Hcmute nghiên cứu công nghệ in 3d thiêu kết laser bằng bột nhựa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ IN 3D THIÊU KẾT LASER BẰNG BỘT NHỰA MÃ SỐ: SV2019 – 123 SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 06/2019 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ IN 3D THIÊU KẾT LASER BẰNG BỘT NHỰA SV2019 – 123 Thuộc nhóm ngành khoa học: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ IN 3D THIÊU KẾT LASER BẰNG BỘT NHỰA SV2019 – 123 Thuộc nhóm ngành khoa học: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY SV thực hiện: Lý Xuân Huy Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 15143CL2, khoa CLC Năm thứ: /Số năm đào tạo: Ngành học: Cơ khí chế tạo máy Người hướng dẫn: Th.S Trần Minh Thế Uyên TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 Luan van MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu: 1.1.1 In 3D gì: 1.1.2 Các loại công nghệ in 3D nay: 1.1.2.1 Công nghệ kết dính vật liệu dạng hạt: 1.1.2.2 Công nghệ quang trùng hợp: 1.1.2.3 Công nghệ sử dụng vật liệu nhiều lớp: 1.1.2.4 Công nghệ lắng đọng đùn: 1.1.3 Ứng dụng công nghệ in 3D laser thiêu kết (SLS) công nghệ khác: 1.1.3.1 Ứng dụng sản xuất: 1.1.3.2 Ứng dụng y học: 11 1.1.3.3 Ứng dụng công nghiệp: 13 1.1.3.4 Ứng dụng văn hóa xã hội: 16 1.1.3.5 ứng dụng hàng không vũ trụ: 18 1.1.3.6 Ứng dụng gia đình: 19 1.2 Lý chọn đề tài: 20 1.3 Mục tiêu đề tài: 20 1.4 Phương pháp nghiên cứu: 20 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu: 20 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21 2.1 Nguyên lí hoạt động máy in 3D SLS: 21 Luan van 2.2 Tóm tắt q trình tạo mẫu: 21 CHƯƠNG 3: Ý TƯỞNG THIẾT KẾ MƠ HÌNH MÁY IN 3D DẠNG LASER THIÊU KẾT BỘT NHỰA 23 3.1 Bộ phận làm việc cấp bột: 23 3.2 Bộ phận di chuyển bột in lên bàn làm việc: 25 3.3 Bộ phận điều khiển chuyển động laser: 27 3.4 Bộ phận khung: 29 3.5 Tổng hợp ý tưởng: 30 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MƠ HÌNH 32 4.1 Bàn máy chính: 32 4.2 Bộ phận tạo chuyển động cho laser: 34 4.3 Khung máy: 35 4.4 Mơ hình thiết kế hoàn thiện: 37 4.5 Kết nghiên cứu: 37 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 38 5.1 Kết luận: 38 5.2 Khuyến nghị: 38 Luan van Luan van DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CNC: Computer Numerical Control DMLS: Direct Metal Laser Sintering EBM: Electron Beam Melting FDA: Food and Drug Administration FDM: Fused Deposition Modeling JP: Jetted Photopolymer LOM: Laminated Object Manufacturing NASA: National Aeronautics and Space Administration NCKH: nghiên cứu khoa học SLA: Stereolithography SLM: Selective Laser Melting SLS: Selective Laser Sintering Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ in 3D thiêu kết laser bột nhựa - SV thực hiện: Lý Xuân Huy - Lớp: 15143CL2 Mã số SV: 15143033 Năm thứ: Khoa: CLC Số năm đào tạo: - Người hướng dẫn: Th.S Trần Minh Thế Uyên Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu công nghệ in 3D thiêu kết laser bột nhựa Tính sáng tạo: Đây đề tài nhóm nghiên cứu nên tính sáng tạo hồn tồn có Kết nghiên cứu: Nghiên cứu nguyên lý thiết kế mơ hình máy in 3D thiêu kết laser bột nhựa Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Nghiên cứu tiền đề để thi công chế tạo máy in 3D thiêu kết laser bột nhựa Công bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Ngày tháng năm SV chịu trách nhiệm thực đề tài Luan van Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học SV thực đề tài: Ngày tháng năm Xác nhận Trường Người hướng dẫn (kí tên đóng dấu) (kí, họ tên) Luan van CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu: 1.1.1 In 3D gì: In 3D hay gọi in đắp lớp, chuỗi công đoạn khác kết hợp để tạo vật thể ba chiều Trong in 3D, lớp vật liệu đắp chồng lên định dạng kiểm sốt máy tính để tạo vật thể Các đối tượng có hình dạng thiết kế 3D từ phần mềm như: Solidwork, Invertor, Máy in 3D loại robot công nghiệp.[1] IN 3D đề xuất tiến sỹ Kodama năm 1980 Charles Hull trở thành người đăng ký thành công quyền IN 3D, thành lập công ty in 3D danh tiếng Systems Corporation In 3D dù có tuổi đời thập kỷ, thức bùng nổ vào 2009.[2] 1.1.2 Các loại công nghệ in 3D nay: 1.1.2.1 Cơng nghệ kết dính vật liệu dạng hạt: Một cách tiếp cận in 3D khác pha trộn chọn lọc vật liệu bàn hạt Kỹ thuật kết hợp phần lớp sau di chuyển lên khu vực làm việc, thêm lớp hạt khác lặp lại trình chi tiết tạo Các công nghệ thuộc loại như: thiêu kết laser, nung chảy laser, nung chảy chùm tia điện tử, …[3] a Công nghệ in 3D SLS: Thiêu kết laser chọn lọc – SLS, công nghệ tạo mẫu nhanh (AM), phát triển cấp sáng chế Tiến sĩ Carl Deckard Tiến sĩ Joseph Beaman Đại học Texas Austin vào năm 1989, đưa thị trường tập đoàn DTM (được thành lập 1987) Thiết bị thương mại hoá vào năm 1992 Đây công nghệ công nhận sau SLA Công nghệ dựa trình chế tạo lớp chất polymer lỏng thay vật liệu bột.[4] Luan van Kích thước bao phần bột lúc di chuyển gạt bột phải kích thước bàn nhằm đảm bảo chuyển dời hoàn toàn phần bột Thanh gạt bột phải thiết kế đủ cao để di chuyển bột khơng bị tràn qua khỏi thanh, bên cạnh gạt có hình sạng chữ U dẹt hình, mục đích để bột khơng bị tràn sang hai bên tránh hao hụt lượng bột cần cho bàn làm việc Hình 3.5: Hướng di chuyển bột gạt chuyển động 3.3 Bộ phận điều khiển chuyển động laser: Hình dung từ việc laser lơ lửng khoảng không gian để chiếu chùm tia xuống bàn làm việc thiêu kết vật liệu, đặt câu hỏi ý tưởng để laser chuyển động ba chiều? Giả sử laser đặt trục có khả di chuyển trục đó, ta xét mơ hình chuyển động laser trục theo ba phương X, Y, Z hình 3.6a, 3.6b 3.6c Ở ba hình, laser di chuyển theo phương Trong hình b laser di chuyển theo phương Y, dùng vị trí đặt laser trục Y thay trục X laser nằm ta cụm chi tiết mà laser di chuyển theo phương X Y Tương tự, thay điểm đặt laser trục X thành cụm chi tiết gồm trục Z laser Cuối ta tổ hợp laser di chuyển ba phương khác 27 Luan van Hình 3.6a: laser chuyển động trục Hình 3.6b: laser chuyển động trục theo phương X theo phương Y Hình 3.6c: laser chuyển động trục theo phương Z Dựa vào phân tích trên, ý tưởng phát triển sau: laser gá di trượt trục thẳng đứng theo phương Z, sau cụm chi tiết gá tiếp 28 Luan van di trượt trục theo phương X, cuối toàn đặt di trượt khác di trượt theo phương Y (như hình 2.4) Như laser thực chuyển động làm việc theo biên dạng sản phẩm thiết kế Hình 3.6: Ý tưởng phận điều khiển chuyển động laser 3.4 Bộ phận khung: Mục đích khung liên kết phận để tạo thành mơ hình hồn chỉnh Ta cần thiết kế khung gá phận điều khiển laser cho vùng di chuyển laser nằm vùng bàn làm việc Khung lên ý tưởng sau: 29 Luan van Các vị trí (1) để gá đặt trục Y phận điều khiển chuyển động laser, Các vị trí (2) để đặt bàn làm việc cấp bột Hình 3.7: Ý tưởng khung 3.5 Tổng hợp ý tưởng: Kết hợp khung với cụm bàn máy phận điều khiển chuyển động laser lên ý tưởng, ta có mơ hình sơ bộ: 30 Luan van Hình 3.8: Mơ hình thiết kế sơ 31 Luan van CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MƠ HÌNH Sau có ý tưởng sơ thiết kế chi tiết để hồn thiện mơ hình Các phận cần lựa chọn thiết kế chuyển động cho hợp lý 4.1 Bàn máy chính: Từ ý tưởng, ta thiết kế gạt bột di trượt mặt bàn phẳng từ hướng bàn cấp bột phía bàn làm việc Để gạt di chuyển, kết hợp ray trượt để dẫn hướng cho chuyển động Chức gạt bột khơng u cầu đến độ xác mà cần độ dẫn hướng tốt, dùng ray trượt phù hợp Hình 4.1: Bàn máy thiết kế 32 Luan van Như hình 4.1 gạt cố định vào khối di trượt di chuyển ray, ray dẫn hướng để gạt bột di chuyển dễ dàng bàn máy Tiếp đến thiết kế cấu để bàn làm việc bàn cấp bột Ở ta thấy cụm chi tiết bàn làm việc ngăn chứa piston di chuyển lên xuống xi lanh Vậy để tạo chuyển động cho bàn làm việc bàn cấp bột dùng trục vít me kết hợp với khung máy Bên cạnh bàn nâng hạ yêu cầu độ xác cao, sử dụng trục vít me khơng đảm bảo độ xác mà cịn đảm bảo độ êm, không rung lắc Cụ thể thiết kế sau: Hình 4.2: Chi tiết thiết kế nhằm tạo chuyển động cho bàn 33 Luan van Bộ trục vít me có phận khác khối gắn ổ bi, phần trục lắp vào ổ bi trục trơn khơng có ren, mục đích để trục vít me xoay quanh khối chi tiết Khi trục vít me quay, đai ốc di chuyển lên xuống cố định vào chi tiết khác không thực chuyển động quay Như hình 4.2, đai ốc liên kết với cụm chi tiết gắn bàn làm việc bàn nâng bột, khoảng tạo khơng gian để trục vít me di chuyển 4.2 Bộ phận tạo chuyển động cho laser: Mô sơ cấu trúc trục dẫn hướng chuyển động cho laser hình 4.3 Đầu tiêu tạo chuyển động cho laser theo phương Z Như ý tưởng nêu laser gá di trượt dọc trục thẳng đứng Cơ cấu truyền động nên dùng trục vít me, laser di chuyển với bàn làm việc để tạo khoảng cách khơng đổi chúng, mục đích để laser cố định khoảng tiêu cự, đảm bảo lượng laser tập trung thiêu kết bột bàn làm việc Laser chuyển động theo phương X Y u cầu độ xác cao, ta sử dụng trục vít me ray dẫn để tạo chuyển động Nhưng so với trục vít me ray nhẹ hơn, trục Y tải cụm chi tiết gồm trục X Z sử dụng trục vít me gây khó khăn trọng lượng, sử dụng ray dẫn để giảm thiểu trọng lượng tải trục Y 34 Luan van Hình 4.3: Ba trục điều khiển chuyển động laser Chọn khung nhơm định hình làm trục theo phương, cố định ray dẫn vào khung nhôm Như hình, ray dẫn trục X cố định bề mặt đứng bề mặt ngang khung nhôm Nếu đặt ray bề mặt đứng trọng lượng tải trục Z có gắn laser tác động vào bên ổ bi khối trượt ray, điều không tốt cho chi tiết, chí phá hủy ổ bi Vậy thiết kế hình hợp lý Trục Z thiết kế cụm chi tiết tích hợp từ trục vít me – đai ốc nhằm giảm diện tích trục, tránh cồng kềnh làm ảnh hưởng đến suất máy 4.3 Khung máy: Dựa vào ý tưởng nêu ta có thiết kế khung máy hình Khung sử dụng khung nhơm định hình dễ dàng lắp ráp tăng tính thẩm mỹ 35 Luan van Hình 4.4: Khung máy Phần chân khung thiết kế thêm chắn ngang để cố định trục vít me cho bàn làm việc bàn cấp bột nói mục 4.1 36 Luan van 4.4 Mơ hình thiết kế hồn thiện: Hình 4.5: Mơ hình máy in 3D thiêu kết laser bột nhựa hoàn chỉnh 4.5 Kết nghiên cứu: Trên sở tìm hiểu nguyên lý hoạt động máy in 3D SLS, nhóm đưa ý tưởng (hình 3.8) thiết kế mơ hình máy in 3D thiêu kết laser bột nhựa (hình 4.5) 37 Luan van CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 5.1 Kết luận: Các nội dung nghiên cứu thực hiện: - Tìm hiểu cơng nghệ hoạt động máy in 3D SLS - Đưa ý tưởng dựa vào nguyên lý - Thiết kế mơ hình 5.2 Khuyến nghị: Kết nghiên cứu nên làm tiền đề cho việc thi công chế tạo hệ thống điều khiển máy in 3D thiêu kết laser bột nhựa Cần hỗ trợ thêm kinh phí cho nghiên cứu cơng trình thi cơng chế tạo máy in 3D thiêu kết laser bột nhựa Nghiên cứu cần trưng bày triển lãm để hệ nghiên cứu học hỏi tham khảo 38 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://vi.wikipedia.org/wiki/In_3D [2] https://blogin3d.com/may-in-3d-la-gi-cach-in-3d-nhu-the-nao.html [3] https://vi.wikipedia.org/wiki/Các_phương_pháp_in_3D#Lắng_đọng_bằng_đùn [4] http://www.3dmaker.vn/2013/12/phuong-phap-sls-trong-in-an-3d-selective-lasersintering/ [5] https://technicalvnplus.com/article/in-3d-thieu-ket-lazer-chon-loc-sls [6] https://blogin3d.com/may-in-3d-sls-dau-tien-co-gia-duoi-20-000-usd.html [7] https://all3dp.com/1/best-sls-3d-printer-desktop-industrial/ [8] http://www.3dmaker.vn/2013/12/phuong-phap-sla-trong-in-an-3d/ [9] https://tinhte.vn/threads/co-bao-nhieu-loai-cong-nghe-may-in-3d-va-co-tu-lucnao.2158760/ [10] https://vi.wikipedia.org/wiki/Ứng_dụng_của_in_3D [11] https://vi.wikipedia.org/wiki/CNC [12] http://www.3dmaker.vn/2013/12/phuong-phap-sls-trong-in-an-3d-selective-lasersintering/ [13] https://blogin3d.com/may-in-3d-sls-dau-tien-co-gia-duoi-20-000-usd.html [14] http://www.directindustry.com/prod/phenix-systems/product-13610-374605.html [15] https://www.sinterit.com/shop/products/sinterit-lisa [16] https://automation.net.vn/Cong-nghe-Ung-dung/Cong-nghe-in-3D-kim-loai-Buocdot-pha-trong-cong-nghiep-che-tao.html [17] https://technicalvnplus.com/article/cong-nghe-in-3d-tao-hinh-nho-tia-laser-sla [18] https://technicalvnplus.com/article/cong-nghe-in-3d-dan-nhieu-lop-lom [19] https://automation.net.vn/Cong-nghe-Ung-dung/Cong-nghe-in-3D-Thay-doi-phuongthuc-san-xuat-va-phong-cach-tieu-dung.html [20] https://thanhnien.vn/cong-nghe/doc-dao-thuc-pham-in-bang-cong-nghe-3d1019289.html [21] https://anninhthudo.vn/doi-song/my-lan-dau-tien-cap-phep-cho-duoc-pham-che-taotu-cong-nghe-in-3d/625904.antd Luan van [22] https://3dservices.vn/cong-nghe-in-3d-xuong-dan-hoi-voi-vat-lieu-nhua-sinh-hocdang-long [23] https://vnexpress.net/khoa-hoc/ran-san-ho-in-3d-lon-nhat-the-gioi-o-maldives3800496.html Luan van Luan van ... nghệ in 3D thiêu kết laser bột nhựa Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu công nghệ in 3D thiêu kết laser bột nhựa quy mơ gia đình 20 Luan van CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nguyên lí hoạt động máy in 3D. .. tài: Công nghệ in 3D thiêu kết laser bột nhựa công nghệ nước ta, cơng trình nghiên cứu chưa nhiều Cơng nghệ có tiềm lớn kinh tế, vượt trội loại công nghệ in 3D khác 1.3 Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu. .. Th.S Trần Minh Thế Uyên Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu công nghệ in 3D thiêu kết laser bột nhựa Tính sáng tạo: Đây đề tài nhóm nghiên cứu nên tính sáng tạo hồn tồn có Kết nghiên cứu: Nghiên cứu ngun