Thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài thiết kế sản phẩm cơ điện tử “máy in 3d mini

Sơ đồ cấu trúc chức năng tổng thể của thang máy .... Sơ đồ cấu trúc chức năng bảo vệ hệ thống điện máy in .... Trong In 3D, các lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau và được định dạng dướ

Trang 1

Đề tài: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử “Máy in 3D mini”

Hà Nội - 2022

Trang 2

1.1.2 Sự phát triển và tiềm năng của công nghệ in 3D 5

1.2 Phân loại công nghệ in 3D 5

1.3 Xác định nhiệm vụ thiết kế 7

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG THIẾT KẾ 8

2.1 Phân tích nhiệm vụ thiết kế 8

2.1.1 Thiết lập danh sách yêu cầu 8

2.1.2 Tóm tắt để xác định các vấn đề cơ bản 10

2.1.3 Thiết lập cấu trúc chức năng 14

2.1.4 Tìm kiếm nguyên tắc làm việc 18

2.1.5 Kết hợp các nguyên lý làm việc 21

2.1.6 Lựa chọn biến thể phù hợp 21

2.1.7 Tổng hợp và đánh giá các biến thể 23

2.2 Thiết kế cụ thể 24

2.2.1 Thiết lập danh sách yêu cầu và xác định điều kiện biên hoặc không gian cưỡng bức của bước thiết kế cụ thể 24

2.2.2 Xác lập layout thô nhằm xác định phương án tổng thể của các bộ phận thực hiện chức năng chính 26

2.2.3 Thiết kế kết cấu cơ khí 28

2.2.4 Thiết kế hệ thống tạo nhiệt 40

2.2.5 Thiết kế bản vẽ 42

2.2.6 Thiết kế hệ thống điện 43

2.2.7 Thiết kế hệ thống điều khiển và các cảm biến 45

2.2.8 Thiết kế khối hiển thị và giao tiếp ngoại vi 51

2.2.9 Lưu đồ thuật toán điều khiển 51

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

Trang 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Công nghệ in 3D FDM 6

Hình 1.2 Công nghệ in 3D Resin 6

Hình 1.3 Công nghệ in 3D SLS 7

Hình 2.1 Chức năng tổng thể của máy in 3D 14

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc chức năng tổng thể của thang máy 15

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc chức năng cấp nguồn máy in 16

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc chức năng biến đổi điện áp 16

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc chức năng bảo vệ hệ thống điện máy in 16

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc chức năng dẫn động trục Z 16

Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc chức năng dẫn động các trục X,Y 16

Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc chức năng kết nối các thiết bị ngoại vi 17

Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát lượng vật liệu in 17

Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát nhiệt độ máy in 17

Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát vị trí đầu in 18

Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc chức năng xây dựng vật thể 3D 18

Hình 2.13 Sơ đồ cây những tiêu chí đánh giá cho một hệ thống máy in 3D 22

Hình 2.14 Sơ đồ bố trí hình học các bộ phận của máy in 3D 26

Hình 2.15.Phân chia các nhóm bộ phận chính 27

Hình 2.16 Sơ đồ thiết kế phần khung máy 28

Hình 2.17 Bulong, ke góc, con trượt 29

Hình 2.18 Sơ đồ kết cấu trục X 29

Hình 2.19 Puly GT2-20 răng 30

Hình 2.20 Thông số kích thước động cơ 30

Hình 2.21 Thông số kĩ thuật đai GT2 31

Trang 4

Hình 2.37 Dây nguồn dời đầu cắm hai chân 44

Hình 2.38 Công tắc kèm ổ cắm cho dây nguồn 44

Hình 2.39 Nguồn tổ ong 12V-30A 45

Hình 2.40 Sơ đồ khối các linh kiện 46 Bảng 2.1 Danh sách yêu cầu cho hệ thống máy in 3D 10

Bảng 2.2 Nguyên tắc làm việc cho từng chức năng trong máy in 3D 21

Bảng 2.3 Điểm đánh giá cho các biến thể 24

Bảng 2.4 Bảng phân chia nhiệm vụ thiết kế 28

Bảng 2.5 Thông số kĩ thuật dậy cắm nguồn 44

Bảng 2.6 Thông số kĩ thuật công tắc khởi động máy in 3D 44

Bảng 2.7 Thông số kĩ thuật của nguồn 12V-30A 45

Bảng 2.8 Thông số kỹ thuật Arduino mega 2560 47

Bảng 2.9 Thông số kĩ thuật của RAMPS 1.4 48

Bảng 2.10 Thông số kĩ thuật Driver A4988 48

Trang 5

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây ngành Cơ Điện tử có những bước phát triển vượt bậc, việc ứng dụng các sản phẩm cơ điện tử vào sản xuất ngày càng phổ biến giúp nâng cao năng suất lao động và hạ giá thành sản phẩm Song song với quá trình phát triển đó là yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác, tin cậy, khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt với thời gian dài của các hệ thống cơ điện tử Vì vậy việc nghiên cứu và thiết kế các hệ thống cơ điện tử để đáp ứng được yêu cầu trên là việc làm cần thiết Sự phát triển của hệ thống cơ điện tử là sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới

Học phần Thiết kế hệ thống Cơ Điện tử được đưa vào giảng dạy với mục đích giúp sinh viên có kiến thức và tư duy trong việc lập kế hoạch công việc theo trình tự hợp lý để có thể thiết kế được một hệ thống cơ điện tử hoạt động ổn định, tối ưu và hiệu quả Học phần cũng rèn luyện cho sinh viên khả năng tư duy hệ thống, kỹ năng làm việc nhóm và kiến thức về nhiều mảng khác nhau, giúp ích cho học tập và công việc sau này

Sau quá trình học tập và tự tìm hiểu về học phần, nhóm sinh viên đã lựa chọn và hoàn thành báo cáo bài tập lớn với đề tài: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử “Máy in 3D mini” Đây là một đề tài hay và có tính ứng dụng cao trong đời sống đồng thời cũng là cơ sở cho những nghiên cứu và sản phẩm sau này của sinh viên

Do thời gian và kiến thức còn nhiều hạn chế nên bài tập lớn này của nhóm chúng em còn tồn tại nhiều thiếu sót, kính mong được sự góp ý và chỉ bảo từ thầy cô và các bạn

Trang 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về công nghệ in 3D 1.1.1 Máy in 3D

In 3D (tiếng Anh: Three Dimensional Printing) hay còn gọi là Công nghệ bồi đắp vật liệu, là một chuỗi kết hợp các công đoạn khác nhau để tạo ra một vật thể ba chiều Trong In 3D, các lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể Các đối tượng này có thể có hình dạng bất kỳ, và được tạo ra từ một mô hình 3D hoặc các nguồn dữ liệu điện tử khác Máy In 3D thật ra là một loại robot công nghiệp

Máy in 3D là một thiết bị sản xuất có sự hỗ trợ của máy tính CAM để tao ra các vật thể ba chiều Giống như máy in truyền thống, máy in 3D nhận dữ liệu kỹ thuật số từ máy tính làm đầu vào Tuy nhiên, thay vì in đầu ra trên giấy, máy in 3D xây dựng mô hình ba chiều từ vật liệu tuỳ chỉnh

Máy in 3D sử dụng một nguyên lý được gọi là sản xuất phụ gia để tạo thành các đối tượng vật lý từng lớp một cho đến khi mô hình hoàn chỉnh Điều này khác với sản xuất trừ lùi (gia công CNC) trong đó máy định hình lại hoặc loại bỏ vật liệu khỏi khuôn hiện có Vì máy in 3D tạo ra các mô hình từ đầu, chúng hiệu quả hơn và tạo ra ít chất thải hơn so với các thiết bị sản xuất trừ đi Để một máy in hoạt động, cần có hệ thống phần mềm điều khiển, phần mềm sẽ xử lý thiết kế CAD, chia nó thành các lớp, sau đó tính toán và tạo đường chạy cho đầu in của mỗi lớp in

1.1.2 Sự phát triển và tiềm năng của công nghệ in 3D

Công nghệ in 3D đang ngày càng phát triển, không chỉ giúp cho việc chế tạo khuôn mẫu được chính xác và dễ dàng hơn mà còn tìm được nhiều ứng dụng trong thực tế cuộc sống Công nghệ in 3D đang được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp sản xuất chế tạo, y khoa, kiến trúc, xây dựng…

Có thể nói rằng, công nghệ in 3D không hề có giới hạn, chúng ta có thể in bất kỳ đồ vật, chi tiết, vật thể nào mà ta có thể nghĩ ra Có lẽ giới hạn duy nhất chính là tưởng tượng của con người mà thôi Điều này đã chứng mình một điều rằng, in 3D sẽ là tương lai của thế giới khi tất cả những gì phục vụ cho đời sống của con người sẽ gắn liền với bốn chữ "công nghệ in 3D"

1.2 Phân loại công nghệ in 3D

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều công nghệ in 3D, từ đơn giản tới phực tạp, từ vật liệu nhựa cho tới kim loại, gốm, thủy tinh… Tuy nhiên, nhóm em sẽ tạm phân loại công nghệ in 3D thành ba nhóm chính:

a Công nghệ in 3D FDM

FDM là công nghệ in 3D đơn giản và có giá thành rẻ nhất Và cũng là công nghệ in được sử dụng trong hầu hết các máy in 3D trên thị trường Về cơ bản, máy in FDM sẽ nung nóng chảy và đùn sợi dây nhựa theo từng lớp một tạo thành mô hình

Trang 7

Hình 1.1 Công nghệ in 3D FDM

- Ưu điểm: Công nghệ in3D FDM giá thành rẻ, dễ sử dụng In được các mẫu có kích thước lớn

- Nhược điểm: Độ mịn vật in không cao, khó in các mẫu phức tạp

- Ứng dụng: FDM có rất nhiều ứng dụng, hầu như có thể áp dụng trong mọi lĩnh vực

b Công nghệ in 3D Resin

Là tên gọi chung của một loạt công nghệ in 3D dựa trên loại mực in 3D resin lỏng Bao gồm có: công nghệ SLA, DLP và in 3D liên tục

Hình 1.2 Công nghệ in 3D Resin

Ưu điểm: Công nghệ in 3D Resin cho ra sản phẩm có độ mịn cao

Nhược điểm: Quy trình in Resin phức tạp, chỉ nên dùng để in các mẫu bé và tinh xảo Ứng dụng: Tạo mẫu 3D đồ trang sức, nha khoa, mô hình minature

Trang 8

c Công nghệ ịn 3D SLS

SLS là công nghệ in sử dụng tia laser chiếu lên các lớp bột (kim loại hoặc polymer) làm chúng nóng chảy và kết dính với nhau tạo nên hình khối vật thể

Hình 1.3 Công nghệ in 3D SLS

Ưu điểm: Công nghệ in 3D SLS có thể in được những vật thể có hình dáng vô cùng phức tạp

Nhược điểm: Quy trình in SLS tốn kém và cần đầu tư nhiều thiết bị hỗ trợ Ứng dụng: Tạo mẫu chi tiết máy, sa bàn, kiến trúc, in 3D tượng người

1.3 Xác định nhiệm vụ thiết kế

Ngày nay, công nghệ in 3D không ngừng phát triển và đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể Đã có rất nhiều những phát minh mới, với tính năng và hình thái tiến bộ vượt bậc, tạo cho máy in 3D có nhiều kích thước cũng như cách thức điều khiển và hoạt động khác nhau nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng của con người Tuy nhiên trong báo cáo này, nhóm chúng em sẽ tập trung vào tìm hiểu, nghiên cứu và thiết kế một máy in 3D mini sử dụng công nghệ in FDM có ứng dụng trong công việc học tập và nghiên cứu

Trang 9

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG THIẾT KẾ

2.1 Phân tích nhiệm vụ thiết kế

Trước khi bắt đầu phát triển sản phẩm, cần phải làm rõ được nhiệm vụ thiết kế một cách chi tiết Việc phân tích nhiệm vụ thiết kế trải qua các bước cơ bản sau:

2.1.1 Thiết lập danh sách yêu cầu

Nhóm 13 DANH SÁCH YÊU CẦU CHO MÁY IN 3D MINI 21/03/2022

Kích thước khu vực in: >12 x 12 x 12cm.

Độ phân giải giữa các lớp in: 0,1 - 0,4mm Sai số trục X, Y: 0,01-0,02 mm

Sai số trục Z: 0,005-0,01mm Đường kính đầu in: ≤ 0,6mm

Đường kính đầu gắn sợi nhựa: 1 – 2 mm Có cổng gắn thẻ nhớ, cổng kết nối USB

Động học:

Loại chuyển động: chuyển động tịnh tiến theo các trục XYZ trong không gian

Tốc độ di chuyển theo hai trục X, Y: ≤ 100mm/s Tốc độ di chuyển của đầu in theo trục Z:

Trang 10

- Có bộ biến đổi điện áp Nguồn điện đầu vào bộ biến đổi phù hợp với điện áp lưới: 100 – 240 VAC

- Nguồn đầu vào hệ thống: 12 – 24 VDC - Công suất tiêu thụ tối đa: 300W

An toàn với người sử dụng

Có thể chịu nhiệt độ ≤ 180℃ và cách nhiệt tốt Riêng đầu in chịu nhiệt ≤ 300℃

- Độ nhạy của các cảm biến (nhiệt độ, khoảng cách, …) cao để đảm bảo an toàn

Nắp máy và tấm in có thể tháo rời

Đầu in và vật liệu in có thể thay thế dễ dàng

Vận hành:

Trang 11

Linh kiện dễ sửa chữa và thay thế

Bảng 2.1 Danh sách yêu cầu cho hệ thống máy in 3D

2.1.2 Tóm tắt để xác định các vấn đề cơ bản

a Giai đoạn 1: Loại bỏ sở thích cá nhân, bỏ qua các yêu cầu không ảnh hưởng trực tiếp đến chức năng và các ràng buộc cần thiết

Kích thước khu vực in: > 12 x 12 x 12cm.

Động học:

Tốc độ di chuyển theo hai trục X, Y: ≤ 100mm/s Tốc độ di chuyển của đầu in theo trục Z: ≤ 50mm/s

Năng lượng:

Điện năng:

Trang 12

- Có bộ biến đổi điện áp Nguồn điện đầu vào bộ biến đổi phù hợp với điện áp lưới: 100 – 240 VAC

- Nhận dữ liệu đầu vào thông qua đầu đọc thẻ nhớ, cổng USB, …

Trang 13

b Giai đoạn 2: Chuyển đổi dữ liệu định lượng thành dữ liệu định tính và giảm chúng thành các tuyên bố thiết yếu

- Hệ thống bảo vệ nguồn Nhiệt năng:

- Nhiệt độ vật liệu in khi in ≤ 280℃ - Nhiệt độ buồng máy khi in ≤ 150℃ - Tản nhiệt cho đầu in

- Nhận dữ liệu đầu vào thông qua nhiều nguồn kết nối - Độ nhạy của các cảm biến cao

Đầu ra:

- Hiển thị sắc nét, dễ nhìn, dễ hiểu, dễ sử dụng - Đáp ứng vận hành nhanh

Trang 14

c Giai đoạn 3: Trong mức độ nhất định, khái quát lại kết quả bước trước

Hình học:

Kích thước máy nhỏ gọn, khép kín Cổng gắn thẻ nhớ, cổng kết nối USB

Động học:

Kiểm soát tốc độ di chuyển của các trục

Kiểm soát tốc độ in.

Năng lượng:

Điện năng:

- Có bộ biến đổi điện áp Nguồn điện đầu vào bộ biến đổi phù hợp với điện áp lưới

- Hệ thống bảo vệ nguồn Nhiệt năng:

- Nhiệt độ vật liệu in khi in ≤ 280℃ - Nhiệt độ buồng máy khi in ≤ 120℃ - Tản nhiệt cho đầu in

Trang 15

Đầu vào:

- Tương tác bằng nút ấn hoặc cảm ứng

- Nhận dữ liệu đầu vào thông qua nhiều nguồn kết nối - Độ nhạy của các cảm biến cao

d Giai đoạn 4: Hình thành vấn đề theo các thuật ngữ trung lập về giải pháp

Thiết kế máy in 3D mini sử dụng công nghệ in FDM, vận hành tự động, an toàn, dễ dàng lắp đặt, bảo trì và sửa chữa

2.1.3 Thiết lập cấu trúc chức năng

a Chức năng tổng thể

Khái quát chức năng tổng thể của máy in 3D:

Hình 2.1 Chức năng tổng thể của máy in 3D

Trang 16

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc chức năng tổng thể của thang máy

Trang 17

b Các chức năng con

- Chức năng cấp nguồn máy in

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc chức năng cấp nguồn máy in

- Chức năng biến đổi điện áp

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc chức năng biến đổi điện áp

- Chức năng bảo vệ hệ thống điện

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc chức năng bảo vệ hệ thống điện máy in

- Chức năng dẫn động trục Z:

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc chức năng dẫn động trục Z

- Chức năng dẫn động các trục X,Y:

Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc chức năng dẫn động các trục X,Y

- Chức năng nhận dữ liệu từ thiết bị bên ngoài

Trang 18

Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc chức năng kết nối các thiết bị ngoại vi

- Chức năng kiểm soát lượng vật liệu in:

Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát lượng vật liệu in

- Chức năng kiểm soát nhiệt độ

Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát nhiệt độ máy in

- Chức năng kiểm soát vị trí đầu in

Trang 19

Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát vị trí đầu in

- Chức năng xây dựng vật thể 3D:

Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc chức năng xây dựng vật thể 3D

2.1.4 Tìm kiếm nguyên tắc làm việc

Trang 20

Cầu chì Cầu dao

11 Chuyển đổi điện – cơ Động cơ Servo Động cơ bước

hướng Ray dẫn hướng

16 Đẩy vật liệu Cơ cấu con lăn

Cơ cấu bánh răng

Trang 21

17 Chuyển đổi điện – nhiệt

Tấm gia nhiệt Thanh gia nhiệt Dây đốt nóng

18 Nung chảy vật liệu Tấm gia nhiệt Thanh gia nhiệt Dây đốt nóng

19 Làm nóng bàn in Tấm dẫn nhiệt Dây dẫn nhiệt 20 Tản nhiệt Tản nhiệt nước

Quạt tản nhiệt

21 Cân bằng bàn in Ốc vít lò xo Bulong – đai ốc

22 Xử lý và điều khiển PIC Ardruino Cortex

Trang 22

Các nguyên tắc làm việc được kết hợp thành các biến thể được biểu diễn như trong bảng 2.2 Cụ thể những nguyên tắc được đặt ký hiệu cùng màu sẽ tạo thành một biến thể Theo bảng 2.2 ta có thể thấy có ba biến thể với ba màu khác nhau được chọn ra tương ứng màu đỏ (biến thể 1), màu vàng (biến thể 2) và màu xanh (biến thể 3) Từ đây ta xét tới tính khả thi của các biến thể vừa được tạo ra

Để lựa chọn ra được biến thể phù hợp nhất, ta tiến hành xây dựng các tiêu chí để đánh giá và so sánh các biến thể Tuy nhiên độ phức tạp và quan trọng của các tiêu chí để đánh giá là khác nhau, vì thế để có thể bao quát và thấy được mức độ quan trọng của các tiêu chí, ta xây dựng một cây mục tiêu Trong cây mục tiêu bao gồm những tiêu chí đặt ra cho biến thể Trong các tiêu chí lớn có những tiêu chí nhỏ hơn được đặt ra Số điểm bên trái (w) là độ quan trọng của tiêu chí đó với tiêu chí lớn hơn, số điểm bên phải (wt) là độ quan trọng của tiêu chí đó với tổng thể hệ thống (hình 2.13)

Trang 23

Hình 2.13 Sơ đồ cây những tiêu chí đánh giá cho một hệ thống máy in 3D

Trang 24

Chuyển đổi điện - nhiệt 0,05 0.025 0.02 0.015 Nung chảy vật liệu 0.04 0.015 0.015 0.01

Làm nóng bàn in 0.04 0.03 0.03 0.01 Tản nhiệt 0.02 0.015 0.005 0.005

Trang 25

Bảng 2.3 Điểm đánh giá cho các biến thể

Qua quá trình đánh giá ta thấy biến thể số 1 có số điểm đánh giá cáo nhất và xếp hạng tổng thể tốt nhất Điều đó cơ bản chứng tỏ biến thể 1 được tối ưu tốt nhất đối với các tiêu chí đề ra Từ đó ta thấy biến thể 1 đại diện cho một giải pháp nguyên tắc tốt để bắt đầu giai đoạn thiết kế cụ thể

2.2 Thiết kế cụ thể

2.2.1 Thiết lập danh sách yêu cầu và xác định điều kiện biên hoặc không gian cưỡng bức của bước thiết kế cụ thể

Hình học:

Trang 26

Chiều cao: ≤ 50cm Chiều dài: ≤ 40cm Chiều rộng: ≤ 40cm Trọng lượng: ≤10kg

Kích thước khu vực in: > 12 x 12 x 12cm.

Động học:

Tốc độ di chuyển theo hai trục X, Y: ≤ 100mm/s Tốc độ di chuyển của đầu in theo trục Z: ≤ 50mm/s

Bàn in chống xước, chống dính tốt Vật liệu in đa dạng: ABS, PLA, …

Tín hiệu:

Trang 27

Đầu vào:

- Tương tác bằng nút ấn hoặc cảm ứng

- Nhận dữ liệu đầu vào thông qua đầu đọc thẻ nhớ, cổng USB, …

2.2.2 Xác lập layout thô nhằm xác định phương án tổng thể của các bộ phận thực hiện chức năng chính

a Bố trí hình học

Hình 2.14 Sơ đồ bố trí hình học các bộ phận của máy in 3D