Technicalvn Kỹ Thuật Việt Nam
Nội dung bài viết
1/ Sự ra đời công nghệ FDM
Công nghệ in 3D FDM được phát triển bởi S. Scott Crump vào cuối những năm 1980. Hãng Stratasys bán chiếc máy sử dụng công nghệ FDM đầu tiên có tên “3D Modeler” năm 1992. Máy in 3D dùng công nghệ FDM xây dựng mẫu bằng cách đùn nhựa nóng chảy rồi hoá rắn từng lớp tạo nên cấu trúc chi tiết dạng khối. Phương pháp này được thương mại hóa bởi công ty Stratasys vào năm 1989. Sản phẩm chính của công ty là dòng máy FDM-900, FDM-1600 và FDM-1650. Vật liệu sử dụng trong FDM là các loại nhựa nhiệt dẻo: ABS, polyamid, nylon, sáp.
Công nghệ FDM của Stratasys đến nay đã trở thành một công nghệ ở tầm cỡ công nghiệp. Tuy nhiên, sự tăng trưởng mạnh mẽ của các máy in 3D tầm sơ cấp từ năm 2009 phần lớn lại không phải dựa trên công nghệ của Stratasys, mà dựa trên một công ty khác nối tiếng với công nghệ in này là MakerBot, họ có công nghệ tương tự và đặt đã đặt tên cho phương pháp in này là Fused Filament Fabrication (FFF). Điều đặc biệt của công nghệ này đó là nó không chỉ có khả năng in các nguyên mẫu mà còn in được các sản phẩm hoàn thiện cuối cùng đến tay người dùng. Công nghệ này có hiệu suất cao và sử dụng kỹ thuật in nhiệt dẻo rất có giá trị đối với kĩ sư cơ khí và các nhà sản xuất, nhờ thế mà thành phẩm có phẩm chất tốt về mặt cơ học, nhiệt và hóa học.
Thời gian in phụ thuộc vào kích thước và độ phức tạp của một đối tượng in. Các đồ vật nhỏ có thể in tương đối nhanh chóng trong khi các bộ phận phức tạp đòi hỏi nhiều thời gian hơn. So với kỹ thuật SLA, FDM thực hiện in chậm hơn.
Vì giá thành máy và vật liệu in 3D rẻ, nên công nghệ này đang là công nghệ in 3D phát triển mạnh nhất, phổ biến nhất hiện nay (còn được gọi là công nghệ in 3D FFF). Điển hình là các dòng máy in 3D Reprap hoặc máy in 3D giá rẻ (Makerbot, Printerbot, Flashforge,..)
2/ Cấu tạo
- Máy tính và hệ thống phần mềm: xuất ra file CAD và mặt cắt ngang của các lớp
- Cơ cấu điều khiển đầu đùn: di chuyển theo hai hướng XY của bàn
- Đầu đùn: được điều khiển theo file đã định trước
- Sợi nhựa nhiệt dẻo hay sáp: đùn qua đầu phun nhỏ của khuôn được gia nhiệt
- Cơ cấu cung cấp sợi nhựa
- Bàn: có thể nâng lên hay hạ xuống khi cần thiết
3/ Ưu và nhược điểm là gì?
3.1/ Ưu điểm
Là công 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. Quá trình tạo mẫu nhanh của FDM không giống như công nghệ SLA, LOM, SLS phải sử dụng tia laser để tạo hình sản phẩm mà công nghệ tạo mẫu nhanh FDM đơn giản hơn rất nhiều, độ tin cậy cao, bảo dưỡng dễ dàng.
Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo không độc, không mùi, và do đó sẽ không gây ô nhiễm môi trường xung quanh. Thiết bị hoạt động tạo ra ít tiếng ồn.
3.2/ Nhược điểm
Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao. Khả năng chịu lực không đồng nhất .
4/ Nguyên lý làm việc
- Mô hình sản phẩm được tạo ra bởi phần mềm CAD sử dụng file JGES hoặc file STL.
- File CAD được cắt thành từng lớp, sau đó được xử lý bởi phần mềm Quickslide và Supportwork. Cấu trúc đỡ chi tiết được tự động tạo ra nếu cần thiết.
- Vật liệu cung cấp sau khi qua đầu phun được gia nhiệt sẽ nóng chảy và đùn ra tấm đế theo đường dẫn bởi Quickslide tạo ra lớp đầu tiên. Chiều rộng của vật liệu thoát ra có thể thay đổi trong khoảng 0,254mm-2,54mm
- Khi một lớp vật liệu hoàn thành, đầu phun của máy FDM sẽ di chuyển theo phương Z để tạo ra lớp kế tiếp. Lớp vật liệu vừa đùn ra sẽ liên kết với lớp vật liệu trước đó. Quá trình lặp lại cho đến khi mẫu được tạo ra hoàn chỉnh.
Công nghệ FDM/FFF dựa trên nguyên tắc làm nóng chảy sợi nhựa được lắng lại thông qua một đầu phun nhiệt trên một bề mặt. Cử động của đầu phun được điều khiển dựa trên số liệu 3D được cung cấp đến máy in. Mỗi lớp sau khi lắng lại sẽ rắn hóa và liên kết với lớp được in trước đó. Công ty Stratasys đã phát triển một phạm vi rất rộng những vật liệu tầm cỡ công nghiệp độc quyền cho công nghệ FDM của họ và có thể ứng dụng trong nhiều quá trình sản xuất khác nhau. Ở tầm thị trường sơ cấp, dù vẫn đang tiếp tục mở rộng nhưng vật liệu còn tương đối hạn chế . Những vật liệu phổ biến nhất dành cho máy in 3D FFF ở cấp độ sơ cấp chính là nhựa ABS và PLA.
Ngoài ra, Công nghệ FDM/FFF cần có các cấu trúc hỗ trợ khi sử dụng trong ứng dụng có biên dạng nhô ra hoặc cắt ngầm. Với FDM, để xử lý người sử dụng sẽ cần một vật liệu khác, thường là dạng lỏng, có thể làm trôi vật liệu hỗ trợ một cách dễ dàng sau khi in xong. Việc sử dụng vật liệu hỗ trợ có tính giòn cũng là một lựa chọn, do có thể dễ dàng loại bỏ bằng cách bẻ gãy hoặc cắt ra khỏi chi tiết. Đối với các máy in 3D sơ cấp dạng FFF, thì vật liệu hỗ trợ vẫn là một hạn chế. Tuy nhiên, với các hệ thống được phát triển, cải tiến để sử dụng với hai đầu phun, vấn đề này đã phần nào được giải quyết.
Nói về chế tác hình mẫu, công nghệ FDM từ Stratasys là công nghệ có độ chính xác và tin cậy cao, tương đối thân thiện với môi trường văn phòng/studio, dù việc sử dụng các quá trình xử lý sau gia công có thể sẽ cần thiết trong nhiều trường hợp. Ở mức độ sơ cấp, công nghệ FFF tạo ra những mô hình có độ chính xác kém hơn nhiều, nhưng vấn đề này vẫn đang không ngừng được cải thiện.
Công nghệ này có thể tiêu tốn nhiều thời gian khi làm việc với một số biên dạng chi tiết phức tạp. Khả năng gắn kết giữa các lớp cũng là một vấn đề cần phải cân nhắc, vì có thể làm ảnh hưởng đến độ kín của sản phẩm. Tuy nhiên, quá trình xử lý sau khi in có thể giải quyết được phần nào vấn đề này.
4.1/ 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 hoá rắn từng lớp tạo nên cấu trúc chi tiết dạng khối. 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 vòi đùn lên mặt phẳng đế.
Trong 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 vòi đùn không thể thay đổi trong quá trình tạo mẫu, vì thế cần phân tích các mô hình tạo mẫu trước khi chọn vòi đùn thích hợp.
Từ máy in 3D (FDM) lớp vật liệu nóng chảy được đùn ra nó nguội nhanh trong khoảng 1/10(s) và đông cứng lại. Khi một lớp được phủ hoàn thành trên mặt phẳng thì sẽ di chuyển sang một lớp khác mỏng thông thường từ 0,178mm đến 0,356mm và quá trình được lặp lại cho đến khi tạo xong sản phẩm.
Về vật liệu tạo mẫu khá đa dạng: Trong công nghệ tạo mẫu nhanh FDM, đường kính đùn ra từ vòi phun nằm trong khoảng 0,25-1mm, vì vậy hầu hết các loại vật liệu nhiệt dẻo đều có thể dáp ứng được với việc thay đổi kích thước. Ngoài ra, cùng một loại vật liệu nhưng có thể sử dụng nhiều màu sắc khác nhau để tạo ra những chi tiết yêu cầu nhiều màu sắc. Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM tạo cơ tính tốt cho vật liệu tạo mẫu là nguyên nhân cơ bản dẫn đến sự phát triển nhanh chóng của công nghệ này, bởi vì nó đáp ứng tối đa các yêu cầu đa dạng của người sử dụng vật liệu.
Trong những năm qua nhu cầu cho các bộ phận, mô hình chức năng liên tục phát triển và công nghệ FDM rất phù hợp với các yêu cầu ngày nay. Công nghệ FDM có thể tạo ra những sản phẩm phức tạp mà các công nghệ tạo hình truyền thống không làm được. Những sản phẩm với kết cấu phức tạp, những sản phẩm có các khoảng rỗng bên trong với vỏ ngoài kín, những sản phẩm mang tính chất từu tượng…
5/ Phạm vi ứng dụng
- Tạo các mô hình mẫu
- Chế tạo các bộ phận chi tiết nhỏ
- Sử dụng được nhiều dạng vật liệu sinh học
