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

Do đó, không giống một quy trình giacông loại bỏ vật liệu thông thường, In 3D sản xuất đắp dần một đối tượng bachiều từ mô hình thiết kế có sự hỗ trợ của phần mềm máy tính AutoCAD hoặc

1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D

tử khác Máy In 3D thật ra là một loại robot công nghiệp

Máy in 3D có nhiều công nghệ khác nhau, như in li-tô lập thể (STL) hay môhình hoá lắng đọng nóng chảy (FDM) Do đó, không giống một quy trình giacông loại bỏ vật liệu thông thường, In 3D sản xuất đắp dần một đối tượng bachiều từ mô hình thiết kế có sự hỗ trợ của phần mềm máy tính ( AutoCAD )hoặc là các tập tin AMF, thường bằng cách thêm vật liệu theo từng lớp

Hình 1.1 : Máy in 3D - in màu

II.Lịch sử phát triển

2

Công nghệ in 3D được biết đến vào cuối những năm 1980,với cái tên là côngnghệ Rapid Prototyping (RP) Bởi vì các quy trình ban đầu được hình thành như

là một phương pháp nhanh chóng và hiệu quả về chi phí để tạo nguyên mẫu đểphát triển sản phẩm trong ngành

Đặc biệt hơn,người xin cấp bằng sáng chế đầu tiên cho công nghệ RP này làDR.Kodama, người Nhật Bản vào tháng 5-1980 Thật không may cho

DR.Kodama là tài liệu sáng chế đầy đủ của ông lại không nộp đúng thời hạn 1năm sau khi nộp đơn,điều tệ hại hơn là người duyệt đơn cho ông lại là 1 luật sưsáng chế Tuy nhiên, về mặt thực tế, nguồn gốc của in ấn 3D có thể được bắtnguồn từ năm 1986, khi bằng sáng chế đầu tiên được cấp cho thiết bị tạo

khối (SLA) Bằng sáng chế này thuộc về Charles (Chuck) Hull, người đầu tiên

đã phát minh ra máy SLA vào năm 1983 Hull cũng là người đồng sáng

lậpTổng Công ty Hệ thống 3D - một trong những tổ chức lớn nhất và giàu cónhất hoạt động trong ngành in 3D hiện nay

Các công nghệ và quy trình in 3D khác cũng đang nổi lên trong những nămnày, cụ thể là Sản xuất bằng hạt Ballistic (BPM) được cấp bằng sáng chế bởiWilliam Masters, Laminated Object Manufacturing (LOM) ban đầu được cấpbằng sáng chế bởi Michael Feygin, Solid Ground Curing (SGC) do ItzchakPomerantz et Al và 'in ba chiều' (3DP) ban đầu được cấp bằng sáng chế bởiEmanuel Sachs et al Và do đó những năm chín mươi đầu chứng kiến sự giatăng số lượng các công ty cạnh tranh trong thị trường RP nhưng chỉ còn tồn tại 3công ty gốc cho tới nay - 3D Systems, EOS và Stratasys

Cho đến năm 2010, các công nghệ in 3D mới trở nên phổ biến, nguồn tài trợcủa chính phủ Mỹ cùng với gói hỗ trợ khởi động thương mại đã khuyến khíchcho sự phổ biến của công nghệ này và được sản xuất tới tay người tiêu dùng

3

Hình 1.2: Máy in 3D của Hoa Kì năm 2010

Trong những năm gần đây, ngành bắt đầu có dấu hiệu đa dạng hóa khác biệt với hai lĩnh vực trọng tâm cụ thể được xác định rõ ràng hơn ngày nay Thứ nhất,

đã có kết quả cao của in ấn 3D, hệ thống vẫn còn rất đắt tiền, được hướng tới sản xuất cho các ngành yêu cầu giá trị lớn,thiết kế lớn,phức tạp Điều này vẫn

đang tiếp diễn và đang phát triển - nhưng kết quả bây giờ chỉ bắt đầu trở nên rõ

ràng trong các ứng dụng sản xuất trong ngành hàng không, ô tô, y tế và đồ trang

sức, vì nhiều năm nghiên cứu và phát triển đã trở nên phong phú hơn Một khoản kinh phí lớn vẫn còn nợ hoặc theo các thoả thuận đã không được công bố

(NDA) Ở đầu kia của quang phổ, một số nhà sản xuất hệ thống in ấn 3D đã và

đang phát triển "khái niệm người mô hình", như chúng đã được gọi vào thời điểm đó Cụ thể, đây là những máy in 3D giữ trọng tâm vào việc cải thiện phát

triển khái niệm và tạo mẫu chức năng, được phát triển đặc biệt là các phòng thân

thiện với người dùng và các hệ thống tiết kiệm chi phí Sự mở đầu cho các máy

tính để bàn ngày nay Tuy nhiên, những hệ thống này vẫn còn rất nhiều đối với

các ứng dụng công nghiệp.

4

Hình 1.3: Dây truyền máy in 3D

2.1 Các phương pháp in

3D

Trên thế giới hiện có 4 công nghệ in 3D phổ biến nhất

2.2.Phương pháp thêu kết laser chọn lọc SLS

Hình 1.4 Phương pháp thêu kết laser chọn lọc SLS

a Giới thiệu:

SLS là công nghệ tạo mẫu dựa trên vật liệu dạng bột Sử dụng tia laser, côngnghệ SLS nung kết các loại vật liệu dạng bột khác nhau với nhau để tạo ra mẫudạng

rắn

Trong quá trình chế tạo, những phần vật liệu không nằm trong đường bao mặtcắt sẽ được lấy ra sau khi hoàn thành chi tiết, và được xem như bộ phận phụ trợ đểcho lớp mới được xây dựng Điều này có thể làm giảm thời gian chế tạo chi tiết khidùng phương pháp này,

Những chi tiết được chế tạo tương đối nhám và có những lỗ hỗng nhỏ trên bềmặt nên cần phải xử lý sau khi 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 quá trình cao (Higt Through-put) giúp cho quátrình tạo mẫu nhanh chóng

• Vât liệu an toàn, đa dạng, chi phí rẻ

• Không cần cơ cấu hỗ trợ (Non - Support)

• Giảm sự bóp méo do ứng suất

• Giảm các giai đoạn của quá trình hậu xử lý (như chỉ cần phun cát,.)

• Không cần xử lý tinh (Post-curing)

• Chế tạo cùng lúc nhiều chi tiết

d Nhược điểm:

• Độ bóng bề mặt thô.

• Lớp đầu tiên có thể đòi hỏi một đế tựa để giảm ảnh hưởng nhiệt (như uốnquăn, )

• Mật độ chi tiết không đồng nhất

• Thay đổi vật liệu cần phải làm sạch máy kỹ càng

2.2 Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA

Hình 1.6 Phương pháp tạo mẫu lập thể SL

Giới thiệu:

Đây là công nghệ sử dụng tia UV để làm cứng nhựa cảm quang tạo thành mẫuvững chắc theo từng lớp.Quá trình tương đối đơn giản nhưng hiệu quả, cho chínhxác cao Đến nay kĩ thuật SLA vẫn là phương pháp in chính xác nhất, mỗi lớp cóthể

mỏng tới 0,06mm Chi tiết in cần phải thêm các kết cấu trợ giúp để tăng độ cứng chitiết và để tránh cho phần chi tiết đã được tạo thành chìm trong chất lỏng không bịnổi

lên hoặc không bị trôi nổi tự do ở trong thùng

a. Vật liệu sử dụng:

Loại nhựa lỏng có khả năng đông đặc dưới tác dụng của các tia tử ngoại như:tia gama, tia cực tím, tia x, tia electron, phóng xạ của trường điện từ, như expoxy,actylates,

2.3 Phuơngpháp tạo mâu FDM

Hình 1 7 Phương pháp tạo mâu FDM

a Giới thiệu:

Là công nghệ xây dựng bằng cách kéo dài nhựa nóng chảy rồi hoá rắn từng lớptạo nên cấu trúc chi tiết đặc Vật liệu xây dựng trong cấu trúc của một sợi đặc mảnh,được dẫn từ một cuộn tới đầu chuyển động điều khiển bằng động cơ Khi sợi này tớiđầu dò nó được nung chảy bởi nhiệt độ sau đó nó được đẩy ra qua vòi phun lên mặtphẳng chi tiết

Khi vật liệu nóng chảy được đẩy ra, nó được san bằng nhờ vòi phun Độ rộngcủa đường trải có thể thay đổi trong khoảng từ 0,0076 đến 0,038 inc (từ 0,193mmđến 0,965 mm) và được xác định bằng kích thước của miệng phun.Miệng phunkhông

thể thay đổi trong quá trình tạo mẫu, vì thế việc phân tích mô hình phải được chọnlựa trước.Khi kim loại nóng chảy được san đều nó nguội nhanh khoảng 1/10(s) vàđông cứng lại Khi một lớp được phủ hoàn thành mặt phẳng giá đỡ di chuyển xuốngphía dưới một lớp mỏng thông thường từ 0,178mm đến 0,356mm và quá trình đượclặp lại

Chi tiết đang được chề tạo

311 tiết đờ

Vật liệu hỗ trợ Vật liệu chinh X Đẩu phun I f ■

Vật liệu cho công nghệ in FDM: nhựa ABS, PLA, Polycarbonate,

c Ưu điểm:

• Là công nghệ in 3D giá rẻ, thường sử dụng trong các sản phẩm chịu lực

• Tốc độ tạo hình 3D nhanh

d Nhược điểm:

• Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao

• Chỉ có thể dùng cho các vật liệu có dạng sợi

Bảng 1 1 Bảng tóm tắt các công nghệ in 3D

1.1 Ứng dụng

hình bộ phận con người như xương, răng, tai giả ) Công nghệ in 3D còn

hỗ trợ các thử nghiệm phương pháp và công nghệ y tế mới, tăng cườngnghiên cứu y khoa, giảng dạy và đào tạo đội ngũ y bác sĩ

• Trong giáo dục In 3D cũng có những ứng dụng thiết thực trong giáo dục,

đặc biệt liên quan đến các môn học khoa học, công nghệ, kỹ thuật và kỹnăng toán học Sinh viên có thể thiết kế và sản xuất các sản phẩm trong lớphọc và có cơ hội thử nghiệm các ý tưởng, vừa học vừa làm với máy in 3D.Cách làm này làm tăng hứng khởi học tập, làm việc theo nhóm, tươngtáctrong lớp học cũng như hỗ trợ khả năng sáng tạo, kỹ năng máy tính, và khảnăng tư duy ba chiều của sinh viên

• Kiến trúc và xây dựng dù mới chỉ ở giai đoạn đầu tiên nhưng đã có rất nhiều

nỗ lực được thực hiện thành công trong việc xây dựng các toà nhà bằng

các máy in 3D khổng lồ Vật liệu phổ biến nhất cho in xây dựng là nhựa,

bê tông và cát Phương pháp in 3D trong xây dựng có thể mang lại nhữngcải tiến đáng kể về chất lượng, tốc độ, chi phí, đặc biệt là trong chi phí laođộng, cải thiện tính linh hoạt, đảm bảo an toàn xây dựng và giảm các tácđộng môi trường

• Trong gia đình với chi phí thấp và sự tiện dụng, máy in 3D sẽ dần trở thành

một thiết bị trong gia đình bạn Máy in 3D để bàn cho phép bạn sản xuấtbất cứ thứ gì bạn muốn ngay trong căn nhà riêng của mình, tất nhiên là vớikích thước phù hợp với máy in và các nguyên liệu có thể có Các vật dụngyêu thích như đồ chơi, đồ dùng và đồ vật trang trí là những ứng dụng phổbiến nhất Nhờ máy in 3D để bàn, mỗi người có thể tự thiết kế và sản xuấtvật dụng theo yêu cầu riêng biệt, làm nên cá tính của bản thân

CHƯƠNG II : THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

i.Chọn công nghệ in

Căn cứ vào công nghệ in 3D đã tìm hiểu và kiến thức đã học, chúng em lựachọn máy in 3D cỡ nhỏ phù hợp vói khả năng tiếp cận của sinh viên

Lựa chọn thiết kế máy in 3D dạng Cartesian theo công nghệ FDM, sử dụng vật liệu

in ABS, PLA trên cơ sở sau:

• Công nghệ đơn giản hơn các phương pháp khác (SLA, SLS, LOM.) phùhợp với khả năng tiếp cận của sinh viên

• Phần mềm điều khiển mở dễ dàng tiếp cận với đối tượng sinh viên Cộngđồng in3D đông đảo dễ dàng trao đổi kinh nghiệm

• Giá thành thấp, vận hành đơn giản, linh kiện sẵn vận hành tại chỗ (cả phần

cơ khí và điều khiển)

• Dựa vào khảo sát các loại máy in 3D mini hiện có trên thị trường, tham khảokết cấu các mẫu máy kể trên và kết hợp với các điều kiện có sẵn (vật liệu,khả năng công nghệ chế tạo) Đề tài quyết định phương án thiết kế khungmáy dạng lắp ghép cơ sở chính nhôm tấm, cùng với các phụ kiện lắp ghép

đi kèm (con ốc, ke góc) có sẵn trên thị trường

Máy in 3D dạng Cartesian có ba trục chuyển động theo phương ngang, dọc và

thẳng đứng tướng ứng với 3 trục tọa độ xyz của hệ tọa độ descartes Trên trục sẽ có

hệ thống chuyển động giúp di chuyển đầu in theo những gì lập trình trên máy tínhthông qua các phần mềm hỗ trợ

II Lựa chọn laser

Công nghệ scan laser là một trong những ứng dụng của công nghệ đo không tiếpxúc Trong quá trình đo máy sử dụng chùm ánh sáng laser chiếu vào bề mặt của chitiết cần đo, chùm tia sáng được phản xạ lại từ bề mặt chi tiết được cảm ứng đo thulại đưa vào bộ phận biến đổi của máy đo và với sự hỗ trợ của máy tính và phầnmềm điều khiển đo cho ra kết quả của chi tiết đo dưới dạng đám mây điểm.

Nguyên lý số hóa dữ liệu quét 3D sử dụng công nghệ điện toán đám mâyđiểm để lấy số liệu Sau đó chúng ta dùng các phần mềm để làm mượt các bề mặt là

sơ đồ nguyên lý hoạt động của các hệ thống quét laser

Hình 2.1 Nguyên lý hoạt động của quét laser trong máy in 3D

Nguyên lý của scan giống như quá trình chụp ảnh thông thường, nhưng chụpảnh của scan laser là quá trình chụp ảnh các vật thể ở dạng ảnh 3 chiều trong khi đónếu là chụp ảnh thông thường thì chỉ là ảnh 2D Scan laser sử dụng cảm biến laser

và gắn vào một hệ thống máy đo, hệ thống này được định vị và được kiểm soátbằng máy tính, các máy đo dùng trong scan laser là các máy đo có thể gắn với máyCNC từ 3 đến 5 trục có kích thước tương đối lớn kết cấu khá vững chắc hoặc có thể

là mô hình máy xách tay rất nhỏ gọn

III Tính toán động cơ và truyền động

3.1 Bộ truyền đai trục X và trục Y

Truyền chuyển động của hai trục X Y về co bản là như nhau, thế nên, ta chỉxét một trường hợp dùng chung cho cả hai bộ truyền

Động cơ NEMA17 sử dụng răng đai GT2 và đai MXL Đây là những loại đaiđược chuẩn hoá đi kèm với puly tiêu chuẩn, dễ dàng tìm và mua được phù hợp vớiyêu cầu Ta chọn GT2 vì puly GT2 chống phản ứng dữ dội hơn.

a Quy trình tính toán bộ truyền đai

Xác định modun theo công thức: m = 353 N

Trong đó: P L : Công suất bánh đai chủ động [kw]

Characteristic values: Type T 5 (Steel tension member)*

2

Tính toán bánh đai:

- Tính số răng : Chọn theo tiêu chuẩn

Đường kính vòng chia: D =

Tính toán thông số bộ truyền:

Sau khi có modun bộ truyền, tiến hành tính thông số :

- Số răng bánh bị động : Z 2 = iZ 1

ĩ

Số răng đai: Zd = —

p

Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh đai nhỏ:

Góc a x góc ôm trên bánh đai nhỏ tính theo

m l : khối lượng đai sơ bộ

C 1 : hệ số ăn khớp bánh răng

C 2 : hệ số hoạt động

C 3 : hệ số tăng tốc e: khoảng cách trục [mm]

F Umax : lực kéo cực đại

m r : khối lượng trên một đơn vị dài của đai

e : khoảng cách giữa hai trục

.3.2 Kết quả tính toán chọn trục X,Y

Trục X :

Sơ đồ thời gian tăng tốc của hệ thống

Hình 2.2 Sơ đồ tăng tốc của hệ thống

Khối lượng đai sơ bộ: m = 0.01kg

Chọn sơ bộ đường kính bánh đai: D = 12mm

Tỉ số truyền: i = 1

Tốc độ quay bánh chủ động: N = 200rmp / ph

Tính chọn đai:

Bước đai

Tham khảo catolog của hãng SDP/SI chọn b=6mm

Chiều dài đai sẽ được tùy chỉnh sao cho phù hợp với hành trình của từng trục

l = 2e + zt = 2e + n Dt

Trong đó: D t được lấy sau khi chọn puley

Căn cứ theo thông số SDP/SI

BELTVVIDTHS VIETRi: -3,6&9mni

> SPECIPICATIONS Breal.ing Strength:

86 N por 1 mm (62 lbf 30r 1/8 in.) Bolt Width,

not representative of the load-carryĩng

capacity of the belt.

VVorking Tancion:

111 Nỉor 25.4mmbeh (25 lbf íor 1 in belt) For more intormatìon, see thetechnical section.

IRlk MEIK1C

> MATERIAL:

Neop'ene ■ Nyion lovereo, tDergiasỉ Kemtorceo

Spacel Widtts • cut to size trom

sleem available tron stock.

3 33 646 25.433

0 33 660 25 984

5 33 670 26 378

8 676 26.614 3« 690 27.165 34

8 35- 6 69 27.401

1 36 702 27 638

726 28 583

Suy ra ta chọn z=20 theo tiêu chuẩn mà hãng SPD/SI đã thiết kế

- Tính lại đường kính vòng chia:

n

Hình 2.4 Chọn Pulleys đai

3.3Bộ truyền đai trục Z

a, Chọn kiểu lắp vitme

Máy in 3d có tốc độ quay của vitme và tốc độ dịch chuyển của bàn máy là khônglớn, nhưng để đáp ứng yêu cầu sản phẩm khi gia công trên máy thì hệ thống dẫnhướng cần độ chính xác cao Do đó, lựa chọn kiểu lắp ổ đỡ chung cho vitme là 1đầu đỡ 1 đầu tựa

f : Hệ số phụ thuộc phương thức lắp đặt vít me:

b, Điều kiện làm việc :

Di chuyển khi không tải f x = p X Gxmax= 0.1 X 1 = 0.1kG

Di chuyển khi có tải f = p X (Gxmax + Pmax) = 0.1 X (1+ 0.1) = 0.11kG

Tốc độ quay cao nhất của động cơ : l > Vmax = 16000 = 8mm

m: tổng khối lượng lên vít me mx= Pmax+ Gxmax= 1+0.1 = 1.1kga: gia tốc, a= Vmax/At =

Famax= max (Fa1, Fa2, Fa4, Fa5, Fa6, Fa8) = 6.478NLực lớn nhất khi gia công:

Famax= max (Fa3, Fa7) = 2.078N

Ta được

Quy trình “ chạy nhanh” : Axial load F1= 6.478 Tốc độ 1600 Thời gian 30%

Quy trình “ gia công ” : Axial load F2= 2.078 Tốc độ 80 Thời gian 70%

Lực trung bình

2 5

Hình 2.5 Thông số kiểu lắp

2 6

•Chọn sơ bộ bước góc động cơ ỡ s = 1.8O

•Đường kính ngoài pulley: D=12.7mm

•Chiều cao pulley: L=19.1mm

•Quãng đường dịch chuyển: Sv=250mm

•Thời gian làm việc hết một chu trình: t0=0.067s

Windĩng Ohrns mH Torque Detent Inertia Rotor Weight Motor

Ty

ln Typ

3.5Hiệu chỉnh số bước/mm động cơ

Hệ thống có sử dọng động cơ bước được khái quát theo sơ đồ sau

Sơ đồ hệ thống sử dụng động cơ bước

Động cơ bước quay từng góc rất nhỏ ứng với tin hiệu điều khiển từ môđun Cần phải cấp tín hiệu cho động cơ bước để di chuyển cụm kết cấu đimột quảng đường 1mm tương ứng theo trục Như vậy, số bước/mm có thểphụ thuộc vào các yếu tố

Góc quay mỗi bước của động cơ : A ( 1.8 hoặc 0.9 độ)

• Chế độ điều khiển của môđun điều khiển: B (thường B = 1/16 với A4988

hoặc 1/32 với DRV8825)

• Tỉ số truyền của hệ truyền động tính từ trục của động cơ bước tới cơ cấu di

chuyển (đơn vị tính độ/mm), bao gồm: khoảng cách đỉnh răng (C - mm) của đai răng; số răng của puli dẫn động (D), tí số truyền cặp bánh răng dẫn động

(E), bước ren của vít me/trục ren F; đường kính puli/bulông tời nhựa G

Để đạt được kết quả chính xác nhất, ta cần phải hiệu chỉnh thực tế trên máy

in 3D

Các bước làm như sau:

3 1