nghiên cứu thiết kế chế tạo máy khắc laser 2d mini phục vụ tuyển sinh

Nhận thấy được vấn đề nhỏ nhoi nhưng mang ý nghĩa quan trọng trong quá trình sản xuất và học tập, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy khắc laser 2D mini phục vụ tuyển sinh“ sẽ thúc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Học kỳ 01 năm học 2023-2024

Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Bá Trương Đài

- Các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước

3 Nội dung chính của đồ án:

o Tổng quan máy khắc CO2, máy khắc mini laser

o Phân tích phương án và đề xuất phương án cải tiến thiết kế khắc laser CO2

o Thiết kế và chế tạo máy khắc laser mini 2D

o Chế tạo mô hình cải tiến máy khắc laser CO2 và máy khắc mini 2D

4 Các sản phẩm dự kiến

o Thuyết minh thiết kế, tính toán mô hình cải tiến máy khắc laser CO2 và máy khắc mini 2D

o Hồ sơ thiết kế máy khắc laser CO2 và máy khắc laser mini

o Mô hình máy máy cải tiến máy khắc laser CO2 và máy khắc laser mini 2D

5 Ngày giao đồ án: 6 Ngày nộp đồ án:

7 Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh  Tiếng Việt 

TRƯỞNG KHOATRƯỞNG BỘ MÔNGIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI CAM KẾT

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy khắc laser 2D mini phục vụ tuyển sinh” GVHD: ThS Nguyễn Bá Trương Đài

GVC.TS Đặng Minh Phụng Họ tên sinh viên:

Nguyễn Việt Tùng - MSSV: 19143359 – Điện thoại: 0917133576 Địa chỉ: 43 đường số 37, phường Linh Đông, TP Thủ Đức

Email: 19143359@student.hcmute.edu.vn

Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp (ĐATN):

Tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và hoàn thành Tôi không sao chép từ bất kì một bài viết nào đã được đăng tải mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có bất kì một sự vi phạm nào, Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

NGƯỜI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Bá Trương Đài và thầy Đặng Minh Phụng đã giành thời gian hỗ trợ, nhiệt tình hướng dẫn và dẫn dắt em với đề tài này Với những kiến thức quý báu và kinh nghiệm dày dặn của thầy, em đã được nhìn ra được nhiều yếu điểm và thiếu sót của bản thân để càng ngày càng rèn giũa và khắc phục, giúp em đi đến kết quả mà em không thể hài lòng hơn

Đồng thời em cũng cảm ơn các thầy cô đã đồng hành cùng em trong suốt những năm học vừa qua, giúp em mở rộng được những chân trời mới lạ về mảng Cơ khí chế tạo máy Nhờ đó mà em có thể áp dụng những kiến thức về cơ sở ngành vào chính đề tài của mình để công trình được diễn ra thật sự suôn sẻ, em cảm thấy thật sự biết ơn với những công lao mà các thầy cô đã dành ra cho em

Bên cạnh đó, không thể phủ nhận được những công lao của các bậc phụ huynh đã tạo điều kiện cho em tiếp cận được môi trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đầy sự nhiệt huyết, tiến bộ và giúp em trở thành một con người có ích hơn trong toàn xã hội nói chung và là một trong những người có thể đóng góp cho nền công nghiệp cơ khí cho nước nhà nói riêng

Em cũng xin gửi những lời cảm ơn đến các anh chị khóa trên cùng những bạn sinh viên đã cùng em tiến bước đi đến ngày hôm nay Tất cả những sự đóng góp, sự hỗ trợ về kiến thức, tài liệu cho đến những kinh nghiệm thực tiễn đã một phần đóng góp cho chính đề tài của em ngày hôm nay

Em xin chân thành cảm ơn

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu 1

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 2

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Nội dung nghiên cứu 2

1.5 Phương pháp ngiên cứu 3

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận 3

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu cụ thể 3

1.6 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 3

1.6.1 Các nghiên cứu trong nước 3

1.6.2 Các nghiên cứu ngoài nước 4

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MÁY KHẮC LASER HIỆN NAY 6

2.1 Lịch sử phát triển của máy cắt khắc laser và nguồn tia laser 6

2.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển của tia laser 6

2.1.2 Lịch sử ra đời và phát triển của máy cắt khắc laser 6

2.2 Các loại máy cắt khắc laser 7

2.3 Các phương pháp khắc Laser 8

2.3.1 Khắc Engraving/Marking 8

CHƯƠNG III: KẾT CẤU CỦA MÁY KHẮC LASER DIODE 14

3.1 Kết cấu của máy khắc laser diode 14

3.2.3 Phân loại diode laser: 16

3.3 Ưu nhược điểm của máy khắc Laser diode so với các loại máy khắc khác 17

3.3.1 Ưu điểm 17

3.3.2 Nhược điểm 18

3.4 Kết Luận 18

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY KHẮC LASER 19

4.1 Mục tiêu thiết kế 19

4.2 Lựa chọn phương án thiết kế máy 19

4.2.1 Phương án 1(Bàn máy di chuyển) 19

4.2.2 Phương án 2(Bàn máy đứng yên) 19

4.2.3 Chọn phương án thiết kế máy 20

4.3 Cơ sở thiết kế máy khắc laser CNC mini 20

4.3.1 Phương án thiết kế bộ truyền 20

5.1 Tổng quát về hệ điều khiển 32

5.2 Lựa chọn các thành phần tạo nên hệ điều khiển 32

5.2.1 Bo mạch Arduino UNO R3 32

5.2.2 CNC shield V3 37

5.2.3 Mạch điều khiển động cơ bước A4988 39

5.2.4 Mạch điều khiển Laser 41

5.3.Động cơ cho trục nâng Z 42

CHƯƠNG VI: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM 44

6.1 Phần mềm GRBL Laser 44

6.2 Phần mềm inkscape 45

CHƯƠNG VII: KẾT NỐI VÀ SỬ DỤNG MÁY 48

7.1 Kết nối mô hình với máy tính 48

7.2 Sử dụng phần mềm GRBL laser 48

CHƯƠNG VIII CẢI TIẾN MÁY KHẮC CO2 LASER 56

8.1 Những cái tiến máy khắc CO2 laser 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

Tài liệu trong nước 64 Website tham khảo 64

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 : Máy khắc laser CO2 4

Hình 1.2 : Máy khắc laser Fiber 4

Hình 1.3 : Máy khắc laser diode 5

Hình 2.1 : Ứng dụng laser trong đóng gói bao bì 10

Hình 2.2 : Ứng dụng máy khắc laser trong quảng cáo 11

Hình 2.3 : Ứng dụng máy khắc laser 12

Hình 2.4 : Khắc chi tiết trên phụ tùng ô tô, xe máy, các sản phẩm cơ khí 12

Hình 2.5 : Đột mã hiệu , mã 2D, thông tin lên động cơ xe, máy móc 13

Hình 4.1 : Bộ truyền bulong – đai ốc 20

Hình 4.2 : Trục vít – đai ốc 21

Hình 4.3 : Ghép nối trục vít – đai ốc 22

Hình 4.4 : Truyền động bằng đai răng 23

Hình 4.5 : Nhôm định hình 20x20 25

Hình 4.6 : Khung máy mô phỏng trên inventor 2021 25

Hình 4.7 : Gối đỡ thanh trượt tròn SK 26

Hình 4.8 : Gối đỡ vít me trục đứng KP 27

Hình 4.9 : Thanh trượt 27

Hình 4.10 : Trục vít me và đai ốc T8 28

Hình 4.11 : Dây đai và pulley GT2 29

Hình 4.12 : Hình ảnh thiết kế toàn máy trên phần mềm inventor 29

Hình 4.13: Động cơ bước nema 17 30

Hình 5.1 : Mạch Arduino UNO R3 32

Hình 5.2 : Chip Atmega8 trên board Arduino UNO 34

Hình 5.3 : Các cổng vào/ra trên board Arduino UNO .35

Hình 5.4 : Môi trường lập trình Arduino IDE 37

Hình 5.5 : Arduino CNC shield V3 38

Hình 5.6 : Sơ đồ mạch của Arduino CNC Shield V3 39

Hình 5.7 : Mạch điều khiển động cơ bước Ã988 40

Hình 5.8 : Sơ đồ đấu dây mạch điều khiển động cơ bước Ã988 41

Hình 5.8: Driver điều khiển đầu khắc laser 41

Hình 5.9: Động cơ giảm tốc hộp số vuông góc JGY370 40RPM 42

Hình 5.10: Sơ đồ kích thước của Động cơ giảm tốc hộp số vuông góc JGY370 40RPM 43

Hình 6.1 : Phần mềm điều khiển máy khắc laser GRBL controller 44

Hình 6.2 : Phần mềm xử lý đồ họa Inkscape 46

Hình 7.1 Hộp thoại manager trên máy tính 48

Hình 7.2 Điều chỉnh cổng USB cho phần mềm GRBL Laser 49

Hình 7.3 Hộp thoại File trên phần mềm GRBL laser 49

Hình 7.4 Hộp thoại Import Raster Image trên phần mềm GRBL laser 50

Hình 7.5 Hộp thoại Target Images của phần mềm GRBL Laser 50

Hình 7.6 Kích hoạt Run Program để chạy máy 51

Hình 7.7 Logo trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM 52

Hình 7.8 Các sản phẩm của máy 52

Hình 7.9 Thiết kế hệ thống trục nâng cho máy 53

Hình 7.10 Đo kích thước cho bàn nâng 54

Hình 7.11 Tiến hành lắp đặt bàn nâng 54

Hình 7.12 Mô hình máy khắc laser 2D mini 55

Hình 8.1 Sản phẩm của máy khắc CO2 laser 56

Hình 8.2 Phần mềm Benbox 57

Hình 8.3 Hộp thoại Update Firmware 57

Hình 8.4 Điều chỉnh thông số trong phần mềm Benbox 58

Hình 8.5 Điều chỉnh hình ảnh để gia công trong phần mềm Benbox 59

Hình 8.6 Logo câu lạc bộ bóng đá Chelsea 59

Hình 8.7 Sơn khung máy 60

Hình 8.8 Test tia laser, chỉnh gương cho máy 60

DANH MỤC VIẾT TẮT

CNC Computer Numerical Control Máy công cụ điều khiểu bằng chương trình thông qua máy tính

thanh toán thẻ ngân hàng

POP Post Office Protocol Giao thức tầng ứng dụng

USB Universal Serial Bus Phương thức giao tiếp

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, ngành công nghiệp gia công chính xác đã đạt được nhiều thành tựu với sự xuất của nhiều máy móc hiện đại có khả năng xử lý các bộ phận phức tạp với độ chính xác cao, nâng cao năng suất lao động

Máy móc ngày càng hiện đại hơn, thì chi phí càng cao Đó là lý do tại sao rất nhiều kỹ sư đã tự tìm hiểu và chế tạo các máy nhỏ hơn, chi phí thấp hơn nhưng đủ để đáp ứng các nhu cầu của đời sống từ sản xuất đến giảng dạy và học tập

Trên thế giới và cả Việt Nam ngày nay, nhiều người đã và đang tham gia vào quá trình chế tạo ra các máy ứng dụng hệ thống CNC cỡ nhỏ phục vụ cho việc sử dụng trong gia đình, xưởng nhỏ để gia công các chi tiết từ đơn giản đến phức tạp với chi phí thấp Nhận thấy được vấn đề nhỏ nhoi nhưng mang ý nghĩa quan trọng trong

quá trình sản xuất và học tập, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy khắc laser

2D mini phục vụ tuyển sinh“ sẽ thúc đẩy sự sáng tạo và khả năng sử dụng kiến

thức của sinh viên trong việc đề xuất các giải pháp mới khi thiết kế máy và thiết kế, lập trình gia công chi tiết Việc thiết kế máy máy khắc laser 2D đòi hỏi sinh viên phải có kiến thức tổng quan về cơ khí, điện tử và tin học Nó phù hợp với hướng nghiên cứu chung của xã hội vì cải thiện nhu cầu cuộc sống Vì vậy, hướng nghiên cứu này không chỉ có lợi cho việc tích cực tìm tòi, nghiên cứu, từng bước làm chủ kiến thức về lĩnh vực này trong tương lai Máy khắc laser 2D mà nhóm đã hoàn thành giúp nhóm nắm vững những kiến thức, kinh nghiệm và kỹ năng cơ bản nhất về mọi mặt Sản phẩm hoàn chỉnh có thể được sử dụng cho học tập, khắc các chi tiết có kích thước vừa phải

1.2 Mục tiêu

Các mục tiêu cần đạt được khi nghiên cứu, thiết kế và kết nối máy

 Vận hành đơn giản, không mất quá nhiều thời gian điều chỉnh

 Nhỏ gọn, dễ di chuyển

 Thuận tiện khắc các chi tiết có kích thước khác nhau  Bảo đảm an toàn cho người sử dụng

 Lập trình điều khiển trên máy tính

 Sản phẩm có thể phục vụ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Máy khắc laser 2D sử dụng đầu diode - Bộ điều khiển Adruino V3

- Phần mềm thiết kế Creo Parametric 8.0

- Phần mềm thiết kế và xuất bản vẽ Inventor Professional 2022 - Động cơ Servo, motor giảm tốc

- Các phần mềm điều khiển: GRBL, BENBOX, LIGHTBURN

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu và chế tạo hoàn chỉnh máy khắc laser 2 trục có trục nâng Z Đảm bảo các yêu cầu đặt ra dưới đây:

- Vùng khắc khả dụng: 297 x 210 mm - Dung sai: ± 0.05 (mm)

- Thời gian thực hiện: 3 tháng - Công suất nguồn laser: 5.5W - Tốc độ nâng trục Z: 5,3`mm/s

1.4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Tìm hiểu về máy laser có sẵn trên thị trường Nội dung 2: Nghiên cứu phương án thiết kế cơ khí

Nội dung 3: Lựa chọn phương án thiết kế tối ưu nhất Nội dung 4: Thiết kế khung máy và hệ thống điện phù hợp

Nội dung 5: Gia công, lắp ráp khung máy và kết nối thiết bị điện vào bộ điều khiển

Nội dung 6: Kiểm tra độ tương thích của động cơ với bộ điều khiển Nội dung 7: Giới thiệu các chức năng của bộ điều khiển

Nội dung 8: Hoàn thiện mô hình và hướng dẫn vận hành máy Nội dung 9: Đánh giá kết quả

1.5 Phương pháp ngiên cứu 1.5.1 Cơ sở phương pháp luận

Dựa trên kiến thức hiện có của máy khắc laser Sau đó tiến hành tổng hợp, đánh giá các giải pháp đặt ra: trường hợp nào là tối ưu hoặc không tối ưu

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu cụ thể

Khảo sát thực tế và xây dựng mô hình và thực nghiệm: sản xuất mô hình máy khắc laser 2 trục, vận hành thử, gia công sản phẩm

1.6 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1.6.1 Các nghiên cứu trong nước

Ý tưởng sử dụng lệnh bộ nhớ để điều khiển máy trong máy công cụ CNC xuất hiện từ đầu thế kỷ XIV Ngày nay, máy công cụ CNC (máy tính điều khiển số - trung tâm CNC có sự trợ giúp của máy tính) ngày càng trở nên hoàn hảo và những tính năng vượt trội của chúng đã thúc đẩy sự phát triển của máy công cụ dựa trên hệ thống CNC Tia laser đầu tiên được Maiman phát minh vào tháng 5 năm 1960 Đó là laser ruby (trạng thái rắn) Sau đó nhiều loại laser khác đã ra đời như laser uranium, laser khí helium-neon, laser bán dẫn, laser khí CO2 và Nd: YAG, laser hóa, laser khí kim loại,… Có nhiều loại máy khắc phổi biến với nhiều công suất khắc lớn nhỏ và kiểu dáng phù hợp với mục đích sử dụng

Hình 1.1: Máy khắc laser CO2

Hình 1.2: Máy khắc laser Fiber

Hình 1.3: Máy khắc laser diode

1.6.2 Các nghiên cứu ngoài nước

Hiện nay ở Việt Nam công nghệ khắc laser đang rất phát triển Nhiều hệ máy laser phục vụ sản xuất nhỏ dần ra đời Một số trường đại học, cao đẳng đã tập trung

sản xuất các mô hình máy khắc laser phục vụ giảng dạy như mô hình máy khắc laser CO2 của Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, máy khắc laser diode của Đại học Giao Thông Vận Tải TP.HCM…

Tuy nhiên, các máy khắc laser tự chế ở Việt Nam thường ít được sử dụng vào mục đích tiếp cận với các bạn học sinh có đam mê và thích thú với công nghệ CNC nói chung và laser nói riêng mà chủ yếu dùng để phục vụ việc giảng dạy học tập của các giảng viên và sinh viên tại các trường đại học và sản xuất trong công nghiệp

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MÁY KHẮC LASER HIỆN NAY 2.1 Lịch sử phát triển của máy cắt khắc laser và nguồn tia laser 2.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển của tia laser

Tia laser được phát hiện lần đầu tiên bởi nhà vật lý Theodore Maiman trong một thí nghiệm tình cờ tại Hughes Laboratory ở Malibu, California vào những năm 1960 Sau phát hiện này, các nhà khoa học đã nghiên cứu sâu hơn và phát hiện ra nhiều lợi ích to lớn khi tận dụng nguồn tia laser này Một trong những cuộc nghiên cứu tiêu biểu là sự phát triển của laser bán dẫn đầu tiên bởi Robert N Hall vào năm 1962 Thiết bị của Hall xây dựng trên hệ thống vật liệu gali-asen và tạo ra tia có bước sóng 850nm, gần vùng quang phổ tia hồng ngoại Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov của Liên Xô cùng Hayashi và Panish của phòng thí nghiệm Bell đã độc lập phát triển thành công điốt laser hoạt động liên tục trong nhiệt độ phòng Từ đó, tia laser đã trở thành một công cụ tuyệt vời trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất cơ khí, nghệ thuật cho đến y học

2.1.2 Lịch sử ra đời và phát triển của máy cắt khắc laser

Năm 1965, Trung tâm Nghiên cứu Western Electric Engineering sản xuất thành công máy cắt laser đầu tiên và được sử dụng để khoét lỗ trên kim cương Hai năm sau, người Anh bắt đầu có những thành tựu đầu tiên trong việc cắt kim loại bằng tia laser bằng cách sử dụng hỗ trợ khí oxy Năm 1970, công nghệ này bắt đầu được đưa vào sản xuất để cắt titan cho các ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ Sau đó, thay vì sử dụng oxy, người ta bắt đầu kết hợp thành công tia laser với sự bổ trợ của khí CO2 và từ đó máy cắt laser CO2 ra đời Máy cắt CO2 được sử dụng để cắt phi kim, vải da, nhưng không thể đốt cháy kim loại Từ đó, với những thí nghiệm mới và nhiều sự kết hợp khác nhau, các nhà khoa học đã phát minh ra nhiều loại máy cắt laser hơn, có áp lực cao hơn và cắt nhanh gọn hơn so với những chiếc máy laser đời cũ

Ưu điểm lớn của máy cắt laser so với các công nghệ cơ khí khác là công cụ kẹp phôi dễ dàng hơn và giảm ảnh hưởng đến phôi Độ chính xác hoàn hảo và tia không bị

mòn trong quá trình cắt Máy cắt laser hiện đại giúp giảm cong vênh của vật liệu khi cắt và các hệ thống laser có một vùng nhiệt bị ảnh hưởng nhỏ Với kim loại, kim cương và một số vật liệu khác rất khó hoặc không thể cắt được bằng các công cụ truyền thống, đó là lúc máy cắt tia laser chất lượng cao phát huy hết sức mạnh của nó

2.2 Các loại máy cắt khắc laser

Hiện nay trên thị trường có nhiều loại máy khác laser được ứng dụng chủ yếu từ 3 nguồn laser là CO2 laser, YAG laser và Fiber laser

- CO2 laser là một trong những dòng máy gia công vật liệu cơ khí cao cấp, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất và gia công Khác với những phương pháp cắt truyền thống, máy cắt laser CO2 hoạt động bằng cách tạo ra một tia laser được tập trung và tập trung năng lượng để cắt hoặc khắc các vật liệu

- Fiber laser là loại máy chuyên dùng để khắc trên kim loại nhờ nguồn phát tia laser được truyền đi thông qua các sợi cáp quang (hay còn gọi là tia laser fiber), những tia laser fiber này hội tụ lại thành một điểm thông qua thấu kính với bước sóng khoảng 1,064 micromet có khả năng tạo ra đường kính tiêu cự vô cùng nhỏ, mật độ xử lí gấp khoảng 100 lần so với các dòng máy khắc laser CO2 với cùng công suất Chính vì thế, nó có khả năng khắc hoàn hảo trên các chất liệu kim loại khác nhau Tia laser fiber được phát minh ra vào năm 1961 bởi nhà vật lý Elias Snitzer và được mang ra trình diễn lần đầu tiên trước công chúng vào năm 1963

- YAG laser là dạng laser trạng thái rắn và được khắc trên vật liệu bằng cách bơm laser trực tiếp từ diot, thường được dùng trong nguồn laser YAG và Nd Bước sóng của loại máy cắt này giống như dòng laser Fiber phù hợp để ứng dụng khắc ký mã hiệu trên chất liệu kim loại và nhựa YAG là công nghệ laser mới chuyên dùng để cắt và khắc kim loại , đặc biệt là những vật liệu khó gia công theo các phương pháp truyền thống, ví dụ như các vật liệu siêu cứng hoặc

những vật liệu cực mỏng hoặc những chi tiết yêu cầu có độ tinh xảo cao YAG là sự kết hợp tuyệt vời của công nghệ Laser với bộ điều khiển cnc và hệ thống quang học.

2.3 Các phương pháp khắc Laser 2.3.1 Khắc Engraving/Marking

Engraving/ Marking là các chức năng khắc tiêu biểu hàng đầu của chiếc máy khắc laser và đem lại hiệu quả khắc tuyệt vời cho mọi quy trình xử lý công nghiệp Hai phương pháp trên hoạt động nhờ vào quá trình xử lý giống nhau đó là cắt đốt bằng tia laser gây ra sự nóng chảy hoặc bay hơi trên vật liệu tạo ra vết khắc có độ nông sâu khác nhau Thông thường, phương pháp Engraving có độ khắc sâu hơn Marking, nhưng Marking vẫn là phương pháp được ứng dụng rộng rãi hơn cả và ứng dụng phần lớn trong các ngành công nghiệp đặc biệt là quy trình khắc chống giả do có chức năng kháng mòn cao

2.3.2 Khắc Annealing

Laser Annealing là phương pháp khắc và nấu chảy vật liệu bằng tia laser dưới tác động của nhiệt độ và oxy, tạo ra các bản khắc có độ bền cao, khó tẩy xóa và có thể tạo ra các vật liệu khắc màu (chủ yếu là màu đen) trên bề mặt Phương pháp trên phù hợp với nhiều vật liệu kim loại nhưng phổ biến và hiệu quả hơn so với thép không gỉ

Đây là quá trình khắc laser không để lại vết bẩn trên vật liệu, cho ra bản khắc sạch, mịn phù hợp để khắc trên bề mặt sản phẩm hoặc thiết bị thành phẩm Tuy nhiên, tốc độ khắc của quá trình này thấp hơn so với phương pháp khắc laser do chủ yếu dựa vào hiệu ứng nhiệt

2.3.3 Khắc đổi màu vật liệu (Color change)

Một trong những phương pháp khắc laser tuyệt vời khác của máy khắc laser công nghiệp đó là khả năng khắc và thay đổi màu sắc của vật liệu, tạo hiệu ứng đẹp mắt và mang lại hiệu quả cao cho vật liệu Đây là phương pháp khắc dựa trên sự hấp thụ

của chùm tia laser khiến vật liệu bị cacbon hóa (quá trình nhiệt hóa) hoặc tạo bọt Đặc biệt, quá trình cacbon hóa tạo ra hiệu ứng màu đậm, khiến vết khắc đậm hơn vật liệu khắc; ngược lại, quá trình tạo bọt khiến vết khắc có màu nhạt hơn, có thể phát sáng trong bóng tối, mang lại hiệu ứng tích cực sử dụng Ngoài ra, phương pháp này còn cho phép tạo ra các bản khắc nhiều màu cực kỳ đẹp mắt, tùy thuộc vào đặc tính của vật liệu khắc được sử dụng

2.3.4 Khắc bóc lớp bề mặt (Surface removal)

Đây là phương pháp được phát triển từ kỹ thuật khắc sáng tối, thực hiện bằng cách bóc lớp bề mặt bên ngoài của vật liệu để tạo thành dấu khắc màu sắc của lớp vật liệu chính bên trong Những lớp sơn phủ này thường là sơn tĩnh điện hoặc phôi kim loại đặc biệt Sau khi khắc, lớp phủ này dễ dàng tách ra để tạo ra hình khắc mong muốn mà không ảnh hưởng đến lớp vật liệu chính bên trong nó

2.4 Ứng dụng của máy khắc laser: 2.4.1 Ngành sản xuất bao bì:

Ngày nay, công nghệ laser được sử dụng phần lớn trong ngành sản xuất bao bì sản phẩm để khắc mã hiệu, hạn sử dụng trực tiếp lên vỏ sản phẩm, thường được dùng để thay các phương thức khác như in phun mực nhằm mang lại chất lượng cao hơn cho sản phẩm bao bì Công nghệ khắc laser còn được ứng dụng rất linh hoạt trên nhiều loại chất liệu bao bì khác nhau như nhựa, kim loại, thuỷ tinh, giấy và mang lại hiệu quả nhất định cho mục đích sử dụng bao bì sản phẩm đó Sau đây là hàng loạt công dụng chính mà công nghệ laser có thể giúp ích cho nhu cầu sản xuất bao bì của bất kỳ doanh nghiệp sản xuất nào

Hiện nay, bao bì có thể bao gồm một hoặc nhiều lớp chức năng chẳng hạn như lớp nhựa PET sẽ làm tăng độ cứng và lưu giữ hương thơm cho sản phẩm, lớp PE được dùng để đóng kín và chống rách bao bì, lớp PP chống bay hơi nước và lớp nhôm thường dùng để bảo vệ sản phẩm chống tác nhân gây hại từ ánh sáng môi trường xung quanh Do đó, chức năng dễ mở EasyOpen được tạo ra từ công nghệ Laser sẽ làm cho các lớp hỗ trợ trên bao bì bị suy yếu giúp người sử dụng có thể dễ dàng mở

bao bì sản phẩm ra, tuy nhiên đặc điểm này của bao bì không làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm bên trong nó

Hình 2.1: Ứng dụng laser trong đóng gói bao bì

+ Đục lỗ siêu nhỏ trên bao bì

Ngày nay, việc kéo dài thời gian sử dụng và đảm bảo sự tươi sống của của thực phẩm là rất quan trọng, vì vậy, việc trao đổi chất khí để thực phẩm tươi ngon được thực hiện bằng cách đục rất nhiều lỗ siêu nhỏ trên bao bì

Có thể nói, công nghệ laser đã thực sự mang lại nhiều giải pháp mới cho ngành sản xuất bao bì thông qua những công dụng chủ yếu trên đây Nhờ đó, công nghệ Laser một lần nữa đã khẳng định được vai trò và thành tựu đạt được của mình trong lĩnh vực mới - ngành sản xuất bao bì, đem lại sự tiện lợi hơn cho nhà sản xuất và sự an tâm khi sử dụng của phần đông người tiêu dùng hiện nay

2.4.2 Ứng dụng trong ngành quảng cáo:

Hình 2.2: Ứng dụng máy khắc laser trong quảng cáo

Ứng dụng trong công nghệ in màu, cắt quảng cáo: Các sản phẩm in, cắt Decal Quảng cáo được xem là một công cụ không thể thiếu cho người làm quảng cáo, cho phép ứng dụng vào hàng loạt các sản phẩm như: trang trí dán tường, trang trí xe, bảng hiệu, POS, POP, in nhãn, phim truyền nhiệt…

Khắc dấu: Con dấu được làm từ nhiều chất liệu khác nhau hay những con dấu được cá thể hóa độc đáo theo sở thích của người sử dụng tuy đa dạng và phong phú nhưng đều có thể được tạo ra đơn giản và nhanh chóng từ những chiếc máy khắc & cắt laser

Hình 2.3: Ứng dụng máy khắc laser

2.4.3 Trong ngành cơ khí:

Khắc mã vạch, mã 2D, Logo, số lô, số seri, thông tin sản phẩm

Hình 2.4: Khắc chi tiết trên phụ tùng ô tô, xe máy, các sản phẩm cơ khí

Hình 2.5: Khắc mã hiệu , mã 2D, thông tin lên động cơ xe, máy móc

CHƯƠNG III: KẾT CẤU CỦA MÁY KHẮC LASER DIODE 3.1 Kết cấu của máy khắc laser diode

3.1.4 Cơ cấu truyền động

Cơ cấu truyền động chính là phần quan trọng nhất của kết cấu máy khắc Nó phải có hành trình làm việc đủ dài để đầu laser có thể dịch chuyển được trong vùng làm việc, nhưng phải đảm bảo tính chính xác cao trong khi truyền động Việc sai số ở bộ truyền có ảnh hưởng rất lớn đến đầu cắt, do đó sẽ làm lệch đi sản phẩm gia công

Do khoảng cách truyền là dài, nhưng lại phải đảm bảo độ chính xác cao khi truyền, nên việc tính toán thiết kế phải kỹ lưỡng Tải trọng danh định cho bộ truyền là gần như bằng 0

Một số loại bộ truyền thường được sử dụng trong thực tế ở máy cắt laser: - Bộ truyền bulông – đai ốc

- Truyền động bằng trục vít me - Bộ truyền đai răng

3.1.5 Nguồn phát laser:

Năng lượng trong mỗi tia laser phát ra là rất cao Để đáp ứng được nhu cầu cắt giấy, vải, decan, khắc lên gỗ và một số loại vật liệu thì công suất của đầu cắt rơi vào khoảng từ 1 - 3W, bước sóng tia khoảng từ 300nm – 500nm Dựa và các thông số trên kết hợp phân tích tính kinh tế của máy mà ta chọn mua dược loại đầu cắt phù hợp theo đúng yêu cầu

3.2 Hệ thống nguồn laser diode 3.2.1 Khái niệm

Diode Laser là một thiết bị bán dẫn tương tự như đi-ốt phát sáng (LED) Nó sử dụng tiếp giáp p-n để phát ra ánh sáng kết hợp trong đó tất cả các sóng có cùng tần số và pha Ánh sáng kết hợp này được tạo ra bởi diode laser sử dụng một quá trình được gọi là Khuếch đại ánh sáng bằng sự phát xạ kích thích của bức xạ, được viết tắt là LASER Và vì một tiếp giáp p-n được sử dụng để sản xuất ánh sáng laser, thiết bị này được đặt tên là một diode laser

3.2.2 Cấu trúc hệ thống laser

Cấu trúc cụ thể của diode laser là chìa khóa cho nguyên tắc hoạt động của chúng Ở trung tâm của diode laser là một tiếp giáp p-n, là khoảng cách giữa một lớp vật liệu bán dẫn loại n và một lớp vật liệu bán dẫn loại p khác Sự hiện diện của điều này có nghĩa là dòng điện chỉ có thể chạy theo một hướng (có nghĩa là nó phân cực thuận) Thông thường những vật liệu này là gali arsenua pha tạp với nhôm, silic, selen hoặc indi Lớp loại p có nhiều hạt tích điện âm hơn trong khi phần loại n chứa đầy các electron

Ở cuối các lớp này là các bề mặt phản chiếu, với một lớp phản chiếu hoàn toàn và lớp kia phản chiếu một phần

Điều này có nghĩa là khi một dòng điện được cung cấp cho diode laser, quá trình sau sẽ xảy ra:

 Các electron tự do chuyển từ lớp n sang lớp p

 Một số electron này sẽ kết hợp với các hạt mang điện tích âm và kích thích chúng  Sự kích thích này làm cho mức năng lượng của chúng tăng lên và các photon (năng

lượng ánh sáng) được giải phóng

 Đến lượt các photon này kết hợp với nhiều electron hơn, gây ra sự kích thích lớn hơn và các photon khác được tạo ra

 Năng lượng ánh sáng này dội lại giữa hai lớp phản xạ, tạo ra một chùm ánh sáng mạnh phát ra từ diode laser.

3.2.3 Phân loại diode laser

Laser diode được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm:

Theo bước sóng:

Laser diode có thể có bước sóng từ 380 đến 1550 nm Các loại phổ biến bao gồm:

- Laser diode hồng ngoại: bước sóng từ 780 đến 1550nm, được sử dụng trong viễn thông, ghi và đọc dữ liệu, cắt và hàn, y tế…

- Laser diode đỏ: bước sóng từ 630 đến 780 nm, được sử dụng trong chiếu sáng, màn hình…

- Laser diode xanh lam: bước sóng từ 400 đến 480 nm, được sử dụng trong chiếu sáng, màn hình…

- Laser diode laze: bước sóng từ 1064 đến 1120 nm, được sử dụng trong cắt và hàn, y tế…

- Laser diode xung: tạo ra các xung laser ngắn, thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như phẫu thuật laser

- Laser diode trạng thái rắn: sử dụng chất bán dẫn trạng thái rắn làm môi trường hoạt động, có độ bền cao và có thể hoạt động trong nhiều điều kiện khắc nghiệt

3.3 Ưu nhược điểm của máy khắc Laser diode so với các loại máy khắc khác

3.3.1 Ưu điểm

- Ưu điểm chính của khắc laser diode là khả năng tạo ra nguồn laser nhỏ, nặng không quá 200kg nên máy in 3D hay máy CNC có thể dễ dàng biến thành máy khắc laser Ưu điểm lớn của diode laser là chỉ cần nguồn điện 12VDC, 7-8A để hoạt động

- Laser diode có bước sóng dài và có thể khắc hiệu quả các vật liệu phi kim loại Còn được gọi là laser sợi quang

- Năng lượng tiêu thụ cũng khá thấp Hệ thống điều khiển đơn giản và dễ sản xuất Tuổi thọ lên tới 50.000 giờ

3.3.2 Nhược điểm

- Hiệu suất thấp

- Khó điều chỉnh công suất

- Đường kính nhỏ nhất của điểm chất sáng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng - Sự phá hủy về nhiệt có ảnh hưởng tới phôi

- Cần phải xác định chính xác điểm gia công

3.4 Kết Luận

Việc lựa chọn đầu khắc laser diode và thiết kế hệ thống cơ khí nhỏ gọn cho máy khắc mini để phục vụ nhu cầu tuyển sinh tại các điểm trường là hoàn toàn phù hợp Với mức chi phí thấp, khả năng vận hành đơn giản và tính cơ động cao của máy sẽ đáp ứng được yêu cầu ban đầu đặt ra của đồ án

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY KHẮC LASER 4.1 Mục tiêu thiết kế

Sau khi phân tích, lựa chọn và thiết kế là một phần rất quan trọng nhằm đảm bảo khả năng hoạt động cho máy và tiết kiệm được chi phí đầu tư Bên cạnh đó, việc bố trí bộ điều khiển sao cho thuận tiện cho việc vận hành, hiệu chỉnh cũng khá quan trọng đồng thời tính thẩm mỹ cũng sẽ tăng lên Việc đó hỗ trợ rất nhiều trong quá trình thiết kế và gia công

Dựa vào đó bắt đầu tiến hành thiết kế mô hình máy khắc laser sao cho phù hợp, đảm bảo đầy đủ các chức năng Không những thế còn tiết kiệm chi phí và mang tính thẩm mĩ cao

4.2 Lựa chọn phương án thiết kế máy 4.2.1 Phương án 1(Bàn máy di chuyển)

Là kiểu bàn máy phổ biển trong các loại máy phay CNC Trong khi phay, mũi dao va chạm trực tiếp với bề mặt vật liệu, tức các động cơ, bộ truyền phải chịu thêm tải trọng lực cắt ngoài khối lượng đặt lên Do vậy mà kết cấu máy phải cứng vững, bàn máy mang phôi cho dịch chuyển để phân tán bớt lực cắt, giảm thiểu tác động lên dao Khi đó, dao đứng yên, bàn máy chuyển động, độ cững vững cao hơn Đặc điểm

- Khối lượng, diền tích lớn, cồng kềnh

- Kết cấu máy phải to, chắc chắn, đảm bảo độ cứng vững

- Độ rung lắc lớn khi bàn máy chuyển động

4.2.2 Phương án 2(Bàn máy đứng yên)

Là kiểu bàn máy mà khi cắt đầu cắt chịu ít tải trọng hơn, các máy có hành trình lớn, di chuyển rộng khắp bề mặt Trong máy cắt khắc laser, so sánh giữa việc di chuyển bàn máy và đầu cắt laser thì phương án bàn máy đứng yên hiệu quả hơn rất nhiều

Đặc điểm

- Đầu cắt là tia laser chỉ bắn ra tia, khi chuyển động là gần như không tải đối với cơ cấu truyền, nên việc dịch chuyển nhanh gọn và tiết kiệm năng lượng

- Kết cấu máy trở nên đơn giản, ít cồng kềnh hơn do không yêu cầu cao về độ cứng vững và chịu lực

- Giá thành chế tạo cho phương án bàn máy đứng yên kinh tế hơn

4.2.3 Chọn phương án thiết kế máy

Từ các phân tích trên ta thấy rõ ràng rằng chọn bàn máy đứng yên, đầu cắt laser chuyển động là phương án khả thi nhất khi thiết kế máy cắt khắc laser

4.3 Cơ sở thiết kế máy khắc laser CNC mini 4.3.1 Phương án thiết kế bộ truyền

a Bộ truyền bulong - đai ốc

Kết cấu của bộ truyền là sử dụng 1 thanh bulong dài đóng vai trò như trục vít trong bộ truyền vít – đai ốc Đai ốc vặn vào bulong Ta sẽ gắn bộ phận cần truyền động vào đai ốc và dung động cơ để xoay bulong, nhờ đó mà đai ốc có thể tịnh tiến dọc trục

Hình 4.1: Bộ truyền bulong – đai ốc

Ưu điểm

- Đơn giản dễ chế tạo

- Rẻ tiền, dẽ dàng thay thế, sửa chửa, bảo hành

- Bulong, đai ốc là loại dễ tìm kiếm trên thị trường, có nhiều sự lựa chọn trong khâu thiết kế

Nhược điểm

- Độ chính xác không cao

- Không có tính tự hãm đặc trưng của một bộ truyền vít – đai ốc

- Việc chế tạo nối trục giữa động cơ và bulong sẽ phải tự chế và làm thủ công

- Dễ bị tác động từ môi trường như rỉ, rít, truyền không trơn…

b Truyền động trục vít – đai ốc

Đây là cơ cấu rất thông dụng, thường thấy trong các máy tiện, phay, các máy có tính truyền động tương tự Động cơ được gắn vào vit me Khi động cơ chuyển động sẽ làm vít quay, do vit me và động cơ là cố định nên đai ốc sẽ tính tiến dọc theo chiều dài vít me Đai ốc được lắp chặt vào bộ phận cần truyền động (ở đây là trục X, trục Y), làm cho bộ phận đó chuyển động so với hệ thống thanh trượt

Hình 4.2: Trục vít – đai ốc

Bộ truyền trục vít – đai ốc biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến nhờ sự tiếp xúc, đẩy nhau giữa ren vít và ren đai ốc

Hình 4.3: Ghép nối trục vít – đai ốc

Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ của động cơ và bước ren của trục vit Một vòng quay của động cơ sẽ làm cho đai ốc di chuyển một doạn bừng bước ren của trục vít Do vậy khó đảm bảo độ chính xác khi di chuyển nhanh

- Chi phí thực hiện cao, yêu cầu độ chính xác

c Bộ truyền đai

Bộ truyền đai cũng thường được sử dụng nhiều trong các máy cắt tương tự Đối với tính tính xác của chuyển động cần truyền, chống trượt cũng như các sai sô nên chỉ có đai răng là thích hợp hơn cả cho bộ truyền

Hình 4.4: Truyền động bằng đai răng

Ưu điểm

- Kết cấu đơn giản, giá thành hạ xuống

- Làm việc êm, không gây ồn nhờ độ mềm dẻo của đai, thích hợp trong việc truyền động tốc độ cao (mà thực chất máy cắt đang thực hiện thì tốc dộ cũng không cao lắm do đầu cắt có thể cháy không kịp)

- Truyền động giữa trục cách xa nhau (với khoảng cách làm việc lớn nhất lên đến 950 mm thì truyền động đai hoàn toàn hợp lý)

- Hiệu suất truyền động cao

- Tiện lợi, dễ dàng cho việc điều khiển

Nhược điểm

- Có thể gặp vấn đề với kích thước, khuôn khổ lớn

- Lực tác dụng lên ổ trục lớn và phải căng đai ban đầu

- Tuổi thọ của đai thường thấp

- Yêu cầu độ chính xác cao, việc thi công lắp ráp khó khăn hơn

- Khó khăn trong việc tinh chỉnh độ song song của mặt đai cho việc kéo trục chính xác nhất

d Kết luật phương án truyền động

Dựa trên kết quả phân tích các phương án truyền động ở trên, kết hợp với các tính toán về khả năng cung cấp cũng như mua được các linh kiện cần thiết và điều kiện kinh tế, phương án truyền động bằng đai răng được chọn để thực hiện

4.3.2 Khung máy

Các tiêu chí để thực hiện bộ khung dưới của máy cắt:

- Đảm bảo độ chính xác về kích thước, độ bền cơ học chắc chắn

- Ray trượt sẽ được gắn trực tiếp vào khung dưới nên phải đảm bảo tính chính xác thiết kế

- Tương tác tốt các vị trí khi gắn các bộ truyền, mạch, động cơ lên

- Đảm bảo độ cân bằng, không chông chênh gây ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

- Thuận tiện cho việc di chuyển cũng như sửa chữa, tháo lắp

Dựa trên các thông số cũng như vùng làm việc, ta thực hiện vẽ trên phần mền inventor 2021 Máy chỉ dùng cho việc khắc bằng tia laser nên cơ cấu không cần phải quá cồng kềnh mà chỉ đơn giản là có 1 khung đủ cứng vững để tựa Ta dùng nhôm định hình 20x20 làm khung máy và phần đỡ cho ray trượt

Hình 4.5: Nhôm định hình 20x20

Hình 4.6: Khung máy mô phỏng trên inventor 2021