ĐỒ án tốt NGHIỆP NGHIÊN cứu THIẾT kế và CHẾ tạo máy IN 3d cỡ NHỎ

TRƯỜNG ĐAI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỘ MÔN MÁY VÀ MA SÁT HỌC - KHĨA 56 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ Độc lập - Tự - Hạnh phúc NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NHIỆM VỤ THIẾT KẾ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D CỠ NHỎ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS BÙI TUẤN ANH Họ tên: Trần Quang Nam MSSV : 20168366 Khoa: CƠ KHÍ Bộ Mơn : MÁY VÀ MA SÁT HỌC NỘI DUNG THUYẾT MINH • • • • • LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG 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 TRƯỜNG ĐAI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI • • BỘ MƠN MÁY VÀ MA SÁT HỌC - KHĨA 56 LỜI KẾT TÀI LIỆU THAM KHẢO NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D CỠ NHỎ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS BÙI TUẤN ANH SINH VIÊN THỰC HIỆN: HOÀNG THIỆN TÀI - 20110675 TRẦN VĂN THÁI - 20100648 - Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ: Hà Nội, ngày tháng năm 20 MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D 10 1.1 Cơng nghệ in 3D gì? 10 1.2 Lịch sử hình thành phát triển 10 1.3 Công nghệ in 3D phổ biến 12 1.3.1 Phương pháp thêu kết laser chọn lọc SLS 12 1.3.2 Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA 14 1.3.3 Phương pháp tạo mẫu FDM 15 1.4 Ứng dụng 16 1.4.1 Ngành công nghiệp ô tô 16 1.4.2 Ngành thực phẩm 17 1.4.3 Y tế 17 1.4.4 Giáo dục 17 1.4.5 Kiến trúc xây dựng 18 1.4.6 Đời sống gia đình 18 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 19 2.1 Lựa chọn công nghệ thiết kế' máy in 3D 19 2.2 Tính tốn động cấu truyền động 21 2.2.1 Bộ truyền đai trục X Y 21 2.2.2 Tính tốn lựa chọn vít me trục Z 31 2.2.3 Lựa chọn động 35 2.2.4 Hiệu chỉnh số bước/mm động 41 2.3 Thiết kế' chi tiết khí 43 2.3.1 Các chi tiết khí lắp ghép 43 2.3.2 Các chi tiết nhựa in 3D 43 2.3.3 Khung máy 44 2.3.4 Mơ hình thiết kế hệ thống trục 45 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Phần mềm điều khiển 47 47 3.1.1 Firmware Marlin 47 3.1.2 Phần mềm cắt lớp 48 3.2 Hệ thống điều khiển 50 3.2.1 Arduino Mega 2560 51 3.2.2 Board Ramps 1.4 54 3.2.3 Điều khiển động bước A4988 56 CHƯƠNG IV: CHẾ TẠO VÀ VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM MÁY 58 4.1 Thiết kế mẫu 58 4.2 Thiết lập thông số' điều khiển 58 4.2.1 Thiết lập Marlin 59 4.2.2 Thiết lập Rêptierhost 67 4.3 Thử nghiệm gia công 73 4.3.1 Tượng ông di lạc phát tài 73 4.3.2 Bộ nhựa in xây dựng máy in 76 LỜI KẾT 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 2.Các bước trình in 3D sản phẩm 3.Máy in 3D RepRap 4.Máy in 3D nhiều vật liệu lúc Connex500™ 5.Mạch máu in công nghệ máy in 3D 6.Hàm in công nghệ máy in 3D 7.Phương pháp thêu kết laser chọn lọc SLS 8.Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA 9.Phương pháp tạo mẫu FDM 10.Ứng dụng công nghệ in 3D: Xe Urbee 11.Ứng dụng công nghệ in 3D thực phẩm 12.Một hàm titan đúc từ máy in công nghệ 3D 13.Ứng dụng in 3D địa lý - địa chất 14.Công nghệ in 3D áp dụng xây dựng 15.Ứng dụng công nghệ in 3D đồ chơi 10 11 11 12 12 12 14 15 16 17 17 17 18 18 Hình 1.Các phận máy in 3D thiết kế Solidworks Hình 2.Các bước tính tốn Hình 3.Sơ đồ truyền đai Hình 4.Sơ đồ thời gian tăng tốc hệ thống Hình 5.Bộ truyền đai với thơng số' sơ Hình 6.Chọn dây đai Hình 7.Chọn pulley Hình Biểu đồ hoạt động Hình Chọn động Hình 10.Mơ hình khung máy Hình 11.Mơ hình trục X Hình 12.Mơ hình trục Y Hình 13.Mơ hình truc Z Hình 14 Mơ hình thiết kế máy in 3D 20 21 21 27 28 29 30 39 41 44 45 45 46 46 Hình 1.Giao diện Cura Ultimaker Hình Sơ đồ điều khiển Hình 3 Sơ đồ hoạt động Hình Kit Arduino MEGA Hình Arduino IDE Hình Pin Mapping Hình Ramps 1.4 Hình Sơ đồ Ramps 1.4 49 50 50 51 52 53 54 55 Hình Sơ đồ A49988 56 Hình Quá trình in 3D Hình Điều chỉnh Marlin Hình Chọn cổng kết nối tốc độ giao tiếp Hình 4 Chọn mạch Hình Chọn cảm biến nhiệt Hình Thiết lập nhiệt độ Hình Điều chỉnh PID Hình Cơng tắc hành trình (Endstop) Hình Cài đặt Endstop Hình 10 Cài đặt Endstop Hình 11 Thiết lập chuyển động Hình 12 Thiết lập giá trị gia tố'c Hình 13 Cài đặt tố'c độ giật lại (Jerk) Hình 16 Giới hạn hành trình Hình 17 Cài đặt SD Card Hình 18 LCD Module Hình 19 Sơ đồ mạch LCD and SD Card Hình 20 Cài đặt Discount Smart Controller Hình 21 Thiết lập kích thước in Hình 22 Thiết lập chiều cao lớp Hình 23 Thiết lập độ dày tường Hình 24 Infill patterns Hình 25 Ví dụ Infill pattern Hình 26 Thiết lập tốc độ in Hình 27 Thiết lập vật liệu Hình 28 Xuất file gcode Hình 29 khối lập phương XYZ Hình 30 Thiết lập thơng số Hình 31 Sản phẩm thực tế tượng ơngdi lạc Hình 32 Thiết lập thơng số Hình 33 Thiết lập lớp hỗ trợ Hình 34 Sản phẩm thực tế ơng dilạc lọ hoa 59 59 60 60 61 61 62 63 63 64 64 64 65 65 66 66 67 67 68 68 69 70 70 71 72 73 73 74 75 76 77 77 MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Bảng tóm tắt cơng nghệ in 3D 16 Bảng Tra thông số khối lượng đai M r Bảng 2 Kí hiệu sử dụng Bảng Giá trị hệ số' hoạt động C2 Bảng Giá trị hệ số' tăng tố'c C3 Bảng Tra lực kéo yêu cầu Bảng Tải trọng tác dụng lên vitme Bảng Hệ số' bền động fw Bảng Bảng kết lực tải trọng động Bảng Kiểm tra tỉ lệ tăng giảm tố'c 23 24 25 25 26 33 34 34 38 n Bảng 10 Hệ số' lì Bảng 11 Hệ số' qn tính Bảng 12 Chi tiết khí 38 38 43 Bảng Các phần mềm cắt lớp phổ biế'n Bảng Thông số' kĩ thuật Bảng 3 Thông số' kỹ thuật Bảng Microstep Resolution Bảng Linh kiện điện tử 49 51 56 57 57 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, công nghệ in 3D phát triển đến mức ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Trong kỹ thuật in 3D giúp tạo nên mẫu vật thể cách nhanh chóng xác Đặc biệt y học ứng dụng nhiều vào việc tạo mẫu phận thể người, giúp cho trình chữa bệnh thành công Với người khuyết tật, in 3D giúp tạo chân tay giả với chi phí tiết kiệm nhiều Vì vậy, với ứng dụng rộng rãi chúng em lựa chọn nghiên cứu máy in 3D để thực đồ án tốt nghiệp Những kiến thức lực đạt trình học tập trường đánh giá qua đợt làm bảo vệ đồ án tốt nghiệp Chúng em cố gắng tận dụng tất kiến thức học trường với tìm tịi nghiên cứu, để hồn thành tốt đồ án tốt nghiệp Kết sản phẩm đạt ngày hơm khơng lớn lao thành năm tháng học trường thành công thân trước trường Chúng em muốn bày tỏ lòng biết ơn giúp đỡ Trường, Viện, Bộ môn, đặc biệt Tiến sĩ Bùi Tuấn Anh, người hướng dẫn chúng em Trong suốt q trình hồn thành đồ án, thầy ln khuyến khích nghiên cứu tài liệu sản phẩm chất lượng, việc cung cấp nhận xét chi tiết Nhờ vào cống hiến nhiệt tình thầy việc hướng dẫn, chúng em hồn thiện đồ án với chất lượng đạt yêu cầu Hà Nội, ngày tháng năm Sinh viên thực HOÀNG THIỆN TÀI TRẦN VĂN THÁI CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D 1.1 Cơng nghệ in 3D gì? Cơng nghệ in 3D hay công nghệ tạo mẫu nhanh cách thức để thực việc in 3D, hay cách thức để máy in 3D hoạt động Ngày công nghệ in 3D phát triển đa dạng, với sản phẩm 3D in với nhiều loại vật liệu khác nhau, vật liệu dạng khối, dạng lỏng, dạng bột bụi Với loại vật liệu có nhiều phương thức để in sử dụng tia laser, dụng cụ cắt, đùn ép nhựa Hình 1 Các bước trình in 3D sản phẩm Đơn giản hơn, Công nghệ in 3D q trình tạo mơ hình vật lý (mẫu thực) từ mơ hình số hóa (mẫu thiết kế 3D máy tính) cách tự động thơng qua máy in 3D 1.2 Lịch sử hình thành phát triển • 1984 Charles Hull phát triển cơng nghệ tạo vật thể hữa hình vật lý 3D từ liệu số • 1986 Charles Hull đặt tên cho cơng nghệ Stereolithography đăng ký quyền phát minh Charles Hull thành lập cơng ty 3D System phát triển máy in 3D thương mại gọi Stereolithography Apparatus (SLA) • Cùng năm phát minh LOM, SLS, DTM, EOS đăng ký quyền • 1988 - Scott Crump phát minh cơng nghệ Fused Deposition Modeling (FDM) Hình 19 Thiết lập kích thước in Trong phần này, thiết lập kích thước in Máy in 3D Vì khơng gian làm việc 170 x 170 x 200 nên tham số đặt đây: o X (ChiềuRộng): 185 mm o Y (Chiều sâu): 170 mm o Z (Chiều cao): 200 mm Đầu phun sử dụng Máy in 3D có đường kính 0,4 mm Do đó, Kích cỡ ống phun đặt 0,4 mm b Chiều cao lớp (Layer height) Print Settings Print Contĩguration: Detault ’ Adhesion Type: None T Quality: 0.2 mm '■ TouchingBed ’ Suppcirt Type: Hình 20 Thiết lập chiều cao lớp Giá trị chiều cao lớp thấp đường kính vịi phun Khi sử dụng vịi phun đường kính 0,4 mm 0,2 mm giá trị thuận lợi cho chiều cao lớp Tuy nhiên, người ta giảm giá trị để có độ xác cao c Độ dày tường (Wall thickness) -|nfill Shell Thickness: [mm] Top/Bottom Thickness: |Ữ8 [mm] Intĩll Overlap: |50 Intĩll Pattern: Solid Top Intìll [% ] Automatic ự Solid Bottom Intĩll Hình 21 Thiết lập độ dày tường Có thể chọn độ dày tường dựa số lượng đường viền độ dày Chiều dày đường 0,4 mm Thông thường, người ta chọn đường 0.8 mm d Độ đặc (Infill density) 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 20% sử dụng cho mơ hình có mục giác, mật độ cao sử dụng cho phận sử dụng lực e Mầu 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 ngồi 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 tồn in • Zig Zag: Một lưới infill hình, in liên tục theo hướng chéo Hình 22 Infill patterns Ví dụ: Hình 23 Ví dụ Infill pattern Chi tiết hình có mật độ infill 20% grid infill f Tốc độ in (Print Speed) J nnt Contiguration Type: y Enable Cooling Fĩlament Settings: Hình 24 Thiết lập tốc độ in Máy chạy ổn định với tốc độ 80mm/s Khi in vật thể to, ta đặt tốc độ in tường lên 80mm/s tốc độ infill 180mm/s Còn in chi tiết bé, ta nên để tốc độ thấp 40 mm/s, tốc độ infill 5060mm/s để tránh sai số giảm thiểu độ rung máy g Vật liệu (Material) Print Filament Deíanlt Vài liệu sử dụng để in sợi PLA, có đường kính 1,75 mm Vì vậy, phần Material, thiết lập đường kính 1,75mm Nên nung chảy sợi PLA từ 1900C đến 2200C Và 2050C lựa chọn phù hợp Build Plate temperature nhiệt độ bàn gia nhiệt in 60oC giá trị mặc định REPRAP Community lựa chọn Tuy nhiên, môi trường lạnh, nên sử dụng giá trị cao Ví dụ: 700C h G-code export Hình 26 Xuất file gcode Sau thiết lập xong, xuất mã G cách nhấp vào nút "Silce with curaengine" Một tệp tin văn bao gồm mã G tạo , sau ấn save to file lưu vào thẻ nhớ Hoặc ta kết nối với máy tính ấn printer để in cài đặt xác định vị trí in vật thể bàn in Chuyển tệp văn sang Thẻ SD để Máy in 3D đọc tệp 4.3 Thử nghiệm gia công 4.3.1 Tương ôngphât di lạc Hình 27 Tượng ơngphât di lạc Để in mẫu hình trên, cần thiết lập tham số repeiterhost hình đây: Hình 28 Thiết lập thông số 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 hon lớp đun nóng Khối lập phưong 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 hon tạo độ rung mạnh gây thiếu xác Như thấy hình trên, tốc độ để in là: • 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 Dưới hình ảnh sản phẩm này: Hình 29 Sản phẩm thực tế tượng ơng di lạc 4.3.2 Bồ nhựa làm máy in 3D 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 Hình 32 Một số sản phẩm thực tế lọ hoa 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 TS Bùi Tuấn Anh hướng dẫn tận tình để chúng em hoàn 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! 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 công nghiệp NXB KHKT, 2001- Bùi Quí Lực [4] Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ NXB KHKT, 2001- Tạ Duy Liêm [5] Giáo trình phương pháp gia cơng đặc biệt, NXB KH&KT, Hà Nội, 2010- Đinh Minh Diệm [6] Cộng đồng điện tử Việt Nam [7] Diễn đàn khí tự động hóa [8] Cộng đồng Arduino Việt Nam Http://codientu org [9] Micromen Mechatronics Http://meslab org [10] Nhà sản xuất máy in 3D Việt Nam Http://A rduino Http://mme Http://3dmaker [11] Thingiverse- Digital Design for Physical Objects [12] PMI product catalog [13] IKO linear wl catalog Http://thingiverse com ... nghệ thiết kế máy in 3D Căn vào công nghệ in 3D tìn hiểu theo yêu cầu đề tài nghiên cứ, thiết kế máy in 3D cỡ nhỏ phù hợp với khả tiếp cận sinh viên Do nhóm định lựa chọn thiết kế máy in 3D dạng... BỘ MƠN MÁY VÀ MA SÁT HỌC - KHĨA 56 LỜI KẾT TÀI LIỆU THAM KHẢO NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D CỠ NHỎ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS BÙI TUẤN ANH SINH VIÊN... máu in công nghệ máy in 3D người phụ nữ 83 tuổi bị nhiễm trùng xương mãn tính Hình 1.5 Tim nhân tạo in công nghệ máy in 3D Hình Hàm in cơng nghệ máy in 3D Qua hình thành đời công nghệ in 3D ta