BÁO cáo IN 3d môn học THỰC tập kỹ THUẬT cơ KHÍ trình bày sự khác biệt giữa các dòng in 3d industrial, desktop, open source

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO IN 3D MÔN HỌC THỰC TẬP KỸ THUẬT CƠ KHÍ (ME3143) GVHD HUỲNH HỮU NGHỊ HK 212 NHÓM 31 Ngày nộp 01042022 STT Họ và.ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO IN 3D MÔN HỌC THỰC TẬP KỸ THUẬT CƠ KHÍ (ME3143) GVHD HUỲNH HỮU NGHỊ HK 212 NHÓM 31 Ngày nộp 01042022 STT Họ và.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CHẾ TẠO MÁY

BÁO CÁO IN 3D MÔN HỌC:

THỰC TẬP KỸ THUẬT CƠ KHÍ (ME3143)

GVHD: HUỲNH HỮU NGHỊ

HK 212 - NHÓM: 31 Ngày nộp: 01/04/2022

DANH SÁCH THÀNH VIÊN VÀ PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC

thành

MỤC LỤC

PHẦN I: LÝ THUYẾT 3

Câu 1: Trình bày sự khác biệt giữa các dòng in 3D: industrial, desktop, open source của 03 nhóm công nghệ phổ biến: FDM/FFF (nhựa sợi ), SLA/DLP/LCD (nhựa lỏng), SLS/SLM (vật liệu bột) 3

Câu 2: Chứng minh ưu điểm của công nghệ AM so với các công nghệ khác (gia công cắt gọt, khuôn mẫu …) 18

PHẦN THỰC HÀNH 23

1 Mô hình lựa chọn: 23

2 Tóm lược: 23

3 Tiến hành xuất file G – codes bằng phần mềm Simplify 3D: 23

4 Quá trình thực hiện: 35

5 Kết quả: 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

PHẦN I: LÝ THUYẾT

Câu 1: Trình bày sự khác biệt giữa các dòng in 3D: industrial, desktop, open source của 03 nhóm công nghệ phổ biến: FDM/FFF (nhựa sợi ), SLA/DLP/LCD (nhựa lỏng), SLS/SLM (vật liệu bột).

 Sự khác biệt của 03 công nghệ in phổ biến

 Công nghệ (FDM/FFF) thuộc nhóm công nghệ đùn vật liệu (Material Extrustion-ME)

 Nguyên lý hoạt động:

Là đùn vật liệu nhựa dạng sợi nóng chảy ở trạng thái bán lỏng qua vòiphun và điều khiển vòi phun di chuyển để tạo thành các lớp theo biên dạngmặt cắt của sản phẩm

Khi hoạt động sợi nhựa được cung cấp cho đầu đùn nhờ động cơ và cặpcon lăn cuốn Đầu đùn được gia nhiệt tới tốc độ thích hợp để làm nóng chảysợi nhựa và đùn ra ngoài Đầu đùn được điều khiển độc lập theo hai phương

X, Y (giống như máy CNC 2D) để tạo lớp vật liệu

Để chế tạo lớp tiếp theo, bàn máy (hoặc đầu đùn) đi xuống (hoặc đi lên)một khoảng bằng với bề dày một lớp cắt (thường từ 0,1 - 0,3 mm), đầu đùnlại tiếp tục di chuyển và đắp một lớp mặt cắt vật liệu mới chồng lên lớptrước Quá trình được tiếp tục lặp lại cho đến khi tất cả các lớp (mặt cắt) củasản phẩm được chế tạo xong

Cơ cấu cấu đùn nhựa theo công nghệ FDM có hai đầu đùn cùng làmviệc Một đầu đùn để đùn vật liệu tạo sản phẩm, đầu còn lại đùn vật liệu tạogiá đỡ Còn công nghệ FFF sử dụng một loại vật liệu vừa để tạo ra sản phẩmvừa tạo hệ thống đỡ

 Lợi ích của công nghệ FDM/FFF

˗ Sử dụng vật liệu đa dạng: Công nghệ sử dụng được hầu hết các loại vật

liệu nhựa nhiệt dẻo, có cơ tính tốt, giá thành vật liệu hợp lý, Ngoài ra,công nghệ này có thể tạo ra các sản phẩm có nhiều màu sắc bằng cách sửdụng vật liệu có nhiều màu khác nhau, đáp ứng được yêu câu đa dạngcủa người sử dụng

˗ Thiết bị đơn giản, chi phí thắp: Thiết bị theo công nghệ ƑDM không

sử dụng năng lượng là nguồn laser và hệ thống điều khiến tỉa laser phứctạp Do đó, thiết bị có nguyên lý hoạt động, kết cấu đơn giản, dễ chế tạo,

dễ vận hành và bảo trì, chi phí hợp lý

˗ Thân thiện với môi trường: Công nghệ sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo

phân hủy sinh học (PLA) không độc, không mùi, không gây ô nhiễmmôi trường xung quanh Thiết bị hoạt động êm, ít tiếng ồn,

˗ Thích ứng với môi trường làm việc văn phòng: Hệ thống sản xuất

trong môi trường văn phòng (Table Manufaeturing) là một bước pháttriển sản phẩm trong lĩnh vực in 3D, đặc biệt là với ứng dụng tạo mẫunhanh

Ví dụ: công ty Stratasys đã giới thiệu loại máy Print Genisys 3D với

kích thước chí có 914 mm x 813 mm x 737 mm Mặc dù mới đưa ra thịtrường, thiết bị này đã chứng minh giá trị tiểm năng của nó Thiết bịđược thiết kế như một máy in nhằm giúp quá trình tra thiết kế và pháttriển sản phẩm được nhanh chóng

 Vật liệu: dùng trong công nghệ FDM là loại vật liệu nhựa nhiệt dẻo chẳng

hạn như: ABS, PLA, Nylon, Ninjaflex, polymorph, PP, Epoxy, PC, PE, vậtliệu y sinh,

˗ Nhựa ABS (Acrylonitrin butadien styren): có tính khoáng hóa chất,

có độ bền kéo, va đập, độ cứng bề mặt, độ rắn, độ chịu nhiệt và các đặctính về điện cao trong khi giá cả tương đối thấp Nhựa ABS có dạng tấm,màng và ở dạng định hình, nhiệt độ nóng chảy của loại nhựa này là 160– 200

˗ Nhựa PLA (Polylactic Acid): là một loại nhựa nhiệt dẻo, có khả năng

phân hủy sinh học và có nguồn gốc thực vật ( lên men từ cây Ngô ở Mỹ,các sản phẩm ở Châu Á hoặc cây mía) có độ cứng cao, độ cong vênhthấp và có nhiều màu sắc hấp dẫn Nó có thể phân hủy trong điều kiệnnhất định và rất khó tái chế Nhiệt độ của PLA nằm trong 130 - 230.1

Thiết bị FDM/FFF công nghiệp thương mại hóa:

1Đặng Văn Nghìn – Bùi Trọng Hiếu – Huỳnh Hữu Nghị (2020) Công nghệ in 3D Nhà xuất bản

ĐHQGTP.HCM, tr40 - 45

Máy in 3D Ender – 3 V2 ($262) Máy in 3D Ultimaker ($4.080)

 Công nghệ stereolithography apparatus/ digital light processing (SLA/DLP)

 Nguyên lý hoạt động SLA

Đầu tiên, bệ đỡ nằm cách bề mặt chất lỏng một khoảng bằng với bề dàylớp được cài đặt Độ đồng đều của lớp nhựa này được điều chỉnh bằng daogạt

Tia laser được điều khiển để di chuyển làm đông đặc vật liệu ở những vịtrí theo tiết diện lát cắt của sản phẩm

Khi hoàn thành một lớp, bệ đỡ tiếp tục hạ xuống một khoảng bằng bềdày lát cắt và dao gạt tiếp tục gạt ngang làm đồng đều lớp vật liệu trên bềmặt

Tia laser tiếp tục làm đông đặc lớp vật liệu dẻo tiếp theo, chồng lên lớptrước đó như đã lập trình

Quá trình tiếp tục cho đến khi hoàn thành sản phẩm Sau khi lấy ra khỏithiết bị in, sản phẩm trải qua một quá trình hậu xử (Post - processing) như:làm sạch, sấy khô và lưu hóa bằng tia cực tím

 Ưu điểm:

˗ Chế tạo có sản phẩm phức tạp, có độ chính xác kích thước và chấtlượng bề mặt cao

˗ Chế tạo được lỗ có kích thước rất nhỏ so với các công nghệ khác

 Nhược điểm

˗ Cồng kềnh, đắt tiền

˗ Vật liệu sử dụng không đa dạng

˗ Các sản phẩm thường giòn sau một thời gian

˗ Có thể xảy ra cong vênh, co rút ở một số loại nhựa

˗ Cần có yêu cầu đặc biệt khi sử dụng: bảo quản tránh ánh nắng mặt trời,bảo dưỡng sản phẩm và xử lý mẫu cẩn thận sau khi in

 Nguyên lý hoạt động DLP:

Công nghệ này sử dụng ánh sáng UV để hóa rắn vật liệu nhựa lỏng.Trong quá trình xử lý dữ liệu trước khi chế tạo, một mô hình CAD 3D sẽđược cắt thành từng lát bởi một tập hợp các mặt phẳng song song và mỗilát cắt sau đó được chuyển đổi thành một mặt nạ ảnh (mask image) 2D.Bằng cách chiếu mặt nạ ảnh (mask image) lên một bề mặt nhựa lỏng,một lớp nhựa được hóa rắn thành hình dạng tương tự Khác với công nghệ(SLA), sử dụng nguồn ánh sáng daỳ đặc hơn và nhờ vậy mà toàn bộ mặt

nạ ảnh có thể được chiếu tại cùng một thời điểm Do đó, quá trình chế tạomáy in 3D - DLP nhanh hơn nhiều so với máy in 3D SLA

 Khác biệt giữa SLA và DLP

Chủ yếu là nguồn sáng.

˗ SLA sử dụng nguồn sáng là tia laser

˗ DLP sử dụng nguồn sáng là máy chiếu Ánh sáng được chọn lọc bằngthiết bị “digital micromirror device - DMD”, bao gồm hàng trăm ngàncác gương nhỏ Các lớp được tạo bằng máy in DLP bao gồm voxels vàpixel vì màn hình máy chiếu gồm các pixel

˗ SLA tạo ra sản phẩm do sự đông đặc tại các điểm tiếp xúc giữa ánhsáng và tia laser và nhựa lỏng SLA sử dụng hai động cơ lắp với haitấm gương nhỏ (một trên trục X và một trên trục Y) để điều khiểnchùm tia laser

˗ DLP sử dụng 1 máy chiếu kỹ thuật số để chiếu một mặt nạ ảnh duynhất tạo mỗi lớp trên toàn bộ diện tích cần làm đông đặc Vì máy chiếu

là một màn hình kỹ thuật số, nên hình ảnh của mỗi lớp là tập hợp cácpixel vuông, kết quả lớp in được hình thành từ những “viên gạch hìnhchữ nhật nhỏ” gọi là voxel

˗ Độ phân giải nhỏ nhất của hai công nghệ theo các biên dạng có hìnhdạng khác nhau (SLA tròn DLP vuông) nên khó so sánh

˗ Về kích thước sản phẩm và tốc độ in, DLP đạt được thời gian in nhanhhơn do mỗi lớp in được xây dựng cùng một lúc, không phải từng điểmtrên mỗi lớp

˗ Mặc dù thời gian nhanh hơn, nhưng DLP còn cần phải cân bằng giữa

độ phân giải, kích thước sản phẩm và tốc độ Độ phân giải của DLPphụ thuộc vào máy chiếu, trong đó xác định có bao nhiêu pixels/voxelstrong một diện tích nhất định

=> DLP phù hợp với các sản phẩm kích thước lớn, bề mặt cần tinh xảo,cấu trúc đặc và mỗi lần chế tạo một sản phẩm SLA đáp ứng sản phẩm

có kích thước nhỏ, yêu cầu độ phân giải cao, bề mặt mịn và chế tạonhiều sản phẩm trong một lần in1

 Vật liệu

Sử dụng nhựa cảm quang lỏng: nhựa 11122 XC Watershed, nhựa 18420Protogen và 18920 Protogen, nhựa Next

 Thiết bị SLA/DLP thương mại hóa

 Công nghệ Selective Laser Sintering/ Selective Laser Melting SLS/SLM

SLS là công nghệ tia laser công suất cao để đun nóng vật liệu bột (thủy tinh, bộtgốm sứ, thạch cao, kim loại, ) đến dưới nhiệt độ nóng chảy để thiêu kết và hợpnhất các hạt bột vật liệu với nhau, tạo thành một khối rắn dạng xốp

Công nghệ SLM tương tự SLS nhưng sử dụng nguồn laser có cường độ mạnhhơn để làm nóng chảy hoàn toàn bột kim loại và kết dính chúng lại với nhuathành một khối rắn đồng nhất

 Nguyên lý hoạt động của công nghệ SLS

Chế tạo sản phẩm bằng cách thiêu kết làm kết dính các hạt vật liệu dướitác dụng của laser

1 Đặng Văn Nghìn – Bùi Trọng Hiếu – Huỳnh Hữu Nghị (2020) Công nghệ in 3D Nhà xuất bản

ĐHQGTP.HCM, tr49 - 55

Đầu tiên, lớp vật liệu mỏng được trải trực tiếp lên bàn máy Sau đó, nănglượng tia laser sẽ kết dinh phần vật liệu nằm trong biên dạng của mặt cắtsản phẩm mà nó tiếp xuacs

Quá trình kết dính hoạt động tương tự như quá trình quang hóa trongcông nghệ sử dụng vật liệu lỏng Quá trình kết dính hoạt động tương tựnhư quá trình quang hóa trong công nghệ sử dụng vật liệu lỏng Sau khixong một lớp, hệ thống cấp liệu được hạ xuống một khoảng bằng độ dàylớp kế tiếp, đưa nguyên liệu bột vào vị trí làm việc và quá trình này sẽ lặp

đi lặp lại đến khi hoàn thành sản phẩm

Trong quá trình làm việc, những vật liệu không phụ thuộc biên dạng mặtcắt sẽ được lấy ra sau khi hoàn thành sản phẩm Những sản phẩm đượcchế tọa bằng công nghệ SLS có độ nhám cao, xuất hiện lỗ hổng trên bềmặt, sản phẩm sau đó bắt buộc phải qua xử lý bằng cách sử dụng phươngpháp gia công tinh

˗ Tốc độ nhanh hơn 5 - 10 lần, chi phí thấp 7 lần so với các công nghệkhác

˗ Giá thiết bị và vật liệu khá đắt

˗ Với các mô hình kín và có phần rỗng bên trong phải tiêu tốn vật liệukhá lớn vì không lấy ra được

˗ Công nghệ đòi hỏi cung cấp năng lượng lớn trong quá trình in vì phải

sử dụng laser để thiêu kết vật liệu

+ Nguyên lý hoạt động của SLM

Trong công nghệ SLM, năng lượng dùng để làm nóng chảy bộtkim loại được tạo bởi nguồn laser Yb-fiber có công suất từ 100W đến400W Chùm tia laser được điều khiển và hội tụ tại một điểm để làmnóng chảy bột kim loại nhờ hệ thống thấu kính Quá trình chế tạo bắt đầubởi một lớp bột mỏng được rải lên bàn chế nhờ cơ cấu gạt bột Chùmnăng lượng được hội tụ và nung chảy bột kim loại tại các điểm được xácđịnh bởi dữ liệu số có sẵn

Sau khi lớp bột được nung chảy trong vùng tiết diện, bàn chế tạo

sẽ di chuyển xuống một lượng bằng chiều dày lớp cắt từ mô hình CADcủa chi tiết (thông thường chiều dày mỗi lớp từ 75 - 150 um) Tiếp theomột lớp bột kim loại khác được rải lên nhờ cơ cấu cấp liệu, sau đó đượcnung chảy để liên kết với lớp trước Quá trình này được lặp lại cho đếnkhi chi tiết được chế tạo hoàn chỉnh

Quá trình nóng chảy và đông đặc trong bột kim loại được thựchiện trong môi trường khí trơ

**Quá trình chế tạo sản phẩm bằng công nghệ SLM giống như công nghệSLS, chỉ khác ở một điểm là vật liệu trong công nghệ SLM sẽ được làmnóng chảy hoàn toàn

Dùng laser công suất cao

để làm tan chảy hoàn toànkim loại và kết hợp các hạtbột kim loại với nhauthành một khối đồng chất

Vật liệu

bột nhựa, chất dẻo, thủy tinh,gốm sứ… trong đó nylon là vậtliệu lý tưởng, vì trọng lượng nhẹ ,

độ bền cao và chịu nhiệt

kim loại tinh khiết như:đồng, nhôm, thép không rỉ,thép số, cobalt crom,titanium và vonfram

Độ chính xác Dung sai: ± 0,05 - 0,25 mm Dung sai: ± 0,05 - 0,2 mm

Đặc tính Sản phẩm sẽ có độ xốp, mật độ

thấp

Sản phẩm có tính mật độ

vệ, nguồn,

+ Vật liệu

˗ SLS: có vật liệu dạng bột, poylamit trộn thêm phụ gia Ngoài ra còn có:

bột thủy tinh, nylon, sáp, bột kim loại, bột gốm, glass filled nylon, vật liệuđàn hồi, PC, bột gốm sứ,

˗ SLM: Bột hợp kim: hợp kim Titan, hợp kim Niken, hợp kim sắt, hợp kim

nhôm, hợp kim đồng, compsites kim loại,

˗ So sánh quy trình in 3D công nghiệp (industrial)1

+ Thiết bị in 3D thương mại hóa:

Máy in 3D công nghiệp SLS (Sintratec Kit) Máy in 3D công nghiệp SLM (SLM 125)

 Bảng so sánh tóm tắt 3 công nghệ

FDM/FFF (nhựa sợi)

SLA/DLP/LCD (nhựa lỏng)

SLS/SLM (vật liệu bột)

1 Đặng Văn Nghìn – Bùi Trọng Hiếu – Huỳnh Hữu Nghị (2020) Công nghệ in 3D Nhà xuất bản

ĐHQGTP.HCM, tr46 - 61

Khối lượng xây

Đầu đùn: hoạtđộng theo cài đặt

Vật liệu: đùn quađầu phun nhỏ củađầu in được gianhiệt

Bàn in tùy mụcđích có thể nânglên hạ xuống

Dung dịch lỏngchứa trong thùng làhỗn hợp chất

Bàn in sẽ đượcnhúng trong nhựalỏng tùy yêu cầu

mà có thể nâng lên

hạ xuống

Hệ thống nguồnlaser

Hệ thấu kính,gương phản xạ

Hệ thống dao gạt

có chức năng gạtnhựa, đồng thời tạonên lớp phủ đồngđều

Vật liệu

Nhựa nhiệt dẻo tiêuchuẩn: ABS, PLA

và các hỗn hợpkhác của chúng

Các loại nhựa(nhựa nhiệt rắn):

ABS, PP, siliconelinh hoạt

Nhựa nhiệt dẻo kỹthuật: điển hình lànylon và vật liệutổng hợp của nó

Support Không yêu cầu

± 0,3% (giới hạndưới ± 0,3mm)

Ứng dụng

Mô hình sản phẩmmẫu/ tạo mẫunhanh

Dòng máy này cònđược ứng dụng đểsản xuất linh kiện,

bộ phận cần độcứng tương đối tốt,

mà không yêu cầucao về thẩm mĩVật liệu đa dạng(vật liệu sinh học)

Các nguyên mẫu

có độ chi tiết caoyêu cầu dung saichặt chẽ và bề mặtnhẵn: khuôn mẫu,dụng cụ, hoa văn,

mô hình, y tể vàcác bộ phận chứcnăng

Hình học phức tạp,nhiều chức năng,chế tạo cầu hoặcchạy trong thờigian ngắn

có khả năng chịulực tốt

Tốc độ in nhanh

Tạo ra mô hình vậtthể sắc nét, chi tiết

và chính xácTạo ra những vậtliệu nhựa chấtlượng nhất, đượcứng dụng một cáchtrực tiếp với độphân giải và độ

Tạo mẫu nhanh,thử nghiệm chứcnăng, không cầnvật liệu hỗ trợTạo mẫu trong thờigian ngắn với độphân giải khá caoGiúp tiết kiệm chiphi, tăng tốc độ in

Vật liệu thân thiệnmôi trường an toàn

sử dụng

mịn caoSản xuất đượcnhững chi tiết phứctạp

vật thểChất lượng vật liệutạo thành đượcđánh giá cao

Nhược điểm

Độ chính xác thấpKhông được ứngdụng trong lắpghép hay chi tiết cóyêu cầu chịu lựcđồng đều, do tínhchất mẫu in

Một số vật liệunhạy cảm với việctiếp xúc lâu với tiaUV

Chi phí cao

Hoàn thiện bề mặthơi thô, tùy chọnvật liệu hạn chếKhá đắt tiền khôngthân thiện vớingười dùng

 So sánh máy in 3D công nghiệp industrial và máy in 3D cá nhân (desktop)

Về mặt công nghệ, không giống như các thiết bị in 3D trong lĩnh vực côngnghiệp (industrial), tất cả các máy in 3D cá nhân (desktop) đều dựa vào nguyên

lý đùn vật liệu nhựa dẻo

Industrial FDM/FFF Desktop FDM/FFF

Độ chính xác ± 0,15% (giới hạn dưới ±

0,2 mm)

± 1% (giới hạn dưới: ± 1mm)

Kích thước xây dựng tối

Vật liệu phổ biến ABS, PC, ULTEM PLA, ABS, PETG

Khả năng sản xuất Thấp/ Trung bình Thấp

Desktop

Industrial DLP

Kích thước vật thể

Kích thước tối đa Nhỏ Trung bình Nhỏ - lớn Cực lớn

$500.000

 Máy in 3D nguồn mở (open source)

Máy in 3D nguồn mở (open source) là máy linh hoạt hơn về phần mềm, vậtliệu và cài đặt tương tích Máy in mã nguồn mở có thể sử dụng nhiều chươngtrình phần mềm, nhiệt độ có thể được điều chỉnh và có thể sử dụng nhiều loạivật liệu khác nhau

˗ So sánh máy in 3D nguồn mở (open source) và nguồn đóng (closed loop):

˗ Mặc dù cả hai loại máy in đều sử dụng AM để tạo ra mô hình 3D,nhưng chúng có một số điểm khác nhau ở những điểm cốt lõi

˗ Với máy in 3D nguồn đóng (closed loop):

˗ Không được lựa chọn về phần mềm và vật liệu mà bạn sử dụng vớimáy in, mà phải cần phải sử dụng và mua vật liệu nhất định từ nhàcung cấp Ngoài ra các máy in này đa phần hoạt động trong nhiệt độ ổnđịnh

˗ Mặc dù có vẻ hạn chế nhưng chúng đáng tin cậy và ít hư hỏng

˗ Với máy in 3D mã nguồn mở (open source):

˗ Có nhiều lựa chọn hơn: được sử dụng nhiều phần mềm lên máy in này.Ngoài ra có thể sử dụng nhiều loại vật liệu, cho phép tự do hơn trong

việc lựa chọn vật liệu => linh hoạt trong việc lựa chọn vật liệu phù hợpngân sách

˗ Nhiệt độ máy in có thể được điều chỉnh được

I Một số máy in 3D mã nguồn mở

Câu 2: Chứng minh ưu điểm của công nghệ AM so với các công nghệ khác (gia công cắt gọt, khuôn mẫu …)

- Giảm tối đa trọng lượng của các bộ phận, điều này có ý nghĩa lớn đối với ngànhhàng không vũ trụ

Do tầm quan trọng của cân nặng và tối ưu trọng lượng trong lĩnh vực hàngkhông, rất nhiều chi phí được đầu tư cho vật liệu và máy gia công để có đượctrọng lượng tối ưu và tỷ lệ Buy-to-Fly tốt Tuy nhiên, công nghệ in 3D kim loạinhư quá trình EBM của ARCAM có thể sản xuất các linh kiện có trọng lượng nhẹvới tối ưu hóa trọng lượng và tỷ lệ buy-to-Fly hiệu quả với chi phí thấp hơn