Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và quỹ đạo đầu đùn đến chất lượng sản phẩm trong quá trình fdm (fused deposition modeling)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.77 MB, 138 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------
NGUYỄN THANH HẢI
Đề tài:
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ VÀ QUỸ ĐẠO ĐẦU ĐÙN ĐẾN CHẤT
LƯỢNG SẢN PHẨM TRONG Q TRÌNH FDM
(FUSED DEPOSITION MODELING)
Chun ngành: Cơng Nghệ Chế Tạo Máy
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2013
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS PHẠM NGỌC TUẤN
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. HỒ THỊ THU NGA
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM ngày 29.
tháng 07 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC
2. PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
3. PGS.TS PHẠM NGỌC TUẤN
4. TS.HỒ THỊ THU NGA
5. TS.NGUYỄN TẤN TÙNG
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi
luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC
TRƯỞNG KHOA
PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÕNG ĐÀO TẠO SĐH
CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN THANH HẢI
MSHV: 11280407
Ngày, tháng, năm sinh: 06/12/1987
Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh
Chun ngành: Cơng Nghệ Chế Tạo Máy
Mã số: 605204
I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
VÀ QUỸ ĐẠO ĐẦU ĐÙN ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM TRONG QUÁ TRÌNH
FDM (FUSED DEPOSITION MODELING)
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Tổng quan tài liệu
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình tạo mẫu nhanh FDM
Nghiên cứu các thông số công nghệ và quỹ đạo chuyển động của đầu đùn
Tiến hành thực nghiệm sự ảnh hưởng của thông số tốc độ điền đầy, nhiệt độ đầu
đùn, các dạng quỹ đạo chuyển động của đầu đùn đến chất lượng sản phẩm
- Xác định các khoảng cho phép của nhiệt độ đầu đùn, tốc độ điền đầy trong máy
tạo mẫu nhanh IAMI ,xác định hàm quan hệ giữa độ bền kéo của sản phẩm đến
tốc độ điền đầy và nhiệt độ đầu đùn
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2013
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
-
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)
TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và chữ ký)
PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Đặng Văn
Nghìn đã hướng dẫn, giúp đỡ và hỗ trợ em nhiệt tình từ những ngày đầu nhận đề tài
này. Những góp ý, kinh nghiệm của thầy đã chỉ ra cho em thấy được những ưu
khuyết điểm trong suy nghĩ của mình và giúp em có định hướng đúng đắn, rõ ràng
trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Em xin cảm ơn Ban Quản Lý Viện Cơ Học và Tin Học Ứng Dụng đã tạo mọi
điều kiện cho em thực hiện đề tài này.
Em xin cảm ơn đến tất cả quý thầy cô lớp Cao học ngành Cơng Nghệ Chế
Tạo -khoa Cơ Khí đã cho em những nền tảng và kiến thức cũng như kinh nghiệm
sống quý báu trong những ngày tháng còn trên giảng đường.
Con xin gửi lời tri ân sâu sắc đến mẹ, mẹ không chỉ là người đã sinh ra con
mà còn là người đã dạy dỗ con những lẽ phải đầu tiên trong cuộc sống. Sự quan tâm
lo lắng và hy sinh lớn lao của mẹ luôn là động lực giúp con phấn đấu trên con
đường học tập của mình. Con cảm ơn mẹ đã luôn nâng đỡ, động viên và tin tưởng
con trong cuộc sống.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tất cả bạn bè đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong suốt thời
gian học tập tại trường Đại Học Bách Khoa và thực hiện luận văn. Cảm ơn các anh
em trong nhóm nghiên cứu đề tài “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy tạo mẫu nhanh
giá rẻ” –Viện Cơ Học và Tin Học Ứng Dụng đã hỗ trợ, góp ý, động viên cho tơi
trong q trình thực hiện luận văn.
TP Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 06 năm 2013
NGUYỄN THANH HẢI
TĨM TẮT
Tạo mẫu nhanh đang dần trở thành cơng cụ hiệu quả, đặc biệt phục vụ cho
ngành công nghiệp thiết kế ,chế tạo trên thế giới. Với ưu điểm kết cấu đơn giản,
không dùng nguồn laser, công nghệ FDM được ưu tiên lựa chọn để nghiên cứu triển
khai ứng dụng tạo mẫu nhanh vào sản xuất tại các nước trên thế giới.
Với sự may mắn được cộng tác cùng nhóm nghiên cứu đề tài “ Nghiên cứu
thiết kế, chế tạo máy tạo mẫu nhanh” do Viện Cơ Học và Tin Học –Viện Hàn Lâm
Khoa Học Công Nghệ Việt Nam chủ trì, tơi đã được tiếp cận với cơng nghệ mới này
và có cơ hội nghiên cứu phát triển trong thời gian qua. Chính vì lẽ đó, tơi đã thực
hiện luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và quỹ đạo đầu
đùn đến chất lượng sản phẩm trong q trình FDM” nhằm phân tích, đánh giá , qua
đó đưa ra được thơng số hợp lý trong q trình tạo mẫu trên máy IAMI cũng như
xác định được quỹ đạo di chuyển hợp lý của đầu đùn giúp nâng cao năng suất, tiết
kiệm thời gian tạo mẫu, nâng cao chất lượng sản phẩm, nhanh chóng nội địa hóa
cơng nghệ này.
Luận văn tập trung vào phân tích cơ sở lý thuyết q trình tạo mẫu, thuật tốn
cắt lớp, tính tốn các thơng số cơ bản qua đó xác định ảnh hưởng của các thơng số
cơng nghệ .Ngồi ra, luận văn còn giới thiệu các dạng quỹ đạo của đầu đùn, và ảnh
hưởng của chúng đến chất lượng sản phẩm ,đặc biệt là độ bền kéo của sản phẩm.
Trong quá trình thực nghiệm, luận văn sẽ tạo mẫu trên máy IAMI- Viện Cơ Học và
Tin Học Ứng Dụng với vật liệu nhựa PLA, đồng thời sẽ tiến hành đo độ bền kéo tại
khoa Công Nghệ Vật Liệu –Đại Học Bách Khoa TpHCM.
Kết quả của luận văn là tổng quan về cơ sở lý thuyết q trình tạo mẫu, các
khoảng thơng số cho phép của máy IAMI đối với vật liệu nhựa PLA (Polylactic
Acid), sẽ xác định nhóm các thơng số cho độ bền kéo tốt nhất cùng với các đề xuất
chú ý trong quá trình vận hành máy tạo mẫu. Ngồi ra, kết quả của q trình thực
nghiệm sẽ được xử lý nhằm đưa ra được hàm quan hệ giữa tốc độ điền đầy, nhiệt độ
đầu đùn với độ bền kéo của mẫu.
ABSTRACT
Rapid prototyping is becoming a powerful tool, especially for the design industries,
manufacturing in the world. With the advantages of simple structure, no laser
sources, FDM are preferred for research to production in the countries of the world.
With fortune to work with the team project "Research design, manufacture the
cheap rapid prototyping machin " by the Institute of Applied Mechanics and
Information-Viet Nam Academy of Science and Technology, I have access to new
technology and research and development opportunities in the past. Therefore, I
made the thesis "Study of the influence of technological parameters and the
trajectory of the extrusion to product quality in FDM process" to analyze, evaluate,
thereby making the reasonable parameters of the IAMI the prototyping machine and
determine the trajectory of the moving extrusion reasonable help increase
productivity, improve product quality, fast localization technology.
The thesis focuses on analyzing the theoretical basis of modeling, tomography
algorithm, various parameters to determine the influence of technological
parameters, trajectory of the moving extrusion such as high quality exact size,
surface roughness and prototyping especially tensile strength of the product. During
the experiment, the thesis uses IAMI machine with PLA material. The roughness,
tensile strength of modeling will measured at the Department of Materials
Technology- University of Technology , HCM City
The results of the thesis is an overview of the theoretical basis prototyping process,
range of parameters of IAMI machine for plastic material PLA (Polylactic Acid),
the group of parameters will determine for the best tensile strength. In addition, the
results of the experiment will be processed in order to provide the function
relationship between the filling speed, the extrusion temperature with the tensile
strength of the sample.
LỜI CAM KẾT
Tôi tên: NGUYỄN THANH HẢI
Học viên lớp: cao học công nghệ chế tạo máy K2010
Mã số học viên: 11280407
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 ảnh
hưởng của các thông số công nghệ và quỹ đạo đầu đùn đến chất lượng của sản phẩm trong
quá trình FDM” dưới sự hướng dẫn của PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN từ ngày
21/01/2013 đến 21/06/2013.
Tơi 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, Đại Học Bách Khoa
TP.HCM và theo sự hướng 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
phịng đào tạo sau đại học và Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí
Minh.
Học viên
Nguyễn Thanh Hải
CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
HVTH: NGUYỄN THANH HẢI- 11280407
LUẬN VĂN THẠC SĨ
CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
MỤC LỤC
MỤC LỤC ---------------------------------------------------------------------------------------- 2
DANH MỤC HÌNH VẼ ------------------------------------------------------------------------ 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU -------------------------------------------------------------------- 8
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ----------------------------------------------------------------- 9
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI --------------------------------------------------- 9
1.1. XU HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH ----- 10
1.2. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ ĐÙN VẬT LIỆU DẠNG DÂY (FDM) ---- 11
1.2.1 NGUYÊN LÝ CỦA TẠO MẪU NHANH THEO CÔNG NGHỆ FDM ---------- 11
1.2.2 PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ FDM --------------------------------- 12
1.3. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI---------------------------------------------------- 13
1.4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ---------------------------------------------------- 13
1.5. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA LUẬN VĂN ---------------------------------------- 14
1.6. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN ---------------------------------------- 14
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU -------------------------------------------------- 15
2.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƢỚC ------------------------------------- 16
2.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở CÁC NƢỚC TRÊN THẾ GIỚI --------------- 16
2.2.1 TỔNG QUAN VỀ CHUỖI DỮ LIỆU, QUY TRÌNH TẠO MẪU NHANH ------ 18
2.2.2 TỔNG QUAN VỀ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VÀ QUỸ ĐẠO ĐẦU ĐÙN ----- 20
2.2.3 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH
HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VÀ QUỸ ĐẠO ĐẦU ĐÙN ĐẾN
CHẤT LƢỢNG MẪU -------------------------------------------------------------------------- 22
TỔNG KẾT CHƢƠNG 2--------------------------------------------------------------------- 31
CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TẠO MẪU NHANH ---------- 32
3.1 CHUỖI DỮ LIỆU, THUẬT TOÁN CẮT LỚP VÀ ĐỊNH DẠNG STL ------- 33
3.1.1 GIỚI THIỆU CẤU TRÚC DỮ LIỆU STL-------------------------------------------- 34
3.1.2 THUẬT TOÁN CẮT LỚP TRONG FILE STL -------------------------------------- 35
3.2 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU TRONG QUÁ TRÌNH TẠO MẪU 38
3.2.1 YÊU CẦU ĐỐI VỚI VẬT LIỆU TẠO MẪU TRONG CƠNG NGHỆ FDM ---- 39
3.2.2 PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH CHẢY LỎNG CỦA SỢI VẬT LIỆU TRONG ĐẦU
ĐÙN ---------------------------------------------------------------------------------------------- 42
HVTH: NGUYỄN THANH HẢI- 11280407
CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
3.3 TÍNH TỐN CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ----------------------------------- 44
3.3.1 YÊU CẦU VỀ VIỆC THIẾT KẾ ĐẦU ĐÙN ----------------------------------------- 44
3.3.2 TÍNH TỐN TỐC ĐỘ ĐÙN ----------------------------------------------------------- 47
3.3.3 TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐẦU ĐÙN: -------------------------------- 48
3.4 CÁC DẠNG QUỸ ĐẠO ĐẦU ĐÙN ---------------------------------------------------- 50
3.4.1CÁCH ĐIỀN ĐẦY CHI TIẾT (PART FILL STYLE) ------------------------------- 51
3.4.2 CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐƢỜNG BIÊN (CONTOUR) , ĐƢỜNG ĐIỀN ĐẦY
(RASTER) --------------------------------------------------------------------------------------- 53
3.4.3 HƢỚNG TẠO MẪU --------------------------------------------------------------------- 56
TỔNG KẾT CHƢƠNG 3--------------------------------------------------------------------- 59
CHƢƠNG 4 :NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỂ ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH
HƢỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VÀ QUỸ ĐẠO ĐẦU ĐÙN ĐẾN
CHẤT LƢỢNG CỦA MẪU ----------------------------------------------------------------- 60
4.1 THIẾT BỊ TẠO MẪU , MẪU THỬ NGHIỆM ,THIẾT BỊ ĐO ------------------ 61
4.1.1 THIẾT BỊ TẠO MẪU ------------------------------------------------------------------- 61
4.1.2 MẪU THỬ NGHIỆM -------------------------------------------------------------------- 66
4.1.3 CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ------------------------------------------------------ 66
4.1.4 THIẾT BỊ ĐO ----------------------------------------------------------------------------- 67
4.2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƢỞNG CỦA TỐC ĐỘ ĐIỀN ĐẦY,
NHIỆT ĐỘ ĐẦU ĐÙN VÀ CÁC DẠNG QUỸ ĐẠO ĐẦU ĐÙN ĐẾN ĐỘ BỀN
KÉO CỦA MẪU ------------------------------------------------------------------------------- 69
4.2.1 CHỌN LỰA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VÀ DẠNG QUỸ ĐẠO ---------- 69
4.2.2 KẾ HOẠCH THỬ NGHIỆM ----------------------------------------------------------- 70
4.2.3 KẾT QUẢ VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ẢNH HƢỞNG CỦA V VÀ
T ĐẾN ĐỘ BỀN KÉO VỚI CÁC CÁCH ĐIỀN ĐẦY KHÁC NHAU ------------------ 75
4.2.3 KẾT QUẢ VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ẢNH HƢỞNG CỦA V VÀ
T ĐẾN ĐỘ BỀN KÉO VỚI CÁC GÓC RASTER KHÁC NHAU ------------------------ 84
4.2.4 KẾT QUẢ VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ẢNH HƢỞNG CỦA V VÀ
T ĐẾN ĐỘ BỀN KÉO VỚI CÁC HƢỚNG TẠO MẪU KHÁC NHAU ----------------- 91
TỔNG KẾT CHƢƠNG 4------------------------------------------------------------------- 101
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ----------------------------- 103
5.1 CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC --------------------------------------------------------- 103
5.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN ---------------------------------------- 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO ----------------------------------------------------------------- 106
HVTH: NGUYỄN THANH HẢI- 11280407
CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHỤ LỤC-------------------------------------------------------------------------------------- 108
PHỤ LỤC 1 : THỬ NGHIỆM KHOẢNG NHIỆT ĐỘ ĐẦU ĐÙN, TỐC ĐỘ ĐIỀN
ĐẦY CỦA MÁY IAMI
PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ ĐO MẪU THỰC NGHIỆM
PHỤ LỤC 4: BÀI BÁO ĐĂNG TẠI HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ
TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ 3.
PHỤ LỤC 5: BẰNG KHEN HỘI THI SÁNG TẠO KỸ THUẬT TPHCM
----------o0o----------
HVTH: NGUYỄN THANH HẢI- 11280407
CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Thời gian thiết kế chế tạo sản phẩm bằng phƣơng pháp thông thƣờng
và phƣơng pháp tạo mẫu nhanh ..................................................................................10
Hình 1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống FDM ......................................11
Hình 1.3 Mẫu ứng dụng trong y học (các khớp xƣơng ngƣời) ...................................13
Hình 2.1 Sơ đồ các nghiên cứu chủ yếu về cơng nghệ tạo mẫu nhanh......................16
Hình 2.2 Khảo sát số lƣợng các bài báo về FDM ......................................................17
Hình 2.3 Quy trình tạo mẫu nhanh cơ bản .................................................................18
Hình 2.4 Mơ hình cắt lớp dữ liệu ................................................................................19
Hình 2.5 Thuật tốn kết hợp 2 đƣờng biên .................................................................19
Hình 2.6 Các cách điền đầy khác nhau .......................................................................20
Hình 2.7 Chiều dày lớp vật liệu ..................................................................................20
Hình 2.8: Bảng các thơng số và mức làm việc. ..........................................................21
Hình 2.9: Hƣớng tạo các raster ...................................................................................22
Hình 2.10 Các lỗi raster...............................................................................................22
Hình 2.11 Mức độ ảnh hƣởng của các thơng số..........................................................23
Hình 2.12 Bảng thơng số q trình thí nghiệm. .........................................................24
Hình 2.13 (a) Máy kiểm tra độ bền kéo (b) Mẫu sau khi kiểm tra ............................24
Hình 2.14 Kiểm tra độ bền kéo ...................................................................................25
Hình 2.15:Sơ đồ xƣơng cá phân tích các thơng số ảnh hƣởng đến độ bền kéo. .........26
Hình 2.16:Kết quả các mẫu thử kéo. ...........................................................................26
Hình 2.17:Mẫu chịu nén..............................................................................................27
Hình 2.18 Biểu đồ mẫu chịu nén .................................................................................28
Hình 2.19 Kích thƣớc mẫu 229x 25.4x3.3, và tốc độ thử 2mm/ph ...........................28
Hình 3.1 :Quy trình tạo mẫu trên máy FDM...............................................................33
Hình 3.2: Quy trình cắt lớp .........................................................................................34
Hình 3.3: Các trƣờng hợp xảy ra giữa tam giác và mặt phẳng (khơng có VI) ...........36
Hình 3.4: Sơ đồ tổng hợp quá trình cắt lớp đối tƣợng ................................................37
HVTH: NGUYỄN THANH HẢI- 11280407
CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hình 3.5 Ngun lý hình thành dịng chảy .................................................................38
Hình 3.6: Nhựa ABS ...................................................................................................40
Hình 3.7 Nhựa PLA.....................................................................................................41
Hình 3.8 Giản đồ trạng thái của vật liệu nhựa khi đƣợc nung nóng. ..........................42
Hình 3.9 Mơ hình q trình nóng chảy vật liệu ..........................................................43
Hình 3.10 Đùn vật liệu ra vịi đùn. ..............................................................................44
Hình 3.11 : Ngun lý cụm đầu đùn ..........................................................................45
Hình 3.12: Nguyên lý cụm truyền động và dẫn hƣớng...............................................46
Hình 3.13 Ba phân vùng của vịi đùn .........................................................................46
Hình 3.14 Tính tốc độ đùn vật liệu. ............................................................................47
Hình 3.15 Sơ đồ lực tại con lăn kéo vật liệu. ............................................................48
Hình 3.16 : a)Đƣờng đầu đùn chạy đơn giản b) Đƣờng đầu đùn chạy phức tạp
có chứa một khoảng khơng ở giữa. ..............................................................................50
Hình 3.17 Các mẫu với tỷ lệ điền đầy khác nhau (25%-50%-75%-100%) ...............52
Hình 3.18 Mơ hình chi tiết cơ khí đƣợc điền đầy theo dạng Honeycomb và dạng
Line ..............................................................................................................................53
Hình 3.19 Khe hở hình bên trái q lớn, cịn khe hở hình bên phải lại quá sát
bàn máy ........................................................................................................................54
Hình 3.20 : Góc raster .................................................................................................54
Hình 3.21 : dạng 0/90 độ và dạng +/-45 độ.................................................................55
Hình 3.22: khoảng cách giữa hai đƣờng đùn ..............................................................55
Hình 3.23: Độ rộng đƣờng bao ...................................................................................56
Hình 3.24 : Độ rộng đƣờng đùn ..................................................................................56
Hình 3.25 : Tạo mẫu theo các hƣớng khác nhau ........................................................57
Hình 3.26: Quan hệ giữa hƣớng tạo mẫu và cách tạo giá đỡ .....................................57
Hình 3.27 : Quan hệ giữa hƣờng tạo mẫu và độ bền ..................................................57
Hình 4.1 Máy tạo mẫu nhanh IAMI ............................................................................61
Hình 4.2 :Giao diện xuất file Gcode ...........................................................................62
Hình 4.3 :Giao diện hiệu chỉnh các thơng số ..............................................................64
HVTH: NGUYỄN THANH HẢI- 11280407
CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hình 4.4:Giao diện phần mềm điều khiển ..................................................................65
Hình 4.5 :Mẫu thử nghiệm kiểm tra độ bền kéo .........................................................66
Hình 4.6 Máy đo độ bền kéo Satec- Instron – khoa Công Nghệ Vật Liệu- Đại
Học Bách Khoa TpHCM .............................................................................................67
Hình 4.7 Gá đặt mẫu trên máy và kết quả đo ..............................................................67
Hình 4.8 : Các cách điền đầy theo thứ tự từ trái sang phải Concentric,
Rectilinear, Honeycomb ............................................................................................69
Hình 4.9 : Góc Raster 45O và Raster 90O ...................................................................70
Hình 4.10 :Các hƣớng tạo mẫu sẽ đƣợc thực nghiệm ................................................70
Hình 4.11 Kế hoạch thực nghiệm với các nhóm quỹ đạo khác nhau ........................71
Hình 4.12 Sơ đồ trình tự thực nghiệm ảnh hƣởng của V và T đến σk với các
cách điền đầy khác nhau ..............................................................................................72
Hình 4.13 Sơ đồ trình tự thực nghiệm ảnh hƣởng của V và T đến σk với các góc
raster khác nhau ...........................................................................................................73
Hình 4.14 Sơ đồ trình tự thực nghiệm ảnh hƣởng của V và T đến σk với các
hƣớng tạo mẫu khác nhau ............................................................................................74
Hình 4.15Các mẫu với cách điền đầy theo thứ tự Concentric, Rectilinear,
Honeycomb ..................................................................................................................72
Hình 4.16 Các mẫu với cách điền đầy theo thứ tự Concentric , Rectilinear,
Honeycomb bị kéo đứt ...............................................................................................75
Hình 4.17 Mẫu đƣợc tạo với 2 dạng raster : raster 45O ( trái), raster 90 O (phải)
và đƣợc đo trên máy Satec ...........................................................................................84
Hình 4.18 :Đồ thị biểu diễn độ bền kéo với các góc raster tại 170OC ........................89
Hình 4.19 :Đồ thị biểu diễn độ bền kéo với các góc raster tại 180OC ........................89
Hình 4.20 : Đồ thị biểu diễn độ bền kéo với hƣớng tạo mẫu khác nhau tại 170OC ...99
Hình 4.21 :Đồ thị biểu diễn độ bền kéo với hƣớng tạo mẫu khác nhau tại 180 OC....99
HVTH: NGUYỄN THANH HẢI- 11280407
CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1 Các cách điền đầy mẫu 20x20 mm ................................................................51
Bảng 2:6 chế độ thử nghiệm (A1A6) tốc độ điền đầy (v), nhiệt độ đầu đùn (T)....69
Bảng 3: Kết quả đo độ bền kéo với 3 cách điền đầy ...................................................76
Bảng 4: Bảng tổng hợp số liệu và phƣơng trình hồi quy của các nhóm A,B,C ..........81
Bảng 5: σk max - σk min (Mpa)- σk tb của mỗi cách điền đầy ...................................83
Bảng 6: Kết quả đo độ bền kéo raster 45O ,raster 90 O ...............................................85
Bảng 7: Tổng hợp kết quả xử lý số liệu và phƣơng trình hồi quy của 2 loại góc
raster ............................................................................................................................88
Bảng 8: σk max - σk tb của mỗi loại góc raster ..........................................................90
Bảng 9:Kết quả sơ bộ mẫu theo các hƣớng tạo mẫu OX, OY,OZ ..............................93
Bảng10: Kết quả đo độ bền kéo với các hƣớng tạo mẫu OX,OY,OZ .......................94
Bảng 11: Tổng hợp số liệu và phƣơng trình hồi quy tạo mẫu với các hƣớng
OX,OY,OZ ...................................................................................................................98
Bảng 12: σk max - σk tb của các hƣớng tạo mẫu khác nhau ......................................100
HVTH: NGUYỄN THANH HẢI- 11280407
CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ABS:
Ayrylonitrile Butadiene Styrene
CAD:
Computer Aided Design
CAM:
Computer Aided Manufacturing
CNC:
Computer Numerical Control
FDM:
Fused Deposition Modeling
FFF :
Fused Filament Fabrication
LASER:
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
PLA:
Polylactic Acid
RP:
Rapid Prototyping
SLS:
Selective Laser Sintering
STL:
Stereolithography
HVTH: NGUYỄN THANH HẢI- 11280407
CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI
Các thông tin về tạo mẫu nhanh nói chúng, cơng nghệ FDM nói riêng sẽ được
giới thiệu trong chương này. Cũng như các nước phát triển trên thế giới, việc áp
dụng tạo mẫu nhanh vào thiết kế, chế tạo, sản xuất là xu hướng chung. Công
nghệ FDM với ưu thế nhất định đã và đang được các doanh nghiệp, viện nghiên
cứu, các trường đại học tích cực triển khai nghiên cứu. Khơng xa rời dịng phát
triển đó, tôi đã chọn đề tài nghiên cứu thông số công nghệ của quá trình FDM
là đề tài luận văn của minh.
HVTH: NGUYỄN THANH HẢI- 11280407
Trang 9
CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
1.1. XU HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA CƠNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH
Hình 1.1 Thời gian thiết kế chế tạo sản phẩm
bằng phương pháp thông thường và phương pháp tạo mẫu nhanh
Ngày nay, công nghệ tạo mẫu nhanh dần trở thành công cụ phục vụ hiệu quả
trong quá trình thiết kế sản xuất, giúp doanh nghiệp giảm đáng kể thời gian thiết
kế, chế tạo sản phẩm mới (50%) –theo hình 1.1.
Từ giữa năm 2003 số hệ thống tạo mẫu nhanh đƣợc phân phối tăng rất nhanh,
thể hiện sự thích ứng của phƣơng pháp này với các ngành công nghiệp trên thế
giới. Các công nghệ tạo mẫu nhanh khác nhau, với các tính chất đặc trƣng đã và
đang đƣợc ứng dụng, phục vụ hiệu quả cho hầu hết các ngành công nghiệp, hiệu
quả nhất là lĩnh vực thiết kế ô tô (31,7%), tạo dáng công nghiệp, tạo mẫu thí
nghiệm (17%).
Trong đó, FDM-cơng nghệ đùn với các đặc tính, ƣu điểm riêng cũng dần có
đƣợc vị trí trên thị trƣờng (chiếm 30%).
HVTH: NGUYỄN THANH HẢI- 11280407
Trang 10
CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Các máy FDM - tạo mẫu nhanh theo công nghệ đùn không phải là một hệ
thống nhanh nhƣ các dịng cơng nghệ khác, không tạo ra các sản phẩm “bắt
mắt”.Tuy nhiên, với công nghệ đơn giản ,kết cấu không phức tạp, khả năng tạo
mẫu với vật liệu nhựa có độ cứng cao (bằng 80%-85% so với công nghệ ép
đùn), giá thành hệ thống máy tƣơng đối thấp, đồng thời khả năng tạo ra các mẫu
với thể tích lớn, tạo mẫu nhanh theo cơng nghệ đùn đƣợc đánh giá sẽ là một
trong 10 công nghệ đƣợc hƣớng đến theo dự đoán của Wohlers Report 2008.
1.2. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ ĐÙN VẬT LIỆU DẠNG DÂY (FDM)
1.2.1 NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA TẠO MẪU NHANH THEO CƠNG
NGHỆ FDM
Cơng nghệ FDM là cơng nghệ sử dụng phƣơng pháp gia nhiệt và đùn vật
liệu dạng dây đƣợc minh họa trong hình 1.2. 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 q trình di chuyển
đến miệng vịi đùn, vật liệu sẽ đi qua bộ phận gia nhiệt và đƣợc gia nhiệt tạo
thành dạng vật liệu nóng chảy. Vật liệu nóng chảy sẽ đƣợc đùn ra ngồi tạo các
lớp trên tấm đỡ mẫu. Vật liệu liên kết với nhau từng lớp theo biên dạng của sản
phẩm cho đến khi sản phẩm 3D đƣợc tạo thành.
Hình 1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống FDM
Công nghệ FDM đƣợc phát hiện bởi Scott Crump vào năm 1989 và đƣợc
thƣơng mại hóa đầu tiên vào năm 1992 bởi Stratasys Inc .
HVTH: NGUYỄN THANH HẢI- 11280407
Trang 11
CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Theo sau nghiên cứu của Scott Crump, đến năm 1998 hàng loạt các
nghiên cứu và cải tiến về tạo mẫu nhanh theo công nghệ đùn vật liệu ra đời, tiêu
biểu là John Samuel Batchelder với sáng chế tăng số lƣợng đầu đùn , và đã đƣợc
ứng dụng rộng rãi trên thế giới giúp làm tăng tốc quá trình tạo mẫu nhanh cũng
nhƣ tăng khả năng đáp ứng tính phức tạp của vật liệu. Cho đến nay các bằng
sáng chế vẫn không ngừng đƣợc tăng cƣờng và ngày càng đáp ứng đƣợc các yêu
cầu xã hội
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
Khơng sử dụng nguồn laser, giảm đƣợc các chi phí bảo trì, khơng gây ảnh
hƣởng đến sức khỏe ngƣời vận hành.
Vật liệu dễ tìm, nhiều kích thƣớc và dạng khác nhau, giá vật liệu ln duy trì ở
mức tƣơng đối thấp nên có thể linh hoạt trong việc lựa chọn và thay đổi vật liệu.
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 gia cơng theo lớp, đặc biệt là
những nơi có độ dốc.
Khơng dự đốn trƣớc độ co ngót.
1.2.2 PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA CƠNG NGHỆ FDM
Cơng nghệ FDM có nhiều ứng dụng quan trọng trong các ngành cơng nghiệp
nhƣ sản xuất ra các chi tiết, thiết bị bằng nhựa có độ bền cao và nhanh chóng
đƣợc sử dụng trong công nghiệp hiện nay.
Thị trƣờng của sản phẩm này rất rộng lớn vì phạm vi áp dụng của công nghệ tạo
mẫu nhanh rộng nhƣ trong các ngành công nghiệp nhựa, khuôn mẫu, ô tô, xe
máy, ti vi, tủ lạnh, máy tính, điện thoại…và những doanh nghiệp có nhu cầu
phát triển sản phẩm mới.
Cơng nghệ FDM có thể đƣợc sử dụng cho chế tạo sản phẩm. Tạo mẫu nhanh ra
một mơ hình vật lý và đƣợc sử dụng đƣợc ngay. Các vật thể chế tạo bằng công
nghệ FDM ngày càng đƣợc sử dụng thƣờng xuyên để kiểm tra chức năng sản
phẩm và có thể kiểm tra kết cấu, hình dáng chi tiết có đạt u cầu trƣớc khi sản
xuất hàng loạt. Bằng cách đó ngƣời ta có thể kịp thời phát hiện các lỗi ở giai
HVTH: NGUYỄN THANH HẢI- 11280407
Trang 12
CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
đoạn khi mà sự thay đổi chƣa tốn kém lắm,qua đó tạo ra những sản phẩm tốt
hơn, đáp ứng đƣợc đòi hỏi của thị trƣờng.
Ứng dụng quan trọng trong y học: Việc sử dụng công nghệ FDM trong y học là
một bƣớc chuyển biến lớn, cơng nghệ này có thể tạo mẫu sọ ngƣời và một số chi
tiết mô phỏng các bộ phận của con ngƣời đƣợc minh họa trong hình 1.3
Hình 1.3 Mẫu ứng dụng trong y học (các khớp xương người)
Ngồi ra cơng nghệ FDM cịn đƣợc ứng dụng rộng rãi trong một số
ngành, lĩnh vực khác nhƣ: kiến trúc, xây dựng, quân sự, và cả ứng dụng trong
lĩnh vực khơng gian, hàng khơng, vũ trụ……
1.3. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hiện nay công nghệ tạo mẫu nhanh đã ra đời và phát triển nhƣ vũ bão.
Tạo mẫu nhanh theo công nghệ đùn FDM đứng thứ 2 trong 10 công nghệ tạo
mẫu nhanh triển vọng trong 10 năm tới vì thế FDM là cơng nghệ có nhiều tiềm
năng.
Chính vì lẽ đó việc nghiên cứu các đặc tính của q trình đùn, thơng số
cơng nghệ trong q trình đùn, cũng nhƣ xác định đƣợc mối quan hệ, sự ảnh
hƣởng của các thông số công nghệ của đầu đùn đến chất lƣợng sản phẩm là điều
cấp thiết. Từ đó mới có thể xác định các thông số công nghệ hợp lý cho q
trình đùn, làm chủ cơng nghệ và ứng dụng hiệu quả công nghệ này vào sản xuất
thực tế.
1.4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trong q trình thực hiện luận văn, tơi sẽ sử dụng phƣơng pháp:
-Tổng quan tài liệu: tham khảo các tài liệu liên quan đến công nghệ FDM, tham
khảo các sách trong nƣớc và nƣớc ngoài về cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp tạo
mẫu nhanh theo công nghệ FDM, tham khảo các báo cáo khoa học về sự ảnh
hƣởng của các thông số công nghệ và quỹ đạo đầu đùn đến chất lƣợng mẫu
HVTH: NGUYỄN THANH HẢI- 11280407
Trang 13
CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
-Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm :lập kế hoạch ,tạo mẫu thử nghiệm, thu
thập số liệu đo trên máy và xử lý số liệu,thiết lập phƣơng trình hồi quy cho các
nhóm thử nghiệm,vẽ đồ thị thể hiện mối tƣơng quan ở các chế độ, phân tích
đánh giá kết quả.
1.5. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA LUẬN VĂN
-Xác định đƣợc cơ sở lý thuyết của quá trình tạo mẫu
-Xác định đƣợc phƣơng trình hồi quy thể hiện mối quan hệ của các thông số
công nghệ, quỹ đạo đầu đùn đến chất lƣợng của mẫu.
-Xác định đƣợc các ảnh hƣởng của thông số công nghệ đến chất lƣợng mẫu
1.6. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN
-Tạo đƣợc mẫu có chất lƣợng tốt
-Các kết quả đo về độ bền kéo của mẫu trong các nhóm thử nghiệm khác nhau.
-Nâng cao độ bền kéo sản phẩm của máy IAMI.
HVTH: NGUYỄN THANH HẢI- 11280407
Trang 14
CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Tổng quan về các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước sẽ được giới thiệu
trong chương này. Các nghiên cứu trong nước về công nghệ tạo mẫu nhanh vẫn
cịn ở mức hạn chế. Ở nước ngồi, các nghiên cứu về ứng dụng, q trình tạo
mẫu, thơng số cơng nghệ, tối ưu hóa cũng khá nhiều nên q trình tìm hiểu cơng
nghệ cũng rất thuận lợi. Trong chương này lần lượt trình bày các nghiên cứu về
chuỗi dữ liệu, về thông số công nghệ, quỹ đạo di chuyển đầu đùn,về thực
nghiệm quá trình tạo mẫu.
HVTH: NGUYỄN THANH HẢI- 11280407
Trang 15
CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
2.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƢỚC
Với các ƣu điểm nổi bật của cơng nghệ FDM, đã có các luận văn nghiên
cứu trong nƣớc về cơng nghệ này tuy cịn rất hạn chế. Điển hình nhƣ “Nghiên
cứu tính tốn thiết kế đầu đùn trong máy tạo mẫu nhanh “ Ths Trần
NgọcThoại năm 2010, “Nghiên cứu khảo sát quá trình FDM và thiết kế chế
tạo tích hợp đầu đùn vào máy CNC”ThS Nguyễn Hồng Việt năm 2010.
Trong luận văn cũng đề cập đến việc tích hợp đầu đùn vít me vào máy CNC
cũng nhƣ cơng nghệ đùn tạo hình sản phẩm sử dụng vật liệu nhựa ABS dạng
hạt.
Hay trong luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu thiết kế hệ thống đầu đùn tạo
mẫu nhanh cho máy FDM” ThS Phạm Hữu Thái Sơn năm 2011 cũng trình
bày về quá trình thiết kế đầu đùn cho máy tạo mẫu nhanh vật liệu nhựa ABS
dạng sợi.
2.2TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở CÁC NƢỚC TRÊN THẾ GIỚI
Công nghệ tạo mẫu nhanh phát triển và mang hiệu quả nhất định cho nền
cơng nghiệp hiện nay. Vì thế các thành tựu nghiên cứu về công nghệ này cũng
ngày càng nhiều và đa dạng. Trong luận văn –“Study on parametric
optimization of fused deposition modeling (FDM) process” năm 2011 của
Anoop kumar sood [8] đã khảo sát về các báo cáo nghiên cứu các hƣớng khác
nhau của cơng nghệ tạo mẫu nhanh.
Hình 2.1 Sơ đồ các nghiên cứu chủ yếu về công nghệ tạo mẫu nhanh
HVTH: NGUYỄN THANH HẢI- 11280407
Trang 16
CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ứng dụng
Vật liệu
Quá trình tạo mẫu
Giao tiếp CAD-RP
Độ nhám
Độ bền
Độ chính xác
Hình 2.2 Khảo sát số lượng các bài báo về FDM
Các hƣớng nghiên cứu khác nhau :
Nghiên cứu về các ứng dụng của công nghệ này (18%),nghiên cứu về vật
liệu ( 17%), nghiên cứu về quy trình tạo mẫu (16%)
Nghiên cứu về dữ liệu trong quá trình tạo mẫu (12%),về độ nhám,cơ tính,
độ chính xác kích thƣớc (10%)
Qua đó, ta thấy các nghiên cứu về ứng dụng và vật liệu đã xuất hiện khá
nhiều, còn các nghiên cứu ảnh hƣởng của thơng số đến chất lƣợng sản
phẩm cịn khá ít.
HVTH: NGUYỄN THANH HẢI- 11280407
Trang 17
