Nghiên cứu cải tiến thiết kế máy in 3d đơn và đa sắc, thiết kế chế tạo máy in 3d delta phục vụ cho đào tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN THIẾT KẾ MÁY IN 3D ĐƠN VÀ ĐA SẮC, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY IN 3D DELTA PHỤC VỤ CHO ĐÀO TẠO GVHD: THS NGUYỄN BÁ TRƯƠNG ĐÀI GVC.TS ĐẶNG MINH PHỤNG SVTH: VŨ VĂN LONG TỪ HOÀNG DUY TRẦN PHÚ LẢM SKL010965 Tp Hồ Chí Minh, Tháng năm 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “ Nghiên cứu cải tiến thiết kế máy in 3D đơn đa sắc, thiết kế chế tạo máy in 3D delta phục vụ cho đào tạo” Giảng viên hướng dẫn: ThS NGUYỄN BÁ TRƯƠNG ĐÀI GVC.TS ĐẶNG MINH PHỤNG Sinh viên thực MSSV VŨ VĂN LONG 19146349 TỪ HOÀNG DUY 18146276 TRẦN PHÚ LẢM 19143273 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN: CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “ Nghiên cứu cải tiến thiết kế máy in 3D đơn đa sắc, thiết kế chế tạo máy in 3D delta phục vụ cho đào tạo” Giảng viên hướng dẫn: ThS NGUYỄN BÁ TRƯƠNG ĐÀI GVC.TS ĐẶNG MINH PHỤNG Sinh viên thực MSSV VŨ VĂN LONG 19146349 TỪ HOÀNG DUY 18146276 TRẦN PHÚ LẢM 19143273 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2023 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 Bộ môn: Cơ điện tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Học kỳ 2/ năm học 2022-2023 Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Bá Trương Đài GVC TS Đặng Minh Phụng Sinh viên thực hiện: Trần Phú Lảm MSSV: 19143273 Điện thoại: 0345848635 Vũ Văn Long MSSV: 19146349 Điện thoại: 0586032811 Từ Hoàng Duy MSSV: 18146276 Điện thoại: 0775020864 Mã số đề tài: 22223DT134 – Tên đề tài: Nghiên cứu cải tiến thiết kế chế tạo máy in đơn đa sắc, thiết kế chế tạo máy in 3D Delta phụ vụ cho đào tạo Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Các tài liệu nghiên cứu nước nước Nội dung đồ án: - Tổng quan máy in 3D - Phân tích đề xuất phương án cải tiến máy in 3D đơn đa sắc - Thiết kế chế tạo máy in 3d delta Các sản phẩm dự kiến - Thuyết minh tính tốn - Hồ sơ thiết kế - Mơ hình máy in 3D đơn sắc, đa sắc delta Ngày giao đồ án: 15/03/2023 Ngày nộp đồ án: 15/07/2023 Ngơn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh  Tiếng Việt  Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh  Tiếng Việt  TRƯỞNG KHOA TRƯỞNG BỘ MÔN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) i LỜI CAM KẾT – Đề tài: “ Nghiên cứu cải tiến thiết kế máy in 3D đơn đa sắc, thiết kế chế tạo máy in 3D delta phục vụ cho đào tạo” – Giảng viên hướng dẫn: ThS.Nguyễn Bá Trương Đài GVC.TS Đặng Minh Phụng – Sinh viên thực hiện: Trần Phú Lảm MSSV: 19143273 Điện thoại: 0345848635 Vũ Văn Long MSSV: 19146349 Điện thoại: 0586032811 Từ Hoàng Duy MSSV: 18146276 Điện thoại: 0775020864 – Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp: 15/07/2023 – Lời cam kết: “Chúng xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình chúng tơi nghiên cứu thực Tơi khơng chép từ viết cơng bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm chúng tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm” Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023 Ký tên ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Thầy Đặng Minh Phụng Thầy Nguyễn Bá Trương Đài - giáo viên hướng dẫn đồ án, nhiệt tình hỗ trợ tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành đề tài nghiên cứu Cảm ơn hướng dẫn tận tâm Thầy, chúng em có hội học tập trau dồi kiến thức cách chân thật Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Khoa Cơ khí Chế tạo máy, trường ĐH Sư phạm Kĩ thuật TP Hồ Chí Minh, tạo điều kiện cung cấp hội cho chúng em thực đề tài tốt nghiệp Đề tài kết nỗ lực học tập, tìm hiểu nghiên cứu sau thời gian học tập trường Chúng em áp dụng kiến thức kỹ học vào việc xây dựng hoàn thiện đề tài Chúng em xin bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình bạn bè, ln động viên hỗ trợ chúng em, giúp chúng em có đủ tinh thần điều kiện tốt để nỗ lực hoàn thành đề tài nghiên cứu Trong trình thực đề tài này, chúng em cố gắng để hoàn thành, nhiên thời gian kiến thức có hạn, khơng thể tránh khỏi số thiếu sót Chúng em mong nhận ý kiến góp ý từ Thầy bạn để chúng em hồn thiện cải tiến đề tài tốt TP Thủ Đức, ngày tháng 07, năm 2022 Sinh viên thực iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN THIẾT KẾ MÁY IN 3D ĐƠN VÀ ĐA SẮC, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY IN 3D DELTA PHỤC VỤ CHO ĐÀO TẠO Ở quốc gia với công nghiệp phát triển lĩnh vực tự động hóa khí chế tạo, máy in 3D ứng dụng quy trình tạo mẫu nhanh để tạo chi tiết phức tạp thử nghiệm từ nhiều thập kỷ trước Hiện nay, Việt Nam có nhiều cơng ty sử dụng cơng nghệ in 3D q trình sản xuất Vì vậy, nhóm chúng tơi định nghiên cứu thiết kế chế tạo máy in 3D với giá thành phải dễ sử dụng, nhằm cải thiện q trình đào tạo Nhiệm vụ nhóm chúng tơi bao gồm bước sau: – Nghiên cứu tìm hiểu lịch sử phát triển máy in 3D công nghệ tạo mẫu nhanh – Nghiên cứu thiết kế tổng thể máy in 3D khí, hệ thống điện hệ thống điều khiển máy thông qua hình LCD ứng dụng điều khiển – Chế tạo mơ hình máy in 3D thực tế để thực thử nghiệm kiểm tra iv MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN i LỜI CAM KẾT ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT ĐỀ TÀI iv MỤC LỤC v DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.5.1 Cơ sở phương pháp luận 1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể: 1.6 Kết cấu đề tài CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Khái niệm máy in 3D 2.2 Công nghệ tạo mẫu nhanh 2.2.1 Khái niệm 2.2.3 Lịch sử hình thành phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh: 2.3 Phân loại: 2.4 Các loại công nghệ tạo mẫu nhanh: v 2.5 Tầm quan trọng ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh: 16 2.6 Phương pháp tạo mẫu nhanh FDM (Fused Deposition Modeling): 22 2.6.1 Khái niệm nguyên lý hoạt động: 22 2.6.2 Vật liệu dùng FDM 23 2.6.3 Ưu – nhược điểm phương pháp FDM: 25 2.7 Các nghiên cứu nước: 25 2.7.1 Các nghiên cứu nước ngoài: 25 2.7.2 Các nghiên cứu nước 26 CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 27 3.1 Lựa chọn kết cấu máy in: 27 3.1.1 Máy in 3D loại Cartesian 27 3.1.2 Máy in 3D loại Delta 29 3.1.3 Máy in 3D loại Polar 31 3.2 Lựa chọn truyền động mặt phẳng Oxyz: 33 3.2.1 Truyền động cánh tay tính tiến 33 3.2.2 Truyền động đai kết hợp dẫn hướng: 34 3.2.3 Vít me đai ốc bi cảu máy in đơn sắc: 35 3.3 Các loại truyền đai: 37 3.3.1 Đai dẹt: 37 3.3.2 Đai thang: 38 3.3.3 Đai hình lược 38 3.3.4 Đai răng: 38 3.4 Lựa chọn điều khiển: 39 3.4.1 Hệ thống relay – timer – contactor: 39 3.4.2 PLC: 39 3.4.3 Vi điều khiển: 39 3.5 Lựa chọn động cơ: 41 3.5.1 Động bước: 41 vi Tốc độ in: 60mm/s Hình 8.2: Máy in 3D thực tế 120 Hình 8.3: Máy in 3D đơn sắc 121 Một số sản phẩm Hình 8.4: Sản phẩm thuyền Hình 8.5: Sản phẩm logo dơi 122 Hình 8.6: Sản phẩm giá đỡ Hình 8.7: Sản phầm đầu in 123 Hình 8.8: Sản phẩm bánh Hình 8.9: Sản phẩm bu lông đai ốc 8.2 Các lỗi in cách khắc phục 8.2.1 Thiếu nhựa bắt đầu in Lỗi in 3D thường gặp đường in vật nhựa không in in khơng Dù lỗi nhỏ thực tế, gây hỏng vật in cách làm cho vật in bong tróc khỏi bàn in Nguyên nhân khắc phục Có số nguyên nhân gây lỗi in 3D sau: – Lỗi thất thoát nhựa đầu phun trình gia nhiệt, khiến nhựa chảy xuống khỏi đầu phun 124 – Sử dụng tính PRIMED phần mềm in 3D giúp khắc phục lỗi này.Tính Primed vẽ đường nháp nhựa chảy đầu phun, sau tiến hành in vật thể – Đầu phun sát bàn in, làm cho không gian không đủ để nhựa chảy Trong số trường hợp, lỗi gây nghẹt đầu phun làm móp đầu phun Để khắc phục lỗi in 3D, bạn thực biện pháp sau: – Cân chỉnh lại bàn in theo hướng dẫn nhà sản xuất để đảm bảo đầu phun cách bàn in khoảng cách đủ để nhựa chảy cách đặn – Kiểm tra làm đầu phun gặp tình trạng nghẹt nhựa để đảm bảo lưu lượng nhựa chảy mượt mà – Sử dụng tính PRIMED phần mềm in 3D có sẵn để chuẩn bị đầu phun trước trình in Tuy nhiên, lưu ý biện pháp khắc phục khác tùy thuộc vào loại máy in yếu tố cụ thể vấn đề 8.2.2 Vật in khơng dính vào bàn in Hình 8.10: Vật in khơng dính vào bàn in 125 Lớp in trình in 3D lớp quan trọng nhất, đặt tảng cho việc in lớp Nếu lớp in khơng dính chặt vào bàn in, việc in tiếp thực Điều đặc biệt quan trọng lớp in khơng thực đúng, tồn q trình in bị lỗi không đạt kết mong muốn *Các nguyên nhân cách khắc phục Các lỗi thường gặp in 3D khắc phục sau: – Bàn in chưa cân chỉnh: Trước in, cân chỉnh bàn in cách cẩn thận Dành thêm vài phút để cân chỉnh cách tránh làm hỏng hàng chục in đồng thời tiết kiệm nguyên liệu in – Đầu phun xa bàn in: Hãy giữ khoảng cách đầu phun bàn in theo hướng dẫn nhà sản xuất Thường khoảng cách tương đương độ dày name card – In lớp nhanh: Đừng in lớp nhanh, kiên nhẫn để có lớp đế hồn hảo đảm bảo dính chặt lên bàn in – Nhiệt độ không phù hợp: Đối với lớp đầu tiên, nên tăng nhiệt độ thêm 10% so với lớp khác tắt quạt tản nhiệt để giúp nhựa dính chặt lên bàn in – Mặt bàn in không phù hợp: Mỗi loại vật liệu in dính tốt lên loại bề mặt khác Ví dụ, PLA, lớp phủ tốt Blue Tape, ABS sử dụng ABS GLUE Hãy lựa chọn lớp phủ bàn in phù hợp với loại vật liệu sử dụng Ngoài ra, bạn sử dụng lớp keo xịt tóc phủ lên bề mặt bàn in để tăng độ kết dính 8.2.3 Nhựa in không đủ Khi lượng nhựa đổ dự kiến, đường in khơng dính chặt vào nhau, dẫn đến vật in trở nên dễ bong tróc khơng mịn màng 126 Hình 8.11: Nhựa in không đủ Nguyên nhân cách khắc phục – Đường kính nhựa in khơng xác + Để có vật in đẹp khắc phục tình trạng thiếu, thừa nhựa, xác định xác loại nhựa in bạn sử dụng (1.75mm 3.0mm) nhập thông số vào phần mềm in + Lựa chọn mua nhựa in từ nhà cung cấp đáng tin cậy để tránh nhựa in chất lượng, thường có đường kính khơng chuẩn Sai số ảnh hưởng lớn đến chất lượng in – Tăng giảm lượng nhựa tới đầu phun + Bạn điều chỉnh lượng nhựa chảy vào đầu phun chức "extrusion multiplier" có sẵn phần mềm 3DMaker Ví dụ, nhựa PLA, extrusion multiplier 0.9, chưa đủ, bạn tăng lên 0.95 Điều có nghĩa lượng nhựa đẩy thêm 5% so với trước Đối với nhựa ABS, extrusion multiplier thường 1.0, bạn tăng lên 1.05 1.1 để cải thiện kết dính lớp đạt hiệu suất tốt in 3D 8.2.4 Mặt sản phẩm không khít, có khe hở 127 Các vật thể in 3D thường chia thành hai phần chính: bề mặt (vỏ) ruột (lõi) Để tiết kiệm vật liệu thời gian in, phần ruột bên vật thể thường tạo thành lưới với độ đặc khoảng 20-40%, phần bề mặt tạo vững để tạo nên hình dáng chi tiết vật thể Hình 8.12: Chất lượng bề mặt không tốt Nguyên nhân cách khắc phục – Lưới bên ruột thưa Bề mặt vật thể dựa vào lớp lưới bên ruột Nếu lớp lưới thưa, lớp nhựa khơng có hỗ trợ đủ, dễ biến dạng gây bề mặt sần sùi, nhiều khe hở + Tăng độ đặc lớp lưới (INFILL) cải thiện bề mặt sản phẩm Thông thường, độ đặc vừa phải để in vật thể không chịu lực lớn 20% Đối với vật thể cần độ cứng cao, gia tăng độ đặc lên 40-50% – Lớp vỏ mỏng Với vật thể in 3D, lớp vỏ chia thành loại: vỏ xung quanh (shell), vỏ - bề mặt (bottom face) vỏ - bề mặt (top face) Khi lớp phủ đặc bottom face top face ít, bề mặt vật thể có khe hở lỗ nhỏ 128 + Tăng số lớp phủ đặc bottom top face Thông thường, lớp in 0.2, top face cần lớp phủ đặc (từ 4-6 lớp tùy thuộc vào độ cứng cần thiết), lớp in 0.12, cần 6-8 lớp phủ đặc tương ứng 8.2.5 Bề mặt chi tiết bị cong vênh Hình 8.13: Sản phẩm bị cong vênh Nguyên nhân cách khắc phục – Do bàn máy không cân trình co rút nhựa + Dùng bàn nhiệt + Cân lại bàn máy + Nhỏ keo dán sắt lên bề mặt đáy 8.2.6 Tắc nhựa in Hình 8.14 Tắc nhựa in 129 Nguyên nhân cách khắc phục – Do nhiệt độ in không đủ – Do nhiệt độ in cao làm hóa lỏng đoạn nhựa gần đầu nhiệt khiến trình đùn nhựa khó khan gây kẹt nhựa – Do vật liệu in không đủ chất lượng – Thay đầu in 8.3 Một số lưu ý in – Đặt máy in 3D khu vực thơng gió Cần ý nhựa ABS đun nóng có mùi khó chịu độc hại Do đó, in vật thể nhựa ABS, bạn nên đặt máy in 3D khu vực có thơng gió tốt, tránh ảnh hưởng đến người khác – Tránh đặt máy in 3D phịng có máy lạnh hoạt động Đặt máy in 3D phịng có máy lạnh hoạt động làm giảm nhiệt độ xung quanh máy in 3D gây lỗi in nhựa Ngồi ra, phịng có máy lạnh thường nơi có nhiều người sinh hoạt, khơng thích hợp để đặt máy in 3D hoạt động – Đặt máy in 3D phịng có nhiệt độ cao in Điều thường dễ dàng thực vào mùa nắng nóng Bạn chọn phịng có nhiệt độ cao đặt máy in 3D in – Tăng tốc độ in: Thời gian in 3D lâu làm tăng nguy sản phẩm bị lỗi hỏng Nếu in vật thể lớn, xem xét việc tăng tốc độ in cho máy 3D Một giải pháp khác thực mà không cần nâng cấp máy in giảm chất lượng in, tức tăng độ dày lớp in 130 CHƯƠNG 9: KẾT LUẬN Nhóm chúng tơi nghĩ sản phẩm có ưu nhược điểm riêng biệt, mục đích chung chúng phục vụ nhu cầu khách hàng mang lại lợi ích cho doanh nghiệp Việc tiếp nhận nhận xét trực tiếp từ người dùng nhanh chóng đóng góp quan trọng vào việc cải tiến phát triển sản phẩm, đồng thời đem lại lợi nhuận cho doanh nghiệp hài lòng cho người tiêu dùng Chế tạo thành cơng máy in 3D đóng góp vào phát triển cơng nghệ nước mang lại nhiều lợi ích đảm bảo an tồn, tăng suất tiết kiệm chi phí Điều cịn giúp tự chủ cơng nghệ, khơng phụ thuộc vào cơng nghệ nước ngồi, đồng thời đóng góp quan trọng việc phát triển chế tạo sản phẩm, đưa sản phẩm nước ta đến thị trường tiềm châu Âu, Mỹ nước giới Các sản phẩm nghiên cứu kết đề tài thực chặt chẽ theo nội dung đăng ký, bao gồm: – Chế tạo máy in Delta có kích thước 372x372x774 (mm) – Trọng lượng máy 20 Kg – Công suất đạt 60 mm/s – Có chế độ cân bàn tự động – Mẫu in đẹp – Cho suất cao – In sản phẩm có cấu phức tạp I HƯỚNG PHÁT TRIỂN Dù hoàn thành thiết kế lắp đặt máy in 3D, nhóm nhận thấy đề tài cần cải tiến để đạt hiệu suất tối đa sản xuất Dưới hướng phát triển mà nhóm muốn tiếp tục nghiên cứu: – Hoàn thiện máy để đạt hiệu suất cao ổn định sản xuất đại trà, với giá thành thấp Dù đồ án tốt nghiệp có hạn chế quy mơ, nhóm muốn cải tiến máy để sản xuất chi tiết nhỏ với hiệu suất độ ổn định tốt – Đơn giản hóa cấu trúc, giảm khối lượng quy mơ máy in 3D – Tích hợp tính đại vào máy, cảm biến hụt sợi nhựa, đo khối lượng nhựa hệ thống hút mùi hiệu – Tối ưu hóa chất lượng sản phẩm, đáp ứng yêu cầu chất lượng giảm lượng hao hụt trình in 131 – Nâng cấp máy để in đa sắc, tích hợp thêm nhiều đầu đùn để tạo sản phẩm phức tạp đa màu sắc – Mở rộng khả in nhựa dẻo, đáp ứng nhu cầu in vật thể linh hoạt có tính đàn hồi cao Nhóm hy vọng cải tiến hướng giúp máy in 3D đạt hiệu suất chất lượng sản phẩm tốt hơn, đồng thời phù hợp với nhu cầu sản xuất đại trà đa dạng người dùng II KHUYẾN NGHỊ Đề tài có tính ứng dụng cao thực tế, hỗ trợ việc tạo mẫu tạo đồ gá cho môn học liên quan đến công nghệ chế tạo máy đồ án công nghệ chế tạo máy Nó sử dụng để in đồ chơi tượng Hiệu việc sử dụng máy in 3D sản xuất mẫu in với chất lượng tốt rõ ràng, đồng thời giá thành thấp nhiều so với phương pháp in 3D khác Tuy nhiên, không tránh khỏi hạn chế nguyên nhân khách quan chủ quan đề tài tốt nghiệp Rất mong nhận góp ý chân thành từ phía thầy hội đồng để chúng tơi rút học kinh nghiệm hữu ích phục vụ cho cơng việc tương lai 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Trần Quốc Hùng, “Sách dung sai – kỹ thuật đo”, nhà xuất ĐHQG tp.HCM [2] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập 1, tập 2, NXB giáo dục Việt Nam, 2016 [3] PGS TS Đặng Thiện Ngơn, Giáo trình trang bị - điện điện tử máy công nghiệp, NXB đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2013 [4] Nguyễn Ngọc Bình-Tăng Quốc Nam, Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy in 3D theo công nghệ FDM sở robot song song Delta, Học Viện Kỹ thuật Quân sự, 2016 [5] M Dachyar, Teuku Yuri M Zagloel, "Knowledge growth and development: internet of things (IoT) research", 2019 [6] Sachin Kumar, Prayag Tiwari, Mikhail Zymbler "Internet of Things is a revolutionary approach for future technology enhancement", 2019 [7] https://mqtt.org/getting-started/ [8] https://www.diyeverything.xyz/2020/02/huong-dan-cai-dat-firmware-marlin-may-in3d.html, Hướng dẫn cài đặt thông số Firmware Marlin máy in 3D, 2023 133 S K L 0