Tối ưu hóa thông số quá trình SLM

Quá trình in 3D kim loại SLM là một quá trình phức tạp có rất nhiều thông số công nghệ khác nhau (130). Bài báo giới thiệu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến các chỉ tiêu độ cứng tế vi của quá trình SLM. Phần quan trọng của bài báo là việc lựa chọn các thông số công nghệ, cũng như việc phát biểu và giải bài toán tối ưu hóa thông số.

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Tối ưu hóa thơng số q trình SLM Optimization parameters of the SLM process Phan Thanh Minh1,*, Đặng Văn Nghìn2 Phịng thí nghiệm điều khiển số kỹ thuật hệ thống Viện học tin học ứng dụng, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam * Email: 1412310@hcmut.edu.vn Mobile: 0165 245 45 99 Tóm tắt Từ khóa: Độ cứng; Laser nóng chảy chọn lọc; Thiết kế thực nghiệm; Tối ưu hóa Q trình in 3D kim loại SLM q trình phức tạp có nhiều thơng số cơng nghệ khác (130) Bài báo giới thiệu ảnh hưởng thông số công nghệ đến tiêu độ cứng tế vi trình SLM Phần quan trọng báo việc lựa chọn thông số công nghệ, việc phát biểu giải tốn tối ưu hóa thơng số Abstract Keywords: Design of experiments; Hardness; Optimization; Selective Laser Melting The process of 3D metal SLM printing is a complex process that has a lot of different technological parameters (130) This paper presents the influence of technological parameters on the hardness of the SLM process The important part of the article is the selection of technological parameters, as well as the interpretation and solution of the optimization problem Ngày nhận bài: 29/06/2018 Ngày nhận sửa: 14/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Nguyên lý hoạt động SLM (Selective laser melting) Công nghệ in 3D kim loại SLM (Selective laser melting) giới thiệu giới với sáng chế DE 19649865 vào năm 1995 Cơng nghệ SLM hay cịn gọi cơng nghệ in 3D kim loại - mang nguyên lý công nghệ bồi đắp vật liệu AM (Additive Manufacturing) xây dựng sản phẩm cách chồng lớp vật liệu lên hoàn thành sản phẩm Các lớp tạo cách dùng chùm laser lượng cao làm nóng chảy cục vị trí laser chiếu điều kiện chân khơng khí trơ, kim loại bột có độ rỗng định sau laser qua bị làm nóng chảy hóa rắn tạo thành vật liệu mang tính chất kim loại đặc khối Sơ đồ nguyên lý cơng nghệ SLM thể hình HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Sơ đồ nguyên lý trình SLM 1.2 Các thơng số cơng nghệ Hình Các thơng số trình SLM [1] Hình Sơ đồ thơng số q trình SLM: Cơng suất laser, khoảng cách quét, vận tốc quét chiều dày lớp bột [2] HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Có khoảng 130 thơng số chia làm nhóm có ảnh hưởng trực tiếp đến trình xây dựng chi tiết, cuối chất lượng chi tiết [1] Một số số vốn có vật liệu chọn tính dẫn nhiệt, trọng lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, cịn nhiều thơng số khác Rõ ràng tất chúng có tác động trực tiếp đến công việc xây dựng, cách để sửa đổi chúng 1.3 Các tiêu đánh giá Ảnh hưởng thông số công nghệ (TSCN) đến tính chất sử dụng (TCSD) tác giả Ning Yu [3] B AlMangour [4] nghiên cứu, khái quát rõ qua hình Chúng ta rút kết luận chung sau dẫn chứng thông tin đề cập mục qua rằng: Các TSCN có ảnh hưởng lớn định đến TCSD chi tiết tạo hình qua SLM Từ đó, để đạt tính chất mong muốn chi tiết tạo hình từ SLM, phải thiết lập TSCN thích hợp Hình thể cho thấy đường mũi tên kết nối TSCN với thuộc tính chất lượng sản phẩm (CLSP), TCSD mà TSCN ảnh hưởng mạnh Hình Ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đến CLSP TCSD Do việc tối ưu hóa thơng số q trình có ảnh hưởng ý nghĩa to lớn việc nâng cao suất chất lượng sản phẩm SLM 1.4 Bố trí thí nghiệm 1.4.1 Máy thí nghiệm Thí nghiệm thực máy SLM ( The national metal and Materials Technology Centre, Thailand) hình với thơng số kỹ thuật bảng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Máy SLM phát triển The national metal and Materials Technology Bảng Thông số kỹ thuật máy sử dụng SLM Loại Bước sóng Lazer Buồng cháy Sợi Lazer 1,064 Chế độ Công suất tối đa phơi Đường kính chùm trung bình CW xung ~ 300W ( CW ) ~ 80 ( Chất lượng chùm ) 1,05 Hệ thống lắng đọng bột Chiều dày lớp bột Recoater với scraper Tối thiểu ~100 Bàn máy làm việc Điều khiển mức độ Oxygen 100mm x 100 mm Dịng khí liên tục 1.4.2 Đặc tính bột Thép khơng rỉ 316L sử dụng thí nghiệm dạng bột qua xử lý (độ tinh khiết 99%) cho trình SLM Hình cho biết hình thái học bột thép khơng rỉ 316L Bột có dạng hình cầu kích thước hạt trung bình khoảng 36,6 μm Thành phần bột Fe cân đối, 16,9% Cr, Ni 10,9%, 2,1% Mo, 1,36% Mn, 0,46% Si, 0,029% P, 0,015% S, 0,016% C Bảng cho thấy giá trị số tính chất vật lý thép khơng gỉ 316L Hình a, Ảnh hiển vi SEM điển hình dạng hạt 316L SS b, hình ảnh phóng đại cao HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bảng Một số đặc tính vật lý thép khơng gỉ 360L ( Gusarow et al.2007) Mật độ ( 4700 ) 1,783 Điểm nóng chảy ( Nhiệt nóng ẩm nóng chảy Dẫn nhiệt nhiệt độ phòng ( 272,500 20 Nhiệt dung riêng nhiệt độ phòng ( 500 Hệ số phản xạ( R) 0,7 1.4.3 Mẫu Mẫu đánh giá phải có số yêu cầu cần phải có đạt như: - Kích thước quan trọng cần thực vừa đủ nhỏ để tạo điều kiện kiểm soát chất lượng có kích thước 10x10x10mm hình - Dễ đo lường, không tiêu tốn nhiều vật liệu thời gian tạo hình khơng q lâu Hình Mẫu sản xuất từ máy SLM để đo độ cứng, độ nhám bề mặt, độ xác độ xốp 1.4.4 Kiểm tra độ cứng tế vi Vickers Độ cứng mẫu 32 thép không gỉ 316L SLM xác định phương pháp kiểm tra độ cứng tế vi Vickers (ASTM C1327-03) với máy đo kiểm tra độ cứng tế vi (Mitutoyo AVK-C2) hình Độ cứng đo cách chịu tải trọng 400 g 15 giây Các vị trí lõm xác định cách sử dụng lưới 3x3 với khoảng cách 2,5 mm vị trí Hình Hình Chuẩn bị kiểm tra độ cứng cho chi tiết HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Máy kiểm tra độ cứng, Mitutoyo AVK-C2 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TỐN TỐI ƯU HĨA 2.1 Phát biểu tốn tối ưu hóa mục tiêu Mục tiêu tốn tối ưu hóa xác định giá trị thơng số công nghệ cho hàm mục tiêu đạt cực trị Hàm số mô tả quan hệ tiêu tối ưu thông số công nghệ gọi hàm mục tiêu Bài tốn tối ưu hóa phát biểu dạng toán học sau: Hàm xác định giá trị cho: Hàm mục tiêu: = (1) thỏa mãn: Ở báo ta dùng tiêu tối ưu là: Tối độ cứng chi tiết SLM 2.2 Giải tốn tối ưu hóa Bản chất cơng nghệ bồi đắp vật liệu nguyên lý bồi đắp theo lớp nên độ nhám bề mặt tương đối cao khó - cải thiện Vì tác giả nghiên cứu có Ning Yu [3] với cơng suất laser từ 80 - 200W, tốc độ quét từ 100 - 250 mm/s, khoảng cách quét từ 0,14 - 0,24mm chiều dày lớp bột từ 0,04 - 0,16 mm độ nhám bề mặt đạt từ 17 - 21 Hầu hết họ tập chung vào đặc tính quan trọng cơng nghệ mật độ, độ cứng, tốc độ tạo hình ta chọn tiêu tối ưu độ cứng ràng buộc là: Mật độ 99,3% Tốc độ tạo hình 2.2.1 Nhập liệu Thơng số q trình giới hạn bao gồm công suất lazer (25-225W), tốc độ quét (50-320 mm/s), khoảng cách quét (0,04 - 0,06 mm) chiến lược qt (có hay khơng chia vùng qt trung gian mặt cắt ) Số liệu lấy thí nghiệm [5] nhập vào sau: HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bảng Kí hiệu mức tương ứng thông số công nghệ Biến Công suất laser (W) Tốc độ quét (mm/s) Khoảng cách quét (mm) Chiến lược quét (mm) Xi X1 X2 X3 X4 Cấp Thấp (-) 75 80 0.04 (chia vùng quét trung gian mặt cắt) Cao (+) 175 200 0.06 10( quét xuyên suốt mặt cắt) Bảng Số liệu thí nghiệm nhập vào phần mềm minitab 2.2.2 Xử lý liệu Sau trình phân tích phương sai ta phương trình hồi quy tiêu độ cứng: Độ cứng: Y = 217,1 + 6,5X1 - 2,1X2 - X3 - 1,5X4 +b0,3X1X2 - 0,8X1X3 + 0,4X1X4 - 1,2X2X3 - 1,8X2X4 + 0,4X3X4 + 0,8X1X2X3 - X1X2X4 - 0,6X2X3X4 + 0,5X1X2X3X4 Kết độ nằm tin cậy Các tương tác không ảnh hưởng đáng kể đến kết (P > 0,05) bị loại bỏ khỏi phương trình KẾT QUẢ Sử dụng phần mềm Minitab để giải toán tối ưu ta nhận kết sau: Độ cứng đạt giá trị tối ưu Khi TSCN giá trị: (Chia vùng quét trung gian mặt cắt) Vậy thông số chế tạo: Công suất laser, tốc độ quét, khoảng cách quét chiến lược quét có ảnh hưởng đáng kể đến độ cứng chi tiết Và với điều kiện tối ưu công suất laser HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 175W, tốc độ quét 200mm/s, khoảng cách quét 0,04 mm chiến lược quét 5mm tạo chi tiết có độ cứng 228,3 HV HƯỚNG PHÁT TRIỂN Giải toán tối ưu hóa khác mật độ, tốc độ tạo hình tốn đa mục tiêu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C.Y.Yap, C.K.Chua., 2015 Review of selective laser melting: Materials and applications [2] Nesma T.Aboulkhai., 2014 Reducing porosity in AlSi10Mg parts processed by selective laser melting [3] Ning Yu., 2005 Process Parameter Optimization for Direct metal laser sintering [4] B AlMangour., 2016 EFFECT OF SCANNING METHODS IN THE SELECTIVE LASER MELTING OF 316L/TiC NANOCOMPOSITIES [5] Laohaprapanon, Apinya., 2011.Thailand : Prince of Songkla University Study of the Optimized Parameters of Stainless Steel 316L Powder for Rapid Prototyping Based on Selective Laser Melting Technique  ... BÀI TOÁN TỐI ƯU HĨA 2.1 Phát biểu tốn tối ưu hóa mục tiêu Mục tiêu tốn tối ưu hóa xác định giá trị thông số công nghệ cho hàm mục tiêu đạt cực trị Hàm số mô tả quan hệ tiêu tối ưu thông số công... tiêu Bài tốn tối ưu hóa phát biểu dạng toán học sau: Hàm xác định giá trị cho: Hàm mục tiêu: = (1) thỏa mãn: Ở báo ta dùng tiêu tối ưu là: Tối độ cứng chi tiết SLM 2.2 Giải toán tối ưu hóa Bản chất... KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Sơ đồ ngun lý q trình SLM 1.2 Các thơng số cơng nghệ Hình Các thơng số q trình SLM [1] Hình Sơ đồ thơng số q trình SLM: Cơng suất laser, khoảng cách qt, vận tốc