Nghiên cứu và thử nghiệm các thông số in từ máy in 3d lazer 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 NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM CÁC THÔNG SỐ IN TỪ MÁY IN 3D LAZER BỘT MÃ SỐ: SV2020-112 SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2020 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 Nghiên cứu thử nghiệm thông số in từ máy in 3D Lazer bột SV2020 - 112 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Tiến Phong TP Hồ Chí Minh, 07/2020 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 Nghiên cứu thử nghiệm thông số in từ máy in 3D Lazer bột SV2020 - 112 Thuộc nhóm ngành khoa học: Ứng dụng SV thực hiện: Nguyễn Tiến Phong Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 16144CL2 Ngành học: Công nghệ kỹ thuật khí Nam, Nữ: Nam Năm thứ: Người hướng dẫn: TS Nguyễn Vinh Dự TP Hồ Chí Minh, 07/2020 /Số năm đào tạo: MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình cơng nghệ in 3D 1.1.1 Khái quát công nghệ in 3D phổ biến 1.1.1.1 Nguyên lý chung in 3D 1.1.1.2 Công nghệ tạo mẫu lập thể (SLA) 1.1.2 Ứng dụng in 3D 1.2 Lý chọn đề đề tài 12 1.3 Tính cấp thiết đề tài 13 1.4 Mục tiêu đề tài 13 1.5 Phương pháp nghiên cứu 13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1 Công nghệ in 3D SLS 14 2.1.1 Nguyên lý thiêu kết bột nhựa laser 14 2.1.2 Các loại vật liệu dùng cho công nghệ in 3D SLS 14 2.1.3 Vật liệu bột nhựa PE 15 2.2 Các tiêu chuẩn thử kéo cho sản phẩm nhựa 16 2.3 Các thông số in 3D ảnh hưởng đến độ bền kéo sản phẩm 16 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, THỬ NGHIỆM THÔNG SỐ IN BẰNG PHƯƠNG PHÁP IN 3D LASER BỘT (SLS)……………….………………………………………………….17 3.1 Thiết kế mẫu thử 17 3.1.1 Tiêu chuẩn thiết kế mẫu 17 3.1.2 Thiết kế mẫu phần mềm Inventor 19 3.2 Tổng quan máy in 3D Laser bột: 20 3.2.1 Bàn máy: 20 3.2.2 Cơ cấu gạt bột (trục A): 21 3.2.3 Cơ cấu nâng hạ bàn in và bàn chứa bột (trục Z): 22 I 3.2.4 Laser Diode: 23 3.2.5 Cơ cấu điều khiển chuyển động Laser (trục X, Y): 24 3.2.6 Khung máy: 24 3.2.7 Phần điện điều khiển cho máy: 24 3.2.8 Chương trình điều khiển: 27 3.3 Thử nghiệm thông số in 28 3.3.1 Các thông số có thể thay đổi 28 3.3.2 Ứng dụng phần mềm Cura Ultimaker để tạo Gcode 28 3.3.3 Điều chỉnh G-code để có thể chạy phần mềm Mach3 CNC 39 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ 41 4.1 Kết đạt 41 4.2 Đánh giá 42 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43 5.1 Kết luận 43 5.2 Hướng phát triển 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 PHỤ LỤC 45 II DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng thông số bột nhựa LDPE Bảng 3.1 Các kích thước mẫu thử Bảng 4.1 Giá trị thông số in sau thử nghiệm III DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AM: Additive Manufacturing FDM: Fused Deposit Modelling HDPE: High Density Polyethylene LM: Layered Manufacturing LDPE: Low Density Polyethylene LOM: Laminated Object Manufacturing MDPE: Medium Density Polyethylene PA: Polyamide PE: Polyethylene RP: Rapid Prototyping SLA: Stereolithographic Apparatus SLS: Selective Laser Sintering SGC: Soling Ground Curing STL: Standard Tessellation Language IV CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình cơng nghệ in 3D Ngun mẫu (Prototype) phần quan trọng trình phát triển sản phẩm Nguyên mẫu đóng số vai trò trình phát triển sản phẩm thử nghiệm học tập, thử nghiệm chứng minh, giao tiếp và tương tác, tổng hợp phân tích, liệt kê Q trình tạo mẫu trải qua ba giai đoạn phát triển tạo mẫu thủ công, tạo mẫu mềm tạo mẫu ảo tạo mẫu nhanh Hai số đó chỉ xuất hai thập kỷ qua quy trình mơ hình hóa đồ họa máy tính Ngun mẫu mơ hình vật lý phát triển qua giai đoạn thứ ba, vòng đời sản phẩm ngày ngắn phát triển công nghiệp nhanh chóng nhu cầu đa dạng khách hàng, việc giảm thời gian, thời gian phát triển sản phẩm vấn đề quan trọng (Rossi et al., 2004) Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid prototyping) công nghệ sử dụng từ cuối năm 1980 có vị trí CAD / CAM và kỳ vọng hướng tới môi trường sản xuất động RP quy trình sản xuất bồi đắp (AM - Additive Manufacturing) quy trình sản xuất đắp lớp (LM – Layered Manufacturing) đó mơ hình máy tính 3D cắt ghép lại lớp không gian thực dựa hình thức nguyên liệu ban đầu sử dụng và phương pháp làm cứng chẳng hạn quy trình tạo mẫu lập thể (SLA Stereo lithographic Apparatus), thiêu kết laser chọn lọc (SLS - Selective Laser Sintering), công nghệ sử dụng vật liệu nhiều lớp (LOM - Laminated Object Manufacturing), công nghệ lắng đọng đùn (FDM - Fused Deposit Modelling) và đông cứng bề mặt rắn (SGC - Soling Ground Curing) giới thiệu thị trường Một cách tốt là phân loại rộng rãi hệ thống tạo mẫu nhanh theo hình thức ban đầu vật liệu nó, tức vật liệu mà nguyên mẫu phần chế tạo Theo cách này, tất hệ thống RP dễ dàng phân loại thành: • Dạng lỏng • Dạng rắn • Dạng bột (Chua et al., 2010) [3] 1.1.1 Khái quát công nghệ in 3D phổ biến 1.1.1.1 Nguyên lý chung in 3D Để bắt đầu in 3D, người ta cần thiết kế vật thể 3D phần mềm CAD, phần mềm quen thuộc hỗ trợ thiết kế máy tính Mơ hình vật thể thiết kế trực tiếp phần mềm đưa vào phần mềm thông qua việc sử dụng thiết bị quét laser Sau thiết kế hoàn thành, ta cần tạo tài liệu STL - Standard Tessellation Language, dạng tài liệu quen thuộc với công nghệ sản xuất đắp dần Tạo file theo ngôn ngữ dạng lưới tiêu chuẩn chia vật thể thành đa giác nhỏ hơn, để mô cho cấu trúc bên bên vật thể Đây là phần quan trọng sản xuất đắp dần Khi tài liệu hoàn thiện, hệ thống chia nhỏ thiết kế mẫu thành nhiều lớp khác chuyển thông tin đến thiết bị sản xuất đắp dần Sau đó, hệ thống sản xuất đắp dần tự chế tạo vật thể theo lớp vật thể cần sản xuất hoàn thiện Để sản xuất vật thể, hệ thống máy in 3D sử dụng kết hợp nhiều công nghệ khác Các công nghệ phân loại dựa vào chất vật liệu In 3D hay sản xuất đắp dần làm việc với vật liệu rắn (nhựa, kim loại, polymer), vật liệu lỏng (nhựa lỏng đông cứng lại nhờ tác động laser hay ánh sáng điện tử), hay vật liệu dạng bột(bột kim loại, bột gốm kết dính với tạo thành sản phẩm…) ([1], trang 7) 1.1.1.2 Công nghệ tạo mẫu lập thể (SLA) Được phát triển Chuck Hull, là công nghệ in 3D xuất là công nghệ in 3D chi tiết chuẩn xác nhất, có sai số thấp cơng nghệ in 3D khác Công nghệ in 3D SLA công nghệ in 3D hoạt động theo nguyên tắc “đắp lớp” có đặc điểm khác biệt với công nghệ khác dùng tia UV làm cứng lớp vật liệu in (chủ yếu nhựa lỏng) Lớp in SLA đạt từ 0.06, 0.08, 0.1,… mm Về nguyên lý hoạt động: Sau tập tin 3D CAD kết nối ngôn ngữ STL (Tessellation language) thì trình in bắt đầu: Lớp nhựa lỏng đắp lên mẫu 3D thiết kế sẵn tia UV làm cứng lớp nhựa này, sau đó nhiều lớp đắp lên đạt chỉ số kỹ thuật vật thể định sẵn Ưu điểm: Công nghệ SLA có khả tạo mơ hình có độ chi tiết cao, sắc nét xác Về công nghệ in 3D sử dụng vật liệu nhựa, thì là công nghệ tạo sản phẩm in 3D nhựa tốt nhất, sử dụng ngay, độ phân giải, độ mịn cao, nói cao Nhược điểm: Vật liệu in 3D đắt, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền để lâu ánh sáng mặt trời ([1], trang 7,8) Hình 1.1 Mơ hình cấu tạo máy in 3D SLA ([1], trang 8) Hình 1.2 Sản phẩm cơng nghệ in 3D SLA [9] Hình 3.19 Bước thiết lập thông số in 32 - Bước 6: Thiết lập thông số cho Extruder hình, vì tia Laser có đường kính nhỏ là 0.5mm nên chọn thông số Nozzle size là 0.5mm Hình 3.20 Bước thiết lập thông số in 33 - Bước 7: Chọn Activate để phần mềm áp dụng thông số vừa thiết lập Hình 3.21 Bước thiết lập thông số in 34 - Bước 8: Lấy File mẫu thử kéo tạo sẵn vào phần mềm Hình 3.22 Bước thiết lập thông số in - Bước 9: Kéo sản phẩm gần sát với gốc toạ độ cách nhấp vào chi tiết và giữ kéo Hình 3.23 Bước thiết lập thông số in 35 - Bước 10: Thiết lập thông số in hình + Quality:  Layer Height: Là chiều dày lớp in  Innitial Layer Height: Chiều dày lớp in đầu tiên, giá trị này cho với giá trị Layer Height Hình 3.24 Thiết lập chiều dày lớp in 36 + Shell:  Wall Thickness: Chiều dày tường sản phẩm Hình 3.25 Thiết lập chiều dày tường sản phẩm + Infill:  Infill Density: Mật độ điền đầy  Infill Line Distance: Khoảng cách đường tạo nên Infill  Infill pattern: Kiểu Infill Ở thống kiểu Infill là Grid cho sản phẩm Hình 3.26 Thiết lập thông số Infill Density 37 - Bước 11: Tiến hành cắt lớp sản phẩm và tạo file G-code Chọn Slice để phần mềm tiến hành cắt lớp sản phẩm và tạo G-code Hình 3.27 Cắt lớp sản phẩm và tạo File G-code 38 3.3.3 Điều chỉnh G-code để có thể chạy phần mềm Mach3 CNC G-code sau xuất từ phần mềm Cura dùng để chạy máy in 3D FDM nên ngoài cấu trúc G-code gia cơng CNC thì nó cịn có câu lệnh điều khiển nhiệt độ (M104 Sn, với n là nhiệt độ cần gia nhiệt cho đầu phun), điều khiển động đùn nhựa (G1 En, với n là chiều dài sợi nhựa cần đùn), Vì muốn G-code chạy Mach3 CNC thì cần phải điều chỉnh lại G-code cách xoá câu lệnh điều khiển nhiệt độ và đùn nhựa, Chỉ chừa đạon G-code có cấu trúc gia cơng CNC Sau xố thơng số khơng cần thiết trên, để có file G-code hoàn chỉnh để in sản phẩm theo thông số in mong muốn thì cần phải sửa lại tốc độ dịch chuyển trục F theo giá trị phù hợp và thêm vào câu lệnh sau: - G17: Chọn mặt phẳng XY - G21: Khai báo đơn vị đo hệ mét - G54: Lựa chọn hệ toạ độ phôi thứ - G90: Khai báo toạ độ tuyệt đối - Bật Laser để tiến hành in sản phẩm: Sn M3, với n(mW) là công suất Laser - Tắt Laser để trải bột sau in xong layer: M5 S0 M3 - Nâng, hạ bàn in bàn chứa bột: G1 Zn F10, với n là khoảng cách cần nâng, hạ - Trải lớp bột: G1 An F500, với n là khoảng cần trải bột Sau trải xong lớp bột, gọi lệnh G1 A0 F500 để đưa gạt bột vị trí ban đầu - Kết thúc việc in sản phẩm: M30 Sau sửa xong thì dùng phần mềm Mach3 CNC để kiểm tra 39 Hình 3.28 Kiểm tra G-code Mach3 CNC Như hình 3.28 thì G-code sửa thành công, Mach3 CNC không báo lỗi và có thể tiến hành in sản phẩm 40 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 Kết đạt Sau trình thử nghiệm thông số khác nhau, lựa chọn giá trị thông số mang giá trị tốt dùng phục vụ cho việc thí nghiệm Các thơng số xác định sau: + Công suất đầu laser chọn khoảng: 2,1W ÷ 2,5W Với giá trị nằm khoảng giúp bột nhựa thiêu kết nhanh hơn, giảm thời gian tạo mẫu chất lượng mẫu đảm bảo + Tốc độ dịch chuyển trục chọn khoảng: 450mm/ph ÷ 470mm/ph Các giá trị phù hợp với công suất chọn + Bề dày vỏ mẫu chọn khoảng: 0,5mm ÷ 1,5mm Bề dày phù hợp với kích thước vỏ mẫu + Bề dày lớp in chọn khoảng: 0,4mm ÷ 0,8mm Khoảng giá trị đủ để khảo sát + Mật độ in chọn khoảng: 30% ÷ 60% 41 Bảng 4.1 Giá trị thông số in sau thử nghiệm Thông số Giá trị Công suất Laser Tốc độ dịch chuyển đầu Laser Bề dày vỏ sản phẩm Chiều dày lớp in Mật độ điền đầy 2.1 ÷ 2.5 (W) 450 ÷ 470 (mm/ph) 0.5 ÷ 1.5 (mm) 0.4 ÷ 0.8 (mm) 30 ÷ 60 (%) 4.2 Đánh giá Từ kết thử nghiệm rút kết luận:  Sản phẩm có độ xác thấp, độ nhám bề mặt cao thời gian tạo thành sản phẩm lâu  Việc thử nghiệm nghiệm và tìm thông số in phù hợp nhiều thời gian công nghệ cịn máy móc chất lượng khơng cao  Quá trình tạo thành sản phẩm độc hại có khả gây nhiễm mơi trường việc thiêu kết bột nhựa 42 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Việc nghiên cứu tìm thơng số in phù hợp cho máy in 3D laser bột quan trọng cần thiết Đề tài “Thiết kế thử nghiệm thông số in từ máy in 3D Lazer bột” nghiên cứu chỉ rõ ảnh hưởng thông số in đến chất lượng sản phẩm, việc tìm thơng số in phù hợp góp phần phần lớn cho trình tạo hàng loạt mẫu kiểm nghiệm độ bền kéo ứng với loại thông số khác nhau, góp phần tìm thơng số tối ưu Song song kết đạt được, đề tài mặt hạn chế định Vì khối lượng cơng việc thực lớn, với việc trang thiết bị cịn hạn chế, cơng nghệ Việt Nam kinh nghiệm chúng tơi cịn hạn chế nên kết đề tài chưa thực mong mỏi 5.2 Hướng phát triển Công nghệ in 3D SLS cơng nghệ có nhiều tiềm nên việc phát triển mở rộng đề tài liên quan cần thiết Đề tài tảng mở rộng phát triển nghiên cứu sâu Hướng phát triển đề tài này sau: - Tăng cường nghiên cứu thêm thơng số ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm để thấy cách toàn diện hơn, rõ trình in 3D SLS - Đầu tư cải tiến máy in 3D SLS để trình nghiên cứu diễn dễ dàng, thuận lợi độ xác cao 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Cục thông tin khoa học công nghệ quốc gia (2017), “Tổng luận số 7: In 3D Hiện và tương lai” [2] Lê Chánh Minh tác giả, “Đồ Án Tốt Nghiệp: Máy in 3D từ vật liệu bột nhựa”, Đại học Sư Phạm Kỹ thuật TPHCM, 2019 Tiếng Anh [3] W Ruban, V Vijaykumar, P Dhanabal and T Pridhar, “Effective process parameters in seclective laser sintering”, Int J Rapid Manufacturing, Vol 4, Nos 2/3/4, 2014 (pp.148 – 164) [4] Sharanjit Singh, Anish Sachdeva and Vishal S.Sharmar, “Optimization of selective laser sintering process parameters to achieve the maximum density and hardness in polyamide parts”, Springer International Publishing Switzerland 2017 [5] Manfred Schmid, Antonim Amado and Konrad Wegener, “Polymer Powder for Selective Laser Sintering (SLS)”, AIP Publishing LLC 2015 [6] Singh S, Sharma VS, Sachdeva A, Sinha SK (2013), “Optimization and analysis of mechanical properties for selective laser sintered polyamide parts”, Mater Manuf Process 28 (2), pp.163–172 [7] Sachdeva A, Singh S, Sharma VS (2013), “Investigating surface roughness of parts produced by SLS process” Int Jadv Manuf Technol 64, pp.1505–1516 [8] Singh S, Sharma VS, Sachdeva A (2016), “Progress in selective laser sintering using metallic powders: a review”, Mater Sci Technol 32, pp.760–772 Link [9] https://www.re-fream.eu/portfolio/3d-printing-stereolithography-sla/ [10] https://3dservices.edu.vn/khoa-hoc-thiet-ke-san-pham-va-van-hanh-may-in-3d [11] https://scantechvn.com/cong-nghe-in-3d-vat-lieu-ben-sls-sctvn617 44 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Trang bìa Phụ lục 2: Trang bìa phụ Phụ lục 3: Mục lục Phụ lục 4: Danh mục từ viết tắt Phụ lục 5: Danh mục bảng biểu Phụ lục 6: Tài liệu tham khảo Phụ lục 7: Trình bày trang viết 45 ... cứu tìm thơng số in phù hợp cho máy in 3D laser bột quan trọng cần thiết Đề tài “Thiết kế thử nghiệm thông số in từ máy in 3D Lazer bột? ?? nghiên cứu chỉ rõ ảnh hưởng thông số in đến chất lượng... Chí Minh, 07/2020 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 Nghiên cứu thử nghiệm thông số in từ máy in 3D Lazer bột SV2020...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 Nghiên cứu thử nghiệm thông số in từ máy in 3D Lazer bột SV2020 - 112 Chủ