Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát cho máy in 3D

Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát cho máy in 3DXây dựng hệ thống điều khiển và giám sát cho máy in 3DXây dựng hệ thống điều khiển và giám sát cho máy in 3DXây dựng hệ thống điều khiển và giám sát cho máy in 3DXây dựng hệ thống điều khiển và giám sát cho máy in 3DXây dựng hệ thống điều khiển và giám sát cho máy in 3DXây dựng hệ thống điều khiển và giám sát cho máy in 3DXây dựng hệ thống điều khiển và giám sát cho máy in 3DXây dựng hệ thống điều khiển và giám sát cho máy in 3DXây dựng hệ thống điều khiển và giám sát cho máy in 3DXây dựng hệ thống điều khiển và giám sát cho máy in 3DXây dựng hệ thống điều khiển và giám sát cho máy in 3DXây dựng hệ thống điều khiển và giám sát cho máy in 3D

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn:

 Thầy giáo Lê Văn Chung – Khoa Công nghệ tự động hóa – Trường Đại học Công

nghệ Thông tin và Truyền thông Thái Nguyên

 Cảm ơn anh em đồng nghiệp Công ty TNHH CNC THÁI NGUYÊN đã góp ý kiến

kịp thời để hoàn thiện đồ án hơn

Cùng các thầy, cô giáo trong Khoa Công nghệ tự động hóa – Đại học Côngnghệ thông tin và Truyền thông đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gianthực hiện đồ án

Thái Nguyên, tháng 5 năm 2015Sinh viên thực hiện đồ án

Đinh Gia Lâm

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là phần nghiên cứu và thể hiện đồ án tốt nghiệp của riêng

em, sản phẩm là do em thiết kế và thực hiện, không sao chép các đồ án khác, nếu sai

em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của khoa và nhà trường đề ra

Thái Nguyên tháng 5 năm 2015Sinh viên thực hiện

Đinh Gia Lâm

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khoa học kĩ thuật phát triển rất mạnh mẽ và được ứng dụng trong tất

cả các lĩnh vực của cuộc sống Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật để tăng năng suất laođộng, tiết kiệm chi phí, năng lượng và đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của conngười là rất cần thiết Hiện nay có rất nhiều ứng dụng đã được ứng dụng trong cuộcsống hàng ngày cũng như trong công nghiệp sản xuất và quân sự…Đặc biệt trong côngnghiệp, khoa học kỹ thuật ngày càng được phát triển mạnh mẽ như: Hệ thống cảmbiến, hệ thống chuyển động linh hoạt, hệ thống điều khiển thông minh… Áp dụngnhững kiến thức đã được học và tìm hiểu từ các tài liệu liên quan, đồ án tốt nghiệp đại

học em chọn hướng tìm hiểu về máy in 3D Tên đồ án: “Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát cho máy in 3D”

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này em xin chân thành cảm ơn thầy giáo LêVăn Chung đã hết lòng hướng dẫn, cùng các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ tựđộng hóa – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ

em trong suốt thời gian thực hiện đồ án

Mặc dù có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện nhưng đề tài không tránhkhỏi những thiếu sót Rất mong được sự góp ý, đóng góp của các thầy cô và các bạn

để đề tài có thể áp dụng rộng rãi vào thực tế một cách thiết thực nhất

Thái Nguyên, tháng 5 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Đinh Gia Lâm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D

1.1. Giới thiệu công nghệ in 3D

1.1.1. Định nghĩa

Công nghệ in 3D là một quá trình tạo ra vật thể trực tiếp, bằng cách thêmtừng lớp vật liệu chồng lên nhau theo nhiều cách khác nhau, phụ thuộc vào loại côngnghệ sử dụng Để đơn giản hóa cách tư duy nằm đằng sau công nghệ này, dành chonhững ai vẫn đang cố gắng để hiểu khái niệm cơ bản, bạn có thể coi quá trình đó nhưviệc xây dựng một thứ gì đó bằng các mảnh, nhưng hoàn toàn tự động

Hình 1.1: Hình ảnh kết cấu lớp tạo dựng vật thể 3D

Công nghệ in 3D là công nghệ khá “linh hoạt”, khuyến khích và thúc đẩy sángtạo với một sự tự do chưa từng có trong thiết kế, dù vẫn đảm bảo yêu cầu ít dụng cụ,qua đó khống chế không để chi phí và thời gian gia công bị đẩy lên quá cao Các thànhphần có thể được thiết kế đặc biệt để tránh việc phải lắp ghép sau khi hoàn thiện, cácbiên dạng phức tạp và tính chất rắc rối có thể được tạo ra mà không cần thêm chi phínào Ngoài ra công nghệ in 3D cũng nổi lên là một công nghệ tiết kiệm năng lượng, vàthân thiện với môi trường trong cả quá trình gia công (sử dụng đến hơn 90% vật liệutheo tiêu chuẩn), và cả dòng đời của sản phẩm nhờ việc thiết kế gọn và bền hơn

Những năm gần đây, công nghệ in 3D đã vượt qua cái bóng là một công nghệgia công, sản xuất nguyên mẫu công nghiệp cấp tốc Hiện tại công nghệ này có thể dễdàng được tiếp cận bởi doanh nghiệp nhỏ và các cá nhân Trong các tập đoàn lớn, đa

quốc gia, tùy vào tầm vóc và tính kinh tế khi sở hữu máy in 3D, mà những máy in 3Dcỡ nhỏ (với ít tính năng hơn) có thể được trang bị với giá chỉ dưới 1000$.

Điều này đã giúp công nghệ in 3D tiếp cận được nhiều đối tượng khách hànghơn, với tốc độ theo cấp số nhân trên mọi mặt trận Ngày càng nhiều các hệ thống, vậtliệu, ứng dụng, dịch vụ được giới thiệu đến với mọi người

1.1.2. Lịch sử phát triển

In 3D là một công nghệ đang được phát triển với tốc độ khá nhanh và ứng dụngcủa công nghệ này trải dài trên nhiều lĩnh vực Tuy nhiên, công nghệ in 3D đã đượckhai sinh từ những năm 80 của thế kỷ trước và qua thời gian, in 3D đã được cải tiếnvới nhiều biến thể nhằm đáp ứng với nhiều nhu cầu in ân tạo hình khác nhau Trongbài viết hôm nay, chúng ta hãy cùng tìm hiểu về các công nghệ in 3D và những mốcthời gian đáng nhớ

Hình 1.2: Charles Hull người phát minh ra công nghệ in 3D

Năm 1984 - Thời khắc khai sinh ra công nghệ máy in 3DCharles Hull là ngườiđầu tiên phát minh ra Stereolithography - một phương pháp đột phá tạo ra một đốitượng 3D hữu tình từ những dữ liệu kỹ thuật số Công nghệ này được sử dụng để chếtạo ra các vật phẩm 3D chỉ từ những hình ảnh trên máy tính và công nghệ này cho

phép người dùng kiểm tra các mẫu thiết kế một cách nhanh chóng, chính xác trước khiquyết định đầu tư sản xuất hàng loạt.

Năm 1986, Charles Hull đăng ký bản quyền phát minh Stereolithography Sau

đó, ông thành lập công ty 3D System và phát triển máy in 3D thương mại đầu tiênđược gọi là Stereolithography, SLA là công nghệ sử dụng tia sáng (tia laser, tia UVhoặc tia sáng bình thường) làm đông cứng lớp photopolymer lỏng (polymer quang hóa

- polymer đóng rắn khi có ánh sáng chiếu vào) được chứa trong bồn, từng lớp từng lớp

để hình thành nên vật thể 3D Đây là công nghệ đầu tiên và cũng là công nghệ đem lại

độ dày layer nhỏ nhất hiện nay (độ chi tiết tốt nhất)

Năm 1987, một công ty khác có tên Object đã giới thiệu công nghệ JettedPhotopolymer Về công nghệ J-P, thật ra công nghệ này cũng giống như công nghệSLA nhưng thay vì nguyên liệu được chứa trong bồn thì nguyên liệu được phun giốngnhư máy in phun, đi kèm với đầu phun là đèn chiếu UV làm đông cứng lớpphotopolymer vừa phun ra Vì vậy, công nghệ cho phép in nhiều loại vật liệu trên cùngmột vật thể in, mỗi bình mực in là 1 loại vật liệu

Năm 1988 – Scott Crump phát minh ra công nghệ Fused Deposition Modeling

(FDM).

Công nghệ FDM sử dụng nguyên liệu đầu vào là sợi nhựa, sau đó được nungnóng chảy ra và đầu phun kéo các sợi nhựa chảy này theo biên dạng của mặt cắt từnglayer, và đắp từng lớp layer chồng lên nhau để tạo ra sản phẩm 3D Đây là công nghệphổ biến nhất hiện nay vì nó đơn giản và dễ chế tạo Những máy in DIY giá rẻ hiệnnay đều sử dụng công nghệ này, giá thành chỉ khoảng vài trăm đến vài nghìn đô la.Tuy nhiên, do những nhược điểm cố hữu của công nghệ nên máy in DIY chỉ có thể đápứng được những yêu cầu trung bình

Năm 1989 – DTM bắt đầu bán ra dòng máy in Selective Laser Sintering (SLS).

Công nghệ SLS sử dụng nguyên liệu dạng bột được chứa trong các bồn, các layerđược xếp chồng lên nhau bằng các bánh lăn (roller), vừa cuộn vừa kéo san phẳng vậtliệu ra thành lớp mỏng Biên dạng layer được hình thành bằng cách dùng tia laserchiếu cho nóng chảy bột để bột lớp layer trên liên kết với layer dưới

Năm 1991 – Helisys bán chiếc máy đầu tiên dùng công nghệ Laminated Object

Manufacturing (LOM).Công nghệ LOM sử dụng nguyên liệu đầu vào là các vật liệu

có thể dát mỏng như giấy, gỗ … dạng cuộn hay tờ, mỗi layer chính là mỗi tờ giấy haylát gỗ, biên dạng layer được cắt ra bằng laser hay dụng cụ cắt rồi dán chồng lên nhautạo nên vật thể 3D Đối với công nghệ này có thể tạo ra vật thể có màu sắc theo đúngthiết kế.

Năm 1992 – Stratasys bán chiếc máy FDM đầu tiên: “3D Modeler”

Năm 1996 – Stratasys giới thiệu dòng máy in 3D ”Genisys” Cùng năm này ZCorporation cũng giới thiệu dòng “Z402″ trong khi 3D Systems cũng giới thiệu dòngmáy “Actua 2100″ Từ đây, cụm từ “Máy in 3D ” được sử dụng lần đầu tiên để chỉnhững chiếc máy tạo mẫu nhanh

Năm 2006 – Dự án máy in 3D mã nguồn mở được khởi động có tên Reprap Dự

án sử dụng công nghệ FDM nhằm mục đích tạo ra những máy in 3D có thể sao chépchính bản thân nó Bạn có thể điều chỉnh hay sửa đổi nó tùy ý nhưng phải tuân theođiều luật GNU General Public Licence

Năm 2008 – Phiên bản đầu tiên của Reprap được phát hành Nó có thể sản xuấtđược 50% các bộ phậncủa chính mình

Năm 2008 - Objet Geometries Ltd đã tạo ra cuộc cách mạng trong ngành tạomẫu nhanh khi giới thiệu Connex500™ Đây là chiếc máy đầu tiên trên thế giới có thểtạo ra sản phẩm 3D với nhiều loại vật liệu khác nhau trong cùng 1 thời điểm

Tháng 12, năm 2010 - Organovo Inc một công ty y học tái tạo nghiên cứutrong lĩnh vực in 3D sinh học đã công bố việc chế tạo ra hoàn chỉnh mạch máu đầutiên hoàn toàn bằng công nghệ in 3D

Tháng 1, năm 2011 - Các nhà nghiên cứu tại trường Đại Học Cornell đã xâydựng chiếc máy in thức ăn đầu tiên bằng công nghệ in 3D

Tháng 7, năm 2011 - Các nhà nghiên cứu của ĐH Exeter, ĐH Brunel cùng vớicác nhà lập trình Delcam đã phát triển máy in 3d có thể in ra các sản phẩm từchocolate

Tháng 10, năm 2011 - Công ty i.materialise trở thành dịch vụ in 3D đầu tiêntrên toàn thế giới áp dụng vật liệu in là vàng 14K và bạc, mở ra một khả năng mới,thêm lựa chọn để chế tác ít tốn kém hơn cho các nhà thiết kế đồ trang sức

1.1.3. 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 làmột xu hướng phát 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, côngnghệ này có sự vượt trội về thời gian chế tạo một sản phẩm hoàn thiện “Nhanh” ở đâycũng chỉ là một giới hạn tương đối Thông thường, để tạo ra một sản phẩm mới mấtkhoảng từ 3 – 72 giờ, phụ thuộc vào kích thước và độ phức tạp của sản phẩm Có thểbạn cho rằng khoảng thời gian này có vẻ chậm, nhưng so với thời gian mà các côngnghệ chế tạo truyền thống thường mất từ nhiều tuần đến nhiều tháng để tạo ra một sảnphẩm thì nó nhanh hơn rất nhiều Chính vì cần ít thời gian hơn để tạo ra sản phẩm nêncác công ty sản xuất tiết kiệm được chi phí, nhanh chóng đưa ra thị trường những sảnphẩm mới

Ưu điểm đặc biệt thứ hai : như trong ví dụ hình dung về in 3d bên trên, ta có thểchế tạo được cái đầu người với đầy đủ các bộ phận cả bên trong lẫn bên ngoài mộtcách chi tiết chỉ trong một lần thực hiện mà các phương pháp truyền thống không thểchế tạo được

In ấn 3D là bất kỳ quá trình khác nhau được sử dụng để tạo ra một vật thể

ba chiều Trong in 3D, các quá trình đắp lớp được áp dụng, trong đó các lớp liên tiếpcủa vật liệu được dính chồng lên nhau dưới sự kiểm soát máy tính Các đối tượng này

có thể có hình dạng bất kỳ, và được sản xuất từ một mô hình 3D hoặc nguồn dữ liệuđiện tử khác Một máy in 3D là một loại robot công nghiệp

In 3D trong gốc của thuật ngữ có ý nghĩa liên quan đến quá trình tuần tự các vậtliệu tích lũy trong môi trường bột với đầu máy in phun Gần đây hơn ý nghĩa của thuậtngữ này đã được mở rộng để bao gồm đa dạng hơn các kỹ thuật như các quy trình dựatrên phun ra và thiêu kết Tiêu chuẩn kỹ thuật thường sử dụng hạn sản xuất phụ gia chocảm giác rộng hơn này

Hình 1.4: Hình ảnh máy in 3D

1.2.2. Cấu tạo máy in 3D

Máy in 3D theo công nghệ FDM gồm có 3 trục Oxyz, và một cụm đùn nhựa(tạm gọi là máy đùn) Các động cơ bước (stepper motor) trên 2 trục xy sẽ điều khiển

máy đùn di chuyển trên mặt phẳng Oxy Khi máy đùn di chuyển, động cơ bước trênmáy đùn sẽ điều khiển phun nhựa để tao ra một lớp mỏng vật liệu lên bàn in Khi mộtlớp vật liệu được in xong, động cơ bước trên trục Oz sẽ điều khiển để nâng máy đùnlên (hoặc hạ bàn in xuống tùy vào thiết kế) một khoảng cách của 1 lớp mỏng vật liệu.Lúc này máy đùn lại được điều khiển để in ra 1 lớp mỏng vật liệu tiếp theo chồng lênlớp trước và cứ thế vật thể 3 chiều từ từ hình thành Máy đùn cũng được điều khiểnbằng một động cơ bước Sợi nhựa cứng sẽ được bánh răng đẩy xuống đầu phun gianhiệt (hotend) có cảm biến (thermistor) để điều chỉnh nhiệt độ Nhựa sau đó nóng chảy

và được phun ra qua lỗ nhỏ trên đầu phun

Tất cả các thành phần động cơ bước, đầu phun gia nhiệt, cảm biến… sẽ đươcđiều khiển bởi một bo mạch Trên thị trường, bo mạch cho máy in 3D REPRAP có rấtnhiều loại khác nhau nhưng về cơ bản đều tương thích với nên tảng nguồn mởArduino Một trong số các loại bo mạch phổ biến nhất trên thị trường hiện nay chomáy in 3D là bo mạch RAMPS 1.4

Phát triển trên nền tảng máy gia công CNC máy in 3D bao gồm 3 phần chính:

Hình 1.5: Hình ảnh kết cấu hệ khung đỡ máy in 3D

- Trục X: Là trục dịch chuyển theo phương X của hệ trục tạo độ OXYZ

- Trục Y: Là trục dịch chuyển theo phương Y của hệ trục tạo độ OXYZ

- Trục Z: Là trục dịch chuyển theo phương Z của hệ trục tạo độ OXYZ

- Khung máy: Tùy theo các mẫu thiết kế mà máy in 3D có bộ “xương” với chất liệu vàhình dáng khác nhau: Nhôm, gỗ ép, mica, thép không rỉ…

b) Hệ truyền động

Các thanh dẫn hướng chuyển động x,y,z bao gồm (hoặc): thanh trượt-bạc trượt,trục vít me -đai ốc, Dây đai răng (cu-roa) để truyền cơ năng từ động cơ sang các cơcấu chuyển động

-Động cơ: Thường dùng động cơ bước (Stepper motor).

Hình 1.6: Hệ truyền động trục Y dùng dây đai và động cơ bước

Hình 1.7: Hệ truyền động trục Z dùng visme

c) Bộ đùn nhựa in

Đầu in 3D (Đầu phun nhựa): Đây là bộ phận dùng để nung nóng nhựa và đùnnhựa trong quá trình in Cấu tạo bao gồm: Bộ đùn nhựa dùng động cơ bước để đẩynhựa vào đầu đốt được gắn thanh ra nhiệt và bộ nung nóng nhựa

Cơ cấu kéo sợi nhựa: Ở đây có 2 bánh răng được in từ máy in 3D, dùng đểtruyền động và kéo sợi nhựa in (ABS, PLA) Chọn đường kính sợi nhựa in 3D là 3mm

là tùy vào loại đầu phun đang sử dụng

Ở nhiệt độ phù hợp khi nhựa được động cơ bước đẩy vào bộ đùn thì nhiệt độ ở

bộ đùn sẽ làm nóng chảy nhựa Tạo thành từng lớp kết dính thành vật thể 3D

Hình 1.9: Hình ảnh tấm gia nhiệt mặt bàn máy in 3D

e) Bộ điều khiển

Bộ điều khiển máy in 3D bao gồm:

• Bo mạch Arduino 2560 R3 (mạch điều khiển chính)

• Bo mạch RAMPS 1.4 (mạch giao tiếp)

• Driver A4988 (mạch điều khiển động cơ bước)

Hình 1.10: Mạch Arduino kết nối driver A4988 điều khiển động cơ bước

f) Phần mềm điều khiển

Phần mềm điều khiển máy in 3D được chia làm 2 thành phần:

- Phần mềm lập trình cho mạch điều khiển: phần mềm lập trình Arduino 1.5.5 phầnmềm phát triển bởi nhà sản xuất với phần mềm ta có thể lập trình thay đổi các tínhnăng có trên phần cứng Adruino.Module Adruino dùng để điều khiển động cơ bước sẽđược nạp một mã lệnh (firm ware) để kết nối và điều khiển máy in 3D

- Phần mềm điều khiển máy in 3D

Phần mềm điều khiển máy in 3D được sử dụng là pronterface, phần mềm cónhiệm vụ nhận bản vẽ dạng 3D sau đó chuyển đổi thành tập lệnh Gcode và chuyển quamáy in 3D sử lý

1.2.3. Nguyên lý hoạt động của máy in 3D

Từng lớp từng lớp, máy in 3D tạo ra vật thể từ vật liệu nhựa kết dính Đó lànguyên lý cơ bản của máy in 3D Máy hoạt động dựa trên nguyên lý cuả hệ trục tọa đồOXYZ, bao gồm 3 trục tịnh tiến X, Y, Z tịnh tiến trong không gian toa độ OXYZ, khicác trục của máy in 3D hoạt động thì đồng thời bộ đùn nhựa được nung nóng và đùn ratạo thành các vật thể dạng khối 3D Vật thể cần in được thiết kế bằng phần mềm thiết

kế 3D như ArtCam, Auto Cad… Sau khi thiết kế xong bản vẽ sẽ được lưu ở định dạngfile OBJ và gửi qua phần mềm xử lý bản vẽ chuyển nó thành mã lệnh Gcode và điềukhiển máy in tạo ra vật thể

Đầu vào là sợi nhựa, đầu ra là nhựa kết dính, người sử dụng máy in 3D sẽ lựa

chọn 2 loại vật liệu đầu vào: Acrylonitrile Butadiene Styrene (nhựa ABS) và Polylactic Acid (nhựa PLA) Các vật liệu nhựa đầu vào này có dạng sợi,

chiều rộng 1,75mm hoặc 3mm

Nhựa ABS thường được sử dụng để tạo ra đồ chơi Lego Đây là loại nhựa cógốc hóa học, hoạt hóa ở nhiệt độ cao Nhựa PLA thì có nguồn gốc tự nhiên, chẳng hạnnhư từ ngô và mía, cứng và bóng hơn nhựa ABS Ngoài việc dùng làm nguyên liệu

đầu vào cho máy in 3D, nhựa PLA còn được ứng dụng để sản xuất các loại bao bì phânhủy được.

Hình 1.11: Hình ảnh vật liệu nhựa in

Sợi nhựa dùng cho máy in 3D có giá thành khá đắt Hãng MakerBot bán 2,2pound (990 gram) sợi nhựa PLA giá 48 USD (960.000 đồng) Nếu tìm mua trên eBaygiá thành sẽ rẻ bằng một nửa Hãng này ước tính 990 gram sợi nhựa có thể in ra được

In từ trước ra sau, lớp chồng lớp

In 3D là một công nghệ in theo lớp Bề mặt in (thường gọi là giường in) và đầu

in sẽ phối hợp với nhau để thực hiện in 3 chiều Ở mẫu máy in Replicator 2, đầu inđược giữ bởi một hệ thống treo (hình minh họa bên dưới) 2 thanh kim loại nằm nganggiúp cho đầu in chuyển động tiến và lùi theo chiều ngang Ở đầu 2 thanh kim loại nàylại gắn với 2 thanh khác theo chiều dọc, giúp cho đầu in chuyển động tiến và lùi theochiều dọc Nhờ hệ thống treo, đầu in còn có thể chuyển động lên xuống tạo ra vật thể 3chiều

Một mẫu máy in có tên là RepRaps lại có cách in 3D tương đối khác so vớiReplicator 2 Giường in của RepRaps chuyển động lên xuống, tiến lùi, trong khi đầu inchỉ chuyển động ngang Mẫu máy in DeltaMaker có đầu in chuyển động cả 3 chiều.

Quá trình in 3D có thể diễn ra trong vài phút, vài giờ hoặc thậm chí nhiều ngàyphụ thuộc vào kích thước và khối lượng của sản phẩm Ví dụ gần đây một số nghệ sĩ

đã sử dụng máy in Type A Machines để in tác phẩm điêu khắc đầu rồng có kích thước

3 x 3 x 2,4m Họ đã phải mất tới 2 tháng để hoàn thành tác phẩm trên

g) Máy in 3D không chỉ in nhựa

Hình 1.13: Hình ảnh sản phẩm từ máy in 3D

Không phải máy in 3D nào cũng sử dụng nguyên liệu in như nhau Các máy in3D chuyên nghiệp có khả năng tạo ra những sản phẩm chất lượng cao từ các nguyênliệu đa dạng Ở công xưởng Shapeways, những chiếc máy in 3D kích thước lớn tạo ranhiều sản phẩm cùng lúc Nguyên liệu không chỉ giới hạn ở nhựa ABS và PLA Nó cóthể là đồng thau, gốm sứ, thép và 5 loại chất dẻo khác

Một số loại máy in 3D sử dụng công nghệ đúc laser, tức là sử dụng laser để gắn kếtcác mảnh vật liệu lại với nhau Một số bằng sáng chế về đúc laser sẽ hết hạn vào năm tới,

mở đường cho việc sản xuất hàng loạt các máy in 3D dành cho người tiêu dùng

Form1 của phòng thí nghiệm FormLabs là một mẫu máy in sử dụng công nghệ

in phi truyền thống tân tiến nhất sẽ sớm được thương mại hóa Các máy in kim loại vàmáy in lai (giữa in truyền thống và phi truyền thống) sẽ là những thiết bị kế tiếp có mặttrên thị trường tiêu dùng

1.2.4. Một số ứng dụng của máy in 3D

a) Ứng dụng máy in 3D vào lĩnh vực y tế, thay thế thạch cao

Cử nhân Jake Evil của đại học Victoria University of Welington đã tạo raCortex giải pháp có khả năng năng thay thế thạch cao dùng để cố định tay gãy truyềnthống Cortex có những đặc điểm nổi bật như trọng lượng nhẹ và tạo cảm giác thoảimái khi sử dụng

Hình 1.14: Khuôn nhựa cố định tay gãy, thay thế thạch cao

- Bây giờ, một công trình mang tên Osteoid của nhà nghiên cứu Deniz Karasahin cònhoàn thiện hơn Cortex nhiều khi được tích hợp thêm một thiết bị siêu âm, giúp rút

ngắn thời gian chữa bệnh lại Deniz Karasahin cho biết,"Osteoid cải thiện tới 80% so

với cách bó bột bằng thạch cao thông thường".

- Osteoid đã dành giải thưởng A'Design năm nay cho mục các sản phẩm được in bằngmáy in 3D, được lấy cảm hứng từ các cấu trúc hình bên trong xương người Karasahinviết rằng, Osteoid có trọng lượng siêu nhẹ và người dùng có thể chọn lựa những màusắc mà họ muốn Quan trọng nhất của sản phẩm này nằm ở thiết bị siêu âm tích hợpsẵn Thiết bị này sẽ phát ra xung siêu âm cường độ thấp (LIPUS) để tìm vị trí đoạn

xương gãy, đồng thời thúc đẩy quá trình liền xương, hiệu quả hơn 80% so với cách cốđịnh xương bằng thạch cao truyền thống.

- Osteoid chỉ mới đang ở giai đoạn thử nghiệm đầu tiên Bước tiếp theo, Karasahin địnhphát triển sản phẩm thành dụng cụ bảo hộ cho những người thường xuyên vận động,nhất là các diễn viên đóng thế Hy vọng trong tương lai, Osteoid sẽ dần phổ biến vàthay thế được thạch cao bó bộ truyền thống

b) Nội tạng tí hon làm từ công nghệ in 3D

- Nhóm nghiên cứu của Viện Wake Forest tái lập trình các tế bào da người thành tế bàotim Khi tế bào sau đó kết thành khối, họ sử dụng máy in 3D để biến thành hình dạng

và kích thước mong muốn, trong trường hợp này là những trái tim có đường kính 0,25

mm

- Các nhà khoa học tiếp tục phát triển những cơ quan sinh học tí hon, cho phép chúng

bắt chước hoạt động của các bộ phận thật Các cơ quan được nối với nhau, tạo thànhmột hệ thống hoàn chỉnh có thể sử dụng trong thí nghiệm điều trị mới hoặc nghiên cứuảnh hưởng của chất hóa học, virus

- Theo New Scientist, phương pháp trên có thể thay thế các thí nghiệm trên động vật,vốn đắt đỏ và không phải lúc nào cũng ứng dụng được trên cơ thể người

c) Tạo mô hình côn trùng từ máy in 3d

- Máy in 3D càng ngày càng chứng tỏ được tính hữu ích của mình

Hình 1.15: Mô hình côn trùng được in bằng máy in 3D

- Một cơ quan khoa học của Úc là “Commonwealth Scientific and Industrial Research

Organisation” (CSIRO) đã quyết định ứng dụng công nghệ in 3D vào nghiên cứu côn

trùng Tận dụng khả năng của loại máy in tiên tiến, các chuyên gia sẽ tiến hành tái tạohình dáng của nhiều loại côn trùng với tỷ lệ gấp hàng chục thậm chí hàng trăm lần sovới nguyên mẫu ban đầu

- Các nhà khoa học cho biết nhờ vậy, họ sẽ có thêm các mẫu vật để nghiên cứu đặc tính,kết cấu chức năng của từng bộ phận trên cơ thể côn trùng Bên cạnh đó, các sản phẩm

từ máy in 3D này có kích thước chiều dài từ 10 đến 20cm sẽ là giáo cụ trực quan hỗtrợ rất tốt cho công việc giảng dạy Mặt khác, các mô hình do CSIRO tạo ra cũng sẽđược đưa tới một cuộc triển lãm mang tầm quốc gia

- Anh Eleanor Gates-Stuart, một nhà khoa học đang làm việc tại CSIRO cho biết chiếc máy

in 3D họ đang sử dụng có thể in cùng lúc 12 mẫu côn trùng khác nhau một lần với thời gianhoàn thiện là 12 tiếng CSIRO cũng dự kiến sẽ giới thiệu bộ sưu tập rất nhiều mẫu vật sinhđộng về thế giới côn trùng của mình trong tương lai không xa

d) Ứng dụng không giới hạn

- Các công ty chế tạo sản phẩm công nghệ hiện nay, từ Apple, Microsoft đến Google,đều ứng dụng công nghệ 3D trong quá trình nghiên cứu Bằng cách liên tục chỉnh sửathiết kế và in chúng ra, các nhà thiết kế có thể so sánh và đánh giá mức độ hữu dụng,tính thực tế của mẫu sản phẩm

- Trên khắp thế giới, người ta đã bắt đầu mày mò để ứng dụng công nghệ in 3D vào cáclĩnh vực khác, trong đó có y tế, với khả năng tạo ra các bộ phận giả cho con người In3D có thể giúp các bác sĩ nhanh chóng tạo ra giải pháp chữa bệnh mà không quá tốnkém hay mất thời gian Còn các nhà giáo dục và nghiên cứu cũng đang hưởng ứng tínhnăng tạo các mô hình trực quan hay biểu đồ phức tạp từ in 3D Công nghệ 3D còn xuấthiện trong các dự án của NASA, quay lại gốc của chính nó: giúp tạo ra công cụ ngoàikhông gian

- Nhưng tiềm năng lớn nhất mà nhiều người mong đợi, đó là biến công nghệ in 3Dthành một tiện ích phổ biến trong các hộ gia đình như điện, nước và mạng internet.Nghe có vẻ rất viễn tưởng nhưng nếu công nghệ này đạt được thành công đó, nó sẽphá vỡ văn hóa tiêu dùng Người ta sẽ có thể tự tạo ra sản phẩm phục vụ cho đời sốngthay vì phải ra cửa hàng để mua chúng Để có thể đạt được kỳ vọng này, công nghệ 3D

đã “phá băng” bằng hai mảng quan trọng: Dịch vụ in 3D và kinh doanh máy in 3D

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN, MẠCH GIAO TIẾP, GIAO

DIỆN PHẦN MỀM 2.1 Giới thiệu quy trình điều khiển máy in 3D

Máy in 3D là một máy gia công tạo ra sản phẩm bao gồm các quá trình:

Hình 2.1: Qúa trình điều khiển máy in 3D

2.1.1 Xây dựng dữ liệu

Đây là quá trình tạo bản vẽ theo yêu cầu của người sử dụng , như đã giới thiệu

ở trên máy in 3D máy tạo ra vật thể dạng 3D, vật thể in được thiết kế bằng 2 cách

C1: Tạo mẫu bằng công nghệ Scan 3D: file 3D sẽ được tạo ra từ quá trình quétsản phẩm có sẵn, tùy theo tỷ lệ mà chúng ta có một file 3D theo sản phẩm đã có Vậtthể khách hàng yêu cầu in 3D là một vật bằng gỗ, gốm , sứ, thủy tinh, nhựa….Máyquét 3D có nhiệm vụ quét ra file 3D từ vật thể

- Ưu điểm: Bản vẽ được Scan có độ sắc nét cao, giống vật cần quét 80%- 90%, giúp đadạng về mẫu mã trong quá trình sản xuất in 3D, thời gian xử lý để có file 3D nhanh,tiện lợi

- Nhược điểm: Gía thành quét 3D còn cao, chưa phổ biến.

Hình 2.2: File 3D được tạo ra từ quá trình Scan 3D

C2: Tạo mẫu bằng phần mềm mềm thiết kế CAD: Bản vẽ được tạo hình trênphần mềm thiết kế CAD, một số phần mềm như AutoCad, Artcam, Jdpanit… Qúatrình này bao gồm các bước:

- Thiết kế vector 2D theo hình ảnh bản vẽ

- Tạo khối 3D theo vector vẽ theo hình ảnh

- Xuất file 3D dạng OBJ

Hình 2.3: File bản vẽ được tạo ra từ phần mềm thiết kế Jdpaint 5.21

2.1.2 Xử lý dữ liệu

Quy trình xử lý dữ liệu hay còn gọi là quy trình CAM, bản vẽ 3D sau khi thiết

kế được xử lý và phân tích qua phần mềm “Pronterface”, phần mềm có nhiệm vụ

nhận dữ liệu ở dạng đuôi STL, OBJ…dữ liệu dạng bản vẽ 3D, sau đó phân tích từnglớp, các chiến lược in nhựa và tự động chuyển đổi qua tập lệnh Gcode gửi về mạchđiều khiển là mạch Adruino Tập lệnh Gcode được phần mềm nội suy tự động theobiên dạng của bản vẽ cần in Nhờ có công cụ nội suy Gcode tự động mà quá trình thiết

kế và vận hành máy in 3D được rút ngắn hơn, tiện dụng hơn và ưu Việt hơn Quy trìnhtiếp theo mạch điều khiển có nhiệm vụ nhận tín hiệu Gcode và chuyển qua các Driverđiều khiển các động cơ bước thực thi nhiệm vụ

2.1.3 Thi công in trên máy in 3D

Dữ liệu dạng Gcode sau khi được tạo ra sẽ được gửi tới mạch điều khiển làmạch Adruino 2560 qua đường truyền là cổng USB của máy tính Mạch điều khiển cónhiệm vụ phân tích Gcode chuyển Gcode thành các tín hiệu dạng xung và gửi Gcodetới các driver điều khiển các động cơ bước các trục X, Y, Z và động cơ bước đùn nhựatạo ra sản phẩm.

2.2 Một số linh kiện sử dụng trong mạch điều khiển máy in 3D

2.2.1 Tổng quan về mạch điều khiển và giao tiếp của máy in 3D

Mạch điều khiển và giao tiếp máy in 3D bao gồm các khối:

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển máy in 3D

Khối điều khiển:Mạch Adruino 2560 R3 là một phiên bản Arduino dùng đểđiều khiển máy in 3D

Khối giao tiếp:Mạch công suất RAMPS: là nơi kết nối các thiết bị của RepRaplại với nhau và cũng là nơi để cắm A4988 Stepper Driver vào, phân phối điện cho đầuphun, sàn gia nhiệt…

Khối Phụ kiện: dây nối, cáp USB…

Hinh 2.5: Sơ đồ khối mạch điều khiển máy in 3D

2.2.1 Lý do lựa chọnvà giới thiệu về mạch Adruino 2560

2.2.1.1 Lý do lựa chọn Adruino:

Máy in 3D sử dụng mạch điều khiển Adruino làm hệ điều khiển vì một số lý do:

Các thiết kế phần cứng Adruino được chia sẻ và hỗ trợ từ nhiều cộng đồng kỹthuật giúp cho sinh viên có thể dễ dàng thiết kế lại, sửa đổi và sử dụng theo mục đíchcủa mình cùng với phần mềm hỗ trợ phong phú, hệ thống mã code mở giúp ngườidùng có thể tùy biến theo yêu cầu của bài toán

Mạch hoạt động ổn định phù hợp với việc máy chạy với thời gian làm việc kéodài và liên tục

Gía thành linh kiện rẻ hơn nhiều so với một số mạch điều khiển khác đáp ứngđược nhu cầu của máy in 3D

Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bịphần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác Đặc điểm nổi bật củaArduino là môi trường phát triển ứng dụng dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thểhọc một cách nhanh chóng Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp

và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm, người dùng đã có thể sở hữu một bomạch Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển chừng ấy thiết bị.

Hình 2.7: Một số hình ảnh bo mạch Arduino

Bo mạch Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8-bit megaAVR của Atmel với hai chipphổ biến nhất là ATmega328 và ATmega2560 Ngoài ra hãng còn có các sản phẩmkhác như: ARDUINO NANO V3, ARDUINO LEONARDO R3, Arduino Pro Micro,ARDUINO PRO MINI, Arduino USB-SD MP3 Shield Các dòng vi xử lý này chophép lập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh vớicác loại bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra I/O trong đó có nhiều ngõ có khảnăng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạngnhư UART, SPI, TWI (I2C)

• Phần mềm Arduino: được gọi là sketches, được tạo ra trên máy tính có tích hợp môi

trường phát triển (IDE) IDE cho phép viết, chỉnh sửa code và chuyển đổi sao chophần cứng có thể hiểu IDE dùng để biên dịch và nạp vào Arduino (quá trình sử lý nàygọi là UPLOAD)

• Phần cứng Arduino: là các bo mạch Arduino nơi thực thi các chương trình lập trình Các bomạch này có thể điều khiển hoặc đáp trả các tín hiệu điện, vì vậy các thành phần được ghéptrực tiếp vào nó để tương tác với thế giới thực để cảm nhận hoặc truyền thông Ví dụ cáccảm biến bao gồm các thiết bị chuyển mạch, cảm biến siêu âm, gia tốc Các thiết bị truyềnđộng bao gồm đèn, motor, loa và các thiết bị hiển thị

b) Đặc điểm nổi bật của mạch Adruino

Hầu hết các bo mạch Arduino sử dụng kết nối kiểu USB dùng để cấp nguồn vànạp dữ liệu.

Arduino Uno sử dụng 2 vi điều khiển trên bo mạch để xử lý tất cả các kết nốiUSB Chíp dán nhỏ (ATmega8U2) cho phép nạp chương trình và quản lý các thiết bịUSB khác cắm vào Chíp ATMega328 chứa chương trình nạp để thực thi chương trình

đã được lập trình Trên hầu hết các bo mạch Arduino đều sử dụng 1 chip FTDI cungcấp giải pháp cho vấn đề kết nối với cổng nối tiếp của máy tính Ngoài Arduino Uno ranhà sản xuất cung cấp nhiều bo mạch khác như: Arduino Fio, Arduino Nano, ArduinoMega 2560 Tùy vào ứng dụng có thể chọn các loại bo mạch nhỏ hoặc bo mạch hỗ trợnhiều chân TX và RX như Arduino 2560

c) Sư khác biệt của Arduino với các bộ kit phát triển khác

Theo cách làm việc thông thường, để xây dựng một bo mạch vi xử lý dùng đểđiều khiển Cơ điện tử, người kỹ sư sẽ gắn chip vi xử lý vào một bo mạch được thiết

kế Bo mạch phải có đầy đủ bộ nguồn cấp điện cho vi xử lý, thạch anh tạo dao động,các tụ điện để giữ ổn định cho tín hiệu Sau đó, sẽ lập trình mã nguồn bằng ngôn ngữ

C hoặc Assembly rồi biên dịch ra một file nhị phân, chuyển mã code này vào trong vi

xử lý để hoạt động

Với cách làm này, mỗi khi có sự thay đổi trong bài toán về xử lý tín hiệu, người

kỹ sư phải điều chỉnh mã nguồn trên máy tính, biên dịch lại Tháo chip vi xử lý để nạplại mã, rồi gắn lại và cho chạy tiếp Việc tháo lắp chip vi xử lý sẽ làm cho toàn bộ vimạch kém ổn định

Những người phát triển các dự án tương tác đã có cải tiến hơn, họ thường xâydựng sẵn các bộ kit phát triển, trong đó các chip vi xử lý được gắn cố định lên mạch,mạch nạp vi xử lý cũng được tích hợp sẵn vào bộ kit này Mỗi khi thay đổi mã nguồn,

sẽ không cần phải tháo chip vi xử lý ra khỏi bo mạch Tuy nhiên, vẫn cần nhiều bướcmới có thể thay đổi mã nguồn của một chip vi xử lý Đầu tiên, người kỹ sư phải thayđổi mã nguồn trên môi trường lập trình (ví dụ Keil C cho 8051 hay Code Vision choAVR), sau đó biên dịch ra thành file hex, rồi phải sử dụng trình nạp riêng (ví dụProgisp) để nạp file hex cho chip Sau khi chương trình chạy trên chip vi điều khiển,nếu người dùng muốn debug (gỡ rối), họ cần phải xuất các dữ liệu qua cổng COM và

sử dụng tiếp một phần mềm khác trên máy tính để đọc dữ liệu này (ví dụ gCOM) Như