Luận văn thạc sĩ Công nghệ chế tạo máy: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đầu đùn tạo mẫu nhanh cho máy FDM

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh a Khái niệm công nghệ tạo mẫu nhanh Công nghệ tạo mẫu nhanh R

Tổng quan về đề tài nghiên cứu

Tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh

Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid prototyping technology): là thuật ngữ chung dùng để diễn tả công nghệ liên quan đến việc chế tạo vật thể một cách tự động từ nguồn dữ liệu được thiết kế trên máy tính, bằng phương pháp đắp dần vật liệu theo từng lớp để hình thành nên vật thể 3D với tốc độ nhanh hơn nhiều so với phương pháp thông thường Công nghệ tạo mẫu nhanh sẽ làm giảm thời gian chế tạo sản phẩm cách đáng kể

Khác với công nghệ truyền thống là hớt bớt vật liệu đi, bản chất của công nghệ tạo mẫu nhanh là tạo hình và gia công các mô hình, các chi tiết sản phẩm trên cơ sở bồi đắp và dính kết vật liệu từng lớp với nhau (add and bone materials) bằng các phương pháp như xử lý nhiệt, quang; cắt dán; nóng chảy & đông đặc v.v…

Hình 1.1: Nguyên lý tạo sản phẩm của công nghệ tạo mẫu nhanh

Quá trình này nhờ các thiết bị RP như những máy in ba chiều cho phép người thiết chuyển những dữ liệu CAD 3D thành những mẫu thực một cách nhanh chóng

Tùy thuộc vào kích thước và độ phức tạp của mẫu mà thời gian để tạo ra một mẫu mới mất khoảng từ 3 – 72 giờ, thậm chí ít hơn Như vậy so với việc tạo mẫu bằng

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 8 máy truyền thống thường mất từ nhiều tuần đến nhiều tháng thì việc tạo mẫu bằng RP nhanh hơn rất nhiều Do mất ít thời gian nên RP giúp cho nhà sản xuất nhanh chóng đưa sản phẩm ra thị trường và giảm chi phí sản xuất Đó cũng là ưu điểm nổi bật của quá trình tạo mẫu nhanh

Tuy chỉ mới chính thức ra đời từ khoảng từ năm 1998, nhưng công nghệ tạo mẫu nhanh đang là mục tiêu nghiên cứu và ứng dụng trong ngành cơ khí công nghệ cao, cho phép tạo nhanh các sản phẩm công nghiệp: chế tạo khuôn nhanh (rapid tooling) bằng nhiều loại vật liệu khác nhau như vật liệu lỏng quang hóa (photopolimer), vật liệu rắn (giấy, gỗ…), sứ, kim loại, đặc biệt là trong công nghệ tạo mẫu đế giày, tạo ra các tượng mỹ nghệ trong ngành kim hoàn, tạo khuôn mẫu cho ngành nhựa với kích thước lớn nhỏ khác nhau, ứng dụng trong các ngành sản xuất chế tạo ô tô, xe máy, điện dân dụng, máy điều hòa nhiệt độ, vỏ ti vi, máy nông nghiệp, với hiệu quả kinh tế rất lớn b) Phân loại công nghệ tạo mẫu nhanh

Lịch sử của công nghệ tạo mẫu nhanh được đánh dấu bằng sáng chế của Hull vào năm 1984 về Thiết bị tạo hình lập thể (StereoLithography Aparatus – SLA), được công nhận vào năm 1986 và thương mại hóa bởi công ty 3D System vào năm 1988

Sau khi được thương mại hóa vào năm 1988, 34 hệ thống đã được cung cấp vào năm 1988 và theo báo cáo tổng kết của Hiệp hội Tạo mẫu nhanh thế giới do Wohler làm chủ tịch, tính đến năm 2001, đã có khoảng 8000 hệ thống tạo mẫu nhanh được trang bị cho 53 nước trên thế giới Từ một phương pháp tạo hình lập thể SLA, chỉ sau gần hai chục năm, đã có khoảng 30 phương pháp tạo mẫu nhanh khác nhau

Do có nhiều phương diện sản xuất nên hình thành nhiều loại hệ thống tạo mẫu nhanh trên thị trường, để phân loại một cách bao quát các hệ thống tạo mẫu nhanh là dựa trên cơ sở vật liệu tạo mẫu Qua đó tất cả các hệ thống tạo mẫu nhanh có thể dễ dàng phân thành ba loại:

- Dựa trên cơ sở vật liệu dạng lỏng

- Dựa trên cơ sở vật liệu dạng khối

- Dựa trên cơ sở vật liệu dạng bột b.1) Dựa trên cơ sở vật liệu dạng lỏng :

Hệ thống tạo mẫu nhanh sử dụng vật liệu dạng lỏng bắt đầu với vật liệu ở trạng thái lỏng, sau đó trải qua quá trình lưu hóa để chuyển vật liệu từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn Trong số các hệ thống này, phương pháp SLA (Stereo Lithography Apparatus) được sử dụng phổ biến nhất.

Phương pháp SLA dựa vào nguyên tắc đông cứng vật liệu lỏng thành dạng rắn khi nó được chiếu bởi một chùm tia laser cường độ cao Có thể sử dụng laser He-Cd với bước sóng 325nm hoặc laser rắn Nd:YVO4 với bước sóng 354,7nm Một thùng chứa đầy dung dịch lỏng là hỗn hợp của các monome acrylic, các oligome và photoinitiator Trong thùng có bệ đỡ (bàn gá) có thể nâng hạ được Khi bệ đỡ ở vị trí

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 9 cao nhất thì trên bệ đỡ là một lớp chất lỏng mỏng Máy phát laser phát ra chùm tia cực tím tập trung trên một diện tích của dung dịch và di chuyển theo hướng X-Y

Chùm tia cực tím làm đông phần dung dịch được chiếu sáng Sau đó bệ đỡ được hạ xuống một lượng vừa đủ để một lượng chất lỏng phủ lên phần vật liệu đã đông đặc và quá trình được lặp lại Quá trình tiếp diễn cho đến khi đạt hình dạng 3D cho sản phẩm Sau khi lấy chi tiết ra khỏi hệ thống SLA, chi tiết phải trải qua quá trình hậu xử lý (post-processing) để làm sạch sản phẩm

Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động của phương pháp SLA

Ngoài SLA, phương pháp tạo mẫu nhanh dựa trên nền tảng chất lỏng còn bao gồm nhiều kỹ thuật khác như: SOUP (Solid Object Utraviolet-laser Plotter) của Misuibishi sử dụng tia tử ngoại để tạo vật thể dạng khối, điêu khắc bằng ánh sáng (Light Scupting) và thiết bị hai chùm tia laser (Two Laser Beam).

Các hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu cơ bản dạng khối có liên quan đến tất cả các hình thức vật liệu dạng khối bao gồm các dạng: dây, cuộn, dát mỏng và dạng viên Phổ biến nhất dạng này là phương pháp LOM (Laminated Object Manufacturing) sử dụng vật liệu dạng tấm Trong phương pháp LOM, thiết bị nâng (đế) ở vị trí cao nhất cách con lăn nhiệt một khoảng bằng đúng độ dày của lớp vật liệu, tiếp theo con lăn nhiệt sẽ cán lớp vật liệu này, dưới bề mặt của vật liệu có chất kết dính nên khi được ép và gia nhiệt bởi trục lăn nó sẽ giúp lớp này liên kết với lớp trước Hệ thống quang học sẽ đưa tia laser đến để cắt vật liệu theo hình dạng hình học của mô hình đã tạo từ CAD Vật liệu được cắt bởi tia laser theo đường viền của mặt cắt Phần vật liệu dư sẽ được thu hồi bằng con lăn hồi liệu Sau đó đế hạ xuống cấu nâng hạ xuống thấp và quá trình được lặp lại cho đến khi hoàn thành sản phẩm

Tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

Năm 1989, công nghệ FDM được sáng chế bởi S Scott Crump, ông là cha đẻ của công nghệ FDM – công nghệ đùn vật liệu, công nghệ này được ông đưa vào thương mại hóa năm 1992 bởi Stratasys Inc (patent số 5121329) Ông lấy ý tưởng từ việc sử dụng “súng bắn keo” thành từng lớp để làm mô hình con ếch đồ chơi cho con gái Sau đó Scott và vợ Lisa Crump tiếp tục nghiên cứu và dần hình thành ý tưởng tạo mô hình 3D bằng việc liên kết các lớp 2D bằng keo Dưới đây là hình ảnh những ý tưởng trong patent đầu tiên của ông về FDM [1] (Patent US 5121329) hình 1.6, hình 1.7

Hình 1.6: Sơ đồ các bước tạo ra sản phẩm của FDM

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 14

Hình 1.7: Mẫu máy tạo mẫu nhanh FDM đầu tiên b) Nguyên lý hoạt động của máy tạo mẫu nhanh FDM :

Máy tạo mẫu nhanh FDM hoạt động hoạt động trên nguyên tắc “đùn vật liệu” bằng cách ép xuống từng lớp vật liệu Vật liệu sau khi vào máy sẽ được gia nhiệt bởi đầu đùn Và đầu đùn này có thể di chuyển trong cả hai hướng ngang và dọc (XY) theo một cơ chế kiểm soát lượng vật liệu, trực tiếp điều khiển bởi một máy tính hỗ trợ Vật liệu chảy dẻo sau khi gia nhiệt được đùn ra ngoài hình thành các lớp vật liệu và vật liệu cứng lại ngay lập tức sau khi phun ra từ vòi phun Động cơ bước hoặc động cơ servo thường được sử dụng để di chuyển đầu phun Vật liệu dạng sợi dẻo được trải lên mặt nền theo đúng biên dạng mặt cắt của mẫu, theo từng lớp có chiều dày bằng chiều dày lớp cắt Tấm đế được duy trì ở nhiệt độ thấp hơn, để cho nhựa nhiệt dẻo hóa cứng nhanh Sau đó, tấm đế hạ xuống, đầu đùn tạo lớp thứ hai nằm trên lớp thứ nhất Cứ thế quá trình lặp lại cho đến khi hoàn thiện sản phẩm Hình 1.8 mô tả nguyên lý tạo mẫu nhanh FDM

Để đùn vật liệu trong quá trình tạo mẫu nhanh, vật liệu phải đáp ứng các yêu cầu sau: chảy dẻo khi gia nhiệt, đông cứng khi hết gia nhiệt, đạt độ bền và độ cứng nhất định Các vật liệu thường dùng là ABS và PLA dạng sợi 3mm, trong đó máy tạo mẫu nhanh FDM đa phần sử dụng ABS và PLA.

Hình 1.8: Nguyên lý tạo mẫu nhanh FDM

Trong quá trình tạo mẫu bằng công nghệ FDM thường có 2 đầu đùn cùng làm việc Một đầu đùn vật liệu nhựa để tạo sản phẩm Đầu còn lại đùn vật liệu phụ trợ, để hỗ trợ các phần nhô ra hoặc phần cách ly của các chi tiết FDM đòi hỏi trợ giúp trong quá trình xây dựng Vật liệu phụ trợ sẽ được loại bỏ khi quá trình kết thúc Vật liệu phụ trợ tan trong nước có thể bị hoà tan trong một bể hậu xử lý

Hình 1.9:Mặt cắt ngang của 1 lớp vật thể c) Đặc điểm của tạo mẫu nhanh theo công nghê FDM Ưu điểm:

Tạo sản phẩm với tốc độ nhanh và giá thành của máy rẻ hơn so với các công nghệ tạo mẫu nhanh sử dụng tia lazer, thiết bị không quá phức tạp, dễ bảo trì

Nâng cao khả năng chế tạo các sản phẩm 3D phức tạp và tính linh hoạt trong việc đáp ứng của sản phẩm

Tạo ra các mẫu có chất lượng cao và đảm bảo đến 85% tính chất của vật liệu được sử dụng

Các vật liệu được 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

Vật liệu dễ tìm, nhiều kích thước và đa dạng khác nhau, giá vật liệu luôn duy trì ở mức tương đối thấp nên có thể linh hoạt trong việc lựa chọn và thay đổi vật liệu

Dễ dàng loại bỏ vật liệu đỡ

Là công ty tiên phong trong lĩnh vực phát triển vật liệu nhựa nhiệt dẻo, với công nghệ sản xuất hiện đại, tiên tiến, L.T Composite đã ứng dụng thành công công nghệ tái chế nhựa nhiệt dẻo vào sản xuất, đưa các loại nhựa có thể tái chế như PP, ABS, PC, POM, PA6, PA66, PBT, PPS, PEEK… vào quá trình tái sinh, sử dụng lại Trong quá trình tạo mẫu sản phẩm, sẽ có một số mẫu không đạt yêu cầu do ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài, các mẫu dùng để đo đạt trong các thí nghiệm đo độ bền như kéo, nén, chịu va đập,… và các nhựa bị loại bỏ từ mẫu sản phẩm sau quá trình hậu sử lý mẫu,… sẽ được thu gom và tái chế, đưa lại vào hệ thống sản xuất, tạo ra các sản phẩm mới.

Tạo được nhiều kích cỡ mẫu phù hợp và tạo ra một kênh thông tin hiệu quả giữa các bộ phận có liên quan

Ngày nay công nghệ FDM là một hệ thống sản xuất có tính thương mại đứng thứ hai trên thế giới

Nhược điểm của phương pháp đùn sợi là độ chính xác về hình dạng sản phẩm bị hạn chế do phụ thuộc vào đường kính vòi đùn và đường kính sợi vật liệu sau khi đùn.

Bề mặt mẫu tạo ra có độ nhám cao do nguyên tắc gia công theo lớp, đặc biệt là những nơi có độ dốc, Có đường phân giới giữa các lớp

Khó có thể tự động khi thay đổi loại vật liệu do phải điều khiển nhiệt độ đùn thay đổi phù hợp với các loại vật liệu khác nhau

Khó dự đoán trước độ co ngót vật liệu Ứng dụng của công nghệ FDM:

Công nghệ FDM có nhiều ứng dụng quan trọng trong các nghành công nghiệp như sản xuất ra các chi tiết, thiết bị bằng nhựa có độ bền cao và nhanh chóng được sử dụng trong công nghiệp hiện nay

Công nghệ FDM có thể được sử dụng cho chế tạo sản phẩm Tạo mẫu nhanh cho một mô hình vật lý có thể sử dụng được ngay như là một mô hình CAD 3D có sẵn Các vật thể chế tạo bằng công nghệ FDM ngày càng được sử dụng thường xuyên để kiểm tra chức năng và có thể kiểm tra trước khi sản xuất hàng loạt Bằng cách đó người ta có thể kịp thời phát hiện các lỗi ở giai đoạn khi mà sự thay đổi chưa tốn kém lắm Những yêu cầu tinh tế và dễ hiểu hơn dẫn tới những sản phẩm tốt hơn, đáp ứng được đòi hỏi của thị trường Ứng dụng quan trọng trong y học: Việc sử dụng công nghệ FDM trong y học là một bước chuyển biến lớn, đã tạo thành công mẫu sọ người đầu tiên bằng công

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 17 nghệ đùn vật liệu và một số chi tiết mô phỏng các bộ phận của con người được minh họa trong hình 1.10

Mẫu chính cho công cụ: Mô hình có thể sử dụng như mẫu cho quá trình đúc khuôn, đúc khuôn cát và đúc khuôn lắng đọng

Ngoài ra công nghệ FDM còn được ứng dụng rộng rãi trong một số nghành, lĩnh vực khác như: kiến trúc, xây dựng, quân sự, và cả ứng dụng trong lĩnh vực không gian, hàng không, vũ trụ… Các ứng dụng này được minh họa trong hình 1.11 d) Tình hình nghiên cứu và sử dụng máy FDM trên thế giới

Sự tăng trưởng của phương pháp tạo mẫu nhanh được thể hiện qua đồ thị trên hình 1.12 [2].Từ giữa năm 2003 số hệ thống tạo mẫu nhanh được phân phối tăng rất nhanh, thể hiện sự thích ứng của phương pháp này với các ngành công nghiệp trên thế giới Các công nghệ tạo mẫu nhanh khác nhau, với các tính chất đặc trưng đã và đang được ứng dụng, phục vụ hiệu quả cho hầu hết các ngành công nghiệp, hiệu quả

Hình 1.10: Mẫu ứng dụng trong y học (các khớp xương người)

Hình 1.11: Ứng dụng trong kiến trúc và xây dựng

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 18 nhất là lĩnh vực thiết kế ô tô (31,7%), tạo dáng công nghiệp, tạo mẫu thí nghiệm (17%)

Hình 1.12:Đồ thị tăng trưởng số lượng hệ thống tạo mẫu nhanh trên thế giới

Trong đó, FDM-công nghệ đùn với các đặc tính, ưu điểm riêng cũng dần có được vị trí trên thị trường (chiếm 9%) FDM là công nghệ có nhiều tiềm năng như : giá thành thấp, thiết bị không quá phức tạp, không cần nguồn laser, vật liệu đa dạng…

Tính cấp thiết của đề tài

Theo báo cáo đánh giá (năm 2008) của hiệp hội tạo mẫu nhanh thế giới, FDM sẽ là 1 trong 10 công nghệ quan trọng trên thế giới đến năm 2020 Chính vì thế nước ta cũng phải chú trọng phát triển công nghệ này để có thể bắt kịp tốc độ phát triển khoa học công nghệ của thế giới Các sản phẩm thương mại FDM trên thị trường có giá rất cao trong khi nước ta còn nghèo Do đó việc chế tạo máy FDM công nghiệp này sẽ giải quyết được vấn đề giá cả, đồng thời xa hơn là có thể cạnh tranh được với các máy FDM thương mại đã có trên thị trường thế giới

Doanh nghiệp Việt Nam đang đứng trước thách thức lớn trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa diễn ra mạnh mẽ Để đáp ứng nhu cầu cạnh tranh, việc nắm bắt mô hình 3D của sản phẩm là vô cùng cần thiết Mô hình 3D chính xác và nhanh chóng đóng vai trò quan trọng trong quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, kiểm tra sản phẩm và hỗ trợ cho quá trình tự động hóa sản xuất.

Ngoài ra, cùng với sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh, hiện nay các trường đại học trong nước và trên thế giới cũng đã đưa môn học tạo mẫu nhanh vào trong chương trình giảng dạy, các phòng thí nghiệm trang bị về công nghệ tạo mẫu nhanh mở ra ngày càng nhiều để giúp các sinh viên chuyên nghành đi học tập và thực nghiệm

Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế hệ thống đầu đùn cho máy tạo mẫu nhanh FDM và đưa vào ứng dụng trong thực tiễn là quan trọng và có ý nghĩa thiết thực đối với các ngành công nghiệp và giáo dục nước nhà trong bối cảnh hiện nay Sử dụng máy tạo mẫu nhanh FDM để mô hình hóa vật thể giúp giảm thời gian chế tạo rất nhiều, đơn giản hóa quy trình công nghệ, chế tạo nhanh sản phẩm dưới dạng các bản vẽ thiết kế có sẵn phục vụ cho quá trình tối ưu hóa sản phẩm, kiểm tra chất lượng trước khi sản xuất hàng loạt hoặc dùng cho hệ thống khuôn đúc Máy FDM cũng là nền tảng để tăng khả năng tự động hóa cho các công đoạn sản xuất khác của các ngành công nghiệp, đáp ứng sự linh hoạt và khả năng phát triển của sản phẩm, giảm chi phí sản xuất, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

Mục tiêu luận văn

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu thiết kế hệ thống đầu đùn kép cho máy tạo mẫu nhanh FDM, ứng dụng các kết quả thu được vào việc chế tạo sản phẩm bằng công nghệ tạo mẫu nhanh FDM, góp phần phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh hơn nữa vào phục vụ trong sản xuất công nghiệp.

Nội dung thực hiện

Để đạt được mục tiêu đề ra, luận văn cần thực hiện các nội dung sau:

Nghiên cứu tổng quan về các hệ thống đầu đùn vật liệu trong công nghệ tạo mẫu nhanh

Thiết kế sơ đồ nguyên lý của hệ thống đầu đùn kép cho máy tạo mẫu nhanh FDM

Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống đầu đùn kép phù hợp với máy tạo mẫu nhanh FDM

Chế tạo đầu đùn kép và thực nghiệm hoạt động của hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở tham khảo các patent, các nghiên cứu khoa học có liên quan đến hệ thống đầu đùn vật liệu trong nước và trên thế giới, trên cơ sở đó nghiên cứu hệ thống đầu đùn kép

Trên cơ sở các tài liệu đã nghiên cứu về các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu nhựa

Trên cơ sở lý thuyết, các tính toán thiết kế của các hệ thống đầu đùn các loại vật liệu khác nhau.

Ý nghĩa khoa học của luận văn

Áp dụng các phương pháp nghiên cứu khoa học kết hợp với các công nghệ hiện đại để thiết kế hệ thống đầu đùn kép cho máy tạo mẫu nhanh FDM, đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật và các ứng dụng đề ra

Nghiên cứu này góp phần làm tăng khả năng nghiên cứu về các công nghệ tạo mẫu nhanh hiện nay ở nước ta mà đặc biệt là các nghiên cứu về sử dụng đầu đùn để tạo ra sản phẩm 3D với thời gian ngắn và chất lượng cao, đồng thời cũng là tài liệu phục vụ cho quá trình nghiên cứu sau này với các vấn đề có liên quan.

Ý nghĩa thực tiễn của luận văn

Hệ thống đầu đùn kép cho máy tạo mẫu nhanh FDM sẽ được đưa vào ứng dụng trong thực tiễn, sẽ hỗ trợ tích cực cho quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo sản phẩm, đặc biệt là ứng dụng trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh, sản xuất nhanh các sản phẩm 3D với hình dáng phức tạp.

Các kết quả đạt được của luận văn

Kết quả đạt được của luận văn bao gồm:

Thuyết minh của luận văn

Thiết kế và chế tạo hệ thống đầu đùn kép

Thực nghiệm hoạt động của hệ thống và đưa ra các kết quả

Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế đầu đùn kép

Nguyên lý hoạt động của đầu đùn

Nguyên lý hoạt động của đầu đùn máy tạo mẫu nhanh FDM được minh họa như hình 2.1 Sợi vật liệu từ cuộn dây được điều khiển đi qua hệ thống các con lăn, được con lăn k ẹp và đưa vật liệu xuống phần gia nhiệt Vật liệu đi vào đầu gia nhiệt, nhiệt sẽ làm nóng chảy vật liệu Vật liệu nóng chảy sẽ đi vào đầu phun và được phun lên tấm đỡ mẫu theo đúng biên dạng mặt cắt của mẫu có chiều dày bằng chiều dày lớp cắt trên máy tính Vật liệu dẻo liên kết theo từng lớp Quá trình được lặp lại cho đến khi hoàn thành mẫu

Dựa trên nguyên lý này hiện nay trên thế giới đã có những nghiên cứu chế tạo đầu đùn thành công, tiêu biểu như các tác giả S Scott Crump, James W Comb, John Samuel Batchelder, Danforth,…

Hình 2.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống đầu đùn FDM

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 25 a) Thiết kế đầu đùn của James W Comb

Theo sáng chế của James W Comb năm 2001 [5] (patent US 6547995) hình 2.2 đầu đùn vật liệu dạng sợi có cấu tạo như hình theo thiết kế này thì vật liệu dạng sợi được đưa vào đầu gia nhiệt để nung chảy bằng cách sử dụng 2 con lăn, một con lăn chủ động gắn gới động cơ và một con lăn bị động có nhiệm vụ ép chặt vật liệu để đẩy sợi vật liệu vào trong buồng gia nhiệt và cũng làm nhiệm vụ đẩy vật liệu nóng chảy từ buồng gia nhiệt ra khỏi vòi đùn để tạo hình sản phẩm Phần ống dẫn có thành ống có lực ma sát thấp tạo điều kiện cho vật liệu di chuyển dễ dàng, đường kính vừa đủ để vật liệu đi qua

Hình 2.2: Thiết kế đầu đùn của Jame W Comb (patent US 6547995)

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 26 b) Thiết kế đầu đùn của John Samuel Batchelder

Nhà sáng chế John Samuel Batchelder: sáng chế ra đời năm 1998 [6] đã được công bố trên patent số 5,764,521 và được thương mại hóa bởi Stratasyst, Inc Sáng chế này giới thiệu về phương pháp và thiết bị tạo nên vật thể 3D trong công nghệ FDM (Hình 2.3)

Vật liệu dạng dây được sử dụng trong đâu đầu phun là nhựa nhiệt dẻo có đường kích là 1,778 mm (0,07inch) được đẩy tịnh tiến thông qua một hệ thống chuyển động 302 Hệ thống chuyển động 302 bao gồm các đai răng 304, puly 306 và tấm tạo lực ép 308, động cơ 301, và bộ mã hóa encoder 312 ghi nhận chuyển động của động thông qua chuyển động của của các puly Động cơ 310 truyền chuyển động đến các đai răng 304 thông qua các puly 306 Các đai răng 304 được điều chỉnh khoảng cách thông qua điều chỉnh khoảng cách các puly và lực ép của tấm 308 để tạo nên ma sát với vật liệu dạng dây 314 Chuyển động của các đai răng đẩy vật liệu dạng dây 314 vào bộ phận gia nhiệt 318 thông qua một chi tiết 316 (chi tiết 316 có dạng hình chữ nhật), đây là giai đoạn tạo áp suất phun đầu tiên của hệ thống đầu phun Vật liệu tồn tại trong bộ phận gia nhiệt 318 ở trạng thái lỏng và được chảy qua vùng 320

Vật liệu lỏng dưới áp suất cao được phun ra ngoài thông qua miệng phun 340, thực quá trình phun của đầu phun

Hệ thống đầu đùn được sử dụng dựa trên sự cải thiện quá trình đùn bao gồm một hoặc nhiều đầu đùn vật liệu để tạo nên các lớp vật liệu của vật thể, mỗi đầu đùn có ít nhất hai giai đoạn tăng áp Giai đoạn đầu tiên của áp được tạo ra bởi quá trình cung cấp vật liệu đầu vào và các chuyển động của vật liệu nhựa nhiệt dẻo trong quá trình gia nhiệt, điều khiển áp thông qua một thiết bị biến đổi áp nhằm đảm bảo dòng chảy vật liệu liên tục trong quá trình đùn Đầu đùn dùng để biến đổi áp suất và tốc độ dòng chảy của vật liệu, cung cấp một luồng áp lực đẩy vật liệu trong trạng thái chất lỏng ra ngoài tạo lớp vật liệu đông đặc để tạo một đối tượng ba chiều trong mô hình nhiều lớp vật liệu được lắng đọng

Hình 2.3: Thiết kế đầu đùn của John Samuel

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 27 c) Thiết kế đầu đùn của Danforth Đầu đùn của nhà sáng chế Danforth [8] và các cộng sự đã phát minh năm 1999, đã được công bố trên patent số US 5900207 và được thương mại hóa bởi Stratasyst, Inc (hình 2.4)

Vật liệu dạng dây 10 được đưa vào hệ thông đầu phun 14 thông qua các con lăn dẫn động 44, các con lăn dẫn động 44 được liên kết chuyển động với nhau thông qua chuyển động của dây curoa 46 Động cơ 48 truyền chuyển động tới các con lăn, đưa vật liệu dạng dây 10 vào đầu phun 36 Đầu phun 36 được gia nhiệt thông qua thiết bị gia nhiệt 41 Vật liệu dạng dây ở trạng thái rắn chạy qua môi trường đầu phun có nhiệt độ cao, chuyển đổi dần từ trạng thái rắn sang trạng thái dẻo lỏng, tốc độ của vật liệu dạng dây được điều khiển bởi động cơ 48, phần vật liệu dạng dây chưa đi vào đầu phun ở trạng thái rắn hoạt động giống như một pit tông, đẩy vật liệu ở trạng thái dẻo lỏng trong đầu phun 36 ra khỏi miệng phun 40 để tạo thành các lớp của chi tiết

Hình 2.4: Thiết kế đầu đùn của Danforth (patent US5900207) d) Thiết kế đầu đùn của S Scott Crump

Nhà sáng chế S Scott Crump [9]: sáng chế đầu đùn kép ra đời năm 1996 đã được công bố trên patent số US5503785 và được thương mại hóa bởi Stratasyst, Inc

Hệ thống đầu phun kép được gắn trên bộ phận giao tiếp 4 Bộ phận giao tiếp 4 mang đầu phun 2 di chuyển theo theo hai trục X,Y, (theo hình 2.5 với sự dẫn hướng

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 28 của trục vít 6, đầu phun di chuyển theo chiều Y) Trục vít 6 được truyền chuyển động từ động cơ (thường động cơ bước)

Hệ thống đầu phun kép gồm có một đầu phun vật liệu chính và một đầu phun vật liệu hỗ trợ nâng đỡ cho sản phẩm

Hình 2.5: Đầu đùn kép của S Scott Crump (patent US5503785)

Cơ cấu phun vật liệu chính gồm có ống gia nhiệt 8, ống gia nhiệt 8 dùng để gia nhiệt cho vật liệu chính thông qua bộ phận gia nhiệt 10, bộ phận gia nhiệt 10 là các sợi dây được quấn quanh ống gia nhiệt 8 Vật liệu được đưa vào ống gia nhiệt ở trạng thái rắn, được gia nhiệt trở thành trạng thái dẻo lỏng và được phun bởi đầu phun 12 thông qua miệng phun 14 Ống gia nhiệt 8 có một cái nắp đậy 16, nắp đậy 16 được siết ren với vòng 18 Nắp đậy 16 và vòng 18 được định vị bởi cái chốt 20 Chuyển động của pit tông 26 được điều khiển bởi một chương trình phần nềm trên máy tính, thông qua đó nâng hoặc hạ cái miệng phun 14

Hai cơ cấu phun vật liệu chính và vật liệu hỗ trợ về cơ bản là hoạt động một cách độc lập về mặt cơ khí Vật liệu dạng dây được được ống gia nhiệt ở trạng thái rắn và được phun ra khỏi đầu phun ở trạng thái lỏng, trạng thái lỏng của vật liệu gặp môi trường bên ngoài nhanh chóng trở về trang thái dẻo rắn trước khi được phun tới bàn làm việc để thực hiện quá trình tạo lớp của đầu phun, hình thành chi tiết như mô hình đã thiết kế trên máy tính Đầu phun này được ứng dụng cho máy FDM 3000 Mày FDM 3000 đã có nghiên cứu để phun được vật liệu kết hợp nhựa ABS và kin loại (Với 90% ABS và 10% bột kim loại)

Phân tích thiết kế đầu đùn kép

Ngày nay đi đôi với sự phát triển của các ngành công nghiệp đòi hỏi các mẫu thiết kế ngày càng có hình dáng phức tạp hơn, đối với những vật thể 3D có hình dáng phức tạp hoặc có các phần rỗng thì đầu đùn sẽ phun thêm các vật liệu đỡ để tạo ra các bộ phận đỡ nhằm hỗ trợ các vật liệu tạo mẫu liên kết để hoàn chỉnh mẫu Sự ra đời của đầu đùn kép đã giúp hoàn thiện quá trình trên một cách liên tục và chính xác, quá trình tạo mẫu phức tạp không bị gián đoạn, giảm thời gian tạo mẫu

Sự xuất hiện của đầu đùn kép là khá mới nên hiện nay các máy FDM sử dụng đầu đùn kép vẫn còn đang trong quá trình nghiên cứu và phát triển, tuy có nhiều dạng kết cấu khác nhau đã được phát minh nhưng về cơ bản các máy FDM sử dụng đầu đùn kép có các thành phần cơ bản như: hệ thống điều khiển trung tâm, hệ thống cấp vật liệu kép, cụm đầu đùn kép và hệ thống truyền động theo trục XY, bàn máy và hệ thống truyền động theo trục Z, hệ thống giải nhiệt

Bản chất của đầu đùn kép là sự tích hợp hai đầu đùn đơn vào một hệ thống để làm việc có sự phối hợp lẫn nhau Cấu tạo của đầu đùn kép này được thiết kế về cơ bản cũng có hai phần đối xứng nhau tương tự như hai đầu đùn đơn ghép lại, phần bên trái đùn vật liệu hỗ trợ, phần bên phải đùn vật liệu tạo mẫu Mỗi phần có cấu tạo cơ bản gồm các cụm: cụm cấp liệu, cụm gia nhiệt và cụm đầu phun Mỗi cụm có chức năng và yêu cầu riêng:

Cụm cấp liệu là một bộ phận quan trọng trong quy trình đùn tạo mẫu, gồm các thành phần như con lăn ma sát, động cơ con lăn, ống dẫn hướng nhằm chứa và cung cấp vật liệu cho đầu đùn Để đảm bảo quá trình đùn diễn ra suôn sẻ, cụm cấp liệu cần hoạt động hiệu quả, cung cấp đủ vật liệu một cách đồng đều Ngoài ra, cụm cấp liệu phải được bố trí hợp lý để thuận tiện cho việc vận hành và bảo trì.

Cụm gia nhiệt: Cụm gia nhiệt gồm các thiết bị gia nhiệt nhằm cung cấp đủ lượng nhiệt cần thiết cho đầu đùn để hóa dẻo vật liệu đùn trong quá trình đùn và tạo liên kết giữa các lớp vật liệu với nhau trong quá trình tạo mẫu

Cụm đầu phun: Cụm đầu phun gồm các bộ phận dẫn vật liệu đi ra khỏi đầu đùn tùy theo kích thước thiết kế và vị trí đầu đùn Cụm đầu phun phải đảm bảo được thiết kế chính xác và đáp ứng được công suất đùn vật liệu ra ngoài, đảm bảo yêu cầu về kích thước và hình dạng mẫu sau khi đùn

Hình 2.7 mô tả nguyên lý hoạt động của đầu đùn kép: khi nhận tín hiệu đùn vật liệu tạo mẫu, bộ điều khiển làm thanh dẫn hướng dịch sang trái, kéo theo chốt trượt dịch sang trái một khoảng cố định, với tâm xoay giữ bởi chốt số 1, toàn bộ hệ thống sẽ xoay một góc khoảng 3 0 theo chiều kim đồng hồ, hai con lăn cấp liệu được ép sát nhau, phần đầu phun vật liệu tạo mẫu sẽ hạ thấp xuống để làm việc Động cơ nhận tín hiệu từ cảm biến quang đặt trên thanh dẫn hướng (thanh lắc), chỉ cho phép xoay con lăn chủ động theo chiều kim đồng hồ để cấp liệu tạo mẫu Tương tự như trên, khi bộ điều khiển làm thanh dẫn hướng dịch sang phải thì phần đầu phun vật liệu hỗ trợ phía bên trái sẽ làm việc

Thiết kế vượt trội còn được thể hiện ở chỗ ngoài những ưu điểm của hệ thống đầu đùn kép, thiết kế chỉ sử dụng duy nhất một động cơ trung tâm điều khiển cả hai phần của đầu vòi phun giúp đồng bộ hóa sai số khi đùn, nhờ đó thiết kế phần điều khiển đơn giản hơn và giá thành đầu đùn kép sẽ thấp hơn so với đầu đùn đơn.

Qua quá trình mô phỏng chuyển động trên máy tính, để đảm bảo kích thước toàn bộ đầu đùn không quá lớn và phức tạp, góc xoay của đầu đùn kép được chọn là 3 0 , khi đó đảm bảo khoảng cách giữa hai miệng phun khi đầu đùn làm việc là 5 mm, quá trình mô phỏng lắc trên máy tính cũng vẽ ra được vị trí rãnh dẫn hướng của thanh lắc, đảm bảo thanh lắc sẽ chủ động kiểm soát góc độ của đầu đùn trong quá trình điều khiển đầu đùn

Thanh dẫn hướng (thanh lắc) được thiết kế như hình 2.7, rãnh trượt 5 được thiết kế tối ưu đảm bảo góc xoay nhất định của hệ thống, khi làm việc đảm bảo khoảng cách nhất định giữa hai phần làm việc và không làm việc, đảm bảo không có sự va chạm với vật thể bên dưới và không có sự cản trở lẫn nhau giữa hai phần

Ngoài thanh dẫn được thiết kế để đặt các cảm biến, chúng còn có thể giúp bộ điều khiển xác định vị trí của thanh (của hệ thống) trong khi làm việc.

Thiết kế hệ thống cấp liệu cho đầu đùn

Trong suốt quá trình hoạt động của hệ thống, hệ thống cấp liệu nằm tại đầu đùn sẽ được điểu khiển bởi bộ điều khiển trung tâm, hệ thống này gồm các con lăn

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động đầu đùn kép

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 31 chủ động và bị động có đường kính xác định (hình 2.9), con lăn chủ động được điều khiển chính xác bởi động cơ bước, lực ma sát giữa các con lăn tạo bởi lò xo và vít điều chỉnh để đảm bảo lực kéo sợi, chiều quay, thời điểm và tốc độ quay của con lăn sẽ được hệ thống ghi nhận chính xác để kiểm soát định lượng vật liệu đùn tạo mẫu, các rãnh dẫn sợi vật liệu cũng được thiết kế đặc biệt để tăng ma sát khi kéo sợi, đảm bảo vật liệu luôn được cấp liên tục và chính xác a) Thiết kế con lăn cấp liệu

Nghiên cứu của Joseph Edward Labossiere và Marvin E.Eshelman tập trung vào cụm con lăn ép đùn, cải tiến bằng con lăn dẫn hướng Trục đỡ con lăn quay trên trục cố định Con lăn dẫn hướng có rãnh dẫn hướng tiếp xúc sợi vật liệu, ép tạo kích thước A Khi kích thước sợi vật liệu thay đổi, trục con lăn sẽ di chuyển để ép sợi phù hợp Sợi vật liệu ép ra sẽ có rãnh.

Hình 2.9 Các con lăn và động cơ cấp liệu cho đầu đùn

Tham khảo thiết kế con lăn của J Edward và E Eshelman, con lăn được sử dụng trong đầu đùn kép được thiết kế như hình 2.11, với kích thước rãnh phù hợp với đường kính sợi, vị trí rãnh dẫn sợi có thể điều chỉnh được thông qua vít chỉnh trên con lăn để đảm bảo cấp liệu cho đầu đùn liên tục và chính xác. b) Phân tích lựa chọn động cơ cấp liệu b.1) Động cơ bước (Stepper Motors) Động cơ bước [16] là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết Động cơ bước quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học

Hình 2.12 minh họa cấu tạo của động cơ bước

Hình 2.11 Thiết kế con lăn được sử dụng Hình 2.10 Thiết kế con lăn của J Edward và E Eshelman

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 33 Ưu điểm:

- Có thể điều khiển chính xác góc quay

Về cơ bản, dòng điện chạy từ bộ truyền động tới cuộn dây của động cơ không thể đột ngột tăng hay giảm trong quá trình hoạt động Do đó, nếu bị quá tải, động cơ sẽ bị trượt bước gây ra sai lệch trong điều khiển.

- Động cơ bước gây ra nhiều nhiễu và rung động hơn động cơ servo

- Động cơ bước không thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao b.2) Động cơ servo:

Khái niệm: Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác Động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn Hình 2.13 minh họa cấu tạo của động cơ servo

Hình 2.12 Cấu tạo của động cơ bước

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 34 Ưu điểm:

- Nếu tải đặt vào động cơ tăng, bộ điều khiển sẽ tăng dòng tới cuộn dây động cơ giúp tiếp tục quay Tránh hiện tượng trượt bước như trong động cơ bước

- Có thể hoạt động ở tốc độ cao

- Động cơ servo hoạt động không trùng khớp với lệnh điều khiển bằng động cơ bước

- Giá thành cao, mạch phức tạp

- Khi dừng lại, động cơ servo thường dao động tại vị trí dừng gây rung lắc

Bảng 2.1: So sánh giữa động cơ bước và động cơ servo: Động cơ bước Động cơ servo

Mạch driver Đơn giản Người dùng có thể chế tạo chúng

Mạch phức tạp Thông thường người sử dụng phải mua mạch driver từ các nhà sản xuất

Nhiễu và rung động Đáng kể Rất ít

Tốc độ Chậm (tối đa 1000-2000 rpm)

Nhanh hơn (tối đa 3000-5000 rpm)

Hình 2.13 Cấu tạo động cơ servo

Có thể xảy ra (Nếu tải quá lớn) Khó xảy ra

Khó xảy ra (Động cơ vẫn chạy trơn tru nếu tải đặt vào tăng)

Phương pháp điều khiển Vòng hở (không encoder) Vòng kín (có encoder)

Rẻ Đắt Độ phân giải

2 pha PM: 7.5° (48 ppr) 2 pha HB: 1.8° (200 ppr) hoặc 0.9° (400 ppr) 5 pha HB: 0.72° (500 ppr) hoặc 0.36° (1000 ppr)

Phụ thuộc độ phân giải của encoder

Thông thường vào khoảng 0.36° (1000ppr) – 0.036°

Tốc độ đáp ứng Thấp Cao Độ ồn làm việc Độ ồn cao khi vận hành tốc độ thấp Vận hành êm ở mọi tốc độ

Cao nếu sử dụng quay chính xác từ 900-1800

Thấp nếu quay liên tục nhiều vòng

Do yêu cầu chung của máy là phải rẻ, đơn giản và mục đích chính cho việc đào tạo nên ưu tiên hàng đầu cho máy là lựa chọn động cơ bước Nhiệm vụ chính của máy là phát triển công nghệ ở Việt Nam nên việc chọn những thiết bị có sẵn vẫn là ưu tiên Như bảng 2.1 so sánh ta thấy, động cơ servo cùng bộ điều khiển của nó thì ta

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 36 phải nhập nên tốn kém cả về giá thành sản phẩm lẫn chi phí vận chuyển Điều này là chưa cần thiết trong khi ta có thể thay thế nó bằng thiết bị nội đia là động cơ bước Động cơ bước ở nước ta thì rất phát triển, được sử dụng rất nhiều và đa dạng Hơn nữa giá thành cho động cơ bước loại mới ở Việt Nam cùng công suất sẽ rẻ hơn nhiều lần so với việc nhập động cơ servo nước ngoài Do đó ta chọn dùng động cơ bước.

Thiết kế đầu phun

Đầu phun là một trong những bộ phận quan trọng nhất của hệ thống đùn, mục đích của đầu phun là di chuyển nhựa nóng chảy qua một lỗ có kích thước phù hợp với kích thước mong muốn của các lớp vật liệu nhằm tạo mẫu phù hợp với yêu cầu Kích thước này được lựa chọn xác định qua quá trình cắt lớp của máy tính, giúp mỗi lớp vật liệu xây dựng lên tấm đỡ tạo mẫu có độ chính xác cao Để thuận lợi trong quá trình đùn phải đảm bảo đầu phun tích hợp với lòng khuôn có đủ không gian giữa lòng khuôn và lớp xây dựng Bên cạnh đó các kích thước gia công trên đầu phun phải có độ chính xác cao Khi thiết kế chiều dài, đường kính rãnh phun và độ dày vách cần đảm bảo có thể gia công được trên các máy công cụ

Một số yêu cầu khi thiết kế đầu phun: Đường kính đầu phun nhỏ, phụ thuộc vào đường kính sợi vật liệu

Thể tích trong lòng của đầu đùn nhỏ, nhằm giảm nhiệt tiêu hao và tiết kiệm vật liệu bởi chỉ dẫn hướng cho sợi vật liệu

Góc α nhỏ nhằm tạo hướng thẳng đứng thuận lợi cho quá trình đùn vật liệu lên nền phẳng

Thiết kế đầu phun của Anna Bellini [12]:

Trong bài báo của Bellini, ta thấy thiết kế dành cho vật liệu dạng dây với sử dụng đầu đùn kép được minh họa trong hình 2.14 Một đầu được dùng để đùn vật liệu mẫu và đầu còn lại để đùn vật liệu đỡ Tuy nhiên về mặt cấu tạo thì 2 đầu đùn hoàn toàn giống nhau Trong đó phần đầu phun bao gồm phần thân và phần vòi phun

Phần thân lắp ghép với các bộ phận khác thông qua một đầu, phần còn lại được thiết kế có ren để quấn sợi gia nhiệt nhằm làm nóng chảy vật liệu trước khi đẩy vào đầu phun.

Đầu phun đóng vai trò đùn vật liệu sau khi gia nhiệt Đường kính sợi vật liệu được thiết kế là 1,5 mm nhằm giảm lượng nhiệt cung cấp và tạo ra kích thước sợi nhỏ phù hợp cho quá trình đùn.

Các thông số hình học của đầu phun trong bài báo của Bellini [12]: Đường kính vòi phun là 0,2 mm Đảm bảo độ chính xác cao cho mẫu chế tạo do bề rộng giữa các lớp vật liệu nhỏ Tuy nhiên, vẫn đảm bảo khả năng liên tục của sợi vật liệu

Chiều dài phần nhô ra của vòi phun là 0,5 mm Phần này đóng vai trò quan trọng trong việc giảm sụt áp tại đầu vòi đùn, giúp ổn định dòng vật liệu cung cấp cho mẫu

Góc đầu vòi phun là 65 o Góc này được thiết kế nhằm làm giảm quãng đường di chuyển của sợi vật liệu sau khi gia nhiệt

Nghiên cứu của Mark Roxas và Stephen Ju [13]:

Ý tưởng thiết kế ống dây dẫn nhiệt của Bellini tương tự như Rojas và Ju Trong Hình 2.15 thể hiện thiết kế ống dây của Rojas và Ju Ống được chế tạo từ đồng thau, phủ một lớp PTFE cách nhiệt nhằm ngăn ngừa thất thoát nhiệt.

Các bộ phận đầu đùn được minh họa trong hình 2.16 bao gồm phần thanh hình trụ ở gần cuối của đầu đùn là bộ phận gia nhiệt, được kết nối đến các yếu tố làm nóng làm tan chảy các polymer trước khi đùn

Hình 2.14 Các thông số hình học đầu phun Bellini (đơn vị inch)

Hình 2.15 Cấu tạo đầu đùn của M Roxas và S Ju

Phần đầu phun được thiết kế đặc biệt với các thông số hình học của đầu phun minh họa trong hình 2.17 Để đảm bảo đầu phun làm việc có hiệu quả, tạo nên hiệu suất cao ta phải điều khiển hợp lý 4 thông số sau:

Đường kính của vòi phun đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra mẫu in chính xác và có hình dạng tốt Cụ thể, vòi phun sử dụng trong trường hợp này có đường kính 0,5 mm, đảm bảo độ mịn và chi tiết của sợi in Để duy trì đường kính sợi in nhỏ, đường kính lỗ thoát khỏi vòi phun phải được thiết kế càng nhỏ càng tốt.

- Góc α của vòi đùn: Ở đây góc α được điều chỉnh là 120 o nhằm đảm bảo ổn định dòng chảy của vật liệu được minh họa trong hình 2.17

Hình 2.16 Các bộ phận đầu đùn

Hình 2.17 Các thông số hình học đầu phun và bảng nhiệt độ làm việc

- Nhiệt độ của dòng chảy vật liệu không nên quá cao vì tính lưu động sẽ tăng, do đó sẽ gây ra hiện tượng chảy dài sợi vật liệu quá mức và đường kính sợi vật liệu không phù hợp khi đùn sẽ làm giảm chất lượng bề mặt của chi tiết

- Độ giảm áp lực (∆P): Độ giảm áp lực ảnh hưởng trực tiếp đến lực cần thiết để đẩy sợi vật liệu đi qua Lực tác dụng cho sợi vật liệu tan chảy trong phần gia nhiệt có thể gây ra một hiệu ứng phản hồi, tăng thêm sự sụt giảm áp suất Kiểm soát các lực có thể giữ cho dòng chảy phù hợp với không khí khác nhau, nhiều độ dày khác nhau Bất kỳ thay đổi độ dày lớp có thể gây ra các khuyết tật một phần của tổng thể mẫu

Nghiên cứu của Sjoerd Van Tuijl [14]:

Trong nghiên Tuijl, ta thấy thiết kế đầu đùn được sử dụng để tạo ra van tim bằng cách sử dụng vật liệu PLC (polycaprolaptone) được minh họa trong hình 2.18 Đây là một trong những ứng dụng quan trọng của công nghệ đùn vật liệu trong y học với đầu đùn sử dụng đùn vật liệu dạng dây Do vật liệu PLC nóng chảy ở nhiệt độ 60 o C nên đầu đùn chỉ cần cấp nhiệt ở nhiệt độ thấp.

Các thông số hình học của đầu đùn được minh họa trong hình 2.19 bao gồm:

Vòi đùn được thiết kế với nhiều kích thước khác nhau, lỗ nhỏ nhất có đường kính 0.1 mm Đường kính lỗ rất nhỏ nên tạo lớp vật liệu mịn và lớp cắt nhỏ Tuy nhiên, giá thành gia công cao và đòi hỏi độ chính xác rất cao

Phần nhô ra đầu vòi đùn 0.5 mm Như đã trình bày ở phần trước về vai trò phần nhô ra nhằm giảm thiểu độ sụt áp, ở đây còn có ưu điểm là giúp ổn định dòng

Hình 2.18 Đầu đùn trong thiết kế của Sjoerd van Tuijl

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 40 chảy và ổn định nhiệt độ Nếu phần nhô ra có chiều dài lớn sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sợi đùn ra

Góc đùn α = 40 o tạo độ dốc hướng xuống nhằm tăng khả năng đùn vật liệu của đầu đùn

Phương án thiết kế đầu phun cho đầu đùn kép

Thiết kế hệ thống gia nhiệt và cách nhiệt

Cụm gia nhiệt trong đầu đùn kép bao gồm tấm gia nhiệt được giữ bởi các đai ốc dùng để gia nhiệt vật liệu trong quá trình di chuyển trong đầu đùn kép, bên trong tấm gia nhiệt có các thiết bị gia nhiệt cung cấp lượng nhiệt nhằm hóa lỏng vật liệu để đùn ra ngoài và tạo liên kết giữa các vật liệu với nhau Đối với quá trình thiết kế đầu đùn kép việc phân tích để lựa chọn thiết bị gia nhiệt phù hợp rất quan trọng ảnh hưởng đến toàn bộ kết cấu đầu đùn, hiện nay các nghiên cứu về đầu đùn trên thế giới sử dụng phổ biến các thiết bị gia nhiệt như dạng sợi, dạng tấm, dạng thanh a Đặc điểm gia nhiệt dạng sợi:

Cấu tạo của gia nhiệt dạng sợi gồm một sợi dây điện trở dài quấn nhiều vòng, có thể lắp được vào nhiều loại ống với đường kính khác nhau.

- Ưu điểm của gia nhiệt này là phù hợp với nhiều loại ống có hình dạng khác nhau Chiều dài của sợi cũng có thể thay đổi tương ứng với kích thước của ống

- Nhược điểm của gia nhiệt này là khả năng gia nhiệt thấp Khó có khả năng nâng nhiệt độ lên cao và tốc độ tăng nhiệt chậm vì dễ bị thất thoát nhiệt ra ngoài môi trường

Hình 2.20 Thiết kế đầu phun được lựa chọn

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 42 b Đặc điểm gia nhiệt dạng ống:

- Cấu tạo của gia nhiệt dạng ống được minh họa trong hình 2.22 Loại gia nhiệt này là một ống làm bằng thép có đường kính ống không thay đổi trong suốt chiều dài ống

- Ưu điểm của loại gia nhiệt này là tốc độ tăng nhiệt cao hơn, có thể đáp ứng nhiệt độ yêu cầu của vật liệu Thời gian đáp ứng nhiệt ngắn hơn so với gia nhiệt dạng vòng Giá thành tương đối thấp

Nhược điểm của gia nhiệt cảm ứng là không thể sử dụng cho chi tiết có kích thước thay đổi hoặc hình dạng phức tạp, đồng thời giá thành bộ gia nhiệt cao Đặc điểm của gia nhiệt dạng thanh là không thể gia nhiệt đồng đều cho chi tiết có tiết diện thay đổi và không thể gia nhiệt được các chi tiết có lỗ.

Hình 2.21 Gia nhiệt dạng sợi

Hình 2.22 Gia nhiệt dạng ống

Cấu tạo của gia nhiệt dạng thanh được minh họa trong hình 2.23 Loại gia nhiệt này gồm một thanh nhiệt điện trở hình trụ, đường kính và chiều dài rất đa dạng

Kích thước và hình dạng thanh gia nhiệt được thiết kế theo biên dạng chi tiết cần gia nhiệt, đảm bảo phù hợp và hiệu quả truyền nhiệt Số lượng thanh gia nhiệt cho mỗi chi tiết linh hoạt tùy thuộc vào nhu cầu nhiệt độ Lắp đặt thanh gia nhiệt trực tiếp vào chi tiết giúp truyền nhiệt nhanh chóng và hiệu quả Ưu điểm của phương pháp gia nhiệt này là khả năng điều chỉnh nhiệt độ theo từng ống gia nhiệt, đáp ứng nhanh chóng yêu cầu nhiệt độ của vật liệu Thêm vào đó, chi phí đầu tư tương đối thấp và khả năng đáp ứng nhiệt nhanh chóng, phù hợp với các chi tiết có kích thước và hình dạng thay đổi.

Nhược điểm của gia nhiệt này là khi sử dụng phải lắp thanh gia nhiệt vào bên trong của chi tiết và thường không phù hợp với các chi tiết có hình dạng phức tạp

Kết luận: Với nhiều ưu điểm nổi bật như khả năng gia nhiệt nhanh, dễ tìm trên thị trường, kết cấu nhỏ gọn, trong thiết kế sẽ sử dụng gia nhiệt dạng thanh để gia nhiệt cho đầu đùn trong quá trình đùn vật liệu

Ngoài ra, để có thể dễ dàng kiểm soát nhiệt độ tại bộ phận gia nhiệt, khi sử dụng ta kết hợp gia nhiệt dạng thanh với đầu dò nhiệt độ gắn vào bộ phận gia nhiệt, nhiệt độ được đầu dò truyền về bộ kiểm soát nhiệt, qua đó ta có thể dễ dàng kiểm soát được nhiệt độ trên đầu đùn Hình 2.24 mô tả sơ đồ kiểm soát nhiệt trên đầu đùn, với nhiệt độ ta đã cài đặt trước trên bộ kiểm soát nhiệt, khi nhiệt độ đầu đùn cao hơn mức cho phép thì rờ le (relay) sẽ tự ngắt đầu gia nhiệt và ngược lại thì rờ le sẽ kích hoạt cho gia nhiệt Sử dụng bộ kiểm soát nhiệt độ này sẽ đảm bảo duy trì nhiệt độ làm việc của đầu đùn với độ chính xác cho phép ± 5 0 C

Hình 2.23 Gia nhiệt dạng thanh

Trong quá trình hoạt động của đầu đùn kép, sử dụng vật liệu cách nhiệt bao quanh bộ gia nhiệt để ngăn cản sự truyền nhiệt từ bộ gia nhiệt qua các bộ phận khác, đồng thời giảm thiểu lượng nhiệt bị thất thoát ra môi trường xung quang, vật liệu cách nhiệt được sử dụng trong đầu đùn kép là bông sứ cách nhiệt (hình 2.25), có thể chịu được nhiệt độ cao khoảng 1200 0 C

Hình 2.24 Sơ đồ kiểm soát nhiệt trên đầu đùn

Tổng quan các phương án thiết kế đầu đùn

Qua quá trình nghiên cứu tìm hiểu các phương án thiết kế đầu đùn kép trên thế giới, sau đó so sánh và lựa chọn các phương án thiết kế phù hợp với tính toán và yêu cầu đề ra của luận văn, đề tài đã sử dụng các phương án như sau:

Vật liệu được chọn là vật liệu ABS dạng sợi

Phương pháp chứa liệu dạng cuộn sử dụng con lăn ma sát để cấp sợi vật liệu Động cơ bước được bố trí nằm ngang, trục động cơ đồng trục với con lăn kéo sợi, giúp điều khiển chuyển động của sợi vật liệu.

Góc xoay khi thay đổi đầu đùn là 3 o , qua đó thiết kế được thanh lắc với rãnh trượt tương ứng (với bản vẽ thiết kế)

Gia nhiệt thông qua thanh gia nhiệt dạng điện trở cùng đầu dò nhiệt độ và bộ điều khiển nhiệt độ Cách nhiệt vùng đầu đùn khỏi môi trường ngoài bằng lớp sợi gốm cách nhiệt.

Sử dụng đầu phun có góc tại miệng vòi phun 120 o , đường kính miệng vòi phun 0.5 mm

Hình 2.25 Sợi gốm cách nhiệt cho đầu đùn kép

2.7 Phân tích lựa chọn vật liệu sử dụng trong đầu đùn kép

Lựa chọn vật liệu là một vấn đề rất quan trọng trong công nghệ tạo mẫu nhanh thì nói chung và trong máy FDM nói riêng Phải lựa chọn vật liệu sao cho việc thiết kế kết cấu máy cũng như đầu đùn đơn giản, chi phí không cao, vật liệu dễ tìm, nhiệt độ nóng chảy không quá cao Không độc hại, thân thiện với môi trường Và một điều đặc biệt phải đáp ứng được các yêu cầu cần thiết của sản phẩm về độ bền, cơ tính, độ cứng vững, khả năng thích ứng biên dạng đối với chi tiết phức tạp, độ chính xác cần thiết của chi tiết Đối với đầu đùn kép, vật liệu được sử dụng gồm 2 loại là vật liệu mẫu và vật liệu đỡ được minh họa trong hình 2.26 Vật liệu mẫu dùng để tạo ra mẫu.Vật liệu đỡ được dùng để tạo ra bộ phận đỡ để đỡ các phần nhô ra ngoài không gian của mẫu trong quá trình đùn

Hình 2.26 Quá trình tạo mẫu sử dụng vật liệu hỗ trợ

Ngành nghiên cứu và sử dụng vật liệu trong công nghệ tạo mẫu nhanh FDM hiện đang phát triển mạnh mẽ, dẫn đến sự đa dạng hóa của vật liệu sử dụng Tuy nhiên, các vật liệu này đều phải đáp ứng một số yêu cầu cơ bản để đảm bảo hoạt động hiệu quả của máy đùn, bao gồm độ bền cơ học, khả năng chịu nhiệt, khả năng chịu hóa chất và dễ gia công.

Khả năng hóa dẻo: Khả năng biến đổi trạng thái từ dạ ng rắn sang dạng chảy dẻo dưới tác dụng của nhiệt độ cao (230 0 C – 250 0 C) và hóa rắn tại nhiệt độ thường (30 0 C ), 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 được 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

Thời gian đông cứng của vật liệu in 3D SLA thường lớn hơn 10 giây, giúp vật liệu có độ cứng vững cần thiết sau mỗi lớp mỏng in, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác hình học của sản phẩm cuối cùng.

Khả năng liên kết: 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 lí khác nhau Tính chất này mang ý nghĩa quan trọng đối với cơ tính, độ cứng vững của mẫu 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 vận tốc 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 a) Vật liệu tạo mẫu

Các vật liệu nhiệt dẻo như ABS, PP, PE, PC, PLA hiện là lựa chọn phổ biến trong tạo mẫu Mỗi loại vật liệu sở hữu các đặc tính riêng, đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất thành phẩm.

Nhựa ABS (Acrylon Butadiene Styrene) [11]: được trùng hợp từ 3 loại monomer: acrylonitrile, butadiene và styrene; kết hợp được 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 nhưng 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 2.2

Hình 2.27 Nhựa ABS dạng sợi

Bảng 2.2 Đặc điểm của nhựa ABS

Lý tính Cứng, rắn nhưng không giòn, không thấm nước Độ bền Tương đối cao Độ chịu nhiệt Có thể dùng ở nhiệt độ cao Độ cứng R110 Độ co rút, cong vênh Không đáng kể

Các màu hiện có Trắng, đen, ngà

Sức căng bền 37 MPa Độ giãn dài 4,4 % Ứng suất uốn 52 MPa

Nhựa PE (Polyethylene): là loại nhựa đơn giản nhất Nó được tổng hợp từ các ethylen đơn Polyethylene là vật liệu phổ biến được sử dụng nhiều trong các mẫu tiêu dùng với hơn 60 triệu tấn nguyên liệu được sản xuất bởi ngành công nghiệp hóa học mỗi năm Polyethylene được phân thành nhiều loại khác nhau chủ yếu dựa vào mật độ và phân nhánh của nó Các tính chất cơ học của polyethylene phụ thuộc đáng kể trên các biến như mức độ và loại nhánh, cấu trúc tinh thể và trọng lượng phân tử

PE có đặc tính nấu chảy cao PE rất phù hợp đùn hoặc thổi PE được tổng hợp tạo thành nhựa có nhiều nhánh LDPE thuận lợi hơn cho quá trình đùn vì nó nóng chảy ở nhiệt độ tương đối thấp và không cần động cơ đùn có công suất lớn Sử dụng PE trong đùn giúp tạo nên mẫu ổn định PE kết dính ở nhiệt độ cao dể dàng

Tính toán thiết kế đầu đùn kép

Tính toán áp suất tại từng vùng của đầu đùn

Trên cơ sở nguyên lý hoạt động của đầu đùn kép là sự phối hợp nhịp nhàng của hai đầu đùn đơn giống nhau hoạt động thông qua thanh lắc với góc xoay phù hợp, trong quá trình đùn tại một thời điểm nhất định chỉ có một đầu đùn với một cặp con lăn, một đầu phun và một bộ gia nhiệt làm việc Do đó quá trình tính toán thiết kế được thực hiện chỉ trên một đầu đùn đơn, thông qua kết quả thu được khi áp dụng vào thực nghiệm sẽ phối hợp cả hai đầu đùn với nhau a) Các thông số ban đầu:

Hình 3.1 Các thông số của đầu đùn

• Đường kính lỗ vật liệu vào của vòi đùn: D = 1.8 (mm)

• Đường kính lỗ vật liệu ra của vòi đùn: d = 0,5 (mm)

Góc côn của vòi đùn α = 120°, ảnh hưởng đến áp suất đùn và tính chất dòng chảy bên trong vòi Khi vật liệu đi qua các vùng tiết diện khác nhau, áp suất đùn sẽ thay đổi, dẫn đến sự biến đổi tính chất dòng chảy của vật liệu.

Hình 3.2 Các vùng trên đầu đùn

• Phần chuyển động của vật liệu trong đầu đùn được phân làm 3 vùng: o Vùng 1: Vùng dòng vật liệu chảy tầng với chiều dài tương ứng L 1 = 65 (mm) o Vùng 2: Vùng xuất hiện sự chảy rối của dòng vật liệu do tác động của góc côn, chiều dài tương ứng L 2 = 2.3 (mm) o Vùng 3: Vùng dòng chảy vật liệu đồng nhất về nhiệt độ, chiều dài tương ứng L 3 = 2.7 (mm)

• Vật liệu sử dụng: Nhựa ABS (dạng sợi)

• Hằng số chảy loãng của vật liệu: φ

• Vận tốc vào của vật liệu: V (m/s)

• Hệ số lũy thừa của dòng chảy ( Hệ số giúp xác định độ sai lệch của dòng chảy so với dòng chảy Newton ): m = 1, 4 5 ÷ ( theo [17])

• Nhiệt độ của đồ thị quan hệ được xác định bởi φ và m: T α ( 0 K)

• Năng lượng hoạt hóa của vật liệu: σ (KJ/mol)

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 58 b) Tính toán theo động học chất lỏng và mô hình CFD:

Theo tài liệu [17] đã chứng minh được rằng áp suất tại từng vùng:

∆ = + (3-1-3) Áp suất toàn phần cần thiết:

Với việc xây dựng các thuật toán và giải thuật cho cái đại lượng vật lí có liên quan trên Matlab ( trong điều kiện dòng chảy vật liệu liên tục trong môi trường đẳng nhiệt), hình 3.3 cho thấy kết quả mô phỏng dòng chảy của vật liệu trên máy tính (mô hình CFD) với nhiều góc côn và đường kính lỗ đùn khác nhau của vòi đùn, sau đó lập bảng so sánh, với trường hợp cơ sở lấy góc côn α 0 0 , d = 0,5 (mm)

Hình 3.3: Đồ thị so sánh áp suất cần thiết để đùn vật liệu giữa các cặp đường kính và góc côn của đầu đùn

Theo hình 3.3 ( biểu đồ hình 11 tài liệu [17] ) ta có:

• Áp suất tương ứng với góc côn của vòi đùn α 0 0 và đường kính lỗ đùn d = 0.5 mm là:

• Lực cần thiết để tạo được áp suất:

Tính toán lực tại vị trí con lăn kéo dây vật liệu

Hình 3.4: Các thông số của cặp con lăn kéo và sợi vật liệu khi kéo

• Theo hình 3.4 ta có các thông số sau : o Chiều cao dây vật liệu vào: h 0 = 1,8 (mm) o Chiều cao dây vật liệu ra : h1 = 1,6 (mm) o Bán kính của cặp con lăn: R = 10 (mm) o Góc ăn α với:

Cos (3-2-1) o Phản lực pháp tuyến: N o Lực ma sát : T o f : hệ số ma sát giữa dây vật liệu và con lăn

• Ta có: T = N.f => f = tg β vì β là góc ma sát nên

• Lực N và T có thể chia làm 2 thành phần:

• Để kéo được sợi vật liệu ta cần phải có:

⇒ > ⇒ > (3-2-4) nghĩa là hệ số ma sát f phải lớn hơn tang của góc ăn α =>

• Theo tài liệu [18] ta có:

Lực kéo cần thiết để thắng tổng lực giữa lực ma sát (tạo giữa sợi vật liệu và cặp con lăn) với lực làm biến dạng sợi vật liệu:

(3-2-5) Với F0 : diện tiết mặt cắt ngang sợi vật liệu lúc vào (mm 2 )

F1 : diện tích mặt cắt ngang sợi vật liệu lúc ra (mm 2 ) σ : giới hạn bền vật liệu (N/mm 2 )

• Tổng lực tác dụng lên con lăn:

• Moment cần thiết cho động cơ:

T = F×R 2 15 , 12 x 10 = 60,7 (Nmm) = 6,07 (Ncm) (3-2-7) Với R : Bán kính của con lăn cuốn dây tại điểm tiếp xúc với sợi vật liệu (mm)

3.3 Lựa chọn động cơ theo Moment tính toán:

Dựa vào đặc tính làm việc của đầu kép trong máy FDM là phải tạo được dòng vật liệu đều liên tục và có khả năng thay đổi cấp tốc độ nhanh chóng cũng như điều phối được lượng vật liệu đùn ra bên ngoài tùy thuộc vào đặc tính làm việc của máy tại từng vị trí nhất định nên ta chọn động cơ bước là động cơ truyền động cho cụm đầu đùn.Việc lựa chọn loại động cơ được quyết định bởi độ phân giải của động cơ và moment giữ của động cơ, moment này phải có trị số lớn hơn moment cần thiết của động cơ

Do yêu cầu về độ chính xác truyền động nên ta chọn loại động cơ có độ phân giải 1.8 0 Động cơ NEMA 17 Stepper Motor (hình 3.5) có các thông số sau:

Bảng 3.1: Các thông số của động cơ NEMA 17 Stepper Motor:

Các thông số cơ bản Các thông số công nghệ Bố trí dây

Moment giữ 10 N.cm Độ tự cảm/Pha

15mH Điện trở cách điện

100MΩ Moment khởi động cực đại

Hình 3.5 Động cơ sử dụng cho đầu đùn

3.4 Tính toán tốc độ đùn vật liệu 3.4.1 Các thông số ban đầu:

• Diện tích mặt cắt ngang của dây: A f = π x r f 2 = 2,54 (mm 2 ) (3-4-2)

• Đường kính con lăn tại điểm tiếp xúc vật liệu: φ PW (mm)

• Chiều dài dây tịnh tiến được khi con lăn quay 1 vòng:

• Thể tích vật liệu đi vào: V f = A f x l f = 2,54 x 62,8 = 159,5 (mm 3 ) (3-4-4)

• Tỉ số truyền giữa trục động cơ và con lăn: R M:PW = 1

• Tổng số bước của động cơ trong 1 vòng: S 360 = 200 (bước)

• Đường kớnh lỗ đựn: ỉ e = 0,5(mm)

• Bỏn kớnh lỗ đựn: r e = 0,5 x ỉ e = 0,25 (mm) (3-4-5)

• Diện tích mặt cắt lỗ đùn: : Ae = π x re 2 = 0,2 (mm 2 ) (3-4-6)

• Gọi chiều dài vật liệu được đùn ra ngoài là: l e (mm)

Theo tài liệu [19] ta có:

3.4.2 Thể tích vật liệu được đùn ra trong 1 bước của động cơ:

3.4.3 Chiều dài vật liệu được đùn ra trong 1 bước của động cơ:

Thể tích vật liệu được đùn ra bên ngoài:

⇒ Vậy chiều dài vật liệu đùn ra khỏi đầu đùn trong 1 bước động cơ là:

Từ đây ta có sẽ tính được số bước động cơ cần cho 1 mm vật liệu được đùn ra ngoài (E) :

3.4.4 Tốc độ đùn vật liệu tại một thời điểm bất kỳ :

Ta có tốc độ quay của động cơ bước: ndc S 360 x 60 f

Trong đó f là tầng số xung của mạch điều khiển ( Hz )

Với S360 S 360, S là độ phân giải của động cơ

Từ đây ta có vận tốc tịnh tiến của dây khi vào đầu đùn: v f S360

Gọi Kv là hệ số giữa chiều dài dây vào đầu đùn và chiều dài dây ra khỏi đầu đùn:

Trong đó v e là vận tốc đùn ra của vật liệu (mm/s) tại tần số f (hz)

Theo tài liệu [20] để tính toán nhiệt lượng ta cần thực hiện các bước sau:

3.5.1 Đơn giản hóa kết cấu:

• Để tính toán nhiệt lượng của phần đầu đùn ta cần đơn giản hóa hình dáng của các bộ phận trong cụm Như hình 3.6, ta có thể đơn giản hóa đầu đùn thành 3 phần: o Phần 1: hình trụ tròn có d1 = 3 mm, chiều dài l1 = 10 (mm) o Phần 2: Hình khối chữ nhật có thông số dài x rộng x cao = 50 x 20 x 26 (mm) o Phần 3: hình nón có d 3 = 25 (mm), chiều dài l 3 = 10 (mm)

• Ta có: Nhiệt lượng toàn phần Q = Qcs + Qtt (3-5-1) Với Q : Nhiệt lượng toàn phần (W)

Qcs : Nhiệt lượng cần để đạt đến nhiệt độ làm việc (W) Qtt : Nhiệt lượng tổn thất (W)

Hình 3.6: Phân bố nhiệt vùng đầu đùn

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 66 o Thứ nguyên phải thống nhất o Trạng thái làm việc ổn định không xảy ra biền đổi đột ngột o Nhiệt độ làm việc: 250 0 C o Nhiệt độ phòng ban đầu: 30 0 C o Nhiệt dung riêng của đồng Cp = 380 (J/kg.K)

3.5.2 Nhiệt lượng cần để nung nóng đầu đùn đến nhiệt độ làm việc:

Q n = Q 2 + Q 3 (3-5-2) với Q 2 : là nhiệt lượng trong phần 2 trong hình 3.6

Q 3 : là nhiệt lượng trong phần 3 trong hình 3.6

=> Q n =Q 2 +Q 3 ,4 (KJ) Với thời gian cần đáp ứng nhiệt độ là 5 phút thì công suất nhiệt cần thiết sẽ là:

3.5.3 Tính Nhiệt lượng thất thoát ra môi trường xung quanh:

Trong 3 phần của đầu đùn, phần 2 là phần gia nhiệt chính sẽ được bọc ngoài bởi lớp băng cách nhiệt do đó nhiệt thất thoát của phần 2 nhỏ không đáng kể nên ta có thể bỏ qua Nhiệt lượng thất thoát chủ yếu ở phần 1 và phần 3

Nhiệt thất thoát ở phần 1 chủ yếu do tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên với môi trường không khí xung quanh, vì thế theo tài liệu [22] ta có: với t w %0 0 C ( Nhiệt độ bề mặt làm việc, 0 C )

C t f 0 0 ( Nhiệt độ môi trường xung quang, 0 C ) ⇒t m =0,5.(250+30)0 0 C

• Từ bảng 15 ( Bảng thông số nhiệt vật lí của không khí ) ở phần phụ lục tài liệu [22], ứng với t m = 140 0 C ta có:

49 , 3 m λ (w/m.độ) ( hệ số dẫn nhiệt của không khí, w/m.độ )

8 , 27 m v (m 2 /s) ( độ nhớt động học của không khí, m 2 /s)

• Đối với đoạn ống thẳng đứng l 1 = 10 (mm), kích thước tính toán là H 1 = l 1 10.10 -3 (m)

• Theo tiêu chuẩn Grashof ta có:

= m m T β β ( hệ số giãn nở nhiệt, 1/ 0 K) g=9,81 ( gia tốc trọng trường, m/s 2 )

• Theo tiêu chuẩn Rayleigh ta có:

• Theo công thức 6.3 tài liệu [22], ta có: Nu m = CRa m n (3-5-9)

• Từ bảng 6.1 tài liệu [22] với Ram = 0,04.10 6 ta tỡm được C = 0,54 và n = ẳ

• Theo tiêu chuẩn Nusselt ta có:

• Nhiệt lượng truyền trong quá trình đối lưu theo Newton ta có:

( tổng diện diện tích bề mặt tỏa nhiệt đối lưu, m 2 )

• Tính tương như phần 1 ta có:

Tổng nhiệt lượng thất thoát:

Tổng công suất nhiệt cần cung câp:

3.5.4 Lựa chọn nhiệt trở phù hợp:

Theo phần các phương án lựa chọn nhiệt trở để gia nhiệt, ta chọn nhiệt trở trụ để gia nhiệt cho cụm đầu đùn Tham khảo [15], với tính thương mại cao trên thị trường Việt nam ta chọn nhiệt trở có số hiệu MS6-40 như hình 3.7, với các thông số sau:

Hình 3.7: Các thông số hình dáng của nhiệt trở trụ

Ngoài ra, để có thể dễ dàng kiểm soát nhiệt độ tại bộ phận gia nhiệt, khi sử dụng ta kết hợp nhiệt trở trụ với đầu dò nhiệt độ gắn vào bộ phận gia nhiệt, nhiệt độ được đầu dò truyền về bộ kiểm soát nhiệt (hình 3.8) Với nhiệt độ ta đã cài đặt trước trên bộ kiểm soát nhiệt, khi nhiệt độ đầu đùn cao hơn mức cho phép thì rờ le (relay) sẽ tự ngắt đầu gia nhiệt và ngược lại thì rờ le sẽ kích hoạt cho gia nhiệt Qua đó ta có thể dễ dàng kiểm soát được nhiệt độ trên đầu đùn Sử dụng bộ kiểm soát nhiệt độ này sẽ đảm bảo duy trì nhiệt độ làm việc của đầu đùn với độ chính xác cho phép ± 5 0 C

Hình 3.8: Sơ đồ kiểm soát nhiệt trên đầu đùn kép

Trong quá trình hoạt động của đầu đùn kép, sử dụng vật liệu cách nhiệt bao quanh bộ gia nhiệt để ngăn cản sự truyền nhiệt từ bộ gia nhiệt qua các bộ phận khác, đồng thời giảm thiểu lượng nhiệt bị thất thoát ra môi trường xung quang, vật liệu cách nhiệt được sử dụng trong đầu đùn kép là bông sứ cách nhiệt như hình 3.9, có thể chịu được nhiệt độ cao khoảng 1200 0 C

3.6 Thiết kế và chế tạo đầu đùn kép

Qua quá trình nghiên cứu tìm hiểu các phương án thiết kế ở chương 2 cũng như tính toán thiết kế đầu đùn kép ở chương 3, đề tài đã đưa ra được bản thiết kế cũng như tiến hành chế tạo thành công đầu đùn kép

Hình 3.10 là bản thiết kế cho đầu đùm kép Hình 3.11 hình ảnh đầu đùn kép sau khi được chế tạo

Hình 3.10 Bản thiết kếđầuđùn kép

Tính toán tốc độ đùn vật liệu

• Diện tích mặt cắt ngang của dây: A f = π x r f 2 = 2,54 (mm 2 ) (3-4-2)

• Đường kính con lăn tại điểm tiếp xúc vật liệu: φ PW (mm)

• Chiều dài dây tịnh tiến được khi con lăn quay 1 vòng:

• Thể tích vật liệu đi vào: V f = A f x l f = 2,54 x 62,8 = 159,5 (mm 3 ) (3-4-4)

• Tỉ số truyền giữa trục động cơ và con lăn: R M:PW = 1

• Tổng số bước của động cơ trong 1 vòng: S 360 = 200 (bước)

• Đường kớnh lỗ đựn: ỉ e = 0,5(mm)

• Bỏn kớnh lỗ đựn: r e = 0,5 x ỉ e = 0,25 (mm) (3-4-5)

• Diện tích mặt cắt lỗ đùn: : Ae = π x re 2 = 0,2 (mm 2 ) (3-4-6)

• Gọi chiều dài vật liệu được đùn ra ngoài là: l e (mm)

Theo tài liệu [19] ta có:

3.4.2 Thể tích vật liệu được đùn ra trong 1 bước của động cơ:

3.4.3 Chiều dài vật liệu được đùn ra trong 1 bước của động cơ:

Thể tích vật liệu được đùn ra bên ngoài:

⇒ Vậy chiều dài vật liệu đùn ra khỏi đầu đùn trong 1 bước động cơ là:

Từ đây ta có sẽ tính được số bước động cơ cần cho 1 mm vật liệu được đùn ra ngoài (E) :

3.4.4 Tốc độ đùn vật liệu tại một thời điểm bất kỳ :

Ta có tốc độ quay của động cơ bước: ndc S 360 x 60 f

Trong đó f là tầng số xung của mạch điều khiển ( Hz )

Với S360 S 360, S là độ phân giải của động cơ

Từ đây ta có vận tốc tịnh tiến của dây khi vào đầu đùn: v f S360

Gọi Kv là hệ số giữa chiều dài dây vào đầu đùn và chiều dài dây ra khỏi đầu đùn:

Trong đó v e là vận tốc đùn ra của vật liệu (mm/s) tại tần số f (hz)

Tính toán nhiệt

Theo tài liệu [20] để tính toán nhiệt lượng ta cần thực hiện các bước sau:

3.5.1 Đơn giản hóa kết cấu:

• Để tính toán nhiệt lượng của phần đầu đùn ta cần đơn giản hóa hình dáng của các bộ phận trong cụm Như hình 3.6, ta có thể đơn giản hóa đầu đùn thành 3 phần: o Phần 1: hình trụ tròn có d1 = 3 mm, chiều dài l1 = 10 (mm) o Phần 2: Hình khối chữ nhật có thông số dài x rộng x cao = 50 x 20 x 26 (mm) o Phần 3: hình nón có d 3 = 25 (mm), chiều dài l 3 = 10 (mm)

• Ta có: Nhiệt lượng toàn phần Q = Qcs + Qtt (3-5-1) Với Q : Nhiệt lượng toàn phần (W)

Qcs : Nhiệt lượng cần để đạt đến nhiệt độ làm việc (W) Qtt : Nhiệt lượng tổn thất (W)

Hình 3.6: Phân bố nhiệt vùng đầu đùn

HV: PHẠM HỮU THÁI SƠN – 10040424 Trang 66 o Thứ nguyên phải thống nhất o Trạng thái làm việc ổn định không xảy ra biền đổi đột ngột o Nhiệt độ làm việc: 250 0 C o Nhiệt độ phòng ban đầu: 30 0 C o Nhiệt dung riêng của đồng Cp = 380 (J/kg.K)

3.5.2 Nhiệt lượng cần để nung nóng đầu đùn đến nhiệt độ làm việc:

Q n = Q 2 + Q 3 (3-5-2) với Q 2 : là nhiệt lượng trong phần 2 trong hình 3.6

Q 3 : là nhiệt lượng trong phần 3 trong hình 3.6

=> Q n =Q 2 +Q 3 ,4 (KJ) Với thời gian cần đáp ứng nhiệt độ là 5 phút thì công suất nhiệt cần thiết sẽ là:

3.5.3 Tính Nhiệt lượng thất thoát ra môi trường xung quanh:

Trong 3 phần của đầu đùn, phần 2 là phần gia nhiệt chính sẽ được bọc ngoài bởi lớp băng cách nhiệt do đó nhiệt thất thoát của phần 2 nhỏ không đáng kể nên ta có thể bỏ qua Nhiệt lượng thất thoát chủ yếu ở phần 1 và phần 3

Nhiệt thất thoát ở phần 1 chủ yếu do tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên với môi trường không khí xung quanh, vì thế theo tài liệu [22] ta có: với t w %0 0 C ( Nhiệt độ bề mặt làm việc, 0 C )

C t f 0 0 ( Nhiệt độ môi trường xung quang, 0 C ) ⇒t m =0,5.(250+30)0 0 C

• Từ bảng 15 ( Bảng thông số nhiệt vật lí của không khí ) ở phần phụ lục tài liệu [22], ứng với t m = 140 0 C ta có:

49 , 3 m λ (w/m.độ) ( hệ số dẫn nhiệt của không khí, w/m.độ )

8 , 27 m v (m 2 /s) ( độ nhớt động học của không khí, m 2 /s)

• Đối với đoạn ống thẳng đứng l 1 = 10 (mm), kích thước tính toán là H 1 = l 1 10.10 -3 (m)

• Theo tiêu chuẩn Grashof ta có:

= m m T β β ( hệ số giãn nở nhiệt, 1/ 0 K) g=9,81 ( gia tốc trọng trường, m/s 2 )

• Theo tiêu chuẩn Rayleigh ta có:

• Theo công thức 6.3 tài liệu [22], ta có: Nu m = CRa m n (3-5-9)

• Từ bảng 6.1 tài liệu [22] với Ram = 0,04.10 6 ta tỡm được C = 0,54 và n = ẳ

• Theo tiêu chuẩn Nusselt ta có:

• Nhiệt lượng truyền trong quá trình đối lưu theo Newton ta có:

( tổng diện diện tích bề mặt tỏa nhiệt đối lưu, m 2 )

• Tính tương như phần 1 ta có:

Tổng nhiệt lượng thất thoát:

Tổng công suất nhiệt cần cung câp:

3.5.4 Lựa chọn nhiệt trở phù hợp:

Theo phần các phương án lựa chọn nhiệt trở để gia nhiệt, ta chọn nhiệt trở trụ để gia nhiệt cho cụm đầu đùn Tham khảo [15], với tính thương mại cao trên thị trường Việt nam ta chọn nhiệt trở có số hiệu MS6-40 như hình 3.7, với các thông số sau:

Hình 3.7: Các thông số hình dáng của nhiệt trở trụ

Để kiểm soát nhiệt độ đầu đùn chính xác, người ta sử dụng nhiệt trở gắn liền với đầu dò nhiệt độ để truyền nhiệt độ thực tế về bộ kiểm soát nhiệt Khi nhiệt độ đầu đùn cao hơn mức cài đặt sẵn, rơ le sẽ tự ngắt đầu gia nhiệt, ngược lại sẽ kích hoạt gia nhiệt Nhờ đó, nhiệt độ đầu đùn được duy trì ổn định với độ chính xác ± 5 0 C, đảm bảo quá trình hoạt động của máy.

Hình 3.8: Sơ đồ kiểm soát nhiệt trên đầu đùn kép

Trong quá trình hoạt động của đầu đùn kép, vật liệu cách nhiệt bao quanh bộ gia nhiệt đóng vai trò ngăn cản sự truyền nhiệt từ bộ gia nhiệt sang các bộ phận khác và giảm thiểu lượng nhiệt thất thoát ra môi trường xung quanh Vật liệu cách nhiệt thường được sử dụng là bông sứ cách nhiệt, có khả năng chịu được nhiệt độ cao lên đến 1200°C.

3.6 Thiết kế và chế tạo đầu đùn kép

Trên cơ sở nghiên cứu khảo sát các phương án thiết kế tại chương 2 cũng như tính toán thiết kế đầu đùn kép tại chương 3, đề tài đã đưa ra được bản thiết kế đồng thời tiến hành chế tạo thành công đầu đùn kép.

Hình 3.10 là bản thiết kế cho đầu đùm kép Hình 3.11 hình ảnh đầu đùn kép sau khi được chế tạo

Hình 3.10 Bản thiết kếđầuđùn kép

Nghiên cứu thực nghiệm

Đường lối thực nghiệm

Các thông số thực nghiệm bao gồm:

Thử nghiệm thay đổi nhiệt độ cung cấp

Thử nghiệm thay đổi tốc độ của động cơ bước

Thử nghiệm thay đổi tốc độ di chuyển của máy phay CNC tích hợp với đầu đùn kép

Thử nghiệm thay đổi khoảng cách từ miệng vòi đùn đến tấm đỡ mẫu

Thử nghiệm thay đổi khoảng cách di chuyển của đầu đùn sau mỗi lớp theo phương ngang và phương đứng

4.2.1 Thử nghiệm với đầu đùn vật liệu mẫu

Tiến hành thử nghiệm sử dụng đầu phun vật liệu mẫu, tốc độ đùn 62mm/ph, nhiệt độ đùn 245 0 C, kết quả như hình 4.3

Hình 4.3 Đầu đùn vật liệu mẫu làm việc

4.2.2 Thử nghiệm với đầu đùn vật liệu đỡ

Tiến hành thử nghiệm sử dụng đầu phun vật liệu mẫu, tốc độ đùn 62mm/ph, nhiệt độ đùn 245 0 C, kết quả như hình 4.5

Hình 4.5 Đầu đùn vật liệu đỡ làm việc Hình 4.4 Sợi vật liệu đùn ra

4.2.3 Thực nghiệm với đầu phun đường kính lỗ 0.5 mm

Tiến hành thực nghiệm sử dụng đầu phun có đường kính lỗ phun là 0.5 mm, kiểm tra các thông số hoạt động khác nhau của đầu đùn kép, sau đó lập bảng kết quả nhằm tìm ra những điều kiện tối ưu cho hoạt động của đầu đùn kép a Th ử nghi ệ m thay đổ i nhi ệ t độ cung c ấ p:

Thử nghiệm này nhằm xác định nhiệt độ phù hợp để điều khiển nhiệt độ làm việc phù hợp nhất cho vật liệu trong quá trình đùn Với bộ kiểm soát nhiệt và cảm biến như thiết kế, khoảng thay đổi nhiệt để thử nghiệm là 100 0 C Quá trình thử nghiệm nhiệt độ làm việc phù hợp của vật liệu được trình bày trong bảng 4.1

Bảng 4.1 Thử nghiệm thay đổi nhiệt độ cung cấp NHIỆT ĐỘ

KẾT QUẢ NHẬN XÉT KẾT QUẢ

180 Đầu đùn vẫn chưa làm việc được, sợi nhựa chưa hóa long

Do nhiệt cung cấp còn thấp nên sợi ở trạng thái rắn, nhựa chưa chảy lỏng được

200 Sợi nhựa đùn ra bị đứt quãng

Do vật liệu chưa được chảy lỏng hoàn toàn nên nhựa đùn ra chưa liên tục

Sợi nhựa được đùn ra dài hơn nhưng vẫn chưa liên tục

Vật liệu đã chảy lỏng nhưng chưa liên kết hoàn toàn bên trong bộ phận đùn vật liệu

Sợi nhựa đùn liên tục, sợi tương đối đồng đều, và sợi đùn ra kết dính được với nhau

Nhiệt cung cấp đủ tạo nên sự chảy lỏng hoàn toàn Sợi đùn ra vẫn còn ở nhiệt độ cao nên kết dính được với sợi khác

Sợi nhựa đùn ra liên tục nhưng có đường kính thay đổi nhiều

Do nhiệt cung cấp cao làm cho vật liệu trước khi đùn giản nở hơn nên khi đùn tạo sợi nhựa không đồng đều

Nhựa đùn ra rất lỏng có đường kính lớn và có nhiều lổ không khí

Nhiệt độ cung cấp lớn, các phân tử polyme nhựa mất liên kết nên khi đùn có nhiều lỗ khí và tạo bọt ở miệng phun, tạo đường kính ra lớn

Với quá trình thử nghiệm trên, Nhiệt độ tốt nhất cho đầu đùn kép làm việc là 240 0 C Mặc dù trên lý thuyết nhiệt độ hóa lỏng của sợi ABS này là 230 0 C, tuy nhiên khi thực nghiệm nhiều lần và ghi nhận thì nhiệt độ hiển thị ở bộ kiểm soát nhiệt cho thấy trạng thái làm việc tốt nhất lại là 240 0 C Điều này có thể giải thích là do quá trình cách nhiệt không tuyệt đối, đã có sự thất thoát một phần nhiệt ra môi trường xung quanh, ngoài ra phải kể đến sai số của đầu dò nhiệt độ Vậy để đảm bảo yêu cầu đùn vật liệu của đầu đùn kép và độ chính xác của mẫu thì nhiệt độ phù hợp để cung cấp cho quá trình đùn là 240 0 C b Th ử nghi ệ m thay đổ i t ố c độ c ủ a độ ng c ơ b ướ c:

Trong đầu đùn kép, vật liệu đi vào ống cấp liệu và bị gia nhiệt bởi bộ gia nhiệt, nhiệt độ vật liệu tăng cao dần dưới tác động nhiệt Trước khi vật liệu đạt đến nhiệt độ hóa lỏng, tồn tại một đoạn (có khe hở) giữa sợi vật liệu và ống dẫn, gọi là giai đoạn cấp liệu Khi nhiệt độ của bề mặt sợi vật liệu tăng cao, nguyên liệu nóng chảy, hình thành một khu vực vật liệu bắt đầu bị hóa lỏng gọi là giai đoạn hóa lỏng Trước khi vật liệu bị đùn ra khỏi miệng phun, có một giai đoạn mà vật liệu bị nóng chảy hoàn toàn và điền đầy đầu phun, gọi là giai đoạn nóng chảy

Trong ba giai đoạn trên, vật liệu trải qua các trạng thái chuyển từ rắn sang lỏng, mặc dù khe hở giữa sợi vật liệu và thành ống là rất nhỏ, nhưng nếu vận tốc đùn của động cơ quá cao, phản lực của bản thân vật liệu lỏng tăng lên sẽ xảy ra huyện tượng trào ngược vật liệu lỏng ra ngoài miệng ống dẫn Thử nghiệm này nhằm xác định tốc độ đùn phù hợp để không xảy ra huyện tượng trào ngược như hình 4.6 Với vật liệu đã chọn và bộ kiểm soát nhiệt như thiết kế Quá trình thử nghiệm tốc độ đùn phù hợp cho vật liệu được trình bày trong bảng 4.2

Bảng 4.2 Thử nghiệm thay đổi tốc độ của động cơ bước Tốc độ động cơ

(vòng/phút) Kết quả thu được

Tốc độ nhựa đùn ra rất chậm, kích thước sợi ra rất nhỏ so với miệng phun Các lớp không liên kết với nhau

Không có hiện tượng trào vật liệu lỏng

4 Tốc độ nhựa đùn ra chậm, kích thước sợi ra chưa đồng đều Không có hiện tượng trào vật liệu lỏng

Sợi nhựa ra không bị biến dạng, kích thước tương đối đồng đều Liên kết với nhau tốt Không có hiện tượng trào vật liệu lỏng

Có hiện tượng vật liệu lỏng chảy ra ngoài miệng ống dẫn một lượng nhỏ Vật liệu ra ngoài đầu phun có đường kính thay đổi do bị dồn lên nhau, các lớp liên kết không tốt với nhau

Hình 4.6 Hiện tượng trào ngược vật liệu

Sợi nhựa bị dồn nén và biến dạng ở đầu vào, vật liệu lỏng chảy ra ngoài miệng ống dẫn Vật liệu ra ngoài đầu phun bị gián đoạn không liên tục

Sau quá trình thử nghiệm ta nhận thấy tốc độ hợp lý của động cơ trong quá trình đùn là 06 vòng/phút Với tốc độ này đảm bảo tạo ra sợi vật liệu đồng đều, không có hiện tượng trào ngược và có sự liên kết cao giữa các lớp vật liệu với nhau c Th ử nghi ệ m thay đổ i t ố c độ di chuy ể n c ủ a máy phay CNC tích h ợ p v ớ i đầ u đ ùn kép:

Thử nghiệm nhằm xác định tốc độ di chuyển hợp lý của máy phay CNC theo 3 trục phù hợp với tốc độ đùn của đầu đùn kép Từ đó đưa ra các thông số điều khiển cho máy khi đùn tạo mẫu Kết quả thử nghiệm tốc độ di chuyển được trình bày trong bảng 4.3

Bảng 4.3 Thử nghiệm tốc độ di chuyển của máy phay CNC Tốc độ

(mm/phút) Kết quả thu được

< 290 Sợi nhựa đùn ra bị dồn nén lên nhau do đầu đùn di chuyển chậm so với tốc độ đùn ra của sợi

320 Sợi nhựa ít bị dồn nén hơn nhưng sợi vẫn chưa đạt yêu cầu về hình dạng, kích thước

Sợi nhựa ra không bị biến dạng, kích thước tương đối đồng đều Tốc độ đùn và dịch chuyển thấp nên thời gian tạo ra mẫu sẽ lâu hơn

Sợi nhựa ra bị biến dạng rất ít, kích thước tương đối đồng đều Tốc độ nhanh hơn nên thời gian tạo ra mẫu sẽ nhanh hơn

Sợi nhựa ra bị biến dạng nhiều do dãn dài bởi tốc độ di chuyển nhanh, kích thước thay đổi, giảm khả năng kết dính giữa các lớp vật liệu với nhau

Sau quá trình thử nghiệm ta nhận thấy tốc độ hợp lý có thể sử dụng cho việc di chuyển 3 trục trong quá trình đùn là 350 mm/phút Với tốc độ này đảm bảo tạo ra sợi vật liệu đều, ít thay đổi kích thước và tạo sự liên kết cao giữa các lớp vật liệu với nhau d Th ử nghi ệ m thay đổ i kho ả ng cách t ừ mi ệ ng vòi đ ùn đế n t ấ m đỡ m ẫ u:

Thử nghiệm này nhằm xác định khoảng cách hợp lý từ miệng vòi đùn đến tấm đỡ mẫu minh họa trong hình 4.7 để đảm bảo khả năng liên kết giữa lớp vật liệu đầu tiên với tấm đỡ mẫu mà không làm thay đổi hình dạng sợi khi đùn ra Kết quả thử nghiệm được trình bày trong bảng 4.4

Hình 4.7 Khoảng cách từ miệng vòi đùn đến tấm đỡ mẫu

Khoảng cách từ miệng vòi đùn đến tấm đỡ

Miệng vòi đùn Tấm đỡ mẫu

Bảng 4.4 Thử nghiệm khoảng cách từ miệng vòi đùn đến tấm đỡ mẫu Khoảng cách (mm) Kết quả thu được

Sợi vật liệu dính trên tấm đỡ mẫu nhưng do khoảng cách quá nhỏ nên bị ép bởi miệng vòi đùn làm sợi không còn hình dạng cố định và miệng vòi đùn bị dính nhựa làm cho nhựa đùn ra khó khăn

Sợi dính trên tấm đỡ mẫu và sợi vật liệu có dạng dẹp một phần do vẫn bị ép bởi miệng vòi đùn Sợi vật liệu ra ở lớp tiếp theo không đạt yêu cầu do đầu đùn bị dính một ít nhựa đã thay đổi hướng đùn ra của sợi nhựa

Kết quả đạt được và phương hướng phát triển

Phương hướng phát triển

Mặc dù nội dung của luận văn đã giải quyết được những yêu cầu đặt ra của đầu đùn kép thông qua quá trình phân tích, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm thành công Tuy nhiên trong khuôn khổ thời gian cho phép, đề tài vẫn còn một số hạn chế, để có thể hoàn thiện được hệ thống đầu đùn kép ứng dụng vào máy tạo mẫu nhanh FDM thì cần phải giải quyết thêm một số vấn đề sau:

Cần tiến hành thử nghiệm hệ thống đầu đùn kép trên các máy tạo mẫu nhanh nhiều hơn nữa để xác định sự tương thích giữa các bộ phận của máy nhằm hoàn thiện cả hệ thống, đồng thời nghiên cứu thực nghiệm sâu hơn về đầu đùn kép nhằm thiết lập các thông số vật lý tối ưu của đầu đùn để có thể điều khiển đầu đùn một cách hiệu quả tạo ra các mẫu phức tạp đáp ứng nhu cầu thị trường hiện nay.

Hệ thống cần được tích hợp và phối hợp tốt hơn nhiều lĩnh vực khác nhau như tự động hóa, điện tử và công nghệ thông tin để có thể hoàn thiện với khả năng tự động hóa cao Nhờ những khả năng này, hệ thống có thể nhanh chóng tạo ra các mẫu 3D với chất lượng cao và giá thành phù hợp, phục vụ tốt cho các hoạt động sản xuất và đời sống.

PHỤ LỤC Các Thông Số Kỹ Thuật Bộ Kiểm Soát Nhiệt E5CN