Nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước sản phẩm

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG THÔNG SỐ IN 3D NHỰA ĐẾN ĐỘ CHÍNH

XÁC KÍCH THƯỚC SẢN PHẨM

RESEARCH THE EFFECT OF 3D PRINTING PARAMETERS ON THE

ACCURACY OF PLASTIC PRODUCT SIZE

Phạm Sơn Minh¹⁾, Bùi Văn Thời²⁾

¹⁾minhps@hcmute.edu.vn, ²⁾vanthoihbsg@gmail.com

¹Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

²Trường đại học Bách Khoa TP.HCM

TÓM TẮT

Tóm tắt—Hiện nay, máy in 3D với công nghệ FDM (Fused Deposition Molding) được sử dụng rất

nhiều và phát triển rất nhanh bởi những ưu điểm như vật liệu thông dụng, không gây độc hại, chi

phí thấp, và tạo mẫu nhanh. Tuy nhiên để có được một mẫu in có độ chính xác cao, thời gian hoàn

thiện mẫu in nhanh và tiết kiệm được chi phí in thì cần phải có một thông số in phù hợp. Chính vì

vậy, tác giả chọn đề tài nghiên cứu ảnh hưởng thông số in 3D nhựa đến độ chính xác kích thước

sản phẩm với công nghệ FDM. Tiến hành nghiên cứu, phân tích lý thuyết dựa trên việc tham

khảo, tìm kiếm các bài báo và các tài liệu trong nước và quốc tế có liên quan đến in 3D. Tiến hành

các thí nghiệm trên các mẫu in có thông số in (mật độ điền đầy, dạng điền đầy ở bên trong, ở mặt

trên và mặt dưới mẫu in, độ dày từng lớp in, các dạng điền đầy support, số lớp in, tốc độ và vật

liệu) in khác nhau. Sau khi in trên máy in có độ chính xác cao, thời gian in được kiểm tra, và độ

sai lệch kích thước đối với các mẫu in được đo kiểm. Kết quả cho thấy rằng mẫu in sử dụng vật

liệu PLA, dạng điền đầy biên trong mẫu: dạng tổ ong, dạng điền đầy mặt trên/dưới mẫu: dạng

đường thẳng zigzag, và mật độ điền đầy 60-80 %, số lớp in thành mẫu 7 lớp, số lớp in mặt trên và

mặt dưới mẫu in 6-7 lớp, tốc độ in 60-70(mm/s), và độ dày từng lớp 0.2-0.3(mm) thì mẫu in đạt

độ chính xác cao, chất lượng bề mặt mịn bóng, thời gian hoàn thiện mẫu in nhanh, và tiết kiệm

được chi phí.

Từ khóa: Ảnh hưởng thông số, máy in 3D, mật độ điền đầy, độ chính xác, FDM.

ABSTRACT

Currently, the 3D printer machine with FDM (Fused Deposition Molding) technique is popular

using and fast developing by many advantages such as common materials, non-toxic, low cost and

creating quickly product. However, in order to create a high-precision print pattern, finish printing

fast time and save printing costs, an appropriate printing parameter is required. Therefore, the

authors choose and performed this research: affects the 3D printing parameters on the accuracy of

plastic product by the FDM technology. We have researched, analyzed from the reference,

domestic and international science articles related to 3D printing. Beside we also did the

experiments on printed patterns with different print specifications. (infill Density, infill Pattern:

honeycomb, Top/Bottom infill (rectilinear, concentric, hilbert curve, octagram spiral), Layer

height (mm), Support, Thickness, Horizontal shells/Solid layer/ top-bottom, Speed and different

materials). After printing on a high-precision printer, checked the print time and tested the size

deviations of the printed samples. The results show that the printed samples used PLA material,

the full filled inside the samples (infill Pattern: rectilinear), Top/Bottom infill (rectilinear,

concentric), infill Density: 60-80%, Horizontal shells/Solid layer/ top-bottom: 6-7, Speed: 60-

70(mm/s), Layer height: 0.2-0.3(mm)) have high accuracy, the surface quality is glossy, the time

for finishing the sample is quick, and the cost is saved.

Key word: Parameter effect, 3D printer machine, filling density, accuracy, FDM.

I. GIỚI THIỆU

Công nghệ bồi đắp vật liệu (AM) đang của khách hàng, đặc biệt là độ chính xác kích

thước. Do bản chất của công nghệ là bồi đắp

và liên kết vật liệu với nhau theo từng lớp nên

cơ tính và độ chính xác của sản phẩm rất kém.

Quá trình chế tạo sản phẩm bằng công nghệ

FDM là một quá trình phức tạp, chất lượng sản

phẩm FDM phụ thuộc vào rất nhiều thông số

quá trình, hay còn gọi là thông số công nghệ

khác nhau.

được chú tâm bởi những lợi ích nó mang lại

vô cùng to lớn. Nó có thể chế tạo sản phẩm

một cách nhanh chóng với chi phí và thời

gian được giảm đáng kể so với các công

nghệ truyền thống. Từ dữ liệu thiết kế 3D

trên máy tính (CAD – Computer Aided

Design), các thiết bị AM tạo thành sản

phẩm theo nguyên lý bồi đắp vật liệu theo

từng lớp, lớp sau chồng lên lớp trước cho

đến khi hoàn tất quá trình (hình 1). Với

nguyên lý trên, công nghệ AM có thể tạo ra

những sản phẩm có hình dạng phức tạp một

cách nhanh chóng mà các phương pháp gia

công truyền thống khó hoặc không thể chế

tạo được [10].

Với những ưu điểm công nghệ này có sự vượt

trội về thời gian chế tạo một sản phẩm hoàn

thiện, dễ thiết kế, vật liệu không gây độc hại.

Bên cạnh những ưu điểm đó thì nhược điểm là

độ chính xác chưa cao, độ bóng bề mặt thấp và

tốc độ in chưa cao, thời gian in còn dài, tốn

kém chi phí [1, 2, 8, 9].

Từ những ưu điểm và nhược điểm đó, tác giả

quyết định nghiên cứu ảnh hưởng thông số in

3D nhựa có thể phát huy được những ưu điểm

của công nghệ này, đồng thời, nâng cao tốc độ,

độ bóng bề mặt thấp, thời gian in và độ chính

xác chất lượng mẫu in.

II. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU

Các thông số chính ảnh hưởng đến độ

chính xác kích thước của mẫu in có thể được

tóm tắt như sau:

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu FDM

Mặc dù công nghệ FDM ngày càng

được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh

vực quan trọng, nhất là trong lĩnh vực chế

tạo ra các chi tiết sử dụng ngay, tuy nhiên

chất lượng của sản phẩm FDM còn cần

phải được cải tiến thêm để đáp ứng nhu cầu

Mật độ điền đầy: Mật độ điền đầy xác định

lượng nhựa điền đầy bên trong chi tiết in.

Dhruv Maheshkumar Patel và cộng sự [3] đã

đưa ra tầm ảnh hưởng của mật độ điền đầy đến

chất lượng, độ nhám bề mặt và thời gian rất lớn đến khả năng bám dính của các lớp vật

của mẫu. Cụ thể khi in ở mật độ 20% (hình liệu. Tốc độ in quá thấp thì thời gian in càng

3) và 40% (hình 4) có sự khác biệt rất lớn lâu, tốc độ thấp có thể gây ra hiện tượng đùn

về độ chính xác, độ nhám bề mặt, cũng như nhựa ở đầu phun, gây tắc nghẽn đầu phun. Tốc

thời gian in của sản phẩm.

độ in quá nhanh thì có thể khiến các đường nét

Các dạng điền đầy: ThS. Trần Minh sợi nhựa được đùn ra không đúng vị trí, khả

Thế Uyên và cộng sự [4] sau khi thực năng bám dính của các lớp vật liệu thấp, sản

nghiệm nghiên cứu trên mô hình máy, kiểm phẩm bị biến dạng cong vênh.

tra các mẫu in và đưa các kết quả như sau: Hiện nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về

honeycomb,archimedeanchords,3dhoneyco

ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ

mb là các kiểu chạy nhựa tượng đối phù bền kéo, uốn, độ va đập... của sản phẩm. Tuy

hợp với lớp ở phía trong khi với những kiểu nhiên, độ chính xác kích thước cũng là một chỉ

chạy nhựa này có thể in với tốc độ cao hơn. tiêu quan trọng cần được nghiên cứu. Mục đích

Kiểu rectilinear, linear, concentric thường nghiên cứu của bài báo này là cải thiện độ

dùng cho những lớp đáy và lớp phía trên chính xác kích thước khi điều chỉnh các thông

của mẫu in do đạt được thẩm mĩ cao hơn số quá trình dùng cụ thể cho mục đích sản xuất

mặt khác, những lớp này không yêu cầu trong các ngành in 3D như ô tô, hàng không

chạy tốc độ cao nên có thể sử dụng được hay trong dân dụng. Sau khi có kết quả thí

những kiểu này. Dhruv Maheshkumar Patel nghiệm ta có thể đánh giá mức độ ảnh hưởng

và cộng sự [3] đã nghiên cứu và đưa ra kết của các thông số đến độ chính xác kích thước

quả khi tăng mật độ điền đầy thì kiểu chạy và từ đó đưa ra kết luận cho bài báo này.

nhựa dạng đồng tâm như: concentric (hình

7) sẽ tốn ít thời gian để in sản phẩm hơn

các kiểu chạy nhựa dạng thẳng zigzag:

rectilinear (hình 5) còn lại.

Độ dày lớp in (hình 2). Junhui Wu và

các cộng sự [5] thực hiện đã nghiên cứu thử

nghiệm thay đổi các thông số độ dày từng

Hình 2: Độ dày từng lớp in khác nhau [5]

lớp in để xác định sự ảnh hưởng của thời

gian in, tiêu hao vật liệu, và độ chính xác

của mẫu in. Mẫu được in trên máy model

Raise3D N2plus, với nhiệt độ đầu phun

210°C, vật liệu PLA, mật độ điền đầy 10%.

Sau khi tiến hành thí nghiệm đã chỉ ra rằng

Hình 3: Mật độ điền đầy 20% Hình 4: Mật độ điền đầy 40% [3]

độ dày từng lớp in càng nhỏ thì càng độ

chính xác kích thước cao hơn. khi độ dày

từng lớp in là 0,14mm, thời gian in ngắn

nhất, có thể đạt được chất lượng mẫu in.

Tốc độ in thành sản phẩm ảnh hưởng

phần mềm Soliwork và xuất ra file có định

dạng.STL chia lưới và sau đó được đưa vào

phần mềm cắt lớp ―Slic3r‖ để điều chỉnh các

thông số chạy mẫu, sau đó xuất sang file có

định dạng gcode và nạp trực tiếp vào máy in

3D FDM.

Hình 5: Kiểu rectilinear [4]

Hình 6: Kiểu hibertcurve [4]

Hình 7: Kiểu concentric [4] Hình 8: Kiểu honeycomb [4]

III. THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM

Sử dụng máy in 3D dùng đầu phun

0,4mm với đầu phun có thể in chia tối thiểu

đến 0,1mm mỗi lớp để tạo mẫu hình 9.

Trong nghiên cứu này ta tiến hành các thí

nghiệm các mẫu in 3D với các vật liệu và

thông số in thay đổi khác nhau, khi tiến

hành thí nghiệm một trong những thông số

nêu trên thì các thông số in còn lại sử dụng

giá trị trung bình. Sau đó thu được kết quả

và đưa ra biểu đồ để giải quyết những vấn

đề sau: Xác định ảnh hưởng của vật liệu

đến độ chính xác kích thước sản phẩm in

3D. Với 3 loại vật liệu sử dụng nghiên cứu

tạo mẫu là nhựa PLA (Polylactide Acid),

nhựa ABS (Acrylonitrile Butadiene

Styrene), và nhựa PETG (Polyethylene

terephthalate).

Bảng 1: Thông số thí nghiệm

Hình 9: Mẫu thí nghiệm

Hình 10: Mẫu thí nghiệm sau khi in

IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Sau khi tiến hành thử nghiệm các mẫu in

(hình 10) với những thông số in (bảng 1) thay

đổi khác nhau ta thu được kết quả:

Xác định ảnh hưởng của mật độ điền

đầy, dạng điền đầy ở bên trong, ở mặt trên

và mặt dưới mẫu in, độ dày từng lớp in, các

dạng điền đầy support, độ dày từng lớp in,

tốc độ và vật liện in khác nhau đến độ

chính xác kích thước sản phẩm in 3D.

Mật độ điền đầy (biểu đồ 4) xác định

lượng nhựa điền đầy bên trong chi tiết in. Phần

trăm điền đầy sản phẩm càng lớn thì tạo cấu

trúc mạnh mẽ và bền vững bên trong chi tiết,

độ chính xác kích thước sản phẩm in càng cao,

tuy nhiên thời gian in càng lâu. Ta nên chọn

phần trăm điền đầy sản phẩm 60(%),80(%) để

Mô hình CAD model được thiết kế bằng

tiết kiệm thời gian in và chi phí in mà vẫn in là thấp nhất, mẫu in chính xác.

đạt được độ chính xác cao.

Vật liệu in (biểu đồ 3) Sau khi tiến hành

(Biểu đồ 1) khi tiến hành thí nghiệm thí nghiệm in với 3 loại vật liệu PLA, ABS,

với những kiểu di chuyển đầu in bên trong PETG khác nhau thì độ sai lệch kích thước đối

sản phẩm khác nhau thì độ sai lệch kích với vật liệu PLA là thấp nhất. Vật liệu nhựa

thước đối với kiểu di chuyển đầu in ABS và nhựa PETG có độ sai lệch kích thước

honeycomb, kiểu rectilinear là thấp. Kiểu lớn hơn.

honeycomb là các kiểu chạy nhựa tượng

Góc nghiêng in lớp hổ trợ mẫu: Từ (biểu

đối phù hợp với lớp ở phía trong khi với đồ 7) ta thấy được độ sai lệch kích thước đối

những kiểu chạy nhựa này có thể in với tốc với kiểu góc nghiêng: 90(°C) là cao nhất. Đối

độ cao hơn, giảm bớt thời gian in hơn, tiết với kiểu góc nghiêng: 45(°C) sau khi in ta có

kiệm vật liệu in. Vì thế từ đó ta có thể chọn thể lấy support tách ra khỏi sản phẩm in một

kiểu honeycomb là kiểu di chuyển đầu in cách dễ dàng. Tiết kiệm thời gian, và tăng độ

bên trong mẫu in là tối ưu nhất.

chính xác của kích thước sản phẩm khi in. Vì

Từ (biểu đồ 2) này ta nhận thấy rằng vậy khi in support ta nên chọn góc nghiêng

độ sai lệch kích thước đối với kiểu di 45(°C) để in.

chuyển đầu in concentric và kiểu rectilinear

(Biểu đồ 9) Tốc độ in thành sản phẩm nằm

là thấp hơn những kiểu điền đầy còn lại. trong khoảng 50 (mm/s), 60 (mm/s) có độ điền

Kiểu rectilinear, concentric thường dùng đầy tốt hơn, khả năng bám dính của các lớp vật

cho những lớp đáy và lớp phía trên của mẫu liệu in càng cao. Tuy nhiên với tốc độ in quá

in do đạt được thẩm mĩ cao hơn những kiểu thấp (40mm/s) thì thời gian in càng lâu, tốc độ

chạy khác. Vì vậy ta nên kiểu concentric và thấp có thể gây ra hiện tượng đùn nhựa ở đầu

kiểu rectilinear là kiểu di chuyển đầu in ở phun, gây tắc nghẽn đầu phun. Tốc độ in quá

lớp bên trên và bên dưới mẫu in là tốt nhất.

nhanh thì có thể khiến các đường nét sợi nhựa

Số lớp in bên thành (biểu đồ 5): Độ sai được đùn ra không đúng vị trí, khả năng bám

lệch kích thước theo phương X, Y, Z đối dính của các lớp vật liệu thấp, sản phẩm bị biến

với lớp in bên thành mẫu: 7 lớp là thấp dạng cong vênh. Vì vậy ta nên chọn tốc độ: 50

nhất. Số lớp in bên thành mẫu càng lớn thì (mm/s), 60 (mm/s) để in thành của mẫu là tối

hạn chế sự co rút, cong vênh, và chi tiết in ưu nhất.

càng chính xác.

Độ dày của mỗi lớp in (biểu đồ 10) xác

Số lớp in bao phủ bên dưới mẫu: (biểu định độ phân giải của bản in. Độ sai lệch kích

đồ 7) bề mặt vật thể là từng lớp nhựa kết thước đối với độ dày lớp in sản phẩm 0.35

dính vào nhau. Lớp dưới quá thưa thì các (mm), 0.4 (mm) là cao hơn độ dày lớp in còn

lớp nhựa không có chỗ dựa chắc chắn, dễ lại. Độ dày lớp in càng thấp thì chi mẫu in càng

biến dạng và tạo nên bề mặt sần sùi, nhiều mịn, hạn chế được khác khuyết tật của mẫu in

khe hở. Nếu Lớp dưới điền đầy, chắc chắn như những vết nhựa dư, chảy nhựa. Vì vậy ta

thì tạo tiền đề cho các lớp trên chính xác nên chọn độ dày lớp in sản phẩm nằm trong

theo. Đối với lớp in bao phủ bên dưới cùng khoảng: 0.2-0.3 (mm) thì chất lượng bề mặt in

mẫu với 6-7 lớp thì độ sai lệch kích thước càng tốt, độ chính xác sản phẩm in càng cao.

Biểu đồ 1: Độ sai lệch kích thước theo phương x y z của các kiểu

di chuyển bên trong mẫu

Biểu đồ 5: Độ sai lệch kích thước theo phương x y z khi thay đổi số

lớp in bên thành

Biểu đồ 2: Độ sai lệch kích thước theo phương x y z của các kiểu

di chuyển bên trên/dưới mẫu

Biểu đồ 7: Độ sai lệch kích thước theo phương x y z khi thay đổi số

lớp in bên dưới mẫu

Biểu đồ 3: Độ sai lệch kích thước phương x y z của 3 loại vật liệu

PLA, ABS, PETG

Biểu đồ 8: Độ sai lệch kích thước theo phương x y z khi thay đổi

góc nghiêng khi in lớp hổ trợ của mẫu

Biểu đồ 4: Độ sai lệch kích thước theo phương x y z khi thay đổi

mật độ điền đầy mẫu

Biểu đồ 9: Độ sai lệch kích thước theo phương x y z khi thay đổi

tốc độ in thành mẫu

the 3d printer machine with FDM technique, 2016.

[5] Junhui Wu, Study on optimization of 3D

printing parameters, Materials Science and

Engineering 392 (2018) 062050.

[6] Ruben Perez Mananes, Jose Rojo-Manaute,

Pablo Gil, ―3D Surgical printing and pre contoured

plates for acetabular fractures‖, Journal of

ELSEVIER, 2016.

Biểu đồ 10: Độ sai lệch kích thước theo phương x y z khi thay đổi

độ dày lớp in

[7] Ashish Patil, Bhushan Pati, Rahul Potwade3,

Akshay Shinde, Design and Development of FDM

Based Portable 3D Printer, International Journal of

Scientific & Engineering Research, Volume 8,

Issue 3, March-2017.

V. KẾT LUẬN

Bài báo đã thực hiện thí nghiệm với

các thông số khác nhau ảnh hưởng đến độ

chính xác mẫu in. Và tiến hành phân tích,

thảo luận kết quả thí nghiệm, qua đó đưa ra

thông số tối ưu: sử dụng vật liệu PLA, dạng

tổ ong điền đầy biên trong mẫu, dạng điền

đầy mặt trên/dưới mẫu: dạng đường thẳng

zigzag, và mật độ điền đầy 60-80 %, số lớp

in thành mẫu 7 lớp, số lớp in mặt trên và

mặt dưới mẫu in 6-7 lớp, tốc độ in 60-

70(mm/s), và độ dày từng lớp 0.2-0.3(mm)

thì mẫu in đạt độ chính xác cao, chất lượng

bề mặt mịn bóng, tiết kiệm được thời gian

và chi phí cho việc tăng chất lượng độ

chính xác của kích thước mẫu in.

[8] Anoop Kumar Sood, R. K. Ohdar, S. S.

Mahapatra, ―Experimental investigation and

empirical modelling of FDM process for

compressive strength improvement‖, Journal of

Advanced Research, 2011.

[9] Gianluca Percoco, Fulvio Lavecchia and Luigi

Maria Galantucci Dipartimento di Ingegneria

Meccanica e Gestionale, Politecnico di Bari, Viale

Japigia 182, 70126 Bari, Italy, ―Compressive

Properties of FDM Rapid Prototypes Treated with a

Low Cost Chemical Finishing‖, Research Journal

of Applied Sciences, 2012.

[10] Vinod G. Gokhare, Dr. D. N. Raut, Dr. D. K.

Shinde, A Review paper on 3D-Printing Aspects

and Various Processes Used in the 3D-Printing,

Materials Science and Engineering 392 (2018)

062050.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Ziemian, C., M. Sharma, and S. Ziemian,

Anisotropic mechanical properties of ABS parts

fabricated by fused deposition modelling, in

Mechanical engineering. 2012, InTech.

Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:

Họ tên: Bùi Văn Thời

Đơn vị: Công tác tại công ty Framas korea vina

Điện thoại: 0353353156

[2] N. Shahrubudin, T.C. Lee, R. Ramlan, An

Overview on 3D Printing Technology:

Technological, Materials, and Applications,

Procedia Manufacturing 35 (2019) 1286–1296.

Email: vanthoihbsg@gmail.com

[3] Dhruv Maheshkumar Patel, Effects of Infill

Patterns on Time, Surface Roughness in 3D

Printing, 2017 IJEDR, Volume 5, Issue 3,

ISSN: 2321-9939.

[4] ThS. Trần Minh Thế Uyên, Nguyễn Cảnh

Hà, Trần Văn Lân, Design and manufacturing