Nghiên cứu quá trình tạo mẫu nhanh kiểu kết tụ nóng chảy FDM và thiết kế đầu đùn phục vụ đào tạo

NGUYỄN HỮU QUANG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ NGÀNH : CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ NGHIÊN CỨU Q TRÌNH TẠO MẪU NHANH KIỂU KẾT TỤ NÓNG CHẢY FDM VÀ THIẾT KẾ ĐẦU ĐÙN PHỤC VỤ ĐÀO TẠO NGUYỄN HỮU QUANG 2005 – 2007 HÀ NỘI 2007 HÀ NỘI 2007 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TẠO MẪU NHANH KIỂU KẾT TỤ NÓNG CHẢY FDM VÀ THIẾT KẾ ĐẦU ĐÙN PHỤC VỤ ĐÀO TẠO NGÀNH : CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ 3.04.3898 NGUYỄN HỮU QUANG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN HUY NINH HÀ NỘI 2007 MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng biểu Danh sách hình vẽ, đồ thị Mở đầu Chương 1: Tổng quan tạo mẫu nhanh 1.1 Những vấn đề chung tạo mẫu nhanh 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Các khái niệm tạo mẫu nhanh 1.1.3 Các thời kỳ trình tạo mẫu 1.1.4 Các nhóm tạo mẫu 1.1.5 Ưu điểm trình tạo mẫu nhanh 1.2 Các đặc trưng trình tạo mẫu nhanh 1.2.1 Nền tảng trình tạo mẫu nhanh 1.2.2 Các phần tử hệ thống tạo mẫu nhanh 1.2.3 Các loại hệ thống tạo mẫu nhanh đặc trưng công nghệ 1.2.4 Các bước công nghệ q trình tạo mẫu nhanh 1.2.5 Ứng dụng cơng nghệ tạo mẫu nhanh 1.3 Các phương pháp tạo mẫu nhanh thông dụng 1.3.1 In litho không gian (Stereolithography) 1.3.2 Selective Laser Sintering (SLS) 1.3.3 Tạo đối tượng phiến (Laminated Object Manufacturing – LOM) 1.3.4 Solid – Base curing 1.3.5 Tạo mẫu ảo Chương 2: Tạo mẫu nhanh theo phương pháp kết tụ nóng chảy FDM 2.1 Sơ lược hãng sản xuất Stratasys 2.2 Nguyên lý hoạt động trình FDM 2.3 Các hệ thống sản phẩm 2.3.1 FDM Vantage SE 2.3.2 FDM Titan 2.3.3 FDM Maxum 2.4 Một số vấn đề gặp phải trình FDM 2.4.1 Vấn đề với file định dạng STL 2.4.2 Các định dạng chuyển đổi khác 2.5 Ví dụ trình thiết kế tạo mẫu bánh 2.5.1 Giới thiệu 2.5.2 Quá trình thực 10 10 10 12 14 16 18 19 20 22 25 28 36 39 39 42 43 45 47 49 49 50 56 58 59 60 61 61 64 65 66 67 2.6 Nghiên cứu cải thiện chất lượng mẫu tạo trình FDM sử dụng phương pháp thiết kế thực nghiệm DOE 2.6.1 Tóm tắt 2.6.2 Giới thiệu 2.6.3 Các thiết kế thực nghiệm (Design of Experiments) 2.6.4 Lựa chọn thông số thực 2.6.5 Phương pháp thực nghiệm 2.6.6 Các kết phân tích, đánh giá phương pháp DOE 2.6.7 Phân tích làm sáng tỏ hệ số thực nghiệm 2.6.8 Các kết luận gợi ý (Conclusions and Recommendations) 2.7 Ưu điểm nhược điểm trình FDM Chương 3: Vật liệu cho trình tạo mẫu nhanh 3.1 Giới thiệu chung 3.1.1 Các vật liệu tự nhiên 3.1.2 Cấu trúc kết dính hố học 3.2 Các loại vật liệu dùng trình tạo mẫu nhanh 3.2.1 Các loại vật liệu chuyên dụng 3.2.2 Các loại vật liệu thông dụng 3.3 Vật liệu dùng trình FDM Chương 4: Thực nghiệm tạo mơ hình FDM 4.1 Báo cáo tổng quan 4.2 Phương án lựa chọn kết cấu, vật liệu 4.2.1 Phương án lựa chọn kết cấu mơ hình 4.2.2 Phương án lựa chọn kết cấu hệ thống đùn vật liệu 4.2.3 Nguyên liệu cấp vào 4.3 Mạch điều khiển 4.3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển 4.3.2 Các phương pháp điều khiển (các phương pháp nội suy) 4.4 Thực nghiệm 4.5 Kết luận 4.6 Phương hướng phát triển đề tài Tài liệu tham khảo 71 71 71 73 75 78 81 84 86 86 89 89 90 92 96 96 99 101 106 106 107 107 108 111 113 113 115 117 120 121 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 2D Two dimensional 3D Three dimensional ABS Acrylonitrile butadiene styrene ASCII American national standards institute CAD Computer aided design CAE Computer aided engineering CAM Computer aided manufacturing CNC Computer numerical control DOE Design of experiments EDM Electric discharge machine FDM Fused deposition modeling FFF Freeform fabrication IGES Initial graphics exchange specifications LOM Laminated object manufacturing NC Numerical control PE Polyethylene PPS Ponyphenylene sulfide PPSF Polyphenylsulfone RE Reverse engineering RP Rapid prototyping RP&M Rapid prototyping & modeling RPT Rapid prototyping technologies RPTM Rapid prototyping, tooling and manufacturing RT Rapid tooling SFF Solid freeform fabrication SLA Stereolithography apparatus SLS Selective laser sintering SML Stratasys machine language STL Stereolithography file DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các đặc trưng công nghệ hệ thống tạo mẫu nhanh Bảng 1.2 Kiểu đầu mã nhị phân mã ASCII Bảng 1.3 Các bước hoàn thiện mẫu hệ thống RP Bảng 2.1 Các loại hệ thống tạo mẫu nhanh hãng Stratasys Bảng 2.2 Đặc điểm kỹ thuật hệ thống FDM Vantage SE Bảng 2.3 Đặc điểm kỹ thuật hệ thống FDM Titan Bảng 2.4 Đặc điểm kỹ thuật hệ thống FDM Maxum Bảng 2.5 Các cấp độ cao thấp cho thông số Bảng 2.6 Bảng thống kê hệ số thực nghiệm Bảng 2.7 Giá trị trung bình tính tốn hệ số thực nghiệm Bảng 3.1 Bảng so sánh tính loại vật liệu chuyên dụng Bảng 3.2 Đặc điểm nhựa ABS Bảng 3.3 Đặc điểm loại nhựa dẻo nhựa đàn hồi Bảng 4.1 Các thông số thực nghiệm DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Ba loại trình chế tạo mẫu Hình 1.2 Quá trình bồi đắp (Additive Process) Hình 1.3 Các phần tử hệ thống tạo mẫu nhanh Hình 1.4 Các bước cơng nghệ q trình tạo mẫu nhanh Hình 1.5 Các bước cơng nghệ q trình tạo mẫu nhanh Hình 1.6 Binary STL format Hình 1.7 ASCII STL format Hình 1.8 Ứng dụng y học để tạo sọ người Hình 1.9 Quá trình Stereolithography Hình 1.10 Hệ thống Stereolithography Hình 1.11 Các phận trình SLS Hình 1.12 Các bước vận hành SLS Hình 1.13 Hệ thống LOM Hình 1.14 Các bước vận hành trình LOM Hình 1.15 Quá trình SBC Hình 2.1 Các bước cắt lát mơ hình CAD Hình 2.2 Ngun lý FDM Hình 2.3 Mơ hình cắt lát contour lớp Hình 2.4 Các phương dịch chuyển trình FDM Hình 2.5 Sơ đồ khối trình tạo mẫu FDM Hình 2.6 Tạo mẫu kiểu FDM Hình 2.7 Mẫu Hình 2.8 Đầu đùn vật liệu Hình 2.9 Hệ thống FDM Vantage SE Hình 2.10 Hệ thống FDM Titan Hình 2.11 Hệ thống FDM Maxum Hình 2.12 Các lỗ hổng hướng pháp tuyến không đồng Hình 2.13 Chỗ giao khơng Hình 2.14 Lỗi kết cấu đỡ bên Hình 2.15 Bánh Hình 2.16 Thiết bị FDM 1650 Hình 2.17 Mẫu bánh chế tạo FDM 1650 Hình 2.18 Ma trận thiết kế Taguchi Hình 2.19 Ma trận thiết kế cổ điển Hình 2.20 Ma trận thiết kế trực giao bốn hệ số, hai cấp độ Hình 2.21 Đầu đùn FDM Hình 2.22 Lỗ khí Hình 2.23 Độ dày lát cắt Hình 2.24 Đường đùn vật liệu tạo lớp Hình 2.25 Mẫu Hình 2.26 Mẫu Hình 3.1 Các loại vật liệu hỗn hợp chúng Hình 3.2 Bảng hệ thống tuần hồn Hình 3.3 Vùng vơ định hình vùng kết tinh polymer Hình 3.4 Đặc trưng khối lượng nhiệt độ Hình 4.1 Mơ hình FDM Hình 4.2 Phương án mơ hình FDM Hình 4.3 Hệ thống đầu đùn Hình 4.4 Cấu tạo đầu đùn Hình 4.5 Hình 4.7 Súng bắn keo Súng bắn keo, sử dụng keo dính dạng đường kính 7mm, cơng suất 10W, điện áp 110/240V AC, nhiệt độ tối đa ~ 1100C, keo đùn có đường kính 1mm Mối nối vật liệu Hình 4.8 Sơ đồ khối mạch điều khiển Hình 4.9 Nội suy tuyến tính xấp xỉ đường cong Hình 4.10 Nội suy đường trịn Hình 4.11 Nội suy parabol Hình 4.12 Mẫu trụ thực nghiệm (hollow cylinder) Various deposited EVA cylinders, arranged approximately chronologically Hình 4.6 Hình 4.13 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tồn luận văn sau nghiên cứu thực hiện, không trùng với đề tài khác Tác giả Nguyễn Hữu Quang MỞ ĐẦU Trong giai đoạn nay, để thành cơng lĩnh vực sản xuất kinh doanh, người ta không nắm vững yếu tố chủ chốt chất lượng, suất, giá thành dịch vụ sau bán hàng Một biện pháp công nghệ đại ngày giúp nắm bắt kịp với nhu cầu thị trường, thích nghi nhanh chóng với thay đổi đặc biệt lường trước yếu tố bất lợi ảnh hưởng đến trình sản xuất cơng nghệ tạo mẫu nhanh Đây cơng nghệ có từ lâu giới đóng góp nhiều vào phát triển kinh tế nước Tuy nhiên, nước ta cơng nghệ chưa áp dụng đa dạng triệt để nhằm nâng cao chất lượng sản xuất Với mục đích góp phần nhỏ sức lực vào việc thúc đẩy đưa tiến khoa học kỹ thuật vào thực tiễn, đồng thời giúp hệ sinh viên sau có thêm nhiều tài liệu nghiên cứu lĩnh vực tạo mẫu nhanh, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu luận văn tốt nghiệp cao học ngành cơng nghệ khí là: “Nghiên cứu q trình tạo mẫu nhanh kiểu kết tụ nóng chảy FDM thiết kế đầu đùn phục vụ đào tạo” Nội dung luận văn bao gồm chương với gần 120 trang thuyết minh đề cập đến vấn đề sau: Chương 1: Tổng quan công nghệ tạo mẫu nhanh Chương 2: Tạo mẫu nhanh theo phương pháp kết tụ nóng chảy FDM Chương 3: Vật liệu trình tạo mẫu nhanh Chương 4: Thực nghiệm tạo mơ hình FDM Các danh mục tài liệu tham khảo, địa liên hệ Tôi xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình, chu đáo thầy TS.Nguyễn Huy Ninh đóng góp ý kiến bạn đồng nghiệp suốt thời gian thực Do hạn chế khả thời gian chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận đóng góp ý kiến nhà chuyên môn, bạn đồng nghiệp Hà Nội, ngày tháng năm 2007 Trường ĐHBKHN TT Đào tạo SĐH 109 Răng nghiêng có số tương ứng Z1, Z2, Z2’ Z3 minh hoạ hình bên Hệ thống cung cấp tỷ số truyền lựa chọn là: i= Z Z3 = 7:1 Z1 Z ' Hộp giảm tốc với hai cặp bánh trụ nghiêng kết hợp với hai trục đảm bảo vật liệu cung cấp liên tục đặn vào lòng đầu đùn để gia nhiệt sau tiếp tục đẩy ngồi thành dịng qua miệng đầu đùn với đường kính 1mm Ngồi tỷ số truyền cố định từ hộp giảm tốc, tốc độ đùn vật liệu điều chỉnh thông qua việc điều khiển tốc độ động nối với bánh dẫn cách thay đổi điện áp vào Tuy nhiên trình thực nghiệm đùn vật liệu, có số vấn đề đặt cần phải đảm bảo thiết kế đầu gia nhiệt (heat nozzle) Thứ nhất, lượng nhiệt cần cung cấp cho vật liệu phải lớn khoảng thời gian ngắn để đảm bảo vật liệu đưa tới nhiệt độ nóng chảy (melting point) trước đùn Thứ hai, để phù hợp với việc tạo mẫu theo lớp lớp lại có thay đổi đường đùn vật liệu (raster orientation) việc đảm bảo trạng thái đùn / dừng đùn vật liệu có thay đổi quan trọng, nghĩa động nối với trục dẫn hộp giảm tốc ngừng quay đầu ống đùn phải dừng đùn vật liệu Vì cần phải có cấu chặn đầu ống đùn để cho cho phép vật liệu đẩy có áp lực đùn từ hộp giảm tốc Từ đó, thiết kế sơ đầu đùn hình 4.4 đây: Trong kết cấu đầu đùn thiết kế hình 4.4, đường kính lỗ đầu 1mm Vật liệu đẩy vào đầu đùn với áp lực đủ lớn thắng lực cản lò xo, làm viên bi cầu xuống để lại khoảng trống cho vật liệu gia nhiệt qua Khi áp lực đẩy khơng cịn (động nối trục Nguyễn Hữu Quang Cao học CNCK 2005 - 2007 Trường ĐHBKHN TT Đào tạo SĐH 110 dẫn hộp giảm tốc dừng hoạt động) lực đẩy lị xo làm cho viên bi cầu bị đẩy lên bịt đường thoát vật liệu lại Viên bi giữ lòng đầu đùn bạc trơn lắp khít với đầu đùn Hình 4.4 Cấu tạo đầu đùn Súng bắn keo, tìm thấy chợ thiết bị xây dựng, cơng suất 10W, điện áp vào 110/240V AC, nhiệt độ tối đa 1100C, sử dụng keo dính gắn kính cửa sổ, loại EVA (Ethylene Vinyl Acetate – nhựa cao phân tử đồng trùng hợp khơng hồ tan (insoluble copolymer), có tính dẻo tốt, có nhiệt độ Hình 4.5 Súng bắn keo nóng chảy vào khoảng 850C), lựa chọn sử dụng có đặc điểm cấu tạo tính tương tự kết cấu thiết kế gắn vào giá đỡ để thử chất lượng lớp keo đùn Các vòng cao su giữ vị trí bulong vặn khít chứng tỏ hiệu việc làm giảm chỗ chùng (làm căng) Toàn hệ thống gá nối làm giá đỡ, mà với gỗ kẹp thêm giữ chắn êtơ có khả thay đổi nhiều vị trí hình minh hoạ 4.6 Nguyễn Hữu Quang Cao học CNCK 2005 - 2007 Trường ĐHBKHN 111 TT Đào tạo SĐH Hình 4.6 Súng bắn keo, sử dụng keo dính dạng đường kính 7mm, cơng suất 10W, điện áp 110/240V AC, nhiệt độ tối đa ~ 1100C, keo đùn có đường kính 1mm 4.2.3 Nguyên liệu cấp vào: Để đảm bảo tạo mẫu trình FDM, nguyên liệu cấp cho chúng loại nhựa ABS - loại có tính dẻo tốt, có nhiệt độ nóng chảy thấp để khoảng thời gian gia nhiệt cho vật liệu đến lúc đùn phải đủ ngắn, đáp ứng cho trình đùn liên tục thời gian dài Nếu vật liệu khơng thể đưa đến nhiệt độ nóng chảy nhanh liên tục trình đùn bị gián đoạn Hơn nữa, vật liệu nóng chảy đùn tạo thành lớp bàn đỡ lại địi hỏi thời gian kết tụ, đông cứng thật ngắn để đảm bảo lớp đùn trước có đủ độ cứng để đỡ lớp đùn bên Thực tế thực nghiệm chứng tỏ thời gian đông cứng vật liệu định lớn đến mức độ thành công Với thực tế giá thành cuộn vật liệu ABS sử dụng q trình FDM đắt, khơng phù hợp cho thí nghiệm mơ hình giáo dục, địi hỏi Nguyễn Hữu Quang Cao học CNCK 2005 - 2007 Trường ĐHBKHN 112 TT Đào tạo SĐH phải tìm loại vật liệu có tính tương đương lại có giá thành hợp lý nhiều Quá trình nghiên cứu tìm tịi vật liệu sử dụng mơ hình thực nghiệm với tính đáp ứng loại nhựa ABS cho kết vật liệu keo dẻo EVA (Ethylene Vinyl Acetate) dùng súng bắn keo gắn kính – nhựa cao phân tử đồng trùng hợp khơng hồ tan (insoluble copolymer), có tính dẻo tốt, màu trắng đục, có nhiệt độ nóng chảy vào khoảng 850C, tức đảm bảo thời gian gia nhiệt cho vật liệu đến nhiệt độ nóng chảy vài chục giây đến phút, vật liệu từ đầu vào đầu đùn đến lúc đầu chuyển trạng thái từ nguội dẻo đến nóng chảy thành dịng Đồng thời, thời gian đông cứng loại keo tương đương làm nóng chảy, đặc biệt để rút ngắn thời gian kết tụ nữa, thực nghiệm, chúng tơi bố trí quạt gió thổi trực tiếp vào vùng khơng gian tạo mẫu Điều cho hiệu rõ rệt lớp đông cứng nhanh đủ độ dẻo cần thiết để kết dính chặt chẽ với lớp đùn sau Trước cấp vào đầu đùn, ngun liệu cấp có dạng trịn có đường kính 7mm Đầu cuối keo nằm lòng súng phun gia nhiệt kim loại nhỏ (micro steel) đến nhiệt độ nóng chảy đến ngồi cịn có đường kính 1mm Để q trình cung cấp phơi liên tục, keo nối vng góc đến keo khác (như hình minh hoạ) Đảm bảo chất lượng mối nối làm cho trình cấp phôi liên tục Một mẹo nhỏ trình vặn xoắn chút keo, đồng thời ép nhẹ áp lực làm giảm phình to chỗ nối, đủ độ dính kết Chất lượng nối (bad join) nguyên nhân làm cho việc cấp vật liệu cho cấu bị mắc kẹt (jams against) Nguyễn Hữu Quang Cao học CNCK 2005 - 2007 Trường ĐHBKHN TT Đào tạo SĐH 113 Hình 4.7 Mối nối vật liệu 4.3 Mạch điều khiển: 4.3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển: Động đẩy Hình 4.8 Sơ đồ khối mạch điều khiển Trong sơ đồ khối trên, nhiệm vụ cụ thể khối sau : - Khối nguồn (Power): Bộ nguồn lấy điện 220V-AC cho nguồn điều khiển công suất 12V Để ổn định nguồn cho mạch điều khiển, ta lấy nguồn 5V thông qua cổng USB máy tính - Khối máy tính (Computer or laptop): Máy tính có vai trị mơ phỏng, giao diện truyền mã G-code xuống cho điều khiển thông qua cổng COM (giao tiếp với cổng COM máy tính qua IC RS232) Giao tiếp RS232 Nguyễn Hữu Quang Cao học CNCK 2005 - 2007 Trường ĐHBKHN 114 TT Đào tạo SĐH giao tiếp chuẩn với máy tính họ vi điều khiển hãng ATMEL chế tạo, liệu truyền nối tiếp qua cổng COM ( dùng cổng LPT liệu truyền song song) - Khối vi điều khiển (Micro controller): Khi vi điều khiển nhận mã lệnh máy tính đưa xuống phân tích lệnh để phân biệt đâu lệnh điều khiển động bước, đâu lệnh dừng hay reset Phân tích mã lệnh xong, vi điều khiển đưa tín hiệu xung để điều khiển Các xung đưa vào mạch công suất đóng điện cho Role để chạy động - Khối cách ly quang: Giữa mạch công suất khối vi điều khiển có khối cách ly quang Nhiệm vụ khối cách ly hẳn khối vi điều khiển dùng điện áp nhỏ (5V) Với khối mạch công suất dùng điện áp lớn (12V) để tránh tượng xung ngược làm treo vi điều khiển - Khối mạch cơng suất Role đóng điện động cơ: Mạch cơng suất hay cịn gọi mạch điều khiển động bước Về nguyên lý gồm tranzito lập trình (bởi vi điều khiển) để đóng mở tranzito trường (MOSFET ) có nhiệm vụ cấp điện cho động buớc chạy ngắt điện động bước để dừng vị trí u cầu Role xoay chiều đóng ngắt MOSFET MOSFET đóng ngắt cách ly quang Việc đóng ngắt cách ly quang khối vi điều khiển quy định Như động đẩy chạy có lệnh đóng cách ly quang từ vi điều khiển - Khối cấu chấp hành: Khối cấu chấp hành bao gồm động bước trục vít Thơng thường, máy cơng nghiệp sử dụng động servo để dẫn động trục Động servo có ưu điểm điều khiển vơ cấp, dải tốc độ cao động bước nhiều đặc biệt, có phận bù sai số Nguyên tắc làm việc phận thực xong lệnh từ hệ điều khiển, gửi hệ thống điều khiển kết việc thực lệnh Nguyễn Hữu Quang Cao học CNCK 2005 - 2007 Trường ĐHBKHN 115 TT Đào tạo SĐH thông qua mạch phản hồi Hệ điều khiển thực so sánh kết gửi với thông số truyền (thông qua điện áp đại lượng đó), tính tốn sai số gửi lệnh bù lại sai số Nhờ đó, máy di chuyển xác gần tuyệt đối Động bước khơng có phận phản hồi, coi dạng điều khiển hở, khơng thể bù sai số Vì vậy, xác dịch chuyển thấp động servo nhiều Tuy vậy, với mục đích xây dựng mơ hình cho phịng thí nghiệm, khơng phải để chế tạo thực động bước hồn tồn có khả đáp ứng yêu cầu độ xác dịch chuyển Việc chọn động bước với bước góc nhỏ (1,8 độ) góp phần làm giảm phần sai số dịch dịch chuyển quãng đường ngắn Trục vít sử dụng khối cấu chấp hành trục vít với bước ren nhỏ 1mm để làm cấu dịch chuyển bàn máy tốc độ chậm bù lại, đạt độ phân giải dịch chuyển tốt (cỡ 0.005mm) 4.3.2 Các phương pháp điều khiển (các phương pháp nội suy): Trong trình thực nghiệm, trục điều khiển để chuyển động theo tốc độ riêng, đạt đến vị trí yêu cầu Tất trục chuyển động lúc khơng có phép nội suy điểm đến lại khác tuỳ theo đường Phép nội suy phối hợp chuyển động trục theo cách để quỹ đạo từ điểm đầu đến điểm cuối cố định Có vài phép nội suy sau: - Nội suy tuyến tính: Với phép nội suy tuyến tính, trục xoay chuyển động thẳng từ điểm đầu đến điểm cuối Đôi người ta chia nhỏ đường cong thành nhiều đoạn thẳng, theo máy dùng phép nội suy đường thẳng để gia công đường cong Về mặt lý thuyết, nội suy tuyến tính thực với số lượng trục chuyển động Nguyễn Hữu Quang Cao học CNCK 2005 - 2007 Trường ĐHBKHN TT Đào tạo SĐH 116 Hình 4.9 Nội suy tuyến tính xấp xỉ đường cong Khi độ xác đường cong đặt ra, số lượng lớn điểm không gian xác định, tạo thành khối lượng liệu lớn Về lý thuyết đường cong thực việc xấp xỉ đường thẳng, với phép nội suy đường tròn, nội suy parabol nội suy đường cong cho kết với số lượng tính tốn nhỏ nhiều cách lập trình trở nên đơn giản, dễ làm - Nội suy đường tròn: Nếu cung tròn mặt XY, XZ, YZ cần gia cơng, có điểm cuối tâm cung tròn cần xác định Tất điểm trung gian tính tốn phép nội suy đường trịn Hình 4.10 Nội suy đường tròn - Nội suy cung parabol Một đường parabol không gian xác định điểm Điểm P2 trung điểm P4, P5, P5 trung điểm P1 P3 P1 điểm cho trước P2 P3 đưa vào Nội suy parabol lượng tính tốn giảm đáng kể so với nội suy tuyến tính có hình dáng phức tạp cao Hình 4.11 Nội suy parabol Nguyễn Hữu Quang Cao học CNCK 2005 - 2007 Trường ĐHBKHN TT Đào tạo SĐH 117 - Nội suy đường cong Kết hợp nhiều đường cong (tròn, parabol) tạo thành đường cong kín Sự di chuyển theo đường cong xác định tiếp tuyến Với phép nội suy này, hình phức tạp lập trình với lượng tính tốn nhỏ so với phương pháp nội suy tuyến tính, cơng thức trở nên phức tạp 4.4 Thực nghiệm: Sau trình chuẩn bị thiết kế kết cấu liên quan: kết cấu thân (main support), bàn đỡ mẫu (turntable), đầu đùn (extrusion head) lắp ghép nối điện điều khiển theo sơ đồ khối đặc biệt có quạt tạo gió tập trung để làm lạnh (cooling) có cơng suất cố định 70W, 50cm đặt trực tiếp cạnh vùng tạo mẫu bàn xoay Đầu đùn, bàn xoay hệ thống đỡ lắp ghép đặt bàn phẳng khơ hình bên Bất kỳ phận dịch chuyển phải kiểm tra trước Kết cấu thiết kế mạch điều khiển sử dụng để đảm bảo mang bàn xoay đầu đùn tới tiếp xúc nhẹ nhàng, đồng thời kết cấu điều khiển quay theo hướng có lợi việc tạo lớp Q trình thực nghiệm bắt đầu với việc cố gắng tập trung điều khiển sử dụng thật cẩn thận (gently abused) đạt điều chỉnh chuẩn xác thơng số điều khiển q trình đùn vật liệu điện áp vào, nhiệt độ bao quanh (ambient temperature), tốc độ dòng chảy (flow rate) Kết đạt đùn ống trụ (cylinder) là: bề dầy thành (thick walls) – mm, đường kính (diameter) – 19,5 mm, cao (high) – 18 mm Sự nỗ lực trì để thiết lập thông số điều kiện bao quanh (controlled ambient conditions) loại hình dạng hình học mẫu Nguyễn Hữu Quang Cao học CNCK 2005 - 2007 Trường ĐHBKHN 118 TT Đào tạo SĐH phức tạp mẫu hình trụ thơng thường, nhiên để làm điều đó, quạt 70W bên ngồi phải 60% lượng để làm lạnh nhựa cách nhanh chóng Trình tự thực thí nghiệm mô tả sau: điện áp 110V AC cấp vào cho phép bàn xoay quay tự do, đồng thời, động nối trục dẫn hộp giảm tốc hệ thống cung cấp vật liệu vận hành Một chuỗi gồm keo dính đẩy vào đầu đùn Súng đùn bắt đầu gia nhiệt, cực điện áp vào kiểm tra để đảm bảo tồn cấu có chiều quay thích hợp Thanh keo dính EVA đùn áp lực nén hộp giảm tốc hai trục đầu súng xuất thành dòng chảy liên tục Quạt làm mát sau mở đồng thời với cấu cấp vật liệu cấu bàn xoay Với dòng keo chảy từ súng phun có đường kính 1mm tỷ số truyền hộp giảm tốc bánh đùn phơi 3:1, sau vịng xoay, bàn xoay hạ xuống 0,5mm Do đó, hệ bánh điện áp động cấp vật liệu phải điều chỉnh để thích hợp với đường kính lớp keo đùn (hollow cylinder) ngưng tụ bàn xoay Do khơng có sẵn nhiều cặp bánh có tỷ số truyền khác nên khơng thể thí nghiệm nhiều Hình 4.12 Mẫu trụ thực nghiệm (hollow cylinder) Nguyễn Hữu Quang Cao học CNCK 2005 - 2007 Trường ĐHBKHN TT Đào tạo SĐH 119 Ta có bảng thơng số thực nghiệm sau: Tên thông số TT Điện áp cấp Công suất đầu đùn Nhiệt độ tối đa làm việc Vật liệu thử Nhiệt độ nóng chảy vật liệu thử 10 Giá trị thực nghiệm Đánh giá 110V – 240V AC 10W ~1100C EVA (Ethylene Vinyl Acetate) Thời gian gia nhiệt ban đầu vật liệu đạt trạng thái nóng chảy Thời gian kết tụ lớp đùn (khi khơng có quạt làm mát – cooling) Thời gian kết tụ lớp đùn có quạt làm mát Đường kính vật liệu vào Mua sẵn chợ vật liệu xây dựng ~850C > 75s ~ 25s Tuỳ thuộc vào công ~ 5s suất quạt làm mát mm Đường kính vật liệu nóng chảy đầu đầu đùn 11 Đường kính tối đa mẫu thử 12 Chiều cao tối đa mẫu thử mm 20 – 25 mm Có thể tăng thêm 20 mm Có thể tăng thêm Bảng 4.1 Các thơng số thực nghiệm Nhận xét (Discussion) - Vật liệu đùn thực nghiệm EVA khơng hồn tồn nằm cuộn vật liệu (coil) lý thuyết phương pháp FDM đề cập, làm phẳng qua đầu đùn lớp đùn trước (previous layers) Chất lượng mối nối EVA định đến thành cơng thí nghiệm - Một yếu tố quan trọng để đùn thành cơng nhiệt độ xung quanh vùng đùn (ambient temperature) Bời lớp vật liệu đùn cần nung nóng chảy, phần lớn sức nóng truyền xuống chi tiết bàn xoay Trừ khử bỏ quạt thiết bị tương tự, khơng sức nóng làm nóng chảy trở lại chi tiết biến chúng thành khối có hình dạng Nguyễn Hữu Quang Cao học CNCK 2005 - 2007 Trường ĐHBKHN 120 TT Đào tạo SĐH không xác định (shapeless blob), giống mẫu thí nghiệm ban đầu vịng trịn đỏ hình 5.13 Hình 4.13 Various deposited EVA cylinders, arranged approximately chronologically 4.5 Kết luận: Nếu khơng có đặc biệt, thực nghiệm vấn đề thực phương pháp FDM, thời gian tương đối ngắn, sử dụng loại vật liệu thơng thường Điều cho thấy sử dụng súng bắn keo (glue gun) để mơ thí nghiệm Khảo sát mẫu thí nghiệm bộc lộ thân vật liệu EVA khơng thích hợp với việc làm phận đỡ (support) mà có ứng dụng tốt việc chế tạo khn, nơi mà đặc tính linh hoạt có lợi Vật liệu thay nhựa ABS loại nhựa có độ nóng chảy thấp (low melting point polymer) gọi “polymorph” Nếu cải tiến hiệu quạt làm mát thực điều cần thiết phải đùn nhiều mẫu phức tạp Nguyễn Hữu Quang Cao học CNCK 2005 - 2007 Trường ĐHBKHN TT Đào tạo SĐH 121 tránh ảnh hưởng sức nóng khơng mong muốn mà điều quay lại làm hỏng mẫu thí nghiệm trình bày hình Mặc dù thiết bị thí nghiệm khơng đầy đủ dự định, tảng cho người sản xuất, thú vị lưu ý công việc cần thực để giúp cho người học nhận thức trình tạo mẫu Sau q trình làm thí nghiệm, với thất bại lẫn thành cơng, có nhiều học rút sau: • Điều khiển độc lập trục vít dẫn, cấu dừng khởi động q trình đùn / kết tụ • Cải thiện hệ thống làm mát mẫu sau lớp đùn • Điều khiển đầu đùn (extrusion head) bàn xoay (turnable) trục vuông góc với bàn xoay • Điều khiển xác góc quay bàn xoay • Thêm đầu đùn khác để sử dụng vật liệu dẫn (support) 4.6 Phương hướng phát triển đề tài: Sau nhiều lần thực nghiệm kết hợp nghiên cứu lý thuyết, nhận thấy đề tài cịn mở rộng tiếp để hồn thiện thành mơ hình thực hữu hiệu giảng dạy trường đại học tảng cho việc hình thành thiết bị sản xuất thực Các hướng phát triển tiếp đề tài bao gồm: - Nghiên cứu điều khiển lúc hai hay nhiều đầu đùn vật liệu để đùn lúc vật liệu tạo mẫu vật liệu support - Cải tiến phần mềm điều khiển máy phần mềm cắt lát để lập trình tạo mẫu phức tạp với độ dày lớp nhỏ giúp bề mặt mẫu tạo đạt độ mịn cần thiết Nguyễn Hữu Quang Cao học CNCK 2005 - 2007 Trường ĐHBKHN - 122 TT Đào tạo SĐH Nghiên cứu tìm đa dạng loại vật liệu thích hợp sử dụng thực tế phù hợp với yêu cầu đặt - Nghiên cứu phương pháp điều khiển tương tác hai chiều máy người, tăng độ linh hoạt sử dụng đảm bảo rút ngắn tối đa trình từ thiết tạo mẫu Nguyễn Hữu Quang Cao học CNCK 2005 - 2007 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: Công nghệ máy CNC, nhà xuất KHKT, GS.TS Trần Văn Địch Điều khiển số cho máy công cụ CNC, nhà xuất KHKT, PGS.TS Tạ Duy Liêm Bài giảng cao học công nghệ tạo mẫu nhanh, TS Nguyễn Huy Ninh Công nghệ CAD/CAM/CNC, nhà xuất KHKT Nguyên liệu nhựa ứng dụng, Hiệp hội nhựa Việt Nam Tiếng Anh: Rapid Prototyping (Principles and Applications), Ph.D Rafiq Noorani Rapid Prototyping and Manufacturing, P.Jacobs, Hong Kong, 1992 Fundamentals of Rapid Prototyping and Applications in Manufacturing, J.Miller, Los Angeles, CA, 1996 Wohler’s Associates Inc (www.wohlersassociates.com) Clemson University (http://www.vr.clemson.edu/rp/rp_lierature.htm) Global Alliance of Rapid Prototyping Associations (GARPA) ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU Q TRÌNH TẠO MẪU NHANH KIỂU KẾT TỤ NĨNG CHẢY FDM VÀ THIẾT KẾ ĐẦU ĐÙN PHỤC VỤ ĐÀO TẠO NGÀNH... luận văn tốt nghiệp cao học ngành cơng nghệ khí là: ? ?Nghiên cứu q trình tạo mẫu nhanh kiểu kết tụ nóng chảy FDM thiết kế đầu đùn phục vụ đào tạo? ?? Nội dung luận văn bao gồm chương với gần 120 trang... chế tạo Quá trình tạo mẫu nhanh (tạo mẫu theo lớp) thuộc vào nhóm đắp dần vật liệu Hình vẽ 1.2 trình lớp liên tiếp thêm vào tạo mẫu nhanh Các trình tạo mẫu nhanh thơng thường bao gồm: SLA, FDM,