Nghiên cứu ứng dụng công nghệ cad/cae đánh giá chất lượng sản phẩm in 3d kim loại
Abstract
This paper presents the application of CAD/CAE technology in evaluating the quality of metal 3D printed products manufactured using Material Extrusion (ME) technology through the experimental fabrication of tensile test specimens printed in three different orientations: flat, edge, and upright. Using 17-4 PH stainless steel material and non-contact measurement technology to scan the samples, the measured results were compared and evaluated based on the CAD reference of the design. Experimental results show that the Markforged metal 3D printer achieves high accuracy (98.1%) compared to nominal dimensions. However, the lowest accuracy is observed in edge-printed samples due to deformation during sintering with low bed contact area. Printing orientation significantly affects product shape; upright printed samples deform due to inadequate support. Printing orientation also has a substantial impact on surface quality and geometric deviations, with the greatest deviation observed in flatness. Therefore, print design should optimize the contact area between the first and last layers to minimize deviations.
Tóm tắt
Bài báo trình bày nghiên cứu ứng dụng công nghệ CAD/CAE trong đánh giá chất lượng sản phẩm in 3D kim loại sản xuất bằng công nghệ ép đùn vật liệu (Material Extrusion – ME) thông qua việc chế tạo thử nghiệm các mẫu thử kéo được in theo ba hướng khác nhau: phẳng, cạnh, thẳng đứng. Sử dụng vật liệu thép không gỉ 17-4 PH, công nghệ đo không tiếp xúc để quét mẫu, kết quả đo được so sánh và đánh giá dựa trên tham chiếu bản CAD của bản thiết kế. Kết quả thực nghiệm cho thấy máy in 3D kim loại Markforged đạt độ chính xác cao (98,1%) so với kích thước danh nghĩa. Tuy nhiên, độ chính xác kém nhất ở các mẫu in cạnh do biến dạng trong quá trình thêu kết với diện tích tiếp xúc nền thấp. Hướng in có ảnh hưởng lớn đến hình dạng sản phẩm, các mẫu in theo hướng thẳng đứng bị vỡ vụn, do không đảm bảo cơ cấu hỗ trợ. Hướng in cũng tác động đáng kể đến chất lượng bề mặt và sai lệch hình học, với sai lệch lớn nhất là độ phẳng. Do đó, thiết kế in nên tối ưu diện tích tiếp xúc giữa lớp đầu và lớp cuối cùng để giảm thiểu sai lệch.
Tài liệu tham khảo
[1]. A. Vafadar, F. Guzzomi, A. Rassau, K. Hayward, “Metal Additive Manufacturing: A Review of Common Processes”, Industrial Applications, and Current Challenges, Appl. Sci., 11, 1213,2021, https://doi.org/10.3390/app11031213
[2]. D. G. Zisopol, D. V. Iacob, and A. I. Portoaca, "A Theoretical Experimental Study of the Influence of FDM Parameters on PLA Spur Gear Stiffness," Engineering, Technology & Applied Science Research, vol. 12, no. 5, pp. 9329–9335, Oct. 2022, https://doi.org/10.48084/ etasr.5183.
[3]. D. G. Zisopol, I. Nae, A. I. Portoaca, and I. Ramadan, "A Statistical Approach of the Flexural Strength of PLA and ABS 3D Printed Parts," Engineering, Technology & Applied Science Research, vol. 12, no. 2, pp. 8248–8252, Apr. 2022, https://doi.org/10.48084/etasr.4739.
[4]. Wohlers, T.; Campbell, I.; Diegel, O.; Huff, R.; Kowen, J. 3D Printing and Additive Manufacturing State of the Industry: Annual Worldwide Progress Report; Lund University: Lund, Sweden, 2017.
[5]. Huang, R.; Riddle, M.; Graziano, D.; Warren, J.; Das, S.; Nimbalkar, S.; Cresko, J.; Masanet, E. Energy and emissions saving potential of additive manufacturing: The case of lightweight aircraft components. J. Clean. Prod. 2016, 135, 1559–1570.
[6]. Rejeski, D.; Zhao, F.; Huang, Y. Research needs and recommendations on environmental implications of additive manufacturing. Addit. Manuf. 2018, 19, 21–28
[7]. T. Kurose et al., "Influence of the Layer Directions on the Properties of 316L Stainless Steel Parts Fabricated through Fused Deposition of Metals," Materials (Basel), vol. 13, no. 11, May 29 2020.
[8]. C. Tosto, J. Tirillo, F. Sarasini, C. Sergi, and G. Cicala, "Fused Deposition Modeling Parameter Optimization for Cost-Effective Metal Part Printing," Polymers (Basel), vol. 14, no. 16, Aug 10 2022.
[9]. M. Á. Caminero, A. Romero, J. M. Chacón, P. J. Núñez, E. García-Plaza, and G. P. Rodríguez, "Additive manufacturing of 316L stainless-steel structures using fused filament fabrication technology: mechanical and geometric properties," Rapid Prototyping Journal, vol. 27, no. 3, pp. 583-591, 2021
[10]. Ender A, Mehl A. Accuracy of complete-arch dental impressions: a new method of measuring trueness and precision. J Prosthet Dent 2013;109:121-8.
[11] DIN Deutsches İnstitut für Normung. Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results Part 1: General principles and definitions (ISO 5725-1:1994). 1997; Berlin: Bouth Vorlag GmbH.
[12] Hazeveld A, Huddleston Slater JJ, Ren Y. Accuracy and reproducibility of dental replica models reconstructed by different rapid prototyping techniques. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2014;145:108-15.
[13] Park ME, Shin SY. Three-dimensional comparative study on the accuracy and reproducibility of dental casts fabricated by 3D printers. J Prosthet Dent 2018;119:861.e1-861.e7.
[14]. Dang LC, Nguyen CV, Le AH, Bui DT. A Study on the Influence of Printing Orientation in Metal Printing Using Material Extrusion Technology on the Mechanical Properties of 17-4 Stainless Steel Products. Journal of Machine Engineering. 2023;23(4):89-100. doi:10.36897/jme/170509.
[15]. M.Á. Caminero, A. Romero, J.M. Chacon, P.J. Núñez, E. García-Plaza, and G.P. Rodríguez, “Additive manufacturing of 316L stainless-steel structures using fused filament fabrication technology: mechanical and geometric properties”, Rapid Prototyping Journal, Vol. 27 No. 3, pp. 583-591, 2021, doi: 10.1108/RPJ-06-2020-0120
[16]. T. Kurose, Y. Abe, M.V.A. Santos, Y. Kanaya, A. Ishigami, S. Tanaka, and H. Ito, “Influence of the layer directions on the properties of 316l stainless steel parts fabricated through fused deposition of metals”, Materials, Vol. 13 No. 11, p. 2493, 2020, doi: 10.3390/ma13112493
[17]. C. Tosto, J. Tirillo, F. Sarasini, C. Sergi, and G. Cicala, "Fused Deposition Modeling Parameter Optimization for Cost-Effective Metal Part Printing," Polymers (Basel), vol. 14, no. 16, Aug 10 2022.
[18]. M. Quarto, M. Carminati, and G. D’Urso, “Density and shrinkage evaluation of AISI 316L parts printed via FDM process”, Materials and Manufacturing Processes, Vol. 36 No. 13, pp. 1535-1543, 2021, doi: 10.1080/10426914.2021. 1905830
