Kiểm nghiệm mẫu thử kéo bằng công nghệ in 3D SLS, nhận xét sự ảnh hưởng và tốiưu hóa các thông số trong quá trình in.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập và tổng hơpp̣ tài liệu: Thu thập, phân tích và biên dịch tài liệu liên quan tới công nghệ in 3D Laser bột: đảm bảo tính đa dạng, đa chiều và tận dụng được các kết quả của các nghiên cứu mới nhất, phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài.
- Phân tích thưcp̣ nghiệm: Dựa trên các kết quả và thất bại trong thực nghiệm, lựa chọn được thông số để in sản phẩm ổn định nhất nhằm phục vụ việc in các mẫu thử để kiểm nghiệm độ bền kéo. Từđó giúp cho quá trình kiểm nghiệm đạt kết quả tốt.
- Kiểm nghiệm và thống kê số liệu.
- So sánh đối chiếu.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Công nghệ in 3D SLS
2.1.1. Nguyên lý thiêu kết bột nhựa bằng laser
Thiêu kết Laser chọn lọc (SLS) là tạo ra các bộ phận nhựa bằng cách liên kết các lớp vật liệu liên tiếp. SLS là được một phần của công nghệ ắ đ p lớp (AM) - được coi là một phần của ngành công nghiệp cách mạng. AM nói chung bao gồm nhiều công nghệ khác nhau, thường được chung la “IN 3D” trên các tạp chí và các ấn phẩm phổ biến khác. Sản xuất đắp lớp là công nghệ trái ngược với gia công truyền thống như: khoan, phay và mài, trong đó vật liệu được loại bỏ ể ạ đ đ t được hình dạng mong muốn. Trong toàn bộ lĩnh vực công nghệ AM hiện có, SLS được coi là thuận lợi nhất tiếp cận cho các chi tiết nhựa thích hợp cho ngành công nghiệp [6].
Phương pháp SLS sử dụng tính chất của vật liệu bột là có thể hóa rắn dưới tác dụng của nhiệt (như nylon, elastomer, kim loại). Một lớp mỏng của bột nguyên liệu được trải trên bề mặt của xy lanh công tác bằng một khoảng trống định mức. Sau đó, tia laser hóa rắn (kết tinh) phần bột nằm trong đường biên của mặt cắt không thực sự làm chảy chất bột, làm cho chúng dính chặt ở những chỗ có bề mặt tiếp xúc. Trong một số trường hợp, quá trình nung chảy hoàn toàn hạt bột vật liệu được áp dụng. Quá trình kết tinh có thể ượ đ c điều khiển tương tự như quá trình polymer hoá
trong phương pháp tạo hình lập thể SLA. Sau đó xy lanh hạ xuống một khoảng cách bằng độ dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu được đưa vào và quá trình được lặp lại cho đến khi chi tiết được hoàn thành ([1], trang 9,10).
2.1.2. Các loại vật liệu được dùng cho công nghệ in 3D SLS
Công nghệ in 3D SLS là một trong những công nghệ phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, cũng là công nghệ duy nhất cho phép tạo các mẫu có hóa tính và lý tính giống như vật liệu ban đầu. Không giống như những công nghệ in 3D khác đang có trên thị trường như FDM (Fused Deposition Modeling) dùng các sợi nhựa, SLA (Stereolithography) dùng nhựa lỏng,… SLS sử dụng vật liệu dạng bột để tạo ra các sản phẩm bằng cách dùng năng lượng tia laser thêu kết vật liệu in theolớp mặt cắt, làm chúng kết dính tại những chỗ tiếp xúc.
Polyamide 12 (PA 12) là lựa chọn chính và gần như ộc quyền. Hợp chất PA đ 12 hoặc PA 12 nguyên chất (hỗn hợp khô) thực sự ược sử dụng trong hầu hết đ các hệ
thống thương mại. Polyamide 11 (một họ hàng gần của PA12) cũng phải chịu các hệ thống SLS với thành công vừa phải mặc dù một số thuộc tính đáng chú ý. Các loại polime khác lạ như PE(E)K, các loại chất đàn hồi (TPE, TPU, PEBA) và các polyamit khác (PA 6) được thương mại hóa với sự phát triển nhưng mức độ phổ biến vẫn còn hạn chế. Đặc biệt là một bước đột phá theo hướng polyme hàng hóa bán tinh thể như polypropylen (PP) hoặc polyetylen (HDPE, LLDPE) để mở các phân khúc thị trường mới cho công nghệ SLS vẫn còn thiếu. Đối mặt với sự hiểu biết còn hạn hẹp về nhựa, nên có rất nhiều lựa chọn khác. Lý do cho lựa chọn vật liệu hạn chế này? Còn các polime vô định hình như polycarbonate (PC) hay ABS thì sao? Để mà trả lời những câu hỏi này và đưa ra một hướng dẫn để sản xuất các tài liệu SLS thành công sự kết hợp đặc tính cụ thể, cần thiết để chuyển một polymer thông thường thành bột SLS thành công, là rất quan trọng [6].
Trong đồ án này, vật liệu được chọn để tiến hành nghiên cứu và thí nghiệm là bột nhựa LDPE.
2.1.3. Vật liệu bột nhựa PE
2.1.3.1. Giới thiệu chung về nhựa PE
Nhựa PE không dẫn nhiệt, dẫn điện và không thấm trong không khí, nước. Polyetylen có độ bền thấp, nhưng bù lại vật liệu sở hữu độ dẻo và độ bền va đập cao. Nó cho thấy sự bền vững rất mạnh dưới những tác động liên tục của ngoại lực. Có thể giảm độ vững chắc của sản phẩm bằng cách thêm các sợi ngắn.
Hầu hết các loại LDPE , MDPE và HDPE của hạt nhựa PE đều có khả năng kháng hóa chất tuyệt vời. Tức có nghĩa là vật liệu này tạo nên những sản phẩm không bị axit hay bazơ mạnh tấn công và chống lại sự oxy hóa và chất khử nhẹ. Các mẫu tinh thể hầu hết không hòa tan ở nhiệt độ phòng. Polyethylene (trừ polyethylene liên kết ngang) có thể ược hòa tan đ ở nhiệt độ cao trong các hydrocacbon thơm như toluene hoặc xylene hoặc trong dung môi clo như trichloroethane hoặc trichlorobenzene.
2.1.3.2. Bột nhựa LDPE
Bột nhựa LDPE là bột nhựa có mật độ Polyethylene thấp (0,91 ÷ 0,94 g/cm3), có mức độ phân nhánh chuỗi ngắn có nghĩa là các chuỗi không phảnứng với cấu trúc tinh thể. LDPE được tạo ra bằng phảnứng trùng hợp gốc tự do mang lại cho vật liệu tính chất dòng chảy độc đáo. LDPE được sử dụng cho cả thùng cứng và các ứng dụng màng nhựa như túi nhựa và màng bọc,…
Một số thông số cơ bản của nhựa LDPE:
Bảng 2.1 Bảng thông số cơ bản của bột nhựa LDPE Tính chất của nhựa Hình thức Thành phần Nhiệt độ nóng chảy Mức độ nóng chảy Tỉ trọng Kích thước hạt
2.2. Độ bền kéo của chi tiết
2.2.1. Khái quát độ bền của chi tiết
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%