Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kéo mẫu fdm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

---o0o---

TRẦN NHƯ LÂM

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN
ĐỘ BỀN KÉO MẪU FDM
Chuyên ngành:

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Mã số ngành: 60 52 04

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, Tháng 07 Năm 2014


LUẬN VĂN THẠC SĨ
[i]
GVHD: PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kéo mẫu FDM

Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.
HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS Đặng Văn Nghìn
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS .Võ Tường Quân
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Thanh Hải
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM

ngày 17 tháng 07 năm 2014.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS Trương Tích Thiện
2. TS. Lương Hồng Sâm
3. TS. Nguyễn Tường Long
4. TS. Nguyễn Thanh Hải
5. TS. Võ Tường Quân
Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

HVTH : Trần Như Lâm

TRƯỞNG KHOA

i

GVHD : PGS.TS Đặng Văn Nghìn


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kéo mẫu FDM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm 20….

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TRẦN NHƯ LÂM

Phái: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 10/08/1985

Nơi sinh: QUẢNG NGÃI

Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy

MSHV: 11044538

I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ BỀN KÉO
MẪU FDM
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh FDM.
- Nghiên cứu các thông số công nghệ của qui trình FDM.
- Nghiên cứu tổng quan về quy hoạch thực nghiệm.
- Tiến hành thực nghiệm.
- Xử lý số liệu.
- Đánh giá, khảo sát sự ảnh hưởng của các nhân tố đến độ bền kéo mẫu.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 24/06/2013
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Đặng Văn Nghìn

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TRƯỞNG KHOA

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

HVTH : Trần Như Lâm

ii

GVHD : PGS.TS ĐặngVăn Nghìn


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kéo mẫu FDM

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến thầy PGS.TS
Đặng Văn Nghìn và cơ PGS.TS Thái Thị Thu Hà đã tận tình hướng dẫn cũng như hỗ
trợ và giúp đỡ em vượt qua nhiều khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Em cũng xin gởi lời cảm ơn đến gia đình đã hỗ trợ em về mặt kinh phí, ủng hộ em
về mặt tinh thần và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em hoàn thành luận văn này.
Em cũng xin được gởi lời cảm ơn đến:
– Ban giám hiệu trường Đại Học Bách Khoa TPHCM
– Q thầy, cơ khoa cơ khí trường ĐHBK
– Q thầy, cơ và các bạn cơng tác viên ở phịng thí nghiệm trọng điểm quốc
gia.
– Q thầy, cơ phịng quản lý sau đại học trường ĐHBK

Cuối cùng, em xin gởi lời cảm ơn đến các bạn đồng nghiệp, các bạn lớp cao học
công nghệ chế tạo máy K2011 của trường ĐHBK, các bạn ở viện cơ học và tin học ứng
dụng đã có những ý kiến đóng góp cho em trong thời gian thực hiện luận văn này.

TP Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 06 năm 2014

TRẦN NHƯ LÂM

HVTH : Trần Như Lâm_ 11044538

iii

GVHD: PGS.TS Đặng Văn Nghìn


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kéo mẫu FDM

TÓM TẮT LUẬN VĂN

FDM là hệ thống tạo mẫu nhanh tạo ra sản phẩm thật trực tiếp từ nguồn dữ liệu
CAD. Trong tất cả quá trình tạo mẫu nhanh, FDM sử dụng sợi nhựa nhiệt dẻo đùn ra
từ đầu đùn ở nhiệt độ môi trường chuẩn để xây dựng mẫu theo phương pháp bồi đắp theo
từng lớp. Chất lượng của mẫu được sản xuất từ quá trình FDM thì phụ thuộc đáng kể
vào các thơng số cơng nghệ của q trình. Tối ưu hóa thơng số cơng nghệ của máy FDM
để xác định các thông số công nghệ hợp lý để tiến tới sản xuất sản phẩm hơn chỉ là sản
xuất mẫu. Mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu ảnh hưởng của hai thông số công
nghệ: độ dày lớp, góc đường đùn đến độ bền kéo mẫu.
Để đánh giá , cải thiện, nâng cao độ bền kéo mẫu ta sử dụng phương pháp
phân tích phương sai ANOVA và phương pháp bình phương nhỏ nhất để tiến hành thực
nghiệm. Sử dụng phần mềm R 3.0 để khảo sát, đánh giá.

HVTH : Trần Như Lâm_ 11044538

iv

GVHD: PGS.TS Đặng Văn Nghìn


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM

ABSTRACT
Fused Deposition Modelling (FDM) is a rapid prototyping system that
produces physical models directly from the computer aided design CAD data
sources. Out of all commercially available RP processes, fused deposition modeling
(FDM) uses heated thermoplastic filament which are extruded from the tip of nozzle
in a prescribed manner in a temperature controlled environment for building the
part through a layer by layer deposition method. The quality of FDM produced parts
is significantly affected by various parameters used in the process.
This dissertation work aims to study the effect of two main process parameters
such as Layer thickness, Raster angle on tensile strength of the part.
In order to improving tensile strength of the part , a process improvement
strategy through analysis of variance (ANOVA) and method of least squares in design
of experiments are employed and with the assistance of software R3.0.

HVTH : Trần Nhƣ Lâm_ 11044538

viii

GVHD: PGS.TS Đặng Văn Nghìn

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM

LỜI CAM KẾT

Tôi tên: TRẦN NHƢ LÂM
Học viên lớp: Cao học công nghệ chế tạo máy K2011
Mã số học viên: 11044538
Theo quyết định giao đề tài luận văn cao học của phòng Đào tạo Sau đại học, Đại học
Bách khoa Tp.HCM, tôi đã thực hiện luận văn cao học với đề tài “ Nghiên cứu các yếu tố ảnh
hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM ” dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS Đặng Văn Nghìn từ ngày
24/06/2013 đến 20/06/2014.
Tôi xin cam kết đây là luận văn tốt nghiệp cao học do tôi thực hiện. Tôi đã thực hiện luận
văn đúng theo quy định của phòng đào tạo sau đại học, trƣờng Đại Học Bách Khoa TP.HCM và
theo sự hƣớng dẫn của PGS.TS Đặng Văn Nghìn.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với những lời cam kết trên đây. Nếu có sai phạm
trong q trình thực hiện luận văn, tơi xin hồn tồn chịu các hình thức xử lý của phòng đào tạo
sau đại học và Ban Giám Hiệu Trƣờng Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.

Học viên

Trần Nhƣ Lâm

HVTH : Trần Nhƣ Lâm

vi

GVHD : PGS.TS Đặng Văn Nghìn

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ

ii

LỜI CẢM ƠN

ii

TĨM TẮT LUẬN VĂN

iv

LỜI CAM KẾT

vi

HÌNH ẢNH DÙNG TRONG THUYẾT MINH

ix

BẢNG BIỂU DÙNG TRONG THUYẾT MINH

xi

CHƢƠNG 1 . GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1

1.1. Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh

1

1.1.1. Khái niệm công nghệ tạo mẫu nhanh.

1

1.1.2. Tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh.

2

1.1.3. Các phƣơng pháp tạo mẫu nhanh.

2

1.2. Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

3

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

3

1.2.2. Ƣu, nhƣợc điểm và phạm vi ứng dụng của cơng nghệ FDM.

6

1.3. Tính cấp thiết của đề tài .

12

1.4. Mục tiêu của luận văn.

13

1.5. Nội dung thực hiện của luận văn.

13

1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu.

13

CHƢƠNG 2 . TỔNG QUAN

14

2.1. Giới thiệu các thông số công nghệ trong tạo mẫu nhanh FDM

14

2.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc

19

2.3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới

20

2.4. Nhận xét và đánh giá.

31

2.5. Lựa chọn các yếu tố nghiên cứu

32

CHƢƠNG 3 . NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.1. Mẫu thực nghiệm.
HVTH : Trần Nhƣ Lâm

34
34

vii

GVHD : PGS.TS Đặng Văn Nghìn


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM
3.2. Thiết bị thực nghiệm.

35

3.3. Vật liệu tạo mẫu.

38

3.4. Cơ sở lý thuyết

40

3.5. Các thông số công nghệ trong thực nghiệm.

46

3.6. Kết quả thực nghiệm.

49

CHƢƠNG 4 . XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

51

4.1.

Xử lý kết quả thực nghiệm.

51

4.2.

Phân tích hậu định đánh giá ảnh hƣởng của các thơng số

58

CHƢƠNG 5 . KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

62

5.1.

Kết luận

62

5.2.

Kiến nghị

62

TÀI LIỆU THAM KHẢO

63

PHỤ LỤC

65

HVTH : Trần Nhƣ Lâm_ 11044538

viii

GVHD: PGS.TS Đặng Văn Nghìn


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM

HVTH : Trần Nhƣ Lâm

viii

GVHD : PGS.TS Đặng Văn Nghìn


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kéo mẫu FDM

HÌNH ẢNH DÙNG TRONG THUYẾT MINH
Hình 1.1:

Quy trình tạo mẫu nhanh cơ bản

Hình 1.2:

Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống FDM

Hình 1.3:

Mơ hình STL của một vật thể mẫu

Hình 1.4:

Mẫu ứng dụng trong y học

Hình 1.5:

Ứng dụng trong kiến trúc và xây dựng

Hình 1.6.:

Vỏ động cơ được làm từ nhựa Polycarbonate

Hình 1.7:

Vỏ bọc động cơ đã được sơn được làm từ nhựa Polycarbonate được gắn trực tiếp
vào xe máy.

Hình 2.1:

Các thơng số chung trong q trình tạo mẫu FDM

Hình 2.2:

Góc Raster

Hình 2.3:

Hai dạng góc Raster (dạng 0/90 độ và dạng +45/-45 độ)

Hình 2.4:

Các dạng Air Gap có thể xuất hiện khi tạo mẫu

Hình 2.5:

Bề rộng đường bao

Hình 2.6:

Bề rộng đường đùn

Hình 2.7:

Các hướng tạo mẫu khác nhau

Hình 2.8:

Mối quan hệ giữa hướng tạo mẫu và cách tạo vật liệu đỡ

Hình 2.9:

Khe hở hình bên trái quá lớn, khe hở hình bên phải quá nhỏ

Hình 2.10:

Khe hở khác nhau cho sợi nhựa khác nhau

Hình 2.11:

Biểu đồ xương cá mô tả các thông số ảnh hưởng đến độ bền kéo

Hình 2.12:

Mẫu thực nghiệm

Hình 2.13:

Mơ hình thực nghiệm

Hình 2.14:

Mẫu sau khi thử kéo

Hình 2.15:

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

Hình 2.16:

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

Hình 2.17:

Các thơng số được đánh giá thực nghiệm

Hình 2.18:

Mẫu thực nghiệm

Hình 2.19:

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

HVTH : Trần Như Lâm_ 11044538

ix

GVHD: PGS.TS Đặng Văn Nghìn


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kéo mẫu FDM
Hình 2.20:

Mẫu thực nghiệm

Hình 2.21:

Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng các thơng số đến độ bền

Hình 2.22:

Độ dày lớp (Layer Thickness)

Hình 2.23:

Góc đường đùn (a. Góc đùn -450/450; b. Góc đùn 00/00; c. Góc đùn 900/900)

Hình 3.1:

Mơ hình 3D của mẫu thiết kế bằng phần mềm Pro E 5.0

Hình 3.2:

Máy tạo mẫu nhanh Flashforge Creator

Hình 3.3:

Giao diện làm việc

Hình 3.4:

Máy đo độ bền kéo Satec- Instron – khoa Cơng Nghệ Vật Liệu- Đại Học Bách
Khoa Tp.HCM

Hình 3.5:

Gá đặt mẫu lên máy và kết quả đo

Hình 3.6:

Nhựa ABS

Hình 3.7:

Độ dày lớp ( Layer Thickness)

Hình 3.8:

Góc đường đùn ( a. Góc đùn -450/450, b. Góc đùn 00/00, c. Góc đùn 900/900)

Hình 3.9:

Mẫu thực nghiệm

Hình 3.10:

Mẫu sau khi thử kéo

Hình 4.1:

Biểu đồ sự tương tác giữa các nhân tố

Hình 4.2:

Biểu đồ giá trị trung bình độ bền kéo của các nhóm

Hình 4.3:

Biểu đồ thể hiện sự khác biệt trong nhóm góc đường đùn

Hình 4.4:

Biểu đồ thể hiện sự khác biệt trong nhóm độ dày lớp

HVTH : Trần Như Lâm_ 11044538

x

GVHD: PGS.TS Đặng Văn Nghìn


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kéo mẫu FDM

CÁC BẢNG BIỂU DÙNG TRONG THUYẾT MINH
Bảng 2.1:

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

Bảng 2.2:

Giá trị các thông số trong tạo mẫu thực nghiệm

Bảng 2.3:

Kết quả thực nghiệm

Bảng 2.4:

Thông số tối ưu

Bảng 2.5:

Thông số thực nghiệm

Bảng 2.6:

Mơ hình thực nghiệm

Bảng 2.7:

Thơng số tối ưu

Bảng 3.1:

Đặc điểm của nhựa ABS

Bảng 3.2:

Mơ hình phân tích ANOVA hai yếu tố có lặp

Bảng 3.3:

Bảng tính phương sai

Bảng 3.4:

Bảng tính tốn tiêu chuẩn kiểm định F (F thực nghiệm)

Bảng 3.5:

Giá trị các thông số cần nghiên cứu

Bảng 3.6:

Các thơng số khơng đổi trong suốt q trình tạo mẫu

Bảng 3.7:

Bảng mơ hình thực nghiệm

Bảng 3.8:

Kết quả thực nghiệm độ bền kéo

Bảng 4.1:

Kết quả thực nghiệm

Bảng 4.2:

Ma trận thực nghiệm với các nhân tố được mã hóa

Bảng 4.3:

Giá trị các hệ số phương trình hồi quy

Bảng 4.4:

Bảng kết quả thực nghiệm

Bảng 4.5:

Bảng tính tốn phương sai

Bảng 4.6:

Bảng phân tích ANOVA

HVTH : Trần Như Lâm_ 11044538

xi

GVHD: PGS.TS Đặng Văn Nghìn


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kéo mẫu FDM

HVTH : Trần Như Lâm

viii

GVHD : PGS.TS Đặng Văn Nghìn


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM

Chương 1 : Giới Thiệu Đề Tài
1. Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh
1.1. Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh.
1.1.1. Khái niệm về công nghệ tạo mẫu nhanh.
Theo bài báo cáo của Woler 2002, tạo mẫu nhanh đƣợc định nghĩa nhƣ kỹ thuật gia cơng đặc
biệt tạo ra mơ hình sản phẩm nhanh chóng và những mẫu chi tiết từ dữ liệu 3D đƣợc sử dụng để
tạo nên mơ hình vật thể thật. Hệ thống tạo mẫu nhanh cho phép xây dựng mô hình vật thể bằng
cách đắp dần vật liệu theo từng lớp ,do đó, những mơ hình phức tạp và khó khăn hơn vẫn có thể
đƣợc tạo nên với hệ thống tạo mẫu nhanh [1]. Một mặc khác, tạo mẫu nhanh là một trong
những kỹ thuật phổ biến cho phép sản phẩm đƣợc tạo nên mà không cần tốn kém cho những
công cụ gia công thông thƣờng cho đối tƣợng đầu tiên và không cần triển khai các dịch vụ rèn
luyện kỹ năng cho thợ sản xuất khuôn mẫu.
Khác với công nghệ truyền thống là hớt bớt vật liệu đi, bản chất của cơng nghệ tạo mẫu nhanh là
tạo hình và gia cơng các mơ hình, các chi tiết sản phẩm trên cơ sở bồi đắp và dính kết vật liệu
từng lớp với nhau bằng các phƣơng pháp nhƣ xử lý nhiệt, quang, cắt dán, nóng chảy và đơng
đặc v.v…
1.1.2. Tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh.
Công nghệ tạo mẫu nhanh có rất nhiều ƣu điểm nổi bậc so vơi phƣơng pháp gia cơng truyền
thống, đó cũng là tầm quan trọng của công nghệ này. sau đây là một số ƣu điểm của cơng nghệ
tạo mẫu nhanh:

Hình dung ra sản phẩm tốt hơn bản vẽ.
Tăng khả năng quan sát của chi tiết, ngƣời thiết kế sau khi thiết kế vài giờ sẽ tạo ra sản
phẩm thật 3 chiều, có thể quan sát sản phẩm rất nhanh chóng mà khơng cần qua q
trình gia cơng phức tạp.
Giúp nhà thiết kế đƣa sản phẩm ra thi trƣờng nhanh chóng kip thời với nhu cầu xã hội.
Kiểm tra đƣợc độ chính xác của khuôn mẫu trƣớc khi đƣa vào sản xuất hàng loạt.
Giảm đƣợc thời gian và chi phí trong việc thiết kế và tìm ra sản phẩm mới.
Chế tạo đƣợc những sản phẩm phức tạp nhờ vào phƣơng pháp đắp dần vật liệu.

HVTH : TRẦN NHƢ LÂM

Trang 1


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM
Phƣơng pháp tạo mẫu nhanh đã tạo một kênh thông tin hiệu quả giữa các nhà thiết kế
với nhau, giữa nhà thiết kế với nhà sản xuất và ngƣời tiêu dùng, nhằm thỏa mãn tốt nhất
nhu cầu của thị trƣờng.
1.1.3. Các phương pháp trong công nghệ tạo mẫu nhanh.
Trên thế giới hiện nay có khoảng hơn 30 cơng nghệ chế tạo mẫu nhanh đang đƣợc sử dụng và
thƣơng mại hố. Trong đó, nhiều cơng nghệ có những đặc điểm chung về vật liệu sử dụng,
nguồn năng lƣợng, phƣơng pháp tạo mẫu.
– Phân loại theo vật liệu sử dụng để tạo mẫu nhanh.
+Vật liệu lỏng: SLA
+Vật liệu bột: SLS, 3D printer
+ Vật liệu tấm rắn: LOM
+Vật liệu nhựa nhiệt dẻo : FDM
– Phân loại nguyên lí tạo vật thể:
+ Lắng đọng vật chất: SLA.
+Thiêu kết vật liệu bột:SLS.

+ Đùn vật liệu nhựa nóng chảy chẳng hạn nhƣ FDM.
+ Xếp dán các mặt biên dạng cắt lớp, chẳng hạn nhƣ LOM.
– Phân loại theo vật liệu hỗ trợ:
+ Không cần thêm vào vật liệu hỗ trợ, chẳng hạn nhƣ SLS, LOM, 3DP.
+ Cần có vật liệu hỗ trợ, chẳng hạn nhƣ FDM.
– Phân loại theo tính chất kết nối vật liệu: tính chất hóa học hay tính chất vật lí.
Vật liệu tạo mẫu nhanh, dựa vào sự thay đổi tính chất hóa học của vật liệu tạo hình để tạo
ra thay đổi hóa học SL, SGC. Nhƣ vậy q trình tạo mẫu nhanh dựa trên việc chiếu tia mang
năng lƣợng cao (Laser) vào vật liệu, vật liệu tạo mẫu sẽ thay đổi tính chất hóa học do laser
gây ra.

HVTH : TRẦN NHƢ LÂM

Trang 2


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM
Dựa trên các hiệu ứng vật lý nhƣ khuếch tán, liên kết phân tử, hấp phụ, chuyển động vật chất
mà giúp cho sự liên kết của các thành phần phân tử của vật chất lại với nhau, giúp cho quá trình
tạo mẫu nhanh đƣợc thực hiện, mặc dù các phân tử hóa học có dịch chuyển nhƣng nó chỉ là sự
thay đổi tính chất vật lí của vật liệu chứ khơng ảnh hƣởng đến tính chất hóa học của vật liệu.
Tạo mẫu nhanh dựa vào phƣơng pháp liên kết dính vật liệu. Q trình tạo mẫu nhanh của
phƣơng pháp liên kết dính là dựa vào một chất keo dính để các lớp vật liệu đƣợc nối kết lại với
nhau trong q trình tạo mẫu nhanh, ví dụ nhƣ công nghệ LOM, SLS, 3DP. Sự kết nối vật liệu
dựa vào hiện tƣợng hóa lỏng rồi đơng đặc lại thƣờng đƣợc dùng trong công nghệ FDM 3D
Plotting, MJS, CC, SLS [2]
1.2. Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh FDM .
1.2.1. Nguyên lý chung của tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM.
Nguyên lý làm việc của của tạo mẫu nhanh theo cơng nghệ FDM đƣợc mơ tả ở hình 1.1.
FDM là một trong những công nghệ tạo mẫu nhanh bằng phƣơng pháp đùn nhựa nóng chảy

rồi hóa rắn từng lớp tạo nên cấu trúc mẫu. Vật liệu ban đầu đƣợc cấp từ cuộn dây cấp liệu,
vật liệu dây sẽ đƣợc kéo bởi hệ thống các con lăn. Các con lăn có nhiệm vụ kéo và đƣa vật
liệu vào hệ thống đầu đùn, trong quá trình di chuyển đến miệng vòi đùn, vật liệu sẽ đi qua bộ
phận gia nhiệt và đƣợc gia nhiệt và hóa dẻo, sau đó đƣợc đùn ra ngoài bởi một áp lực sao cho
tốc độ ra và tốc độ hóa dẻo tƣơng ứng với nhau, cùng với q trình đùn vật liệu ra khỏi vịi
đùn thì đầu đùn cũng di chuyển theo hai phƣơng X và Y tạo ra biên dạng 2D tƣơng ứng với
lớp cắt chi tiết trên mơ hình ảo. Sau đó bàn máy sẽ hạ xuống một khoảng đúng bằng chiều
dày lớp để tiếp tục tạo lớp thứ hai. Cứ nhƣ vậy, quá trình tiếp tục cho đến khi tất cả các biên
dạng đƣợc đùn ra hết.
Trong tài liệu Rapid Prototyping Principles and Applications của Giáo sƣ Chee Chua Kai
[5] trƣờng Đại học quốc gia Nanyang , Singapore.

HVTH : TRẦN NHƢ LÂM

Trang 3


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM

Hình 1.1 Quy trình tạo mẫu nhanh cơ bản
Quy trình tạo mẫu nhanh đƣợc qua các bƣớc:
CAD Model : Tạo mơ hình 3D
Tạo mơ hình trên phần mềm hỗ trợ CAD (mơ hình dạng khối, hoặc mặt cong tự do).
Pre- Process : Tiền xử lý
Tạo dữ liệu trung gian STL file, tạo phần đỡ cho quá trình xây dựng mơ hình, tạo cắt lớp.

HVTH : TRẦN NHƢ LÂM

Trang 4

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM
RP Process : Quá trình tạo mẫu trên máy tạo mẫu nhanh.
Post- Process : Quá trình hậu xử lý.
Q trình tạo mẫu nhanh có thể nhận các dữ liệu đầu vào là file STL hoặc một định dạng tƣơng
tự, có thể là dữ liệu từ phần mềm Cad, có thể là các đám mây điểm, những dữ liệu cuối cùng
luôn luôn là dữ liệu các lớp cắt 2D. Trong luận văn cịn mơ tả q trình tạo mẫu nhanh trên máy
tạo mẫu nhanh FDM 1600 của Stratasys
Theo đó, dữ liệu Cad đƣợc đƣa vào phần mềm QuickSlice, đƣợc cắt thành từng lớp. Sau đó,
các thơng số tạo mẫu đƣợc thiết lập, dữ liệu đƣợc chuyển sang các đoạn mã ASCII, trong lúc đó,
đầu đùn và lồng máy đƣợc gia nhiệt. Các đoạn mã ASCII đƣợc chuyển vào máy FDM 1600,
máy sẽ nhận đƣợc dữ liệu và truyền chuyển động cho đầu đùn di chuyển tạo mẫu.
Tổng quát, quy trình FDM bao gồm các bƣớc cơ bản để tạo ra mơ hình chi tiết nhƣ hình
1.2: thiết kế

mơ hình CAD, chuyển đổi mơ hình CAD sang định dạng

STL(Stereolithography), máy tính phân tích file .STL để xác định rõ ràng mơ hình cho sản
xuất và cắt lớp trên mặt cắt ngang, tạo thành mẫu theo từng lớp chồng lên nhau, làm sạch
và hồn thành [3].

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

HVTH : TRẦN NHƢ LÂM

Trang 5


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM

Hình 1.3 Mơ hình STL của một vật thể mẫu
1.2.2. Ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của cơng nghệ tạo mẫu nhanh FDM.
Q trình FDM có những ƣu điểm bao gồm sử dụng vật liệu đa dạng, dễ dàng thay đổi vật
liệu, chi phí bảo trì thấp và có khả năng sản xuất những chi tiết mỏng, khơng gia cơng, khơng
có vật liệu độc hại. Mặt khác, nó tồn tại một vài nhƣợc điểm nhƣ là có đƣờng gân giữa những
lớp, đầu đùn phải di chuyển liên tục hoặc vật liệu va đụn, có thể cần phần hỗ trợ, nhiệt độ dao
động trong suốt quá trình sản xuất có thể dẫn đến tách tấm [4].
Ƣu điểm:
-

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

-

Công nghệ chế tạo đầu đùn dễ hơn đầu phun
Sự mơ hình hóa các khái niệm làm cho đánh giá hiệu quả hơn, những thông số và
giao tiếp của ngƣời thiết kế. Nó có chia sẽ những thiết kế mới của sản phẩm với quản
lý, khách hàng, ngƣời mua, thị trƣờng và sự chế tạo.

-

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

-

Giá thành của máy rẻ hơn so với các công nghệ tạo mẫu nhanh khác nhƣ những

máy sử dụng tia lazer.

HVTH : TRẦN NHƢ LÂM

Trang 6


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM
-

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

-

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

-

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

-

Giữa các lớp đùn có đƣờng phân cách.

-

Có sự chênh lệch kích thƣớc mẫu so với kích thƣớc trên mơ hình CAD.
Phạm vi ứng dụng của cơng nghệ FDM :

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

Phát triễn sản phẩm mới :

Trong q trình phát triển sản phẩm mới, nó cho ta thấy đƣợc hiện tƣợng vật lí các mẫu
thử nghiệm, chủ yếu bao gồm các khía cạnh sau:
+ Thiết kế: Tạo ra nhiều sản phẩm, đặc biệt là các thiết bị gia dụng và ngoại thất ô tô
xuất hiện nhiều và mới lạ hơn. Đối với các phƣơng pháp truyền thống, trƣớc khi chi tiết đƣợc
mang ra sản xuất hang loạt thì phải chế tạo thử nghiệm một mơ hình vật lý, phƣơng pháp truyền
thống cần phải chi tiêu rất nhiều thời gian và tiền bạc, để giảm chi phí trên thì sản phẩm đƣợc
mơ phỏng trên máy tính để hiển thị các mơ hình sản phẩm đã thiết kế (sản xuất ảo), nhƣng
khuyết điểm là khơng thể có cái nhìn trực quan về sản phẩm, khơng thể hiện đƣợc những đặc
tính vật lí của sản phẩm vì vậy cơng nghệ RP có thể nhanh chóng làm ra một mẫu vật thật đã
đƣợc thiết kế để ngƣời thiết kế có cái nhìn trực quan, đánh giá hiệu quả cơng việc hiệu quả hơn,
thiết kế và kiểm tra dễ dàng hơn.
+ Kiểm tra chất lượng thiết kế: Để tạo khuôn mẫu sản xuất, ví dụ, phƣơng pháp tạo
khn truyền thống đƣợc thực hiện trên máy cơng cụ CNC, nó q nguy hiểm đối với những
khn có giá trị hàng trăm ngàn đơ la hoặc thậm chí hàng triệu đơ la cho thiết kế nhƣng khn
phức , bất kì một lỗi nhỏ nào sẽ mang lại hậu quả, thiệt hại không thể khắc phục đƣợc khuôn

HVTH : TRẦN NHƢ LÂM

Trang 7

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM
lại.phƣơng pháp RP này có thể tạo khn đúng và chính xác các bộ phận nguyên mẫu, một loạt
các vấn đề nhỏ và các lỗi có thể đƣợc hiển thị trong nháy mắt trên mơ hình sau khi đƣợc thiết kế,
làm giảm đáng kể nguy cơ bị hỏng hóc, phế phẩm.
+ Khả năng thể hiện: Từ việc thiết kế các sản phẩm đến việc tối ƣu hóa chúng là một
thời gian dài và khó khăn, lợi thế của việc tạo mẫu nhanh giúp cho chúng ta xác định đƣợc, xem
xét đề xuất một phƣơng án tối ƣu nhất, thiết kế các gân tăng cứng, những đƣờng cong, bề mặt
giảm tiếng ồn…Tuy nhiên, việc cảm nhận chi tiết thông qua một mẫu đƣợc tạo mẫu nhanh mà
mọi ngƣời có thể chạm vào và cảm giác đƣợc từ thực tế so với việc nhìn trên máy ảnh. Ngồi ra
cơng nghệ tạo mẫu nhanh giúp tối ƣu hóa sản phẩm đƣợc thiết kế, ví dụ nhƣ thiết kế các dụng
cụ điện cầm tay phải thật nhẹ, trọng lƣợng nhỏ là vô cùng quan trọng, nó có một ý nghĩa lớn đối
với ngƣời sử dụng.
+ Thử nghiệm lắp ráp: Trong không gian lắp ráp phức tạp và hạn chế của hệ thống, việc
thử nghiệm lắp ráp là vô cùng quan trọng, chẳng hạn nhƣ lắp rắp tên lửa, hệ thống vệ tinh. Các
mẫu đƣợc tạo mẫu nhanh này có thể đƣợc sử dụng để làm các mơ hình mơ phỏng, lắp ráp, cái
nhìn,quan sát vị trí tƣơng quan giữa các chi tiết, và làm thế nào để tƣơng tác chúng với nhau.
Chẳng hạn nhƣ ống xả trên các động cơ xe hơi, việc lắp ráp vị trí tƣơng quan cực kì phức tạp,
việc mơ phỏng lắp ráp có thể là một nghiên cứu thành công vào thiết kế.
+ Nhà cung cấp điều tra và đánh giá của người dùng: Cung cấp các đánh giá kịp thời
các mơ hình sản phẩm cho ngƣời dùng, càng tăng sức cạnh tranh của sản phẩm của họ.Nhìn
chung, cơng nghệ tạo mẫu nhanh tạo ra ngun mẫu vật lý để đánh giá những thiết kế ban đầu,
rút ngắn chu kỳ phản hồi thiết kế, thiết kế lặp lại nhiều lần một cách thuận tiện và nhanh chóng,
và tỷ lệ cải thiện thành công của việc phát triển sản phẩm, và giảm đáng kể chi phí phát
triển,tổng thời gian phát triển đƣợc rút ngắn đáng kể.
Hiện tại do giới hạn bởi các vật liệu tạo mẫu, phần lớn các quá trình tạo mẫu nhanh đƣợc
biết đến khái niệm của mơ hình sản xuất. Đối với q trình đùn tạo mẫu nhanh thì cơ tính của
chi tiết đƣợc đúc ra bằng khoảng 80% cơ tính của vật liệu trƣớc khi đƣợc tạo, đặc biệt là nhựa
ABS và vật liệu cao phân tử khác sẽ tạo ra một mơ hình có chất lƣợng và cơ tính cao, do đó đặc
biệt thích hợp cho những ứng dụng chi tiết chức năng. Hầu hết đƣợc thực hiện trong ngành công

nghiệp điện, nhiều phần là nhựa ABS, vật liệu polymer.

HVTH : TRẦN NHƢ LÂM

Trang 8


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM
-

Tạo khuôn nhanh (Rapid Tooling):

Việc áp dụng các phƣơng pháp tạo mẫu nhanh là công cụ thiết kế nhanh, cơng nghệ tạo
khn nhanh (Rapid Tooling, RT), nó đã trở thành một điểm nóng mới trong lĩnh vực cơng nghệ
tạo mẫu nhanh. Q trình làm khn truyền thống rất là phức tạp và tốn thời gian, tốn kém,
thƣờng trở thành điểm ngăn cản chia cắt giữa việc thiết kế và sản xuất, việc khắc phục đƣợc
nhƣợc điểm trên sẽ trở thành một động lực chính cho sự phát triển của cơng nghệ tạo khn, do
đó, việc áp dụng cơng nghệ tạo mẫu nhanh để sản xuất khuôn mẫu nhanh sẽ mang lại kinh tế rất
cao. Ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh để sản xuất các bộ phận kim loại hoặc khuôn RP
nhƣng chƣa đƣợc áp dụng trong thực tế, do đó, để tận dụng cơng nghệ tạo mẫu nhanh kết hợp
các nghiên cứu trong các mục tiêu lĩnh vực liên quan các công nghệ chuyển đổi để đạt đƣợc
những kết quả nhất định.
Đối với việc sử dụng vật liệu sáp để tạo chi tiết trong công nghệ tạo mẫu nhanh,từ mẫu
này, sẽ kết hợp với nhiều kĩ thuật nữa để tạo đƣợc một khn kim loại hồn chỉnh, để đúc ra
những chi tiết kim loại. Sau khi đã tạo đƣợc khuôn bằng cách làm tan chảy chi tiết sáp trong
lịng khn (giống nhƣ cơng nghệ đúc đồng, dùng mẫu sáp để tạo khuôn) khuôn đƣợc tạo thành
sẽ đƣợc kết hợp với các công nghệ chuyển đổi để hồn thành một khn đúc nhhƣ :phun sơn ,
phủ lớp gốm , phƣơng pháp đánh bóng, phƣơng pháp gia cơng điện hoặc một số phƣơng pháp
khác để hồn thành khn kim loại.
Cơng nghệ tạo mẫu nhanh rất có ý nghĩa trong ngành sản xuất khn mẫu, có thể tận

dụng lợi thế kết hợp của khuôn silicone, phun kim loại lạnh, đúc chính xác, gia cơng điện,
phƣơng pháp đúc ly tâm, sản xuất trực tiếp hoặc gián tiếp các khuôn đúc nhanh mà phƣơng pháp
gia công tia lửa điện EDM không làm đƣợc, do đó, cơng nghệ tạo mẫu nhanh mang lại hiệu quả
kinh tế cao đối với ngành công nghiệp khuôn mẫu.
-

Trong các lĩnh vực công nghiệp khác :

Công nghệ tạo mẫu nhanh bằng cách đùn vật liệu FDM có ứng dụng trong lĩnh vực y
học. Từ các dữ liệu CT hoặc MRI, sẽ đƣợc xử lí sau đó đƣa vào máy tạo mẫu nhanh sẽ tạo ra các
phần thay thế cho con ngƣời nhƣ xƣơng (nhƣ hộp sọ, răng) hoặc những mơ hình phục vụ cho
việc học tập hay giáo dục (chẳng hạn nhƣ thận), và các bộ phận khác nhau đƣợc tạo mẫu bởi
những vật liệu màu sắc khác nhau, tạo những hình ảnh trực quan trong ngành giáo dục y học

HVTH : TRẦN NHƢ LÂM

Trang 9


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM
trong các trƣờng y. Các mơ hình cơ quan trong cơ thể con ngƣời để giúp bác sĩ chẩn đoán các
trƣờng hợp bệnh tật cũng nhƣ xác định, lựa chọn phƣơng án điều trị có lợi nhất, đây là vấn đề
đƣợc sự quan tâm rất lớn trong ngành y khoa. Đối với kỹ thuật phục hồi chức năng, công nghệ
tạo mẫu nhanh tạo ra các chi tiết giả để phục vụ cho những nạn nhân bị mất những bộ phận
trong tai nạn, với thời gian phục hồi nhanh, tạo hình để liên kết các bộ phận giả và cơ thể, đảm
bảo đạt mục đích chức năng mà khơng làm ngƣời sử dụng.
Ngồi ra, cơng nghệ tạo mẫu nhanh đã đƣợc sử dụng trong thiết kế xây dựng, các tòa nhà
sản xuất, cầu và một số lĩnh vực xây dựng khác nhƣ mơ hình tịa nhà,bản đồ khảo cổ học ba
chiều,ngồi ra, cịn có những ứng dụng trong lĩnh vực văn hóa nghệ thuật giúp cho q trình
hồn thiện một tác phẩm nghệ thuật nhƣ tƣơng hình ngƣời hay động vật đƣợc nhanh chóng và

chính xác.

Hình 1.4 Mẫu ứng dụng trong y học

HVTH : TRẦN NHƢ LÂM

Trang 10


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền kéo mẫu FDM

Hình 1.5 Ứng dụng trong kiến trúc và xây dựng

Hình 1.6 Vỏ động cơ được làm từ nhựa Polycarbonate

HVTH : TRẦN NHƢ LÂM

Trang 11