Hcmute thiết kế hệ thống điều khiển máy in 3d dạng laser thiêu kết bột nhựa

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 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY IN 3D DẠNG LASER THIÊU KẾT BỘT NHỰA MÃ SỐ: SV2019 – 125 SKC 0 9 Tp Hồ Chí Minh, tháng 06/2019 Luan van 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 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY IN 3D DẠNG LASER THIÊU KẾT BỘT NHỰA SV2019 – 125 Thuộc nhóm ngành khoa học: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 Luan van 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 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY IN 3D DẠNG LASER THIÊU KẾT BỘT NHỰA SV2019 – 125 Thuộc nhóm ngành khoa học: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY SV thực hiện: Phạm Ngọc Chinh Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 15143CL2, khoa CLC Ngành học: khí chế tạo máy Người hướng dẫn: Thạc sĩ Nguyễn Nhựt Phi Long Luan van Năm thứ: /Số năm đào tạo: MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu: 1.1.1 In 3D gì: 1.1.2 Các loại công nghệ in 3D nay: 1.1.2.1 a Cơng nghệ kết dính vật liệu dạng hạt: Công nghệ thiêu kết laser: b Một số công nghệ khác: 1.1.2.2 Công nghệ quang trùng hợp: 1.1.2.3 Công nghệ sử dụng vật liệu nhiều lớp: 1.1.2.4 Công nghệ lắng đọng đùn: 1.1.3 Ứng dụng công nghệ in 3D: 10 1.1.3.1 Ứng dụng sản xuất: 10 1.1.3.2 Ứng dụng y học: 13 1.1.3.3 Ứng dụng công nghiệp: 15 1.1.3.4 Ứng dụng văn hóa xã hội: 17 1.2 Lý chọn đề tài: 19 1.3 Mục tiêu đề tài: 19 1.4 Phương pháp nghiên cứu: 19 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu: 19 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20 2.1 Phương pháp điều khiển: 20 2.2 Thiết bị truyền động: 21 2.2.1 Động servo: 21 Luan van Động Stepper (Bước): 21 2.2.2 Thiết bị điều khiển: 22 2.3 2.3.1 Mạch điều khiển giao tiếp: 24 2.3.2 Máy tính điều khiển: 24 2.4 Thiết bị chuyển đổi tín hiệu: 24 2.5 Thiết bị thiêu kết: 24 CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ THIẾT KẾ 26 3.1 Lựa chọn phương án: 26 3.1.1 Chọn loại động cơ: 26 3.1.2 Chọn thiết bị điều khiển: 27 3.1.2.1 Mạch điều khiển giao tiếp: 27 3.1.2.2 Máy tính điều khiển: 28 3.1.3 Chọn loại Driver: 28 3.1.4 Chọn laser: 30 3.1.5 Lựa chọn nguồn: 31 Thiết kế hệ thống điều khiển máy in 3D SLS: 33 3.2 3.2.1 Cơ sở thiết kế: 33 3.2.2 Thiết kế: 34 3.2.2.1 Nguyên lý làm việc máy in: 34 3.2.2.2 Thiết kế sơ đồ hệ thống điều khiển từ phương án lựa chọn: 35 a Đấu nối mạch giao tiếp với máy tính, Driver, laser nguồn xung: 35 b Đấu nối Driver với động cơ, mạch giao tiếp nguồn xung: 36 c Đấu nối động bước với Driver: 37 d Đấu nối đầu Laser với mạch giao tiếp, nguồn xung: 38 Luan van e Sơ đồ hệ thống điều khiển máy in 3D SLS: 38 3.2.2.3 a Thiết lập chương trình điều khiển máy tính: 42 Tính phần mềm Mach3 CNC: 42 b Yêu cầu cấu hình máy tính bàn để chạy phần mềm Mach3 CNC ổn định: 42 c Giao diện phần mềm Mach3: 43 d Tiến hành thiết lập thông số máy in phần mềm: 44 e 3.3 Sử dụng phần mềm để thử nghiệm hoạt động máy: 52 Kết nghiên cứu: 53 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54 4.1 Kết luận: 54 4.2 Khuyến nghị: 54 Luan van DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CNC: Computer Numerical Control DMLS: Direct Metal Laser Sintering EBM: Electron Beam Melting FDA: Food and Drug Administration FDM: Fused Deposition Modeling JP: Jetted Photopolymer LOM: Laminated Object Manufacturing NASA: National Aeronautics and Space Administration NCKH: nghiên cứu khoa học SLA: Stereolithography SLM: Selective Laser Melting SLS: Selective Laser Sintering Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển máy in 3D dạng laser thiêu kết bột nhựa - SV thực hiện: Phạm Ngọc Chinh Mã số SV: 15143005 Lê Chánh Minh - Lớp: 15143CL2 Khoa: CLC 15143048 Năm thứ: Số năm đào tạo: - Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Nhựt Phi Long Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển máy in 3D dạng laser thiêu kết bột nhựa Tính sáng tạo: Một số cơng trình nghiên cứu khác sử dụng thiết bị nhập từ nước ngồi Vì thời gian nhập vào nước lâu chi phí phí tốn kém, việc bảo trì khó khăn Tính thiết kế nhóm phù hợp với điều kiện Việt Nam:Có nhiều thiết bị phù hợp cho việc thiết kế; Giá thành rẻ; Dễ dàng bảo trì Kết nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho máy in 3D dạng laser thiêu kết bột nhựa Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Phần thiết kế điều khiển tiếp tục thi cơng để làm hoạt động phần khí máy in 3D dạng laser thiêu kết bột nhựa Công bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Ngày tháng năm SV chịu trách nhiệm thực đề tài Luan van Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học SV thực đề tài: Ngày tháng năm Xác nhận Trường Người hướng dẫn (kí tên đóng dấu) (kí, họ tên) Luan van CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu: 1.1.1 In 3D gì: In 3D đề xuất tiến sỹ Kodama năm 1980, chuỗi công đoạn khác kết hợp để tạo vật thể ba chiều Trong in 3D, lớp vật liệu đắp chồng lên định dạng kiểm soát máy tính để tạo vật thể Các đối tượng có hình dạng theo thiết kế 3D phần mềm như: Solid Work, Inventor, Auto Cad, Máy in 3D loại robot công nghiệp[1] Charles Hull trở thành người đăng ký thành công quyền IN 3D, thành lập công ty in 3D danh tiếng Systems Corporation In 3D dù có tuổi đời thập kỷ, thức bùng nổ vào 2009[2] 1.1.2 Các loại công nghệ in 3D nay: 1.1.2.1 Công nghệ kết dính vật liệu dạng hạt: Một cách tiếp cận in 3D khác pha trộn chọn lọc vật liệu bàn hạt Kỹ thuật kết hợp phần lớp sau di chuyển lên khu vực làm việc, thêm lớp hạt khác lặp lại trình chi tiết tạo Các công nghệ thuộc loại như: thiêu kết laser, nung chảy laser, nung chảy chùm tia điện tử, …[3] a Công nghệ thiêu kết laser: • Sự đời công nghệ: Công nghệ thiêu kết laser chọn lọc – SLS, công nghệ tạo mẫu nhanh (AM), phát triển cấp sáng chế Tiến sĩ Carl Deckard Tiến sĩ Joseph Beaman Đại học Texas Austin vào năm 1989, đưa thị trường tập đoàn DTM (được thành lập 1987) Thiết bị thương mại hoá vào năm 1992 Đây công nghệ công nhận sau SLA Công nghệ dựa trình chế tạo lớp chất polymer lỏng thay vật liệu bột.[4] Luan van - Kiểm tra xem driver Mach3 máy tính cài đặt hợp lý chưa Để biết điều này, ta vào mục Control panel > System > System Properties > Hardware > Device Manager Hình 3.7: Lỗi driver mach3 máy tính chưa cài đặt c Giao diện phần mềm Mach3: Hình 3.8: Giao diện làm việc Mach3 43 Luan van Một số chức giao diện: - Cycle Start : nút bắt đầu chạy chương trình - Feed Hold (SPC): nút tạm dừng chương trình Muốn máy chạy tiếp click vào nút Cycle Start, lúc chương trình chạy nối tiếp lệnh dang dở - Stop < Alt S>: nút dừng chương trình Lựa chọn làm cho chương trình dừng lại, giống nút Feed Hold ta lại cho chương trình chạy tiếp cách click vào Cycle Start chương trình bỏ đoạn dịng lệnh chạy dở để đến dịng Như có sai lệch Khi dừng nút khơng chạy lại - Các nút Zero X, Zero Y, Zero Z, để đưa tọa độ máy gốc 0,0,0 - Nút Edit G-code: để sửa mã G-code - Recent File: mở file G-code chạy gần - Load G-code để mở file Gcode - Set next line: lực chọn dòng lệnh thứ ? file G-code Ta gõ dòng cần chạy enter - Run from here: bắt đầu chạy máy từ dòng thứ ? mà ta chọn set next line - Offline: chạy mô phỏng, không truyền tín hiệu điều khiển xuống driver động - Ref All Home: set góc tọa độ Khi nhấn nút này, máy set vị trí - dao góc tọa độ (0,0,0) - Goto Z: đưa dao góc tọa độ Máy đưa trục X Y vị trí góc tọa độ trước, Z sau - Khung Feed Rate để chỉnh tốc độ ăn phôi d Tiến hành thiết lập thông số máy in phần mềm: • Xác lập chân vào cổng máy in cho phù hợp với mạch giao tiếp: Ta vào mục config > ports and pins công cụ xuất bảng: 44 Luan van Hình 3.9: Tab chọn cổng điều khiển Bảng Ports and Pins Port setup and axis seletion: để lựa chọn cổng điều khiển máy tính, chọn Port#1 Ta xác lập hình Sau lựa chọn apply để chuyển sang tab bên cạnh Hình 3.10: Tab điều chỉnh thông số chân mạch giao tiếp 45 Luan van Motor Outputs: để xác lập chân đầu máy tính Các chân đầu tín hiệu cấp cho mạch giao tiếp xuống mạch động để điều khiển trục động - Click lần vào cột thứ (Enabled) thay đổi trạng thái dấu tick xanh thành dấu nhân đỏ Dấu tick xanh lựa chọn trục X làm việc Còn dấu nhân đỏ không cho trục X làm việc - Cột thứ (step pin#) chân điều khiển xung cấp cho trục X(tương đương với kí hiệu P2; P3; P4; … mạch giao tiếp) Ta đổi cách click vào ô nhập số tương ứng - Cột thứ 3(dir pin#) chân điều khiển cho mạch động đảo chiều, muốn thay đổi thứ tự chân click vào gõ chân khác vào - Cột thứ 4(dir lowactive): cột để xác định chiều + – trục theo mong muốn Khi click lựa chọn trục lúc chiều quay động thay đổi ta điều khiển cho máy chạy theo chiều + hay – trục tọa độ Như chân quan trọng để lắp động vào máy ta chọn chiều phù hợp cho trục X trục Y - Cột thứ 5(Step lowactive): cột để xác định trạng thái tác động chân cấp xung cho mạch điều khiển Nếu xung điều khiển step xung âm lựa chọn dấu tick, cịn xung + lựa chọn dấu nhân - Cột thứ 6(step port): cột để xác lập xem chân điều khiển step thuộc port Vì ta port 1, ban đầu phần mềm để chế độ mặc định 0, ta click vào gõ số vào enter - Cột thứ 7(dir port): tương tự cột step port Chân điều khiển từ port1 Sau xác lập hết thơng số tab click apply để lưu lại Thông số máy in nhóm cài đặt hình Lưu ý: ta không click apply mà chuyển sang tab khác thơng số vừa khơng lưu lại mà quay trạng thái trước xác lập Output signals: để xác định tín hiệu điều khiển Trong tab điều khiển spindle, điều khiển động bơm dung dịch làm mát … 46 Luan van Hình 3.11: Tab xác định tín hiệu điều khiển bảng Ports and Pins Trong tab ta quan tâm đến tín hiệu Enable 1, enable 2, enable tín hiệu điều khiển cho phép khơng cho phép mạch động hoạt động tín hiệu giúp cho động bước nghỉ trường hợp ta dừng máy chưa tắt nguồn điện tín hiệu output #1 để dùng điểu khiển relay spindle Thơng số máy in nhóm cài đặt hình Spindle setup: dùng để xác định thông số phương pháp điều khiển spindle Ta điều khiển tín hiệu relay spindle Hình 3.12: Tab cài đặt cho Spindle 47 Luan van Trong tab ta quan tâm mục relay control ta lựa chọn giống hình Với tín hiệu điều khiển relay tín hiệu output#1 xác lập tab output signal chân 17 Tín hiệu có chức bật spindle chạy chương trình tắt hết chương trình Spindle nối tiếp vào điểm relay • Thiết lập đơn vị đo: Ta chọn mục Config > Select Native Units Hình 3.13: Các bước để chỉnh đơn vị đo • Xác lập thơng số cho trục: Ta vào config > motor tuning xuất bảng: Hình 3.14: Giao diện bảng Motor Tunning 48 Luan van Axis Selection để trọn lựa trục Góc bên trái thơng số cần xác lập cho trục Biểu đồ thể thông số xác lập theo dạng biểu đồ Steps per: thông số xác định số xung cần điều khiển máy di chuyển đơn vị (mm) Ta phải tính tốn số xung dựa vào động bước chi tiết biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến (trục vít me, Puly – dây đai) Để tính số xung N cần điều khiển máy di chuyển đơn vị ta cần biết số xung A để động quay vòng 𝐴 hành trình B vịng (hay cịn gọi bước) Ta có N = Ban đầu ta 𝐵 điều chỉnh vi bước Driver động 16, tương đương với số xung vòng 3200 xung, A = 3200 Bước trục vít me trục z nhóm dùng 5mm, trục vít me bàn nâng 20mm, bước Puly dây đai 40mm, ta có B1 = 5, B2 = 20, B3 = 40 Ta tính N trục X, Y 80 xung, trục Z 640 xung trục A 80 xung Velocity … : vận tốc trục tính mm/s Accleration: gia tốc trục, tức độ tăng tốc độ để trục X đạt tốc độ lớn tốc độ xác lập velocity Sau điền thông số cần thiết ta click save axis setting để lưu lại ý ta không click vào biểu tượng mà chuyển sang trục khác thơng số vừa không lưu lại mà quay trạng thái ban đầu Tương ứng với thơng số máy in nhóm, phần Motor tunning cài đặt sau: 49 Luan van Hình 3.15: Thơng số trục X phần Motor Tunning Hình 3.16: Thơng số trục Y phần Motor Tunning 50 Luan van Hình 3.17: Thơng số trục Z phần Motor Tunning Hình 3.18: Thơng số trục A phần Motor Tunning 51 Luan van Hình 3.19: Thơng số Spindle phần Motor Tunning e Sử dụng phần mềm để thử nghiệm hoạt động máy: Sau thiết lập thông số cho máy in vào phần mềm Mach3, ta có tiến hành thử nghiệm hoạt động máy Trong phần mềm Mach3 có hỗ trợ phím điều khiển trục tay bàn phím Đó phím mũi tên sang trái sang phải (trục X), mũi tên lên xuống (trục Y), phím Page up Page Down (trục Z), phím “-” phím “=” (trục A) Các trục di chuyển với tốc độ điều chỉnh phần Motor Tunning Lưu ý số lỗi máy thử nghiệm không hoạt động: - Kiểm tra lại phần Driver Device Mannager có bị lỗi khơng, bị lỗi tức Driver chưa cài đặt hợp lý, cần cài đặt lại - Kiểm tra lại phần dây nối sơ đồ mạch điện thiết kế chưa - Các dây có bị hở hay rị rỉ không Khởi chạy file G-code để tiến hành in sản phẩm: - G-code câu lệnh điều khiển Spindle chạy theo biên dạng yêu cầu để tạo sản phẩm Tạo file G-code cách xuất G-code từ vẽ, ta sử dụng phần mềm tích hợp sẵn Mach3 Lazy Cam, LazyCam phần mềm 52 Luan van CAD/CAM – sản phẩm Artsoft dùng để import file tiêu chuẩn dxf, cmx tạo phần mềm khơng có tính CAM Phần mềm LazyCam dễ dàng tạo G-code từ file cho phần mềm mach3 sử dụng - Sau đó, để khởi chạy file Gcode ta reset chương trình nút RESET giao diện, sau chọn gốc tọa độ đầu Laser, di chuyển trục để chọn vị trí làm gốc tọa độ phím tắt bàn phím Nhập file G-code cách nhấn vào nút Load G-code, tìm file G-code cần chạy, click chọn Open Click Cycle Start để bắt đầu gia công 3.3 Kết nghiên cứu: Trên sở tìm lập trình điều khiển CNC, nhóm thiết kế hệ thống điều khiển (như hình 3.5 3.6) 53 Luan van CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận: Các nội dung nghiên cứu thực hiện: - Tìm hiểu tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài - Tìm hiểu phương pháp điều khiển máy in 3D - Tìm hiểu thiết bị điều khiển cho máy - Lựa chọn phương án cho hệ thống điều khiển - Thiết kế dựa phương án chọn - Thiết lập chương trình điều khiển cho hệ thống 4.2 Khuyến nghị: Kết nghiên cứu nên làm tiền đề cho việc thi công chế tạo hệ thống điều khiển máy in 3D dạng laser thiêu kết bột nhựa Cần hỗ trợ thêm kinh phí cho nghiên cứu cơng trình thi cơng chế tạo máy in 3D dạng laser thiêu kết bột nhựa Nghiên cứu cần trưng bày triển lãm để hệ nghiên cứu sau học hỏi tham khảo 54 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://vi.wikipedia.org/wiki/In_3D [2] https://blogin3d.com/may-in-3d-la-gi-cach-in-3d-nhu-the-nao.html [3] https://vi.wikipedia.org/wiki/Các_phương_pháp_in_3D#Lắng_đọng_bằng_đùn [4] http://www.3dmaker.vn/2013/12/phuong-phap-sls-trong-in-an-3d-selective-lasersintering/ [5] https://technicalvnplus.com/article/in-3d-thieu-ket-lazer-chon-loc-sls [6] https://blogin3d.com/may-in-3d-sls-dau-tien-co-gia-duoi-20-000-usd.html [7] https://all3dp.com/1/best-sls-3d-printer-desktop-industrial/ [8] http://www.3dmaker.vn/2013/12/phuong-phap-sla-trong-in-an-3d/ [9] https://tinhte.vn/threads/co-bao-nhieu-loai-cong-nghe-may-in-3d-va-co-tu-lucnao.2158760/ [10] https://vi.wikipedia.org/wiki/Ứng_dụng_của_in_3D [11] https://vi.wikipedia.org/wiki/CNC [12] http://www.3dmaker.vn/2013/12/phuong-phap-sls-trong-in-an-3d-selective-lasersintering/ [13] https://blogin3d.com/may-in-3d-sls-dau-tien-co-gia-duoi-20-000-usd.html [14] http://www.directindustry.com/prod/phenix-systems/product-13610-374605.html [15] https://www.sinterit.com/shop/products/sinterit-lisa [16] https://automation.net.vn/Cong-nghe-Ung-dung/Cong-nghe-in-3D-kim-loai-Buocdot-pha-trong-cong-nghiep-che-tao.html [17] https://technicalvnplus.com/article/cong-nghe-in-3d-tao-hinh-nho-tia-laser-sla [18] https://technicalvnplus.com/article/cong-nghe-in-3d-dan-nhieu-lop-lom [19] https://automation.net.vn/Cong-nghe-Ung-dung/Cong-nghe-in-3D-Thay-doi-phuongthuc-san-xuat-va-phong-cach-tieu-dung.html [20] https://thanhnien.vn/cong-nghe/doc-dao-thuc-pham-in-bang-cong-nghe-3d1019289.html [21] https://anninhthudo.vn/doi-song/my-lan-dau-tien-cap-phep-cho-duoc-pham-che-taotu-cong-nghe-in-3d/625904.antd Luan van [22] https://3dservices.vn/cong-nghe-in-3d-xuong-dan-hoi-voi-vat-lieu-nhua-sinh-hocdang-long [23] https://vnexpress.net/khoa-hoc/ran-san-ho-in-3d-lon-nhat-the-gioi-o-maldives3800496.html [24] http://laptrinhcnc.com/nguyen-ly-hoat-dong-cua-may-cnc/ [25] http://thuanthaogroup.com/do-ng-co-servo-do-ng-130-sy-ac.htm [26] https://vi.wikipedia.org/wiki/Laser Polymeric composites for powder-based additive manufacturing: Materials and applications – Shangqin Yuan, Fei Shen, Chee Kai Chua, Kun Zhou thuộc Trung tâm In 3D Singapore, Trường Kỹ thuật Cơ khí Vũ trụ, Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore User Manual of 5Axis Breakout Board Luan van Luan van ... động điều khiển bàn làm việc (6) – động điều khiển bàn nâng bột Hình 3.1: Hình ảnh 3D hệ thống khí máy in 3D SLS Hệ thống khí máy in 3d dạng laser thiêu kết bột nhựa thiết kế cần phải điều khiển. .. - Thiết kế mạch điều khiển 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Đối tượng: máy in 3D dạng laser thiêu kết bột nhựa – phần khí Phạm vi nghiên cứu: thiết kế hệ thống điều khiển cho máy in 3D “để bàn”... việc điều khiển máy in 3D dạng laser thiếu kết bột nhựa (3D SLS), ta cần có thiết bị điều khiển ( máy tính – lập trình điều khiển, tạo tín hiệu thiết bị giao tiếp – truyền tín hiệu điều khiển) thiết