Dựa trên các yếu tố công nghệ từ đó tính toán thiết kế về kết cấu, về vị trí, không gian làm việc hệ thống cung cấp vật liệu để đưa qua đầu đùn tạo mẫu nhanh, sử dụng matlab và phần mềm
Giới thiệu đề tài nghiên cứu
Khái niệm về “tạo mẫu nhanh”
Công nghệ tạo mẫu nhanh đã xuất hiện từ năm 1980 và được đánh dấu bằng sáng chế của Charles W Hull vào năm 1984 về Thiết bị tạo hình lập thể (StereoLithography Apparatus - SLA), được công nhận vào năm 1986 và thương mại hóa bởi công ty 3D System vào năm 1987 Hệ thống tạo mẫu nhanh đã trang bị hơn 53 nước trên thế giới
Các khái niệm tạo mẫu nhanh được các tác giả như: Giáo sư Fritz Kloeke (Đại học Aechen), Tiến sĩ Chris Zhang (ĐH Saskatchewan), Kochan, Chen, Jack Zhou…trình bày theo mỗi cách riêng trong từng ngành nghề, và lĩnh vực khác nhau
Hình 1: Sự hình thành và phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 2 Theo Terry Wohler – Chủ tịch Hiệp hội tạo mẫu nhanh thế giới đã đưa ra khái niệm sau đây: “Tạo mẫu nhanh là công nghệ chế tạo mô hình vật lý hoặc mẫu sản phẩm từ dữ liệu thiết kế 3D trên máy tính hoặc từ dữ liệu chụp cắt lớp điện toán CT, cộng hưởng từ MRI hoặc từ dữ liệu của các thiết bị số hóa 3D” Tạo mẫu nhanh là công nghệ chế tạo mô hình vật lý hoặc mẫu sản phẩm từ những dữ liệu sau đây:
Thiết kế 3D trên máy tính
Dữ liệu chụp cắt lớp điện toán CT và cộng hưởng từ MRI
Dữ liệu từ các thiết bị số hóa 3D như các máy đo tọa độ CMM, máy quét 3D (3D scanner),…
Tuy nhiên, các chuyên gia đều quan niệm rằng tạo mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu vật lý từ những thiết kế 3D trên máy tính Tạo mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu theo từng lớp trực tiếp từ dữ liệu thiết kế 3D và là quá trình tạo mẫu không cần dùng khuôn và dụng cụ Đây là công nghệ chế tạo mô hình vật lý hoặc mẫu sản phẩm từ dữ liệu thiết kế 3D, được mô tả như hình 2
Với lợi ích của công nghệ tạo mẫu nhanh là tiết kiệm thời gian và chi phí để phát triển sản phẩm Do đó, tạo mẫu nhanh đang được ưa chuộng và sử dụng rộng rãi hầu hết các lĩnh vực như :
CẢI TIẾN MÔ HÌNH VẬT LÝ CẢI TIẾN MÔ HÌNH 3D
Hình 2 : Sơ đồ về kỹ thuật tạo mẫu nhanh
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 3 Trong y học tạo mẫu nhanh để tạo mẫu cấy ghép bộ phận giả, các dụng cụ y tế
Việc ứng dụng Tạo mẫu nhanh trong y học có khá nhiều dự án phối hợp Trước hết là tổ chức Nimbus TCS ở Đại học Kỹ Thuật Lousiana (Mỹ), INCS (Nhật), Anatomics (Úc) hoặc dự án Phidias của cộng đồng Châu Âu
Cũng như dự án phối hợp của Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM, bệnh viện Chợ Rẫy và Bệnh viện 115, Bệnh viện Nhân Dân Gia Định, Viện nghiên cứu ứng dụng công nghệ NACENTECH, Viện công nghệ Châu Á (Thái Lan) và Đại học tổng hợp Lewen ( Bỉ ) đồng tổ chức về dự án công nghệ y học, xây dựng mô hình, bộ phận cấy ghép thay thế xương
Trong cơ khí tạo mẫu nhanh cho phép thiết kế các mô hình chi tiết máy hoặc sản phẩm mẫu
Trong điện tử thiết kế các thành phần kết cấu, khung vỏ, các linh kiện ,…
Trong lĩnh vực Ôtô tạo mẫu nhanhứng dụng thiết kế mẫu nội thất và ngoại thất sản phẩm Ôtô nhanh chóng
Lĩnh vực xây dựng công nghệ FDM được ứng dụng để thiết kế các mô hình nhà, với các kiểu dáng, phương hướng theo yêu cầu Đối với dân dụng thì tạo mẫu nhanh FDM để thiết kế các sản phẩm được sử dụng trong đời sống hằng ngày
Thời điểm hiện tại, các công nghệ tạo mẫu nhanh không chỉ được sử dụng để tạo ra các mô hình, với những lợi thế về vật liệu nhựa nó đã có thể tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh, tất nhiên đầu tiên họ được phát triển để mở rộng các tình huống thử nghiệm trong quá trình tạo mẫu
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 4
Các dạng tạo mẫu nhanh thông dụng
Có nhiều phương pháp tạo mẫu nhanh, dưới đây trình bày sơ lược về đặc điểm của một số phương pháp thông dụng
Phương pháp SLA sử dụng laser được điều khiển theo tín hiệu máy tính quét qua từng mặt cắt ngang của mô hình 3D, giúp làm hóa cứng một lớp nhựa cảm quang Sau đó, thùng chứa nhựa lỏng được hạ thấp dần, tạo thành mô hình thông qua quá trình liên tục xếp lớp.
Phương pháp LOM (Laminated Object Manufacturing) dùng vật liệu dạng tấm có phủ keo dính (chủ yếu là giấy nhưng cũng có thể dùng tấm nhựa, tấm kim loại…) Nguồn Laser tạo ra từng lớp mặt cắt bằng cách cắt tấm vật liệu theo đường biên của mặt cắt vật thể Các lớp mặt cắt được dán lần lượt chồng lên nhau nhờ hệ thống con lăn gia nhiệt
Hình 3: Tạo mẫu nhanh SLA
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 5 Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering) là phương pháp thiêu kết bằng tia Laser Sau khi con lăn trải ra trên mặt bàn công tác một lớp bột với chiều dày đã định trước, nguồn Laser sẽ quét phủ trên bề mặt cần tạo lớp Ở vùng đó các hạt vật liệu sẽ dính kết vào nhau tạo thành một lớp
Hình 4: Tạo mẫu nhanh LOM
Hình 5: Tạo mẫu nhanh SLS
Phương pháp sản xuất gia công bồi đắp FDM (Fused Deposition Manufacturing) sử dụng vật liệu dạng dây dễ chảy như nhựa ABS Dây vật liệu được làm nóng chảy tại đầu đùn và được đùn ra, bồi đắp từng lớp theo biên dạng mặt cắt của vật thể cần chế tạo Độ dày mỗi lớp bồi đắp bằng với độ dày lớp cắt của mô hình Quá trình bồi đắp diễn ra liên tục, từng lớp vật liệu liên kết với nhau tạo thành vật thể hoàn chỉnh.
Tạo mẫu nhanh FDM (Fused Deposition Manufacturing) do Tiến sĩ S.Scott
Crump, tác giả người Mỹ đề xuất lần đầu tiên vào năm 1988, tiếp theo là phát triển các mô hình thương mại đầu tiên vào năm 1991 Hàng loạt các hoạt động bán hàng thiết bị FDM của Stratasys đã trở thành hệ thống tạo mẫu nhanh tốt nhất Hệ thống tạo mẫu nhanh FDM của Stratasys bán hàng vào năm 1997 đã được xếp hạng hàng đầu và năm 1998 công ty FDM Stratasys đạt doanh số bán hàng với 270 máy, chiếm 43% doanh số bán hàng thiết bị tạo mẫu nhanh toàn cầu Cho đến nay, FDM thiết bị tạo mẫu nhanh trên thế giới đã bán được hơn 1.000 máy, quyền sở hữu của Trung Quốc đại lục và Hồng Kông có hơn 60 bộ
Hình 6: Tạo mẫu nhanh FDM
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 7 Công nghệ này đang mở ra cơ hội để khuyến khích các nhà thiết kế xem xét tiếp cận mới để phát triển sản phẩm và kiểm tra các phương pháp truyền thống được sử dụng để thiết kế cho quá trình sản xuất Với phương pháp tạo mẫu nhanh FDM có thể làm cho bất kỳ hình dáng hoặc tính năng hình học bằng cách đùn vật liệu xây dựng lớp tạo sản phẩm 3D không sử dụng tia laser hay hóa chất độc hại.
Nhu cầu sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh FDM
Mỗi phương pháp công nghệ tạo mẫu nhanh có những đặc điểm và ứng dụng riêng biệt, nên số lượng thiết bị của từng loại cũng khác nhau cho đến thời điểm năm 2010 theo như biểu đồ sau đây:
Từ biểu đồ này cho thấy:
- Công nghệ SLA có 2115 hệ thống, chiếm tỉ lệ 31%
- Công nghệ FDM có 1216 hệ thống, chiếm tỉ lệ 17,82%
- Công nghệ LOM có 692 hệ thống, chiếm tỉ lệ 10,2%
Hình 7 : Biểu đồ sử dụng tạo mẫu nhanh
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 8 - Công nghệ SLS có 690 hệ thống, chiếm tỉ lệ 9,8%
Việc lựa chọn sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh FDM đã dần chiếm thị trường nhiều hơn bởi vì tạo mẫu nhanh FDM có nhiều ưu điểm
FDM cung cấp nhiều lợi ích, bao gồm:
Sản xuất nguyên mẫu và các bộ phận chức năng
Giảm thời gian thiết kế
Sản lượng các bộ phận ít tốn kém
Tạo ra các bộ phận có thể chịu được nhiệt độ cao, nước và hóa chất
Quá trình FDM có thể xây dựng các mô hình từ ABS hoặc nhựa khác Dây của vật liệu có sẵn và được sản xuất nhiều màu
Không sử dụng tia Laser
Không sử dụng dung dịch hóa chất
Không gây ô nhiễm môi trường
Bố trí máy dễ dàng ở văn phòng, nhà, xưởng
Từ những thế mạnh đó, tạo mẫu nhanh FDM được nghiên cứu để phát triển mạnh ở Việt Nam
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 9
Tổng quan về tạo mẫu nhanh FDM
Khái niệm tạo mẫu nhanh FDM
Tạo mẫu nhanh FDM (Fused Deposition Manufacturing) là quá trình đùn nhựa nóng chảy với phương pháp bồi đắp vật liệu theo từng lớp để xây dựng mô hình vật thể 3D, đây là một phương pháp chế tạo mẫu nhanh hoặc sản xuất nhanh (Rapid Prototyping hoặc Rapid Manufacturing) được sử dụng trong thiết kế kỹ thuật
Máy tạo mẫu nhanh FDM có 3 chuyển động chính theo hệ tọa độ XYZ (hình 8)
Hai chuyển động theo phương X,Y để tạo ra biên dạng của sản phẩm và chuyển động theo phương Z để tạo ra chiều cao của sản phẩm
Hình 8: Qui trình công nghệ FDM
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 10 Trong qui trình công nghệ FDM (hình 8) sản phẩm chuẩn bị thiết kế (1) thông qua máy tính (2) bằng các phần mềm thiết kế 3D để tạo ra được mẫu chi tiết hoặc sản phẩm (3) sử dụng phương pháp tạo mẫu nhanh FDM bao gồm: các cuộn dạng ống chỉ 4 và 5 quấn dây vật liệu tạo mẫu và dây vật liệu đỡ , thông qua cơ cấu truyền động 6, dây vật liệu vào đầu đùn 7 và gia nhiệt 8, tiếp theo là đẩy nhựa lỏng ra vòi phun 9, xây dựng lớp tạo mẫu và lớp đỡ mẫu 10 lên nền cơ bản 11 của bàn máy 12 thay đổi chiều cao, để tạo mẫu vật thể Quá trình này được thực hiện theo trình tự sau :
Thiết kế mô hình thiết kế 3D: là mô hình được vẽ bằng các phần mềm CAD, hoặc mô hình được quét 3D cùng với sự hỗ của máy vi tính từ đó thiết kế mẫu hoặc sản phẩm theo yêu cầu
- Thiết kế thuận: nhu cầu - ý tưởng thiết kế - tạo mẫu thử và kiểm tra - sản phẩm
- Thiết kế ngược: sản phẩm - đo và kiểm tra - tái thiết kế - tạo mẫu thử và kiểm tra - sản phẩm
Hình thiết kế ở định dạng 3D từ phần thiết kế thuận hoặc thiết kế ngược với các phần mềm như : ProEngineer, Solidworks, Rhino, Catia, x_t, step, igs, stl, obj,
Chuyển đổi mô hình CAD sang định dạng STL: Các gói phần mềm CAD khác nhau sử dụng một số thuật toán khác nhau để đại diện cho các vật thể rắn Để thiết lập tính thống nhất, định dạng STL (stereolithography) Định dạng STL là một loại tiêu chuẩn hóa tập tin trao đổi máy tính, trong đó có mô hình 3D Các đại diện bề mặt của các đối tượng trong tập tin là dưới hình thức một hoặc nhiều lưới đa giác Các lưới đa giác trong một tập tin STL được hoàn toàn bao gồm các khuôn mặt hình tam giác, cạnh và đỉnh,và STL hiện nay được sử dụng
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 11 như là đầu vào cho tất cả các quá trình tạo mẫu nhanh, cũng như một số công 3D
Kiểm tra file STL và chuẩn bị file BFF là bước tiền xử lý chuẩn bị các tập tin STL đã xây dựng Các phần mềm sẵn có cho phép người dùng điều chỉnh kích thước, vị trí và hướng mô hình, định hướng một phần xác định thời gian xây dựng Phần mềm cắt lớp tiền xử lý mô hình STL thành các lớp dày từ 0,01 mm đến 0,7 mm tùy vào kỹ thuật xây dựng.
Quá trình tạo mẫu nhanh: Là quá trình xây dựng từng lớp cho đến khi hoàn thành chi tiết mẫu Sử dụng một trong một số kỹ thuật (mô tả trong phần tiếp theo) xây dựng một lớp tại một thời điểm từ polymer, giấy, hoặc bột kim loại Hầu hết các máy tạo mẫu nhanh dựa trên mô hình cắt lớp và chạy phần lập trình, cần ít sự can thiệp của con người
Hậu xử lý tạo mẫu nhanh: Là quá trình tách chi tiết làm sạch vật liệu đỡ, có thể yêu cầu xử lý bề mặt, mô hình sẽ cải thiện ngoại hình và độ bền của nó
Trong quá trình máy tạo mẫu nhanh FDM các thông số công nghệ của hệ thống cấp liệu là yếu tố quan trọng, nó ảnh hưởng đến quá trình tạo mẫu Xác định chế làm việc của hệ thống cấp liệu nghĩa là tìm các thông số về lượng dịch chuyển đầu đùn theo các trục XYZ, nhiệt độ làm việc nhựa ABS, đường kính vòi phun, đường kính dây vật liệu và tốc độ dòng đùn Chế độ làm việc hợp lý là chế độ làm việc trên cơ sở đảm bảo yêu cầu kĩ thuật của nguyên công thực hiện, phát huy được khả năng của máy, của trang bị công nghệ, từ đó tính được công suất cắt cần thiết, thời gian máy trong điều kiện gia công cụ thể
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 12
Nguyên lý làm việc máy tạo mẫu nhanh FDM :
Trong đó, Vật liệu dạng sợi 3 từ trong cuộn dây 1; quay xung quanh trục 2, vào trong ống dẫn 4, bộ điều khiển 5, xử lý các tính hiệu và đưa đến các đối tượng điều khiển đó là xử lý giải mã XY 6 để thực hiện các chuyển động trong mặt phẳng XY (theo phương ngang và phương dọc) của các đối tượng trong nhóm 12 điều khiển động cơ DC secvo 7 thông qua hai bánh ma sát 8 và bánh ma sát 9 xử lý vận tốc của vật liệu cung cấp cho đầu đùn 10 và vòi phun 11 tạo sản phẩm trên bàn 14 theo phương Z thẳng đứng
Hình 9: Mô hình tạo mẫu nhanh FDM
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 13
Thông số công nghệ trong tạo mẫu nhanh FDM
Trong phương pháp gia công truyền thống thì thông số công nghệ là các thành phần về máy – dao – đồ gá – chi tiết quyết định đến chất lượng gia công, nhưng trong phương pháp tạo mẫu nhanh FDM có đặc trưng riêng, các thành phần được đơn giản cho quá trình gia công, chi tiết được xây dựng bởi nhựa nóng chảy và bám dính ngay trên bàn máy nên không sử dụng đồ gá kẹp, và điều lưu ý đó là hệ thống công nghệ của máy FDM được đặc trưng bởi tốc độ di chuyển theo các hướng X và Y của đầu đùn, và tốc độ của dây cấp liệu
Vật liệu : Vật liệu đó là cuộn vật liệu nhựa nhiệt dẻo dạng sợi, mỗi vật liệu dây có dường kính khác nhau Vật liệu ABS đường kính 3mm
Máy thực hiện các chuyển động : đấu đùn chuyển động X-Y, bàn máy Z
Vật liệu vào nóng chảy ra vòi phun
Đầu đùn và lớp (layer) của tạo mẫu nhanh FDM
Hình 10: Các đầu đùn trong tạo mẫu nhanh FDM
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 14 Có 2 đầu đùn đó là đầu đùn cho vật liệu tạo mẫu và đầu đùn cho vật liệu đỡ Đầu đùn thực hiện chuyển động theo các trục x và y (hình 10)
Đầu đùn đóng vai trò làm nóng chảy vật liệu và đẩy ra khỏi vòi phun dưới dạng bán lỏng, tạo nên lớp cấu trúc chi tiết sản phẩm mẫu Các con lăn ma sát dẫn động vật liệu dạng sợi vào đầu đùn, nơi vật liệu được gia nhiệt gần đến điểm nóng chảy, gây áp lực để đẩy vật liệu bán lỏng qua vòi phun, hình thành từng lớp cho biên dạng sản phẩm mẫu Đầu đùn vật liệu tạo mẫu và đỡ có cấu tạo và nguyên lý hoạt động tương tự nhau Để quá trình tạo mẫu nhanh, khi một đầu đùn làm việc, đầu kia dừng lại và được nâng lên để tránh tiếp xúc với bề mặt chi tiết mẫu, không gây cản trở cho đầu đùn đang hoạt động.
Chuyển động của cụm đầu đùn trên các trục x, y giúp tạo hình dạng cho chi tiết mẫu Khi tạm dừng hoạt động hoặc trong thời gian chờ, đầu đùn thực hiện chuyển động dịch chuyển theo tọa độ x, z để di chuyển ra khỏi và vào vị trí tạo mẫu một cách nhanh chóng.
- Lượng dịch chuyển của đầu đùn
Lượng dịch chuyển của đầu đùn là Vận tốc đầu đùn (cả 2 trục X và Y) (Feed rate ): fr = 5- 10mm/s
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 15 Đầu đùn tiếp nhận vật liệu nhựa nhựa nhiệt dẻo ABS với đường kính d(mm) từ hệ thống cấp liệu xử lý nhiệt hóa lỏng nhựa và làm nhiệm vụ của bơm áp suất đẩy vật liệu ra vòi phun tạo lớp
Buồng gia nhiệt để hóa lỏng vật liệu : Nhiệt độ trong buồng nhiệt của đầu đùn được xử lý đảm bảo tới mức vật liệu hóa lỏng để chuyển vật liệu ra vòi phun cơ cấu truyền động dây vật liệu dạng sợi làm việc như piston đẩy nhựa hóa lỏng xây dựng sản phẩm tốt nhất Trong nhiều trường hợp khảo sát, nhiệt độ thiết lập thích hợp buồng gia nhiệt , và nhiệt độ hóa lỏng vật liệu nhựa ABS ở vị trí gần vòi phun ra của đầu đùn FDM là trong phạm vi 70 o C đến 80 o C và 250 o C đến 300 o C ( Nikzadet al, 2009 )
Hình 11: Quá trình làm việc của đầu đùn
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 16
Vòi phun đóng vai trò quan trọng trong quá trình in 3D khi đẩy nhựa nóng chảy đi qua bộ phận tạo lớp, đảm bảo chất lượng lớp in Cấu tạo của vòi phun thường có dạng ren, cho phép lắp ghép dễ dàng vào đầu đùn (extruder) và có nhiều kích thước, hình dạng khác nhau để phù hợp với từng ứng dụng.
Kích thước vòi phun tiêu chuẩn 0,4mm; 0,5 mm; 0,8mm; 1mm; Dựa vào kết cấu, đường kính dây vật liệu, độ rộng hẹp dòng nhựa lỏng, thời gian chế tạo mẫu, mà lựa chọn vòi phun phù hợp Với vòi phun 0,4 mm đặc biệt thích hợp để sử dụng với cả hai sợi vật liệu có đường kính 3mm và 1,75mm
Cấu tạo đầu đùn bao gồm các thành phần:
1 Ống dẫn đưa dây vật liệu nhựa vào đoạn gia nhiệt
Hình 13: Cấu tạo đầu đùn Hình 12: Cấu tạo vòi phun
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 17 2 Cặp gia nhiệt xử lý nhiệt 305 0 C được lắp ghép ở vị trí tiếp giáp với vòi phun
3 Vòi phun làm nhiệm vụ đưa nhựa bán lỏng ra ngoài để tạo lớp
Vật liệu nhựa ABS, có đường kính 3mm, được cơ cấu truyền động đẩy vào đầu đùn gia nhiệt đẩy vật liệu nhựa hóa lỏng ra vòi phun hình 13
Trong tạo mẫu nhanh FDM, bên cạnh hệ thống cấp liệu thì đầu đùn có sự ảnh hưởng đáng kể đến tạo lớp, dựa trên các biến tốc độ dây vật liệu vào, giảm áp Δp, đường kình và góc của vòi phun
- Tạo lớp : Quá trình tạo lớp được phần mềm Insight-fdm, phần mềm
QuickSlice, phần mềm FDMotion hoặc các phần mềm tạo lớp khác để phân tích thiết kế trên máy tính Vật liệu nhựa ABS từ trạng thái rắn khi qua đầu đùn được hóa lỏng ở nhiệt độ phù hợp, sau đó nó được đẩy ra vòi phun tạo lớp trên tấm nền (bàn máy)
Các thông số đặc trưng cho quá trình tạo lớp là :
Chiều cao h là khoảng cách giữa vòi phun và tấm nền hoặc khoảng cách vòi phun với lớp tạo trước đó Cùng với chuyển động của của đầu đùn với tốc độ Vxy thì đoạn Rplà đoạn uốn cong của vật liệu khi ra vòi phun( hình 14)
Hình 14 : Quá trình tạo lớp
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 18
Xác định phương pháp vòi phun phân phối vật liệu để tạo thành một lớp phủ đồng nhất trên bề mặt chi tiết Có hai phương pháp đổ đầy chi tiết chính:
Góc đùn: Đây là một hướng đùn so với trục x
Khoảng cách đùn (khoảng cách lỗ trống): Đây là khoảng cách giữa hai đường liền kề trên cùng một lớp
Chiều rộng đường tạo lớp: Chiều rộng của đường tạo lớp là kích thước của lớp tạo ra, đo theo phương vuông góc chuyển động của vòi phun
Góc đùn vật liệu : Đây là một hướng đùn vật liệu so với trục x
Vật liệu đùn ra dựa trên 2 dạng góc đùn cơ bản sau:
Hình 15: Các tham số đùn vật liệu của FDM quá trình a)Tạo lớp theo 0 0 và 90 0 , dạng hình vuông tổ ong , nhìn theo phương -Z của quá trình xây dựng FDM b)Tạo lớp theo 0 0 , 60 0 và 120 0 dạng hình đan chéo , nhìn theo phương -Z của quá trình xây dựng FDM
Hình 16: Góc đùn tạo mẫu
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 19 Độ dày lớp: Đây là khoảng cách giữa các lớp, độ dày của lớp sẽ ảnh hưởng đến độ nhẫn bóng bề mặt chi tiết tạo mẫu nhanh FDM Đường kính vòi phun (d) và sự hình thành lớp : Đường kính vòi phun là để duy trì một đường kính sợi tạo lớp (layer) đều và mịn, đường kính vòi phun ra cần thiết phải là nhỏ nhất mà không ảnh hưởng nhiều tới thời gian tạo mẫu Độ dày của lớp (hình 17 ): Đó là một độ dày của lớp tạo bởi vòi phun và phụ thuộc vào loại vòi phun được sử dụng
Sự thay đổi trong độ dày của lớp có thể đóng góp vào tổng thể khiếm khuyết một phần. Đầu đùn và quá trình tạo lớp có sự liên hệ chặt chẽ thông qua việc xác định các thông số từ đầu đùn là tốc độ dịch chuyển Vxy, xác định kích thước đường kính vòi phun d và góc vòi phun tạo mẫu Từ đó sẽ giảm được sai phạm về đường biên
Hình 17: Độ dày của lớp
Hình 18: Vòi phun tạo lớp
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 20 Ảnh hưởng của nó tới quá trình tạo lớp có biên là bậc thang hình 17, cũng như các thông số hình học đặc trưng của vòi phun được thể hiện trên hình 18
Từ các biến thông số của đầu đùn và chiều dày lớp, tính toán lựa chọn để có các thông số phù hợp nhất
Ta có tốc độ đầu đùn được biết là Vxy = 5 10mm/s
Mối liên quan giữa đầu đùn và hệ thống cấp liệu
Đối với đầu đùn được đặc trưng thông qua các biến đó là xử lý nhiệt độ, áp suất bên trong đẩy nhựa lỏng ra vòi phun (có tham số đường kính vòi phun d và góc vòi phun ), tốc độ dịch chuyển trong mặt phẳng XY tạo lớp nhựa bán lỏng và đông đặc
- Nhiệt độ làm việc ( Model temperature): 200-305 o C đối với nhựa ABS - Tốc độ đùn Vxy : Là thông số công nghệ chế được biết trước làm nền tang để thiết kế các tham số hoặc các biến còn lại của đầu đùn và hệ thống cấp liệu Đầu đùn được lắp ghép vào vỏ hộp như hình vẽ 35, để giữ cố định các bộ phận điện trở nhiệt, cảm biến theo dõi nhiệt độ, và dễ dàng lắp ghép lên khung hệ thống của máy (hình 36)
Hình 28: Lắp ghép đầu đùn vào hệ thống máy
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 34 Vật liệu vào đầu đùn được tính toán thiết dựa trên các thông số xác định từ trước đó của đầu đùn là : thông số đường kính của vòi phun, chiều dày của lớp, tốc độ dịch chuyển của đầu đùn Vxy Đường kính của vòi phun là d = 0.5mm và áp lực sinh ra trong buồng gia nhiệt đầu đùn, để tính lực tác dụng của dây vật liệu lên các bánh ma sát (con lăn ma sát), tốc độ của dây vào đầu đùn để đạt được lưu lượng nhựa bán lỏng ra vòi phun
Trong quá trình thiết kế hệ thống cấp liệu tạo mẫu nhanh FDM, tốc độ dây vật liệu là một thông số ảnh hưởng quan trọng cần được cân nhắc Tốc độ này phụ thuộc vào loại vật liệu được sử dụng và tốc độ dịch chuyển của bàn máy.
Với d đường kính của dây vật liệu (mm), D đường kính bánh ma sát (mm), 𝑣 vận tốc của dây (mm/s), n số vòng quay bánh ma sát trong một phút
Động cơ điều khiển tốc độ đùn và nhiệt độ làm việc của nhựa ABS, truyền động qua hệ thống truyền động đến các con lăn ma sát Các con lăn này đẩy dây vật liệu ABS vào đầu đùn Tốc độ đùn phụ thuộc vào lượng dịch chuyển của đầu đùn.
Hình 29: Tốc độ dây vật liệu
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 35 Đặc điểm công nghệ tạo mẫu nhanh FDM đó là hệ thống cấp liệu gần như chiếm toàn bộ quá trình tạo mẫu, nó xử lý phản hồi từ các thành phần trong máy
Do đó, thiết kế hệ thống cấp liệu phải dựa trên các thông số của quá trình tạo lớp, đầu đùn xử lý nhiệt, đường kính vòi phun, đường kính dây vật liệu, tốc độ động cơ (tốc độ vật liệu cung cấp qua đầu đùn), loại vật liệu sử dụng, dịch chuyển đầu đùn và bàn máy (tấm nền cơ sở tạo lớp), khoảng cách giữa bàn máy và vòi phun Ảnh hưởng của hệ thống cấp liệu trong đó điều khiển tốc độ dây vật liệu vào đầu đùn đối với quá trình tạo lớp là rất quan trọng, nó có đến chất lượng của quá trình tạo mẫu Hệ thống cấp liệu là thành phần không thể thiếu được trong hệ thống máy tạo mẫu nhanh FDM
Với tốc độ của đầu đùn Vxy = f = 5mm/s đến 10mm/s Xác định tốc độ dây vật liệu V f đẩy vào đầu đùn được xác định như sau:
Tốc độ dây vật liệu đi vào đầu đùn nhờ động cơ truyền qua các con lăn, tốc độ dây được xác định :
Sử dụng các thông số sau, đường kính vòi phun d1 =0.5mm, d2 = 1.0 mm, và f = 5-10 mm / s.
Vận tốc của dây vào đầu đùn, tính ra được như sau:
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 36
Thiết kế hệ thống cấp liệu máy tạo mẫu nhanh FDM
Hệ thống cấp liệu tạo mẫu nhanh FDM
Hệ thống cấp liệu máy tạo mẫu nhanh FDM là bộ phận cung cấp vật liệu nhựa dạng sợi từ cuộn cấp liệu (cassette spool lock) qua ống dẫn đến đầu đùn, trong buồng gia nhiệt (liquifier) nhựa hóa lỏng sau đó được đẩy ra vòi phun xây dựng theo từng lớp để tạo mẫu nhanh sản phẩm
Trong hệ thống cấp liệu của máy in 3D phải có 2 thành phần vật liệu nhựa dạng sợi để tạo mẫu: vật liệu nhựa dạng sợi để tạo mẫu sản phẩm và vật liệu đỡ mẫu sản phẩm.
Do đặc điểm giống nhau về nguyên lý làm việc, cấu tạo của hệ thống cấp liệu (hình 9), nên chỉ cần khảo sát một thành phần cấp liệu đặc trưng, và từ đó thiết kế bố trí hợp lý không gian làm việc của hệ thống cho 2 thành phần vật liệu tạo mẫu và vật liệu đỡ.
Thiết kế các thành phần trong hệ thống cấp liệu
Trong sơ đồ nguyên lý hệ thống cấp liệu tạo mẫu nhanh FDM (hình 9) hệ thống cấp liệu gồm các thành phần như sau:
- Hộp đựng cuộn dây cấp liệu (cassette spool lock)
Hộp đựng cuộn dây cấp liệu (cassete spool clock) chứa các thành phần số 1, 2 và 3 trong hình 9 Để giữ cho dây vật liệu không ẩm và cung cấp đến đầu đùn thì hộp được lắp ghép phù hợp
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 37 Đối với khớp quay được bố trí trung tâm của hộp sử dụng dạng lắp ghép lỏng được xác định như sau :
Các thành phần chi tiết:
Hộp cấp liệu bao gồm các thành phần: nắp phía trên 1, nắp phía dưới 2, nắp phủ ngoài cho cuộn dây 3, đầu 4, lỗ 5 Chi tiết 6, 7 là hai thành chặn cho cuộn dây ở trong ống chỉ Chi tiết 8 bạc lót để lắp chi tiết 4 vào lỗ 5 Hai bánh ma sát 9 giữ cho dây từ trong hộp đi ra tới ống dẫn hướng
Lắp ghép cuộn dây vào trục của hộp là lắp ghép có khe hở để giữ cuộn quay xung quanh trục
Lắp có khe hở là kỹ thuật lắp các chi tiết có chuyển động tương đối với nhau, thường được áp dụng cho trường hợp cần tháo lắp thường xuyên Các mối ghép thường dùng trong lắp có khe hở là H7/c6 và H7/d7.
Hình 30: Kết cấu của hộp cấp liệu
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 38 Thành phần dẫn hướng để dây cấp liệu từ trong hộp cấp liệu đến đầu đùn bao gồm: (do các thành phần giống nhau nên chỉ mô tả trên một cuộn dây cấp liệu)
1 Solenoid để nhận tín hiệu từ hộp cấp liệu (tín hiệu điện từ), và động cơ 2 làm việc
2 Động cơ truyền dẫn qua các bánh ma sát (con lăn ma sát) để kéo dây cấp liệu ra khỏi hộp (cuộn dây) xuyên qua các ống dẫn hướng tới cơ cấu truyền động cơ khí đến đầu đùn
3 Con lăn trung gian bố trí thuận chiều cho cấp liệu theo hướng di chuyển tới đầu đùn
Hướng di chuyển của dây cấp liệu tới đầu đùn
Hình 31: Cơ cấu dẫn hướng dây cấp liệu
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 39 4 Cặp con lăn ngay trên hộp cấp liệu được bố trí ở rãnh dẫn cuộn dây đi ra từ hộp cấp liệu
5 Cuộn dây vật liệu được đặt trong vỏ hộp
- Ống dẫn hướng dây cấp liệu: (ống dẫn hướng 4 trong hình 10) là để dẫn hướng cho dây vật liệu từ hộp cấp liệu (cassette spool lock) nhờ vào cơ cấu truyền động để cung cấp vật liệu vào đầu đùn ra vòi phun, mà không gây cản trở quá trình di chuyển của dây
1 Hộp giữ cuộn dây vật liệu; 2 Dây vật liệu ; 3 Ống dẫn hướng Ống dẫn hướng làm nhiệm vụ dẫn dây vật liệu cho tạo mẫu, bảo vệ dây vật liệu không ẩm và giữ sạch vật liệu
Yêu cầu vật liệu làm ống dẫn: phải có hệ số ma sát thấp, không bám dính bề mặt với các loại vật liệu khác, từ đó có thể lựa chọn sử dụng Teflon để làm ống dẫn
Nhựa Teflon có tên hóa học Polytetrafluroethylene (PTFE) không hòa tan trong tất cả các dung môi và rất bền với hóa chất, không lão hóa, không bám dính, có hệ số
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 40 ma sát thấp, và nhiệt độ làm việc rộng từ -180°C đến 300°C Vì những đặc tính tuyệt vời, PTFE có ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực hóa chất, cơ khí, điện tử, y tế, hàng không
Quy cách ống với đường kính trong và đường kính ngoài như sau:
Giá trị áp lực phun thực tế phụ thuộc vào độ nhớt của vật liệu, hình dạng vòi phun và tỷ lệ lưu lượng thể tích của quá trình đùn Độ nhớt của vật liệu lại phụ thuộc vào hóa chất, chất kết dính, chất rắn tải, độ tích tụ, tốc độ cắt và nhiệt độ.
Trong trường hợp của các quá trình tạo mẫu nhanh FDM, áp lực phun ra được áp dụng bởi các nguyên liệu sợi, các con lăn đẩy vào đầu đùn được điều khiển bởi động cơ Nếu áp suất phun ra yêu cầu vượt quá một giá trị xác định, sau đó dây vật liệu bị cong (thể hiện bằng sơ đồ ở hình 33) Giá trị ứng suất quan trọng được đưa ra theo tiêu chuẩn Euler như sau : 𝜎 𝑐𝑟 = 𝜋 2 𝐸
4( 𝑅 𝐿 ) 2 Hình 33: Mối liên hệ tốc độ dây cấp liệu và đầu đùn
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 41 Trong đó : 𝜎 𝑐𝑟 là ứng suất vật liệu bị uốn cong; E là môđun đàn hồi của vật liệu
Tốc độ dây ABS vào đầu đùn là bao nhiêu, nó được xác định dựa trên các thành phần áp suất nhiệt độ, đường kính vòi phun d(mm), và góc phun
Các thành phần đầu vào như trong hình 33 được xem xét để tính toán vận tốc phù hợp với điều kiện làm việc
Trong đó : là độ nhớt của nguyên liệu ABS hóa lỏng; E: mô đun đàn hồi của vật liệu
Với L/R là tỉ lệ giừa khoảng cách bố trí đầu đùn và con lăn với đường kính của sợi vật liệu Nếu ΔP (Hình 33) là áp suất cần thiết để đầy vật liệu trong đầu đùn tạo lớp sẽ tương ứng vòi phun, tỷ lệ lưu lượng thể tích, vật liệu và nhiệt độ, khi đó điều kiện dây vật liệu bị nén có thể được biểu diễn như sau:
Hệ số hiệu chỉnh 1,1 trong phương trình (*) là do sự khác biệt trong lĩnh vực lưu thông giữa dây vật liệu và các buồng hóa lỏng vật liệu trong đầu đùn (đường kính buồng hóa lỏng lớn hơn đường kính sợi vật liệu) Người ta thấy từ phương trình (*) là áp lực ép tối thiểu cần thiết cho oằn của sợi là 𝜎 𝑐𝑟
Gọi áp lực này phun ra tối thiểu cần thiết bị cong vênh là ∆𝑃 𝑐𝑟 giá trị khác của áp lực phun ra
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 42
Tính toán lắp ghép chi tiết
Lắp ghép được thực hiện theo hai hệ thống : hệ thống trục và hệ thống lỗ Theo hình 37 ta có các lắp ghép ở trong cụm này như sau: bánh răng 1 với trục I và bánh răng 2 với trục II, lắp ghép bánh ma sát 1 trên trục II, lắp ghép bánh ma sát 2 trên trục III, lắp ghép then, và lắp ghép ổ lăn
- Lắp ghép theo hệ thống trục : thì các kích thước giới hạn của trục là không đổi, và các mối lắp khác nhau là do thay đổi kích thước giới hạn của lỗ
- Lắp ghép theo hệ thống lỗ : thì các kích thước giới hạn của lỗ là không đổi, các mối lắp khác nhau là do thay đổi kích thước giới hạn của trục
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 51 Hệ thống lỗ được sử dụng rộng rải hơn bởi vì các điều kiện thuận lợi về điều kiện gia công chi tiết trục để lắp ghép, đòi hỏi ít dụng cụ cắt gọt, và hiệu quả kinh tế
Các mối lắp theo hệ thống lỗ bao gồm : lắp có độ dôi, lắp trung gian, lắp có khe hở Lắp có độ dôi : được sử dụng để cố định các chi tiết, thông thường sử dụng các mối ghép 𝐻 7 𝑝 6 , 𝐻 𝑟 7
Lắp trung gian : có thể lắp ghép có độ dôi hoặc lắp ghép có khe hở, thông thường sử dụng các mối ghép 𝐻 7
6 ,… Đặc tính lắp ghép ổ lăn
Vòng ngoài và vòng trong của ổ lăn theo tiêu chuẩn lắp ghép theo hệ thống trục và lỗ Với đường kính trục tính toán d = 25mm, đường kính trong (lỗ) của ổ lăn 205 là d = 25mm, đường kính ngoài (trục) là D = 52mm Để tính toán dung sai lắp ghép ổ lăn hình 18, cần căn cứ vào thông số này.
Lắp ghép có độ dôi với các đường kính của ổ lăn Đường kính trục để lắp ghép ổ lăn 25k6
Hình 39: Dung sai lắp ghép ổ lăn
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 52 Có kích thước danh nghĩa của trục và lỗ DN = dN = 25 mm, Miền dung sai của trục là k6 với es = 0,015 và ei = 0,002
Miền dung sai lỗ của ổ lăn tra bảng: ES = 0 và EI = -0,080 Đường kính lỗ để lắp ghép ổ lăn 52G7
Có kích thước danh nghĩa của trục và lỗ DN = dN = 52 mm, Miền dung sai của lỗ là G7 với ES = 0,04 và EI = 0,01 Miền dung sai đường kính ngoài ổ lăn:
Theo tiêu chuẩn ổ lăn tra bảng : es = 0 ; ei = -0,080
Lắp ghép có độ dôi: xác định theo công thức N = d - D
Với Nmin = dmin – Dmax = ei – ES = 0,002 – 0 = 0,002 mm Nmax = dmax – Dmin = es – EI =0,08 mm
Dung sai lắp ghép then giữa bánh răng 2 và trục II
Ghép bằng then là mối ghép tháo được để truyền chuyển động từ trục qua bánh răng, bánh đai và ngược lại Then là chi tiết tiêu chuẩn được chọn theo đường kính trục hoặc đường kính lỗ của chi tiết bị ghép Ký hiệu của then gồm có bề rộng b, chiều cao h, chiều dài l của then và số hiệu tiêu chuẩn qui định then (b × h × l)
Then bằng được dùng khi cơ cấu chịu tải trọng nhỏ Có hai loại then bằng là then bằng đầu tròn A và then bằng đầu vuông B Khi lắp then bằng hai mặt bên của then tiếp xúc với rãnh then là các mặt làm việc của then
Các kích thước của then bằng được qui định trong (TCVN 2261 – 77 và 4218 -86)
Ghi chú: Chiều dài then phải được chọn theo dãy sau: 6; 8; 10; 12; 14; 16; 18; 20;
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 53 Kiểu lắp thông dụng dùng trong sản xuất hàng loạt lớn là then lắp với trục theo kiểu
N9/h9 và với bạc theo Js9/h9 Trong sản xuất đơn chiếc và loạt nhỏ thì then lắp với trục theo kiểu P9/h9
Trong đó: sử dụng then (3) để lắp ghép chặt trục (1) và bánh răng (2) với nhau
Với then bằng (theo TCVN 2261 – 77 và 4218 – 86)
Trục có đường kính trục d = 20 mm ta xác định các kích thước 𝑏 𝑥 ℎ 𝑥 𝑙 của then: Khi làm việc, then chịu dập ở 2 mặt bên và chịu cắt theo tiết diện phân cách giữa trục với bánh răng (hình 42), tính toán mối ghép then thường là tính toán kiểm nghiệm độ bền dập và bền cắt của then hoặc xác định chiều dài của then theo các ứng suất cho phép Điều kiện bền dập : σ d = d.l 2T t (h−t 1 ) ≤ [σ d ] Hình 40: Then bằng
Hình 41: Kích thước lắp ghép then
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 54 Điều kiện bền cắt : τ c = 2T d l t b ≤ [τ c ] [𝜎 𝑑 ], [𝜏 𝑐 ]- ứng suất dập và ứng suất cắt cho phép của vật liệu then;
T- Momen xoắn truyền qua mối ghép then, Nmm;
𝑙 𝑡 - chiều dài tính toán của then, mm;
𝑏, ℎ - chiều rộng và chiều cao của then, mm;
𝑡 1 - chiều sâu rãnh then trên trục, mm σ d = 2T d l t (h − t 1 ) = 2.100
Hình 42 : Lực tác dụng lên then bằng
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 55 σ d = 2T d l t (h − t 1 ) = 2.100
10.16.4 ≈ 0,31 ≤ [τ c ] Bề rộng then b = 6 mm ; chiều cao của then h = 8 mm ; chiều dài then 𝑙 = 25 mm ; chiều sâu rãnh trên trục t1 = 3,5 mm ; chiều sâu rãnh then trên bánh răng t2 = 2,8 mm
Trục động cơ và trục gá lắp bánh ma sát 10 mm và 12 mm
Then có kích thước: 4 x 4 x 16 chiều sâu rãnh trên trục t1 = 2,5 mm ; chiều sâu rãnh then trên bánh răng t2 = 1,4 mm (tham khảo phụ lục - bảng 1)
Chi tiết được lắp ghép trên trục II sau khi tính toán thiết kế bao gồm : Bánh răng 2 lắp ghép cố định trên trục II nhờ có then và bulon M6 Bánh ma sát 2 lắp ghép cố định trên trục nhờ then bằng và bulon M6 Trên các cổ trục II có lắp các ổ lăn 205
Hình 43: Các chi tiết lắp trên trục II
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 56 Trục II được lắp ghép trên vỏ hộp tại các gối trục, nhờ các ổ lăn làm nhiệm vụ giảm tối thiểu ma sát sinh ra trong quá trình truyền động
Thiết kế các chi tiết lắp ghép trong cụm truyền động chi tiết sử dụng kết cấu truyền động bánh răng bao gồm: thiết kế bánh răng, trục, ổ đỡ, vỏ hộp số và các chi tiết liên kết khác Trong thiết kế bánh răng, cần xác định các thông số như số răng, mô đun, góc nghiêng, chiều rộng mặt răng để đảm bảo ăn khớp ăn khớp chính xác và hiệu quả truyền động cao Thiết kế trục yêu cầu tính toán chịu lực, độ cứng và độ bền mỏi để đảm bảo khả năng truyền mô men và chịu tải Ổ đỡ có nhiệm vụ định vị và chịu tải cho trục, cần lựa chọn loại ổ đỡ phù hợp với tải trọng, tốc độ và tuổi thọ mong muốn Vỏ hộp số đóng vai trò bảo vệ các chi tiết bên trong, đảm bảo độ kín và bôi trơn Các chi tiết liên kết như chốt, đinh vít, phớt đảm bảo sự lắp ghép chính xác và độ bền cho cụm truyền động.
Động cơ DC Servo cung cấp lực đẩy cho những con lăn để đẩy vật liệu nhựa ABS dạng sợi vào đầu đùn Để cung cấp vật liệu cho đầu đùn, người ta sử dụng cơ cấu truyền động bánh ma sát như hình 45.
Hình 44: Các chi tiết cơ cấu truyền động dây cấp liệu
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 57 Cơ cấu truyền động bánh ma sát 1 và bánh ma sát 2 để đẩy cho dây vật liệu nhựa ABS vào đầu đùn, trong đó cụm cơ cấu truyền động hình 45 bao gồm:
Trục động cơ gắn bánh răng 1 ăn khớp với bánh răng 2 trên trục II và đầu còn lại trên trục II có lắp bánh ma sát chủ động Trục III để lắp ghép trên dó là bánh ma sát bị động (bánh ma sát chạy lồng không trên trục) Dây vật liệu nhựa nhiệt dẻo ABS có đường kính d(mm) bố trí chính giữa các bánh ma sát Thông qua các bánh ma sát mà dây ABS được đẩy vào đầu đùn
Hệ thống điều khiển cấp liệu máy tạo mẫu nhanh FDM
Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ
Có nhiều giải pháp điều khiển tốc độ động cơ, trong đó giải pháp sử dụng hệ thống điều khiển vòng kín được đề cập xem xét trong thiết kế hệ thống cấp liệu tạo mẫu nhanh FDM
Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống mà trong đó tín hiệu điều khiển phụ thuộc vào sự sai lệch giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu phản hồi
Ba bộ phận chính của một hệ thống vòng kín - Đo lường: Đo giá trị của biến được điều khiển
- Ra quyết định: Tính toán sai lệch và sử dụng giá trị sai lệch để ra quyết định điều khiển
Hình 52: Điều khiển vòng kín
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 65
- Tác động: sử dụng giá trị điều khiển để tác động những biến khác trong quá trình theo hướng làm giảm giá trị sai lệch
- Giải thuật điều khiển PID
PID là cách viết tắc của các từ Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân) và Derivative (đạo hàm) Tuy xuất hiện rất lâu nhưng đến nay PID vẫn là giải thuật điều khiển được dùng nhiều nhất trong các ứng dụng điều khiển tự động
-Giá trị đáp ứng được phản hồi về sau khi thực hiện lệnh
-Sai lệch giữa giá trị đáp ứng và giá trị điều khiển sẻ được hệ thống điều chỉnh về bằng 0
Điều khiển tốc độ động cơ DC
Hình 53: Sơ đồ điều khiển vòng kín
Hình 54: Mô hình hóa động cơ DC
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 66 Động cơ DC là để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ năng trong hệ thống cấp liệu máy tạo mẫu nhanh FDM Động cơ DC có một tính năng kiểm soát tốc độ tốt, hiệu suất điều khiển đơn giản, hiệu quả cao, và cho đến nay nó vẫn là lựa chọn tối ưu nhất của điều khiển tốc độ động cơ và điều khiển tốc độ Tốc độ của động cơ, không chỉ để có thể điều chỉnh, và đòi hỏi một phạm vi điều chỉnh rộng và quá trình làm mịn, phương pháp điều chỉnh đơn giản, kinh tế Động cơ DC có lợi thế độc đáo của nó trong các lĩnh vực này, do đó, trong việc kiểm soát đã được áp dụng rộng rãi Điều khiển động cơ, chỉ đạo kiểm soát, kiểm soát tốc độ, và kiểm soát góc Động cơ DC (hình 54) có đặc tính động học mô tả bởi 2 phương trình vi phân:
Trong đó: u(t) điện áp phần ứng (tín hiệu vào)
(t) tốc độ quay của động cơ (tín hiệu ra) i(t) dòng điện phần ứng
Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng nhiều dưới dạng thiết kế điều khiển hay thuật toán hiệu chỉnh bằng phần mềm Nếu tín hiệu đầu vào là sai số e(t), tín hiệu đầu ra là điều khiển điện áp u(t) thì:
𝑑𝑡 ] Ta có hàm truyền đạt của khâu hiệu chỉnh PID:
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 67 Gc(s) = 𝑈(𝑠)
𝐸(𝑠) = 𝐾 𝑃 + 𝐾 𝑠 𝑖 + 𝑇 𝑑 𝑠 Theo nguyên tắc tích phân hình thang thì:
Còn phần đạo hàm thì: Kd
Thay đổi chỉ số từ K thành (K-1) và trừ hai vế của phương trình ta có:
Nếu đặt các hệ số:
2 − 2𝐾 𝑇 𝑑 Hình 55: Tích phân hình thang
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 68
𝑇 Thì: 𝑢(𝐾) − 𝑢(𝐾 − 1) = 𝑎 0 𝑒(𝐾) + 𝑎 1 𝑒(𝐾 − 1) + 𝑎 2 𝑒(𝑘 − 2) Cách tính Kp, Ti, Td:
Nhìn chung đối với việc điều khiển vị trí động cơ DC, thì ngoài phương pháp khử sai ra hầu như không còn phương pháp nào khác để xác định thông số PID
Nghĩa là ta chọn một giá trị nào đó của các thông số và cho hệ thống chạy thử, thay đổi các thông số này theo chiều hướng hệ ổn định và đạt chất lượng như mong muốn, đến khi nào ta chọn được các thông số tối ưu thì việc chọn các thông số PID chấm dứt Tuy nhiên, dể quá trình chọn thông số PID trở nên đơn giản ta dùng phương pháp Ziegler-Nichol để tính thông số PID từ hàm truyền của động cơ, và lấy các thông số này để thử hệ thống, thay đổi vài lần các giá trị gần với thông số này ta sẽ được hẹ thống tối ưu
Lý do các giá trị tìm được từ phương pháp Ziegler-Nichol không phải là các tối ưu, là do phương pháp Ziegler-Nichol chỉ áp dụng cho hệ thống có quán tính lớn, còn động cơ DC đáp ứng nhanh
Theo phương pháp 1 của nguyên tắc hiệu chỉnh Ziegler-Nichol (cho PID):
Hình 56: Đặc tuyến tốc độ động cơ
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 69
𝑇 1 𝑇 𝑖 = 2𝑇 1 𝑇 𝑑 = 0.5𝑇 2 Với T1,T2 được xác định từ đường đặc tuyến tốc độ của động cơ:
𝑖; 𝐾 𝑑 = 𝐾 𝑝 𝑇 𝑑 và T: chu kỳ lấy mẫu
Hình 57: Sơ đồ Simulink mô phỏng mô hình động cơ DC
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 70 Tạo mô phỏng như ở Hình 56 (thỏa mãn đáp ứng điều khiển động cơ), trong đó bộ điều khiển PID số như ở Hình 57.
Hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PID bằng phương pháp Zeigler – Nichols: Ban đầu, đặt tất cả các độ lợi KP, KI, KD bằng 0 Sau đó tăng KP lên cho đến khi đạt được giá trị độ lợi Ku, là độ lợi mà ở đó ngõ ra của hệ thống bắt đầu dao động với biên độ không đổi Ku và chu kỳ dao động Tu được dùng để tính toán các độ lợi KP, KI, KD dựa vào công thức sau
𝑇 𝑖; 𝐾 𝑑 = 𝐾 𝑝 𝑇 𝑑 và T: chu kỳ lấy mẫu
Chọn các kết quả kp, ki, kd của bộ điều khiển PID
Mô hình điều khiển đông cơ DC (hình 54) được thiết kế để mô phỏng tìm đáp ứng cho hệ thống từ Matlab – simulink Trong đó các khối thành phần được lấy từ trong thư viện simulink bao gồm : Điểm đặt (set point) là hàm step
Hiển thị tín hiệu kết quả mô phỏng
Tín hiệu vào được lấy tích phân
Khối Gain để khuếch đại tín hiệu đầu vào
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 71
Một trong những phương pháp điều khiển động cơ DC hiệu quả là sử dụng mạch điều biến độ rộng xung (PWM) Phương pháp PWM hoạt động bằng cách tạo ra các xung điện có độ rộng thay đổi, cho phép kiểm soát chính xác tốc độ và hướng của động cơ Bằng cách điều chỉnh độ rộng của các xung, mạch PWM có thể tăng hoặc giảm điện áp và dòng điện cung cấp cho động cơ, do đó điều khiển tốc độ và hướng chuyển động của động cơ dễ dàng.
Phương pháp điều xung sẽ giữ tần số không đổi, thay đổi chu kì nhiệm vụ (Duty cycle) để thay đổi điện áp trung bình đặt lên động cơ Điện áp trung bình: in on dk V
Tín hiệu vào đươc lấy vi phân theo thời gian
Khối Sum, tín hiệu ra của khối Sum là tổng các tín hiệu vào
Khối phụ (Subsystem), để tạo môđun riêng, làm gọn các mô hình khối ở cửa sổ làm việc Simulink
Hình 58: Độ rộng xung PWM
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 72 Động cơ Servo được điều khiển bởi tín hiệu có 3 cái thông số đặc trưng như sau :
Trong đó : V là điện áp của xung, t là độ rộng của xung, T là chu kỳ của xung
Giá trị V : Khi xem cái thông tin về tín hiệu ra của Receiver thì thấy V có thể biến thiên chút đỉnh Thông thường các receiver có tín hiệu là 3V nhưng nhiều bộ điều khiển trong servo dùng đến 5V Độ rộng của xung (t): Độ rộng của xung là thông số quan trọng nhất Servo được điều khiển bằng cách gửi cho nó một xung với độ rộng nào đó Giá sử giá trị là x và nó sẽ nằm trong khoảng min ≤ x ≤ max Ví dụ với 1mSec ≤ x ≤ 2mSec thì với xung là 1mSec thì cần gạt sẽ qua hết bên trái, với xung là 2mSec thì cần gạt qua hết bên phải 1.5mSec thì cần gạt ở giữa
Với servo analog thông thường thì chu kỳ 20ms tương ứng với tần số 50Hz còn digital servo thì thường nằm trong khoảng 300Hz – 400Hz, tùy loại Tưởng tượng nó như là cách để ta có thể cung cấp các lệnh mới cho servo Đây cũng là lý do vì sao digital nhanh nhạy hơn Analog servo và lệnh trên tay cầm thực thi nhanh hơn, chính xác hơn
Tuy nhiên tần số của mỗi servo là cố định theo thiết kế của servo đó, không liên quan đến bất kỳ tác động bên ngoài nào vào
Hình 59 : Các thông số điều chỉnh PWM
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 73
Kết quả đạt được
Kết cấu hệ thống cấp liệu tạo mẫu nhanh FDM
Trục II : Với a = 48 mm ; b = 163 mm ; c = 41mm
Chiều dài trục II : 𝑙 = a + b + c = 40 + 150 + 30 = 220 mm Khi đầu đùn xử lý nhiệt độ: 300 0 C đến 305 0 C thì động cơ hoạt động với tốc độ cố định thông qua cơ cấu truyền động bánh răng và trục II quay với tốc độ cố định v = 0,002 m/s Dây vật liệu ABS có đường kính là 3mm, điều chỉnh khoảng cách 3 phù hợp cho bánh ma sát 1 và 2 truyền động dây vật liệu vào đầu đùn
Trong đó : 1 Nắp dưới hộp giữ cuộn vật liệu; 2 Nắp trên hộp giữ cuộn vật liệu; 3
Cuộn dây vật liệu (ống chỉ); 4 Dây vật liệu vào ống dẫn hướng; 5 Ống dẫn dây vật
Hình 60: Sơ đồ khối ghép cho hệ thống truyền động cấp liệu
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 74 liệu, 6 Dây vật liệu ra khỏi ống dẫn hướng; 7 Động cơ; 8 Bánh răng 1; 9 Bánh răng 2; 10 Dây vật liệu (được các bánh ma sát đẩy vật liệu vào đầu đùn)
Hệ thống gia nhiệt của đầu đùn làm nóng buồng gia nhiệt đến nhiệt độ từ 300 độ C đến 305 độ C Động cơ quay liên tục với tốc độ cố định nhờ hệ thống bánh răng giảm tốc nối với trục II Đường kính bánh ma sát là 20 mm, tốc độ vòng quay của động cơ là 10 vòng/phút Trục mang bánh ma sát 1 quay với tốc độ 2 vòng/phút, giúp dây dịch chuyển với chiều dài 𝑙 = 4d ≈ 239 mm.
Dây vật liệu có đường kính ddây = 3 mm ở giữa hai bánh ma sát 1 và 2, cho nên khoảng cách trục II và trục III được xác định như sau : a = 𝑑 1 +𝑑 2
2 + 𝑑 𝑑â𝑦 − 𝑑 𝑟ã𝑛ℎ Trong đó : d1 đường kính bánh ma sát 1, d2 đường kính bánh ma sát 2, ddây đường kính dây vật liệu, drãnh = 2mm
Do đó, a = 21mm, giữa bánh ma sát 1 và 2 sử dụng tăng lực nén bằng lò xo, tạo áp lực để không xảy ra trượt dây vật liệu truyền động cung cấp cho đầu đùn gia nhiệt và vòi phun tạo mẫu
Hình 61: Khoảng cách trục II và trục III
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 75 Cuộn vật liệu sẽ cấp cho đầu máy FDM thông qua cơ cấu truyền động bánh ma sát nối với động cơ DC với số vòng quay nđc = 10 vòng/phút
5 = 2 vòng/phút và tốc độ của dây vật liệu vào đầu đùn là :
V = 𝜋.𝐷.𝑛 1000 ; Trong đó D là đường kính bánh ma sát chủ động; mm
V = 𝜋.19.2 1000 = 0,119 m/ph ; ( V = 0,002 m/s ); Đường kính vòi phun d = 1mm, tốc độ đầu đùn là : f = 5mm/s.
Điều khiển tốc độ cấp liệu tạo mẫu nhanh FDM
Điều khiển tốc độ động cơ để dây vật liệu vào đầu đùn với tốc độ phù hợp, số vòng quay động cơ nđc = 10 vòng/phút Chọn các hệ số kp, ki, kd để đạt yêu cầu
Các thông số của động cơ như sau:
Hình 62: Kết quả mô hình hệ thống cấp liệu
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 76
L= 0,03H điện cảm phần ứng Km=0.2 hằng số moment Kb=0.2 hằng số sức điện động J=0.02(kg.m 2 ) moment quán tính của tải Kf=0.2(Nms) hệ số ma sát nhớt
Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ DC Cài đặt tốc độ đặt (Set point) = 10, và KP = 1, KI = KD = 0, thời gian lấy mẫu
Các thông số của động cơ như sau:
Kb=0.2 hằng số sức điện động
J=0.02(kg.m 2 ) moment quán tính của tải
Kf=0.2(Nms) hệ số ma sát nhớt
Hình 63: Sơ đồ khối động cơ DC bằng Simulink
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 77 Khảo sát ảnh hưởng của tham số Kp, KI , KD như sau: để tìm đáp ứng hệ thống phù hợp điều kiện làm việc từ động cơ đến cơ cấu chấp hành là cặp bánh ma sát (con lăn) đẩy vật liệu vào đầu đùn
Yêu cầu : Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ DC : Điều khiển động cơ cho nđc = 10 vòng/phút Số vòng quay trục II là n2 = 2 vòng/phút, và ta có được lượng dịch chuyển của dây cấp liệu vào đầu đùn là L 238mm/phút
Tốc độ đặt (Set point) = 10, và KP = 1, KI= KD = 0, thời gian lấy mẫu T = 0.05s R=1;L=0.03;K_m=0.2;K_b=0.2;J=0.02;K_f=0.2;Kp =0.005, KI =0,01; Kd = 0
Với kp, ki, kd đã chọn sau khi mô phỏng Số vòng quay n = 0,04 vòng/phút; không đạt được số vòng quay động cơ DC theo yêu cầu n = 10 vòng/phút
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 78 Tương tự : R=1;L=0.03;K_m=0.2;K_b=0.2;J=0.02;K_f=0.2;Kp=1;KI=0,01;Kd= 0
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 79 Thử nghiệm chọn như sau :
Trên đây là một số khảo sát có thể hiện hình của mô phỏng, ngoài ra còn thực hiện tiếp tục các phép thử khác để chọn ra các thông số kp, ki, kd để đáp ứng hệ thống gần với yêu cầu thiết kế tốc độ động cơ
Bảng khảo sát các thông số KP , KI , KD
KP = 5; KI=1,01 ; Kd =1 KP = 5,5 ; KI=1,01 ; Kd =1 Kp=6 ; KI=1,01 ; Kd=1 Kp=6,5 ; KI=1,01 ; Kd=1 Kp=6 ; KI=1,01 ; Kd=1 Kp=6,5 ; KI=1,01 ; Kd=1
KP = 7; KI=7,01 ; Kd =0.1 KP = 7 ; KI,01 ; Kd =0.1 Kp= 7 ; KI= 20,01 ; Kd=0.1 Kp=7.2 ; KI%,01 ; Kd=0.1 Kp= 7.25 ; KI= 30,01 ; Kd=0.1 Kp=7.27 ; KI0,01 ; Kd=0.12 Hình 67: Mô phỏng 4
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 80
Sử dụng Matlab-Simulink mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ
Sử dụng phần mềm Matlab mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ DC là : nđc = 10 vòng/phút
Dựa trên 2 phần thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ ở hình 57 và hình 63 ta chọn các thông số Kp,KI,Kd thỏa mãn yêu cầu
Với : Mô phỏng : R=1;L=0.03;K_m=0.2;K_b=0.2;J=0.02;K_f=0.2;Kp=7.25;KI1,01;Kd=0.12 Đáp ứng hệ thống đạt gần với yều điều khiển động cơ DC, để cho hệ thống cấp liệu tạo mẫu nhanh được thỏa mãn
Hình 68: Mô phỏng đáp ứng
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573) 81
Sử dụng Solidwork mô phỏng hệ thống cấp liệu 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO
Chạy mô phỏng cấp liệu vào đầu đùn
5.5 Kết luận và hướng phát triển
- Kết luận: Đã tính toán thiết kế hệ thống cấp liệu máy tạo mẫu nhanh FDM, cũng như vấn đề điều khiển tốc độ làm nền tảng để chế tạo
(cho đến nay máy đã được chế tạo lắp ráp thử nghiệm đạt kết quả khả quan)
Sau chế tạo hệ thống cấp liệu máy tạo mẫu nhanh FDM, nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm để xác định ảnh hưởng của các thông số của hệ thống đến chất lượng của mẫu in Những thông số này bao gồm nhiệt độ vòi phun, tốc độ in, độ dày lớp in và chiều cao lớp in.
Hình 69: Mô phỏng hệ thống cấp liệu
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573)
[1] Zhang Jianfeng, Peng A nhua “Processin gparameter Optimization”,
Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics Vol 29, No.1, pp
[2] Tromans, G and Wimpenny, “D.Rapid Manufacturing” Proc 4 th European Conference on Rapid Prototyping and Manufacturing, pp 27-41, 1995
[3] Wohlers, T Wohlers Report 2006, ISBN 0-9754429-2-9 [4] Yan X, Gu P, “A Preview of Rapid Prototyping Technologies and Systems”,
Computer-Aided Design Vol 28, no 4, pp 307-318, 1996
[5] VENKAT DEEPAK KOLAR “APPLICATION OF REVERSE ENGINEERING AND RAPID PROTOTYPING TO CASTING”, Jawaharlal Nehru Technological University, India April, 2004
[6] John Michael Brock, Michael Montero, Dan Odell, Shad Roundy “Fused Deposition Modeling (FDM) Material Properties Characterization”, ME 222 Final Project, May 5, 2000
[7] M Nikzad, , S.H Masood, I Sbarski, A Groth “Thermo-Mechanical Properties of a Metal-filled Polymer Composite for Fused Deposition Modelling Applications”,
Faculty of Engineering and Industrial Sciences, Swinburne University of Technology CSIRO Molecular and Health Technologies, Ian Wark Laboratory, Clayton, VIC 3169, Australia 5 th Australasian Congress on Applied Mechanics, ACAM 2007,
[8] JamesW.Comb, WilliamR.Priedeman, PatrickW.Turley “FDM® TECHNOLOGY PROCESS IMPROVEMENTS”, Stratasys, Inc.EdenPrairie, Minnesota
[9] Rajan Bansal “Improving dimensional accuracy of fused deposition modelling (FDM) parts using response surface methodology” , Department of Mechanical Engineering National Institute of Technology Rourkela, 2011
[10] Atul S Tumane “Development of customized innovative product using Fused Deposition Modeling technique of Rapid Prototyping and Investment Casting”,
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573)
National Conference on Innovative Paradigms in Engineering & Technology (NCIPET-2012)
[11] Sivadasan M, N.K Singh & Anoop Kumar Sood “Use Of Fused Deposition Modeling
Process In Investment Precision Casting And Risk Of Using Selective Laser Sintering Process”, International Journal of Applied Research in Mechanical Engineering (IJARME)
[12] Ludmila Novakova-Marcincinova, Ivan Kuric “Basic and Advanced Materials for Fused Deposition Modeling Rapid Prototyping Technology”, Manuf and Ind Eng, ISSN 1338-6549 , 2012
[13] Longmei Li, Qian Sun, Celine Bellehumeur and Peihua Gu “Investigation of Bond Formation in FDM Process”, Department of Chemical and Petroleum Engineering University of Calgary, Calgary, Alberta, T2N 1N4 Canada
[14] William K Langford “ACHIEVING PRECISE FLOW IN FUSED DEPOSITION MODELING EXTRUDERS”, Term Paper- Engineering Management
52 Tufts University Medford, Massachusetts March 11, 2012
[15] Gu change “Master's degree thesis Fused deposition modeling into wire control system”, Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P.R.China May, 2007
[16] ABS – acrylonitrile butadiene styrene." 2003 5 Jun 2008
[17] Campo, E Alfredo, The Complete Part Design Handbook, Hanser, 2006
[18] Ahn D K., S M Kwon and S H Lee, "Expression for surface roughness distribution of FDM processed parts," International Conference on Smart Manufacturing Application, 2008, Korea, pp 490-493
[19] "Chemical Intelligence: Polymers, Rubbers & Resins." 6 Jun 2008
[20] PGS.TS Đặng Văn Nghìn “Công nghệ tạo mẫu nhanh - thành tựu và triển vọng”
[21] PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc “Cơ sở thiết kế máy” NXB ĐHQG TP HCM
HVTH : Nguyễn Qui Điền (MSHV: 11844573)
