(Đồ án hcmute) thiết kế thi công mô hình máy in 3d dùng kit arduino

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ, THI CƠNG MƠ HÌNH MÁY IN 3D DÙNG KIT ARDUINO GVHD: TH.S NGUYỄN THANH TÂM SVTH: NGUYỄN PHI LONG MSSV: 10901049 SVTH: NGUYỄN VĨNH HƯNG MSSV: 10901007 SKL 0 3 Tp Hồ Chí Minh, tháng 1/2016 an BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MƠN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, THI CÔNG MÔ HÌNH MÁY IN 3D DÙNG KIT ARDUINO GVHD: TH.S NGUYỄN THANH TÂM SVTH: NGUYỄN PHI LONG MSSV: 10901049 Tp Hồ Chí Minh - 1/2016 an PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thông tin sinh viên Họ tên: Nguyễn Vĩnh Hưng MSSV: 10901007 Tel: 01674627100 Email: lehung42@gmail.com Họ tên: Nguyễn Phi Long MSSV: 10901049 Tel: 0982516248 Email: nplong168@gmail.com Thông tin đề tài Tên đề tài: THIẾT KẾ, THI CƠNG MƠ HÌNH MÁY IN 3D DÙNG KIT ARDUINO Mục đích đề tài: tiếp cận công nghệ in 3D, chế tạo máy in 3D giá thành rẻ, dễ sử dụng Đồ án tốt nghiệp thực tại: Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp, Khoa Điện Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Thời gian thực hiện: Từ ngày 01/10/2015 đến 22/01 /2016 Các nhiệm vụ cụ thể đề tài - Sinh viên viết lại nhiệm vụ thực luận văn - Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu lý thuyết cơng nghệ in 3D, tham khảo tài liệu, đồ án liên quan tới máy in 3D - Nhiệm vụ 2: Thiết kế, thi công phần cứng, giải pháp tối ưu thực - Nhiệm vụ 3: Tiến hành lập trình cho hệ thống - Nhiệm vụ 4: Chạy thử nghiệm, kiểm tra sản phẩm, khắc phục lỗi, viết báo cáo Lời cam đoan sinh viên Chúng – Nguyễn Vĩnh Hưng Nguyễn Phi Long cam đoan ĐATN cơng trình nghiên cứu thân chúng tơi hướng dẫn thạc sỹ Nguyễn Thanh Tâm Các kết công bố ĐATN trung thực khơng chép từ cơng trình khác Tp.HCM, ngày tháng năm 2016 SV thực đồ án Nguyễn Vĩnh Hưng Nguyễn Phi Long Tp.HCM, ngày tháng năm 2016 Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên học hàm học vị) Xác nhận Bộ Môn i an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM Khoa Điện - Điện Tử BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Vĩnh Hưng Lớp: 109010A MSSV: 10901007 Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Phi Long Lớp: 109010B MSSV: 10901049 Tên đề tài: Thiết kế, thi cơng mơ hình m in 3D dùng kit Arduino Xác nhận GVHD Tuần/ngày Nội dung 01/10/2015 → 10/10/2015 12/10/2015 → 17/10/2015 19/10/2015 → 24/10/2015 26/10/2015 → 31/10/2015 02/11/2015 → 07/11/2015 09/11/2015 → 14/11/2015 16/11/2015 → 21/11/2015 23/11/2015 → 28/11/2015 30/11/2015 → 12/12/2015 14/12/2015 → 22/01/2016 Trao đổi với giáo viên hướng dẫn nhận đề tài Thống với GVHD phần mục cần tìm hiểu, thiết kế, thi cơng Tìm hiểu lý thuyết liên quan đến phần mục đề tài, tham khảo tài liệu , đồ án liên quan Thiết kế phần cứng thiết kế, giải pháp tối ưu thực đề tài Thi công phần cứng, kiểm tra, đo đạt thơng số tín hiệu Tiến hành lập trình điều khiển, đo đạc, kiểm tra tín hiệu ngõ vào, ngõ ra, hiển thị… Lập trình cho hệ thống Kiểm tra sai sót khắc phục lỗi Đang hồn thành chạy thử nghiệm Chạy thử nghiệm, kiểm tra sản phẩm, khắc phục lỗi Viết báo cáo GV HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) Ths Nguyễn Thanh Tâm an LỜI CẢM TẠ Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, lời nhóm thực đồ án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Ths Nguyễn Thanh Tâm, tận tình hướng dẫn suốt q trình nhóm thực đồ án Nhóm xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, đặc biệt thầy cô khoa Điện - Điện Tử, nhiệt tình giúp đỡ, truyền đạt kiến thức suốt q trình học tập nhóm trường Vốn kiến thức tiếp thu q trình học tập khơng tảng cho trình thực đồ án tốt nghiệp mà hành trang quý báu cho nghiệp nhóm sau Nhóm xin cảm ơn ủng hộ giúp đỡ nhiệt tình gia đình, bạn bè, người thân đãđộng viên, giúp đỡ nhóm suốt q trình học tập thực đồ án tốt nghiệp Mặc dùđã cố gắng hết sức, song chắn đồ án không tránh khỏi thiếu sót Nhóm em mong nhận thơng cảm bảo tận tình q thầy bạn Cuối nhóm xin kính chúc q Thầy, Cơ, gia đình bạn bè dồi sức khỏe thành công nghiệp Xin chân thành cảm ơn! Người thực đề tài Nguyễn Phi Long Nguyễn Vĩnh Hưng i an TÓM TẮT Hiện nay, công nghệ in 3D không 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 an 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 an 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 an DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Chức chân Driver A4988………………………22 Bảng 2.2: Chế độ điều khiển driver A4988……………………………… 23 an 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 an 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 an 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 an 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 an 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 an 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 dòng 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 an 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 an - 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 an Hình 3.10: Thiết lập thơng số cần thiết in 38 an 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 an - 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 an 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 an Chương 5: KẾT LUẬN 5.1 KẾT LUẬN Sau nhiều tuần tích cực tìm hiểu nỗ lực thực hiện, nhóm nghiên cứu đề tài hồn 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 cơng 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 công 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 q phức tạp 5.2 NHỮNG KHĨ KHĂN TRONG Q TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN Do kiến thức, kinh nghiệm thân cịn 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 an 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, Ngô 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 công 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 công 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 an PHỤ LỤC 44 an an ... nplong168@gmail.com Thông tin đề tài Tên đề tài: THI? ??T KẾ, THI CÔNG MƠ HÌNH MÁY IN 3D DÙNG KIT ARDUINO Mục đích đề tài: tiếp cận công nghệ in 3D, chế tạo máy in 3D giá thành rẻ, dễ sử dụng Đồ án tốt nghiệp... 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