Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ định vị 01 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm cho hệ thống dẫn hướng chính xác dựa trên in 3d kim loại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐỊNH VỊ 01 BẬC TỰ DO SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM CHO HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG CHÍNH XÁC DỰA TRÊN IN 3D KIM LOẠI GVHD: ThS.GVC ĐẶNG MINH PHỤNG SVTH: TRẦN VĂN TRUNG MAI XUÂN TRIỀU TRỊNH TẤN PHÁT SKL009586 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 2022-2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO HCMUTE ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐỊNH VỊ 01 BẬC TỰ DO SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM CHO HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG CHÍNH XÁC DỰA TRÊN IN 3D KIM LOẠI SVTH: TRẦN VĂN TRUNG 18143169 MAI XUÂN TRIỀU 18143165 TRỊNH TẤN PHÁT 18143130 Ngành: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Khóa: 2018 GVHD: ThS.GVC ĐẶNG MINH PHỤNG Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh 2022-2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: ThS.GVC Đặng Minh Phụng Sinh viên thực hiện: Trần Văn Trung MSSV: 18143169 SĐT: 0868940502 Trịnh Tấn Phát MSSV: 18143130 SĐT: 0354341027 Mai Xuân Triều MSSV: 18143165 SĐT: 0857152422 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐỊNH VỊ 01 BẬC TỰ DO SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM CHO HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG CHÍNH XÁC DỰA TRÊN IN 3D KIM LOẠI Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Các tài liệu mạng - Các nghiên cứu ngồi nước Nội dung đồ án: - Tìm hiểu in 3D kim loại - Tổng quan định vị sử dụng cấu mềm, khuếch đại mềm, định vị mềm - Tổng quan tối ưu hóa Topology - Phân tích phương án đề xuất phương án thiết kế - Thiết kế tính tốn định vị 01 bậc tự sử dụng cấu mềm - Chế tạo 03 mô hình định vị 01 bậc tự tích hợp cấu khuếch đại sử dụng cấu mềm dựa công nghệ in 3D kim loại, công nghệ cắt dây, công nghệ in nhựa Các sản phẩm dự kiến - Thuyết minh thiết kế tính tốn định vị 01 bậc tự sử dụng cấu mềm cho hệ thống dẫn hướng xác dựa cơng nghệ in 3D kim loại - 03 mơ hình định vị 01 bậc tự tích hợp cấu khuếch đại sử dụng cấu mềm dựa công nghệ in 3D kim loại, công nghệ cắt dây, công nghệ in nhựa Ngày giao đồ án: Ngày nộp đồ án: Ngơn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Trình bày bảo vệ: Tiếng Việt Tiếng Việt TRƯỞNG KHOA TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên hướng dẫn) Họ tên sinh viên: Trần Văn Trung MSSV: 18143169 Hội đồng: … STT: …… Mai Xuân Triều MSSV: 18143165 Trịnh Tấn Phát MSSV: 18143130 Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo định vị 01 bậc tự sử dụng cấu mềm cho hệ thống dẫn hướng xác dựa in 3D kim loại Ngành đào tạo: Công nghệ chế tạo máy Họ tên GV hướng dẫn: ThS.GVC Đặng Minh Phụng Ý KIẾN NHẬN XÉT Nhận xét tinh thần, thái độ làm việc sinh viên Nhận xét kết thực ĐATN 2.1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN 2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn khả ứng dụng đồ án, hướng nghiên cứu tiếp tục phát triển) 2.3 Kết đạt được: 2.4 Những tồn (nếu có): Đánh giá: Điểm tối đa 30 Mục đánh giá TT Hình thức kết cấu ĐATN Đúng format với đầy đủ hình thức nội dung mục 10 Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan đề tài 10 Tính cấp thiết đề tài 10 Nội dung ĐATN Điểm đạt 50 Khả ứng dụng kiến thức toán học, khoa học kỹ thuật, khoa học xã hội… Khả thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 Khả thiết kế chế tạo hệ thống, thành phần, quy trình đáp ứng yêu cầu đưa với ràng buộc thực tế 15 Khả cải tiến phát triển 15 Khả sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… Đánh giá khả ứng dụng đề tài 10 Sản phẩm cụ thể ĐATN 10 Tổng điểm 100 Kết luận:  Được phép bảo vệ  Không phép bảo vệ TP.HCM, ngày … tháng 0… năm 2023 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên phản biện) Họ tên sinh viên: Trần Văn Trung MSSV: 18143169 Hội đồng: … STT: …… Mai Xuân Triều MSSV: 18143165 Trịnh Tấn Phát MSSV: 18143130 Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo định vị 01 bậc tự sử dụng cấu mềm cho hệ thống dẫn hướng xác dựa in 3D kim loại Ngành đào tạo: Công nghệ chế tạo máy Họ tên GV phản biện: Ý KIẾN NHẬN XÉT Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN: Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn khả ứng dụng đồ án, hướng nghiên cứu tiếp tục phát triển) Kết đạt được: Những thiếu sót tồn ĐATN: Câu hỏi: Đánh giá: Điểm tối đa Mục đánh giá TT Hình thức kết cấu ĐATN Điểm đạt 30 Đúng format với đầy đủ hình thức nội dung mục 10 Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan đề tài 10 Tính cấp thiết đề tài 10 Nội dung ĐATN 50 Khả ứng dụng kiến thức toán học, khoa học kỹ thuật, khoa học xã hội… Khả thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 15 Khả thiết kế, chế tạo hệ thống, thành phần, quy trình đáp ứng yêu cầu đưa với ràng buộc thực tế Khả cải tiến phát triển 15 Khả sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… Đánh giá khả ứng dụng đề tài 10 Sản phẩm cụ thể ĐATN Tổng điểm 10 100 Kết luận:  Được phép bảo vệ  Không phép bảo vệ TP.HCM, ngày tháng 0… năm 2023 GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN (Ký, ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS Đặng Minh Phụng, Thầy dành thời gian tận tình hướng dẫn em từ vấn đề nhỏ nhặt hoàn thành đề tài Với kiến thức kinh nghiệm quý báu Thầy chia sẻ giúp chúng em hoàn thành tốt đề tài đạt kết em mong đợi Thầy dành nhiều thời gian hướng dẫn chỉnh sửa suốt trình thực đề tài Nhờ chúng em có tảng kiến thức vững để hồn thành tốt nhiệm vụ Bên cạnh nhận giúp đỡ nhiệt tình Thầy Cơ khoa Cơ khí – Chế tạo máy tạo điều kiện tốt cho chúng em hoàn thành đề tài Những kiến thức bổ ích mà Thầy Cô dạy, áp dụng vào đề tài Đồ Án Tốt Nghiệp nhiều, từ kiến thức sở ngành chuyên ngành hỗ trợ em nhiều đề tài Để có kết ngày hơm nay, khơng thể phủ nhận thành to lớn Thầy, Cô Chúng em vô biết ơn Thầy Cô tạo môi trường để chúng em phát triển thân vận dụng kiến thức tích lũy từ kinh nghiệm Thầy, Cô Chúng em xin gửi lời cảm ơn tới bạn sinh viên, Anh Chị khóa – người giúp đỡ nhóm em hành trình hồn thành đề tài Nhóm em xin chân thành cảm ơn! NGƯỜI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI GIỚI THIỆU Đồ án tìm hiểu chất cấu mềm, khớp mềm ứng dụng thực tiễn Xây dựng mơ hình định vị tích hợp cấu khuếch đại sử dụng cấu mềm ứng dụng cho lĩnh vực nghiên cứu, gia công, y tế, sinh học… cần độ xác cao với độ phân giải micro Trình bày qui trình thiết kế, phân tích phân tử hữu hạn (FEA) áp dụng phương pháp phản ứng bề mặt (RSM – Response surface methodology) nhằm tối ưu thiết kế cải thiện hiệu suất định vị Đồng thời tìm hiểu phương pháp in 3D, cắt dây… để ứng dụng vào gia công định vị tích hợp cấu khuếch đại Sau đo đạc đưa số liệu thực tiễn so sánh với kết mô phần mềm để đưa nhận xét phương hướng xác nhằm đạt kết tốt MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Nội dung nghiên cứu 1.5 Giới hạn nghiên cứu 1.6 Phạm vi nghiên cứu CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ cấu mềm 2.2 Khớp mềm ( Flexure Hinge) CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG 11 3.1 In 3D kim loại 11 3.1.1 Các công nghệ in 3D Kim Loại phổ biến 12 3.1.2 Các loại vật liệu khả dụng 17 3.1.3 Lợi ích hạn chế in 3D kim loại 17 3.1.4 Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ in 3D Kim Loại 19 3.1.5 Sự phát triển thị trường in 3D kim loại giới 19 3.1.6 Xu hướng phát triển 20 3.2 In 3D nhựa 22 3.2.1 Các công nghệ in 3D nhựa phổ biến 22 3.2.2 Thuận lợi khó khăn sử dụng cơng nghệ in 3D nhựa 25 3.2.3 Ứng dụng công nghệ in 3D nhựa 25 3.2.4 Nhựa sử dụng phổ biến in 3D 26 3.2 Cắt dây CNC 31 CHƯƠNG IV: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA TAGUCHI 35 4.1 Giới thiệu 35 4.2 Đặc điểm phương pháp taguchi 35 4.3 Nhược điểm 35 Bước 4: Xây dựng lại thiết kế theo biến tối ưu Hình Kết tối ưu in 3D kim loại Biến thiết kế f (µm) Điểm 1.6942 Điểm 1.6934 Điểm 1.6722 g (µm) 1.6065 1.6071 1.6024 h (µm) 1.5515 1.5516 1.5739 m (µm) 1.5083 1.5008 1.5327 Chuyển vị đầu vào(µm) 45 45 45 Chuyển vị đầu (µm) 379.86 379.92 372.05 Hệ số an tồn 2.5004 2.503 2.5002 Bảng Kết tối ưu biến cho in 3D kim loại 69 Hình Sản phẩm in 3D kim loại 7.2 Thiết kế in 3D nhựa Nhựa PLA Yield Strength , MPa 65 Density , kg.m-3 1240 Poisson’s ratio 0.36 Young’s modulus, MPa 3600 Bảng Thông số nhựa PLA Kết mô FEA cho thiết kế sử dụng vật liệu nhựa PLA Thông số Giá trị Đơn vị Chuyển vị đầu vào 100 µm Chuyển vị đầu 1777.1 µm Hệ số an toàn 4.604 70 Ứng suất (max) 14.118 MPa Bảng Kết mô FEA nhựa PLA Hình Mơ thiết kế nhựa PLA 71 Hình Sản phẩm in 3D nhựa 7.3 Thiết kế sử dụng phương pháp cắt dây CNC 72 Hình Sản phẩm gia cơng phương pháp cắt dây CNC 7.4 Gia cơng trung gian Hình 7 Tấm trung gian 73 7.5 Đo kiểm nghiệm đánh giá Hình Đo chuyển vị thiết kế 3D nhựa đồng hồ so Hình Đo chuyển vị thiết kế 3D nhựa đồng hồ so 74 Hình 10 Đo chuyển vị thiết kế cắt dây CNC đồng hồ so Hình 11 Đo chuyển vị thiết kế cắt dây CNC laser đồng hồ so 75 Do thiết kế gia cơng in 3D kim loại cịn nhiều hạn chế nên không sử dụng để đo thực nghiệm Vì vậy, gá đặt đo thiết kế gia công cắt dây CNC in 3D nhựa Bảng 7.5 cho thấy kết đo thực tế với phương pháp gia công khác đồng hồ so laser: STT 10 In 3D nhựa (µm) Cắt dây CNC (µm) Thực tế FEA Sai số Thực tế FEA Sai số (%) (%) 1755 1777.1 1.24 1735 1782.2 2.65 1763 1777.1 0.79 1763 1782.2 1.08 1770 1777.1 0.39 1774 1782.2 0.46 1808 1777.1 1.74 1776 1782.2 0.35 1796 1777.1 1.06 1731 1782.2 2.87 1764 1777.1 0.74 1769 1782.2 0.74 1753 1777.1 1.36 1782 1782.2 0.01 1758 1777.1 1.07 1776 1782.2 0.35 1752 1777.1 1.41 1756 1782.2 1.47 1760 1777.1 0.96 1753 1782.2 1.64 Bảng Kết đo thực tế sai số so với FEA Đánh giá: So với kết mô FEA thiết kế đo đạc thực tế đồng hồ so laser ta thấy:  Đối với in 3D nhựa - Các kết đo có giá trị so với kết mô với mức sai lệch lớn < 2%  Đối với cắt dây CNC - Kết đo có sai lệch < 3% mơ FEA  Nguyên nhân dẫn đến sai lệch do: - Gá đặt đo khơng xác (đồng hồ đo chưa vng góc với bề mặt đo) - Sai số gia cơng thiết kế dẫn đến khơng đảm bảo xác độ khuếch đại 76 CHƯƠNG VIII: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 8.1 Kết luận In 3D kim loại phương pháp gia công đầy tiềm gia cơng sản phẩm chi tiết khó bên cạnh tồn nhiều hạn chế mà phương pháp chưa thể thay phương pháp truyền thống như: giá thành gia công cao, nguyên vật liệu dùng cho gia công chưa đa dạng,… Với đề tài nghiên cứu, thiết kế chế tạo định vị 01 bậc tự sử dụng cấu mềm cho hệ thống dẫn hướng xác dựa in 3D kim loại sản phẩm gia cơng hồn thiện tồn nhiều khuyết điểm: + Vì in 3D kim loại hợp kim AlSi10Mg nên dẫn đến tính thiết kế không cao + Sản phẩm sau gia cơng có độ nhám bề mặt cao + Dễ nứt gãy, cong vênh gia công + Chưa đạt độ xác cao so với phương pháp cắt dây CNC → So với phương pháp cắt dây CNC in 3D kim chưa thực phù hợp để ứng dụng vào thiết kế cấu mềm 8.1.1 Kết đạt Các nội dung thực bao gồm thiết kế, tối ưu, định vị mềm tích hợp cấu khuếch đại Về đạt mục tiêu đề Qua trình thực đề tài thu kết quả: + Kiến thức cấu mềm phạm vi ứng dụng + Các phương pháp gia công để ứng dụng vào việc chế tạo định vị 77 + Sử dụng phần mềm AutoCAD, Inventer để xây dựng mô hình 2D 3D + Biết ứng dụng phần mềm ANSYS WORKBENCH để phân tích hữu hạn RSM 8.1.2 Mặt hạn chế - Thiết kế chưa phù hợp gia cơng phương pháp in kim loại cịn nhiều hạn chế giá thành cao, thời gian gia công lâu - Thiết kế trung gian chưa tối ưu - Sản phẩm mức độ nghiên cứu phát triển chưa ứng dụng thực tiễn 8.2 Hướng phát triển - Thiết kế lại trung gian phù hợp với thiết kế - Tối ưu lại kích thước sản phẩm nhỏ gọn - Tăng phạm vi chuyển vị cấu - Nâng cao độ xác cấu 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình ANSYS – Phân tích ứng suất biến dạng, TS Đỗ Thành Trung – Trường ĐH SPKT Tp.HCM [2] Nghiên cứu thiết kế, tối ưu hóa chế tạo định vị 01 bậc tự sử dụng cấu mềm định hướng ứng dụng cho hệ thống định vị kiểm tra độ cứng vật liệu, PGS.TS Lê Hiếu Giang, TS Đào Thanh Phong, ThS Đặng Minh Phụng [3] FLEXURE MECHANISMS AND APPLICATIONS Nguyễn Văn Khiển, Phạm Huy Hoàng, Phạm Huy Tuân [4] Compliant Mechanisms for Motion/Force Amplifiers for Robotics Jaroslav Hricko (&) and Štefan Havlík [5] Optimal Design and Analysis for a New 1-DOF Compliant Stage Based on Additive Manufacturing Method for Testing Medical Specimens Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Nguyen Thanh Duy Tran, Ngoc Le Chau and Thanh-Phong Dao [6] https://aidro.it/wp-content/uploads/2022/01/AlSi10Mg-1.pdf [7] www.linkedin.com/pulse/t%E1%BB%95ng-quan-c%C3%B4ngngh%E1%BB%87-3d-kim-lo%E1%BA%A1i-thuan-nguyen [8] Empirical Compliance Equations for Constant Rectangular Cross Section Flexure Hinges Their Applications by Tiemin Li, Yunsong Du,Yao Jiangand Jinglei Zhang [9] Nguyễn Hữu Lộc Giáo trình Quy hoạch phân tích thực nghiệm, NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2021 79 B(2:1) A(2:1) 10 50 30 R5 D x l 10,7 R5 10 79 19 177 15 x l C(2:1) A D(2:1) 4l 20 7x B 0,5 C 12 36 20 4x4 l 10 316 N T T NGHI P THI T K V CH T O B Tr.nhi m K.tra Duy t Th.k H t n ng Minh Ph ng K NH V M M 01 B C T DO Ng y B NH V 01 B C T DO T l : 2:1 T : TR 18-02-23 V t Li u : AL 7075 Kh i l ng: S t : NG H S PH M K THU T TPHCM Khoa: C kh Ch t o m y 120 29 50 A ( 2:1 ) 33 70 x M 118 10 x 20 133 14 l x1 M H -6 24 x 14 l 17 75 79 61 6H A 14 50 42 378 15 100 N T T NGHI P THI T K V CH T O B Tr.nhi m K.tra Duy t Th.k H t n ng Minh Ph ng K NH V M M 01 B C T DO Ng y T M TRUNG GIAN T l : 2:1 T : TR 18-02-23 V t Li u : AL 6061 Kh i l ng: S t : NG H S PH M K THU T TPHCM Khoa: C kh Ch t o m y ITEM QTY 1 14 8 PARTS LIST PART NUMBER T m trung gian Chi ti t Bulong M6 x 10 Bulong M6 x 20 Bulong M4 x 20 Long n M6 Long n M4 DESCRIPTION N T T NGHI P THI T K V CH T O B Tr.nhi m K.tra Duy t Th.k H t n K NH V M M 01 B C T DO Ng y B NV L P T l : T : TR V t Li u : AL 7075 Kh i l ng: S t : NG H S PH M K THU T TPHCM Khoa: C kh Ch t o m y S K L 0