Nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo máy in 3d và ứng dụng tạo mẫu cho phương pháp đúc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY IN 3D VÀ ỨNG DỤNG TẠO MẪU CHO PHƯƠNG PHÁP ĐÚC S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2021 - 27 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 6/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY IN 3D VÀ ỨNG DỤNG TẠO MẪU CHO PHƯƠNG PHÁP ĐÚC Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa học vật liệu, cơng nghệ khí SV thực hiện: Phạm Ngọc Hiếu Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 181462A, khoa Cơ khí chế tạo máy Năm thứ: /Số năm đào tạo: Ngành học: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử Người hướng dẫn: Thạc sĩ Nguyễn Thanh Tân TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2021 MỤC LỤC MỤC LỤC .i DANH MỤC HÌNH ẢNH v DANH MỤC BẢNG vii CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu .1 1.2 Lý chọn đề tài nghiên cứu 1.3 Phương pháp nghiên cứu đề tài 1.4 Mục tiêu đề tài .2 1.5 Mục đích báo cáo 1.6 Ý nghĩa khoa học giá trị thực tiễn đề tài nghiên cứu .2 1.7 Cấu trúc báo cáo CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ DỰ ÁN 2.1 Đặt vấn đề 2.2 Một số công nghệ in 3D .4 2.2.1 Công nghệ SLA 2.2.2 Công nghệ 3DP .5 2.2.3 Công nghệ FDM 2.3 Giới thiệu số mẫu máy in 3D 2.3.1 Máy in 3D theo dạng Cartesian 2.3.2 Máy in 3D theo dạng Delta 2.3.3 Máy in 3D theo dạng Polar 2.4 Kết luận 10 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .12 3.1 Khái quát chung máy in 3D 12 3.2 Động bước 13 i 3.2.1 Động bước biến trở từ 14 3.2.2 Động bước hỗn hợp .15 3.2.3 Động bước pha 16 3.3 Truyền động vitme – đai ốc .16 3.3.1 Cơ cấu vitme – đai ốc trượt 17 3.3.2 Cơ cấu vitme – đai ốc bi .18 3.4 Ray trượt dẫn hướng 18 3.5 Truyền động đai 19 3.6 Kết luận 20 CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ GIẢI PHÁP 21 4.1 Thông số máy 21 4.2 Các phương án thiết kế kết cấu máy 23 4.2.1 Phương án 23 4.2.2 Phương án 23 4.2.3 Phương án 24 4.3 Lựa chọn phương án 24 4.4 Trình tự thực 24 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÁY .25 5.1 Thiết kế khung máy 25 5.2 Thiết kế khí 26 5.3 Lựa chọn tính tốn động .27 5.3.1 Lựa chọn động .27 5.3.2 Tính toán trục X 28 5.3.3 Tính tốn trục Y 29 5.3.4 Tính tốn trục Z 30 5.3.5 Tính tốn cơng suất động 30 ii 5.4 Lựa chọn hệ thống điều khiển 32 5.4.1 Mạch Arduino Mega 2560 33 5.4.2 Mạch Ramps 1.4 35 5.4.3 Mạch Driver điều khiển động bước A4988 36 5.4.4 Bộ điều khiển, hiển thị LCD 36 5.4.5 Đầu phun gia nhiệt 37 5.4.6 Cảm biến nhiệt độ đầu in bàn nhiệt .38 5.4.7 Nguồn tổ ong 39 5.4.8 Bàn nhiệt 40 CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM 42 6.1 Lắp đặt hệ thống điều khiển .42 6.2 Thiết kế gia công chi tiết gá đỡ 44 6.3 Lắp ráp .46 6.4 Mơ hình thực tế 47 6.5 Thiết lập nạp code điều khiển cho máy in 3D 47 6.5.1 Thiết lập Firmware .47 6.5.2 Các thông số cài đặt Firmware cho máy in 50 6.6 Một số sản phẩn in từ máy 52 CHƯƠNG 7: ỨNG DỤNG IN 3D TẠO MẪU NHANH 54 7.1 Cơ sở lý thuyết qui trình chế tạo mẫu nhanh phương pháp đúc 54 7.1.1 Quy trình đúc 54 7.1.2 Đúc khuôn cát 54 7.2 Thực tế quy trình chế tạo vật mẫu theo phương pháp đúc 58 7.2.1 Tính tốn thiết kế đúc 58 7.2.2 Tiến hành quy trình đúc thực tế 62 CHƯƠNG 8: KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ, CẢI TIẾN 69 iii CHƯƠNG 9: KẾT LUẬN 72 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Chi tiết hộp giảm tốc Hình 2.2 Cơng nghệ SLA Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu 3DP Hình 2.4 Cơng nghệ in FDM Hình 2.5 Máy in 3D dạng Cartesian Hình 2.6 Máy in 3D dạng Delta Hình 2.7 Máy in 3D dạng Polar Hình 3.1 Động bước 13 Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động động bước biến trở từ 14 Hình 3.3 Cấu tạo động bước hỗn hợp 15 Hình 3.4 Cấu tạo động bước pha 16 Hình 4.1 Hình chiếu đứng khung máy in 3D 21 Hình 4.2 Hình chiếu cạnh khung máy in 3D 21 Hình 4.3 Bản vẽ 2D hình chiếu trục đo máy in 3D 23 Hình 5.1 Khung máy 25 Hình 5.2 Thành phần trục X 26 Hình 5.3 Thành phần trục Y bàn nhiệt 27 Hình 5.4 Thành phần trục Z 27 Hình 5.5 Động bước NEMA 17 32 Hình 5.6 Đầu phun gia nhiệt 38 Hình 5.7 Dây cảm biến nhiệt độ 39 Hình 5.8 Nguồn tổ ong 40 Hình 5.9 Bàn nhiệt 41 Hình 6.1 RAMPS 1.4 đặt mega 2560 42 Hình 6.2 Sơ đồ nối A4988 với mạch RAMPS 1.4 42 Hình 6.3 Giao diện marlin 48 Hình 6.4 Chọn mạch điều khiển 49 Hình 6.5 Nạp chương trình cho điều khiển 50 Hình 6.6 Nạp chương trình thành cơng 50 Hình 6.7 Hình chóp 52 v Hình 6.8 Hình khối 53 Hình 7.1 Quy trình chung phương pháp đúc 54 Hình 7.2 Quy trình chi tiết phương pháp đúc khn cát 55 Hình 7.3 Các phận khuôn đúc 56 Hình 7.4 Bản vẽ lồng phôi thiết kế đúc 61 Hình 7.5 Bản vẽ khuôn đúc 61 Hình 7.6 Mẫu in 3D phục vụ đúc 62 Hình 7.8 Vật mẫu in từ máy in 3D phục vụ ngành đúc 62 Hình 7.9 Quy trình làm khuôn cát 63 Hình 7.10 Quy trình tạo phễu rót, đậu ngót, đậu 63 Hình 7.11 Quy trình lấy vật mẫu khỏi khuôn 64 Hình 7.12 Quy trình rót kim loại vào khn 64 Hình 7.13 Quy trình tháo khn lấy chi tiết 65 Hình 7.14 Chi tiết sau lấy khỏi khuôn cát 65 Hình 7.15 Chi tiết sau gia công nguội 66 Hình 7.16 Sản phẩm đúc từ vật mẫu in 3D 66 Hình 8.1 Máy in 3D in vật mẫu phục vụ đúc 70 Hình 8.2 Sản phẩm in từ máy in 3D 70 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 7.1 Lượng dư gia cơng vật đúc cấp xác cấp 60 Bảng 7.2 Sai lệch cho phép kích thước vật đúc cấp xác cấp 60 vii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thơng tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo máy in 3D ứng dụng tạo mẫu cho phương pháp đúc - Chủ nhiệm đề tài: Phạm Ngọc Hiếu - Lớp: 181462A Khoa: Mã số SV: 18146299 Cơ khí chế tạo máy - Thành viên đề tài: Võ Hoàng Tuấn Stt Họ tên MSSV Lớp Khoa Phạm Ngọc Hiếu 18146299 181462A CKM Võ Hoàng Tuấn 18143175 18143CL3A ĐT CLC - Người hướng dẫn: Thạc sĩ Nguyễn Thanh Tân Mục tiêu đề tài: Dự kiến đến ngày 30 tháng năm 2021 hoàn thành máy in 3D hoạt động ổn định, có độ xác cao sử dụng để tạo mẫu vật đúc nhanh Tính sáng tạo: Trong quy trình đúc mẫu vật đúc gia cơng phương pháp truyền thống tiện, phay Tuy nhiên, đề tài nhóm tác giả vận dụng tính ưu việt máy in 3D để in mẫu vật đúc phục vụ cho ngành đúc Đây tính tính sáng tạo đề tài lần Kết nghiên cứu: Sau chế tạo thành cơng máy in 3D, với in số vật mẫu để phục vụ cho ngành đúc, nhóm tác giả đánh giá cao phương pháp chế tạo vật đúc theo phương thức này, vật đúc từ vật mẫu cho thấy độ hoàn thiện cao, đáp ứng với nhu cầu đặt sản phẩm đúc ban đầu Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: viii Hình 7.4 Bản vẽ lồng phơi thiết kế đúc Hình 7.5 Bản vẽ khn đúc 61 7.2.2 Tiến hành quy trình đúc thực tế Bước 1: Tạo mẫu nhanh máy in 3D sử dụng đúc Hình 7.6 Mẫu in 3D phục vụ đúc Hình 7.7 Vật mẫu in từ máy in 3D phục vụ ngành đúc Bước 2: Tiến hành làm khn cát 62 Hình 7.8 Quy trình làm khn cát Bước 3: Tạo phễu rót, đậu ngót, đậu Hình 7.9 Quy trình tạo phễu rót, đậu ngót, đậu Bước 4: Lấy vật mẫu khỏi khn cát 63 Hình 7.10 Quy trình lấy vật mẫu khỏi khuôn Bước 5: Tiến hành nấu kim loại rót kim loại vào khn Hình 7.11 Quy trình rót kim loại vào khn Bước 6: Để nguội, phá khn lấy vật đúc 64 Hình 7.12 Quy trình tháo khn lấy chi tiết Hình 7.13 Chi tiết sau lấy khỏi khuôn cát Bước 7: Gia cơng nguội vật đúc để tạo hình chi tiết hồn chỉnh 65 Hình 7.14 Chi tiết sau gia công nguội Một số sản phẩm khác đúc từ phương pháp sử dụng mẫu đúc từ in 3D Hình 7.15 Sản phẩm đúc từ vật mẫu in 3D 66 7.2.3 Đánh giá chất lượng vật đúc sau thực quy trình đúc Về ưu điểm: Ở bề mặt khn có chất lượng bề mặt tốt Nhìn chung kích thước tổng thể chi tiết khơng sai lệch nhiều so với kích thước mẫu, nhóm tính lượng dư gia cơng để tiến hành gia cơng hồn thiện chi tiết, tốc độ rót kim loại vào khn nên khn điền đầy Ngồi ra, việc tính tốn nhiệt độ nấu kim loại, nhôm khoảng 8500C hạn chế việc kim loại co ngót q nhiều Về nhược điểm: Ngồi ưu điểm vừa nêu trình đúc tồn số nhược điểm như: cát bám vào mặt khuôn dẫn đến chi tiết đúc bị lõm số bề mặt, số trường hợp q trình tạo hình khn sơ suất nên dẫn tới việc hai nửa khuôn bị lệch so với phương ban đầu, dẫn tới việc in chi tiết bị lệch hình dạng Ngồi cịn có số khuyết tật khác kể đến sau: - Khuyết tật ba via: Là phần kim loại thừa Nó hình thành mặt phân khuôn, gối lõi với nguyên nhân lực kẹp khơng đủ, nắp ráp xác khn ăn khớp Cách khắc phục dựa vào phần lượng dư gia công để cắt mài phần kim loại thừa - Hiện tượng lõm: lỗ có hình dạng kích thước khác làm giảm chiều dày vật đúc Nguyên nhân khuôn bị vỡ để lại tượng hỗn hợp chiếm chỗ lịng khn Cách khắc phục pha trộn ngun liệu làm khn có độ kết dính cao hơn, sử dụng thêm bột đất sét hợp chất kết dính khác để tăng độ kết dính cho cát làm khn - Hiện tượng rỗ khí: Trong vật đúc tồn khơng gian dạng cầu nhẵn chứa khí có áp suất với kích thước khác rỗ khí Rỗ khí làm khả liên tục kim loại, làm giảm độ bền, độ dẻo vật đúc Nguyên nhân khơng khơng khí khơng được, bị dồn nén phân bố phân tán kim loại áp suất khí áp suất kim loại Biện pháp giảm lượng khí sinh rót kim loại lỏng vào khuôn, ngăn ngừa không cho nguồn tạo khí tiếp xúc với kim loại lỏng rót, khn lõi cần thơng khí tốt, đặt đậu hợp lý cách tốt sử dụng phương pháp nấu chân không 67 68 CHƯƠNG 8: KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ, CẢI TIẾN 8.1 Kiểm tra đánh giá chất lượng máy in 3D sau hoàn thiện Qua khoảng thời gian sáu tuần thực việc lắp ráp máy in 3D tiến hành in số vật mẫu, nhóm rút số nhận xét chất lượng máy in vật in từ máy in 3D cụ thể sau: - Vùng in 200x200x200mm theo cá nhân nhóm đánh giá có kích thước vừa phải, hợp lý, thoải mái in mơ hình, chi tiết phục vụ cho thiết kế đồ án, đồ chơi, vật mẫu phục vụ cho việc thiết kế nghiên cứu vật đúc - Với dải nhiệt độ nung rộng cho phép máy sử dụng nhiều loại sợi nhựa bản: PLA, ABS, PETG - Sử dụng ray trượt giúp máy có chuyển động mượt mà độ xác cao, không gây tiếng ồn lớn in - Khung máy làm từ nhôm cứng cáp - Chất lượng in tương đối ổn, cần phải chỉnh qua nhiều lần in - Đối với vật in từ máy in 3D: Sau chỉnh bàn gia nhiệt vị trí phù hợp vật mẫu in đều, đẹp, nét nhựa đùn từ đùn có độ liên kết bám với tốt 69 Hình 8.1 Máy in 3D in vật mẫu phục vụ đúc Hình 8.2 Sản phẩm in từ máy in 3D Những điểm khác so với vẽ ban đầu: - Gia cố thêm nhôm cho trục Z nhơm định hình xung quanh Vì u cầu máy phải di chuyển lên trưng bày trường nên nhóm tính tốn gia cố thêm trục Z để hạn chế sai lệch có tác động làm trục Z cân trình di chuyển 70 - Thay đổi chân từ nhựa sang nhôm: Do đặc thù sử dụng chân nhựa với trọng lượng máy in tương đối lớn nên dễ làm phần nhựa chân bị lún xuống gây sai lệch, làm cân khung máy in 3D, ảnh hưởng đến chất lượng vật in nên nhóm thay chân nhựa sang chân nhơm định hình, vừa chắn đồng thời tạo nên đồng cho khung máy in - Thay đổi phần đùn nhựa từ bán trực tiếp sang trực tiếp để tránh bị kẹt nhựa: Ban đầu nhóm dự tính sử dụng đùn nhựa bán trực tiếp Song, q trình thử nghiệm thực tế máy, nhóm nhận thấy nhược điểm loại đùn nhựa nhựa dễ bị kẹt phần trung gian phần kéo nhựa từ động xuống phận nung nhựa, làm nhựa tới phận nung dẫn tới việc in chi tiết nhựa in xuống chi tiết không đều, ảnh hưởng tới chất lượng vật in Do vậy, nhóm định thay đùn trực tiếp đưa nhựa từ động kéo xuống thẳng phận gia nhiệt cho nhựa, sau thay đùn nhựa xuống đều, chi tiết in với chất lượng tốt 8.2 Hướng cải tiến sản phẩm Trong trình thực đề tài, phần đặc thù cơng việc thực nhóm sinh viên chưa có kinh nghiệm nhiều việc lắp ráp máy in 3D nên trình thực gặp số vấn đề khó khăn việc chỉnh trục chưa xác, nhựa sau đùn từ đầu đùn bám vào bàn gia nhiệt Tuy nhiên nhóm khắc phục vấn đề Do kinh phí đầu tư cho việc mua linh kiện hạn chế nên số chi tiết nhóm tính tốn thay vật liệu thay mica để giảm chi phí, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc gia công chi tiết, nên đôi lúc việc thay vật liệu mica xảy số vấn đề trình lắp ráp mica, chúng dễ bị gãy không cẩn thận Đối với vấn đề mà nhóm vừa trình bày trên, tương lai, nhóm có nguồn lực tài tốt tiếp tục cải tiến sản phẩm theo số hướng như: thay việc sử dụng vật liệu mica vật liệu kim loại nhôm để đảm bảo độ bền chi tiết, tăng diện tích bề mặt in từ 200x200 lên 300x300 để tăng tính đa dạng kích thước vật in để phục vụ tốt cho công việc học tập nghiên cứu sau 71 CHƯƠNG 9: KẾT LUẬN Qua trình thực đề tài máy in 3D song hành với thực việc chế tạo mẫu nhanh phục vụ cho phương pháp đúc, nhóm tác giả học hỏi nhiều điều, nhóm tác giả nhận thấy việc áp dụng thực hành vào học tập hội giúp kiểm chứng lại lý thuyết mà học, để từ có phát kiến hơn, sáng tạo phục vụ cho đời sống xã hội, đồng thời cịn nâng cao kỹ làm việc nhóm quản lí thời gian, tiến độ cơng việc cho tối ưu hiệu Và qua việc thực đề tài lần này, mặt đạt củng cố kiến thức thực tiễn mơn học, nâng cao kỹ làm việc nhóm Mặc dù thành viên nhóm hài lịng khâu quản lí tổ chức nhóm, song nhóm chắn có số vấn đề cần cải thiện việc xếp thời gian công việc nhằm đảm bảo tiến độ đề ban đầu Hi vọng tương lai, có đủ tiềm lực kinh tế nhóm tiếp tục phát triển đề tài để hướng tới việc tung thị trường sản phẩm máy in 3D vừa đảm bảo chất lượng, mà giá thành lại phải để cạnh tranh với đối thủ thị trường 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TRUNG TÂM DỊCH VỤ 3D - 3DS+ lab, In 3D công nghệ SLA (resin lỏng), ( http://vondimnguyen.com/in-3d-cong-nghe-sla-resin-long/) [2] Designxmaker, So sánh loại máy in 3D - Cartesian, Delta & Polar, ( http://vondimnguyen.com/in-3d-cong-nghe-sla-resin-long/) [3] Aie, Khám phá ứng dụng công nghệ in 3D phương pháp FDM, ( https://aie.com.vn/cong-nghe-in-3d-fdm/) [4] TechnologyMAG, So sánh loại máy in 3D, TechnologyMAG.Net, (https://designxmakerx.com/blogs/1-nguoi-moi/so-sanh-cac-loai-may-in-3d) [5] TechnologyMAG, Máy IN 3D Là gì?, TechnologyMAG.Net, (https://technicalvnplus.com/article/may-in-3d-viet-nam) [6] Blogin3D, Lược Sử In 3D: Từ Những Hi Vọng Đầu Tiên Cho Tới Thời Đại 4.0, (https://blogin3d.com/luoc-su-cong-nghe-in-3d.html) [7] VietMachine, Động bước (STEP), phân loại, ứng dụng điều, VietMachine, (https://vietmachine.com.vn/cac-loai-dong-co-buoc-step-phan-loai-ung-dung-va-dieukhien.html) [8] VietMachine, Cơ cấu truyền động (vít me, ray trượt, đai), VietMachine, (https://technicalvnplus.com/article/may-in-3d-viet-nam) [9] 3D, Đại học Điện lực, Giới thiệu Arduino Mega 2560 sử dụng chế tạo máy in VietMachine, (https://mpe.epu.edu.vn/chi-tiet-tin/gioi-thieu-ve-arduino-mega- 2560-su-dung-trong-che-tao-may-in-3d-7-12392.html) [10] Dientudat, Mạch điều khiển máy in 3D RAMPS 1.4, (https://www.dientudat.com/mach-dieu-khien-may-in-3d-ramps-1-4) [11] Nshop, Mạch Điều Động Khiển Cơ Bước A4988, (https://nshopvn.com/product/mach-dieu-khien-dong-co-buoc-a4988/) [12] Hshop, Mạch 3D Printer Smart Controller RAMPS1.4 (https://hshop.vn/products/mach-lcd-2004-may-in-3d-reprap/) 73 LCD 2004, [13] Linhkiencnc, Đầu gia nhiệt cho máy in 3D 12V-40W (T19), (http://linhkiencnc.com/san-pham/dau-gia-nhiet-cho-may-in-3d-12v-40w-t19/) [14] Diy Everything, Hướng dẫn cài đặt thông số Firmware Marlin máy in 3D, (https://www.diyeverything.xyz/2020/02/huong-dan-cai-dat-firmware-marlin-may-in3d.html) [15] Nguyễn Tác Ánh (2004), Giáo trình Cơng Nghệ Kim Loại - trang 154 , Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh 74 S K L 0 ... chế tạo máy in 3D Vì vậy, nhóm tác giả định chọn đề tài ? ?Nghiên cứu chế tạo máy in 3D ứng dụng tạo mẫu cho phương pháp đúc? ?? 1.3 Phương pháp nghiên cứu đề tài Nhóm tác giả sử dụng phương pháp nghiên. .. DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY IN 3D VÀ ỨNG DỤNG TẠO MẪU CHO PHƯƠNG PHÁP ĐÚC... giả vận dụng tính ưu việt máy in 3D để in mẫu vật đúc phục vụ cho ngành đúc Đây tính tính sáng tạo đề tài lần Kết nghiên cứu: Sau chế tạo thành công máy in 3D, với in số vật mẫu để phục vụ cho ngành