Nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu, thử nghiệm thông số in từ máy in 3D Lazer bột

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

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM CÁC THÔNG SỐ IN TỪ MÁY IN 3D LAZER BỘT

MÃ SỐ: SV2020-112

S K C 0 0 7 4 0 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN Nghiên cứu và thử nghiệm các thông số in từ máy in 3D Lazer bột SV2020 - 112

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Tiến Phong

TP Hồ Chí Minh, 07/2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN Nghiên cứu và thử nghiệm các thông số in từ máy in 3D Lazer bột SV2020 - 112

Nam, Nữ: Nam

Năm thứ: 4 /Số năm đào tạo: 4

Thuộc nhóm ngành khoa học: Ứng dụng SV thực hiện: Nguyễn Tiến Phong Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 16144CL2 Ngành học: Công nghệ kỹ thuật cơ khí Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Vinh Dự

TP Hồ Chí Minh, 07/2020

MỤC LỤC

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

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ....................................................................................... iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................... iv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................................ 1

1.1. Tình hình về công nghệ in 3D .................................................................................... 1

1.1.1. Khái quát về các công nghệ in 3D phổ biến hiện nay ......................................... 2

1.1.1.1 Nguyên lý chung của in 3D ............................................................................... 2

1.1.1.2. Công nghệ tạo mẫu lập thể (SLA) .................................................................... 2

1.1.2. Ứng dụng của in 3D ............................................................................................. 8

1.2. Lý do chọn đề đề tài ................................................................................................. 12

1.3. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................... 13

1.4. Mục tiêu của đề tài ................................................................................................... 13

1.5. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 13

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................... 14

2.1. Công nghệ in 3D SLS .............................................................................................. 14

2.1.1. Nguyên lý thiêu kết bột nhựa bằng laser ........................................................... 14

2.1.2. Các loại vật liệu được dùng cho công nghệ in 3D SLS ..................................... 14

2.1.3. Vật liệu bột nhựa PE .......................................................................................... 15

2.2. Các tiêu chuẩn thử kéo cho sản phẩm nhựa ............................................................. 16

2.3. Các thông số in 3D ảnh hưởng đến độ bền kéo của sản phẩm ................................ 16

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, THỬ NGHIỆM THÔNG SỐ IN BẰNG PHƯƠNG PHÁP IN 3D LASER BỘT (SLS)……………….………………………………………………….17

3.1. Thiết kế mẫu thử ...................................................................................................... 17

3.1.1. Tiêu chuẩn thiết kế mẫu ..................................................................................... 17

3.1.2. Thiết kế mẫu bằng phần mềm Inventor ............................................................. 19

3.2. Tổng quan về máy in 3D Laser bột: ......................................................................... 20

3.2.1. Bàn máy: ............................................................................................................ 20

3.2.2. Cơ cấu gạt bột (trục A): ..................................................................................... 21

3.2.3. Cơ cấu nâng hạ bàn in và bàn chứa bột (trục Z): ............................................... 22

3.2.4. Laser Diode: ....................................................................................................... 23

3.2.5. Cơ cấu điều khiển chuyển động của Laser (trục X, Y): .................................... 24

3.2.6. Khung máy:........................................................................................................ 24

3.2.7. Phần điện điều khiển cho máy: .......................................................................... 24

3.2.8. Chương trình điều khiển: ................................................................................... 27

3.3. Thử nghiệm các thông số in ..................................................................................... 28

3.3.1. Các thông số có thể thay đổi được ..................................................................... 28

3.3.2. Ứng dụng phần mềm Cura Ultimaker để tạo Gcode ......................................... 28

3.3.3. Điều chỉnh G-code để có thể chạy trên phần mềm Mach3 CNC ...................... 39

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................... 41

4.1. Kết quả đạt được ................................................................................................... 41

4.2. Đánh giá ................................................................................................................ 42

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................... 43

5.1. Kết luận .................................................................................................................... 43

5.2. Hướng phát triển ...................................................................................................... 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 44

PHỤ LỤC ........................................................................................................................... 45

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

III

Bảng 4.1 Giá trị của các thông số in sau khi thử nghiệm

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AM: Additive Manufacturing

FDM: Fused Deposit Modelling

HDPE: High Density Polyethylene

LM: Layered Manufacturing

LDPE: Low Density Polyethylene

LOM: Laminated Object Manufacturing

MDPE: Medium Density Polyethylene

PA: Polyamide

PE: Polyethylene

RP: Rapid Prototyping

SLA: Stereolithographic Apparatus

SLS: Selective Laser Sintering

SGC: Soling Ground Curing

STL: Standard Tessellation Language

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). [3]

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 [9]

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 [10]

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 [11]

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)

1.1.2.4 Trong giáo dục

In 3D cũng có những ứng dụng thiết thực trong giáo dục, đặc biệt liên quan đến các môn học khoa học, công nghệ, kỹ thuật và kỹ năng toán học. Sinh viên có thể thiết kế và sản xuất các sản phẩm trong lớp học và có cơ hội thử nghiệm các ý tưởng, vừa học vừa làm với máy in 3D. Cách làm này làm tăng hứng khởi học tập, làm việc theo nhóm, tương tác trong lớp học cũng như hỗ trợ khả năng sáng tạo, kỹ năng máy tính, và khả năng tư duy ba chiều của sinh viên ([1], trang 30).

Hình 1.13 Ứng dụng in 3D trong giáo dục

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) ([3], 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 [6] và độ nhám bề mặt [7] của các bộ phận [8]). Nhưng, vẫn còn một phạm vi để chế tạo các bộ phận chất lượng cao khác [4].

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. Tính cấp thiết của đề tài - Công nghệ in 3D - Vật liệu bền (SLS) là công nghệ duy nhất trong tất cả các công nghệ in 3d cho phép tạo ra các sản phẩm mẫu thực tế có tính hóa học và vật lý tương đương vật liệu gốc. Các ứng dụng chịu nhiệt cao và không phản ứng với hóa chất. Các mẫu được in bằng công nghệ SLS này thường là những mẫu thử nghiệm chức năng, thử nghiệm chất liệu hoặc sử dụng ngay trong các trường hợp cần thay thế, sửa chữa.

- 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 các thông số in phù hợp 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 Tìm được các thông số in phù hợp và viết được GCODE để in mẫu kiểm nghiệm độ bền kéo.

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 [5].

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 trong phương pháp tạo hình lập thể SLA. Sau đó xy lanh hạ xuống một khoảng cách bằng độ dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu được đưa vào và quá trình được lặp lại cho đến khi chi tiết được hoàn thành ([1], trang 9,10).

2.1.2. Các loại vật liệu được dùng cho công nghệ in 3D SLS Công nghệ in 3D SLS là một trong những công nghệ phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, cũng là công nghệ duy nhất cho phép tạo các mẫu có hóa tính và lý tính giống như vật liệu ban đầu. Không giống như những công nghệ in 3D khác đang có trên thị trường như FDM (Fused Deposition Modeling) dùng các sợi nhựa, SLA (Stereolithography) dùng nhựa lỏng,… SLS sử dụng vật liệu dạng bột để tạo ra các sản phẩm bằng cách dùng năng lượng tia laser thêu kết vật liệu in 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 [5].

Trong đề tài 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 Hình thức Thành phần Nhiệt độ nóng chảy Mức độ nóng chảy Tỉ trọng Kích thước hạt Thông số Hạt Polyethylene mật độ thấp 108 ÷ 115 (°C) 45 ÷ 55 (g/ph) 0,92 ÷ 0,94 (g/cm3) 80 ÷ 300 (μm)

2.2. 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 đề tài 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.

2.3. 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 đề tài 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:

THIẾT KẾ, THỬ NGHIỆM THÔNG SỐ IN 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 đề tài 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

Giá trị (mm) Thông số

3,18 9,53 9,53 63,5 7,62 25,4 12,7 4

W: bề rộng phần kéo L: chiều dài phần kiểm tra WO: bề rộng lớn nhất LO: chiều dài lớn nhất G: chiều dài phần đứt D: khoảng cách kẹp R: bán kính bo cung T: bề dày

Số lượng mẫu thử: cần ít nhất 5 trường hợp cho từng mẫu. Nhưng với điều kiện thực tế về thời gian nên chỉ tiến hành chế tạo và thử nghiệm 3 trường hợp đối với mỗi mẫu thử.

3.1.2. Thiết kế mẫu bằng phần mềm Inventor Dựa trên các kích thước tiêu chuẩn, tiến hành thiết kế mẫu thử 3D trên phần mềm Inventor 2020 và thu được kết quả sau:

Hình 3.3 Thiết kế 3D mẫu thử kéo bằng Inventor 2020

Sau đó ta lưu lại file dưới định dạng STL để áp dụng cho việc tạo Gcode để in mẫu.

Kiểm tra kích thước của mẫu thử kéo vừa tạo bằng chức năng Drawing của Inventor 2020.

Hình 3.4 Xuất bản vẽ mẫu thử kéo bằng Inventor 2020

3.2. Tổng quan về máy in 3D Laser bột: Cấu tạo của máy in 3D Laser bột gồm các bộ phận sau:

- Khung máy.

- Bàn máy.

- Cơ cấu gạt bột.

- Cơ cấu nâng hạ bàn in và bàn chứa bột.

- Laser Diode.

- Cơ cấu điều khiển chuyển động của Laser.

- Phần điện điều khiển cho máy.

- Chương trình điều khiển [3].

3.2.1. Bàn máy: Kích thước bàn làm việc và bàn cấp bột là 180x180mm. Hộp chứa vật liệu ở cả hai bàn đều có thể tích như nhau với chiều cao là 60mm.

Kích thước của mặt phằng chứa hai bàn là 440x280mm.

Hình 3.5 Bàn máy [3]

3.2.2. Cơ cấu gạt bột (trục A):

Thanh gạt bột di trượt trên mặt bàn phẳng từ hướng bàn cấp bột về phía bàn làm việc.

Sử dụng 2 thanh ray trượt để dẫn hướng chuyển động cho thanh gạt bột đảm bảo được độ dẫn hướng tốt và độ chính xác tương đối cao.

Hình 3.6 Thanh gạt được lắp vào ray trượt [3]

Sử dụng bộ truyền đai răng để truyền chuyển động cho thanh gạt di trượt trên thanh ray. Đai sẽ được cố định vào thanh gạt bột và mắc căng hai đầu nhờ lò xo căng đai. Bánh đai được gắn vào trục tròn có gối đỡ cố định vào hai bên khung. Động cơ bước NEMA 17 được gắn trên ke gá tiếp xúc với mặt bàn, để nối trục của động cơ với trục bánh đai ta dùng khớp nối mềm.

Hình 3.7 Cấu tạo cụm chi tiết truyền chuyển động cho thanh gạt bột [3]

Hình 3.8 Động cơ bước NEMA 17

3.2.3. Cơ cấu nâng hạ bàn in và bàn chứa bột (trục Z):

Sử dụng trục vít me kết hợp với khung máy để tạo chuyển động cho bàn in và bàn cấp

bột. Trục vít me có độ chính xác cao, giúp các bàn làm việc đi chuyển êm, không rung

lắc.

Bộ trục vít me có một bộ phận khác là gối đỡ, nó là một khối được gắn ổ bi, và phần

trục được lắp vào ổ bi đó là một trục trơn không có ren, mục đích là để trục vít me xoay quanh khối chi tiết đó. Khi trục vít me quay, đai ốc sẽ di chuyển lên xuống nếu được cố định vào chi tiết khác không thực hiện chuyển động quay. Đai ốc được liên kết với một cụm chi tiết gắn bàn làm việc và bàn nâng bột, ở giữa sẽ tạo khoảng không gian để trục vít me có thể di chuyển.

Các trục vít me được truyền chuyển động trực tiếp bằng động cơ bước NEMA 17 thông qua khớp nối.

Hình 3.9 Cụm chi tiết được thiết kế để tạo chuyển động cho bàn [3]

3.2.4. Laser Diode:

Công suất 2.5W. Module laser màu xanh tím có thể được điều khiển ở hai chế độ: - TTL – chế độ phát liên tục, ở chế độ này thì công suất của laser tương đối không đổi so với thời gian. - PWM(Pulse Width Modulation) – chế độ phát xung, chế độ này thì công suất luôn thay đổi so với thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn "đóng" và "ngắt" cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất. - Được trang bị mạch điều khiển dòng không đổi đảm bảo công suất quang đầu ra ổn định, nhiệt độ thấp, không cần mạch điều khiển bên ngoài, dễ sử dụng. - Tản nhiệt bằng nhôm máy bay có quạt làm mát đảm bảo thời gian làm việc dài liên tục. - Đường kính tia Laser nhỏ nhất là 0.5mm.

3.2.5. Cơ cấu điều khiển chuyển động của Laser (trục X, Y):

Các trục X, Y của Laser đều sử dụng ray trượt để dẫn hướng chuyển động. Đảm bảo độ chính xác, gọn, nhẹ. Chọn khung nhôm định hình làm trục theo các phương, cố định các thanh ray dẫn vào khung nhôm. Tương tự cần gạt bột thì ta sử dụng bộ truyền đai răng để truyền chuyển động. Đai được kéo căng nhờ lò xo căng đai. Bánh đai được gắn vào trục tròn có gối đỡ cố định trên tấm gá.

3.2.6. Khung máy:

Khung sử dụng khung nhôm định hình để dễ dàng lắp ráp và tăng tính thẩm mỹ.

3.2.7. Phần điện điều khiển cho máy:

3.2.7.1. Mạch giao tiếp với máy tính, Driver, laser và bộ nguồn xung:

Hình 3.10 Vị trí các chân chính của mạch giao tiếp

Trong đó:

(1) – Cổng LPT, cổng này để kết nối mạch với máy tính bàn.

(2) – Cổng USB 5V DC, tín hiệu điều khiển từ máy tính sẽ được truyền qua cổng này.

(3) – Cặp chân tiếp điểm thường mở của Rơ-le(màu xanh dương) điều khiển ON/OFF cho đầu Laser.

(4) – Cặp chân input 12 – 24V DC(GND/+12– 24V DC), nơi điện đầu vào cung cấp

để “nuôi mạch”.

(5) – Cặp chân output 0 – 10V DC(PWM/GND), điều khiển công suất làm việc của

laser.

(6) – Các chân ouput Pul/Dir (P2/P3; P4/P5; P6/P7; P8/P9), kết nối với các chân

dương của 6 Driver(Pul+/Dir+) điều khiển động cơ cho các trục X, Y, Z và A.

(7) – Chân ouput GND, kết nối với các chân âm của 6 Driver(Pul-/Dir-) điều khiển

động cơ cho các trục X, Y, Z và A.

3.2.7.2. Driver với động cơ, mạch giao tiếp và bộ nguồn xung:

Hình 3.11 Ý nghĩa chức năng các chân của Driver TB6600

Máy in với yêu cầu về độ chính xác tương đối cao nên nhóm chọn vi bước 16, tương

ứng với 3200 xung trên một vòng.

Máy in sử dụng động cơ bước NEMA 17 có dòng điện định mức là 1.2A, nhưng qua

quá trình thực nghiệm thì chỉ cần 0.7A là động cơ có thể hoạt động tốt và nhiệt độ của động cơ luôn mát.

3.2.7.3. Động cơ bước với Driver:

Động cơ nối với driver qua cặp dây của pha A và B với chân tín hiệu A+/A- và B+/B-.

3.2.7.3. Laser Diode với mạch giao tiếp, bộ nguồn xung:

Cặp chân PWN-TTL/GND sẽ nối với cặp chân output 0 – 10V DC (PWM/GND) trên mạch giao tiếp.

Cặp chân 12V DC, một chân sẽ nối với dây âm đầu ra của nguồn xung, chân còn lại

nối với cặp tiếp điểm thường mở Rơ-le của mạch giao tiếp.

Hình 3.12 Máy in Laser bột dùng cho thí nghiệm

3.2.8. Chương trình điều khiển:

Phần mềm được sử dụng là Mach3 CNC - là 1 phần mềm điều khiển CNC của hãng

ArtSoft USA.

Hình 3.13 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. Thử nghiệm các thông số in

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. Ứng dụng phần mềm Cura Ultimaker để tạo Gcode Cura là một ứng dụng cắt lớp cho máy in 3D mã nguồn mở. Nó được tạo ra bởi David Braam, người sau đó gia nhập Ultimaker, một công ty sản xuất máy in 3D để duy trì phần mềm.

Cura Ultimaker hoạt động bằng cách cắt tệp mô hình với định dạng STL của người dùng thành các lớp và tạo mã Gcode cụ thể cho máy in. Sau khi hoàn thành, Gcode có thể được gửi đến máy in để sản xuất đối tượng vật lý.

▪ Sau khi khởi động phần mềm ta được dao diện như sau:

Hình 3.14 Dao diện chính của Cura

▪ Thiết lập máy in:

- Bước 1: Chọn Add printer để tạo mới 1 cấu hình máy in

Hình 3.14 Bước 1 trong thiết lập thông số in

- Bước 2: Chọn Add a non-networked printer > Prusa3D > Prusa i3 > Add

Hình 3.16 Bước 2 trong thiết lập thông số in

- Bước 3: Chọn Manage printers để thiết lập cấu hình máy in

Hình 3.17 Bước 3 trong thiết lập thông số in

- Bước 4: Hộp thoại Preferences xuất hiện, sau đó chọn Machine Settings

Hình 3.18 Bước 4 trong thiết lập thông số in

- Bước 5: Hộp thoại Machine Settings xuất hiện, thiết lập các thông số của Printer như hình. Hai ô Start G-code và End G-code để trống

Hình 3.19 Bước 5 trong thiết lập thông số in

- Bước 6: Thiết lập các thông số cho Extruder 1 như hình, vì tia Laser có đường kính nhỏ nhất là 0.5mm nên chọn thông số Nozzle size là 0.5mm

Hình 3.20 Bước 6 trong thiết lập thông số in

- Bước 7: Chọn Activate để phần mềm áp dụng những thông số vừa thiết lập

Hình 3.21 Bước 7 trong thiết lập thông số in

- Bước 8: Lấy File mẫu thử kéo đã tạo sẵn vào phần mềm

Hình 3.22 Bước 8 trong thiết lập thông số in

- Bước 9: Kéo sản phẩm về gần sát với gốc toạ độ bằng cách nhấp vào chi tiết và giữ rồi kéo

Hình 3.23 Bước 9 trong thiết lập thông số in

- Bước 10: Thiết lập thông số in như hình dưới

+ Quality:

 Layer Height: Là chiều dày mỗi lớp in.

 Innitial Layer Height: Chiều dày lớp in đầu tiên, giá trị này cho bằng với giá trị của Layer Height.

Hình 3.24 Thiết lập chiều dày mỗi lớp in

+ Shell:

 Wall Thickness: Chiều dày tường của sản phẩm.

Hình 3.25 Thiết lập chiều dày tường của sản phẩm

+ Infill:

 Infill Density: Mật độ điền đầy.

 Infill Line Distance: Khoảng cách giữa các đường tạo nên Infill.

Infill pattern: Kiểu Infill. Ở đây thống nhất kiểu Infill là Grid cho mọi sản

 phẩm.

Hình 3.26 Thiết lập thông số Infill Density

- Bước 11: Tiến hành cắt lớp sản phẩm và tạo file G-code

Hình 3.27 Cắt lớp sản phẩm và tạo File G-code

3.3.3. Điều chỉnh G-code để có thể chạy trên phần mềm Mach3 CNC

G-code sau khi xuất từ phần mềm Cura dùng để chạy trên máy in 3D FDM nên ngoài các cấu trúc như trong G-code trong gia công CNC thì nó còn có các câu lệnh điều khiển nhiệt độ (M104 Sn, với n là nhiệt độ cần gia nhiệt cho đầu phun), điều khiển động cơ đùn nhựa (G1 En, với n là chiều dài sợi nhựa cần đùn),... Vì vậy muốn G-code chạy được trên Mach3 CNC thì cần phải điều chỉnh lại G-code bằng cách xoá những câu lệnh điều khiển nhiệt độ và đùn nhựa,... Chỉ chừa những đạon G-code có cấu trúc như trong gia công CNC.

Sau khi xoá những thông số không cần thiết ở trên, để có một file G-code hoàn chỉnh để in sản phẩm theo những thông số in mong muốn thì cần phải sửa lại tốc độ dịch chuyển các trục F theo giá trị phù hợp và thêm vào các câu lệnh sau:

- G17: Chọn mặt phẳng XY.

- G21: Khai báo đơn vị đo hệ mét.

- G54: Lựa chọn hệ toạ độ phôi thứ nhất.

- G90: Khai báo toạ độ tuyệt đối.

- Bật Laser để tiến hành in sản phẩm: Sn M3, với n(mW) là công suất của Laser.

- Tắt Laser để trải bột sau khi in xong một layer: M5 hoặc S0 M3.

- Nâng, hạ bàn in hoặc bàn chứa bột: G1 Zn F10, với n là khoảng cách cần nâng, hạ.

- Trải một lớp bột: G1 An F500, với n là khoảng các cần trải bột. Sau khi trải xong 1 lớp bột, gọi lệnh G1 A0 F500 để đưa thanh gạt bột về vị trí ban đầu.

- Kết thúc việc in sản phẩm: M30.

Sau khi sửa xong thì dùng phần mềm Mach3 CNC để kiểm tra

Hình 3.28 Kiểm tra G-code bằng Mach3 CNC

Như hình 3.28 thì G-code đã sửa thành công, Mach3 CNC không báo lỗi và có thể tiến hành in sản phẩm.

CHƯƠNG 4:

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ

4.1. Kết quả đạt được 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: 450mm/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 4.1 Giá trị của các thông số in sau khi thử nghiệm

Thông số Giá trị

2.1 ÷ 2.5 (W)

450 ÷ 470 (mm/ph)

0.5 ÷ 1.5 (mm)

0.4 ÷ 0.8 (mm)

Công suất Laser Tốc độ dịch chuyển của đầu Laser Bề dày vỏ sản phẩm Chiều dày mỗi lớp in Mật độ điền đầy 30 ÷ 60 (%)

4.2. Đánh giá Từ kết quả thử nghiệm rút ra được kết luận:

 Sản phẩm có độ chính xác thấp, độ nhám bề mặt cao và thời gian tạo thành sản phẩm

lâu.

 Việc thử nghiệm nghiệm và tìm được thông số in phù hợp mất rất nhiều thời gian do

công nghệ còn mới và máy móc chất lượng không cao.

 Quá trình tạo thành sản phẩm rất độc hại và có khả năng gây ô nhiễm môi trường do

việc thiêu kết bột nhựa.

CHƯƠNG 5:

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

5.1. Kết luận Việc nghiên cứu và tìm ra được thông số in phù hợp cho máy in 3D laser bột là rất quan trọng và cần thiết. Đề tài “Thiết kế và thử nghiệm các thông số in từ máy in 3D Lazer bột” đã nghiên cứu và chỉ ra rõ sự ảnh hưởng của các thông số in đến chất lượng sản phẩm, việc tìm được các thông số in phù hợp góp phần phần rất lớn cho quá trình tạo hàng loạt các mẫu kiểm nghiệm độ bền kéo ứng với các loại thông số khác nhau, góp phần tìm ra được bộ thông số tối ưu nhất.

Song song những kết quả đạt được, đề tài vẫn còn những mặt hạn chế nhất định. Vì khối lượng công việc thực hiện lớn, cùng với việc trang thiết bị còn hạn chế, công nghệ còn mới đối với Việt Nam và kinh nghiệm chúng tôi còn hạn chế nên kết quả đề tài chưa thực sự như mong mỏi.

5.2. 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 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.

- 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.

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] 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

[3] W. Ruban, V. Vijaykumar, P. Dhanabal and T. Pridhar, “Effective process parameters in seclective laser sintering”, Int. J. Rapid Manufacturing, Vol. 4, Nos. 2/3/4, 2014 (pp.148 – 164)

[4] Sharanjit Singh, Anish Sachdeva and Vishal S.Sharmar, “Optimization of selective laser sintering process parameters to achieve the maximum density and hardness in polyamide parts”, Springer International Publishing Switzerland 2017.

[5] Manfred Schmid, Antonim Amado and Konrad Wegener, “Polymer Powder for Selective Laser Sintering (SLS)”, AIP Publishing LLC 2015.

[6] Singh S, Sharma VS, Sachdeva A, Sinha SK (2013), “Optimization and analysis of mechanical properties for selective laser sintered polyamide parts”, Mater Manuf Process 28 (2), pp.163–172

[7] Sachdeva A, Singh S, Sharma VS (2013), “Investigating surface roughness of parts produced by SLS process”. Int Jadv Manuf Technol 64, pp.1505–1516

[8] Singh S, Sharma VS, Sachdeva A (2016), “Progress in selective laser sintering using metallic powders: a review”, Mater Sci Technol 32, pp.760–772

Link

[9] https://www.re-fream.eu/portfolio/3d-printing-stereolithography-sla/

[10] https://3dservices.edu.vn/khoa-hoc-thiet-ke-san-pham-va-van-hanh-may-in-3d

[11] https://scantechvn.com/cong-nghe-in-3d-vat-lieu-ben-sls-sctvn617