Độ bền kéo sản phẩm in 3D từ bột nhựa: Đề tài nghiên cứu khoa học và thử nghiệm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

THỬ NGHIỆM ĐỘ BỀN KÉO SẢN PHẨM IN 3D TỪ BỘT NHỰA

MÃ SỐ: SV2020-103

S KC 0 0 7 4 0 3

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

THỬ NGHIỆM ĐỘ BỀN KÉO SẢN PHẨM IN 3D TỪ BỘT NHỰA

SV2020 - 103

Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN TRUNG KIÊN

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

THỬ NGHIỆM ĐỘ BỀN KÉO SẢN PHẨM IN 3D TỪ BỘT NHỰA

SV2020 - 103

Nam, Nữ: Nam

Kinh

Năm thứ: 4/Số năm đào tạo: 4

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật Nguyễn Trung Kiên SV thực hiện: Dân tộc: Lớp, khoa: Đào tạo Chất Lượng Cao Ngành học: Công nghệ kỹ thuật cơ khí Người hướng dẫn: ThS. Trần Thái Sơn

TP Hồ Chí Minh, 07/2020

MỤC LỤC

MỤC LỤC ................................................................................................................... i

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................. iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. v

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH ......................................................... vi

MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1

CHƯƠNG 1: ............................................................................................................... 2

TỔNG QUAN ............................................................................................................. 2

1.1. Tình hình về công nghệ in 3D ....................................................................... 2

1.1.1. Khái quát về các công nghệ in 3D phổ biến hiện nay ........................ 3

1.1.2. Ứng dụng của in 3D ................................................................................ 9

1.2. Lý do chọn đề đề tài .................................................................................... 13

1.3. Lý do chọn đề tài ......................................................................................... 15

1.4. Mục tiêu của đề tài ...................................................................................... 15

1.5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 15

CHƯƠNG 2: ............................................................................................................. 16

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................................ 16

2.1. Công nghệ in 3D SLS ................................................................................... 16

2.1.1. Nguyên lý thiêu kết bột nhựa bằng laser ........................................... 16

2.1.2. Các loại vật liệu được dùng cho công nghệ in 3D SLS .................... 16

2.1.3. Vật liệu bột nhựa PE ............................................................................ 17

2.2. Độ bền kéo của chi tiết ................................................................................ 18

2.2.1. Khái quát độ bền của chi tiết .............................................................. 18

2.2.2. Độ bền kéo của chi tiết ......................................................................... 19

2.3. Các tiêu chuẩn thử kéo cho sản phẩm nhựa ............................................ 19

2.4. Các thông số in 3D ảnh hưởng đến độ bền kéo của sản phẩm ............. 20

CHƯƠNG 3: ............................................................................................................. 21

CHẾ TẠO MẪU THỬ BẰNG PHƯƠNG PHÁP IN 3D LASER BỘT (SLS).......... 21

3.1. Thiết kế mẫu thử ......................................................................................... 21

3.1.1. Tiêu chuẩn thiết kế mẫu ...................................................................... 21

3.2. Chương trình điều khiển: .......................................................................... 23

3.3 Chế tạo mẫu .................................................................................................. 24

3.3.1. Các thông số có thể thay đổi được ..................................................... 24

3.3.2. Thiết lập các bộ thông số thí nghiệm ................................................. 24

3.3.3 Tiến hành chế tạo mẫu thử .................................................................. 28

CHƯƠNG 4: ............................................................................................................. 30

KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ IN 3D LASER BỘT ĐẾN ĐỘ BỀN KÉO CỦA CHI TIẾT ................................................................................. 30

4.1. Độ bền kéo .................................................................................................... 30

4.2. Phương pháp và trình tự tiến hành xác định độ bền kéo của mẫu thử ............................................................................................................................... 30

4.2.1 Phương pháp kéo ................................................................................... 30

4.2.2 Các bước tiến hành kéo ........................................................................ 30

4.3. Kết quả thu được sau thí nghiệm .............................................................. 38

4.4. Sự ảnh hưởng của độ bền kéo khi thay đổi các thông số in 3D ............ 42

4.4.1 Ảnh hưởng của công suất Laser đến độ bền kéo của mẫu .............. 42

4.4.2. Ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển của laser đến độ bền kéo của mẫu ................................................................................................................... 44

4.4.3. Ảnh hưởng của bề dày vỏ mẫu đến độ bền kéo của mẫu ............... 46

4.4.4. Ảnh hưởng của bề dày mỗi lớp in đến độ bền kéo của mẫu .......... 48

4.4.5. Ảnh hưởng của mật độ điền đầy đến độ bền kéo của mẫu ............ 50

4.5. Nhận xét kết quả .......................................................................................... 52

CHƯƠNG 5: ............................................................................................................. 53

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO CHI TIẾT TỪ CÔNG NGHỆ IN 3D SLS 53

5.1. Phương pháp Taguchi ................................................................................. 53

5.1.1. Khái quát về phương pháp Taguchi .................................................. 53

5.1.2. Kết quả phương pháp Taguchi ........................................................... 55

5.1.3. Nhận xét kết quả ................................................................................... 58

5.2. Phương pháp Anova.................................................................................... 60

5.2.1. Kết quả của phương pháp Anova ...................................................... 60

5.2.2. Nhận xét kết quả ................................................................................... 63

5.3. Phương pháp Mạng Nơron ........................................................................ 63

5.3.1. Trình tự các bước tiến hành ............................................................... 63

5.3.2 Nhận xét kết quả phương pháp mạng Nơron .................................... 72

CHƯƠNG 6: ............................................................................................................. 73

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................. 73

6.1. Kết luận ......................................................................................................... 73

6.2. Hướng phát triển ......................................................................................... 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 74

PHỤ LỤC .................................................................................................................. 75

iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng thông số cơ bản của bột nhựa LDPE

Bảng 3.1 Các kích thước của mẫu thử

Bảng 3.2 Giá trị của các thông số in sau khi thử nghiệm

Bảng 3.3 Thông số in cho phương pháp đơn biến

Bảng 3.4 Các mức độ của thông số in theo phương pháp Taguchi

Bảng 3.5 Thông số cho phương pháp Taguchi

Bảng 4.1 Kết quả lực kéo đứt theo thông số của phương pháp đơn biến

Bảng 4.2 Kết quả lực kéo đứt theo thông số của phương pháp Taguchi

Bảng 4.3 Ảnh hưởng của thông số Công suất đến độ bền kéo của mẫu

Bảng 4.4 Ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển các trục đến độ bền kéo của mẫu

Bảng 4.5 Ảnh hưởng của bề dày vỏ mẫu đến độ bền kéo của mẫu

Bảng 4.6 Ảnh hưởng của bề dày mỗi lớp in đến độ bền kéo của mẫu

Bảng 4.7 Ảnh hưởng của bề dày mỗi lớp in đến độ bền kéo của mẫu

Bảng 5.1 Bảng giá trị tỷ số S/N

Bảng 5.2 Kết quả tỷ lệ S/N

Bảng 5.3 Kết quả phương pháp Anova

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

RP: Rapid Prototyping

AM: Additive Manufacturing

LM: Layered Manufacturing

SLA: Stereolithographic Apparatus

SLS: Selective Laser Sintering

LOM: Laminated Object Manufacturing

FDM: Fused Deposit Modelling

SGC: Soling Ground Curing

STL: Standard Tessellation Language

PA: Polyamide

PE: Polyethylene

LDPE: Low Density Polyethylene

MDPE: Medium Density Polyethylene

HDPE: High Density Polyethylene

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mô hình cấu tạo máy in 3D SLA

Hình 1.2 Sản phẩm của công nghệ in 3D SLA

Hình 1.3 Hình dáng máy in và một số sản phẩm công nghệ LOM

Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của công nghệ in 3D FDM

Hình 1.5 Sản phẩm công nghệ in 3D FDM

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của công nghệ in 3D SLS

Hình 1.7 Sản phẩm in 3D SLS

Hình 1.8 Xe Urbee được sản xuất bằng công nghệ in 3D

Hình 1.9 In 3D dùng trong in mạch điện tử

Hình 1.10 Cánh quạt tua bin khí ché tạo bằng in 3D

Hình 1.11 Ứng dụng in 3D trong y tế

Hình 1.12 Ngôi nhà được in 3D ở Trung Quốc

Hình 3.1 Mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn ASTM-D638

Hình 3.2 Kích thước để thiết kế mẫu thử loại V

Hình 3.3 Giao diện làm việc chính của Mach3

Hình 3.4 Mẫu thử sau khi in

Hình 3.5 Mẫu thử được lấy khỏi bàn và tiến hành đánh số

Hình 4.1 Mẫu thử đã được đánh số

Hình 4.2 Máy kéo vạn năng INSTRON 3369

Hình 4.3 Máy kéo trong trạng thái không làm việc

Hình 4.4 Gắn ngàm cố định

Hình 4.5 Gắn ngàm di động

Hình 4.6 Lắp hệ thống khí nén vào máy kéo

Hình 4.7 Bảng điều khiển

Hình 4.8 Phần mềm Bluehill Lite

Hình 4.9 Kẹp chặt chi tiết vào ngàm

Hình 4.10 Mẫu thử bị kéo đứt trên máy kéo

Hình 4.10 Mẫu thử sau khi bị kéo đứt

Hình 4.11 Biểu đồ kéo và lực kéo đứt

Hình 4.12 Biểu đồ ảnh hưởng của công suất đến độ bền kéo của mẫu

Hình 4.13 Biểu đồ ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển đến độ bền kéo của mẫu

Hình 4.14 Bề dày vỏ

Hình 4.14 Biểu đồ ảnh hưởng của bề dày vỏ đến độ bền kéo của mẫu

Hình 4.15 Sự thay đổi Layer trong in 3D

Hình 4.16 Biểu đồ ảnh hưởng của bề dày mỗi lớp in đến độ bền kéo của mẫu

Hình 4.17 Sự thay đổi mật độ in trong in 3D

Hình 4.18 Biểu đồ ảnh hưởng của mật độ in đến độ bền kéo của mẫu

Hình 5.1 Thiết lập yếu tố đầu vào

Hình 5.2 Các thông số trên Minitab

Hình 5.3 Tỷ lệ S/N của các yếu tố đầu vào

Hình 5.4 Thiết lập yếu tố đầu vào và đầu ra

Hình 5.5 Chọn độ tin cậy là 95%

Hình 5.6 Khởi động Matlab

Hình 5.7 Dùng New variable thiết lập thông số

Hình 5.8 Nhập thông số đầu vào

Hình 5.9 Nhập thông số đầu ra

Hình 5.10 Dùng lệnh “nntool” để tạo mạng nơron

Hình 5.11 Import dư liệu đầu vào và đầu ra

vii

Hình 5.12 Tạo mạng

Hình 5.13 Tiến hành huấn luyện mạng nơron

Hình 5.14 Kết quả huấn luyện mạng nơron

Hình 5.15 Export mạng

Hình 5.16 Tạo new variable và nhập bộ thông số cần dự đoán sau đó nhập lệnh network1 (test) để dự đoán bộ thông số

Hình 5.17 Kết quả dự đoán lực kéo

viii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1. Thông tin chung:

- Tên đề tài: Thử nghiệm độ bền kéo sản phẩm in 3D từ bột nhựa

- Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Trung Kiên Mã số SV: 16144085

- Lớp: 16144CL2 Khoa: Đào tạo Chất Lượng Cao

- Thành viên đề tài:

Stt MSSV Khoa Họ và tên Lớp

1 16144085 16144CL2 CLC Nguyễn Trung Kiên

2 16144077 16144CL2 CLC Nguyễn Tấn Khoa

3 16144125 16144CL2 CLC Nguyễn Tiến Phong

- Người hướng dẫn: ThS. Trần Thái Sơn

2. Mục tiêu đề tài:

Thử nghiệm đồ bền kéo của 138 sản phẩm.

3. Tính mới và sáng tạo:

In 3D SLS là công nghệ mới, việc thử nghiệm độ bền kéo cho ra các thông số ảnh hưởng góp phần dự đoán được các thông số ảnh hưởng lên sản phẩm in 3D từ vật liệu bột. Bên cạnh đó đóng góp cho việc nghiên cứu sâu hơn vào công nghệ này.

4. Kết quả nghiên cứu:

Kết quả nghiên cứu cho thấy các thông số khi tăng giá trị sẽ làm tăng lực kéo đứt: Công suất laser, bề dày vỏ, mật độ in. Các thông số khi tăng sẽ làm giảm lực kéo đứt: tốc độ dịch chuyển và bề dày của mỗi lớp in. Trong đó, thông số bề dày mỗi lớp in có ảnh hưởng lớn nhất đến độ bền kéo của sản phẩm

5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

Công nghệ in 3D SLS là một công 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 đóng góp phát triển nghiên cứu sâu hơn

6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

Ngày 27 tháng 07 năm 2020

SV chịu trách nhiệm chính

thực hiện đề tài

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài :

Ngày 27 tháng 07 năm 2020

Người hướng dẫn

MỞ ĐẦU

Công nghệ in 3D nói chung, là công nghệ mang tính đột phá, đầy hứa hẹn, đang

được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng sâu rộng trong nhiều lĩnh vực của đời sống

và sản xuất. Trong đó, công nghệ in 3D SLS (Selective Laser Sintering) là công nghệ

sử dụng tia laser công suất cao thiêu kết (nung chảy và kết dính) vật chất (ở dạng bột) một cách có chọn lọc đã được ứng dụng nhiều trên thế giới; tuy nhiên, ở Việt Nam

việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này chưa thật sự rộng rãi. Do đó việc xác

định được độ bền, đặc biệt là độ bền kéo của sản phẩm được chế tạo từ công nghệ in

này là một vấn đề cần thiết và quan trọng. Các thông số trong quá trình cài đặt có ảnh hưởng không nhỏ đến đặc tính của chi tiết in, chúng liên quan mật thiết với nhau và

cần được nghiên cứu. Trong đồ án này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông

số in 3D SLS đến độ bền kéo của sản phẩm, từ đó tối ưu hóa bộ thông số in để sản

phẩm đạt được độ bền kéo cao nhất. Quá trình thự hiện gồm việc chế tạo mẫu thử với

5 thông số cần kiểm tra đó là: công suất laser (Laser Power), tốc độ dịch chuyển bàn

máy (Feed), bề dày vỏ (Shell), bề dày mỗi lớp in (Layer height) và mật độ in (Infill

density). Thu thập các kết quả thí nghiệm, lập biểu đồ và rút ra nhận xét về sự ảnh hưởng của các thông số đến độ bền kéo của sản phẩm in. Bên cạnh đó áp dụng các

phương pháp khoa học như: Taguchi, Anova, Mạng Nơron; và các phần mềm chuyên

dụng để tối ưu được các thông số in, nâng cao độ bền kéo cho sản phẩm. Kết quả rút

ra từ quá trình thực hiện đồ án là: các thông số in có ảnh hưởng nhất định đến độ bền

kéo của sản phẩm, trong số đó thì bề dày mỗi lớp in là ảnh hưởng nhiều nhất. Đồng

thời xác định bộ thông số tối ưu cho quá trình như sau: công suất là 2,5W; tốc độ dịch

chuyển là 465mm/ph; bề dày vỏ là 1mm; bề dày mỗi lớp in là 0,6mm; mật độ in là

60%; và tạo huấn luyện được mạng nơron nhằm giúp dự đoán được lực kéo đứt của

sản phẩm với độ tin cậy cao mà không cần chế tạo và thử nghiệm.

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN

1.1. Tình hình về công nghệ in 3D Nguyên mẫu (Prototype) là một phần quan trọng của quá trình phát triển sản phẩm. Nguyên mẫu đóng một số vai trò trong quá trình phát triển sản phẩm như thử nghiệm và học tập, thử nghiệm và chứng minh, giao tiếp và tương tác, tổng hợp và phân tích, liệt kê. Quá trình tạo mẫu đã trải qua ba giai đoạn phát triển như tạo mẫu thủ công, tạo mẫu mềm hoặc tạo mẫu ảo và tạo mẫu nhanh. Hai trong số đó mới chỉ xuất hiện trong hai thập kỷ qua như quy trình mô hình hóa trong đồ họa máy tính. Nguyên mẫu của mô hình vật lý đang phát triển qua giai đoạn thứ ba, do vòng đời sản phẩm ngày càng ngắn hơn do sự phát triển công nghiệp nhanh chóng và nhu cầu đa dạng của khách hàng, việc giảm thời gian, trong thời gian phát triển sản phẩm mới là vấn đề quan trọng (Rossi et al., 2004). Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid prototyping) là công nghệ được sử dụng từ cuối những năm 1980 đã có vị trí trong CAD / CAM và được kỳ vọng hướng tới môi trường sản xuất năng động. RP là quy trình sản xuất bồi đắp (AM - Additive Manufacturing) hoặc quy trình sản xuất đắp lớp (LM – Layered Manufacturing) trong đó mô hình máy tính 3D được cắt và ghép lại trong lớp không gian thực dựa trên hình thức nguyên liệu ban đầu được sử dụng và phương pháp làm cứng chẳng hạn như 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 bằng đùn (FDM - Fused Deposit Modelling) và đông cứng bề mặt rắn (SGC - Soling Ground Curing) đã được giới thiệu ra thị trường. Một trong những cách tốt hơn là phân loại rộng rãi các hệ thống tạo mẫu nhanh theo hình thức ban đầu của vật liệu của nó, tức là vật liệu mà các nguyên mẫu là một phần được chế tạo. Theo cách này, tất cả các hệ thống RP có thể dễ dàng được phân loại thành:

• Dạng lỏng

• Dạng rắn

• Dạng bột (Chua et al., 2010). [4]

1.1.1. Khái quát về các công nghệ in 3D phổ biến hiện nay 1.1.1.1 Nguyên lý chung của in 3D

Để bắt đầu in 3D, người ta cần một bản thiết kế vật thể 3D trên phần mềm CAD, một phần mềm quen thuộc hỗ trợ thiết kế trên máy tính. Mô hình của vật thể hoặc được thiết kế trực tiếp trên phần mềm này hoặc được đưa vào phần mềm thông qua việc sử dụng thiết bị quét laser. Sau khi bản thiết kế được hoàn thành, ta cần tạo ra tài liệu STL - Standard Tessellation Language, một dạng tài liệu quen thuộc với công nghệ sản xuất đắp dần. Tạo ra một file theo ngôn ngữ dạng lưới tiêu chuẩn là chia một vật thể thành những đa giác nhỏ hơn, để mô phỏng cho cấu trúc bên ngoài và cả bên trong của vật thể. Đây là phần rất quan trọng trong sản xuất đắp dần. Khi tài liệu đã được hoàn thiện, hệ thống sẽ chia nhỏ thiết kế mẫu thành nhiều lớp khác nhau và chuyển thông tin đến thiết bị sản xuất đắp dần. Sau đó, hệ thống sản xuất đắp dần sẽ tự chế tạo vật thể theo từng lớp một cho đến khi vật thể cần sản xuất được hoàn thiện. Để sản xuất các vật thể, các hệ thống máy in 3D sử dụng kết hợp nhiều công nghệ khác nhau. Các công nghệ này được phân loại dựa vào bản chất vật liệu. In 3D hay sản xuất đắp dần có thể làm việc với vật liệu rắn (nhựa, kim loại, polymer), vật liệu lỏng (nhựa lỏng đông cứng lại nhờ tác động của laser hay ánh sáng điện tử), hay vật liệu dạng bột(bột kim loại, bột gốm kết dính với nhau tạo thành sản phẩm…) ([1], trang 7).

1.1.1.2. Công nghệ tạo mẫu lập thể (SLA)

Được phát triển bởi Chuck Hull, đây là công nghệ in 3D xuất hiện đầu tiên và cũng là công nghệ in 3D chi tiết chuẩn xác nhất, có sai số thấp nhất trong các công nghệ in 3D khác. Công nghệ in 3D SLA là một công nghệ in 3D vẫn hoạt động theo nguyên tắc “đắp lớp” có đặc điểm khác biệt với các công nghệ khác là dùng tia UV làm cứng từng lớp vật liệu in (chủ yếu là nhựa lỏng). Lớp in SLA có thể đạt từ 0.06, 0.08, 0.1,… mm.

Về nguyên lý hoạt động: Sau khi tập tin 3D CAD được kết nối dưới ngôn ngữ STL (Tessellation language) thì quá trình in được bắt đầu: Lớp nhựa lỏng đắp lên mẫu 3D thiết kế sẵn tia UV làm cứng lớp nhựa này, sau đó nhiều lớp được đắp lên nhau cho đến khi đạt chỉ số kỹ thuật của vật thể đã định sẵn.

Ưu điểm: Công nghệ SLA có khả năng tạo ra các mô hình có độ chi tiết cao, sắc nét và chính xác. Về các công nghệ in 3D sử dụng vật liệu nhựa, thì đây là công nghệ

tạo ra sản phẩm in 3D là nhựa tốt nhất, có thể sử dụng ngay, độ phân giải, độ mịn cao, có thể nói là cao nhất hiện nay.

Nhược điểm: Vật liệu in 3D khá đắt, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền khi để lâu dưới ánh sáng mặt trời ([1], trang 7,8).

Hình 1.1 Mô hình cấu tạo máy in 3D SLA ([1], trang 8)

Hình 1.2 Sản phẩm của công nghệ in 3D SLA [10]

1.1.1.3. Công nghệ sử dụng vật liệu nhiều lớp (LOM)

Công nghệ LOM được sáng tạo bởi Michael Feygin vào năm 1985 và được tung ra thị trường năm 1986 bởi công ty California Helisys (Hoa Kỳ). Đây là kiểu in 3D sử dụng những vật liệu dễ dàng dát mỏng như giấy, gỗ, nhựa…Kiểu in này cho ra màu sắc chuẩn xác với bản mẫu thiết kế nhất. Trong quá trình in LOM các lớp giấy, nhựa hoặc kim loại cán mỏng dính bọc được hợp nhất bằng cách sử dụng nhiệt và áp lực, sau đó cắt thành hình với máy tính điều khiển tia laser và dao cắt. Sau khi thực hiện quá trình in, bước cuối cùng là gia công và khoan. Các đối tượng 3D được tạo ra từng lớp,mỗi lớp sẽ được cắt bằng tia laser hoặc dụng cụ cắt chuyên dụng (cắt theo đường biên dạng với tốc độkhoảng15 (inch/giây) sau đó được dán chặt từng lớp, từng lớp vào với nhau tạo ra sản phẩm.

Ưu điểm của công nghệ LOM: Vật liệu đa dạng, rẻ tiền. Về nguyên tắc có thể sử dụng các loại vật liệu: giấy, chất dẻo, kim loại, composites và gốm. Độ chính xác cao đạt được tốt hơn 0,25 mm. Bằng việc cắt vật liệu thay vì hóa rắn nó, hệ thống có thể bảo vệ được những đặc tính ban đầu của vật liệu. Không cần thiết kết cấu hỗ trợ.

Nhược điểm: Không thu hồi được vật liệu dư. Sự cong vênh của chi tiết thường là vấn đề chính của phương pháp LOM. Lấy sản phẩm ra khỏi kết cấu hỗ trợ khó khăn. Độ bóng bề mặt không cao ([1], trang 13,14).

Hình 1.3 Hình dáng máy in và một số sản phẩm công nghệ LOM ([1], trang 14)

1.1.1.4. Công nghệ lắng đọng bằng đùn (FDM)

Được phát triển bởi S. Scott Crump vào cuối những năm 1980. Hãng Stratasys bán chiếc máy sử dụng công nghệ FDM đầu tiên có tên “3D Modeler” năm 1992. Máy in 3D dùng công nghệ FDM xây dựng mẫu bằng cách đùn nhựa nóng chảy rồi hóa rắn từng lớp tạo nên cấu trúc chi tiết dạng khối. Điều đặc biệt của công nghệ này đó là nó không chỉ có khả năng in các nguyên mẫu mà còn in được các sản phẩm hoàn thiện cuối cùng đến tay người dùng. Công nghệ này có hiệu suất cao và sử dụng kỹ thuật in nhiệt dẻo rất có giá trị đối với kĩ sư cơ khí và các nhà sản xuất, nhờ thế mà thành phẩm có phẩm chất tốt về mặt cơ học, nhiệt và hóa học.

Ưu điểm: Là công nghệ in 3D giá rẻ, dễ sửa chữa và thay thế chi tiết máy móc, in với số lượng lớn, ít tốn nguyên liệu. Thường sử dụng trong các sản phẩm cần chịu lực. Tốc độ tạo hình 3D nhanh.

Nhược điểm: Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao. Khả năng chịu lực không đồng nhất ([1], trang 11,12).

Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của công nghệ in 3D FDM ([1], trang 12)

Hình 1.5 Sản phẩm công nghệ in 3D FDM [11]

1.1.1.5. Công nghệ thêu kết Laser chọn lọc (SLS)

Công nghệ này được sáng tạo bởi Carl Deckard vào năm 1986 ở Trường đại học Texas và được cấp bằng sáng chế năm 1989, được đưa ra thị trường bởi tập đoàn DTM (được thành lập 1987). Thiết bị đầu tiên được thương mại hoá vào năm 1992. Công nghệ SLS vận hành tương tự SLA nhưng vật liệu ở dạng bột gốm sứ, thép,

titan, nhôm, bạc, thủy tinh,… Tia laser giúp liên kết các hạt bột với nhau. Đặc biệt, bột thừa sau quy trình có thể tái chế nên rất tiết kiệm. Có thể tạo lớp bằng vật liệu phụ trợ là keo chuyên dụng (có khi kèm màu sắc nếu in 3D đa sắc màu), hoặc tia laser, tia UV,….

Ưu điểm: Khả năng tạo mẫu bằng các loại vật liệu dạng bột khác nhau như nhựa, kim loại, thủy tinh, gốm. Tạo mẫu đa dạng về màu sắc, có thể tạo ra các mẫu hình dạng phức tạp, không cần sử dụng vật liệu hỗ trợ, không cần cấu trúc hỗ trợ. SLS đã được sử dụng chủ yếu để tạo nguyên mẫu, nhưng gần đây đã được ứng dụng cho sản xuất theo từng yêu cầu cụ thể.

Nhược điểm: Phức tạp, chi phí đầu tư cao, chi phí vận hành cao do hao tổn vật liệu lớn. Các mô hình kín và có phần rỗng bên trong vẫn phải tiêu tốn một lượng vật liệu khá lớn ([1], trang 9,10).

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của công nghệ in 3D SLS ([1], trang 9)

Hình 1.7 Sản phẩm in 3D SLS [12]

1.1.2. Ứng dụng của in 3D Công nghệ in 3D đang ngày càng phát triển, không chỉ giúp cho việc chế tạo khuôn mẫu được chính xác và dễ dàng hơn mà còn tìm được nhiều ứng dụng trong thực tế cuộc sống. Công nghệ in 3D đang được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp sản xuất chế tạo, y khoa, kiến trúc, xây dựng… Dưới đây là những lĩnh vực chính được ứng dụng công nghệ in 3D ([1], trang 16).

1.1.2.1. Trong công nghiệp sản xuất, chế tạo

Lý do chính khiến công nghệ sản xuất đắp dần được sử dụng rộng rãi trong môi trường công nghiệp là do nó cho phép sản xuất các bộ phận với số lượng ít, bộ phận có hình dạng phức tạp, cắt giảm phế liệu, tạo nhanh sản phẩm thử nghiệm, sản xuất theo yêu cầu.

* Trong ngành công nghiệp ô tô: Ngoài mục đích thử nghiệm, thiết kế, tạo mẫu và sản xuất một số bộ phận, công cụ lắp ráp đặc biệt, ngành công nghiệp ô tô đã sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất ra những chiếc xe hoàn chỉnh. Trên thực tế, chiếc xe hơi đầu tiên được tạo ra bằng công nghệ in 3D là Urbee, được sản xuất toàn bộ bằng công nghệ in 3D ([1], trang 16,17).

Hình 1.8 Xe Urbee được sản xuất bằng công nghệ in 3D ([1], trang 17)

Các nhà sản xuất xe hơi lớn của Hoa Kỳ là Ford, GE và Mattel đang sử dụng in 3D để cắt giảm chi phí và thời gian sản xuất trong giai đoạn tạo mẫu. Ford sử dụng công nghệ in 3D trong việc chế tạo các đầu xi-lanh được sử dụng trong động cơ EcoBoost (động cơ sử dụng trong xe đua) nhằm giảm nhiên liệu tiêu thụ. Công đoạn này đã giảm khoảng 20-45% thời gian sản xuất. Còn GE thì ứng dụng công nghệ in 3D trong quá trình sản xuất đầu dò siêu âm, giúp cắt giảm khoảng 30% chi phí hoạt động ([1], trang 17).

*Trong ngành công nghiệp điện tử: Công nghiệp điện tử cũng là một trong những ngành ứng dụng đầu tiên của in 3D. Máy in 3D đã được sử dụng để chế tạo các bộ phận phức tạp đặc biệt từ các chất liệu khác nhau và đã mở ra một trào lưu mới của ngành công nghiệp này. Rõ ràng, khi áp dụng công nghệ này thì những chi tiết phức tạp được in ra một cách nhanh chóng và chuẩn xác hơn rất nhiều ([1], trang 18).

Hình 1.9 In 3D dùng trong in mạch điện tử ([1], trang 18)

*Trong lĩnh vực năng lượng: Hãng Siemen đã chế tạo và thử nghiệm thành công cánh quạt động cơ Turbine khí bằng công nghệ in 3D, mở đường cho các nhà sản xuất điện và các thiết bị nặng khác sử dụng công nghệ in 3D, không những để chế tạo các 19 mô hình hoặc nguyên mẫu mà còn chế tạo những chi tiết thực tế trong sản phẩm của họ ([1], trang 18,19).

Hình 1.10 Cánh quạt tua bin khí chế tạo bằng in 3D ([1], trang 19)

1.1.2.2 Trong y tế

Ưu điểm của in 3D được thể hiện rất rõ trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khoẻ với vô vàn ứng dụng. Công nghệ in 3D rất hữu ích trong sản xuất các mô hình sinh học (các mô hình bộ phận con người như xương, răng, tai giả...). Ngoài ra, cũng tương tự như việc tạo mô hình sinh học, công nghệ in 3D được dùng để thiết kế và sản xuất các bộ phận cơ thể giúp cho phẫu thuật tái tạo vàcấy ghép. Các dụng cụ y

tế như máy trợ thính, khung đỡ, mặt nạ, răng giả... đều có thể sản xuất bằng công nghệ in 3D theo đúng như kích thước, hình dạng, đặc điểm của từng bệnh nhân ([1], 23).

Hình 1.11 Ứng dụng in 3D trong y tế ([1], trang 26)

1.1.2.3 Trong kiến trúc và xây dựng

Ngành xây dựng đã sẵn sàng để đón nhận một làn sóng kỹ thuật mới gọi là công nghệ In 3D vào việc thi công các công trình dân dụng từ cầu cống đến các loại kiến trúc. Nền công nghiệp hiện đại đang tiến dần đến thời kỳ công nghiệp 4.0 đặc trưng bởi sự phối hợp giữa 3 công nghệ mới – In 3D, cảm biến, và robot; và người ta mỗi ngày một khám phá thêm những ứng dụng mới từ bộ ba công nghệ này.

Bằng việc sử dụng các chất liệu kim loại từ sắt, thép không rỉ đến nhôm, đồng, thau, các cánh tay robot phối hợp liên tục để in ra các kết cấu phức tạp của cây cầu một cách dễ dàng, bắt đầu từ hai bờ tiến vào giữa cho đến khi chiếc cầu được nối liền. Các robot làm việc ngay trên phần kết cấu vừa hoàn tất như những người thợ chuyên nghiệp để cuối cùng cho ra cây cầu hiện đại biểu tượng cho công nghệ mới trong vòng hai tháng ([1], trang 27,28).

Hình 1.12 Ngôi nhà được in 3D ở Trung Quốc ([1], trang 29)

1.2. Lý do chọn đề đề tài Trong số các quy trình AM khác nhau, SLS là quy trình RP dựa trên bột, trực tiếp tạo thành các thành phần rắn theo mô hình CAD 3D bằng cách thiêu kết có chọn lọc các lớp nguyên liệu bột liên tiếp. Trong khi khả năng của công nghệ SLS tạo ra các đối tượng chuyển động trực tiếp từ kim loại đang được phát triển, các phương pháp gián tiếp sản xuất các đối tượng chuyển động từ kim loại đã được sử dụng rộng rãi. Các vật liệu được sử dụng trong hệ thống SLS có thể được phân loại thành ba nhóm: Vật liệu DuraForm (như nhựa GF (polyamide thủy tinh), nhựa PA (polyamide bền), nhựa EX (nhựa chống va đập), nhựa dẻo (nhựa đàn hồi nhiệt bằng cao su) và nhựa AF (polyamide)), vật liệu LaserForm như vật liệu A6 (thép), vật liệu ST-200 (composite thép không gỉ đặc biệt) và vật liệu ST-100 (thép không gỉ dạng bột) và cuối cùng là vật liệu CastForm PS. Một mô hình CAD được chia cắt thành các lớp 0,05–0,3 (http://www.3dsystems.com/). SLS sử dụng bột mịn được lan truyền bởi một lớp phủ lại trên bàn máy và được quét trực tiếp bằng laser CO2 sao cho sức căng bề mặt của các hạt bị vượt giới hạn và thiêu kết với nhau. Sự tương tác với chùm tia laser với bột làm tăng nhiệt độ của bột đến mức nóng chảy, dẫn đến liên kết hạt, hợp nhất các hạt với chính chúng và lớp trước tạo thành chất rắn. Quá trình này được thực hiện từng lớp. Mỗi lớp của quá trình này chứa các mặt cắt ngang của một hoặc nhiều phần. Lớp tiếp theo sau đó được xây dựng trực tiếp trên đỉnh của lớp thiêu kết sau khi một lớp bột bổ sung được lắng đọng. Vật liệu thiêu kết tạo thành một phần trong khi bột không thiêu kết vẫn ở vị trí của nó để hỗ trợ cấu trúc và có thể được làm sạch và tái chế sau khi quá trình xây dựng hoàn tất. Các lớp này

được nối với nhau hoặc hợp nhất tự động để tạo ra hình dạng cuối cùng. Ưu điểm chính của chế tạo đắp lớp là khả năng tạo ra hầu hết mọi hình dạng hoặc đặc điểm hình học. Giao diện dữ liệu tiêu chuẩn giữa phần mềm CAD và máy là định dạng tệp STL (Phạm, 2000; Paul và Anand, 2012; Zhu et al., 2003).

Thách thức của các ngành công nghiệp hiện đại chủ yếu tập trung vào việc đạt được chất lượng cao, về độ chính xác kích thước phôi, bề mặt hoàn thiện và tỷ lệ sản xuất cao, tiết kiệm chi phí sản xuất và tăng hiệu suất của các thông số quy trình hiệu quả trong sản phẩm thiêu kết laser có chọn lọc với việc giảm tác động môi trường (Hongjun et al., 2003) ([4], trang 149-151).

Trong những năm trước, một số nghiên cứu đã được thực hiện bằng cách sử dụng kết hợp các thông số thiêu kết đầu vào khác nhau để đạt được chất lượng chính xác (độ chính xác, tính chất cơ học [7] và độ nhám bề mặt [8] của các bộ phận [9]). Nhưng, vẫn còn một phạm vi để chế tạo các bộ phận chất lượng cao khác [5].

Một trong số các yếu tố cần đạt của chi tiết đó là phải đảm bảo đủ độ bền, đặc biệt là độ bền kéo để phục vụ cho những mục đích sử dụng nhất định. Để chế tạo các chi tiết đủ độ bền, điều cần thiết là các tham số quy trình phải được duy trì ở mức phù hợp. Do đó, rất quan trọng để quan sát các thông số ảnh hưởng đến hoàn thiện bề mặt trong quá trình chế tạo.

Phân tích hiệu quả của quá trình và các thông số ảnh hưởng của nó là cần thiết để tìm ra tất cả giá trị của nó. Các thí nghiệm đã được thực hiện để ước tính cường độ ảnh hưởng của các thông số cụ thể là công suất laser, tốc độ dịch chuyển của các trục, bề dày vỏ của mẫu, chiều cao của mỗi lớp và mật độ điền đầy. Các loại kỹ thuật tối ưu hóa khác nhau đã được xem xét cho nghiên cứu này và loại phù hợp đã được xác định để tối ưu hóa các tham số. Cần phải hiểu ảnh hưởng của các tham số ảnh hưởng đến độ bền kéo của mẫu trong khi chế tạo bằng SLS. Bên cạnh đó, việc tìm ra các giá trị tối ưu của chúng để tăng và tối ưu hóa độ bền kéo của mẫu là rất quan trọng và cần thiết.

1.3. Lý do chọn đề tài - Công nghệ in 3D SLS là công nghệ có tiềm năng lớn, giúp sản xuất được những chi tiết với độ chính xác cao.

- Các yêu cầu chất lượng, độ bền của một sản phẩm được tạo ra từ công nghệ in 3D SLS cao nhưng nghiên cứu còn hạn chế ở Việt Nam.

- Tìm hiểu và tối ưu hóa các tham số cho quá trình in 3D là cấp thiết, giúp hiểu được rõ ràng, trực quan hơn các thông số trong in 3D SLS, từ đó phát huy được tính ưu việt của sản phẩm.

- Đề tài là tiền đề để có thêm các nghiên cứu sâu hơn về công nghệ này.

1.4. Mục tiêu của đề tài Kiểm nghiệm mẫu thử kéo bằng công nghệ in 3D SLS, nhận xét sự ảnh hưởng và tối ưu hóa các thông số trong quá trình in.

1.5. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập và tổng hợp 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 thực 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. Từ đó giúp cho quá trình kiểm nghiệm đạt kết quả tốt.

- Kiểm nghiệm và thống kê số liệu.

- So sánh đối chiếu.

- Tham vấn ý kiến chuyên gia.

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 đắp 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 để đạt 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 được điều khiển tương tự như quá trình polymer hoá phương trong 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 theo lớp mặt cắt, làm chúng kết dính tại những chỗ tiếp xúc.

Polyamide 12 (PA 12) là lựa chọn chính và gần như độc quyền. Hợp chất PA 12 hoặc PA 12 nguyên chất (hỗn hợp khô) thực sự được sử dụng trong hầu hết 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 được hòa tan 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 phản ứng với cấu trúc tinh thể. LDPE được tạo ra bằng phản ứng 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 Thông số

Hình thức Hạt

Thành phần Polyethylene mật độ thấp

108 ÷ 115 (°C) Nhiệt độ nóng chảy

45 ÷ 55 (g/ph) Mức độ nóng chảy

0,92 ÷ 0,94 (g/cm3) Tỉ trọng

Kích thước hạt 80 ÷ 300 (μm)

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 đến 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 đến 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 độ bền của sản phẩm nhựa nói chung.

Độ bền nói chung được định nghĩa như sau: Độ bền (ký hiệu: δ) là đặc tính cơ bản của vật liệu. 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 độ bên theo cách tác động ngoại

lực khác nhau: độ kéo, độ bền nén, độ bền cắt, độ bền uốn, độ bền mỏi, độ bền va đập, giới hạn chảy...

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 để 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

● ASTM-D412 - Phương pháp tiêu chuẩn cho cao su lưu hóa và chất đàn hồi nhiệt dẻo

● ASTMD882 - Phương pháp thử tiêu chuẩn cho tính chất kéo của tấm nhựa mỏng

● 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 3D ảnh 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 đến 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 được chọn 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 độ điền 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 độ in phù hợp để đạt 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 được sử dụng 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 được quy 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 vật liệu không bị đứt tại phần hẹp của mẫu như mẫu thử loại I. Mẫu thử 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 Giá trị (mm)

3,18 W: bề rộng phần kéo

9,53 L: chiều dài phần kiểm tra

9,53 WO: bề rộng lớn nhất

63,5 LO: chiều dài lớn nhất

7,62 G: chiều dài phần đứt

25,4 D: khoảng cách kẹp

R: bán kính bo cung 12,7

4 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 sử dụng 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 : 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

để đến dòng tiếp theo. Như vậy có sự sai lệch. Khi dừng bằng nút này thì không

chạy lại được.

- Các nút Zero X, Zero Y, Zero Z, để đưa 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 Y ở 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 được xác 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 chọn ở 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 đủ để khảo sát.

+ Mật độ in chọn trong khoảng: 30% ÷ 60%

Bảng 3.2 Giá trị của các thông số in sau khi thử nghiệm

Thông số Giá trị

Công suất Laser 2.1 ÷ 2.5 (W)

Tốc độ dịch chuyển của đầu Laser 450 ÷ 470 (mm/ph)

Bề dày vỏ sản phẩm 0.5 ÷ 1.5 (mm)

Chiều dày mỗi lớp in 0.4 ÷ 0.8 (mm)

30 ÷ 60 (%) Mật độ điền đầy

Đồ án nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số in đến độ bền kéo của mẫu và tối ưu hóa các thông số để mẫu 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 A (W) B (mm/ph) C(mm) D(mm) E (%)

460 1 0.5 50

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

2.3 1 0.6 45

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 450 455 460 465 470

2.3 465 0.7 50

0.5 0.8 1 1.3 1.5

50 2.4 465 1.5

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

2.5 470 1.3 0.6

21 22 23 24 25 30 40 45 50 60

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. Ở đây 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 Mức độ 1 Mức độ 2 Mức độ 3

2.3 2.4 2.5 Công suất Laser – A (W)

460 465 470 Tốc độ dịch chuyển – B (mm/ph)

1 1.3 1.5 Bề dày vỏ - C (mm)

0.6 0.7 0.8 Bề dày mỗi lớp in – D (mm)

45 50 60 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*

A 2.3 2.3 B 460 460 C 1 1 STT 1 2 D 0.6 0.6 E 45 50

2.3 2.3 2.3 460 465 465 1 1.3 1.3 3 4 5 0.6 0.7 0.7 60 45 50

2.3 2.3 2.3 465 470 470 1.3 1.5 1.5 6 7 8 0.7 0.8 0.8 60 45 50

2.3 2.4 2.4 470 460 460 1.5 1.3 1.3 9 10 11 0.8 0.8 0.8 60 45 50

Bảng 3.5 (Tiếp theo)

STT A B C D E

2.4 12 460 1.3 0.8 60

2.4 13 465 1.5 0.6 45

2.4 14 465 1.5 0.6 50

2.4 15 465 1.5 0.6 60

2.4 16 470 1 0.7 45

2.4 17 470 1 0.7 50

2.4 18 470 1 0.7 60

2.5 19 460 1.5 0.7 45

2.5 20 460 1.5 0.7 50

2.5 2.5 2.5 21 22 23 460 465 465 1.5 1 1 0.7 0.8 0.8 60 45 50

2.5 2.5 2.5 24 25 26 465 470 470 1 1.3 1.3 0.8 0.6 0.6 60 45 50

27 470 1.3 0.6 60

2.5 *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

+ Bảo quản mẫu thử sau đó thử nghiệm kéo thu kết quả.

Hình 3.4 Mẫu thử sau khi in

Hình 3.5 Mẫu thử được lấy khỏi bàn và tiến hành 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 đứt. Ở giá trị lực kéo giới hạn cho sự đứt của vật liệu được ghi lại được ký hiệu σk.

Công thức để tính độ bền kéo là:

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 được thiết kế theo tiêu chuẩn, chính vì thế để 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 được chế 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 được 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 định và ngàm di 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 4.3 Máy kéo trong trạng thái không làm việc

Hình 4.4 Gắn ngàm cố định

Hình 4.5 Gắn ngàm di động

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 để đo các thông số kéo được của quá trình thử kéo, ở đây thông số cần đo là lực kéo đứt (trong qua trình thực hiện thì không được phép chụp màn hình bằng phím PrntScr vì có thể xảy ra lỗi trong qua trình thử nghiệm).

Hình 4.8 Phần mềm Bluehill Lite

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 định và ngàm di 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 đai ốc.

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 kéo đến khi đứt và nhấn nút STOP để dừng quá trình kéo.

*Bước 4: Kết quả được hiển thị trên màn hình, ghi lại kết quả kéo được.

Hình 4.10 Mẫu thử bị kéo đứt trên máy kéo

4.3. Kết quả thu được sau thí nghiệm Sau khi quá trình kéo đứt kết thúc, các kết quả thu là vị trí đứt của mẫu thử và lực kéo đứt.

Hình 4.10 Mẫu thử sau khi bị kéo đứt

Hình 4.11 Biểu đồ thể hiện lực kéo đứt và độ biến dạng

Ghi kết quả thu được vào bản kết quả và tính toán lực đứt trung bình cho mỗi loại mẫu kéo. Các bản kết quả thu được như sau:

Bảng 4.1 Kết quả lực kéo đứt theo thông số của phương pháp đơn biến

SST A B C D E TBC LẦN 1 LẦN 2 LẦN 3

1 2.1 2 2.2 15.544 14.399 15.789 16.382 15.856 16.814 15.244 16.351

460 1 0.5 50

3 2.3 4 2.4 19.265 17.645 16.329 18.649 18.470 16.993 17.746 18.037

5 2.5 20.276 27.296 10.915 23.786

2.3 1 0.6 45

450 455 460 465 17.91 16.654 17.843 21.699 18.171 17.124 20.473 20.844 20.596 25.83 26.998 24.668 6 7 8 9 17.469 18.998 20.638 25.832

470 27.762 25.851 25.263 10 26.292

0.5 0.8 15.481 15.323 15.825 16.031 17.296 17.459 11 12 15.543 16.929

2.3 465 0.7 50

1 1.3 17.623 17.368 17.528 17.64 19.869 18.098 13 14 17.506 18.536

1.5 16.329 23.516 19.487 15 19.777

2.4 465 1.5 50 0.4 0.5 0.6 48.233 45.326 41.865 32.760 33.745 29.363 21.942 22.703 22.232 16 17 18 45.141 31.956 22.292

0.7 21.865 22.267 20.158 19 21.430

0.8 17.049 13.064 14.116 20 14.743

30 22.384 21.987 23.582 21 22.651

2.5 470 1.3 0.6

40 45 50 19.224 15.646 17.588 15.936 16.779 15.906 19.275 20.167 19.475 22 23 24 17.486 16.207 19.639

25 22.459 23.410 23.223 23.031

C – Bề dày vỏ (mm); D – Bề dày mỗi lớp in (mm); E – Mật độ in (%)

Lần 1, 2, 3 và TBC – Lực kéo mỗi lần thử và trung bình cộng (N)

60 Trong đó: A – Công suất Laser (W); B – Tốc độ dịch chuyển các trục (mm/ph);

Bảng 4.2 Kết quả lực kéo đứt theo thông số của phương pháp Taguchi *

STT A B C D TBC E LẦN 1 LẦN 2 LẦN 3

1 2.3 2 2.3 460 460 1 1 0.6 0.6 45 20.473 20.844 20.596 50 25.815 27.809 26.328 20.638 26.651

3 2.3 4 2.3 5 2.3 460 465 465 1 1.3 1.3 0.6 0.7 0.7 60 28.664 27.013 29.352 45 15.787 17.833 14.759 50 18.098 17.640 19.869 28.343 16.126 18.536

7.950 9.142

6 2.3 7 2.3 8 2.3 465 470 470 1.3 1.5 1.5 0.7 0.8 0.8 60 19.611 19.399 18.426 45 8.778 50 10.956 12.176 10.948 19.145 8.623 11.360

9 2.3 10 2.4 11 2.4 470 460 460 1.5 1.3 1.3 0.8 0.8 0.8 60 13.588 13.053 12.371 45 11.349 11.992 11.648 50 12.829 11.992 12.583 13.004 11.663 12.468

12 2.4 13 2.4 14 2.4 460 465 465 1.3 1.5 1.5 0.8 0.6 0.6 60 13.432 13.078 13.583 45 21.588 20.979 21.651 50 21.942 22.703 22.232 13.364 21.406 22.292

15 2.4 16 2.4 17 2.4 465 470 470 1.5 1 1 0.6 0.7 0.7 60 23.182 22.527 25.215 22.51 45 21.066 21.847 20.92 22.54 50 24.141 23.641 21.808 22.534

18 2.4 19 2.5 20 2.5 470 460 460 1 1.5 1.5 0.7 0.7 0.7 60 24.087 24.429 23.501 45 18.554 19.031 18.622 20.05 50 18.828 19.174 24.006 18.736 19.351

21 2.5 22 2.5 23 2.5 460 465 465 1.5 1 1 0.7 0.8 0.8 60 21.432 22.071 21.668 45 14.641 15.648 15.529 50 16.866 16.454 17.032 21.724 15.273 16.784

24 2.5 25 2.5 26 2.5 465 470 470 1 1.3 1.3 0.8 0.6 0.6 60 19.055 16.728 16.305 45 15.936 16.779 15.906 50 19.275 20.167 19.475 17.363 16.207 19.639

27 2.5 470 1.3 0.6 60 22.459 23.410 23.223 23.031

* Các ký hiệu và đơn vị như bảng 4.1

4.4. Sự ảnh hưởng của độ bền kéo khi thay đổi các thông số in 3D Các số liệu thu thập được cần được đối chiếu, so sánh để đưa ra nhận xét cho sự ảnh hưởng của thông số in 3D đến độ bền kéo của mẫu thử được chế tạo bằng công nghệ in 3D Laser bột. Trong phần này các số liệu được sử dụng lấy từ Bảng 4.1.

4.4.1 Ảnh hưởng của công suất Laser đến độ bền kéo của mẫu Thông số công suất của đầu Laser được thay đổi từ 2,1W đến thông số còn lại được giữ nguyên như nhau trong 5 loại mẫu: Tốc độ dịch chuyển của các trục (Feed) là 460; bề dày vỏ (Shell) là 1; bề dày mỗi lớp in (Layer height) là 0,5; mật độ in (Infill density) là 50%. Kết quả thu được của lực kéo đứt như sau:

Bảng 4.3 Ảnh hưởng của thông số Công suất đến độ bền kéo của mẫu

SST A B C D E TBC LẦN 1 LẦN 2 LẦN 3

1 2 2.1 2.2 15.544 14.399 15.789 16.382 15.856 16.814 15.244 16.351

3 2.3 19.265 17.645 16.329 17.746 460 1 0.5 50

4 2.4 18.649 18.47 16.993 18.037

5 2.5 20.276 27.296 10.915 23.786

* Các ký hiệu và đơn vị như bảng 4.1

Ảnh hưởng công suất đến lực kéo

23.786

25.000

18.073

17.746

20.000

16.351

15.244

)

15.000

( c ự L

10.000

5.000

0.000

2.1

2.2

2.4

2.5

2.3 Công suất (W)

Dựa trên kết quả thu được, vẽ biểu đồ:

Hình 4.12 Biểu đồ ảnh hưởng của công suất đến độ bền kéo của mẫu

Từ “Biểu đồ ảnh hưởng của công suất đến độ bền kéo của mẫu” rút ra được nhận xét rằng:

▪ Một cách khái quát, khi tăng công suất từ 2,1W lên 2,5W thì lực kéo đứt của mẫu thử cũng tăng theo từ 15,244N lên 23,786N hay khi tăng công suất thì lực kéo đứt cũng tăng. Lực kéo đứt tăng đều không bị giảm.

▪ Tăng công suất từ 2,1W lên 2,2W, thì lực kéo đứt tăng từ 15,244N lên 16,351N (tăng 7,3%)

▪ Tăng công suất từ 2,2W lên 2,3W, thì lực kéo đứt tăng từ 16,351N lên 17,797N (tăng 8,8%)

▪ Tăng công suất từ 2,3W lên 2,4W, thì lực kéo đứt tăng từ 17,797N lên 18,073N (tăng 1,6%)

▪ Tăng công suất từ 2,4W lên 2,5W, thì lực kéo đứt tăng từ 18,073N lên 23,786N (tăng 31,6%)

▪ Công suất ảnh hưởng đến độ bền kéo của mẫu theo tỉ lệ thuận, tăng công suất của Laser trong quá trình in sẽ giúp tạo mẫu có độ bền hơn vì công suất lớn sẽ làm cho bột kết dính, liên kết hơn với nhau từ đó độ bền cũng tăng lên. Chính vì thế khi các thông số được giữ nguyên, muốn tăng độ bền cho mẫu thì tăng công suất của đầu Laser.

4.4.2. Ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển của laser đến độ bền kéo của mẫu Thông số tốc độ dịch chuyển của các trục được thay đổi từ 450 mm/ph đến 470 mm/ph, thông số còn lại được giữ nguyên như nhau trong 5 loại mẫu: công suât của laser là 2,3W; bề dày vỏ (Shell) là 1; bề dày mỗi lớp in (Layer height) là 0,6; mật độ in (Infill density) là 45%. Kết quả thu được của lực kéo đứt như sau:

Bảng 4.4 Ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển các trục đến độ bền kéo của mẫu*

SST A B C D E TBC LẦN 1 LẦN 2 LẦN 3

2.3 1 0.6 45

6 7 8A 9 450 455 460 465 19.91 19.654 18.843 17.699 18.171 17.124 16.473 15.844 16.596 14.83 14.998 14.668 19.469 17.665 16.304 14.833

10 11.762 10.851 11.263 11.292

470 * Các ký hiệu và đơn vị như bảng 4.1

Ảnh hưởng tốc độ dịch chuyển đến lực kéo

25.000

19.649

17.665

20.000

16.304

14.833

)

15.000

11.292

( c ự L

10.000

5.000

0.000

450

455

465

470

460 Tốc độ dịch chuyển (mm/ph)

Dựa trên kết quả thu được, vẽ biểu đồ:

Hình 4.13 Biểu đồ ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển đến độ bền kéo của mẫu

Từ “Biểu đồ ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển đến độ bền kéo của mẫu” rút ra được nhận xét rằng:

▪ Một cách khái quát, khi tăng tốc độ dịch chuyển từ 450 mm/ph lên 470 mm/ph thì lực kéo đứt của mẫu thử sẽ giảm theo từ 19,649N lên 11,292N hay khi tăng tốc độ dịch chuyển thì độ bền kéo của mẫu sẽ giảm.

▪ Tăng tốc độ dịch chuyển từ 450 mm/ph lên 455 mm/ph, thì lực kéo đứt giảm từ 19,649N xuống 17,655N (giảm 10,1%)

▪ Tăng tốc độ dịch chuyển từ 455 mm/ph lên 460 mm/ph, thì lực kéo đứt giảm từ 17,655N xuống 16,304N (giảm 7,7%)

▪ Tăng tốc độ dịch chuyển từ 460 mm/ph lên 465 mm/ph, thì lực kéo đứt giảm từ 16,304N xuống 14,833N (giảm 9%)

▪ Tăng tốc độ dịch chuyển từ 465 mm/ph lên 470 mm/ph, thì lực kéo đứt giảm từ 14,833N xuống 11,292N (giảm 23,9%)

▪ Tốc độ dịch chuyển ảnh hưởng đến độ bền kéo của mẫu theo tỉ lệ nghịch, tăng tốc độ dịch chuyển trong quá trình in sẽ làm giảm độ bền của mẫu.

4.4.3. Ảnh hưởng của bề dày vỏ mẫu đến độ bền kéo của mẫu

Hình 4.14 Bề dày vỏ

Thông số bề dày vỏ mẫu được thay đổi từ 0,5mm đến 1,5 mm, các thông số còn lại được giữ nguyên như nhau trong 5 loại mẫu: công suât của laser là 2,3W; tốc độ dịch chuyển là 465 mm/ph; bề dày mỗi lớp in (Layer height) là 0,7; mật độ in (Infill density) là 50%. Kết quả thu được của lực kéo đứt như sau:

Bảng 4.5 Ảnh hưởng của bề dày vỏ mẫu đến độ bền kéo của mẫu*

SST A B C D E TBC LẦN 1 LẦN 2 LẦN 3

0.5 0.8 15.481 15.323 15.825 16.031 17.296 17.459 15.543 16.929 11 12

2.3 465 0.7 50

1 1.3 17.623 17.368 17.528 19.869 17.64 18.098 17.506 18.536 13 14

1.5 16.329 23.516 19.487 19.777 15

* Các ký hiệu và đơn vị như bảng 4.1

Ảnh hưởng độ dày vỏ đến lực kéo

25.000

19.777

18.536

17.506

20.000

16.929

15.543

)

15.000

( c ự L

10.000

5.000

0.000

0.5

0.8

1.3

1.5

1 Bề dày vỏ (mm)

Dựa trên kết quả thu được, vẽ biểu đồ:

Hình 4.14 Biểu đồ ảnh hưởng của bề dày vỏ đến độ bền kéo của mẫu

Từ “Biểu đồ ảnh hưởng của bề dày vỏ đến độ bền kéo của mẫu” rút ra được nhận xét rằng:

▪ Một cách khái quát, khi tăng bề dày vỏ từ 0,5 mm lên 1,5 mm thì lực kéo đứt của mẫu thử cũng tăng theo từ 15,543N lên 19,777N hay khi tăng bề dày vỏ thì lực kéo đứt cũng tăng. Lực kéo đứt tăng đều không bị giảm.

▪ Tăng bề dày vỏ từ 0,5mm lên 0,8mm, thì lực kéo đứt tăng từ 15,543N lên 16,929N (tăng 8,7%)

▪ Tăng bề dày vỏ từ 0,8mm lên 1mm, thì lực kéo đứt tăng từ 16,929N lên 17,506N (tăng 3,4%)

▪ Tăng bề dày vỏ từ 1mm lên 1,3mm, thì lực kéo đứt tăng từ 17,506N lên 18,536N (tăng 5,9%)

▪ Tăng bề dày vỏ từ 1,3mm lên 1,5mm, thì lực kéo đứt tăng 18,536N từ lên 19,777N (tăng 6,7%)

▪Bề dày vỏ ảnh hưởng đến độ bền kéo của mẫu theo tỉ lệ thuận, tăng bề dày của vỏ sẽ giúp tạo mẫu có độ bền cao hơn. Sự chênh lệch độ bền giữa các mẫu không cao.

4.4.4. Ảnh hưởng của bề dày mỗi lớp in đến độ bền kéo của mẫu

Hình 4.15 Sự thay đổi Layer trong in 3D

Thông số bề dày mỗi lớp in của mẫu được thay đổi từ 0,4mm đến 0,8mm, các thông số còn lại được giữ nguyên như nhau trong 5 loại mẫu: công suất của laser là 2,4W; tốc độ dịch chuyển là 465 mm/ph; bề dày của vỏ là 1,5mm; mật độ in là 50%. Kết quả thu được của lực kéo đứt như sau:

Bảng 4.6 Ảnh hưởng của bề dày mỗi lớp in đến độ bền kéo của mẫu*

SST A B C TBC D E LẦN 1 LẦN 2 LẦN 3

0.4 48.233 45.326 41.865 45.141 16

0.5 32.760 33.745 29.363 31.956 17

2.4 465 1.5 50 21.942 22.703 22.232 22.292 0.6 18

0.7 21.865 22.267 20.158 21.430 19

0.8 17.049 13.064 14.116 14.743 20

* Các ký hiệu và đơn vị như bảng 4.1

Ảnh hưởng bề dày lớp in đến lực kéo

45.141

50.000

40.000

31.956

)

30.000

22.292

21.430

14.743

20.000

( c ự L

10.000

0.000

0.4

0.8

0.5 0.6 0.7 Bề dày mỗi lớp in (mm)

Dựa trên kết quả thu được, vẽ biểu đồ:

Hình 4.16 Biểu đồ ảnh hưởng của bề dày mỗi lớp in đến độ bền kéo của mẫu

Từ “Biểu đồ ảnh hưởng của bề dày mỗi lớp in đến độ bền kéo của mẫu” rút ra được nhận xét rằng:

▪ Một cách khái quát, khi tăng bề dày mỗi lớp in từ 0,4 mm lên 0,8 mm thì lực kéo đứt của mẫu thử giảm một cách rõ rệt từ 45,141N xuống 14,743N hay khi tăng bề dày mỗi lớp in thì độ bền kéo của mẫu bị giảm.

▪ Tăng bề dày lớp in từ 0,4mm lên 0,5mm, thì lực kéo đứt tăng từ 45,141N xuống 31,956N (giảm 29,2%)

▪ Tăng bề dày lớp in từ 0,5mm lên 0,6mm, thì lực kéo đứt tăng từ 31,956N xuống 22,292N (giảm 30,2%)

▪ Tăng bề dày lớp in từ 0,6mm lên 0,7mm, thì lực kéo đứt tăng từ 22,292N lên 21,430N (giảm 3,9%)

▪ Tăng bề dày lớp in từ 0,7mm lên 0,8mm, thì lực kéo đứt tăng 21,430N từ lên 14,743N (giảm 31,2%)

▪ Bề dày mỗi lớp in ảnh hưởng đến độ bền kéo của mẫu theo tỉ lệ nghịch, tăng bề dày của của mỗi lớp in sẽ làm giảm độ bề của mẫu một cách đáng kể. Chính vì thế muốn cho mẫu có độ bề càng cao thì phải chọn bề dày mỗi lớp in càng cao, nhưng đồng thời cũng làm tăng thời gian in. Mức độ ảnh hưởng của bề dày mỗi lớp in lên độ bền kéo của sản phẩm là rất đáng kể.

4.4.5. Ảnh hưởng của mật độ điền đầy đến độ bền kéo của mẫu

Hình 4.17 Sự thay đổi mật độ in trong in 3D

Thông số mật độ in của mẫu được thay đổi từ 30% đến 60%, các thông số còn lại được giữ nguyên như nhau trong 5 loại mẫu: công suất của laser là 2,5W; tốc độ dịch chuyển là 470 mm/ph; bề dày của vỏ là 1,3mm; bề dày mỗi lớp in là 0,6mm. Kết quả thu được của lực kéo đứt như sau:

Bảng 4.7 Ảnh hưởng của bề dày mỗi lớp in đến độ bền kéo của mẫu*

SST A B C D TBC E LẦN 1 LẦN 2 LẦN 3

30 22.384 21.987 23.582 22.651 21

40 19.224 15.646 17.588 17.486 22

2.5 470 1.3 0.6 15.936 16.779 15.906 16.207 45 23

50 19.275 20.167 19.475 19.639 24

22.459 23.410 23.223 23.031 25

60 * Các ký hiệu và đơn vị như bảng 4.1

Ảnh hưởng mật độ in đến lực kéo

23.031

22.651

25.000

19.639

20.000

17.486

16.207

)

15.000

10.000

( c ự L

5.000

0.000

45 Mật độ in (%)

Dựa trên kết quả thu được, vẽ biểu đồ:

Hình 4.18 Biểu đồ ảnh hưởng của mật độ in đến độ bền kéo của mẫu

Từ “Biểu đồ ảnh hưởng của mật độ in đến độ bền kéo của mẫu” rút ra được nhận xét rằng:

▪ Tăng mật độ in từ 30% lên 40%, thì lực kéo đứt giảm từ 22,651N xuống 17,486N (giảm 22,8%)

▪ Tăng mật độ in từ 40% lên 45%, thì lực kéo đứt giảm từ 17,486N xuống 16,207N (giảm 7,3%)

▪ Tăng mật độ in từ 45% lên 50%, thì lực kéo đứt tăng từ 16,207N lên 19,639N (tăng 21,2%)

▪ Tăng mật độ in từ 50% lên 60%, thì lực kéo đứt tăng từ 19,639N lên 23,031N (tăng 17,3%)

▪ Nhìn vào biểu đồ thấy được sự thay đổi của lực kéo không theo quy luật tuyến tính. Với chiều tăng của mật độ in lực kéo có xu hướng giảm sau đó tăng trở lại. Nguyên nhân có thể do quá trình thí nghiệm chưa chính xác, quá trình tạo mẫu có sai số hoặc trong quá trình thử kéo xảy ra lỗi. Trong điều kiện cho phép, với thông số này nên chế tạo và thử kéo trong thêm để có kết quả chuẩn xác hơn.

▪ Tuy nhiên, khi tăng mật độ in từ 45% đến 60% thì lực kéo cũng tăng đều. Điều này phù hợp với việc càng tăng mật độ in sẽ khiến cho cấu trúc mẫu được liên kết

chặt chẽ hơn dẫn đến mẫu bền hơn. Và trong toàn bộ thí nghiệm thì với mật độ in là 60% thì lực kéo là lớn nhất. Từ đó, có thể dự đoán một cách tương đối rằng mật độ in sẽ tỷ lệ thuận với độ bền kéo của sản phẩm, mật độ in càng lớn thì độ bền kéo càng cao.

4.5. Nhận xét kết quả Từ kết quả thí nghiệm rút ra được kết luận:

▪ Các thông số in đều có ảnh hưởng nhất định đến độ bền kéo của nhưng theo các chiều hướng không giống nhau.

▪ Các thông số khi tăng giá trị sẽ làm tăng lực kéo đứt: Công suất laser, bề dày vỏ, mật độ in.

▪ Các thông số khi tăng sẽ làm giảm lực kéo đứt: tốc độ dịch chuyển và bề dày của mỗi lớp in.

▪ Trong đó, thông số bề dày mỗi lớp in có ảnh hưởng lớn nhất đến độ bền kéo của sản phẩm, lớp in càng nhỏ thì độ bền kéo của sản phẩm càng lớn

▪ Có thể giúp tăng độ bền của sản phẩm bẳng cách in với bề dày của mỗi lớp in càng nhỏ càng tốt. Tuy nhiên điều đó còn phải dựa trên những điều kiện phù hợp bởi vì lớp in càng nhỏ sẽ càng tốn nhiều thời gian.

CHƯƠNG 5:

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO CHI TIẾT TỪ CÔNG NGHỆ IN 3D SLS

Các thông số in 3D SLS có ảnh lớn đến độ bền kéo của sản phẩm, nhưng các thông số lại có chiều hướng tác động không giống nhau như đã trình bày ở Chương 4, chúng mâu thuẫn lẫn nhau. Chính vì thế cần tìm ra một bộ thông số giúp tối ưu được độ bền kéo cho sản phẩm. Trong phần này, vấn đề được tập trung là nghiên cứu cách tối ưu hóa độ bền kéo cho sản phẩm in 3D SLS bằng các phương pháp là: phương pháp Taguchi, Anova và Mạng Nơron, với sự hỗ trợ của phần mềm Minitab và Matlab.

5.1. Phương pháp Taguchi

5.1.1. Khái quát về phương pháp Taguchi Trong nghiên cứu thực nghiệm, xây dựng mô hình có ý nghĩa quan trọng về kỹ thuật và kinh tế. Các quá trình thực thường phức tạp, có nhiều yếu tố (đầu vào) tác động độc lập hay đồng tác động lên kết quả (đầu ra). Các mô hình một đầu vào một đầu ra không thể hiện được sự ảnh hưởng đồng thời các yếu tố đầu ra của các yếu tố nên mô tả các quá trình một cách phiến diện. Khắc phục điều đó cần mô hình nhiều đầu vào nhiều đầu ra. Mô hình miêu tả ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố đến các đầu ra được gọi là mô hình đa yếu tố (Factorial Model – FM), do Fisher đề xuất năm 1926, được Plackett và Burman (1946) góp nhiều công phát triển. Mô hình Taguchi do Genichi Taguchi – một kỹ sư người Nhật đưa ra. Phương pháp Taguchi được ứng dụng chủ yếu trong giai đoạn thiết kế tham số, dựa trên sự phân tích, đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến thông số đầu ra, đồng thời xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu. Về phương pháp luận, phương pháp Taguchi cũng sử dụng mảng trực giao như mô hình đa yếu tố nhưng được thiết kế và đánh giá theo một quy trình chặt chẽ, đòi hỏi số thí nghiệm ít và cho kết quả tin cấy hơn. Tư tưởng của phương pháp Taguchi là xác định các yếu tố công nghệ sao cho đạt chỉ tiêu hiệu quả cao nhất bằng cách phát hiện và loại bỏ tối đa ảnh hưởng của nhiễu loạn (TS. Trần Văn Khiêm, 2017).

Một yếu tố (biến đầu vào) tác động đến kết quả theo 2 hướng: tín hiệu có ích (singal) và tạp (noise). Tỷ số “tín trên tạp” hay S/N đại diện cho chỉ tiêu hiệu quả, được dùng để đánh giá và lựa chọn tham số. Bộ tham số là tốt khi S/N lớn và tối ưu khi S/N là lớn nhất [2].

Theo dạng bài toán, có 3 phương pháp tính tỷ số S/N như sau:

▪ Bài toán cực tiểu (Smaller better):

▪Bài toán cực đại (Larger better):

▪Bài toán lấy giá trị cụ thể (Target better):

Trong đó: giá trị trung bình của thí nghiệm

S: phương sai của giá trị thử nghiệm

5.1.2. Kết quả phương pháp Taguchi Như được đề cập trong Chương 3 và Chương 4, các yếu tố ảnh hưởng lớn đến quá trình thêu kết, tác động đến độ bền kéo của sản phẩm sau khi in bao gồm: công suất laser, tốc độ dịch chuyển, bề dày vỏ, bề dày mỗi lớp in và mật độ in. Với mỗi yếu tố ảnh hưởng, chọn 3 mức độ để tiến hành thí nghiệm.

Các thông số chế tạo mẫu được trình bày trong chương 3, bảng 3.2. Kết quả kiểm nghiệm độ bền kéo của các mẫu thử được trình bày trong chương 4, bảng 4.2. Trong phần này tập trung trình bày các kết quả thu được của việc áp dụng phương pháp Taguchi nhằm tối ưu hóa các thông số in, với sự hỗ trợ của phân mềm Minitab 18.

Với 5 yếu tố đầu vào, 3 mức độ cho mỗi yếu tố thì ta được bảng thí nghiệm là L27 (gồm 27 thí nghiệm).

Hình 5.1 Thiết lập yếu tố đầu vào

Sau khi thiết lập các yếu tố đầu vào trên phần mềm, tính tỷ số S/N. Trong đồ án này, yếu tố đầu ra là Lực kéo. Lực kéo càng cao thì độ bền kéo của mẫu thử càng

lớn. Chính vì thế cần tối ưu bộ thông số giúp tạo mẫu thử có độ bền kéo lớn nhất.

Vạy tỷ số S/N được tính theo công thức:

Ta được kết quả tính tỷ lệ S/N như sau:

Bảng 5.1 Bảng giá trị tỷ số S/N

SST S/N LẦN 1 LẦN 2 LẦN 3

1 20.473 20.844 20.596 26.292

2 25.815 27.809 26.328 28.501

3 28.664 27.013 29.352 29.033

4 15.787 17.833 14.759 24.072

5 18.098 17.64 19.869 25.326

6 19.611 19.399 18.426 25.632

7 7.95 9.142 8.778 18.668

8 10.956 12.176 10.948 21.075

9 13.588 13.053 12.371 22.262

10 11.349 11.992 11.648 21.330

11 12.829 11.992 12.583 21.905

12 13.432 13.078 13.583 22.516

13 21.588 20.979 21.651 26.608

14 21.942 22.703 22.232 26.961

15 23.182 22.527 25.215 27.444

16 21.066 21.847 22.51 26.763

17 24.141 22.54 20.92 27.012

18 24.087 24.429 23.501 27.603

19 18.554 19.031 18.622 25.452

20 18.828 19.174 20.05 25.725

21 21.432 22.071 21.668 26.737

22 14.641 15.648 15.529 23.667

23 16.866 16.454 17.032 24.495

24 19.055 16.728 16.305 24.733

25 15.936 16.779 15.906 24.186

26 19.275 20.167 19.475 25.858

27 22.459 23.41 23.223 27.242

Bảng thông số trên phần mềm Minitab18:

Hình 5.2 Các thông số trên Minitab

Kết quả thu được như sau:

Hình 5.3 Tỷ lệ S/N của các yếu tố đầu vào

Bảng 5.2 Kết quả tỷ lệ S/N

Level Laser Power Feed Shell Layer Height Infill Density

1 24.57 25.28 26.47 26.91 24.13

2 25.36 25.46 24.25 26.06 25.22

3 25.36 24.54 24.56 22.32 25.93

Delta 0.79 0.93 2.23 4.60 1.79

Rank 5 4 2 1 3

5.1.3. Nhận xét kết quả Dựa trên kết quả thu được từ hình 5.3 và bảng 5.2 rút ra được nhận xét như sau:

▪ Các thông số ảnh hưởng đến độ bền kéo là không giống nhau, mức độ ảnh hưởng của chúng được xếp theo thứ tự tăng dần như sau: công suất laser, tốc độ dịch chuyển, mật độ in, bề dày vỏ và bề dày từng lớp in.

▪ Theo kết quả S/N, ở từng thông số, mức độ nào có giá trị nhất thì độ bền sẽ cao nhất ứng với giá trị đó.

▪Với thông số công suất laser thì ở mức độ 2 và 3 khi công suất có giá trị là 2,4W và 2,5W thì tỉ lệ S/N đều là 25,36. Chọn công suất là 2,5W

▪ Với thông số tốc độ dịch chuyển thì ở mức độ 2 khi tốc độ dịch chuyển là 465mm/ph thì tỉ lệ S/N là lớn nhất và có giá trị là 25,46.

▪ Với thông số bề dày vỏ thì ở mức độ 1 khi bề dày vỏ là 1mm thì tỉ lệ S/N đều lớn nhất và có giá trị là 26,47.

▪ Với thông số bề dày mỗi lớp in thì ở mức độ 1 khi bề dày mỗi lớp in là 0,6mm thì tỉ lệ S/N lớn nhất và có giá trị là 26,91.

▪ Với thông số mật độ in thì ở mức độ 3 khi mật độ in là 60% thì tỉ lệ S/N lớn nhất và có giá trị là 25,93

▪ Vậy bộ thông số tối ưu cho quá trình in này là: công suất là 2,5W; tốc độ dịch chuyển là 465mm/ph; bề dày vỏ là 1mm; bề dày mỗi lớp in là 0,6mm; mật độ in là 60%.

5.2. Phương pháp Anova Trong đồ án này, phân tích phương sai (ANOVA) được thực hiện để xác định các thông số in ảnh hưởng đáng kể đến độ bền kéo của sản phẩm in 3D SLS và để tìm sự mức độ ảnh hưởng tương đối của các tham số quá trình chế tạo sản phẩm.

Các số liệu dùng trong phương pháp này cũng tương tự như trong mục 5.1, bảng số liệu như hình 5.2 được sử dụng lại ở phần này. Có thể nói đây là một bước bổ trợ cho phương pháp Taguchi để thấy một cách trực quan hơn sự ảnh hưởng của các thông số in 3D đến độ bền kéo của chi tiết in. Dù thực hiện hay không thực hiện phương pháp này thì kết quả tối ưu hóa ở mục 5.1 vẫn không tay đổi.

5.2.1. Kết quả của phương pháp Anova

Hình 5.4 Thiết lập yếu tố đầu vào và đầu ra

Hình 5.5 Chọn độ tin cậy là 95%

Sau khi thiết lập các số liệu, thu được kết quả như sau:

Bảng 5.3 Kết quả phương pháp Anova

Source DF Adj SS Adj MS F-Value P-Value

Laser Power 3.899 1.9493 5.98 2 0.011

Feed 4.332 2.1662 6.65 2 0.008

Shell 26.083 13.0414 40.03 2 0.000

Layer Height 107.948 53.9741 165.66 2 0.000

Infill Density 14.738 7.3690 22.62 2 0.000

Error 16 5.213 0.3258

Total 26 162.213

R R adjusted R predicted

96,79% 94,78% 90,85%

5.2.2. Nhận xét kết quả Như thiết lập, ta có các thông số sau:

▪ α = 0,05 do độ tin cậy được chọn là 95%

▪ k1 = 2, bậc tự do của mỗi yếu tố. Như kết quả thu được thì tất cả các yếu tố đều cố bậc tự do bằng 2

▪ k2 = 26, tổng bậc tự do

▪ Tra bảng giá trị [F], thu được [F] = 3,37

▪ Từ bảng 5.3, thấy được P-Value của tất cả các yếu tố đều nhỏ hơn 0,05 nên các tham số này có ảnh hưởng đáng kể về mặt thống kê đối với lực kéo đứt ở mức độ tin cậy là 95%. Đồng thời tất cả các tham số đều có F-Value lớn hơn [F] = 3,37 nên tất cả các tham số này đều ảnh hưởng lớn đến lực kéo đứt của sản phẩm sau khi in.

5.3. Phương pháp Mạng Nơron Việc chế tạo mẫu thử sau đó kiểm nghiệm độ bền kéo của sản phẩm sẽ mất nhiều thời gian và chi phí. Chính vì thế, không phải bộ thông số nào cũng có thể chế tạo và kiểm nghiệm. Vì lý do trên, việc có một công cụ nhằm hỗ trợ dự đoán được kết quả kiểm nghiệm ứng với một bộ thông số bất kỳ là rất cần thiết, giúp giảm thời gian, chi phí và cho thấy được kết quả dự đoán một cách rõ ràng và đáng tin cậy. Trong phần này phương pháp được sử dụng chính là phương pháp Mạng Nơron với công cụ trợ giúp là phần mềm Matlab. Kết quả sẽ cho thấy được dự đoán về thông số lực kéo đứt với 5 thông số in được chọn trong đồ án này.

5.3.1. Trình tự các bước tiến hành Mạng Nơron là mô 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:

▪ 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

Hình 5.7 Dùng New variable thiết lập thông số

*Lần lượt nhập thông số đầu vào và thông số đầu ra cho quá trình huấn luyện mạng. Các thông số được lấy từ bảng 4.2.

Hình 5.8 Nhập thông số đầu vào

Hình 5.9 Nhập thông số đầu ra

▪ Sử dụng lệnh “nntool” để tạo mạng nơron

Hình 5.10 Dùng lệnh “nntool” để tạo mạng nơron

Hình 5.11 Import dư liệu đầu vào và đầu ra

▪ 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 toán 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 toán 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.

▪ Đối với số nơron trong mỗi lớp ẩn: sử dụng quá ít nơron có thể dẫn đến việc không 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:

(CT 5.1)

(CT 5.2)

(CT 5.3)

(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.

▪ Tiến hành huấn luyện cho mạng nơron vừa tạo

Hình 5.13 Tiến hành huấn luyện mạng nơron

▪ 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 quá trình huấn luyện mạng và có thể sử dụng mạng để dự đoán 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.

▪ 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 thông số cần dự đoán sau đó nhập lệnh network1 (test) để dự đoán bộ thông số

Hình 5.17 Kết quả dự đoán lực kéo

5.3.2 Nhận xét kết quả phương pháp mạng Nơron Mạng nơron vừa tạo và huấn luyện là một công 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 không 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%

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 còn chỉ rõ các thông số còn ảnh hưởng qua lại lẫn nhau và xác định được bộ thông số tối ưu nhất cho quá 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 công việc thực hiện lớn, cùng với thời gian ngắn và kinh nghiệm chúng tôi còn 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 công 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 rông 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.

- Đầu tư thêm các trang thiết bị nhằm phục vụ quá trình kiểm nghiệm

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

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

Phụ lục 9: Trình bày trang viết

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.

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

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

0.5

0.8

Specimen 1

2.3

465

0.7

1.3

1.5

0.4

0.5

Specimen 2

2.4

465

1.5

0.6

0.7

0.8

Specimen 3

2.5

470

1.3

0.6

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, installing material, etc.).

4. The built sample is removed from the machine, and the support material is removed if applicable

2.3 Specimen testing and reporting

Once the manufacturing of the specimens (Fig 5) was completed, tensile testing was performed to find tensile strength and failure strain. A mechanical testing machine with a constant displacement speed of 50 mm/min along with an extensometer is used for testing. The specimens were tested to obtain failure loads and strains and further statistical analysis was performed to study the mechanical performance of the specimens, provides crucial information regarding failure mode and gives insight into ultimate tensile strength values. In a subsequent section, experimental results are presented including stress-strain graphs. The paper wraps up with a conclusion and recommendations for future work.

3. RESULTS AND DISCUSSION

Specimens as described in the test plan (Table 1). With laser power is 2.3mmW, feed rate is 466 mm/m, layer height is 0.7 and infill density is 50%. We compare the specimens about laser power (Fig 6) with A (0.5 mm) is the base specimen can see B (0.8 mm) showed 8.7%

increase in tensile. Like specimen B, specimen C (1 mm) showed 3.4% increase in tensile with B is the base specimen. specimen D (1.3 mm) showed 5.9% increase in tensile with C is the base specimen. And specimen E (1.5 mm) showed 6.7% increase in tensile with D is the base specimen. Each parameters of different shell of products has different durability, because each products has different parameters, so it tends to the quality of the sample. Through test results, tensile strength increase steadily. when we increase parameters of shell, the tensile strength of the product also increases.

By the same way at the chart of layer height (Fig 7), with laser power is 2.4 mW, feed rate is 465 mm/m, shell of product is 1.5 mm and infill density is 50%. The base specimen is F (0.4 mm), we can see G (0.5 mm) showed 29.2% decrease in tensile. Specimen H (0.6 mm) showed 30.2% decrease in tensile with G is the base specimen. We have insignificanly vary by compared with specimen I (0.7 m/m) showed 3.9% decrease in tensile with H is the base specimen. And specimen J (0.8 mm) showed 31.2% decrease in tensile with I is the base specimen. From the investigation, it is observed that, The shell of products will effect to the tensile of the sample.

By the chart of infill density (Fig 8), With laser power is 2.5 mW, feed rate is 470 mm/m, shell of product is 1.3 mm and Shell is 0.6 mm. The base specimen is K (30%), we can see L (40%) showed 22.8% decrease in tensile. Specimen M (45%) showed 7.3% decrease in tensile with L is the base specimen. However we can see that specimen N (50%) showed 21.2% increase in tensile with M is the base specimen. And specimen O (60%) showed 17.3% increase in tensile with N is the base specimen. The thickness of each printing layer affects the tensile strength of the sample inversely proportional, increasing the layer height will reduce the thickness of the sample significantly. Therefore, the higher the thickness of the sample, the higher the thickness of each layer, but also increases the printing time. The influence of the thickness of each printing layer on the tensile strength of the product is very significant.

4. CONCLUTIONS

The current study investigated the effects of SLS Printing Parameter on the tensile properties. Three geometry parameters, namely: Shell, layer height and infill density are considered in the investigation. Among the parameters considered, the thickness of the shell affects the tensile strength of the sample proportionally, increasing the thickness of the shell will help create a more durable specimen. The difference in durability between specimens is not high. Layer height affects the tensile strength of the specimen inversely proportional, increasing the thickness of each printing layer will reduce the thickness of the sample significantly. Therefore, the higher the thickness of the specimen, the higher the thickness of each layer, but also increases the printing time. The influence of layer height on the tensile strength of the product is very significant.With the increasing of printing density, the tensile force decrease and then increases again. This may be due to inaccurate testing, erroneous prototyping or tensile testing. Under permitted conditions, this parameter should be manufactured and tested in for more accurate results. The result of this paper can be use like datas for set up parapeter of 3D printing and for the next investigations. Since the current study is limited to the investigation of process parameters at three parameters, it is recommended that future studies increase the number of parameter, so that a more accurate result can be obtained.

REFERENCES

[1] Bose S, Ke D, Sahasrabudhe H, Bandyopadhyay A. Additive manufacturing of

biomaterials. Prog Mater Sci 2017;93:45-111.

[2] Chua CK, Leong KF. 3D printing and additive manufacturing: Principles and

applications. 5th Ed. World Scientific Publishing, 2017. 456 pp.

[3] Goyanes A, Det-Amornrat U, Wang J, Basit AW, Gaisford S. 3D scanning and 3D printing as innovative technologies for fabricating personalized topical drug delivery systems. J Controlled Release 2016;234:41-48.

[4] Ligon SC, Liska R, Stampfl J, Gurr M, Mülhaupt R. Polymers for 3D printing and

customized additive manufacturing. Chem Rev 2017;117:10212-10290.

[5] Parandoush P, Lin D. A review on additive manufacturing of polymer-fiber composites.

Compos Struct 2017;182:36-53.

[6] Zheng X, Lee H, Weisgraber TH, Shusteff M, DeOtte J, Duoss EB, et al. Ultralight,

ultrastiff mechanical metamaterials. Science 2014;344:1373-1377.

[7] Mao Y, Yu K, Isakov MS, Wu J, Dunn ML, Qi HJ. Sequential self-folding structures by

3D printed digital shape memory polymers. Sci Rep 2015;5:13616-13628.

[8] Lind JU, Busbee TA, Valentine AD, Pasqualini FS, Yuan H, Yadid M, et al. Instrumented cardiac microphysiological devices via multimaterial three-dimensional printing. Nat Mater 2016;16:303-308.

[9] Chua CK, Leong KF, Tan KH, Wiria FE, Cheah CM. Development of tissue scaffolds using selective laser sintering of polyvinyl alcohol/hydroxyapatite biocomposite for craniofacial and joint defects. J Mater Sci Mater Med 2004;15:1113-1121.

[10] Khoo ZX, Teoh JEM, Liu Y, Chua CK, Yang S, An J, et al. 3D printing of smart materials: A review on recent progresses in 4D printing. Virt Phys Prot 2015;10:103- 122.

[11] Wehner M, Truby RL, Fitzgerald DJ, Mosadegh B, Whitesides GM, Lewis JA, et al. An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots. Nature 2016;536:451-466.

[12] Skylar-Scott MA, Gunasekaran S, Lewis JA. Laser-assisted direct ink writing of planar and 3D metal architectures. Proc Natl Acad Sci USA 2016;113:6137-6142.

[13] Goodridge RD, Tuck CJ, Hague RJM. Laser sintering of polyamides and other

polymers. Prog Mater Sci 2012;57:229-267.

[14] Zheng X, Smith W, Jackson J, Moran B, Cui H, Chen D, et al. Multiscale metallic

metamaterials. Nat Mater 2016;15:1100-1106.

[15] Hutmacher DW, Sittinger M, Risbud MV. Scaffold-based tissue engineering: Rationale for computer-aided design and solid free-form fabrication systems. Trends Biotechnol 2004;22:354-362.

[16] DelCastillo, E. (2000) Process Optimization: A Statistical Approach, Springer, ISBN

978-0-387-71434-9.

[17] Hongjun, L., Zitian, F., Naiyu, H. and Xuanpu, D. (2003) ‘A note on rapid manufacturing processof metallic parts based on SLS plastic prototype’, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 142, pp.710–713.

[18] Lamikiz, A., Sánchez, J.A., López de Lacalle, L.N. and Arana, J.L. (2007) ‘Laser polishing of partsbuilt up by selective laser sintering’, International Journal of Machine Tools & Manufacture,Vol. 47, pp.2040–2050.

[19] Paul, R. and Anand, S. (2012) ‘Process energy analysis and optimization in selective

laser sintering’, Journal of Manufacturing Systems, Vol. 31, pp.429–437.

[20] Pham, D. (2000) Rapid Manufacturing, The Technologies and Applications of Rapid

Prototyping and Rapid Tooling, Springer, ISBN 1-85233-360-X.

[21] Rossi, S., deflorian, F. and Venturini, F. (2004) ‘Improvement of surface finishing and corrosion resistance of prototypes produced by direct metal laser sintering’, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 148, pp.301–309.

[22] Zhu, H.H., Lu, L. and Fuh, J.Y.H. (2003) ‘Development and characterization of laser direct sintering Cu-based smetal powder’, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 140, pp.314–317.

ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH CÀI ĐẶT THÔNG SỐ IN 3D SLS ĐỐI VỚI ĐỘ BỀN KÉO

TÓM TẮT: ông nghệ in 3D nói chung, là công nghệ mang tính đột phá, đầy hứa hẹn, đang được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng sâu rộng trong nhiều lĩnh vực của đời sống và sản xuất. Trong đó, công nghệ in 3D SLS (Selective Laser Sintering) là công nghệ sử dụng tia laser công suất cao thiêu kết (nung chảy và kết dính) vật chất (ở dạng bột) một cách có chọn lọc đã được ứng dụng nhiều trên thế giới; tuy nhiên, ở Việt Nam việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này chưa thật sự rộng rãi. Do đó việc xác định được độ bền, đặc biệt là độ bền kéo của sản phẩm được chế tạo từ công nghệ in này là một vấn đề cần thiết và quan trọng. Các thông số trong quá trình cài đặt có ảnh hưởng không nhỏ đến đặc tính của chi tiết in, chúng liên quan mật thiết với nhau và cần được nghiên cứu. Trong đồ án này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số in 3D SLS đến độ bền kéo của sản phẩm, từ đó tối ưu hóa bộ thông số in để sản phẩm đạt được độ bền kéo cao nhất. Quá trình thự hiện gồm việc chế tạo mẫu thử với 5 thông số cần kiểm tra đó là: công suất laser (Laser Power), tốc độ dịch chuyển bàn máy (Feed), bề dày vỏ (Shell), bề dày mỗi lớp in (Layer height) và mật độ in (Infill density). Thu thập các kết quả thí nghiệm, lập biểu đồ và rút ra nhận xét về sự ảnh hưởng của các thông số đến độ bền kéo của sản phẩm in. Bên cạnh đó áp dụng các phương pháp khoa học như: Taguchi, Anova, Mạng Nơron; và các phần mềm chuyên dụng để tối ưu được các thông số in, nâng cao độ bền kéo cho sản phẩm. Kết quả rút ra từ quá trình thực hiện đồ án là: các thông số in có ảnh hưởng nhất định đến độ bền kéo của sản phẩm, trong số đó thì bề dày mỗi lớp in là ảnh hưởng nhiều nhất. Đồng thời xác định bộ thông số tối ưu cho quá trình như sau: công suất là 2,5W; tốc độ dịch chuyển là 465mm/ph; bề dày vỏ là 1mm; bề dày mỗi lớp in là 0,6mm; mật độ in là 60%; và tạo huấn luyện được mạng nơron nhằm giúp dự đoán độ lực kéo đứt của sản phẩm với độ tin cậy cao mà không cần chế tạo và thử nghiệm.

Từ khóa: RP (Tạo mẫu nhanh) - SLS (Thiêu kết laser chọn lọc) - AM (Sản xuất bồi đắp)