Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chênh áp suất của thiết bị trao đổi nhiệt thiết kế theo biên dạng thân cây bông súng đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt

TỔNG QUAN

Giới thiệu về đề tài nghiên cứu

Thuật ngữ in 3D bao gồm nhiều quy trình và công nghệ khác nhau, cho phép sản xuất chi tiết hoặc toàn bộ sản phẩm từ nhiều loại vật liệu Tất cả các quy trình này đều có điểm chung là sản xuất theo từng lớp, bồi đắp dần để tạo ra sản phẩm, khác với các phương pháp sản xuất truyền thống như cắt gọt nguyên liệu sẵn có hoặc sử dụng khuôn đúc.

Quá trình in 3D bắt đầu với một tệp tin kỹ thuật số từ phần mềm thiết kế CAD, sau khi hoàn thiện, thiết kế được xuất ra thành tệp STL, chuyển đổi thành các mặt và đỉnh của tam giác Tệp STL sau đó được cắt thành hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn lớp 2D Máy in 3D sẽ đọc các lớp này và in từng lớp chồng lên nhau để tạo ra sản phẩm khối ba chiều Tất cả các tệp thiết kế đều phải được cắt thành lớp trước khi in, với độ dày lớp in phụ thuộc vào công nghệ, vật liệu và yêu cầu về độ phân giải cũng như thời gian in; lớp dày hơn giúp in nhanh hơn, trong khi lớp mỏng hơn mang lại độ phân giải cao hơn và chi tiết tốt hơn, giảm thiểu cần xử lý sau in.

Nguyên tắc cơ bản phân biệt in 3D với sản xuất truyền thống là quy trình sản xuất bồi đắp In 3D sử dụng công nghệ tiên tiến để tạo ra các bộ phận bằng cách bồi đắp từng lớp với độ chính xác lên đến mm, điều này hoàn toàn khác biệt so với các kỹ thuật sản xuất truyền thống hiện có.

Hình 1.1: Giới thiệu về in 3D [02]

Công nghệ in 3D thúc đẩy sự đổi mới với thiết kế tự do, loại bỏ yêu cầu công cụ, từ đó giảm chi phí và thời gian sản xuất Các thành phần có thể được thiết kế đặc biệt để không cần lắp ráp, cho phép tạo ra các hình khối và tính năng phức tạp mà không phát sinh chi phí bổ sung Hơn nữa, in 3D nổi bật như một công nghệ tiết kiệm năng lượng, mang lại hiệu quả môi trường trong quy trình sản xuất, sử dụng tới 90% vật liệu tiêu chuẩn, giúp sản phẩm nhẹ hơn và bền hơn.

Trong những năm gần đây, công nghệ in 3D đã trở nên dễ tiếp cận hơn, không chỉ cho các tập đoàn lớn mà còn cho các công ty nhỏ và cá nhân Sự phát triển này cho phép nhiều doanh nghiệp sở hữu máy in 3D với giá dưới 1000 USD, mở ra cơ hội sử dụng công nghệ này trong nhiều ngành nghề khác nhau Tỷ lệ sử dụng in 3D đang gia tăng nhanh chóng, với sự xuất hiện của nhiều hệ thống, vật liệu và ứng dụng mới.

Gần đây, máy in 3D trở nên phổ biến, nhưng một khái niệm khác cũng được nhắc đến nhiều là CNC CNC, viết tắt của Computer Numerical Control, là hệ thống máy tiện cơ khí được điều khiển bằng máy tính, ra đời từ cuối thập niên 1940 đến đầu 1950 tại phòng thí nghiệm Servomechanism của học viện MIT.

Sau thời gian cải tiến, máy CNC gia công kim loại đã ra đời để khắc phục những nhược điểm của máy cơ Gia công CNC là quá trình gia công cơ khí kim loại như inox, sắt thép, đồng và nhôm, được điều khiển bằng máy tính Người dùng thực hiện quá trình gia công trên máy tính thông qua phần mềm CAM, sau đó phần mềm sẽ xuất ra mã NC cho quá trình gia công Cuối cùng, mã này được chuyển vào máy CNC, giúp máy thực hiện gia công chính xác theo quy trình đã lập trình.

Hình 1.2: Công nghệ CNC đang là xu hướng hàng đầu hiện nay [03]

Máy CNC, nhờ vào khả năng điều khiển bằng máy tính, có thể cắt laser kim loại một cách chính xác theo các đường cong, đường thẳng và thậm chí thực hiện các hình khối rỗng bên trong Điều này cho phép tạo ra những hoa văn tinh xảo và phức tạp, mang lại hiệu quả cao trong sản xuất.

Trang 4 tính nên độ chính xác của CNC được cho là tuyệt đối, tạo ra các sản phẩm được cắt gọt rất sắc sảo và đẹp mắt Tuy nhiên, sự chính xác của máy CNC cũng bị phụ thuộc bởi một vài yếu tố, ví dụ: chất lượng máy, nhập liệu của người đứng máy, chất lượng của vật liệu

1.1.3 Giới thiệu cây bông súng

Tên thường gọi: Cây Hoa Súng, Cây Bông Súng

Tên khoa học: Nymphaea rubra / Nymphaea Spp

Họ thực vật: Nymphaeaceae (họ Súng)

Cây Bông Súng, có nguồn gốc từ tiểu lục địa Ấn Độ, đã lan rộng sang nhiều quốc gia từ thời cổ đại Cây này không chỉ mang giá trị cảnh quan lớn mà còn được sử dụng để trang trí cho các ao, hồ và vườn hoa ở Thái Lan và Myanmar Tại Việt Nam, cây bông súng phân bố rộng rãi trên khắp các vùng miền.

Lá Hoa Súng có hình dạng đơn mọc cách, thường hình tròn hoặc xoan với bìa răng cưa thưa Mặt dưới lá không có lông, mang màu tím đậm hoặc lam, trong khi mặt trên nhẵn và xanh bóng Lá có thể xẻ thùy sâu hoặc hình tròn, với gân to tròn nổi rõ ở mặt dưới Thân cây bông súng có tiết diện hình tròn và bên trong có ống nhỏ chạy dọc theo chiều dài của thân.

Đối tượng và ứng dụng công nghệ

Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào việc thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt theo hình dạng thân cây bông súng Chúng tôi đã ứng dụng công nghệ in 3D và CNC để chế tạo các thiết bị này, từ đó tiến hành khảo sát độ chênh áp suất của chúng.

1.2.2 Ứng dụng công nghệ in 3D

1.2.2.1 Ứng dụng công nghệ in 3D trong ngành vũ trụ [04]

Công nghệ in 3D có khả năng cách mạng hóa việc thám hiểm không gian bằng cách cho phép các phi hành gia sản xuất các vật thể theo nhu cầu, như bộ phận thay thế để sửa chữa, thiết bị tùy chỉnh cho các thí nghiệm khoa học, và thậm chí là thực phẩm.

Trong không gian khắc nghiệt với ít nguyên liệu thô, bụi vũ trụ trở thành nguồn tài nguyên quý giá Công nghệ in 3D cho phép xây dựng các cấu trúc bền vững từ bụi tổng hợp và hạt siêu nhỏ Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đang nghiên cứu khả năng in 3D để tạo ra căn cứ trên mặt trăng.

NASA đang tài trợ cho một dự án của Tập đoàn nghiên cứu vật liệu và hệ thống nhằm phát triển máy in thực phẩm 3D, phục vụ cho các bữa ăn của phi hành gia trong môi trường không trọng lực.

1.2.2.2 Phụ tùng thay thế in 3D trong không gian [05]

Một trong những thách thức chính đối với các phi hành gia là cần một bộ phận thay thế cụ thể mà họ không có trên tàu vũ trụ

Gửi một phụ tùng đơn giản có thể kéo dài vài tháng và chi phí khoảng 17.000 đô la mỗi kg

Hình 1.4: Phụ tùng được in 3D [05]

1.2.2.3 Máy in 3D không trọng lực

Công nghệ in 3D đang mở ra cơ hội sản xuất phụ tùng trong không gian, với sự hợp tác giữa NASA và Made in Space Họ đã phát triển máy in 3D G, có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường không trọng lực Một trong những thành tựu đáng chú ý của họ là việc in ra một cờ lê ratchet từ tệp 3D được gửi từ Trái đất đến trạm vũ trụ Máy in này sử dụng công nghệ Mô hình lắng đọng Fuse và có khả năng in các đối tượng bằng nhựa, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ sản xuất không gian.

Hình 1.5: Máy in 3D không trọng lực [05]

1.2.2.4 Giải quyết vấn đề thực phẩm với in 3D [06]

Hình 1.6: Bánh hamburger được in 3D [06]

Thực phẩm in 3D trong không gian:

- Máy in 3D có khả năng tạo ra nhiều loại sản phẩm với một lượng nhỏ nguyên liệu thô

NASA đã đầu tư 125.000 đô la vào dự án SMRC, do Nhà thầu Anjan dẫn đầu, nhằm phát triển công nghệ hoàn hảo để nuôi dưỡng các phi hành gia trong các nhiệm vụ không gian dài hạn.

- Ông đã thành công trong việc tạo ra một máy in 3D có thể in 3D một chiếc bánh pizza trong không gian

Hình 1.7: Bánh pizza được in 3D [06]

Bánh pizza là lựa chọn hoàn hảo cho in 3D nhờ cấu trúc nhiều lớp, phù hợp với quy trình công nghệ phụ gia.

- Một lớp bột đầu tiên được tráng trên giường gia nhiệt của máy in 3D để được nấu trực tiếp

- Một lớp thứ hai của nước, dầu và bột cà chua tạo thành nước sốt cà chua

- Một lớp phô mai khác được rắc lên

- Cuối cùng, protein động vật và thực vật được thêm vào để cung cấp các chất dinh dưỡng thiết yếu

Hình 1.8: Quá trình in 3D mẫu bánh pizza [06]

Quá trình này cho phép nấu bánh pizza chỉ trong vài phút, với các thành phần như carbs, protein, và vi chất được bảo quản trong hộp mực đặc biệt dưới dạng bột ăn được, có thể sử dụng trong khoảng 30 năm Điều này đủ cho một nhiệm vụ giữa Trái đất và Sao Hỏa.

1.2.2.5 Ứng dụng công nghệ in 3D trong ngành ô tô [06]

Trong những năm gần đây, ứng dụng in 3D trong ngành công nghiệp ô tô đã phát triển nhanh chóng, giúp các nhà sản xuất ô tô, linh kiện và dịch vụ hậu mãi đổi mới hiệu quả hơn Công nghệ in 3D cung cấp một lối tắt cho sự đổi mới, cho phép doanh nghiệp không còn phải phụ thuộc vào các phương pháp sản xuất truyền thống Ngày nay, nền tảng dịch vụ in 3D công nghiệp đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều khía cạnh của sản xuất ô tô, từ tay vịn hộp đến các bộ phận khác.

Trang 9 hình điều hòa không khí ô tô, in 3D thân cây, đồ đạc sản xuất, v.v.) để giúp khách hàng của chúng tôi nâng cao hiệu quả, nâng cao chất lượng và giảm chi phí

Hình 1.9: Sản phẩm ôtô được in 3D [06]

Các nhà lãnh đạo ngành ô tô đang áp dụng công nghệ in 3D để sản xuất mô hình bền, nguyên mẫu chức năng và các bộ phận có khối lượng thấp, giúp kỹ sư và nhà thiết kế đánh giá thiết kế trước khi sản xuất Công nghệ này không chỉ giảm chi phí R&D mà còn rút ngắn thời gian đưa sản phẩm ra thị trường.

Hình 1.10: Các chi tiết nhỏ được in 3D [06]

Bộ phận, hệ thống truyền động in 3D

Việc áp dụng công nghệ in 3D trong ngành ô tô giúp các nhà thiết kế và kỹ sư nhanh chóng xác minh thiết kế bộ ly hợp và các thành phần động cơ khác, rút ngắn thời gian và giảm chi phí lỗi thiết kế so với phương pháp truyền thống Lamborghini, nhà sản xuất xe thể thao hàng đầu châu Âu, đã tận dụng công nghệ này để chế tạo ống động cơ, cho phép tạo ra các hình học phức tạp trong thời gian ngắn.

Hình 1.11: Khung xe ô tô được in 3D [06]

In 3D được ứng dụng phổ biến trong sản xuất, lắp ráp và kiểm tra chức năng các hệ thống gầm xe ô tô Lamborghini sử dụng nhựa nhiệt dẻo cấp kỹ thuật để chế tạo nguyên mẫu khung gầm ô tô bền bỉ, đồng thời áp dụng nhựa kỹ thuật hiệu suất cao để tùy chỉnh các công cụ lắp ráp.

Các nhà lãnh đạo trong ngành công nghiệp ô tô đang áp dụng công nghệ in 3D để tối ưu hóa quy trình sản xuất các bộ phận ngoại thất như cản va, chắn bùn, bảng, đèn và logo xe hơi Công nghệ này không chỉ giúp giảm trọng lượng của các công cụ sản xuất mà còn hạ thấp chi phí sản xuất, đồng thời tạo ra các mẫu chức năng một cách hiệu quả In 3D đã trở thành một công cụ kỹ thuật quan trọng, góp phần đơn giản hóa quy trình sản xuất ô tô.

Trang 11 trình R & D của BMW Bộ phận dụng cụ và thiết bị của công ty sử dụng in 3D để chế tạo đồ đạc để lắp ráp và thử nghiệm ô tô, và thông qua thiết kế gọn nhẹ, nó cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất

Phương hướng nghiên cứu

1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về sản phẩm trao đổi nhiệt bằng máy in 3D

Năm 2016, nhóm nghiên cứu tại Đại học Maryland đã áp dụng công nghệ in 3D tiên tiến để phát triển một bộ trao đổi nhiệt, được cho là có hiệu suất cao hơn 20% so với các công nghệ hiện tại.

Năm 2017, Farsoon đã nghiên cứu cắt giảm 35% chi phí hàn đồng trong các bộ trao đổi nhiệt thay bằng in 3D [09]

Authors Onur Gunel, Emre KOC, and Tahir Yavuz conducted a study on the impact of temperature changes on the convective heat dissipation of the nozzle affecting plastic flow This research was presented at the International Conference on Energy and Thermal Engineering in April 2017.

Nghiên cứu của tác giả Jl Teknik Industri, được công bố trên báo IJESRT vào ngày 06/08/2017, đã chỉ ra rằng cấu trúc bên trong có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lực của vật thể in 3D bằng nhựa PLA.

Nghiên cứu của nhóm tác giả Wonjin Jo, O-Chang Kwon và Myoung-Woon Moon, được công bố trên báo Rapid Prototyping Journal vào ngày 24/03/2018, đã phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền cơ học của các vật thể in 3D sử dụng công nghệ FDM.

Năm 2019, GE Research 3D đã in một bộ trao đổi nhiệt để chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn [13]

Một kỹ sư Hà Lan đã thiết kế thành công bộ trao đổi nhiệt kênh mini bằng công nghệ in 3D, nhằm tạo ra thiết bị nhỏ gọn và tiện lợi giúp làm mát và cải thiện không khí trong ngôi nhà của mình.

1.3.2 Các nghiên cứu trong nước

Chúng tôi chưa phát hiện nghiên cứu nào tại Việt Nam liên quan đến thiết bị trao đổi nhiệt được thiết kế theo biên dạng thân cây bông súng và được in bằng công nghệ 3D.

Lý do chọn đề tài nghiên cứu

Trên toàn cầu, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về thiết bị trao đổi nhiệt được sản xuất bằng công nghệ in 3D Tuy nhiên, tại Việt Nam, những vấn đề liên quan đến công nghệ này vẫn chưa được phổ biến và áp dụng rộng rãi.

Chúng em đã tiến hành tìm kiếm nhưng vẫn chưa phát hiện bất kỳ nghiên cứu nào đề cập đến thiết bị trao đổi nhiệt được thiết kế theo biên dạng của thân cây bông súng và được in bằng máy in 3D.

Nhận thấy rằng công nghệ in 3D đang ngày càng phát triển và đóng góp nhiều ứng dụng thiết thực vào đời sống và sản xuất, chúng tôi quyết định nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt kênh mini kết hợp giữa in 3D và thiết kế theo biên dạng thân cây bông súng Đồ án tốt nghiệp của chúng tôi mang tên “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chênh áp suất của thiết bị trao đổi nhiệt thiết kế theo biên dạng thân cây bông súng”, nhằm tìm hiểu sâu hơn về hiệu suất và ứng dụng của thiết bị này trong thực tiễn.

Bài viết phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chênh áp suất của thiết bị trao đổi nhiệt kênh mini theo biên dạng thân cây bông súng, sử dụng công nghệ in 3D và CNC Qua đó, tác giả đưa ra những gợi ý về điều kiện in 3D tối ưu nhằm tạo ra thiết bị trao đổi nhiệt đạt chất lượng tốt nhất.

Phương pháp Taguchi đã chứng minh tính hiệu quả vượt trội trong việc tối ưu hóa quy trình và cải tiến chất lượng, đặc biệt là trong lĩnh vực nhiệt Sự hỗ trợ từ phần mềm Minitab19 giúp người dùng dễ dàng áp dụng các kỹ thuật phân tích và thiết kế thí nghiệm, từ đó nâng cao hiệu suất trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau.

1.4.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng được lựa chọn là thiết bị trao đổi nhiệt được in từ vật liệu nhựa và gia công CNC từ nhôm

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chênh áp suất của thiết bị trao đổi nhiệt được sản xuất bằng công nghệ in 3D và gia công bằng CNC trên chất liệu nhôm Việc phân tích này giúp tối ưu hóa hiệu suất của thiết bị, nâng cao khả năng trao đổi nhiệt và giảm thiểu tổn thất năng lượng Các yếu tố như hình dạng, kích thước và bề mặt của thiết bị sẽ được xem xét kỹ lưỡng để cải thiện tính năng hoạt động.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM

Cơ sở lý thuyết về Các công nghệ in 3D [15]

Công nghệ in 3D sử dụng mô hình số hóa để tạo ra các vật thể vật lý thực tế, với nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau Bốn công nghệ in 3D phổ biến nhất hiện nay bao gồm BJ (Binder Jetting), FDM (Fused Deposition Modeling), SLA (Stereolithography) và SLS (Selective Laser Sintering).

2.1.1 Công nghệ in 3D Binder Jetting

Công nghệ in 3D này sử dụng vật liệu dạng bột và phun chất kết dính trực tiếp để tạo ra sản phẩm Quá trình in diễn ra theo từng lớp cho đến khi hoàn thiện 100% Phương pháp này cho phép sản xuất các sản phẩm có kích thước lớn một cách hiệu quả.

Hình 2.1: Sản phẩm của Công nghệ in 3D Binder Jetting [15]

Công nghệ in BJ sử dụng hai loại vật liệu chính: vật liệu dạng bột, bao gồm kim loại, bột gốm và cát, cùng với vật liệu lỏng có vai trò kết nối các loại bột này.

Khi in mô hình bằng cát, quy trình xử lý sau chế tạo hầu như không cần thiết Các vật liệu khác vẫn được sấy khô và kết dính, sau đó thẩm thấu với một vật liệu khác để tạo ra sản phẩm phù hợp với từng ứng dụng.

Công nghệ in BJ hoạt động tương tự như phương pháp in mực truyền thống, với chất kết dính được phun lên lớp vật liệu để tạo ra sản phẩm cuối cùng Nhờ khả năng tạo ra các lớp vật liệu rắn, in 3D BJ có thể sản xuất các vật thể có kích thước lớn, mở ra nhiều cơ hội trong thiết kế và sản xuất.

Con lăn di chuyển và đẩy lớp bột mỏng của lớp cắt đầu tiên lên tấm đế đỡ Sau đó, đầu phun sẽ phun chất lỏng kết dính lên lớp bột theo đúng hình dạng của lớp cắt đầu tiên.

Sau khi phun, lớp cắt đầu tiên xuất hiện trên đế, hình thành từ các hạt bột vật liệu gắn kết chặt chẽ Tấm đế hạ xuống đúng bằng bề dày của lớp cắt, trong khi xung quanh lớp cắt vẫn còn các hạt bột chưa được gắn kết, tạo nền cho lớp bột tiếp theo.

Con lăn tiếp tục trải lớp bột thứ hai lên lớp bột đầu tiên, trong khi đầu phun chứa chất lỏng kết dính di chuyển và phun vật liệu để gắn kết theo hình dạng của lớp cắt thứ hai Kết quả là lớp cắt thứ hai được hình thành và phủ lên lớp cắt đầu tiên.

Quá trình in 3D bao gồm việc lặp lại các công đoạn cho đến khi lớp cắt cuối cùng hoàn thành, từ đó tạo ra sản phẩm rắn từ bột vật liệu gắn kết Sau khi in xong, chỉ cần lấy vật phẩm ra và loại bỏ phần bột thừa, sản phẩm in 3D sẽ có hình dạng giống như thiết kế ban đầu.

2.1.2 Công nghệ in 3D FDM Đây là công nghệ in 3D được sử dụng rất phổ biến cho các máy in 3D (in nhựa) hiện nay tại Việt Nam Những loại máy thường thấy: Prusa, delta, Cube,… đều dùng công nghệ này Các loại máy in 3D dùng công nghệ này khá đơn giản và dễ sử dụng

Hình 2.2: Sản phẩm công nghệ in 3D FDM và SLA [15]

- Cơ cấu điều khiển đầu đùn: Di chuyển theo hai hướng XY của bàn

- Đầu đùn: Hoạt động theo file được cài đặt trước

- Sợi nhựa nhiệt dẻo hay sáp: Đùn qua đầu phun nhỏ của khuôn được gia nhiệt

- Cơ cấu cung cấp sợi nhựa

- Bàn: Tùy ý nâng lên hạ xuống theo mục đích sử dụng

Công nghệ FDM hoạt động bằng cách làm nóng chảy sợi nhựa và sử dụng đầu phun nhiệt để lắng lại trên bề mặt Đầu phun được điều khiển dựa trên dữ liệu 3D mà người dùng cung cấp cho máy in Nhựa ABS và PLA là hai loại vật liệu phổ biến nhất được sử dụng trong máy in 3D công nghệ FDM.

Mô hình sản phẩm được tạo từ file JGES hoặc STL bằng phần mềm AutoCAD, sau đó các file dữ liệu này được cắt thành nhiều lớp và xử lý qua phần mềm Quickslide và Supportwork Khi cần thiết, cấu trúc đỡ chi tiết sẽ được tự động tạo ra để hỗ trợ quá trình sản xuất.

Sau khi vật liệu được gia nhiệt qua đầu phun, nó sẽ nóng chảy và được đùn ra tấm đế theo đường dẫn do phần mềm Quickslide tạo ra, hoàn thành lớp đầu tiên Người dùng có khả năng điều chỉnh độ rộng của vật liệu thoát ra trong khoảng từ 0,254mm đến 2,54mm.

Khi lớp vật liệu đầu tiên được tạo ra, đầu phun của máy FDM di chuyển theo chiều Z để tạo ra lớp tiếp theo Lớp vật liệu mới sẽ liên kết với lớp trước đó, và quá trình này lặp lại nhiều lần cho đến khi mẫu vật hoàn chỉnh.

Hình 2.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của FDM [15]

Công nghệ in 3D FDM sử dụng vòi phun có đường kính từ 0,25 đến 1mm, cho phép hầu hết các loại vật liệu nhựa dẻo được sử dụng để tạo mẫu Dù cùng một loại vật liệu, nhưng cách thức sử dụng và điều chỉnh của người dùng có thể tạo ra sự khác biệt đáng kể trong quá trình in 3D.

Trang 23 có thể bổ sung thêm nhiều màu sắc khác để tạo thành những sản phẩm có màu sắc sặc sỡ

Vật liệu in 3D [16]

Công nghệ in 3D đang trở nên phổ biến và phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, kéo theo sự đa dạng của các loại vật liệu in như nhựa, kim loại, composite, xi-măng, vật liệu hữu cơ, giấy và thậm chí là thực phẩm.

2.2.1 Các loại vật liệu nhựa

Nhựa in 3D là vật liệu chính để bồi đắp mô hình sản phẩm qua công nghệ in 3D, sử dụng máy in và phần mềm kỹ thuật Có nhiều loại vật liệu khác nhau phù hợp với nhu cầu và phương pháp công nghệ, giúp người dùng lựa chọn dễ dàng Chất liệu in 3D đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng, độ bền, độ cứng và tính thẩm mỹ của sản phẩm.

Hình 2.6: Vật liệu nhựa được sử dụng trong công nghệ in 3D [ 16]

Vật liệu in 3D kim loại, đứng thứ hai sau nhựa, cho phép sản xuất các bộ phận từ nhiều loại kim loại và hợp kim như nhôm, thép không gỉ, titan, crôm coban và Inconel Công nghệ in 3D kim loại đang ngày càng trở nên phổ biến trong các ngành hàng không vũ trụ, ô tô và y tế nhờ khả năng tạo ra những thiết kế phức tạp mà không cần hàn hoặc gia công thêm Mặc dù kim loại quý như vàng, bạch kim, palađi và bạc cũng có thể được sử dụng trong in 3D, nhưng ứng dụng của chúng chủ yếu giới hạn trong lĩnh vực chế tạo đồ trang sức.

In 3D kim loại có lợi thế nổi bật nhờ khả năng tương thích với các vật liệu cường độ cao như siêu hợp kim niken và coban-crôm, những vật liệu này thường khó xử lý bằng các phương pháp sản xuất truyền thống.

Hình 2.7: Khung xe đạp được in bằng máy in 3D [16]

2.2.3 Vật liệu Graphite và Graphene

Graphene, hay còn gọi là graphen, là một tấm phẳng dày chỉ gồm một lớp nguyên tử carbon, được sắp xếp theo cấu trúc tinh thể hình tổ ong với liên kết sp2 Tên gọi của nó được hình thành từ "graphit" (than chì) và hậu tố "-en", vì than chì thực chất là sự kết hợp của nhiều tấm graphen Chiều dài liên kết giữa các nguyên tử carbon trong graphen là 0,142 nm Graphene được phát hiện bởi hai nhà khoa học Andre Geim và Kostya Novoselov vào năm 2004.

Graphene là một vật liệu đặc biệt với nhiều tính năng vượt trội, bao gồm khả năng dẫn nhiệt và điện tốt, độ cứng vượt trội gấp hàng trăm lần so với thép, và đặc tính gần như trong suốt.

Nghiên cứu cho thấy mực graphene, giống như các vật liệu dẫn điện khác, có khả năng in 3D và ảnh hưởng đến hành vi của tế bào, đặc biệt là các tế bào gốc thần kinh.

Kết quả nghiên cứu cho thấy các tính chất vật lý, điện và sinh học độc đáo của mực graphene in 3D có khả năng giải quyết nhiều vấn đề y tế, đặc biệt trong việc tái tạo các mô điện bị hư hỏng, thoái hóa hoặc không hoạt động như dây thần kinh, xương, cơ xương và cơ tim.

Graphene in 3D sở hữu những tính chất đặc biệt, khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng được ưa chuộng trong nhiều ngành công nghiệp như pin, hàng không vũ trụ, tách chất, quản lý nhiệt, cảm biến và xúc tác.

Hình 2.8: Vách ngăn graphene octet in 3D trên hoa dâu tây [16]

2.2.4 Vật liệu cho ngành nghề đặc biệt

Các ngành nghề đặc biệt như y học, xây dựng, thực phẩm sử dụng một số vật liệu in 3D đặc thù Ví dụ:

Gốm sứ là một trong những vật liệu tiên tiến nhất trong công nghệ in 3D, nổi bật với độ bền vượt trội so với kim loại và nhựa Loại vật liệu này có khả năng chịu nhiệt độ và áp suất cực cao mà không bị vỡ hay cong vênh, đồng thời không dễ bị ăn mòn hay hao mòn như các kim loại và nhựa khác Gốm sứ thường được ứng dụng trong các công nghệ như Binder Jetting, SLA (Stereolithography) và DLP (Digital Light Processing).

Hình 2.9: Bộ chén được in 3D bằng vật liệu gốm [16]

Mực in tế bào (cellular ink) cho phép con người in 3D các cơ quan và sinh vật sống, phục vụ cho nhiều ứng dụng như cấy ghép mô, da và thử nghiệm thuốc, hứa hẹn mang lại lợi ích to lớn cho y học trong tương lai.

Hình 2.10: Van tim được in bởi mực in là một tổ hợp alginate, tế bào cơ trơn và tế bào kẽ van [16]

Trong ngành thực phẩm, máy in 3D sử dụng đường để chế tạo các sản phẩm ăn được, trong khi trong lĩnh vực xây dựng, cát được áp dụng làm nguyên liệu cho in 3D.

Hình 2.11: Máy in thực phẩm 3D [16]

Dựa trên công nghệ được chọn là công nghệ FDM, ta chọn vật liệu in theo những tiêu chí sau:

- Vật liệu in dễ tìm

Bảng 2.1: So sánh vật liệu ABS, PLA và PVA STT

Acrylonitrile Butadiene Styrene Polylactic Acid Polyvinyl

(Petroleum) Tinh bột thực vật Dầu khí

3 Đặc tính Bền, linh hoạt, chịu nhiệt tốt Dẻo và chịu nhiệt tốt

Hoà tan trong nước, khả năng liên kết cao

Nhiệt độ nóng chảy sợi nhựa

Chịu đựng tốt, dễ dàng kết dính, dễ phân huỷ, tan ra

Khả năng kết dính có hạn, có thể chịu đựng tốt

Sản phẩm hoàn thành mịn màn Phù hợp với các ngành in ấn và cơ khí ô tô

Sản phẩm này không chỉ thân thiện với môi trường mà còn có tốc độ in nhanh, độ phân giải cao và ít mùi, đáp ứng tốt nhu cầu in ấn tỉ mỉ Với khả năng hạn chế cong vênh, nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho những sản phẩm yêu cầu sự chính xác và chi tiết cao.

Phân huỷ sinh học, Tái chế được Không độc hại

Dễ hư hỏng khi gặp ánh nắng mặt trời, có mùi hắc nhẹ khi in trong phòng máy lạnh

Chậm hạ nhiệt cần bộ phận làm mát, khả năng chịu nhiệt không cao, dể bị phá vỡ hơn ABS

Chi phí đắt tiền dể hư hỏng do độ ẩm không khí

Khi lựa chọn vật liệu in, một yếu tố quan trọng là tính kinh tế của đầu tư máy in Chẳng hạn, máy in 3D sử dụng vật liệu kim loại thường có giá thành cao hơn so với máy in sử dụng vật liệu nhựa.

Vật liệu nhựa là lựa chọn hàng đầu cho nhiều ứng dụng hiện nay Trong số các loại nhựa phổ biến trên thị trường, ABS, PLA và PVA là những loại được sử dụng nhiều nhất.

Giới thiệu máy in 3D-V2 của C-Gen và lý do chọn máy

Bảng 2.2: Thông số kĩ thuật của máy in C-Gen [17]

STT Đặc điểm Thông số

2 Độ dày lớp in 0.1 – 0.3 mm

4 Nhiệt độ đầu phun (Nozzle) 180 – 260 o C

5 Nguồn cấp cho thiết bị 110 – 220 V

6 Vật liệu in được hỗ trợ Nhựa ABS, PLA

7 Phần mềm điều khiển thiết bị Repetier Hosting

8 Kết nối hỗ trợ USB, SD Card

C-Gen đã tích hợp một số chi tiết máy cho độ chính xác và độ bền cao hơn Khung máy kim loại được gia công bằng CNC, cho độ cứng cao và không rung khi

Trang 36 máy hoạt động Máy đã được lắp ráp sẵn và có chế độ bảo hành Sản phẩm in ra từ máy in 3D-V2 C-GEN có đọ nét cao, độ dày mỗi lớp in từ 0.1mm đến 0.3mm 2.3.1.1 Khung sắt

C-gen đã nâng cấp khung máy từ V1 (mica) lên V2 (khung sắt) được gia công bằng máy CNC và sơn đen, máy in 3D cho chất lượng sản phẩm in 3D cao

Khung máy đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự vận hành ổn định và chính xác của thiết bị Sử dụng khung kim loại không chỉ mang lại độ bền cao mà còn giúp giảm thiểu rung lắc và ngăn ngừa hư hỏng trong quá trình vận chuyển.

2.3.1.2 Đầu phun E3D-V6 Để có được sản phẩm in 3D chất lượng cao thì đòi hỏi kim phun phải được gia công chính xác và độ bền cao

Cgen đã giới thiệu đầu phun 3D-V6 bằng nhôm, giúp tăng cường độ bền và giảm thiểu tình trạng kẹt nhựa Đầu phun này còn được trang bị quạt giải nhiệt và quạt làm nguội sợi nhựa, đảm bảo rằng nhựa được phun ra luôn khô ngay lập tức.

Hình 2.15: Trục vít-me của máy [17]

Máy in 3D yêu cầu độ chính xác cao cho các chi tiết, vì vậy C-gen đã tích hợp trục vít-me vào thiết kế máy in Điều này giúp nâng cao độ chính xác và giảm thiểu hao mòn trong quá trình sử dụng.

2.3.2 Những lí do nên chọn máy in 3D - V2 của C-Gen

Hiện nay, thị trường công nghệ in 3D có nhiều thương hiệu nổi bật như Creatbox, 3Dsystem và Cubify Tuy nhiên, máy in 3D-V2 C-GEN nổi bật với sự khác biệt nhờ vào giải pháp và sản phẩm mã nguồn mở, mang đến trải nghiệm mới mẻ cho người dùng.

Công nghệ nguồn mở, được phát triển và hỗ trợ bởi một cộng đồng toàn cầu lớn mạnh, giúp máy in 3D-V2 C-GEN dễ dàng sửa chữa và nâng cấp Người dùng có thể tiếp cận các công nghệ này một cách miễn phí, với sự chia sẻ và hỗ trợ đầy đủ từ cộng đồng.

Chi phí cho máy in 3D V2 C-GEN và vật liệu in 3D FDM rất hợp lý, phù hợp cho việc nghiên cứu công nghệ in 3D và ứng dụng trong các công việc đơn giản Do đó, công nghệ in 3D FDM hiện đang là công nghệ in 3D phổ biến nhất.

Máy ở Việt Nam, giao diện tiếng việt, các thành phần cấu thành máy được làm từ chính vật liệu in 3D

Công nghệ CNC

Máy CNC không chỉ đơn thuần là thiết bị cắt, mà còn được phân loại dựa trên nhu cầu sử dụng của khách hàng, bao gồm các loại như máy khoan, máy phay, máy tiện và máy cắt Việc lựa chọn máy CNC hoặc cơ sở gia công phù hợp sẽ phụ thuộc vào mục đích và yêu cầu cụ thể của bạn.

Trên thị trường hiện nay có bán những loại máy phục vụ cho mục đích riêng như: máy phay CNC, máy tiện CNC

2.4.1 Máy CNC phân loại dựa trên hệ điều khiển

2.4.1.1 Máy gia công theo dạng đường thẳng

Dựa trên những đường thẳng đã vạch ra, máy CNC có thể cắt đúng yêu cầu theo trục thẳng

2.4.1.2 Máy CNC cắt theo đường chỉ định

Có thể cắt theo những đường mà file cắt vạch ra trước Có thể sử dụng các loại máy 2D, 3D, điều khiển 2D1/2, điều khiển 4D, 5D,…

2.4.1.3 Máy CNC mini gia công theo dạng điểm

Khoan, khoét, hàn, đột và đập là các thao tác phổ biến trên máy CNC gia công theo điểm, có nghĩa là chúng chỉ thực hiện gia công tại những vị trí cụ thể Điểm ở đây được hiểu theo khái niệm toán học, cho thấy rằng các máy này không có khả năng gia công toàn phần.

Các định dạng file có thể dùng để cắt CNC là: file pdf, file corel, file adobe ilustrator, file art cam

2.4.2 Ưu điểm khi cắt CNC

Khi so sánh với sản phẩm thủ công, máy CNC đạt độ chính xác gần như tuyệt đối cho mỗi bản cắt Để gia công hiệu quả, người điều khiển máy cần phải lập trình file một cách chính xác.

Công nghệ tiên tiến đang giúp người quản lý máy gia tăng sức mạnh, giảm bớt thao tác và tập trung vào kỹ thuật lập trình CNC cũng như vận hành và giám sát máy móc hiệu quả hơn.

Trang 39 Độ chính xác cao Nếu vận hành tốt, độ sai số khi cắt là rất nhỏ Các đường cắt CNC khá nhanh và độ chính xác theo “phần nghìn mm”

Tốc độ cắt nhanh Nhờ cấu trúc cứng cáp và công suất hoạt động cao, mọi loại vật liệu cứng đều có thể gia công trong thời gian ngắn

Hình 2.16: Hình ảnh về CNC [07]

2.4.3 Một số nhược điểm của CNC

- Giá thành nhập máy cao

- Rất bền và ít hỏng hóc, nhưng mỗi khi sửa thường tốn nhiều chi phí

- Nếu nhân viên vận hành máy nghỉ việc, sẽ mất thời gian để tìm người thay thế

2.4.4 Kỹ thuật cắt CNC ngày càng hiện đại, chính xác

CNC đã tạo ra một cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp thế kỷ 21, với sự phát triển không ngừng về tốc độ cắt, độ chính xác và tính thông minh của bộ xử lý cùng dao cắt CNC.

Máy CNC hiện nay đã tích hợp nhiều chức năng đa dạng, đáp ứng nhu cầu của các doanh nghiệp nhỏ Trước đây, máy CNC sử dụng màn hình đen trắng, gây khó khăn cho người vận hành Giờ đây, với màn hình màu và giao diện thân thiện, máy hỗ trợ nhiều thao tác và tính năng hơn, giúp nâng cao hiệu quả làm việc.

Thiết lập thực nghiệm

Phương pháp Taguchi bổ sung cho 2 phương pháp hoạch định yếu tố toàn phần và yếu tố phần

Phương pháp Taguchi dựa trên bảng hoạch định trực giao (OA – Orthogonal Arrays) xây dựng trước và phương pháp để phân tích đánh giá kết quả

Các yếu tố có thể có 2, 3, 4 mức độ

Phương pháp Taguchi là lựa chọn tối ưu cho việc khảo sát từ 3 đến 50 yếu tố, đặc biệt hiệu quả khi số lượng tương tác ít và chỉ có một vài yếu tố quan trọng.

Phương pháp Taguchi, hay còn gọi là phương pháp thiết kế mạnh mẽ, được phát triển bởi Genichi Taguchi (1924-2012), nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm và đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như kỹ thuật, công nghệ sinh học, tiếp thị và quảng cáo Mặc dù các nhà thống kê chuyên nghiệp đánh giá cao những cải tiến mà phương pháp này mang lại, đặc biệt là trong việc nghiên cứu biến thể, nhưng cũng có những chỉ trích về hiệu quả của một số đề xuất của Taguchi.

Công việc của Taguchi bao gồm ba đóng góp chính cho thống kê:

- Một chức năng mất cụ thể

- Triết lý kiểm soát chất lượng ngoại tuyến

- Những đổi mới trong thiết kế thí nghiệm

Taguchi đã học lý thuyết thống kê chủ yếu từ những người theo Ronald A Fisher Ông phản ứng với các phương pháp của Fisher trong thiết kế thí nghiệm, cho rằng những phương pháp này chỉ thích hợp để cải thiện kết quả trung bình của quy trình Thực tế, công việc của Fisher chủ yếu tập trung vào việc so sánh năng suất nông nghiệp thông qua các phương pháp xử lý khác nhau.

Trang 41 lý và khối khác nhau, và các thí nghiệm như vậy đã được thực hiện như một phần của chương trình dài hạn để cải thiện thu hoạch

Taguchi nhận thấy rằng trong sản xuất công nghiệp, cần phải đạt được kết quả đúng mục tiêu, vì vậy ông nhấn mạnh rằng kỹ thuật chất lượng nên bắt đầu từ việc hiểu chi phí chất lượng trong các tình huống khác nhau Thay vì chỉ xem xét chi phí không phù hợp đơn giản, ông kêu gọi các nhà sản xuất mở rộng tầm nhìn để tính đến chi phí xã hội, bao gồm tổn thất cho khách hàng và cộng đồng do hao mòn sớm và khó khăn trong giao tiếp Những tổn thất này thường bị bỏ qua, nhưng chúng có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của thị trường Taguchi lập luận rằng việc giảm thiểu những tổn thất này không chỉ nâng cao uy tín thương hiệu mà còn giúp các nhà sản xuất chiếm lĩnh thị trường và tạo ra lợi nhuận.

Mục tiêu của phương pháp Taguchi:

Chất lượng sản phẩm cần được hình thành từ giai đoạn thiết kế thông qua các yếu tố như thiết kế hệ thống, thiết kế tham số và thiết kế dung sai Trong đó, thiết kế tham số đóng vai trò quan trọng, được thực hiện bằng cách xác định các tham số có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng sản phẩm và thiết kế chúng nhằm đạt được mục tiêu chất lượng cụ thể Chất lượng "được kiểm tra" của sản phẩm thể hiện rằng sản phẩm được sản xuất với mức chất lượng ngẫu nhiên, và những sản phẩm có giá trị quá xa so với giá trị trung bình sẽ bị loại bỏ.

Để đạt được chất lượng tối ưu, cần giảm thiểu sai số so với tiêu chuẩn Sản phẩm cần được thiết kế để có khả năng chống chịu với các yếu tố môi trường không thể kiểm soát.

Trang 42 kiểm soát Nói cách khác, độ kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm phải đạt giá trị cao

Chi phí chất lượng được xác định thông qua hàm sai số so với tiêu chuẩn, trong khi các tổn thất cần được đánh giá trên toàn bộ hệ thống Khái niệm này liên quan đến chuyển đổi tổn thất, phản ánh những thiệt hại mà khách hàng và xã hội phải gánh chịu do sản phẩm kém chất lượng Việc hiểu rõ ưu điểm và nhược điểm của chi phí chất lượng là điều cần thiết để cải thiện quy trình sản xuất và nâng cao sự hài lòng của khách hàng.

Phương pháp Taguchi nổi bật với việc tập trung vào hiệu suất trung bình của giá trị thay vì chỉ chú trọng vào các giá trị nằm trong giới hạn kỹ thuật, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm Thiết kế thử nghiệm của Taguchi đơn giản và dễ áp dụng trong nhiều tình huống, làm cho phương pháp này trở nên mạnh mẽ nhưng vẫn dễ hiểu Nó có khả năng nhanh chóng thu hẹp phạm vi nghiên cứu dữ liệu hiện có và cho phép phân tích nhiều thông số khác nhau mà không cần thực hiện quá nhiều thử nghiệm.

Phương pháp Taguchi có nhược điểm chính là kết quả thu được chỉ mang tính tương đối và không xác định rõ tham số nào ảnh hưởng nhiều nhất đến hiệu suất Hơn nữa, do các mảng trực giao không kiểm tra tất cả các biến kết hợp, nên việc tính toán các tham số trở nên khó khăn Thêm vào đó, vì phương pháp này chủ yếu tập trung vào thiết kế chất lượng bên trong, nên nó chủ yếu hướng tới việc phát triển quy trình sản xuất.

2.5.1.2 Hoạch định taguchi – hoạch định thí nghiệm

Chỉ có yếu tố chính và tương tác bậc 1 giữa 2 yếu tố là quan trọng Tương tác bậc cao xem như không đáng kể

Nhà nghiên cứu cần xác định các tương tác quan trọng trước khi tiến hành Bảng hoạch định trực giao Taguchi được thiết kế dựa trên sự kết hợp nhất quán của các hình vuông Latin.

TÍNH CHẤT BẢNG HOẠCH ĐỊNH TRỰC GIAO:

➢ Các cột phải trực giao – tổng số tích số các mức độ tương ứng của 2 cột bằng

Do các cột trong bảng phải trực giao, việc thay đổi giá trị ở một cột sẽ tác động đến giá trị của các cột khác Vì lý do này, các bảng quy hoạch trực giao thường được thiết kế cẩn thận và có thể dễ dàng tìm thấy trong các tài liệu chuyên ngành.

Chọn số mức độ cho mỗi biến

Chọn các biến và tương tác

Xác định các yếu tố và mức độ vào bảng trực giao

Hình 2.17: Các bước tiến hành

Chọn yếu tố khảo sát

Lựa chọn các yếu tố khảo sát và tương tác là điều quan trọng nhất trong quá trình hoạch định Để xây dựng danh sách các yếu tố cần khảo sát, cần có kiến thức sâu về vấn đề khảo sát và tham khảo các nghiên cứu trước đó là điều không thể thiếu.

Chọn mức độ khảo sát

Mức độ khảo sát cho các yếu tố chính được xác định dựa trên ảnh hưởng của chúng đến đáp ứng Nếu ảnh hưởng là tuyến tính, chỉ cần chọn 2 mức độ Ngược lại, nếu ảnh hưởng phi tuyến, số mức độ có thể là 3 hoặc 4, tùy thuộc vào mối quan hệ bậc 2 hoặc bậc 3.

Khi chưa xác định rõ mối quan hệ, nên chọn mức độ 2 Sau khi phân tích dữ liệu thí nghiệm, quyết định mức độ sẽ dựa vào phần trăm đóng góp và sai số.

Chọn bảng quy hoạch trực giao

Trước khi lựa chọn bảng trực giao, cần xác định số thí nghiệm tối thiểu cần thực hiện dựa trên tổng số độ tự do trong nghiên cứu Số thí nghiệm tối thiểu phải lớn hơn hoặc bằng tổng số độ tự do để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của khảo sát.

- Độ tự do của giá trị trung bình: 1

- Độ tự do của các yếu tố chính: n – 1; với n là số mức độ của yếu tố

- Độ tự do của tương tác bằng tích số độ tự do của các yếu tố chính

Bảng 2.4: Bảng thông số lựa chọn bảng Taguchi [23]

5 L25 L25 L25 L25 L25 L50 L50 L50 L50 L50 L50 Ấn định các yếu tố ảnh hưởng vào bảng trực giao

CƠ SỞ THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÍ SỐ LIỆU