TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D HỆN NAY
ĐẶT VẤN ĐỀ
Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping – RP) là công nghệ sản xuất tiên tiến, bên cạnh việc lập trình gia công trên máy CNC ể gia công chế tạo sản phẩm người ta xây dựng mô hình CAD 3D trên máy tính và gia công theo cách thực hiện trực tiếp từ những dữ liệu của mô hình
Với các vật liệu dạng bột, các phương pháp truyền thống như tiện, phay, bào không thể gia công tạo sản phẩm Thay vào ó ta sử dụng phương pháp in
3d ể thêu kết vật liệu dạng này thông qua tác dụng nhiệt của ầu ốt laser hoặc thêu kết bằng ầu phun nước,…
Từ ó các kĩ sư ã thiết kế và chế tạo máy in 3d có ộ chính xác cao hơn, in ược trên các vật liệu khác nhau, giảm thời gian tạo ra sản phẩm và yêu cầu sản xuất in ra mô hình phức tạp mà các phương pháp truyền thống khó chế tạo
Tại Việt Nam các máy in 3d công nghiệp cũng ã có mặt trên thị trường trong nhiều năm và phần lớn ược cung cấp bởi các công ty hoạt ộng thương mại Máy in 3d tạo bước phát triển lớn trong nghành công nghiệp tạo mẫu nhanh Đa phần các máy in 3d tại Việt Nam ược các công ty sản xuất hàng loạt với công nghệ tiên tiến nhưng bù lại lại có chi phí cao, không linh hoạt trong cuộc sống và ược phục vụ vào mục ích tạo ra các sản phẩm hàng loạt
Trong xu thế ó nhằm mục ích chế tạo một máy công cụ chính xác có thể linh hoạt trong cuộc sống thực hiện ược tại gia ình và chi phí thấp nhằm phục vụ trong in các chi tiết, ồ dùng, quà lưu niệm,… Nhóm ã nghiên cứu, chế tạo và iều khiển máy in 3d dạng bột
GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D VÀ MỘT SỐ MÁY IN 3D HIỆN NAY
IN 3D HIỆN NAY Định nghĩa và khái niệm
In 3D là một dạng công nghệ ược gọi là sản xuất ắp dần/ ắp lớp (Additive Manufacturing) Các quá trình ắp dần tạo ra các ối tượng theo từng lớp, khác với các kỹ thuật úc hoặc cắt gọt (như gia công)
Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ (ASTM) đã đưa ra định nghĩa chính xác về công nghệ sản xuất đắp dần: "Công nghệ sản xuất đắp dần là một quá trình sử dụng vật liệu để tạo nên mô hình 3D, thường là chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau, và quá trình này trái ngược với quá trình gia công cắt gọt truyền thống." Điểm mấu chốt của định nghĩa này là sản xuất đắp dần trái ngược với sản xuất cắt gọt hoặc gia công, nơi vật liệu được loại bỏ hoặc cắt gọt để tạo ra sản phẩm cuối cùng Ngược lại, sản xuất đắp dần tạo ra các sản phẩm bằng cách thêm từng lớp vật liệu lên nhau.
Công nghệ in 3D thường được gọi bằng nhiều thuật ngữ khác như tạo mẫu nhanh, chế tạo nhanh và chế tạo trực tiếp Nhìn chung, các thuật ngữ này đều liên quan đến nguyên lý hoạt động hoặc đặc tính của công nghệ in 3D.
Lịch sử công nghệ in 3D
Công nghệ in 3D ra đời từ những năm 1980, với sự phát triển của thiết bị và vật liệu sản xuất Phương pháp tạo mẫu ba chiều từ nhựa với hình ảnh polyme cứng đầu tiên được sáng tạo bởi Hideo Kodama của Nhật Bản vào năm 1981 Sau đó, Charles Hull của công ty 3Dsystems phát triển một hệ thống nguyên mẫu dựa trên quá trình này có tên là Stereolithography vào năm 1984 Quá trình này liên quan đến việc bổ sung các lớp vật liệu bằng cách sử dụng ánh sáng cực tím laser Hull được ghi nhận vì đóng góp của mình trong việc thiết kế định dạng tập tin STL được sử dụng rộng rãi trong phần mềm in 3D.
Năm 1986, Charles Hull ã sáng tạo ra quy trình Stereolithography – sản xuất vật thể từ nhựa lỏng và làm cứng lại nhờ laser Sau ó ông ăng ký bản quyền cho công nghệ in 3D “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering - SLS) có sử dụng file ịnh dạng STL (Standard TessellationLanguage) Hull cũng thành lập công ty 3Dsystems và ến nay nó là một trong những công ty cung cấp công nghệ lớn nhất hiện nay trong lĩnh vực in 3D Ưu, nhược iểm của công nghệ in 3D
Công nghệ in 3D có những ưu iểm chính: Tốc ộ hình thành sản phẩm rất nhanh so với công nghệ khác; Chi phi ầu tư sở hữu thấp nhất trong lĩnh vực công nghệ tạo mẫu nhanh; Chi phí nguyên vật liệu và chi phí sản xuất thấp; Đa dạng về vật liệu chế tạo và các ứng dụng; Có thể in các vật có cấu tạo hình học phức tạp mà không cần giá ỡ; Dễ dàng chuẩn bị, sử dụng và bảo dưỡng;
Công nghệ tạo mẫu đa màu cho phép tạo ra những sản phẩm có màu sắc phong phú lên đến hàng triệu màu, cho phép chế tạo đa dạng các sản phẩm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, màu sắc khác nhau với các tỷ lệ, khối lượng và kích thước tùy biến linh hoạt so với chi tiết hoặc sản phẩm thực tế.
Về các hạn chế hiện tại của in 3D, khác nhau tùy theo kỹ thuật in, bao gồm tốc ộ in hiện tại chưa thực sự tương xứng với tiềm năng, kích thước ối tượng ược in hạn chế, chi tiết hoặc ộ phân giải của ối tượng còn giới hạn, chi phí vật liệu còn cao, và trong một số trường hợp, ộ bền chắc của sản phẩm ược in cũng hạn chế Tuy nhiên, trong những năm gần ây ã có những tiến bộ nhanh chóng trong việc giảm các hạn chế này.
Các công nghệ in 3D
1.3.1 Nguyên lý chung của công nghệ in 3D
Hình 1.1 Nguyên lý chung của công nghệ in 3D Để bắt ầu in 3D, người ta cần một bản thiết kế vật thể 3D trên phần mềmCAD, một phần mềm quen thuộc hỗ trợ thiết kế trên máy tính Mô hình của vật thể hoặc ược thiết kế trực tiếp trên phần mềm này hoặc ược ưa vào phần mềm thông qua việc sử dụng thiết bị quét laser Sau khi bản thiết kế ược hoàn thành, ta cần tạo ra tài liệu STL - Standard Tessellation Language, một dạng tài liệu quen thuộc với công nghệ sản xuất ắp dần Làm tesselate theo ngôn ngữ Tesselation chuẩn là chia một vật thể thành những a giác nhỏ hơn, ể mô phỏng cho cấu trúc bên ngoài và cả bên trong của vật thể Đây là phần rất quan trọng trong sản xuất ắp dần Khi tài liệu ã ược hoàn thiện, hệ thống sẽ chia nhỏ thiết kế mẫu thành nhiều lớp khác nhau và chuyển thông tin ến thiết bị sản xuất ắp dần Sau ó, hệ thống sản xuất ắp dần sẽ tự chế tạo vật thể theo từng lớp một cho ến khi vật thể cần sản xuất ược hoàn thiện Để sản xuất các vật thể, các hệ thống máy in 3D sử dụng kết hợp nhiều công nghệ khác nhau. Các công nghệ này ược phân loại dựa vào bản chất vật liệu In 3D hay sản xuất ắp dần có thể làm việc với vật liệu rắn (nhựa, kim loại, polymer), vật liệu lỏng (nhựa lỏng ông cứng lại nhờ tác ộng của laser hay ánh sáng iện tử), hay vật liệu dạng bột (bột kim loại, bột gốm kết dính với nhau tạo thành sản phẩm…)
Sau quá trình này thường có thêm một vài khâu hoàn thiện sau sản xuất Có thể là loại bỏ bụi bẩn hoặc các chất liệu khác bám trên sản phẩm Ngoài ra, ôi khi chúng ta cần thêm quá trình thêu kết ể có thể phủ kín các lỗ hổng trên sản phẩm Hoặc sử dụng một vài quá trình thẩm thấu ể phủ kín sản phẩm bằng các vật liệu khác
Ngày nay một loạt các công nghệ in ược sử dụng, mỗi loại ều có những ưu iểm và hạn chế riêng Các công nghệ chính bao gồm: “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering - SLS), “Thiêu kết lazer chọn lọc trực tiếp” (Direct metal laser sintering - DMLS), “Mô hình hóa bằng phương pháp nóng chảy lắng ọng” (Fused deposition modeling - FDM), “Tạo hình nhờ tia laser” (Stereolithography) và “In phun sinh học” (Inkjet bioprinting)
1.3.2 Công nghệ Tạo hình nhờ tia laser (SLA) Đây là công nghệ in 3D xuất hiện ầu tiên và cũng là công nghệ in 3D chi tiết chuẩn xác nhất, có sai số thấp nhất trong các công nghệ in 3D khác Hiện 3D Systems là hãng nắm bản quyền thương mại công nghệ in 3D này Công nghệ in 3D SLA là một công nghệ in 3D vẫn hoạt ộng theo nguyên tắc “ ắp lớp” có ặc iểm khác biệt với các công nghệ khác là dùng tia UV làm cứng từng lớp vật liệu in (chủ yếu là nhựa lỏng)
Tương tự công nghệ SLS, các máy in 3D sử dụng công nghệ SLA sử dụng chùm tia laser/UV hoặc một nguồn năng lượng mạnh tương ương ể làm “ ông cứng” các lớp vật liệu in 3D là nhựa dạng lỏng, nhiều rất nhiều lớp như vậy sẽ tạo nên vật thể in 3D SLA Lớp in SLA có thể ạt từ 0.06, 0.08, 0.1,… mm
Công nghệ này cho phép sáng tạo ra các mô hình 3D chỉ từ hình ảnh trên máy tính, từ đó giúp người dùng kiểm tra các mẫu thiết kế một cách nhanh chóng và chính xác trước khi quyết định đầu tư sản xuất hàng loạt.
Về nguyên lý hoạt ộng: Sau khi tập tin 3D CAD ược kết nối dưới ngôn ngữ
STL (Tessellation language) thì quá trình in ược bắt ầu: Lớp nhựa lỏng ắp lên mẫu 3D thiết kế sẵn tia UV làm cứng lớp nhựa này, sau ó nhiều lớp ược ắp lên nhau cho ến khi ạt chỉ số kỹ thuật của vật thể ã ịnh sẵn Các lớp in 3D SLA có thể ạt từ 0.06mm, 0.08mm, 0.1mm tùy vào nhu cầu in
Hình 1.2 Mô hình cấu tạo của SLA Ưu iểm:
Công nghệ SLA có khả năng tạo ra các mô hình có ộ chi tiết cao, sắc nét và chính xác Về các công nghệ in 3D sử dụng vật liệu nhựa, thì ây là công nghệ tạo ra sản phẩm in 3D là nhựa tốt nhất, có thể sử dụng ngay, ộ phân giải, ộ mịn cao, có thể nói là cao nhất hiện nay
Vật liệu in 3D khá ắt, sản phẩm in 3D bị giảm ộ bền khi ể lâu dưới ánh sáng mặt trời
Hình 1.3 sản phẩm ược tạo ra từ công nghệ SLA
1.3.3 Công nghệ Thiêu kết lazer chọn lọc (SLS)
Công nghệ này này cũng dựa trên quá trình chế tạo từng lớp nhưng chất polymer lỏng ược thay bằng vật liệu bột
Hình 1.4 Mô hình Công nghệ SLS
Công nghệ SLS vận hành tương tự SLA nhưng vật liệu ở dạng bột gốm sứ, thép, titan, nhôm, bạc, thủy tinh,… Tia laser giúp liên kết các hạt bột với nhau Đặc biệt, bột thừa sau quy trình có thể tái chế nên rất tiết kiệm Có thể tạo lớp bằng vật liệu phụ trợ là keo chuyên dụng (có khi kèm màu sắc nếu in 3D a sắc màu), hoặc tia laser, tia UV,…
Nhìn chung, SLS là công nghệ tạo mẫu dựa trên vật liệu dạng bột Sử dụng tia laser, công nghệ SLS nung kết các loại vật liệu dạng bột khác nhau với nhau ể tạo ra mẫu dạng rắn Công nghệ in 3D SLS là chìa khóa ể các máy in 3D tạo ra những sản phẩm a dạng, ặc biệt là in 3D bằng chất liệu kim loại/gốm
Phương pháp SLS sử dụng tính chất của vật liệu bột là có thể hóa rắn dưới tác dụng của nhiệt (như nylon, elastomer, kim loại) Một lớp mỏng của bột nguyên liệu ược trải trên bề mặt của xy lanh công tác bằng một trống ịnh mức Sau ó, tia laser 10 hóa rắn (kết tinh) phần bột nằm trong ường biên của mặt cắt không thực sự làm chảy chất bột), làm cho chúng dính chặt ở những chỗ có bề mặt tiếp xúc Trong một số trường hợp, quá trình nung chảy hoàn toàn hạt bột vật liệu ược áp dụng Quá trình kết tinh có thể ược iều khiển tương tự như quá trình polymer hoá trong phương pháp tạo hình lập thể SLA. Sau ó xy lanh hạ xuống một khoảng cách bằng ộ dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu ược ưa vào và quá trình ược lặp lại cho ến khi chi tiết ược hoàn thành Ưu iểm:
Khả năng tạo mẫu bằng các loại vật liệu dạng bột khác nhau như nhựa, kim loại, thủy tinh, gốm Tạo mẫu a dạng về màu sắc, có thể tạo ra các mẫu hình dạng phức tạp, không cần sử dụng vật liệu hỗ trợ, không cần cấu trúc hỗ trợ SLS ã ược sử dụng chủ yếu ể tạo nguyên mẫu, nhưng gần ây ã ược ứng dụng cho sản xuất theo từng yêu cầu cụ thể Ví dụ, General Electric ã mua một công ty công nghệ SLS ể chế tạo các bộ phận cho ộng cơ phản lực thương mại Công nghệ SLS thích hợp ể in các mô hình có thành mỏng, các chi tiết cần ộ dẻo Đặc biệt, SLS là lựa chọn tuyệt vời khi cần in những mô hình lớn hoặc có phần rỗng phía dưới áy Xét về ộ mịn bề mặt, công nghệ SLS cho chất lượng cao hơn công nghệ FDM, tuy nhiên rất khó ể phân biệt ộ mịn các lớp in bằng mắt thường
Phức tạp, chi phí ầu tư cao, chi phí vận hành cao do hao tổn vật liệu lớn. Các mô hình kín và có phần rỗng bên trong vẫn phải tiêu tốn một lượng vật liệu khá lớn
Hình 1.5 Một số dạng sản phẩm của công nghệ SLS
1.3.4 Công nghệ Mô hình hóa bằng phương pháp nóng chảy lắng ọng (FDM)
Nguyên lý hoạt ộng của máy in 3D công nghệ FDM: Máy in 3D dùng công nghệ FDM xây dựng mẫu bằng cách ùn nhựa nóng chảy rồi hoá rắn từng lớp tạo nên cấu trúc chi tiết dạng khối Vật liệu sử dụng ở dạng sợi có ường kính từ 1.75 – 3mm, ược dẫn từ một cuộn tới ầu ùn mà chuyển ộng iều khiển bằng ộng cơ servo Khi sợi ược cấp tới ầu ùn nó ược làm nóng sau ó nó ược ẩy ra qua vòi ùn lên mặt phẳng ế
Trong máy in 3D (FDM) vật liệu nóng chảy ược ẩy ra, ầu ùn sẽ di chuyển một biên dạng 2D Độ rộng của ường ùn có thể thay ổi trong khoảng từ (từ
Ứng dụng công nghệ in 3D
Công nghệ in 3D ang ngày càng phát triển, không chỉ giúp cho việc chế tạo khuôn mẫu ược chính xác và dễ dàng hơn mà còn tìm ược nhiều ứng dụng trong thực tế cuộc sống Công nghệ in 3D ang ược ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp sản xuất chế tạo, y khoa, kiến trúc, xây dựng… Dưới ây là những lĩnh vực chính ược ứng dụng công nghệ in 3D
Các loại máy in 3D không chỉ phục vụ các sinh viên kiến trúc, ồ họa, cơ khí mà còn có thể áp dụng cho những nhà nghiên cứu, kĩ sư, giảng viên hay bất kỳ cá nhân nào có nhu cầu in tạo mẫu 3D
Từ sản xuất công nghiệp ến y học, thẩm mỹ làm ẹp, máy in 3D hoàn toàn có thể khẳng ịnh vai trò chủ ạo của mình Công nghệ 3D giúp các bác sĩ tạo mô hình bộ phận cơ thể ể rút ngắn thời gian hội chẩn và phẫu thuật chính xác hơn, ồng thời còn in ra các cơ quan thay thế: tay, chân, xương hàm, tương thích mức ộ cao với cơ thể bệnh nhân Những chiếc máy in 3D còn giúp ngành nữ trang tạo nhanh và chính xác các thiết kế, bỏ qua những công oạn truyền thống trước ây và ưa ra sản phẩm cuối cùng
Hình 1.10 Vỏ ộng cơ ô tô ược in bằng công nghệ in 3D vật liệu bền SLS
Hình 1.11 Tấm lót dày hãng ADIDAS ược làm bằng công nghệ in 3D
Hình 1.12 Mảnh xương sọ in 3D ể cấy ghép
Yêu cầu kỹ thuật ối với máy in 3D dạng bột
+ Máy phải hoạt ộng ổn ịnh, chạy êm, không xảy ra lỗi trong qua trình gia công + Máy lắp ráp phải có tính công nghệ cao nghĩa là dễ tháo lắp, thay thế, bảo dưỡng
+ Máy sử dụng những chi tiết tiêu chuẩn hóa như bulông, vòng bi, vítme bi nên dễ dàng thay thế và giá thành của máy cũng thấp i
+ Sản phẩm ược làm ra với thiết kế ẹp mắt, chi phí sản xuất và bảo trì thấp so với sản phẩm cùng loại của nước ngoài, do ó phù hợp với túi tiền của người dùng Sản phẩm có các phần mềm hỗ trợ trực quan, dễ hiểu nên mọi người ều có thể sử dụng một cách dễ dàng sau vài giờ tìm hiểu, do ó có khả năng ưa ra sử dụng rộng rãi, phổ biến
Phần mềm giao tiếp giữa máy laser với máy tính là ARDUINO hoạt động bền bỉ trên mọi hệ điều hành Windows Ưu điểm vượt trội này cho phép người dùng dễ dàng cài đặt chương trình trên cả máy tính để bàn lẫn máy tính xách tay, tiện lợi hơn so với các phần mềm khác thường chỉ hỗ trợ máy tính để bàn.
+ Tính an toàn của máy: nguồn laser có hại cho mắt của chúng ta nên khi sử dụng máy cần eo kính chuyên dùng bảo vệ cho cặp mắt của chúng ta
+ Tính thuận tiện của máy: máy khá dễ iều khiển và hiểu chỉnh
+ Tính thẩm mỹ: máy có thiết kế khá dễ nhìn
+ Tính môi trường: Máy không làm ảnh hưởng ến môi trường xung quanh, không ồn ào, và ặt biệt không gây ô nhiễm môi trường
Nguyên lí làm việc của máy
Máy cắt laser hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển động tinh vi của chùm laser và đầu laser Laser được điều khiển bật, tắt tự động bằng relay Dữ liệu đầu vào máy tính có thể tự thiết kế hoặc lấy trực tuyến, sau đó xử lý và xuất G-code bằng phần mềm Repetier G-code có thể chỉnh sửa trực tiếp trên giao diện phần mềm Khi G-code đạt yêu cầu, máy sẽ tiến hành gia công Nếu không đáp ứng, G-code sẽ bị loại bỏ và thiết kế lại G-code sau khi hoàn thiện sẽ được gia công bằng phần mềm điều khiển Grbl Controller tương thích với ARDUINO Mạch ARDUINO sẽ xử lý tín hiệu từ Grbl Controller và xuất xung tín hiệu cho các cơ cấu chấp hành là 2 driver TB6560 và 1 relay.
• Driver TB6560 sẽ iều khiển ộng cơ bước quay theo tín hiệu xung nhận ược từ ARDUINO, ộng cơ bước xoay làm ai răng di chuyển và kéo theo laser,
2 ộng cơ bước tạo thành hệ mặt phẳng XOY
• RELAY sẽ óng ngắt laser một cách tự ộng dựa vào tín hiệu từ ARDUINO xuất ra
Máy laser là loại máy gia công cơ khí rất phổ biến hiện nay, sự ra ời và phát triển của nó ã thúc ẩy sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo óng góp to lớn vào việc tạo ra của cải cho xã hội Sự ra ời của máy laser làm cho các sản phẩm cơ khí chế tạo có chất lượng tốt hơn, ộ chính xác cao hơn và ặc biệt có thể sản xuất hàng loạt Máy laser có nhiều chủng loại khác nhau tùy thuộc vào công suất và cơ cấu khác nhau.Tuy nhiên xét tổng thể về nguyên lý thì các máy laser ều có cấu trúc và hệ iều khiển tương tự nhau Cấu trúc của tất cả các loại máy laser ều bao gồm: Phần xử lý trung tâm (Giao diện người máy và thực hiện nội suy), phần iều khiển stepper motor, ộng cơ Stepper motor Tuy nhiên trong thực tế nghiên cứu của sinh viên thì việc nghiên cứu chế tạo một máy laser với ầy ủ chức năng và bộ phận của một máy laser tiêu chuẩn là rất khó Vì giá thành ộng cơ steper motor và hệ thống dẫn ộng vít me bi rất ắt và iều kiện nhà xưởng còn hạn chế nên việc chế tạo một máy laser ối với sinh viên là rất khó
Đề tài của chúng tôi tập trung vào việc nghiên cứu các phần tử của máy laser tiêu chuẩn Dựa trên đó, chúng tôi tiến hành chế tạo một mô hình máy in 3D có kích thước vừa phải Mục đích của dự án này là tạo ra một mô hình máy in 3D hoạt động tốt, có khả năng gia công các vật liệu dạng bột như nhựa, thạch cao và xi măng Ngoài ra, máy in này có thể nhận các tệp Gcode và cho phép người dùng chỉnh sửa thủ công thông qua phần mềm điều khiển.
THIẾT KẾ CƠ KHÍ MÔ HÌNH MÁY IN 3D DẠNG BỘT (POWDER BED 3D PRINTER)
CHỌN KẾT CẤU CHO MÔ HÌNH
Nguyên lí hoạt ộng của máy in 3D
Về cơ bản, mô hình máy in 3d của chúng em thể hiện nguyên lí hoạt ộng của một máy in 3D ược iều khiển bằng phần mềm chuyên dụng ược dùng trong thực tế Gồm 3 trục X, Y và Z Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian và kinh tế, mô hình máy của chúng em vẫn còn một số iều bị hạn chế
Hình 2.1 Mô hình máy in 3D Nguyên lí hoạt ộng: Động cơ ở các trục X, Y và Z ược kết nối với mạch iều khiển, phần mạch iều khiển này ược kết nối với máy tính Phần mềm iều khiển thông tính toán iều khiển và cấp xung cho ộng cơ, làm ộng cơ quay Máy sử dụng truyền ộng ai răng và vít me, Truyền mômen từ ộng cơ tới các trục làm cụm dẫn ộng ba trục chuyển ộng tịnh tiến trên các trục dẫn hướng Chuyển ộng của các cụm iều khiển ba trục phụ thuộc vào phần mềm iều khiển nội suy biên dạng chi tiết cần in Ta chỉ cần thiết kế mô hình chi tiết, và xuất file từ máy tính nạp vào phần mềm iều khiển
Hình 2.2 Sơ ồ nguyên lí hoạt ộng của máy
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, LỰA CHỌN CÁC CHI TIẾT TRÊN MÔ HÌNH
2.2.1 Các loại cơ cấu truyền ộng
Yêu cầu của cơ cấu truyền ộng trong máy in 3D là phải biến chuyển ộng quay của ộng cơ thành chuyển ộng tịnh tiến của đầu phun Việc lựa chọn cơ cấu truyền động dựa vào điều kiện làm việc của máy và yêu cầu điều khiển,trên thực tế có nhiều cơ cấu truyền động để biến chuyển động quay thành tịnh tiến như bánh răng-thanh răng, vít me- đai ốc, và truyền động ai ( chi tiết gắn trên đai)… vì các yêu cầu kỹ thuật như gọn nhẹ, giá thành hợp lý, dễ dàng lựa chọn và sử dụng nhóm em đã chọn đai và vít me -đai ốc làm cơ cấu truyền động cho các trục
+ Truyền động đai răng: trục X, Y
+ Truyền động vít me – đai ốc: trục Z
+ và lựa chọn các cơ cấu dẫn hướng trên các trục X, Y, Z
Hình 2.3 Bộ truyền ộng ai răng Đai răng là loại ai dẹt ược chế tạo thành vòng kín, có răng ở mặt trong. Khi vào tiếp xúc với các bánh ai các răng của ai sẽ ăn khớp với các răng trên bánh ai Do truyền lực bằng ăn khớp truyền ộng ai có những ưu iểm: không có trượt, tỉ số truyền lớn, hiệu suất cao, không cần lực căng ai quá lớn, lực tác dụng lên trục và lên ổ nhỏ Đai răng ược chế tạo từ cao su trộn với nhựa nairit hoặc ược úc từ cao su pouliuretan Lớp chịu tải chủ yếu là dây thép, sợi thuỷ tinh hoặc sợi poliamit
Bảng 2.1 Các thông số hình học của bộ truyền ai
Ưu điểm: * Truyền lực đàn hồi, vận hành êm ái, ít ồn, chịu sốc tốt. * Có thể đạt khoảng cách trục dài. * Không cần bôi trơn, chi phí bảo dưỡng thấp.
Nhược iểm: Bị trượt qua sự giãn nở của dây ai qua ó không có tỷ lệ truyền chính xác; nhiệt ộ ứng dụng bị giới hạn; thêm tải trọng lên ổ trục do lực căng cần thiết của dây ai
2.2.1.2 Truyền ộng bánh ma sát
Truyền ộng bánh ma sát ược thực hiện nhở sự chuyển ộng của bánh xe trên sống trượt ược làm phẳng Dùng ể biến chuyển ộng quay của bánh xe thành chuyển ộng tịnh tiến Ưu iểm:
+ Kích thước tương ối nhỏ gọn
+ Chạy êm, ít gây tiếng ồn
+ Độ chính xác không cao
+ Dễ trượt bánh nếu lực ép không tốt
Dựa vào yêu cầu chung của ồ án ta có thể thấy hệ thống truyền ộng cần thoả mãn những iều kiện sau:
+ Thực hiện ược các chuyển ộng cần chính xác cao
+ Có khả năng truyền ộng trong trạng thái lực lớn
Vít me là một hệ thống truyền động , được gia công chính xác để biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến theo cơ chế con vít - bulong ( đai vít , hay đai ốc) Để chuyền động một cách trơn tru và chính xác , hoạt động liên tục bền bỉ trong thời gian dài ta phải có biện pháp bôi trơn hợp lý
Khi trục vít quay, đai ốc sẽ chuyển động tịnh tiến dọc theo trục vít Tỷ lệ giữa quãng đường chuyển động tịnh tiến của đai ốc và số vòng quay của trục vít được gọi là bước vít Khi trục vít quay một vòng, đai ốc sẽ chuyển động một khoảng cách bằng với bước vít.
Hình 2.4 Truyền ộng vít me ai ốc Ưu iểm:
+ Độ chính xác cao, cơ cấu gọn nhẹ Thường ược dùng trong cac máy cnc có ộ chính xác cao
+ Hiệu suất truyền lực thấp, giá thành cao
+ Vít me thường: là vitme và ai ốc tiếp xúc trực tiếp với nhau và trượt trên nhau qua các mặt ren Loại này có nhược iểm là ma sat cao do tiếp xúc mặt sinh ra ma sat trượt, và có sai số do khe hở giữa vitme và ai ốc khi ảo chiều chuyển ộng Để khử sai số của khe hở giữa trục vít và ai ốc người ta gắn một cơ cấu lò xo vào ai ốc giữ cho ai ốc luôn tiếp xúc với một mặt ren của trục vít
+ Vitme bi (ballscrew ) là một hệ thống chuyền ộng , ược gia công chính xác ể biến ổi chuyển ộng quay thành chuyển ộng tịnh tiến theo cơ chế con vít – bu lông ( ai vít , hay ai ốc) Mà tiếp xúc giữa thanh vít và ai vít là một lớp bi thép ể giảm tối a lực ma sát Giúp chuyền ộng một cách trơn tru và chính xác , hoạt ộng liên tục bền bỉ trong thời gian dài
Hoạt ộng : Tiếp xúc giữa vít me bi và ai ốc có 1 ường rãnh (rãnh me ) ược lắp ầy bởi những viên bi thép Khi trục vít xoay, những viên bi lăn tròn trong mối ren của trục vít và ai óc Điều này nhằm giảm ma sát của chúng. Bởi vì các viên bi cuối cùng sẻ rơi ra ngoài, nên ai ốc có 1 ường ống dẫn về ( ường hồi) ể hứng những viên bi khỏi rãnh của trục vít và ưa chúng trở lại phần ầu của ường bi ở phía cuối của ai óc.Lực ẩy của ai ốc nhẹ nhàng nhờ chuyển ộng lăn của những viên bi cuộn tròn, hơn là trượt
- Những Thông số hoạt ộng:
Chiều dài thanh vít , chiều dài hành trình ạt ược, ường kính thanh vít, hành trình bước ren khi thanh vit quay úng 1 vòng
Hình 2.5 Cấu tạo vít me bi
Từ ưu nhược iểm của cơ cấu truyền ộng cùng với iều kiện gia công và những bộ truyền có trong thị trường hiện nay ta chọn truyền ộng bằng ai răng cho trục X, Y và truyền ộng bằng vít me cho trục Z
2.2.2 Tính toán, thiết kế cơ cấu truyền ộng
2.2.2.1 Thông số ầu vào + Hành trình của các trục:
+ Vận tốc chạy lớn nhất trục X V1 = 2m/ph
+ Vận tốc chạy lớn nhất trục Y
+ Gia tốc hoạt ộng lớn nhất của hệ thống a = 0.1g =1 𝑚/𝑠 2 +
+ Khoảng cách trục puli trục X
+ Khoảng cách trục puli trục Y
(mm) + Hệ số ma sát lăn bề mặt: μ = 0.01
+ Độ chính xác vị trí (không tải): ±0.5/1000mm
+ Độ chính xác lặp: ±0.05mm
+ Bước vít-me (10) l ≥Vmax/Nmax V1/Nmax= 2000/2000= 1(mm)
- Khối lượng tổng cộng tác dụng lên các trục: mx 0.1 kg my = 5.5 kg mz=1 kg a) Tính toán truyền ộng ai răng
Xác ịnh module và chiều rộng ai module ược xác ịnh theo công thức: m 35 3 P 1 n 1
Chọn mô un theo dãy tiêu chuẩn
+ P1 - công suất trên bánh ai chủ ộng, kW
+ n1 – số vòng quay trên bánh ai chủ ộng vg/ph m 35 3 P 1 35 3 5*10 4
+ d = 6… 9 là hệ số chiều rộng ai, chọn giá trị nhỏ nhất khi lấy module tiêu chuẩn lớn hơn m tính toán và lấy giá trị lớn trong trường hợp ngược lại. chiều rộng b lấy trong bảng tiêu chuẩn
Bảng 2.2 Mô un và chiều rộng ai tiêu chuẩn
Từ kết quả tính ở phần trước ta chọn ai răng có chiều rộng: b=5 (mm) Xác ịnh các thông số của bộ truyền:
+ Số răng z1 của bánh ai ược chọn răng + Số răng z2 ược tính theo công thức
Tính toán lực trên ai
Khác với các truyền ộng ai dẹt, ai thang và nhiều ai cần phải mắc lên bánh ai với lực căng ban ầu ủ lớn ể tạo ra lực ma sát cần thiết trong truyền ộng ai răng lực căng ban ầu chỉ nhằm khắc phục khe hở khi ăn khớp và ảm bảo cho ai tiếp xúc tốt với bánh ai Nó chỉ cần lớn hơn do lực li tâm sinh ra
Lực tác dụng lên trục (khi vận tốc không lớn v
