tạo hình, thông qua đó sẽ quyết định khả năng thích ứng biên dạng của công nghệ tạo mẫu đối với những vật thể có biên dạng hình học phức tạp

- Thời gian đông cứng: sau khi đƣợc gia nhiệt và định hình theo ý muốn thì vật liệu sẽ tiếp xúc với môi trường không khí ở nhiệt độ phòng, khi đó vật liệu phải đông cứng trở lại Thời gian đông cứng của vật liệu phải thật nhanh, thường phải thấp hơn 10s Tính đông cứng này giúp vật liệu có độ cứng vững cần thiết sau mỗi lớp mỏng tạo hình cho đối tƣợng tạo mẫu, điều này có ý nghĩa quan trọng đối với độ chính xác về mặt hình dáng hình học sau cùng của đối tƣợng tạo mẫu

- Khả năng liên kết: chính là khả năng kết dính bề mặt của 2 lớp vật liệu mỏng liền kề nhau trong quá trình tạo mẫu, 2 lớp vật liệu này có thể ở 2 nhiệt độ khác nhau, 2 trạng thái vật lý khác nhau Tính chất này mang ý nghĩa quan trọng đối với cơ tính, độ cứng vững của sản phẩm tạo hình khi hoàn thành

- Độ nhớt của vật liệu: độ nhớt của vật liệu sẽ quyết định khả năng di chuyển của dòng vật liệu khi ở trạng thái chảy dẻo dưới tác dụng của nhiệt độ Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định mức độ lực cần thiết để đẩy dòng vật liệu với một tốc độ xác định trước, do đó nó sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc và kích thước cụm đầu đùn vật liệu của máy tạo mẫu nhanh Trong thực nghiệm này ta chọn vật liệu tạo mẫu là nhựa ABS ( Acrylon Butadiene Styrene )

3.3.2 Nhựa ABS [16], [17] Đƣợc trùng hợp từ 3 loại monomer: acrylonitrile, butadiene và styrene; kết hợp đƣợc tính chất của mỗi loại monomer thành phần là tính chất kháng hóa chất, ổn định nhiệt của acrylonitrile, tính dai và tính bền va đập của butadiene và khả năng dễ gia công, độ cứng của stryrene; trong đó monomer styrene chiếm hơn 50% ABS cứng, rắn nhƣng không giòn, cân bằng tốt giữa độ bền kéo, va đập, độ cứng bề mặt, độ rắn, độ chịu nhiệt, các tính chất ở nhiệt độ thấp và các đặc tính về điện trong khi giá cả tương đối thấp Các đặc điểm của nhựa ABS được trình bày trong bảng dưới đây