TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG MÁY IN, SCAN 3D SVTH: Nguyễn Phương MSSV: 12141451 Phan Hà Nhật Tân MSSV: 12141457 Khoá : 2012 Ngành: ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG GVHD: Th.S Phan Vân Hoàn Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016i Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Họ và tên sinh viên: Nguyễn Phương Phan Hà Nhật Tân MSSV: 12141451 MSSV: 12141457 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện từ Truyền thông Lớp: 12141CLDT1 Giảng viên hướng dẫn: Th.S Phan Vân Hoàn ĐT: 0985421353 Ngày nhận đề tài: 022016 Ngày nộp đề tài: 072016 1. Tên đề tài: Nghiên cứu và thi công máy in, scan 3D 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: Board Arduino Mega 2560 Board Arduino Nano Board mở rộng RAMPS 1.4 Các công nghệ in 3D 3. Nội dung thực hiện đề tài: Tìm hiểu nguyên lý hoạt động máy in Thi công mô hình máy in Hiệu chỉnh các thông số để tăng chất lượng sản phẩm in ra Ứng dụng máy in 3D để thi công máy scan 3D Hiệu chỉnh các thông số để tăng chất lượng sản phẩm scan Nhận xét, kết luận 4. Sản phẩm: Máy in 3D dùng board Arduino Mega 2560 Máy scan 3D dùng board Arduino Nano GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪNii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Phương ...................................... MSSV: 12141451 ................. Phan Hà Nhật Tân .................................. MSSV: 12141457 ................. Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử Truyền thông............................................................... ................................................................................................................................................. Tên đề tài: ................................................................................................................................ ................................................................................................................................................. Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: Th.S Phan Vân Hoàn ........................................................... ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. 2. Ưu điểm: ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. 3. Khuyết điểm: ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? ................................................................................................................................................. 5. Đánh giá loại: ................................................................................................................................................. 6. Điểm:……………….(Bằng chữ:....................................................................................... ) ................................................................................................................................................. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc iii CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Phương ...................................... MSSV: 12141451 ................. Phan Hà Nhật Tân .................................. MSSV: 12141457 ................. Ngành: ..................................................................................................................................... ................................................................................................................................................. Tên đề tài: ................................................................................................................................ ................................................................................................................................................. Họ và tên Giáo viên phản biện: ............................................................................................... ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. 2. Ưu điểm: ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. 3. Khuyết điểm: ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? ................................................................................................................................................. 5. Đánh giá loại: ................................................................................................................................................. 6. Điểm:……………….(Bằng chữ:....................................................................................... ) ................................................................................................................................................. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên phản biện (Ký ghi rõ họ tên)iv LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: Ban giám hiệu trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện tốt nhất cho em học tập và nghiên cứu. Khoa ĐiệnĐiện tử đã cung cấp giáo trình, tài liệu, cơ sở vât chất cũng như các module hỗ trợ. Thầy giáo Th.S Phan Vân Hoàn cùng các thầy cô bộ môn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em cũng như sự động viên từ gia đình trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Mặc dù cố gắng trong quá trình tìm hiểu nhưng do kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý, nhận xét của thầy cô và các bạn để đồ án có thể hoàn thiện hơn nữa. Em xin chân thành cảm ơn TP.HCM , Ngày 15 tháng 07 năm 2016 Sinh viên thực hiện Nguyễn Phương Phan Hà Nhật Tânv TÓM TẮT Đồ án “Nghiên cứu và thi công máy in, scan 3D” được thực hiện dựa trên công nghệ in 3D FDM (Fused Deposition Modeling), loại máy Cartesian, điều khiển bởi Arduino Mega cùng với board mở rộng RAMPS 1.4 Sau quá trình tìm hiểu cũng như thiết lập các thông số phù hợp, nhóm đã hoàn thành mô hình máy in 3D hoàn chỉnh có thể in được các vật từ đơn giản đến phức tạp với độ chính xác tương đối cao Đề tài đã được mở rộng bằng mô hình máy scan 3D với những linh kiện được lắp ráp từ sản phẩm in 3D, cho kết quả scan tương đối.vi MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................................................ i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ................................................ ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ................................................. iii LỜI CẢM ƠN................................................................................................................. iv TÓM TẮT........................................................................................................................ v MỤC LỤC ...................................................................................................................... vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................... xi DANH SÁCH BẢNG BIỂU ......................................................................................... xii DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ.............................................................. xiii Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................................... 1 1.1 Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay .................................................................. 1 1.2 Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................. 1 1.3 Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................. 1 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................................ 1 1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 2 1.6 Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 2 1.7 Bố cục của Đồ án ....................................................................................................... 2 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................... 3 2.1 Các dạng máy in 3D trên thị trường .......................................................................... 3 2.1.1 Cartesian ................................................................................................................. 3 2.1.2 Delta........................................................................................................................ 4 2.1.3 Polar ........................................................................................................................ 5 2.2 Một số công nghệ in 3D thương mại ......................................................................... 6 2.2.1 Fused Deposition Modeling (FDM) ....................................................................... 6 2.2.2 Selective Laser Sintering (SLS) ............................................................................. 7 2.2.3 Stereolithography (SLA) ........................................................................................ 8 2.3 Các linh kiện của máy in 3D ................................................................................... 10 2.3.1 Arduino Mega 2560 R3 ........................................................................................ 11 2.3.2 RAMPS 1.4 ........................................................................................................... 14 2.3.3 Động cơ bước ....................................................................................................... 16vii 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 cơ khí.................................................................................................... 21 2.4 Các dạng máy scan 3D trên thị trường .................................................................... 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.Timeofflight ............................................................................................................. 27 b. Triangulation ............................................................................................................. 28 2.6 Các linh kiện của máy scan 3D ............................................................................... 29 2.6.1 Arduino Nano ....................................................................................................... 29 2.6.2 Đèn laser thẳng ..................................................................................................... 31 2.6.3 Module điều khiển động cơ bước ULN2003........................................................ 32 2.6.4 Động cơ bước 28BYJ48 ...................................................................................... 33 2.6.5 Linh kiện cơ khí.................................................................................................... 34 2.7 Mã Gcode ............................................................................................................... 35 2.8 Khái quát về điều khiển PID ................................................................................... 36 2.8.1 Khâu tỉ lệ .............................................................................................................. 36 2.8.2 Khâu tích phân ...................................................................................................... 36 2.8.3 Khâu vi phân ......................................................................................................... 37 Chương 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ................................................ 38 3.1 Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................................. 38 3.1.1 Yêu cầu của hệ thống ........................................................................................... 38 3.1.2 Sơ đồ và chức năng mỗi khối ............................................................................... 38 a. Máy in 3D .................................................................................................................. 38 b. Máy scan 3D .............................................................................................................. 39 3.2 Hoạt động của hệ thống ........................................................................................... 39 3.2.1 Hoạt động của máy in 3D..................................................................................... 39 3.2.2 Hoạt động của máy scan 3D................................................................................. 39viii 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 hành.......................................................................................................... 41 c. Khối nguồn ................................................................................................................ 42 3.3.2 Máy scan 3D ......................................................................................................... 42 a. Khối xử lý trung tâm.................................................................................................. 42 b. Khối chấp hành.......................................................................................................... 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 Lưu đồ 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 độ truyền dữ liệu............................................................................................ 48 3.6.2 Board điều khiển................................................................................................... 48 3.6.3 Số đầu đùn ............................................................................................................ 49 3.6.4 Cảm biến nhiệt độ................................................................................................. 49 3.6.5 Nhiệt độ ................................................................................................................ 49 3.6.6 Kiểm tra ổn định nhiệt độ đầu đùn ....................................................................... 49 3.6.7 Thiết lập PID cho đầu nung.................................................................................. 50 3.6.8 Nhiệt độ tối thiểu trước khi di chuyển đầu đùn.................................................... 50 3.6.9 Kiểm tra sự cố cảm biến nhiệt độ......................................................................... 51 3.6.10 Tín hiệu kích hoạt Endstop................................................................................. 51 3.6.11 Kích thước in (mm) ............................................................................................ 51 3.6.12 Đảo hướng các trục tọa độ.................................................................................. 51 3.6.13 Vị trí Home......................................................................................................... 52 3.6.14 Số trục máy in..................................................................................................... 52 3.6.15 Số bước động cơ trên mỗi trục ........................................................................... 52ix 3.7 Thiết lập Repetier Host ............................................................................................ 53 3.7.1 Print Settings ........................................................................................................ 55 a. Layers and perimeters ................................................................................................ 55 b. Infill ........................................................................................................................... 57 c. Skirt and brim ............................................................................................................ 61 d. Support material ........................................................................................................ 62 e. Speed .......................................................................................................................... 64 f. Multiple Extruders ..................................................................................................... 66 g. Advanced ................................................................................................................... 66 h. Output option ............................................................................................................. 67 i.Notes ............................................................................................................................ 68 3.7.2 Filament Settings .................................................................................................. 68 a. Filament ..................................................................................................................... 68 b. Cooling ...................................................................................................................... 69 3.7.3 Printer Settings ..................................................................................................... 70 a. General ....................................................................................................................... 70 b. Custom Gcode .......................................................................................................... 71 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT ....................................................................... 74 4.1 Kết quả..................................................................................................................... 74 4.1.1 Máy in và máy scan 3D thực tế ............................................................................ 74 4.1.2 Sản phẩm in 3D .................................................................................................... 75 4.1.3 Kết quả scan 3D.................................................................................................... 76 4.2 Nhận xét kết quả...................................................................................................... 77 4.2.1 Cơ khí ................................................................................................................... 77 4.2.2 Sản phẩm in 3D .................................................................................................... 77 4.2.3 Kết quả scan 3D.................................................................................................... 77 4.3 Một số lỗi khi in 3D và cách khắc phục .................................................................. 77 4.3.1 Tách lớp khỏi bàn in............................................................................................. 77 4.3.2 Dịch lớp ................................................................................................................ 78 4.3.3 Lớp in không thẳng hàng...................................................................................... 78 4.3.4 Mất lớp.................................................................................................................. 79x 4.3.5 Lớp nhựa trên cùng bị hở ..................................................................................... 79 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................. 80 5.1 Kết luận.................................................................................................................... 80 5.2 Hướng phát triển ...................................................................................................... 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 81 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 82 1. Chuyển động của đầu phun ....................................................................................... 82 2. Quá trình chuyển Gcode sang lệnh điều khiển động cơ........................................... 82 3. Một số loại nhựa in 3D .............................................................................................. 84xi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ABS: Acrylonitrin Butadien Styren BAM: Beta Arduino Mega CNC: Computer Numerical Control EEPROM: Electrically Erasable Programmable ReadOnly Memory FDM: Fused Deposition Modeling GPIO: General Purpose Input Output IDE: Integrated Development Environment I2C: InterIntegrated Circuit I2S: Integrated Interchip Sound PEEK: Polyetheretherketone PLA: Polylactic acid PWM: Pulse Width Modulation RAMPS: RepRap Arduino Mega Pololu Shield SCARA: Selective Compliance Assembly Robotic Arm SLA: Stereolithography SLS: Selective Laser Sintering SPI: Serial Peripheral Bus SRAM: Static RAM (Random Access Memory) UART: Universal Asynchronous Receiver – Transmitter USB: Universal Serial Busxii DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 ......................................................... 12 Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật động cơ bước KH42JM2B194A ...................................... 16 Bảng 2.3 Lựa chọn chế độ điều khiển cho driver A4988 .............................................. 19 Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật Arduino Nano................................................................... 31 Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật đèn laser thẳng ................................................................. 31 Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật IC ULN2003 .................................................................... 32 Bảng 2.7 Thông số kỹ thuật động cơ bước 28YJ48 ..................................................... 33 Bảng 3.1 Jumper trên RAMPS 1.4 ................................................................................ 43xiii DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 2.1 Máy in 3D Cartesian ......................................................................................... 3 Hình 2.2 Máy in 3D Delta .............................................................................................. 4 Hình 2.3 Máy in 3D Polar .............................................................................................. 5 Hình 2.4 Máy in 3D SCARA ......................................................................................... 6 Hình 2.5 Công nghệ in 3D FDM .................................................................................... 7 Hình 2.6 Công nghệ in 3D SLS...................................................................................... 7 Hình 2.7 Máy in 3D SLS ................................................................................................ 8 Hình 2.8 Công nghệ in 3D SLA ..................................................................................... 8 Hình 2.9 Máy in 3D SLA ............................................................................................... 9 Hình 2.10 Công nghệ in 3D Polyjet ............................................................................... 9 Hình 2.11 Phối màu in lên sản phẩm............................................................................ 10 Hình 2.12 Máy in 3D Polyjet ....................................................................................... 10 Hình 2.13 Máy in 3D dạng Cartesian........................................................................... 11 Hình 2.14 Board Arduino Mega 2560 R3 .................................................................... 12 Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý Arduino Mega 2560 R3.................................................... 13 Hình 2.16 GSMGPRSGPS Shield .............................................................................. 14 Hình 2.17 L293DMotor Shield ..................................................................................... 14 Hình 2.18 RAMPS 1.4 .................................................................................................. 14 Hình 2.19 Sơ đồ nguyên lý board Ramps 1.4 ............................................................... 15 Hình 2.20 Độngcơ bước KH42JM2B194A.................................................................. 16 Hình 2.21 A4988 Step Driver ....................................................................................... 17 Hình 2.22 .Sơ đồ nguyên lý A4988 Step Driver .......................................................... 18 Hình 2.23 Đầu phun ..................................................................................................... 19 Hình 2.24 Endstop ........................................................................................................ 20 Hình 2.25 Quạt tản nhiệt .............................................................................................. 20 Hình 2.26 Khung nhôm 20x20 ..................................................................................... 21 Hình 2.27 Thanh trượt và con trượt tròn 8mm............................................................. 21 Hình 2.28 Góc ke 20x20mm ........................................................................................ 21 Hình 2.29 Gối đỡ thanh trượt 8mm .............................................................................. 22 Hình 2.30 Vitme M5, đai ốc......................................................................................... 22xiv Hình 2.31 Khớp nối 5x5............................................................................................... 22 Hình 2.32 Bánh răng motor .......................................................................................... 23 Hình 2.33 Dây curoa 6mm ........................................................................................... 23 Hình 2.34 Ổ bi 5x16x5mm........................................................................................... 23 Hình 2.35 Vòng bi trượt 8x15x24mm .......................................................................... 23 Hình 2.36 Mica, kiếng cho máy in 3D ......................................................................... 24 Hình 2.37 Chi 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 trong xây dựng, công trình.................................................... 26 Hình 2.42 iSense 3D scanner........................................................................................ 26 Hình 2.43 Máy CMM và đầu dò .................................................................................. 27 Hình 2.44 Timeoflight 3D scanner ............................................................................ 28 Hình 2.45 Triangulation scan ....................................................................................... 28 Hình 2.46 Arduino Nano .............................................................................................. 29 Hình 2.47 Sơ đồ nguyên lý Arduino Nano................................................................... 30 Hình 2.48 Đèn laser thẳng............................................................................................ 31 Hình 2.49 Module ULN2003 và động cơ bước 28BYJ48 .......................................... 32 Hình 2.50 Sơ đồ chân ULN2003 .................................................................................. 33 Hình 2.51 Sơ đồ mạch mỗi kênh .................................................................................. 33 Hình 2.52 Động cơ bước 28BYJ48 ............................................................................. 33 Hình 2.53 Sơ đồ cuộn dây 28BYJ48 ........................................................................... 34 Hình 2.54 Sơ đồ nối dây động cơ bước và module ULN2003..................................... 34 Hình 2.55 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID ..................................................................... 36 Hình 3.1 Sơ đồ khối máy in 3D.................................................................................... 38 Hình 3.2 Sơ đồ khối máy scan 3D................................................................................ 39 Hình 3.3 MKS Base V1.2 (ATmega 2560) .................................................................. 40 Hình 3.4 SainSmart Melzi (ATmega 1284p) ............................................................... 40 Hình 3.5 Shanhai® Gt2560 (ATmega 2560) ............................................................... 41 Hình 3.6 BAM shield ................................................................................................... 41xv Hình 3.7 Bộ nguồn 12V 5A.......................................................................................... 42 Hình 3.8 Sơ đồ kết nối các thiết bị máy in 3D ............................................................. 43 Hình 3.9 Sơ đồ kết nối các thiết bị máy scan 3D ......................................................... 44 Hình 3.11 Lưu đồ giải thuật máy in 3D (tt).................................................................. 46 Hình 3.12 Lưu đồ giải thuật máy scan 3D.................................................................... 47 Hình 3.13 Thiết lập firmware Marlin ........................................................................... 48 Hình 3.14 Giao diện phần mềm Repetier Host ............................................................ 53 Hình 3.15 Thiết lập cho Repetier Host......................................................................... 55 Hình 3.16 Thiết lập Layers, perimeters........................................................................ 56 Hình 3.17 Spiral vase ................................................................................................... 56 Hình 3.18 Sản phẩm thiếu Solid layers ở đỉnh ............................................................. 56 Hình 3.19 Overhang ..................................................................................................... 57 Hình 3.20 Thiết lập Infill.............................................................................................. 57 Hình 3.21 Ví dụ về thông số Fill density...................................................................... 58 Hình 3.22 Line Infill ..................................................................................................... 58 Hình 3.23 Rectilinear Infill ........................................................................................... 58 Hình 3.24 Concentric Infill ........................................................................................... 59 Hình 3.25 Honeycomb Infill ......................................................................................... 59 Hình 3.26 Hilbert Curve Infill ...................................................................................... 59 Hình 3.27 Archimedean Chords Infill .......................................................................... 59 Hình 3.28 Octagram Spiral Infill .................................................................................. 60 Hình 3.29 Honeycomb Infill và Line Infill với cùng một chi tiết ................................ 60 Hình 3.30 Thiết lập Skirt, brim .................................................................................... 61 Hình 3.31 Skirt ............................................................................................................. 61 Hình 3.32 Brim ............................................................................................................. 62 Hình 3.33 Sản phẩm in với Support material ............................................................... 62 Hình 3.34 Thiết lập Support ......................................................................................... 63 Hình 3.35 Raft layers .................................................................................................... 63 Hình 3.36 Ví dụ Pattern angle có giá trị 45.................................................................. 64 Hình 3.37 Thiết lập Speed............................................................................................ 64 Hình 3.38 Thiết lập Speed (tt) ...................................................................................... 65xvi Hình 3.39 Thiết lập Multiple Extruders ....................................................................... 66 Hình 3.40 Thiết lập nâng cao ....................................................................................... 66 Hình 3.41 Thiết lập Output........................................................................................... 67 Hình 3.42 Thiết lập Extruder clearance........................................................................ 67 Hình 3.43 Notes ............................................................................................................ 68 Hình 3.44 Thiết lập nhựa in.......................................................................................... 68 Hình 3.45 Thiết lập quạt tản nhiệt ................................................................................ 69 Hình 3.46 Bridges ......................................................................................................... 70 Hình 3.47 Thiết lập chung cho máy in ......................................................................... 70 Hình 3.48 Thiết lập hình dạng, kích cỡ bàn in ............................................................. 71 Hình 3.49 Thiết lập Gcode .......................................................................................... 71 Hình 3.50 Thiết lập đầu phun ....................................................................................... 72 Hình 4.1 Máy in 3D ...................................................................................................... 74 Hình 4.2 Máy scan 3D .................................................................................................. 75 Hình 4.3 Hoàn tất quá trình in ...................................................................................... 75 Hình 4.4 Sản phẩm in 3D ............................................................................................. 76 Hình 4.5 Kết quả scan 3D............................................................................................. 76 Hình 4.6 Sản phẩm tách lớp khỏi bàn in ...................................................................... 77 Hình 4.7 Sản phẩm bị dịch lớp..................................................................................... 78 Hình 4.8 Các lớp in không thẳng hàng......................................................................... 78 Hình 4.9 Sản phẩm bị mất lớp in.................................................................................. 79Đồ án tốt nghiệp 1 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay In 3D bắt đầu hình thành từ năm 1984, sau đó dần được mở rộng về quy mô cũng như các công nghệ in khác nhau trên toàn thế giới với vật liệu in phong phú, đa dạng Ở nước ta, in 3D không còn là điều mới mẻ, với cộng đồng mã nguồn mở to lớn cùng nhiều linh kiện sẵn có, mỗi cá nhân có thể lắp ráp cho mình một chiếc máy in. Tuy nhiên có sự hạn chế về công nghệ, đồng thời chưa được phổ biến trong đời sống, sản xuất Về công nghệ scan 3D, trên thế giới đã có nhiều bước tiến trong việc phát triển và mở rộng phạm vi ứng dụng. Trong khi ở nước ta vẫn chưa thực sự phổ biến, chủ yếu chỉ dùng trong đo đạc, tạo khuôn,… 1.2 Tính cấp thiết của đề tài Từ những ưu điểm nổi bật như: Vật liệu in đa dạng (nhựa, kim loại, vàng, thực phẩm,…), thời gian in nhanh, độ bền, độ chính xác cao, tiết kiệm chi phí tạo khuôn, công nghệ in 3D đã và đang được ứng dụng trong các ngành kỹ thuật, công nghiệp, sản xuất, y tế,…và tương lai có thể thay thế các công nghệ tạo mẫu thông thường Bên cạnh đó, công nghệ scan 3D đã và đang được ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực như xây dựng, kỹ thuật, sản xuất,… Công nghệ này cho phép xây dựng, tái tạo lại các mô hình vật thể dưới dạng 3D một cách hoàn chỉnh và chính xác, đem lại nhiều ứng dụng to lớn đặc biệt là trong y học 1.3 Mục tiêu nghiên cứu Hiểu được nguyên lý hoạt động của từng công nghệ in 3D Hoàn thành mô hình máy in 3D hoàn chỉnh, đạt yêu cầu về kỹ thuật In được các sản phẩm có độ chính xác về hình dạng, kích cỡ, đủ độ bền, đẹp Hoàn thành máy scan 3D với các thành phần được in từ máy in 3D Hiểu được nguyên lý hoạt động của máy scan 3D Scan được một số vật phẩm đơn giản với độ chính xác tương đối 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu Tìm hiểu các dạng máy in 3D, các công nghệ in 3D Sử dụng, thiết lập được firmware và software về máy in 3DĐồ án tốt nghiệp 2 Khắc phục các sự cố khi in 3D Tìm hiểu các dạng máy scan 3D Nguyên lý, thông số kỹ thuật các linh kiện điện tử, cơ khí 1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Board Arduino mega2560 Board Arduino Nano Board mở rộng RAMPS 1.4 Driver động cơ bước A4988, ULN2003 Các công nghệ in 3D, scan 3D 1.6 Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của máy in 3D từ thực tiễn In các mẫu từ cỡ bản đến phức tạp để lựa chon được các thông số phù hợp cho máy in Từ kết quả sản phẩm, dự đoán nguyên nhân và khắc phục Tham khảo các tài liệu liên quan về máy in, máy scan 3D 1.7 Bố cục của Đồ án Đồ án gồm 5 chương với các nội dung như sau Chương 1 TỔNG QUAN Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG Chương 4 KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ SO SÁNH Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂNĐồ án tốt nghiệp 3 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các dạng máy in 3D trên thị trường Ở nước ta hầu như chỉ sử dụng công nghệ in 3D FDM (Fused Deposition Modeling, sẽ được trình bày cụ thể ở mục 2.2 Một số công nghệ in 3D thương mại), công nghệ in này dựa vào chuyển động cơ chủ yếu của đầu phun trong không gian, từ đó hình thành nên các dạng máy in 3D: Cartesian, Delta, Polar và SCARA Dù phong phú về hình dạng, kích thước, công nghệ hay vật liệu, bản chất của in 3D vẫn là in lần lượt các lớp để hình thành nên sản phẩm 2.1.1 Cartesian Là các máy in 3D di chuyển đầu đùn nhựa nhờ các chuyển động theo phương X, Y, Z trong hệ tọa độ Cartesian (hệ tọa độ Đềcác). Đại diện tiêu biểu dòng máy in 3D mã nguồn mở loại Cartesian chính là Prusa i3 hay Mendel Hình 2.1 Máy in 3D Cartesian Ưu điểm chung của loại máy in 3D Cartesian: + Lắp ráp, căn chỉnh và bảo dưỡng dễ dàng + Cộng đồng mã nguồn mở lớn + Phù hợp với người mới bắt đầu làm quen công nghệ in 3DĐồ án tốt nghiệp 4 Nhược điểm: + Khối lượng các cơ cấu đi động lớn, nên tốc độ in không cao và gây ồn + Khi hoạt động máy thường bị rung và do vậy làm giảm độ chính xác + Kích thước ngang lớn, thường bị hạn chế chiều cao vật in 2.1.2 Delta Là các máy in 3D di chuyển đầu đùn nhựa theo nguyên lý của robot delta (hay robot song song). Đại diện tiêu biểu cho dòng máy in mã nguồn mở dạng Delta là Delta robot 3D printer (Kossel) Hình 2.2 Máy in 3D Delta Ưu điểm chung của loại máy in 3D Delta: + Khối lượng các cơ cấu di động nhỏ + Hoạt động êm, ít rung, tốc độ cao và chính xác + Có thể in được vật in có chiều cao lớn + Bàn nhiệt không di chuyển trong suốt quá trình in nên vật được giữ chắc chắn Nhược điểm: + Lắp ráp, căn chỉnh máy hơi phức tạp + Chiều cao của máy lớn (thường tới 6070 cm) + Thường đắt hơn so với máy CartesianĐồ án tốt nghiệp 5 2.1.3 Polar Mới và ít phổ biến hơn 2 loại trên. Đầu đùn nhựa được di chuyển theo nguyên lý của tọa độ cực (Polar) Hình 2.3 Máy in 3D Polar Ưu điểm chung của loại máy in 3DPolar: + Hoạt động ít bị rung lắc như dạng Cartesian + Máy có kích thước vừa, gọn Nhược điểm: + Momen quán tính của bàn in lớn + Tốc độ in không cao, kích thước in nhỏ + Lắp ráp và căn chỉnh máy khó + Giá thành cao 2.1.4 SCARA (Selective Compliance Assembly Robotic Arm) Với cơ chế động học phỏng sinh trục đứng, SCARA là một trong những robot phổ biến trong công nghiệp, cho tốc độ hoạt động nhanh, tối ưu hơn so với robot Cartesian (Linear robot) và cũng được ứng dụng trong cơ cấu chuyển động máy in 3D như hình 2.4Đồ án tốt nghiệp 6 Hình 2.4 Máy in 3D SCARA Ưu điểm chung của loại máy in 3D SCARA: + Kích thước vừa, gọn + Không phức tạp trong căn chỉnh bàn in + Tốc độ in tương đối cao Nhược điểm: + Động học phức tạp hơn so với các máy khác + Giá thành cao 2.2 Một số công nghệ in 3D thương mại Một máy in 3D đắt hay rẻ, kích thước lớn hay nhỏ, độ chính xác cao hay thấp, tốc độ nhanh hay chậm đều được quyết định phần lớn ở công nghệ in 3D sử dụng 2.2.1 Fused Deposition Modeling (FDM) FDM là công nghệ in 3D phổ biến nhất hiện nay, điển hình là các dòng máy in 3D Reprap hoặc máy in 3D giá rẻ (Makerbot, Printerbot, Flashforge,…) Ưu điểm: Là công nghệ in 3D giá rẻ. Thường sử dụng trong các sản phẩm cần chịu lực. Tốc độ tạo hình 3D nhanh. Nhược điểm: Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao. Khả năng chịu lực không đồng nhất (chiều XY cứng lớn hơn chiều trục Z) Vật liệu in: Nhựa PLA, ABSĐồ án tốt nghiệp 7 Hình 2.5 Công nghệ in 3D FDM 2.2.2 Selective Laser Sintering (SLS) Công nghệ in 3D SLS là chìa khóa để các máy in 3D tạo ra những sản phẩm đa dạng, thường dùng trong kỹ thuật Ưu điểm: Thích hợp để in các mô hình có thành mỏng, các chi tiết cần độ dẻo, những mô hình lớn hoặc có phần rỗng phía dưới đáy. Xét về độ mịn bề mặt, SLS cho chất lượng cao hơn FDM bởi vì rất khó để phân biệt các lớp in bằng mắt thường Nhược điểm: Giá thiết bị và vật liệu khá đắt. Các mô hình kín và có phần rỗng bên trong vẫn phải tiêu tốn một lượng vật liệu khá lớn Vật liệu in: Bột nylon11, nylon12, PEEK (Polyetheretherketone, polymer hữu cơ dùng trong kỹ thuật),… Hình 2.6 Công nghệ in 3D SLSĐồ án tốt nghiệp 8 Hình 2.7 Máy in 3D SLS 2.2.3 Stereolithography (SLA) Tương tự SLS, các máy in 3D sử dụng công nghệ SLA sử dụng chùm tia laserUV hoặc một nguồn năng lượng mạnh tương đương để làm “đông cứng” các lớp vật liệu Ưu điểm: Có khả năng tạo ra các mô hình có độ chi tiết cao, sắc nét và chính xác. Là một trong những công nghệ in 3D cho lớp in nhỏ nhất Nhược điểm: Vật liệu in 3D khá đắt, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền khi để lâu dưới ánh sáng mặt trời Vật liệu in: Photopolymer lỏng Hình 2.8 Công nghệ in 3D SLAĐồ án tốt nghiệp 9 Hình 2.9 Máy in 3D SLA 2.2.4 Polyjet Ưu điểm: In được nhiều vật liệumàu sắc lên cùng một sản phẩm. Với độ phân giải và thời gian in tối ưu, đây được xem là công nghệ in cạnh tranh với SLA Nhược điểm: Các máy in 3D dùng công nghệ Ployjet thường có giá rất đắt, vật liệu support (đỡ mô hình) khá yếu ớt Vật liệu in: Photopolymer lỏng Hình 2.10 Công nghệ in 3D PolyjetĐồ án tốt nghiệp 10 Hình 2.11 Phối màu in lên sản phẩm Hình 2.12 Máy in 3D Polyjet 2.3 Các linh kiện của máy in 3D Từ những ưu điểm và nhược điểm các dạng máy in 3D trên thị trường, nhóm lựa chọn nghiên cứu về dạng máy Cartesian vì tính phổ biến, đơn giản, phù hợp với khối lượng công việc cũng như tiến độ thực hiện đồ án Các thành phần chính của máy được trình bày ở hình 2.13, với cơ cấu trục X, Y được truyền động bởi dây đai, bánh răng và cơ cấu trục Z được truyền động bởi vitme (một số máy in dạng Cartesian khác có cơ cấu truyền động phong phú như sử dụng vitme thay thế dây đai hoặc toàn bộ bằng vitme,...)Đồ án tốt nghiệp 11 Hình 2.13 Máy in 3D dạng Cartesian Thành phần cụ thể và chức năng của máy in 3D sẽ lần lượt được trình bày ở các mục tiếp theo 2.3.1 Arduino Mega 2560 R3 Arduino Mega 2560 R3 sử dụng vi điều khiển ATmega2560 cho tốc độ, ngoại vi và số chân nhiều nhất, board hoàn toàn có cấu trúc chân tương thích với các board như Uno và chạy điện áp 5VDC Về cơ bản, Arduino Mega2560 R3 vẫn giống Arduino Uno R3, chỉ khác số lượng chân và nhiều tính năng mạnh hơn. Thích hợp cho điều khiển cùng lúc nhiều động cơ bước như máy in 3D. Bên cạnh đó còn tương thích nhiều board mở rộng (shield) với ứng dụng phong phú Y Motor X Motor Z Motor Print table ExtruderĐồ án tốt nghiệp 12 Hình 2.14 Board Arduino Mega 2560 R3 Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 Vi điều khiển ATmega2560 Điện áp hoạt động 5V DC Số chân digital 54 (15 chân PWM: 213, 44, 45, 46) Số chân Analog 16 Giao tiếp UART 4 bộ UART Giao tiếp SPI 1 bộ (chân 50 – 53) dùng với thư viện SPI Giao tiếp I2C 1 bộ Ngắt ngoài 6 chân (2, 3, 21, 20, 19, 18) Bộ nhớ Flash 256 KB, 8KB sử dụng cho Bootloader SRAM 8KB EEPROM 4KB Xung nhịp 16 MHz Sơ đồ nguyên lý của Arduino Mega 2560 R3 được trình bày ở hình 2.15Đồ án tốt nghiệp 13 Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý Arduino Mega 2560 R3Đồ án tốt nghiệp 14 Một số shield cho Arduino Mega 2560 R3: Hình 2.16 GSMGPRSGPS Shield Hình 2.17 L293DMotor Shield 2.3.2 RAMPS 1.4 RAMPS 1.4 (Reprap Arduino Mega Pololu Shield) là board mở rộng cắm trên Arduino Mega 2560 và dùng để điều khiển các máy in 3D Reaprap (mã nguồn mở Marlin) cũng như các ứng dụng khác Hình 2.18 RAMPS 1.4 Sơ đồ nguyên lý Ramps 1.4 được trình bày như hình 2.19Đồ án tốt nghiệp 15 Hình 2.19 Sơ đồ nguyên lý board Ramps 1.4Đồ án tốt nghiệp 16 Thông số kỹ thuật: Tương thích Arduino Mega 2560Mega 1280 Hỗ trợ 5 khe cắm module A4988DRV8825 (Stepper Motro Driver) Hỗ trợ điều khiển tối đa 5 stepper motor cho máy CNC 5 trục Điện áp hoạt động: 5V (được cấp từ Board Arduino) Điện áp motor: 835V 2.3.3 Động cơ bước Với đặc tính chuyển động góc quay chính xác, khả năng cố định roto ở vị trí cần thiết cũng như điều khiển được tốc độ, chiều quay. Động cơ bước luôn được sử dụng trong các máy in 3D để di chuyển cơ cấu Các động cơ bước trên thị trường có góc quay 0.9º, 1.8º, 3.6º,…với số dây: 4, 5, 6, 8 dây. Thông dụng nhất là loại 1.8º, 6 dây như hình 2.20 Hình 2.20 Độngcơ bước KH42JM2B194A Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật động cơ bước KH42JM2B194A Xuất xứ Việt Nam Tên KH42JM2B194A Loại dây UniPolar Kích cỡ 1.7 (Nema 17) Chiều dài động cơ 35.5mm Số pha 2 Điện áp 1236VDCĐồ án tốt nghiệp 17 Góc quay 1.8o Chiều dài trục 19 mm Đường kính trục 5 mm Điện trở 5.0ΩPhase Điện áp định mức 2.52V Dòng điện định mức 0.9A Momen xoắn 362 mN.m Với góc quay 1.8º thì cần 200 step, động cơ sẽ quay đúng một vòng (Fullstep). Để tăng “độ phân giải” của động cơ, ta có thể điều khiển ở chế độ Halfstep hay Microstep bằng cách sử dụng driver động cơ bước. Ví dụ: Động cơ bước 1.8º được điều khiển ở chế độ Halfstep cần 400 step để quay đúng một vòng, với mỗi step là 0.9º 2.3.4 A4988 Step Driver A4988 là driver điều khiển động cơ bước cực kỳ nhỏ gọn, hỗ trợ nhiều chế độ điều khiển: Full step, half step, 14, 118, 116. Điều chỉnh được dòng ra cho động cơ, tự động ngắt điện khi quá nhiệt Hình 2.21 A4988 Step DriverĐồ án tốt nghiệp 18 Thông số kỹ thuật: Điện áp động cơ: 8 – 35V DC Điện áp logic: 3 – 5.5V DC Dòng ra: ± 2A Áp ra: 2 – 37V Chế độ điều khiển: Full step, half step, 14, 18, 116 Tự ngắt điện khi quá nhiệt Hình 2.22 .Sơ đồ nguyên lý A4988 Step DriverĐồ án tốt nghiệp 19 Bảng 2.3 Lựa chọn chế độ điều khiển cho driver A4988 MS1 MS2 MS3 Chế độ điều khiển L L L Full step H L L Half step L H L 14 H H L 18 H H H 116 2.3.5 Đầu phun Hình 2.23 Đầu phun Thông số kỹ thuật: Kích cỡ đầu phun: 0.4mm Độ dài: 89mm Chất liệu: Nhôm Trọng lượng: 80g Chất liệu in: Nhựa ABS hoặc PLA (đường kính sợi nhựa 1.75 hoặc 3 mm) Điện áp hoạt động: 12V DC Điện áp cảm biến: 12V, nhiệt độ lên tới 300 °C Chức năng: Chuyển điện áp thành nhiệt năng làm chảy nhựa trong quá trình vận hành máy inĐồ án tốt nghiệp 20 2.3.6 Endstop Hình 2.24 Endstop Thông số kỹ thuật: Loại: KW122c Điện áp hoạt động: 3A 250VAC,5A 125V AC Chất liệu: Nhựa, nhôm Khối lượng: 4g Chức năng: Đóng vai trò như công tắc hành trình dùng để kiểm soát chuyển động của các cơ cấu trên trục máy in. Khi endstop tại trục nào được tác động, cơ cấu trên trục đó sẽ dừng lại 2.3.7 Quạt tản nhiệt Hình 2.25 Quạt tản nhiệt Điện áp hoạt động: 12V Chức năng: Giảm nhiệt độ nhựa in, làm khô nhựa để in các lớp tiếp theoĐồ án tốt nghiệp 21 2.3.8 Linh kiện cơ khí Khung nhôm 20x20mm: Hình 2.26 Khung nhôm 20x20 Chức năng: Cố định các thành phần của máy in 3D bao gồm: Động cơ, thanh trượt, bàn in, ... Thanh trượt, con trượt tròn 8mm: Hình 2.27 Thanh trượt và con trượt tròn 8mm Chức năng: Làm trục chuyển động cho đầu phun theo trục X và bàn in theo trục Y Góc ke 20x20mm: Hình 2.28 Góc ke 20x20mm Chức năng: Cố định khung nhôm của máy inĐồ án tốt nghiệp 22 Gối đỡ thanh trượt 8mm: Hình 2.29 Gối đỡ thanh trượt 8mm Chức năng: Cố định thanh trượt vào khung nhôm Vitme, đai ốc M5: Hình 2.30 Vitme M5, đai ốc Chức năng: Biến chuyển động quay của động cơ bước thành chuyển động tịnh tiến theo trục Z của đầu phun Khớp nối 5x5: Hình 2.31 Khớp nối 5x5 Chức năng: Kết nối vitme với động cơ bước, sử dụng khớp mềm giúp vitme chuyển động được dễ dàng, trơn tru hơnĐồ án tốt nghiệp 23 Puli 20 răng: Hình 2.32 Bánh răng motor Chức năng: Truyền động cho dây curoa Dây curoa 6mm: Hình 2.33 Dây curoa 6mm Chức năng: Biến chuyển động quay của động cơ bước thành chuyển động tịnh tiến theo trục X của đầu phun và theo trục Y của bàn in Ổ bi 5x16x5mm: Hình 2.34 Ổ bi 5x16x5mm Chức năng: Giảm ma sát trong quá trình chuyển động của dây curoa Vòng bi trượt 8x15x24mm: Hình 2.35 Vòng bi trượt 8x15x24mm Chức năng: Giảm ma sát trong quá trình chuyển động trên thanh trượt trònĐồ án tốt nghiệp 24 Mica, kiếng: Hình 2.36 Mica, kiếng cho máy in 3D Chức năng: Cấu thành nên bàn in của máy. Đối với nhựa ABS, bàn in được trang bị thêm thành phần gia nhiệt giúp tăng độ bám dính giữa sản phẩm với bàn in Chi tiết nhựa máy in 3D: Hình 2.37 Chi tiết nhựa máy in 3D Chức năng: Cố định thanh trượt, khung nhôm, động cơ bước,... Có thể là nhựa đặc hoặc là sản phẩm từ máy in 3D nhằm tiết kiệm chi phíĐồ án tốt nghiệp 25 Nhựa in: Hình 2.38 Nhựa máy in 3D Chức năng: Thành phần không thể thiếu cho máy in 3D, ở dạng rắn. Tại đầu phun, nhựa bị nóng chảy thành sợi và được đùn qua lỗ cực bé (~ 0.1 – 0.4mm) đắp từng lớp hình thành nên mô hình in 3D Có nhiều loại nhựa trên thị trường như nhựa ABS, PLA, CF – PLA (Carbon fiber PLA), PETG,… 2.4 Các dạng máy scan 3D trên thị trường Hiện nay, trên thị có rất nhiều loại máy scan 3D phong phú về kích thước, kiểu dáng, phụ thuộc vào môi trường cũng như nhu cầu sử dụng Hình 2.39 Máy scan 3D cầm tayĐồ án tốt nghiệp 26 Hình 2.40 Máy scan kết hợp với in 3D Hình 2.41 Máy scan 3D trong xây dựng, công trình Ngoài ra còn một số thiết bị kết hợp giúp điện thoại, máy tính bảng có chức năng như một máy scan 3D Hình 2.42 iSense 3D scannerĐồ án tốt nghiệp 27 2.5 Các công nghệ scan 3D 2.5.1 Scan tiếp xúc Scan vật thể thông qua tiếp xúc vật lý, điển hình là CMM (Coordinate measuring machine) CMM truyền thống sử đụng đầu dò cảm ứng điện tử, tuy nhiên hiện nay đầu dò các máy CMM được tích hợp thêm laser, cảm biến, giúp tăng độ chính xác cũng như tốc độ scan. Một hệ thống máy CMM bao gồm: Thân máy, đầu dò, hệ thống điều khiển và phần mềm đo Hình 2.43 Máy CMM và đầu dò Khi đầu dò tiếp xúc với vật, các tọa độ tiếp xúc x, y, z được lưu lại và tổng hợp thành dạng 3D của vật tùy thuộc vào độ phân giải thiết lập Phương pháp này có độ chính xác cao, đồng thời đo được độ song song, độ vuông góc, độ phẳng,…nhưng tốc độ chậm hơn so với các công nghệ scan khác 2.5.2 Scan không tiếp xúc a.Timeofflight Sử dụng laser để thăm dò vật thể, nguyên lý hoạt động tương tự cảm biến siêu âm: Dựa vào vận tốc ánh sáng (c), thời gian ánh sáng từ lúc phát ra, đến vật thể và phản xạ lại đầu thu (t), ta tính được khoảng cách đến vật thể tử điểm đo:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG MÁY IN, SCAN 3D SVTH: Nguyễn Phương MSSV: 12141451 Phan Hà Nhật Tân MSSV: 12141457 Khố : 2012 Ngành: ĐIỆN TỬ- TRUYỀN THƠNG GVHD: Th.S Phan Vân Hồn Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2016 CỘNG HÒA 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 Phương Phan Hà Nhật Tân Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện từ - Truyền thơng Giảng viên hướng dẫn: Th.S Phan Vân Hồn Ngày nhận đề tài: 02/2016 MSSV: 12141451 MSSV: 12141457 Lớp: 12141CLDT1 ĐT: 0985421353 Ngày nộp đề tài: 07/2016 Tên đề tài: Nghiên cứu thi công máy in, scan 3D Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Board Arduino Mega 2560 - Board Arduino Nano - Board mở rộng RAMPS 1.4 - Các công nghệ in 3D Nội dung thực đề tài: - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động máy in - Thi cơng mơ hình máy in - Hiệu chỉnh thông số để tăng chất lượng sản phẩm in - Ứng dụng máy in 3D để thi công máy scan 3D - Hiệu chỉnh thông số để tăng chất lượng 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 HƯỚNG DẪN i CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: Nguyễn Phương MSSV: 12141451 Phan Hà Nhật Tân MSSV: 12141457 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Truyền thông Tên đề tài: Họ tên Giáo viên hướng dẫn: Th.S Phan Vân Hoàn NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) năm 20… ii CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: Nguyễn Phương MSSV: 12141451 Phan Hà Nhật Tân MSSV: 12141457 Ngành: Tên đề tài: Họ tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: 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 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: Ban giám hiệu trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh tạo điều kiện tốt cho em học tập nghiên cứu Khoa Điện-Điện tử cung cấp giáo trình, tài liệu, sở vât chất module hỗ trợ Thầy giáo Th.S Phan Vân Hồn thầy mơn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em động viên từ gia đình suốt trình thực đề tài Mặc dù cố gắng trình tìm hiểu kiến thức cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận góp ý, nhận xét thầy bạn để đồ án hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! TP.HCM , Ngày 15 tháng 07 năm 2016 Sinh viên thực Nguyễn Phương Phan Hà Nhật Tân iv TÓM TẮT Đồ án “Nghiên cứu thi công máy in, scan 3D” thực dựa công nghệ in 3D FDM (Fused Deposition Modeling), loại máy Cartesian, điều khiển Arduino Mega với board mở rộng RAMPS 1.4 Sau trình tìm hiểu thiết lập thông số phù hợp, nhóm hồn thành mơ hình máy in 3D hồn chỉnh in vật từ đơn giản đến phức tạp với độ xác tương đối cao Đề tài mở rộng mơ hình máy scan 3D với linh kiện lắp ráp từ sản phẩm in 3D, cho kết scan tương đối v MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xi DANH SÁCH BẢNG BIỂU xii DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ xiii Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu tình hình nghiên cứu 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Bố cục Đồ án Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các dạng máy in 3D thị trường 2.1.1 Cartesian 2.1.2 Delta 2.1.3 Polar 2.2 Một số công nghệ in 3D thương 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 bước 16 vi 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 trường 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 điều khiển động bước ULN2003 32 2.6.4 Động bước 28BYJ-48 33 2.6.5 Linh kiện khí 34 2.7 Mã G-code 35 2.8 Khái quát điều khiển PID 36 2.8.1 Khâu tỉ lệ 36 2.8.2 Khâu tích phân 36 2.8.3 Khâu vi phân 37 Chương 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 38 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 38 3.1.1 Yêu cầu hệ thống 38 3.1.2 Sơ đồ chức khối 38 a Máy in 3D 38 b Máy scan 3D 39 3.2 Hoạt động hệ thống 39 3.2.1 Hoạt động máy in 3D 39 3.2.2 Hoạt động máy scan 3D 39 vii 3.3 Thiết kế, tính tốn hệ thống 40 3.3.1 Máy in 3D 40 a Khối xử lý trung tâm 40 b Khối chấp hành 41 c Khối nguồn 42 3.3.2 Máy scan 3D 42 a Khối xử lý trung tâm 42 b Khối chấp hành 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 Lưu đồ 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 độ truyền liệu 48 3.6.2 Board điều khiển 48 3.6.3 Số đầu đùn 49 3.6.4 Cảm biến nhiệt độ 49 3.6.5 Nhiệt độ 49 3.6.6 Kiểm tra ổn định nhiệt độ đầu đùn 49 3.6.7 Thiết lập PID cho đầu nung 50 3.6.8 Nhiệt độ tối thiểu trước di chuyển đầu đùn 50 3.6.9 Kiểm tra cố cảm biến nhiệt độ 51 3.6.10 Tín hiệu kích hoạt Endstop 51 3.6.11 Kích thước in (mm) 51 3.6.12 Đảo hướng trục tọa độ 51 3.6.13 Vị trí Home 52 3.6.14 Số trục máy in 52 3.6.15 Số bước động trục 52 viii 3.7 Thiết lập Repetier Host 53 3.7.1 Print Settings 55 a Layers and perimeters 55 b Infill 57 c Skirt and brim 61 d Support material 62 e Speed 64 f Multiple Extruders 66 g Advanced 66 h Output option 67 i.Notes 68 3.7.2 Filament Settings 68 a Filament 68 b Cooling 69 3.7.3 Printer Settings 70 a General 70 b Custom G-code 71 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 74 4.1 Kết 74 4.1.1 Máy in máy scan 3D thực tế 74 4.1.2 Sản phẩm in 3D 75 4.1.3 Kết scan 3D 76 4.2 Nhận xét kết 77 4.2.1 Cơ khí 77 4.2.2 Sản phẩm in 3D 77 4.2.3 Kết scan 3D 77 4.3 Một số lỗi in 3D cách khắc phục 77 4.3.1 Tách lớp khỏi bàn in 77 4.3.2 Dịch lớp 78 4.3.3 Lớp in không thẳng hàng 78 4.3.4 Mất lớp 79 ix Đồ án tốt nghiệp - End G-code: Thêm vào lệnh G-code để chạy sau in Ví dụ: + M104 S0 (Tắt đầu nung) + G28 X0 (Di chuyển đầu phun Home theo trục X) + M84 (Tắt động cơ) - Before layer change G-code: Thêm vào lệnh G-code để chạy trước chuyển sang layer c Extruder Hình 3.50 Thiết lập đầu phun - Nozzle diameter: Đường kính đầu phun sử dụng cho máy in 3D - Extruder offset: Thiết lập sai khác tọa độ đầu phun thứ hai so với đầu phun thứ để với máy in sử dụng đầu phun - Length: Độ dài nhựa rút trước đầu phun bắt đầu di chuyển từ vị trí cần in sang vị trí khác (non-print move) Có thể từ – mm - Lift Z: Thiết lập độ cao đầu phun nâng lên q trình non-print move nói trên, tránh đầu phun tiếp xúc với layer vừa in Có thể đặt khoảng 0.1 – 0.25 - Speed: Tốc độ rút nhựa in, mặc định 40 mm/s, tăng lên nhựa chưa rút đủ yêu cầu 72 Đồ án tốt nghiệp - Extra length on restart: Độ dài nhựa đùn thêm sau rút nhựa để tránh tình trạng nhựa chưa kịp in chi tiết Tính sử dụng - Minimum travel after retraction: Khi đầu phun di chuyển độ dài thiết lập, nhựa không rút về, để mm mặc định - Retract on layer change: Rút nhựa chuyển layer, nên bật tính - Wipe while retracting: Di chuyển đầu phun rút nhựa để tránh nhựa dư chảy khỏi đầu phun, nên bật tính 73 Đồ án tốt nghiệp Chương 4: KẾT 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 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 Hồn tất q trình in 75 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 Đồ án tốt nghiệp 4.2 Nhận xét kết 4.2.1 Cơ khí Các chi tiết khí lắp đặt vị trí, hoạt động yêu cầu Tuy nhiên khớp nối khung nhôm chưa thực chắn, máy in phải cân chỉnh lại sau vận chuyển 4.2.2 Sản phẩm in 3D Sản phẩm in 3D thỏa mãn yêu cầu đặt như: - Kích thước ứng với file mẫu - Độ cứng đạt yêu cầu - Các lớp in nhỏ, mịn Bên cạnh đó, sản phẩm số khiếm khuyết thời gian in chưa nhanh, trục Z chưa thẳng 4.2.3 Kết scan 3D Kết scan 3D cho kết tương đối xác vật thể màu đen, hình dạng trịn trụ Kết scan phụ thuộc nhiều vào yếu tố bên màu sắc vật thể, độ sáng môi trường xung quanh Chiều cao tối đa vật thể cần scan ngang tầm với camera (tính từ mặt bàn lên) Góc quay nhỏ, nhiều tia laser cho kết xác hơn, mịn Tuy nhiên thời gian scan tăng lên đáng 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 bàn in - Nguyên nhân: Lớp nhựa bị nguội q nhanh bám dính khơng tốt với bàn nhiệt 77 Đồ án tốt nghiệp - Cách khắc phục: + Tăng nhiệt độ bàn nhiệt, thường khoảng mức 50 + Với nhựa PLA, khơng dùng bàn nhiệt Để tăng độ bám dính, ta phủ lớp keo dán giấy mỏng lên bàn in trước in 4.3.2 Dịch lớp Hình 4.7 Sản phẩm bị dịch lớp - Nguyên nhân: + Trục X, Y chưa chỉnh + Đầu phun chuyển động bị trở ngại trục X, Y - Cách khắc phục: + Kiểm tra, siết chặt puly, tra dầu máy vào ổ bi + Căn chỉnh trục cho chuyển động trục X, Y, Z vng góc với 4.3.3 Lớp in khơng thẳng hàng Hình 4.8 Các lớp in khơng thẳng hàng 78 Đồ án tốt nghiệp - Nguyên nhân: + Các dây đai chưa căng + Một hai trục Z bị lệch - Cách khắc phục: + Căng cố định độ dài dây đai + 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 động bị trở ngại + Đầu phun bị nghẹt + Chỉnh sai thơng số đường kính nhựa in - Cách khắc phục: + Căn chỉnh lại trục Z + Kiểm tra nhựa kẹt đầu phun, vệ sinh đầu phun + Chỉnh thông số đường kính nhựa in Repetier Host 4.3.5 Lớp nhựa bị hở Là cố thường gặp với in 3D (đã nói đến mục 3.7.1, hình 3.18 Sản phẩm thiếu Solid layers đỉnh) - Nguyên nhân: Vật chưa in đủ số layer đỉnh - Cách khắc phục: Tăng số lớp vỏ đỉnh Repetier Host (3-5 lớp) 79 Đồ án tốt nghiệp Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Hệ thống có ưu nhược điểm sau: - Máy in 3D + Ưu điểm: Dễ lắp ráp, nguyên liệu phổ biến thị trường Cấu trúc máy đơn giản Các khớp, giá đỡ nhựa sản phẩm từ in 3D nên thay + Nhược điểm: Kích thước cồng kềnh Phát tiếng ồn chạy máy Cơ khí chưa xác hồn tồn - Máy scan 3D: + Ưu điểm: Scan vật thể đơn giản, độ xác tương đối Giảm thời gian vẽ lại mẫu 3D từ vật thể 3D có sẵn + Nhược điểm: Khơng scan xác hoàn toàn Cho kết sai vật thể phức tạp có rãnh, lỗ,… Sản phẩm in 3D từ file scan cho chất lượng thấp so với vật mẫu 5.2 Hướng phát triển Máy in 3D có số hướng phát triển như: + In 3D từ file lưu thẻ nhớ + Lưu vị trí in điện + Kết hợp máy in 3D với máy CNC, máy cắt laser + Thay đổi cấu máy in 3D từ dạng Cartesian sang Delta + Chuyển từ in đơn màu sang in đa màu 80 Đồ án tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Thị Phương Hà – Huỳnh Thái Hoàng (2007), “Lý thuyết điều khiển tự động”, NXB KH & KT, Hà Nội, Việt Nam [2] Nguyễn Đình Phú (2014), “Vi điều khiển PIC”, Đại học Sư phạm kỹ thuật Hồ Chí Minh, Tp HCM, Việt Nam [3] Trương Thị Bích Ngà (2012), “Điện tử bản”, Đại học Sư phạm kỹ thuật Hồ Chí Minh, TPHCM, Việt Nam Tiếng Anh [4] http://reprap.org/ [5] https://github.com/MarlinFirmware/Marlin/wiki/Marlin-Configuration [6] https://github.com/Sardau/Sardauscan 81 Đồ án tốt nghiệp PHỤ LỤC Chuyển động đầu phun Với chuyển động thẳng (tịnh tiến), vận tốc đầu phun phân tích thành chuyển động theo trục x trục y y y1 α x1 x Khi đầu phun chuyển động thẳng từ (x0,y0) đến (x1,y1), ta ln tính góc α (độ lớn) hợp đường thẳng với Ox theo công thức: |𝑦1 − 𝑦0| ∝= 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 |𝑥1 − 𝑥0| Suy với vận tốc v thiết lập cho đầu phun, vận tốc cầu trục x, y là: 𝑣 = 𝑣 cos ∝ 𝑣 = 𝑣 sin ∝ Với chuyển động cong, firmware hỗ trợ lệnh G2, G3 (trình bày mục 2.7 Mã G-code), vận tốc cấu trục x, y tính tốn phức tạp Đối với firmware không hỗ trợ lệnh G2, G3, chuyển động cong vi phân thành nhiều chuyển động thẳng tính tốn tương tự Quá trình chuyển G-code sang lệnh điều khiển động Gồm giai đoạn: Fetching data, Planning Stepping - Fetching data: Lấy liệu, thơng số từ Gcode Trong file Marlin_main.cpp: + get_command() (dịng 620) đọc tín hiệu Gcode từ port serial port , Gcode thêm vào vùng nhớ đệm (cmdbuffer[] – danh sách Gcode nhận chờ để xử lý) 82 Đồ án tốt nghiệp + process_command() (dòng 634, 649) phân tích cú pháp Gcode cũ từ command buffer thực thi chức tương ứng Các lệnh chuyển động Gcode: G1, G2, G3, thực hàm get_coordinates() prepare_move() + get_coordinates() (dòng 3913) sau Gcode đọc trên, hàm lấy giá trị tương ứng lưu vào destination[i] (0 ≤ i < NUM_AXIS, với NUM_AXIS = giá trị i cho trục X, Y, Z, E (feedrate – tốc độ)) + prepare_move() (dịng 4015) tính tốn sai khác vị trí vị trí tiếp theo, chuẩn bị cho động chuyển động - Planning: Quản lý chuyển động, tính tốn gia tốc Trong file Planer.cpp, hàm plan-buffer_line() (dòng 532, 534) chuyển giá trị tọa độ tốc độ thành cấu trúc liệu sử dụng cho điều khiển motor Tùy vào kiểu điều khiển tốc độ mà cấu trúc liệu có dạng khác nhau, đây, liệu có dạng block, block đại diện cho chuyển động thẳng Dạng Trapezoid (hình thang) Vận tốc mong muốn v Vận tốc đầu Vận tốc sau t t tăng tốc t giảm tốc Bên cạnh cịn dạng khác S-Curve, với vận tốc tăng giảm cách chậm, trơn tru hơn, giảm quán tính bảo vệ động hệ thống lớn 83 Đồ án tốt nghiệp - Stepping: Điều khiển chuyển động động Một số loại nhựa in 3D a PLA (Polylactic Acid) - Đặc tính kỹ thuật: + Thường in nhiệt độ 180 – 200 ºC + Nguồn gốc từ bột ngơ, mía, tinh bột,… + Độ dẻo, đàn hồi cao - Ưu điểm: + Thân thiện với môi trường + Phổ biến công nghệ in 3D FDM - Nhược điểm: + Khả chịu nhiệt không cao + Hạ nhiệt độ chậm b ABS (Acrylonitrin Butadien Styren) - Đặc tính kỹ thuật: + Thường in nhiệt độ 200 – 230 ºC + Nguồn gốc từ dầu mỏ + Khả chịu nhiệt tốt - Ưu điểm: + Độ bền cao, dùng chi tiết máy + Có thể tăng độ bóng lau với Acetone - Nhược điểm: + Khi in tạo mùi khó chịu, khơng tốt cho người sử dụng 84 Đồ án tốt nghiệp + Tốc độ quạt làm mát không cố định, dễ bị cong, vênh điều chỉnh chỉnh chưa thích hợp c PVA (Polyvinyl Alcohol) - Đặc tính kỹ thuật: + Thường in nhiệt độ 190 – 210 ºC + Tan nước - Ưu điểm: Khi sử dụng PVA làm thành phần chống đỡ (support), việc loại bỏ dễ dàng nhờ đặc tính tan nước - Nhược điểm: Giá thành tương đối cao, khó bảo quản 85