Đồ án 2 thiết kế máy nghiên cứu, chế tạo và iều khiển máy in 3d dạng bột (powder bed 3d printer)

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KĨ THUẬT CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN – THIẾT KẾ MÁY GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: LỚP: DHCK14A1CL Thành viên: Hà Nội, Ngày … Tháng … Năm LỜI NÓI ĐẦU Ngày cách mạng khoa học kĩ thuật giới ang phát triển với tốc ộ vũ bão, không ngừng vươn tới ỉnh cao mới, ó có thành tựu tự ộng hóa sản xuất Khẳng ịnh vai trị quan trọng công nghệ tự ộng chiến lược công nghiệp hóa ại hóa kinh tế nước ta việc có ý nghĩa, tạo khả phát triển kinh tế với tốc ộ cao, vững lâu dài Ở nước có cơng nghiệp tiên tiến việc tự ộng hóa nghành kinh tế, kỹ thuật ó có khí chế tạo ã thực từ nhiều thập kỉ Máy in 3d ược ưa vào sản xuất quy trình gia cơng tạo mẫu nhanh, tạo chi tiết có biên dạng phức tạp, Ở Việt Nam, nhiều công ty tư nhân ang bắt ầu ứng dụng ưa vào công việc sản xuất Hiện nay, nhu cầu gia cơng chi tiết có biên dạng phức tạp với tốc ộ ộ xác cao Với chi tiết dạng phương pháp truyền thống khó gia cơng gia cơng nhiều thời gian cơng sức Chính mà công nghệ in 3d ang ngày phổ biến khơng lĩnh vực cơng nghiệp máy móc mà hữu a dạng lĩnh vực khác y tế, giáo dục,… Công nghệ in 3d ã ánh dấu bước mở ầu cho Cách mạng Công nghiệp lần thứ tạo ảnh hưởng to lớn nhiều lĩnh vực Ở Việt Nam công nghệ in 3d ang dần ược ưa vào ứng dụng trình sản xuất với loại máy in 3d a chủng loại nguồn gốc máy in Nga, Tây Ban Nha, Ba Lan, Với lý trên, nhóm sinh viên Cử nhân Cơ iện tử K14 Đại Học Kinh – Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp Hà Nội chúng em ược giao nhiệm vụ án tốt nghiệp sau: “Nghiên cứu, chế tạo iều khiển máy in 3d dạng bột (powder bed 3d printer)” bao gồm nhiệm vụ sau ây: + Nghiên cứu, tìm hiểu lịch sử phát triển máy in 3d + Nghiên cứu, thiết kế tổng thể máy in 3d kết cấu khí, hệ thống iều khiển lập trình iều khiển máy + Chế tạo ược mơ hình máy in 3d thu nhỏ dựa theo iều kiện có sẵn Trong q trình nghiên cứu chế tạo, chúng em ã gặp nhiều khó khăn, ề tài mẻ, thời gian kiến Sau thời gian nghiên cứu, thiết kế chế tạo, chúng em ã hồn thành ược thức cịn hạn chế Tuy nhiên nhờ cố gắng thân ặc biệt dẫn tận tình giáo viên hướng dẫn, môn Công Nghệ Chế Tạo Máy ến chúng em ã hoàn thành ược nhiệm vụ án tốt nghiệp Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Bộ môn công nghệ chế tạo máy ã tạo iều kiện tốt cho chúng em suốt thời gian vừa qua Một lần chúng em xin cảm ơn! Mục Lục LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D HỆN NAY 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D VÀ MỘT SỐ MÁY IN 3D HIỆN NAY 1.3 Các công nghệ in 3D .6 1.3.1 Nguyên lý chung công nghệ in 3D 1.3.2 Cơng nghệ Tạo hình nhờ tia laser (SLA) .7 1.3.3 Công nghệ Thiêu kết lazer chọn lọc (SLS) 1.3.4 Công nghệ Mô hình hóa phương pháp nóng chảy lắng ọng 10 (FDM) 10 1.3.5 Công nghệ in 3D dán nhiều lớp (LOM) .12 1.3.6 Công nghệ Laser kim loại thiêu kết trực tiếp (DMLS) .13 1.3.7 Công nghệ in phun sinh học (Inkjet-bioprinting) .13 1.4 Ứng dụng công nghệ in 3D 14 1.5 Yêu cầu kỹ thuật ối với máy in 3D dạng bột 16 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ MƠ HÌNH MÁY IN 3D DẠNG BỘT (POWDER BED 3D PRINTER) 19 2.1 CHỌN KẾT CẤU CHO MƠ HÌNH 19 Hình 2.1 Mơ hình máy in 3D 19 Hình 2.2 Sơ ngun lí hoạt ộng máy 20 2.2 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, LỰA CHỌN CÁC CHI TIẾT TRÊN MƠ HÌNH 20 2.2.1 Các loại cấu truyền ộng 20 Hình 2.4 Truyền ộng vít me ốc 23 2.2.2 Tính tốn, thiết kế cấu truyền ộng 24 2.2.3 Tính tốn sơ chọn ộng cho truyền mơ hình 37 2.2.4 Các chi tiết khác mơ hình 43 2.2.4 Kết Luận: .46 2.3 LẮP RÁP HỆ THỐNG CƠ KHÍ .47 2.3.1 Khái niệm lắp ráp hệ thống khí 47 2.3.2 Kỹ thuật lắp ráp 48 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH MÁY IN 3D 52 MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY 52 3.1.1 Mơ hình hệ thống iều khiển 52 3.1.2 Sơ ấu dây 53 3.2 LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 53 3.2.1 Module iều khiển ộng bước A4988 53 3.2.2 Shield Ramps 1.4 Controller .56 3.2.3 Arduino Atmega 2560 58 3.2.4 Lazer Module iều khiển Lazer .60 3.2.5 Nguyên liệu sử dụng bột nhựa PVC 65 3.3 ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC 66 3.3.1 Động bước .66 3.3.2 Nguyên lý hoạt ộng ộng bước 71 3.3.3 Ghép nối máy tính .72 CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN MÁY 73 4.1 PHẦN MỀM ARDUINO IDE 73 4.2 PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN REPETIER 76 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM BỀN BẰNG PHẦN MỀM NX 81 5.1 TỔNG QUAN VỀ CAE .81 Hình 5.1 Phân tích cấu trúc CAE 83 Hình 5.2 Phân tích truyền nhiệt CAE 84 Hình 5.3 Phân tích va chạm CAE .84 5.2 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM NX- NASTRAN 84 5.2.1 Giới thiệu phần mềm NX 84 5.2.2 Giới thiệu Module Simulation/ NASTRAN .85 5.3 PHÂN TÍCH KIỂM NGHIỆM BỀN CHI TIẾT TRỤC DẪN HƯỚNG (TRỤC X) 86 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D HỆN NAY 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Yêu cầu xã hội Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping – RP) công nghệ sản xuất tiên tiến, bên cạnh việc lập trình gia công máy CNC ể gia công chế tạo sản phẩm người ta xây dựng mơ hình CAD 3D máy tính gia cơng theo cách thực trực tiếp từ liệu mơ hình Với vật liệu dạng bột, phương pháp truyền thống tiện, phay, bào gia công tạo sản phẩm Thay vào ó ta sử dụng phương pháp in 3d ể thêu kết vật liệu dạng thông qua tác dụng nhiệt ầu ốt laser thêu kết ầu phun nước,… Từ ó kĩ sư ã thiết kế chế tạo máy in 3d có ộ xác cao hơn, in ược vật liệu khác nhau, giảm thời gian tạo sản phẩm yêu cầu sản xuất in mơ hình phức tạp mà phương pháp truyền thống khó chế tạo Tại Việt Nam máy in 3d cơng nghiệp ã có mặt thị trường nhiều năm phần lớn ược cung cấp công ty hoạt ộng thương mại Máy in 3d tạo bước phát triển lớn nghành công nghiệp tạo mẫu nhanh Đa phần máy in 3d Việt Nam ược công ty sản xuất hàng loạt với công nghệ tiên tiến bù lại lại có chi phí cao, khơng linh hoạt sống ược phục vụ vào mục ích tạo sản phẩm hàng loạt Kết luận Trong xu ó nhằm mục ích chế tạo máy cơng cụ xác linh hoạt sống thực ược gia ình chi phí thấp nhằm phục vụ in chi tiết, dùng, quà lưu niệm,… Nhóm ã nghiên cứu, chế tạo iều khiển máy in 3d dạng bột 1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D VÀ MỘT SỐ MÁY IN 3D HIỆN NAY Định nghĩa khái niệm In 3D dạng công nghệ ược gọi sản xuất ắp dần/ ắp lớp (Additive Manufacturing) Các trình ắp dần tạo ối tượng theo lớp, khác với kỹ thuật úc cắt gọt (như gia công) Hiệp hội vật liệu thử nghiệm Hoa Kỳ (American Society for Testing Materials - ASTM) ã ưa khái niệm rõ ràng công nghệ sản xuất ắp dần: “Công nghệ sản xuất ắp dần trình sử dụng nguyên liệu ể chế tạo nên mơ hình 3D, thường chồng lớp ngun liệu lên nhau, trình trái ngược với trình cắt gọt thường dùng ể chế tạo xưa nay” Có thể thấy ây phương pháp sản xuất hoàn toàn trái ngược so với phương pháp cắt gọt - hay gọi phương pháp gia công, mài giũa vật liệu nguyên khối - cách loại bỏ cắt gọt i phần vật liệu, nhằm có ược sản phẩm cuối Cịn với sản xuất ắp dần, ta coi cơng nghệ tạo úc hay ép khn, từ nguyên liệu riêng lẻ ể ắp dần thành sản phẩm cuối Có nhiều thuật ngữ khác ược dùng ể công nghệ in 3D công nghệ tạo mẫu nhanh, công nghệ chế tạo nhanh công nghệ chế tạo trực tiếp Như vậy, hầu hết thuật ngữ ều ời dựa chế hay tính chất cơng nghệ Lịch sử cơng nghệ in 3D Công nghệ in 3D ời ã ược 30 năm Thiết bị vật liệu sản xuất ắp dần ã ược phát triển năm 1980 Năm 1981, Hideo Kodama Viện Nghiên cứu Công nghiệp thành phố Nagoya (Nhật Bản) ã sáng tạo phương pháp tạo mơ hình nhựa ba chiều với hình ảnh cứng polymer, nơi diện tích tiếp xúc với tia cực tím ược kiểm sốt mơ hình lớp hay phát quang qt Sau ó, vào năm 1984, nhà sáng chế người Mỹ Charles Hull Công ty Hệ thống 3D (3Dsystems) ã phát triển hệ thống nguyên mẫu dựa trình ược gọi Stereolithography, ó lớp ược bổ sung cách chữa giấy nến với ánh sáng cực tím laser Hull ịnh nghĩa trình "hệ thống ể tạo ối tượng 3D cách tạo mơ hình mặt cắt ối tượng ược hình thành," iều ã ược phát minh Kodama Đóng góp Hull việc thiết kế ịnh dạng tập tin STL (STereoLithography) ược ứng dụng rộng rãi phần mềm in 3D Năm 1986, Charles Hull ã sáng tạo quy trình Stereolithography – sản xuất vật thể từ nhựa lỏng làm cứng lại nhờ laser Sau ó ơng ăng ký quyền cho công nghệ in 3D “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering - SLS) có sử dụng file ịnh dạng STL (Standard Tessellation Language) Hull thành lập công ty 3Dsystems ến công ty cung cấp công nghệ lớn lĩnh vực in 3D Ưu, nhược iểm cơng nghệ in 3D Cơng nghệ in 3D có ưu iểm chính: Tốc ộ hình thành sản phẩm nhanh so với công nghệ khác; Chi phi ầu tư sở hữu thấp lĩnh vực công nghệ tạo mẫu nhanh; Chi phí nguyên vật liệu chi phí sản xuất thấp; Đa dạng vật liệu chế tạo ứng dụng; Có thể in vật có cấu tạo hình học phức tạp mà khơng cần giá ỡ; Dễ dàng chuẩn bị, sử dụng bảo dưỡng; Là cơng nghệ tạo mẫu có ầy ủ màu sắc lên ến hàng triệu màu; Cho phép chế tạo sản phẩm a dạng từ vật liệu khác nhau, màu sắc khác nhau, khối lượng kích thước với tỷ lệ khác so với chi tiết sản phẩm thật Về hạn chế in 3D, khác tùy theo kỹ thuật in, bao gồm tốc ộ in chưa thực tương xứng với tiềm năng, kích thước ối tượng ược in hạn chế, chi tiết ộ phân giải ối tượng cịn giới hạn, chi phí vật liệu cịn cao, số trường hợp, ộ bền sản phẩm ược in hạn chế Tuy nhiên, năm gần ây ã có tiến nhanh chóng việc giảm hạn chế 1.3 Các công nghệ in 3D 1.3.1 Nguyên lý chung cơng nghệ in 3D Hình 1.1 Ngun lý chung công nghệ in 3D Để bắt ầu in 3D, người ta cần thiết kế vật thể 3D phần mềm CAD, phần mềm quen thuộc hỗ trợ thiết kế máy tính Mơ hình vật thể ược thiết kế trực tiếp phần mềm ược ưa vào phần mềm thông qua việc sử dụng thiết bị quét laser Sau thiết kế ược hoàn thành, ta cần tạo tài liệu STL - Standard Tessellation Language, dạng tài liệu quen thuộc với công nghệ sản xuất ắp dần Làm tesselate theo ngôn ngữ Tesselation chuẩn chia vật thể thành a giác nhỏ hơn, ể mô cho cấu trúc bên bên vật thể Đây phần quan trọng sản xuất ắp dần Khi tài liệu ã ược hoàn thiện, hệ thống chia nhỏ thiết kế mẫu thành nhiều lớp khác chuyển thông tin ến thiết bị sản xuất ắp dần Sau ó, hệ thống sản xuất ắp dần tự chế tạo vật thể theo lớp cho ến vật thể cần sản xuất ược hoàn thiện Để sản xuất vật thể, hệ thống máy in 3D sử dụng kết hợp nhiều công nghệ khác Các công nghệ ược phân loại dựa vào chất vật liệu In 3D hay sản xuất ắp dần làm việc với vật liệu rắn (nhựa, kim loại, polymer), vật liệu lỏng (nhựa lỏng ông cứng lại nhờ tác ộng laser hay ánh sáng iện tử), hay vật liệu dạng bột (bột kim loại, bột gốm kết dính với tạo thành sản phẩm…) Sau q trình thường có thêm vài khâu hồn thiện sau sản xuất Có thể loại bỏ bụi bẩn chất liệu khác bám sản phẩm Ngồi ra, cần thêm q trình thêu kết ể phủ kín lỗ hổng sản phẩm Hoặc sử dụng vài trình thẩm thấu ể phủ kín sản phẩm vật liệu khác Ngày loạt công nghệ in ược sử dụng, loại ều có ưu iểm hạn chế riêng Các cơng nghệ bao gồm: “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering - SLS), “Thiêu kết lazer chọn lọc trực tiếp” (Direct metal laser sintering - DMLS), “Mơ hình hóa phương pháp nóng chảy lắng ọng” (Fused deposition modeling - FDM), “Tạo hình nhờ tia laser” (Stereolithography) “In phun sinh học” (Inkjet bioprinting) 1.3.2 Cơng nghệ Tạo hình nhờ tia laser (SLA) Đây công nghệ in 3D xuất ầu tiên công nghệ in 3D chi tiết chuẩn xác nhất, có sai số thấp công nghệ in 3D khác Hiện 3D Systems hãng nắm quyền thương mại công nghệ in 3D Công nghệ in 3D SLA công nghệ in 3D hoạt ộng theo nguyên tắc “ ắp lớp” có ặc iểm khác biệt với cơng nghệ khác dùng tia UV làm cứng lớp vật liệu in (chủ yếu nhựa lỏng) Tương tự công nghệ SLS, máy in 3D sử dụng công nghệ SLA sử dụng chùm tia laser/UV nguồn lượng mạnh tương ương ể làm “ ông cứng” lớp vật liệu in 3D nhựa dạng lỏng, nhiều nhiều lớp tạo nên vật thể in 3D SLA Lớp in SLA ạt từ 0.06, 0.08, 0.1,… mm Công nghệ ược sử dụng ể chế tạo vật phẩm 3D từ hình ảnh máy tính cơng nghệ cho phép người dùng kiểm tra mẫu thiết kế cách nhanh chóng, xác trước ịnh ầu tư sản xuất hàng loạt Về nguyên lý hoạt ộng: Sau tập tin 3D CAD ược kết nối ngơn ngữ STL (Tessellation language) q 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 cho ến ạt số kỹ thuật vật thể ã ịnh sẵn Các lớp in 3D SLA ạt từ 0.06mm, 0.08mm, 0.1mm tùy vào nhu cầu in Hình 1.2 Mơ hình cấu tạo SLA Ưu iểm: Cơng nghệ SLA có khả tạo mơ hình có ộ chi tiết cao, sắc nét xác Về công nghệ in 3D sử dụng vật liệu nhựa, ây cơng nghệ tạo sản phẩm in 3D nhựa tốt nhất, sử dụng ngay, ộ phân giải, ộ mịn cao, nói cao Nhược iểm: Vật liệu in 3D ắt, sản phẩm in 3D bị giảm ộ bền ể lâu ánh sáng mặt trời Hình 1.3 sản phẩm ược tạo từ công nghệ SLA