Mở rộng khả năng tạo mẫu nhanh trên máy phay cnc ba trục

44 Bùi Minh Hiển, Phạm Văn Hiền MỞ RỘNG KHẢ NĂNG TẠO MẪU NHANH TRÊN MÁY PHAY CNC BA TRỤC EXPANDING THE CAPABILITY OF THE 3-AXIS CNC MILLING MACHINE FOR RAPID PROTOTYPING Bùi Minh Hiển1, Phạm Văn Hiền2 Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; bui.mhien@gmail.com Học viên cao học K26, ngành Công nghệ chế tạo máy, Đại học Đà Nẵng; phamvanhientbqn@gmail.com Tóm tắt - Tạo mẫu phương pháp gia công đắp lớp vật liệu, đã, phát triển ứng dụng rộng nhờ vào ưu điểm giá thành hợp lý Tuy nhiên, với thiết bị có giá thành thấp độ xác sản phẩm chưa cao, kích thước sản phẩm gia cơng cịn hạn chế Hiện máy phay CNC ba trục trang bị rộng rãi nhờ vào khả gia cơng với độ xác cao Bài báo khái quát công nghệ tạo mẫu dựa nguyên lý đắp lớp vật liệu máy có thị trường Từ nguyên lý đắp lớp vật liệu, tác giả thiết kế, chế tạo trang bị công nghệ sử dụng chuyển động máy phay CNC ba trục để tạo chi tiết Các phân tích tương đồng chương trình gia công đắp lớp vật liệu gia công truyền thống giới thiệu báo Abstract - Rapid prototyping (RP) based on additive manufacturing technology has developed and gained applications worldwide because the equipment has reasonable prices However, cheap commercial devices often have low quality and the dimensions of products are limited In recent years, 3-axis CNC milling machines have been widely used because they can develop products with large dimensions and high precision This article presents an overview of rapid prototyping based on the additive manufacturing principle of recent commercial machines From this principle, the author has designed and made a device using movements of 3-axis milling machine to produce parts The similarities of the control program between the additive manufacturing and the traditional manufacturing are also analyzed in this article Từ khóa - tạo mẫu nhanh; RepRap; máy phay CNC; đắp lớp vật liệu; mở rộng khả công nghệ Key words - rapid prototyping; RepRap; CNC milling machine; additive manufacturing; capability expansion Tổng quan Hiện nước tiên tiến giới, công nghệ tạo mẫu nhanh ưu tiên nghiên cứu phát triển với nhiều phương pháp khác [1] Trong số đó, phải nói đến cơng nghệ tạo mẫu nhanh theo nguyên lý đắp lớp, cụ thể máy in ba chiều sợi nhựa Trong kể đến dự án RepRap [2], [4], dự án nhằm đưa máy in ba chiều đến với công chúng nhờ vào đơn giản kết cấu máy phần mềm mã nguồn mở Tại nước ta, hầu hết máy tạo mẫu nhanh, máy in ba chiều mua lắp ráp từ linh kiện nhập từ nước Hơn nữa, với máy in có giá thành rẻ dùng để tạo sản phẩm có độ xác khơng u cầu cao kích thước nhỏ Do đó, để tạo sản phẩm có độ xác cao kích thước lớn máy cần có độ cứng vững cao, kích thước lớn nên giá thành cao Xét đặc điểm cấu tạo máy in ba chiều có thị thường: chuyển động trục X, Y điều khiển động bước thông qua truyền đai răng, trục Z điều khiển thơng qua truyền vít me-đai ốc thường, phận dẫn động đùn vật liệu điều khiển động bước thông qua truyền bánh Do đó, chất lượng sản phẩm in phụ thuộc nhiều vào kết cấu khí nói Trong đó, máy phay CNC ba trục trang bị rộng rãi có điểm tương đồng chuyển động so với máy in ba chiều Hơn nữa, máy phay ba trục cịn có ưu điểm độ xác gia cơng cao gia cơng chi tiết có kích thước lớn Với phân tích trên, máy phay Baz15 CNC trang bị trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng đề xuất sử dụng nghiên cứu nhằm mở rộng khả gia công chi tiết dựa công nghệ đắp lớp sợi nhựa Sau tóm tắt thơng số kỹ thuật máy phay Baz15 CNC: Độ xác chuyển động trục X, Y, Z: 0,015mm, kích thước chi tiết gia cơng được: 600x400x600mm Và Bảng thông số kỹ thuật số máy in ba chiều có thị trường: Bảng Thông số kỹ thuật số máy in ba chiều [3] Loại máy in RepRap Mendel Kích thước vật in (mm) Độ xác (mm) 200 x 200 x 110 0,1 RepRap Huxley 140 x 140 x 110 MakerBot Replicator 225 x 145 x140 0,1 0,2 MakerGear Mosaic 127 x 127 x 127 0,15 Ultimaker 210 x 210 x 220 0,04 WhileAnt CNC 160 x 190 x 125 0,25 Aleph Object AO-100 200 x 190 x 100 0,1 Printrbot 150 x 150 x 150 0,3 Nội dung nghiên cứu 2.1 Cơ sở nghiên cứu Một thiết bị tạo mẫu nhanh điển hình gồm có chuyển động tạo hình theo phương X, Y, Z chuyển động để đùn vật liệu nhựa khỏi đầu đùn Tất chuyển động điều khiển chương trình ngôn ngữ G-Code Tương tự thiết bị tạo mẫu nhanh, máy CNC ba trục thơng thường có chuyển động theo phương X, Y, Z chuyển động quay trục Với hãng sản xuất máy CNC, hệ điểu khiển khác Máy phay CNC Baz15 hãng AlZMETALL sử dụng hệ điều khiển Heidehain phiên TNC 426/430M Máy có lựa chọn chạy G-code H-code Do đó, để tạo mẫu phương pháp đắp lớp máy phay này, ngồi chương trình điều khiển G-code tùy chỉnh cho máy CNC mạch điều khiển nhiệt độ đầu đùn, cần phải có đùn nhựa để gắn lên trục máy phay, lấy chuyển động quay trục làm ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 chuyển động đùn vật liệu Cấu tạo nguyên lý làm việc đùn vật liệu sử dụng máy in ba chiều thơng dụng biểu diễn Hình Hình Cấu tạo đùn máy in ba chiều [5] Bộ đùn phận quan trọng có ảnh hướng lớn đến chất lượng sản phẩm máy in ba chiều Thông qua chuyển động trục, sợi nhựa đùn đùn tạo nên hình dạng chi tiết Thơng thường cấu tạo đùn gồm hai phần chính: Phần dẫn động sợi nhựa điều khiển động bước, thông qua truyền bánh răng, lực ép lăn, sợi nhựa có đường kính 1,75 mm mm đẩy xuống phần nóng Phần nóng làm nóng điện trở nhiệt, sợi nhựa bị nóng chảy chảy khỏi đầu đùn dạng sợi Nhiệt độ phần nóng ln kiểm sốt cảm biến nhiệt gắn Đường kính đầu đùn dao động từ 0,1-1 mm 2.2 Phương án thiết kế đùn nhựa So sánh hướng chuyển động trục phận đùn vật liệu hướng chuyển động trục máy phay Baz15 CNC, ta cần sử dụng truyền trục vítbánh vít hay bánh côn để đổi hướng chuyển động cho đùn vật liệu lắp trục máy phay Baz15 CNC Để chọn tỉ số truyền truyền sử dụng đùn vật liệu, cần phân tích số vịng quay trục dẫn động đùn Chọn đường kính sợi nhựa vào đùn vật liệu 3mm, đường kính sợi nhựa khỏi đầu đùn 0,4mm, tỷ lệ chiều dài sợi nhựa vào sợi nhựa khỏi đầu đùn tính sau: S πR 1,52 2,25 (2.1) = = = = 56,25 s πr 0,2 0,04 Trong đó: S, s diện tích mặt cắt ngang sợi nhựa 3mm 0,4mm Chọn đường kính trục dẫn động sợi nhựa d=10mm, tốc độ sợi nhựa khỏi đầu đùn thấp Fmin = 15mm/s, tốc độ tối thiểu trục dẫn động cho lớp in là: Fmin 15 n= = =0,00848 (vòng/giây) (2.2) d.π.56,25 10.3,14.56,25 45 Mặt khác, tốc độ trục máy phay CNC Baz15 CNC nmin = 10 vòng/phút  0,167 vòng/giây Do tốc độ trục máy phay CNC chưa đạt yêu cầu tốc độ in thấp nên ta cần sử dụng truyền giảm tốc có tỉ số truyền tối thiểu: 0,167 i=  19, (2.3) 0,00848 Với yêu cầu tỉ số truyền trên, ta sử dụng truyền trục vít-bánh vít đùn vật liệu 2.3 Thiết kế chế tạo Để sử dụng chuyển động trục máy phay làm phần truyền động đùn vật liệu, trục vít gắn trục thơng qua đầu gá dao Khi trục vít quay làm trục dẫn động sợi nhựa gắn bánh vít quay theo Giá đùn vật liệu liên kết với thân máy nhằm chống xoay theo chuyển động trục vít Kích thước đùn vật liệu thiết kế chế tạo dựa kích thước phần trục máy phay Baz15 CNC, chi tiết máy: ổ lăn, đường kính trục bánh vít, trục vít Vật liệu sử dụng chế tạo đùn vật liệu hợp kim nhơm Cấu tạo đùn nhựa gồm hai phần chính: phần đùn nhựa có cấu tạo Hình 2, phần gá đầu đùn có cấu tạo Hình Hình Cấu tạo đùn sợi nhưa lắp máy phay CNC Baz15 Nguyên lý hoạt động: Bộ truyền trục vít-bánh vít (1) nhận chuyển động quay từ trục máy CNC thông qua đầu gá dao (2), nhờ chống xoay (3) mà giá đùn giữ đứng yên so với trục máy CNC Bánh vít chuyển động làm trục chủ động (4) quay, sợi nhựa ép chặt đẩy xuống đầu đùn nhờ cấu tạo lực ép (5) Tốc độ trục máy CNC tính tốn phù hợp với vận tốc di chuyển trục X, Y, Z Nhằm giảm thiểu rung động từ phận dẫn động Hình 2, phần gá đầu đùn gắn cố định thân máy 46 Bùi Minh Hiển, Phạm Văn Hiền chứa trục Z, đầu đùn lắp với phần gá đầu đùn Hình Hình Phần gá đầu đùn Bên cạnh thiết kế khí cấu chấp hành, phần điều khiển nhiệt độ đùn vật liệu đóng vai trị quan trọng suốt q trình gia cơng Trong phạm vi nghiên cứu, tác giả chọn loại nhựa PLA để gia công chi tiết từ sợi nhựa Mạch điều khiển đảm nhiệm cung cấp nguồn cho nhiệt điện trở để gia nhiệt cho đầu đùn (2) Hình 3, nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt gắn đầu đùn nhằm trì nhiệt độ thiết lập ban đầu mạch điều khiển (Hình 4) Hình Mạch điện điều khiển nhiệt độ đầu đùn Sau thiết lập kết nối mạch điều khiển đùn vật liệu, tiến hành thực nghiệm Thực nghiệm kết 3.1 Chương trình gia cơng Từ mơ hình ba chiều thiết kế lưu định dạng *.STL, sử dụng phần mềm mã nguồn mở nhằm cắt lớp mơ hình theo phương ngang xuất chương trình gia cơng dạng G-code Có nhiều phần mềm mã nguồn mở dùng để cắt lớp xuất chương trình gia công khác nhau, tác giả chọn phần mềm cắt lớp Slic3r [6] So sánh G-code xuất từ phần mềm sử dụng cho máy in ba chiều [7] G-code sử dụng cho máy phay Baz15 CNC, ta nhận thấy có khác biệt Vì vậy, chương trình G-code nhận từ phần mềm Slic3r cần có số hiệu chỉnh Bên ví dụ khác biệt G-code xuất từ phần mềm Slic3r G-code máy phay ba trục: Xét hai dòng lệnh xuất từ Slic3r sau: M104 S205 Thiết lập nhiệt độ đầu đùn 205oC G1 X80 Y100 E23.5 F1200 Nội suy theo đường thằng từ tọa độ đến tọa độ (X80, Y100) Chiều dài sợi nhựa cung cấp vào từ giá trị đến 23.5 mm Tốc độ di chuyển trục X, Y 1200 mm/phút Trong đó, chương trình G-code máy phay CNC khơng có lệnh thiết lập nhiệt độ chiều dài sợi nhựa cấp vào đùn Đối với việc điều khiển nhiệt độ có mạch điều khiển đảm nhiệm, cịn chiều dài sợi nhựa cấp đùn ta cần tính tốn tốc độ trục cho phù hợp với tốc độ di chuyển trục X, Y Tốc độ trục S xác định dựa vào tính tốn sau: - Số mối ren trục vít: z1 = 1; - Số bánh vít: z2 = 64 => Tỉ số truyền cặp trục vít-bánh vít: i = 64 - Đường kính trục chủ động gắn bánh vít để đẩy sợi nhựa: d = 10 mm; - Tốc độ in F (mm/ph) Với 1mm sợi nhựa khỏi đầu đùn, số vòng quay trục máy CNC tính sau: 1 64 n= = =0,0362 (vòng) (3.1) i d.π.56,25 10.3,14.56,25 Quan hệ tốc độ trục tốc độ in xác định theo công thức sau: (3.2) S = 0,0362.I.F (vịng/phút) Trong đó: - I: tỉ lệ tốc độ đùn nhựa với tốc độ di chuyển trục X, Y Theo phân tích thực nghiệm máy in nhựa, I = 2,2 cho lớp in I=1 cho lớp in - F: tốc độ di chuyển trục X, Y (mm/phút) Từ mối quan hệ tốc độ di chuyển trục tốc độ trục ta hiệu chỉnh chương trình để tiến hành gia cơng máy phay CNC Hình Một phần chương trình gia công sau hiệu chỉnh để chạy máy phay Baz15 CNC 3.2 Thực nghiệm kết Các bước chuẩn bị gia công máy phay Baz15 CNC ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 tiến hành sau: - Thiết lập dao đặt tên riêng cho dao, dao gọi trước để lắp đùn vật liệu thơng qua đầu gá dao; - Cấp sợi nhựa vào đùn vật liệu; - Thiết lập nhiệt độ cho đầu đùn tương ứng với loại nhựa sử dụng Sau mạch điều khiển báo đạt nhiệt độ thiết lập, ta tiến hành đùn nhựa thử để kiểm tra; - Thiết lập gốc tọa độ chương trình gia công (X = 0, Y = 0, Z = 0); - Chuyển chương trình gia cơng từ máy tính sang máy phay thơng qua chương trình kết nối tiến hành gia công Một số kết nhận bước đầu thực nghiệm: - Nhựa đùn khỏi đầu đùn đều; - Tốc độ đùn nhựa phù hợp với tốc độ di chuyển trục X, Y, Z; - Di chuyển trục X, Y, Z hồn tồn theo chuyển động tạo hình mơ hình cần gia cơng Tuy nhiên, chương trình gia cơng cịn hạn chế việc hiệu chỉnh từ chương trình G-code xuất từ phần mềm Slic3r thực thủ công nên chưa thực chi tiết phức tạp Hình biểu diễn q trình gia cơng chi tiết hình vành khăn, Hình kết thực nghiệm hai chi tiết đơn giản Bước đầu cho thấy đùn vật liệu sợi nhựa thiết kế, chế tạo lắp trục máy phay Baz15 CNC hồn tồn sử dụng để mở rộng khả gia công chi tiết công nghệ đắp lớp sợi nhựa 47 Hình Hai chi tiết đơn giản bước đầu gia công Kết luận Bài báo giới thiệu thiết kế chế tạo trang thiết bị nhằm mở rộng khả gia công chi tiết công nghệ đắp lớp sợi nhựa máy phay CNC Nhóm tác giả chế tạo hồn thiện phần khí mạch điện điều khiển nhiệt độ cho đùn sợi nhựa, đưa phân tích khác biệt chương trình gia cơng để xây dựng mối quan hệ việc hiệu chỉnh Đây sở để tiến hành viết phần mềm biên dịch chương trình G-code sử dụng cho máy phay Baz15 CNC việc gia công chi tiết với công nghệ đắp lớp vật liệu Sản phẩm gia công ban đầu cịn đơn giản, ta thấy đề xuất mở rộng khả gia công chi tiết công nghệ đắp lớp máy phay CNC hoàn toàn khả thi Bằng cách mở rộng khả cơng nghệ này, sử dụng máy phay CNC có để tạo sản phẩm có độ xác cao kích thước lớn Từ đó, nhóm tác giả tiếp tục phát triển phần khí, mạch điểu khiển để đạt độ xác cao có tính thẩm mỹ hơn; xây dựng phần mềm biên dịch để tạo chương trình gia cơng chi tiết có kích thước lớn hơn, phức tạp TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Q trình gia cơng chi tiết hình vành khăn [1] Đặng Văn Nghìn, “Cơng nghệ tạo mẫu nhanh – Thành tựu phát triển”, Viện Cơ học Tin học Ứng dụng [2] Brian Evans, Pactical 3D Printers, The Science and Art of 3D Printing [3] Chua C K – LEONG K.F – LIM C.S, Rapid Prototyping: Principles and Applications (Second Edition), Word Scientific [4] http://reprap.org [23-08-2014] [5] http://start3dprinting.com/ [23-08-2014] [6] http://manual.slic3r.org/ [23-08-2014] [7] http://reprap.org/wiki/G-code [23-08-2014] (BBT nhận bài: 28/11/2014, phản biện xong: 12/12/2014) ... động trục phận đùn vật liệu hướng chuyển động trục máy phay Baz15 CNC, ta cần sử dụng truyền trục vítbánh vít hay bánh để đổi hướng chuyển động cho đùn vật liệu lắp trục máy phay Baz15 CNC Để... trục máy phay Baz15 CNC, chi tiết máy: ổ lăn, đường kính trục bánh vít, trục vít Vật liệu sử dụng chế tạo đùn vật liệu hợp kim nhôm Cấu tạo đùn nhựa gồm hai phần chính: phần đùn nhựa có cấu tạo. .. cho máy phay Baz15 CNC việc gia công chi tiết với công nghệ đắp lớp vật liệu Sản phẩm gia cơng ban đầu cịn đơn giản, ta thấy đề xuất mở rộng khả gia công chi tiết công nghệ đắp lớp máy phay CNC