Phân tích cơ tính của mẫu in 3D ABS với các thông số nhiệt độ môi trường in khác nhau

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết này trình bày công trình nghiên cứu và đánh giá về nhiệt độ môi trường in 3D được sử dụng trong công nghệ in FDM (Fused Deposition Modeling). Công nghệ in 3D FDM (Fused deposition modeling) là công nghệ in 3D được sử dụng rất phổ biến cho các máy in 3D (in nhựa) hiện nay tại Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Phân tích cơ tính của mẫu in 3D ABS với các thông số nhiệt độ môi trường in khác nhau

PHÂN TÍCH CƠ TÍNH CỦA MẪU IN 3D ABS VỚI CÁC THÔNG SỐ NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG IN KHÁC NHAU Nguyễn Ngọc Dương 𝟏 , Nguyễn Thị Hoa Cúc 𝟏 1. Viện Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Thủ Dầu Một TÓM TẮT Bài viết này trình bày công trình nghiên cứu và đánh giá về nhiệt độ môi trường in 3D được sử dụng trong công nghệ in FDM (Fused Deposition Modeling). Công nghệ in 3D FDM (Fused deposition modeling) là công nghệ in 3D được sử dụng rất phổ biến cho các máy in 3D (in nhựa) hiện nay tại Việt Nam. Các sản phẩm in 3D không chỉ phụ thuộc vào vật liệu in, thiết kế mẫu in, chiều cao lớp, tốc độ, độ co ngót vật liệu, lưu lượng, kết dính, hỗ trợ, tản nhiệt làm mát mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong bài viết này sẽ nghiên cứu chuyên sâu về nhiệt độ môi trường in đối với vật liệu ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) để kiểm tra sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường in đối với cơ tính vật liệu dựa trên đường cong ứng suất biên dạng của vật liệu. Nhiệt độ môi trường in được phân bố từ 30, 45, 60, 75. Kết quả của nghiên cứu cho thấy để mẫu in đạt cơ tính tốt nhất, nhiệt độ môi trường in nên nằm trong khoảng từ 30°C đến 45°C với các thông số nên áp dụng: nhiệt độ in 240°C, góc in 45°/-45°, mật độ lấp đầy 100% và độ dày 0,2 mm. Từ khóa: in 3D FDM; Heating chamber; Mô phỏng ké; Tension test. 1. TỔNG QUAN Công nghệ in 3D FDM được phát triển bởi Scott Crump vào cuối những năm 1980. Máy in công nghệ FDM dựa trên nguyên lý bồi đắp vật liệu, vật liệu dạng sợi được nung nóng chảy ở nhiệt độ thích hợp và được đùn để chảy ra ở đầu phun. Đầu phun được điều khiển bằng máy tính sẽ di chuyển trên biên dạng 2D, vật liệu được phun ra sẽ hóa cứng để tạo ra một lớp in. Sau đó thực hiện xếp chồng lớp in tiếp theo lên dần dần để tạo thành mẫu 3D. Ngày nay, các nghiên cứu về công nghệ in 3D đang ngày càng được phát triển. Như các nghiên cứu của (Weng và nnk.,2016); (Wojtyla và nnk.,2017); (Rocha và nnk.,2014) ; (Żur và nnk.,2020) và (Hanemann và nnk.,2020) về sự an toàn của công nghệ in FDM và một số ứng dụng trong thực tế của các mẫu in 3D FDM với vật liệu ABS. Từ đó có thể thấy công nghệ in 3D đang ngày càng được ứng dụng nhiều vào cuộc sống. Với sự đa dạng của công nghệ vật liệu, ngày càng nhiều vật liệu có khả năng in bằng công nghệ FDM. Những vật liệu in 3D thông dụng trên thị trường như PLA, ABS, PET, PETG, PEEK, PVA, …. . Các nghiên cứu về vật liệu phù hợp để in 3D và ứng dụng của chúng đang ngày càng được phát triển. Một số nghiên cứu về các vật liệu được phát triển từ công nghệ in 3D như của (Dul và nnk.,2022) về ABS nanocopmposites. Tuy nhiên để có thể in tốt các vật liệu này, cần phải có một số nghiên cứu về thông số in cho từng vật liệu như các nghiên cứu của (Vates và nnk.,2021); (Raju và nnk.,2019); (Hamzahvà nnk.,2022) và (Zgryza và nnk.,2018). Mỗi loại vật liệu sẽ có một thông số in khác nhau. Trong đó, nhiệt độ môi trường in có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt và cơ tính của mẫu in. Tuy nhiên, các nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường còn khá hạn chế. 629
Như nghiên cứu của (S.Ding,2019) về cơ tính của vật liệu PEEK đã chỉ ra nhiệt độ in tốt nhất là 410°C và mẫu in có cơ tính tốt nhất khi được ủ nóng sau khi in ở nhiệt độ 90°C. Một loại vật liệu in khác thông dụng hơn đó là ABS, tuy nhiên nhựa ABS rất dễ bị lỗi trong quá trình in. Từ đó các nghiên cứu để tối ưu thông số in của vật liệu ABS cũng được phát triển. Nghiên cứu của (Young-Huy Choi, 2016) về lỗi xảy ra khi thay đổi nhiệt độ bàn in đối với việc in 3D bằng ABS đã cho thấy nhiệt độ bàn in tối ưu là 110 𝑜 𝐶. Ngoài ra, nghiên cứu của (Nayan Dhakal và nnk.,2023) về cơ tính của mẫu in bằng vật liệu ABS cho thấy mẫu in có chất lượng tốt nhất khi in với góc infill -45/45 độ và với tốc độ in 20mm/s. Một nghiên cứu khác của (Charoula Kousiatza và nnk.,2017) về ảnh hưởng của nhiệt độ in và nhiệt độ môi trường in đến cơ tính của mẫu in bằng ABS dã cho ra được kết quả là cơ tính của mẫu in tốt nhất khi được in ở 285°C trong môi trường ở 70°C. 2. THÍ NGHIỆM 2.1. Vật liệu in 3D Trong nghiên cứu này, sử dụng vật liệu in 3D là Acrylonitrin butadien styrene(ABS) với cấu trúc phân tử như Hình 1. Hình 1: Cấu trúc phân tử nhựa ABS Nhựa ABS là vật liệu in 3D rất thông dụng hiện nay. Với độ bền cao, khả năng chịu va đập và biến dạng cao, nhựa ABS có rất nhiều ứng dụng trong thực tế. Tuy nhiên, sau khi trải qua quá trình gia nhiệt và đông cứng lại khi đi qua đầu in, cơ tính của vật liệu sẽ bị thay đổi. Nghiên cứu này sẽ kiểm tra cơ tính của nhựa sau khi in với các mức nhiệt độ môi trường in khác nhau. 2.2.Thiết lập thí nghiệm Mẫu in để thực hiện thí nghiệm kéo với các kích thước như hình 2 được thiết kế trên phần mềm và được gia công bằng máy in 3D FDM X500 như hình 3 bằng vật liệu là nhựa ABS với các thông số in như trong bảng 1. 630
Hình 2: Kích thước mẫu thí nghiệm kéo Hình 3: Máy in 3D X500 Bảng 1: Các thông số in 3D Layer Height Nozzle Hear Bed Heating chamber Speed Infill NoS 0.2 240 110 30 50 100 5 0.2 240 110 45 50 100 5 0.2 240 110 60 50 100 5 0.2 240 110 75 50 100 5 Với các thông số in được giữ cố định, chỉ thay đổi thông số nhiệt độ lồng in từ 30 độ C đến 75 độ C, thực hiện mỗi bộ thông số 5 mẫu in. Các mẫu in được tổng hợp theo các mức nhiệt độ lồng in như hình 4. Hình 4: Các mẫu in 3D theo các mức nhiệt độ. 631
Thí nghiệm kéo như hình 5 được thực hiện để kiểm tra cơ tính của từng mẫu in, từ đó so sánh cơ tính của các mẫu in với các nhiệt độ môi trường khác nhau. Hình 5: Thí nghiệm kéo Trong thí nghiệm kéo này, mỗi mức nhiệt độ môi trường sẽ được thực hiện thí nghiệm 5 lần bằng máy M350-10CT. Kết quả thu được là đường cong ứng suất biến dạng của từng mẫu in. Từ đó xác định được độ bền cho từng mẫu in với các nhiệt độ môi trường in khác nhau. 2.3. Kết quả thí nghiệm Sau khi thực hiện thí nghiệm kéo, có thể thấy được các mẫu in bị phá hủy như hình 6. Có thể thấy hầu hết các mẫu đều bị phá hủy ở gần vị trí kẹp. Tại điểm phá hủy, thí nghiệm cung cấp lực kéo tại đó, sử dụng công thức  = F A với  là ứng suất, F là lực kéo và A là diện tích tiết diện ngang của mẫu kéo,từ đó có thể vẽ được các đường cong ứng suất biến dạng của các mẫu in như hình 7 đến hình 10 và tính được ứng suất tới hạn của mẫu kéo. Hình 6: Các mẫu in bị phá hủy sau thí nghiệm. 632
o Hình 7: Đường cong ứng suất biến dạng của các mẫu in ở 30 C o Hình 8: Đường cong ứng suất biến dạng của các mẫu in ở 45 C o Hình 9: Đường cong ứng suất biến dạng của các mẫu in ở 60 C 633
o Hình 10: Đường cong ứng suất biến dạng của các mẫu in ở 75 C Từ các kết quả ứng suất biến dạng của các mẫu kéo trên, cso thể nhận thấy được các mẫu in 3D có sự sai số khá lớn về khả năng chịu biến dạng, cho dù các mẫu in được gia công với cùng một thông số và môi trường in. Để dễ dàng so sánh, các giá trị ứng suất bền trung bình và độ lệch chuẩn được thể hiện ở bảng 2 và hình 10. Bảng 2: Ứng suất tới hạn trung bình và độ lệch chuẩn của các mẫu in Ứng suất (Mpa) 30 45 60 75 1 31.56 34.17 31.51 28.79 2 31.68 32.18 30.4 26.78 3 32.43 32.1 30.5 28.11 4 31.85 32.6 31.98 28.96 5 36.27 32.08 32.14 29.65 Trung bình 32.76 32.63 31.31 28.46 Độ lệch chuẩn 1.992 0.886 0.814 1.089 Hình 11: Ứng suất tới hạn trung bình và độ lệch chuẩn của các mẫu in 634
Từ kết quả trên, có thể thấy được nhiệt độ môi trường in có ảnh hưởng đến cơ tính của mẫu in. tuy nhiên chênh lệch không quá lớn. Khi nhiệt độ tăng cao, ứng suất tối đa có xu hướng giảm dần. Tuy nhiên, khi xem xét đến Module Young và chuyển vị tối đa của các mẫu in như Hình 12 và Hình 13 sau: Hình 12: Module Young trung bình và độ lệch chuẩn của các mẫu in Từ biểu đồ trên, module Young của 2 mẫu in ở nhiệt độ môi trường 60°C và 75°C cao hơn so với 2 mẫu còn lại. Tuy nhiên, khả năng chịu biến dạng của mẫu in ở 45°C là tốt nhất. Để kiểm tra kết quả thí nghiệm cũng như so sánh cơ tính của mẫu in 3D với cơ tính của nhựa ABS bình thường, nghiên cứu thực hiện mô phỏng thí nghiệm kéo bằng phần mềm Ansys. Việc mô phỏng cho phép đánh giá được cơ tính của vật liêu ABS với các thông số như ở trong thư viện của phần mềm. 3. MÔ PHỎNG THÍ NGHIỆM Với mô hình mẫu kéo được thiết kế trên máy tính, sử dụng phần mềm Ansys để mô phỏng thí nghiệm kéo bằng vật liệu ABS với các thông số như hình 13 sau: Hình 13: Thông số vật liệu của nhựa ABS 635
Với mẫu thử nhựa ABS với các thông số như hình trên, mẫu thử sẽ tương đương với mẫu thử được gia công bằng phương pháp đúc với các điều kiện tối ưu nhất, từ đó cho mẫu vật liệu có thông số cơ tính cao nhất có khả năng đạt được. So sánh với kết quả của mẫu gia công bằng phương pháp in 3D FDM, có thể ước lượng được cơ tính của mẫu in 3D có khả năng đạt được bao nhiêu phần trăm so với thông số cao nhất của vật liệu ABS. Từ đó có thể thực hiện các phương án nâng cao cơ tính của mẫu in. Phần mềm mô phỏng dựa trên nguyên lý phần tử hữu hạn. Bằng cách chia nhỏ mô hình ra thành nhiều phần tử nhỏ, có thể tính toán được các thành phần ứng suất, biến dạng, chuyển vị trên từng phần tử. Nghiên cứu sử dụng lưới phần tử solid dạng hexa như hình 14 với số phần tử bằng 7824 và 9468 node. Hình 14: Mô hình chia lưới của mẫu kéo Sau khi chia lưới cho mô hình, đặt điều kiện biên là ngàm cố định một đầu như hình 15 và một đầu cho chuyển vị 3mm như hình 16. Hình 15: Điều kiện biên ngàm của mẫu kéo Hình 16: Điều kiện biên chuyển vị một đầu của mẫu kéo Từ các điều kiện trên, có thể giải được các thông số ứng suất biến dạng và chuyển vị của mẫu kéo như hình 17 đến 20. 636
Hình 17: Chuyển vị của mẫu kéo Hình 18: Ứng suất của mẫu kéo Hình 19: Biến dạng của mẫu kéo Từ các kết quả trên, có thể kết luận được ứng suất tại điểm phá hủy của mẫu kéo ABS đạt 88 Mpa. Lớn hơn nhiều so với các mẫu in 3D. Điều này do vật liệu đã bị giảm cơ tính trong quá trình in. 4. KẾT LUẬN Nếu chỉ xét đến ứng khả năng chịu ứng suất, có thể thấy nhiệt độ tốt nhất để in mẫu bằng vật liệu ABS là nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, khi xét đến cả khả năng chịu biến dạng, mẫu in được in trong môi trường ở nhiệt độ 45°C cho kết quả tốt nhất. Khi xét đến độ cứng, Module Young của 2 mẫu in ở nhiệt độ môi trường in là 60°C và 75°C có độ cứng cao nhất. Nghiên cứu đã cho thấy ảnh hưởng của môi nhiệt độ môi trường in đến cơ tính của mẫu in 3D bằng công nghệ FDM là khá lớn. Các kết quả cho thấy nhiệt độ môi trường tốt nhất để in 3D mẫu in ABS là khoảng từ 30°C đến 45°C. Các mẫu in 3D ABS có khả năng chịu lực kém hơn so với vật liệu ABS thông thường. Điều này là do hạn chế của công nghệ in 3D FDM. Tuy nhiên, có thể làm tăng cơ tính của mẫu in 3D bằng các xử lý nhiệt hậu kỳ. Tuy nhiên, các kết quả có sự chênh lệch không quá lớn, khi xét thêm đến sai số của công nghệ in 3D FDM khá lớn, số lượng mẫu test còn chưa cao, đây là hạn chế của nghiên cứu, cần có số lượng mẫu test cao hơn để cho ra kết quả chính xác hơn. 637
TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Charoula Kousiatza, Nikoleta Chatzidai and Dimitris Karalekas, Temperature Mapping of 3D Printed Polymer Plates: Experimental and Numerical Study, Sensors 2017, 17(3), 456; https://doi.org/10.3390/s17030456 2. Choi, Y.-H., et al., Influence of bed temperature on heat shrinkage shape error in FDM additive manufacturing of the ABS-engineering plastic. 2016. 4(3): p. 186-192. 3. Ding, S., et al., Effects of nozzle temperature and building orientation on mechanical properties and microstructure of PEEK and PEI printed by 3D-FDM. 2019. 78: p. 105948 4. DUL, Sithiprumnea, et al. 3D printing of ABS Nanocomposites. Comparison of processing and effects of multi-wall and single-wall carbon nanotubes on thermal, mechanical and electrical properties. Journal of Materials Science & Technology, 2022, 121: 52-66. 5. HAMZAH, Khairul Amali, et al. Mechanical properties and thermal and electrical conductivity of 3D printed ABS-copper ferrite composites via 3D printing technique. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 2022, 35.1: 3-16. 6. HANEMANN, Thomas; SYPEREK, Diana; NÖTZEL, Dorit. 3D printing of ABS barium ferrite composites. Materials, 2020, 13.6: 1481. 7. Nayan Dhakal, Xiaolong Wang, Cayetano Espejo, Ardian Morina, Nazanin Emami, Impact of processing defects on microstructure, surface quality, and tribological performance in 3D printed polymers, Journal of Materials Research and Technology, Volume 23, March–April 2023, Pages 1252-1272 8. RAJU, Ramesh, et al. Experimentation and process parametric optimization of 3D printing of ABS- based polymer parts. In: Advances in Industrial Automation and Smart Manufacturing: Select Proceedings of ICAIASM 2019. Springer Singapore, 2021. p. 487-496. 9. Rocha, Carmen R.; Torrado Perez, Angel R.; Roberson, David A.; Shemelya, Corey M.; MacDonald, Eric; Wicker, Ryan B. (2014). Novel ABS-based binary and ternary polymer blends for material extrusion 3D printing. Journal of Materials Research, 29(17). 10. VATES, Umesh Kumar, et al. Optimization of FDM 3D printing process parameters on ABS based bone hammer using RSM technique. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2021. p. 012001. 11. Weng, Zixiang; Wang, Jianlei; Senthil, T.; Wu, Lixin (2016). Mechanical and thermal properties of ABS/montmorillonite nanocomposites for fused deposition modeling 3D printing. Materials & Design, (),S0264127516305196. 12. Wojtyła, Szymon; Klama, Piotr; Baran, Tomasz (2017). Is 3D printing safe? Analysis of the thermal treatment of thermoplastics: ABS, PLA, PET, and nylon. Journal of Occupational and Environmental Hygiene, (), 00–00. 13. ZGRYZA, Łukasz; RACZYŃSKA, Anna; PAŚNIKOWSKA-ŁUKASZUK, Magdalena. Thermovisual measurements of 3D printing of ABS and PLA filaments. Advances in Science and Technology. Research Journal, 2018, 12.3: 266-271. 14. ŻUR, Paweł, et al. Optimization of Abs 3D-printing method and parameters. European Journal of Engineering Science and Technology, 2020, 3.1: 44-51. 638