Thiết kế và thử nghiệm thông số in từ máy in 3d laser bột

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 VÀ THỬ NGHIỆM THÔNG SỐ IN TỪ MÁY IN 3D LASER BỘT MÃ SỐ: SV2020-77 SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 09/2020 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 VÀ THỬ NGHIỆM THÔNG SỐ IN TỪ MÁY IN 3D LASER BỘT MÃ SỐ : SV2020-77 Chủ nhiệm đề tài: Bùi Tuấn Kiệt TP Hồ Chí Minh, tháng 9/2020 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 VÀ THỬ NGHIỆM THÔNG SỐ IN TỪ MÁY IN 3D LASER BỘT MÃ SỐ : SV2020-77 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật SV thực hiện: Bùi Tuấn Kiệt SV thực hiện: Nguyễn Thành Lập SV thực hiện: Nguyễn Quang Tuyến SV thực hiện: Phạm Lê Anh Khoa SV thực hiện: Võ Tấn Pháp Nam, Nữ: Nam Nam, Nữ: Nam Nam, Nữ: Nam Nam, Nữ: Nam Nam, Nữ: Nam Khoa Đào tạo Chất lượng cao Năm thứ: 04/Số năm đào tạo: 04 Ngành học: Kỹ thuật khí Người hướng dẫn: ThS Hồ Ngọc Thế Quang TP Hồ Chí Minh, tháng 9/2020 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU v DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ vi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tởng quan tình hình cơng nghệ in 3D 1.2 Phân loại thiết bị công nghệ in 3D Việt Nam giới 1.2.1 Fused Deposition Modeling (FDM) .4 1.2.2 Stereolithography (SLA) 1.2.3 Digital Light Processing (DLP) 1.2.4 Selective Laser Sintering (SLS) .7 1.2.5 Selective Laser Melting (SLM) 1.3 Giới thiệu vật liệu ứng dụng công nghệ in 3D 12 1.3.1 Polymer: 12 1.3.2 Kim loại 13 1.3.3 Các vật liệu khác .13 1.4 Lí chọn đề tài .13 1.5 Mục tiêu đề tài 13 1.6 Phương pháp nghiên cứu .13 1.7 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 14 1.8 Kết cấu ĐATN 14 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15 2.1 Nguyên lí tạo vật thể ba chiều từ vật liệu dạng hạt 15 2.1.1 Thiêu kết Laser .15 2.1.2 Nung chảy Laser 16 2.1.3 Nung chảy chùm tia điện tử 19 2.2 Vật liệu bột nhựa 19 2.2.1 Giới thiệu chung 19 i 2.2.2 Đặc tính hóa lí 19 CHƯƠNG LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN, TÍNH TỐN 22 3.1 Thiết kế mẫu thử 22 3.1.1 Thông số mẫu thử 22 3.1.2 Chế tạo mẫu thử 22 3.2 Bảng thiết kế thông số in .23 3.2.1 Các thông số mức độ thay đổi 23 3.2.2 Phần mềm in 31 3.2.3 Cài đặt thông số máy .32 3.2.4 Chọn giải thích thơng số in phần mềm 34 3.3 Phần mềm điều khiển 46 3.3.1 Tính phần mềm Mach3 CNC: 46 3.3.2 Yêu cầu cấu hình máy tính bàn để chạy phần mềm Mach3 CNC ổn định: 46 3.3.3 Giao diện phần mềm Mach3: 47 3.3.4 Sử dụng phầm mềm để thử nghiệm hoạt động máy .56 CHƯƠNG 4: VẬN HÀNH MÁY VÀ CHẾ TẠO MẪU 58 4.1 Xuất Fie Gcode chỉnh sửa .58 4.1.1 Tiến hành xóa dịng lệnh thừa : 58 4.1.2 Thêm câu lệnh chuẩn máy in 60 4.1.3 Nhập đoạn Gcode hạ bàn máy , gạt bột, bật đầu lazer .61 4.1.4 Chỉnh sửa tốc độ chạy không G0: 64 4.2 Đưa Gcode chỉnh sửa vào máy: 65 4.3 Set up chuẩn máy 65 4.4 Một số hình ảnh vận hành máy 66 4.4.1 Set up bàn máy: 66 4.4.2 Hình ảnh thực tế in: 69 4.4.3 Sản phẩm sau in .72 4.4.4 Rút kết luận 73 ii CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 76 5.1 Kết luận 76 5.2 Khuyến nghị 77 iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT FDM: Fused Deposition Modeling SLA: Stereolithography DLP: Digital Light Processing SLS: Selective Laser Sintering SLM: Selective Laser Melting EBM: Electron Beam Melting LOM: Laminated Object Manufacturing BJ: Binder Jetting MJ: Material Jetting / Wax Casting CN: Công Nghệ iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: So sánh công nghệ in 3D truyền thống Bảng 1.2: Thống kê tình hình chế tạo máy in 3D Việt Nam giới Bảng 2.1: Đặc tính nhựa PE Bảng 3.1: Các mức độ thay đổi phương pháp Taguchi Bảng 3.2: Bảng thiết kế thông số in Bảng 3.3: Các mức độ thay đổi phương pháp Taguchi Bảng 3.4: Sắp xếp giá trị mức độ vào mảng trực giao tạo Bảng 3.5: Các mức độ thay đổi đầu vào phương pháp đơn biến Bảng 3.6: Thông số in theo phương pháp đơn biến v DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1.1: Máy in 3D Fused Deposition Modeling (FDM) Hình 1.2: Máy in 3D Stereolithography (SLA) Hình 1.3: Máy in 3D Digital Light Processing (DLP) Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động cơng nghệ in 3D SLS[6] Hình 1.5: Máy in 3D Selective laser melting (SLM) Hình 1.6: Cơng nghệ in 3D sử dụng Hình 1.7: Dịng máy in 3D Systems ProX DMP 320 Hình 1.8: Các dịng máy Scan ATOS GOM Hình 1.9: Dịng máy MakerBot Hình 1.10: Dịng máy Creatbot Hình 2.1: Sơ đồ ngun lý hoạt động cơng nghệ in 3D SLS[6] Hình 2.2 : Ngun lý cơng nghệ SLM[7] Hình 3.1: Thơng số mẫu thử Hình 3.2: Dựng file 3D phần mềm inventor Hình 3.3: Xuất file thành STL Hình 3.4: Khởi động phần mềm Hình 3.5: Thiết lập mục để chọn số lượng yếu tố mức độ Hình 3.6: Chọn số lượng yếu tố mức độ Hình 3.7: Nhấn Design để xuất bảng chọn mảng trực giao Hình 3.8: Tạo mảng trực giao Hình 3.9: Mảng trực giao hồn chỉnh Hình 3.10: Chọn loại máy Hình 3.11: Chọn thơng số máy Hình 3.12: Thiết lập khung bàn máy Hình 3.13: Thiết lập đầu phun vi Hình 3.14: Lấy sản phẩm từ file STL Hình 3.15a: Chọn mục điền thơng số in Hình 3.15b: Điền thơng số in Hình 3.16: Thiết lập mục Quality Hình 3.17: Hình minh họa Layer Height Hình 3.18: Hình minh họa Initial Layer Height Hình 3.19: Thiết lập mục Shell Hình 3.20: Hình minh họa Wall Thickness Hình 3.21: Số lớp thành ngồi (trong hình lớp) Hình 3.22: Thiết lập mục Infill Hình 3.23: Hình minh họa Infill Density Hình 3.24: Tỉ lệ điền đầy tăng dần số kiểu in Hình 3.25: Kiểu in Line Hình 3.26: Tiến hành tách lớp Hình 3.27: Lưu file Gcode Hình 3.28: Lỗi driver mach3 máy tính chưa cài đặt Hình 3.29: Giao diện làm việc Mach3 Hình 3.30: Tab chọn cởng điều khiển Bảng Ports and Pins Hình 3.31: Tab điều chỉnh thông số chân mạch giao tiếp Hình 3.32: Tab xác định tín hiệu điều khiển bảng Ports and Pins Hình 3.33: Tab cài đặt cho Spindle Hình 3.34: Các bước để chỉnh đơn vị đo Hình 3.35: Giao diện bảng Motor Tunning Hình 3.36: Thơng số trục X phần Motor Tunning Hình 3.37: Thơng số trục Y phần Motor Tunning Hình 3.38: Thơng số trục Z phần Motor Tunning vii 4.2 Đưa Gcode chỉnh sửa vào máy: Hình 4.8: Load Gcode vào phần mềm Sau chỉnh sửa code xong, ta tiến hành đưa Code vào phần mềm điều khiển Ở hình làm việc phầm mềm, ta click vào ô Load Gcode để đưa code vào Ở mục Feed Rate, Spindle Speed ta nhấp giữ vào kéo thả chuột để tăng giảm tốc độ hay nhiệt độ Laser 4.3 Set up chuẩn máy Để Set up chuẩn máy trước in, ta chọn mục MDI cơng cụ 65 Hình 4.9: Set up chuẩn máy - Dùng phím bàn phím máy tính để di chuyển trục máy - Mũi tên  dùng để di chuyển trục X - Mũi tên  dùng để di chuyển trục Y - Phím Page Up, Page Down để di chuyển trục Z Sau dùng phím điều hướng để di chuyển đầu Laser đến vị trí cần làm chuẩn, ta ấn vào ô ZeroX, ZeroY, ZeroZ, Zero4 bảng điều khiển - Lưu ý: Zero4 trục A (gạt bột)  Sau set chuẩn, load gcode ta ấn Nút Cycle Start để tiến hành in mẫu 4.4 Một số hình ảnh vận hành máy 4.4.1 Set up bàn máy:  Bước 1: Đầu tiên phải tạo độ kết dính cho đế sản phẩm với bàn máy Để độ kết dính ởn định, nhóm dùng keo sữa 66 Hình 4.10: Keo sửa Hình 4.11: Trét keo cho bàn máy  Bước 2: Cho gạt ,gạt lớp bột 67 Hình 4.12: Gạt lớp bột Sau trét keo, ta nhập lệnh A375 F1000 để gạt bột lớp để keo dính bột A0 F1000 để đưa gạt bột trở 68 4.4.2 Hình ảnh thực tế in: Hình 4.13 : Đường in Hình 4.14: Lớp in 69 Hình 4.15: Điền lớp Infill cho sản phẩm Hình 4.16: Điền lớp Shell cho sản phẩm 70 Hình 4.17: Lớp in cuối Hình 4.18: Hồn thành sản phẩm 71 4.4.3 Sản phẩm sau in Hình 4.19: Đánh số mẫu thử Hình 4.20: Các mẫu thử đánh số 72 4.4.4 Rút kết luận Sản phẩm in với thông số khác nhau, ta thấy thiêu kết vật liệu bị ảnh hưởng nhiều yếu tố: Tính chất vật liệu ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm, có kích thước hạt vật liệu Nhóm sử dụng loại vật liệu nhựa PE, loại nhựa phổ biến giới, giá thành rẻ, dùng để sản xuất đồ gia dụng không ứng dụng làm vật liệu in 3D SLS tính chất khơng đạt yêu cầu (hoạt động thiêu kết không lý tưởng, bị lão hóa tác dụng oxi khơng khí, nhiệt dẫn đến dịn dễ nứt, độ bám dính kém, xốp) Bột vật liệu nhóm dùng thơ, xốp Chính điều dẫn đến chất lượng sản phẩm sau thiêu kết Độ dày lớp in, tốc độ thiêu kết, ảnh hưởng đến hình thành sản phẩm Đặc biệt bề dày lớp in 0.8mm Hình 4.21: Sản phẩm lớp in 0.8 Ta nhận thấy khả kết dính lớp Shell lớp in fill Qua sản phẩm thử nghiệm in với nhiều thông số khác nhau, ta mơ tả hình thành thiêu kết Hình 4.22 Lớp bột ban đầu có chiều cao a, với tốc độ quét Laser X mm/phút lớp thiêu kết hình thành bị co lại có chiều cao b Nguyên nhân tốc độ quét chậm dẫn đến mật độ lượng tập trung 73 tiết diện khoảng thời gian lớn làm chảy lớp bột, mặt khác bột có tính chất xốp nên nóng chảy thể tích co lại Hình 4.22: Mơ tả hình thành thiêu kết Nhiệt độ ảnh hưởng đến hình thành thiêu kết 74 Hình A: Bình thường Hình C: Q nhiệt Hình B: Khơng đủ nhiệt Hình D: Vật liệu liên kết Hình 4.23: Ảnh hưởng nhiệt độ đến hình thành thiêu kết[8] 75 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Nội dung đồ án thực suốt kỳ học vừa qua trình làm việc nghiên cứu cách nghiêm túc Để thực nội dung đồ án địi hỏi em phải trang bị cho kiến thức từ đến nâng cao nhiều lĩnh vực Từ nghiên cứu công nghệ in 3D ứng dụng đến việc phải tìm hiểu sử dụng thành thạo phần mềm ứng dụng, tìm hiểu cơng nghệ in Việc giải thành công vấn đề mang lại cho em có thêm kiến thức định trước thử thách thực tế chờ đợi bước áp dụng vào thực tế sản xuất Tuy vậy, thời gian ngắn vừa qua em chưa trang bị cách đầy đủ, chưa đủ điều kiện để giải trọn vẹn tất yêu cầu thực tế sản xuất Đó hạn chế bên cạnh điều đạt đồ án 5.1 Kết luận Các nội dung đạt được: Đề tài nghiên cứu, ứng dụng phần mềm in 3D điều khiển vào việc phân tích lựa chọn phương án để in mẫu có tính thực tế cao cho ngành sản xuất nước Giải vấn đề đề tài hội cho thành viên dần giải vấn đề sản xuất thực tế Tìm hiểu kiến thức, sở lí thuyết liên quan đến đề tài Vận hành máy, chế tạo mẫu thử uốn Khơng có vậy, ý nghĩa việc giải trọn vẹn vấn đề mẻ trình sản xuất thực cơng nghệ cho thành viên thêm tự tin, với lượng kiến thức định việc nắm bắt ứng dụng công nghệ mới, hướng tới làm chủ cơng nghệ đại, góp phần đởi nâng cao công nghệ nhằm tăng suất hạ giá thành sản phẩm Tuy nhiên sản phẩm chưa đạt tính cơng nghệ (hình dạng mẫu có sai lệch kích thước, thơng số in chưa xác so với điều kiện làm việc máy); chưa tìm thơng số in hợp lý sản phẩm cịn khuyết tật, khơng đạt chất lượng; chương trình điều khiển chưa thể lập trình xử lý với sản phẩm hình dạng phức tạp, kết cấu máy số hạn chế nên cần phải theo dõi, bảo dưỡng máy trước, sau lúc vận hành máy 76 5.2 Khuyến nghị Kết nghiên cứu nên làm tiền đề cho việc nghiên cứu sâu thuộc đề tài sau Cần hỗ trợ thêm kinh phí cho nghiên cứu cơng trình thi công chế tạo máy in 3D từ vật liệu bột nhựa Nghiên cứu cần trưng bày triển lãm để hệ nghiên cứu sau học hỏi tham khảo 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] Nekoda van de Werken, Joel Hurley, Pouria Khanbolouki, Ali N Sarvestani, Ali Y Tamijani, Mehran Tehrani (2018) “Design considerations and modeling of fiber reinforced 3D printed parts” 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 [3] Laxmi Poudel, Zhenghui Sha, Wenchao Zhou (2018) “Mechanical strength of chunk-based printed parts for Manufacturing 26 (2018) 962–972 [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] cooperative 3D printing” Procedia 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 Mirko Kariz, Milan Sernek, Murco Obu cina, Manja ´ Kitek Kuzman (2017) “Effect of wood content in FDM filament on properties of 3D printed parts” http://www.3dmaker.vn/2013/12/phuong-phap-sls-trong-in-an-3d-selectivelaser-sintering/ https://en.wikipedia.org/wiki/Selective_laser_melting Polymeric composites for powder-based additive manufacturing: Materials and applications – Shangqin Yuan, Fei Shen, Chee Kai Chua, Kun Zhou thuộc Trung tâm In 3D Singapore, Trường Kỹ thuật Cơ khí Vũ trụ, Đại học Cơng nghệ Nanyang, Singapore https://technicalvnplus.com/article/in-3d-thieu-ket-lazer-chon-loc-sls https://blogin3d.com/may-in-3d-sls-dau-tien-co-gia-duoi-20-000-usd.html ...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 VÀ THỬ NGHIỆM THÔNG SỐ IN TỪ MÁY IN 3D LASER BỘT MÃ SỐ : SV2020-77... Chí Minh, tháng 9/2020 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 VÀ THỬ NGHIỆM THÔNG SỐ IN TỪ MÁY IN 3D LASER BỘT... phần mềm in – cách để có tệp kỹ thuật số từ máy tính bạn đến máy in 3D theo định dạng mà phần cứng máy in 3D hiểu 3.2.3 Cài đặt thông số máy  Chọn loại máy: Hình 3.10: Chọn loại máy Ta vào mục