(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3d công nghệ FDm đến độ bền uốn của sản phẩm nhựa PLA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TỪ THỊ TUYẾT

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG THÔNG SỐ IN 3D
CÔNG NGHỆ FDM ĐẾN ĐỘ BỀN UỐN CỦA SẢN
PHẨM NHỰA PLA

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ- 60520103

SKC006690

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỪ THỊ TUYẾT

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG THÔNG SỐ IN 3D CÔNG NGHỆ FDM ĐẾN
ĐỘ BỀN UỐN CỦA SẢN PHẨM NHỰA PLA

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ- 60520103

Tp. Hồ Chí Minh, 5 Tháng 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỪ THỊ TUYẾT

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG THÔNG SỐ IN 3D CÔNG NGHỆ FDM ĐẾN
ĐỘ BỀN UỐN CỦA SẢN PHẨM NHỰA PLA

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ- 60520103

Hướng dẫn khoa học:
PGS. TS Phạm Sơn Minh

Tp. Hồ Chí Minh, 5 Tháng 2020









LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC.
Họ & tên: Từ Thị Tuyết.

Giới tính: Nữ.

Ngày, tháng, năm sinh: 2/07/1985

Nơi sinh: Hà Nội.

Quê quán: Hà Nội.

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 42/7 Đường Phạm Văn Dinh- P.Thắng Nhất
- Tp Vũng Tàu.
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại cá nhân : 0933039458

Fax:

E - mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO.
1. Đại học.
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/2008 đến 2011

Nơi học (trường, thành phố): Đại học công nghiệp Hà Nội

Ngành học: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí.
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Hộp giảm tốc .
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:
Tại : Đại học công nghiệp Hà Nội.
2. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ /2019 đến / 2021

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học sư phạm kỹ thuật tp Hồ Chí
Minh
Ngành học: Kỹ thuật cơ khí
Tên luận văn: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D công nghệ FDM đến
độ bền uốn của sản phẩm nhựa PLA
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 30/5/ 2020 Trường Cao Đẳng Nghề Công
Nghệ Cao Đồng Nai
Người hướng dẫn: PGS. TS Phạm Sơn Minh


III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC.

Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

09/2013 –

Giảng dạy tại trường: Trường cao

Giảng viên

Nay

đẳng kỹ thuật Công nghệ BRVT


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 5 năm 2020
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Từ Thị Tuyết


LỜI CẢM TẠ
Trong quá trình học tập và nghiên cứu Em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, góp ý
và chia sẻ của mọi người. Lời đầu tiên Em xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám
Hiệu Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Phịng đào
tạo- sau đại học, khoa cơ khí.
Đặc biệt Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất Thầy hướng dẫn PGS.TS Phạm
Sơn Minh. Thầy đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu, cho Em những lời
khuyên quí báu, truyền đạt những phương pháp nghiên cứu hiệu quả và tạo mọi
điều kiện thuận lợi nhất để Em hoàn thành được luận văn
Thầy Trần Minh Thế Uyên đã tận tình giúp đỡ cũng như chỉ dẫn em trong quá trình
làm luận văn.

Quý thầy cô tham gia trong công tác giảng dạy và hướng dẫn em cũng như lớp
Cao học kỹ thuật cơ khí 2019A
Em xin chân thành cảm ơn!
Vũng Tàu, Ngày 25 tháng 5 năm 2020
Tác giả luận văn

Từ Thị Tuyết


TĨM TẮT
Cơng nghệ in 3D, cịn được gọi là AM (sản xuất bồi đắp), đang đóng một vai trị
quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Trong số các cơng nghệ in
3D, Mơ hình hợp nhất lắng đọng (FDM) là phổ biến nhất. FDM được sử dụng rộng
rãi để sản xuất các thành phần bằng cách nung nóng, ép đùn và lắng đọng các sợi
nhựa nhiệt dẻo. Chất lượng của sản phẩm AM nói chung và FDM nói riêng phụ
thuộc rất nhiều vào các thơng số trong q trình chế tạo sản phẩm .
Các đặc tính của các sản phẩm tạo ra trong công nghệ FDM được tạo nên bởi việc
xử lý các thông số in. Trong quá trình xử lý các tham số cần phải nghiên cứu để tối
ưu và nâng cao hơn chất lượng sản phẩm. Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của các
thông số trong q trình in đến tính chất uốn của các thành phần được tạo ra công
nghệ in FDM được nghiên cứu bằng vật liệu axit polylactic (PLA). Trong nghiên cứu
này các thông số được chọn là số lớp thành, lớp in trên cùng , nhiệt độ đùn, mật độ
điền đầy và kiểu điền đầy được nghiên cứu.
Dùng phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố được sử dụng để thiết kế thí nghiệm và
đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng thơng số đó đến độ chính xác chi tiết mẫu in
3D.
Từ các thí nghiệm ta thấy rằng trong số các thơng số được xem xét, chỉ có một thơng
số (kiểu điền đầy) ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính uốn của chi tiết.
 Kết quả của nghiên cứu này có thể được sử dụng làm dữ liệu cài đặt thông số
in 3D và cũng là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo

ABSTRACT
Abstract 3D-printing technologies, also known as AM (additive manufacturing),
are playing an important role in the fourth industrial revolution. Among the 3Dprinting technologies, Fused Deposition Modeling (FDM) is the most popular. FDM
is widely employed to produce components by heating, extruding, and depositing
filaments of thermoplastic polymers. The quality of the production AM products in
general and FDM in particular
depends very much on the parameters during product manufacturing
The properties of FDM-produced parts are significantly influenced using the
processing parameters. These processing parameters have conflicting advantages that
need to be investigated. In this study, the effect of the process parameters on the
flexural properties of components produced by the FDM technique is investigated
using polylactic acid (PLA). In the investigation, The parameters are selected choose
is the vertical shell, solid layer top, temperature extruder, infill density, and infill
pattern are considered. Use the single-element empirical method used to design
experiments and evaluate the influence of each of these parameters on product
accuracy
It is observed that among the considered parameters, only one parameter (infill
pattern) significantly influences the flexural properties of the model.
The results of this study can be used as 3D printing parameter setting data and
also the basis for further studies.


MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC ...............................................................................................
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................
LỜI CẢM TẠ ..............................................................................................................
TÓM TẮT ....................................................................................................................
ABSTRACT .................................................................................................................

MỤC LỤC ....................................................................................................................
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH ...........................................................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG ..........................................................................................
Chương 1 ...................................................................... Error! Bookmark not defined.
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI ............................................................1
1 .1. Tổng quan tình hình cơng nghệ in 3D.......................................................... 1
1.1.1 Cơng nghệ In 3D và ứng dụng thực tế ...................................................1
1.1.2 Ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất và đời sống ........................1
1.2. Các công nghệ in 3D phổ biến hiện nay .......................................................... 3
1.2.1 Dựa trên cơ sở vật liệu dạng lỏng : .........................................................3
1.2.2. Dựa trên cơ sở vật liệu dạng khối :........................................................4
1.2.3 Dựa trên cơ sở vật liệu dạng bột .............................................................5
1.2.4 Dựa trên cơ sở vật liệu dạng SỢI............................................................6
1.3.Tính cấp thiết của đề tài: ................................................................................... 7
1.4. Các nghiên cứu trong và ngoài nước: .............................................................. 8
1.4.1.Các nghiên cứu trong nước: ....................................................................8
1.4.2.Các nghiên cứu ngoài nước: ..................................................................10


1.5. Mục đích nghiên cứu đề tài. ........................................................................... 11
1.6. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài ........................................................ 11
1.6.1.Nhiệm vụ nghiên cứu: ............................................................................11
1.6.2. Giới hạn đề tài: ......................................................................................11
1.7. Phương pháp nghiên cứu................................................................................ 12
CHƯƠNG 2..............................................................................................................13
2.1 Cơ sở lý thuyết về công nghệ in FDM ............................................................ 13
2.1.1 Ưu điểm ...................................................................................................13
2.1.2. Nhược điểm ............................................................................................13
2.1.3. Nguyên lý hoạt động của máy in 3D với công nghệ FDM .................14

2.2. Các thông số kỹ thuật cần lưu ý khi chọn máy in 3D (FDM) ........................ 15
2.3. Độ bền của chi tiết in 3D................................................................................ 15
2.3.1 Khái quát về độ bền của chi tiết in 3D .................................................15
2.4. Thông số công nghệ ....................................................................................... 16
2.5. Các loại vật liệu in 3D .................................................................................... 17
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẪU THỬ .......................................................................19
3.1 Thiết kế chế tạo mẫu thử bằng phương pháp in 3D công nghệ FDM. ............ 19
3.1.1 Vật liệu tạo mẫu .....................................................................................19
3.1.2. Thông số máy in 3D được dùng để in mẫu thử . ................................20
3.2. Quy trình in mẫu thử. ..................................................................................... 21
3.3. Chọn và giải thích ý nghĩa các thơng số in ................................................. 24
3.4. Tiến hành in .................................................................................................... 30
3.5. Sản phẩm in .................................................................................................... 31
Chương 4 ...................................................................... Error! Bookmark not defined.


Tính tốn số lượng thí nghiệm ...............................................................................33
4.1. Phương pháp thử nghiệm độ bền uốn ............................................................ 33


4.2 Kết quả thử nghiệm ................................................................................... 38

4.3. Nhận xét kết quả............................................................................................. 40
4.3.1. Khi thay đổi bề dày lớp in ....................................................................40
4.3.2. Khi thay đổi lớp in đầu tiên..................................................................42
4.3.3. Khi thay đổi Tỷ lệ điền đầy ..................................................................43
4.3.4. Khi thay đổi Kiểu điền đầy...................................................................44
4.3.5. Khi thay đổi kiểu in lớp trên và dưới ..................................................46
4.3.6. Khi thay đổi nhiệt độ đầu đùn .............................................................47
4.3.8. Khi thay đổi Lớp in trên cùng ...........................................................50

4.3.9. Khi thay đổi lớp in dưới cùng ..............................................................51
Chương 5 ..................................................................................................................52
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO.....................................53
5.1. Kết luận .......................................................................................................... 53
5.2 Hướng phát triển của đề tài. ............................................................................ 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................54


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải nội dung

ASTM D790-15

Tiêu chuẩn mỹ kiểm tra độ bền uốn nhựa

Đơn vị

𝜎

Ứng suất uốn lớn nhất của mẫu thử

(MPa)

P

Tải trọng lớn nhất tại điểm phá hủy

(N)

L

Khoảng cách 2 gối đỡ

b

Bề rộng mẫu thử

(mm)

d

Bề dày mẫu thử

(mm)

PLA

Polylactic axit

MFI

Chỉ số chảy

FDM

Fused Deposition Modeling

(mm)

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. 1. Một số sản phẩm của cơng nghệ in 3D ......................................................1
Hình 1. 2. Demo máy bay drone của hãng hàng khơng Airbus ..................................2
Hình 1. 3: Tên lửa được in 3D ....................................................................................2
Hình 1. 4 .Xây nhà bằng in 3D Contour Crafting .......................................................3
Hình 1. 5: Nguyên lý hoạt động của phương pháp SLA .............................................4
Hình 1. 6. Nguyên lý hoạt động của phương pháp LOM ............................................5
Hình 1. 7.Nguyên lý hoạt động của phương pháp tạo mẫu nhanh SLS ......................6
Hình 1. 8. Nguyên lý hoạt động của FDM ..................................................................7
Hình 1. 9. Hình ảnh minh họa tạo ra mơ hình mẫu máy FDM ...................................7
Hình 2. 1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của FDM...............................................14
Hình 2. 2. Độ dày lớp (layer thickness) ....................................................................17
Hình 3. 1. Vật liệu nhựa PLA ...................................................................................19
Hình 3. 2. Máy in 3D FDM .......................................................................................21
Hình 3. 3.Thơng số mẫu thử......................................................................................21
Hình 3. 4. Thêm số lượng mẫu in để rút ngắn tổng thời gian in ...............................23
Hình 3. 5.Các kiểu in.................................................................................................25
Hình 3. 6. Hình minh họa lớp in trên và dưới cùng ..................................................26
Hình 3. 7. Chỉnh sửa các thơng số theo bảng ............................................................29
Hình 3. 8. Màn hình điều khiển thơng số trong quá trình in .....................................30
Hình 3. 9. Quá trình in thực tế ..................................................................................31
Hình 3. 10. Sản phẩm in hồn chỉnh .........................................................................31
Hình 3. 11. Đánh số mẫu in.......................................................................................32
Hình 4. 1THỬ NGHIỆM ĐỘ BỀN UỐN VÀ KẾT QUẢ........................................33
Hình 4. 2.Ngun lí đo độ bền uốn ...........................................................................34
Hình 4. 3. Máy thử độ uốn ASTM D790-15 .............................................................35

Hình 4. 4. Sản phẩm uốn bị phá hủy .........................................................................35
Hình 4. 5. Biểu đồ kết quả kiểm nghiệm của mẫu thử nhựa PLA ............................36
Hình 4. 6. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi độ bên uốn khi thay đổi bề dày lớp in ........41
Hình 4. 7. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi độ bên uốn khi thay đổi Lớp in đầu tiên ....42
Hình 4. 8. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi độ bên uốn khi thay đổi tỷ lệ điền đầy .......43
Hình 4. 9. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi độ bền uốn khi thay đổi kiểu điền đầy .......45
Hình 4. 10. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi độ bền uốn khi thay đổi Kiểu in trên và dưới
...................................................................................................................................47
Hình 4. 11. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi độ bền uốn khi thay đổi nhiệt độ đầu đùn 48
Hình 4. 12. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi độ bền uốn khi thay đổi lớp vỏ dọc..........49
Hình 4. 13. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi độ bền uốn khi thay đổi Lớp in trên cùng 50
Hình 4. 14. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi độ bền uốn khi thay đổi Lớp in dưới cùng
...................................................................................................................................51


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3. 1: Bảng điều chỉnh thông số in ....................................................................27
Bảng 3. 2.Các thông số in .........................................................................................27

Bảng 4. 1.Thông sô kiểm tra độ bền uốn ..................................................................37
Bảng 4. 2. Kết quả thử nghiệm độ bền uốn...............................................................38
Bảng 4. 3. Bảng kết quả của mẫu số liệu 19 và 1 .....................................................40
Bảng 4. 4. Bảng kết quả của mẫu số liệu 19 và 2 .....................................................42
Bảng 4. 5. Bảng kết quả của mẫu số liệu 19 và mẫu 3, 4, 5 .....................................43
Bảng 4. 6. Bảng kết quả của mẫu số liệu 19 và mẫu 6, 7 .........................................44
Bảng 4. 7. Các kiểu in được chọn .............................................................................44
Bảng 4. 8. Bảng kết quả của mẫu số liệu 19 và mẫu 8 .............................................46
Bảng 4. 9.Các kiểu in lớp trên và dưới được chọn....................................................46
Bảng 4. 10. Bảng kết quả của mẫu số liệu 19 và mẫu 9, 10, 11 ...............................47
Bảng 4. 11. Bảng kết quả của mẫu số liệu 19 và mẫu 12, 13, 14 .............................49

Bảng 4. 12. Bảng kết quả của mẫu số liệu 19 và mẫu 15, 16 ...................................50
Bảng 4. 13. Bảng kết quả của mẫu số liệu 19 và mẫu 17, 18 ...................................51
Bảng 4. 14. Bảng thông số in tối ưu ..........................................................................52


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
1 .1. Tổng quan tình hình cơng nghệ in 3D
1.1.1 Cơng nghệ In 3D và ứng dụng thực tế
Công nghệ in 3D hay chế tạo đắp lớp, là một chuỗi các công đoạn khác nhau được
kết hợp để tạo ra một vật thể ba chiều. Các lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau và
được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể. [1] Các sản phẩm
có thể có hình dạng bất kỳ, và được sản xuất từ một mơ hình 3D hoặc nguồn dữ liệu
điện tử khác.

Hình 1. 1. Một số sản phẩm của cơng nghệ in 3D
1.1.2 Ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất và đời sống
• Ngồi mục đích thử nghiệm, thiết kế, tạo mẫu và sản xuất một số bộ phận, công
cụ lắp ráp đặc biệt, ngành công nghiệp ô tô đã sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất
ra những chiếc xe hoàn chỉnh. Trên thực tế, một chiếc xe tên là Urbee là một minh
chứng cho ứng dụng của công nghệ in 3D

1


• Công nghiệp điện tử cũng là một trong những ngành ứng dụng của công nghệ in
3D: chế tạo các bộ phận phức tạp đặc biệt từ các chất liệu khác nhau và đã mở ra một
ứng dụng [9] mới của ngành cơng nghiệp này.
• Một đối tượng nổi bật khác của ứng dụng công nghệ in 3D là ngành hàng không

vũ trụ. Con người đã ứng dụng công nghệ này trong việc sản xuất các bộ phận máy
bay, đặc biệt là các bộ phận có hình dạng phức tạp.

Hình 1. 2. Demo máy bay drone của hãng hàng không Airbus
• Tương tự, ngành cơng nghiệp quốc phịng sử dụng in 3D cho các mục đích sản
xuất đặc biệt và tiết kiệm chi phí

Hình 1. 3: Tên lửa được in 3D

2