NGHIÊN cứu, THIẾT kế CHẾ tạo mô HÌNH máy IN 3d cơ cấu CORE XY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRẦN ĐẠI NGHĨA NGÔ QUỐC ANH NGUYỄN VĂN TÝ KHÓA : 2017 - 2021 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY IN 3D CƠ CẤU CORE XY NĂM 2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TĐN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc KHOA KTCS PHÊ DUYỆT Ngày tháng năm 2021 CHỦ NHIỆM KHOA NHIỆM VỤ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ThS Nguyễn Thanh Tồn Họ tên: Ngơ Quốc Anh Nguyễn Văn Tý Lớp:17DDS0704102 Khóa: 2017 - 2021 Lớp:17DDS0704146 Khóa 2017 - 2021 Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật khí Mã ngành: 75.102.01 Tên đồ án: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY IN 3D CƠ CẤU CORE XY Các số liệu ban đầu: Không gian làm việc máy 200x200x200 Công nghệ in FDM Vật liệu in nhựa ABS Nội dung thuyết minh: Nghiên cứu tổng quan công nghệ in 3D Thiết kế cấu truyền động máy đảm bảo độ xác,tối ưu hóa chuyển động Tính tốn phần điện khí Chế tạo, lắp ráp máy in 3D sau kiểm tra lại lý thuyết trước nghiên cứu Số lượng, nội dung vẽ: - Bản vẽ A0: ……bản vẽ gồm vẽ lắp ráp vẽ nguyên công - Bản vẽ A4: …… vẽ gồm vẽ chi tiết Cán hướng dẫn: TS Lê Công Danh; Bộ môn: Nhiệt điện; Khoa: KTCS Ngày giao:……/……/2021 Ngày hồn thành: … /…./2021 TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2021 Chủ nhiệm môn Cán hướng dẫn ThS Huỳnh Đức Thuận TS Lê Công Danh Sinh viên thực Đã hồn thành nộp khóa luận tốt nghiệp ngày … tháng … năm 2021 Ngô Quốc Anh ~i~ LỜI CÁM ƠN Trong thời gian làm khóa luận tốt nghiệp, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình từ phía thầy bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Công Danh, giảng viên Bộ môn Nhiệt Điện, khoa KTCS tận tình hướng dẫn, bảo, giúp đỡ em suốt q trình thực khóa luận tạo điều kiện cho em vận hành thao tác thiết bị xưởng khí nhà trường gia cơng chi tiết khóa luận Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Văn Nhân hướng dẫn tận tình phần tính tốn máy hướng dẫn vẽ Đến nay, khóa luận tốt nghiệp hoàn thành tiến độ đảm bảo nội dung yêu cầu Song, trình thực khóa luận khơng thể tránh khỏi thiếu sót kinh nghiệm cịn hạn hẹp nên mong nhận đóng góp ý kiến thầy khoa để khóa luận ngày hồn thiện ~ii~ MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH v DANH MỤC BẢNG viii LỜI MỞ ĐẦU ix CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Ý nghĩa thực tiễn đề tài 1.3 Nhiệm vụ đề tài phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 1.3.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Cơ sở phương pháp nghiên cứu Kết luận chương CHƯƠNG : CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHẾ TẠO BỒI ĐẮP VÀ MỘT SỐ MẪU MÁY IN 3D 2.1 Giới thiệu công nghệ sản xuất bồi đắp 2.2 Các bước trình in tạo mẫu nhanh 2.3 Giới thiệu số công nghệ tạo mẫu nhanh 2.3.1 Công nghệ SLA 2.3.1 Công nghệ in 3DP 11 2.3.2 Công nghệ SLS 13 2.3.3 Công nghệ FDM 15 2.4 Giới thiệu số mẫu máy in 3D 16 2.4.1 Máy Prusa i3 16 ~iii~ 2.4.2 Máy Delta Kossel 17 Kết luận chương 18 CHƯƠNG : PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY IN 3D CƠ CẤU CORE XY 19 3.1 Các phương án thiết kế kết cấu máy 19 3.1.1 Phương án 19 3.1.2 Phương án 19 3.1.3 Phương án 20 3.2 Lựa chọn phương án thông số thiết kế máy 22 3.2.1 Lựa chọn phương án 22 3.2.2 Thông số thiết kế máy 22 3.3 Trình tự thực 22 Kết luận chương 22 CHƯƠNG : TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ 23 4.1 Thiết kế khung máy 23 4.2 Thiết kế khí trục Z 26 4.2.1 Tính tốn truyền động vít me – đai ốc bi trục Z 26 4.2.2 Tính tốn chọn động trục Z 35 4.2.3 Trục dẫn hướng bạc dẫn hướng 40 4.2.4 Khớp nối 42 4.2.5 Thiết kế bàn nâng trục Z 43 4.3 Thiết kế khí cụm trục XY 44 4.3.1 Thiết kế sơ cụm trục XY 44 4.3.2 Kết cấu truyền động trục XY 47 ~iv~ 4.3.3 Lựa chọn truyền 49 4.3.4 Tính tốn lựa chọn động cụm trục XY 51 4.4 Thiết kế khí phận đùn nhựa 54 4.5 Thiết kế gia công chi tiết 55 Kết luận chương 60 CHƯƠNG : TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỀU KHIỂN 61 5.1 Hệ thống điện cấu chấp hành máy in 3D 61 5.1.1 Nguồn điện 61 5.1.2 Mạch điều khiển 62 5.1.3 Động bước mạch điều khiển động bước 64 5.1.4 Hệ thống đầu phun nung nhiệt 66 5.2 Phần mềm điều khiển máy in 3D 67 5.2.1 Tổng quan tổ chức RepRap 67 5.2.2 Phần mềm Marlin 69 5.2.3 Hướng dẫn cấu hình phần mềm 71 5.3 Phần mềm khai thác CAD/CAM máy in 3D (CURA) 85 Kết luận chương 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 ~v~ DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 So sánh chi tiết sản xuất in 3D phương pháp truyền thống Hình 2.2 Sơ đồ trình tạo mẫu Hình 2.3 Máy tạo mẫu nhanh SLA Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động phương pháp SLA Hình 2.5 Phương pháp 3DP (Three Dimensional Printing) Hình 2.6 Máy tạo mẫu nhanh SLS Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động phương pháp SLS Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu FDM Hình 2.9 Máy in 3D Prusa i3 Hình 2.10 Máy in 3D Delta Kossel Hình 3.1 Kết cấu robot delta Hình 3.2 Truyền động Cartesian – XY Hình 3.3 Truyền động Cartesian – XZ Hình 4.1 Kích thước nhơm định hình Hình 4.2 Nhơm định hình 3D Hình 4.3 Máy cưa cầm tay Hình 4.4 Ke góc, bu lơng lục giác, ke góc vng, tán chữ T Hình 4.5 Ke góc, bu lơng lục giác, ke góc vng, tán chữ T 3D Hình 4.6 Bản vẽ khung máy Hình 4.7 Trục vít me 3d Hình 4.8 Sơ đồ khối trục Z Hình 4.9 Quy trình lựa chọn vít me Hình 4.10 Lực tác dụng lên trục Hình 4.11 Thơng số vít me – đai ốc bi Hình 4.12 Thơng số gối đỡ Hình 4.13 Gối đỡ vít me Hình 4.14 Thơng số tính tốn động ~vi~ Hình 4.15 Thơng số động Hình 4.16 Kết tính động Hình 4.17 Bản vẽ động bước Hình 4.18 Động bước Hình 4.19 Thơng số trục dẫn hướng Hình 4.20 Trục dẫn hướng Hình 4.21 Thơng số bạc dẫn hướng Hình 4.22 Bạc dẫn hướng Hình 4.23 Các loại khớp nối Hình 4.24 Thơng số kích thước khớp nối Hình 4.25 Bàn nâng Hình 4.26 Sơ đồ tính tốn trục XY Hình 4.27 Thơng số vịng bi mặt bích Hình 4.28 Vịng bi mặt bích Hình 4.29 Sơ đồ truyền động trục XY Hình 4.30 Thơng số hai loại đai Hình 4.31 Biên dạng đai Hình 4.32 Đai GT2 pully Hình 4.33 Thơng số đai GT2 Hình 4.34 Thơng số tính tốn động Hình 4.35 Thơng số tính tốn động Hình 4.36 Cụm trục X Hình 4.37 Cụm trục XY Hình 4.38 Cụm tời nhựa Hình 4.39 Cụm tời nhựa 3D Hình 5.1 Bộ nguồn tổ ong Hình 5.2 Board RAMPS Hình 5.3 Sơ đồ khối mạch điều khiển máy In 3D core XY Hình 5.4 Vị trí kết nối driver ~vii~ Hình 5.5 Kết cấu đầu phun nhựa Hình 5.6 RepRap version 1.0 (Darwin) Hình 5.7 RepRap version2.0(Menden) Hình 5.8 Huxley RepRap Hình 5.9 RepRap Morgan Hình 5.10 Thơng số động bước Hình 5.11 Trục vít me Hình 5.12 A4988 Hình 5.13 Thơng số GT2 Hình 5.14 Pully GT2 Hình 5.15 Đường kính pulley Hình 5.16 Giao diện phần mềm Cura Hình 5.17 Điều chỉnh thơng số máy Hình 5.18 Thơng số đầu in Hình 5.19 Điều chỉnh độ dày,đặc chi tiết Hình 5.20 Thiết lập độ cao lớp in Hình 5.21 Thiết lập độ dày chi tiết Hình 5.22 Thiết lập độ đặc chi tiết Hình 5.23 Thiết lập nhựa in Hình 5.24 Thiết lập tốc độ in 81 Hình 5.10 Thông số động bước Trục vitme bước ren 8mm Hình 5.11 Trục vít me Dùng module điều khiển A4988 m= 1/16 82 Hình 5.12 A4988 Bảng 5.4 Thiết lập chế độ điều khiển Ta tính bước là: B = 360/{1.8*8*(1/16)} = 400 (steps/mm) Tính bước dây đai - Thơng số góc bước động a= {0.9°, 1.2°, 1.8° } - Thông số bước λ (mm) dây đai - Số puly R (răng) - Thông số maximum micro step m = {1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32…} thông số ta điều chỉnh cách kết nối mạch điều khiển 83 Từ tất thông số α, λ, R, m ta tính bước B (bước/mm) (steps/mm) B = 360/(α*λ*R*m) (Trích [6]) Ví dụ: Động bước có α = 1.8° Đai GT2 bước 2mm Hình 5.13 Thơng số GT2 Puly GT2 20 Hình 5.14 Pully GT2 84 Module điều khiển A4988 m=1/16 Ta tính bước: B = 360/{1.8*2*20*(1/16)} = 80 (steps/mm) Link phần mềm: https://blog.prusaprinters.org/calculator_3416/ Tính tời nhựa - Thơng số góc bước động a= {0.9°, 1.2°, 1.8° } - Thông số maximum micro step m = {1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32…} thông số ta điều chỉnh cách kết nối mạch điều khiển - E tỷ số đường kính cặp bánh dẫn động, dây không dùng cặp bánh dẫn động nên E = - G đường kính pulley tời nhựa Từ tất thơng số α, λ, R, m ta tính bước B (bước/mm) (steps/mm) B = 360/(α*G*E*m*π) (Trích [6]) Ví dụ: Động bước có α = 1.8° Module điều khiển A4988 m=1/16 E tỷ số đường kính cặp bánh dẫn động, dây không dùng cặp bánh dẫn động nên E = G đường kính pulley tời nhựa 13mm Hình 5.15 Đường kính pulley 85 Ta tính bước: B = 360/{1.8*1*3.14*13*(1/16)} = 78,35 (steps/mm) 5.3 Phần mềm khai thác CAD/CAM máy in 3D (CURA) Phần mềm CAM Phần mềm CAM phần mềm có nhiệm vụ cắt lớp mẫu 3D sau tạo đường chạy nhựa sau xuất dạng file Gcode Có nhiều phần mềm CAM sử dụng với máy in 3D, đề tài nhóm sử dụng phần mềm Cura phần mềm sử dụng tương đối nhiều Cura có nhiều thông số thiết lập với nhiều đường chạy nhựa từ tối ưu chất lượng mẫu in Hình 5.16 Giao diện phần mềm Cura Để cài thông số cho máy in chọn vào: Settings ► Printer ► Manage Printers Sẽ giao diện sau: 86 Hình 5.17 Điều chỉnh thơng số máy + X Y Z kích thước lớn mà máy in kích thước hoạt động máy + Xmin Xmax Ymin Xmax khoản cách an tồn tính từ biên bàn in ( Mình để hết muốn kích thước in kích thước bàn) + Build plate shape hình dán bàn in (Với máy thường hình chữ nhật với máy delta hình trịn) + Chọn Origin at centter muốn gốc tạo độ tâm bàn in + Chọn Heated bed bạn có sử dụng bàn nhiệt cho máy in + G-code flavor chọn firmware mà bạn dùng cho máy in (Mình dùng marlin nên chọn nó) + Gantry Height khoản cách từ đầu in tới bánh đùn nhựa (Nhiều bạn cài thơng số hay bỏ qua giúp giảm thiếu nhựa in nhiều đặc biệt với máy dùng đùn xa) + Number of Extruder số đầu in mà bạn dùng 87 Chọn qua Tab Extruder để cài thông số đầu in: Hình 5.18 Thơng số đầu in Nozzle Size kích thước mũi in máy + Compatible material diameter đường kính sợi nhựa dùng để in + Extruder Start Gcode Extruder End Gcode đoạn Gcode mà bạn muốn chèn vào lúc bắt đầu kết thúc dùng Extruder (Thường dùng cho máy in dùng nhiều đầu in) Nhấn Close để lưu cài đặt 88 Hình 5.19 Điều chỉnh độ dày,đặc chi tiết + Layer height độ dày lớn lần in (độ dày mỏng chi tiết in đẹp mà mịn) + Infill độ đặc chi tiết (đối với chi tiết in cần độ cứng phải tăng độ đặc lên) Để sửa đổi vài thông số khác nhấn vào nút Custom 89 Hình 5.20 Thiết lập độ cao lớp in Layer Height: độ cao lớp in + Initial Layer Height: độ cao lớp in ( Thơng 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) 90 Hình 5.21 Thiết lập độ dày chi tiết + Wall Thickness: Độ dày thành chi tiết in ra, cài đặt trực tiếp số lớp Wall line count) + Top/ Bottom Thickness: Độ dày lớp lớp chi tiết cài đặt trực tiếp Top Layer Bottom Layer) 91 Hình 5.22 Thiết lập độ đặc chi tiết 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 92 Hình 5.23 Thiết lập nhựa in Printing Temperature nhiệt độ in (với nhựa PLA thường 195 với nhựa ABS thường 240) + Flow lượng nhựa in đùn in (nếu bạn 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 93 Hình 5.24 Thiết lập tốc độ in + Print speed: Tốc tộ in tương ứng với độ di chuyển đầu phun theo chìu xy Máy in đạt tốc độ 100mm/s in tốc độ cao ảnh hưởng đến chất lượng tạo sản phẩm Việc lựa chọn tốc độ in đòi hỏi kinh nghiệm, Nên bắt đầu với tốc độ khoảng 40-60 mm/s + Infill speed: Tốc độ điền đầy + Wall speed: Tốc độ in tường + Outer wall speed: Tốc độ in tường + Inner wall speed: Tốc độ in tường + Top/ Bottom speed: Tốc độ in lớp 94 Kết luận chương Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, thiết kế chế tạo mơ hình với việc vận dụng kiến thức học tập trường đến khóa luận tốt nghiệp hoàn thành thời hạn với kết đạt sau: - Nắm tổng quan công nghệ phương pháp tạo mẫu nhanh - Thiết kế tính tốn thơng số cụm trục đưa phương án để thực - Tính tốn thiết kế hệ thống điện cho máy in - Hoàn thành việc lập quy trình cơng nghệ cho chi tiết Trong q trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo mơ hình cịn gặp số hạn chế, khó khăn nhược điểm sau: - Do thời gian kinh nghiệm cịn hạn hẹp, q trình tính tốn khơng thể tránh khỏi sai sót - Khi in xảy trục trặc - Dung sai sản phẩm chưa ổn định, chiều dày lớp in nhỏ dung sai thấp Thơng số kỹ thuật máy sau hồn thành: Thơng số Giá trị Kích thước máy 325x325x380 mm Khơng gian làm việc 200x200x200 mm Tốc độ in tối đa 300 mm/s Tốc độ in tối ưu 90 ~ 130 mm/s Nguồn điện 220V 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí, tập 1,2 NXB giáo dục, 2006 [2] Trần Quốc Hùng, Thiết kế máy cắt kim loại, đại học sư phạm kỹ thuật Hổ Chí Minh [3] PGS TS Đặng Thiện Ngơn, Giáo trình trang bị - điện điện tử máy công nghiệp, NXB đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2013 [4] New 3D Printer Parts - YouTube [5] Ball screw catalouge, PMI, link Ball screws - PMI - PDF Catalogs | Technical Documentation | Brochure (directindustry.com) [6] Động bước cách tính bước cho trục vitme dây đai máy in 3D, CNC, cắt Laser - Stepper Motor NEMA (diyeverything.xyz) [7] https://123docz.net/document/6633289-thiet-ke-che-tao-may-in-3d-su-dung-cocau-corexy.htm [8] https://www.orientalmotor.com/ [9] http://www.pmi-amt.com/en/support/download_cad.html [10] https://reprap.org/wiki/RepRap ... vi nghiên cứu Nghiên cứu thiết kế chế tạo mơ hình máy in 3D cần phải đạt mục tiêu sau : - Nghiên cứu tổng quan công nghệ in 3D( SLA,FDM,SLS,3DP) - Nghiên cứu ,thiết kế cấu truyền động máy - Nghiên. .. xây dựng sở ưu điểm công nghệ in 3D, phát huy ưu điểm hạn chế số nhược điểm máy in 3D Đồ án tốt nghiệp: ? ?Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mơ hình máy in 3D cấu core XY? ?? sử dụng công nghệ FDM nhằm... số thiết kế máy ta tiến hành bắt đầu tính tốn, thiết kế 23 CHƯƠNG : TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ 4.1 Thiết kế khung máy Kết cấu khung máy in 3D khơng phải chịu tải trọng lớn nên nhóm chọn thiết