Nghiên cứu nâng cao độ chính xác của các mẫu rỗng trong 3D-printing với kích thước từ 10 đến 100 mm

Với sự cạnh tranh toàn cầu về yêu cầu giảm thời gian và giá thành sản phẩm, công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping-RP) nổi lên như một chìa khóa công nghệ đáp ứng được yêu cầu rút ngắn thời gian thiết kế và phát triển sản phẩm.

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CÁC MẪU RỖNG TRONG 3D-PRINTING VỚI KÍCH THƯỚC TỪ 10 ĐẾN 100 MM Nguyễn Cơng Ngun1 Tóm tắt: Với cạnh tranh toàn cầu yêu cầu giảm thời gian giá thành sản phẩm, công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping-RP) lên chìa khóa công nghệ đáp ứng yêu cầu rút ngắn thời gian thiết kế phát triển sản phẩm Mặc dù RP có nhiều ưu điểm, có hạn chế độ xác Đặc biệt phương pháp in 3D-Printing dùng bột chất kết dính có độ xác khơng cao kích thước lẫn bề mặt mẫu Báo cáo nghiên cứu nâng cao độ xác mẫu rỗng in 3D cho sản phẩm có kích thước từ 10 đến 100mm Từ khóa: Tạo mẫu nhanh, độ xác, in 3D, độ xác kích thước, máy ZPrinter 310 Plus GIỚI THIỆU CHUNG * Công nghệ tạo mẫu nhanh in 3D (Rapid Prototyping-RP) lên chìa khóa cơng nghệ phát triển nhanh năm gần Theo Wohlers Report 2019 tăng trưởng doanh số bán hàng đơn vị trung bình máy in 3D tăng với tốc độ hàng năm 87,3% từ 2008-2015 Thị trường giới đạt tỉ đô la năm 2017 (Wohlers Report, 2018) Riêng vật liệu bột polymer đạt 400 triệu la năm 2018 (Hình 1) Hình Sự tăng trưởng bột polyme in 3D Đơn vị: triệu đô la (Wholer Report 2019) Mặc dù RP có nhiều ưu điểm, có hạn chế độ xác(C K Chua, 2010) Đặc biệt, phương pháp in 3D dùng bột chất kết Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi dính có độ xác kích thước chất lượng bề mặt mẫu không cao Báo cáo nghiên cứu nâng cao độ xác kích thước mẫu "rỗng" tạo phương pháp 3D với khích thước từ 10 đến 100 mm Phạm vi kích thước nhỏ từ đến 10 mm kích thước lớn 100 mm đề cập ởbáo cáo khác Mục đích nghiên cứu lập phương trình sai số cho kích thước từ 10mm đến 100 mm Từ xác định sai số cho kích thước in cụ thể để hiệu chỉnh vẽ thiết kế đạt kích thước có độ xác a =±0.1 mm PHƯƠNG PHÁP VÀ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu thực máy in ZPrinter 310 Plus Vật liệu in bột High Performance Composite ZP150 (Hình 2) chất kết dính ZB60 Hạt bột có kích thước đường kính trung bình 100 m (Mitch Heynick and Ivo Stotz, 2000) Bề dày lớp in 0,1mm Nghiên cứu hoàn thành phương pháp thực nghiệm Trong lĩnh vực công nghệ chế tạo máy, sau loạt chi tiết gia công, sai số thường xẩy hai dạng: 1) Kích thước khác với kích thước danh nghĩa, 2) dung sai lớn dung sai yêu cầu (Hình 3) E: Sai số kích thước; a: miền phân bố kích thước yêu cầu (dung sai); a’: miền phân bố kích thước thực Đường bên phải đường phân bố kích thước yêu cầu; đường bên trái đường phân bố kích thước thực KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 253 Hình Bộ in ZP 150 Mục đích thí nghiệm 1) dịch chuyển đường phân bố kích thước thực (bên trái) trùng với đường phân bố kích thước yêu cầu (bên phải) để Hình Dịch chuyển sai số Hình Mẫu in phần tư hình tháp bậc Phương pháp in 3D dùng vật liệu bột phương pháp cho sai số lớn phương pháp in 3D Cụ thể: - Hệ thống Stereolithography : ±100 µm (John A Slotwinski) - Hệ thống FDM (Fused Deposition Modelling): (± 0.l27 ÷ ± 0.356 mm) (Stratasys, 2000) - Hệ thống ZPrinter (Powder): ± 0.5 mm Để khảo sát kích thước mẫu in có kích thước từ 10 đến 100 mm cho phương X, Y, Z, tác giả 254 Hình Sai số kích thước dung sai sai số E=0 (hình 4); 2) giảm miền phân bố thực a’ nhỏ miền phân bố thực a (hình 5) Hình Giảm miền phân bố thực Hình Mẫu in rỗng dùng mẫu thí nghiệm phần tư hình tháp bậc, bậc 10 mm (Hình 6) Với mẫu lần in đo kích thước từ 10 đến 100 mm cho phương X, Y, Z Trong thí nghiệm này, mẫu rỗng in với bề dày lớp in (Layer thickness) 0.1016 mm 0.0889 mm (Hình 7) Để giảm số lượng thí nghiệm, tác giả áp dụng mảng trực giao (orthogonal array) phương pháp Taguchi Kết mẫu in vị trí Hình KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Hình Sơ đồ bố trí mẫu in khoang ∆X = 0.0001*X0 + 0.3381 (1.1) ∆Y = 0.0026*Y0 + 0.2042 (1.2) ∆Z = 0.0026*Z0 - 0.0129 ∆Z = 5*10-05Z02 0.0027*Z0+ 0.0948 (1.3) - ∆X, ∆Y, ∆Z: Sai số trục X, Y, Z (mm) - X0, Y0, Z0: Kích thước danh nghĩa (mm) Áp dụng hệ phương trình sai số (1.1-1.3) để tính sai số cho kích thước cụ thể, hiệu chỉnh kích thước vẽ thiết kế, sau in mẫu Kết (Hình 9) cho thấy sai số mẫu thỏa yêu cầu độ yêu cầu a =±0.1 mm Đường phía đường sai số trước hiệu chỉnh có sai số lớn Đường phía đường sai số sau hiệu chỉnh có sai số phạm vi mong muốn Compare X-axis X-axis before X-axi s after 0.5 Deviation (mm) Sau in, mẫu đo máy FARO ARM (độ xác ±0.013 mm) Kết cho thấy mẫu in vị trí số có độ xác cao Từ rút kết luận, mẫu có vị trí hướng in vị trí số áp dụng để khảo sát cho hình tháp đặc hình tháp rỗng Các bước thí nghiệm: 1) in mẫu 2) xử lý mẫu đo 3) thu thập liệu, tính tốn sai số Nếu sai số đạt ±0.1 mm dừng thí nghiệm, chưa đạt lập phương trình quan hệ sai số kích thước danh nghĩa 4) Tính tốn kích thước hiệu chỉnh thiết kế CAD dựa vào phương trình sai số bước 5) In mẫu với kích thước tính tốn bước 6) quay trở lại bước 2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1) Mẫu rỗng với bề dày lớp in 0.1016 mm Sau tiến hành thí nghiệm qua bước trên, tác giả lập phương trình sai số cho mẫu rỗng sau: 0.4 0.3 0.2 0.1 -0.1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Dimension (mm) Compare Y-axis Y-axi s before Compar e Z-axis Y-axis after Z-axis before Z-axis a fter 0.4 0.4 Deviation (mm) Deviation (mm) 0.5 0.3 0.2 0.1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Dimension (mm) 0.3 0.2 0.1 -0.1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Dimension (mm) Hình So sánh sai số trước sau hiệu chỉnh với bề dày lớp in 0.1016 mm 2) Mẫu rỗng với bề dày lớp in 0.0889 mm Thí nghiệm tiến hành tương tự trên, khác bề dày lớp in 0.0889 mm Phương trình sai số trường hợp là: KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 255 cầu dung sai a =±0.1 mm Compare the deviation of X-axis 0.6 0.5 Deviation (mm) ∆X = 0.0027*X0 + 0.1779 (2.1) ∆Y = 0.0038*Y0 + 0.1295 (2 2) ∆Z = 0.0025*Z0 + 0.0108 (2.3) - ∆X, ∆Y, ∆Z: Sai số trục X, Y, Z (mm) - X0, Y0, Z0: Kích thước danh nghĩa (mm) Hệ phương trình sai số (2.1-2.3) để áp dụng để tính sai số cho kích thước cụ thể, hiệu chỉnh kích thước vẽ thiết kế, sau in mẫu Kết cho thấy (Hình 9) sai số mẫu thỏa yêu 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 Nominal dimension (mm) Withou t CAD co rrectio n Compare th e dev iatio n of Y-axis With CAD corre cti on Compare the d eviation of Z-axis 0.40 0.6 0.30 0.4 Deviation (mm) Deviation (mm) 0.5 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.20 0.10 0.00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -0.10 -0.2 Nominal dimesion (mm) Nomi nal dimension (mm) Without C AD correcti on Without CAD correction Wi th CAD correcti on With CAD correction Hình 10 So sánh sai số trước sau hiệu chỉnh với bề dày lớp in 0.0889 mm Đường phía trên: trước hiệu chỉnh Đường phía dưới: sau hiệu chỉnh 3) Thẩm định kết Để thẩm định phân bố miền dung sai sau hiệu chỉnh, mẫu hình lập phương rỗng với kích thước 40x40x30 mm mẫu hình lập phương rỗng kích thước hiệu chỉnh(X = 39.5993, Y = 39.7670, Z = 29.7766) in với bề dày lớp in 0.0889 mm Hình 11 Mẫu in Kết cho Hình 12 Từ hình 12, ta thấy sau hiệu chỉnh kích thước vẽ thiết kế sai số chế tạo E giảm gần khơng, nghĩa giá trị trung bình phân bố 256 kích thước dịch chuyển gần kích thước danh nghĩa, cho trục Dung sai thỏa điều kiện đặt a=±0.1mm KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Probabil ity density function of X=40 mm 12 Gauss Function f(x) 10 39.9 0.0 40.1 40 40.3 40 4 0.5 Nom inal dim ension (m m) f(x ) after f(x ) bef ore Probabi lity density function of Y=40 mm 12 Gauss Functionf(y) 10 39.9 40 40 40 40.3 40.4 Nomina l di mension (m m) f(y) before f(y) after Probability density function of Z= 30 mm 12 Gauss Function f(z) 10 29.9 30 30 0.2 30.3 30.4 30 Nomina l dimension (mm) f(z ) after f(z) befor e Poly (f(z ) after) Hình 12 Sự phân bố kích thước trước sau hiệu chỉnh trục X, Y, Z Đường bên trái: trước hiệu chỉnh Đường bên phải: sau hiệu chỉnh KẾT LUẬN Sau hiệu chỉnh tối ưu hóa thơng số máy in, độ xác kích thước mẫu in chưa đạt mong muốn Các sai nguyên nhân gây sai số kết cấu truyền động khí khơng xác, rung động máy làm việc, chất kết dính lan bên ngồi biên dạng cần in, bề dày lớp in, tốc độ in, … Để khắc phục nguyên nhân này, tác giả đưa phương pháp điều chỉnh khâu thiết kế tạo hình 3D Để tính sai số cho kích thước danh nghĩa khoảng từ 10 đến 100 mm, tác giả lập phương trình sai số Người sử dụng máy sử dụng phương trình để tính sai số cho kích thước cụ thể, sau điều chỉnh thiết kế CAD để sau in có mẫu đạt độ xác kích thước đặt ban đầu ±0.1mm Như mục đích thí nghiệm đạt thỏa mãn độ xác đặt Đối với chi tiết đặc có kích thước lớn hơn, sai số kích thước lớn hơn, tiếp tục nghiên cứu báo cáo khác KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 257 TÀI LIỆU THAM KHẢO C K Chua, et al (2010), Rapid Prototyping - Principles and Applications, ISBN-13 978-981-277-897-0 World Scientific Publishing Co D.T Pham & S.S Dimov, Rapid Prototyping – A time compression tool Technology and Innovation, p.43-48 D.T Pham and S.S Dimov (2001), Rapid Manufacturing: The Technologies and Applications of Rapid Prototyping and Rapid Tooling, ISBN-13: 978-1-4471-1182-5 Springer John A Slotwinski, Materials Standards for Additive Manufacturing, PDES, Inc Workshop March 14, 2013 Mitch Heynick and Ivo Stotz, 3D CAD, CAM and Rapid Prototyping LAPA Digital Technology Seminar Workshop 1: Mai 10 & 11 2000 Wohlers report 2018 Abtract: AN INVESTIGATION OF IMPROVING THE DIMENTION ACCURACY OF PARTS PRODUCED BY 3D-PRINING WITH SIZE FROM 10 TO 100 MM With the global competition for saving cost and time, Rapid Prototyping (RP) has emerged as a key enabling technology, with its ability to shorten product design and development time Although RP has many advantages, it has also some disadvantages such as the accuracy of models or parts Especially, the 3DPrinting method based on powder and binder has not very high accuracy in both dimension and surface finish This work carries out an investigation of improving the accuracy of hollow parts in 3D printing for products with sizes from 10 to 100mm Keywords: rapid prototyping, accuracy issue, 3D-Printing, dimensional accuracy, ZPrinter 310 Plus Ngày nhận bài: 08/8/2019 Ngày chấp nhận đăng: 12/9/2019 258 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC ... thực Hình Mẫu in rỗng dùng mẫu thí nghiệm phần tư hình tháp bậc, bậc 10 mm (Hình 6) Với mẫu lần in đo kích thước từ 10 đến 100 mm cho phương X, Y, Z Trong thí nghiệm này, mẫu rỗng in với bề dày... tốn kích thước hiệu chỉnh thiết kế CAD dựa vào phương trình sai số bước 5) In mẫu với kích thước tính tốn bước 6) quay trở lại bước 2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1) Mẫu rỗng với bề dày lớp in 0 .101 6 mm. .. chỉnh, mẫu hình lập phương rỗng với kích thước 40x40x30 mm mẫu hình lập phương rỗng kích thước hiệu chỉnh(X = 39.5993, Y = 39.7670, Z = 29.7766) in với bề dày lớp in 0.0889 mm Hình 11 Mẫu in