Nghiên cứu ứng dụng cơ cấu H-bot trong điều khiển máy in 3D Reprap theo phương pháp FDM (Fused Deposition Modelling)

Nhằm phục vụ công tác giảng dạy thực hành, thí nghiệm đồng thời giúp cho sinh viên tự tăng cường kỹ năng thực hành theo mô hình giảng dạy CDIO; nhóm tác giả đã nghiên cứu ứng dụng của kết cấu dạng H-bot và giải thuật điều khiển của máy in 3D REPRAP, thiết bị này đã được chế tạo thành công tại Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM.

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 15 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠ CẤU H-BOT TRONG ĐIỀU KHIỂN MÁY IN 3D REPRAP THEO PHƯƠNG PHÁP FDM (FUSED DEPOSITION MODELLING) APPLIED RESEARCH STRUCTURE OF H-BOT IN THE 3D PRINTING DRIVER REPRAP WITH FDM (FUSED DEPOSITION MODELLING) Huỳnh Hữu Nghị, Nguyễn Anh Tuấn, Thái Thị Thu Hà Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM, Việt Nam Ngày soạn nhận 25/11/2016, ngày phản biện đánh giá 16/12/2016, ngày chấp nhận đăng 21/12/2016 TÓM TẮT FDM (Fused Deposition Modelling) công nghệ in 3D phổ biến Cơng nghệ có ứng dụng mạnh mẽ đời sống, sản xuất đặc biệt cung cấp tri thức môi trường học thuật Vì vậy, Việt Nam giới, nhu cầu trang bị tự chế tạo máy in 3D theo công nghệ FDM sở giáo dục nhằm trang bị kiến thức thiết kế, chế tạo kỹ thực hành cho người học lớn Nhằm phục vụ cơng tác giảng dạy thực hành, thí nghiệm đồng thời giúp cho sinh viên tự tăng cường kỹ thực hành theo mơ hình giảng dạy CDIO; nhóm tác giả nghiên cứu ứng dụng kết cấu dạng H-bot giải thuật điều khiển máy in 3D REPRAP, thiết bị chế tạo thành công Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM Từ khoá: In 3D; Bồi đắp lắng đọng; Sản xuất; CDIO; H-bot ABSTRACT FDM (Fused Deposition Modeling) has become an increasingly popular technology in the field of Additive Manufacturing since it has various industrial as well as agricultural applications Moreover, it provides valuable knowledge in the academic environment As a result, in many countries including Vietnam, the need to equip or self-produce 3D printers using FDM method in universities and institutes is significantly great to equip learners with design and fabrication skills In order to serve the practical and experimental teaching in the CDIO Initiative, the authors have studied the application of H-bot structure and its control algorithms for constructing a REPRAP 3D printer This device has been successfully designed and assembled at Faculty of Mechanical Engineering, Bach Khoa University – VNU Keywords: 3D printer; FDM; Manufacturing; CDIO; H-bot Công thức Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa j xung Số xung cấp động Δα rad Góc quay động - x k xung Số xung cấp động Δβ rad Góc quay động - y TỔNG QUAN Δ rad Góc quay động - z θ rad Góc bước động R mm Bán kính pulley p mm Bước truyền vít me i xung Số xung cấp động Công nghệ tạo mẫu nhanh cơng nghệ chế tạo sản phẩm 3D từ liệu CAD (Computer Aided Design) Cơng nghệ cho phép người thiết kế tạo mẫu vật thể ba chiều cụ thể, dễ dàng diễn đạt ý tưởng so với vẽ hai chiều Trong đó, FDM cơng nghệ in 3D phổ biến 16 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh (cịn gọi cơng nghệ in 3D FFF) Điển hình dạng máy in 3D Reprap máy in 3D giá rẻ (makerbot, Printerbot, Flashforge…) Cụm trục truyền động X, Y cụm chi tiết quan trọng máy in 3D Thiết kế cụm trục XY máy in 3D bao gồm phần cụm truyền động trục X cụm truyền động trục Y,với yêu cầu chung là: + Kết cấu đơn giản, tháo lắp dễ dàng, trọng lượng nhẹ đảm bảo cứng vững + Truyền động cách xác, điều khiển dễ dàng có khả hiệu chỉnh lực căng đai hai bên máy theo phương Y theo phương X Hình Sơ đồ máy in 3D theo công nghệ FDM Công nghệ FDM giới phát triển nhanh chóng với doanh số hàng năm không ngừng tăng Nhiều nghiên cứu cơng nghệ tạo mẫu nhanh nói chung tạo mẫu nhanh cơng nghệ FDM nói riêng nhằm ứng dụng đời sống sản xuất mang lại hiệu lợi nhuận cao Đặc biệt xét khía cạnh nghiên cứu học thuật, máy tạo mẫu nhanh đề tài đa dạng ứng dụng đầy đủ tri thức: khí – điện tử – lập trình vật liệu cho trường đại học Do đó, đề tài lựa chọn nghiên cứu ứng dụng kết cấu H-bot điều khiển máy in Reprap 3D theo phương pháp FDM ứng dụng nghiên cứu học thuật, mơ hình trực quan phục vụ cho cơng tác giảng dạy học tập môi trường đại học Trên thực tế cụm truyền động xy theo kết cấu xy độc lập phổ biến đơn giản dễ điều khiển kết cấu H-bot Nhưng kết cấu H-bot lại có lợi gọn nhẹ, hoạt động êm động cụm xy khơng chuyển động, lực qn tính nhỏ có cụm đầu đùn di chuyển Chuyển động cụm đầu đùn chuyển động kết hợp động nên độ xác chi tiết in cao Kết cấu cụm trục X, Y theo H-bot thiết kế hình THIẾT KẾ CƠ KHÍ Bảng Thông số máy thiết kế Thông số Giá trị Kích thước máy 390 x 390 x 460 (mm) Kích thước mẫu 200 x 200 x 180 (mm) lớn Vật liệu tạo mẫu PLA,ABS,Ninjaflex… Đường kính dây 1.75 mm nhựa Hình Sơ đồ nguyên lý cụm trục XY Với: 1.Con trượt ngang 7.Pulley dẫn hướng 2.Cơ cấu chấp hành 8.Con trượt dọc Số lượng đầu đùn đầu đùn 3.Vùng làm việc 9.Thanh trượt dọc Vận tốc đùn V=40 mm/s 4.Thanh trượt ngang 10.Động 5.Pulley bị động 11.Pulley chủ động Vận tốc chạy V=110 mm/s home 6.Đai Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Vì chi tiết in thường có khối lượng không lớn nên nhược điểm dễ bị cong vênh, biến dạng cụm trục Z bàn máy khơng q ảnh hưởng đến độ xác máy Do đó, đa số máy in 3D thường sử dụng trục vít me, đai ốc – ti trượt kết cầu đơn giản, gọn gàng, dễ lắp ráp, chỉnh hình 3 17 PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC Sau hoàn tất thiết kế cấu hệ thống, cần thiết phải phân tích động học thuận, ngược cấu in 3D để tìm mối liên hệ tọa độ phận công tác thông số điều khiển động Từ điều khiển phận cơng tác chuyển động theo quỹ đạo mong muốn Xét mặt phẳng xy với toán động học cấu H-bot Chọn chiều dương góc quay động hệ tọa độ XOY hình Dựa vào sơ đồ nguyên lý, xét số trường hợp góc quay Δα, Δβ động Hình Kết cấu cụm trục Z 1.Trục vít me đai ốc bi 6.Đế động 2.Đỡ trục vít me 7.Nối trục đàn hồi 3.Gối đỡ ti trượt 8.Động 4.Ti trượt 9.Bàn 5.Ổ lăn tuyến tính 10.Bàn Hình Một số trường hợp góc quay động XY Xét phụ thuộc tọa độ trục Y cấu chấp hành theo góc quay động qua trường hợp cụ thể: Trường hợp 1: Δα ≠ Δβ = Khi động quay góc Δα tổng chiều dài AB + BC + CD thay đổi lượng (RΔα) Hay: (AB BC CD)  R. (1) (Với R bán kính pulley gắn với động cơ) Mà chiều dài BC khơng đổi bên cạnh tính chất đối xứng cấu nên: Hình Thiết kế máy in 3D  AB   CD  R  (2) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 18 Hay độ biến thiên tọa độ theo trục Y cấu chấp hành phụ thuộc vào động là: R  Y  (3) Trường hợp 2: Δα = Δβ ≠ Tương tự trường hợp trên, lưu ý độ biến thiên ΔY Δβ ngược dấu nên phương trình thể mối quan hệ biến thiên tọa độ theo trục Y cấu chấp hành góc quay động là: Y   R  (4) Kết hợp phương trình (1) (2) suy ra: Y  R   R  (5) Xét phụ thuộc tọa độ trục X cấu chấp hành theo góc quay động cơ: Trường hợp 3: Δα ≠ Δβ = Khi động quay góc Δα tổng chiều dài AB+ BC+ CD thay đổi lượng RΔα Tức là: (AB BC CD)  (AB BE E D)  R. Xét tương tự trường hợp 1:  AB  R  (6) Trường hợp 4: Δα = Δβ ≠ R   R  (8) Từ phương trình (3) (6), phương trình động học thuận cấu H-bot: R   R   X   R    R  Y   (9) Kết hợp chuyển động tuý theo phương Z bàn máy, động học hệ thống hồn thành phân tích Từ phương trình động học thuận cấu H-bot suy phương trình động học ngược hệ:  X  Y   R  X  Y    R  2    p Z  (10) MẠCH ĐIỆN VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN Mạch điện thiết kế hệ thống thể sơ đồ hình Máy in 3D Cơng tắc hành trình RS232 Vi điều khiển Driver 5V 12V Step motor Tương tự, lưu ý độ biến thiên ΔEC Δβ ngược dấu nên:  R  EC  Hình Sơ đồ khối thiết kế mạch điện Xử lý liệu máy tính Mà ΔX ΔEC ngược dấu nên độ biến thiên tọa độ cấu chấp hành theo trục X phụ thuộc vào động là: X  EC  X  Máy tính R  Do độ biến thiên tọa độ cấu chấp hành theo trục X phụ thuộc vào động là: X Kết hợp phương trình (4) (5) suy ra: R  (7) Chương trình xử lý cắt lớp mẫu in 3D dạng file STL phần mềm slic3r, thiết lập thông số hoạt động (độ dày lớp in, dạng điền đầy, tốc độ in…) Chương trình xuất file G-code bao gồm lệnh chức lệnh di chuyển, sau Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh lệnh truyền xuống vi điều khiển theo chuẩn giao tiếp RS232 hoàn tất in Giải thuật mô tả đơn giản sơ đồ khối: Bắt đầu 19 Giải thuật điều khiển vị trí đầu đùn Ứng với góc bước động θ, để động quay góc Δα, Δβ, Δ cần cấp cho động số xung i, j, k    i      j     k   Nhập thơng số máy Từ đó, phương trình động học ngược sử dụng cho giải thuật điều khiển vị trí đầu đùn: Nhập liệu in định dạng STL  X  Y i  R   X  Y j  R  2  k  p Z  Thực nội suy Xuất G-code Return Ngắt điều khiển vị trí Hình Giải thuật xử lý máy tính Giải thuật vi điều khiển Số xung chu kỳ xung Bắt đầu Thiết lập giá trị ban đầu cho biến S ++time2>T20 Đ Nhận liệu từ máy tính? Kiểm tra số xung ĐC2 cấp đủ? S Đ Nhận dạng xử lý G-Code Lệnh chức năng? Đ Thực chức tương ứng (Điều khiển nhiệt độ đầu đùn/tắt mở quạt/ ) Kết thúc cấp xung ĐC2 (N2=1) S Tiếp tục cấp xung ĐC2 time2=0 Lệnh điều khiển chuyển động? S Đ Điều khiển chuyển động đầu đùn S N1=1&N2=1&N3=1 Đ Gửi ký tự
N lên máy tính; N1=0, N2=0, N3=0 Return Hình Giải thuật xử lý vi điều khiển Return 20 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh THỰC NGHIỆM S Mơ hình thực nghiệm máy in 3D chế tạo lắp ráp giống thiết kế với kích thước thực thể hình 10: ++time1>T10 Đ Kiểm tra số xung ĐC1 cấp đủ? S Đ Kết thúc cấp xung ĐC1 (N1=1) Tiếp tục cấp xung ĐC1 time1=0 Return Hình 10 Mơ hình thực tế máy in 3D Chạy thử nghiệm mơ hình với mẫu thiết kế khác hình 11: S ++time3>T30 Đ Kiểm tra số xung ĐC3 cấp đủ? S Hình 11 Các sản phẩm in thực tế Đ Kết thúc cấp xung ĐC3 (N3=1) Tiếp tục cấp xung ĐC3 time3=0 Trong trình vận hành thực nghiệm, nhóm đưa kết luận rằng: Thơng số bề dày lớp vận tốc đầu đùn hai thông số quan trọng Với thiết bị chế tạo, thực nghiệm với vận tốc đầu đùn 𝑣 = 50 − 80 (𝑚𝑚/𝑠) , nhóm xác định giá trị vận tốc tối ưu cho thiết bị 𝑣 = 60 (𝑚/𝑠) Return Hình Giải thuật xử lý vi điều khiển Dưới thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng bề dày lớp đến độ xác mẫu in Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Mẫu khảo sát chọn mẫu khối lập phương kích thước 20x20x20 mm (hình 12) khối trụ kích thước 20x20 mm (hình 13) Với thông số bề dày lớp 0.2 mm 0.3 mm Các mẫu chế tạo với số lượng 10 mẫu Chi tiết kết đo bảng bảng 21 mm 1.4% với bề dày lớp 0.3 mm Trục z truyền động vít me đai ốc bi cho sai số chiều cao gần không Mẫu in khối trụ đường kính 20mm, chiều cao 20mm: Mẫu in khối lập phương kích thước 20 mm: Hình 13 Khối trụ kích thước 20 x 20 mm Hình 12 Khối lập phương kích thước 20 x 20 mm Bảng Số liệu đo thực tế mẫu hình trụ TT Chế độ Bảng Số liệu đo thực tế mẫu hình lập phương TT Chế độ Cạnh x (mm) Cạnh y Độ cao (mm) z (mm) 19.8 20 20 19.8 19.8 20 19.6 19.8 20 19.8 19.8 20 19.8 19.8 20 19.6 19.8 20 19.8 19.6 20 19.8 19.8 20 19.8 19.8 20 10 19.6 19.6 20 0.2 0.3 Thời gian (phút) 19.6 20 19.8 20 19.8 20 19.6 20 19.8 19.8 19.8 20 19.6 19.8 19.8 20 19.8 19.8 10 19.8 19.8 18,48 Với lần in chế độ (bề dày lớp 0.2 mm/0.3 mm) bảng thơng số cho thấy: Sai số trung bình cạnh x/ y/ z đạt 19.76 mm/19.84 mm/20mm thực thời gian trung bình 21.44 phút chế độ bề dày lớp 0.2 mm Với chế độ bề dày lớp 0.3 mm, số là: 19.72 mm/19.72 mm/20 mm thực 18.48 phút Với cấu H-bot, sai số kích thước x-y nằm khoảng 1.2% với bề dày lớp 0.2 Độ cao z (mm) 21,44 Đường kính (mm) 0.2 0.3 Thời gian (phút) 17.30 15.48 Với mẫu in khối trụ hình 13 bảng 4, sai số trung bình đường kính/ chiều cao đạt 19.72 mm/19.96 mm thực thời gian trung bình 17.30 phút chế độ bề dày lớp 0.2 mm Và chế độ bề dày lớp 0.3 mm, sai số trung bình đường kính/ chiều cao đạt 19.76 mm/19.88 mm thực thời gian trung bình 15.48 phút Sai số đường kính nằm khoảng 1.2% so với bề dày lớp 0.2 mm 1.4% so với bề dày lớp 0.3 mm Nhưng lần in mẫu hình trụ này, sai số chiều cao tăng lên đến 0.6 % Điều giải thích số lỗi thường gặp trình chạy thực tế: chi tiết bị in thiếu lớp khoảng 22 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh cách chưa hợp lý đầu đùn bàn máy không đồng Qua q trình in chi tiết có biên dạng phức tạp khối bản, số liệu nêu trên, số nhận xét đưa ra: - Chọn hướng tạo mẫu định đến sai số kích thước in sản phẩm Với cấu hình máy in 3D này, độ xác theo phương z cao Do đó, tuỳ theo độ xác mong muốn phương mà có hướng đặt mẫu khác khâu xử lý file CAD - Quá trình cân chỉnh ban đầu máy in quan trọng định đến độ xác sản phẩm (độ vng góc/ khoảng cách đầu đùn với bàn máy,…) - Khi bước động tăng lên (tốc độ in tăng lên), trình in diễn nhanh hơn, đồng nghĩa với việc giảm độ xác chất lượng bề mặt vật thể - Với mẫu có biên dạng phức tạp in thiết bị, độ xác kích thước đảm bảo KẾT LUẬN Bài báo hoàn thành thiết kế, chế tạo đưa giải thuật điều khiển dành cho máy in 3D cấu hình H-bot Bên cạnh đó, thực kiểm tra kích thước mẫu in để đánh giá độ xác máy in 3D Đối với chi tiết in 3D tiêu để đánh giá chất lượng sản phẩm in 3D giống với sản phẩm phương pháp gia công truyền thống, bên cạnh yếu tố định độ xác chi tiết phương pháp gia công truyền thống thông số công nghệ nguyên công độ xác chi tiết in 3D cịn bị ảnh hưởng trực tiếp từ thông số khác như: nhiệt độ, chất lượng nhựa in, môi trường làm việc…mà yếu tố chưa khảo sát nội dung nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Pham, D and Gault, “A comparisons of Rapid prototyping technologies”, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1998 [2] Sood, A.K., Ohdar, R.K and Mahapatra, S.S, “Improving dimension accuracy of Fused Deposition Modelling processed part using grey Taguchi method”, Journal of Materials and Design, 2009 [3] Rajan Bansal, “Improving dimensional accuracy of Fused Deposition Modelling (FDM) part using surface methodology”, Thesis of National Institute of Technology Rourkela, 2011 [4] Robert L Skubic, Chanhassen, James W Comb, Hamel “Adjustable platform assembly for digital manufacturing system” US Patent Number 8153183, Apr 10, 2012 [5] James W Comb, William J Swanson,Jeffrey L Crotty “Gantry assembly for use in additive manufacturing system” US Patent Number 20130078073, Mar 28, 2013 [6] Junsheng Yang, Liang Wei Wu, Junhai Liu “Rapid prototyping and fabrication method for 3-D food objects” US Patent Number 6280785, Aug 28, 2001 [7] Trịnh Văn Thái “Nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền động máy tạo mẫu nhanh FDM” Đại học Bách Khoa ĐHQG Tp Hồ Chí Minh, 2013 [8] Nguyễn Thanh Hải “Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ quỹ đạo đầu đùn đến chất lượng sản phẩm trình FDM (Fused Deposition Modeling)” Đại học Bách Khoa ĐHQG Tp Hồ Chí Minh, 2013 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Huỳnh Hữu Nghị Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM Email: hhnghi@hcmut.edu.vn, huynhhuunghi@gmail.com ... ứng dụng đầy đủ tri thức: khí – điện tử – lập trình vật liệu cho trường đại học Do đó, đề tài lựa chọn nghiên cứu ứng dụng kết cấu H-bot điều khiển máy in Reprap 3D theo phương pháp FDM ứng dụng. .. Hồ Chí Minh (cịn gọi cơng nghệ in 3D FFF) Điển hình dạng máy in 3D Reprap máy in 3D giá rẻ (makerbot, Printerbot, Flashforge…) Cụm trục truyền động X, Y cụm chi tiết quan trọng máy in 3D Thiết... thuật điều khiển dành cho máy in 3D cấu hình H-bot Bên cạnh đó, thực kiểm tra kích thước mẫu in để đánh giá độ xác máy in 3D Đối với chi tiết in 3D tiêu để đánh giá chất lượng sản phẩm in 3D giống