Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THIẾT KẾ MÁY TẠO MẪU NHANH THEO CÔNG NGHỆ DLP DESIGN OF 3D RAPID PROTOTYPING MACHINE USING DIGITAL LIGHT PROCESSING TECHNOLOGY Đặng Văn Nghìn1a, Nguyễn Đình Trọng2, Trần Hồng Anh2, Ngô Diệu Thạch2, Gia Xuân Long 1b Viện Cơ học Tin học ứng dụng TP HCM PTN Quốc gia Điều khiển số Kỹ thuật hệ thống a nghindv@yahoo.com, bgialong2412@gmail.com TÓM TẮT Bài báo giới thiệu đặc điểm, lịch sử phát triển, tầm quan trọng phạm vi ứng dụng việc tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP Nội chung báo trình bày nguyên lý hoạt động, cấu trúc phân tích lựa chọn phương án thiết kế sở cụm chức máy in 3D theo công nghệ DLP Đồng thời trình bày kết thiết kế cụm chức kết chế tạo máy tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP Từ khóa: DLP, xử lý ánh sáng kỹ thuật số, mặt nạ chiếu, stereolithography, phân tích, thiết kế hệ thống, tạo mẫu nhanh ABSTRACT In this paper, a literature review concerning some aspects of the Digital Light Processing technology such as the brief introduction, development history, some advantages and practical applications in various fields is presented The main content of this paper is that we present the principle, construction as well as analysing and choose the bestdesign for a 3D Rapid Prototyping machine using Digital Light Processing technology We also implement some results of designed parts as well as manufactured machine Keywords: DLP, Digital Light Processing, mask projection, stereolithography, system design, system analysis, rapid prototyping GIỚI THIỆU Ngày nhu cầu tạo nên mẫu sản phẩm ban đầu nhu cầu thiết yếu trình sản xuất, trước sản xuất hàng loạt sản phẩm phải cần tạo mẫu sản phẩm trước để kiểm tra tính thực khả thi Ngoài kỹ thuật khí, công nghệ ứng dụng nhiều công nghệ y sinh, đặc biệt công nghệ kim hoàn ngành hàng không vũ trụ.Trong đó, phương pháp in 3D sử dụng công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số DLP (Digital Light Processing) bật công nghệ in 3D phát triển từ công nghệ in 3D SLA với nhiều cải thiện đáng kể sản phẩm thời gian in Sự phát triển công nghệ in 3D theo công nghệ DLP xuất sáng chế liên quan đến việc tạo mẫu nhanh ứng dụng công nghệ DLP bắt đầu xuất từ cuối năm 2001 với gia tăng rõ rệt hoạt động xung quanh công nghệ vòng 15 năm qua[1] Với nhiều đặc tính ưu việt chất lượng mẫu in, in 3D theo công nghệ DLP ứng dụng rộng rãi Do đó, việc thiết kế chế tạo máy tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP quan tâm 172 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Nguyên lý hoạt động Tương tự công nghệ SLA, nhờ vào tính nhiệt hóa rắn polymer cảm quang tác dụng ánh sáng tia UV Đầu tiên, người ta đặt thiết bị nâng cách bề mặt chất lỏng khoảng với độ dày lớp vật liệu (tức lớp nằm cùng) Sau đó, chùm tia sáng điều khiển máy tính thông qua hệ thống quét quang học quét lên bề mặt theo tiết diện mặt cắt Vật liệu lỏng bị tác động chùm tia cực tím bị đông đặc lại Sau đó, cấu nâng dịch chuyển lên phía đoạn chiều dày lớp trình lặp lại Các lớp liên kết lại với thành khối hoàn thành sản phẩm Hình Nguyên lý hoạt động công nghệ tạo mẫu nhanh DLP 2.2 Cấu trúc thành phần máy Cấu trúc máy tạo mẫu nhanh DLP gồm có cụm sau: cụm khung máy, cụm cung cấp nguồn sáng, cụm nâng hạ theo trục Z đỡ mẫu, cụm di chuyển qua lại theo trục X, cụm chứa dung dịch nhựa lỏng, cụm điều khiển Hình Cấu trúc máy 173 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.3 Phân tích, lựa chọn phương án Trong năm gần dòng máy in 3D theo công nghệ DLP nghiên cứu phát triển giới với số dòng máy điển hình với phương án thiết kế thể theo bảng ma trận phương án lựa chọn bảng 1: Bảng Ma trận phương án thiết kế máy tạo mẫu nhanh DLP Sau phân tích ma trận QFD theo dòng máy giới, nhóm tác giả chọn phương án thiết kế sau: Khung nhôm dạng hộp – Cụm cấp nguồn sáng từ lên - Cụm di chuyển qua lại theo trục X truyền động cấu culit – Cụm đựng nhựa lỏng sử dụng màng phủ FEP chống dính TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 3.1 Khung máy Yêu cầu kĩ thuật: đảm bảo độ cứng vững cho máy, tránh cong vênh hay dao động trình vận hành máy Đảm bảo độ vuông góc, song song tạo điều kiện lắp ráp phận khác dễ dàng Sau phân tích lựa chọn, để đơn giản, dễ dàng láp ráp chỉnh sửa việc mở rộng máy sau ta chọn khung nhôm định hình để thiết kế khung máy Hình Khung máy hoàn chỉnh 3.2 Cụm cấp nguồn sáng Yêu cầu kĩ thuật: quang phổ nguồn sáng phải có bước sóng phù hợp để làm hóa rắn nhựa cảm quang, cường độ ánh sáng bước sóng phải đáp ứng thời gian chiếu yêu cầu [6] Chọn máy chiếu nhãn hiệu Viewsonic PJD 7822HDL hãng ViewSonic đáp ứng yêu cầu kỹ thuật chi phí thấp Bên cạnh đó, chọn hướng bố trí nguồn sáng chiếu từ lên lựa chọn cách chiếu trực tiếp không thông qua hệ thống quang học để đơn giản hóa dễ điều khiển trình in mẫu [7] 174 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 3.3 Cụm nâng hạ trục Z Yêu cầu kĩ thuật: khoảng cách dịch chuyển nhỏ cụm trục Z phải nhỏ chiều dày lớp vật liệu đông đặc [4] chọn 0,05 - 0,15 mm Bên cạnh đó, cần đảm bảo độ xác độ vuông góc, song song kết cấu giúp hoạt động dễ dàng đảm bảo độ xác yêu cầu vật mẫu tạo Thông số kích thước vật mẫu tạo máy tạo mẫu nhanh DLP: - Kích thước vật theo phương xyz: bị giới hạn chiếu động hệ thống thấu kính [6], chọn 115x65x250 (mm) - Độ dày lớp tốt nhất: bị ảnh hưởng phương pháp tái phủ, độ phân giải truyền động, đặc tính vật liệu hướng chiếu [6], chọn 0,025mm Tính toán kiểm nghiệm Kiểm nghiệm momen tĩnh tác động lên cụm trục Z: Sơ đồ momen lực cụm trục Z chịu tác dụng theo ba phương X,Y,Z: Hình Sơ đồ chịu lựa uốn máy cụm trục Z Sơ đồ tác dụng lực máy tạo mẫu nhanh cụm trục Z: Hình Sơ đồ chịu moment tĩnh cụm trục Z Moment chịu tải trọng tĩnh cụm trục Z: Ma = (P1 + P2).d = (5,24 + 27,2453).117.10-3 = 3,801 (N.m) < MA = 166 N.m Trong đó: - Trọng lực đỡ mẫu gây ra: P1 = m1.g = 0,5346.9,81= 5,24 (N) - Trọng lực kích thước mẫu tạo thành lớn gây ra: P2 = m2.g = 2,7773x9,81 = 27,2453 (N) → Thỏa mãn điều kiện bền 175 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Kiểm nghiệm tải trọng động cho phép: Tải động tính toán trục vít me đai ốc bi là: 𝐶𝑑 = 𝑄 𝐿3 = 41,203 × √1684,342 = 490,236 (𝑁) < 𝐶𝑜 = 1370 (𝑁) Trong đó: Tải trọng tương đương:𝑄 = 𝐹𝑎 × 𝑓𝑤 = 37,457 × 1,1 = 41,203 (𝑁) [5] Với: fw: hệ số tải trọng, fw = - 1,2 [5] Lực dọc trục: 𝐹𝑎 = 𝐹𝑚 + 𝐹𝑞𝑡 = 4,968 + 32,489 = 37,457 (𝑁) 10 3,67×10 ×10 Tuổi thọ cụm trục Z: 𝐿ℎ = 2×𝑙𝐿×𝑃𝑠 = = 1684,342 (ℎ) ×𝑛×60 2×308,8×5880×60 𝑠 Với:Lh: tuổi thọ cụm trục Z (h); PS = 10mm - bước vít me (mm); ls = 308,8mmchiều dài hành trình làm việc (mm); n = 5880 số vòng quay (vòng/phút) Thời gian hoạt động lý thuyết cụm trục Z: 𝐿=( 𝐶𝑎 1370 ) × 106 = ( ) × 106 = 3,67 × 1010 (ℎ) 𝑓𝑤 𝐹𝑎 1,1 × 37,457 Số vòng quay cần thiết tối đa trục: n 60v 60 0,98 1000 5880(v / ph) pz z 10 1 → Thỏa điều kiện tải trọng động 3.4 Cụm di chuyển qua lại theo trục X Cụm trục X với chức di chuyển qua lại để làm dung dịch nhựa lỏng, hạn chế tượng dính bể giữ mẫu Đồng thời cụm trục X có chức đỡ bể đựng dung dịch nhựa lỏng Vì cụm trục X bao gồm phận: ray trượt, trượt, tay quay culit đế Cụm di chuyển qua lại theo trục X không yêu cầu độ xác cao nên có nhiều phương án để thiết kế cụm di chuyển qua lại, người ta thường dùng hai cấu là: truyền động culit kết hợp ray trượt động bước truyền động đai kết hợp với trượt dẫn hướng động bước Hình Các phận cụm trục X Trọng lượng đế trên: P1 = m1.g = 0,815.9,8 = 7,987 N Trong đó: Khối lượng đế trên: m1 = D1.V1 = 2,7.18,3.33.0,5 = 815,265 (g) = 0,815 (kg) 176 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Trọng lượng bể dựng dung dịch: P2 = m2.g = 0,909.9,8 = 8,908 N Trong đó: Khối lượng bể dựng dung dịch: m2 = D2.V2 = 417x2,180 = 909,06 (g) = 0,909 (kg) Hình Sơ đồ tác dụng lực lên cấu culit Như hình ta thấy lực tác dụng chủ yếu ảnh hưởng đến cấu culit lực ma sát trượt ray trượt → Fms1 = Fms2 = Fms3 = Fms4 = (P1 + P2).fc /4= (7,987 + 8,908).0,66/4 = 2,788N Trong đó: P1 = 7,987N – trọng lượng đế P2 = 8,908 N – trọng lượng bể đựng dung dịch fc = 0,66 – hệ số ma sát trượt ray trượt (tra theo catalog hãng THK) Trên hình 7, có vị trí cấu culit tác dụng nhiều A, B, C, D, lực gây moment quay cho cấu culit lực tiếp tuyến FAn, FBn, FCn, FDn, lực qua tâm quay không gây moment quay cho culit FAt,FBt, FCt, FDt Mặt khác từ bốn điểm ta thấy điểm B điểm có tác dụng lực lớn ảnh hưởng đến cấu culit →FBn = Fms1 + Fms2 + Fms3 + Fms4 = 2,788 + 2,788 + 2,788 + 2,788 = 11,152N Để cấu culit quay moment quay phải lớn moment lực ma sát gây ra: Mquay> M = FBn.l =11,152 0,065 = 0,725 (N/m) → Để cấu culit quay moment gây động phải lớn M KẾT QUẢ Chúng tính toán, thiết kế chế tạo thành công máy in 3D DLP với thông số kỹ thuật sau: - Khả tạo mẫu tối đa: 115x65x250mm - Độ xác theo phương Z: 25µm - Độ xác mẫu theo phương XY: 50-100 µm 177 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Những hình ảnh kết chế tạo Hình 9: Mẫu nhân vật in máy KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trên trình bày tổng quan lịch sử, tầm quan trọng, đồng thời trình bày đường lối tính toán thiết kế máy in 3D theo công nghệ DLP Và cuối đưa kết tính toán thiết kế vài mẫu in máy Cần tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu như: ảnh hưởng thông số công nghệ đến chất lượng mẫu in kích thước độ bền mẫu loại vật liệu khác nhau, nghiên cứu nâng cao độ xác mẫu in,… TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Terry Wohlers History of additive manufacturing, 2014 [2] Paulo Jorge Bártolo, Stereolithography Materials Processes and Applications, Springer, 2011 [3] Philip Mark Hackney An Investigation into the Characteristics of Material and Processes, for the Production of Accurate Direct Parts and Tools using 3D Rapid Prototying Technologies University of Northumbria, 2007 [4] Lê Văn Uyển, Vũ Lê Huy Phương pháp tính toán thiết kế lựa chọn truyền động vitmebi Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc tần thứ VIII - Hà Nội, 12/2007 [5] PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc Cơ Sở Thiết Kế Máy NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2008 [6] Design Considerations for Mask Projection Microstereolithography Systems [7] Reinout Holtrup Design and construction of a multi-material 3D DLP printer University of Twente, 2015 178 ... tính toán thiết kế máy in 3D theo công nghệ DLP Và cuối đưa kết tính toán thiết kế vài mẫu in máy Cần tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu như: ảnh hưởng thông số công nghệ đến chất lượng mẫu in kích... liên kết lại với thành khối hoàn thành sản phẩm Hình Nguyên lý hoạt động công nghệ tạo mẫu nhanh DLP 2.2 Cấu trúc thành phần máy Cấu trúc máy tạo mẫu nhanh DLP gồm có cụm sau: cụm khung máy, ... máy in 3D theo công nghệ DLP nghiên cứu phát triển giới với số dòng máy điển hình với phương án thiết kế thể theo bảng ma trận phương án lựa chọn bảng 1: Bảng Ma trận phương án thiết kế máy tạo