ĐỒ án tốt NGHIỆP NGHIÊN cứu THIẾT kế và CHẾ tạo máy IN 3d với KHẢ NĂNG IN NHIỀU màu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NHIỆM VỤ THIẾT KẾ : NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D VỚI KHẢ NĂNG IN NHIỀU MÀU GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: Họ tên: GS.TS BÙI TUẤN ANH TRẦN QUANG NAM - 20168366 NGUYỄN THANH TÚ - 20168566 PHẠM DUY ANH - 20138960 NGUYỄN HỮU TRUNG - 20148982 Khoa: CƠ KHÍ Bộ Mơn : MÁY VÀ MA SÁT HỌC NỘI DUNG THUYẾT MINH • LỜI MỞ ĐẦU • CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ IN 3D • CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ • CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN • CHƯƠNG IV: CHẾ TẠO VÀ VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM • LỜI KẾT • TÀI LIỆU THAM KHẢO BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Sinh viên: Trần Quang Nam Lớp: NUT Phạm Duy Anh Nguyễn Hữu Trung Nguyễn Thanh Tú Khóa: 61 Ngành: Cơ điện tử Giảng viên hướng dẫn: GS.TS Bùi Tuấn Anh Tên đề tài tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy in 3D cỡ nhỏ - cải tiến chế độ in màu Các số liệu ban đầu: • Dựa kết cấu thông số kỹ thuật nằm đồ án • Dựa tài liệu máy in 3D khóa trước Nội dung phần thuyết minh tính tốn: • Tổng quan máy in 3D • Tính tốn chọn thơng số sơ hệ thống khí • Thiết kế hệ thống điều khiển • Chế tạo vận hành thử nghiệm Số lượng tên vẽ: (Kích thước Ao) Số lượng vẽ thể nội dung thuyết minh đồ án Ngày giao làm ĐATN: 04/10/2021 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/02/2022 Hà Nội, ngày 04 tháng 10 năm 2021 Giảng viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D VỚI KHẢ NĂNG IN NHIỀU MÀU GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: SINH VIÊN THỰC HIỆN: PGS.TS BÙI TUẤN ANH TRẦN QUANG NAM - 20168366 PHẠM DUY ANH - 20138960 NGUYỄN THANH TÚ - 20168566 NGUYỄN HỮU TRUNG - 20148982 - Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ: Hà Nội, ngày tháng … năm 20 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D VỚI KHẢ NĂNG IN NHIỀU MÀU GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: SINH VIÊN THỰC HIỆN: TS LÊ ĐỨC ĐỘ TRẦN QUANG NAM - 20168366 PHẠM DUY ANH - 20138960 NGUYỄN THANH TÚ - 20168566 NGUYỄN HỮU TRUNG - 20148982 - Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ: Hà Nội, ngày tháng … năm 20 LỜI CẢM ƠN Được phân công hướng dẫn thầy – GS.TS Bùi Tuấn Anh, chúng em thực nghiên cứu đề tài : “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy in 3D cỡ nhỏ - cải tiến chế độ in màu ” Để có kiến thực hoàn thành đồ án này, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn Ma sát chế tạo máy tận tình hướng dẫn chúng em suốt trình học tâp, nghiên cứu Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Bùi Tuấn Anh tận tình giúp đỡ hướng dẫn chúng em mặt chuyên môn, giúp chúng em hoàn thiện đồ án Do kiến thức kinh nghiệm thực tế có hạn, nên đồ án khơng tránh khỏi nhiều thiếu sót Chúng em mong có góp ý bảo thầy/ để đồ án hồn thiện TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN Máy in 3D phát minh Tuy nhiên nhanh công nghệ in trở nên phổ biến, nhiều người lựa chọn sử dụng, đặc biệt lĩnh vực nội thất, giáo dục, thời giang, công nghệ y học… Với phương pháp in tạo mẫu đa dạng, đáp ứng yêu cầu người dùng vật liệu, đồ xác gia cơng … Về bản, máy in 3D có nguyên tắc hoạt động hệ thống máy chụp CT hay cộng hưởng từ (MRI) Các thiết bị có khả quét chụp cắt lớp phận thể người Và bạn xếp chồng lớp lại tạo nên hình ảnh chiều quan, phận thể Và điều hoàn toàn tương tự công nghệ in 3D Tùy vào cách thức xếp chồng xây dựng mơ hình 3D vật liệu cấu thành, cơng nghệ in 3D phân thành nhóm sau: Cơng nghệ in 3D sử dụng vật liệu in 3D dạng nhựa dẻo phi kim loại • Cơng nghệ in 3D từ vật liệu kim loại • Công nghệ in 3D sử dụng vật liệu hữu Nội dung đồ án nghiên cứu chế tạo máy in 3D cỡ nhỏ, cải tiến chế độ in màu, với phương pháp in tạo mẫu đơn giản, dễ tiếp cận với người dùng, tích hợp mơ tạo mẫu nhanh phần mềm cắt lớp Cura • MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D A.Công nghệ in 3D gì? B.Lịch sử phát triển 1.1 Các phương pháp in 3D 1.1.1 Phương pháp thêu kết laser chọn lọc SLS 1.1.2 Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA 1.1.3 Phương pháp tạo mẫu FDM 10 1.2.Ứng dụng 11 CHƯƠNG II : THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 14 Chọn công nghệ in 14 2.1 Bộ truyền đai trục X Y 16 a Thông số đầu vào 16 b Quy trình tính tốn truyền đai 17 2.2 Tính chọn vít me trục Z 20 a Điều kiện làm việc: 21 b Tính tốn lực dọc trục: 21 c Chọn đánh giá 24 2.3 Lựa chọn động 25 a Các bước tính tốn chọn động 25 b Chọn động trục X,Y theo hãng 31 2.4 Thiết kế chi tiết khí 33 2.4.1 Các chi tiết khí lắp ghép 33 2.4.2 Các chi tiết nhựa in 3D 34 2.4.3 Khung máy 34 2.4.4.Mơ hình thiết kế hệ thống trục 35 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 40 3.1 Phần mềm điều khiển……………………… ……………………………………………………………………………………………………………….40 3.1.1.Firmware Marlin 40 3.1.2.Phần mềm cắt lớp 41 3.2.Hệ thống điều khiển 43 3.2.1 Sơ đồ điều khiển 43 3.2.2.Board Ramps 1.4 47 3.2.3.Điều khiển động bước A4988 49 CHƯƠNG IV: CHẾ TẠO VÀ VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM MÁY 52 4.1 Thiết lập thông số điều khiển…………………………………………………………………………………………………………………………52 4.1.1 Thiết lập Marlin 53 4.1.2 LCD module 57 4.1.3 Thiết lập Ultimaker Cura 58 4.2 Thử nghiẹm gia công 69 4.2.1 Tượng kim tự tháp 69 4.2.2 Bộ nhựa làm máy in 71 4.2.3 Các sản phẩm khác 72 LỜI KẾT 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 : Máy in 3D – in màu Hình 2: Máy in 3D RepRap Hình 1.3: Sản phẩm máy in 3D nhiều vật liệu lúc Connex500 Hình 1.4 : Máy in 3D Hoa Kì năm 2010 Hình 1.5: Dây truyền máy in 3D Hình 1.6 : Phương pháp thêu kết laser chọn lọc SLS Hình 1.7 Phương pháp tạo mẫu lập thể SL Hình : Phương pháp tạo mẫu FDM 10 Hình 1.9 Ứng dụng công nghệ in 3D Xe Urbee 12 Hình 1.10 Cơng nghệ in 3D xây dựng 13 Hình 1.11 Ứng dụng công nghệ in 3D đồ chơi 13 Hình : Sơ đồ khung hướng chuyển động trục 15 Hình 2 Bộ truyền đai với thông số sơ 16 Hình Biểu đồ hoạt động 29 Hình 2.4 Mơ hình khung máy 35 Hình 5: Mơ hình trục X 35 Hình 2.6 : Hệ thống trục Y 36 Hình Mơ hình trục Y 37 Hình Mơ hình truc Z 38 Hình Mơ hình thiết kế máy in 3D 39 Hình 3.1 Giao diện phần mềm cắt lớp Cura 42 Hình 3.2 Sơ đồ điều khiển 43 Hình 3.3 Biểu đồ khối điều khiển 43 Hình 3.4 Arduino Mega 2560 44 Hình 3.5 Giao diện Arduino IDE 45 Hình 3.6 Atmega2560 arduino pin mapping 46 Hình 3.7 Ramps 1.4 47 Hình reprap ramps 1.4 schematic 48 Hình 3.9 Sơ đồ A49988 49 Hình 3.10 Microstep Resolution 50 Hình 4.1 Quá trình in 3D 52 Hình 4.2 Điều chỉnh Marlin 53 Hình 4.5 Thiết lập kích thước in 58 Hình 4.6 Thiết lập cấu hình đầu in 60 Hình 4.7 Thiết lập chiều cao lớp 61 Hình 4.8 Độ dày tường 62 Hình 4.9 Thiết lập độ đặc 64 Hình 4.10 Cấu hình mẫu infill 65 Hình 4.11 Cấu hình tốc độ in 66 Hình 4.12 Thơng số vật liệu 67 Hình 4.13.Tượng kim tự tháp 69 Hình 4.14 Mơ hình kim tự tháp sau hoàn thiện 70 Hình 4.15 Bộ nhựa làm máy in 71 Hình 4.16 Sản phẩm khác 72 DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Bảng tóm tắt cơng nghệ in 3D 11 Bảng Tra thông số khối lượng đai Mr 19 Bảng Hệ số bền động fw 23 Bảng Bảng kết lực tải trọng động 23 Bảng Kiểm tra tỉ lệ tăng giảm tốc 28 Bảng Hệ số 28 Bảng Hệ số quán tính 29 Bảng Chi tiết khí 34 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 45 Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật A49988 49 Bảng 3.3: Linh kiện điện tử 51 b Chiều cao lớp (Layer height) Hình 4.7 Thiết lập chiều cao lớp Trong tab Quality ta ý tới thơng số chính: ♦ Layer Height: độ cao lớp in 61 ♦ Initial Layer Height: độ cao lớp in (Thông số thường định nhựa có bám bàn tốt khơng lớp in có mịn hay khơng) Các thơng số cịn lại Line Width độ rộng đường nhựa in ra, thường kích thước mũi in (Nếu muốn nhựa in dày hay thưa tăng giảm nó) c Độ dày tường (Wall thickness) Hình 4.8 Độ dày tường 62 Trong Tab Shell ta ý tới là: ♦ Wall Thickness: Độ dày thành chi tiết in (Mũi in 0.4 nên cài đặt 1,2 thành in lớp nhựa - Có thể cài đặt trực tiếp số lớp Wall line count) ♦ Top/ Bottom Thickness: Độ dày lớp lớp chi tiết ( Layer Height để 0.2 cài đặt 0.8 số lớp in lớp - Có thể cài đặt trực tiếp Top Layer Bottom Layer) Và thông số đáng ý Enable Ironing chọn chế độ máy in chạy lại lớp khoản nhỏ để làm mịn bề mặt phía trên, dành cho chi tiết cần phẵng mặt d Độ đặc (Infill density) 63 Hình 4.9 Thiết lập độ đặc Infill phần bên chi tiết sau in trừ thành chi tiết (shell) lớp (top bottom layer) Trong tab infill ta ý thông số sau: ♦ Infill Density thông số độ đặc vật thể, cao chi tiết in đặc thời gian in lâu, bù lại độ cứng chi tiết cao ♦ Infill Pattern dạng lưới bên chi tiết hình dạng infill (muốn độ cứng cao để Triangles, muốn thời gian in nhanh để Lines) ♦ Infill Line Directions hướng infill Mật độ infill xác định lượng nhựa sử dụng bên in Mật độ in cao có nghĩa có nhiều nhựa bên trong, dẫn đến vật nặng Một mật độ infill khoảng 30% sử dụng cho mơ hình có mục giác, mật độ cao sử dụng cho phận sử dụng lực e Mẫu Infill (Infill pattern) Cura cho phép bạn thay đổi mẫu cấu trúc infill in, có lợi số trường hợp Có lựa chọn sẵn có lần lượt: - Grid: Một lưới điện hình chữ nhật, với đường thẳng theo đường chéo lớp - Lines: tạo lưới in, in theo hướng chéo lớp - Triangles: Tạo hình chữ nhật hình tam giác - Cubic: Một 3D infill nghiêng hình khối - Tetrahedral: Một 3D infill hình dạng kim tự tháp - Concentric: Các infill in từ bên phía trung tâm mơ hình Bằng cách đường infill khơng thể nhìn thấy qua tường in - Concentric 3D: In thấu từ bên ngồi phía trung tâm mơ hình, với đường nghiêng toàn in - Zig Zag: Một lưới infill hình, in liên tục theo hướng chéo 64 Hình 4.10 Cấu hình mẫu infill 65 f Tốc độ in (Print Speed) Hình 4.11 Cấu hình tốc độ in Tab Speed chỉnh tốc độ hoạt động máy in: ♦ Print Speed tốc độ in (tốc độ cao in nhanh, khí máy phải đủ vững không dễ trật bước chi tiết in xấu không mịn) ♦ Infill speed tốc độ in infill ♦ Wall speed tốc độ in thành vật thể ♦ Travel speed tốc độ di chuyển không đầu in 66 ♦ Initial Layer speed tốc độ in lớp (tốc độ chậm nhựa in dễ dính bàn hơn) g Vật liệu (Material) Hình 4.12 Thơng số vật liệu 67 Tab Material chỉnh thông số liên quan tới nhựa in: ♦ Printing Temperature nhiệt độ in (với nhựa PLA thường 195 ) ♦ Flow lượng nhựa in đùn in (nếu muốn lượng nhựa đùn nhiều hay vị trí tăng lên) ♦ Nếu chọn vào Enable Retaction đồng ý rụt nhựa in lại chuyển tiếp vùng in khác hay chuyển vùng in với in support Sau thiết lập xong, Tệp STL OBJ sau nhập vào phần mềm Cura nơi chia lớp xuất dạng G-Code G-Code file văn (về chất) với danh sách lệnh để máy in 3D đọc làm theo nhiệt độ gia nhiệt, di chuyển theo hướng với khoảng cách vị trí tọa độ file đó, bật tắt phận máy in, v.v Chuyển tệp văn sang Thẻ SD để Máy in 3D đọc tệp 68 4.2 Thử nghiẹm gia cơng 4.2.1 Tượng kim tự tháp Hình 4.13.Tượng kim tự tháp Để in mẫu hình trên, cần thiết lập tham số repeiterhost Để đạt chất lượng cao, chiều cao lớp đặt 0,2 mm Tuy nhiên, chiều cao ban đầu lớp lại 0,3 mm để lớp ban đầu dính tốt lớp đun nóng Khối lập phương có kích thước nhỏ Kích thước là: 130 x 100 x 180 mm Do nên đặt tốc độ in thấp để có độ xác cao Tốc độ in cao tạo độ rung mạnh gây thiếu xác Với thơng số tốc độ in : • Tốc độ tường (Wall speed): 60 mm / s • Tốc độ / (Top/bottom speed): 60 mm / s • Tốc độ di chuyển (Travel speed): 150 mm / s • Tốc độ in ban đầu (Initial print speed): 40 mm / s • Gia tốc (Acceleration): 3000 mm / s2 69 Hình 4.14 Mơ hình kim tự tháp sau hồn thiện 70 Với chế 02 vịi phun tự động, thay đổi màu sắc sản phẩm cách thay đổi đầu vào vòi phun 4.2.2 Bộ nhựa làm máy in Hình 4.15 Bộ nhựa làm máy in 71 Mẫu nhựa in 3D có kích thước lớn có nhiều chi tiết in lần in nên cần cân chỉnh bàn in chế độ in thật hợp lý đẻ tránh trường hợp cong bật sản phẩm gây thời gian tốn thời gian in khoảng tiếng đồng hồ in với tốc độ cao Do đó, thơng số đặt đây: • Tốc độ nạp (Infill speed): 100 mm / s • Tốc độ tường (Wall speed): 80 mm / s • Tốc độ di chuyển (Travel speed): 150 mm / s • Tốc độ lớp ban đầu (Initial Layer speed): 30 mm / s • Tốc độ hỗ trợ (Support speed): 60 mm / s • Gia tốc(Acceleration): 4000 mm / s2 4.2.3 Các sản phẩm khác Hình 4.16 Sản phẩm khác 72 LỜI KẾT Máy in 3D đạt yêu cầu Sai số gia công sản phẩm xấp xỉ 0,06 đến 0,2 mm Trong tương lai, nhóm áp dụng AutoBed-Leveling (tự động cân bàn in) hệ thống Hơn nữa, chúng em áp dụng ‘‘Scan 3D Technical’’ (kĩ thuật quét 3D) sản phẩm để hoàn thành hệ thống bao gồm ‘‘Scan and Printer 3D’’ Xin chân thành cảm ơn thầy GS.TS Bùi Tuấn Anh hướng dẫn tận tình để chúng em hồn thành đề tài nghiên cứu máy in 3D Mong công nghệ in 3D Việt Nam tương lai phát triển để theo kịp với xu công nghệ in 3D giới Đây sản phẩm chúng em cơng nghệ in 3D, nên cịn nhiều thiếu xót Chúng em hy vọng người đóng góp số ý tưởng để chúng em xây dựng máy in 3D tốt cho dự án Xin chân thành cảm ơn! 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO -[1] Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí – tập 1,2 Trịnh Chất – Lê Văn Uyển [2] Bài giảng sở máy công cụ CNC- Phạm Văn Hùng [3] Hệ thống điều khiển số cơng nghiệp NXB KHKT, 2001- Bùi Q Lực [4] Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ NXB KHKT, 2001- Tạ Duy Liêm [5] Giáo trình phương pháp gia công đặc biệt, NXB KH&KT, Hà Nội, 2010- Đinh Minh Diệm [6] Cộng đồng điện tử Việt Nam Http://codientu.org [7] Diễn đàn khí tự động hóa Http://meslab.org [8] Cộng đồng Arduino Việt Nam Http://Arduino.vn [9] Http://mme.vn Micromen Mechatronics [10] Nhà sản xuất máy in 3D Việt Nam Http://3dmaker.vn [11] Thingiverse- Digital Design for Physical Objects Http://thingiverse.com [12] PMI product catalog [13] IKO linear wl catalog 74 75 ... Anh Tên đề tài tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy in 3D cỡ nhỏ - cải tiến chế độ in màu Các số liệu ban đầu: • Dựa kết cấu thông số kỹ thuật nằm đồ án • Dựa tài liệu máy in 3D khóa trước... Hà Nội, ngày tháng … năm 20 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D VỚI KHẢ NĂNG IN NHIỀU MÀU GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: SINH VIÊN THỰC HIỆN: TS LÊ... loại • Công nghệ in 3D từ vật liệu kim loại • Công nghệ in 3D sử dụng vật liệu hữu Nội dung đồ án nghiên cứu chế tạo máy in 3D cỡ nhỏ, cải tiến chế độ in màu, với phương pháp in tạo mẫu đơn giản,