TỔNG QUAN về máy IN 3d CHẾ tạo, cải TIẾN CHẾ độ IN màu và THỬ NGHIỆM máy

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D I.Công nghệ in 3D gì? .2 II.Lịch sử phát triển 2.1.Các phương pháp in 3D 2.2.Phương pháp thêu kết laser chọn lọc SLS 2.3 Phuơng pháp tạo mẫu FDM CHƯƠNG II : THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 12 I.Chọn công nghệ in 12 II Lựa chọn laser 12 III Tính tốn động truyền động 13 3.1 Bộ truyền đai trục X trục Y 13 3.2 Kết tính tốn chọn trục X,Y 18 3.3 Bộ truyền đai trục Z 21 3.4 Tính chọn động 25 3.5 Hiệu chỉnh số bước/mm động 28 3.6.Thiết kế chi tiết khí 29 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 32 I.Phần mềm điều khiển 32 1.1 Firmware Marlin 32 1.2 Phần mềm cắt lớp 34 II LỰA CHỌN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 35 1.Sơ đồ arduno 35 1.1 Mạch arduino mega 2560 35 1.2 Mạch ramps 1.4 38 1.3 Mạch driver điều khiển động bước a4988 40 1.4 Bộ điều khiển, hiển thi LCD 40 CHƯƠNG IV : CHẾ TẠO, CẢI TIẾN CHẾ ĐỘ IN MÀU VÀ THỬ NGHIỆM MÁY 42 download by : skknchat@gmail.com CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D I.Công nghệ in 3D gì? Cơng nghệ in 3D hay cịn gọi cơng nghệ bồi đắp vật liệu, chuỗi kết họp công đoạn khác để tạo vật thể ba chiều Trong in 3D, lớp vật liệu đắp chồng lên định dạng duói kiểm sốt máy tính để tạo vật thể Các đối tượng có hình dạng bất kỳ, tạo từ mơ hình 3D nguồn liệu điện tử khác Máy In 3D thật loại robot công nghiệp Máy in 3D có nhiều cơng nghệ khác nhau, in li-tơ lập thể (STL) hay mơ hình hố lắng đọng nóng chảy (FDM) Do đó, khơng giống quy trình gia cơng loại bỏ vật liệu thơng thường, In 3D sản xuất đắp dần đối tượng ba chiều từ mơ hình thiết kế có hỗ trợ phần mềm máy tính ( AutoCAD ) tập tin AMF, thường cách thêm vật liệu theo lớp Hình 1.1 : Máy in 3D – in màu II.Lịch sử phát triển download by : skknchat@gmail.com Công nghệ in 3D biết đến vào cuối năm 1980,với tên công nghệ Rapid Prototyping (RP) Bởi quy trình ban đầu hình thành phương pháp nhanh chóng hiệu chi phí để tạo nguyên mẫu để phát triển sản phẩm ngành Đặc biệt hơn,người xin cấp sáng chế cho công nghệ RP DR.Kodama, người Nhật Bản vào tháng 5-1980 Thật không may cho DR.Kodama tài liệu sáng chế đầy đủ ông lại không nộp thời hạn năm sau nộp đơn,điều tệ hại người duyệt đơn cho ông lại luật sư sáng chế Tuy nhiên, mặt thực tế, nguồn gốc in ấn 3D bắt nguồn từ năm 1986, sáng chế cấp cho thiết bị tạo khối (SLA) Bằng sáng chế thuộc Charles (Chuck) Hull, người phát minh máy SLA vào năm 1983 Hull người đồng sáng lậpTổng Công ty Hệ thống 3D - tổ chức lớn giàu có hoạt động ngành in 3D Các công nghệ quy trình in 3D khác lên năm này, cụ thể Sản xuất hạt Ballistic (BPM) cấp sáng chế William Masters, Laminated Object Manufacturing (LOM) ban đầu cấp sáng chế Michael Feygin, Solid Ground Curing (SGC) Itzchak Pomerantz et Al 'in ba chiều' (3DP) ban đầu cấp sáng chế Emanuel Sachs et al Và năm chín mươi đầu chứng kiến gia tăng số lượng công ty cạnh tranh thị trường RP tồn công ty gốc - 3D Systems, EOS Stratasys Cho đến năm 2010, công nghệ in 3D trở nên phổ biến, nguồn tài trợ phủ Mỹ với gói hỗ trợ khởi động thương mại khuyến khích cho phổ biến công nghệ sản xuất tới tay người tiêu dùng download by : skknchat@gmail.com Hình 1.2: Máy in 3D Hoa Kì năm 2010 Trong năm gần đây, ngành bắt đầu có dấu hiệu đa dạng hóa khác biệt với hai lĩnh vực trọng tâm cụ thể xác định rõ ràng ngày Thứ nhất, có kết cao in ấn 3D, hệ thống đắt tiền, hướng tới sản xuất cho ngành yêu cầu giá trị lớn,thiết kế lớn,phức tạp Điều tiếp diễn phát triển - kết bắt đầu trở nên rõ ràng ứng dụng sản xuất ngành hàng không, ô tô, y tế đồ trang sức, nhiều năm nghiên cứu phát triển trở nên phong phú Một khoản kinh phí lớn cịn nợ theo thoả thuận không công bố (NDA) Ở đầu quang phổ, số nhà sản xuất hệ thống in ấn 3D phát triển "khái niệm người mơ hình", chúng gọi vào thời điểm Cụ thể, máy in 3D giữ trọng tâm vào việc cải thiện phát triển khái niệm tạo mẫu chức năng, phát triển đặc biệt phòng thân thiện với người dùng hệ thống tiết kiệm chi phí Sự mở đầu cho máy tính để bàn ngày Tuy nhiên, hệ thống nhiều ứng dụng công nghiệp download by : skknchat@gmail.com Hình 1.3: Dây truyền máy in 3D 2.1.Các phương pháp in 3D Trên giới có cơng nghệ in 3D phổ biến 2.2.Phương pháp thêu kết laser chọn lọc SLS Hình 1.4 Phương pháp thêu kết laser chọn lọc SLS download by : skknchat@gmail.com a Giới thiệu: SLS công nghệ tạo mẫu dựa vật liệu dạng bột Sử dụng tia laser, công nghệ SLS nung kết loại vật liệu dạng bột khác với để tạo mẫu dạng rắn Trong q trình chế tạo, phần vật liệu khơng nằm đường bao mặt cắt lấy sau hoàn thành chi tiết, xem phận phụ trợ lớp xây dựng Điều làm giảm thời gian chế tạo chi tiết dùng phương pháp này,… Những chi tiết chế tạo tương đối nhám có lỗ hỗng nhỏ bề mặt nên cần phải xử lý sau chế tạo (xử lý tinh) b Vật liệu sử dụng: Polycacbonate (PC), nylon, sáp, bột kim loại (copper polyamide, rapid steel), bột gốm (ceramic), glass filled nylon, vật liệu đàn hồi (elastomer) c Ưu điểm: • Số lượng vật liệu đưa vào trình cao (Higt Through-put) giúp cho q trình tạo mẫu nhanh chóng d • Vât liệu an tồn, đa dạng, chi phí rẻ • Khơng cần cấu hỗ trợ (Non – Support) • Giảm bóp méo ứng suất • …) Giảm giai đoạn trình hậu xử lý (như cần phun cát, • Khơng cần xử lý tinh (Post-curing) • Chế tạo lúc nhiều chi tiết Nhược điểm: download by : skknchat@gmail.com • Độ bóng bề mặt thơ • Lớp địi hỏi đế tựa để giảm ảnh hưởng nhiệt (như uốn quăn,…) • Mật độ chi tiết không đồng • Thay đổi vật liệu cần phải làm máy kỹ 2.2 Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA Hình 1.6 Phương pháp tạo mẫu lập thể SL download by : skknchat@gmail.com Giới thiệu: Đây công nghệ sử dụng tia UV để làm cứng nhựa cảm quang tạo thành mẫu vững theo lớp.Quá trình tương đối đơn giản hiệu quả, cho xác cao Đến kĩ thuật SLA phương pháp in xác nhất, lớp mỏng tới 0,06mm Chi tiết in cần phải thêm kết cấu trợ giúp để tăng độ cứng chi tiết để tránh cho phần chi tiết tạo thành chìm chất lỏng không bị lên không bị trôi tự thùng a Vật liệu sử dụng: Loại nhựa lỏng có khả đơng đặc tác dụng tia tử ngoại như: tia gama, tia cực tím, tia x, tia electron, phóng xạ trường điện từ,… expoxy, actylates, … b Ưu điểm: • Hệ thống cứng vững hồn tồn tự động, độ xác kích thước cao (0.1mm) • Độ bóng bề mặt cao, độ phân giải cao phù hợp với chi tiết phức tạp c Nhược điểm: • Sản phẩm bị rổ khí, lớp sản phẩm in cuối dễ bị lỗi • Phải qua giai đoạn hậu xử lý, chi phí vận hành bảo trì cao download by : skknchat@gmail.com ST Chi tiết khí T Vịng bi LM8UU Puli 20 GT-2 trục Puli 20 GT-2 trục Dây culoa loại GT-2 Ống nhựa PTFE có sẵn đầu giữ ốn Trục trơn đường kính 8mm Trục trơn đường kính 10mm Trục trơn đường kính 12mm Vòng bi PK8UU 10 Kẹp trục M12 11 Bạc đạn đỡ trục KFL 08 12 Gối đỡ trục KL08 13 Bộ đầu phun E3D V5 có sẵn đầu đố 14 Trục vitme đường kính 8mm bước r 15 Trục vitme đường kính 8mm bước r 16 Ke góc 17 Bộ đùn màu 18 Vít M3,M4,M5, Tnut M4, long den 3.6.1 Các chi tiết nhựa in 3D Các chi tiết dùng để cố định chi tiết khí – Linh kiện thiết kế phần mềm solidworks 3.6.2 Khung máy 3.6.3 Hệ thống trục X-Y 30 download by : skknchat@gmail.com Hình 2.6 Hệ thống truyền động trục 3.6.4 Hệ thống trục Z Mơ hình máy inh hồn chỉnh 31 download by : skknchat@gmail.com CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Trong cách dòng máy in 3D, máy in sử dụng công nghệ FDM phổ biến có giá thành rẻ Cơng nghệ sử dụng đùn (Nozzle) để gia nhiệt đẩy lớp vật liệu nhựa dẻo chồng lên nhau, tạo thành khối sản phẩm Nguyên liệu cho máy in FDM chủ yếu nhựa, vật liệu nóng chảy Ưu điểm: • Dễ tháo lắp, bảo trì, sửa chữa • Dễ chế tạo, bạn đam mê cơng nghệ in 3D tự lắp cho máy in 3D khơng q khó khăn với cơng nghệ • Giá thành sản phẩm rẻ với độ xác chi tiết nằm khoảng "chấp nhận được" Nhược điểm: • Chưa in chi tiết thật lớn • Thời gian tạo sản phẩm lâu I.Phần mềm điều khiển 1.1 Firmware Marlin Firmware Marlin chương trình viết Arduino cho mạch điều khiển máy in 3D Reprap sử dụng vi điều khiển họ AVR hãng Atmel Marlin chỉnh sửa để sử dụng máy CNC mini Có thể nói Marlin sử dụng rộng rãi bậc số máy dạng mã nguồn mở Các đặc điểm bật Marlin máy in 3D Reprap gồm có: • Hỗ trợ tự động bù thăng bàn nhiệt trước in đầu dò (thể sử dụng động servo cho cấu đầu dị) • Hỗ trợ người dùng bù thăng bàn nhiệt thủ công • Có tính rút ngược nhựa in gia cơng (người dùng chọn rút ngược nhựa in firmware hay slicer) • Tính ngăn chặn cố nhiệt độ (q nhiệt) thơng minh • Tính lưu, cập nhật eeprom vi điều khiển 32 download by : skknchat@gmail.com • Hỗ trợ đo nhiệt độ cảm biến nhiệt điện trở cặp nhiệt ngẫu • Điều khiển máy in hồn tồn hình LCD thẻ nhớ SD • Hỗ trợ dạng máy in 3D Cartesian (prusa i3, ), Delta Polar SCARA • Giao tiếp với máy tính thơng qua cổng USB (COM ảo) • Hỗ trợ tối đa đùn nhựa Hoạt động Marlin: Marlin sử dụng để điều khiển máy in 3D hoạt động theo cơng nghệ FDM Trong q trình in, đầu phun nung nóng điều khiển máy tính, nhựa nóng chảy đùn khỏi đầu phun Nhựa sau đùn ra, chạm bàn in đông đặc Từng lớp vật thể in dựa theo nguyên lý hoạt động cấu thành nên hình dáng vật thể • Máy in 3D điều khiển phần mềm máy tính thong qua cáp kết nối Ngồi ra, máy in 3D hoạt động độc lập cách nạp file (STL) vào thẻ SD cắm vào khe cắm thẻ nhớ máy Marlin thực việc dịch file (STL) sang G-Code để thực quy trình in • Để điều khiển hoạt động máy in 3D thông qua Marlin, Arduino Mega 2560 gắn kèm theo mạch điều khiển máy in Ramps 1.4 • Người dùng sử dụng Arduino IDE để thiết lập Marlin cho phù hợp với máy in 3D như: nhiệt độ đầu phun bàn nhiệt in, tốc độ bước động giây, phương chiều chuyển động động cơ, vùng in tối đa động cơ… 33 download by : skknchat@gmail.com 1.2 Phần mềm cắt lớp Như thảo luận trên, Phần mềm chuẩn bị mơ hình 3D thiết kế cách chia thành lớp lát mỏng Trong q trình này, tạo mã G (gcode) cho phép máy in biết chi tiết cách chép mơ hình Các phần mềm cắt lát phổ biến dựa đánh giá người dùng: Phần mềm cắt lớp Ultimaker Cura Repeiterhost Simplify3D Slic3r Craftware Bảng Các phần mềm cắt lớp phổ biến Simplify3D cho phần mềm tốt chi phí quyền cao Mặt khác, repeiterhost - phát triển Slicer xem lựa chọn tốt miễn phí Bằng cách sử dụng repeiterhost , người dùng không điều chỉnh tốc độ in, mà cho kết tốt in ấn hỗ trợ xác điều chỉnh tăng tốc Do đó, nhóm chọn Curaengine phần mềm cắt lớp 34 download by : skknchat@gmail.com II LỰA CHỌN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1.Sơ đồ arduno Hình 3.1: Sơ đồ nối phận máy in với RAMPS Ta ứng dụng mạch arduino với mã nguồn mở để sử dụng làm mạch điều khiển.Hiện nay, module sử dụng phổ biến cho loại máy in 3D gồm có: + Mạch Arduino Mega 2560 + Mạch RAMPS 1.4 + Bộ điều khiển, hiển thị LCD 2004 điều khiển, hiển thị LCD 128*64 + Modun điều khiển động bước 4988 1.1 Mạch arduino mega 2560 35 download by : skknchat@gmail.com Hình 3.2 Arduno mega 2560 Hình 3.3: Bo mạch Arduino Mega 2560 Arduino Mega 2560 bo mạch thiết kế với xử lí trung tâm vi điều khiển AVR ATMega2560 Cấu tạo Arduino Mega 2560 bao gồm phần sau: Cổng USB: loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển Đồng thời giao tiếp serial để chuyển giữ liệu vi điều khiển máy tính Jack nguồn: để chạy Arduino lấy nguồn từ cổng USB trên, lúc cắm từ máy tính lúc ta cần nguồn từ 9V đến 12V 36 download by : skknchat@gmail.com Có 54 chân digital (trong có 15 chân sử dụng chân PWM từ chân số đến 13 chân 44, 45, 46) Có ngắt ngồi: chân (interrupt 0), chân (interrupt 1), chân 18 (interrupt 5), chân 19 (interrupt 4), chân 20 (interrupt 3), chân 21 (interrupt 2) Có 16 chân vào analog (từ A0 đến A15) Có cổng serial giao tiếp với phần cứng: Vi điều khiển AVR: xử lí trung tâm tồn bo mạch Với mấu Arduino khác chip khác Ở Arduino Mega 2560 sử dụng ATMega2560 Các thơng số Arduino Mega 2560: 37 download by : skknchat@gmail.com Xung nhịp: 16MHz Các Mega 2560 có 16 đầu vào tương tự, ngõ vào tương tự có độ phân giải 10 bit (tức 1024 giá trị khác nhau) Theo mặc định đo từ đến Volts, thay đổi phần phạm vi cách sử dụng chân Aref analogReference Các Mega 2560 có 256KB nhớ flash để lưu trữ mã (trong có 8KB sử dụng cho nạp khởi động), 8KB SRAM 4KB EEPROM Ứng dụng thực tế Arduino Mega 2560: với tiện ích vơ lớn Arduino Mega 2560, mạnh mẽ với nhớ flash lớn, số chân nhiều số lượng shield hỗ trợ không nhỏ Arduino Mega đưa vào dự án lớn xử lí thông tin nhiều luồng, điều khiển nhiều động cơ, xe điều khiển từ xa, LED cube hay mở rộng cánh cửa với giới IoT v.v 1.2 Mạch ramps 1.4 RAMPS 1.4 board mở rộng cắm Arduino Mega 2560 dùng để điều khiển máy in 3D Reaprap ứng dụng khác RAMPS 1.4 có khay dung để lắp module điều khiển động bước A4988, mạch công suất điều khiển đầu đùn, bàn nhiệt,… máy in 3D thiết kế theo module, máy in 3D dung RAMPS 1.4 ln dễ dàng bảo trì, thay thế, sửa chữa nâng cấp với chi phí thấp 38 download by : skknchat@gmail.com Hình 3.4: Mạch RAMPS 1.4 • Các tính bật: + Dùng để điều khiển máy in 3D dạng robot trục tịnh tiến + Có thể mở rộng cho phụ kiện điện tử khác + Có mạch cơng suất cho đầu sấy quạt, mạch xử lí tín hiệu nhiệt điện trở + Có thể tích hợp thẻ nhớ + Điều khiển bàn nhiệt + Hiển thị trạng thái hoạt động led + Hỗ trợ tới động trục Z + ngõ digital dung cho cảm biến đầu cuối trục + Cầu trì tự phục hồi 5A bảo vệ phần tử mạch + Thêm chân ngõ ra: PWM, ngõ số, nối tiếp, SPI, I2C ngõ analog 39 download by : skknchat@gmail.com 1.3 Mạch driver điều khiển động bước a4988 A4988 driver điều khiển động bước nhỏ gọn, hổ trợ nhiều chế độ làm việc, điều chỉnh dòng cho động cơ, tự động ngắt điện nóng A4988 hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động động bước lưỡng cực như: Full, Half, 1/4, 1/8 1/16 Hình 3.5: Mạch driver a4988 Thông số kĩ thuật: + Công suất ngõ lên tới 35V, dòng đỉnh 2A + Có chế độ: full bước, 1/2 bước, 1/4 bước, 1/8 bước, 1/16 bước + Điều chỉnh dòng chiết áp, nằm bên Current Limit=VREFx2.5 + Tự động ngắt điện nhiệt 1.4 Bộ điều khiển, hiển thi LCD Màn hình LCD 2004 thiết kế sử dụng với board RAMPS, có chức làm bảng hiển thị điều khiển máy in 3D Mạch có tích hợp cắm thẻ nhớ SD, điều khiển rotary encoder với nút bấm, hình LCD 2004 cho phép cân chỉnh từ việc di chuyển trục nạp G-code trực tiếp từ cắm thẻ SD 40 download by : skknchat@gmail.com Hình 3.16 Màn hình LCD 41 download by : skknchat@gmail.com CHƯƠNG IV : CHẾ TẠO, CẢI TIẾN CHẾ ĐỘ IN MÀU VÀ THỬ NGHIỆM MÁY 4.1 Thiết kế mẫu 4.2 Thông số điều khiển 4.3 Thử nghiệm 42 download by : skknchat@gmail.com ... khiển máy in Ramps 1.4 • Người dùng sử dụng Arduino IDE để thiết lập Marlin cho phù hợp với máy in 3D như: nhiệt độ đầu phun bàn nhiệt in, tốc độ bước động giây, phương chiều chuyển động động... bàn in đông đặc Từng lớp vật thể in dựa theo nguyên lý hoạt động cấu thành nên hình dáng vật thể • Máy in 3D điều khiển phần mềm máy tính thong qua cáp kết nối Ngồi ra, máy in 3D hoạt động độc...CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D I.Công nghệ in 3D gì? Cơng nghệ in 3D hay cịn gọi công nghệ bồi đắp vật liệu, chuỗi kết họp công đoạn khác để tạo vật thể ba chiều Trong in 3D, lớp vật liệu