Quy trình ứng dụng công nghệ in 3D FDM vào kỹ thuật nhiệt định hình được trình bày trong hình 61.
Hình 61. Quy trình ứng dụng công nghệ in 3D FDM vào kỹ thuật nhiệt định hình
Từ mô hình sản phẩm 3D, tiến hành thiết kế khuôn dùng trong kỹ thuật nhiệt định hình. Việc thiết kế được thực hiện bởi một phần mềm CAD, ở đây là SolidWorks. Khuôn nhựa cho kỹ thuật nhiệt định hình về cơ bản cũng có kết cấu tương tự như khuôn nhôm hay gỗ. Khi thiết kế cần chú ý góc thoát khuôn, thông thường khoảng 1-5 độ [59] và đường kính lỗ thoát khí không lớn hơn độ dày của tấm nhựa [59]. Hình 62 minh họa mô hình CAD của khuôn có tỷ số kéo 2.5. Khuôn này có kết cấu tương tự như khuôn kim loại trong hình 43.
79 Hình 62. Mô hình CAD của khuôn nhựa có tỷ số kéo 2.5
Mô hình khuôn 3D sau đó được chuyển thành dạng file STL. Các phần mềm 3D khác nhau sử dụng thuật toán khác nhau để thể hiện vật thể rắn (solid part), để thiết lập tính thống nhất – định dạng STL (stereolithography) đã được áp dụng như là tiêu chuẩn của ngành công nghiệp tạo mẫu nhanh. Định dạng này là quỹ tích của các mặt tam giác phẳng lắp ráp liên tục với nhau thể hiện bề mặt của vật thể trong không gian ba chiều. Do định dạng STL sử dụng các yếu tố mặt phẳng (planar triangles) nên nó không thể hiện bề mặt cong một cách chính xác. Tăng số lượng mặt tam giác có thể cải thiện độ mịn của bề mặt cong nhưng bù lại dung lượng file sẽ tăng. Các chi tiết lớn, phức tạp sẽ cần nhiều thời gian cho khâu tiền xử lý và xây dựng định dạng STL. Do đó, người thiết kế phải cân nhắc giữa yếu tố thời gian, dung lượng file và độ chính xác để có được một file STL hữu ích [75].
Khuôn sau đó được in bằng kỹ thuật Filament Deposition Modeling (FDM) dùng sợi nhựa ABS. Hình 63 minh họa máy in 3D được sử dụng trong nghiên cứu này. Các thông số máy được trình bày trong Bảng 5 [75].
80 Hình 63. Máy in 3D Cubicon Single
Bảng 5. Thông số máy in 3D Cubicon Single [75]
Số hiệu 3DP-110F(Single)
Vật liệu in 3D ABS, PLA, TPU (vật liệu dẻo)
Vật liệu đỡ Có
Kích thước sản phẩm in 3D 190×240×200 mm
Độ dày lớp in 3D 0.1 ~ 0.2 mm
Kích thước máy 554×795×524 mm
Khối lượng máy 24 kg
Yêu cầu về nguồn điện 110V/220V, 60Hz, 2.5A
Yêu cầu đặc biệt Không
Vật liệu in được dùng trong nghiên cứu này là nhựa ABS được minh họa trong hình 64. Các thông số máy được trình bày trong Bảng 6 [76].
81 Hình 64. Nhựa ABS Torwell cuộn 1 kg
Bảng 6. Thông số nhựa ABS Torwell [76]
Vật liệu Sợi nhựa ABS
Màu sắc Trắng
Đường kính 1.75±0.03 mm
Trọng lượng 1 kg
Nhiệt độ in 220 – 250 0C
Nhiệt độ bàn in 80 – 110 0C
Hình 65 trình bày các thông số chạy máy in 3D. Một số thông số chủ yếu được trình bày trong Bảng 7.
Bảng 7. Các thông số cài đặt chính của máy in 3D
Nhiệt độ đầu đùn 240 0C
Nhiệt độ bàn in 115 0C
Nhiệt độ buồng in 45 0C
Chiều cao lớp 0.2 mm
Chiều dày lớp vỏ ngoài 0.8 mm
Chiều dày lớp đáy 0.2 mm
Độ điền đầy 50 %
Tốc độ của đầu đùn khi in 160 mm/s
Tốc độ của đầu đùn khi không in 180 mm/s
Tốc độ in vỏ ngoài 60 mm/s
Tốc độ in lớp đáy 40 mm/s
82 Hình 65. Minh họa cài đặt thông số máy in 3D
Hình 76 minh họa quá trình in 3D bằng kỹ thuật FDM.
Hình 66. Minh họa quá trình in 3D
83 Hình 67 minh họa 3 loại khuôn nhựa đơn giản được tạo ra nhờ quá trình in 3D bằng kỹ thuật FDM. Các loại khuôn này có tỷ số kéo lần lượt là 2.5, 2.0 và 1.5, tương tự như 3 loại khuôn kim loại trong hình 43.
Sau đó, khuôn nhựa được xử lý acetone. Có nhiều phương pháp xử lý acetone: Phun, hấp, quét, nhúng, ... Ở đây, khuôn nhựa được xử lý bằng phương pháp nhúng. Khuôn được ngâm trực tiếp vào dung môi acetone trong 15 giây. Sau đó, khuôn được lấy ra và để ráo.
Tiếp theo, khuôn được sấy trong lò sấy ở nhiệt độ 50 0C trong 30 giờ. Sở dĩ nhiệt độ sấy được chọn là 50 0C vì nhiệt độ sôi của acetone khoảng 56 0C. Nếu nhiệt độ sấy lớn hơn nhiệt độ sôi, acetone bốc hơi quá nhanh sẽ làm bề mặt của khuôn bị phồng rộp. Mục đích của xử lý acetone là để tăng độ bóng bề mặt của khuôn.
Hình 67. Ba loại khuôn nhựa sau khi in 3D
Ở bước kế tiếp khuôn được phun phủ dùng bình xịt nhôm Alusil. Quá trình phun phủ sẽ phủ một lớp nhôm mỏng lên bề mặt của chi tiết. Theo nghiên cứu này, độ biến động của kích thước tối đa là 0.11 mm. Mục đích của việc phủ lớp nhôm lên bề mặt khuôn là làm tăng độ phản xạ, giảm tính hấp thụ nhiệt của khuôn.
84 Hình 68 a. Hình sản phẩm khi dùng khuôn kim loại; b. Hình sản phẩm khi dùng khuôn nhựa Khuôn nhựa sau khi xử lý bề mặt đã được thử nghiệm với khoảng 100 lần. Kết quả quan sát cho thấy không có biến dạng đáng kể xảy ra đối với khuôn. Đồng thời, sản phẩm nhiệt định hình dùng khuôn nhựa có chất lượng tương đương với khi dùng khuôn kim loại.
Quan sát ngoại quan không thấy mạt kim loại bám trên sản phẩm, hình 68a và b. Nghiên cứu tiếp theo sẽ là biến dạng của khuôn dưới tác dụng của áp lực và nhiệt độ trong một quy trình nhiệt định hình thực. Đồng thời, khuôn nhựa có hình dạng phức tạp cũng sẽ được thử nghiệm.