Tính toán thiết kế máy in 3d nhiều màu

In 3D hiện nay là một trong những phương pháp tạo mẫu nhanh rất có triển vọng phát triển trong tương lai. Công nghệ này có khả năng tạo ra các sản phẩm có hình dạng phức tạp, đồng thời rất linh hoạt và dễ dàng thay đổi mô hình sản phẩm khác nhau nên có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Trong các công nghệ tạo mẫu nhanh hiện nay thì công nghệ mô hình hoá lắng đọng nóng chảy FDM là có ưu điểm hơn cả về mặt kinh tế, với chi phí thấp. Mặc dù vậy, phương pháp tạo mẫu này cũng tồn tại rất nhiều hạn chế, chẳng hạn như thời gian tạo mẫu còn chậm, độ chính xác và độ bóng bề mặt còn chưa cao, khả năng chịu lực và độ bền còn kém. Bên cạnh đó, phương pháp này gặp nhiều khó khăn với việc in các mẫu nhiều màu vì rất dễ xảy ra tắc nhựa, lớp chuyển màu không đẹp, hệ thống vòi phun cồng kềnh. Để khắc phục các nhược điểm trên, đề tài tính toán thiết kế một máy in 3D FDM hoàn chỉnh có khả năng in 3 màu với vật liệu được sử dụng trong quá trình in là nhựa PLA, ABS. Nội dung chủ yếu của đề tài là tính toán, lựa chọn các phần tử, cơ cấu di chuyển, điều chỉnh các thông số phù hợp sao cho thiết bị luôn hoạt động trong trạng thái ổn định, hạn chế rung động và tiếng ồn, cải thiện thời gian tạo mẫu, sản phẩm tạo ra có độ chính xác và độ bóng đạt yêu cầu, có lớp chuyển màu đẹp, cân bằng được các yếu tố năng suất, chất lượng và giá thàn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI o0o -CƠNG TRÌNH THAM DỰ GIẢI THƯỞNG “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” CẤP VIỆN NĂM 2018-2019 Tên cơng trình: Tính tốn thiết kế máy in 3D nhiều màu Mã số: Họ tên sinh viên: Mai Anh Kiệt Tel: Phạm Đức Dương Tel: Nguyễn Duy Khánh Tel: 0976798624 Lớp, khóa: K59 Khoa/Viện: Cơ khí Giảng viên hướng dẫn: TS Bùi Tuấn Anh Nội dung: - Trang 1: Tóm tắt cơng trình (1 trang) - Trang trở đi: I Đặt vấn đề; II Kết nghiên cứu; III Kết luận; - IV Tài liệu tham khảo; V Phụ lục (nếu có) Tối đa 50 trang đánh máy khổ A4 lề Normal, sử dụng font chữ Times New Roman, cỡ chữ 12pt, giãn dòng đơn, cách hai bên, đầu dòng thụt 1,27cm Tóm tắt cơng trình ĐẶT VẤN ĐỀ: 1.1 Tiềm ứng dụng máy in 3D: 1.2 Các nhược điểm tồn phương hướng giải quyết: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU: 2.1 Lựa chọn công nghệ in: 2.2 Tính tốn hệ thống khí: Hiệu chỉnh số bước/mm động 29 2.3 Tính tốn hệ thống điều khiển: 32 Phần mềm cắt lớp 33 Arduino Mega 2560 Board Ramps 1.4 12 Điều khiển động bước A4988 14 2.4 Sản phẩm: 17 KẾT LUẬN: 18 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO: 21 Tóm tắt cơng trình In 3D phương pháp tạo mẫu nhanh rất có triển vọng phát triển tương lai Cơng nghệ có khả tạo sản phẩm có hình dạng phức tạp, đồng thời rất linh hoạt dễ dàng thay đổi mơ hình sản phẩm khác nên có rất nhiều ứng dụng thực tiễn Trong công nghệ tạo mẫu nhanh cơng nghệ mơ hình hố lắng đọng nóng chảy FDM có ưu điểm cả mặt kinh tế, với chi phí thấp Mặc dù vậy, phương pháp tạo mẫu tồn rất nhiều hạn chế, chẳng hạn thời gian tạo mẫu cịn chậm, độ xác độ bóng bề mặt chưa cao, khả chịu lực độ bền cịn Bên cạnh đó, phương pháp gặp nhiều khó khăn với việc in mẫu nhiều màu rất dễ xảy tắc nhựa, lớp chuyển màu khơng đẹp, hệ thống vịi phun cồng kềnh Để khắc phục nhược điểm trên, đề tài tính tốn thiết kế máy in 3D FDM hồn chỉnh có khả in màu với vật liệu sử dụng trình in nhựa PLA, ABS Nội dung chủ yếu đề tài tính tốn, lựa chọn phần tử, cấu di chuyển, điều chỉnh thông số phù hợp cho thiết bị hoạt động trạng thái ổn định, hạn chế rung động tiếng ồn, cải thiện thời gian tạo mẫu, sản phẩm tạo có độ xác độ bóng đạt yêu cầu, có lớp chuyển màu đẹp, cân yếu tố suất, chất lượng giá thành Nhóm sinh viên thực hiện: Mai Anh Kiệt Phạm Đức Dương Nguyễn Duy Khánh ĐẶT VẤN ĐỀ: 1.1 Tiềm ứng dụng máy in 3D: Công nghệ in 3D phát triển đến mức ứng dụng rất nhiều lĩnh vực khác Trong kỹ thuật in 3D giúp tạo nên mẫu vật thể cách nhanh chóng xác Đặc biệt y học ứng dụng rất nhiều vào việc tạo mẫu phận thể người, giúp cho trình chữa bệnh thành công Với người khuyết tật, in 3D giúp tạo chân tay giả với chi phí tiết kiệm rất nhiều Trong tương lai, máy in 3D dần trở thành thiết bị gia đình, cho phép người sử dụng sản xuất bất thứ họ muốn nhà riêng Hình 1 Ứng dụng cơng nghệ in 3D thực phẩm Hình Bộ xương titan dùng lĩnh vực y tế Hình Nhân vật phim in 3D Với ứng dụng rộng rãi chúng em lựa chọn nghiên cứu máy in 3D để thực đề tài nghiên cứu khoa học Chúng em cố gắng tận dụng tất cả kiến thức học trường cùng với tìm tịi nghiên cứu, thu lượm kiến thức tài liệu, sách báo internet để hồn thành tốt đề tài Kết quả sản phẩm đạt ngày hôm không lớn lao thành quả năm tháng học trường thành công bản thân trước trường Chúng em muốn bày tỏ lòng biết ơn giúp đỡ Trường, Viện, Bộ môn, đặc biệt Tiến sĩ Bùi Tuấn Anh, người hướng dẫn giúp đỡ chúng em suốt trình thực đề tài Thầy ln khuyến khích nghiên cứu tài liệu sản phẩm chất lượng, việc cung cấp nhận xét chi tiết, nhờ vào bảo nhiệt tình thầy mà chúng em hồn thiện đề tài với chất lượng đạt yêu cầu 1.2 Các nhược điểm cịn tồn phương hướng giải quyết: Có rất nhiều phương pháp in 3D khác SLA, SLS, FDM, LOM, Công nghệ Cách thức hoạt động Vật liệu SLA Sử dụng tia động đăch polime nhựa quang Polime nhựa quang SLS Sử dụng tia laser để thêu kết vật liệu Bột kim loại, thạch cao FDM Vật liệu đùn qua đầu phun gia nhiệt Nhựa ABS,PLA,… Bảng 1.1 Tóm tắt phương pháp in 3D KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU: 2.1 Lựa chọn công nghệ in: In ấn bước cuối cùng sơ đồ chế tạo sản phẩm in 3D, khâu quan trọng nhất có rất nhiều phương án khác để thực như: SLS, SLS, FDM, LOM,… Mỗi phương pháp có ưu điểm nhược điểm riêng phù hợp hoàn cảnh nhất định Hình Sơ đồ tạo sản phẩm in 3D Căn vào công nghệ in 3D tìn hiểu theo yêu cầu đề tài nghiên cứ, thiết kế máy in 3D cỡ nhỏ cho phù hợp với khả Do nhóm định lựa chọn thiết kế máy in 3D nhiều màu dạng Cartesian theo công nghệ FDM, sử dụng vật liệu in ABS, PLA… sở sau: • Cơng nghệ đơn giản phương pháp khác (SLA, SLS, LOM…) phù hợp với khả tiếp cận sinh viên • Phần mềm điều khiển mở dễ dàng tiếp cận với đối tượng sinh viên Cộng đồng in3D đông đảo dễ dàng trao đổi kinh nghiệm • Giá thành thấp, vận hành đơn giản, linh kiện sẵn vận hành chỗ (cả phần khí điều khiển) • Dựa vào khảo sát loại máy in 3D mini có thị trường, tham khảo kết cấu mẫu máy kể kết hợp với điều kiện có sẵn (vật liệu, khả công nghệ chế tạo) Đề tài định phương án thiết kế khung máy dạng lắp ghép sở nhơm tấm, với phụ kiện lắp ghép kèm (con ốc, ke góc) có sẵn thị trường 2.2 Tính tốn hệ thống khí: Máy in 3D dạng Cartesian có ba trục chuyển động theo phương ngang, dọc thẳng đứng tướng ứng với trục tọa độ xyz hệ tọa độ descartes Trên trục có hệ thống chuyển động giúp di chuyển đầu in theo lập trình máy tính thơng qua phần mềm hỗ trợ a Ưu điểm: • Bộ phận điều khiển dễ dàng, diện tích làm việc rộng • Độ xác cao, lắp ráp, chỉnh bảo dưỡng dễ dàng • Cộng đồng mã nguồn mờ lớn, phù hợp với người bắt đầu làm quen cơng nghệ in 3D b Nhược điểm: • Tốc độ chậm, khối lượng cấu động lớn, nên tốc độ in khơng cao gây ồn • Khi hoạt động máy thường bị rung làm giảm độ xác • Kích thước ngang lớn, thường bị hạn chế chiều cao vật in Thiết kế hệ thống khung hướng chuyển động trục : • Trục Z: Sử dụng trục vitme với đai ốc để di chuyển lên xuống bàn nhiệt • Trục X Y: Dùng cấu core XY phối hợp động để chuyển động Các chế trục điều khiển động bước Các trục máy thể sơ đồ đây: Hình 2 Trục toạ độ máy Thông thường động NEMA17 sử dụng loại đai GT2 đai MXL Đây loại đai tiêu chuẩn hóa kèm puly tiêu chuẩn dễ dàng mua phù hợp với khả tiếp cận sinh viên So với MXL puly GT2 chống phản ứng dội (anti-backlash) tốt Vì vậy, ta chọn loại đai GT2 Hình Sơ đồ truyền đai 2.2.1 Tính tốn đai: - Lực kéo cần thiết: Fu = FA +FR + FH Trong đó: FA=(mt+ml).a FR=  (mt+ml).g FH=(mt+ml).g.sin  PL= PL  - Tính cơng śt truyền: - Xác định mô đun theo công thức: m  35 Fu v (kW) 1000 PL NL Trong đó: PL : Công suất bánh đai chủ động [kW] NL : Số vịng quay bánh chủ động [rpm/min] m : Mơ đun [mm] - Tính chiều dài đai l [mm] khối lượng đai MR [kg]: l  2e  zt  2e   D với i=1 t  Z  Z1   t  Z  Z1   l  2e    4e    với i  m'R l mR  với m'R tra bảng: 1000 Bảng Tra thơng số khối lượng đai Mr Tính tốn bánh đai: - Tính số răng: Chọn theo tiêu chuẩn 10 Báo cáo cơng trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2018 - 2019 Chọn thành phần cho hệ thống điều khiển: • Bộ vi điều khiển: Arduino Mega 2560 & RAMPS 1.4 • Hệ thống chuyển động : Driver A4988 • Gia nhiệt: Bàn gia nhiệt MK2 Aluminum E3D V5 for Nozzle heating • Nhiệt độ: Cảm biến nhiệt 100K thermistor – ATC Semitec 104GT-2 Arduino Mega 2560 Hình Kit Arduino MEGA Vi điều khiển ATmega2560 Điện áp hoạt động 5V Điện áp nguồn 7-12V (khuyên dùng) Điện áp nguồn 6-20V (giới hạn) Số chân In/Out 54 (trong có 15 đầu PWM) Báo cáo cơng trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2018 - 2019 Đầu vào analog 16 Cường độ chân In/Out 40 mA Cường độ chân 3.3 V 50 mA Bộ nhớ Flash 256 KB, 8Kb Bootloader SRAM KB EEPROM KB Tốc độ 16 MHz Bảng Thông số kĩ thuật Hình Giao diện phần mềm Arduino IDE Báo cáo cơng trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2018 - 2019 Ưu điểm kit nhỏ gọn, nhiều cổng GPIO với nhiều chức khác Ngồi ra, ngơn ngữ lập trình Arduino thân thiện với người dung Đa số người dung Arduino lập trình qua Arduino IDE 10 Báo cáo cơng trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2018 - 2019 11 Báo cáo cơng trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2018 - 2019 Hình Pin Mapping Board Ramps 1.4 Hình Ramps 1.4 Để điều khiển hoạt động máy in 3D thông qua Marlin, Arduino Mega 2560 gắn kèm theo mạch điều khiển máy in Ramps 1.4 Ramps 1.4 điều khiển hoạt động máy in 3D, bao gồm: • Điều khiển động bước qua driver (thường A4988 DRV8825) • Điều khiển gia nhiệt bàn nhiệt đầu đùn Dữ liệu điều khiển qua cảm biến nhiệt • Quạt tản nhiệt • Các cơng tắc hành trình (Endstop) để xác định gốc trục • Hiển thị qua hình LCD 12 Báo cáo cơng trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2018 - 2019 Hình Sơ đồ Ramps 1.4 13 Báo cáo công trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2018 - 2019 Điều khiển động bước A4988 Hình Sơ đồ A49988 Đặc điểm bật: ● Giao thức điều khiển số bước chiều quay đơn giản ● cấp điều chỉnh bước: 1; 1/2; 1/4; 1/8 1/16 bước ● Điều chỉnh dòng định mức cấp cho động triết áp ● Bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ nhiệt, bảo vệ tụt áp chống dòng ngược ● Điều khiển động hoạt động với điện áp lên tới 35V dòng lên tới 2A Điện áp cấp tối thiểu: 8V Điện áp cấp cực đại: 35 V Dòng cấp liên tục cho pha: A (không cần tản nhiệt, làm mát) Dòng cấp liên tục cho pha: A (khi có làm mát, tản nhiệt) Điện áp logic tối thiểu: 3V Điện áp logic tối đa: 5.5 V 14 Báo cáo cơng trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2018 - 2019 Độ phân giải: full, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 Bảng 3 Thông số kỹ thuật Lựa chọn chế độ: Chế độ Full - 1/2 - 1/4 - 1/8 - 1/16 thông qua pin MS1 MS2 MS3 Bảng Microstep Resolution • Bật tắt động thơng qua pin ENABLE, mức LOW bật module, mức HIGH tắt module • Điều khiển chiều quay động thơng qua pin DIR • Điều khiển bước động thông qua pin STEP, xung tương ứng với bước ( vi bước) Linh kiện điện tử Số lượng Auduino Mega 2560 Board RAMPS 1.4 Mạch điều khiển động bước A4988 4chiếc 15 Báo cáo cơng trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2018 - 2019 Cơng tắc hành trình Động bước NEMA 17HS2401 động Bộ mạch LCD 2004 tích hợp khe cắm thẻ nhớ SD Bàn gia nhiệt Heatbed MK3 Aluminum 1bộ Cảm biến nhiệt 100K thermistor – ATC Semitec 104GT-2 Bảng Linh kiện điện tử 16 Báo cáo cơng trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2018 - 2019 2.4 Sản phẩm: Xây dựng mô hình solidworks: Hình Hình ảnh render Hình ảnh máy in 3D thực tế sản phẩm in máy: 17 Báo cáo cơng trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2018 - 2019 KẾT LUẬN: Máy in 3D nhiều màu nhóm đáp ứng hầu hết mục tiêu đặt ban đầu Tuy nhiên thời gian in chất lượng chưa thực tốt Nếu có thêm thời gian để phát triển sản phẩm hồn tồn hồn thiện tốt để có hội cạnh tranh thị trường Ngồi yếu tố máy móc chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác như: Nhiệt độ đầu phun: Thông số ảnh hưởng tới tốc độ in chất lượng bề mặt sản phẩm Thơng thường nhiệt độ phịng ta chọn nhiệt độ in cho PLA khoảng 180-190 độ cho chất lượng mẫu in tốt nhất, bù lại tốc độ in phải điều chỉnh chậm lại (do độ nhớt nhựa thấp) Chiều dày lớp in: Hay gọi độ phân giải Đây thơng số ảnh hướng tới độ mịn mơ hình 3D Chiều dày lớp in lớn in nhanh chất lượng bề mặt thô ngược lại Kết cấu sản phẩm: Cùng độ phân giải, nhìn/sờ vào ta nhận có khác biệt số vị trí tùy vào hình dạng mẫu in 3D Thơng thường, mơ hình có phần bao dạng kim tự tháp, tức to nhỏ thấy xuất dấu vết lớp in Riêng với bề mặt dạng trơn thẳng: tường vách, hình trụ trịn,… chiều cao lớp in khơng ảnh hưởng mấy tới chất lượng bề mặt! Tốc độ in tốc độ đùn nhựa Thông số phụ thuộc vào độ nhớt thời gian nguội nhựa Tuỳ loại nhựa khác mà ta có Do việc lựa chọn thông số cho phù hợp rất quan trọng 18 Báo cáo cơng trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2018 - 2019 Ngoài ra, nhóm tìm hiểu kỹ thuật phối màu, hy vọng giúp phần cho hệ sinh viên khố sau có định hướng đề tài để nghiên cứu phát triển Để phối màu ta nên chọn màu bản Cyan, Magenta, Yellow, kết hợp với màu khác mà CMY không tạo Black, White, Transparent Về kết cấu đầu đùn tham khảo số phương án sau: Hình 3.1 Đầu phun dạng trộn Đầu phun hoạt động tương tự máy xay sinh tố, cánh quạt có nhiệm vụ bịt kín vịi phun đồng thời trộn nhựa nóng chảy có đầu phun Dạng đầu phun có ưu điểm kết cấu nhỏ gọn, dễ chế tạo có khối lượng nhỏ so với kết cấu dạng đùn 19 Báo cáo cơng trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2018 - 2019 Hình 3.1 Đầu phun dạng đùn Đầu phun hoạt động tương tự máy đùn trục vít dùng để in nhựa Trục vít quay đẩy nhựa theo đường chân ren vòi phun Ưu điểm lớn nhất đầu in điều chỉnh tốc độ đùn nhựa tuỳ ý, có khả tạm dừng in mà khơng sợ bị chảy nhựa ngồi, nhiên lại có nhược điểm kết cấu cồng kềnh Do khối lượng cụm đầu in rất lớn nên bàn máy phải di chuyển theo cả phương Có thể sử dụng cấu Delta trường hợp 20 Báo cáo cơng trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2018 - 2019 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí – tập 1,2 Trịnh Chất – Lê Văn Uyển [2] Bài giảng sở máy công cụ CNC- Phạm Văn Hùng [3] Hệ thống điều khiển số công nghiệp NXB KHKT, 2001- Bùi Quí Lực [4] Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ NXB KHKT, 2001- Tạ Duy Liêm [5] Giáo trình phương pháp gia công đặc biệt, NXB KH&KT, Hà Nội, 2010- Đinh Minh Diệm [6] Cộng đồng điện tử Việt Nam http://codientu.org [7] Diễn đàn khí tự động hóa http://meslab.org [8] Cộng đồng Arduino Việt Nam http://Arduino.vn [9] Micromen Mechatronics http://mme.vn [10] Nhà sản xuất máy in 3D Việt Nam http://3dmaker.vn [11] Thingiverse- Digital Design for Physical Objects http://thingiverse.com [12] PMI product catalog [13] IKO linear wl catalog 21 Báo cáo cơng trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2018 - 2019 22 ... tạo sản phẩm in 3D Căn vào cơng nghệ in 3D tìn hiểu theo yêu cầu đề tài nghiên cứ, thiết kế máy in 3D cỡ nhỏ cho phù hợp với khả Do nhóm định lựa chọn thiết kế máy in 3D nhiều màu dạng Cartesian... nhớ máy Marlin thực việc dịch file (STL) sang G-Code để thực quy trình in • Để điều khiển hoạt động máy in 3D thông qua Marlin, Arduino Mega 25 60 gắn kèm theo mạch điều khiển máy in Ramps 1.4 32. .. học 20 18 - 20 19 11 Báo cáo cơng trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 20 18 - 20 19 Hình Pin Mapping Board Ramps 1.4 Hình Ramps 1.4 Để điều khiển hoạt động máy in 3D thông qua Marlin, Arduino