Thiết kế và chế tạo máy in 3d nhựa nhiều màu

Tổng hợp các máy in 3D nhiều màu hay vật liệu.. - Nghiên cứu chương trình tạo file Gcode cho máy in 3D nhiều màu 3.. Tính mới và sáng tạo: In 3D nhựa nhiều màu đã và đang thu hút rất lớn

Mã số: T2021-06-05

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thị Hải Vân

Đà Nẵng, 11/2022

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

1 TS Nguyễn Thị Hải Vân

2 TS Nguyễn Phú Sinh

Chủ nhiệm đề tài Thành viên thực hiện

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC BẢNG BIỂU iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 3

3 Phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu 3

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: 4

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 5

1.1 Giới thiệu công nghệ in 3D 5

1.1.1 Công nghệ in VAT Photopolymerization 5

1.1.2 Công nghệ in PBF (Powder Bed Fusion) 9

1.1.3 Công nghệ in 3D cán cắt tấm (Sheet Lamination) 12

1.1.4 Công nghệ in 3D phun kết dính - Binder Jetting (BJ) 13

1.1.5 Công nghệ in 3D phun vật liệu - Material Jetting (MJ) 13

1.1.6 Công nghệ in đắp lớp DED - Directed Energy Deposition 14

1.1.7 Công nghệ in đùn vật liệu (Material Extrusion) 15

2.1 Nguyên lý máy in 3D nhiều màu – vật liệu 24

2.2 Phân tích và thiết kế mô hình máy in 3D nhiều màu 26

2.3 Phân tích và thiết kế đầu in nhựa cho máy in 3D nhiều màu và vật liệu 31

2.4 Thiết kế hệ thống điều khiển máy in 3D nhiều màu và vật liệu 42

2.3 Chương trình điều khiển 48

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 50

i

3.1 Kết quả nghiên cứu 50

3.2 Kết quả thực nghiệm và đánh giá kết quả 54

1 Kết luận 62

2 Kiến nghị 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Tổng hợp các máy in 3D nhiều màu hay vật liệu .22

Bảng 2 Thông số bộ truyền bánh răng 28

Bảng 3 Sơ đồ chức năng chân Arduino 44

Bảng 4 Bảng thông tin cài đặt driver động cơ bước 46

Bảng 5 Kiểm tra độ chính xác máy in 3D 55

iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Nguyên lý công nghệ in VAT Photopolymerization [4] 6

Hình 1.2 Các phương pháp in 3D sử dụng công nghệ in VAT Photopolymerization 6

Hình 1.3 Nguyên lý in 3D SLA 7

Hình 1.4 Máy in 3D thương mại sử dụng phương pháp SLA 7

Hình 1.5 Nguyên lý in 3D MSLA [6] 8

Hình 1.6 Nguyên lý in 3D DLP [7] 9

Hình 1.7 Nguyên lý phương pháp in 3D SLS [9] 10

Hình 1.8 Nguyên lý phương pháp in 3D SLM [11] 11

Hình 1.9 Nguyên lý phương pháp in 3D EBM [13] 11

Hình 1.10 Một số sản phẩm in 3D sử dụng công nghệ in 3D PBF [14] 12

Hình 1.11 Nguyên lý phương pháp in 3D cán cắt tấm LOM [18] 13

Hình 1.12 Nguyên lý in 3D phun vật liệu MJ [20] 14

Hình 1.13 Nguyên lý công nghệ in đắp lớp DED [22] 15

Hình 1.14 Nguyên lý công nghệ in đắp lớp FDM [24] 16

Hình 1.15 Một số sản phẩm in 3D nhiều màu – vật liệu ứng dụng thực tế 17

Hình 1.16 Nguyên lý của Palette Filament Splicer [27] 18

Hình 1.17 Thiết bị Palette Filament Splicer của MOSAIC Manufacturing và một số sản phẩm in thực tế [27] 18

Hình 1.18 Bộ đùn RUGGED-HPX2 MAX [29] 19

Hình 1.19 Một số sản phẩm in 3D sử dụng bộ đùn RUGGED-HPX2 MAX 19

Hình 1.20 Đầu in phun 3D của hãng Mixshop [29] 20

Hình 1.21 Nguyên lý máy in 3D nhiều màu của hãng Apple [30] 21

Hình 2.1 Ý tưởng của máy in 3D được đề xuất 24

Hình 2.2 Sơ đồ tổng thể máy in 3D nhiều màu – vật liệu được đề xuất 25

Hình 2.3 Nguyên lý cơ cấu chuyển đổi dây nhựa 26

Hình 2.4 Sơ đồng nguyên lý cơ cấu lựa chọn màu hay vật liệu dây nhựa cần in .27

Hình 2.5 Bộ truyền động bánh răng 28

Hình 2.6 Bánh răng trụ răng thẳng 29

Hình 2.7 Thiết kế tổng thể cơ cấu lựa chọn dây nhựa in – phiên bản 1 30

Hình 2.8 Mô hình thực tế cơ cấu lựa chọn dây nhựa in 31

Hình 2.9 Bộ đầu in phun 3D theo thiết kế phiên bản 1 32

Hình 2.10 Mặt cắt bộ đầu in phun 3D theo thiết kế phiên bản 1 32

Hình 2.11 Hai chi tiết của đầu in phun - thiết kế phiên bản 1 33

Hình 2.12 Hai chi tiết của đầu in phun - thiết kế phiên bản 1 34

Hình 2.13 Nhựa nóng chảy bị chảy theo khe hở 34

Hình 2.14 Điểm tắt nghẽn của đầu in phun 3D 35

Hình 2.15 Thiết kế đầu in phun 3D – thiết kế số 2 35

Hình 2.16 Một số thay đổi trong thiết kế đầu in phun 3D số 2 36

Hình 2.17 Một số thay đổi trong thiết kế đầu in phun 3D số 2 so với thiết kế số 1 37

iv

Hình 2.18 Mô hình đầu in phun 3D số 1 và thiết kế số 2 sau khi gia công CNC 37

Hình 2.19 Vấn đề chảy nhựa được giải quyết trong thiết kế số 2 38

Hình 2.20 Vấn đề nhiệt độ trong thiết kế số 2 khi máy in thay đổi vật liệu 38

Hình 2.21 Thêm các đầu đốt xung quanh đầu in nhựa 39

Hình 2.22 So sánh hai thiết kế: thiết kế nhóm đề xuất và thiết kế của Rerap 40

Hình 2.23 Thiết kế ống nhôm của nhóm sử dụng và của Rerap thiết kế 41

Hình 2.24 Thử nghiệm máy in với đầu in 3 in – 1 out của Reprap 41

Hình 2.25 Thiết kế đầu in 5 in – 1 out của Reprap 42

Hình 2.26 Sơ đồ khối bộ điều khiển 43

Hình 2.27 Arduino Mega 2560 46

Hình 2.28 Màn hình hiển thị LCD tích hợp đầu đọc thẻ nhớ SD 47

Hình 2.29 Màn hình LCD hiển thị thực tế 48

Hình 2.30 Lưu đồ chương trình phân tích mã T 49

Hình 3.1 Mô hình máy in 3D 50

Hình 3.2 Thiết lập cấu hình máy in trên Ultimaker Cura 51

Hình 3.3 Thiết lập vật liệu in trên Ultimaker Cura 52

Hình 3.4 Thiết lập cấu hình đầu in trên Ultimaker Cura 52

Hình 3.5 Thiết lập thông số in 3D Ultimaker Cura 53

Hình 3.6 Tải mô hình 3D từ file STL 54

Hình 3.7 Tạo mã Gcode sau khi thiết lập màu và vật liệu in cho từng đối tượng 54

Hình 3.8 Kết quả in 3D nhiều màu trên nhiều lớp khác nhau 56

Hình 3.9 Kết quả in 3D nhiều màu trên một lớp 57

Hình 3.10 Sản phẩm in 3D nhiều màu 58

Hình 3.11 Kết quả in 3D hai vật liệu với 3 màu khác nhau 59

Hình 3.12 Vấn đề quá nhiệt khi chuyển đổi vật liệu in 59

Hình 3.13 Chất lượng bề mặt in thỉnh thoảng vẫn bị biến dạng 60

Hình 3.14 Chất lượng bề mặt in bị lỗi do quá trình gia nhiệt chưa đạt nhiệt độ mong muốn 60

Hình 3.15 Thay đổi bàn in 3D nhằm cải thiện chất lượng in 61

v

Viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Acrylonitrile Butadiene Styrene.

nhiệt dẻo không trong suốt.

PLA là một loại nhựa sinh học và nhựa nhiệt dẻo được làm từ các vật liệu tự nhiên như tinh bột ngô.

vi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo máy in 3D nhựa nhiều màu

- Mã số: T2021-06-05

- Chủ nhiệm: TS Nguyễn Thị Hải Vân

- Thành viên tham gia: TS Nguyễn Phú Sinh

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật

- Thời gian thực hiện: 12/2021 – 12/2022

2 Mục tiêu:

- Thiết kế và chế tạo máy in 3D nhựa nhiều màu

- Xây dựng chương trình firmware cho phù hợp máy in 3D nhựa nhiều màu như chuyển đổi màu.

- Nghiên cứu chương trình tạo file Gcode cho máy in 3D nhiều màu

3 Tính mới và sáng tạo:

In 3D nhựa nhiều màu đã và đang thu hút rất lớn từ các công ty in 3D và các nhà thiết kế Mặc dù đã có nhiều giải pháp được đề xuất nhưng mỗi đề xuất đều có ưu và nhược điểm khác nhau Ngoài ra, giá thành cho mỗi máy in 3D nhựa nhiều màu còn cao

và việc bảo trì, bảo dưỡng các máy này còn phức tạp, đòi hỏi người sử dụng phải có kinh nghiệm và kiến thức sâu về in 3D Nhằm nâng cao sự tự chủ trong việc chế tạo và vận hành máy in 3D nhiều màu cũng như mong muốn tạo ra máy in 3D nhựa nhiều màu và vật liệu với giá thành thấp làm mô hình học tập cho sinh viên, đặt tiền đề, nền tảng cho việc nghiên cứu chế tạo máy in 3D phức tạp hơn Tác giả đề xuất đề tài thiết kế và chế tạo máy in 3D nhựa nhiều màu và vật liệu.

4 Tóm tắt kết quả nghiên cứu:

vii

Đề tài đã hoàn thành việc nghiên cứu và chế tạo máy in 3D nhiều màu hay vật liệu trong đó dây nhựa in sẽ được lựa chọn trong quá trình in Nhóm nghiên cứu đã chế tạo nhiều phiên bản khác nhau cũng như nghiên cứu nhiều phần mềm sinh mã Gcode khác nhau để đánh giá chất lượng Máy in 3D đã được in thực nghiệm và đánh giá sai số thông qua in một số sản phẩm có hình khối đơn giản Sản phẩm sau khi in có sai số chấp nhận được Nguyên nhân của sai số là do việc chế tạo máy in còn làm thủ công, gia công các chi tiết chưa được chính xác nên khi lắp đặt nó có sai số Với kết quả đạt được qua các thử nghiệm, ta thấy quá trình in 3D có gia nhiệt bàn in cho chất lượng in tốt hơn Ngoài

ra, khi in 3D sản phẩm nhiều vật liệu như ABS và PLA thì ta thấy máy in cũng phát sinh lỗi, do chênh lệch nhiệt độ giữa hai vật liệu này mà gây ra quá trình chảy nhựa trong đầu

in Để khắc phục điều này, khi có quá trình đổi vật liệu in, máy in sẽ tiến hành di chuyển đầu in 3D ra khỏi vùng in và tiến hành đẩy vật liệu nhựa in bị chảy quá nhiệt (flushing) ra khỏi đầu in trước khi thực hiện in tiếp Trong tương lai, nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu

và hoàn thiện máy với kích thước tối ưu hơn cũng như phát triển phần mềm tạo mã Gcode phù hợp với mô hình máy in 3D.

5 Tên sản phẩm:

600x600x1000 mm

Số lượng

1

1 1

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

- Mô hình máy in 3D nhựa nhiều màu có thể được thương mại hóa nếu được đầu tư tối ưu hóa về sản xuất.

- Máy in 3D nhựa nhiều màu có thể được sử dụng giảng dạy, nghiên cứu và in mẫu tại các phòng nghiên cứu, trường Đại học.

7 Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính

viii

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Design and Manufacture a multicolor 3D printer

Code number: T2021-06-05

Coordinator: PhD NGUYEN Thi Hai Van

Implementing institution: University of Technology and Education

Duration: from 12/2021 to 12/2022

2 Objective(s):

- Design and manufacture a multiple colors and materials 3D printer

- Build firmware of the developed 3D printers

- Investigate the Gcode generation methods for multiple colors and materials 3D printer

3 Creativeness and innovativeness:

Multiple colors or materials 3D printing has been received a lot of attention from 3D printing companies and developers Many solutions have been proposed, each of them has different pros and cons Currently, the price of multiple colors and materials 3D printer is still very high, about $1000 to $50.000, and the maintenance of these machines are quite complicated, requiring users to have experience and deep knowledge of 3D printing In order to preserve the autonomy for manufacturing and operating multi-color 3D printers and create a multi-color plastic 3D printer with low-cost for students and designers who want to equipped a multiple colors and material printers for their work space The authors propose the topic of designing and manufacturing a multiple colors and materials 3D printer.

4 Research results:

The project has completed designing and manufacturing a multiple colors or materials 3D printer based on the principle of selecting filaments The printer has been experimentally printed several parts with simple sharps and evaluated printed products error Although, the errors of the printed products are still existed due machining error of

x

mechanical part, this inaccuracy is acceptable In addition, when the printer was tested with two different materials such as ABS and PLA, we see that the printer also generates errors, due to the temperature difference between these two materials, which causes the plastic to melt in the print head To overcome this, when there is a process of changing the printing material, the printer will move the printing head out of the printing area and proceed to push the burned plastic material out of the print head, this step is called flushing process In the future, the authors will continue to research and optimize the machine as well as developed the software for generating Gcode file for this machine.

5 Products:

600x600x1000mm

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

- Multiple colors plastic 3D printer can be commercialized after optimizing the dimension of filament feeder

- Multiple colors 3D printers can be used for teaching, research and printing samples at research laboratories and universities.

xi

66

MỤC LỤC MINH CHỨNG SẢN PHẨM CỦA ĐỀ TÀI

Họ và tên chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thị Hải Vân

Toàn văn bài báo Minh chứng chứng minh tạp chí được xếp hạng:

so với mức đăng ký trên thuyết minh là Scopus

67

€ ‚ƒ ‚ƒ „…

inventions

Article

Development of a Multicolor 3D Printer Using a Novel

Filament Shifting Mechanism

Van Nguyen Thi Ha i 1 , Sinh Nguyen Phu 2, * , Terence Essomba 3 and Jiing-Yih Lai 3

1 Faculty of Industrial Education, The University of Danang—University of Technology and Education,

48 Cao Thang, Danang 550000, Vietnam; nthvan@ute.udn.vn

2 Faculty of Mechanical Engineering, The University of Danang—University of Technology and Education,

48 Cao Thang, Danang 550000, Vietnam

3 Department of Mechanical Engineering, National Central University, No 300, Zhongda Road, Zhongli, Taoyuan 320, Taiwan; tessomba@cc.ncu.edu.tw (T.E.); jylai@cc.ncu.edu.tw (J.-Y.L.)

* Correspondence: npsinh@ute.udn.vn; Tel.: +84-935252608

€‚ƒ„…†

Citation: Thi Hai, V.N.; Phu, S.N.;

Essomba, T.; Lai, J.-Y Development

of a Multicolor 3D Printer Using a

Novel Filament Shifting Mechanism

Publisher’s Note: MDPI stays neutral

with regard to jurisdictional claims in

published maps and institutional

affil-iations.

Copyright: © 2022 by the authors.

Licensee MDPI, Basel, Switzerland.

This article is an open access article

distributed under the terms and

conditions of the Creative Commons

Attribution ( C C BY) license (htt ps://

creativecommons.org/licenses/by/

4.0/).

Abstract: Three-dimensional printing has become an unchallenged method for the manufacturing of

complex shape objects Although multicolor devices in Fuse Filament Feeder category recently have shown promising developments, their number still remains limited The present study introduces the design of a new prototype of three-dimensional printer using Fused Filament Feeder and capable

of printing multicolor objects A single-color three-dimensional printer is used as a platform and

is augmented for multicolor printing by the implementation of a mechatronic device that provides two functions First, a transmission mechanism based on planetary gears allows feeding the selected filament color toward the printing head The second function is provided by a combination of a central cam disk and several pushing rods It allows selecting the filament color to be fed by the transmission system The mechatronic device has been dimensioned to manage five different filament colors and the printing head has been modified to accommodate a five-to-one diamond nozzle The filament shifting device is integrated into the single-color three-dimensional printer and a series

of validation experiments has been carried out These tests have demonstrated the new prototype ability to print out multicolor objects and to rival with commercial three-dimensional printers in terms of dimensional accuracy This shows the ability of the proposed design and method to be used

to upgrade a standard single-color 3D printer into a multicolor one The presented multicolor 3D printer will be available to the 3D printing community for free.

Keywords: additive manufacturing; filament shifting device; multicolor 3D printer

1 Introduction

Unlike traditional manufacturing techniques, such as casting and machining material,three-dimensional (3D) printing, also known as Additive Manufacturing (AM) is a man-ufacturing process that consists in creating objects by adding material layer by layer [1].This method offers many advantages over traditional manufacturing technologies such

as rapid prototyping, less waste of material, and the ability to manufacture complex ometries [2] Although 3D printers can be classified into several categories depending ontheir additive manufacturing method, the Fused Filament Fabrication (FFF) is the mostwidely spread because its hardware and material are relatively affordable compared

ge-to other methods [3,4] Generally, most existing FFF printers operate with single color.With the rising request for color parts, more and more designers are considering thepossibilities of printing in different colors by using FFF technology [5] In the medical fieldfor example, surgeons and physicians want to produce specific 3D models based onpatient anatomical parts for demonstration in patient consultation or for surgical pre-operative planning [6 9] In both cases, the use of different colors can help differentiatingseveral organs, represent-ing different level of biomechanical properties, highlightingspecific anatomical element

Inventions 2022, 7, 34 https://doi.org/10.3390/inventions7020034 https://www.mdpi.com/journal/inventions