Thiết kế, chế tạo mô hình máy in 3d tích hợp công nghệ fdm và vam

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 THIẾT KẾ,CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY IN 3D TÍCH HỢP CƠNG NGHỆ FDM VÀ VAM S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2022-183 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: NGUYỄN HỒ GIA THỊNH SKC008063 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2022 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 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY IN 3D TÍCH HỢP CƠNG NGHỆ FDM VÀ VAM MÃ ĐỀ TÀI: SV2022-183 Thuộc nhóm nhành khoa học: Kỹ thuật - Ứng dụng SV thực hiện: Nguyễn Hồ Gia Thịnh Nam,Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp: 18143CLA Năm thứ: 5/Số năm đào tạo: Ngành học: Công Nghệ Chế Tạo Máy Người hướng dẫn: PGS.TS.Phạm Huy Tuân TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2022 MỤC LỤC Chương 1: Mở đầu 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 1.2 Lý chọn đề tài .2 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Cơ sở phương pháp luận 1.6 Đối tượng phạm vi nghiên cứu .4 Chương 2: Tổng quan công nghệ in 3D 2.1 Thống kê tình hình phân loại thiết bị 2.1.1 Thống kê tình hình 2.1.2 Phân loại phận máy in 3D 2.1.3 Các phương pháp điều khiển máy in 3D 2.2 Tìm hiểu phân loại vật liệu dùng cho máy in 3D 10 2.2.1 Tìm hiểu chung vật liệu dùng cho máy in 3D 10 2.2.2 Phân loại vật liệu .10 2.3 Các công nghệ in 3D phổ biến 15 2.3.1 Công nghệ Thiêu kết lazer chọn lọc (SLS) 16 2.3.2 Cơng nghệ Tạo hình nhờ tia laser (SLA) 17 2.3.3 Công nghệ Mô hình hóa phương pháp nóng chảy lắng động (FDM) .18 2.3.4 Ứng dụng công nghệ in 3D .21 2.4 Một số mẫu máy in 3D 23 2.4.1 Máy in 3D Cubicon Single 23 2.4.2 Máy in 3D FDM Delta .25 2.4.3 Máy in 3D Reprap Prusa i3 27 Chương 3: Cơ sở lý thuyết 30 3.1 Khớp mềm đàn hồi 30 3.3 Ứng dụng cấu đàn hồi truyền động xác 34 3.4 Khái quát thiết bị hỗ trợ Piezo Stack Actuator model P-225.10 .35 3.4.1 Giới thiệu chung Piezo Stack Actuator model P-225.10 35 3.4.2 Cách gá đặt thiết bị PZT 36 3.4.3 Tính tốn tải động học 37 3.4.4 Ball tip cho kết nối đầu Piezo 39 3.5 Khái quát chung đề tài máy in 3D tích hợp công nghệ VA .40 3.5.1 Yêu cầu kỹ thuật máy in 3D tích hợp cơng nghệ FDM VA 40 3.5.2 Chọn kết cấu mơ hình .41 3.5.3 Một số phận mơ hình máy in 3D đề tài 43 3.6 Nguyên lí hoạt động đầu in máy in 3D (khi tích hợp thiết bị Piezo Stack Actuator) 57 3.7 Kết luận phương án thiết kế đề tài 58 3.7.1 Thông số máy .58 3.7.2 Các phương án thiết kế máy .58 Chương 4: Thiết kế - Mô Phân tích đầu in .65 4.1 Phương án thiết kế 65 4.2 Mơ hình hóa ý tưởng thiết kế 67 4.3 Mô phân tích đầu in 69 4.3.1 Mô tĩnh học .69 4.3.2 Phân tích chuyển vị 77 4.3.3 Mô Modal Analsys 81 Chương 5: Gia công chế tạo đầu in .82 5.1 Phương pháp gia công 82 5.1.1 Tổng quan phương pháp gia công điện cực EDM 82 5.2 Chế tạo đầu in 84 5.3 Nhận kiểm tra chi tiết gia cơng, sau tiến hành điều chỉnh .85 Chương 6: Thực nghiệm đánh giá đầu in 90 6.1 Lắp ráp chi tiết theo vẽ (bản vẽ lắp) 90 6.2 Gá đặt thử nghiệm 91 6.3 Kiểm tra chạy mẫu sản phẩm 92 Chương 7: Kết luận kiến nghị .94 7.1 Kết luận .94 7.2 Kiến nghị 94 7.2.1 Điểm mới/giá trị thực đề tài .94 7.2.2 Những tồn (nếu có) .95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Một số lệnh thường dùng Bảng 2.2 Ba nhóm vật liệu Bảng 3.1 Bảng thơng số kỹ thuật Model P-225.10 DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT PZT Piezo Stack Actuator VAM Vibration-Assisted machining VA Vibration-Assisted SLS Selective laser sintering SLA Stereolithography FDM Fused Deposition Modeling LOM Laminated object manufacturing DMLS Direct Metal Laser Sintering DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2(a) Sơ đồ khái quát máy in 3D Hình 2.1 Vật liệu dạng sợi Hình 2.2 Vật liệu dạng lỏng Hình 2.3 Vật liệu dạng bột Hình 2.4 Nhựa PLA Hình 2.5 Nhựa ABS Hình 2.6 Cơng nghệ SLS Hình 2.7 Cơng nghệ SLA Hình 2.8 Cơng nghệ FDM Hình 2.9 Cơng nghệ LOM Hình 2.10 Cơng nghệ DMLS Hình 2.11 Cơng nghệ Inkjet-bioprinting Hình 2.12 Vỏ động tô in công nghệ in 3D vật liệu bền SLS Hình 2.13 Tấm đế lót giày hãng Adidas làm cơng nghệ in 3D Hình 2.14 Những phận thể in 3D phục vụ cho y tế nghiên cứu Hình 2.15 Thiết kế đầu in máy in 3D Cubicon Hình 2.16 Ba dạng thiết kế máy in 3D Cubicon Hình 2.17 Cảm biến sợi nhựa máy in 3D Cubicon Hình 2.18 Kiểu dáng máy in 3D Cubicon Hình 2.19 Máy in 3D Delta Anycubic Kossel Linear Plus Hình 2.20 Máy in 3D Delta Anycubic Predator Hình 2.21 Máy in 3D Prusa i3 Hình 3.1 Các cấu đàn hồi phổ biến Hình 3.2 Khớp đàn hồi với cấu tạo ngun khối Hình 3.3 Các kiểu khớp mềm thơng dụng Hình 3.4 Hình dáng cung tên Hình 3.5 Một loại máy ném đá thời trung cổ Hình 3.6 Các cấu mềm thường gặp Hình 3.7 Cơ cấu đàn hồi sản phẩm MEMS Hình 3.8 Ứng dụng cấu đàn hồi cấu đàn hồi Crab-Like Hình 3.9 Cấu tạo Piezo Stack Actuator model P-225.10 Hình 3.10 Hình ảnh mơ 3D Piezo Stack Actuator model P-225.10 Hình 3.11 Hình ảnh thực tế Piezo Stack Actuator model P-225.10 Hình 3.12 Cách gá đặt PZT cách với bề mặt tiếp xúc Hình 3.13 Bản vẽ kỹ thuật thơng số kích thước Piezo Stack Actuator Hình 3.14 Bản vẽ đầu ball tip Hình 3.15(a) Mơ hình 3D tổng quan đề đề tài Hình 3.15(b) Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy Hình 3.16 Mơ hình máy in 3D mơ phần mềm Hình 3.17 Khung máy in 3D mơ phần mềm Hình 3.18 Kích thước nhơm định hình Hình 3.19 Khung máy in 3D gia cơng Hình 3.20 Bát ke bu lơng Hình 3.21 Chân đế cao su Hình 3.22(a) Động bước Hình 3.22(b) Động bước qua mơ 3D Hình 3.23 Cấu tạo động bước Hình 3.24 Cơ cấu vít me – đai ốc trượt Hình 3.25 Cơ cấu vít me – đai ốc trượt qua mơ 3D Hình 3.26 Bộ truyền đai Hình 3.27(a) Bộ truyền đai mơ 3D Hình 3.27(b) Bộ truyền đai mơ 3D Hình 3.28 Khớp mềm đàn hồi mơ 3D Hình 3.29 Khớp mềm đàn hồi sau gia cơng thực tế Hình 3.30 Bộ phận đầu in mơ 3D Hình 3.31 Bộ phận đầu in thực tế Hình 3.32 Board mạch MKS Gen L V2.1 lắp ráp vào máy Hình 3.33 Màn hình LCD 12864 lắp ráp vào máy Hình 3.34 Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước A4988 Đỏ Hình 3.35 Cơng tắc hành trình Endstop Hình 3.36 Bộ đầu in lắp ráp thực tế Hình 3.37 Hình ảnh code Marline phần mềm Cura 3D Hình 3.38 Phương án qua mơ 3D Hình 3.39 Khớp mềm kết cấu loa qua mơ 3D Hình 3.40 Phương án qua mơ 3D Hình 3.41 Khớp mềm dạng đĩa qua mơ 3D Hình 3.42 Khớp mềm qua mơ 3D Hình 3.43 Phương án qua mơ 3D Hình 4.1(a) Hình minh họa thiết lập hệ thống UV-A EDM Hình 4.1(b) Bề mặt gia cơng phận chế tạo (a) quy trình EDM (b) quy trình EDM UV-A Hình 4.1(c).Piezo tạo rung động cho bàn máy Hình 4.1(d) Sơ đồ thể quy trình FDM động rung đầu đùn Hình 4.1(e) Hình ảnh kỹ thuật số bề mặt đứt gãy vật liệu tổng hợp tạo Hình 4.2 Ý tưởng thiết kế đầu in qua vẽ 2D Hình 4.3 Các loại khớp nghiên cứu cụm đầu in VA Hình 4.4 Giao diện khởi động ANSYS Hình 4.5 Module static structural Hình 4.6 Bảng chọn đơn vị Hình 4.7 Bảng kích thước bao Hình 4.8 Vật thể 3D sau cắt đơi mơ Hình 4.9 Đầu đặt lực cho vật thể mơ 3D Hình 4.10 Chia vật thể 3D thành phần nhỏ (cụ thể) Hình 4.11 Bảng chọn chia lưới Hình 4.12 Chọn tab Geometry với Body tương ứng Hình 4.13 Dùng lệnh Sweep tab lệnh Method Hình 4.14 Body 2,3 tương ứng chọn lệnh tương tự Hình 4.15 Body 4,5 tương ứng chọn lệnh tương tự Hình 4.16 Kết hồn thành việc chia lưới Hình 4.17 Vật thể mơ 3D sau fix Hình 4.18 Đặt lực cho vật thể mơ 3D Hình 4.19 Đặt chuyển vị cho vật thể mơ 3D Hình 4.20 Mơ phân tích chuyển vị Hình 4.21 Biên dạng phân tích chuyển vị Hình 4.22 Kết sau phân tích chuyển vị – 300V cường độ dịng điện 0,1 – 500A Hai điện cực đặt dung dịch cách điện gọi chất điện môi Khi cho hai điện cực tiến lại gần chúng có điện trường Khi điện áp tăng lên từ bề mặt cực âm có điện tử phóng ra, tiếp tục tăng điện áp chất điện mơi hai điện cực bị ion hóa làm cho chúng trở nên dẫn điện, làm xuất tia lửa điện hai điện cực Nhiệt độ vùng có tia lửa điện lên cao, đạt đến 12.000°C, làm nóng chảy, đốt cháy phần kim loại cực dương Trong q trình phóng điện, xuất 35 ion hóa cực mạnh tạo nên áp lực va đập lớn, đẩy phoi khỏi vùng gia cơng Tồn q trình xảy thời gian ngắn từ 10-4 đến 10-7 s Sau mạch trở lại trạng thái ban đầu điện áp tụ nâng lên đến mức đủ để phóng điện q trình lại diễn điểm có khoảng cách gần Phơi q trình gia công giọt kim loại bị tách khỏi điện cực đông đặc lại thành hạt nhỏ hình cầu Khi hạt bị đẩy khỏi vùng gia công, khe hở hai điện cực lớn lên, phóng điện khơng cịn Để đảm bảo q trình gia cơng liên tục, người ta điều khiển điện cực dụng cụ xuống cho khe hở hai điện cực không đổi ứng với điện áp nạp vào tụ C c) Khả công nghệ Bề mặt chi tiết gia công EDM đạt 𝑅𝑎 = 0,63µm gia cơng thơ 𝑅𝑎 = 0,16µm gia cơng tinh Thơng thường độ xác gia cơng vào khoảng 0,01mm Ở máy khoan tọa độ EDM độ xác gia cơng đạt đến 0,0025 mm Phương pháp gia cơng vật liệu khó gia cơng mà phương pháp gia công không truyền thống không làm thép tơi, thép hợp kim khó gia cơng, hợp kim cứng Nó gia cơng chi tiết hệ lỗ có hình dạng phức tạp d) Ưu điểm – Gia cơng loại vật liệu có độ cứng tùy ý – Điện cực chép hình dạng bất kỳ, chế tạo phục hồi khuôn dập thép – Chế tạo lưới sàng, rây cách gia công đồng thời lỗ điện cực mảnh – Gia công lỗ có đường kính nhỏ, lỗ sâu với tỉ số chiều dài đường kính lớn – Do khơng có lực học nên gia công hầu hết loại vật liệu dễ vỡ, mềm… mà khơng sợ bị biến dạng – Do có dầu vùng gia công nên bề mặt gia công tơi dầu 83 5.2 Chế tạo đầu in Hình 5.1: Bản vẽ chi tiết khớp mềm VA 84 Hình 5.2 Bản vẽ lắp cụm đầu in thiết kế tích hợp FDM VA 5.3 Nhận kiểm tra chi tiết gia cơng, sau tiến hành điều chỉnh Phôi nhôm A7075 dày 60mm sử dụng pháp pháp cắt dây EDM phay CNC biên dạng bậc, với khớp mềm đảm độ xác kích thước hình học chi tiết, dung sai bề dày đạt 3/100 Từ đảm bảo mơ hình hoạt động xác sai lệch phạm vi cho phép lý thuyết mơ Mơ hình thiết kế phần mềm Solidworks 2020, mô kiếm nghiệm qua phần mềm Analsys gắn máy in 3D với hình ảnh 3D trực quan bên dưới: 85 Hình 5.3: Mơ hình 3D cụm đầu in Hình 5.4: Mơ hình thực tế sau gia cơng cụm đầu in 86 Hình 5.5 Mơ hình thực tế sau lắp ráp với máy in 3D Hình 5.6 Cụm đầu in thực tế sau lắp ráp 87 Hình 5.7 Nhận chi tiết gia cơng cụm đầu in, khung máy in phận lắp ráp 88 Hình 5.8 Lắp ráp canh chỉnh cụm đầu in, khung máy in phận lắp ráp 89 Chương 6: Thực nghiệm đánh giá đầu in 6.1 Lắp ráp chi tiết theo vẽ (bản vẽ lắp) Hình 6.1(a) Bản vẽ lắp mơ hình máy in 3D Hình 6.1(b) Bản vẽ lắp mơ hình máy in 3D 90 6.2 Gá đặt thử nghiệm Các thiết bị sử dụng để đo chuyển vị bàn máy trung tâm gồm: + Thiết bị tạo rung động xác Piezo Stack Actuator model P-225.10 Hình 6.1 Hình ảnh thực tế Piezo Stack Actuator model P-225.10 + Thiết bị cảm biến đo chuyển vị khơng tiếp xúc model LK-030 Hình 6.2: Hình ảnh thực tế thiết bị LK-030 91 6.3 Kiểm tra chạy mẫu sản phẩm Sau lắp ráp hoàn thiện việc canh chỉnh cho mơ hình máy in 3D tích hợp cơng nghệ FDM VA, nhóm tiến hành việc in chạy mẫu sản phẩm Mẫu thí nghiệm thiết kế với kích thước sản phẩm in 3D bao gồm: chiều dài, chiều rộng, chiều cao thêm kích thước lỗ trịn, kích thước biên dạng cong hay uốn… Các kích thước đo đánh giá mẫu Mẫu in kế phần mềm Solidwork 2020, Inventor 2022 lưu định dạng file *.STL Tiếp theo đó, file đưa vào phần mềm Cura 3D để mơ kích thước in, vị trí đặt sản phẩm, kiểu lớp in… qua ta có nhìn rõ thời gian in sản phẩm Cuối xuất file sang định dạng Gcode nạp trực tiếp vào máy in thông qua USB thẻ nhớ micro SD Mẫu in 3D in vật liệu nhựa PLA Hình 6.3: Thẻ nhớ micro SD 92 Hình 6.4: Sản phẩm sau kết thúc trình in 93 Chương 7: Kết luận kiến nghị 7.1 Kết luận Đề tài góp phần hồn thiện thêm kiến thức gia công cắt gọt, gia công với hỗ trợ rung động gia cơng hình thành sản phẩm lĩnh vực in 3D, đặc biệt cơng nghệ gia cơng máy in 3D có dao động hỗ trợ Khẳng định tác động tích cực rung động đến chất lượng bề mặt, độ bền cho đầu in kéo dài tuổi thọ cho máy Các kết thu đề tài hình thành sở lý thuyết thực nghiệm cho nghiên cứu tiếp sau Kết đề tài dùng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy nghiên cứu khoa học Tuy nhiên, đề tài nhiều vấn đề tồn khó khăn áp dụng cơng nghệ như: tương thích thơng số rung cấu rung với thông số gia công, thông số máy, biên dạng hoàn chỉnh khớp mềm đàn hồi, cách thiết lập cấu rung cho gia công cắt gọt… 7.2 Kiến nghị 7.2.1 Điểm mới/giá trị thực đề tài Theo nhận định nhóm, đề tài ứng dụng siêu âm trợ giúp gia công triển khai lần đầu nước, nội dung thực có ý nghĩa sở tham khảo để tiếp tục trì phát triển cho nghiên cứu Từ nghiên cứu tổng quan cho thấy, thời điểm nhiều công bố lĩnh vực gia cơng có hỗ trợ rung động cơng bố tạp chí có uy tín Điều cho thấy, lĩnh vực cịn nhiều tồn cần nghiên cứu để hồn thiện cơng nghệ Do đó, nhóm nghiên cứu đề xuất số định hướng tiếp tục phát triển đề tài sau: – Tiếp tục đầu tư thiết bị đo nhằm đánh giá hiệu chỉnh cấu rung – Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện chế tạo cấu rung siêu âm trợ giúp gia cơng có kích thước nhỏ gọn, có khả tích hợp nhiều máy cơng cụ khác – Nghiên cứu, áp dụng công nghệ rung động trợ giúp gia công cắt gọt gia công sản phẩm in 3D loại vật liệu vật liệu đặc biệt ứng dụng hàng không y tế… – Tiếp tục nghiên cứu cải tiến độ cứng cứng cấu gá đặt cụm đầu in, tránh rung động sinh dao động, dịch chuyển cụm trình gia công, tạo thành sản phẩm 94 7.2.2 Những tồn (nếu có) Do điều kiện khách quan thiết bị Piezo Stack Actuator model P-225.10 trình nghiên cứu chung với nhiều nhóm thời gian thực nghiệm hạn hẹp nên triển khai chạy in mẫu sản phẩm với cụm đầu in gắn khớp mềm Với kết thực tế mơ hình máy in 3D chạy mẫu sản phẩm thời gian tới, tụi em lên kế hoạch triển khai thí nghiệm mức độ cao với nhiều thơng số, biến số đầy đủ quy trình cơng nghệ để có kết đánh giá hiệu ứng dụng rung động vào trình gia công bồi đắp 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lu Zheng, Wanqun Chen, Dehong Huo (2020) Review of vibration devices for vibration-assisted machining 108:1631–1651 https://doi.org/10.1007/s00170-02005483-8 [2] Aaron Greco, Steven Raphaelson, Kornel Ehmann, Q Jane Wang (2009) Surface Texturing of Tribological Interfaces Using the Vibromechanical Texturing Method [3] Özgür Keles, Eric H Anderson, Jimmy Huynh Mechanical reliability of short carbon fiber reinforced ABS produced via vibration assisted fused deposition modeling [4] Maidin S, Ting K H, Abdullah Z, Alkahari M.R Ultrasonic Assisted Fused Deposition Modeling to Improve Mechanical Properties of Recycled Acrylonitrile Butadiene Styrene [5] Rasidi Ibrahim, Haris Rachmat , Damayanti Dida , Anis Radzi, Tatang Mulyana (2018) An Investigation of Finite Element Analysis (FEA) on Piezoelectric Compliance in Ultrasonic Vibration Assisted Milling (UVAM) [6] Thông số kỹ thuật hướng dẫn sử dụng Piezo Stack Actuator, 24.05.2022, từ https://www.piceramic.com/en/?type=5600&downloadUid=1493&downloadFileUid= 1357 [7] Thông số thiết kỹ thuật Piezo Stack Actuator, 19.04.2021, từ https://www.physikinstrumente.com/en/products/linear-actuators/nanopositioningpiezo-actuators/p-225-pica-power-piezo-actuators-101750/#downloads [8] Nguyễn Văn Khiển, Phạm Huy Hoàng, Phạm Huy Tuân (2015) CƠ CẤU ĐÀN HỒI VÀ CÁC HƯỚNG ỨNG DỤNG [9] Ngoc Le Chau, Thanh-Phong Dao and Van Thanh Tien Nguyen (2018) Optimal Design of a Dragonfly-Inspired Compliant Joint for Camera Positioning System of Nanoindentation Tester Based on a Hybrid Integration of Jaya-ANFIS [10] Trần Ngọc Hiền, Bùi Văn Hưng (2016), Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy in 3D FDM, từ https://tthc.most.gov.vn/index.php/ban_b/article/view/547 96 S K L 0