Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3d công nghệ FDm đến độ bền uốn của sản phẩm nhựa PLA

Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3d công nghệ FDm đến độ bền uốn của sản phẩm nhựa PLA Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3d công nghệ FDm đến độ bền uốn của sản phẩm nhựa PLA Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3d công nghệ FDm đến độ bền uốn của sản phẩm nhựa PLA Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3d công nghệ FDm đến độ bền uốn của sản phẩm nhựa PLA

TĨM TẮT Cơng nghệ in 3D, cịn gọi AM (sản xuất bồi đắp), đóng vai trị quan trọng cách mạng công nghiệp lần thứ tư Trong số cơng nghệ in 3D, Mơ hình hợp lắng đọng (FDM) phổ biến FDM sử dụng rộng rãi để sản xuất thành phần cách nung nóng, ép đùn lắng đọng sợi nhựa nhiệt dẻo Chất lượng sản phẩm AM nói chung FDM nói riêng phụ thuộc nhiều vào thơng số q trình chế tạo sản phẩm Các đặc tính sản phẩm tạo công nghệ FDM tạo nên việc xử lý thơng số in Trong q trình xử lý tham số cần phải nghiên cứu để tối ưu nâng cao chất lượng sản phẩm Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng thông số q trình in đến tính chất uốn thành phần tạo công nghệ in FDM nghiên cứu vật liệu axit polylactic (PLA) Trong nghiên cứu thông số chọn số lớp thành, lớp in , nhiệt độ đùn, mật độ điền đầy kiểu điền đầy nghiên cứu Dùng phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố sử dụng để thiết kế thí nghiệm đánh giá mức độ ảnh hưởng thơng số đến độ xác chi tiết mẫu in 3D Từ thí nghiệm ta thấy số thông số xem xét, có thơng số (kiểu điền đầy) ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính uốn chi tiết  Kết nghiên cứu sử dụng làm liệu cài đặt thông số in 3D sở cho nghiên cứu ABSTRACT Abstract 3D-printing technologies, also known as AM (additive manufacturing), are playing an important role in the fourth industrial revolution Among the 3Dprinting technologies, Fused Deposition Modeling (FDM) is the most popular FDM is widely employed to produce components by heating, extruding, and depositing filaments of thermoplastic polymers The quality of the production AM products in general and FDM in particular depends very much on the parameters during product manufacturing The properties of FDM-produced parts are significantly influenced using the processing parameters These processing parameters have conflicting advantages that need to be investigated In this study, the effect of the process parameters on the flexural properties of components produced by the FDM technique is investigated using polylactic acid (PLA) In the investigation, The parameters are selected choose is the vertical shell, solid layer top, temperature extruder, infill density, and infill pattern are considered Use the single-element empirical method used to design experiments and evaluate the influence of each of these parameters on product accuracy It is observed that among the considered parameters, only one parameter (infill pattern) significantly influences the flexural properties of the model The results of this study can be used as 3D printing parameter setting data and also the basis for further studies MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM TẠ TÓM TẮT ABSTRACT MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG Chương Error! Bookmark not defined TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1 Tổng quan tình hình cơng nghệ in 3D 1.1.1 Công nghệ In 3D và ứng dụng thực tế 1.1.2 Ứng dụng công nghệ in 3D sản xuất và đời sống 1.2 Các công nghệ in 3D phổ biến 1.2.1 Dựa sở vật liệu dạng lỏng : 1.2.2 Dựa sở vật liệu dạng khối : 1.2.3 Dựa sở vật liệu dạng bột .5 1.2.4 Dựa sở vật liệu dạng SỢI 1.3.Tính cấp thiết đề tài: 1.4 Các nghiên cứu nước: 1.4.1.Các nghiên cứu nước: 1.4.2.Các nghiên cứu ngoài nước: 10 1.5 Mục đích nghiên cứu đề tài 11 1.6 Nhiệm vụ nghiên cứu giới hạn đề tài 11 1.6.1.Nhiệm vụ nghiên cứu: 11 1.6.2 Giới hạn đề tài: 11 1.7 Phương pháp nghiên cứu 12 CHƯƠNG 13 2.1 Cơ sở lý thuyết công nghệ in FDM 13 2.1.1 Ưu điểm 13 2.1.2 Nhược điểm 13 2.1.3 Nguyên lý hoạt động máy in 3D với công nghệ FDM 14 2.2 Các thông số kỹ thuật cần lưu ý chọn máy in 3D (FDM) 15 2.3 Độ bền chi tiết in 3D 15 2.3.1 Khái quát độ bền chi tiết in 3D 15 2.4 Thông số công nghệ 16 2.5 Các loại vật liệu in 3D 17 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẪU THỬ .19 3.1 Thiết kế chế tạo mẫu thử phương pháp in 3D công nghệ FDM 19 3.1.1 Vật liệu tạo mẫu .19 3.1.2 Thông số máy in 3D dùng để in mẫu thử 20 3.2 Quy trình in mẫu thử 21 3.3 Chọn giải thích ý nghĩa thơng số in 24 3.4 Tiến hành in 30 3.5 Sản phẩm in 31 Chương Error! Bookmark not defined Tính tốn số lượng thí nghiệm .33 4.1 Phương pháp thử nghiệm độ bền uốn 33  4.2 Kết thử nghiệm 38 4.3 Nhận xét kết 40 4.3.1 Khi thay đổi bề dày lớp in 40 4.3.2 Khi thay đổi lớp in 42 4.3.3 Khi thay đổi Tỷ lệ điền đầy 43 4.3.4 Khi thay đổi Kiểu điền đầy 44 4.3.5 Khi thay đổi kiểu in lớp và 46 4.3.6 Khi thay đổi nhiệt độ đầu đùn .47 4.3.8 Khi thay đổi Lớp in 50 4.3.9 Khi thay đổi lớp in 51 Chương 52 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 53 5.1 Kết luận 53 5.2 Hướng phát triển đề tài 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải nội dung ASTM D790-15 Tiêu chuẩn mỹ kiểm tra độ bền uốn nhựa Đơn vị 𝜎 Ứng suất uốn lớn mẫu thử (MPa) P Tải trọng lớn điểm phá hủy (N) L Khoảng cách gối đỡ b Bề rộng mẫu thử (mm) d Bề dày mẫu thử (mm) PLA Polylactic axit MFI Chỉ số chảy FDM Fused Deposition Modeling (mm) DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1 Một số sản phẩm công nghệ in 3D Hình Demo máy bay drone hãng hàng không Airbus Hình 3: Tên lửa in 3D Hình Xây nhà in 3D Contour Crafting .3 Hình 5: Nguyên lý hoạt động phương pháp SLA .4 Hình Nguyên lý hoạt động phương pháp LOM Hình 7.Nguyên lý hoạt động phương pháp tạo mẫu nhanh SLS Hình Nguyên lý hoạt động FDM Hình Hình ảnh minh họa tạo mơ hình mẫu máy FDM Hình Cấu tạo nguyên lý hoạt động FDM .14 Hình 2 Độ dày lớp (layer thickness) 17 Hình Vật liệu nhựa PLA 19 Hình Máy in 3D FDM .21 Hình 3.Thông số mẫu thử 21 Hình Thêm số lượng mẫu in để rút ngắn tổng thời gian in .23 Hình 5.Các kiểu in .25 Hình Hình minh họa lớp in 26 Hình Chỉnh sửa thơng số theo bảng 29 Hình Màn hình điều khiển thơng số q trình in .30 Hình Quá trình in thực tế 31 Hình 10 Sản phẩm in hoàn chỉnh 31 Hình 11 Đánh số mẫu in .32 Hình 1THỬ NGHIỆM ĐỘ BỀN UỐN VÀ KẾT QUẢ 33 Hình 2.Nguyên lí đo độ bền uốn 34 Hình Máy thử độ uốn ASTM D790-15 .35 Hình 4 Sản phẩm uốn bị phá hủy 35 Hình Biểu đồ kết kiểm nghiệm mẫu thử nhựa PLA 36 Hình Biểu đồ thể thay đổi độ bên uốn thay đổi bề dày lớp in 41 Hình Biểu đồ thể thay đổi độ bên uốn thay đổi Lớp in 42 Hình Biểu đồ thể thay đổi độ bên uốn thay đổi tỷ lệ điền đầy .43 Hình Biểu đồ thể thay đổi độ bền uốn thay đổi kiểu điền đầy .45 Hình 10 Biểu đồ thể thay đổi độ bền uốn thay đổi Kiểu in 47 Hình 11 Biểu đồ thể thay đổi độ bền uốn thay đổi nhiệt độ đầu đùn 48 Hình 12 Biểu đồ thể thay đổi độ bền uốn thay đổi lớp vỏ dọc 49 Hình 13 Biểu đồ thể thay đổi độ bền uốn thay đổi Lớp in 50 Hình 14 Biểu đồ thể thay đổi độ bền uốn thay đổi Lớp in 51 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Bảng điều chỉnh thông số in 27 Bảng 2.Các thông số in 27 Bảng 1.Thông sô kiểm tra độ bền uốn 37 Bảng Kết thử nghiệm độ bền uốn .38 Bảng Bảng kết mẫu số liệu 19 .40 Bảng 4 Bảng kết mẫu số liệu 19 .42 Bảng Bảng kết mẫu số liệu 19 mẫu 3, 4, .43 Bảng Bảng kết mẫu số liệu 19 mẫu 6, 44 Bảng Các kiểu in chọn .44 Bảng Bảng kết mẫu số liệu 19 mẫu .46 Bảng 9.Các kiểu in lớp chọn 46 Bảng 10 Bảng kết mẫu số liệu 19 mẫu 9, 10, 11 .47 Bảng 11 Bảng kết mẫu số liệu 19 mẫu 12, 13, 14 .49 Bảng 12 Bảng kết mẫu số liệu 19 mẫu 15, 16 50 Bảng 13 Bảng kết mẫu số liệu 19 mẫu 17, 18 51 Bảng 14 Bảng thông số in tối ưu 52 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1 Tổng quan tình hình cơng nghệ in 3D 1.1.1 Công nghệ In 3D và ứng dụng thực tế Công nghệ in 3D hay chế tạo đắp lớp, chuỗi công đoạn khác kết hợp để tạo vật thể ba chiều Các lớp vật liệu đắp chồng lên định dạng kiểm soát máy tính để tạo vật thể [1] Các sản phẩm có hình dạng bất kỳ, sản xuất từ mơ hình 3D nguồn liệu điện tử khác Hình 1 Một số sản phẩm công nghệ in 3D 1.1.2 Ứng dụng công nghệ in 3D sản xuất và đời sống • Ngồi mục đích thử nghiệm, thiết kế, tạo mẫu sản xuất số phận, công cụ lắp ráp đặc biệt, ngành công nghiệp ô tô sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất xe hoàn chỉnh Trên thực tế, xe tên Urbee minh chứng cho ứng dụng công nghệ in 3D Kiểu in Rectilinear Trung bình cộng 77 75.87 76 75 74 73 72 71 70 Độ bền uốn MPa 69 68 67.75 67 66 66.57 65 64 63 62 61 60 Honeycomb Line Rectilinear Kiểu điền đầy Hình Biểu đồ thể thay đổi độ bền uốn thay đổi kiểu điền đầy Nhận xét: 45 Từ biểu đồ ta thấy kiểu in Line cho độ bền uốn cao nhất; cao kiểu Rectilinear 13.33% (8,6 MPa); cao Honeycomb 16.68%  Đây thông số quan trọng ảnh hưởng nhiều đến độ bền uốn chi tiết  Kiểu in Rectilinear tạo nên lớp support khoảng hở, vách bên đường thẳng liền nghiêng 45° khơng có điểm giao nên độ bền không cao  Kiểu in Honeycomb tạo nên lớp support có khoảng hở tương đối, vách đường thẳng bị tách rời nên cho chi tiết có độ bền  Kiểu in Line tạo nên lớp support có khoảng hở tương đối, có vách đường liền có điểm giao Nên tính tốt độ bền uốn cao 4.3.5 Khi thay đổi kiểu in lớp và Bảng Bảng kết mẫu số liệu 19 mẫu Mẫu Kiểu in lớp và Kết (MPa) 19 Rectilinear 67.75 Concentric 53.58 Bảng 9.Các kiểu in lớp chọn 46 Trung bình cộng 80 67.75 70 60 53.58 Độ bền uốn MPa 50 40 30 20 10 Rectilinear Concentric Kiểu in Hình Biểu đồ thể thay đổi độ bền uốn thay đổi Kiểu in Nhận xét: o Khi đổi kiểu in lớp Rectilinear cuối thành Concentric, độ bền uốn giảm 26.58%  Đây thông số quan trọng ảnh hưởng nhiều đến độ bền uốn chi tiết  Kiểu in Concentric, Rectilinear tạo nên lớp support có khoảng hở tương tự kiểu Rectilinear có nhiều liên kết với lớp vỏ nên độ bền uốn cao 4.3.6 Khi thay đổi nhiệt độ đầu đùn Bảng 10 Bảng kết mẫu số liệu 19 mẫu 9, 10, 11 Nhiệt độ đầu đùn Mẫu Kết (MPa) 190 54.76 19 200 67.75 10 210 65.04 11 220 66.54 47 Trung bình cộng 80 70 67.75 66.54 ĐỘ bền uốn MPa 65.04 60 54.76 50 40 30 20 10 190 200 210 220 NHIỆT ĐỘ ĐẦU ĐÙN) Hình 10 Biểu đồ thể thay đổi độ bền uốn thay đổi nhiệt độ đầu đùn Nhận xét:  Khi giảm nhiệt độ đầu phun nhựa xuống 10° C (200-190) độ bền uốn giảm 27.21%  Khi tăng nhiệt độ đầu phun nhựa lên 10 20° C (200-210220) độ bền uốn chi tiết giảm 4.8% 2.5%  Nhiệt độ tối ưu để in nhựa PLA 200° 𝐶 48 4.3.7 Khi thay đổi Lớp vỏ dọc (Vertical shell) Bảng 11 Bảng kết mẫu số liệu 19 mẫu 12, 13, 14 Mẫu Lớp vỏ dọc Kết (MPa) 12 61.33 13 63.88 19 67.75 14 70.81 Trung bình cộng 72 70.81 70 67.75 68 Độ bền uốn MPa 66 63.88 64 62 61.33 60 58 56 54 Lớp vỏ dọc Hình 11 Biểu đồ thể thay đổi độ bền uốn thay đổi lớp vỏ dọc Nhận xét  Khi giảm lớp vỏ dọc chi tiết xuống lớp (3-1; 3-2) độ bền uốn giảm 11.25% 4.9%  Khi tăng lớp vỏ lên lớp (3-4) độ bền uốn tăng 5.4%  Từ nhận xét ta thấy tăng số Perimeters làm tăng độ bền uốn 49 4.3.8 Khi thay đổi Lớp in Bảng 12 Bảng kết mẫu số liệu 19 mẫu 15, 16 Mẫu Lớp in Kết (MPa) 15 64.80 19 67.75 16 71.70 Trung bình cộng 72 71.75 70 ĐỘ bền uốn MPa 68 67.75 66 64 64.80 62 60 Lớp in Hình 12 Biểu đồ thể thay đổi độ bền uốn thay đổi Lớp in Nhận xét:  Khi tăng số lớp in lên lớp, độ bền uốn chi tiết tăng 6.48%  Khi giảm số lớp in xuống lớp, độ bền uốn chi tiết giảm 4.9%  Tăng số lớp làm tăng độ bền chi tiết 50 4.3.9 Khi thay đổi lớp in Bảng 13 Bảng kết mẫu số liệu 19 mẫu 17, 18 STT Lớp in Kết (MPa) 17 61.58 19 67.05 18 70.05 Trung bình cộng 70 68 70.05 67.75 66 Độ bền uốn MPa 64 62 61.58 60 58 56 Lớp in Hình 13 Biểu đồ thể thay đổi độ bền uốn thay đổi Lớp in Nhận xét:  Khi giảm số lớp xuống lớp (2-1), độ bền uốn chi tiết giảm 9.15%  Khi tăng số lớp lên lớp (2-3), độ bền uốn chi tiết tăng 2.88%  Tăng số lớp làm tăng độ bền chi tiết  Kết luận: Vậy thông số in để có độ bền uốn cao 51 Bảng 14 Bảng thơng số in tối ưu THƠNG SỐ GIÁ TRỊ TỐI ƯU Chiều cao lớp in Chiều cao lớp in 0.4 Chiều cao lớp in 0.4 Infill Tỷ lệ điền đầy%) 80 Kiểu in Line Kiểu in Rectilinear Nhiệt độ Đầu phun 200 Lớp vỏ dọc Lớp vỏ dọc Lớp vỏ ngang Lớp vỏ in Lớp vỏ in 52 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 5.1 Kết luận Trong đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D công nghệ FDM đến độ bền uốn sản phẩm nhựa PLA”, hướng hoàn toàn phù hợp có ý nghĩa với thực tế sản xuất nên trọng nghiên cứu, đào tạo ứng dụng ngành sản xuất sản phẩm nhựa Việt Nam Do đó, Đề tài giải vấn đề sau : - Thiết kế, chế tạo mẫu in 3D vật liệu nhưa PLA: Từ thiết kế file mơ hình 3D đến thiết lập thông số in - Hiểu nguyên lý hoạt động công nghệ in FDM thiết lập thông số in - Thử nghiệm độ bền uốn mẫu thử theo tiêu chuẩn ASTM D790 - Khảo sát ảnh hưởng thông số in tới độ bền uốn sản phẩm.Trong thông số nghiên cứu kiểu in Infill Pattern ảnh hưởng đến độ bền uốn cao chi tiết  Kết nghiên cứu sử dụng làm liệu cài đặt thông số in 3D sở cho nghiên cứu 5.2 Hướng phát triển đề tài Do thời gian điều kiện nghiên cứu hạn chế nên đề tài cịn nghiên cứu với hướng sau: - Vẫn cịn có nhiều loại thông số in phần mềm chưa in thực nghiệm để tiến hành kiểm nghiệm độ bền Do hạn chế thời gian in chi phí kiểm nghiệm độ bền uốn cao - Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in đến độ bền uốn sản phẩm nhựa khác ABS, FET 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh: [1] Tomas Webbe Kerekesa, Hyoungjun Lima, Woong Yeol Joeb, Gun Jin Yuna (2019) ”Characterization of process–deformation/damage property relationship of fused deposition modeling (FDM) 3D-printed specimens” Additive Manufacturing 25 (2019) 532–544 [2] J M Chacó, M A Caminero, E García-Plaza, P J Núđez, “Additive manufacturing of PLA structures using fused deposition modelling: Effect of process parameters on mechanical properties and their optimal selection” Mater Des, 2017 124 143-157 [3] ASTM International (2016), Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials [4] H Kürşad Sezer , Oğulcan Eren (2019) “FDM 3D printing of MWCNT reinforced ABS nano-composite parts with enhanced mechanical and electrical properties” Journal of Manufacturing Processes 37 (2019) 339–347 [5] K J Christiyan, U Chandrasekhar, K Venkateswarlu, “A study on the influence of process parameters on the mechanical properties of 3D printed ABS composite”, In IOP Conference Series: Mater Sci Eng, 2016 114(1) [6] Khaled G Mostafaa , Carlo Montemagnob , Ahmed Jawad Qureshi (2018) “Strength to cost ratio analysis of FDM Nylon 12 3D Printed Parts” Procedia Manufacturing 26 (2018) 753–762 Trang wed [8] https://ultimaker.com/ [9] www.xyzprinting.com 54 55 56 57 58 59 ... - Nghiên cứu thông số in 3d công nghệ FDM vật liệu nhựa PLA - Độ bền uốn chi tiết in 3d phương pháp thử nghiệm chi tiết nhựa PLA - Đánh giá độ bền uốn sản phẩm nhựa Khi thay đổi thông số in ảnh. .. kết sợi in Sự thay đổi khoảng cách sợi in nguyên nhân gây thay đổi cấu trúc dẫn tới thay đổi độ bền đặc tính sản phẩm in  Nghiên cứu thông số làm việc ảnh hưởng đến độ xác sản phẩm máy in 3D hai... lý hoạt động máy in 3D với công nghệ FDM 14 2.2 Các thông số kỹ thuật cần lưu ý chọn máy in 3D (FDM) 15 2.3 Độ bền chi tiết in 3D 15 2.3.1 Khái quát độ bền chi tiết in 3D