Hcmute nghiên cứu và thử nghiệm các 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

CƠNG 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

SKC 0 0 7 4 0 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2020

Luan van


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

Luan van


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
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

Nam, Nữ: Nam
Năm thứ: 4

Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Vinh Dự

TP Hồ Chí Minh, 07/2020

Luan van

/Số năm đào tạo: 4

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 cơng 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
I

Luan van


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

II

Luan van


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

III

Luan van


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

IV

Luan van

CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN
1.1. Tình hình về cơng nghệ in 3D
Ngun 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.
Q 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 mơ hình hóa trong đồ họa máy tính. Ngun mẫu của mơ hình vật lý
đang phát triển qua giai đoạn thứ ba, do vòng đời sản phẩm ngày càng ngắn hơn do sự
phát triển cơng 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 mơ 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

Luan van


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. Mơ 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: Cơng nghệ SLA có khả năng tạo ra các mô hình có độ chi tiết cao, sắc
nét và chính xác. Về các cơng 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).

2

Luan van


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

Hình 1.2 Sản phẩm của cơng nghệ in 3D SLA [9]
3

Luan van


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 cơng 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 khơng cao ([1], trang 13,14).

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

4

Luan van


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 khơng
chỉ có khả năng in các ngun mẫu mà cịn in được các sản phẩm hồn thiện cuối cùng
đến tay người dùng. Cơng 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 khơng cao. Khả năng
chịu lực khơng đồng nhất ([1], trang 11,12).

Hình 1.4 Ngun lý hoạt động của cơng nghệ in 3D FDM ([1], trang 12)
5

Luan van


Hình 1.5 Sản phẩm cơng 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 hố vào năm 1992. Cơng
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 mơ hình kín và có phần rỗng bên trong vẫn phải tiêu tốn một lượng vật
liệu khá lớn ([1], trang 9,10).

6

Luan van


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

Hình 1.7 Sản phẩm in 3D SLS [11]
7

Luan van


1.1.2. Ứng dụng của in 3D
Công nghệ in 3D đang ngày càng phát triển, không chỉ giúp cho việc chế tạo
khn 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 cơng nghiệp sản xuất, chế tạo
Lý do chính khiến công nghệ sản xuất đắp dần được sử dụng rộng rãi
trong mơi trường cơng 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 cơng nghiệp ơ tơ: Ngồi 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 tồn bộ
bằng cơng 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. Cịn GE thì ứng dụng cơng nghệ in
8

Luan van


3D trong q trình sản xuất đầu dị 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 cơng 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 cơng
cánh quạt động cơ Turbine khí bằng cơng nghệ in 3D, mở đường cho các nhà sản xuất
điện và các thiết bị nặng khác sử dụng công nghệ in 3D, khơng những để chế tạo các 19
mơ hình hoặc ngun 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)

9

Luan van

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 mơ hình sinh học (các
mơ hình bộ phận con người như xương, răng, tai giả...). Ngoài ra, cũng tương tự như việc
tạo mơ hình sinh học, cơng 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 cơng 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 cơng
nghệ In 3D vào việc thi cơng các cơng 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).

10

Luan van


Hình 1.12 Ngơi 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 tốn 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
11

Luan van


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 mơ 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 ( 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 khơng 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 phơi, bề mặt hồn thiện và tỷ lệ sản xuất cao,
tiết kiệm chi phí sản xuất và tăng hiệu suất của các thơng 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 thơng số ảnh hưởng đến hồn thiện bề mặt trong quá trình
chế tạo.
12

Luan van


Phân tích hiệu quả của q trình và các thơng 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
- Cơng 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 cơng 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 cơng nghệ in 3D
SLS cao nhưng nghiên cứu cịn hạn chế ở Việt Nam.
- Tìm hiểu các thơng 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.

13

Luan van


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 cơng 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 tồn 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 cơng 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, q trình nung chảy hồn tồn hạt bột vật liệu được áp dụng. Q 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. Khơng 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 cơng 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
14

Luan van


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 cơng 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 khơng thấm trong khơng 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
khơng hịa tan ở nhiệt độ phịng. Polyethylene (trừ polyethylene liên kết ngang) có thể
được hịa 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
dịng 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

Thơng số
Hạt
Polyethylene mật độ thấp
108 ÷ 115 (°C)
45 ÷ 55 (g/ph)

0,92 ÷ 0,94 (g/cm3)
80 ÷ 300 (μm)

15

Luan van


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 thơng số in 3D ảnh hưởng đến độ bền kéo của sản phẩm
Trong cơng nghệ in 3D nói chung, ngồi 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.

16

Luan van


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 thơng 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

17

Luan van


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)

Thơng số
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

3,18

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

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.

18

Luan van