Đồ án 2 thiết kế máy in 3d nghiên cứu và điều 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 IN 3D GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Trương Minh Đức LỚP: DHCK14A1CL Thành viên: Nguyễn Văn Cảnh Nguyễn Thành Phát Nguyễn Trọng Bằng Nguyễn Văn Hoài Ninh Nguyễn Văn Khang Hà Nội, Ngày … Tháng … Năm LỜI NÓI ĐẦU Ngày cách mạng khoa học kĩ thuật giới phát triển với tốc độ vũ bão, khơng ngừng vươn tới đỉnh cao mới, có thành tựu tự động hóa sản xuất Khẳng định vai trị quan trọng cơng nghệ tự động chiến lược cơng nghiệp hóa đại hóa kinh tế nước ta việc có ý nghĩa, tạo khả phát triển kinh tế với tốc độ cao, vững lâu dài Ở nước có cơng nghiệp tiên tiến việc tự động hóa nghành kinh tế, kỹ thuật có khí chế tạo thực từ nhiều thập kỉ Máy in 3d đưa 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 bắt đầu ứng dụng đưa vào công việc sản xuất Hiện nay, nhu cầu gia công chi tiết có biên dạng phức tạp với tốc độ độ xác cao Với chi tiết dạng phương pháp truyền thống khó gia cơng gia cơng nhiều thời gian cơng sức Chính mà cơng nghệ in 3d ngày phổ biến không lĩnh vực cơng nghiệp máy móc mà cịn hữu da dạng lĩnh vực khác y tế, giáo dục,… Công nghệ in 3d đánh dấu bước mở đầu cho ‘’Cách mạng Công nghiệp lần thứ 4’’ “giải thích’’ tạo ảnh hưởng to lớn nhiều lĩnh vực Ở Việt Nam công nghệ in 3d dần đưa vào ứng dụng trình sản xuất với loại máy in 3d đa chủng loại nguồn gốc máy in Nga, Tây Ban Nha, Ba Lan, Với lý trên, nhóm sinh viên chúng em giao nhiệm vụ đồ án sau: “Nghiên cứu điều khiển máy in 3d dạng bột (powder bed 3d printer)” bao gồm nhiệm vụ sau đây: + Tổng quan máy in 3d + Nghiên cứu, thiết kế tính toán tổng thể máy in 3d kết cấu khí + Nghiên cứu hệ thống điều khiển lập trình điều khiển máy + Phân tích CAE hệ thông máy in 3D + Kết luận định hướng phát triển Trong trình nghiên cứu chúng em gặp nhiều khó khăn, đề tài mẻ, thời gian kiến sau thời gian nghiên cứu, thiết kế chế tạo, chúng em hoàn thành thức hạn chế Tuy nhiên nhờ cố gắng thân đặc biệt dẫn tận tình giáo viên hướng dẫn Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy tạo điều kiện tốt cho chúng em suốt thời gian vừa qua Một lần chúng em xin cảm ơn! Table of Contents LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D HIỆN 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 1.3.1 Nguyên lý chung công nghệ in 3D 1.3.2 Cơng nghệ Tạo hình nhờ tia laser (SLA) 1.3.3 Công nghệ Thiêu kết lazer chọn lọc (SLS) 1.3.4 Cơng nghệ Mơ hình hóa phương pháp nóng chảy lắng dọng (FDM) 1.3.5 Công nghệ in 3D dán nhiều lớp (LOM) 1.3.6 Công nghệ Laser kim loại thiêu kết trực tiếp (DMLS) 1.3.7 Công nghệ in phun sinh học (Inkjet-bioprinting) 1.4 Ứng dụng công nghệ in 3D 1.5 Yêu cầu kỹ thuật máy in 3D dạng bột CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ MƠ HÌNH MÁY IN 3D DẠNG BỘT (POWDER BED 3D PRINTER) 2.1 CHỌN KẾT CẤU CHO MƠ HÌNH Hình 2.1 Mơ hình máy in 3D Hình 2.2 Sơ đồ ngun lí hoạt động máy 2.2 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, LỰA CHỌN CÁC CHI TIẾT TRÊN MƠ HÌNH 2.2.1 Các loại cấu truyền động Hình 2.4 truyền ốc vit me đai ốc Tên Đề tài : Tính tốn ,thiết kế máy in 3D Mục đích : Máy in 3D cho phép người dùng tạo sản phẩm tùy chỉnh, từ mơ hình, đồ trang sức, đồ chơi đến phận sản phẩm cá nhân hóa khác Prototyping (mẫu thử nghiệm): Các công ty cá nhân sử dụng máy in 3D để tạo mẫu thử nghiệm nhanh chóng chi phí thấp cho sản phẩm Điều giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế giảm thời gian phát triển sản phẩm Nghiên cứu phát triển: Trong lĩnh vực nghiên cứu phát triển, máy in 3D sử dụng để tạo mơ hình, phận thiết bị mơ cho dự án nghiên cứu Y tế: Trong ngành y tế, máy in 3D sử dụng để in phận thay thế, khung xương, giả, chí phận thể nhân tạo khớp nối Giáo dục: Máy in 3D giúp giáo viên học sinh hiểu sâu khái niệm thiết kế kỹ thuật, tạo mơ hình giảng dạy Chế tạo sản xuất: Trong ngành công nghiệp, máy in 3D sử dụng để sản xuất phận sản phẩm nhỏ số lượng lớn nhỏ hơn, tùy thuộc vào quy mô ứng dụng cụ thể Đối tượng: Cá nhân: Các cá nhân sử dụng máy in 3D để thực dự án cá nhân hóa, tạo sản phẩm sáng tạo, chí sáng tạo nghệ thuật thiết kế riêng họ Sinh viên giáo viên: Trong giáo dục, máy in 3D cơng cụ hữu ích để giảng dạy học tập, giúp sinh viên hiểu sâu thiết kế kỹ thuật Giáo viên sử dụng để thực dự án giảng dạy minh họa khái niệm Các công ty doanh nghiệp: Các công ty sử dụng máy in 3D để tạo mẫu thử nghiệm, sản phẩm tùy chỉnh, phận sản xuất quy trình phát triển sản phẩm sản xuất hàng loạt Ngành công nghiệp sản xuất: Ngành sản xuất sử dụng máy in 3D để tạo phận sản phẩm nhỏ số lượng lớn nhỏ hơn, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất giảm thời gian chi phí Ngành y tế: Trong lĩnh vực y tế, máy in 3D sử dụng để tạo phận thay thiết bị y tế, giả, dựng khung xương, thiết bị y tế tùy chỉnh Các nhà nghiên cứu nhà phát triển sản phẩm: Máy in 3D công cụ hữu ích cho việc nghiên cứu phát triển, cho phép tạo mơ hình thử nghiệm phận mô cho dự án nghiên cứu Ngành nghệ thuật thiết kế: Nghệ sĩ người thiết kế sử dụng máy in 3D để tạo tác phẩm nghệ thuật, thiết kế sản phẩm, sáng tạo lĩnh vực Cộng đồng sáng tạo: Máy in 3D hướng đến cộng đồng sáng tạo maker, người u thích cơng nghệ muốn thử nghiệm tạo dự án sáng tạo CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D HIỆN 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 cơng máy CNC để gia cơng 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 ta sử dụng phương pháp in 3d để thêu kết vật liệu dạng thông qua tác dụng nhiệt đầu đốt laser thêu kết đầu phun nước,… Từ kĩ sư thiết kế chế tạo máy in 3d có độ xác cao hơn, in vật liệu khác nhau, giảm thời gian tạo sản phẩm u cầu sản xuất in mơ hình phức tạp mà phương pháp truyền thống khó chế tạo Tại Việt Nam máy in 3d công nghiệp có mặt thị trường nhiều năm phần lớn cung cấp công ty hoạt động thương mại Máy in 3d tạo bước phát triển lớn nghành công nghiệp tạo mẫu nhanh Đa phần máy in 3d Việt Nam công ty sản xuất hàng loạt với công nghệ tiên tiến bù lại, lại có chi phí cao, khơng linh hoạt sống phục vụ vào mục đích tạo sản phẩm hàng loạt Trong xu nhằm mục đích chế tạo máy cơng cụ xác linh hoạt sống thực gia đình chi phí thấp nhằm phục vụ in chi tiết, đồ dùng, quà lưu niệm,… Nhóm nghiên cứu điều khiển máy in 3d 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 đắp dần/ đắp lớp (Additive Manufacturing) Các trình đắp dần tạo đối tượng theo lớp, khác với kỹ thuật đúc cắt gọt (như gia công) Hiệp hội vật liệu thử nghiệm Hoa Kỳ (American Society for Testing Materials - ASTM) đưa khái niệm rõ ràng công nghệ sản xuất đắp dần: “Công nghệ sản xuất đắp dần trình sử dụng ngun liệu để chế tạo nên mơ hình 3D, thường chồng lớp nguyên liệu lên nhau, trình trái ngược với trình cắt gọt thường dùng để chế tạo xưa nay” Có thể thấy phương pháp sản xuất hoàn toàn trái ngược so với phương pháp cắt gọt - hay cịn gọi phương pháp gia cơng, mài giũa vật liệu nguyên khối - cách loại bỏ cắt gọt phần vật liệu, nhằm có sản phẩm cuối Còn với sản xuất đắp dần, ta coi cơng nghệ tạo đúc hay ép khuôn, từ nguyên liệu riêng lẻ để đắp dần thành sản phẩm cuối Có nhiều thuật ngữ khác dùng để 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 đời dựa chế hay tính chất công nghệ Lịch sử công nghệ in 3D Công nghệ in 3D đời 30 năm Thiết bị vật liệu sản xuất đắp dần phát triển năm 1980 Năm 1981, Hideo Kodama Viện Nghiên cứu Công nghiệp thành phố Nagoya (Nhật Bản) sáng tạo phương pháp tạo mơ hình nhựa ba chiều với hình ảnh cứng polymer, nơi diện tích tiếp xúc với tia cực tím kiểm sốt mơ hình lớp hay phát quang quét Sau đó, vào năm 1984, nhà sáng chế người Mỹ Charles Hull Công ty Hệ thống 3D (3Dsystems) phát triển hệ thống nguyên mẫu dựa trình gọi Stereolithography, lớp bổ sung cách chữa giấy nến với ánh sáng cực tím laser Q trình "hệ thống để tạo đối tượng 3D cách tạo mơ hình mặt cắt đối tượng hình thành," điều phát minh Kodama Đóng góp Hull việc thiết kế định dạng tập tin STL (STereoLithography) ứng dụng rộng rãi phần mềm in 3D Năm 1986, Charles Hull sáng tạo quy trình Stereolithography – sản xuất vật thể từ nhựa lỏng làm cứng lại nhờ laser Sau ơng đăng ký quyền cho công nghệ in 3D “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering - SLS) có sử dụng file định dạng STL (Standard Tessellation Language) Hull thành lập cơng ty 3Dsystems đến công ty cung cấp công nghệ lớn lĩnh vực in 3D Ưu, nhược điểm cơng nghệ in Cơng nghệ in 3D có ưu điểm chính: Tốc độ hình thành sản phẩm nhanh so với công nghệ khác; Chi phi đầu 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 đỡ; Dễ dàng chuẩn bị, sử dụng bảo dưỡng; Là cơng nghệ tạo mẫu có đầy đủ màu sắc lên đến hàng triệu màu; Cho phép chế tạo sản phẩm đa 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 độ in chưa thực tương xứng với tiềm năng, kích thước đối tượng in hạn chế, chi tiết độ phân giải đối tượng cịn giới hạn, chi phí vật liệu cịn cao, số trường hợp, độ bền sản phẩm in hạn chế Tuy nhiên, năm gần 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 đầu 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 thiết kế trực tiếp phần mềm đưa vào phần mềm thông qua việc sử dụng thiết bị quét laser Sau thiết kế hoàn thành, ta cần tạo tài liệu STL - Standard Tessellation Language, dạng tài liệu quen thuộc với công nghệ sản xuất đắp dần Làm tesselate theo ngôn ngữ Tesselation chuẩn chia vật thể thành đa giác nhỏ hơn, để mô cho cấu trúc bên bên vật thể Đây phần quan trọng sản xuất đắp dần Khi tài liệu hoàn thiện, hệ thống chia nhỏ thiết kế mẫu thành nhiều lớp khác chuyển thông tin đến thiết bị sản xuất đắp dần Sau đó, hệ thống sản xuất đắp dần tự chế tạo vật thể theo lớp vật thể cần sản xuất hoàn thiện Để sản xuất vật thể, hệ thống máy in 3D sử dụng kết hợp nhiều công nghệ khác Các công nghệ phân loại dựa vào chất vật liệu In 3D hay sản xuất đắp dần làm việc với vật liệu rắn (nhựa, kim loại, polymer), vật liệu lỏng (nhựa lỏng đông cứng lại nhờ tác động laser hay ánh sáng điện 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, đơi cần thêm q trình thêu kết để phủ kín lỗ hổng sản phẩm Hoặc sử dụng vài trình thẩm thấu để phủ kín sản phẩm vật liệu khác Ngày loạt công nghệ in sử dụng, loại có ưu điểm 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 đọng” (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 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 động theo nguyên tắc “ đắp lớp” có đặc điểm 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 đương để làm “ đông cứng” lớp vật liệu in 3D nhựa dạng lỏng, nhiều nhiều lớp tạo nên vật thể in 3D SLA Lớp in SLA đạt từ 0.06, 0.08, 0.1,… mm Công nghệ sử dụng để 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 định đầu tư sản xuất hàng loạt Về nguyên lý hoạt động: Sau tập tin 3D CAD kết nối ngơn ngữ STL (Tessellation language) q trình in bắt đầu: Lớp nhựa lỏng đắp lên mẫu 3D thiết kế sẵn tia UV làm cứng lớp nhựa này, sau nhiều lớp đắp lên đạt số kỹ thuật vật thể định sẵn Các lớp in 3D SLA đạt từ 0.06mm, 0.08mm, 0.1mm tùy vào nhu cầu in Hình 1.2 Mơ hình cấu tạo SLA Ưu điểm: Cơng nghệ SLA có khả tạo mơ hình có độ chi tiết cao, sắc nét xác Về công nghệ in 3D sử dụng vật liệu nhựa, cơng nghệ tạo sản phẩm in 3D nhựa tốt nhất, sử dụng ngay, độ phân giải, độ mịn cao, nói cao Nhược điểm: Vật liệu in 3D đắt, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền để lâu ánh sáng mặt trời Hình 1.3 Sản phẩm tạo từ công nghệ SLA 1.3.3 Công nghệ thiêu kết lazer chọn lọc (SLS) Công nghệ này dựa trình chế tạo lớp chất polymer lỏng thay vật liệu bột Hình 1.4 Mơ hình cơng nghệ SLS Cơng nghệ SLS vận hành tương tự SLA vật liệu dạng bột gốm sứ, thép, titan, nhôm, bạc, thủy tinh,… Tia laser giúp liên kết hạt bột với Đặc biệt, bột thừa sau quy trình tái chế nên tiết kiệm Có thể tạo lớp vật liệu phụ trợ keo chuyên dụng (có kèm màu sắc in 3D đa sắc màu), tia laser, tia UV,… Nhìn chung, SLS cơng nghệ tạo mẫu dựa vật liệu dạng bột Sử dụng tia laser, công nghệ SLS nung kết loại vật liệu dạng bột khác với để tạo mẫu dạng rắn Cơng nghệ in 3D SLS chìa khóa để máy in 3D tạo sản phẩm da dạng, đặc biệt in 3D chất liệu kim loại/gốm Nguyên lý hoạt động Phương pháp SLS sử dụng tính chất vật liệu bột hóa rắn tác dụng nhiệt (như nylon, elastomer, kim loại) Một lớp mỏng bột nguyên liệu trải bề mặt xy lanh công tác trống định mức Sau đó, tia laser hóa rắn (kết tinh) phần bột nằm đường biên mặt cắt không thực làm chảy chất bột), làm cho chúng dính chặt chỗ có bề mặt tiếp xúc Trong số trường hợp, trình nung chảy hoàn toàn hạt bột vật liệu áp dụng Q trình kết tinh điều khiển tương tự q trình polymer hố phương pháp tạo hình lập thể SLA Sau xy lanh hạ xuống khoảng cách độ dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu đưa vào trình lặp lại chi tiết hoàn thành Ưu điểm: Khả tạo mẫu loại vật liệu dạng bột khác nhựa, kim loại, thủy tinh, gốm Tạo mẫu đa dạng màu sắc, tạo mẫu hình dạng phức tạp, khơng cần sử dụng vật liệu hỗ trợ, không cần cấu trúc hỗ trợ SLS sử dụng chủ yếu để tạo nguyên mẫu, gần ứng dụng cho sản xuất theo yêu cầu cụ thể Ví dụ, General Electric mua công ty công nghệ SLS để chế tạo phận cho động phản lực thương mại Cơng nghệ SLS thích hợp để in mơ hình có thành mỏng, chi tiết cần độ dẻo Đặc biệt, SLS lựa chọn tuyệt vời cần in mơ hình lớn có phần rỗng phía đáy Xét độ mịn bề mặt, công nghệ SLS cho chất lượng cao công nghệ FDM, nhiên khó để phân biệt độ mịn lớp in mắt thường Nhược điểm: Phức tạp, chi phí đầu tư cao, chi phí vận hành cao hao tổn vật liệu lớn Các mơ hình kín có phần rỗng bên phải tiêu tốn lượng vật liệu lớn Hình 1.5 Một số dạng sản phẩm công nghệ SLS 1.3.4 Công nghệ mơ hình hóa phương pháp nóng chảy lắng đọng (FDM) Nguyên lý hoạt động máy in 3D công nghệ FDM: Máy in 3D dùng công nghệ FDM xây dựng mẫu cách đùn nhựa nóng chảy hoá rắn lớp tạo nên cấu trúc chi tiết dạng khối Vật liệu sử dụng dạng sợi có đường kính từ 1.75 – 3mm, dẫn từ cuộn tới đầu đùn mà chuyển động điều khiển động servo Khi sợi cấp tới đầu đùn làm nóng sau đẩy qua vòi đùn lên mặt phẳng đế Trong máy in 3D (FDM) vật liệu nóng chảy đẩy ra, đầu đùn di chuyển biên dạng 2D Độ rộng đường đùn thay đổi khoảng từ (từ 0,193 mm đến 0,965 mm) xác định kích thước miệng đùn Miệng vịi đùn khơng thể thay đổi q trình tạo mẫu, cần phân tích mơ hình tạo mẫu trước chọn vịi đùn thích hợp Hình 1.6 Cơng nghệ in 3D FDM Vì giá thành máy vật liệu in 3D rẻ, nên công nghệ công nghệ in 3D phát triển mạnh nhất, phổ biến Ưu điểm: Là công nghệ in 3D giá rẻ, dễ sửa chữa thay chi tiết máy móc, in với số lượng lớn, tốn ngun liệu Thường sử dụng sản phẩm cần chịu lực Tốc độ tạo hình 3D nhanh Quá trình tạo mẫu nhanh FDM không giống công nghệ SLA, LOM, SLS phải sử dụng tia laser để tạo hình sản phẩm mà công nghệ tạo mẫu nhanh FDM đơn giản nhiều, độ tin cậy cao, bảo dưỡng dễ dàng Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo không độc, không mùi, dó khơng gây nhiễm mơi trường xung quanh Thiết bị hoạt động tạo tiếng ồn Nhược điểm: Ít dùng lắp ghép độ xác không cao Khả chịu lực không đồng Hình 1.7 Sản phẩm cơng nghệ in 3D (FDM) 1.3.5 Công nghệ in 3D dán nhiều lớp (LOM) Các đối tượng 3D tạo lớp, lớp cắt tia laser dụng cụ cắt chuyên dụng (cắt theo đường biên dạng với tốc độ khoảng 15 inch/giây) sau dán chặt lớp, lớp vào với tạo sản phẩm Sau vật liệu dư thừa cắt bỏ, đối tượng đánh giấy ráp sơn Mặc dù độ chuẩn xác loại máy in 3D công nghệ thấp so với công nghệ SLA hay SLS, LOM công nghệ in ấn giá phải 3D nhanh để tạo phận tương đối lớn Nó cho phép tạo nhiều màu sắc 3D in đối tượng Ưu điểm: Vật liệu đa dạng, rẻ tiền Về nguyên tắc sử dụng loại vật liệu: giấy, chất dẻo, kim loại, composites gốm; Độ xác cao đạt tốt 0,25 mm Bằng việc cắt vật liệu thay hóa rắn nó, hệ thống bảo vệ đặc tính ban đầu vật liệu; Khơng cần thiết kết cấu hỗ trợ; Tốc độ cao, nhanh phương pháp tạo lớp khác tia laser khơng cắt tồn diện tích mà qt theo chu vi bên ngồi Do đó, vật liệu dày mỏng có tốc độ cắt nhau; Khơng có thay đổi pha trình chế tạo chi tiết nên tránh độ co rút vật liệu; Không độc hại ô nhiễm môi trường Nhược điểm: Không thu hồi vật liệu dư Sự cong vênh chi tiết thường vấn đề phương pháp LOM; Lấy sản phẩm khỏi kết cấu hỗ trợ khó khăn; Độ bóng bề mặt khơng cao Hình 1.8 Máy in 3D công nghệ LOM số sản phẩm 1.3.6 Công nghệ Laser kim loại thiêu kết trực tiếp (DMLS) Công nghệ DMLS công nghệ sản xuất nhiều phận kim loại quy trình Với DMLS, kim loại bột ( đường kính khoảng 20 micron), khơng chứa chất kết dính chất dẫn xuất, bị tan chảy hoàn toàn quét chùm tia laser công suất cao để chuyển thành dạng vật liệu với tính chất vật liệu ban đầu Lợi công nghệ DMLS so với công nghệ SLS độ phân giải cao sử dụng lớp mỏng hơn, tạo nên hạt có đường kính nhỏ Khả cho phép tạo phần hình dạng phức tạp Các lựa chọn vật liệu cung cấp bao gồm thép hợp kim, thép không rỉ, nhôm, đồng, cobaltchrome, titan Tuy nhiên, kim loại hợp kim sử dụng công nghệ Ưu điểm: công nghệ DMLS so với công nghệ tạo mẫu nhanh khác tạo sản phẩm kim loại với mật độ đạt 95% (công nghệ SLS đạt 70%) với độ xác chi tiết cao lớp tạo hình dày 20 µm 1.3.7 Công nghệ in phun sinh học (Inkjet-bioprinting) Công nghệ in phun sinh học Bioprinting sử dụng kỹ thuật tương tự máy in phun, vịi phun định vị xác đặt chấm nhỏ mực in để tạo thành hình dạng Trong in phun sinh học, vật liệu sử dụng tế bào người mực Đối tượng in tạo cách phun hỗn hợp “vật liệu giàn giáo” (như hydrogel có chứa đường) tế bào sống nuôi cấy từ mô bệnh nhân Sau in, mô đặt buồng với nhiệt độ điều kiện ôxy thích hợp để tạo điều kiện cho tế bào tăng trưởng Khi tế bào kết hợp, “vật liệu giàn giáo” lấy mô sẵn sàng để cấy ghép Hình 1.9 Cơng nghệ in phun sinh học Ưu điểm: máy in sinh học 3D mơ quan tạo theo lớp để đạt hình học giải phẫu xác In sinh học 3D thu in laser hỗ trợ sinh học (LaBP) in phun (IBP) 1.4 Ứng dụng công nghệ in 3D Công nghệ in 3D ngày phát triển, không giúp cho việc chế tạo khuôn mẫu xác dễ dàng mà cịn tìm nhiều ứng dụng thực tế sống Công nghệ in 3D ứng dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp sản xuất chế tạo, y khoa, kiến trúc, xây dựng… Dưới lĩnh vực ứng dụng cơng nghệ in 3D Các loại máy in 3D không phục vụ sinh viên kiến trúc, đồ họa, khí mà cịn áp dụng cho nhà nghiên cứu, kĩ sư, giảng viên hay cá nhân có nhu cầu in tạo mẫu 3D Từ sản xuất công nghiệp đến y học, thẩm mỹ làm đẹp, máy in 3D hồn tồn khẳng định vai trị chủ đạo Cơng nghệ 3D giúp bác sĩ tạo mơ hình phận thể để rút ngắn thời gian hội chẩn phẫu thuật xác hơn, đồng thời in quan thay thế: tay, chân, xương hàm, tương thích mức độ cao với thể bệnh nhân Những máy in 3D giúp ngành nữ trang tạo nhanh xác thiết kế, bỏ qua công đoạn truyền thống trước đưa sản phẩm cuối Hình 1.10 Vỏ động ô tô in công nghệ in 3D vật liệu bền SLS Hình 1.11 Tấm lót dày hãng ADIDAS làm cơng nghệ in 3D Hình 1.12 Mảnh xương sọ in 3D để cấy ghép 1.5 Yêu cầu kỹ thuật máy in 3D dạng bột + Máy phải hoạt động ổn định, chạy êm, khơng xảy lỗi qua trình gia cơng + Máy lắp ráp phải có tính cơng nghệ cao nghĩa dễ tháo lắp, thay thế, bảo dưỡng + Máy sử dụng chi tiết tiêu chuẩn hóa bulơng, vịng bi, vítme bi nên dễ dàng thay giá thành máy thấp + Sản phẩm làm với thiết kế đẹp mắt, chi phí sản xuất bảo trì thấp so với sản phẩm loại nước ngồi, phù hợp với túi tiền người dùng Sản phẩm có phần mềm hỗ trợ trực quan, dễ hiểu nên người sử dụng cách dễ dàng sau vài tìm hiểu, có khả đưa sử dụng rộng rãi, phổ biến + Phần mềm giao tiếp máy laser với máy tính ARDUINO, hoạt động hệ điều hành Windows, thẩm chí laptop thay máy tính để bàn phần mềm khác + Tính an tồn máy: nguồn laser có hại cho mắt nên sử dụng máy cần đeo kính chuyên dùng bảo vệ cho cặp mắt + Tính thuận tiện máy: máy dễ điều khiển hiệu chỉnh + Tính thẩm mỹ: máy có thiết kế dễ nhìn + Tính mơi trường: Máy không làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh, không ồn ào, đặc biệt không gây ô nhiễm môi trường Dẫn dắt vào sản phẩm cần chế tạo CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ MƠ HÌNH MÁY IN 3D DẠNG BỘT (POWDER BED 3D PRINTER) 2.1 CHỌN KẾT CẤU CHO MƠ HÌNH Ngun lý hoạt động máy Về bản, mơ hình máy in 3d chúng em thể nguyên lí hoạt động máy in 3D điều khiển phần mềm chuyên dụng dùng thực tế Gồm trục X, Y Z Tuy nhiên, hạn chế thời gian kinh tế, mơ hình máy chúng em cịn số điều bị hạn chế Hình 2.1 Mơ hình máy in 3D Nguyên lí hoạt động: Động trục X, Y Z kết nối với mạch điều khiển, phần mạch điều khiển kết nối với máy tính Phần mềm điều khiển thơng tính tốn điều khiển cấp xung cho động cơ, làm động quay Máy sử dụng truyền động đai vít me, Truyền mơmen từ động tới trục làm cụm dẫn động ba trục chuyển động tịnh tiến trục dẫn hướng Chuyển động cụm điều khiển ba trục phụ thuộc vào phần mềm điều khiển nội suy biên dạng chi tiết cần in Ta cần thiết kế mơ hình chi tiết, xuất file từ máy tính nạp vào phần mềm điều khiển Hình 2.2 Sơ đồ ngun lí hoạt động máy 2.2 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, LỰA CHỌN CÁC CHI TIẾT TRÊN MƠ HÌNH 2.2.1 Các loại cấu truyền động Yêu cầu cấu truyền động máy in 3D phải biến chuyển động quay động thành chuyển động tịnh tiến đầu Laser Việc lựa chọn cấu truyền động dựa vào điều kiện làm việc máy yêu cầu điều khiển, thực tế có nhiều cấu truyền động để biến chuyển động quay thành tịnh tiến bánh răng-thanh răng, vít me- đai ốc, truyền động đai ( chi tiết gắn đai)… yêu cầu kỹ thuật gọn nhẹ, giá thành hợp lý, dễ dàng lựa chọn sử dụng nhóm chọn đai vít me -đai ốc làm cấu truyền động cho trục + Truyền động đai răng: trục X, Y + Truyền động vít me – đai ốc: trục Z + lựa chọn cấu dẫn hướng trục X, Y, Z 2.2.1.1 Truyền động đai Hình 2.3 Bộ truyền động đai Đai loại đai dẹt chế tạo thành vịng kín, có mặt Khi vào tiếp xúc với bánh đai đai ăn khớp với bánh đai Do truyền lực ăn khớp truyền động đai có ưu điểm: khơng có trượt, tỉ số truyền lớn, hiệu suất cao, không cần lực căng đai lớn, lực tác dụng lên trục lên ổ nhỏ Đai chế tạo từ cao su trộn với nhựa nairit đúc từ cao su pouliuretan Lớp chịu tải chủ yếu dây thép, sợi thuỷ tinh sợi poliamit Bảng 2.1 Các thông số hình học truyền đai  Ưu điểm: Việc truyền lực có tính đàn hồi; chạy êm ồn, chịu sốc; khoảng cách trục lớn; khơng cần phải bơi trơn; phí bảo dưỡng thấp  Nhược điểm: Bị trượt qua giãn nở dây đai qua khơng có tỷ lệ truyền xác; nhiệt độ ứng dụng bị giới hạn; thêm tải trọng lên ổ trục lực căng cần thiết dây đai 2.2.1.2 Truyền động bánh ma sát Truyền động bánh ma sát thực nhở chuyển động bánh xe sống trượt làm phẳng Dùng để biến chuyển động quay bánh xe thành chuyển động tịnh tiến Ưu điểm: + Chế tạo đơn giản + Kích thước tương đối nhỏ gọn + Chạy êm, gây tiếng ồn Nhược điểm: + Độ xác khơng cao + Dễ trượt bánh lực ép không tốt + Dễ mòn bánh Dựa vào yêu cầu chung đồ án ta thấy hệ thống truyền động cần thoả mãn điều kiện sau: + Thực chuyển động cần xác cao + Có khả truyền động trạng thái lực lớn + Cấu tạo gọn nhẹ 2.2.1.3 Truyền động Vít me Vít me hệ thống truyền động , gia công xác để biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến theo chế vít bulon ( đai vít , hay đai ốc) Để chuyền động cách trơn tru xác , hoạt động liên tục bền bỉ thời gian dài ta phải có biện pháp bơi trơn hợp lý Khi trục vít xoay làm cho đai ốc chuyển động tịnh tiến, trục vít quay vịng đai ốc chuyển động tịnh tiến đoạn bước vít Hình 2.4 truyền ốc vit me đai ốc Ưu điểm: + Độ xác cao, cấu gọn nhẹ Thường dùng máy cnc có độ xác cao Nhược điểm: + Hiệu suất truyền lực thấp, giá thành cao - Có hai loại vitme: + Vít me thường: vitme đai ốc tiếp xúc trực tiếp với trượt qua mặt ren Loại có nhược điểm ma sát cao tiếp xúc mặt sinh ma sát trượt, có sai số khe hở vitme đai ốc đảo chiều chuyển động Để khử sai số khe hở trục vít đai ốc người ta gắn cấu lò xo vào đai ốc giữ cho đai ốc tiếp xúc với mặt ren trục vít + Vitme bi (ballscrew ) hệ thống chuyền động , gia cơng xác để biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến theo chế vít – bu lơng ( đai vít , hay đai ốc) Mà tiếp xúc vít đai vít lớp bi thép để giảm tối đa lực ma sát Giúp chuyền động cách trơn tru xác , hoạt động liên tục bền bỉ thời gian dài Hoạt động : Tiếp xúc vít me bi đai ốc có đường rãnh (rãnh me ) lắp đầy viên bi thép Khi trục vít xoay, viên bi lăn trịn mối ren trục vít đai ốc Điều nhằm giảm ma sát chúng Bởi viên bi cuối sẻ rơi ngồi, nên đai ốc có đường ống dẫn ( đường hồi) để hứng viên bi khỏi rãnh trục vít đưa chúng trở lại phần đầu đường bi phía cuối đai ốc.Lực đẩy đai ốc nhẹ nhàng nhờ chuyển động lăn viên bi cuộn tròn, trượt - Những Thơng số hoạt động: Chiều dài vít , chiều dài hành trình đạt được, dường kính vít, hành trình bước ren vít quay vịng Hình 2.5 Cấu tạo vít me bi Từ ưu nhược điểm cấu truyền động với điều kiện gia cơng truyền có thị trường ta chọn truyền động đai cho trục X, Y truyền động vít me cho trục Z