1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÁY IN 3D MINI COREXY NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN LÊ HỒNG HIỆU Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Hà Đức Hiếu 1711040176 17DCKA1 Nguyễn Minh Tiến 1711040574 17DCKA1 Phạm Phú Thành 1711040233 17DCKA1 TP Hồ Chí Minh, tháng BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH 7 LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn trân thành tới trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, viện Kỹ thuật cùng toàn thể các thầy, cô giáo đã tận t.
GIỚI THIỆU
Giới thiệu về công nghệ in 3D
Công nghệ in 3D là quy trình sản xuất các vật liệu như nhựa, kim loại và nhiều chất liệu khác bằng cách xếp chồng từng lớp để tạo ra các vật thể 3 chiều.
Hình 1.1 In 3D theo xếp chồng các lớp [8]
Tùy vào cách thức xếp chồng và xây dựng mô hình 3D và vật liệu cấu thành, công nghệ in 3D được phân thành 3 nhóm chính sau:
Công nghệ in 3D sử dụng vật liệu in 3D dạng nhựa dẻo và phi kim loại
Công nghệ in 3D từ vật liệu kim loại
Công nghệ in 3D sử dụng vật liệu hữu cơ
Công nghệ in 3D là một phát minh đầy hứa hẹn với tiềm năng phát triển lớn trong tương lai, đặc biệt trong việc sản xuất sản phẩm nhanh chóng, chất lượng và tiết kiệm chi phí Chúng tôi đã chọn nghiên cứu đề tài “Thiết kế và nghiên cứu máy in 3D Corexy” để bảo vệ đồ án tốt nghiệp đại học Hy vọng rằng kết quả của nghiên cứu này sẽ mang lại những đóng góp tích cực cho lĩnh vực in 3D.
18 là sẽ hoàn thiện được hệ thống máy in 3D tạo mẫu nhanh chóng, cho ra sản phẩm chất lượng tốt nhất với chi phí giá thành thấp nhất.
Một số công nghệ in 3D hiện có
a) Công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling)
Hình 1.2 Máy in công nghệ FDM – CFF Markforged X7
Máy in 3D sử dụng công nghệ FDM hoạt động bằng cách đùn nhựa nóng chảy và hóa rắn từng lớp, tạo ra cấu trúc chi tiết dạng khối Công nghệ này đã được thương mại hóa từ năm 1991 và hiện đang phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam nhờ vào giá thành máy và vật liệu in 3D thấp Trong khi đó, công nghệ SLA (Stereolithography) được Chuck Hull phát triển vào năm 1983, sử dụng tia UV để làm cứng từng lớp vật liệu in 3D là nhựa lỏng.
Công nghệ in 3D SLA sử dụng nhiều lớp, với độ dày lớp in từ 0.06 đến 0.1 mm, tạo ra sản phẩm nhựa chất lượng cao Đây là công nghệ in 3D tốt nhất hiện nay, với độ phân giải và độ mịn vượt trội SLA được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất giày dép, đặc biệt cho các thương hiệu lớn như Nike và Adidas, nhằm in 3D khuôn giày và tạo mẫu đế giày một cách nhanh chóng.
Hình 1.3 Máy in 3d sử dụng công nghệ SLA c) Công nghệ DLP (Digital Light Processing)
Công nghệ DLP, được phát minh bởi Larry Hornbeck vào năm 1987, đã trở thành một phần quan trọng trong máy chiếu DLP hoạt động dựa trên một mạng lưới máy tính điều khiển vi-gương trên chip bán dẫn, cho phép các gương nhỏ nghiêng để tạo ra các điểm ảnh sáng và tối Công nghệ này không chỉ được ứng dụng trong máy chiếu phim và điện thoại di động mà còn trong in ấn 3D, mang lại lợi ích lớn về tốc độ in ấn, cho phép in các lớp nhanh chóng với máy in 3D DLP.
20 yếu được sử dụng trong môi trường chuyên nghiệp Đây là loại máy in 3D tốc độ cao với độ phân giải tuyệt vời [6]
Hình 1.4 Máy in 3d sử dụng công nghệ DLP d) Công nghệ SLS (Selective Laser Sintering)
Công nghệ SLS hoạt động tương tự như SLA, nhưng sử dụng vật liệu dạng bột và có thể tạo lớp bằng keo chuyên dụng hoặc tia laser, tia UV Máy in 3D SLS yêu cầu laser công suất lớn, tuy nhiên, giá thành của nó khá cao đối với người tiêu dùng phổ thông.
Công nghệ SLM (Selective Laser Melting) là một phương pháp in 3D kim loại sử dụng vật liệu dạng bột như titan, nhôm, đồng và thép SLM hoạt động tương tự như các công nghệ SLA và SLS nhưng sử dụng tia laser cường độ lớn thay vì tia UV Vật liệu phổ biến trong SLM bao gồm thép không gỉ, nhôm, titan và cobalt chrome, cho phép tạo ra các bộ phận có hình học phức tạp và cấu trúc mỏng, thích hợp cho ngành hàng không vũ trụ và y tế Tuy nhiên, do chi phí cao của thiết bị và vật liệu, công nghệ này chưa phát triển mạnh tại Việt Nam, mặc dù một số đơn vị nha khoa đã ứng dụng máy in 3D kim loại để sản xuất răng Giá máy in 3D kim loại hiện nay từ 200.000 USD trở lên Các quốc gia đi đầu trong sản xuất và ứng dụng công nghệ này bao gồm Trung Quốc, Mỹ, Đức và Ý.
22 f) Công nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing)
Hình 1.6 Sản phẩm từ công nghệ in EBM và LOM
Công nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing) sử dụng các lớp giấy, nhựa hoặc kim loại mỏng dính được hợp nhất dưới nhiệt và áp suất, sau đó được định hình bằng cắt laser hoặc dao Quá trình tạo ra các đối tượng 3D diễn ra lớp-by-lớp, và sau khi loại bỏ vật liệu thừa, sản phẩm có thể được đánh giấy ráp hoặc sơn Mặc dù kích thước của máy in 3D LOM nhỏ hơn so với SLA hay SLS, nhưng đây là một trong những phương pháp in ấn tiết kiệm chi phí và nhanh chóng nhất để tạo ra các bộ phận lớn, đồng thời cho phép in 3D với màu sắc phong phú.
Kỹ thuật EBM, trái ngược với SLM, sử dụng chùm tia điện tử được điều khiển bởi máy tính trong môi trường chân không để làm tan chảy hoàn toàn bột kim loại Quá trình này diễn ra ở nhiệt độ cao, mang lại hiệu quả tối ưu trong sản xuất.
Máy in 3D có khả năng hoạt động ở nhiệt độ 1000 °C, cho phép sử dụng các loại kim loại như titan tinh khiết, Inconel718 và Inconel625 để sản xuất phụ tùng cho ngành hàng không vũ trụ và cấy ghép y tế Tuy nhiên, so với các công nghệ in 3D hiện tại, nó vẫn còn chậm và tốn kém.
23 h) Công nghệ MJ (Material Jetting/Wax Casting)
Công nghệ phun chất liệu mới, được gọi là "đúc sáp," đã được các kim hoàn sử dụng trong nhiều thế kỷ Quá trình đúc sáp, hay còn gọi là đúc đầu tư, cho phép tạo ra đồ trang sức tùy chỉnh với chất lượng cao từ nhiều loại kim loại khác nhau Với sự phát triển của in ấn 3D, giờ đây có thể tự động hóa quá trình đúc sáp, mang lại nhiều cơ hội mới cho các thợ kim hoàn Nếu bạn là một thợ kim hoàn hoặc muốn thử nghiệm với phôi, việc sử dụng công nghệ in 3D là một lựa chọn tuyệt vời Hiện nay, trên thị trường có một số máy in sáp 3D chuyên nghiệp để bạn khám phá.
Công nghệ in 3D "Wax Jet" từ Statasys cho phép bạn thử nghiệm mà không cần phải sở hữu máy in Bạn có thể sử dụng dịch vụ in 3D như Shapeways hoặc Sculpteo, nơi họ áp dụng công nghệ Vật liệu phun hoặc Multijet Modeling (MJM) để đáp ứng nhu cầu in ấn của bạn.
TỔNG QUAN GIẢI PHÁP
Những đặc điểm cần quan tâm về công nghệ in 3D
Một trong những lợi thế lớn nhất của in 3D là khả năng tạo mẫu nhanh, cho phép thiết kế, sản xuất và kiểm tra chi tiết tùy chỉnh trong thời gian ngắn Điều này giúp dễ dàng sửa đổi thiết kế mà không làm chậm quá trình sản xuất.
Trước khi công nghệ in 3D trở thành một phương pháp sản xuất chính thống, việc tạo ra một nguyên mẫu thường mất vài tuần Mỗi thay đổi trong thiết kế lại kéo dài thêm thời gian, dẫn đến việc sản phẩm có thể mất tới một năm để hoàn thiện từ đầu đến cuối, bao gồm cả thời gian vận chuyển.
Trong thời đại 3D hiện đại, doanh nghiệp có thể thiết kế và sản xuất các bộ phận bằng máy in 3D chuyên nghiệp, sau đó tiến hành thử nghiệm chỉ trong vài ngày hoặc thậm chí nhanh hơn Điều này giúp rút ngắn thời gian cần thiết để tạo nguyên mẫu từ đầu đến cuối, đạt hiệu quả tối đa trong quy trình phát triển sản phẩm.
In 3D là lựa chọn tối ưu cho các hoạt động sản xuất và tạo mẫu nhỏ nhờ vào tốc độ nhanh chóng Tuy nhiên, khi cần sản xuất hàng loạt một sản phẩm hoàn chỉnh, các hệ thống sản xuất truyền thống vẫn chiếm ưu thế hơn in 3D trong thời gian dài.
Sản xuất chi tiết hoặc nguyên mẫu duy nhất bằng công nghệ 3D thường nhanh hơn, trong khi các phương pháp sản xuất truyền thống lại hiệu quả hơn trong việc gia tăng tốc độ sản xuất hàng loạt cho các chi tiết hoàn thiện.
In 3D printing, chi phí cho các hoạt động nhỏ thường rẻ hơn vì chỉ cần một hoặc hai máy để sản xuất một bộ phận từ vật liệu nhất định Quá trình này cũng tạo ra ít chất thải hơn và không yêu cầu thêm vật liệu, dẫn đến việc chi phí cho mỗi bộ phận từ máy in 3D được cố định cho bất kỳ bộ phận nào.
Quy trình sản xuất truyền thống cho phép sản xuất hàng loạt các bộ phận với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn trong thời gian ngắn hơn, dẫn đến việc tạo ra một số lượng lớn sản phẩm Sau khi tính toán chi phí ban đầu để chế tạo công cụ, chi phí cho mỗi chi tiết thường không cao hơn nhiều so với vật liệu sử dụng Tuy nhiên, sự kết hợp giữa chi phí đầu tư ban đầu vào máy móc và tốc độ sản xuất truyền thống có thể khiến việc duy trì hệ thống in 3D để sản xuất cùng một bộ phận trở nên kém hiệu quả và tốn kém hơn.
Chi phí vận hành và bảo trì máy in 3D sẽ khác nhau tùy thuộc vào các bộ phận được sản xuất, ảnh hưởng đến khả năng cạnh tranh trong ngành công nghiệp.
Hạn chế lớn nhất của in 3D là chất lượng sản phẩm cuối cùng, do cách các lớp được xếp chồng lên nhau, dẫn đến điểm yếu trong thiết kế Mặc dù có thể thiết kế để giảm thiểu điểm yếu này, như giữ các tính năng song song với đế in, nhưng điều này gây khó khăn cho việc tạo ra các bộ phận chất lượng cao cho công nghiệp Thêm vào đó, quá trình xếp lớp tạo ra các đường nét không thể tránh khỏi trên sản phẩm, làm giảm sự hấp dẫn trực quan Mặc dù có phương pháp hoàn thiện để làm cho các lớp này trở nên vô hình, nhưng điều này yêu cầu nhiều thời gian và công sức hơn so với các phương pháp sản xuất khác.
Trong quy trình sản xuất truyền thống như ép phun, một tỷ lệ phần trăm nhất định của lô phụ tùng có thể gặp lỗi hoặc không đồng nhất về chất lượng Tuy nhiên, nhờ vào những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ sản xuất công nghiệp, tỷ lệ này hiện chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong tổng số bộ phận được sản xuất trong một khoảng thời gian nhất định.
Quy trình in 3D phức tạp hơn do các bộ phận được in liên tiếp, cho phép theo dõi từng bản in và phát hiện lỗi trong thời gian thực, giảm thiểu số lượng bộ phận hỏng và lãng phí vật liệu Tuy nhiên, có thể xảy ra sự không nhất quán nhỏ trong quá trình in do biến đổi trong chất lượng vật liệu và môi trường xung quanh Để đảm bảo các bộ phận hoàn toàn phù hợp, việc bảo trì máy móc và kiểm soát môi trường là rất quan trọng.
Một lợi ích đáng chú ý của công nghệ in 3D là khả năng sản xuất đa dạng các sản phẩm phù hợp với kích thước xây dựng của từng loại máy in.
Trong quy trình sản xuất, mọi thay đổi trong thiết kế bộ phận thường yêu cầu chế tạo công cụ hoặc khuôn mới Tuy nhiên, với công nghệ in 3D, thiết kế có thể được chuyển đổi trực tiếp thành chi tiết mềm mà không cần thay đổi nhiều về máy móc hay thiết bị, đồng thời chỉ cần thêm các hỗ trợ cần thiết trước khi tiến hành in.
Một trong những lợi thế nổi bật của công nghệ in 3D là khả năng sản xuất các thiết kế hình học phức tạp mà trước đây không thể chế tạo được Những thiết kế này mở ra nhiều cơ hội mới trong việc tạo ra các chi tiết và bộ phận độc đáo.
Tạo khối rỗng ở trong chi tiết
Các bộ phận trong các bộ phận
Cơ chế in tại chỗ
In 3D printing, những kiểu họa tiết rỗng thường quá phức tạp để sản xuất bằng các phương pháp truyền thống, khiến chúng trở thành đặc trưng riêng của công nghệ này Ngoài ra, khả năng sử dụng nhiều vật liệu cho một đối tượng giúp tạo ra sự phong phú về màu sắc, kết cấu và tính chất cơ học, mang lại nhiều tùy chọn sáng tạo cho người dùng.
Ứng dụng in 3D trong các lĩnh vực khác nhau
a) Thiết kế quần áo, phụ kiện trang sức
Trong show diễn thời trang Victoria's Secret 2013, các người mẫu đã trình diễn nhiều phụ kiện trang sức lấp lánh, đặc biệt là những món đồ được chế tác từ công nghệ in 3D.
Theo nhà thiết kế Iris van Herpen, trong tương lai, công nghệ 3D như máy quét và in 3D sẽ cho phép tạo ra trang phục vừa vặn với từng người chỉ trong thời gian ngắn Đây sẽ là một bước đột phá lớn, làm thay đổi hoàn toàn ngành thời trang và phụ kiện.
Hình 2.1 Đôi giày được sản xuất từ máy in 3D [9] b) Ứng dụng y học, sản xuất bộ phận cơ thể người
Các nhà khoa học đã ứng dụng công nghệ in 3D và máy quét 3D để sản xuất các bộ phận giả như chân, tay, răng và xương với độ chính xác cao và khả năng chuyển động linh hoạt Điều đặc biệt là chi phí sản xuất các bộ phận này thông qua công nghệ in 3D chỉ khoảng vài trăm đô la, giảm đáng kể so với mức giá hàng nghìn đô la như trước đây.
Một số nhà khoa học đang nghiên cứu sản xuất thử nghiệm các bộ phận cơ thể phức tạp, như nội tạng, thông qua công nghệ in 3D và công nghệ tách tế bào Những bộ phận này có khả năng "sống" và thực hiện chức năng tương đương với các bộ phận gốc trong cơ thể người.
Công nghệ in 3D đang revolution hóa ngành sản xuất linh kiện, cho phép tạo ra các chi tiết từ đơn giản đến phức tạp một cách hiệu quả Việc áp dụng in 3D không chỉ tăng năng suất mà còn giảm chi phí sản xuất so với phương pháp truyền thống.
Hình 2.3 Một cánh quạt phức tạp được tạo ra từ máy in 3D [9]
Công nghệ in 3D mang lại khả năng sửa chữa và thay thế linh kiện hư hỏng một cách dễ dàng, bất kể linh kiện đó có hiếm hay không còn được sản xuất Để thực hiện điều này, người dùng cần có file dữ liệu thiết kế của linh kiện cần chế tạo Hiện nay, trên trang web Thingiverse, có sẵn hơn 2.500 bản thiết kế linh kiện thay thế cho nhiều loại đồ vật khác nhau.
Một công ty xây dựng đã áp dụng công nghệ in 3D quy mô lớn để hoàn thành 10 ngôi nhà chỉ trong 24 giờ, điều mà phương pháp xây dựng truyền thống khó có thể thực hiện được.
Họ sử dụng công nghệ in 3D để phun xi-măng và vật liệu thay thế bê-tông, giúp xây dựng một ngôi nhà hoàn chỉnh với chi phí chỉ 5.000 USD Mặc dù kích thước ngôi nhà ban đầu còn nhỏ, nhưng quá trình hoàn thiện sẽ cần thêm thời gian.
PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
Trên thế giới
Các nhà khoa học Đức đã phát hiện ra phương pháp tái tạo chính xác hóa thạch xương khủng long bằng công nghệ in 3D Họ thực hiện chụp X-quang mẫu hóa thạch gốc và lưu trữ dữ liệu trong máy tính Bằng cách kết hợp kỹ thuật in 3D với dữ liệu đã lưu trữ, các nhà khoa học đã thành công trong việc tạo ra bản sao hóa thạch chính xác.
Hình 3.1 Hóa thạch xương khủng long [10]
Hãng Solid Concepts đã tiên phong trong việc sản xuất khẩu súng kim loại đầu tiên trên thế giới bằng công nghệ in 3D, với khả năng bắn 50 viên đạn trước khi chính thức ra mắt công chúng.
Kỹ sư cơ khí Anjan Contractor đã giành giải thưởng 125.000 USD từ NASA nhờ phát minh máy in bánh pizza, nhằm phát triển phương pháp chế biến thực phẩm cho phi hành gia trong các chuyến bay dài Máy in của Contractor sử dụng các lớp bột nhào, phô mai và protein để tạo ra bánh pizza.
Tại Việt Nam
Công nghệ in 3D tại Việt Nam đã đạt được những thành tựu đáng kể, như trường hợp bệnh nhân L.N.T 17 tuổi tại bệnh viện Chợ Rẫy, người bị chấn thương sọ não nghiêm trọng với lỗ thủng rộng gần 140mm Sau quá trình nghiên cứu, các bác sĩ đã sử dụng mảnh sọ nhân tạo bằng methyl methacrylate để vá vào chỗ vỡ Vào ngày 14/3, phẫu thuật đã được thực hiện và sau thời gian theo dõi, bệnh viện xác nhận miếng ghép hoạt động rất tốt, bệnh nhân đã bình phục Phương pháp phẫu thuật này không chỉ rút ngắn thời gian điều trị mà còn mang lại tính thẩm mỹ cao, độ chính xác vượt trội và giảm đáng kể chi phí cho ca mổ, đánh dấu bước ngoặt quan trọng của công nghệ in 3D tại Việt Nam.
Kết luận
Công nghệ in 3D đã mở ra nhiều cơ hội mới với nguyên lý hoạt động dựa trên việc tạo ra sản phẩm theo từng lớp Ứng dụng của nó rất đa dạng, từ công nghiệp, y tế, vũ trụ đến giáo dục và nghiên cứu khoa học Với tiềm năng phát triển lớn, in 3D hứa hẹn sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực trong tương lai.
Mặc dù in 3D có khả năng sản xuất sản phẩm một cách kỳ diệu, nhưng việc ứng dụng rộng rãi vẫn còn hạn chế do chi phí sản xuất cao Để khắc phục vấn đề này, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm tìm ra phương pháp tối ưu Hiện nay, có 9 công nghệ in 3D cơ bản, bao gồm: FDM (Fused Deposition Modeling), SLA (Stereolithography), DLP (Digital Processing), SLS (Selective Laser Sintering), SLM (Selective Laser Melting), EBM (Electron Beam Melting), LOM (Laminated Object Manufacturing), BJ (Binder Jetting), và MJ (Material Jetting/Wax Casting).
Máy in 3D theo công nghệ FDM đang trở nên phổ biến tại thị trường Việt Nam Tuy nhiên, do ngành in 3D vẫn chưa phát triển mạnh mẽ trong nước, chi phí sản xuất máy vẫn còn cao, dẫn đến giá thành của máy in 3D vượt quá khả năng chi trả của nhiều người dân.
Bảng 3.1 So sánh tính năng và giá thành một số loại máy in 3D FDM [7]
Nhà sản xuất Sản phẩm Độ phân giải
Chúng ta đã phân tích các ưu điểm của công nghệ in 3D, bao gồm tốc độ, độ linh hoạt và chi phí sản xuất nhỏ lẻ, nhưng cũng nhận thấy nhiều hạn chế về chất lượng, tính nhất quán và bền vững Dựa trên những phân tích này, mục tiêu thiết kế máy in 3D Corexy sẽ được xác định rõ ràng hơn.
- Tốc độ in từ 30 đến 200 mm/s
- Sản phẩm in sử dụng với đa dạng nguyên vật liệu
- Có độ phân giải cao và dung sai kích thước cho phép dao động trong khoảng 0,1 - 0,2 mm
- Hệ thống máy hoạt động êm, đảm bảo an toàn, chi phí sản xuất thấp
QUY TRÌNH THIẾT KẾ
Yêu cầu thiết kế hệ thống máy in 3D Corexy
Với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống máy in 3D” này, hệ thống ứng dụng công nghệ FDM
Thiết kế hệ thống máy in 3D Corexy đảm bảo các yêu cầu sau đây:
Hệ thống có thể sản xuất ra các sản phẩm từ in 3D
Sử dụng công nghệ FDM
Đảm bảo dung sai kích thước cho phép ± 0,1 ~ 0,2 𝑚𝑚
Hệ thống thân thiện, dễ sử dụng
An toàn và tiết kiệm chi phí
Sơ đồ cấu trúc máy in 3D
Về cơ bản, kết cấu máy in gồm ba phần chính: phần cơ khí, phần mềm điều khiển, phần điện, bộ đùn nhựa
Cấu trúc cơ khí của máy in 3D tương tự như máy CNC, sử dụng hệ thống truyền động qua các trục Bộ truyền có thể là vít me – đai ốc hoặc bộ truyền đai Với tải trọng tác động không lớn, thiết kế máy in 3D trở nên đơn giản, gọn nhẹ, và các chi tiết lắp ráp không yêu cầu khả năng chịu lực cao, giúp dễ dàng trong việc lắp ráp, thay thế và tiết kiệm chi phí.
Phần điện của hệ thống được chia thành hai khối chính: khối điều khiển và khối chấp hành Khối điều khiển bao gồm vi điều khiển, board kết nối và driver, trong khi khối chấp hành bao gồm động cơ bước, cảm biến nhiệt, động cơ servo và tản nhiệt.
Bộ đùn nhựa có hai chức năng chính: bộ tời nhựa cung cấp nhựa chảy liên tục, trong khi đầu phun nhựa thực hiện quá trình nung chảy và đùn nhựa để tạo ra các mẫu sản phẩm.
Phần mềm CAD/CAM gồm các phần mềm CAD tạo mẫu 3D như Solidworks, Creo, Sketchup, và phần mềm CAM để xử lý in 3D Mô hình 3D sau khi được thiết kế cần chuyển sang định dạng STL để CAM có thể cắt lớp Phần mềm CAM thực hiện cắt lớp vật thể, với kích thước lớp nhỏ giúp nâng cao chất lượng in nhưng làm tăng thời gian in, trong khi lớp lớn thì ngược lại Để tối ưu hóa giữa chất lượng và tốc độ in, cần thiết lập các thông số in hợp lý Cuối cùng, phần mềm tạo chuyển động in và xuất file Gcode.
Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của máy in 3D
Các phần mềm CAM phổ biến cho máy in 3D bao gồm Cura, Slic3r và Simplify Một số phần mềm như Repertier Host tích hợp cả module CAM và điều khiển, giúp tối ưu hóa quy trình xử lý mẫu in Repertier Host cho phép người dùng lựa chọn giữa các công cụ CAM như Slic3r, Cura và Skeinforge, từ đó so sánh và tìm ra giải pháp tối ưu cho từng mẫu in cụ thể.
Các thiết bị phần cứng sử dụng
Động cơ bước, theo Wikipedia, là một loại động cơ điện đặc biệt với nguyên lý hoạt động và ứng dụng khác biệt so với động cơ điện 1 pha và 3 pha thông thường.
Động cơ đồng bộ này có khả năng chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành các xung điện rời rạc, tạo ra chuyển động góc quay Điều này cho phép người dùng cố định rôto của máy ở các vị trí cần thiết.
Động cơ bước là một loại động cơ cho phép điều chỉnh tần số góc quay một cách chính xác Góc bước nhỏ hơn đồng nghĩa với việc số bước trên mỗi vòng quay của động cơ tăng lên, dẫn đến độ chính xác cao hơn trong việc xác định vị trí.
Các góc bước của động cơ có thể dao động từ 0,72 độ đến 90 độ, nhưng những góc bước phổ biến nhất thường được sử dụng là 1,8 độ, 2,5 độ, 7,5 độ và 15 độ.
Động cơ bước có số pha khác nhau, với động cơ 2 pha có góc bước khoảng 1.8 độ, động cơ 3 pha có góc bước là 1.2 độ, và động cơ 5 pha có góc bước là 0.72 độ.
Động cơ bước có rotor được chế tạo từ dây quấn hoặc nam châm vĩnh cửu, và hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi từ trở Đây là loại động cơ mà rotor không bị tác động trực tiếp, nhưng vẫn có phần tử cảm ứng, cho phép điều khiển chính xác vị trí và tốc độ.
- Dựa vào cực của động cơ Động cơ bước đơn cực Động cơ bước lưỡng cực
Cấu tạo của động cơ bước gồm: Rotor và stato
Rotor là một dãy các lá nam châm vĩnh cửu được sắp xếp chồng lên nhau một cách cẩn thận Các lá nam châm này được chia thành các cặp cực đối xứng, tạo nên cấu trúc chính xác và hiệu quả.
Stato được cấu tạo bằng sắt từ, chúng được chia thành các rãnh nhỏ để đặt cuộn dây
4.3.2 Truyền động vít me – đai ốc bi
Cơ cấu vít me đai ốc bi là một hệ thống truyền động được chế tạo với độ chính xác cao, cho phép biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến hiệu quả.
Vít me, với cơ chế con vít và bu lông (đai ốc bi), sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật, mang lại hiệu quả ứng dụng cao Thiết kế đặc biệt của vít me bao gồm một lớp bi thép tiếp xúc giữa trục vít và đai ốc, giúp giảm thiểu tối đa lực ma sát trượt trong quá trình truyền đổi chuyển động.
Hình 4.3 Cơ cấu vít me đai ốc bi [12]
Một cơ cấu vít me đai ốc bi hoàn chỉnh bao gồm 2 bộ phận chính đó là trục vít me và đai ốc vít me bi
Hiện nay, có hai loại trục vít me bi được gia công theo hai phương pháp khác nhau: phương pháp ép ren (cán) và phương pháp tiện mài ren.
Đai ốc vít me bi có cấu trúc đặc biệt với vỏ ngoài và các viên bi thép di chuyển trên các rãnh được tiện ren bên trong ổ Các vòng hồi bi tạo ra các vòng tuần hoàn, có thể là kín hoặc hở, giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong quá trình vận hành.
Sự kết hợp nhịp nhàng giữa trục vít me và đai ốc vít me bi giúp biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, tạo ra lực kéo tịnh tiến hiệu quả trên trục vít me bi.
Thanh trượt là thiết bị dẫn động tuyến tính quan trọng trong hệ thống sản xuất tự động CNC Linh kiện này hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển động tịnh tiến giữa con trượt và thanh ray trượt, đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình sản xuất.
Thanh trượt dẫn hướng là một thành phần quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong các máy CNC, máy chế biến gỗ, máy plasma, máy in và nhiều hệ thống máy móc khác, bao gồm băng chuyền và dây chuyền tự động.
Hình 4.4 Thanh trượt dẫn hướng Ưu điểm:
- Có khả năng dẫn hướng chính xác, cao, đem lại những chuyển động tịnh tiến thẳng mượt, nhẹ nhàng với lực ma sát không đáng kể
- Có khả năng chịu tải lớn
- Khả năng hoạt động bền bỉ, liên tục và chính xác trong thời gian dài với tốc độ lớn
- Có tuổi thọ làm việc cao, khả năng hoạt động ở nhiều môi trường, nhiệt độ khắc nghiệt khác nhau
- Thiết kế đơn giản, gọn nhẹ, dễ dàng lắp đặt, sử dụng và bảo dưỡng, bảo trì định kì
- Giá rẻ, tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu cho doanh nghiệp
- Bộ truyền lực có tính đàn hồi, có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành thấp
- Bộ truyền đai có khả năng truyền chuyển động giữa hai trục khá xa nhau mà kích thước của bộ truyền thông không lớn lắm
- Bộ truyền làm việc êm, không gây tiếng ồn, chịu sốc, không cần bôi trơn, phí tổn bảo dưỡng ít
- Đảm bảo an toàn cho động cơ khi có quá tải
- Tỉ số truyền và số vòng quay không ổn định, có khả năng tải không cao
- Tuổi thọ thấp, đặc biệt khi làm việc vận tốc cao
- Lực tác dụng lên trục và ổ lớn
- Thêm tải trọng lên ổ trục do lực căng cần thiết của dây đai Nhiệt độ ứng dụng bị giới hạn.
Phương án thiết kế
Không gian in tối đa: 190x190x140 mm
Độ phân giải của một lớp in: từ 0,1 ~ 0,4 mm
Dung sai cho phép ± 0,2 mm
Tốc độ khi in 30 ~ 200 mm/s
Sử dụng thanh trượt dẫn hướng: Trong kết cấu này, bàn in sẽ dịch chuyển theo phương Z, đầu phun nhựa dịch chuyển theo phương XY
2 trục XY sử dụng thanh trượt theo cơ cấu Corexy, trục Z sử dụng bộ truyền vít me đai ốc Ưu điểm của kết cấu này:
Kết cấu đơn giản, dễ lắp đặt
Có thể in với tốc độ cao
Các kết cấu di động nhỏ nên quán tính nhỏ, máy hoạt động êm hơn
Khó căn chỉnh bàn in
Kích thước máy có thể hơi lớn và cồng kềnh
THI CÔNG
Quy trình chế tạo máy in 3D
Nhóm thiết kế đã chế tạo máy in 3D theo công nghệ FDM, cho phép sử dụng nhiều loại vật liệu như ABS và PLA với đa dạng màu sắc Máy in có chi phí bảo dưỡng thấp, vật liệu an toàn và không cần giám sát trong quá trình in Sản phẩm in từ công nghệ FDM có độ bền cao, khả năng chịu nhiệt và va đập tốt Tuy nhiên, công nghệ này cũng có một số hạn chế như tạo ra lớp in dày, làm cho nó ít phù hợp với các mẫu yêu cầu độ chính xác cao Bề mặt in có thể được làm nhẵn thông qua xử lý thủ công Sơ đồ dưới đây minh họa quy trình chế tạo máy in 3D theo công nghệ FDM mà nhóm đã áp dụng.
Hình 5.1 Quy trình chế tạo máy in 3D theo công nghệ FDM
Thiết kế, lựa chọn phần cơ khí
Hình 5.2 Máy in 3D mini coreXY được mô phỏng trước trên solidworks
5.2.1 Thiết kế khung máy Đối với máy in được thiết kế trong đồ án này, không yêu cầu chịu tải lớn, vì thế với tiêu chí dễ tháo lắp, sửa chữa trong quá trình lắp máy và tiết kiệm chi phí, nhóm đã chọn nhôm định hình cho phần khung máy Ở đây sử dụng nhôm định hình 20x20 và 20x40 nhằm giúp khung máy được nhỏ gọn hơn
Bộ phận khung máy cần gia công với độ chính xác cao để chịu lực lớn và đảm bảo độ chính xác trong quá trình in Cần chú ý đến kích thước và độ vuông góc của các thanh nhôm khi lắp ghép Nhôm định hình thường được cắt bằng máy cưa tay với dung sai từ 2 đến 3 mm Một số chi tiết hỗ trợ việc nối ghép các thanh nhôm bao gồm ke góc nhôm, con trượt và bu lông lục giác Để giảm rung động trong quá trình hoạt động, việc sử dụng chân đế cao su cho máy là rất cần thiết.
5.2.2 Thiết kế cụm cơ khí trục Z
Trong máy in 3D, trục Z, mặc dù ít di chuyển, lại quyết định chất lượng sản phẩm nhờ vào thông số chiều dày in Yếu tố này ảnh hưởng đến độ bóng và dung sai kích thước chiều cao của chi tiết Đối với đồ án này, nhóm đã lựa chọn sử dụng truyền động vít me – đai ốc bi cho trục Z.
Z do truyền động có hiệu suất cao, ít gây ra hiện tượng trượt và vận hành êm
5.2.2.1 Truyền động vít me – đai ốc bi trục Z
- Khối lượng bàn in: m = 1 kg
- Vận tốc di chuyển tối đa: V 1 = 20 mm/s
- Vận tốc di chuyển khi in: V2 = 5 mm/s
- Gia tốc tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 2 mm/s 2
- Tốc độ vòng quay của động cơ: N = 1000 vòng/phút
- Thời gian làm việc: Tl = 21900 h (5 năm, 12h mỗi ngày)
Lựa chọn kiểu lắp trục vít:
Có 3 kiểu lắp trục vít thường được sử dụng là kiểu fixed – fixed (hai đầu vít me được cố định), fixed – support (một đầu vít me được gắn ổ bi), fixed – free (một đầu vít me để tự do)
Do kết cấu bàn in của máy có khoảng dịch chuyển nhỏ và tải trọng thấp, độ cứng vững không cần quá cao Vì vậy, chúng tôi chọn kiểu fixed – free với kết cấu đơn giản và dễ lắp đặt.
Hình 5.4 Sơ đồ khối trục Z
Độ chính xác của vít me là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng hoạt động của trục vít Để lựa chọn cấp độ chính xác, có thể tham khảo trong catalogue của nhà sản xuất Trong đồ án này, nhóm đã sử dụng vít me của hãng PMI, với yêu cầu độ chính xác ± 0,1/300 mm, cấp chính xác được chọn là C7.
Tính toán bước vít dựa vào công thức:
𝑁 𝑚𝑎𝑥 Trong đó 𝑉 𝑚𝑎𝑥 là vận tốc lớn nhất (mm/s)
𝑁 𝑚𝑎𝑥 là tốc độ vòng quay lớn nhất (vòng/s)
1000 = 1,2 Chọn bước ren 2 mm Điều kiện làm việc và các thông số được tính chọn
𝐹 𝑎 = 𝜇 𝑊 𝑦 = 𝜇 𝑚 𝑔 = 0,1.1,5.10 = 1,5 𝑁 Tính toán lực dọc trục:
Lực dọc trục trung bình: 𝐹 𝑚𝑎𝑥 = 𝐹 𝑎1 = 18 𝑁
𝐶 0 = 𝑓 𝑠 𝐹 𝑚𝑎𝑥 = 2.18 = 36 𝑁 Trong đó: 𝐶 0 là tải trọng tĩnh
𝑓 𝑠 là hệ số bền tĩnh, đối với máy thông thường 𝑓 𝑠 = 1,2 ~ 2, ở đây chọn
𝐹 𝑚𝑎𝑥 lực lớn nhất tác dụng lên vít me
Với bước ren 𝑙 = 2 𝑚𝑚, số vòng quay danh nghĩa là 𝑁 𝑚 = 𝑉 1
𝑓 𝑤 là hệ số tải, trục Z di chuyển với tốc độ 𝑣 < 15 (m/phút) nên lấy 𝑓 𝑤 = 1,2
Tải trọng động tính được:
Bảng 5.1 Thông số vít me – đai ốc bi
Chọn bán kính trục vít:
Tổng chiều dài trục vít = khoảng cách dịch chuyển + chiều dài đai ốc + khoảng thoát 150 + 40 + 40 = 230 mm
Kiểu lắp fixed – free có 𝑓 = 3,4
Chọn vít me có bán kính 4 mm Dựa trên catalouge của hãng PMI ta chọn loại vít me:
60.600 = 22056,2ℎ Tốc độ quay cho phép:
250 2 10 7 = 2176 (vòng/phút) Độ dịch do thay đổi nhiệt độ
∆𝐿 0 = 𝜌 𝜃 𝐿 = 12 10 −6 3.250 = 0,009 𝑚𝑚 Trong đó: 𝜌 là hệ số giãn nở khi thay đổi nhiệt độ (12𝜇𝑚/𝑚 0 𝐶)
𝜃 là nhiệt độ thay đổi của trục vít
L là chiều dài trục vít Như vậy thời gian hoạt động và số vòng quay đều đạt yêu cầu [2]
Dựa trên momen tải quy đổi, momen quán tính và số vòng quay tối đa, việc lựa chọn động cơ bước phù hợp là rất quan trọng Để đơn giản hóa quá trình tính toán, bạn có thể sử dụng công cụ tính toán động cơ bước có sẵn trên trang web orientalmotor.com.
Bảng 5.2 Thông số tính toán động cơ[4]
Bảng 5.3 Thông số tính toán động cơ[4]
Total mass of load and table: Khối lượng của bàn máy và phôi, m = 1,5 kg
Friction coefficent of guide: Hệ số ma sát của thiết bị dẫn hướng
Dianmeter: Đường kính của trục vít D = 8 mm
Total length: Tổng chiều dài của trục vít L = 250 mm
Efficient: Hiệu suất, đối với vít me bi có hiệu suất là 95%
Material: Vật liệu là thep không gỉ
Safety factor: Hệ số an toàn
Mechanisn angle: Góc nghiêng của cơ cấu
Bảng 5.4 Kết quả tính toán động cơ[4]
Qua kết quả tính toán trên ta đã thu được các thông số cần thiết như:
Số vòng quay tối đa: : 𝑉 = 480 (vòng/phút)
𝑁 𝑟𝑎𝑡𝑒 > 𝑁 𝑚𝑎𝑥 tốc độ định mức của động cơ lớn hơn tốc độ yêu cầu của vít me
𝑇 𝑟𝑎𝑡𝑒 > 𝑇 momen định mức động cơ lớn hơn momen cần thiết
𝐽 𝑚 ≥ 2 trong đó 𝐽 𝑚 là momen quán tính định mức của động cơ
Dựa vào các tiêu chí trên, giá thành và độ chính xác motor, ta lựa chọn động cơ bước mã 42H47HM – 0504A – 18
Hình 5.5 Động cơ bước 42H47HM – 0504A – 18 [13]
Dưới đây là các thông số của động cơ
5.2.2.3 Khớp nối Để truyền chuyển động, truyền momen giữa 2 trục với nhau ta sử dụng khớp nối gồm: nối trục, ly hợp và ly hợp tự động Khớp nối là chi tiết tiêu chuẩn vì vậy trong thiết kế thường dựa vào momen xoắn tính toán T t , được xác định theo công thức :
Momen xoắn danh nghĩa T và hệ số chế độ làm việc k = 4 là những yếu tố quan trọng trong thiết kế máy in 3D Để tối ưu hóa hiệu suất, loại khớp nối đàn hồi bằng hợp kim nhôm được lựa chọn nhờ vào kích thước nhỏ gọn và khả năng truyền momen xoắn cao Đồ án sử dụng khớp nối loại PC1 với đường kính motor 5mm và kích thước đầu trục 5 – 8.
5.2.2.4 Bàn nâng trục Z Đối với bàn nâng trục Z sử dụng vật liệu mica với ưu điểm khối lượng nhẹ hạn chế hiện tượng bàn máy bị công xôn, giá thành lại hợp lý Sử dụng lò xo và đai ốc để cân bằng bàn máy Phía trên cùng sử dụng một tấm kính dày khoảng 3 – 5mm để in trực tiếp lên tấm kính
5.2.3 Thiết kế, tính toán sống trượt dẫn hướng
Thông số cụm trục XY:
- Chiều dài làm việc: 𝑆 𝑥 = 200 mm, 𝑆 𝑦 = 200 mm
- Vận tốc tối đa: 𝑉 𝑚𝑎𝑥 = 150 mm/s
- Vận tốc khi in: 𝑉 1 = 100 mm/s
- Thời gian hoạt động 𝑇 1 = 21900 h (5 năm, 12h mỗi ngày)
- Tốc độ động cơ: N = 1500 (vòng/phút)
Tính toán sống trượt dẫn hướng:
Chuyển động chính trong quá trình in chủ yếu đến từ cụm trục XY Để nâng cao độ chính xác và thời gian hoạt động, việc sử dụng sống trượt dẫn hướng cho cụm trục XY là rất quan trọng Việc lựa chọn sống trượt dẫn hướng cần cân nhắc đến độ chính xác của máy, độ cứng vững, thời gian làm việc và tính kinh tế.
Tính toán tải trọng tối đa đặt lên sống trượt
Khoảng cách giữa 2 con trượt khác ray: c = 340 (mm)
Khoảng cách giữa 2 con trượt cùng ray: d = 0 (mm)
Lực tác dụng lên trục: F = 0 (N)
Khoảng cách từ lực đến trọng tâm trục theo phương Y: a = 0 (mm)
Khoảng cách từ lực đến trọng tâm trục theo phương X: b = 0 (mm)
Lực tối đa đặt lên sống trượt: 𝑃 1 = 𝑤
Do không có ngoại lực tác dụng vào hệ thống trượt trục Y nên
4 Ở đây sử dụng 2 con trượt:
Hệ số an toàn tĩnh: 𝑓 𝑠𝑙 = 𝐶 0
25 = 102 Với 𝐶 0 là hệ số tải tĩnh 2,55kN
P là lực tối đa đặt lên sống trượt 25N
Tuổi thọ danh nghĩa của sống trượt:
𝑓 ℎ = 1 là hệ số độ cứng
𝑓 𝑡 = 0,9 là hệ số nhiệt độ
C = 1,86kN là hệ số tải động
Thời gian hoạt động của sống trượt:
5.2.4 Thiết kế các chi tiết bộ gá
Hình 5.7 Bộ gá đầu đùn
Hình 5.8 Gá dẫn động trục Y
Hình 5.9 Gá động cơ trục X
Hình 5.10 Gá động cơ trục Y
Hình 5.11 Gá ròng rọc trái
Hình 5.12 Gá ròng rọc phải
5.2.5 Lựa chọn các linh kiện khác
Bàn nhiệt của máy in đóng vai trò quan trọng trong việc gia nhiệt cho bàn in, đạt đến nhiệt độ cụ thể phù hợp với từng loại nhựa Đối với hầu hết các loại nhựa in, nhiệt độ của bàn in thường không vượt quá 120 độ C Điều này cho phép chúng ta tính toán lượng nhiệt cần thiết để đảm bảo hiệu quả gia nhiệt cho bàn in.
𝑄 = 𝐺 × 𝐶𝐴𝑙𝑢 × ∆𝑇 = 𝑆 × 𝛿 × 𝐷 × 𝐶𝐴𝑙𝑢 × ∆𝑇 Với: Q: là nhiệt lượng cần cung cấp để gia nhiệt cho bàn nhiệt (J)
G: khối lượng bàn nhiệt (kg)
CAlu: Nhiệt dung riêng của nhôm (880 J/(kgK))
∆𝑇: Độ chênh lệch nhiệt độ (K)
S: Diện tích bề mặt bàn nhiệt (𝑚 2 )
D: Khối lượng riêng của nhôm (2700kg/𝑚 3 )
Hình 5.14 Bàn in nhiệt nhôm MK3
Từ thông số kích thước, độ dày, công suất gia nhiệt, chúng em xin lựa chọn bàn nhiệt MK3 Các thông số kĩ thuật của bàn nhiệt nhôm MK3:
- Kích thước lỗ vít: 3mm
Màn hình LCD 2004 là một sản phẩm phổ biến trong các dự án điện tử và lập trình, giúp khắc phục nhược điểm của các module LED khác cần đến 8 dây kết nối Sản phẩm sử dụng module I2C, cho phép kết nối đơn giản chỉ với 4 dây Với khả năng hiển thị 4 hàng và mỗi hàng 20 ký tự, LCD 20X04 là lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng Để sử dụng với chuẩn I2C, người dùng cần cài đặt thư viện hỗ trợ và biết địa chỉ I2C của sản phẩm LCD 2004 có độ bền cao và đi kèm nhiều ví dụ mẫu từ cộng đồng Arduino, giúp người mới dễ dàng làm quen và tiết kiệm thời gian phát triển ứng dụng.
Điện áp hoạt động: 5VDC
Dòng điện tiêu thụ: 350uA - 600uA
Nhiệt độ hoạt động: -30°C đến 75°C
Kích thước 96 x 60 mm, chữ đen, nền xanh lá
Đèn Led nền có thể điều khiển bằng biến trở hoặc PWM
Có thể điều khiển bằng 6 chân tín hiệu
Hỗ trợ hiển thị bộ kí tự tiếng Anh và tiếng Nhật
Sơ đồ chân của LED text 20x04 tương tự như các sản phẩm LED text thông thường với 16 chân, nhưng module này được trang bị thêm IC tích hợp giao tiếp I2C, do đó người dùng cần kết nối với 4 chân I2C để sử dụng.
VSS: tương đương với GND - cực âm
VDD: tương đương với VCC - cực dương (5V)
Constrast Voltage (Vo): điều khiển độ sáng màn hình
Register Select (RS): lựa chọn thanh ghi (RS=0 chọn thanh ghi lệnh, RS=1 chọn thanh ghi dữ liệu)
Read/Write (R/W): R/W=0 ghi dữ liệu , R/W=1 đọc dữ liệu
Enable pin: Cho phép ghi vào LCD
Trong chế độ đọc (read mode), 8 chân dữ liệu từ D0 đến D7 sẽ có giá trị HIGH hoặc LOW Ngược lại, trong chế độ ghi (write mode), các chân này cũng sẽ nhận giá trị HIGH hoặc LOW.
Backlight (Backlight Anode (+) và Backlight Cathode (-)): Tắt bật đèn màn hình LCD
Lắp ráp khung cơ khí
Lắp ráp khung cơ khí là quá trình quan trọng, bao gồm việc lắp đặt toàn bộ khung với các trục Y và Z, dựa trên các linh kiện đã chuẩn bị trước đó Quá trình này cũng được mô phỏng chi tiết trên phần mềm SolidWorks để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong lắp ráp.
Bước 1: Với 4 thanh nhôm định hình 20x40 làm chân máy, cùng 4 thanh nhôm định hình 20x20 gắn lại với nhau thành khung máy sơ bộ như hình 5.17
Hình 5.17 Khung sơ bộ của máy in 3D mini
Bước 2: Lắp các thanh nhôm định hình vào để cố định chân máy và xác định khoảnh di chuyển trục Z
Hình 5.18 Khung máy đã được cố định chân và trục Z
Bước 3: Lắp ráp bộ truyền động trục Z và dẫn động trục Y
Hình 5.19 Khung máy đã được lắp ráp bộ truyền động trục Z
Bước 4: Lắp đặt các bộ gá đỡ động cơ trục X, Y và bộ truyền động trục X,
Hình 5.20 Khung máy sau khi được lắp ráp đủ các bộ truyền động và gá đỡ
Tính toán thiết kế phần điện
Hình 5.21 Sơ đồ khối hệ thống điện
Hệ thống điện đóng vai trò quan trọng trong máy móc, cung cấp nguồn điện và điều khiển các thiết bị như động cơ, cụm tời và đầu phun, đảm bảo hoạt động hiệu quả của toàn bộ hệ thống.
Hình 5.22 Sơ đồ nối dây mạch điện của máy in 3D
Khối nguồn là bộ phận thiết yếu cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống điện trong máy, đảm bảo máy hoạt động liên tục và ổn định Để đạt được chất lượng in tốt, nguồn cấp điện phải duy trì điện áp và dòng điện ổn định Trong hệ thống máy sử dụng cho đồ án, chúng tôi chọn nguồn tổ ong 12V – 30A nhằm đảm bảo cung cấp đủ điện áp và dòng cho động cơ của các thiết bị khác, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc nâng cấp hệ thống điện trong tương lai, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả nhất.
Phần mềm điều khiển này thực hiện các chức năng quan trọng như cấp xung, điều khiển chuyển động của động cơ bước cho các trục chuyển động, kiểm soát nhiệt độ đầu phun nhựa, quản lý bộ tời nhựa, và điều chỉnh quạt làm mát đầu phun cũng như quạt làm mát sản phẩm.
Hình 5.24 Sơ đồ khối các linh kiện điện tử
Vi điều khiển: Đồ án này sử dụng board MKS Gen L v2.1, dễ sử dụng, phổ biến, tiện lợi và kết nối phần cứng dễ dàng
Hình 5.25 Board mạch MKS Gen L v2.1[14]
MKS Gen L V2.1 là bo mạch điều khiển máy in 3D tích hợp chip Mega 2560 và Ramps, giúp tiết kiệm không gian và nâng cao sự ổn định trong quá trình vận hành Với các linh kiện chất lượng cao và MOSFET hiệu suất tốt, bo mạch này mang lại khả năng tản nhiệt và chịu tải dòng vượt trội hơn so với Ramps 1.4.
- Các driver hỗ trợ: A4988, DRV8825, TMC 2100, 2208, 2209, 2130,
- Hỗ trợ điện áp ngõ vào: 12V và 24V
- Cổng đầu ra hướng và xung động cơ được đặt trước, thuận tiện cho dòng điện cao bên ngoài được kết nối với mạch động cơ lớn (như 2A, 5A)
Bài viết đề cập đến việc cung cấp các giao diện Servos, AUX-1 và AUX-2 cùng với ba đầu ra 5V và ba đầu ra 12V cho các linh kiện ngoại vi Dự án sử dụng driver A4988 nhờ vào sự phổ biến và chi phí thấp của nó.
Driver A4988 có giải điện áp hoạt động từ 8 V – 35 V
5 Độ phân giải khác nhau: đủ bước, nửa bước, 1/4, 1/8, 1/16
Dòng trung bình (RMS): 1 A, dòng đỉnh: 2 A
Phần mềm điều khiển máy in 3D
Phần mềm điều khiển máy in giúp thực hiện các thao tác vận hành máy một cách đơn giản và dễ dàng hơn so với việc sử dụng LCD Người dùng có thể di chuyển các trục, gia nhiệt và nhập lệnh Gcode cho quá trình test máy và căn chỉnh bàn in Có nhiều phần mềm điều khiển máy in 3D như Simplify 3D, Cura, và Pronterface, trong đó đồ án này sử dụng phần mềm Cura Cura là phần mềm miễn phí với dung lượng nhỏ, giao diện trực quan và dễ sử dụng, mang lại trải nghiệm tốt cho người dùng.
Cura là phần mềm mã nguồn mở dùng để cắt lớp và xuất Gcode cho máy in 3D, được phát triển bởi David Braam tại công ty Ultimaker Bạn có thể tải phần mềm này từ trang web chính thức của Ultimaker tại địa chỉ: [https://ultimaker.com/software/ultimaker-cura](https://ultimaker.com/software/ultimaker-cura).
Hình 5.27 Giao diện phần mềm Cura [16]
Trong Cura để cài các thông số cho máy in chọn vào: Settings ► Printer ► Manage Printers Sẽ ra giao diện như sau:
Hình 5.28 Giao diện cài đặt thông số máy[16]
X Y Z là kích thước lớn nhất mà máy in được hay là kích thước hoạt động của máy
Xmin Xmax Ymin Xmax là khoản cách an toàn tính từ biên của bàn in ( Mình để 0 hết vì muốn kích thước in đúng bằng kích thước bàn)
Build plate shape là hình dán bàn in (Với máy thường là hình chữ nhật với máy delta thì hình tròn)
Chọn Origin at centter nếu muốn gốc tạo độ tại tâm bàn in
Chọn Heated bed nếu bạn có sử dụng bàn nhiệt cho máy in
G-code flavor là chọn firmware mà bạn dùng cho máy in (Mình dùng marlin nên chọn nó)
Gantry Height là khoảng cách từ đầu in đến bánh răng của bộ đùn nhựa Nhiều người thường bỏ qua thông số này khi cài đặt, nhưng nó rất quan trọng vì giúp giảm thiểu lượng nhựa sử dụng trong quá trình in, đặc biệt là đối với các máy in sử dụng bộ đùn xa.
Number of Extruder là số đầu in mà bạn dùng
Bạn chọn qua Tab Extruder 1 để cài các thông số của đầu in
Hình 5.29 Giao diện cài đặt thông số đầu in [16] Ở đay bạn chú ý tới 2 thông số là:
Nozzle Size là kích thước mũi in của máy
Compatible material diameter là đường kính sợi nhựa dùng để in
Extruder Start Gcode và Extruder End Gcode là hai đoạn mã Gcode quan trọng cần được chèn vào lúc bắt đầu và kết thúc quá trình in với Extruder 1, thường áp dụng cho các máy in 3D sử dụng nhiều đầu in.
Bạn nhấn Close để lưu cài đặt
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN
Kết quả
Máy in 3D mini CoreXY, được phát triển trong đề tài “Thiết kế, nghiên cứu máy in 3D mini CoreXY”, là một sản phẩm đầy tiềm năng và hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ trong tương lai Qua quá trình nghiên cứu, tính toán và thiết kế, nhóm đã thành công trong việc chế tạo mô hình máy in 3D mini CoreXY sử dụng công nghệ FDM.
6.1.1 Kiểm nghiệm độ bền của khung qua Simulation của Solidworks:
Bảng 6.1 Ứng suất của khung máy
Bảng 6.2 Chuyển vị của khung máy
6.1.2 Kiểm tra thông số máy:
Để xác định khổ in tối ưu cho máy, chúng tôi đã thiết kế khung in với kích thước 200x200x150mm Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động, máy chạy sát công tắc hành trình và bàn nhiệt không đạt hiệu quả tối ưu, dẫn đến nhiều lỗi xảy ra Sau nhiều lần kiểm tra và điều chỉnh, chúng tôi đã xác định được khổ in tối ưu cho máy là khoảng 190x190x140mm.
Hình 6.2 Khung in theo kích thước khổ in tối ưu của máy
Khi in sản phẩm có chiều cao lớn, chất lượng khu vực phía trên bàn in là rất quan trọng Chúng tôi phân loại máy in thành ba khoảng in dựa trên chiều cao của sản phẩm để đảm bảo kết quả in ấn tốt nhất.
Hình 6.3 Kiểm tra và phân chia khoảng in tối ưu
+ Từ 0 đến 50mm: Sản phẩm in ra đều đẹp, đây là khoảng in tối ưu nhất của máy
Sản phẩm có kích thước từ 51mm đến 100mm thường xuất hiện những vết chảy nhựa nhỏ Nếu không yêu cầu cao về bề mặt, sản phẩm vẫn có thể được sử dụng hiệu quả trong khoảng kích thước này.
+ Từ 101mm đến 140mm: Sản phẩm xuất hiện những vết chảy nhựa nhỏ nhưng vẫn đảm bảo được độ vững chắc
- Kiểm tra sai số và độ phủ nhựa:
Sau khi thử nghiệm nhiều lần chúng em đưa ra bảng sau để so sánh giữa 3 tốc độ in:
Bảng 6.3 Bảng so sánh các thông số giữa 3 tốc độ in của máy
Tốc độ in 30mm/s 90mm/s 200mm/s
Thời gian 18 phút 16 giây 14 phút 57 giây 9 phút 51 giây Sai số 0.1mm 0.14 mm 0.22 mm
Phẳng, mịn, nhựa ra đều
Phẳng, mịn, xuất hiện vài đường kẻ trên mặt
Bề mặt khá thô, nhựa ra không đều
Tốc độ in chậm nhưng bề mặt đẹp, thích hợp in những chi tiết bề mặt cần tính thẩm mĩ cao
Tốc độ vừa phải, bề mặt có vài đường kẻ, có thể dùng để in những phần khuất khó nhìn thấy
Tốc độ nhanh nhưng bề mặt sản phẩm thô, chỉ dùng để in những phần bên trong không nhìn được
Kết luận
Hình 6.4 Sản phẩm được in từ máy in 3D mini coreXY
Trước khi vận hành máy in 3D, hãy bôi một lớp keo dán lên bề mặt bàn in để tăng cường độ kết dính cho các lớp in đầu tiên Trước khi bắt đầu quá trình in, di chuyển đầu phun đến vị trí an toàn và sử dụng các lệnh thủ công để đùn khoảng 10 mm sợi nhựa, sau đó lau sạch vết nhựa để đảm bảo đầu phun không bị tắc.
Hệ thống 87 có một số nhược điểm, bao gồm độ ổn định chưa cao và dung sai sản phẩm không ổn định Đặc biệt, khi chiều dày lớp in giảm, dung sai cũng sẽ giảm theo.
Bảng 6.4 Một số kết quả của máy in 3D trong đồ án
Máy có kích thước 350x350x400 mm và khổ in tối đa 190x190x140 mm Sai số sản phẩm đạt từ 0,1 đến 0,2 mm, với tốc độ in tối đa là 200 mm/s và tốc độ in tối ưu dao động từ 30 đến 90 mm/s.
Phương hướng phát triển
Máy in 3D có thể được điều khiển thông qua Internet, giúp người dùng dễ dàng quản lý mà không cần sử dụng thẻ nhớ SD Việc lắp đặt hệ thống kết nối Internet cho máy in 3D không chỉ thuận tiện mà còn tiết kiệm sức lực, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận hành một trang trại in ấn hiệu quả.
Với sự phát triển của máy in 3D kết nối Internet, người dùng có thể điều khiển máy từ xa và gửi chương trình in chỉ qua một kết nối Internet Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn giúp chia sẻ các bản thiết kế dễ dàng với bạn bè, làm cho việc giao lưu và hợp tác trở nên thuận tiện hơn.
Để nâng cấp máy in 3D, bên cạnh việc kết nối với Internet, chúng ta có thể áp dụng nhiều phương pháp khác như sử dụng hai đầu in để tăng tốc độ in, hoặc cải thiện đầu in và đầu gia nhiệt để mở rộng loại vật liệu sử dụng và giảm thiểu sai số sản phẩm.
Nghiên cứu cho thấy máy in 3D có tiềm năng phát triển lớn tại thị trường Việt Nam trong tương lai Chúng tôi hy vọng rằng mô hình của mình sẽ sớm được ứng dụng thực tế, góp phần cải thiện cuộc sống và hỗ trợ ngành công nghiệp.