Nhựa in 3D là vật liệu để bồi đắp lên mô hình sản phẩm bằng những công nghệ in 3D thông qua sự hỗ trợ của máy in 3D và các phần mềm kỹ thuật. Có rất nhiều các loại vật liệu khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu và phương pháp công nghệ để có thể đưa ra sự lựa chọn, vật liêu in 3D là yếu tố quan trọng để cấy thành lên sản phẩm (chất lượng, độ bền, độ cứng, độ thẩm mỹ,….).
Trang 29
Hình 2.6: Vật liệu nhựa được sử dụng trong công nghệ in 3D[16] 2.2.2. Vật liệu kim loại
Là vât liệu in 3D phổ biến thứ hai sau nhựa. In 3D kim loại có thể sản xuất các bộ phận từ một lượng lớn kim loại và hợp kim kim loại bao gồm nhôm, thép không gỉ, titan, crôm coban và Inconel. In 3D kim loại đã trở nên đặc biệt phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô và y tế vì khả năng tạo ra các thiết kế phức tạp không cần hàn hoặc gia công thêm. Kim loại quý, chẳng hạn như vàng, bạch kim, palađi và bạc cũng có thể được xử lý, nhưng các ứng dụng của chúng là rìa và chủ yếu giới hạn trong chế tạo đồ trang sức.
Một thế mạnh quan trọng của in 3D kim loại là khả năng tương thích với các vật liệu cường độ cao, chẳng hạn như siêu hợp kim niken hoặc coban-crôm, rất khó xử lý với các phương pháp sản xuất truyền thống.
Trang 30
2.2.3. Vật liệu Graphite và Graphene
Graphen hay graphene là tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử carbon với liên kết sp2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong. Tên gọi của nó được ghép từ "graphit" (than chì) và hậu tố "-en" (tiếng Anh là "-ene"); trong đó chính than chì là do nhiều tấm graphen ghép lại, chiều dài liên kết cacbon-cacbon là 0,142 nm.Graphene được phát hiện bởi Andre Geim and Kostya Novoselov vào năm 2004.
Graphene là vật liệu có nhiều tính chất đặc biệt như dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, có độ cứng rất lớn (gấp hàng trăm lần so với thép) và nó gần như trong suốt.
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng mực graphene có thể in 3D , giống như các vật liệu dẫn điện khác, có thể ảnh hưởng đến hành vi của tế bào, đặc biệt là các loại liên quan đến các dòng tế bào gốc thần kinh.
Những kết quả này cho thấy các tính chất vật lý, điện và sinh học độc đáo của mực graphene in 3D có thể mở ra cơ hội giải quyết một loạt các vấn đề y tế đòi hỏi phải tái tạo các mô điện bị hư hỏng, thoái hóa hoặc không hoạt động như dây thần kinh, xương hoặc cơ xương và cơ tim.
Ngoài ra, với các tính chất đặc biệt của mình, các đối tượng graphene được in 3D rất được thèm muốn trong một số ngành công nghiệp, bao gồm pin, hàng không vũ trụ, tách, quản lý nhiệt, cảm biến và xúc tác.
Trang 31
2.2.4. Vật liệu cho ngành nghề đặc biệt
Các ngành nghề đặc biệt như y học, xây dựng, thực phẩm sử dụng một số vật liệu in 3D đặc thù. Ví dụ:
Gốm sứ: là một trong những vật liệu mới nhất được sử dụng trong in 3D. Nó bền hơn kim loại và nhựa vì nó có thể chịu được nhiệt độ và áp suất cực cao mà không bị vỡ hay cong vênh. Hơn nữa, loại vật liệu này không dễ bị ăn mòn như các kim loại khác hoặc bị hao mòn như nhựa.Vật liệu này thường được sử dụng trong công nghệ Binder Joking, SLA (Stereolithography) và DLP (Digital Light Treatment).
Hình 2.9: Bộ chén được in 3D bằng vật liệu gốm[16]
Mực in tế bào (cellular ink): Với cellular ink con người có thể in sinh học ra những cơ quan, sinh vật sống, sử dụng cho nhiều mục đích như để cấy ghép mô, da, thử nghiệm thuốc.. đem lại lợi ích cho con người trong tương lai.
Hình 2.10: Van tim được in bởi mực in là một tổ hợp alginate, tế bào cơ trơn và tế
Trang 32 Trong lĩnh vực thực phẩm, các máy in 3D sử dụng đường để tạo các sản phẩm ăn được. Trong xây dựng, cát cũng được sử dụng làm vật liệu in 3D.
Hình 2.11: Máy in thực phẩm 3D[16]
2.2.5. Chọn vật liệu in 3D
Dựa trên công nghệ được chọn là công nghệ FDM, ta chọn vật liệu in theo những tiêu chí sau:
- Vật liệu in dễ tìm. - Giá thành thấp. - Chủng loại đa dạng. - Không độc hại.
Trang 33
Bảng 2.1: So sánh vật liệu ABS, PLA và PVA
STT
Thông số/ Tên loại vật
liệu
ABS PLA PVA
1 Tên khoa học
Acrylonitrile
Butadiene Styrene Polylactic Acid
Polyvinyl Alcohol
2 Nguồn gốc Dầu mỏ
(Petroleum) Tinh bột thực vật Dầu khí
3 Đặc tính Bền, linh hoạt, chịu nhiệt tốt. Dẻo và chịu nhiệt tốt
Hoà tan trong nước, khả năng liên kết cao. 4 Nhiệt độ nóng chảy sợi nhựa 210-250°C 200-220°C 190-210°C 5 Nhựa sau khi in Chịu đựng tốt, dễ dàng kết dính, dễ phân huỷ, tan ra.
Khả năng kết dính có hạn, có thể chịu đựng tốt.
Hoà tan trong nước. 6 Ưu điểm Bền, khó phá vỡ. Sản phẩm hoàn thành mịn màn. Phù hợp với các ngành in ấn và cơ khí ô tô. Phù hợp và thân thiện với môi trường, ít mùi, tốc độ in cao độ phân giải tốt, tỉ mỉ, ít cong hoặc vênh phù hợp với những sản phẩm đòi hỏi sự tỉ mỉ cao.
Phân huỷ sinh học, Tái chế được Không độc hại. 7 Nhược điểm Dễ hư hỏng khi gặp ánh nắng mặt trời, có mùi hắc nhẹ khi in trong phòng máy lạnh. Chậm hạ nhiệt cần bộ phận làm mát, khả năng chịu nhiệt không cao, dể bị phá vỡ hơn ABS. Chi phí đắt tiền dể hư hỏng do độ ẩm không khí.
Trang 34 Ngoài ra, vật liệu in còn được chọn dựa trên tính kinh tế về đầu tư máy in. Vd: Giá thành máy in 3D sử dụng vật liệu in kim loại sẽ mắc hơn nhiều so với máy in dùng vật liệu nhựa.
Từ những điều trên, vật liệu nhựa chính là lựa chọn hàng đầu. Tuy nhiên, trong các loại nhựa xuất hiện trong thị trường thì loại nhựa được sử dụng nhiều là: ABS, PLA và PVA.
Ta chọn nhựa PLA, bởi PLA là loại nhựa có nguồn gốc tự nhiên, dễ phân hủy, dễ in, thân thiện môi trường, an toàn khi sử dụng. Khi in trong không gian kín, nhựa không cho mùi khó chịu như những loại nhựa in khác. Sản phẩm in từ nhựa PLA khá đẹp và chính xác nên được ưa chuộng hơn. Vì vậy, nhựa in 3D PLA là vật liệu in phổ biến nhất của công nghệ in 3D FDM hiện nay.
2.2.6. Đặc điểm và tính chất của PLA
2.2.6.1. Đặc điểm của PLA
PLA là một nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học có nguồn gốc từ các nguồn tái tạo, chẳng hạn như bột ngô, mía, củ sắn hoặc thậm chí tinh bột khoai tây. Điều này tạo giải pháp thân thiện với môi trường nhất trong lĩnh vực in ấn 3D, so với tất cả các sản phẩm nhựa hóa dầu trên mạng khác như ABS hay PVA.
Việc sử dụng sợi PLA được cho là khó khăn vì nó hơi giòn khi nó đã hạ nhiệt. Ngưỡng nhiệt độ của nó là thấp hơn so với một trong những ABS, như PLA thường đùn khoảng 160°C -220°C. Khi ở nhiệt độ khoảng 50-60°C thì nó tỏ ra có lợi cho chất lượng của các đối tượng in. Dùng PLA thì việc làm mát khá chậm cho máy in, đôi khi phải cài đặt một máy làm mát vào vật liệu ép đùn để đẩy nhanh quá trình làm mát. Khi bị đun nóng sợi PLA không phát ra khói như ABS nóng.
2.2.6.2. Tính chất truyền nhiệt của PLA
Nhựa PLA (Polylactic Acid) là một loại nhựa nhiệt dẻo có nguồn gốc sinh học. Là giải pháp thân thiện với môi trường nhất trong in 3D – tạo mẫu nhanh. Nhựa PLA có thể đánh bóng được và có thể sơn được với sơn acrylic. PLA đã trở thành một lựa chọn rất phổ biến trong lĩnh vực in 3D.
Trang 35
2.3. Giới thiệu máy in 3D-V2 của C-Gen và lý do chọn máy
2.3.1. Máy in 3D-V2 của C-Gen[17]
Hình 2.12: Máy in C-Gen[17]
Bảng 2.2: Thông số kĩ thuật của máy in C-Gen[17]
STT Đặc điểm Thông số
1 Bàn in 200 x 200 x 200 mm
2 Độ dày lớp in 0.1 – 0.3 mm
3 Tốc độ in 30 – 100 mm/s
4 Nhiệt độ đầu phun (Nozzle) 180 – 260 oC 5 Nguồn cấp cho thiết bị 110 – 220 V
6 Vật liệu in được hỗ trợ Nhựa ABS, PLA
7 Phần mềm điều khiển thiết bị Repetier Hosting
8 Kết nối hỗ trợ USB, SD Card
C-Gen đã tích hợp một số chi tiết máy cho độ chính xác và độ bền cao hơn. Khung máy kim loại được gia công bằng CNC, cho độ cứng cao và không rung khi
Trang 36 máy hoạt động. Máy đã được lắp ráp sẵn và có chế độ bảo hành. Sản phẩm in ra từ máy in 3D-V2 C-GEN có đọ nét cao, độ dày mỗi lớp in từ 0.1mm đến 0.3mm.
2.3.1.1. Khung sắt
Hình 2.13: Khung máy[17]
C-gen đã nâng cấp khung máy từ V1 (mica) lên V2 (khung sắt) được gia công bằng máy CNC và sơn đen, máy in 3D cho chất lượng sản phẩm in 3D cao.
Khung máy góp phần quan trọng trong quá trình máy vận hành vì vậy cần một cơ cấu vững chất và chính xác. Khung được làm bằng kim loại sẽ cho độ bền cao, hạn chế rung lắc, hạn chế bể vở trong quá trình vận chuyển.
2.3.1.2. Đầu phun E3D-V6
Để có được sản phẩm in 3D chất lượng cao thì đòi hỏi kim phun phải được gia công chính xác và độ bền cao.
Cgen đã đưa vào đầu phun 3D-V6 được làm bằng nhôm cho tuổi thọ cao, hạn chế trường hợp kẹt nhựa. Ngoài ra còn tích hợp quạt giải nhiệt và quạt làm nguội sợi nhựa, đảm bảo nhựa ra khỏi kim phun phải khô tức thì.
Trang 37 2.3.1.3. Trục vít-me
Hình 2.15: Trục vít-me của máy[17]
Máy in 3D cần độ chính xác cao của chi tiết. Chính vì vậy C-gen đã tích hợp trục vít-me cho máy in để có được độ chính xác cao và chóng hao mòn trong quá trình sử dụng.
2.3.2. Những lí do nên chọn máy in 3D - V2 của C-Gen
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều thương hiệu với các sản phẩm thương mại về công nghệ in 3D và máy in 3D như: Creatbox, 3Dsystem, Cubify.... Tuy nhiên với máy in 3D-V2 C-GEN có một sự khác biệt so với những sản phẩm công nghệ trước đây là sự xuất hiện của giải pháp và sản phẩm mã nguồn mở.
Công nghệ nguồn mở được phát triển và được hổ trợ bởi cộng đồng lớn trên khắp thế giới, cho nên máy in 3D-V2 C-GEN đẽ dàng sữa chữa dễ dàng nâng cấp công nghệ, được chia sẻ và hỗ trợ một cách đày đủ miễn phí.
Chi phí máy in 3D-V2 C-GEN và vật liệu in 3D FDM tương đối phù hợp cho việc nghiên cứu về công nghệ in 3D và ứng dụng trong một số công việc đơn giản nên công nghệ in 3D FDM là công nghệ in 3D phổ biến nhất hiện nay.
Máy ở Việt Nam, giao diện tiếng việt, các thành phần cấu thành máy được làm từ chính vật liệu in 3D.
Trang 38
2.4. Công nghệ CNC
Nhắc đến CNC thì khả năng cắt thôi là chưa đủ. Dựa vào mục đích sử dụng của khách hàng mà máy CNC sẽ được chia thành những loại như: máy khoan, máy phay, máy tiện, máy cắt,…Tùy theo nhu cầu mà bạn chọn máy hoặc cơ sở gia công CNC cho phù hợp.
Trên thị trường hiện nay có bán những loại máy phục vụ cho mục đích riêng như: máy phay CNC, máy tiện CNC
2.4.1. Máy CNC phân loại dựa trên hệ điều khiển
2.4.1.1. Máy gia công theo dạng đường thẳng
Dựa trên những đường thẳng đã vạch ra, máy CNC có thể cắt đúng yêu cầu theo trục thẳng.
2.4.1.2. Máy CNC cắt theo đường chỉ định
Có thể cắt theo những đường mà file cắt vạch ra trước. Có thể sử dụng các loại máy 2D, 3D, điều khiển 2D1/2, điều khiển 4D, 5D,…
2.4.1.3. Máy CNC mini gia công theo dạng điểm
Khoan, khoét, hàn, đột, đập là những hành động thường làm trên máy CNC gia công theo điểm. Hãy hiểu đơn giản là chúng chỉ gia công trên những điểm nhất định. Điểm được hiểu là điểm trong toán học. Những máy này không có khả năng gia công toàn phần.
Các định dạng file có thể dùng để cắt CNC là: file pdf, file corel, file adobe ilustrator, file art cam.
2.4.2. Ưu điểm khi cắt CNC
Khi so sánh chúng với những sản phẩm làm thủ công bằng tay, CNC gần như đạt độ chính xác tuyệt đối trên mỗi bản cắt của mình. Khi gia công đòi hỏi người điều khiển máy phải đưa file được lập trình chính xác.
Sự tiến bộ của công nghệ này từng ngày giúp người quản lý máy khỏe hơn, bớt thao tác hơn và tập trung vào kỹ thuật lập trình CNC, vận hành và giám sát máy móc.
Trang 39 Độ chính xác cao. Nếu vận hành tốt, độ sai số khi cắt là rất nhỏ. Các đường cắt CNC khá nhanh và độ chính xác theo “phần nghìn mm”.
Tốc độ cắt nhanh. Nhờ cấu trúc cứng cáp và công suất hoạt động cao, mọi loại vật liệu cứng đều có thể gia công trong thời gian ngắn.
Hình 2.16: Hình ảnh về CNC[07]
2.4.3. Một số nhược điểm của CNC
- Giá thành nhập máy cao.
- Rất bền và ít hỏng hóc, nhưng mỗi khi sửa thường tốn nhiều chi phí.
- Nếu nhân viên vận hành máy nghỉ việc, sẽ mất thời gian để tìm người thay thế.
2.4.4. Kỹ thuật cắt CNC ngày càng hiện đại, chính xác
CNC xuất hiện đã tạo nên cuộc cách mạng mới trong nền công nghiệp thế kỷ nước. Trong hiện tại, chúng vẫn đang phát triển không ngừng về tốc độ cắt, độ chính xác và độ thông minh của bộ xi xử lý, dao cắt CNC.
Các máy CNC trong thời điểm hiện tại đã thực hiện nhiều chức năng hơn, phù hợp với nhu cầu của doanh nghiệp có diện tích nhỏ. Máy CNC lúc trước sử dụng màn hình đen trắng nên gây khó khăn cho người vận hành. Nay đã có màn hình màu và giao diện dễ sử dụng hơn, hỗ trợ nhiều thao tác và nhiều chức năng hơn.
Trang 40
2.5. Thiết lập thực nghiệm
2.5.1. Phương pháp Taguchi [18]
2.5.1.1. Giới thiệu
Phương pháp Taguchi bổ sung cho 2 phương pháp hoạch định yếu tố toàn phần và yếu tố phần.
Phương pháp Taguchi dựa trên bảng hoạch định trực giao (OA – Orthogonal Arrays) xây dựng trước và phương pháp để phân tích đánh giá kết quả.
Các yếu tố có thể có 2, 3, 4 mức độ.
Phương pháp Taguchi sử dụng tốt nhất với số yếu tố khảo sát từ 3 đến 50, số tương tác ít và khi chỉ có một số ít yếu tố có ý nghĩa.
Hình thành phương pháp:
Phương pháp Taguchi (tiếng Nhật : グ チ ソ) là phương pháp thống kê, hoặc đôi khi được gọi là phương pháp thiết kế mạnh mẽ, được phát triển bởi Genichi Taguchi(1924-2012) để cải thiện chất lượng hàng hóa sản xuất và gần đây cũng áp dụng cho kỹ thuật, công nghệ sinh học, tiếp thị và quảng cáo. Các nhà thống kê chuyên nghiệp đã hoan nghênh các mục tiêu và cải tiến do phương pháp Taguchi mang lại, đặc biệt là do sự phát triển các thiết kế của Taguchi để nghiên cứu biến thể, nhưng đã chỉ trích sự không hiệu quả một số đề xuất của Taguchi.
Công việc của Taguchi bao gồm ba đóng góp chính cho thống kê:
- Một chức năng mất cụ thể
- Triết lý kiểm soát chất lượng ngoại tuyến - Những đổi mới trong thiết kế thí nghiệm
Taguchi biết lý thuyết thống kê chủ yếu từ những người theo Ronald A. Fisher. Phản ứng với các phương pháp của Fisher trong việc thiết kế các thí nghiệm, Taguchi giải thích các phương pháp của Fisher là thích nghi để tìm cách cải thiện kết quả trung bình của một quy trình. Thật vậy, công việc của Fisher chủ yếu được thúc đẩy bởi các chương trình để so sánh năng suất nông nghiệp theo các phương pháp xử