TỐI ưu hóa độ NHÁM bề mặt sản PHẨM FDM CHẾ tạo TRÊN máy FDM

HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM TỐI ƢU HÓA ĐỘ NHÁM BỀ MẶT SẢN PHẨM FDM CHẾ TẠO TRÊN MÁY FDM Huỳnh Hữu Nghị, Nguyễn Hữu Sang, Trƣơng Quốc Thanh Thái Thị Thu Hà Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP HCM 268 Lý Thường Kiệt, P.14, Q.10, TP HCM TĨM TẮT: Cơng nghệ AM (Additive Manufacturing) hay công nghệ in 3D ngày phổ biến giới Việt Nam Trong số đó, cơng nghệ FDM (Fused Deposition Modelling) công nghệ AM phổ biến Mặc dù ngày ứng dụng rộng rãi lĩnh vực công nghiệp quan trọng, nhược điểm lớn công nghệ FDM chất lượng sản phẩm Độ nhám bề mặt tiêu quan trọng đánh giá chất lượng sản phẩm, đặt biệt sản phẩm khí Việc nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, từ cung cấp sở cho việc lựa chọn thông số phù hợp trình tạo sản phẩm FDM quan trọng Bài báo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ như: độ dày lớp, góc định hướng, góc raster, bề rộng raster, bề rộng đường viền đến độ nhám bề mặt sản phẩm Phân tích ANOVA sử dụng để đánh giá mức độ ảnh hưởng thông số đến tiêu độ nhám bề mặt phương pháp Taguchi sử dụng để thiết kế thí nghiệm, tối ưu hóa thơng số Từ khóa: Độ nhám bề mặt, tối ưu hóa, FDM, ANOVA Taguchi GIỚI THIỆU AM công nghệ tạo mô hình vật lý 3D trực tiếp từ liệu thiết kế 3D máy tính CAD (Computer Aided Design) theo nguyên lý bồi đắp liên kết vật liệu lớp theo hướng Có nhiều cơng nghệ chế tạo sản phẩm theo nguyên lý AM (Chua [1], Levy [2]) như: SLS (Selective laser sintering), SLA (Stereo lithography), FDM (Fused Deposition Modeling), LOM (Laminated Object Manufacturing) Trong đó, Fused Deposition Modeling (FDM) công nghệ phổ biến chi phí thấp, dễ sử dụng sản phẩm tạo thân thiện với môi trường Nguyên lý chung công nghệ đùn vật liệu dạng sợi trạng thái bán lỏng để tạo thành lớp theo mặt cắt ngang sản phẩm Sản phẩm tạo cách điền đầy theo lớp từ lên Do điền đầy theo lớp nên vấn đề chất lượng bề mặt sản phẩm vấn đề đáng quan tâm ngày đòi hỏi cao, ứng dụng chế tạo trực tiếp sản phẩm Do đó, chất lượng sản phẩm cuối vấn đề đáng quan tâm cần giải Phương pháp Taguchi phương pháp TS Taguchi (Nhật bản) đề ra, thường dùng để thiết kế q trình chịu ảnh hưởng yếu tố gây sai lệch chất lượng Mục đích lựa chọn, điều chỉnh thơng số để q trình chế tạo sản phẩm ổn định mức chất lượng tốt Phương pháp Taguchi sử dụng dãy trực giao quy hoạch thực nghiệm Do đó, phương pháp cho phép sử dụng nhằm giảm thiểu số thí nghiệm cần thiết để nghiên cứu ảnh hưởng thông số lên đặc tính lựa chọn trình tạo sản phẩm, từ nhanh chóng điều chỉnh thơng số cách tối ưu TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Mahapatra cộng [3], Ahn cộng [4] nghiên cứu ảnh hưởng thông số độ dày lớp, bề rộng raster, bề rộng đường viền, định hướng raster độ dày lớp, định hướng raster ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt Anitha cộng [5] tối ưu hóa ba tham số trình độ dày lớp, bề rộng đường viền, tốc độ điền đầy với ba mức độ khác nhau, đồng thời sử dụng phân tích S/N để đưa mức độ ảnh hưởng chúng Kết đạt với giá trị độ dày lớp (0.3556 mm), bề rộng đường viền (0.537 mm), tốc độ lớn (200 mm/s) tối ưu Campbell cộng [6] so sánh bề mặt sản phẩm chế tạo phương pháp AM khác SLA (SLA-350, FDM (FDM 16500), LOM (LOM 1015) 3D Printer (Z 402), từ đưa phương trình dự đốn độ nhám bề mặt: Ra=Lt sinө/4tanө Thrimurthulu cộng [7] nghiên cứu thông số góc định hướng để cải thiện độ nhám bề mặt giảm thời gian trình chế tạo sản phẩm Pulak M Pandey cộng [8] nghiên cứu thơng số q trình FDM như: độ dày lớp góc định hướng xây dựng (với độ dày lớp 0.254, góc định hướng 2650) L M Galantucci cộng [9] điều tra mối liên hệ thơng số q trình biện pháp hóa học Trang 98 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM để cải thiện bề mặt hoàn thiện sản phẩm Daekeon Ahn cộng [10] lựa chọn ba thơng số góc định hướng, độ dày lớp khoảng cách khơng khí với vật liệu ABS, kết thu góc định hướng ảnh hưởng lớn Martínez cộng [11] sử dụng phương pháp Taguchi phân tích ANOVA để tối ưu thơng số q trình độ dày lớp, bề rộng đường viền, góc định hướng, kết góc định hướng có ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt Tejendrasinh S Raol cộng [12] nghiên cứu ảnh hưởng ba thơng số độ dày lớp, góc định hướng, góc raster đến độ nhấp nhơ bề mặt, kết góc định hướng ảnh hưởng lớn sau đến độ dày lớp Sood cộng [13] điều tra năm thông số ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt độ dày lớp, góc định hướng, góc raster, bề rộng raster, khoảng cách khơng khí sử dụng phương pháp ANOVA để đánh giá mức độ ảnh hưởng thông số đến độ nhám bề mặt Kết thu góc định hướng ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt Qua tìm a) Mẫu thiết kế hiểu nghiên cứu trên, nhóm tác giả nhận thấy nhà nghiên cứu có nhiều cố gắng việc cải thiện chất lượng sản phẩm, đặc biệt độ nhám bề mặt nhằm đáp ứng yêu cầu sản phẩm FDM lĩnh vực quan trọng y học, hàng không, khí… Và nghiên cứu tập trung vào việc phân tích, đánh giá xác định giá trị thơng số quan trọng q trình độ dày lớp, hướng tạo mẫu, góc raster, bề rộng raster, bề rộng đường viền Phương pháp Taguchi phân tích ANOVA cơng cụ mạnh giúp việc tối ưu hóa thông số đánh giá mức độ ảnh hưởng thơng số THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM Trong phần nghiên cứu này, thiết kế thí nghiệm L27 (năm thơng số với ba cấp độ) chọn theo số biến cài đặt máy FDM Quá trình thể Bảng b) Mẫu in máy FDM Hình Mẫu thí nghiệm Hình Máy đo độ nhám SJ-301 Trang 99 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Bảng Các mức độ Các yếu tố Mức thấp (1) Độ dày lớp A 0,1 0,2 0,3 mm Góc định hƣớng B 15 30 Độ Góc raster C 45 60 Độ Bề rộng raster D 0,3 0,4 0,5 mm Bề rộng đƣờng viền E 0,4 0,5 0,6 mm Trong A: Độ dày lớp bề dày lớp cắt B: Góc định hướng góc tạo hình mặt nằm ngang mặt phẳng tạo mẫu C: Góc raster góc hợp hướng điền đầy bên sản phẩm với trục X Y D: Bề rộng raster chiều rộng đường in bên sản phẩm E: Bề rộng đường viền chiều rộng đường in bên sản phẩm Hình mơ tả mẫu thí nghiệm sử dụng Mẫu lựa chọn theo S Dinesh Kumar [14], thiết kế phần mềm Solidwork 2016 lưu file định dạng lưới tam giác *.STL File *.STL sau đưa vào phần mềm cắt lớp để cài đặt thơng số cơng nghệ Cuối xuất sang file có định dạng gcode nạp trực tiếp vào máy FDM Vật liệu PLA ứng dụng nhiều lĩnh vực y sinh dần thay vật liệu có tính độc hại vật liệu PLA có nguồn gốc từ tự nhiên, không độc hại thân thiện với mơi trường Ta dùng máy SJ-301 Hình để đo độ nhám ba bề mặt trên, bên mẫu thí nghiệm kết ghi vào Bảng Để xây dựng mơ hình thực nghiệm kiểm tra độ nhám bề mặt nghiên cứu ảnh hưởng thơng số q trình đến độ nhám, thí nghiệm tiến hành dựa phương pháp Taguchi Bảng thiết kế phần mềm Minitab 2016 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Để xác định mức tốt cho thông số đầu vào mặt ta dựa theo Hình Mức tốt thông số A(1), B(1), C(3), D(3), E(1) Theo Hình ta xác định mức tốt cho thông số đầu vào mặt Mức Trang 100 Mức độ Trung Cao bình (3) (2) Ký hiệu Đơn vị tốt thông số A(1), B(1), C(1), D(1), E(3) Dựa vào Hình ta xác định mức tốt cho thơng số đầu vào mặt bên Mức tốt thông số A(1), B(1), C(2), D(2), E(2) Để dự đốn mức độ ảnh hưởng thơng số ta dựa vào Bảng 3, 4, thơng số ảnh hưởng lớn đến ba bề mặt góc định hướng, thơng số ảnh hưởng bề rộng đường viền Bảng Thiết kế trực giao theo phương pháp Taguchi STT A B C D E Trên (µm) Dƣới (µm) Bên (µm) 1 1 1 2,62 1,74 2,86 1 1 3,60 3,68 1,71 1 1 2,52 2,04 3,61 2 11,10 17,80 3,31 2 2 10,60 17,61 2,79 2 10,90 16,92 3,45 3 9,67 18,40 8,64 3 9,84 18,25 9,74 3 3 9,43 17,78 8,82 10 2 2,33 7,60 6,50 11 2 2,66 7,53 5,57 12 2 3 3,71 7,42 6,23 13 2 1 12,75 16,22 8,55 14 2 12,9 15,90 8,91 15 2 3 13,1 15,82 8,77 16 15,99 17,40 9,72 17 2 16,2 16,50 9,50 18 3 16,9 16,40 9,83 19 3 5,20 10,43 5,74 20 3 2 4,90 11,71 4,95 21 3 5,31 11,72 4,84 22 3 9,80 16,30 9,63 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM 23 3 24 3 25 3 26 3 27 3 10,34 Level 16,55 9,50 19,20 12,25 16,40 19,55 12,40 16,25 19,67 13,50 9,71 16,42 9,53 16,35 Bảng Mức độ ảnh hưởng thông số mặt A B C D E 12,691 7,097 11,892 12,647 13,899 13,421 16,616 14,811 15,166 14,128 15,728 18,128 15,137 14,028 13,813 Delta 3,037 11,031 3,244 2,519 0,314 Rank Bảng Đánh giá mức độ ảnh hưởng thông số đến bề mặt bên Level A B C D E 7,809 3,650 9,652 10,721 9,534 Level 10,727 11,154 10,033 10,789 9,646 10,383 14,114 9,233 7,409 Delta 2,918 10,464 0,800 Rank A B C D E 4,992 4,668 7,411 8,062 7,467 9,739 8,176 7,250 7,333 6,014 7,323 3,380 0,204 9,239 10,489 7,662 8,330 7,617 Delta 4,247 5,821 0,329 2,316 0,293 Rank Bảng Đánh giá mức độ ảnh hưởng thông số đến bề mặt Main Effects Plot for Means Main Effects Plot for Means Data Means Data Means A 15,0 B A C 12,5 C 15 10,0 12 Mean of Means 7,5 Mean of Means B 18 5,0 D 15,0 3 E 12,5 D 3 E 18 15 10,0 12 7,5 5,0 3 Hình Ảnh hưởng thông số đến mặt 3 Hình Ảnh hưởng thơng số đến mặt Main Effects Plot for Means Data Means A B C 10 Mean of Means D 3 E 10 3 Hình Ảnh hưởng thông số đến mặt Bảng Phân tích ANOVA mặt Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F P A B C D E Error Total 2 2 16 26 45,777 523,749 2,882 67,199 0,189 2,429 642,225 45,777 523,749 2,882 67,199 0,189 2,429 22,889 261,874 1,441 33,600 0,094 0,152 150,76 1724,91 9,49 221,31 0,62 0,000 0,000 0,002 0,000 0,550 S = 0,389640 R-Sq = 99,62% R-Sq(adj) = 99,39% Trang 101 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Bảng Phân tích ANOVA mặt Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F P A B C D E Error Total 2 2 16 26 45,225 643,744 57,457 28,640 0,476 4,308 779,850 45,225 643,744 57,457 28,640 0,476 4,308 22,612 321,872 28,728 14,320 0,238 0,269 83,99 1195,56 106,71 53,19 0,88 0,000 0,000 0,000 0,000 0,433 S = 0,518868 R-Sq = 99,45% R-Sq(adj) = 99,10% Bảng Phân tích ANOVA mặt bên Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F A B C D E Error Total 2 2 16 26 87,895 153,131 0,532 28,881 0,387 4,785 275,611 87,895 153,131 0,532 28,881 0,387 4,785 43,948 76,565 0,266 14,440 0,194 0,299 146,94 256,00 0,89 48,28 0,65 P 0,000 0,000 0,430 0,000 0,537 S = 0,546881 R-Sq = 98,26% R-Sq(adj) = 97,18% Ảnh hưởng thông số thay đổi Mặt bên bề mặt Mặt thông số ảnh hưởng thứ Ra= - 3,27 + 2,12 A + 2,91 B + 0,126 C + hai bề rộng raster, thông số ảnh hưởng thứ ba 0,134 D + 0,075 E KẾT LUẬN độ dày lớp, thứ tư góc raster Mặt thơng số ảnh hưởng thứ hai góc raster, thơng số ảnh Bài báo nghiên cứu năm thông số độ hưởng thứ ba độ dày lớp, thứ tư bề rộng dày lớp, góc định hướng, góc raster, bề rộng raster Mặt bên thông số ảnh hưởng thứ hai độ raster bề rộng đường viền Đồng thời phương dày lớp, thông số ảnh hưởng thứ ba bề rộng pháp Taguchi sử dụng để thiết kế thí nghiệm raster, thứ tư góc raster sử dụng phương pháp ANOVA nhằm đánh giá Để đánh giá thơng số có ý nghĩa ảnh hưởng thông số với ba mức giá trị bề mặt Dựa vào giá trị P, điều kiện để thơng số khác nhằm tìm thơng số tối ưu để có nghĩa giá trị P< 0,05 Vì ta dễ dàng nhận giảm độ nhám bề mặt sảm phẩm máy thấy, Bảng 6, thông số bề rộng đường FDM Từ nghiên cứu thơng số ảnh hưởng lớn viền khơng có ý nghĩa Như mặt đến độ nhám bề mặt góc định hướng, ta không cần tối ưu thông số bề rộng thông số bề rộng đường viền khơng có ảnh đường viền Theo Bảng thông số bề rộng hưởng với độ nhám ba bề mặt thí nghiệm Vì đường viền, góc raster khơng có ý nghĩa để cải thiện độ nhám bề mặt cần điều chỉnh không cần tối ưu góc đỉnh hướng hợp lý Trong nghiên cứu điều tra ba góc nghiêng 0, 15, 30, góc nghiêng Từ dựa vào Bảng 6, 7, cho ta thấy góc định ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt 30 0, hướng ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt góc 00 cho độ nhám bề mặt phù hợp Và độ Do có giá trị P 0,05 giá trị F lớn dày lớp có giá trị 0,1 mm phù hợp ba Để dự đoán độ nhấp nhô bề mặt dựa vào ba mức chọn thơng số góc raster, bề thơng số độ dày lớp, hướng tạo mẫu, góc rộng raster tùy thuộc vào bề mặt mà phù hợp raster, bề rộng raster, bề rộng đường viền Ta mức khác Trong q trình nghiên cứu dùng phân tích hồi quy để đưa phương trình nhóm nhận thấy cần tối ưu thơng số hợp lý dự đốn độ nhám bề mặt trình tạo sản phẩm, tối ưu góc định hướng nghiên cứu q trình hỗ trợ Mặt (Support), để tăng chất lượng sản phẩm giảm Ra=0,13 + 1,29 A + 5,23 B - 0,209 C - 1,66 D + thời gian trình tạo thành sản phẩm máy 0,102 E FDM Mặt Ra= - 4,66 + 1,52 A + 5,52 B + 1,62 C + 0,691 D - 0,043 E Trang 102 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chua, K Hong and Ho S (1999), Rapid tooling technologies, part 1, A comparative study, The International Journal of Advanced Manufacturing Technologies [2] Levy G Schindel, R and Kruth, J (2003) ‟Rapid manufacturing and rapid tooling with layer manufacturing (LM) technologies, state of the art and future perspectives‟ CIRP Annals - Manufacturing Technology [3] Mahapatra, S., Sood, A., Patel, S., and Sahu, S (2009) Optimization of Process Parameters in Fused Deposition Modeling using Weighted Principal Component Analysis, Administrative Staff College of India (ASCI), Hyderabad, India [4] Ahn, D., Kweon, J H., Kwon, S., Song, J and Lee,S (2009) „Representation of surface roughness in fused deposition modelling‟, Journal of Materials Processing Technology, Vol 209, Nos 15–16, pp 5593–5600 [5] Anitha, R Arunachalam, S Radhakrishnan, P., (2001), Critical parameters influencing the quality of prototypes in fused deposition modeling” Journal of Materials Processing Technology 118, pp 385-388 [6] R I Campbell, M Martorelli, H S Lee‟ “Surface roughness visualization for rapid prototyping models”, Computer-Aided Design volume 34, 2002, pp 717-725 [7] K Thrimurthulu, Pulak M Pandey, N Venkata Reddy, “Optimum part deposition orientation in fused deposition modeling”, International Journal of Machine Tools & Manufacture volume 44, 2004, pp.585594Kim HJ, Kim JR, Kim HS, Lee KJ [8] Pulak M Pandey, N Venkata Reddy, Sanjay G Dhane, “Improvement of surface finish by staircase machining in fused deposition modeling”, Journal of Materials Processing Technology volume 132, 2003, pp 323-33 [9] L.M.Galantucci, F Lavecchia, G Percoco, “Experimental study aiming to enhance the surface finish of fused deposition modeled parts”, CIRP Annals Manufacturing Technology volume 58, 2009, pp 189-192 [10] Daekeon Ahn, Jin-Hwe Kweon, Soonman Kwon, Jungil Song, Seokhee Lee, “Representation of surface roughness in fused deposition modeling”, Journal of Materials Processing Technology volume 209, 2009, pp 5593-5600 [11] Martínez, J., et al Modelization of surface roughness in FDM parts in AIP Conference Proceedings 2012 [12] Tejendrasinh S Raol , Dr K G Dave , Dharmesh B Patel, Viral N Talati „ An Experimental Investigation of Effect of Process Parameters on Surface Roughness of Fused Deposition Modeling Built Parts‟ International Journal of Engineering Research & Technology Vol Issue 4, April – 2014 [13] Anoop Kumar Sood, S.S Mahapatra, R.K Ohdar „Weighted principal component approach for improving surface finish of ABS plastic parts built through fused deposition modelling process‟ Int J Rapid Manufacturing, Vol 2, Nos 1/2, 2011 [14] S.Dinesh Kumar, V.Nirmal Kannan and G.Sankaranarayanan„Parameter Optimization of ABS-M30i Parts Produced by Fused Deposition Modeling for Minimum Surface Roughness‟ International Journal of Current Engineering and Technology ISSN 2277 – 4106 Trang 103 ... đến độ nhám bề mặt 30 0, hướng ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt góc 00 cho độ nhám bề mặt phù hợp Và độ Do có giá trị P 0,05 giá trị F lớn dày lớp có giá trị 0,1 mm phù hợp ba Để dự đốn độ nhấp... trình nhóm nhận thấy cần tối ưu thơng số hợp lý dự đoán độ nhám bề mặt trình tạo sản phẩm, tối ưu góc định hướng nghiên cứu trình hỗ trợ Mặt (Support), để tăng chất lượng sản phẩm giảm Ra=0,13 + 1,29... SJ-301 Hình để đo độ nhám ba bề mặt trên, bên mẫu thí nghiệm kết ghi vào Bảng Để xây dựng mơ hình thực nghiệm kiểm tra độ nhám bề mặt nghiên cứu ảnh hưởng thơng số q trình đến độ nhám, thí nghiệm