(Đề tài NCKH) nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống truyền động CNC 3 trục cho máy in 3d kim loại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CNC TRỤC CHO MÁY IN 3D KIM LOẠI MÃ SỐ: SV2018 - 51 SKC006732 Tp Hồ Chí Minh, tháng 09/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾ T ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN Đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CNC TRỤC CHO MÁY IN 3D KIM LOẠI Mã số đề tài: SV2018 - 51 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống truyền động CNC trục cho máy in 3D kim loại Mã số SV: 15144054 - SV thực hiện: LÊ NGỌC SƠN Mã số SV: 15144028 NGUYỄN THÀNH HƯNG BÙI XUÂN HẬU Mã số SV: 15144020 Khoa: CLC Năm thứ: 3/4 - Lớp: 15144CL3 - Người hướng dẫn: TS.PHẠM SƠN MINH Mục tiêu đề tài: Thiết kế chế tạo hệ thống truyền động cho máy in 3D kim loại Tính sáng tạo: Ứng dụng hệ thống truyền động máy phay CNC trục để tạo hệ thống truyền động cho máy in 3D kim loại, giúp máy tạo sản phẩm cách nhanh chóng Kết nghiên cứu: Thiết kế chế tạo thành cơng mơ hình hệ thống truyền động cho máy in 3D kim loại Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Đề tài có khả ứng dụng phổ biến vào công nghiệp tạo mẫu nhanh Công bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài: Sau kết thực nghiệm thu để tài áp dụng vào thực tế Ngày 23 tháng năm 2018 SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học SV thực đề tài: Đề tài mang tính ứng dụng cao cơng nghệ in 3D kim loại công nghiệp tạo mẫu nhanh MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TẠO MẪU NHANH I Các loại công nghệ in 3D kim loại: II Các loại vật liệu sử dụng in 3D kim loại III Các ứng dụng công nghệ in 3D kim loại 13 CHƯƠNG II: TÍNH TỐN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 17 I TÍNH TOÁN CỤM TRỤC X 17 II TÍNH TỐN CỤM TRỤC Z 28 III TÍNH TỐN CỤM TRỤC Y 39 CHƯƠNG III: CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG 46 I Thành phần hệ thống tuyền động: 46 II Cơ cấu truyền động máy in 3D kim loại: 46 III Các thành phần khí: 48 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Lực dọc trục trục X 18 Bảng 2.2 Bảng thông số động HY57DJ114 21 Bảng 2.3 Thông số ray dẫn hướng trục X 22 Bảng 2.4 bảng thông số lăn SGR 22 Bảng 2.5 Lực dọc trục trục Z 29 Bảng 2.6 Thông số động trục z 32 Bảng 2.7 Thông số lăn SGR 34 Bảng 2.8 Thơng số kích thước lăn SGR 35 Bảng 2.9 Lực dọc trục trục Y 40 Bảng 2.10 Thông số động trục Y 42 Bảng 2.11 : thông số lăn SGR trục Y 43 Bảng 2.12 Thơng số kích thước lăn SGR trục Y 44 DANH MỤC TỪ NGỮ VIẾT TẮT CAD/CAM/CNC : Computer Aided Design/ Computer Aided Manufacturing/ Computer Numeric Control LOM : Laminated Object Manufacturing SLA : Stereo Lithography Apparatus SLS : Selective Laser Sintering FDM : Fused Deposition Modeling 3DP : 3Dimensional Printing Techniques LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ in 3D kim trở nên phổ biến nước giới nhiều hãng sản xuất tiếng đời như: Makerbot, Ultimaker, Creatbot, 3D systems, Mankati, với sản phẩm mang tính thương mại Tuy nhiên thị trường Việt Nam in 3D kim loại dường cịn mẻ Cơng nghệ in 3D kim loại ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau.Trong y học, in 3D kim loại áp dụng để tạo phận thay cho thể người, in 3D kim loại giúp tạo nên mẫu vật thể cách nhanh chóng xác tương tự in 3D vật liệu nhựa thông thường.Trong giáo dục,in 3D kim loạị giúp thực tế hóa lý thuyết giúp sinh viên tạo sản phẩm thực tế Trong ngành cơng nghiệp khí, chế tạo máy, điện tử…v v in 3D kim loại tạo chi tiết máy cách nhanh chóng xác với độ bền tốt với ứng dụng thực tiễn hiệu vủa máy in 3D kim loại nhóm chúng em lựa chọn nghiên cứu máy in 3D kim loại để thực đề tài nghiên cứu khoa học CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TẠO MẪU NHANH Ngày nay, công nghệ in 3D kim loại phổ biến dễ hình dung, phổ biến năm gần đây, công nghiệp gọi cơng nghệ tạo mẫu nhanh Do tính chất sản xuất đơn chiếc, nên ta hấy cụm từ “tạo mẫu” TẠO MẪU CĨ TỪ BAO GIỜ? Q trình tạo mẫu phân làm thời kì.Hai thời kì sau đời 20 năm trở lại đây.Tương tự trình tạo mẫu máy vi tính,tính chất vật lí mẫu nghiên cứu phát triển thời kì thứ Thời kì đầu tạo mẫu tay Thời kì đời cách vai kỷ.Trong thời kì mẫu điển hình khơng có phức tạp cao chế tạo mẫu trung bình khoảng tuần Phương pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề thực công việc cách nặng nhọc Cho đến ngày phương pháp thủ công sử dụng phổ biến trường đại học mỹ thuật có ngành tạo dáng,thì Hiện phương pháp tạo mẫu mang hướng nghệ thuật, hang chế tác riêng nhiều tạo mẫu sản xuất hàng loạt Thời kỳ thứ hai: phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo Thời kỳ thứ hai tạo mẫu phát triển sớm, khoảng thập niên 70 Thời kỳ có phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo Việc ứng dụng CAD/CAE/CAM trở nên phổ biến Phần mềm tạo mẫu phát họa máy vi tính suy tưởng, ý tưởng Các mẫu mơ hình vật lý: kiểm tra, phân tích đo ứng suất hiệu chỉnh cho phù hợp chúng chưa đạt yêu cầu Thí dụ phân tích ứng suất sức căng bề mặt chất lỏng dự đốn xác xác định xác thuộc tính tính chất vật liệu Hơn nữa, mẫu thời kỳ trở nên phức tạp nhiều so với thời kỳ đầu (khoảng hai lần) Vì thế, thời gian yêu cầu cho việc tạo mẫu có khuynh hướng tăng lên khoảng 16 tuần, tính chất vật lý mẫu phụ thuộc vào phương pháp tạo mẫu trước Tuy nhiên, việc vận dụng máy gia cơng xác cải thiện tốt tính chất vật lý mẫu Hình 1.1: Phần mềm tạo mẫu phát họa máy vi tính Cùng với tiến lĩnh vực tạo mẫu nhanh thời kỳ thứ ba, có trợ giúp lớn trình tạo mẫu ảo Tuy nhiên, cịn tranh cãi giới hạn cơng nghệ tạo mẫu nhanh như: Sự giới hạn vật liệu (hoặc chi phí cao cách sử dụng cho vật liệu không giống để tạo chi tiết) Thời kỳ thứ ba: trình tạo mẫu nhanh Tính chất vật lý phần sản phẩm trình tạo mẫu nhanh biết đến Q trình tạo mẫu rỗng thích hợp cho việc sản xuất bàn nâng hay công nghệ sản xuất lớp Cơng nghệ thể q trình phát triển tạo mẫu thời kỳ thứ ba Việc phát minh thiết bị tạo mẫu nhanh phát minh quan trọng Những phát minh đáp ứng yêu cầu giới kinh doanh thời kỳ này: giảm thời gian sản xuất, độ phức tạp mẫu tăng, giảm chi phí Ở thời điểm người tiêu dùng yêu cầu sản phẩm chất lượng lẫn mẫu mã, nên mức độ phức tạp chi tiết tăng lên, gấp ba lần mức độ phức tạp mà chi tiết làm vào năm thập niên 70 Nhưng nhờ vào công nghệ tạo mẫu nhanh nên thời gian trung bình để tạo thành chi tiết lại tuần so với 16 tuần thời kỳ thứ hai Năm 1988, 20 công nghệ tạo mẫu nhanh nghiên cứu Ta thấy nhu cầu tạo nên mẫu sản phẩm ban đầu nhu cầu thiết yếu trình sản xuất, trước sản xuất hàng loạt sản phẩm phải cần tạo mẫu sản phẩm trước để kiểm tra tính thực khả thi Nếu mẫu sản phẩm xác bao nhiêu, nhanh tránh lỗi mắc phải trình sản xuất sau tiết kiệm chi phí sản xuất nhiêu Những đọc sách Steve Job thấy Ive phải làm nhiều mẫu Iphone bọt biển để S.Job xem trước sản xuất Iphone ngày Nên “công nghệ tạo mẫu nhanh” mang toàn ý nghĩa nó, “cơng nghệ”: đảm bảo độ xác, “tạo mẫu nhanh” đảm bảo thời gian nhanh chóng I Các loại công nghệ in 3D kim loại: Trên giới có tất cơng nghệ in 3D cơng nghệ in 3D vật liệu nhựa thơng thường cơng nghệ in 3D kim loại khơng có khác nên cơng nghệ in 3D kim loại gồm công nghệ như: SLA, SLS, LOM, 3DP, FDM 1.1 Công nghệ in SLA (Stereolithography): kỹ thuật dùng tia laser làm đông cứng nguyên liệu lỏng để tạo lớp nối tiếp sản phẩm hoàn tất, độ dày lớp nhỏ đạt đến 0,06 mm nên xác Có thể hình dung kỹ thuật sau: đặt bệ đỡ thùng chứa nguyên liệu lỏng, chùm tia laser di chuyển (theo thiết kế) lên mặt nguyên liệu lỏng theo hình mặt cắt ngang sản phẩm làm lớp nguyên liệu cứng lại Bệ đỡ chứa lớp nguyên liệu cứng hạ xuống để tạo lớp mới, lớp khác thực tiếp tục đến sản phẩm hồn tất Hình 1.2 Cơng nghệ SLA Phương pháp SLA sử dụng nhựa photopolymer lỏng củng cố tia laser để tạo phận Công nghệ sử dụng tia sáng (tia laser, tia UV tia sáng bình thường) làm đơng cứng lớp photopolymer lỏng (polymer quang hóa – polymer đóng rắn có ánh sáng chiếu vào) chứa bồn lớp lớp để hình thành nên F T p k - 30,1 .0,9 5,322(k gf cm) T F max la a Tổng moment phát động: T Tp Ta = 1,596 + 5,322 = 6,918 ( kgf.cm ) Tính tốn chon động cơ: Các liệu cho tính tốn chọn động cơ: - Chọn vitme có bước: Hệ số ma sát trượt: Gia tốc trọng trường: - Tỉ số truyền giảm tốc: i = (vì khơng qua hộp giảm tốc) - Góc nghiêng trục: α = - Hiệu suất máy chọn: - Tốc độ quay lớn động cơ: n = 3000 vịng/phút  Tính moment ma sát: M ms  Tính moment ch ống trọng lực kết cấu: v 00 ì M  Tính vận tốc dài: v max  Tính moment máy: M  Tính moment tĩnh: M tinh  Tốc độ quay motor: v i 1,8 ,0 ma x l 1 M ms 188,5 M tl ( òng/ phút) Dựa vào ta chọn động 57DJ114 với điều kiện : { ≥ ≥ ĩ ℎ B ảng 2.10 Thông số động trục Y Kiểm tra thời gian cần thiết để đạt vận tốc cực đại 42 Thời gian cần thiết để đạt thời gian cực đại: t a Trong đó: J tổng moment qn tính (moment tính toán + moment cho động cơ) moment phát động f hệ số an toàn ( f = 1,2) ′ =2 Suy ra: (1,896 2,8).10 t a Tính ứng suất tác dụng lên trục vitme Ta có: Tmax TL 6,918(kgf cm) = 6,918.10.10 = 691,8 ( N ) .mm .d r J 32 Tmax.r J Suy ra: max (2,66 106 )2 (02,038.106 )2 33,5.106 (N / m2 ) 3.4 TÍNH TỐN RAY DẪN HƯỚNG TRỤC Y Bảng 2.11 : thông số lăn SGR trục Y 43 Bảng 2.12 Thơng số kích thước lăn SGR trục Y - Các thống số đầu vào: Chọn hệ số an toàn Vận tốc chạy lớn nhất: V 12m / ph 0,2m / s Gia tốc: Hành trình dịch chuyển: Các giai đoạn: X X L X 2X z l1 62mm Khoảng cách hai chạy khác ray: l2 0mm  Khoảng cách hai chạy ray:   Khoảng cách từ trọng tâm bàn máy trục Z, bàn máy trục X phận gia nhiệt tới tâm trục vitme theo phương vng góc với ray dẫn: l3 45mm Tính tốn lực riêng rẽ Chuyển động đều, lực hướng kính Pn Chuyển động tăng tốc sang trái, lực Pnta1 44 P ta 1 P ta Chuyển động giảm tốc sang trái, lực Pn ga3 P ga 1 P ga Đủ điều kiện an toàn 45 CHƯƠNG III: CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG I Thành phần hệ thống tuyền động: Vì máy in 3D kim loại nhóm sử dụng cơng nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) nên thành phần hệ thống truyền động máy bao gồm phận sau a) Các dẫn hướng chuyển động X,Y,Z bao gồm: trượt, bạc trượt, trục vitme-đai ốc, dây dai (curoa) để truyền từ động sang cấu truyền động b) Động dùng động bước (stepper motor) II Cơ cấu truyền động máy in 3D kim loại: Cơ cấu truyền động máy in 3D kim loại máy in 3D thơng thường dựa cấu truyền động theo máy phay CNC Đó đầu in theo trục truyền động X,Y,Z Và đầu in di chuyển nhờ phận như: động cơ, trục vit me, dây đai v v Hình 3.1 Mơ hình mơ cấu truyền đông máy in 3D kim loại 46 Hình 3.2 Hệ thống truyền động lúc lắp ghép Hình 3.3 Hệ thống truyền động lúc phân rã 47 III Các thành phần khí: Kiểm sốt chuyển động trục X, Y, Z Máy in chuyển động dọc theo trục X hai trục Y, hai trục Z thường máy in làm theo dạng hình khối thường hình vng hay hình chữ nhật Các ổ đĩa đai sử dụng trục x trục y đa số máy in 3D Một ổ đai bao gồm vành đai thời gian với răng, ròng rọc gắn vào động cơ, xe ngựa gắn liền với vành đai Khi động quay, biến rịng rọc Các giao diện ròng rọc với vành đai thời gian cho mô tơ xoay ròng rọc, dây đai định thời kéo theo hướng cần Một xe ngựa thường gắn vào vành đai để di chuyển qua lại với vành đai Hình 3.4 Dây đai 48 2.Trục vit me: Hình 3.5 Trục vít me Động cơ: Hình 3.5 Động Không giống động DC thông thường, mà ln phiên liên tục có cơng suất, động bước quay theo bước Điều cho phép họ kiểm sốt xác vị trí họ Hầu hết máy in sử dụng động NEMA 17 với 200 bước 49 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu, nhiệm vụ thực sau: - Tìm hiểu quy trình in 3D cơng nghệ FDM - Tìm hiểu hệ thống truyền động máy CNC trục - Tìm hiểu kiểu di chuyển đầu tạo sản phẩm - Thiết kế chế tạo thành công hệ thống truyền động máy in 3D kim loại FDM 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo [1] http://www.stratasys.com/3d-printers [2] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập 1, tập 2, NXB Giáo dục Việt Nam, 2010 [3] Trần Quốc Hùng, Thiết kế máy cắt kim loại, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, 2007 [4] Ball screw catalouge, PMI, link www.pmi-amt.com/en/support [5] HIWIN Linear guideway catalouge, link www.hiwin.com/downloads.html 51 ... CNC trục để tạo hệ thống truyền động cho máy in 3D kim loại, giúp máy tạo sản phẩm cách nhanh chóng Kết nghiên cứu: Thiết kế chế tạo thành cơng mơ hình hệ thống truyền động cho máy in 3D kim loại. .. VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾ T ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN Đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CNC TRỤC CHO MÁY IN 3D KIM LOẠI... thứ: 3/ 4 - Lớp: 15144CL3 - Người hướng dẫn: TS.PHẠM SƠN MINH Mục tiêu đề tài: Thiết kế chế tạo hệ thống truyền động cho máy in 3D kim loại Tính sáng tạo: Ứng dụng hệ thống truyền động máy phay CNC