5.3. Phương pháp Mạng Nơron
5.3.1. Trình tự các bước tiến hành
Mạng Nơron là mơ hình sử lý thông tin phỏng theo cách thức xử lý thông tin của
hệ thống nơron sinh học. Mạng Nơron được cấu hình cho 1 ứng dụng cụ thể như
(nhận dạng mẫu, phân loại dữ liệu,...) thông qua một quá trình học từ tập các mẫu huấn luyện. Ở đây, việc huấn luyện dựa trên các thông số và các kết quả có được từ thí nghiệm thử độ bền kéo của sản phẩm in 3D SLS. Cụ thể, bộ dữ liệu dùng cho phần này là bộ dữ liệu đã sử dụng trong mục 5.1 và 5.2.
Các thức huấn luyện các mạng nơron được trình bày cụ thể như sau:
64 ▪ Trước hết cần khởi động phần mềm Matlab để chuẩn bị cho quá trình huấn
luyện
Hình 5.6 Khởi động Matlab
▪ Dùng lệnh New variable để thiết lập các thông số
65 *Lần lượt nhập thông số đầu vào và thông số đầu ra cho quá trình huấn luyện mạng. Các thơng số được lấy từ bảng 4.2.
Hình 5.8 Nhập thơng số đầu vào
66
▪ Sử dụng lệnh “nntool” để tạo mạng nơron
Hình 5.10 Dùng lệnh “nntool” để tạo mạng nơron
67 ▪ Sau đã thiết lập các thông số đầu vào và đầu ra, tiến hành tạo mạng nơron.
Chọn New để tạo sơ đồ bài toán mạng nơron nhân tạo và thuật tốn cho chương trình học. Sau đó, nhấn Create để tạo mạng nơron.
Hình 5.12 Tạo mạng
Trong quá trình tạo mạng nơron có một số giá trị cần lưu ý đó là số lớp ẩn
(Number of layer) và số nơron trong lớp ẩn (Number of neurons).
▪ Đối với số lớp ẩn: Không dùng lớp ẩn lớn hơn 2, việc dùng số lớp ẩn càng ít càng tốt: phần lớn các thuật tốn luyện mạng cho các mạng nơron truyền thẳng
đều dựa trên phương pháp gradient, các lớp thêm vào sẽ thêm việc phải lan truyền
các lỗi làm cho vector gradient rất không ổn định. Chính vì thế, ở đây số lớp ẩn được chọn là 2.
68 ▪ Đối với số nơron trong mỗi lớp ẩn: sử dụng q ít nơron có thể dẫn đến việc khơng thể nhận dạng các tín hiệu được đầy đủ trong một tập dữ liệu phức tạp. Sử dụng quá nhiều nơron sẽ làm tăng thời gian luyện mạng. Có nhiều cách để chọn số nơron trong các lớp ẩn chẳng hạn như nằm giữa khoảng kích thước lớp vào, lớp ra như sau: m[t; z] (CT 5.1) 2.( ) 3 t z m (CT 5.2) m2.t (CT 5.3) mt z. (CT 5.4) Trong đó: m- số nơ ron trong lớp ẩn
t- số lớp đầu vào z- số lớp đầu ra
Ở đây sử dụng công thức CT 5.4 nên số nơron trong mỗi lớp ẩn là: m =5.1 = 5 nơron.
69 ▪ Tiến hành huấn luyện cho mạng nơron vừa tạo
70 ▪ Sau khi huấn luyện cho mạng nơron thu được kết quả sau:
Hình 5.14 Kết quả huấn luyện mạng nơron
Từ kết quả của quá trình huấn luyện mạng nơron rút ra được nhận xét sau: Các giá trị kết quả đều lớn hơn 0,95 cho thấy có thể dừng q trình huấn luyện mạng và có thể sử dụng mạng để dự đốn kết quả lực kéo đứt cho các thí nghiệm với bộ
thông số gồm: công suất laser, tốc độ dịch chuyển, bề dày vỏ, bề dày mỗi lớp in và mật độ in bất kỳ.
71 ▪ Dừng quá trình huấn luyện và bắt đầu sử dụng mạng
Hình 5.15 Export mạng
▪ Sử dụng mạng vừa huấn luyện và kết quả
Hình 5.16 Tạo new variable và nhập bộ thơng số cần dự đốn sau đó nhập lệnh
72
Hình 5.17 Kết quả dự đốn lực kéo 5.3.2 Nhận xét kết quả phương pháp mạng Nơron
Mạng nơron vừa tạo và huấn luyện là một cơng cụ hữu ích và đáng tin cậy trong
việc dự đoán lực kéo đứt của của các mẫu in 3D SLS mà không cần phải chế tạo và kiểm nghiệm, giúp mở rộng được quy mô của nghiên cứu hay dự đoán, thay thế cho những mẫu thử khơng chính xác.
Từ kết quả của phương pháp mạng nơron rút ra được nhận xét:
▪ Việc sử dụng phương pháp mạng nơron với sự hỗ trợ của phần mềm Matlab giúp cho việc triển khai nhanh chóng và hiệu quả.
▪ Các dữ liệu dùng để huấn luyện mạng là kết quả của những lần thử nghiệm, dựa trên kết quả thử nghiệm đó mà tạo ra một bộ thông số phù hợp.
▪ Độ tin cậy của phương pháp là rất cao: 95%
73
CHƯƠNG 6:
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
6.1. Kết luận
Việc nghiên cứu và tìm hiểu về sự ảnh hưởng của các thông số đến độ bền kéo
của sản phẩm chế tạo bằng công nghệ in 3D SLS là rất quan trọng và cần thiết. Đồ án tốt nghiệp “Chế tạo mẫu và thử nghiệm độ bền kéo bằng công nghệ in 3D Laser bột” đã nghiên cứu và chỉ ra rõ được sự ảnh hưởng hưởng riêng lẻ của các thông số, mức độ ảnh hưởng của chúng trong quá trình in đến độ bền kéo của sản phẩm, lập được các biểu đồ nhằm chỉ ra mức độ ảnh hưởng của từng thông số. Không
những thế đồ án cịn chỉ rõ các thơng số cịn ảnh hưởng qua lại lẫn nhau và xác định
được bộ thơng số tối ưu nhất cho q trình in, tạo được mạng Nơron giúp mô phỏng được kết quả thí nghiệm một cách tin cậy nhằm giảm bớt được thời gian chế tạo và
thử nghiệm mẫu.
Song song những kết quả đạt được, đồ án vẫn còn những mặt hạn chế nhất định. Vì khối lượng cơng việc thực hiện lớn, cùng với thời gian ngắn và kinh nghiệm chúng tơi cịn hạn chế nên kết quả đồ án chưa thực sự như mong mỏi.
6.2. Hướng phát triển
Công nghệ in 3D SLS là một cơng nghệ có nhiều tiềm năng nên việc phát triển
và mở rộng các đề tài liên quan là rất cần thiết. Đề tài trong đồ án này sẽ là nền tảng và có thể mở rộng phát triển nghiên cứu sâu hơn. Hướng phát triển đề tài này như sau:
- Tăng cường nghiên cứu thêm các thông số có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm để thấy được một cách toàn diện hơn, rõ hơn về quá trình in 3D SLS. - Không chỉ dừng lại nghiên cứu độ bền kéo mà có thể mở rơng ra các chỉ số chất lượng sản phẩm như: độ nhám, độ bền va đập, độ bền mỏi, độ bền uốn, dung sai,…
- Đầu tư cải tiến máy in 3D SLS để quá trình nghiên cứu diễn ra dễ dàng, thuận lợi và độ chính xác cao hơn.
74
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Cục thông tin khoa học và công nghệ quốc gia (2017), “Tổng luận số 7: In 3D Hiện tại và tương lai”.
[2] Trần Văn Khiêm (2017), “Phương pháp Taguchi và ứng dụng trong tối ưu hóa chế độ cắt”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam số 4 (trang 76 – 82)
[3] Lê Chánh Minh và các tác giả, “Đồ Án Tốt Nghiệp: Máy in 3D từ vật liệu bột nhựa”, Đại học Sư Phạm Kỹ thuật TPHCM, 2019.
Tiếng Anh
[4] 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)
[5] 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. [6] Manfred Schmid, Antonim Amado and Konrad Wegener, “Polymer Powder for Selective Laser Sintering (SLS)”, AIP Publishing LLC 2015.
[7] 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
[8] Sachdeva A, Singh S, Sharma VS (2013), “Investigating surface roughness of parts produced by SLS process”. Int Jadv Manuf Technol 64, pp.1505–1516
[9] 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
[10] https://www.re-fream.eu/portfolio/3d-printing-stereolithography-sla/
[11] https://3dservices.edu.vn/khoa-hoc-thiet-ke-san-pham-va-van-hanh-may-in-3d [12] https://scantechvn.com/cong-nghe-in-3d-vat-lieu-ben-sls-sctvn617
75 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Trang bìa chính Phụ lục 2: Trang bìa phụ Phụ lục 3: Mục lục Phụ lục 4: Danh mục các bảng biểu Phụ lục 5: Danh mục các từ viết tắt Phụ lục 6: Danh mục các biểu đồ và hình ảnh
Phụ lục 7: Thông tin kết quả nghiên cứu của đề tài Phụ lục 8: Tài liệu tham khảo
76
INFLUENCE OF 3D PRINTING SLS PROCESS PARAMETERS ON TENSILE STRENGTH OF PRODUCT
Nguyen Tan Khoa1, Nguyen Trung Kien1, Nguyen Tien Phong1 1HCMC University of Technology and Education
ABSTRACT: Selective laser sintering (SLS) is a powder-based rapid prototyping (RP) technology in which
parts is built by CO2 laser. This research work presents an optimal method to determine the influence of geometry for SLS in order to fabricate parts with enhanced component integrity and reduced overall costs using plastic powder. Moreover, the geometry printing during the installation process have a significant effect on the characteristics of the printing elements, they are closely related and need to be studied. In this project, we focus on studying the influence of printing parameters on the tensile strength of the product, thereby optimizing the geometry parameters to the product to achieve the highest tensile strength. The process consists of making test samples with 3 geometry printing to be tested: shell, layer height and infill density. The results of the project implementation are: geometry parameters have a certain influence on the tensile strength of the product, of which the laser height is the most affected.
Keywords: RP (Rapid prototyping) - SLS (Selective laser sintering) – AM (Additive
manufacturing)
1. INTRODUCTION
Additive manufacturing (AM) or three-dimensional (3D) printing techniques are emerging to initiate a new round of manufacturing revolution by providing greater freedom for design and fabrication of customized products with complex geometries [1-5]. The 3D model of an object is constructed through computer-aided design (CAD) and mathematically sliced into many thin layers, according to the automatic deposition and scanning process for its various cross sections [6-10]. Over the years, AM has branched out from enrich serving as a prototyping technique, into the production of functional parts and end-use products [11-14]. Prototype is an important and vital part of the product development process. Prototypes play several roles in the product development process like experimentation and learning, testing and proofing, communication and interaction, synthesis and integration, scheduling and markers. Prototyping processes have gone through three phases of development like manual prototyping, soft or virtual prototyping and rapid prototyping. The last two of which have emerged only in last two decades like the modelling process in computer graphics. The prototyping of the physical model is growing through its third phase, since the lifecycle of product is getting shorter due to the rapid industrial development and customer diverse needs, the reduction of the time, for new product development time should be the significant issue[21]. Rapid prototyping (RP) technology used form late 1980s has taken its place in CAD/CAM and has been expected to cope with dynamic manufacturing environment. RP is a material additive manufacturing (AM) process or layered manufacturing (LM) process where a 3D computer model is sliced and reassembled in a real space layer-by-layer based on the original form of material used and hardening method, the various systems such as stereo lithographic apparatus (SLA), selective laser sintering (SLS), laminated object manufacturing (LOM), fused deposit modelling (FDM), and soling ground curing (SGC) have been introduced to the market.
77 Among the different AM processes the SLS is a powder based RP process which directly forms solid components according to a 3D CAD model by selective sintering of successive layers of powdered raw materials. While the capability of SLS produces functional objects directly from metals is under development, indirect methods of producing functional objects from metals have been widely used. The materials used in SLS system can be broadly classified into three groups: DuraForm materials (such as GF plastics (glass filled polyamide), PA plastics (durable polyamide), EX plastic (impact resistant plastic) Flex plastic (thermo plastic elastomer with rubber) and AF plastic (polyamide), LaserForm materials such as A6 (steel) material, ST-200 material (special stainless steel composite) and ST-100 material (Powdered stainless steel) and finally, the CastForm PS material. A CAD model is first tessellated and sliced into layers of 0.05–0.3 (http://www.3dsystems.com/). SLS uses fine powder which is spread by a re-coater on the machine bed and scanned directly by a CO2 laser such that the surface tension of the grains overcome and they are sintered together. The interaction with the laser beam with the powder raises temperature of the powder to the point of melting, resulting in particle bonding, fusing the particles to themselves and the previous layer to form a solid. The building of the part is done layer-by- layer. Each layer of the building process contains the cross sections of one or many parts. The next layer is then built directly on the top of the sintered layer after an additional layer of powder is deposited. After allowing sufficient time for the sintered layer to cool down without causing significant internal stresses, the part bed moves down by one layer thickness to facilitate new powder layer, spread by a re-coater. The sintered material forms the part while the un-sintered powder remains in its place to support the structure and may be cleaned away and recycled once the build is complete. These layers are joined together or fused automatically to create the final shape. The primary advantage to additive fabrication is its ability to create almost any shape or geometric feature. The standard data interface between CAD software and the machines is the STL file format[19][20][22].
The challenge of modern industries is mainly focused on achieving high quality, in terms of workpiece dimensional accuracy, surface finish and high production rate, economy of production in terms of cost saving and increasing the performance of theEffective process parameters in selective laser sintering 151 product with reduced environmental impact[17]. Surface roughness plays an important role in many areas and is a factor of great importance in the evaluation of machining accuracy. In order to fabricate the parts to a close tolerance, it is essential that the process parameters are to be maintained at appropriate levels.Hence it is very essential to observe the parameters influencing surface finish during fabrication. The SLS produced parts tend to have poor surface finish due to the relatively large particle sizes of powder used. The system requires high power consumption due to the high wattage of the laser required to sinter the powder particles together[18].
Efficient analysis of the process and its influencing parameters is necessary to realise all its merits. The experiments were conducted to estimate the intensity of influence of geometry printing namely thickness of shell, layer height and infill density on tensile strength. The different types of optimisation techniques have been identified for this problem and the suitable one was considered to optimise the parameters[16]. There is need to understand the influences of parameters affecting surface roughness, dimensional accuracy and hardness while fabrication using SLS. However their optimum values for better surface finish, dimensional accuracy and hardness are to be explored. The proposed work deals with
78 formulation of experiments using factorial design of experiments, conducting experiments, collection of necessary data and Conclusion on the effect of printing parameters on the tensile strength of products.
2. METHODOLOGY
This section provides information regarding ASTM D638 standard for determining tensile strength of SLS 3D printed specimens. ASTM D638 is prepared by applying tensile force to a test piece and measuring the various properties of a test piece under stress. Although ASTM D638 measures many different tensile properties. In addition, 3D printing manufacturing process and design parameters along with the 3D printer, the testing machine.
The process of manufacturing products with three geometry parameters to check: shell thickness (Fig 1), layer height (Fig 2) and infill density (Fig 3). And PE plastic powder is material
PE (polyethylene): PE plastic powder, is a polyethylene, smooth, with different types of colors, in which green is the dominant color, porous, melted in high temperature conditions. It is widely used in the pastic industry, for manufacturing rods, zig hangs in plating, electrical insulating material and industrial adhesives, or coatings on metal surfaces. Properties of PE resins should be very resistant to acids and alkalis.
2.1. Test specimen design
The first step in the study is to design the test specimens for determining tensile strength per ASTM D638 (Fig 4) and a 3D model is created in Inventor per geometry and dimensions given in the standard.
2.2 Specimen manufacturing
All of the specimens are built base on the fundarmental parameters of Repetier-Host and changed the parameter that needed to test. Shell (ABCDE), layer height for specimens (FGHIJ) and infill density (KLMNO) like Table 1 Specimens in the test plan.
Table 1 Specimens in the test plan
Parameter Laser power Feed Shell Layer height Infill density
Specimen 1 A 2.3 465 0.5 0.7 50 B 0.8 C 1 D 1.3 E 1.5
79 Specimen 2 F 2.4 465 1.5 0.4 50 G 0.5 H 0.6 I 0.7 J 0.8 Specimen 3 K 2.5 470 1.3 0.6 30 L 40 M 45 N 50 O 60
With the selected process parameters, samples for the investigation are prepared in the four steps listed below.
1. A three-dimensional (3D) model of the test coupons is prepared; using commercial computer aided design (CAD) software (SolidWorks) and saved as a stereolithography (.stl) file.
2. The .stl file is then exported into a file on the 3D printing software (Repetier-Host) and set up the parameters to ready for printing is generated
3. The sample is produced after adjusting the machine setup (adjusting building sheet,