(Đồ án hcmute) thiết kế và thi công máy in, scan 3d

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG MÁY IN, SCAN 3D GVHD: ThS PHAN VĂN HOÀN SVTH: PHAN HÀ NHẬT TÂN NGUYỄN PHƯƠNG SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2016 an MSSV : 12141457 MSSV : 12141451 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHO ĐÀO TẠO CHẤT LƢ NG C O ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG MÁY IN, SCAN 3D SVTH: Nguyễn Phƣơng MSSV: 12141451 Phan Hà Nhật Tân MSSV: 12141457 Khoá : 2012 Ngành: ĐIỆN TỬ- TRUYỀN THƠNG GVHD: Th.S Phan Vân Hồn Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2016 an CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, ngày - tháng - năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Phƣơng Phan Hà Nhật Tân Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện từ - Truyền thông Giảng viên hƣớng dẫn: Th.S Phan Vân Hoàn Ng y nhận ề tài: 02/2016 MSSV: 12141451 MSSV: 12141457 Lớp: 12141CLDT1 ĐT: 0985421353 Ngày nộp ề tài: 07/2016 Tên ề tài: Nghiên cứu thi công máy in, scan 3D Các số liệu, tài liệu ban ầu: - Board Arduino Mega 2560 - Board Arduino Nano - Board mở rộng RAMPS 1.4 - Các công nghệ in 3D Nội dung thực ề t i: - Tìm hiểu nguyên lý hoạt ộng máy in - Thi cơng mơ hình máy in - Hiệu chỉnh thông số ể tăng chất lƣợng sản phẩm in - Ứng dụng máy in 3D ể thi công máy scan 3D - Hiệu chỉnh thông số ể tăng chất lƣợng sản phẩm scan - Nhận xét, kết luận Sản phẩm: - Máy in 3D dùng board Arduino Mega 2560 - Máy scan 3D dùng board Arduino Nano GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN i an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨ VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHI U NHẬN XÉT CỦ GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họ v tên Sinh viên: Nguyễn Phƣơng MSSV: 12141451 Phan H Nhật Tân MSSV: 12141457 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Truyền thông Tên ề t i: Họ v tên Giáo viên hƣớng dẫn: Th.S Phan Vân Hoàn NHẬN XÉT Về nội dung ề t i & khối lƣợng thực hiện: Ƣu iểm: Khuyết iểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng Giáo viên hƣớng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) năm 20… ii an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨ VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHI U NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ v tên Sinh viên: Nguyễn Phƣơng MSSV: 12141451 Phan H Nhật Tân MSSV: 12141457 Ngành: Tên ề t i: Họ v tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung ề t i & khối lƣợng thực hiện: Ƣu iểm: Khuyết iểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) năm 20… iii an LỜI CẢM ƠN Em xin chân th nh gửi lời cảm ơn ến: Ban giám hiệu trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh ã tạo iều kiện tốt cho em học tập v nghiên cứu Khoa Điện-Điện tử ã cung cấp giáo trình, t i liệu, sở vât chất nhƣ module hỗ trợ Thầy giáo Th.S Phan Vân Hồn thầy mơn ã tận tình hƣớng dẫn, giúp ỡ em nhƣ ộng viên từ gia ình suốt trình thực ề t i Mặc dù cố gắng q trình tìm hiểu nhƣng kiến thức cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận ƣợc góp ý, nhận xét thầy v bạn ể án ho n thiện Em xin chân th nh cảm ơn! TP.HCM , Ngày 15 tháng 07 năm 2016 Sinh viên thực Nguyễn Phƣơng Phan H Nhật Tân iv an TĨM TẮT Đồ án “Nghiên cứu v thi cơng máy in, scan 3D” ƣợc thực dựa công nghệ in 3D FDM (Fused Deposition Modeling), loại máy Cartesian, iều khiển Arduino Mega với board mở rộng RAMPS 1.4 Sau trình tìm hiểu nhƣ thiết lập thơng số phù hợp, nhóm ã ho n th nh mơ hình máy in 3D ho n chỉnh in ƣợc vật từ ơn giản ến phức tạp với ộ xác tƣơng ối cao Đề t i ã ƣợc mở rộng mơ hình máy scan 3D với linh kiện ƣợc lắp ráp từ sản phẩm in 3D, cho kết scan tƣơng ối v an MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHI U NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ii PHI U NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VI T TẮT xi DANH SÁCH BẢNG BIỂU xii DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ xiii Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu tình hình nghiên cứu 1.2 Tính cấp thiết ề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu 1.5 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 1.6 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.7 Bố cục Đồ án Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUY T 2.1 Các dạng máy in 3D thị trƣờng 2.1.1 Cartesian 2.1.2 Delta 2.1.3 Polar 2.2 Một số công nghệ in 3D thƣơng mại 2.2.1 Fused Deposition Modeling (FDM) 2.2.2 Selective Laser Sintering (SLS) 2.2.3 Stereolithography (SLA) 2.3 Các linh kiện máy in 3D 10 2.3.1 Arduino Mega 2560 R3 11 2.3.2 RAMPS 1.4 14 2.3.3 Động bƣớc 16 vi an 2.3.4 A4988 Step Driver 17 2.3.5 Đầu phun 19 2.3.6 Endstop 20 2.3.7 Quạt tản nhiệt 20 2.3.8 Linh kiện khí 21 2.4 Các dạng máy scan 3D thị trƣờng 25 2.5 Các công nghệ scan 3D 27 2.5.1 Scan tiếp xúc 27 2.5.2 Scan không tiếp xúc 27 a.Time-of-flight 27 b Triangulation 28 2.6 Các linh kiện máy scan 3D 29 2.6.1 Arduino Nano 29 2.6.2 Đèn laser thẳng 31 2.6.3 Module iều khiển ộng bƣớc ULN2003 32 2.6.4 Động bƣớc 28BYJ-48 33 2.6.5 Linh kiện khí 34 2.7 Mã G-code 35 2.8 Khái quát iều khiển PID 36 2.8.1 Khâu tỉ lệ 36 2.8.2 Khâu tích phân 36 2.8.3 Khâu vi phân 37 Chƣơng 3: THI T K VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 38 3.1 Sơ khối hệ thống 38 3.1.1 Yêu cầu hệ thống 38 3.1.2 Sơ v chức khối 38 a Máy in 3D 38 b Máy scan 3D 39 3.2 Hoạt ộng hệ thống 39 3.2.1 Hoạt ộng máy in 3D 39 3.2.2 Hoạt ộng máy scan 3D 39 vii an 3.3 Thiết kế, tính toán hệ thống 40 3.3.1 Máy in 3D 40 a Khối xử lý trung tâm 40 b Khối chấp h nh 41 c Khối nguồn 42 3.3.2 Máy scan 3D 42 a Khối xử lý trung tâm 42 b Khối chấp h nh 42 c Khối nguồn 42 3.4 Kết nối hệ thống 43 3.4.1 Máy in 3D 43 3.4.2 Máy scan 3D 44 3.5 Lƣu giải thuật 44 3.5.1 Máy in 3D 44 3.5.2 Máy scan 3D 47 3.6 Thiết lập Firmware Marlin 48 3.6.1 Tốc ộ truyền liệu 48 3.6.2 Board iều khiển 48 3.6.3 Số ầu ùn 49 3.6.4 Cảm biến nhiệt ộ 49 3.6.5 Nhiệt ộ 49 3.6.6 Kiểm tra ổn ịnh nhiệt ộ ầu ùn 49 3.6.7 Thiết lập PID cho ầu nung 50 3.6.8 Nhiệt ộ tối thiểu trƣớc di chuyển ầu ùn 50 3.6.9 Kiểm tra cố cảm biến nhiệt ộ 51 3.6.10 Tín hiệu kích hoạt Endstop 51 3.6.11 Kích thƣớc in (mm) 51 3.6.12 Đảo hƣớng trục tọa ộ 51 3.6.13 Vị trí Home 52 3.6.14 Số trục máy in 52 3.6.15 Số bƣớc ộng trục 52 viii an Đồ án tốt nghiệp - End G-code: Thêm v o lệnh G-code ể chạy sau in Ví dụ: + M104 S0 (Tắt ầu nung) + G28 X0 (Di chuyển ầu phun Home theo trục X) + M84 (Tắt ộng cơ) - Before layer change G-code: Thêm v o lệnh G-code ể chạy trƣớc chuyển sang layer c Extruder Hình 3.50 Thiết lập ầu phun - Nozzle diameter: Đƣờng kính ầu phun sử dụng cho máy in 3D - Extruder offset: Thiết lập sai khác tọa ộ ầu phun thứ hai so với ầu phun thứ ể với máy in sử dụng ầu phun - Length: Độ d i nhựa ƣợc rút trƣớc ầu phun bắt ầu di chuyển từ vị trí cần in sang vị trí khác (non-print move) Có thể từ – mm - Lift Z: Thiết lập ộ cao ầu phun ƣợc nâng lên trình non-print move nói trên, tránh ầu phun tiếp xúc với layer vừa in Có thể ặt khoảng 0.1 – 0.25 - Speed: Tốc ộ rút nhựa in, mặc ịnh 40 mm/s, tăng lên nhựa chƣa ƣợc rút ủ yêu cầu 72 an Đồ án tốt nghiệp - Extra length on restart: Độ d i nhựa ƣợc ùn thêm sau rút nhựa ể tránh tình trạng nhựa chƣa kịp in chi tiết Tính n y ƣợc sử dụng - Minimum travel after retraction: Khi ầu phun di chuyển dƣới ộ d i thiết lập, nhựa không ƣợc rút về, ể mm nhƣ mặc ịnh - Retract on layer change: Rút nhựa chuyển layer, nên bật tính n y - Wipe while retracting: Di chuyển ầu phun rút nhựa ể tránh nhựa dƣ chảy khỏi ầu phun, nên bật tính n y 73 an Đồ án tốt nghiệp Chƣơng 4: K T QUẢ VÀ NHẬN XÉT 4.1 Kết 4.1.1 Máy in máy scan 3D thực tế Một số hình ảnh máy in 3D Hình 4.1 Máy in 3D 74 an Đồ án tốt nghiệp Một số hình ảnh máy scan Hình 4.2 Máy scan 3D 4.1.2 Sản phẩm in 3D Một số sản phẩm in 3D Hình 4.3 Ho n tất trình in 75 an Đồ án tốt nghiệp Hình 4.4 Sản phẩm in 3D 4.1.3 Kết scan 3D Một số kết scan 3D Hình 4.5 Kết scan 3D 76 an Đồ án tốt nghiệp 4.2 Nhận xét kết 4.2.1 Cơ khí Các chi tiết khí ƣợc lắp ặt úng vị trí, hoạt ộng úng yêu cầu Tuy nhiên khớp nối khung nhôm chƣa thực chắn, máy in phải cân chỉnh lại sau vận chuyển 4.2.2 Sản phẩm in 3D Sản phẩm in 3D ã thỏa mãn yêu cầu ặt nhƣ: - Kích thƣớc ứng với file mẫu - Độ cứng ạt yêu cầu - Các lớp in nhỏ, mịn Bên cạnh ó, sản phẩm cịn số khiếm khuyết nhƣ thời gian in chƣa nhanh, trục Z chƣa thẳng 4.2.3 Kết scan 3D Kết scan 3D cho kết tƣơng ối xác ối với vật thể m u en, hình dạng trịn trụ Kết scan phụ thuộc nhiều v o yếu tố bên ngo i nhƣ m u sắc vật thể, ộ sáng môi trƣờng xung quanh Chiều cao tối a vật thể cần scan ngang tầm với camera (tính từ mặt b n lên) Góc quay c ng nhỏ, c ng nhiều tia laser cho kết xác hơn, mịn Tuy nhiên thời gian scan tăng lên kể 4.3 Một số lỗi in 3D cách khắc phục 4.3.1 Tách lớp khỏi bàn in Hình 4.6 Sản phẩm tách lớp khỏi b n in - Nguyên nhân: Lớp nhựa ầu tiên bị nguội q nhanh bám dính khơng tốt với b n nhiệt 77 an Đồ án tốt nghiệp - Cách khắc phục: + Tăng nhiệt ộ b n nhiệt, thƣờng khoảng mức 50 + Với nhựa PLA, không dùng b n nhiệt Để tăng ộ bám dính, ta phủ lớp keo dán giấy mỏng lên b n in trƣớc in 4.3.2 Dịch lớp Hình 4.7 Sản phẩm bị dịch lớp - Nguyên nhân: + Trục X, Y chƣa ƣợc chỉnh úng + Đầu phun chuyển ộng bị trở ngại trục X, Y - Cách khắc phục: + Kiểm tra, siết chặt puly, tra dầu máy v o ổ bi + Căn chỉnh trục cho chuyển ộng trục X, Y, Z vng góc với 4.3.3 Lớp in khơng thẳng hàng Hình 4.8 Các lớp in khơng thẳng h ng 78 an Đồ án tốt nghiệp - Nguyên nhân: + Các dây chƣa ƣợc căng + Một hai trục Z bị lệch - Cách khắc phục: + Căng v cố ịnh ộ d i dây + Căn chỉnh lại trục Z 4.3.4 Mất lớp Hình 4.9 Sản phẩm bị lớp in - Nguyên nhân: + Trục Z bị lệch chuyển ộng bị trở ngại + Đầu phun bị nghẹt + Chỉnh sai thông số ƣờng kính nhựa in - Cách khắc phục: + Căn chỉnh lại trục Z + Kiểm tra nhựa kẹt ầu phun, vệ sinh ầu phun + Chỉnh úng thông số ƣờng kính nhựa in Repetier Host 4.3.5 Lớp nhựa bị hở Là cố thƣờng gặp với in 3D ( ã ƣợc nói ến mục 3.7.1, hình 3.18 Sản phẩm thiếu Solid layers ỉnh) - Nguyên nhân: Vật chƣa ƣợc in ủ số layer ỉnh - Cách khắc phục: Tăng số lớp vỏ ỉnh Repetier Host (3-5 lớp) 79 an Đồ án tốt nghiệp Chƣơng 5: K T LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Hệ thống có ƣu v nhƣợc iểm sau: - Máy in 3D + Ƣu iểm:  Dễ lắp ráp, nguyên liệu phổ biến thị trƣờng  Cấu trúc máy ơn giản  Các khớp, giá ỡ nhựa sản phẩm từ in 3D nên thay + Nhƣợc iểm:  Kích thƣớc cồng kềnh  Phát tiếng ồn chạy máy  Cơ khí chƣa xác ho n to n - Máy scan 3D: + Ƣu iểm:  Scan ƣợc vật thể ơn giản, ộ xác tƣơng ối  Giảm thời gian vẽ lại mẫu 3D từ vật thể 3D có sẵn + Nhƣợc iểm:  Khơng scan ƣợc xác hồn tồn  Cho kết sai ối với vật thể phức tạp nhƣ có rãnh, lỗ,…  Sản phẩm in 3D từ file scan cho chất lƣợng thấp so với vật mẫu 5.2 Hƣớng phát triển Máy in 3D có số hƣớng phát triển nhƣ: + In 3D từ file lƣu thẻ nhớ + Lƣu ƣợc vị trí in iện + Kết hợp máy in 3D với máy CNC, máy cắt laser + Thay ổi cấu máy in 3D từ dạng Cartesian sang Delta + Chuyển từ in ơn m u sang in a m u 80 an Đồ án tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Thị Phƣơng H – Huỳnh Thái Ho ng (2007), “Lý thuyết iều khiển tự ộng”, NXB KH & KT, H Nội, Việt Nam [2] Nguyễn Đình Phú (2014), “Vi iều khiển PIC”, Đại học Sư phạm kỹ thuật Hồ Chí Minh, Tp HCM, Việt Nam [3] Trƣơng Thị Bích Ng (2012), “Điện tử bản”, Đại học Sư phạm kỹ thuật Hồ Chí Minh, TPHCM, Việt Nam Tiếng nh [4] http://reprap.org/ [5] https://github.com/MarlinFirmware/Marlin/wiki/Marlin-Configuration [6] https://github.com/Sardau/Sardauscan 81 an Đồ án tốt nghiệp PHỤ LỤC Chuyển động đầu phun Với chuyển ộng thẳng (tịnh tiến), vận tốc ầu phun ƣợc phân tích th nh chuyển ộng theo trục x v trục y y y1 α x1 x Khi ầu phun chuyển ộng thẳng từ (x0,y0) ến (x1,y1), ta ln tính ƣợc góc α ( ộ lớn) hợp ƣờng thẳng với Ox theo công thức: | | ( ) | | Suy với vận tốc v thiết lập cho ầu phun, vận tốc cầu trục x, y lần lƣợt là: Với chuyển ộng cong, ối với firmware hỗ trợ lệnh G2, G3 (trình b y mục 2.7 Mã G-code), vận tốc cấu trục x, y ƣợc tính tốn phức tạp Đối với firmware không hỗ trợ lệnh G2, G3, chuyển ộng cong ƣợc vi phân th nh nhiều chuyển ộng thẳng v tính tốn tƣơng tự nhƣ Quá trình chuyển G-code sang lệnh điều khiển động Gồm giai oạn: Fetching data, Planning v Stepping - Fetching data: Lấy liệu, thông số từ Gcode Trong file Marlin_main.cpp: + get_command() (dịng 620) ọc tín hiệu Gcode từ port serial port , Gcode ƣợc thêm v o vùng nhớ ệm (cmdbuffer[] – danh sách Gcode nhận ƣợc ang chờ ể xử lý) 82 an Đồ án tốt nghiệp + process_command() (dịng 634, 649) phân tích cú pháp Gcode cũ từ command buffer v thực thi chức tƣơng ứng Các lệnh chuyển ộng Gcode: G1, G2, G3, ƣợc thực hàm get_coordinates() prepare_move() + get_coordinates() (dòng 3913) sau Gcode ƣợc ọc trên, h m lấy giá trị tƣơng ứng v lƣu v o destination[i] (0 ≤ i < NUM_AXIS, với NUM_AXIS = giá trị i lần lƣợt cho trục X, Y, Z, v E (feedrate – tốc ộ)) + prepare_move() (dòng 4015) tính tốn sai khác vị trí v vị trí tiếp theo, chuẩn bị cho ộng chuyển ộng - Planning: Quản lý chuyển ộng, tính tốn gia tốc Trong file Planer.cpp, hàm plan-buffer_line() (dòng 532, 534) chuyển giá trị tọa ộ v tốc ộ th nh cấu trúc liệu sử dụng cho iều khiển motor Tùy v o kiểu iều khiển tốc ộ m cấu trúc liệu có dạng khác nhau, ây, liệu có dạng block, block ại diện cho chuyển ộng thẳng Dạng Trapezoid (hình thang) Vận tốc mong muốn v Vận tốc ầu Vận tốc sau t t giảm tốc t tăng tốc Bên cạnh ó cịn dạng khác l S-Curve, với vận tốc tăng v giảm cách chậm, trơn tru hơn, giảm quán tính v bảo vệ ộng nhƣ hệ thống lớn 83 an Đồ án tốt nghiệp - Stepping: Điều khiển chuyển ộng ộng Một số loại nhựa in 3D a PLA (Polylactic Acid) - Đặc tính kỹ thuật: + Thƣờng in nhiệt ộ 180 – 200 ºC + Nguồn gốc từ bột ngơ, mía, tinh bột,… + Độ dẻo, n hồi cao - Ƣu iểm: + Thân thiện với môi trƣờng + Phổ biến công nghệ in 3D FDM - Nhƣợc iểm: + Khả chịu nhiệt không cao + Hạ nhiệt ộ chậm b ABS (Acrylonitrin Butadien Styren) - Đặc tính kỹ thuật: + Thƣờng in nhiệt ộ 200 – 230 ºC + Nguồn gốc từ dầu mỏ + Khả chịu nhiệt tốt - Ƣu iểm: + Độ bền cao, dùng chi tiết máy + Có thể tăng ộ bóng lau với Acetone - Nhƣợc iểm: + Khi in tạo mùi khó chịu, khơng tốt cho ngƣời sử dụng 84 an Đồ án tốt nghiệp + Tốc ộ quạt l m mát không cố ịnh, dễ bị cong, vênh iều chỉnh chỉnh chƣa thích hợp c PVA (Polyvinyl Alcohol) - Đặc tính kỹ thuật: + Thƣờng in nhiệt ộ 190 – 210 ºC + Tan nƣớc - Ƣu iểm: Khi sử dụng PVA l m th nh phần chống ỡ (support), việc loại bỏ dễ d ng nhờ ặc tính tan nƣớc - Nhƣợc iểm: Giá th nh tƣơng ối cao, khó bảo quản 85 an S an K L 0 ... Hình 3.8 Sơ kết nối thi? ??t bị máy in 3D 43 Hình 3.9 Sơ kết nối thi? ??t bị máy scan 3D 44 Hình 3.11 Lƣu giải thuật máy in 3D (tt) 46 Hình 3.12 Lƣu giải thuật máy scan 3D ... Hình 2.40 Máy scan kết hợp với in 3D Hình 2.41 Máy scan 3D xây dựng, cơng trình Ngo i cịn số thi? ??t bị kết hợp giúp iện thoại, máy tính bảng có chức nhƣ máy scan 3D Hình 2.42 iSense 3D scanner 26... tiết nhựa máy in 3D 24 Hình 2.38 Nhựa máy in 3D 25 Hình 2.39 Máy scan 3D cầm tay 25 Hình 2.40 Máy scan kết hợp với in 3D 26 Hình 2.41 Máy scan 3D xây dựng,