Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3d công nghệ FDm đến độ bền uốn của sản phẩm nhựa PLA

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

• Trong ngành thực phẩm, máy in 3D đã tạo ra rất nhiều loại thực phẩm khác nhau.
Hầu hết các thực phẩm có nguyên liệu là chất lỏng hoặc bột đều có thể in ra bằng
máy in 3D, trong đó sô-cô-la và bánh kẹo là những sản phẩm phổ biến hiện nay sử
dụng cơng nghệ này.
• Ứng dụng cơng nghệ in 3D trong sản xuất các mơ hình sinh học Cơng nghệ in 3D
cịn hỗ trợ các thử nghiệm phương pháp và công nghệ y tế mới, tăng cường nghiên
cứu y khoa, giảng dạy và đào tạo đội ngũ y bác sĩ.
• Kiến trúc và xây dựng dù mới chỉ ở giai đoạn đầu tiên nhưng đã có rất nhiều nỗ
lực được thực hiện thành công trong việc xây dựng các toà nhà bằng các máy in 3D
khổng lồ. Vật liệu phổ biến nhất cho in xây dựng là nhựa, bê tơng và cát

Hình 1. 4 .Xây nhà bằng in 3D Contour Crafting
1.2. Các công nghệ in 3D phổ biến hiện nay
Do có nhiều phương diện sản xuất nên hình thành nhiều loại hệ thống tạo mẫu nhanh
trên thị trường, để quát các hệ thống tạo mẫu nhanh là dựa trên cơ sở vật liệu tạo mẫu.
Qua đó tất cả các hệ thống tạo mẫu nhanh có thể dễ dàng phân thành bốn loại:
- Dựa trên cơ sở vật liệu dạng lỏng.
- Dựa trên cơ sở vật liệu dạng khối.
- Dựa trên cơ sở vật liệu dạng bột.
-Dựa trên cơ sở vật liệu dạng SỢI
1.2.1 Dựa trên cơ sở vật liệu dạng lỏng :
-Là công nghệ sử dụng tia sáng (tia laser, tia UV hoặc tia sáng bình thường) làm đông

3


cứng lớp photopolymer lỏng (polymer quang hóa - polymer đóng rắn khi có ánh sáng
chiếu vào) được chứa trong bồn, từng lớp từng lớp để hình thành nên vật thể 3D. Sau

khi lấy chi tiết ra khỏi hệ thống SLA, chi tiết phải trải qua một loạt các quá trình hậu
xử lý (post-processing) để tẩy rửa hoàn thành sản phẩm. Đây là công nghệ đầu tiên
và cũng là công nghệ đem lại độ dày layer nhỏ nhất hiện nay (độ chi tiết tốt nhất).

Hình 1. 5: Nguyên lý hoạt động của phương pháp SLA
1.2.2. Dựa trên cơ sở vật liệu dạng khối :
Các hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu cơ bản dạng khối có liên quan đến tất
cả các hình thức vật liệu dạng khối bao gồm các dạng: dây, cuộn hay tờ, dát mỏng
như giấy gỗ. Phổ biến nhất dạng này là phương pháp LOM (Laminated Object
Manufacturing) sử dụng vật liệu dạng tấmTrong phương pháp LOM

4


Hình 1. 6. Nguyên lý hoạt động của phương pháp LOM

1.2.3 Dựa trên cơ sở vật liệu dạng bột
 Công nghệ in 3D SLS
- Sử dụng nguyên liệu dạng bột được chứa trong các bồn, các layer được xếp chồng
lên nhau bằng các bánh lăn (roller), vừa cuộn vừa kéo san phẳng vật liệu ra thành lớp
mỏng. Biên dạng layer được hình thành bằng cách dùng tia laser chiếu cho nóng chảy
bột để bột lớp layer trên liên kết với layer dưới.

5


Hình 1. 7.Nguyên lý hoạt động của phương pháp tạo mẫu nhanh SLS

1.2.4 Dựa trên cơ sở vật liệu dạng SỢI
 Công nghệ in 3D FDM (Fused Deposition Modeling)

Nguyên lý làm việc của của tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM là một trong
những công nghệ tạo mẫu nhanh bằng phương pháp đùn nhựa nóng chảy rồi hóa rắn
từng lớp tạo nên cấu trúc mẫu. 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 nhiệm vụ kéo và đưa
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 được gia nhiệt và hóa dẻo, sau đó được đùn ra ngoài
bởi một áp lực sao cho tốc độ ra và tốc độ hóa dẻo tương ứng với nhau.
Tổng quát, quy trình FDM bao gồm các bước cơ bản để tạo ra mơ hình chi tiết như
hình 1.2:thiết kế mơ hình CAD, chuyển đổi mơ hình CAD sang định dạng
STL(Stereolithography), máy tính phân tích file .STL để xác định rõ ràng mơ hình
cho sản xuất và cắt lớp trên mặt cắt ngang, tạo thành mẫu theo từng lớp chồng lên
nhau, làm sạch và hoàn thành

6


Hình 1. 8. Nguyên lý hoạt động của FDM

Hình 1. 9. Hình ảnh minh họa tạo ra mơ hình mẫu máy FDM

 Đây là công nghệ phổ biến nhất hiện nay vì nó đơn giản và dễ chế tạo. Và
em quyết định nghiên cứu độ bền uốn của chi tiết in 3D cơng nghệ FDM này
vì khả năng ứng dụng rộng rãi của nó.
1.3.Tính cấp thiết của đề tài:
Trong các ngành công nghiệp sản xuất, in 3D giúp tạo nên các mẫu vật thể phức tạp
một cách nhanh chóng và mà các cơng nghệ gia cơng truyền thống rất khó hoặc không

7

thể thực hiện.Tuy nhiên độ bền của sản phẩm in 3D vẫn còn thấp cho nên em quyết
định nghiên cứu độ bền uốn của sản phẩm là một vấn đề cần thiết.
1.4. Các nghiên cứu trong và ngoài nước:
1.4.1.Các nghiên cứu trong nước:
 Nghiên cứu thiết kế chế tạo và điều khiển CNC hệ thống tạo mẫu nhanh
Tác giả

PGS.TS Đặng Văn Nghìn.
Viện Cơ học và Tin học ứng dụng

Năm

2012- 2013

Tóm tắt

Mục tiêu của đề tài là làm chủ công nghệ, thiết kế chế tạo, xây dựng
phần mềm cắt lớp, phần mềm điều khiển máy tạo mẫu nhanh theo
công nghệ đùn và giá thành hợp lý cho các doanh nghiệp Việt Nam.
Mục tiêu thứ hai của đề tài là xây dựng và phát triển đội ngũ khoa
học trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh

Sản phẩm của đề tài có khả năng ứng dụng cao trong các doanh nghiệp nhựa và khn
mẫu. Ngồi ra, có thể áp dụng trong lĩnh vực thiết kế và phát triển sản phẩm nhằm
rút ngắn thời gian từ quá trình thiết kế đến khi ra sản phẩm, sản xuất đồ chơi, khảo
cổ, y học
 Nghiên cứu Tối ưu hóa thơng số q trình nhằm cải thiện độ bền nén của sản
phẩm FDM.

Tác giả

PGS.TS Thái Thị Thu Hà .
TS. Huỳnh Hữu Nghị, Trần Minh Tôn
Trường Đại Học Bách Khoa tp Hồ Chí Minh

Năm

2017

8


Mục tiêu nghiên cứu các thông số: Bề dày lớp, hướng tạo mẫu, góc
raster, khoảng hở, chiều rộng raster ảnh hưởng đến độ bền nén của

Tóm tắt

sản phẩm FDM bởi tính dị hướng của sản phẩm FDM.
Bài báo này đã thực hiện điều chỉnh các yếu tố: kiểu điền
đầy, số lớp thành, bề dày lớp,

đầy, mật độ điền

góc raster đến độ bền nén của sản phẩm FDM.

Nhờ vào phương pháp thiết kế

thí nghiệm (DOE) cho ta biết được số thí

nghiệm cần làm đạt độ

tin cậy cao.

phân tích

nghiệm) là bộ thơng số tối ưu nhất cho việc tăng độ bền

kết

quả thí

Phương pháp Taguchi

đã giúp ta

nén.
 Nghiên cứu Sự ảnh hưởng của khe hở đường in đến độ bền và đặc tính cơ học
của Polycarbonate trong in 3D – FDM.
Tác giả

PGS.TS Phan Quang Thế.
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên

Năm

2019
Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm nhằm phân tích ảnh hưởng của

Tóm tắt

khoảng cách giữa các sợi in đến độ bền và đặc tính của PC trong in
3D thơng qua thí nghiệm kéo và nén theo phương liên kết giữa các
sợi in. Sự thay đổi của khoảng cách giữa các sợi in là nguyên nhân
gây ra sự thay đổi cấu trúc dẫn tới thay đổi độ bền và đặc tính của
sản phẩm in.

 Nghiên cứu các thơng số làm việc ảnh hưởng đến độ chính xác sản phẩm của
máy in 3D hai đầu phun theo cơng nghệ FDM.
Tác giả

Đồn Yên Thế.
Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi

Năm

2019

9


Mục tiêu nghiên cứu thiết kế chế tạo máy in 3D hai đầu phun và
Tóm tắt

nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thông số làm việc như: độ dày
lớp in, tốc độ in và độ điền đầy ảnh hưởng đến độ chính xác cũng
như chất lượng bề mặt của chi tiết in 3D. Phương pháp thực nghiệm
Taguchi 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.

1.4.2.Các nghiên cứu ngoài nước:

 Bài nghiên cứu của K.G. Jaya Christiyan (2016)
Nghiên cứu về ảnh hưởng của các thơng số q trình đến Tính chất cơ học của hỗn
hợp ABS được in 3D) Người ta nhận thấy rằng ứng suất kéo giảm đi khi tăng lớp độ
dày cũng như ứng suất kéo giảm khi tăng tốc độ in. Tuy nhiên, hiệu ứng này là ít khi
độ dày lớp được tăng lên.
ABS + hydrous magnesium silicate composite; FDM; Additive Manufacturing;
Rapid prototype; 3D printing; Tensile Strength; Flexural Strength; Mechanical
Properties.
Bài nghiên cứu của Mohamad A M J Alhubail (2012)[7]
Bài nghiên cứu này, nghiên cứu tối ưu hóa các thơng số của qui trình FDM để cải
thiện độ chính xác chi tiết. Ảnh hưởng của các thơng số đến chất lượng mẫu sử dụng
DOE [5] với phương pháp thực nghiệm toàn phần để kiểm tra và tiến hành thực
nghiệm. Bài báo cáo nghiên cứu sử dụng máy FDM với vật liệu nhựa ABS M30i.
Năm thông số ảnh hưởng chính đến đặc tính chi tiết là độ dày từng lớp, khoảng cách
giữa những đường đùn, bề rông đường đùn, bề rộng đường bao, và góc đùn.
Để cải tiến độ chính xác tốt hơn thì giá trị các thơng số cài đặc là bề dày lớp là
0.254mm hoặc là bề rộng của đường đùn là 0.508mm
Bài nghiên cứu của Anoop Kumar Sood (2011) [9]
Trong bài luận văn này nghiên cứu các thơng số tối ưu cho quy trình FDM. Nghiên
cứu các yếu tố cải tiến độ bền mẫu. Năm thông số ảnh hưởng đến chất lượng sản
phẩm là độ dày từng lớp, định hướng của chi tiết, góc đùn , bề rộng của mỗi lần đùn,

10


khoảng cách giữa những lần đùn. Kết quả đạt được là độ bền kéo là 16,34Mpa, độ
bền nén là 42,73Mpa, độ bền va đập là 0,47MJ/m2
Bài nghiên cứu Ranjeet Kumar Sahu[8]
Trong bài luận văn này nghiên cứu các thông số tối ưu cho quy trình FDM. Sử dụng
phương pháp fuzzy logic để nghiên cứu các yếu tố cải tiến độ chính xác mẫu. Năm

thơng số ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm là độ dày từng lớp(A), định hướng của
chi tiết(B), góc đùn(C), bề rộng của mỗi lần đùn (D)khoảng cách giữa những lần
đùn(C). Kết quả đạt được là sai số về chiều dài trong khoảng từ 0,0391mm, sai số về
chiều rộng là 0,0768mm, sai số về chiều cao là 0,1079mm
1.5. Mục đích nghiên cứu đề tài.
- Tìm hiểu cơng nghệ in 3D FDM và phần mềm in Repetier Host
- Thiết kế và chế tạo sản phẩm bằng vật liệu nhựa PLA
-Nghiên cứu và thực nghiệm độ bền uốn theo tiêu chuẩn ASTM D790-15
- Đưa ra nhận xét giúp tìm ra phương án tối ưu nhất để sản phẩm có độ bền uốn cao
nhất.
1.6. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài
1.6.1.Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Nghiên cứu về thông số in 3d trên công nghệ FDM bằng vật liệu nhựa PLA
- Độ bền uốn của chi tiết in 3d bằng phương pháp thử nghiệm của chi tiết nhựa PLA
- Đánh giá độ bền uốn của sản phẩm nhựa .
Khi thay đổi thông số in ảnh hưởng như thế nào đến độ bền uốn đến chất lượng sản
phẩm
1.6.2. Giới hạn đề tài:
Do còn nhiều hạn chế về thời gian cũng như trang thiết bị nên phạm vi nghiên cứu
như sau :
- Do tính đa dạng của sản phẩm nhựa và loại công nghệ in 3D nên chỉ nghiên cứu vật
liệu nhựa PLA và in trên cơng nghệ FDM.
- Vẫn cịn có nhiều loại thơng số in trên phần mềm chưa được in thực nghiệm để tiến
hành kiểm nghiệm độ bền.

11


- Do hạn chế về thời gian in và chi phí kiểm nghiệm độ bền uốn cịn khá cao
1.7. Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện luận văn này người thực hiện đã tiến hành bằng phương pháp:
- Tham khảo tài liệu nhằm bổ sung kiến thức, cơ sở lý luận và phương pháp luận.
-

Sử dụng công nghệ in 3 D công nghệ FDM sản phẩm nhựa PLA

-

Sử dụng phần mềm vẽ 3D solidwork vẽ vật thể

-

Sử dụng phần mềm Repetier Host để thiết lập thơng số in sản phẩm

-

Thí nghiệm trên máy kéo nén vạn năng Shimadzu Autograph AG-X 20 Kn

-

Tiếp thu đóng góp ý kiến của thầy hướng dẫn.

* Phương tiện nghiên cứu và thực hiện: Bao gồm tài liệu, máy tính, máy in 3D vật
liệu…

12


CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
FDM
2.1 Cơ sở lý thuyết về công nghệ in FDM
- Công nghệ in 3D bằng phương pháp FDM (Fused Deposition Modeling) được phát
cho các bộ phận, mơ hình chức năng liên tục phát triển và công nghệ Fused Deposition
Modeling rất phù hợp với tất cả các yêu cầu ngày nay.
- Cơng nghệ tạo in 3D bằng phương pháp FDM có thể tạo ra những sản phẩm phức
tạp mà các công nghệ tạo hình truyền thống khơng làm được. Những sản phẩm với
kết cấu phức tạp, [5] những sản phẩm có các khoảng rỗng bên trong với vỏ ngồi kín,
những sản phẩm mang tính chất từu tượng…
2.1.1 Ưu điểm
Là cơng nghệ in 3D giá rẻ, dễ sửa chữa và thay thế chi tiết máy móc, in với số lượng
lớn, ít tốn nguyên liệu. Thường sử dụng trong các sản phẩm cần chịu lực. Tốc độ tạo
hình 3D nhanh. Cơng nghệ tạo mẫu nhanh FDM sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo
không độc, khơng mùi, và do đó sẽ khơng gây ơ nhiễm môi trường xung quanh. Thiết
bị hoạt động tạo ra ít tiếng ồn.
2.1.2. Nhược điểm
Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác khơng cao. Khả năng chịu lực không đồng
nhất
- Công nghệ in 3D này là công nghệ phổ biến nhất hiện nay. Sử dụng nguyên liệu
đầu vào là sợi nhựa, sau đó được nung nóng chảy ra và đầu phun kéo các sợi nhựa
chảy này theo biên dạng của mặt cắt từng layer, và đắp từng layer chồng lên nhau để
tạo ra sản phẩm 3D

13


2.1.3. Nguyên lý hoạt động của máy in 3D với công nghệ FDM
Nguyên lý hoạt động của máy in 3D công nghệ FDM: Máy in 3D dùng công nghệ
FDM xây dựng mẫu bằng cách đùn nhựa nóng chảy rồi hố rắn từng lớp tạo nên cấu

trúc chi tiết dạng khối. [5] Vật liệu sử dụng ở dạng sợi có đường kính từ
1.75 – 3mm, được dẫn từ một cuộn tới đầu đùn mà chuyển động điều khiển bằng
động cơ servo. Khi sợi được cấp tới đầu đùn nó được làm nóng sau đó nó được đẩy
ra qua vịi đùn lên mặt phẳng đế.
Máy in 3D (FDM) vật liệu nóng chảy được đẩy ra, đầu đùn sẽ di chuyển một biên
dạng 2D. Độ rộng của đường đùn có thể thay đổi trong khoảng từ (từ 0,193mm đến
0,965mm) và được xác định bằng kích thước của miệng đùn. Miệng của vịi đùn
khơng thể thay đổi trong quá trình tạo mẫu, vì thế cần phân tích các mơ hình tạo mẫu
trước khi chọn vịi đùn thích hợp.

Hình 2. 1. Cấu tạo và ngun lý hoạt động của FDM

14


2.2. Các thông số kỹ thuật cần lưu ý khi chọn máy in 3D (FDM)


Vật liệu tạo mẫu

- Vật liệu tạo mẫu: là vật liệu được sử dụng để máy in 3D tạo thành sản phẩm cuối
cùng.
- Vật liệu đỡ: là loại vật liệu tan trong nước hay vật liệu sẽ loại bỏ đi sau khi việc in
3D hoàn thành.


Đường kính sợi đùn ra

- Đường kính sợi đùn ra được quyết định bởi đường kính của đầu đùn. Đường kính
đầu đùn càng lớn thì độ chính xác trong kích thước tạo mẫu của máy in 3D càng thấp.

 Nhiệt độ đùn
- Nhiệt độ đùn của vật liệu tạo mẫu PLA: 180 – 230˚C.
- Nhiệt độ đùn của vật liệu hỗ trợ PLA: 180 - 260˚C.
 Kích thước tối đa sản phẩm
- Kích thước lớn nhất máy in 3D tạo ra sản phẩm.
 Kích thước máy
- Kích thước hình bao ngồi của máy in 3D.
 Hành trình của các trục (X, Y, Z)
- Máy in 3D (FDM) dùng công nghệ điều khiển CNC cho nên hành trình của các
trục sẽ quyết định đến kích thước tối đa của sản phẩm.
2.3. Độ bền của chi tiết in 3D
2.3.1 Khái quát về độ bền của chi tiết in 3D
Nhiều tiêu chuẩn cũng được đặt ra để dễ dàng đánh giá độ bền một cách thống nhất
ở các quốc gia khác nhau như ASTM, ISO, JIS.
Đối với chi tiết nhựa của công nghệ in 3D, độ bền là một phần rất quan trọng trong
việc đánh giá một chiếc máy in. Độ bền phụ thuộc vào một số yếu tố: loại nhựa, kỹ
thuật in và tuổi thọ sử dụng mong muốn . Các loại nhựa mạnh nhất và bền nhất cho
in 3D có thể kể đến là PLA, ABS, PETT. Độ dày sợi nhựa cũng có thể ảnh hưởng
đến độ bền. Phần trăm điền đầy được sử dụng để tiết kiệm thời gian in và giảm bớt
chi phí hao tốn nhựa khơng cần thiết. Việc điền vào làm tăng độ bền sản phẩm, bên

15


cạnh đó, nếu kiểm sốt khơng tốt độ điền đầy, có thể làm tăng trọng lượng, chi phí và
thời gian in.
Dựa vào độ bền của chi tiết, người ta có thể điều chỉnh các thông số chi tiết giúp gia
tăng độ bền như:
 Temperature Extruder ( Nhiệt độ đầu phun)
 Layer Height ( Độ dày lớp nhựa)

 Infill Pattern ( Kiểu in)
 Infill Destiny ( Độ điền đầy chi tiết).
2.4. Thông số công nghệ
-

Nhiệt độ đầu đùn: Nhiệt độ đầu đùn là một thông số rất quan trọng, phụ thuộc
vào vật liệu sử dụng. Nhiệt độ quá thấp, vật liệu được thiên về trạng thái rắn
độ nhớt tăng, tăng lực cản tăng ma sát đùn, dây vật liệu đông chậm, khơng chỉ
gây khó khăn cho hệ thống đùn ra, trong trường hợp nặng, [4] cũng có thể gây
ra tắc nghẽn đầu đùn, rút ngắn tuổi thọ đầu đùn, mà còn làm giảm lực liên kết
giữa các lớp vật liệu, cũng có thể gây ra hiện tưỡng tróc giữa các lớp.

Biểu đồ xương cá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng
sản phẩm

16