SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 225
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG QUY TRÌNH GIA CÔNG CHI TIẾT THÀNH MỎNG TÍCH HỢP CÔNG NGHỆ IN 3D
RESEARCHING, CALCULATING, DESIGNING, AND SIMULATING THE PROCESSING SYSTEM OF THIN INTEGRATED PARTS USING 3D PRINTING TECHNOLOGY Trương Trọng Thi1,*, Nguyễn Đức Điệp1, Nguyễn Tiến Định1, Lê Minh Tuấn An1, Hà Minh Dương1, Nguyễn Anh Tú2 1. GIỚI THIỆU Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ in 3D trong những năm gần đây, việc sử dụng công nghệ này để sản xuất các chi tiết kim loại đã trở nên phổ biến hơn. So với các phương pháp gia công truyền thống, công nghệ in 3D mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như giảm thiểu thời gian sản xuất, tối ưu hóa quy trình, giảm chi phí sản xuất và đặc biệt là giảm thiểu lượng vật liệu bỏ đi. Tuy nhiên, một thách thức đối với công nghệ in 3D là độ chính xác và độ bền của các chi tiết in được, đặc biệt là đối với các chi tiết có kích thước thành mỏng. Nếu quá trình sản xuất không được thực hiện đúng cách, các chi tiết in 3D có thể bị biến dạng, gãy, hoặc có sự sai lệch kích thước so với thiết kế ban đầu. Điều này có thể dẫn đến sự mất mát về thời gian, nguyên vật liệu và chi phí sản xuất. Vì vậy, nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc thiết kế cơ cấu cán tích hợp trên máy in 3D kim loại và tối ưu hóa quy trình gia công chi tiết kim loại thành mỏng. Bằng cách sử dụng phần mềm Tecnomatix, chúng tôi sẽ phân tích và tối ưu hóa quy trình gia công, từ việc chuẩn bị nguyên vật liệu, gia công đến sản xuất chi tiết cuối cùng. Nghiên cứu này sẽ giúp có được cái nhìn tổng quan và chi tiết về quy trình sản xuất các chi tiết kim loại in 3D. Ngoài ra, chúng tôi cũng sẽ đánh TÓM TẮT Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ in 3D trong những năm gần đây, việc sử dụng công nghệ
này
để sản xuất các chi tiết kim loại đã trở trên phổ biến, nhóm đã cho ra đời thiết bị in 3D (AM) tích hợp cơ cấ
u cán
vật liệu sử dụng cho chi tiết thành mỏng và một mô hình mô phỏng hệ thống quy trình gia công chi tiế
t thành
mỏng. Nghiên cứu này nhằm mục đích tăng chất lượng của chi tiết thành mỏng khi in bằng công nghệ
in 3D và
cách tối ưu hóa một hệ thống quy trình gia công cụ thể. Nhóm nghiên cứu chủ yếu ứng dụ
ng hai phương pháp
nghiên cứu chính là nghiên cứu lý thuyết về nguyên lý công nghệ in 3D, công nghệ cán vật liệu, phần mềm tố
i
ưu hóa quy trình hệ thống và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm với việc chế tạo lắp ráp máy in 3D tích hợ
p
cơ cấu cán vật liệu, thực hiện quá trình in chi tiết thành mỏng nhằm kiểm tra so sánh chất lượng, áp dụng phầ
n
mềm mô phỏng để tối ưu hóa hệ thống gia công chi tiết thành mỏng bằng phần mềm Tecnomatix. Suố
t quá
trình nghiên cứu nhóm đã chế tạo thành công máy in 3D tích hợp cơ cấu cán vật liệu, đã xây dựng thành công hệ
thống quy trình gia công chi tiết thành mỏng tích hợp công nghệ in 3D. So sánh đánh giá nhận thấy chất lượ
ng
của chi tiết thành mỏng được cải thiện đáng kể so với những phương pháp in 3D thông thường và dựa trên kế
t
quả mô phỏng ở phần mềm Tecnomatix các tác giả có thể đánh giá được hiện trạng sản xuất, đề xuấ
t phương án
cải tiến tối ưu hóa hệ thống. Từ khóa: Công nghệ in 3D, công nghệ cán vật liệu, hệ thống sản xuất, tối ưu hóa sản xuất. ABSTRACT
With the rapid development of 3D printing technology in recent years, the use of this technology for
producing metal parts has become increasingly common. A research group has developed a 3D printing device
(AM) that integrates material rolling technology
for thinning parts and a simulated model of the process system
for thinning parts. This study aims to improve the quality of thin parts printed using 3D printing technology and
optimize a specific process system. The research group mainly applies two resea
rch methods, including
theoretical research on the principles of 3D printing technology, material rolling technology, and process system
optimization software, and experimental research by assembling a 3D printing machine integrated with a
material rolling
mechanism, performing the thinning process to compare the quality and applying simulation
software to optimize the thinning process system using Tecnomatix software. Throughout the research process,
the group has successfully created a 3D printing machine
integrated with a material rolling mechanism and built
an integrated process system for thinning parts using 3D printing technology. A comparative evaluation shows
that the quality of thin parts has been significantly improved compared to conventional 3D
printing methods,
and based on the simulation results in Tecnomatix software, the authors can evaluate the current production
status and propose an optimized improvement plan for the system. Keywords: 3D technology, material rolling technology, production system, production optimization. 1Lớp Cơ khí 06 - K14, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 2Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: truongtrongthi05032001@gmail.com
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
226
KHOA H
ỌC
giá độ chính xác và độ bền của sản phẩm cuối cùng để đưa ra các giải pháp. Kết quả của nghiên cứu sẽ đóng góp vào việc phát triển công nghệ in 3D và ứng dụng của nó trong ngành sản xuất kim loại. Bên cạnh đó, việc áp dụng công nghệ in 3D kim loại trong sản xuất chi tiết thành mỏng cũng có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu lượng vật liệu bỏ đi. Trong quá trình gia công kim loại truyền thống, lượng vật liệu bỏ đi là rất lớn do việc loại bỏ các phần không cần thiết. Việc sử dụng công nghệ in 3D kim loại giúp giảm thiểu lượng vật liệu này và đóng góp vào việc giảm thiểu chi phí. Nghiên cứu với 4 mục tiêu chính được đưa ra: Nghiên cứu công nghệ in 3D (AM) và công nghệ cán vật liệu. Nghiên cứu thiết bị in 3D và cơ cấu cán vật liệu kim loại tích hợp trên máy in 3D. Nghiên cứu phương pháp vận hành và điều khiển máy in 3D ứng dụng cho việc gia công chi tiết thành mỏng. Nghiên cứu thiết kế mô phỏng hệ thống quy trình gia công chi tiết thành mỏng tích hợp in 3D bằng phần mềm Tecnomatix. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Nguyên lý công nghệ in 3D kim loại Công nghệ in 3D kim loại có nhiều phương pháp khác nhau, nhưng nguyên tắc chung là sử dụng một máy in 3D để tạo ra các chi tiết kim loại bằng cách đặt lớp kim loại lên lớp theo cách được lập trình trước đó. Một trong những phương pháp phổ biến của công nghệ in 3D kim loại là Direct Energy Deposition (DED), trong đó nguyên liệu kim loại (thường là dây hoặc bột kim loại) được đưa vào một vị trí cụ thể bằng cách sử dụng robot hoặc máy in 3D. Sau đó, một nguồn năng lượng như laser hoặc plasma sẽ được sử dụng để nóng chảy nguyên liệu kim loại và đặt nó lên vị trí được lập trình trước đó. Quá trình này được lặp đi lặp lại để tạo ra lớp kim loại dày hơn cho chi tiết. Công nghệ in 3D kim loại có thể tạo ra các sản phẩm với độ chính xác cao, hình dạng phức tạp và kích thước lớn. Nó cũng cho phép sử dụng các loại kim loại khác nhau và tăng tốc độ sản xuất so với các phương pháp truyền thống. Hình 1. Nguyên lý công nghệ in 3D kim loại 2.2. Nguyên lý công nghệ cán vật liệu Nguyên lý công nghệ cán vật liệu kim loại là quá trình thay đổi hình dạng của vật liệu kim loại bằng cách áp dụng lực nén lên một phần của nó. Quá trình này được thực hiện bằng cách áp dụng lực lên vật liệu thông qua trục cán. Khi vật liệu đi qua trục cán, độ dày của nó giảm và chiều dài của nó tăng lên. Quá trình cán có thể được thực hiện ở nhiều nhiệt độ khác nhau để tạo ra các tính chất khác nhau cho vật liệu kim loại. Nó cũng có thể được kết hợp với các quá trình khác như tôi hoặc rèn để tạo ra các sản phẩm kim loại có tính chất cơ học và hóa học đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng cụ thể. Quá trình cán cũng cho phép tạo ra các sản phẩm kim loại có độ chính xác cao và bề mặt mịn hơn so với các quá trình khác. Do đó, công nghệ cán được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất kim loại như ô tô, máy móc, đóng tàu, hàng không vũ trụ và nhiều lĩnh vực khác. 2.3. Nguyên lý tích hợp cơ cấu cán lên máy in 3D kim loại Về cấu tạo chi tiết của máy in 3D tích hợp cơ cấu cán sẽ bao gồm các thành phần cấu thành như: + Khung máy, hệ thống che chắn bảo vệ. + Hệ thống bàn máy, gá đặt. + Hệ thống gá đầu in. + Hệ thống làm mát, gá kẹp. + Hệ thống điều khiển, kết nối với máy tính. + Cơ cấu cán tích hợp trên máy. Ta có sơ đồ sơ bộ thiết bị cán tích hợp trên máy in 3D [1] như hình 2. Hình 2. Sơ đồ sơ bộ thiết bị cán và in 3D [1] 2.4. Ứng dụng phần mềm mô hình hóa mô phỏng Tecnomatix Mô hình hóa mô phỏng là một công cụ tuyệt vời để phân tích và tối ưu hóa các quy trình động. Cụ thể, khi việc tối ưu hóa toán học của các hệ thống phức tạp trở nên không khả thi và khi việc tiến hành thử nghiệm trong các hệ thống thực quá tốn kém, tốn thời gian hoặc nguy hiểm, thì mô phỏng trở thành một công cụ mạnh mẽ. Mục đích của mô phỏng là hỗ trợ việc ra quyết định khách quan bằng phương pháp phân tích động, cho phép các nhà quản lý lập kế hoạch hoạt động của họ một cách an toàn và tiết kiệm chi phí. Vận hành ảo cho phép xác minh đầy đủ hệ thống sản xuất bằng cách thực hiện mô phỏng liên quan đến nhà máy ảo và bộ điều khiển thực, yêu cầu mô hình nhà máy ảo được mô tả đầy đủ ở các cấp độ. Tecnomatix là danh mục các giải pháp sản xuất của Siemens bao gồm các phần mềm liên quan đến nhiều lĩnh vực khác nhau như Quản lý, Lập kế hoạch sản xuất, Chế tạo sản xuất và Mô phỏng sản xuất,… Trong đó phần mềm Tecnomatix Plant Simulation cũng cấp nhiều thông tin, công cụ phân tích cho phép đánh giá các tình huống trong quá
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 227
trình sản xuất giúp các kỹ sư ra quyết định nhanh chóng, tin cậy ở giai đoạn đầu của kế hoạch mà ít phải dựa trên kinh nghiệm. Với phần mềm này mang đến cho người dùng sự linh hoạt cap về lập mô hình và mô phỏng điều mà các phần mềm khác chưa được phát triển mạnh. Hình 3. Mô phỏng hệ thống sản xuất với Tecnomatix Plant Simulation [5] 2.5. Kết quả dự kiến đạt được + Thiết kế và chế tạo thành công cơ cấu cán vật liệu tích hợp trên máy in 3D. + Mô phỏng, phân tích cơ cấu cán, tạo ma trận thí nghiệm. + Đánh giá chất lượng sản phẩm in bằng thiết bị in 3D tích hợp công nghệ cán vật liệu. + Thiết kế được hệ thống quy trình gia công chi tiết thành mỏng trên phần mềm Tecnomatix. + Đánh giá đưa giải pháp tối ưu dựa vào kết quả báo cáo của phần mềm Tecnomatix. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Chế tạo thành công thiết bị in 3D tích hợp cơ cấu cán vật liệu: Thiết bị có khả năng in các chi tiết với chiều dài tối đa 350mm, chiều dài tối đa 220mm, chiều cao tối đa 120mm. Thiết bị sử dụng 1 cơ cấu cán vật liệu có thể cán đồng thời với lúc in chi tiết giúp tăng chất lượng sản phẩm đặc biệt là cho chi tiết thành mỏng. Vì là thiết bị in 3D kim loại vì thế quá trình in sẽ tạo ra nhiệt độ rất lớn ảnh hưởng đến vật liệu do đó thiết bị sử dụng hệ thống bơm nước làm mát giảm nhiệt độ của chi tiết in cũng như bàn máy. Tính toán thiết kế và mô phỏng phân tích bền tĩnh (CAE) của cụm cơ cấu cán đạt yêu cầu đặt ra: - Kết quả phân tích bền Von Mises (hình 4): từ kết quả phân tích thấy được ứng suất uốn tối đa mà cụm cơ cấu cán phải chịu là 107,5MPa, tại vị trí cổ trục. Với kết cấu vật liệu của cổ trục là SKD11, thì ứng suất uốn của vật liệu nằm trong khoảng 1450 - 2200MPa, cơ cấu hoàn toàn đủ bền. - Kết quả phân tích chuyển vị chung (hình 5): từ kết quả phân tích thấy cụm cơ cấu cán chuyển vị theo phương tổng hợp từ trục Y và Z là 0,1125mm, trong đó giá trị chuyển vị theo trục Z (phương ngang, hướng từ trái sang phải) là 0,1102mm, theo trục y (phương đứng, hướng từ dưới lên trên) là 0,05052, vì vậy khi cán, độ dày lớp cán sẽ có sai số là 0,05052 và nó không ảnh hưởng nhiều so với kích thước của vật in. - Kết quả phân tích hệ số an toàn (hình 6): từ kết quả phân tích thấy vị trí chịu lực nhiều nhất và dễ bị phá hủy nhất là cổ trục, có hệ số an toàn là 3,95, giá trị này đã đáp ứng được yêu cầu về mức độ an toàn cao. Hình 4. Thiết bị in 3D tích hợp cơ cấu cán Ta có các giá trị cụ thể như sau: Von Mises Stress: Phân tích bền Von Mises, giá trị tối đa: 107,5MPa. Hình 5. Kết quả phân tích bền Von Mises
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
228
KHOA H
ỌC
Displacement: Chuyển vị, giá trị chuyển vị tối đa: 0,1125mm. Hình 6. Kết quả phân tích chuyển vị chung Safety Factor: Hệ số an toàn, giá trị tối đa:15. Hình 7. Kết quả phân tích hệ số an toàn Thực nghiệm nghiên cứu tác động của quá trình cán lên cấu trúc vật liệu khi tích hợp trên thiết bị in 3D, đưa ra đánh giá mẫu in: - Khi in không sử dụng quả lô cán: Mẫu in 3D hiển thị các lớp riêng biệt của quá trình in 3D. Các lớp này có thể có độ dày không đồng nhất và bề mặt chưa hoàn thiện. Xảy ra hiện tượng lỗ hổng, nứt nẻ và không đồng nhất trong cấu trúc mẫu. Bề mặt bị đục, có vết bẩn và không đều trong việc phân bố vật liệu. Cấu trúc tinh thể các hạt có hình dạng tròn. - Khi in sử dụng quả lô cán: Mẫu in 3D sau khi được cán có bề mặt mịn hơn và đồng đều hơn. Các lớp in 3D được nén chặt lại và đồng nhất độ dày. Sự đồng nhất và cải thiện bề mặt của mẫu nên kết quả soi mẫu trên kính hiển vi tốt hơn. Các lớp và chi tiết được hiển thị rõ ràng hơn và không gây ra hiện tượng lỗ hổng hoặc nứt nẻ. Cấu trúc tinh thể các hạt có hình dạng tròn bị dẹt. Khi so sánh kết quả, chúng tôi đã tiến hành phân tích và đưa ra kết luận về: Độ mạnh của lớp in: Được đo bằng cách thử nghiệm độ bền kéo và độ bền uốn của mẫu in. Kết quả cho thấy mẫu in được cán có độ bền kéo và độ bền uốn cao hơn so với mẫu in không được cán. Cấu trúc tinh thể: Sử dụng phương pháp quang kính hiển vi và phân tích tinh thể, chúng tôi đã xem xét cấu trúc tinh thể của lớp in. Kết quả cho thấy lớp in được cán có cấu trúc tinh thể mịn hơn và đồng nhất hơn so với lớp in không được cán. Tính đồng nhất của lớp in: Được đánh giá bằng cách xem xét sự đồng nhất về kích thước và hình dạng của hạt trong mẫu. Kết quả cho thấy mẫu in được cán có tính đồng nhất tốt hơn và ít biến dạng hơn so với mẫu in không được cán. Tính chịu lực và kháng ăn mòn: Được đánh giá bằng các phép thử chịu lực và kháng ăn mòn trên mẫu in. Kết quả cho thấy mẫu in được cán có tính chịu lực và kháng ăn mòn tốt hơn so với mẫu in không được cán. Hình 8. 1) Mẫu không cán x1k; 2) Mẫu cán x1k; 3) Mẫu không cán x2k; 4) Mẫu cán x2k; 5) Mẫu không cán x2k có tẩm thực; 6) Mẫu cán x2k có tẩm thực Hình 9. Mô hình tổng thể hệ thống sau khi được cải tiến
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 229
Thiết kế và mô phỏng tối ưu thành công hệ thống quy trình gia công chi tiết thành mỏng tích hợp công nghệ in 3D bằng phần mềm Tecnomatix. Kết quả năng suất sau khi cải tiến được tăng gấp đôi ban đầu. Bảng 1. Kết quả năng suất sau khi cải tiến Trước cải tiến Sau cải tiến Số sản phẩm đầu ra 108
221
4. KẾT LUẬN Qua quá trình nghiên cứu được nhóm đã tìm được giải pháp tăng chất lượng của lớp in sau khi tạo phôi bằng phương pháp in 3D, bằng cách tích hợp công nghệ cán vật liệu vào thiết bị in 3D, đặc biệt là tạo phôi các chi tiết thành mỏng bằng phương pháp in 3D với mục đích tăng chất lượng lớp in và giảm lượng vật liệu bị bỏ đi khi gia công chi tiết thành mỏng. Thiết kế, mô phỏng cải tiến được hệ thống quy trình gia công chi tiết thành mỏng tích hợp công nghệ in 3D áp dụng bằng phần mềm Tecnomatix giúp cải thiện năng suất đầu ra, góp phần làm giảm giá thành của sản phẩm sau khi gia công, tăng hiệu quả công việc mà không dẫn đến sự sai sót ngoài ý muốn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nesma T. Aboulkhair, Marco Simonelli, Luke Parry, Ian Ashcroft, Christopher Tuck, Richard Hague, 2019. 3D printing of Aluminium alloys: Additive Manufacturing of Aluminium alloys using selective laser melting. Materials Science and Engineering. [2]. Nguyễn Đắc Lộc, Lê Văn Tiến, Ninh Đức Tốn, 2005. Sổ tay công nghệ chế tạo máy tập 1. NXB Khoa học và Kỹ thuật. [3]. Nguyễn Đắc Lộc, Lê Văn Tiến, Ninh Đức Tốn, 2005. Sổ tay công nghệ chế tạo máy tập 2. NXB Khoa học và Kỹ thuật. [4]. Nguyễn Đắc Lộc, Lê Văn Tiến, Ninh Đức Tốn 2005. Sổ tay công nghệ chế tạo máy tập 3. NXB Khoa học và Kỹ thuật. [5]. Martijn, 2017, Simulation Modelling using Practical Examples: A Plant Simulation Tutorial. University of Twente. [6] Nguyễn Văn Đức, Phạm Văn Bổng, Nguyễn Hữu Phấn, 2018. Ứng dụng sự kết hợp của Taguchi và PSI để tối ưu hóa đa mục tiêu các thông số công nghệ trong xung định hình thép SKD11. Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội. [7]. Tiago A. Rodrigues, Valdemar R. Duarte , R.M. Miranda, Telmo G. Santos, J.P. Oliveira UNIDEMI, 2021. Ultracold-Wire and arc additive manufacturing (UC-WAAM). Journal of Materials Processing Tech.
