Thiết kế thi công mô hình máy in 3d dùng kit arduino

TĨM TẮT Hiện nay, cơng nghệ in 3D khơng ngừng cải tiến ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực, nhiên ngành in 3D bắt đầu xâm nhập thị trường Việt Nam vài năm trở lại xa lạ với nhiều người Với mục đích muốn tiếp cận với cơng nghệ in 3D, nhóm thực đồ án mong muốn chế tạo máy in 3D giá thành rẻ, phù hợp với người, dựa tảng mã nguồn mở, thiết kế linh kiện khí điện tử có bán rộng rãi thi trường, nhóm chế tạo thành cơng máy in 3D: Với kích thước 200x200x200 mm Di chuyển với độ xác vị trí: ± 1mm Ứng dụng vi điều khiển ATMEGA 2560 để thiết kế mạch điều khiển động bước với độ xác cao, tốc độ xử lý nhanh Người dùng dễ dàng tương tác thông qua nút nhấn, đọc thực theo mã Gcode thông dụng MỤC LỤC Danh sách bảng i Danh sách hình ii Chƣơng TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 1.2 Mục đích Error! Bookmark not defined 1.3 Mục tiêu Error! Bookmark not defined 1.4 Nội dung thực .1 1.5 Giới hạn 1.6 Bố cục đề tài .2 Chƣơng KHẢO SÁT SƠ ĐỒ KHỐI 2.1 Giới thiệu 2.2 Cơ sở lý thuyết máy in 3D 2.2.1 Vật liệu in 3D 2.2.2 Hoạt động máy in 3D .5 2.3 Thiết kế sơ đồ khối .6 2.3.1 Khối cảm biến 2.3.2 Khối xử lý trung tâm .8 2.3.3 Khối hiển thị điều khiển 12 2.3.4 Khối nguồn 13 2.3.5 Khối tải 13 2.4 Lưu đồ giải thuật 25 Chƣơng THI CÔNG 27 3.1 Thi công phần điện 27 3.2 Thi công khung máy 28 3.2.1 Khung máy 28 3.2.2 Đế đỡ bàn in bàn in 29 3.2.3 Các phận nhựa 30 3.2.4 Các phận đầu phun nhựa 31 3.2.5 Thanh trượt trục trịn trục vít 32 3.2.6 Linh kiện khí 32 3.2.7 Linh kiện cho bàn nhiệt 33 3.2.8 Bộ đùn 33 3.3 Điều khiển máy in 3D 34 3.3.1 Phần mềm lập trình Arduino IDE 34 3.3.2 Phần mềm điều khiển in 3D 35 Chƣơng KẾT QUẢ 39 4.1 Mơ hình máy in 3D dạng Prusa I3 39 Chƣơng KẾT LUẬN 42 5.1 Kết luận 42 5.2 Những khó khăn q trình thực đồ án 42 5.3 Hướng phát triển 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Chức chân Driver A4988………………………22 Bảng 2.2: Chế độ điều khiển driver A4988……………………………… 23 DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Mơ hình in 3D 03 Hình 2.2: Sợi nhựa dùng để in 3D 04 Hình 2.3: Sơ đồ khối máy in 3D 06 Hình 2.4: Điện trở nhiệt (Thermistor) 07 Hình 2.5: Cơng tắc hành trình 08 Hình 2.6: Arduino Mega 2560 09 Hình 2.7: Ramps 1.4 10 Hình 2.8: Kết nối Ramps với Arduino 12 Hình 2.8: Ramps LCD controller 12 Hình 2.9: Bộ nguồn cho máy in 3D 13 Hình 2.10: Cấu tạo động bước 14 Hình 2.11: Phân loại động bước 15 Hình 2.12: Động bước loại đơn cực 15 Hình 2.13: Động bước loại lưỡng cực đầu dây 16 Hình 2.14: Bố trí cuộn dây động bước kiểu lai 17 Hình 2.15: Cấu tạo rotor động bước kiểu lai 17 Hình 2.16: Hoạt động động bước kiểu lai 18 Hình 2.17: Sơ đồ nối dây động bước lai lưỡng cực 18 Hình 2.18: Chế độ Wave drive 19 Hình 2.19: Chế độ Full step drive 19 Hình 2.20: Chế độ Half step driver 20 Hình 2.21: Dạng sóng chế độ điều khiển động bước 20 Hình 2.22: Driver A4988 21 Hình 2.23: Sơ đồ kết nối Driver A4988 21 Hình 2.24: Đầu phun JHead all metal E3D 24 Hình 2.25: Lưu đồ 26 Hình 3.1: Sơ đồ kết nối phần tử điện 27 Hình 3.2: Bản vẽ khung máy 28 Hình 3.3: Bản vẽ đế đỡ bàn in 29 Hình 3.4: Các chi tiết nhựa để ráp máy in 3D 30 Hình 3.5: Các chi tiết để gắn đầu phun in 3D 31 Hình 3.6: Linh kiện khí 32 Hình 3.7: Giao diện sau cài đặt Arduino IDE 34 Hình 3.8: Giao diện phần mềm Cura 35 Hình 3.9: Chọn kiểu máy, thông số máy phần mềm Cura 36 Hình 3.10: Thiết lập thơng số cần thiết in 38 Hình 4.1: Máy in 3D dạng Prusa I3 sau chế tạo 39 Hình 4.2: Kích thước sản phẩm thực tế so với thiết kế 40 Hình 4.3: Cái chén nhỏ 40 Hình 4.4: Một vài sản phẩm 41 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU Khoa học kỹ thuật vào đầu kỉ 21 phát triển bùng nổ tạo hội cho công nghệ in 3D đời Đây bước đột phá trội, làm thay đổi phương thức sản xuất truyền thống trở thành xu hướng thời gian tới Hiện nay, công nghệ in 3D không ngừng cải tiến ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực từ kiến trúc, xây dựng, thời trang, mỹ thuật, y học, giải phẩu thẫm mỹ, giáo dục đến ngành công nghiệp sản xuất khác hàng tiêu dùng, ô tô, máy bay, vũ trụ Bằng cách sử dụng máy in 3D, tính khả thi việc tạo sản phẩm hoàn chỉnh ý tưởng nâng cao, rút ngắn thời gian nhiều 1.2 MỤC ĐÍCH - Tiếp cận cơng nghệ in 3D - Chế tạo máy in 3D giá thành rẻ, dễ sử dụng 1.3 MỤC TIÊU - Chế tạo máy in 3D dạng Prusa I3 - In vật thể với kích thước vật thể tối đa 200x200x200 (mm) với sai số cho phép 0,2 mm 1.4 NỘI DUNG THỰC HIỆN - Thiết kế, thi công khung máy, phần cứng, phần điện (cơ khí, linh kiện) - Lắp ráp khối điều khiển vào máy in 3D - Lập trình điều khiển kit Arduino Mega 2560 1.5 GIỚI HẠN - Nghiên cứu tổng quan máy in 3D Reprap dạng Prusa I3 - Thiết kế, chế tạo máy in 3D với kích thước vật thể tối đa 200x200x200 (mm) với sai số cho phép 0,2 mm - Sử dụng mã nguồn mở để điều khiển máy in 1.6 BỐ CỤC ĐỀ TÀI - Chương 1: Giới thiệu - Chương 2: Khảo sát sơ đồ khối - Chương 3: Chương 2: KHẢO SÁT SƠ ĐỒ KHỐI 2.1 GIỚI THIỆU In 3D nhánh nhỏ công nghệ tạo mẫu nhanh, phát minh từ năm 1980s In 3D cơng đoạn tạo mơ hình vật lý (mẫu thật) từ mơ hình số (file thiết kế 3D máy vi tính) cách tự động thông qua máy in 3D Khi ta gọi máy in phải có “mực” Với máy in thường, sau in, mực khô để lại vệt màu giấy Còn máy in 3D “đắp” mảng vật liệu khơ cứng lại thành mơ hình tương ứng với thiết kế 3D Sản phẩm in 3D khơng trừu tượng mơ hình thiết kế, bạn cầm nắm, chí sử dụng sản phẩm bình thường Máy in 3D Reprap dạng Prusa i3 sử dụng linh kiện :Ardunio mega 2560, ramps 1.4,động bước, đầu phun nhựa cảm biến nhiệt độ, hiển thi thông tin LCD 16x4, giao tiếp để điều khiển thông qua núm xoay, động bước Hình 2.1: Mơ hình in 3D 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÁY IN 3D 2.2.1 VẬT LIỆU IN 3D Người sử dụng máy in 3D lựa chọn loại vật liệu đầu vào: Acrylonitrile Butadiene Styrene (nhựa ABS) Polylactic Acid (nhựa PLA) Một số máy in nhận nhựa ABS, số loại khác sử dụng hai Các vật liệu nhựa đầu vào có dạng sợi, chiều rộng 1,75mm 3mm Nhựa ABS thường sử dụng để tạo đồ chơi Lego Đây loại nhựa có gốc hóa học, hoạt hóa nhiệt độ cao Nhựa PLA có nguồn gốc tự nhiên, chẳng hạn từ ngơ mía, cứng bóng nhựa ABS Ngoài việc dùng làm nguyên liệu đầu vào cho máy in 3D, nhựa PLA ứng dụng để sản xuất loại bao bì phân hủy Hình 2.2: Sợi nhựa dùng để in 3D Sợi nhựa dùng cho máy in 3D có giá thành đắt Hãng MakerBot bán 2,2 pound (990 gram) sợi nhựa PLA giá 48 USD (960.000 đồng) Nếu tìm mua eBay giá thành rẻ nửa Hãng ước tính 990 gram sợi nhựa in 392 quân cờ vua Giá thành sợi nhựa giảm xuống loại máy in 3D trở nên phổ biến sợi nhựa sản xuất với quy mô lớn Có cách khác để giảm giá thành đầu vào bạn sử dụng máy ép sợi nhựa Bạn đưa nguyên liệu nhựa tái chế nhựa giá rẻ vào máy ép để tạo sợi nhựa 2.2.2 HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY IN 3D Khi có sợi nhựa, ta đưa vào máy in 3D qua phận gọi đầu in (print head) Đầu in có hình dáng hộp với vịi phun Một cấu truyền động đẩy phần nhựa xuống đầu in Trước nhựa bị đùn từ đầu kim in, sợi nhựa phải qua ống nhiệt hóa lỏng Nhựa qua đầu kim in đường siêu mảnh 0,1 milimet Ngay ngồi khơng khí, nhựa khơ cứng nhanh, gắn lại với tạo thành lớp Có nhiều cách in 3D ứng với nhiều kiểu máy in 3D khác nhau, đây, đề tài nhóm thực nghiên cứu chế tạo máy in 3D Repraps dạng Prusa i3 Với máy in 3D prusa i3, có cấu hoạt động sau : - Xét chuyển động không gian chiều, tọa độ Đề-các ( phương x,y,z) - Chuyển động đầu in bàn in: Đầu in điều khiển bỡi động cơ, để di chuyển theo chiều lên xuống (trục y) qua lại theo phương ngang (trục x) Để đầu in chuyển động theo phương ngang, ta dùng động bước , đặt trục nằm ngang ,tạo chuyển động quay, thông qua dây đai curoa gắn kết với đầu in tạo thành chuyển động tịnh tiến theo phương ngang ( trục x) Để đầu in chuyển động theo phương thẳng đứng, lên- xuống, sử dụng trục vitme theo phương thẳng đứng xoay bỡi bỡi động có trục đặt thẳng đứng thẳng đứng, động quay kéo theo chuyển động quay vitme làm đầu in chuyển động lên xuống Bàn in động điều khiển để di chuyển tới lui (di chuyển theo trục y , cố định trục x trục z) Chuyển động bàn in từ động bước có trục đặt theo phương ngang kéo dây curoa kéo theo bàn in chuyển động tịnh tiến 3.2.2 ĐẾ ĐỠ BÀN IN BÀN IN Hình 3.3: Bản vẽ đế đỡ bàn in Bàn in thiết để để chuyển động theo trục Y , chuyển động dọc theo trượt nhờ dây curoa kéo bỡi động Để thuận tiện cho việc lấy sản phẩm sau in cách dễ dàng giảm sai số máy in xuống nhỏ Nhóm làm đồ án, chọn phương án chế tạo bàn in di động (di chuyển lên xuống) thay đổi chiều cao, bàn in hình vng, kích thước 200x200 mm 29 3.2.3 CÁC BỘ PHẬN BẰNG NHỰA Gồm chi tiết nhựa in máy in 3D lông đền nylon Hình 3.4: Các chi tiết nhựa để ráp máy in 3D 30 3.2.4 CÁC BỘ PHẬN ĐẦU PHUN BẰNG NHỰA Gồm chi tiết nhựa in 3D hình bên - Đầu in hot-end J-Head MK7 loại hotend khác tương thích với đầu gá J-Head Alu-hotend, E3D… - Bánh cuộn nhựa hobbed bolt - Quạt vuông 40x40 cm 12V công suất khoản 1W - Lò so ngắn khoảng 2cm loại ø1 mm Hình 3.5: Các chi tiết để gắn đầu phun in 3D 31 3.2.5 THANH TRƢỢT TRỤC TRÕN TRỤC VÍT - ti thép trơn Ø8mm dài 320 mm - ti thép trơn Ø8mm dài 350 mm - ti thép trơn Ø8mm dài 370 mm - ti ren M5 dài 300 mm - ti ren M10 dài 210 mm - ti ren M10 dài 380 mm 3.2.6 LINH KIỆN CƠ KHÍ - 11 bạc đạn LM8UU - vòng bi 624ZZ - vòng bi 608ZZ - dây curoa GT2 760mm (dây đai) - dây curoa GT2 900mm - flexible coupling (khớp mềm) loại đầu 5mm - stepper motor (động bước) - Pulley (bu li) loại GT2 Hình 3.6: Linh kiện khí 32 3.2.7 LINH KIỆN CHO BÀN NHIỆT - kính dày khoảng 3mm kích thước 200x200mm - Băng keo vàng chịu nhiệt cao - kẹp giấy - cảm biến nhiệt (còn gọi điện trở nhiệt) Thermistor NTC 100k 3.2.8 BỘ ĐÙN - Máy in sử dụng động bước để đùn nhựa nguyên liệu cho Hot-End - Bộ đùn nhựa nhiên liệu cấu thành từ phận chính: - Buly(Pulley) khoét rãnh - Loxo ép lực - Vòng bi trượt 33 3.3 ĐIỀU KHIỂN MÁY IN 3D 3.3.1 PHẦN MỀM LẬP TRÌNH ARDUINO IDE Để lập trình nạp chương trình cho máy ta sử dụng phần mềm Arduino IDE Phần mềm Arduino IDE tích hợp mơi trường lập trình, trình biên dịch nạp mã cho chip vi xử lý Arduino truyền-nhận liệu từ bo mạch Arduino qua cổng COM Sau cài đặt xong giao diện chương trình sau: Hình 3.7: Giao diện sau cài đặt Arduino IDE 34 3.3.2 PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN IN 3D Cura phần mềm cài đặc thơng số để in mơ hình 3D Cura phần mềm mã nguồn mở phát triển hãng Utimaker Giúp cho việc in 3D, tạo mẫu nhanh chiều trở nên dễ dàng hơn, chất lượng sản phẩm tạo tốt Cura kèm với chương trình cài đặt thân thiện giúp bạn luôn cập nhật phiên với tính Cura hỗ trợ nhiều dịng máy in 3D theo cơng nghệ FDM có tất các dịng máy in 3D 3DMaker Việt Nam Giao diện thân thiện, tính mạnh mẽ, thuật tốn xử lý mơ hình 3D nhanh chuẩn xác, thao tác đơn giản, Cura lựa chọn tốt cho người bắt đầu sử dụng máy in 3D kiểm chứng đội ngũ chuyên gia 3Dmaker Vietnam Cura cho phép tải lên tập tin có định dạng “.STL” thực chuyển sang mã G-code để điều khiển máy in Nó phần mềm giao diện đơn giản (Graphical User Interface) cho phép người sử dụng quan sát trình in từ máy tính Download phần mềm Cura đây: https://ultimaker.com/en/products/curasoftware tiến hành cài đặt Giao diện sau cài đặt Hình 3.8: Giao diện phần mềm Cura 35 CÀI ĐẶT CÁC THÔNG SÔ CƠ BẢN CHO CURA: Chọn kiểu máy, thơng số máy: Hình 3.9: Chọn kiểu máy, thơng số máy phần mềm Cura 36 - Chiều rộng bàn in: 200 mm - Chiều sâu bàn in: 200 mm - Chiều cao bàn in: 200 mm - Kích thước đầu phun: 0.4 mm Cách thiết lập thông số để in 3D: Basic: - Layer height (mm): bề dày lớp, thông số quan trọng, ảnh hưởng tới chất lượng in - Shell thickness (mm): độ dày bên lớp vật thể - Bottom/Top thichness: độ dày đáy đỉnh vật thể - Fill Density: độ đặc bên vật thể - Print speed (mm/s): tốc độ in vật thể - Printing temperature (0C): nhiệt độ in vật thể (tùy thuộc vào loại nhựa) - Support type: phương pháp in hỗ trợ với vật thể phức tạp - Platform adhesion type: in lớp đế, để tạo lớp kết dính với bề mặt - Diameter (mm): đường kính sợi nhựa - Nozzle size (mm): đường kính đầu phun Advanced: - Speed (mm/s): tốc độ đùn nhựa - Distance (mm): chiều dài đùn nhựa - Initial layer thickness (mm): độ dày lớp in - Cut off object bottom (mm): cách bỏ phần đáy vật thể -Travel speed (mm/s): tốc độ di chuyển đầu phun - Bottom layer speed (mm/s): tốc độ in lớp - Infill speed (mm/s): tốc độ in bên vật thể - Outer shell speed (mm/s): tốc dộ in lớp vật thể - Inner shell speed (mm/s): tốc độ in lớp vật thể - Minimal layer time (sec): thời gian in lớp 37 Hình 3.10: Thiết lập thông số cần thiết in 38 Chương 4: KẾT QỦA 4.1 MƠ HÌNH MÁY IN 3D DẠNG PRUSA I3 Hình 4.1: Máy in 3D dạng Prusa I3 sau chế tạo Nhận xét: Máy in hoạt động với độ xác tương đối cao, với sai số 0,1 % 39 - Kích thước sản phẩm in so với thiết kế: Hình 4.2: Kích thước sản phẩm thực tế so với thiết kế  Rõ ràng máy in 3D chế tạo vật in với hình dạng giống thiết kế, kích thước thực tế có sai số so với thiết kế, vật thể in có khả sử dụng, ứng dụng cao Hình 4.3: Cái chén nhỏ 40 Hình 4.4: Một vài sản phẩm Trong trình thử nghiệm, có in từ vật thể đơn giản đến phức tạp, dày mỏng Thử nghiệm in chén nhưa có độ dày 1mm, kết thu ấn tượng, bề mặt mỏng mịn, trịn khơng bị biến dạng, cảm giác bền chắn 41 Chương 5: KẾT LUẬN 5.1 KẾT LUẬN Sau nhiều tuần tích cực tìm hiểu nỗ lực thực hiện, nhóm nghiên cứu đề tài hoàn thành đồ án theo yêu cầu thời gian quy định Dưới kết đạt ưu, nhược điểm đồ án - Thiết kế chế tạo thành công máy in 3D dạng Prusa I3 - Máy in 3D có tính thẩm mỹ, kết cấu cân đối, nhỏ gọn, tiết kiệm - Thực in sản phẩm với cấu trúc tương đối phức tạp mà công nghệ chế tạo bình thường khơng làm được, với độ xác tương đối cao, với chất liệu PLA, ABS chuyên dụng cho máy in 3D giúp tạo độ kết dính tốt Tuy nhiên, chưa có nhiều kinh nghiệm việc chế tạo thi cơng máy móc thực tế nên máy in 3D chưa tối ưu giá thành, kết cấu, cố định độ xác tuyệt đối phận hay khối học với Máy chưa in nhiều màu khác nhau, chưa in hình phức tạp 5.2 NHỮNG KHĨ KHĂN TRONG Q TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN Do kiến thức, kinh nghiệm thân hạn chế nên nhóm chưa thể hiểu chi tiết tất vấn đề đồ án Do cơng nghệ in 3D cịn Việt Nam nên việc tìm kiếm vật tư cho cho máy in 3D cịn nhiều khó khăn, buộc nhóm đồ án phải thay số phận vật liệu khác 5.3 HƢỚNG PHÁT TRIỂN - Mở rộng in sản phẩm lớn hơn, mang tính ứng dụng thực tế nhiều hơn, với nhiều chất liệu khác như: kim loại, gốm, kem, chocolate, - Nâng cấp máy in có đầu in trở lên, in nhiều màu… - Điều khiển máy in qua bluetooh, wifi, mạng internet 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách tham khảo [1] Phạm Quang Khải, “Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống thay dao tự động cho máy CNC”, Ngành điện tử Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 2013 [2] Trần Văn Hiệu, Ngơ Trí Ngọc, Nguyễn Thanh Phúc, “ Đồ án tốt nghiệp: Chế tạo máy in 3D dạng Delta”, Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM năm 2015 [3] Gs Ts Trần Văn Dịch, “Giáo trình cơng nghệ CNC”, NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội năm 2004 Các trang web: [1] http://reprap.org/ tìm hiểu sơ lược tạo mẫu nhanh cơng ngệ in 3D [2] https://taotac.com/reprap/ tìm mua linh kiện cho máy in 3D [3] http://arduino.vn/ tham khảo lập trình cho maý in 3D [4] http://mme.vn/thiet-lap-firmware-marlin-may-in-3d/ thiết lập firmware Marlin máy in 3D 43 ... phẩm in so với thi? ??t kế: Hình 4.2: Kích thước sản phẩm thực tế so với thi? ??t kế  Rõ ràng máy in 3D chế tạo vật in với hình dạng giống thi? ??t kế, kích thước thực tế có sai số so với thi? ??t kế, vật... thật) từ mơ hình số (file thi? ??t kế 3D máy vi tính) cách tự động thơng qua máy in 3D Khi ta gọi máy in phải có “mực” Với máy in thường, sau in, mực khô để lại vệt màu giấy Cịn máy in 3D “đắp” mảng... gian in lớp 37 Hình 3.10: Thi? ??t lập thông số cần thi? ??t in 38 Chương 4: KẾT QỦA 4.1 MƠ HÌNH MÁY IN 3D DẠNG PRUSA I3 Hình 4.1: Máy in 3D dạng Prusa I3 sau chế tạo Nhận xét: Máy in hoạt động với