Báo cáo máy in 3d Đề tài nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy in 3d

Một cách cụ thể, Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Mỹ American Society for Testing Materials - ASTM đã đưa ra một khái niệm rõ ràng về công nghệ đắp dần: “Công nghệ sản xuất đắp dần là một

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ



BÁO CÁO MÁY IN 3D

Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế và chế tạo

Máy In 3D Giảng viên hướng dẫn: HUỲNH CÔNG HẢO Lớp danh nghĩa: DHCDT16A

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Duy Phương 20011101

a) Điều khiển chu trình hở

b) Điều khiển chu trình nửa kín

c) Điều khiển chu trình kín

d) Hệ thống điều khiển chu trình hỗn hợp

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ MÁY IN 3D

3.2.2.2 Tính toán trục y

3.2.2.3 Tính toán trục z

3.2.2.4 Tính toán công suất động cơ

3.2.2.5 Chọn số vòng quay của động cơ

3.3.3 Mạch driver điều khiển động cơ bước DRV8825

3.3.4 Bộ điều khiển, hiển thi LCD

CHƯƠNG 4 : CHẾ TẠO MÁY IN

4.3 HIỆU CHỈNH MÁY IN

4.3.1 Thiết lập firmware marlin

4.3.2 Các thông số cài đặt firmware cho máy in

CHƯƠNG 5 : LẮP RÁP,MÔ HÌNH THỰC TẾ VÀ ĐÁNH GIÁ

5.1 LẮP RÁP

5.2 MÔ HÌNH THỰC TẾ

5.3 ĐÁNH GIÁ

KẾT LUẬN

Những xu hướng công nghệ sẽ thay đổi cuộc sống tương lai:

+ Trí tuệ nhân tạo–Robot

+ Công nghệ nano và khoa học vật liệu

+ Công nghệ in 3D

+ Sự nở rộ của các thiết bị đeo được

+ Công nghệ pin và sạc không dây

+ Màn hình cong

+ Smart home

+ Điện toán đám mây

+Thương mại điện tử

+ Thực tế ảo

Công nghệ in 3D là một trong những xu hướng phát triển của khoa học kỹ thuật, đang thuhút sự chú ý của hàng loạt các nước trên thế giới Công nghệ in 3D hiện giờ đã không còn quá xa

lạ với giới chuyên môn và người sử dụng trên toàn thế giới Vậy công nghệ in 3D là gì và tại sao

nó đem lại nhiều lợi ích đến vậy ?

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D

1.1: CÔNG NGH Ệ IN 3D LÀ GÌ ?

Cách đây khoảng 40 năm về trước, những ai lần đầu tiên nghe tiếng phát ra trên radio, nhìn thấyhình mình trên 1 tấm giấy, hay xem những con người bé tí chạy nhảy trong chiếc hộp vuông thì ta đã thấycông nghệ đó thật hiện đại.Ngày nay khoa học công nghệ phát triển vượt bậc, đi bất cứ đâu chúng ta cũngnghe thấy TV 3D, phim 3D, âm thanh 3D, Hình 3D Tất cả những cụm từ trên dùng để chỉ những côngnghệ tạo ảo giác hình khối lên thị giác và thính giác của con người, nhằm mô phỏng lại những gì ta có thểthấy và nghe được Nhưng 3D trong công nghệ in 3D là một định nghĩa hoàn toàn khác với 3D mang tính

mô phỏng mà ta đã nói như ở trên

In 3D ở đây sản phẩm thật, vật thể thật mà ta có thể cầm trên tay,quan sát một cách chính xác, 3D

ở đây là mọi thứ xung quanh ta, mà từ nguyên thủy đến hiện nay ta vẫn tiếp xúc hàng ngày, quá quenthuộc mà ta chẳng gọi nó là 3D làm gì

Thế nào là in 3D? In 3D là in ấn ra một vật thể theo không gian ba chiều (Dài-Rộng-Cao) mà ta

có thể cầm nắm, quan sát hay sử dụng nó như: mô hình xe hơi, máy bay, lọ hoa, giày, quần áo, thậm chí

là một ngôi nhà, đôi giày, cái chụp đèn ngủ Đối với in 3D, cảm hứng sáng tạo là vô tận, tất cả những gìbạn cần là một ý tưởng tuyệt vời Hiện nay có nhiều công nghệ in 3D, trong đó FDM và SLA là 2 côngnghệ 3D được sử dụng rộng rãi nhất: FDM (Fused Deposition Modeling), SLA (Stereolithograp).Công nghệ in 3D là gì? Công nghệ in 3D hay công nghệ tạo mẫu nhanh là cách thức để thực hiệnviệc in 3D, hay cách thức để máy in 3D hoạt động Ngày nay công nghệ in 3D phát triển rất đa dạng, vớimỗi sản phẩm 3D có thể được in ra với nhiều loại vật liệu khác nhau, vật liệu dạng khối, dạng lỏng, dạngbột bụi Với mỗi loại vật liệu cũng có nhiều phương thức để in như sử dụng tia laser, dụng cụ cắt, đùnnhựa… Cách thức in thì có in từ dưới lên, in từ đỉnh xuống

Vật liệu in 3D: Có thể là nhựa PLA, ABS, Nylon, Flexible, Wood, giấy, bột, polymer,kim loại, đặc biệt là socola, kem các vật liệu này có đặc điểm là có sự kết dính với nhau để vật liệu lớpbên trên kết dính với lớp bên dưới được

Công nghệ in 3D xu hướng của tương lai!

Công nghệ in 3D có những đặc điểm gì khiến các chuyên gia đánh giá đây là xu hướngphát triển đầy mạnh mẽ trong thời gian tới, xu hướng của tương lai?

Ưu điểm đầu tiên: Đúng như tên gọi của nó: công nghệ tạo mẫu nhanh công nghệ này có

sự vượt trội về thời gian chế tạo một sản phẩm hoàn thiện “Nhanh” ở đây cũng chỉ là một giớihạn tương đối Thông thường, để tạo ra một sản phẩm mới mất khoảng từ 3-72 giờ, phụ thuộcvào kích thước và độ phức tạp của sản phẩm Có thể bạn cho rằng khoảng thời gian này có vẻchậm, nhưng so với thời gian mà các công nghệ chế tạo truyền thống thường mất từ nhiều tuầnđến nhiều tháng để tạo ra một sản phẩm thì nó nhanh hơn rất nhiều Chính vì cần ít thời gian hơn

để tạo ra sản phẩm nên các công ty sản xuất tiết kiệm được chi phí, nhanh chóng đưa ra thịtrường những sản phẩm mới

Ưu điểm đặc biệt thứ 2: ví dụ ta có thể chế tạo được cái đầu người với đầy đủ bộ phận cảbên trong lẫn bên ngoài một cách chi tiết chỉ trong một lần thực hiện mà các phương pháp truyềnthống không thể chế tạo được.

2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ IN 3D

Cơ chế hay tính chất của công nghệ Thuật ngữ “in 3D” sẽ cho người nghe hình dung về việc sử dụng máy in phun với đầu mực di Có rất nhiều thuật ngữ khác nhau được dùng để chỉ công nghệ sản xuất đắp dần quen thuộc nhất là Công nghệ in 3D, bên cạnh những tên khác như Công nghệ tạo mẫu nhanh, Công nghệ chế tạo nhanh và Công nghệ chế tạo trực tiếp Như vậy, hầu hết các thuật ngữ này đều ra đời dựa trên chuyển trên giấy để tạo ra các sản phẩm hoàn thiện, giống như máy in bình thường hiện nay vẫn hay sử dụng tại văn phòng Trên thực tế thì công nghệ sản xuất đắp dần cũng có thể hoạt động tương tự như vậy, nhưng nó còn có những quá trình, kĩ thuật tiến

bộ hơn Một cách cụ thể, Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Mỹ (American Society for Testing Materials - ASTM) đã đưa ra một khái niệm rõ ràng về công nghệ đắp dần: “Công nghệ sản xuất đắp dần là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo nên mô hình 3D, thường là chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau, và quá trình này trái ngược với quá trình cắt gọt vẫn thường dùng

để chế tạo xưa nay” Có thể thấy đây là một phương pháp sản xuất hoàn toàn trái ngược so với các phương pháp cắt gọt - hay còn gọi là phương pháp gia công, mài giũa vật liệu nguyên khối - bằng cách loại bỏ hoặc cắt gọt đi một phần vật liệu, nhằm có được sản phẩm cuối cùng Còn với sản xuất đắp dần, ta có thể coi nó là công nghệ tạo hình như đúc hay ép khuôn, nhưng từ những nguyên liệu riêng lẻ để đắp dần thành sản phẩm cuối cùng

Công nghệ sản xuất đắp dần ra đời đã được 30 năm nay Năm 1986, Charles Hull sáng tạo ra mộtquá trình gọi là Stereolithography – sản xuất vật thể từ nhựa lỏng và làm cứng lại nhờ laser Sau

đó, ông Hull thành lập công ty 3DSystems, một trong những nhà cung cấp công nghệ lớn nhất hiện nay trong lĩnh vực sản xuất đắp dần Nếu lập biểu thời gian thì chúng ta sẽ thấy công nghệ này phát triển theo một biểu đồ logarit Từ 1986 đến 2007, trong 20 năm đầu tiên, công nghệ nàymới chỉ có các bước đi nhỏ, chậm, đây được gọi là giai đoạn xâm nhập, bước nền cho công nghệ tạo mẫu nhanh Tuy nhiên đến năm 2009, đã có một sự biến động lớn trên thị trường, nhiều bằng sáng chế về công nghệ này đã hết hạn bảo vệ bản quyền, trong đó có bằng sở hữu FDM Quá trình Fuse Deposition Modelling (FDM) tạo hình sản phẩm nhờ nấu chảy vật liệu rồi xếp đặt chồng lớp, vốn được sở hữu bởi hãng Stratasys, một trong những đối thủ cạnh tranh hàng đầu trong lĩnh vực Khi bằng sáng chế về FDM hết giá trị, công nghệ này đã thu hút nhiều nhà sản xuất tham gia Giá thành sản xuất giảm và FDM trở thành một trong những chìa khóa công nghệ

cơ bản của các máy sản xuất đắp dần được tiêu thụ trên thị trường hiện nay Ngoài ra, đến năm

2014, các bằng sáng chế cho công nghệ Nung kết sử dụng laser (Selective Laser Sintering-SLS)

cũng bắt đầu hết hạn, tạo cơ hội cho những sáng chế mới phát triển hơn nữa ngành sản xuất đắp dần, mở đường cho một thời kỳ phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp này trong tương lai rất gần.

Năm 2013, ngành công nghệ sản xuất đắp dần trị giá khoảng 3,1 tỷ USD/năm, tăng 35% so với năm 2012 Trong vòng sáu năm tới, tốc độ tăng trưởng trung bình được dự đoán ở mức cao, khoảng 32%/năm và đạt mức 21 tỷ USD vào năm 2020

Hình 1.1: Biểu đồ phát triển của công nghệ in 3D

3.1 TÌNH HÌNH CÔNG NGHỆ IN 3D MỘT SỐ NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI

Công nghệ in 3D rất được quan tâm bởi các nước trên thế giới Tăng cường trong sản xuất công nghiệp và giáo dục là chủ đề thu hút sự quan tâm của các nước với công nghệ này

Ở Mỹ: công nghệ in 3D có vai trò là tiềm năng cách mạng hóa trong phương pháp sản xuất ra hầu hết tất cả mọi thứ Chính phủ Mỹ đã hỗ trợ công nghệ này từ nhiều thập kỷ trước

Năm 2012, NAMII được thành lập nhằm thúc đẩy công nghệ in 3D ở Mỹ Năm 2014, NAMII đầu tư 9 triệu USD cho việc nghiên cứu ứng dụng in 3D Ngoài ra, quỹ khoa học quốc gia và bộ quốc phòng Mỹ rất quan tâm và đầu tư cho công nghệ in 3D.

Ở Trung Quốc (TQ): năm 2012, TQ đã đưa công nghệ in 3D vào chương trình nghiên cứu và phát triển công nghệ cao quốc gia Chính phủ TQ cấp 6,5 triệu USD nghiên cứu tập trung về in 3D 6/2013, TQ cam kết đầu tư 245 triệu USD cho việc nghiên cứu in 3D

Ở Anh: 6/2013 Anh hỗ trợ 13,9 triệu USD cho các công ty tư nhân để phát triển in 3D 2014, Anh công bố thành lập trung tâm quốc gia in 3D với khoản đầu tư 25 triệu USD

Ở Nhật Bản (NB): 2014, NB dành khoảng 44 triệu USD trong ngân sách để hỗ trợ hoạt động nghiên cứu, phát triển công nghệ 3D

Từ những thông tin trên thấy được những ứng dụng to lớn cũng như tác động, ảnh hưởng cụ thể của công nghệ in 3D, là một ngành công nghệ tiên tiến chiếm lĩnh vị trí to lớn trong kinh tế, xã hội và chính trị …

1.4 TÌNH HÌNH CÔNG NGHỆ IN 3D Ở VIỆT NAM

Công nghệ in 3D ở việt Nam đã có mặt khoảng năm 2003, tuy nhiên do giá thành còn caonên vẫn chưa được ứng dụng nhiều, chủ yếu dùng trong công tác nghiên cứu Hiện nay côngnghệ này được ứng dụng phổ biến hơn trong rất nhiều các lĩnh vực Công nghệ in 3D có thể tăngtrưởng lợi ích kinh tế tối đa cho doanh nghiệp nói chung và các cá nhân nói riêng Với việc muamáy in 3D và có thể thiết kế 3D, bạn có thể biến ý tưởng thành vật mẫu chỉ trong thời gian ngắn.Hiện nay, đối với các doanh nghiệp sản xuất công nghiệp, công đoạn tạo prototypethường chiếm khá nhiều thời gian trong quy trình nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới, vì phảiđưa mẫu thiết kế đến các cơ sở gia công thực hiện, nhưng độ chính xác lại chưa cao và tốn mộtkhoản chi phí đáng kể Về vấn đề này, máy in 3D hoàn toàn có thể đưa đến giải pháp tối ưu chongười sử dụng Sở hữu một chiếc máy in 3D của riêng mình sẽ đảm bảo những ý tưởng của bạnđược thực hiện hóa nhanh nhất và hoàn hảo nhất In một thiết kế riêng bằng máy in 3D mangđậm cá tính sáng tạo chắc chắn sẽ luôn là những trải nghiệm thú vị đối với người đam mê côngnghệ

Đa dạng các dòng máy in 3D trên thị trường Việt Nam:

Ngày trước, để mua một máy in 3D thì phải lên mạng nước ngoài để tìm hiểu, đặt hàng

và phải mất thời gian chờ để máy vận chuyển về nước Tuy nhiên hiện nay có thể dễ dàng tìm mua máy in 3D ngay tại thị trường trong nước, với nhiều sự lựa chọn về mẫu mã, giá cả phù hợp nhưng vẫn đảm bảo về chất lượng, có thể khẳng định tương đương với các dòng máy nhập khác Máy in 3D thương hiệu việt được rất nhiều doanh nghiệp trong nước lựa chọn Những lí do đáng xem xét để đầu tư vào công nghệ in 3D

Hiện nay trên thị trường Việt Nam có rất nhiều các công ty máy in 3D tham gia vào thị trường trong nước.

• Công ty 3D MAKER: chuyên nghiên cứu, sản xuất, phân phối các loại máy in 3D

uy tín, chất lượng với nhiều dòng khác nhau: STARTER, PRO225,PRO230,PRO350

Hình 1.2: Máy in 3D maker starter

Công ty Flashgorge Việt Nam: công ty phân phối máy in 3D tại Việt Nam với nhiều loại máy đadạng: 3D printer chocolate, 3D full color HD printer, 3D printer A Finder,3D Creator X…

Hình 1.3: Máy in 3D creator X

•Creatz3D Pte Ltd là nhà phân phối ủy quyền của tập đoàn máy in 3D Stratasys tại Singapore và Việt Nam Công ty có 4 dòng máy chính: Idea, Design, Production, Dental Và còn rất nhiều công ty khác trên thị trường Việt Nam.

1.5 MỘT SỐ MÁY IN 3D CỠ NHỎ SỬ DỤNG VẬT LIỆU SỢI NHỰA

Hình 1.4: Máy in 3D thiết kế đơn giản

Hình 1.5: Máy in nhựa 3D

1.6 ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT VÀ ĐỜI SỐNG

Công nghệ sản xuất chế tạo:

Tất nhiên, các ngành công nghiệp sản xuất đã trở thành đối tượng sử dụng in 3D nhiều nhất Lí

do chính khiến công nghệ sản xuất đắp dần được sử dụng rộng dãi trong môi trường công nghiệp

là do nó cho phép sản xuất các bộ phận với số lượng ít, bộ phận có hình dạng phức tạp, cắt giảm phế liệu, tạo nhanh sản phẩm thử nghiệm, sản xuất theo yêu cầu Lí do nữa là in 3D giúp giảm độphức tạp trong quản lí chuỗi cung ứng, cho phép sản xuất các bộ phận tại chỗ thay vì phải sản xuất ở nơi khác mang đến

Ngành công nghiệp ô tô đã sử dụng in 3D để sản xuất những chiếc xe hoàn chỉnh Trên thực tế, một chiếc xe tên là Urbee đã được sản xuất toàn bộ bằng công nghệ in 3D Nhà sản xuất chiếc xenày đã tập trung vào việc tăng tối đa số lượng các bộ phận xe được in 3D với mục tiêu chính là tiết kiệm nhiên liệu

Hình 1.6: Chiếc xe Urbee được in bằng công nghệ 3D

Công nghiệp điện tử cũng là một trong những ngành ứng dụng đầu tiên của in 3D Máy in 3D đã được sử dụng để chế tạo các bộ phận phức tạp đặc biệt từ các chất liệu khác nhau và đã mở ra một trào lưu mới của ngành công nghiệp này

Hình 1.7: Loa điện tử in bằng công nghệ 3D

Y tế, chăm sóc sức khỏe:

Công nghệ in 3D rất hữu ích trong y tế ( sản xuất chân, tay, răng, tai giả…)

Hình 1.8: Răng giả in bằng công nghệ 3D

Ngoài ra, công nghệ in 3D còn được dùng để thiết kế và sản suất các bộ phận cơ thể giúp cho phẫu thuật tái tạo và cấy ghép

Giáo dục:

In 3D cũng có những ứng dụng thiết thực trong giáo dục, đặc biết liên quan đến các môn khoa học, công nghệ, kỹ thuật, kỹ năng toán học

Hình 1.9: Hình học bằng công nghệ in 3D

Kiến trúc và xây dựng:

Xây dựng các tòa nhà bằng máy in 3D khổng lồ Vật liệu phổ biến nhất cho in xây dựng

là nhựa, bê tông và cát Phương pháp in 3D mang lại những cải tiến đáng kể về chật lượng, tốc

độ, chi phí, đặc biệt là trong chi phí lao động, cải thiện tính linh hoạt, đảm bảo an toàn xây dựng

và giảm các tác động môi trường

HÌNH 1.10: Xây nhà bằng in 3D

Trong gia đình:

Máy in 3D để bàn có thể cho phép bạn sản xuất những gì bạn muốn ngay trong căn nhàriêng của mình, tất nhiên là với kích thước phù hợp với máy in và các nguyên liệu có thể có Cácvật dụng yêu thích như đồ chơi, đồ dùng và đồ trang trí là những ứng dụng phổ biến nhất Nhờ

máy in 3D để mỗi người có thể tự thiết kế và sản xuất vật dụng theo yêu cầu riêng biệt, làm nên

cá tính của bản thân…

 Kết luận:

Máy in 3D được xem là một phát minh mới lạ và đã không còn quá xa lạ với giới chuyênmôn Ở Việt Nam, máy in 3D đang bắt đầu tiếp cận thị trường thông qua các hãng với thươnghiệu nước ngoài hay các máy in do Việt Nam sản xuất Sau khi tìm hiểu em sẽ đi nghiên cứu, chếtạo một máy in 3D mini cá nhân Dự kiến kết quả đạt được như sau:

Nghiên cứu lí thuyết:

+ Nghiên cứu tổng hợp về máy in 3D, cơ sở lí thuyết và nguyên lí hoạt động của máy.+ Nghiên cứu thiết kế, gia công, lắp giáp cơ khí cho máy in

+ Nghiên cứu về lựa chọn các module điều khiển cho máy in

Dự kiến kết quả thực tế:

 Chế tạo thành công máy in 3D: thiết kế, chế tạo máy in 3D mini có kích thước750x470x650mm

Hình 1.11: Ví dụ mô hình máy in 3D

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CƠ SỞ LÍ THUYẾT VÀ CÔNG CỤ SỬ DỤNG

Hệ thống CNC bao gồm 3 bộ phận:

- Hệ NC làm nhiệm vụ tương tác với người vận hành và tiến hành việc điều khiển vị trí

- Hệ điều khiển các động cơ

- Hệ các driver

 Ưu nhược điểm của máy CNC:

- Tính năng tự động cao: các máy ứng dụng kỹ thuật CNC đạt tốc độ dịch chuyển lớn.Trong lĩnh vực gia công cắt gọt, máy công cụ CNC có năng suất cắt gọt cao và giảm được tối đathời gian phụ, do mức tự động hóa nâng cao vượt bậc

- Tính linh hoạt cao: máy CNC dễ dàng thay đổi chương trình gia công, thiết thực với cácloại chi tiết khác nhau, thời gian chuẩn bị và hiệu chỉnh kỹ thuật tại khu vực làm việc giảm đáng

kể Thời gian thay dao được thực hiện nhanh chóng, chính xác có thể chuẩn bị dao ở vùng ngoại

vi và nạp trở lại vào ổ tích dao chuyền dùng gắn trên máy

- Tính năng tập trung nguyên công cao: đa số các máy CNC đều có thể thực hiện một sốlượng lớn các nguyên công khác nhau mà không cần thay đổi vị trí gá đặt của chi tiết

- Tính chính xác, đảm bảo chất lượng gia công: độ chính xác lặp lại đặc trưng cho mức

ổn định trong suốt quá trình đảm bảo chất lượng gia công cao, là ưu việt tuyệt đối của các máyđiều khiển kỹ thuật số Ngoài ra, máy CNC còn có điều kiện khai thác tối đa các chế độ cắt gọt,các nguyên lí cắt và phương án gá đặt, đảm bảo độ chính xác cao, ổn định chất lượng sản phẩm

- Năng suất, tính hiệu quả kinh tế_kỹ thuật cao: sự lựa chọn thế hệ máy CNC hiện nay trởthành một đặc tính cần thiết có tầm quan trọng quyết định đối với các xí nghiệp công nghiệp.

• Hệ thống điều khiển:

Đối với hệ thống điều khiển máy công cụ CNC vấn đề cơ bản quan trọng là làm sao từcác dữ liệu của chương trình đã lập của người dùng, bộ điều khiển tiến hành xửlý, tính toán vàphát lệnh đến các động cơdẫn động bàn máy và trục chính thực hiện các dịch chuyển cần thiết đểtạo ra hình dáng hình học của chi tiết cần gia công với độ chính xác nhất định một cách tự độnghoàn toàn

Nếu phân loại dựa theo phương pháp mà hệ điều khiển xác định và kiểm tra vị trí, người

ta chia hệ thống điều khiển thành 4 loại sau:

+ Điều khiển chu trình hở (open loop)

+ Điều khiển theo chu trình nửa kín (semi-closed loop)

+Điều khiển chu trình kín (closed loop)

+Điều khiển hỗn hợp (hybrid loop)

a) Điều khiển chu trình hở

Ở hệ thống điều khiển chu trình hở, dữ liệu chương trình gia công nhập được đưa vào bộđiều khiển MCU (machine control unit) Nó giải mã thông tin và lưu trữ trong bộ nhớ cho đếnkhi người vận hành bấm nút bắt đầu chạy chương trình Từng lệnh của chương trình đượcchuyển đổi sang các xung điện một cách tuần tự và tự động để gửi tới bộ điều khiển, kích hoạt vàđiều khiển các động cơ servo Lượng dịch chuyển của động cơ hay nói cách khác là bàn máy phụthuộc vào số xung điện (electric pulses) mà động cơ nhận được

Hình 2.1: Hệ điều khiển chu trình hở

Hệ thống này khá đơn giản vì không có mạch hồi tiếp (feedback), tuy nhiên không có cách nào để kiểm tra xem động cơ servo có dịch chuyển (quay) đúng theo lệnh đã được yêu cầu hay không, tức là chúng không có mối liên hệ ngược Do vậy hệ thống điều khiển chu trình hở không thể áp dụng cho các máy CNC gia công cơ khí có độ chính xác lớn hơn 0,02 mm hoặc có lực cắt trong quá trình gia công lớn Đối với loại điều khiển này động cơ servo là các động cơ một chiều kiểu động cơ bước (stepper motor) Độ chính xác gia công chủyếu phụ thuộc vào độ chính xác chuyển động của động cơ bước, vít me và hệ thống truyền động Khi mômen quay nhỏ

và ít thay đổi thì độ chính xác dịch chuyển khá cao, do vậy các máy gia công tia lửa điện hiện nay vẫn sử dụng điều khiển theo chu trình hở

b) Điều khiển chu trình nửa kín

Điều khiển chu trình nửa kín là loại hệ thống điều khiển phổ biến Với loại này, thiết bị kiểm tra vị trí được lắp vào trục của động cơ servo và chúng kiểm tra góc quay Độ chính xác cuối cùng (chuyển động của bàn máy) phụ thuộc khá lớn và độ chính xác của trục vít me Vì thế, trục vít me bi có độ chính xác cao được dùng trong hệ truyền động cho bàn máy Khi cần thiết, một số máy hệ NC còn cho phép bù trừ sai số của bước vít me và khe hở của trục vít me để tăng

độ chính xác Bù trừ sai số bước vít me bằng cách hiệu chỉnh chỉ thị đến hệ dẫn động servo nhằmloại bỏ sai số tích lũy Bù trừ sai số khe hở khi chiều chuyển động đổi dấu, một lượng xung tương ứng với khe hở được gửi đến hệ điều khiển động cơservo để hiệu chỉnh

Hình 2.2: Điều khiển theo chu trình nửa kín

c) Điều khiển chu trình kín

Mặc dù bộ điều khiển chu trình nửa kín có thể thể bù trừ sai số bước vít me và khe hở vít

me nhưng nói chung khó đạt được độ chính xác cao khi ảnh hưởng của khe hở sẽ thay đổi theo khối lượng của chi tiết gia công Độ mòn của trục vít me cũng khác nhau tại các vị trí khác nhau Khe hở của vít me cũng thay đổi theo nhiệt độ Thêm vào đó, chiều dài của trục vít me cũng bị giới hạn so với các máy có yêu cầu hành trình lớn Khi đó cơ cấu bánh răng, thanh răng được sử dụng đối với các máy có kích thước lớn Tuy nhiên, độ chính xác của cơ cấu bánh răng, thanh răng thường kém Do vậy, điều khiển chu trình kín sử dụng trong trường hợp này sẽ khắc phục được sai số của vít me hoặc bánh răng, thanh răng

Hình 2.3: Hệ thống điều khiển chu trình kín

Trong hệ thống điều khiển chu trình kín, thiết bị giám sát vị trí được lắp trên bàn máy và

vị trí thực của bàn máy được hồi tiếp về hệ điều khiển Chu trình kín và chu trình nửa kín khá giống nhau ngoại trừ vị trí của thiết bị giám sát vị trí (gọi là linear scale) được lắp ở bàn máy hay

ở trục của động cơ và độ chính xác của thiết bị nhận biết vị trí của hệ điều khiển chu trình kín rất cao

Tuy vậy, hiện tượng cộng hưởng trong dao động của khung máy, hiện tượng dính trượt v.v gây nên thiết hụt chuyển động bởi vì bản thân cả thân máy cũng dính liền với đối tượng giám sát (bàn máy) có ảnh hưởng đến đặc tính của hệ servo Hệ điều khiển chu trình kín luôn cố làm giảm sai số giữa vị trí cần đến trong lệch dịch chuyển và vị trí thật Để giảm các sai số do các hiện tượng nói trên gây ra, bộ điều khiển phải nhạy (dập được ảnh hưởng của dao động rung của khung máy) và đôi khi dẫn đến mất ổn định trong điều khiển Vì vậy, nếu tần số cộng hưởng của máy thấp hơn tần số đáp ứng của hệ điều khiển chu trình kín thì hệ điều khiển vị trí trở nên mất ổn định Vì thế người ta cố gắng tăng độ cứng vững của khung máy nhằm tăng tần số dao động cộng hưởng của máy Đồng thời cố gắng giảm hệ số ma sát và loại bỏ các nguyên nhân gây

ra thiếu hụt chuyển động

d) Hệ thống điều khiển chu trình hỗn hợp

Trong trường hợp khó tăng được độ cứng vững của máy khi khối lượng chi tiết gia công lớn hoặc khó loại bỏ được hiện tượng thiếu hụt chuyển động do hiện tượng dính hoặc trượt chuyển động trong các máy CNC hạng nặng, người ta sử dụng bộ điều khiển chu trình hỗn hợp nhằm bảo đảm độ chính xác vị trí mà không làm mất tính ổn định điều khiển

Trong chu trình hỗn hợp có hai vòng lặp điều khiển: vòng nửa kín giám sát chuyển động của động cơ, vòng kín sử dụng thước quang để giám sát vị trí của bàn máy Trong vòng lặp nửa kín, có thể dùng thuật toán điều khiển có độ nhạy cao bởi vì vòng lặp này không bị ảnh hưởng của toàn bộ khung máy Còn trong vòng lặp kín, độ chính xác điều khiển được tăng lên nhờ phương pháp bù trừ sai số mà vòng lặp nửa kín không thực hiện được Vì vòng lặp kín chỉ bù trừ sai số thuộc về vị trí nên hoạt động tốt ở chế độ nhạy thấp hơn Sự kết hợp giữa vòng lặp kín và nửa kín cho phép đảm bảo độ chính xác điều khiển trong mọi trường hợp

Hình 2.4: Điều khiển chu trình hỗn hợp

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ MÁY IN 3D

3.1 THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Dựa trên khảo những sát thực tế mô hình máy in 3D reprap, em thiết kế một máy in 3D

có cấu tạo như máy in mô hình với kích thước nhỏ Máy gồm các bộ phận sau:

+ Với 3 trục chuyển động X, Y, Z trong đó: trục X chuyển động trên trục Z, trục Y chuyển động vuông góc với trục X, trục Z chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng so với trục Y

+ Đầu đùn nhựa

Các trục X, Y, Z có cấu tạo gồm các thành phần sau:

- Trục X gồm 2 phần: phần cố định và phần chuyển động.

+ Phần chuyển động là chuyển động trượt của mặt bích trên thanh vít me

- Đầu đùn nhựa được gắn trên mặt bích chuyển động trượt trên trục X và lên xuống theo trục Z

- Trục Y được gắn cố định trên bàn máy Chuyển động trên trục Y là chuyển động của bàn nhiệt, bàn nhiệt được gắn liền với các mặt bích chuyển động trượt trên trục Y qua chuyển động dây đai

+ Không làm việc ở chế độ mạch điều khiển hở, yêu cầu phải có hệ thống phản hồi.+ Yêu cầu phải điều chỉnh các thông số vòng điều khiển.

+ Bảo đưỡng tốn kém

+ Phải có driver điều khiển riêng

b) Động cơ bước

• Ưu điểm:

+ Điều khiển vị trí, tốc độ chính xác, không cần mạch phản hồi

+ Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC

+ Không có phản hồi nên có thể xảy ra các sai số

=>Từ những ưu, nhược điểm của hai loại động cơ trên, không sử dụng động cơ servo vì phải có driver điều khiển riêng tốn chi phí và giá thành động cơ cao không phù hợp với máy in 3D giá rẻ

Do vậy động cơ em lựa chọn cho đề tài của mình là động cơ bước

m: khối lượng tổng, trục X chuyển động trên trục Z nên m là tổng khối lượng trục X và

Z Sau khi cân kết quả được 1,2kg

a: gia tốc có được sau khi khảo sát thực tế

3.2.2.4 Tính toán công suất động cơ

Công suất làm việc

Trong đó:

Là momen xoắn (Nm)

Là vận tốc quay của motor (V/s)

Do ma sát, hao mòn của các bộ truyền ta có hiệu suất chung của hệ dẫn động là:

Trong đó:

: Là hiệu suất của khớp nối

: Là hiệu suất của ổ lăn

Công suất làm việc trên trục động cơ:

Xác định số vòng quay đồng bộ nên dùng cho động cơ:

Chọn sơ bộ số vòng quay đồng bộ của động cơ là n =360 (v/p) Khi đó tỉ số truyền sơ bộđb

của hệ thống U được xác định:sb

Ta có U nằm trong khoảng sb

 Vì công suất cần nhỏ và yêu cầu độ chính xác cao nên ta có thể chọn động cơ bướcNEMA 17

Thông số kỹ thuật của động cơ:

Kiểu động cơ Điện áp định

mức

Dòng địnhmức

Lực tổng hợp tác dụng lên ổ:

Với đường kính ngõng trục , chọn ổ bi đỡ một dãy cỡ nhỏ 605z có:

Ký hiệu ổ d D B r Đường kính bi C (kN) C (kN)0

3.3 LỰA CHỌN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Ta có thể ứng dụng mạch arduino với mã nguồn mở để sử dụng làm mạch điều khiển.Hiện nay, các module được sử dụng khá phổ biến cho các loại máy in 3D gồm có:

+ Mạch Arduino Mega 2560

+ Mạch RAMPS 1.6

+ Bộ điều khiển, hiển thị LCD 2004 hoặc bộ điều khiển, hiển thị LCD 128*64

+ Modun điều khiển động cơ bước DRV8825

3.3.1 Mạch arduino mega 2560

Có 16 chân vào analog (từ A0 đến A15).

Có 4 cổng serial giao tiếp với phần cứng:

Cổng Serial Chân RX Chân TX

Cổng 2 17 16

Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lí trung tâm của toàn bo mạch Với mỗi mấu Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau Ở con Arduino Mega 2560 này thì sử dụng ATMega2560.Các thông số của Arduino Mega 2560:

Điện áp hoạt động: 7-12V

Điện áp đầu vào: 6-20V

Chân vào/ra (I/O) số: 54 chân (15 chân là đầu ra PWM)

Dòng điện trong mỗi chân I/O: 40mA

Dòng điện chân nguồn 3.3V: 50mA

Các Mega 2560 có 256KB bộ nhớ flash để lưu trữ mã (trong đó có 8KB được sử dụngcho bộ nạp khởi động), 8KB SRAM và 4KB EEPROM

Ứng dụng thực tế Arduino Mega 2560: với sự tiện ích vô cùng lớn của Arduino Mega

2560, mạnh mẽ với bộ nhớ flash lớn, số chân nhiều hơn và cùng số lượng shield hỗ trợ không hềnhỏ Arduino Mega đã được đưa vào các dự án lớn hơn như xử lí thông tin nhiều luồng, điều

khiển nhiều động cơ, xe điều khiển từ xa, LED cube hay còn mở rộng cánh cửa với thế giớiIoT v.v

3.3.2 Mạch ramps 1.6

RAMPS 1.6 là board mở rộng cắm trên Arduino Mega 2560 và dùng để điều khiển các máy in 3D Reaprap cũng như các ứng dụng khác RAMPS 1.6 có 5 khay dung để lắp module điều khiển động cơ bước DRV8825, các mạch công suất điều khiển các đầu đùn, bàn nhiệt,… của máy in 3D do được thiết kế theo các module, các máy in 3D dung RAMPS 1.6 luôn dễ dàngbảo trì, thay thế, sửa chữa và nâng cấp với chi phí thấp

Hình 3.14: Mạch RAMPS 1.6

• Các tính năng nổi bật:

+ Dùng để điều khiển máy in 3D và các dạng robot 3 trục tịnh tiến

+ Có thể mở rộng cho các phụ kiện điện tử khác

+ Có 3 mạch công suất cho các đầu sấy và quạt, các mạch xử lí tín hiệu nhiệt điện trở.+ Có thể tích hợp thẻ nhớ

+ Điều khiển bàn nhiệt

+ Hiển thị trạng thái hoạt động bằng led

+ Hỗ trợ tới 2 động cơ trục Z

+ 6 ngõ digital được dung cho cảm biến đầu cuối của mỗi trục

+ Cầu trì tự phục hồi 5A bảo vệ các phần tử trong mạch

+ Thêm các chân ngõ ra: PWM, ngõ ra số, nối tiếp, SPI, I2C và các ngõ ra analog

3.3.3 Mạch driver điều khiển động cơ bước DRV8825