Nghiên cứu, phân tích, lựa chọn công nghệ additive manufacturing

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

ĐÀO NHẬT CHUNG

NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ
ADDITIVE MANUFACTURING
RESEARCH, ANALYSIS, SELECTION ADDITIVE
MANUFACTURING TECHNOLOGY

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số

: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2021


Cơng trình này được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học :
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1 : PGS. TS Bùi Trọng Hiếu
.....................................................................................................
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2 : Th.S Huỳnh Hữu Nghị
.....................................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Nguyễn Hữu Thọ
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Nguyễn Thanh Trương

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 22 tháng 01 năm 2021

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS Nguyễn Hữu Lộc

- Chủ tịch

2. TS. Nguyễn Hữu Thọ

- Phản biện 1

3. TS. Nguyễn Thanh Trương

- Phản biện 2

4. TS. Nguyễn Trần Phú

- Uỷ viên

5. TS. Phạm Quang Trung

- Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

PGS. TS Nguyễn Hữu Lộc

PGS. TS Nguyễn Hữu Lộc

I


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Đào Nhật Chung

MSHV: 1870608

Ngày, tháng, năm sinh: 15/03/1992

Nơi sinh: Vũng Tàu

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số : 8520103

I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CƠNG NGHỆ ADDITIVE
MANUFACTURING

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
–
–
–
–

Tìm hiểu phương pháp hỗ trợ ra quyết định.
Xây dựng mơ hình hỗ trợ lựa chọn thiết bị AM phù hợp với thị trường Việt Nam.
Thí nghiệm và đánh giá khả năng làm việc của 5 thiết bị AM.
Xếp hạng và kết luận khả năng làm việc của 5 thiết bị AM.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 1/2021
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CBHD 1 : PGS. TS Bùi Trọng Hiếu
CBHD 2 : Th.S. Huỳnh Hữu Nghị
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2021
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

PGS. TS Bùi Trọng Hiếu Th.S Huỳnh Hữu Nghị
TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ
(Họ tên và chữ ký)

PGS. TS Nguyễn Hữu Lộc

II

LỜI CẢM ƠN
Để thực hiện và hoàn thành đề tài luận văn này, em đã nhận được sự hỗ trợ , giúp đỡ và
tạo điều kiện từ nhiều cơ quan, tổ chức và cá nhân. Luận văn cũng được hoàn thành dựa
trên sự tham khảo, học tập kinh nghiệm từ các kết quả nghiên cứu liên quan, các sách,
báo chuyên ngành của nhiều tác giả ở trong và ngoài nước.…Đặc biệt hơn nữa là sự giúp
đỡ, tạo điều kiện về vật chất và tinh thần từ phía gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp.
Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy PGS. TS Bùi Trọng Hiếu và Thầy
Th.S Huỳnh Hữu Nghị – người trực tiếp hướng dẫn khoa học đã luôn dành nhiều thời
gian, công sức hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu và hoàn thành
luận văn.
Em xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh
cùng tồn thể các thầy cơ giáo cơng tác trong trường đã tận tình truyền đạt những kiến
thức q báu, giúp đỡ tơi trong q trình học tập và nghiên cứu.
Tuy có nhiều cố gắng, nhưng trong đề tài nghiên cứu khoa học này không tránh khỏi
những thiếu sót. Em kính mong Q thầy cơ, các chun gia, những người quan tâm đến
đề tài, đồng nghiệp, gia đình và bạn bè tiếp tục có những ý kiến đóng góp, giúp đỡ để đề
tài được hồn thiện hơn.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

III


TĨM TẮT
Cơng nghệ Additive manufacturing (AM) đã và đang được ứng dụng rộng rãi trên thế
giới với những lợi ích vượt trội so với các công nghệ gia công truyền thống. Nó cho
phép tạo ra các sản phẩm có cấu trúc phức tạp trực tiếp từ dữ liệu thiết kế 3D (CAD) trên
máy tính. Các cơng nghệ AM được mong đợi đem lại nhiều lợi ích trong q trình thiết
kế và phát triển sản phẩm mới. Với hơn 30 công nghệ và thiết bị tương ứng, khách hàng

khó có thể lựa chọn được thiết bị phù hợp với nhu cầu thực tế tại đơn vị (đặc biệt là các
doanh nghiệp vừa và nhỏ) vì nó liên quan đến nhiều yếu tố khác nhau. Vì vậy, trong luận
văn này, chúng tơi trình bày một cái nhìn tổng quan về việc sử dụng các phương pháp hỗ
trợ nhằm giúp người sử dụng lựa chọn thiết bị phù hợp, đặc biệt là các kỹ sư, kỹ thuật
viên. Bên cạnh đó, luận văn cũng phát triển một phương pháp hỗ trợ ra quyết định cho
q trình lựa chọn cơng nghệ, thiết bị với nhiều tiêu đánh giá, phục vụ cho các doanh
nghiệp vừa và nhỏ.
Từ khóa: Cơng nghệ bồi đắp vật liệu, cơng nghệ FDM, cơng nghệ SLA, phương pháp
phân tích thứ cấp, phương pháp hỗ trợ ra quyết định.

IV


ABSTRACT
Additive manufacturing (AM) technology has been widely applied in the world with
outstanding benefits compared to traditional machining technologies. It allows the
creation of complex structured products directly from 3D (CAD) design data on the
computer. AM technologies are expected to provide many benefits in the design and
development of new products. With more than 30 technologies and corresponding
devices, it is difficult for customers to choose the right equipment for their actual needs
(especially small and medium enterprises) because it involves many factors different.
Therefore, in this thesis, we present an overview of the use of support methods to help
users choose suitable equipment, especially engineers and technicians. Besides, the
thesis also develops a decision-making support method for the process of choosing
technology and equipment with many evaluation criteria, serving small and medium
enterprises.
Keywords: AM technology, FDM technology, SLA technology, Analytic hierachy
process, decision-making support method.

V

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu, phân tích, lựa chọn cơng nghệ Additive
Maufacturing ” là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu và tài liệu trong luận
văn là trung thực và chưa được cơng bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào. Tất cả
những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ.
Tp. HCM, ngày 22 tháng 01 năm 2021

Đào Nhật Chung

VI


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ........................................................................................... II
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................ III
TÓM TẮT .................................................................................................................................. IV
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................................... VI
MỤC LỤC ................................................................................................................................. VII
DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................................... IX
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................................. XII
DANH MỤC VIẾT TẮT ........................................................................................................ XIV
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ....................................................................................................... 1
1.1.

Tổng quan về công nghệ Additive Manufacturing (AM) .......................................... 1

1.2.

Giới thiệu các công nghệ AM phổ biến hiện nay........................................................ 4

1.2.1.

Fused Deposition Modeling (FDM) ........................................................................ 5

1.2.2.

Stereolithography (SLA) .......................................................................................... 6

1.2.3.

Selective Laser Sintering (SLS) ............................................................................... 6

1.2.4.

Digital Light Processing (DLP) .............................................................................. 7

1.2.5.

Selective Laser Melting (SLM) ................................................................................ 8

1.2.6.

Laminated Object Manufacturing (LOM) ............................................................... 9

1.3.

Giới thiệu vật liệu được sử dụng trong công nghệ AM ........................................... 10

1.3.1.

Vật liệu nhựa ......................................................................................................... 10

1.3.2.

Vật liệu kim loại ..................................................................................................... 12

1.3.3.

Các loại vật liệu khác ............................................................................................ 13

1.3.4.

Các yếu tố cần xem xét khi lựa chọn vật liệu ........................................................ 14

1.4.

Tình hình cơng nghệ AM trên thế giới ...................................................................... 15

1.4.1.

Ứng dụng công nghệ AM trong đời sống .............................................................. 16

1.4.2.

Ứng dụng công nghệ AM trong sản xuất chế tạo .................................................. 21

1.4.3.

Xu hướng phát triển công nghệ AM ...................................................................... 23

1.5.

Tình hình cơng nghệ AM trong nước ........................................................................ 30

1.5.1.

Ứng dụng công nghệ AM trong đời sống .............................................................. 30

1.5.2.

Ứng dụng công nghệ AM trong sản xuất chế tạo .................................................. 33

1.5.3.

Xu hướng phát triển cơng nghệ AM ...................................................................... 34

1.6.

Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................. 41

1.7.

Mục tiêu nội dung của đề tài ...................................................................................... 42

1.7.1.

Mục tiêu của đề tài ................................................................................................ 42

VII


1.7.2.

Đối tượng, nội dung và phạm vi nghiên cứu: ........................................................ 42

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH LỰA CHỌN
THIẾT BỊ AM............................................................................................................................ 44
2.1.

Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................................ 44

2.1.1.

Mơ hình Analytic Hierarchy Process .................................................................... 44

2.1.2.

Mơ hình Computer-based ...................................................................................... 49

2.1.3.

Mơ hình TOPSIS .................................................................................................... 53

2.1.4.

Mơ hình Fuzzy Synthetic Evaluation ..................................................................... 54

2.1.5.

Các mơ hình khác .................................................................................................. 56

2.2.

Phương pháp hỗ trợ ra quyết định lựa chọn thiết bị AM ....................................... 59

2.2.1.

Giới thiệu phương pháp AHP ................................................................................ 59

2.2.2.

Ứng dụng phương pháp AHP tại Việt Nam ........................................................... 59

2.2.3.

Ứng dụng phương pháp AHP vào phương pháp hỗ trợ ra quyết định .................. 61

CHƯƠNG III: THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ AM.................................................. 69
3.1.

Giới thiệu thí nghiệm đánh giá thiết bị AM ............................................................. 69

3.1.1

Mục đích thí nghiệm .............................................................................................. 69

3.1.2

Mơ tả thí nghiệm .................................................................................................... 69

3.1.1.

Giới thiệu các thiết bị AM được sử dụng trong thí nghiệm ................................... 74

3.2.

Kết quả thí nghiệm...................................................................................................... 77

3.3.

Kết luận ........................................................................................................................ 82

3.4. Ứng dụng phương pháp hỗ trợ ra quyết định đánh giá xếp hạng thiết bị AM được
sử dụng trong thí nghiệm ...................................................................................................... 85
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............................. 90
4.1.

Kết quả đạt được của luận văn .................................................................................. 90

4.2.

Hạn chế của luận văn .................................................................................................. 90

4.3.

Hướng phát triển của đề tài ....................................................................................... 90

PHỤ LỤC A ............................................................................................................................... 92

PHỤ LỤC B ................................................................................................................................ 94
CÔNG BỐ KHOA HỌC ........................................................................................................... 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................... 100
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .................................................................................................... 103

VIII


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Charles hull – cha đẻ cơng nghệ AM ................................................................. 1
Hình 1. 2 Q trình phát triển của cơng nghệ AM ............................................................. 2
Hình 1. 3 Tỷ lệ phần trăm thị trường các công ty Mỹ ........................................................ 4
Hình 1. 4 Sự gia tăng số lượng bằng sáng chế trong công nghệ AM từ 1995 – 2013 ....... 4
Hình 1. 5 Nguyên lý bồi đắp vật liệu của cơng nghệ FDM ................................................ 6
Hình 1. 6 Ngun lý hoạt động của cơng nghệ SLA ........................................................... 6
Hình 1. 7 Ngun lý hoạt động của cơng nghệ SLS ........................................................... 7
Hình 1. 8 Nguyên lý hoạt động của công nghệ DLP .......................................................... 8
Hình 1. 9 Ngun lý làm việc của cơng nghệ SLM ............................................................. 9
Hình 1. 10 Nguyên lý làm việc của cơng nghệ LOM ........................................................ 10
Hình 1. 11 Nhựa PLA được làm thành từng cuộn sử dụng trong công nghệ AM ............ 11
Hình 1. 12 Bộ Suit của hãng thời trang Chanel được dệt bằng cơng nghệ AM............... 16
Hình 1. 13 Súng bắn đạn thật được chế tạo từ công nghệ AM (Solid Concepts)............. 17
Hình 1. 14 Các bộ phận được chế tạo từ cơng nghệ AM ................................................. 18
Hình 1. 15 Căn biệt thự được xây dựng bằng công nghệ AM của cơng ty HuaShang
Tengda, Trung Quốc ......................................................................................................... 19
Hình 1. 16 Thiết bị AM được sử dụng trong giảng dạy.................................................... 20
Hình 1. 17 Thức ăn làm từ cơng nghệ AM ....................................................................... 21
Hình 1. 18 Bo mạch được chế tạo thừ thiết bị AM ........................................................... 21
Hình 1. 19 Xe ơ tơ Urbee được sản xuất toàn bộ bằng thiết bị AM (Statasys) ................ 22
Hình 1. 20 Siemens đã thử nghiệm cánh quạt tua bin khí đầu tiên được thực hiện bằng

cơng nghệ AM (Siemens) .................................................................................................. 23
Hình 1. 21 Số lượng thiết bị AM văn phòng từ năm 2008 – 2014 (báo cáo Wohlers 2015)
.......................................................................................................................................... 27
Hình 1. 22 Tỉ lệ thiết bị in AM công nghiệp được bán ra theo khu vực (báo cáo Wohlers
2015) ................................................................................................................................. 27
Hình 1. 24 Thống kê các công nghệ AM được sử dụng phổ biến (theo báo cáo “Thực
trạng cơng nghệ AM 2017”)............................................................................................. 28
Hình 1. 24 Nẹp tay được chế tạo từ thiết bị AM ............................................................... 32

IX


Hình 1. 25 Sử dụng nhựa resin cho nha khoa .................................................................. 32
Hình 1. 26 Sản phẩm mỹ nghệ được chế tạo từ cơng nghệ AM ....................................... 33
Hình 1. 27 Kiểm tra mẫu thiết kế ..................................................................................... 34
Hình 1. 28 Ứng dụng trong nghiên cứu chế tạo mẫu dụng trong kỹ thuật đúc mẫu chảy34
Hình 1. 29 Dung sai các sản phẩm rất nhỏ ...................................................................... 40
Hình 1. 30 Thuốc Spritam được sản xuất bằng cơng nghệ AM ....................................... 41
Hình 2. 1 Ngun lý lựa chọn thiết bị và công nghệ AM của Ca và đồng nghiệp [2] . 45
Hình 2. 2 Thơng số kỹ thuật tác giả chọn làm tiêu chí lựa chọn [2] ................................ 46
Hình 2. 3 Đánh giá các cơng nghệ Am theo tiêu chí trong nghiên cứu của tác giả [2] .. 46
Hình 2. 4 Cơ sở dữ liệu gồm 45 thiết bị AM được tác giả phát triển [2]......................... 47
Hình 2. 5 Mơ hình được xây dựng bởi Athakorn Kengpol [17] ....................................... 48
Hình 2. 6 Cấu trúc phân cấp đánh giá lựa chọn công nghệ AM được phát triển bởi H.
Lan và đồng nghiệp [19] .................................................................................................. 49
Hình 2. 7 Cấu trúc hệ thống chuyên gia do R. Noorani thiết kế [3] ................................ 50
Hình 2. 8 Thơng số kỹ thuật các thiết bị in được sử dụng trong nghiên cứu này [3] ...... 51
Hình 2. 9 Sơ đồ hoạt động của chương trình [3] ............................................................. 51
Hình 2. 10 thơng tin được đăng nhập bởi người dùng [3] ............................................... 52
Hình 2. 11 Chi tiết kiểm tra của tác giả [26] ................................................................... 54

Hình 2. 12 Cấu trúc hệ thống được phát triển bởi H. Lan và các cộng sự [19] .............. 55
Hình 2. 13 Thơng số kỹ thuật và chi phí các thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu của
Roberson [37] ................................................................................................................... 57
Hình 2. 14 a) Cấu trúc chi tiết được Grimm sử dụng bởi Espalin b) Cấu trúc dược thay
đổi trong nghiên cứu của Roberson [37] ......................................................................... 58
Hình 2. 15 Số lượng vật liệu sử dụng và thời gian xây dựng một và nhiều chi tiết của các
thiết bị [37] ....................................................................................................................... 58
Hình 2. 16 Sơ đồ mơ tả phương pháp ............................................................................... 61
Hình 2. 17 Mơ hình Hỗ trợ ra quyết định ......................................................................... 65
Hình 2. 18 Sơ đồ thuật tốn .............................................................................................. 65
Hình 3. 1 Cấu trúc chi tiết tiêu chuẩn trong nghiên cứu của Mahesh và các cộng sự [46]
.......................................................................................................................................... 69

X


Hình 3. 2 Cấu trúc được phát triển bởi Moylan [47] ....................................................... 70
Hình 3. 3 Cấu trúc thử nghiệm của Buyn và H Lee [26] ................................................. 70
Hình 3. 4 Chi tiết tiêu chuẩn được thiết kế bởi Grimm [38] ............................................ 71
Hình 3. 5 a) Cấu trúc chi tiết được Grimm sử dụng b) Cấu trúc dược thay đổi trong
nghiên cứu Roberson [37] ................................................................................................ 72
Hình 3. 6 Cấu trúc tiêu chuẩn được sử dụng trong thí nghiệm ........................................ 72
Hình 3. 7 Kích thước so sánh của chi tiết tiêu chuẩn ....................................................... 73
Hình 3. 8 Chi tiết tiêu chuẩn thực tế và các vị trí cần đo. ................................................ 73
Hình 3. 9 Thước kẹp Mitutoyo. ......................................................................................... 74
Hình 3. 10 Vị trí đo trên chi tiết được chế tạo bằng thiết bị MarBox 200 ....................... 78
Hình 3. 11 Vị trí đo trên chi tiết được chế tạo bằng thiết bị MarBox 300 ....................... 79
Hình 3. 12 Vị trí đo trên chi tiết được chế tạo bằng thiết bị Mega Zero.......................... 80
Hình 3. 13 Vị trí đo trên chi tiết được chế tạo bằng thiết bị FormLabs Form 3 .............. 81
Hình 3. 14 Vị trí đo trên chi tiết được chế tạo bằng thiết bị MarBox 600 ....................... 82

Hình 3. 15 biểu đồ so sánh giá thiết bị AM sử dụng trong thí nghiệm ............................ 83
Hình 3. 16 Biểu đồ so sánh thời gian gia cơng chi tiết .................................................... 83
Hình 3. 17 Biểu đồ so sánh khối lượng và chi phí vật liệu sử dụng ................................. 84
Hình 3. 18 Biểu đồ thể hiện phần trăm sai lệch theo từng vị trí kích thước của 5 thiết bị
AM..................................................................................................................................... 84
Hình A. 1 Các tiêu chí và thiết bị ..................................................................................... 92
Hình A. 2 So sánh cặp tiêu chí ......................................................................................... 92
Hình A. 3 Nhập giá trị trọng số tính được........................................................................ 93
Hình A. 4 Kết quả đánh giá và xếp hạng ......................................................................... 93
Hình B. 1 Kết quả khảo sát độ tuổi người sử dụng cơng nghệ AM .................................. 96
Hình B. 2 Kết quả khảo sát lĩnh vực làm việc của người sử dụng cơng nghệ AM ........... 96
Hình B. 3 Kết quả khảo sát ứng dụng công nghệ AM ...................................................... 96
Hình B. 4 Kết quả khảo sát mức giá các thiết bị AM được sử dụng ................................ 97
Hình B. 5 Kết quả khảo sát vật liệu sử dụng .................................................................... 97
Hình B. 6 Kết quả khảo sát các tiêu chí lựa chọn ............................................................ 97

XI


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1 Sự khác nhau giữa các công nghệ in AM và các phương pháp gia công truyền
thống ................................................................................................................................... 2
Bảng 1. 2 Ưu điểm và nhược điểm các loại polyme nhiệt dẻo ........................................ 12
Bảng 1. 3 Ưu điểm và nhược điểm của vật liệu composite ............................................. 14
Bảng 1. 4 Danh sách các công ty/cơ sở chuyên cung cấp về công nghệ AM tại Việt Nam
.......................................................................................................................................... 37
Bảng 1. 5 Các thiết bị AM phổ biến tại Việt Nam ........................................................... 37
Bảng 2. 1 Thang đo mức độ ưu tiên của Cauê ................................................................. 45
Bảng 2. 2 Ma trận vuông các giá trị ưu tiên ..................................................................... 61
Bảng 2. 3 Mức độ ưu tiên khi so sánh các cặp tiêu chí .................................................... 62

Bảng 2. 4 Ma trận trọng số cho các tiêu chí lựa chọn ...................................................... 62
Bảng 2. 5 Chỉ số ngẫu nhiên RI ứng với số tiêu chí lựa chọn được xem xét tối đa 15 tiêu
chí ..................................................................................................................................... 63
Bảng 2. 6 Các mức so sánh được sửa đổi trong nghiên cứu ............................................ 66
Bảng 3. 1 Giá trị kích thước tại các vị trí đo .................................................................... 71
Bảng 3. 2 Các vị trí cần đo ............................................................................................... 73
Bảng 3. 3 Thiết lập thông số trước khi in đối với các thiết bị FDM ................................ 74
Bảng 3. 4 Các thiết bị được sử dụng trong thí nghiệm .................................................... 74
Bảng 3. 5 Ước tính các thơng số thiết bị MarBox 200 .................................................... 76
Bảng 3. 6 Ước tính các thơng số thiết bị MarBox 300 .................................................... 76
Bảng 3. 7 Ước tính thơng số thiết bị Mega Zero ............................................................. 76
Bảng 3. 8 Ước tính thơng số thiết bị MarBox 600 ........................................................... 76
Bảng 3. 9 Ước tính thơng số thiết bị Formlabs Form 3 ................................................... 76
Bảng 3. 10 Bảng so sánh giá mua các thiết bị.................................................................. 77
Bảng 3. 11 Bảng so sánh thời gian gia cơng ước tính của các thiết bị ............................ 77
Bảng 3. 12 Bảng so sánh chi phí vật liệu sử dụng ước tính của các thiết bị .................... 77
Bảng 3. 13 Kích thước chi tiết tiêu chuẩn được chế tạo trên thiết bị MarBox 200 ......... 77
Bảng 3. 14 Kích thước chi tiết tiêu chuẩn được chế tạo trên thiết bị MarBox 300 ......... 78
Bảng 3. 15 Kích thước tiêu chuẩn được chế tạo trên thiết bị Mega Zero ........................ 79

XII


Bảng 3. 16 Kích thước chi tiết tiêu chuẩn được chế tạo trên thiết bị Formlabs Form 3 .. 80
Bảng 3. 17 Kích thước chi tiết tiêu chuẩn được chế tạo trên thiết bị Marbox 600 .......... 81
Bảng 3. 18 Tổng sai lệch tuyệt đối của các thiết bị AM được sử dụng trong thí nghiệm 82
Bảng B. 1 Danh sách người sử dụng tham gia khảo sát .................................................. 94

XIII

DANH MỤC VIẾT TẮT
AM: Additive Manufacturing
FDM: Fused Deposition Modeling
SLA: Stereolithography
SLS: Selective Laser Sintering
LOM: Lamniated Object Manufacturing
SLM: Selective Laser Melting
DLP: Digital Light Processing
UV: Ultraviolet
CAD: Computer-aided Design
CAM: Computer-aided Manufacturing
CNC: Computer Numerical Control
ABS: Acrylonitrile Butadiene Styrene
PLA: Polylactic Axit
PC: Polycarbonate
AHP: Analytic Hierarchy Process
CJP: ColorJet Printing
MJP: MultiJet Printing
DMLS: Direct Metal Laser Sintering
TCT: Time Compression Technologies
IRIS: Industrial Research Institute Swinburne
MADM: Multiple – attribute Decision Making
FSE: Fuzzy Synthetic Evaluation

XIV


WRPSS: Web – based RP System Selector
C/S: Client/Server

B/S: Browser/Server
NUS: National University of Singapore
TF: Thời gian chế tạo chi tiết
UC: Giá thiết bị AM
MC: Chi phí vật liệu sử dụng
SD: Sai lệch kích thước so vơi mơ hình CAD
CR: Tỷ số nhât quán
CI: Chỉ số nhất quán
RI: Chỉ số ngẫu nhiên

XV


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1.

Tổng quan về công nghệ Additive Manufacturing (AM)

Khoa học – công nghệ hiện nay ngày càng phát triển mang lại cho các ngành công
nghiệp nhiều công nghệ hiện đại, một trong số đó phải kể đến các công nghệ AM. Các
công nghệ AM hoạt động trên nguyên lý chính là xây dựng các vật thể rắn ba chiều
thơng qua quy trình điền đầy từng lớp từng lớp của vật thể, trái ngược với nguyên lý
làm việc của các phương pháp gia công truyền thống. Các công nghệ AM được trơng
đợi mang lại những lợi ích cho q trình thiết kế và phát triển các sản phẩm mới, vì có
thể giảm thiểu chi phí sản xuất lên đến 70% và giảm thời gian cho ra thị trường lên
đến 90% [1]. Hiện nay các công nghệ AM đã và đang được ứng dụng đa dạng vào
nhiều lĩnh vực khác nhau: hàng không, ô tô, y sinh, công nghiệp và nhiều lĩnh vực
khác….
a. Lịch sử hình thành cơng nghệ AM
Charles Hull là người đầu tiên phát minh ra Stereolithography – một phương pháp đột

phá tạo ra một đối tượng 3D hữu tình từ những dữ liệu kỹ thuật số. Cơng nghệ này
được sử dụng để chế tạo ra các vật phẩm 3D chỉ từ những hình ảnh trên máy tính và
công nghệ này cho phép người dùng kiểm tra các mẫu thiết kế một cách nhanh chóng,
chính xác trước khi quyết định đầu tư sản xuất hàng loạt.

Hình 1. 1 Charles hull – cha đẻ công nghệ AM
Năm 1986, Charles Hull đăng ký bản quyền phát minh Stereolithography. Sau đó, ông
thành lập công ty 3D System và phát triển thiết bị AM thương mại đầu tiên được gọi là

1


Stereolithography Apparatus (SLA). Trong những năm tiếp theo, dựa trên nền tảng của
Charles Hull hàng loạt các công nghệ khác đã được giới thiệu: Fused Deposition
Modeling (FDM), Selective Laser Sintering (SLS), Laminated Object Manufacturing
(LOM), Selective Laser Melting (SLM), Phương pháp Digital Light Processing
(DLP)… là các phương pháp thường gặp trong Cơng nghệ AM.

Hình 1. 2 Q trình phát triển của công nghệ AM

Bảng 1. 1 Sự khác nhau giữa các công nghệ in AM và các phương pháp gia công
truyền thống
Cơng nghệ Additive Manufacturing
-

-

Phương pháp gia cơng truyền thống

- Có thể sản xuất toàn bộ sản phẩm cùng một - Các chi tiết của sản phẩm được sản

lần.

xuất riêng lẻ, sau đó được đem đi

- Chi phí sản xuất và đầu tư tương đối đắt

lắp ráp thành một sản phẩm hoàn

- Sử dụng vật liệu đặc biệt để xây dựng sản
phẩm.

chỉnh
- Chi phí rẻ hơn

- Độ chính xác sản phẩm chưa cao, chất lượng - Sử dụng vật liệu tiêu chuẩn sẵn có
bề mặt sản phẩm chưa được tối ưu một phần do

2

- Có thể đạt được độ chính xác sản


chính ngun lý làm việc của cơng nghệ này
- Bị giới hạn kích thước sản phẩm, vì đặc tính

phẩm cao, chất lượng bề mặt tốt hơn
so với công nghệ AM và tùy vào
mức độ yêu cầu có thể đặt được chất

xây dựng sản phẩm qua một lần gia công.

lượng bề mặt như mong muốn.
- Công nghệ này thể xây dựng được các sản
phẩm có thành mỏng hay các lỗ nhỏ trên sản

- Kích thước chi tiết bị giới hạn.

phẩm cũng có thể dễ dàng được gia cơng, tuy - Khó khăn trong việc gia cơng các
nhiên điều này cịn phụ thuộc vào khả năng làm chi tiết có thành mỏng và các lỗ nhỏ
nguội của thiết bị lên vật liệu.

lỗ chức năng.

- Thiết bị được cài đặt hoạt động cho đến khi - Đối với các chi tiết lớn có độ phức
sản phẩm được xây dựng hồn chỉnh khơng cần tạp cao, chúng ta phải tách từng chi
phải tiến hành gá đặt lại. Nhất là đối với các chi tiết riêng biệt của sản phẩm gia cơng
tiết có độ phức tạp cao, điều này giúp giảm rất riêng lẻ sau đó các chi tiết này sẽ
nhiều thời gian cho ra sản phẩm.

được lắp ráp thành một sản phẩm

- Quá trình xây dựng khơng cần chú ý nhiều vì

hồn chỉnh.

thiết bị tự động làm việc giúp giảm nhân công - Trong q trình gia cơng cần có
và chi phí vận hành.

cơng nhân vận hành và gá đặt các
chi tiết sản phẩm dẫn đến các chi tiết

có độ phức tạp cao rất đắt tiền.

b. Q trình phát triển cơng nghệ AM
Cơng nghệ AM được sử dụng hầu hết tại các nước công nghiệp trên thế giới hiện nay:
USA, Europe, Châu Á. Tuy nhiên, đối với từng quốc gia và khu vực sẽ có những điểm
khác nhau riêng. Tại Nhật Bản, khi áp dụng cơng nghệ này độ chính xác sẽ được cân
nhắc chủ yếu, trong khi ở Châu Âu, các công ty lại chú trọng hơn đến việc phát triển
các mẫu sản phẩm và dụng cụ kim loại.
Như đã đề cập trước đó, cơng nghệ AM được đã được phát triển tại USA và nước này
vẫn đang dẫn đầu về các công nghệ AM này cả về ứng dụng và phát triển.

3


Hình 1. 3 Tỷ lệ phần trăm thị trường các công ty Mỹ
Sự phát triển của các công nghệ AM luôn đi cùng với các công nghệ khác như
computer-aided design (CAD), computer-aided manufacturing (CAM) và computer
numerical control (CNC). Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học – cơng nghệ
hiện nay đã tạo bước đà cho sự phát triển của các công nghệ AM.
Các bước phát triển của công nghệ AM có thể được hiểu theo một cách dễ dàng thơng
qua việc tìm kiếm danh sách các bằng sáng chế đã được đăng ký. Có thể thấy, các
bằng sáng chế thuộc công nghệ này đã và đang tiếp tục tăng đều đặn theo từng năm.
Biểu đồ dưới đây cho thấy số lượng bằng sáng chế được cấp tăng tuyến tính từ năm
1995 cho đến 2013.

Hình 1. 4 Sự gia tăng số lượng bằng sáng chế trong công nghệ AM từ 1995 – 2013

1.2.

Giới thiệu các công nghệ AM phổ biến hiện nay

Có rất nhiều cơng nghệ AM hiện nay đã và đang được sử dụng cùng với các nguồn vật
liệu khác nhau như vật liệu nhựa, sáp, kim loại, gốm và nhiều hơn thế nữa. Trong phần

4


này, sáu công nghệ AM được đề cập đến cho mục đích nghiên cứu này: Fused
Deposition Modeling (FDM), Digital Light Processing (DLP), Laminated Object
Manufacturing (LOM), Stereolithography (SLA), Selective Laser Melting (SLM),
Selective Laser Sintering (SLS). Mặc dù là các công nghệ AM khác nhau nhưng gần
như tất cả các công nghệ này đều xây dựng vật thể rắn bằng cách sử dụng các loại vật
liệu dạng lỏng, bột hay rắn. Điều đó có nghĩa là các cơng nghệ này đều đi theo một
quy trình xây dựng sản phẩm cơ bản:
+ Thiết kế một mơ hình 3D CAD
+ Chuyển đổi mơ hình 3D sang định dạng STL
+ Cắt tệp STL thành các lớp cắt ngang 2D
+ Thiết lập các thông số cho thiết bị in
+ Xây dựng vật thể
+ Tháo gỡ sản phẩm sau khi hồn thành q trình xây dựng
+

Hậu xử lý sản phẩm: làm sạch và hoàn chỉnh vật thể cho ra sản phẩm cuối
cùng

+ Sử dụng sản phẩm
1.2.1. Fused Deposition Modeling (FDM)
Công nghệ FDM xây dựng vật thể 3D từ các mơ hình được tạo ra thơng qua phần mềm
hỗ trợ CAD. Công nghệ này sử dụng các vật liệu nhựa nhiệt nóng chảy như
Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), Polylactic Axit (PLA), ceramic…. Thiết bị

AM FDM có thể được lắp một hoặc nhiều đầu đùn. Có một ống tiếp vật liệu được gắn
bên trong đầu đùn và các đầu đùn được lắp chung với bộ gia nhiệt, tại đây vật liệu
được sử dụng sẽ được gia nhiệt tới trạng thái bán lỏng và được đùn ra ngoài theo từng
lớp từng lớp xây dựng vật thể như mơ hình thiết kế trước đó. Vật liệu sẽ được lắng
đọng và kết dính với lớp trước đó và hóa rắn. Điểm mạnh của cơng nghệ này là chi phí
khá rẻ và dễ dàng vận hành, tuy nhiên các chi tiết được tạo ra cho độ chính xác khơng
cao và tốc độ xây dựng vật thể tương đối chậm.

5


Hình 1. 5 Nguyên lý bồi đắp vật liệu của công nghệ FDM
1.2.2. Stereolithography (SLA)
Công nghệ SLA hoạt động cơ bản dựa trên việc sử dụng vật liệu dung dịch polyme
nhạy sáng mà được hóa rắn bằng cách cho tiếp xúc với tia laser Ultraviolet (UV) [2].
Tia UV sẽ được chiếu vào dung dịch polymer trên bề mặt bàn máy để hóa rắn dung
dịch polyme nhạy sáng, một lớp một lần và sau đó sẽ được lặp lại cho đến khi hình
thành vật thể được xây dựng hồn tồn, q trình này được bắt đầu từ lớp dưới dùng
cho đến lớp trên cùng. Sau đó, vật thể sẽ được lấy ra và được chuyển qua các bước xử
lý bề mặt tiếp theo. Công nghệ này xây dựng vật thể nhanh hơn và đạt được độ chính
xác cao hơn. Giới hạn của công nghệ này là việc dựa vào vật liệu dung dịch polyme
nhạy sáng dẫn đến giá thành của thiết bị và nguyên liệu đầu vào khá đắt.

Hình 1. 6 Nguyên lý hoạt động của công nghệ SLA
1.2.3. Selective Laser Sintering (SLS)

6


Công nghệ SLS là một trong những công nghệ AM sử dụng tia laser như một nguồn

năng lượng thiêu kết vật liệu dạng bột tạo thành hình dạng vật thể [3]. Công nghệ SLS
giống với công nghệ SLA, điểm khác nhau giữa hai công nghệ này là chùm tia laser
của công nghệ SLS được sử dụng để thiêu kết và làm nóng chảy vật liệu dạng bột.
Trong cơng nghệ này, thùng bột và khu vực tạo hình trước tiên sẽ được làm nóng ngay
dưới nhiệt độ nóng chảy của polymer và một con lăn sẽ trải một lớp bột mỏng lên bề
mặt bàn in. Sau đó, laser sẽ quét đường viền tiếp theo và kết hợp các hạt của bột
polymer. Tồn bộ mặt cắt ngang của chi tiết, do đó sản phẩm được tạo hình vững chắc.
Khi lớp hồn thành, bàn in di chuyển xuống dưới và con lăn tiếp tục gạt bề mặt, quá
trình này lặp đi lặp lại cho đến khi vật thể được hình thành hồn chỉnh. Sau khi in, các
vật thể được phủ hoàn toàn trong bột chưa được xử lý và thùng bột phải được làm mát
trước khi các vật thể được lấy ra khỏi. Điều này có thể tốn một lượng thời gian đáng
kể có thể lên đến 12 tiếng. Các vật thể sau khi được lấy ra có thể chuyển sang các bước
xử lý tiếp theo. Công nghệ SLS được coi là công nghệ có quy trình tạo ra sản phẩm
nhanh nhất trong các cơng nghệ AM, bên cạnh đó nó có thể xây dựng các vật thể có
thành mỏng như mong đợi, các vật thể có độ uốn và các vật thể có phần rỗng ở phí
dưới mà khơng cần đến cấu trúc hỗ trợ. Tuy nhiên, cơng nghệ này có cấu trúc cơ khí
phức tạp hơn các cơng nghệ khác và chi phí đầu tư ban đầu cho máy móc và vật liệu
cao.

Hình 1. 7 Ngun lý hoạt động của cơng nghệ SLS
1.2.4. Digital Light Processing (DLP)

7


Công nghệ DLP tương đối giống với công nghệ SLA ngoại trừ việc sử dụng ánh sáng
tia UV từ một máy chiếu thay vì sử dụng hệ thống tia laser phức tạp và đắt tiền như
cơng nghệ SLS. Vì thế, chi phí hoạt động của cơng nghệ DLP thấp hơn và cũng dễ sử
dụng hơn so với công nghệ SLA. Trong công nghệ DLP, một máy chiếu được sử dụng
để chiếu hình ảnh mặt cắt ngang của vật thể vào thùng chứa dung dịch polyme nhạy

sáng. Sau khi tiếp xúc với ánh sáng, dung dịch sẽ đơng kết hình thành các lớp rắn theo
như biên dạng của vật thể. Các lớp rắn có kích thước rất mỏng, q trình xây dựng này
được lặp đi lặp lại cho đến khi vật thể được xây dựng hồn chỉnh. Cơng nghệ DLP
được biết đến với khả năng cho ra độ phân giải cao, thường độ dày lớp có thể đạt dưới
30 µm, một phần tờ giấy A4.

Hình 1. 8 Nguyên lý hoạt động của công nghệ DLP
1.2.5. Selective Laser Melting (SLM)
Trong công nghệ SLM vật liệu chính được sử dụng trong q trình xây dựng vật thể là
kim loại và hợp kim của chúng. Công nghệ này bắt đầu từ việc sử dụng một mơ hình
3D được thiết kế từ phần mềm hỗ trợ. Vật thể 3D sẽ được chia thành các mặt cắt
ngang, sau đó sẽ được sử dụng trực tiếp trong quá trình xây dựng [4]. Chùm tia laser
sẽ quét một lớp bột mỏng trên bề mặt bàn in theo như biên dạng mặt cắt của vật thể 3D
được xử lý trước đó. Lớp bột sẽ được thiêu kết bởi chùm tia laser để tạo hình, bột sẽ
khơng được làm cứng vẫn được giữ để hỗ trợ các lớp tiếp theo, điều này giúp nâng cao
khả năng chế tạo các chi tiết có độ phức tạp cao mà khơng cần đến vật liệu hỗ trợ. Có
thể nói cồn nghệ SLS và SLM là như nhau ngoại trừ việc công nghệ SLM sử dụng

8


nguồn laser có cơng xuất cao hơn, cho khả năng thiêu kết được bột kim loại và kết hợp
chúng thành vật thể.

Hình 1. 9 Ngun lý làm việc của cơng nghệ SLM
1.2.6. Laminated Object Manufacturing (LOM)
Công nghệ LOM được phát minh bởi Michael Feygin [5] vào năm 1985. Trong quá
trình xây dựng vật thể của công nghệ LOM, các lớp giấy, nhựa, kim loại được dán
chồng lên nhau làm nhiều lớp dưới tác dụng của nhiệt, áp suất. Sau đó chúng được cắt
định hình bằng một con dao hoặc tia laser được điều khiển bởi máy tính. Đầu tiên bàn

máy sẽ được nâng lên vị trí cao nhất bằng với độ dày của lớp vật liệu, tiếp theo con lăn
nhiệt sẽ cán qua lớp vật liệu này, dưới bề mặt lớp vật liệu có chất kết dính mà khi được
ép và gia nhiệt bởi con lăn nó sẽ giúp lớp này liên kết với lớp trước. Hệ thống quang
học sẽ đưa tia laser đến để cắt vật liệu theo hình dạng hình học của mơ hình đã tạo từ
CAD. Vật liệu được cắt bởi tia laser theo đường viền của mặt cắt lát. Phần vật liệu dư
sẽ được thu hồi bằng con lăn hồi liệu. Sau đó để hạ xuống theo cẩu nâng hạ xuống
thấp và vật liệu mới được nạp vào, cơ cấu lại nâng lên chậm đến vị trí thấp hơn chiều
cao trước đó, trục cán sẽ tạo liên kết giữa lớp thứ hai với lớp thứ bằng đúng chiều dày
lớp vật liệu kế tiếp. Chu kỳ này được lặp lại cho đến khi kết thúc.

9