Trong thực tế sản xuất, chế tạo, một sản phẩm đạt yêu cầu bao gồm nhiều yếu tố: độ chính xác về kích thước, hình dáng, độ nhám bề mặt,…Một trong các yếu tố đó không thể không kể ến đ độ bền của sản phẩm, chi tiết.
Các chi tiết, sản phẩm được chế tạo từ các công nghệ khác nhau như: cắt gọt kim loại, phun ép, dập, miết, in 3D,…hay trong cùng một công nghệ với các dạng vật liệu khác nhau sẽ cho ra độ bền không giống nhau. Chính vì thế, độ bền của một chi tiết, sản phẩm là một yếu tố cần xem xét, nghiên cứu.
Cụ thể, đối với công nghệ in 3D SLS sử dụng tia laser công suất cao thiêu kết (nung chảy và kết dính) vật chất (ở dạng bột) một cách có chọn lọc, cụ thể ở đây là vật liệu bột nhựa. Việc thay đổi các thông số trong quá trình in cũng sẽ ảnh hưởng không nhỏ ến đ độ bền của chi tiết. Vậy để nắm rõ được độ bền của chi tiết có thể thay đổi như thế nào, thay đổi ít hay nhiều thì trước hết cần nắm được một cách khái quát nhất về ộ bền của sản phẩm nhựa nói chung. đ
Độ bền nói chung được định nghĩa như sau: Độ bền (ký hiệu: δ) là đặc tính cơ bản của v ậ ệt li u. Người ta định nghĩa độ bền như là khả năng chịu đựng không bị nứt, gãy, phá hủy dưới tác động của ngoại lực lên vật thể. Độ bền có thể hiểu rộng hơn, vì vậy người ta chia ra thành các đặc tính về ộ bên theo cách đ tác động ngoại
lực khác nhau:đ ộ kéo, đ ộ b ề n nén, đ ộ b ề n c ắ t, độ b ề n u ố n, đ ộ b ề n m ỏ i, đ ộ ề b n va đ ập, giới h ạ n ch ả y...
Cụ thể ở đây, độ bền của nhựa được thể hiện qua các thông số cơ bản sau:
+ Chỉ số chảy (MFI)
+ Nhiệt chảy mềm
+ Độ bền va đập, độ bền kéo, độ bền mỏi,….
2.2.2. Độ bền kéo của chi tiết
Độ bền kéo là một trong những chỉ số ể đ khảo sát độ bền của chi tiết. Độ bền kéo là khả năng của vật liệu để chống lại sự phá vỡ dưới lực kéo hay có thể hiểu độ bền kéo là khi một lực tác động tăng dần đến khi vật liệu dạng sợi hay trụ bị
đứt.
Bằng cách kiểm tra độ bền kéo, sẽ biết rằng "sự chắc chắn " của một vật liệu thực sự là như thế nào. Nó là một tính chất cơ học quan trọng khi nói về polyme, sợi, cao su, kim loại,…
Công thức để tính độ bền kéo là:
Trong đó: σk – độ bền kéo (N/mm2) F – lực kéo đứt (N) A – thiết diện (mm2)
Các đơn vị thường dùng cho độ bền kéo là: kg/cm2, N/mm2
2.3. Các tiêu chuẩn thử kéo cho sản phẩm nhựa
Hiện nay, tại các khu vực, quốc gia sẽ có những tiêu chuẩn để kiểm nghiệm độ bền nói chung và độ bền kéo nói riêng của chi tiết, sản phẩm cần kiểm tra. Các tiêu chuẩn hiện có như: ASTM (American Society for Testing and Materials), ISO (International Organization for Standardization), JIS (Japan Industrial Standard).
Một số phương pháp thử kéo:
● ASTM-D638 - Phương pháp thử tiêu chuẩn đối với các đặc tính của nhựa
●ISO-1421-- Vải bọc cao su hoặc plastic - Xác định độ bền kéo và độ giãn dài khi nghỉ
● ISO-37 - Cao su lưu hóa hoặc nhựa nhiệt dẻo - Xác định tính căng thẳng của ứng suất,…
Trong Đồ án này, phương pháp thử kéo được áp dụng là ASTM-D638. Chi tiết mẫu thử và cách tiến hành sẽ được trình bày trong Chương 3.
2.4. Các thông số in 3Dảnh hưởng đến độ bền kéo của sản phẩm
Trong công nghệ in 3D nói chung, ngoài vật liệu chế tạo sẽ ảnh hưởng đến độ bền của chi tiết như nhựa ABS, PLA, PA, PE,… thì các thông số cài đặt cũng ảnh hưởng không nhỏ ến đ độ bền của chi tiết, đặc biệt là độ bền kéo của chi tiết sau khi chế tạo.
Cụ thể, trong đồ án này các thông số ược chọn đ để nghiên cứu sự ảnh hưởng đến độ bền kéo sản phẩm là:
● Công suất của đầu laser (P)
● Tốc độ di chuyển bàn in (Feed rate)
● Bề dày vỏ (Shell)
● Chiều cao mỗi lớp in (Layer height)
● Mật đ độ iền đầy (Infill destiny),..
Thay đổi một hoặc nhiều thông số sẽ làm thay đổi độ bền của chi tiết sau khi in, chính vì thế lựa chọn một chế ộ in phù hợp đ đ để ạt được độ bền cao nhất hay phù hợp nhất với nhu cầu của sản phẩm là một điều cần thiết.
CHƯƠNG 3:
CHẾ TẠO MẪU THỬ BẰNG PHƯƠNG PHÁP IN 3D LASER BỘT (SLS)
3.1. Thiết kế mẫu thử
3.1.1. Tiêu chuẩn thiết kế mẫu
Như đã đề cập trong chương 2, có rất nhiều tiêu chuẩn được dùng tiến hành thí nghiệm để xác định độ bền kéo cho mẫu thử. Mỗi tiêu chuẩn sẽ có các thông số về mẫu thử khác nhau, điều kiền thử và cách thức tiến hành cũng không giống nhau.Tiêu chuần được dùng trong Đồ án này là tiêu chuẩn ASTM-D638 – phương pháp thử tiêu chuẩn với đặc tính của nhựa, phương pháp thử nghiệm này có thể ược sử dụng đ để kiểm tra nhựa đúc phenolic hoặc vật liệu nhiều lớp.
Theo như tiêu chuẩn ASTM-D638 thì có 5 loại mẫu thử với 2 loại biên dạng khác nhau, kèm theo là những thông số ược quy đ định cụ thể trong tiêu chuẩn. Hai biên dạng như sau:
Hình 3.1 Mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn ASTM-D638
Loại mẫu I, II, III và V có cùng 1 dạng với kích thước khác nhau, mẫu IV sẽ có hình dạng riêng như hình 3.1. Trong đó, mẫu thử loại I được dùng khi vật liệu có độ dày từ 7mm hoặc nhỏ hơn. Mẫu thử loại II được đề nghị sử dụng khi phần vậtliệu không bị ứt tại phần hẹp của mẫu như mẫu thử loại I. Mẫu thử đ loại III áp dụng được cho tất cả các vật liệu có độ dày từ 7mm và không lớn hơn 14mm. Mẫu thử loại V được sử dụng trong trường hợp độ dày vật liệu được giới hạn từ 4mm trở xuống hoặc trong trường hợp số lượng mẫu lớn và không gian hạn chế. Đối với mẫu loại IV thường được sử dụng trong trường hợp cần so sánh các mẫu thử với các vật liệu có độ cứng khác nhau.
Với điều kiện thực tế là số lượng mẫu thử nghiệm lớn và thời gian thực hiện ngắn nên mẫu loại V được chọn để tiến hành chế tạo và thử nghiệm.
Hình 3.2 Kích thước để thiết kế mẫu thử loại V Bảng 3.1 Các kích thước của mẫu thử
Thông số
W: bề rộng phần kéo L: chiều dài phần kiểm tra WO: bề rộng lớn nhất LO: chiều dài lớn nhất G: chiều dài phần đứt
D: khoảng cách kẹp R: bán kính bo cung T: bề dày
Số lượng mẫu thử: cần ít nhất 5 trường hợp cho từng mẫu. Nhưng với điều kiện thực tế về thời gian nên chỉ tiến hành chế tạo và thử nghiệm 3 trường hợp đối với mỗi mẫu thử.
3.2. Chương trình điều khiển:
Phần mềm được sửdụng là Mach3 CNC - là 1 phần mềm điều khiển CNC của hãng ArtSoft USA.
Hình 3.3 Giao diện làm việc chính của Mach3 Một số chức năng chính trên giao diện:
- Cycle Start <alt R>: là nút bắt đầu chạy chương trình.
-Feed Hold (SPC): là nút tạm dừng chương trình. Muốn máy chạy tiếp thì click vào nút Cycle Start, lúc này chương trình sẽ chạy nối tiếp lệnh dang dở.
- Stop < Alt S>: là nút dừng chương trình. Lựa chọn này sẽ làm cho chương trình dừng lại, giống nút Feed Hold nhưng nếu ta lại cho chương trình chạy tiếp bằng
cách click vào Cycle Start thì chương trình sẽ bỏ đi đoạn dòng lệnh đang chạy dở ể ến dòng tiếp theo. Như vậy có sự sai lệch. Khi dừng bằng nút này thì đ đ khôngchạy lại được.
- Các nút Zero X, Zero Y, Zero Z, đ để ưa tọa độ máy về gốc (0,0,0).
- Nút Edit G-code: để sửa mã G-code.
- Recent File: mở những file G-code đã chạy gần đây.
- Load G-code để mở file Gcode.
- Set next line: lực chọn dòng lệnh thứ ? trong file G-code. Ta gõ dòng cần chạy và enter.
- Run from here: bắt đầu chạy máy từ dòng thứ ? mà ta chọn set next line.
- Offline: chạy mô phỏng, không truyền tín hiệu điều khiển xuống driver động cơ.
- Ref All Home: set góc tọa độ. Khi nhấn nút này, máy sẽ set vị trí hiện tại của dao là góc tọa độ (0,0,0).
- Goto Z: đưa dao về góc tọa độ. Máy sẽ đưa trục X và Yở vị trí bất kì về góc tọa độ trước, Z sau.
- Khung Feed Rate để chỉnh tốc độ di chuyển các trục.
3.3 Chế tạo mẫu
3.3.1. Các thông số có thể thay đổi được
Các thông số đó là:
+ Tốc độ dịch chuyển của các trục: F (mm/ph)
+ Công suất của Laser: S (W)
+ Infill Density (%)
+ Layer Heigh (mm)
+ Shell (mm)
3.3.2. Thiết lập các bộ thông số thí nghiệm
Sau quá trình thử nghiệm các thông số khác nhau, lựa chọn các giá trị thông số mang giá trị tốt nhất dùng phục vụ cho việc thí nghiệm. Các thông số ược xác đ định như sau:
+ Công suất của đầu laser chọn trong khoảng: 2,1W ÷ 2,5W. Với các giá trị nằm trong khoảng này sẽ giúp bột nhựa được thiêu kết nhanh hơn, giảm được thời gian tạo mẫu nhưng chất lượng mẫu vẫn được đảm bảo.
+ Tốc độ dịch chuyển của các trục chọn trong khoảng: 445mm/ph ÷ 470mm/ph. Các giá trị này phù hợp với công suất được chọnở trên.
+ Bề dày vỏ mẫu chọn trong khoảng: 0,5mm ÷ 1,5mm. Bề dày này phù hợp với kích thước vỏ mẫu.
+ Bề dày mỗi lớp in chọn trong khoảng: 0,4mm ÷ 0,8mm. Khoảng giá trị ủ đ để khảo sát.
+ Mật độ in chọn trong khoảng: 30% ÷ 60%
Bảng 3.2 Giá trị của các thông số in sau khi thửnghiệm Thông số
Công suất Laser
Tốc độ dịch chuyển của đầu Laser
Bề dày vỏ sản phẩm
Chiều dày mỗi lơṕ in
Mật độ điền đầy
Đồ án nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số in đến độ bền kéo của mẫu và tốiưu hóa các thông số ể mẫu đ được tạo có độ bền cao nhất.
Đối với khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số ta dùng phương pháp đơn biến với mỗi thông số nhất được định được thay đổi 5 lần, những thông số còn lại được giữ nguyên trong 5 lần in. Cứ như thế cho 5 thông số và tổng cộng đối với phương
pháp này có tất cả là 25 loại mẫu. Mỗi loại mẫu tạo 3 mẫu để tiến hành kiểm nghiệm độ bền kéo của sản phẩm.
Bảng 3.3 Thông số in cho phương pháp đơn biến SST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Trong đó: A – Công suất Laser (W)
B – Tốc độ dịch chuyển các trục (mm/ph)
C – Bề dày vỏ (mm)
D – Bề dày mỗi lớp in (mm)
E – Mật độ in (%)
Để tối ưu hóa các thông số in nhằm tạo ra sản phẩm có độ bền kéo cao nhất thì dùng phương pháp Taguchi. đỞ ây sử dụng phương pháp Taguchi với 5 yếu tố đầu vào (factor) và mỗi yếu tố có 3 mức độ (level).
Bảng 3.4 Các mức độ của thông số in theo phương pháp Taguchi Yếu tố
Công suất Laser – A (W)
Tốc độ dịch chuyển – B (mm/ph) Bề dày vỏ - C (mm)
Bề dày mỗi lớp in – D (mm) Mật độ in – E (%)
Theo đó, sử dụng phần mềm Minitab 18 ta được bảng thông số như sau:
Bảng 3.5 Thông số cho phương pháp Taguchi* STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 27
Bảng 3.5 (Tiếp theo) STT 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 *Các ký hiệu và đơn vị như bảng 3.1
3.3.3 Tiến hành chế tạo mẫu thử
Sau khi hoàn thành việc thiết lập các bộ thông số, quá trình chế tạo mẫu được tiến hành. Quá trình chế tạo mẫu thử gồm các công việc như sau:
+ Dựa trên các bộ thông số đã chọn, viết G-code
+ Chỉnh sửa G-code cho phù hợp với phần mềm Match 3
+ Thiết lập máy, đem G-code vao Match 3, tiến hành in
+ Đánh số cho các mẫu thử
Hình 3.4 Mẫu thử sau khi in
Hình 3.5 Mẫu thử ược lấy khỏi bàn và tiến hành đ đánh số
CHƯƠNG 4:
KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ IN 3D LASER BỘT ĐẾN ĐỘ BỀN KÉO CỦA CHI TIẾT
4.1. Độ bền kéo
Như đã đề cập trong Chương 2, độ bền kéo của chi tiết là khi một lực tác động tăng dần đến khi vật liệu dạng sợi hay trụ bị ứt. đ Ở giá trị lực kéo giới hạn cho sự ứt của vật liệu đ được ghi lại được ký hiệuσk.
Công thức để tính độ bền kéo là: k FA
Công thức tính độ bền kéo là tỉ lệ giữa lực kéo đứt trên diện tích mặt cắt ngang của mẫu thử. Các mẫu thử ược thiết kế theo tiêu chuẩn, chính vì th đ ế ể đ xác định độ bền kéo của mẫu thử ta có thể thông qua lực kéo đứt để kết luận.
4.2. Phương pháp và trình tự tiến hành xác định độ bền kéo của mẫu thử 4.2.1 Phương pháp kéo
Sử dụng máy kéo nén vạn năng để tiến hành thử kéo cho mẫu thử ược chế đ tạo bằng công nghệ in 3D SLS. Kẹp chặt mẫu vào 2 đầu máy kéo, tiến hành kéo cho đến khi mẫu đứt, sau đó ghi kết quả kéo là lực kéo đứt của mẫu.
4.2.2 Các bước tiến hành kéo
4.2.2.1 Chuẩn bị mẫu thử và thiết lập máy kéo
Mẫu thử ượ đ c chế tạo theo tiêu chuẩn và đánh số theo các thông số cần thay đổi.
Hình 4.1 Mẫu thử đã được đánh số
Chuẩn bị máy kéo, lắp đặt ngàm cố ịnh và ngàm di đ động vào máy, lắp đặt hệ thống khí nén cho máy, khởi động máy và máy tính để bắt đầu quá trình thử kéo cho các mẫu thử.
Máy kéo được sử dụng để tiến hành thử kéo cho các mẫu thử là máy kéo vạn năng INSTRON 3369 với các thông số kỹ thuật sau:
● Lực tải: 50 kN
● Tốc độ tải tối đa: 500 mm/phút
● Khoảng thử nghiệm dọc: 1193 mm
Hình 4.2 Máy kéo vạn năng INSTRON 3369
Hình 4.4 Gắn ngàm cố ịnh đ
Hình 4.6 Lắp hệ thống khí nén vào máy kéo
Hình 4.7 Bảng điều khiển
Sau khi đã chuẩn bị mẫu và lắp đặt cho máy kéo, khởi động phần mềm và bắt đầu thử kéo. Phần mềm được sử dụng là Bluehill Lite đ để o các thông số kéo đượccủa quá trình thử kéo, đở ây thông số cần đo là lực kéo đứt (trong qua trình thưcp̣ hiện thì không đươcp̣ phép chụp màn hình băng̀ phím PrntScr vì có thể xảy ra lỗi trong qua trình thửnghiệm).
4.2.2.2 Kẹp mẫu thử vào máy kéo và tiến hành kéo
Sau khi các bước chuẩn bị cho quá trình kéo được hoàn tất, bước kế tiếp là kẹp mẫu thử trên máy kéo, tiến hành kéo và thu thập số liệu từ phần mềm Bluehill trên máy tính.
*Bước 1: Kẹp chặt mẫu thử trên máy kéo
Ở bước này, đưa mẫu thử lần lượt vào ngàm cố ịnh và ngàm di đ động của máy kéo. Kẹp chi tiết bằng cơ cấu kẹp chặt của máy. Máy kéo INSTRON 3369 gồm 2 cơ cấu kẹp chặt, thứ nhất là kẹp bằng khí nén và cơ cáu kẹp thứ hai là kẹp bằng đai ốc. Chính vì mẫu thử có kích thước nhỏ, không phù hợp cho việc kẹp bằng khí nén nên chọn kẹp mẫu thử bằng đaiốc.
Hình 4.9 Kẹp chặt chi tiết vào ngàm
*Bước 2: Reset lại lực hiển thị trên màn hình về 0, để kết quả thu được là chính xác.
*Bước 3: Nhấn nút START trên phần mềm để tiến hành kéo mẫu. Mẫu được