Nghiên cứu tính toán thiết kế đầu đùn trong tạo mẫu nhanh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------

TRẦN NGỌC THOẠI

NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ
ĐẦU ĐÙN TRONG TẠO MẪU NHANH
Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2011


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[i]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------

TRẦN NGỌC THOẠI
Đề tài:

NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ
ĐẦU ĐÙN TRONG TẠO MẪU NHANH
Chun ngành: Cơng Nghệ Chế Tạo Máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2011

LUẬN VĂN THẠC SĨ


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[ii]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN 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 :................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM
ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ............................................................
2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................

5. ............................................................

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 đánh giá LV

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Bộ môn quản lý chuyên ngành


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHỊNG ĐÀO TẠO SĐH

[iii]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

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 NGỌC THOẠI

Phái: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 24/07/1987

Nơi sinh: KIÊN GIANG

Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
MSHV: 10040442
I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐẦU ĐÙN TRONG
TẠO MẪU NHANH
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Tìm hiểu về đầu đùn trong cơng nghệ FDM
Tính tốn thiết kế đầu đùn cho máy tạo mẫu nhanh
Nghiên cứu thực nghiệm
Kết quả đạt được
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/07/2011
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2011
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[iv]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu s ắc đến thầy
PGS.TS Đặng Văn Nghìn 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 hổ 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
– Quý thầy, cơ khoa cơ khí trường ĐHBK
– Q thầy, cơ phòng 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 K2010 của trường ĐHBK đã có những ý kiến đóng góp
cho em trong thời gian thực hiện luận văn này.
TP Hồ Chí Minh, ngày 2 tháng 12 năm 2011

TRẦN NGỌC THOẠI

LUẬN VĂN THẠC SĨ


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[v]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

TĨM TẮT LUẬN VĂN

Hiện nay, nhu cầu của con người đối với lựa chọn sản phẩm ngày càng cao
và thay đổi liên tục đòi hỏi các nhà thiết kế và chế tạo phải không ngừng nghiên cứu
tạo ra các sản phẩm mới và chất lượng cao. Tuy nhiên, việc thiết kế trên máy tính
rất khó để kiểm tra mẫu một cách chính xác nên khi đưa vào s ản xuất sẽ gây thiệt
hại do tạo khn. Điều này địi hỏi phải có cơng nghệ tạo mẫu nhanh để đáp ứng
yêu cầu đó.
Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều cơng nghệ phục vụ cho tạo mẫu nhanh.
Trong số các công nghệ tạo mẫu nhanh khác nhau hiện có thì cơng nghệ FDM
(Fused Deposition Modeling) đã được xác định là trọng tâm của nghiên cứu này bởi
vì tính linh hoạt trong việc lựa chọn vật liệu, giá thành rẻ và nâng cao khả năng chế
tạo các mẫu 3D phức tạp.
Luận văn đã đưa ra một cái nhìn tổng quan về tình hình nghiên cứu của cơng
nghệ FDM trên thế giới. Từ đó nghiên cứu các yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu
được sử dụng cho đầu đùn cũng như các yêu cầu đối với các cụm của đầu đùn. Sau
quá trình nghiên cứu sẽ đưa ra các lựa chọn hợp lý để thiết kế một đầu đùn cho máy
tạo mẫu nhanh. Tính tốn nhiệt để điều khiển hợp lý quá trình cung cấp nhiệt cho
đầu đùn. Chế tạo đầu đùn nhằm đáp ứng một phần nhu cầu hiện nay về tạo mẫu
nhanh trên thị trường. Sau khi chế tạo đầu đùn, nghiên cứu cịn trình bày các thử
nghiệm ban đầu để tìm ra các thông số điều khiển hợp lý của đầu đùn từ đó tiến
hành tạo mẫu.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[vi]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

ABSTRACT

Currently, the human needs for product selection increasing and constantly
changing demands of designer and manufacturer must constantly research creating
new product high quality. However, the design on the computer is difficult to test
samples correctly when put into production it will cause damage due to mold.
Requires rapid prototyping technology to respond that requirement.
Among various rapid prototyping technologies available today, Fused
Deposition Modeling (FDM) has been identified as the focus of this research
because of its potential versatility in the choice of mater ials, low cost and improve
the ability to make complex 3D models.
Thesis gave an overview of the research situation of the world's FDM
technology. Since then research the technical requirements for materials used for
extrusion head as well as the requirements for the phases of the extrusion head.
After the study shows the reasonable choice to design an extrusion head for rapid
prototyping machines. Calculation of heat to control the heat provide process for
the extrusion head. Manufacturing was extrusion head order to meet a current
demand

for rapid

prototyping market. After head extrusion manufacturing, the

research also shows the initial test to find out the appropriate control parameters

of extrusion head so that can create templates.

LUẬN VĂN THẠC SĨ


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[vii]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

LỜI CAM KẾT

Tơi tên: TRẦN NGỌC THOẠI
Học viên lớp: cao học công nghệ chế tạo máy K2010
Mã số học viên: 10040442
Theo quyết định giao đề tài luận văn cao học của phòng Đào tạo Sau đại học,
Đại học Bách khoa Tp.HCM, tôi đ ã thực hiện luận văn cao học với đề tài “Nghiên
cứu tính tốn thiết kế đầu đùn trong tạo mẫu nhanh” dưới sự hướng dẫn của
PGS.TS Đặng Văn Nghìn từ ngày 04/07/2011 đến 02/12/2011.
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, Đại Học
Bách Khoa TP.HCM và theo sự hướng dẫn của PGS.TS Đặng Văn Nghìn.
Tơi xin hoàn toàn 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 Trường Đại Học Bách Khoa
TP. Hồ Chí Minh.

Học viên

Trần Ngọc Thoại

LUẬN VĂN THẠC SĨ


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[viii]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu

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

1

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

2

1.2.1 Nguyên lý chung của tạo mẫu nhanh theo cơng nghệ FDM

2

1.2.2 Tình hình nghiên cứu cơng nghệ FDM trên thế giới

3

1.2.3 Đặc điểm của tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM

4

1.2.4 Phạm vi ứng dụng của công nghệ FDM

5

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

7

1.4 Mục tiêu của luận văn

8

1.5 Nội dung thực hiện của luận văn

8

1.6 Phương pháp nghiên cứu

8

Chương 2: Tổng quan về đầu đùn cho máy tạo mẫu nhanh
2.1 Giới thiệu về sơ đồ nguyên lý

9
9

2.2 Các loại vật liệu

13

2.3 Đầu đùn

23

Chương 3: Phân tích, so sánh và lựa chọn các phương án thiết kế

34

3.1 Các phương án lựa chọn vật liệu cho đầu đùn

35

3.2 Các phương án lựa chọn dạng cấp liệu cho đầu đùn

37

3.3 Các phương án lựa chọn kiểu gia nhiệt cho đầu đùn

40

3.4 Các phương án lựa chọn động cơ và cách bố trí động cơ

43

3.4.1 Lựa chọn động cơ

43

3.4.2 Lựa chọn cách bố trí động cơ

46

3.5 Các phương án lựa chọn kiểu thiết kế vòi đùn

48

3.6 Các phương án thiết kế đầu đùn

51

MỤC LỤC


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[ix]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

Chương 4: Tính toán thiết kế đầu đùn cho máy tạo mẫu nhanh

54

4.1 Tính tốn chọn động cơ cho đầu đùn

54

4.2 Tính tốn nhiệt

58

Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm

69

5.1 Mơ hình thí nghiệm đầu đùn

69

5.2 Đường lối thí nghiệm

70

5.2.1 Thử nghiệm với vật liệu ABS và đường kính lổ 1mm

71

5.2.2 Thử nghiệm với vật liệu ABS và đường kính lổ 2mm

80

5.2.3 Thử nghiệm với vật liệu PP và đường kính lổ 1mm

81

5.2.4 Thử nghiệm với vật liệu PP và đường kính lổ 2mm

81

5.3 Một số mẫu sản phẩm đã tạo được

Chương 6: Kết quả thực hiện của đề tài và phương hướng phát triển

83

88

6.1 Kết quả thực hiện của đề tài

88

6.2 Phương hướng phát triển

89

Tài liệu tham khảo

90

Phụ lục

92

Phụ lục 1: Tính tốn chọn khớp nối và ổ đỡ

92

Phụ lục 2: Đặc điểm kỹ thuật của một số thiết bị

96

Phụ lục 3: Bản vẽ chế tạo đầu đùn

MỤC LỤC

101


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[1]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1 Giới thiệu chung về công nghệ tạo mẫu nhanh

1.1.1 Khái niệm công nghệ tạo mẫu nhanh
Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping Technology) [1]: là thuật ngữ
dùng diễn tả những công nghệ đ ược dùng để chế tạo những mơ hình vật thể một
cách tự động từ nguồn dữ liệu đ ược thiết kế trên máy tính bằng phương pháp đắp
dần vật liệu theo từng lớp, với tốc độ nhanh h ơn nhiều so với phương pháp thông
thường. Công nghệ tạo mẫu nhanh sẽ làm giảm thời gian chế tạo chi tiết một cách
đáng kể. Những phương pháp tạo mẫu nhanh có đặc điểm chung giống nhau l à quá
trình đắp thêm dần vật liệu để tạo nên chi tiết, đây là điểm nổi bật khi so sánh với
quá trình lấy vật liệu ra từ khối vật liệu ở những ph ương pháp truyền thống.
1.1.2 Tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh
Công nghệ tạo mẫu nhanh có một số ưu điểm chính sau đây:
 Tăng khả năng quan sát chi tiết: Nhờ vào sự phát triển của công nghệ thông
tin, người thiết kế có thể thiết kế chi tiết trên máy tính, sau đó có đư ợc mơ hình chi
tiết 3 chiều chỉ trong vài giờ mà không cần phải qua quy trình chế tạo mẫu phức tạp
theo phương pháp truy ền thống.
 Chế tạo được những chi tiết có độ phức tạp cao nhờ quá trình chế tạo bằng
cách đắp dần vật liệu theo từng lớp được minh họa trong hình 1.1.
 Giúp nhà thiết kế và chế tạo đưa sản phẩm tới thị trường nhanh hơn.
 Giảm nhiều thời gian và chi phí thiết kế, các chi tiết có thể chỉnh sửa trong
quá trình thiết kế.
 Tăng khả năng tối ưu hóa và phát triển sản phẩm.
 Kiểm tra được sự chính xác của các chi tiết trước khi đưa vào thiết kế khuôn
cho sản xuất hàng loạt.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[2]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

 Phương 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 người tiêu dùng, nhằm thỏa
mãn tốt nhất nhu cầu và khả năng của thị trường.

Hình 1.1 Tạo mẫu 3D phức tạp với cơng nghệ tạo mẫu nhanh
Như vậy, với nhiều ưu điểm trên thì cơng nghệ tạo mẫu nhanh có một vai tr ị
rất quan trọng để đạt tới sự th ành công trong cạnh tranh kinh tế toàn cầu, giảm chu
kỳ phát triển sản phẩm, làm tăng tính phức hợp, địi hỏi những phương pháp mới để
biến các tư tưởng sáng tạo thành hiện thực. Phương pháp tạo mẫu nhanh ra đời
nhằm phát triển sản phẩm mới v à mở rộng khả năng ứng dụng của nó.

1.2 Giới thiệu chung về tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM
1.2.1 Nguyên lý chung của tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM
Công nghệ FDM là công nghệ sử dụng phương pháp nung nóng l ắng đọng
được minh họa trong hình 1.2. Vật liệu ban đầu được cấp từ cuộn dây cấp liệu, vật
liệu dây sẽ được kéo bởi hệ thống các con lăn. Các con lăn có nhi ệm vụ kéo và đưa
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 được gia nhiệt tạo thành dạng vật liệu nóng chảy. Vật
liệu nóng chảy sẽ được đùn ra ngồi tạo các lớp trên tấm đỡ mẫu. Vật liệu liên kết

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[3]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

với nhau từng lớp theo biên dạng của sản phẩm cho đến khi sản phẩm 3D được tạo
thành.

Hình 1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống FDM
1.2.2 Tình hình nghiên cứu công nghệ FDM trên thế giới
Công nghệ tạo mẫu nhanh sử dụng đầu đùn vật liệu bắt nguồn từ cơng nghệ
FDM được minh họa ở hình 1.3. Cơng nghệ FDM được phát hiện bởi Scott Crump
vào năm 1989 và được thương mại hóa đầu tiên vào năm 1992 bởi Stratasys Inc [2].

Hình 1. 3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống FDM

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[4]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

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 lượng đầu đùn lên đáng kể, và đã
được ứng dụng rộng rãi trên thế giới giúp làm tăng tốc quá trình tạo mẫu nhanh
cũng như tăng khả năng đáp ứng tính phức tạp của vật liệu [3]. Cho đến nay các
bằng sáng chế vẫn không ngừng tăng cường và đáp ứng các yêu cầu xã hội.

1.2.3 Đặc điểm của tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM:

 Ưu điểm:
 Tạo sản phẩm với tốc độ nhanh và giá thành của máy rẻ hơn so với các
công nghệ tạo mẫu nhanh sử dụng tia lazer.
 Nâng cao khả năng chế tạo các sản phẩm 3D phức tạp và tính linh hoạt
trong việc đáp ứng của sản phẩm.
 Tạo ra các mẫu có chất lượng cao và đảm bảo đến 85% tính chất của vật
liệu được sử dụng.
 Các vật liệu được 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.
 Vật liệu dễ tìm, nhiều kích thước và dạng khác nhau, giá vật liệu ln duy
trì ở mức tương đối thấp nên có thể linh hoạt trong việc lựa chọn và thay
đổi vật liệu.
 Dễ dàng loại bỏ vật liệu đỡ.
 Có khả năng tái chế bởi trong q trình tạo mẫu sản phẩm, sẽ có một số
mẫu không đạt yêu cầu do ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài, các mẫu
dùng để đo đạt trong các thí nghiệm đo độ bền như kéo, nén, chịu va
đập,… và các nhựa bị loại bỏ từ mẫu sản phẩm sau quá trình hậu sử lý
mẫu,…
 Tạo được nhiều kích cỡ mẫu phù hợp và tạo ra một kênh thơng tin hiệu quả
giữa các bộ phận có liên quan.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[5]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

 Nhược điểm:
 Độ chính xác về hình dạng của sản phẩm hạn chế do phụ thuộc vào đường
kính vịi đùn và đường kính của sợi vật liệu sau khi ra khỏi vịi đùn.
 Bề mặt mẫu tạo ra có độ nhám cao do nguyên tắc gia công theo lớp, đặc
biệt là những nơi có độ dốc.
 Khó có thể tự động khi thay đổi loại vật liệu do phải điều khiển nhiệt độ
đùn thay đổi phù hợp với các loại vật liệu khác nhau.
 Khơng dự đốn trước độ co ngót.
 Có đường phân giới giữa các lớp.

1.2.4 Phạm vi ứng dụng của cơng nghệ FDM:
 Cơng nghệ FDM có nhiều ứng dụng quan trọng trong các nghành công

nghiệp như sản xuất ra các chi tiết, thiết bị bằng nhựa có độ bền cao và nhanh chóng
được sử dụng trong cơng nghiệp hiện nay.
 Cơng nghệ FDM có thể được sử dụng cho chế tạo sản phẩm. Tạo mẫu nhanh
cho một mô hình vật lý có thể sử dụng được ngay như là một mơ hình CAD 3D có
sẵn. Các vật thể chế tạo bằng công nghệ FDM ngày càng được sử dụng thường
xuyên để kiểm tra chức năng và có thể kiểm tra trước khi sản xuất hàng loạt. Bằng
cách đó người ta có thể kịp thời phát hiện các lỗi ở giai đoạn khi mà sự thay đổi
chưa tốn kém lắm. Những yêu cầu tinh tế và dễ hiểu hơn dẫn tới những sản phẩm
tốt hơn, đáp ứng được đòi hỏi của thị trường.
 Ứng dụng quan trọng trong y học: Việc sử dụng công nghệ FDM trong y học
là một bước chuyển biến lớn, đã tạo thành công mẫu sọ người đầu tiên bằng công
nghệ đùn vật liệu và một số chi tiết mô phỏng các bộ phận của con người được
minh họa trong hình 1.4 và hình 1.5.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[6]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

Hình 1.4 Mẫu ứng dụng trong y học (mảnh ghép sọ người)

Hình 1.5 Mẫu ứng dụng trong y học (các khớp xương người)

 Mẫu chính cho cơng cụ: Mơ hình có thể sử dụng như mẫu cho q trình đúc
khn, đúc khn cát và đúc khn l ắng đọng.
 Ngồi ra cơng nghệ FDM còn được ứng dụng rộng rãi trong một số nghành,
lĩnh vực khác như: kiến trúc, xây dựng, quân sự, và cả ứng dụng trong lĩnh vực
không gian, hàng không, vũ trụ…… Các ứng dụng này được minh họa trong hình
1.6.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[7]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

Hình 1.6 Ứng dụng trong kiến trúc và xây dựng

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Với nhiều lợi ích mà cơng nghệ FDM mang lại như: Tăng khả năng thiết kế
sản phẩm, tạo ra nhiều sản phẩm có bi ên dạng phức tạp, đáp ứng sự linh hoạt v à khả
năng phát triển của sản phẩm, giảm chi phí thiết kế, có thể chỉnh sửa trong quá tr ình
thiết kế và dễ dàng kiểm tra sản phẩm trước khi sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, công
nghệ này lại khá mới mẻ ở Việt Nam, giá th ành sử dụng cho các thí nghiệm c òn rất
đắt nên việc nghiên cứu về vấn đề này trở nên quan trọng và cấp thiết.
Nhiều nghiên cứu về các phương pháp tạo mẫu nhanh nói chung và tạo mẫu
nhanh bằng cách đùn vật liệu nói riêng nhằm ứng dụng trong y học v à quân sự
mang lại hiệu quả và lợi nhuận rất cao. Đặc biệt l à những nghiên cứu gần đây cả
trong nước và trên thế giới với việc tạo ra các h ình dạng phức tạp của sản phẩm đ ã
thể hiện nhu cầu cao về các sản phẩm của công nghệ n ày hiện nay.
Ngoài ra, các trường đại học trong nước và trên thế giới cũng đã đưa môn học
tạo mẫu nhanh vào trong chương trình giảng dạy cũng như các phịng thí nghiệm
cũng đã cho sinh viên chuyên cơ khí thực tập về công nghệ mới n ày.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[8]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

Xuất phát từ nhưng u cầu đó, đề tài “nghiên cứu tính tốn thiết kế đầu đ ùn
trong tạo mẫu nhanh” được đặt ra nhằm đáp ứng một phần nhu cầu trên thị trường
hiện nay.
1.4 Mục tiêu của luận văn


Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu tính tốn thiết kế và chế tạo một đầu

đùn vật liệu nhựa cho máy tạo mẫu nhanh.


Nghiên cứu thực nghiệm với đầu đùn được chế tạo.

1.5 Nội dung thực hiện của luận văn
Để đạt được mục tiêu đề ra cần thực hiện các nội dung sau


Tổng quan về đề tài nghiên cứu.



Nghiên cứu tổng quan về đầu đùn cho máy tạo mẫu nhanh.



Phân tích và so sánh các phương án.



Tính tốn thiết kế đầu đùn vật liệu trong tạo mẫu nhanh.



Nghiên cứu thực nghiệm.

1.6 Phương pháp nghiên cứu



Cơ sở lý thuyết, các tính tốn thiết kế của các đầu đ ùn và các loại vật liệu

khác nhau.


Các nghiên cứu có liên quan đến đầu đùn trong cơng nghệ FDM trên thế

giới, trên cơ sở đó nghiên cứu hệ thống đầu đùn đối với vật liệu nhựa.


Các tài liệu nghiên cứu về các tính chất vật lý, hóa học của vật liệu nhựa.



Nghiên cứu các mơ hình vật thể 3D, từ đó xác định lại khả năng di chuyển

đầu đùn sao cho phù hợp với việc tạo hình theo lớp.


Thiết lập các quy trình cơng nghệ để gia cơng các thiết bị trong q tr ình chế

tạo đầu đùn.


Thực nghiệm để xác định các thông số của vật liệu v à các thông số làm việc

của đầu đùn.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[9]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐẦU ĐÙN
CHO MÁY TẠO MẪU NHANH
2.1 Giới thiệu về sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ nguyên lý của đầu đùn được minh họa ở hình 2.1. Sợi vật liệu từ cuộn
dây được điều khiển đi qua hệ thống các trục con lăn, được con lăn kẹp và đưa vật
liệu xuống. Vật liệu đi vào đầu gia nhiệt, nhiệt sẽ làm nóng chảy vật liệu. Vật liệu
nóng chảy sẽ đi vào đầu đùn và được đùn lên tấm đỡ mẫu theo đúng biên dạng mặt
cắt của mẫu có chiều dày bằng chiều dày lớp cắt. Vật liệu dẻo liên kết theo từng
lớp. Quá trình được lặp lại cho đến khi tạo xong mẫu. Đối với những mẫu 3D phức
tạp thì đầu đùn vật liệu đỡ sẽ tạo bộ phận đỡ để hỗ trợ đầu đ ùn vật liệu mẫu hoàn
thành mẫu.
Với nguyên lý này có các tác giả như S. Scott Crump, Seth Collins Partain,
S.Singamneni, O. Diegel, B. Huang….

Hình 2.1 Nguyên lý làm việc của hệ thống FDM

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐẦU ĐÙN CHO MÁY TẠO MẪU NHANH


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[10]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

 Nghiên cứu của John Samuel Batchelder [3]:
Trong nghiên cứu này, ta thấy Batchelder sử dụng vật liệu dạng tấm cứng
cho đi qua bộ phận con lăn. Nguyên lý làm việc của quá trình đùn trình bày trong
hình 2.2. Bộ phận con lăn sẽ kéo và đưa vật liệu xuống. Vật liệu sau khi qua bộ
phận con lăn sẽ được đưa vào hệ thống trục vít. Vật liệu được trục vít đùn và trong
q trình đùn vật liệu của trục vít, vật liệu sẽ đi qua bộ phận gia nhiệt. Bộ phận gia
nhiệt sẽ gia nhiệt để làm chảy lỏng vật liệu. Vật liệu chảy lỏng sẽ đ ược trục vít đùn
qua miệng vịi lên tấm đỡ mẫu.

Hình 2.2 Ngun lý làm việc của hệ thống đùn theo thiết kế của Batchelder

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐẦU ĐÙN CHO MÁY TẠO MẪU NHANH


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[11]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

 Nghiên cứu của Ed.Sells [4]:
Khác với nghiên cứu của John, trong nghiên cứu của Sell vẫn sử dụng vật
liệu dạng dây, nguyên lý làm việc được minh họa trong hình 2.3. Ta thấy dây vật
liệu không đi qua trục con lăn ép mà đi vào trục vít đùn. Sau khi đi vào trục vít đùn,
vật liệu được trục vít ép thành sợi nhỏ hơn và được đùn theo hướng trục vít. Trong
quá trình trục vít đùn thì vật liệu được gia nhiệt lên nhiệt độ làm việc để trở thành

vật liệu chảy lỏng và được trục vít đùn ra bên ngồi.

Hình 2.3 Thiết kế ngun lý làm việc (trái) và mơ hình hoàn thành (phải) của Sells

 Bài báo của G.B. Braanker, J.E.P. Duwel, J.J. Flohil & G.E. Tokaya [5]:
So với 2 nghiên cứu trên, ta thấy bài báo của Braanker trình bày q trình
đùn vật liệu dạng hạt bởi trục vít đùn được minh họa trong hình 2.4. Đầu tiên các
hạt vật liệu được cấp cho thùng chứa. Vật liệu sẽ được gia nhiệt lên đến nhiệt độ
chảy dẻo. Khi trục vít quay sẽ kéo theo vật liệu chảy dẻo v ào bên trong lòng trục

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐẦU ĐÙN CHO MÁY TẠO MẪU NHANH


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[12]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

vít. Vật liệu lúc này sẽ được trộn lẫn với nhau và được trục vít đùn xuống phía dưới
ra đầu vịi đùn. Lúc này, vật liệu được gia nhiệt một lần nữa l ên nhiệt độ làm việc và
được đùn ra bên ngoài lên nền tấm phẳng.

Hình 2.4 Quá trình làm việc của đầu đùn vật liệu rời

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐẦU ĐÙN CHO MÁY TẠO MẪU NHANH


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[13]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

2.2 Các loại vật liệu
Vật liệu được sử dụng trong đầu đùn gồm 2 loại là vật liệu mẫu và vật liệu
đỡ được minh họa trong hình 2.5. Vật liệu mẫu dùng để tạo ra mẫu.Vật liệu đỡ được
dùng để tạo ra bộ phận đỡ để đỡ các phần nhơ ra ngồi khơng gian c ủa mẫu trong
quá trình đùn.

Vật liệu mẫu
Vật liệu đỡ

Hình 2.5 Tạo mẫu sử dụng vật liệu đỡ
- Vật liệu mẫu được sử dụng là các loại nhựa nhiệt dẻo như: ABS, PP, PE,
PC, PLA,…. Các tính chất của từng loại vật liệu được trình bày sau đây:
+ Nhựa ABS (Acrylon Butadiene Styrene): [18] được trùng hợp từ 3 loại
monomer: acrylonitrile, butadiene và styrene; kết hợp được tính chất của mỗi loại
monomer thành phần là tính chất kháng hóa chất, ổn định nhiệt của acrylonitrile,
tính dai và tính bền va đập của butadiene và khả năng dễ gia công, độ cứng của
stryrene; trong đó monomer styrene chi ếm hơn 50%.
ABS cứng, rắn nhưng khơng giịn, cân bằng tốt giữa độ bền kéo, va đập, độ
cứng bề mặt, độ rắn, độ chịu nhiệt, các tính chất ở nhiệt độ thấp và các đặc tính về
điện trong khi giá cả tương đối thấp. Các đặc điểm của nhựa ABS [17] được trình
bày trong bảng 2.1.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐẦU ĐÙN CHO MÁY TẠO MẪU NHANH


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[14]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

Bảng 2.1 Đặc điểm của nhựa ABS
Đặc tính cơ học

Cứng, rắn nhưng khơng giòn

Độ bền

Tương đối cao

Độ chịu nhiệt

Đảm bảo làm việc ở nhiệt độ cao

Độ cứng, chịu va đập

Cao

Độ co rút, cong vênh

Không đáng kể

Nhiệt độ làm việc

200 – 2500C

Các màu hiện có

Trắng, đen, ngà

Sức căng bền

37 MPa

Sức căng kéo dài

4,4 %

Ứng suất uốn

52 MPa

Va đập, cắt rãnh

96 J/m

Nhiệt độ uốn

960C

+ Nhựa PE (Polyethylene): [18] là loại nhựa đơn giản nhất. Nó được nhựa
hóa từ ethylen đơn. Polyethylene là vật liệu phổ biến được sử dụng nhiều trong các
mẫu tiêu dùng với hơn 60 triệu tấn nguyên liệu được sản xuất bởi ngành cơng
nghiệp hóa học mỗi năm. Polyethylene được phân thành nhiều loại khác nhau chủ
yếu dựa vào mật độ và phân nhánh của nó. Các tính chất cơ học của polyethylene
phụ thuộc đáng kể trên các biến như mức độ và loại nhánh, cấu trúc tinh thể và

trọng lượng phân tử.
PE có đặc tính nấu chảy cao. PE rất phù hợp đùn hoặc thổi. PE được tổng
hợp tạo thành nhựa có nhiều nhánh. LDPE thuận lợi hơn cho q trình đùn vì nó
nóng chảy ở nhiệt độ tương đối thấp và khơng cần động cơ đùn có cơng suất lớn. Sử

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐẦU ĐÙN CHO MÁY TẠO MẪU NHANH


CBHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

[15]

HVTH: TRẦN NGỌC THOẠI

dụng PE trong đùn giúp tạo nên mẫu ổn định. PE kết dính ở nhiệt độ cao dể dàng.
Các đặc điểm của nhựa PE được trình bày trong bảng 2.2.
Bảng 2.2 Đặc điểm của nhựa PE
Đặc tính cơ học

Dai và dẻo

Độ bền

Cao

Độ chịu nhiệt

Thấp, chỉ dùng ở nhiệt độ
thường

Độ cứng, chịu va đập

Trung bình

Mật độ kết tinh

0.91 đến 0.93 g/cm 3

Độ co rút, cong vênh

Không đáng kể

Nhiệt độ làm việc

105 – 1350C

Sức căng bền

40 MPa

Ứng suất uốn

45 MPa

+ Nhựa PC (Polycarbonate): [18] là một vật liệu rất bền, có thể sử dụng trong
một phạm vi nhiệt độ rộng hơn. Polycarbonate có nhiệt độ nóng chảy cao. Khối
lượng phân tử cao nên xử lý gặp nhiều khó khăn. Các đặc điểm của nhựa PC được
trình bày trong bảng 2.3.
Bảng 2.3 Đặc điểm của nhựa PC
Đặc tính cơ học

Bền và ổn định

Độ bền

Rất cao

Độ chịu nhiệt

Đảm bảo làm việc ở nhiệt độ cao

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐẦU ĐÙN CHO MÁY TẠO MẪU NHANH