Các ứng dụng của máy in kim loại 3D hiện nay được thương mại hóa chỉ giới hạn trong việc tạo mẫu nhanh các sản phẩm đắt tiền.. Sản phẩm máy in 3D vật liệu in bằng kim loại Công nghệ tạo
Trang 1CÔNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA
LẦN THỨ XX NĂM 2018
TÊN CÔNG TRÌNH:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY
IN 3D KIM LOẠI
LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: Kỹ thuật công nghệ
CHUYÊN NGÀNH: Cơ khí -Tự động hoá
Mã số công trình: ………
(Phần này do BTC Giải thưởng ghi)
Trang 2MỤC LỤC
MỤC LỤC i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU v
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH vi
TÓM TẮT ĐỀ TÀI x
ĐẶT VẤN ĐỀ 1
1 Lí do chọn đề tài 1
2 Nhiệm vụ của đề tài 4
3 Nội dung đề tài 4
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D KIM LOẠI 5
1.1 Sơ lược công nghệ in 3D 5
1.2 Ứng dụng trong các lĩnh vực 9
1.3 Tình hình ứng dụng 11
Chương 2: MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 13
2.1 Mục tiêu 13
2.2 Phương pháp nghiên cứu 13
Chương 3: NỘI DUNG THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU 14
3.1 Yêu cầu cần thiết khi thiết kế 14
3.2 Thiết kế phần khung 14
3.3 Chất liệu khung và bản lề 15
3.4 Khớp nối, giá đỡ và con trượt trên các trục 17
3.4.1 Khớp nối, giá đỡ trục X, Z 17
3.4.2 Giá đỡ trục Z 19
3.4.3 Giá đỡ motor X,Y 20
Trang 33.4.4 Thanh trượt – con trượt vuông tuyến tính MGN12C 21
3.4.5 Con trượt tròn kín SCS và thanh ty trượt tròn 22
3.4.6 Gối đỡ trục SK12 24
3.4.7 Gối đỡ trục KP08 24
3.5 Truyền động vít me – đai ốc 26
3.5.1 Khớp đỡ vít me KFL000 26
3.5.2 Cơ cấu vít me – đai ốc trượt 26
3.6 Truyền động đai – bộ truyền đai răng 29
3.7 Đô ̣ng cơ bước STEP 31
3.7.1 Sơ lược về động cơ bước 31
3.7.2 Khớp nối 32
3.8 Máy hàn MIG – MAG 33
3.8.1 Giới thiệu công nghệ hàn MIG & MAG 33
3.8.2 Đặc điểm công nghệ và quá trình hàn MIG – MAG 35
3.8.3 Các phương thức chuyển dịch kim loại GMAW điển hình 36
3.8.4 Ưu và nhược điểm máy hàn MIG - MAG 39
3.8.5 Chế độ trong hàn MIG - MAG 40
3.8.6 Máy hàn điện tử HK MIG200Y 43
3.8.6 Dây hàn GM-70S 45
3.8.7 Cấu tạo mỏ hàn MIG – MAG 47
3.8.8 Công tắc hành trình V165 - 1A5 trong mỏ hàn máy HK MIG 200Y 48
3.8.9 Khí bảo vệ - Khí CO2 49
3.9 Phần board mạch và linh kiện điều khiển 50
3.9.1 Board điều khiển chính – MKS gen v1.4 50
3.9.2 Board driver cho động cơ bước 52
Trang 43.9.3 Màn hình LCD Touch Screen TFT 28 54
3.9.4 Relay công suất 12VDC 54
3.10 Bộ nguồn 55
3.11 Các linh kiện và chi tiết khác 56
3.11.1 Cụm bàn Z 56
3.11.2 Các linh kiện khác 57
3.12 Kết quả thiết kế và thi công mô hình 57
3.12.1 Thiết kế và thi công cơ khí 57
3.12.2 Thi công cơ khí 59
3.12.3 Lập trình điều khiển 62
3.12.4 Firmware 62
3.12.5 Phần mềm điều khiển in 3D kim loại Repetier 67
3.12.6 Thiết lập kết nối wifi với điện thoại 73
3.12.7 Kết quả quá trình in 3D gia công sản phẩm mẫu 78
Chương 4 KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 80
4.1 Kết luận 80
4.2 Đề nghị 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO 82
Trang 5DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Trang 6DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật con trượt vuông MGN12C 21
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật con trượt tròn SCS 23
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật khớp đỡ vít me KFL000 26
Bảng 3.4 Phân biệt giữa hàn MIG và hàn MAG 34
Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật máy HK MIG200Y 44
Bảng 3.6 Quy cách đóng gói dây hàn 46
Bảng 3.7 Cơ tính mối hàn 46
Bảng 3.8 Thành phần hóa học của dây hàn 46
Bảng 3.9 Bảng thông số theo đường kính dây hàn 47
Bảng 3.10 Một số linh kiện điện 55
Trang 7DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sản phẩm máy in 3D vật liệu in bằng kim loại 1
Hình 1.2 Sản phẩm tạo mẫu nhanh 2
Hình 1.3 Máy in 3D sản xuất tại Việt Nam 3
Hình 1.4 Các ứng dụng của máy in 3D kim loại 3
Hình 1.5 Công Nghệ SLA 6
Hình 1.6 Công nghệ FDM 7
Hình 1.7 Nguyên lý hoạt động công nghệ LOM 7
Hình 1.8 Mô tả công nghệ 3DP 8
Hình 1.9 Công nghệ SLS 9
Hình 1.10 Các mô hình từ in 3D 10
Hình 1.11 Mô hình thiết kế và sản phẩm in 3D 11
Hình 1.12 Máy in thức ăn của Essential Dynamics có giá $2,995 11
Hình 1.13 MaketBot bán trên thị trường với giá 1,999$ 12
Hình 3.1 Bản thiết kế phần khung hoàn chỉnh 15
Hình 3.2 Nhôm định hình V-rail 20X20 15
Hình 3.3 Nhôm định hình V-rail vẽ trên solid works 16
Hình 3.4 Thành phần hóa học hợp kim nhôm 17
Hình 3.5 Bản vẽ má trái cụm trụm X 18
Hình 3.6 Bản vẽ má phải cụm trụm X 18
Hình 3.7 Bản vẽ tấm đỡ trên cụm Z 19
Hình 3.8 Bản vẽ tấm đỡ dưới cụm Z 19
Hình 3.9 Bản vẽ giá đỡ motor X 20
Hình 3.10 Bản vẽ giá đỡ motor Y 20
Hình 3.11 Con trượt vuông MGN12C 21
Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc thanh trượt vuông tuyến tính MGN12C 22
Hình 3.13 Kết cấu con trượt tròn SCS 23
Hình 3.14 Thanh ty trượt tròn 23
Trang 8Hình 3.15 Gối đỡ trục đứng SK12 24
Hình 3.16 Gối đỡ trục KP08 25
Hình 3.17 Khớp đỡ vít me KFL000 26
Hình 3.18 Vít me 27
Hình 3.19 Kết cấu đai ốc 2 nửa 28
Hình 3.20 Truyền động đai 29
Hình 3.21 Biên dạng đai răng 30
Hình 3.22 Đai GT2 và pulley 30
Hình 3.23 Động cơ bước 31
Hình 3.24 Bên trong của động cơ bước 31
Hình 3.25 Cấu tạo động cơ bước và cách điều khiển 32
Hình 3.26 Thông số kích thước khớp nối 33
Hình 3.27 Công nghệ hàn Mig - Mag 33
Hình 3.28 Sơ đồ lắp thiết bị hàn (GMAW tổng quát) MIG – MAG điển hình 34
Hình 3.29 Đặc điểm hàn MIG – MAG 35
Hình 3.30 Đặc trưng chuyển dịch kim loại khi hàn MIG - MAG 36
Hình 3.31 Dòng tới hạn để có chuyển dịch phun (dây 1.6 – Ar + 1% O2) 37
Hình 3.32 Chuyển dịch cầu 38
Hình 3.33 Biến thiên dòng điện và điện áp hàn khi chuyển dịch ngắn mạch 38
Hình 3.34 Các giai đoạn chuyển dịch xung 39
Hình 3.35 Đồ thị quan hệ giữa tốc độ đẩy dây hàn và dòng điện hàn 40
Hình 3.36 Đồ thị quan hệ giữa dòng điện hàn và hình dạng mối hàn 41
Hình 3.37 Quan hệ giữa điện áp hồ quang và hình dạng mối hàn 41
Hình 3.38 Đồ thị quan hệ giữa tốc độ hàn và hình dạng mối hàn 42
Hình 3.39 Hướng hàn (hàn trái) 42
Hình 3.40 Chi tiết mối hàn 42
Hình 3.41 Khoảng cách giữa miệng phun và kim loại hàn 43
Hình 3.42 Máy hàn Mig HK MIG 200Y 44
Hình 3.43 Phân loại dây hàn 45
Trang 9Hình 3.44 Cuộn dây hàn GM-70S 45
Hình 3.45 Dây hàn GM-70S Ø 1.0mm 47
Hình 3.46 Cấu tạo mỏ hàn MIG - MAG 47
Hình 3.47 Cấu tạo mỏ hàn máy hàn HK MIG200Y 48
Hình 3.48 Công tắc hành trình V165 – 1A5 49
Hình 3.49 Bình khí CO2 50
Hình 3.50 Sơ đồ mạch in MKS Gen v1.4 51
Hình 3.51 Sơ đồ mạch điện MKS Gen v1.4 51
Hình 3.52 Sơ đồ kết nối linh kiện mạch MKS-Gen v1.4 52
Hình 3.53 Board A4988 52
Hình 3.54 Mạch nguyên lý Driver Step Motor 53
Hình 3.55 Module LCD Touch Screen TFT 28 và chân kết nối 54
Hình 3.56 Màn hình hiển thị trong LCD Touch Screen TFT 28 54
Hình 3.57 Module điều khiển relay 12VDC 55
Hình 3.58 Nguồn tổ ong… 55
Hình 3.59 Nguồn LITEON 55
Hình 3.60 Cụm Z 56
Hình 3.61 Bu lông, ke góc, con trượt 57
Hình 3.62 Chân đế cao su 57
Hình 3.63 Bản thiết kế phần khung hoàn chỉnh 58
Hình 3.64 Cụm truyền động trục X 58
Hình 3.65 Cụm truyền động trục Y 59
Hình 3.66 Cụm truyền động trục Z 59
Hình 3.67 Mô hình thực tế cụm trục X 60
Hình 3.68 Mô hình thực tế cụm trục Y 60
Hình 3.69 Mô hình thực tế cụm trục Z 61
Hình 3.70 Gắn sơ bộ đầu hàn lên máy 61
Hình 3.71 Arduino IDE 62
Hình 3.72 Giao diện cơ bản Arduino IDE 62
Trang 10Hình 3.73 Nội dung Configuration.h 63
Hình 3.74 Giao diện của Repetier – Host trên Windows 67
Hình 3.75 Giao diện chính của phần mềm 68
Hình 3.76 Bước 1 chọn file và chỉnh sửa chất lượng vật thể in 68
Hình 3.77 Bước 2 chọn file và chỉnh sửa chất lượng vật thể in 69
Hình 3.78 Bước 3 chọn file và chỉnh sửa chất lượng vật thể in 69
Hình 3.79 Bước 1 quá trình cài đặt thông số phần mềm 70
Hình 3.80 Bước 2 quá trình cài đặt thông số phần mềm 70
Hình 3.81 Bước 3 quá trình cài đặt thông số phần mềm 71
Hình 3.82 Công cụ chỉnh đối tượng in 71
Hình 3.83 Màn hình điều khiển máy in thông qua máy tính 72
Hình 3.84 Các file liên quan kết nối wifi 73
Hình 3.85 Bước 1 wifi 75
Hình 3.86 Bước 2 wifi 75
Hình 3.87 Bước 3 wifi 75
Hình 3.88 Hiển thị menu 77
Hình 3.89 Test wifi kết nối mạch 78
Hình 3.90 Quá trình tạo mẫu kim loại 79
Hình 3.91 Quá trình tạo mẫu thử kim loại chạy kiểm tra 79
Hình 3.92 Mẫu kim loại sau khi gia công 3D và làm bóng 79
Trang 11TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Nghiên cứu trình bày việc thiết kế và chế tạo mô hình máy in 3D kim loại chi phí thấp Về phần cơ khí được thiết kế dựa vào nguyên lý máy tạo mẫu nhanh mã nguồn mở RepRap vật liệu nhựa Polymer từ đầu đùn nhựa Tuy nhiên, để tạo hình khối kim loại thì phần đùn nhựa Polymer này thay thế bằng máy hàn MIG giá rẻ để thay thế phương pháp tạo hình kim loại đắc tiền Các ứng dụng của máy in kim loại 3D hiện nay được thương mại hóa chỉ giới hạn trong việc tạo mẫu nhanh các sản phẩm đắt tiền Việc ứng dụng tạo mẫu nhanh bằng phương pháp này giúp các cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ
Trang 12ĐẶT VẤN ĐỀ
1 Lí do chọn đề tài
Hiện nay trên thế giới các ngành công nghiê ̣p sản xuất đã và đang rất phát triển với trình độ ngày càng tiên tiến Lượng hàng hóa sản xuất ngày mô ̣t tăng cao theo nhu cầu thi ̣ trường, các sản phẩm không ngừng thay đổi mẫu mã và được sản xuất hàng loa ̣t Điều này kéo theo mô ̣t yếu tố quan trọng không kém trong sản xuất hàng hóa công nghiê ̣p hiê ̣n đa ̣i chính là ta ̣o mẫu nhanh Viê ̣c ta ̣o mẫu nhanh để nhanh chóng chuyển từ ý tưởng thiết kế ra vâ ̣t thể thâ ̣t là rất quan tro ̣ng Hiê ̣n ta ̣i có rất nhiều công nghê ̣ ta ̣o mẫu nhanh khác nhau mỗi công nghê ̣ đều có những ưu nhược điểm riêng
Máy in 3D là 1 trong những phưng pháp tạo mẫu nhanh, có thể tạo ra những sản phẩm phức tạp và tinh xảo
Hình 1.1 Sản phẩm máy in 3D vật liệu in bằng kim loại Công nghệ tạo mẫu nhanh đã ra đời từ rất lâu do các nhà tạo mẫu công nghiệp
Mỹ khởi nguồn Từ đó cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ kỹ thuật điện tử, công nghệ tạo mẫu nhanh đã có những bước đột phá rõ rệt Công nghệ tạo mẫu nhanh đang phát triển mạnh ở các nước Mỹ, Đức, Canada… ứng dụng nhiều công nghệ tiên tiến như SLA, SLS, 3DP, LOM, FDM,… Không chỉ ngưng ở việc tạo
Trang 13mẫu cho các chi tiết cơ khí đơn thuần, ngày nay công nghệ tạo mẫu nhanh với độ chính xác cao, cấu tạo nhỏ gọn dễ sử dụng, thân thiện với người dùng đang ngày trở nên phổ biến và hiện thực hóa mọi ý tưởng ra thực tế một cách nhanh chóng và chính xác nhất Tuy nhiên, hiện nay giá thành các loại máy tạo mẫu nhanh còn rất cao
Hình 1.2 Sản phẩm tạo mẫu nhanh
Ở Việt Nam, công nghê ̣ in 3D vẫn là mô ̣t phát triển khá mới mẻ và chưa phổ biến Hiện nay, các doanh nghiệp nhập khẩu các thiết bị công nghệ tạo mẫu nhanh phục vụ thị trường trong nước có giá thành rất cao Chi phí đầu tư một máy in 3D công nghệ SLA có giá từ 8.000 USD trở lên, vật liệu phục vụ công nghệ in 3D cũng phải nhập khẩu và giá thành rất cao Do vậy nhu cầu làm chủ công nghệ in 3D trong nước là rất cần thiết và cần đẩy mạnh nghiên cứu hơn để phục vụ nhu cầu sản xuất, giảm giá thành dịch vụ tạo mẫu nhanh
Năm vừa qua, Trung tâm Thiết kế chế tạo Thiết bị mới thuộc Sở Khoa học và Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh cũng đã nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công máy in 3D quy mô phòng thí nghiệm Các nghiên cứu chế tạo mẫu nhanh công nghệ LOM tại phòng thí nghiệm trọng điểm của Đại học Bách Khoa (Đại học Quốc gia Tp HCM) Hiện tại, nhóm chúng em đang nghiên cứu Công nghệ in 3D ứng dụng công nghệ SLA, phục vụ chế tạo chi tiết cơ khí, phục vụ giảng dạy, tạo mẫu nhanh v.v… bước đầu đã được thu nhiều kết quả thành công tốt đẹp
Trang 14Hình 1.3 Máy in 3D sản xuất tại Việt Nam Các ứng dụng đã giải quyết nhanh nhu cầu thiết kế chế tạo của sinh viên kỹ thuật của Khoa để chế tạo chi tiết, mô hình máy móc mà trước đây tốn rất nhiều thời gian, chi phí gia công cơ khí trên máy gia công cơ Hỗ trợ sinh viên ngành của trường
sẽ chủ động và sáng tạo hơn khi thực hiện mô hình đồ án, công trình… phục vụ các ngành mỹ thuật công nghiệp hiện thực hóa các ý tưởng sáng tạo của mình v.v… bằng máy in 3D
Hình 1.4 Các ứng dụng của máy in 3D kim loại
Từ những thực tiễn khả quan đó, nhóm nghiên cứu chọn đề tài :“ THIẾT KẾ
VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D KIM LOẠI”
Trang 152 Nhiệm vụ của đề tài
- Tìm hiểu nguyên lý điều khiển, các cơ cấu động học
- Thi công cơ khí, chế tạo và lắp ráp hoàn thiện mô hình máy in 3D kim loại
- Tìm hiểu và điều khiển hệ thống mạch điện, board mạch đệm nối từ máy tính xuống hệ thống Driver điều khiển các động cơ trục công tắc hành trình
- Thiết kế thi công hệ thống điện, cử hành trình an toàn khi vận hành,…
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là máy in 3D điều khiển bằng chương trình số dựa trên G-code
- Người nghiên cứu tập trung nghiên cứu thiết kế, thi công hệ thống cơ khí, tìm hiểu và hoạt động, hệ thống điều khiển cho máy in 3D
- Tận dụng các phần mềm cắt lớp sẵn có như Solidwork, Cura…để xuất
mã G-code cho máy in hoạt động điều khiển quá trình in 3D kim loại
3 Nội dung đề tài
Đề tài được xây dựng gồm các nội dung sau:
- Chương 1: Tổng quan về máy in 3D kim loại
- Chương 2: Mục đích của đề tài
- Chương 3: Nội dung thực hiện và kết quả công trình nghiên cứu
- Chương 4: Kết luận – Đề xuất
Trang 16Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D KIM LOẠI
1.1 Sơ lược công nghệ in 3D
- Công nghệ in 3D không phải là công nghệ mới Nó đã được phát triển từ cuối những năm 1980 và đã được sử dụng rộng rãi để tạo ra các nguyên mẫu sản phẩm một cách nhanh chóng Cái mới của công nghệ này là nó không còn chỉ được các công ty lớn sử dụng để tạo ra các nguyên mẫu sản phẩm, mà trong những năm gần đây, công nghệ in 3D đã thực sự bước vào thị trường tiêu dùng Nhiều nhà khoa học
và chuyên gia từng đặt câu hỏi liệu công nghệ in 3D có thực sự là một công nghệ sẽ làm nên sự biến đổi lớn cho cả thế giới
- Có rất nhiều công nghệ tạo mẫu nhanh trên thế giới SLA, SLS, 3DP, LOM, FDM,… Không chỉ ngưng ở việc tạo mẫu cho các chi tiết cơ khí đơn thuần, ngày nay công nghệ tạo mẫu nhanh với độ chính xác cao, cấu tạo nhỏ gọn dễ sử dụng, thân thiện với người dùng đang ngày trở nên phổ biến và hiện thực hóa mọi ý tưởng ra thực tế một cách nhanh chóng và chính xác nhất
- Công nghệ SLA (Stereolithography Apparatus): là công nghệ sử dụng tia
sáng (tia laser, tia UV hoặc 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)
+ Ưu điểm: Công nghệ SLA có khả năng tạo ra các mô hình có độ chi tiết cao,
sắc nét và chính xác
+ Nhược điểm: Vật liệu in 3D khá đắt, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền khi để
lâu dưới ánh sáng mặt trời
Cân nhắc: Công nghệ SLA có nhiều nét tương đồng với Plolyjet, tổng hòa các
yếu tố so sánh thì “kẻ tám lạng người nửa cân”
Trang 17Hình 1.5 Công Nghệ SLA
- Công nghệ J-P (Jetted Photopolymer): thật ra công nghệ này cũng giống
như công nghệ SLA nhưng thay vì nguyên liệu được chứa trong bồn thì nguyên liệu được phun giống như máy in phun, đi kèm với đầu phun là đèn chiếu UV làm đông cứng lớp photopolymer vừa phun ra Vì vậy, công nghệ cho phép in nhiều loại vật liệu trên cùng một vật thể in, mỗi bình mực in là 1 loại vật liệu
- Công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling): sử dụng nguyên liệu đầu
vào là sợi nhựa, sau đó được nung nóng chảy ra và đầu phun kéo các sợi nhựa chảy này theo biên dạng của mặt cắt từng layer, và đắp từng lớp layer chồng lên nhau để tạo ra sản phẩm 3D
+ Ưu điểm: Là công nghệ in 3D giá rẻ Thường sử dụng trong các sản phẩm
cần chịu lực Tốc độ tạo hình 3D nhanh
+ Nhược điểm: Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao Khả
năng chịu lực không đồng nhất (chiều X-Y cứng lớn hơn chiều trục Z)
Cân nhắc: Nếu cần độ cứng cao, FDM là lựa chọn phù hợp Nếu bạn cần chất
lượng bề mặt mịn và chính xác, công nghệ SLS hoặc Polyjet (Ink Jetting) sẽ là lựa chọn tối ưu
Trang 18Hình 1.6 Công nghệ FDM
- Công nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing): 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 hay lát gỗ, biên dạng layer được cắt ra bằng laser hay dụng cụ cắt rồi dán chồng lên nhau tạo nên vật thể 3D
Hình 1.7 Nguyên lý hoạt động công nghệ LOM
- Công nghệ 3DP (3D printing) : Công nghệ này sử dụng nguyên lý tạo lớp
layer giống như công nghệ SLS ở trên, còn phần liên kết các layer với nhau thì giống với công nghệ máy in phun 2D bình thường Mực in lúc này vừa là màu sắc, vừa là keo liên kết các hạt bột với nhau Công nghệ này có thể in được màu sắc cho vật thể giống như máy in phun màu
Trang 19Hình 1.8 Mô tả công nghệ 3DP
- Công nghệ SLS (Selective Laser Sintering): sử dụng nguyên liệu dạng bột
được chứa trong các bồn, các layer được xếp chồng lên nhau bằng các bánh lăn (roller), vừa cuộn vừa kéo san phẳng vật liệu ra thành lớp mỏng Biên dạng layer được hình thành bằng cách dùng tia laser chiếu cho nóng chảy bột để bột lớp layer trên liên kết với layer dưới
+ Ưu điểm: Thích hợp để in các mô hình có thành mỏng, các chi tiết cần độ
dẽo Đặc biệt, SLS là lựa chọn tuyệt vời khi cần in những mô hình lớn hoặc có phần rỗng phía dưới đáy Xét về độ mịn bề mặt, SLS cho chất lượng cao hơn FDM bởi vì rất khó để phân biệt các lớp in bằng mắt thường
+ Nhược điểm: Gía thiết bị và vật liệu khá đắt Các mô hình kín và có phần rỗng
bên trong vẫn phải tiêu tốn một lượng vật liệu khá lớn
Cân nhắc: Nếu cần tạo các mô hình có phần rỗng bên trong thì nên chọn FDM
SLS không thể đạt độ mịn bề mặt như Polyjet hoặc SLA
Trang 20Hình 1.9 Công nghệ SLS Hiện nay, ngày càng có nhiều sự quan tâm đến vấn đề in 3D kim loại, khi mà khả năng ứng dụng công nghiệp của nó rất sáng sủa và đáng được mong đợi
Thực ra máy in 3D kim loại đã được nghiên cứu và chế tạo thành công, bên cạnh những máy in 3D khác về thực phẩm, vật chất sinh học hay thậm chí là cả vàng, thế nhưng chi phí dành cho nó hiện nay là quá đắt Giờ đây một dự án mới của chúng
em hy vọng sẽ giảm chi phí liên quan đến in ấn 3D về kim loại, với một thiết bị in sử dụng laser công suất cao
Khác với máy in 3D nhựa, hoạt động bằng cách đẩy ra một lượng lớn sợi nhựa
để tạo hình đối tượng, những chiếc máy in 3D kim loại sẽ rải một lớp bột kim loại mỏng lên "tấm xây dựng", sau đó sử dụng tia laser để làm tan bột cùng lớp ở dưới nó Bằng cách đó, máy có thể chế tạo một cách chính xác loại vật liệu kim loại khác nhau
Do chi phí dành cho các sensor (cảm biến) và sức mạnh tính toán được giảm thiểu đáng kể, chiếc máy in 3D kim loại được xây dựng để cung cấp các sản phẩm với cường độ thấp hơn các sản phẩm hiện nay, nhưng bù lại, lại có giá cả dễ chịu hơn rất nhiều
1.2 Ứng dụng trong các lĩnh vực
* Giáo dục:
Trang 21Hình 1.10 Các mô hình từ in 3D
In 3D tạo ra nhiều mô hình thật cho các học sinh, sinh viên dễ dàng nắm bắt kiến thức trong giờ học và có thể tiếp xúc với mô hình thật trong học tập để có thêm kinh nghiệm thực tiễn
* Sản xuất xây dựng:
Máy in 3D giúp tạo mẫu nhanh chống, ngay cả với những bộ phận phức tạp của công trình với chi phí và thời gian khá thấp Tạo ra các mô hình thay thế cho các vật liệu thô sơ như: tre, nứa, các mẫu xốp,… Và đặt biệt là các chi tiết của máy in 3D rất
dễ lắp ghép và thay thế, tính thẫm mỹ lại khá cao
Trang 22Hình 1.12 Máy in thức ăn của Essential Dynamics có giá $2,995
Trang 23Hình 1.13 MaketBot bán trên thị trường với giá 1,999$
Trong nước :
Thực tế cho thấy ta ̣o mẫu nhanh công nghiê ̣p vẫn chưa phát triển trong nước và đây là sản phẩm mới trong khuôn khổ đề tài khoa học, công nghệ cấp nhà nước về phát triển công nghệ phục vụ công nghiệp Đa phần ta ̣o mẫu từ các máy gia công cơ hoă ̣c chỉ la bản mẫu 3D trên máy tính thông qua các phần mềm vẽ 3D Hiện nay, một
số nghiên cứu phát triển tại các trường Đại học trong nước cũng đang bắt đầu ứng dụng in 3D bằng nhiều vật liệu đa dạng hơn, nhưng giá thành nghiên cứu chế tạo máy
in 3D công nghệ này chi phí cũng khá đắt, do vậy việc ứng dụng máy in 3D này vẫn chưa phát triển
Trang 24Chương 2: MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 2.1 Mục tiêu
Đề tài có các mục đích sau:
- Chế tạo mô hình máy in 3D có thể in ra vật thể bằng kim loại (hỗn hợp kim loại) hầu như tất cả các bản thiết kế trên các phần mềm vẽ, các hoa văn phức tạp hay các hình trên dữ liệu CAD
- Độ chính xác có thể đạt từ 1-1.5mm
- Tạo hình được các chi tiết kích thước từ dài x rộng x cao trong khoảng
từ 250x250x200 mm
2.2 Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu các tài liệu và thiết kế hiện có ở trong và ngoài nước
- Thiết kế, gia công trục vít tải
- Tìm hiểu tỉ lệ pha trộn nguyên liệu ( bột kim loại )
- Nghiên cứu lập trình và ứng dụng kho mã nguồn mở Arduino và Marlin, xây dựng và phát triển hệ thống điều khiển chính xác thời gian cho máy
in 3D
- Tiến hành thực nghiệm, đo đạc, phân tích và hiệu chỉnh cân bằng
- Thiết kế mô hình và tính toán các thông số của khung máy bằng Solidworks
- Giám sát từ máy tính sử dụng các phần mềm cắt lớp sẵn có như Creation Workshop, CURA, Pronterface…
Trang 25Chương 3: NỘI DUNG THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ CÔNG TRÌNH
NGHIÊN CỨU 3.1 Yêu cầu cần thiết khi thiết kế
Cơ khí máy phải có kích thước vừa phải Không cần thiết quá lớn Bản thiết kế phần khung hoàn chỉnh, và cũng không được quá nhỏ Sao cho sản phẩm mẫu phải trực quan thể hiện được như bản thiết kế
Phần mềm phải đảm bảo có thể truyền tải tất cả các đi ̣nh da ̣ng sản phẩm 3D từ các file hình vẽ 3D
Phần điê ̣n tử phải đảm bảo chất lượng ổn đi ̣nh cao, nhằm duy trì máy hoa ̣t đô ̣ng với công suất tốt nhất và bền lâu
Dễ dàng di chuyển cũng như vận chuyển đi xa
Các thông số yêu cầu :
Kích thước vùng gia công: 250x250x200 mm
Tốc đô ̣ các tru ̣c XYZ tối đa: 2000mm/ph
Gia tốc tru ̣c XYZ tối đa: 200mm/s2
3.2 Thiết kế phần khung
Phần khung máy là thành phần quan trọng nhất phải được lưu ý thiết kế tính toán sao cho hợp lý và mang tính cân đối Đây là bộ phận có tác dụng như khung xương liên kết các thành phần dẫn, truyền động, mạch điều khiển cũng như chứa vùng gia công
Yêu cầu chung của phần khung là phải cứng vững và đảm bảo chống rung động khi gia công, chịu va đập tốt và dễ lắp ráp Yêu cầu tiếp theo là khung cơ khí phải đảm bảo chịu được khối lượng vòi phun và mạch điện tử
Ngoài ra, phần khung máy còn phải đảm bảo các lỗ bắt các trục dẫn động phải thật sự đồng tâm để tránh gây ra sai số so với mô hình đã tính toán
Các khớp nối yêu cầu phải có độ cững vững và chịu rung động va đập tốt để giảm thiểu tối đa khả năng gây ra sai số khi gia công
Trang 26Để tạo khung sườn cho mô hình có đủ độ cứng vững mà phù hợp với kinh tế nhất, dễ dáng chế tạo lắp ghép mà phải có tính thẩm mỹ khi thành phẩm Với những yếu tố đó nhóm đã quyết định chọn làm khung máy bằng Nhôm định hình V-rail
Hình 3.1 Bản thiết kế phần khung hoàn chỉnh
3.3 Chất liệu khung và bản lề
Hình 3.2 Nhôm định hình V-rail 20X20
Trang 27Để tạo khung sườn cho mô hình có đủ độ cứng vững mà phù hợp với kinh tế nhất, dễ dáng chế tạo lắp ghép mà phải có tính thẩm mỹ khi thành phẩm
Với những yếu tố đó nhóm đã quyết định chọn làm khung máy bằng Nhôm định hình V-rail:
+ Chịu lực tốt: Profile nhôm có cầu cách nhiệt là loại vật liệu cao cấp dùng
trong sản xuất cửa sổ, cửa đi, vách kính lớn Hệ có cấu tạo 3 lớp gồm 2 thanh nhôm định hình và cầu cách nhiệt bằng vật liệu polymer ở giữa Thêm vào đó, các rãnh, vách kỹ thuật trong cấu trúc thanh nhôm được tính toán kỹ lưỡng để tạo sống gia cường, kênh thoát nước, khoang trống cách âm cách nhiệt Với cấu tạo này, thanh profile nhôm có tính cách âm, cách nhiệt cao và nổi bật hơn nhựa uPVC là tính chịu lực tốt
Thể hiện ở kết cấu vững chắc của các thanh nhôm được sản xuất theo tiêu chuẩn quốc tế, có thể chịu được mọi sức ép của gió, bão trên cấp 12., không bị cong vênh, co ngót, oxi hoá và han gỉ theo thời gian, thích ứng với những điều kiện thời tiết phức tạp ở Việt Nam
+ Tải trọng nhẹ: Do đặc điểm nhôm định hình là vật liệu nhẹ, có độ bền cao,
được thiết kế các khoang rỗng cùng với các sống gia cường hợp lý nên việc sử dụng vật liệu này sẽ giảm tải trọng của toàn bộ công trình hơn hẳn so với vách tường sử dụng các loại vật liệu khác
Hình 3.3 Nhôm định hình V-rail vẽ trên solid works
Trang 28- Nhôm định hình V rail 20x20 được nhóm sử dụng để làm khung dạng khối lập phương với 12 thanh V rail 20x20
- Ngoài ra còn có 2 thanh nhôm định hình để gắn phần trên của cụm trục Z
3.4 Khớp nối, giá đỡ và con trượt trên các trục
3.4.1 Khớp nối, giá đỡ trục X, Z
Khớp nối, giá đỡ được làm bằng hợp kim nhôm tấm 6061 là 1 hợp kim đa dụng tuyệt vời, độ bền cao, chống ăn mòn tốt và có tính hàn tốt Nó được sử dụng cho tất cả các ứng dụng kết cấu như hàng không, bán dẫn, đồ gá lắp và cố định Thành phần chủ yếu của nhôm tấm 6061 là nhôm, hợp kim silicon và magiê
Trong các hợp kim nhôm hóa bền thì nhôm tấm 6061 có tính chất linh hoạt nhất Nhôm hợp kim 6061 cung cấp 1 dải rộng các tính chất cơ học và khả năng chống
ăn mòn, dễ hàn và định hình tốt trong điều kiện ủ vả điều kiện độ cứng T4 Đặc tính của T6 có thể thu được bằng cách hóa già (artificial aging) nhân tạo Nó có thể được hàn bằng nhiều phương pháp 6061 là loại nhôm tấm hợp kim được dùng phổ biến và rộng rãi nhất
Hình 3.4 Thành phần hóa học hợp kim nhôm
Trang 29Hình 3.5 Bản vẽ má trái cụm trụm X
Hình 3.6 Bản vẽ má phải cụm trụm X
Trang 303.4.2 Giá đỡ trục Z
Hình 3.7 Bản vẽ tấm đỡ trên cụm Z
Hình 3.8 Bản vẽ tấm đỡ dưới cụm Z
Trang 313.4.3 Giá đỡ motor X,Y
Hình 3.9 Bản vẽ giá đỡ motor X
Hình 3.10 Bản vẽ giá đỡ motor Y
Trang 323.4.4 Thanh trượt – con trượt vuông tuyến tính MGN12C
Thanh trượt vuông (Linear Motion) là một thiết bị dẫn động tuyến tính Thanh
trượt vuông được ứng dụng làm thanh trượt dẫn hướng dựa trên sự chuyển động tịnh
tiến giữa con trượt hay còn gọi là Block trượt và Rail trượt hay còn gọi là thanh trượt
Thanh trượt vuông sẽ giúp cơ cấu máy chuyển động tới lui một cách chính
xác cho dù trên bản thân con trượt và rail trượt đang chịu một tải trọng nhất định thì
dòng thiết bị này vẫn hoạt động êm ái và chính xác So với một số loại được gọi thanh
trượt dẫn hướng khác như thanh trượt tròn thì thanh trượt vuông đáp ứng được độ
cứng vững, cấp chính xác và tải trọng nặng gấp gần hơn 1.5 lần so với dòng thanh
trượt tuyến tính truyền thống như thanh trượt tròn cũng đồng nghĩa giá cả sẽ cao hơn
nhiều so với thanh trượt tròn
Nhóm em sử dụng 2 cụm thanh trượt – con trượt vuông MGN12C để thiết kế
Dimensions of the block [mm] Load
ratings [N]
Weig
ht [kg]
Trang 33Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc thanh trượt vuông tuyến tính MGN12C
3.4.5 Con trượt tròn kín SCS và thanh ty trượt tròn
- Con trượt tròn và thanh ty trượt tròn có bọc ngoài SCS có đặc tính kỹ thuật:
+ Chất liệu: 45 #, Gcr15 + Độ cứng: HRC58 ± 2 (Gcr15: HRC60 ± 2) + Độ chính xác: g6, Độ cong: Dưới 5μM/100mm + Độ dày mạ chrome : 30μM (Rmax)
+ Bề mặt gồ ghề: Dưới 1.5μM (Rmax) + Bề mặt cứng dày 0.8μ ~ 3mm
+ Đường kính ngoài: 6mm đến 60mm
- Con trượt tròn có bọc ngoài SCS và thanh ty trượt tròn có ưu điểm:
+ Con trượt tròn có bọc ngoài SCS làm bằng thép chịu lực cao, bề mặt
mạ chrome
+ Tốc độ di chuyển con trượt cao, lên đến 10m/s + Hoạt động trơn tru, tiếng ồn khi hoạt động thấp + Chống ăn mòn và kháng rỉ sắt
Trang 34Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật con trượt tròn SCS
Hình 3.13 Kết cấu con trượt tròn SCS
Hình 3.14 Thanh ty trượt tròn
Trang 35- Từ những đặc tính kỹ thuật và ưu điểm đã nêu ở trên nhóm em sử dụng 4 con SCS8 làm con trượt cho bàn X – gá đầu hàn, 4 con SCS12 làm con trượt cho cụm bàn
in Z
- Sử dụng 2 loại thanh ty trượt tròn là :
+ 8mm cho cụm X,Y: vì tải trọng làm việc ảnh hưởng lên 2 cụm X,Y không quá lớn
+ 12 cho cụm Z: chọn thanh ty trượt tròn 12 bởi vì, cụm trục Z là cụm chịu lực nhìu nhất của máy in nên cần thanh trượt có độ cứng vững ổn định
3.4.6 Gối đỡ trục SK12
Gối đỡ trục trơn đứng SK12 được làm từ nhôm, trọng lượng nhẹ nhưng
độ cứng, độ bền cao Bề mặt ngoài của gối đỡ trục trơn được gia công xử lý bề mặt,
do vậy đảm bảo thẩm mỹ và chất lượng
Hình 3.15 Gối đỡ trục đứng SK12 Trong máy in 3D, đầu cặp được siết bằng bulong đảm bảo chắc chắn và tính
ổn định cho máy khi hoạt động
3.4.7 Gối đỡ trục KP08
Gối đỡ trục dạng đứng KP08 dùng để cố định thanh ty trượt tròn với đường kính 8mm
Trang 36Hình 3.16 Gối đỡ trục KP08
Trang 373.5 Truyền động vít me – đai ốc
3.5.1 Khớp đỡ vít me KFL000
Khớp đỡ trục là thành phần cố định và chịu lực cho trục Z, một bộ phận quan trọng cho cho máy in hoạt động, là thành phần ảnh hưởng lớn đến khả năng chuyển động và sai số trong quá trình gia công cho sản phẩm
Yêu cầu của thành phần này là phải chính xác về độ đồng tâm của các lỗ, để khi lắp ráp các thành phần không bị sai số Đặt biệt là phải đảm bảo độ đứng thẳng
để bàn in và đáy bể chứa được song song Phải được đảm bảo chính xác thì máy mới
có thể hoạt động tốt được Các lỗ lắp ổ bi phải đạt dung sai cao để khi lắp vào không
3.5.2 Cơ cấu vít me – đai ốc trượt
Vít me bi (còn go ̣i là bô ̣ truyền vít-đai ốc với ma sát lăn) Trong bô ̣ truyền vitme bi, gữa các bề mă ̣t làm viê ̣c và vítme là các con lăn làm bằng thép Bô ̣ truyền này hiê ̣n nay được sử du ̣ng rô ̣ng rãi, đă ̣c biê ̣t là các cơ cấu đòi hỏi chuyển đô ̣ng chính xác Hiê ̣u suất cao, lực ma sát phu ̣ thuô ̣c vào vâ ̣n tốc
Trang 38Hình 3.18 Vít me Các con lăn quay và chuyển đô ̣ng ti ̣nh tiến đối với vít và đai ốc, do đó để luôn tồn ta ̣i con lăn giữa bề mă ̣t làm viê ̣c thì trên đai ốc hoă ̣c trên vít người ta phải chế ta ̣o rãnh thu hồi
Các con lăn phải được chế ta ̣o từ vâ ̣t liê ̣u mềm hơn vâ ̣t liê ̣u chế ta ̣o vít và đai ốc để tăng tuổi tho ̣ của vitme và đai ốc Bởi vâ ̣y, cần phải tiến hành thay con lăn sau
mô ̣t thời gian làm viê ̣c để đảm bảo đô ̣ chính xác của máy
Đối với truyền động bằng trục vít, động cơ được nối trực tiếp với trục vít thông qua khớp nối, khi động cơ quay kéo theo trục vít quay, làm cho phần công tác gắn vào trục vít tịnh tiến dọc theo trục
Với việc xác định được bước vít cùng số vòng mà động cơ quay được ta có thể tính toán chính xác khoản dịch chuyển dọc trục của phần công tác Nhờ vậy có thể dễ dàng tính toán nội suy để điều khiển bàn in
Cùng với ưu điểm đã nêu trên, truyền động trục vít cũng có một số nhược điểm như giá thành cao, khó gia công
Kết cấu vít me – đai ốc trượt:
Dạng ren: Vít me thường có 2 dạng ren chủ yếu là
Ren có dạng hình thang với góc 300 có ưu điểm: gia công đơn giản, có thể phay hoặc mài Nếu dùng với đai ốc bổ đôi thì có thể đóng mở lên ren dễ dàng
Ren có hình dạng vuông chỉ dùng ở những máy cắt ren chính xác và máy tiện hớt lưng
Trang 39Về mặt kết cấu nên chế tạo vít me với 2 cổ trục giống như nhau để sau một thời gian sử dụng, có thể lắp đảo ngược vít me lại nhằm làm cho bề mặt làm việc của vít me được mòn đều ở 2 bên
Ổ đỡ vít me: ổ đỡ vít me có tác dụng đảm bảo cho trục chuyển động với độ
đảo hướng trục và độ hướng kính nhỏ
Hình 3.19 Kết cấu đai ốc 2 nửa
Để giảm độ biến dạng của vít me có thể dùng những phương pháp sau:
- Nâng cao cứng vững của gối đỡ bằng cách dùng bạc với tỷ lệ l/d lớn (với l là chiều dài và d là đường kính trong của gối đỡ)
- Không bố trí vít me ở ngoài thân máy mà bố trí phía trong máy nhằm giảm momen lật của bàn máy
- Dùng gối đỡ treo phụ cho những vít me quá dài và nặng
Trang 403.6 Truyền động đai – bộ truyền đai răng
Bộ truyền đai là bộ truyền cơ khí được sử dụng sớm nhất và hiện nay vẫn được sử dụng rông rãi, có nhiều loại đai như đai thang, đai dẹt, đai răng,…
Hình 3.20 Truyền động đai
So với các bộ truyền khác bộ truyền đai có những ưu điểm như:
- Truyền động giữa các trục xa nhau
- Làm việc êm và không ồn do độ bền và dẻo của đai do đó có thể truyền động với vận tốc cao
- Tránh cho cơ cấu không có sự dao động nhờ vào sự trượt trơn của đai khi quá tải
- Kết cấu và vận hành đơn giản
Tuy nhiên nó cũng tồn tại những nhược điểm như:
- Hiệu suất bộ truyền thấp
- Tỷ số truyền thay đổi do sự trượt đàn hồi giữa bánh đai và đai
- Tuổi thọ đai thấp
- Kích thước bộ truyền lớn
- Tải trọng tác dụng lên trục lớn do phải căng đai ban đầu
Vì truyền động trục XY có kết cấu bộ truyền đơn giản, hoạt động êm, có tính giảm chấn, dễ thay thế nên ta chọn bộ truyền đai răng
Tuy nhiên đối với những loại đai này, tùy theo khả năng điều chỉnh căng đai
mà chất lượng in cũng thay đổi theo Mặt khác những loại đai trên đều là những loại đại được thiết kế để truyền chuyển động quay không phải thiết kế tối ưu cho dạng truyền động tuyến tính cho máy in 3D, do đó nó sẽ không tính toán đến hiện tượng backlash khi đảo chiều chuyển động của động cơ