Thiết kế và chế tạo máy in 3d khớp cổ chân

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D KHỚP CỔ CHÂN S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2020-95 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D KHỚP CỔ CHÂN Mã số đề tài : SV2020-95 Chủ nhiệm đề tài: Phạm Đình Tun TP Hồ Chí Minh, Tháng 08 Năm 2020 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D KHỚP CỔ CHÂN Mã số đề tài : SV2020-95 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật y tế SV thực hiện: Phạm Đình Tuyên Nam, Nữ: Nam Nguyễn Đỗ Minh Tuấn Nam, Nữ: Nam Trịnh Công Vinh Nam, Nữ: Nam Đặng Quang Thăng Nam, Nữ: Nam Đặng Thành Vịnh Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 16143CL1 – Khoa CLC Năm thứ: Số năm đào tạo: Ngành học: Công Nghệ Chế Tạo Máy Người hướng dẫn: Th.S Phan Thế Nhân TP Hồ Chí Minh, Tháng 08 Năm 2020 ii LỜI NÓI ĐẦU Đề tài THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D KHỚP CỔ CHÂN đề tài lạ, chí hình thức cơng nghiệp chế tạo, sản xuất phát triển nhiều thị trường giới Việt Nam Nhóm chúng em định chọn đề tài để làm đồ án tốt nghiệp có tính thực tiễn cao áp dụng vào đời sống Trong trình thực đồ án giúp chúng em biết thiết kế chế tạo sản phẩm, hoàn thiện kỹ làm việc nhóm kỹ sử dụng phần mềm khí chuyên dùng Autocad, Solidwork, Cura, Bên cạnh chúng em rút kinh nghiệm biết lựa chọn phương án gia công hợp lý, phù hợp với khả điều kiện kinh tế Trong thời gian thực đề tài này, nhóm gặp nhiều khó khăn với giúp đỡ tận tình giáo viên hướng dẫn Phan Thế Nhân giúp nhóm em hồn thành đề tài Do thời gian trình độ có giới hạn nên đồ án cịn nhiều sai sót, mong Thầy (Cơ) nhận xét để nhóm sửa chữa rút kinh nghiệm TP.HCM, ngày tháng năm 20 Nhóm sinh viên thực đề tài i LỜI CẢM ƠN Chúng em khơng thể theo đuổi hồn thành đề tài khơng có tạo điều kiện giúp đỡ người thân, bạn bè Thầy (Cô) Vì vậy, chúng em vơ biết ơn trân trọng giúp đỡ dành cho chúng em thời gian qua Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến người thân gia đình, bạn bè xung quanh hết lòng quan tâm, giúp đỡ để chúng em có điều kiện tốt hồn thành đồ án Chúng em xin chân thành cảm ơn đến tất q Thầy Cơ Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Bộ mơn Cơ khí chế tạo máy q thầy khoa thuộc trường Ðại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trang bị cho chúng em kiến thức bản, kinh nghiệm thực tiễn kiến thức chun mơn nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ chúng em suốt khóa học thời gian thực đề tài Chúng em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn Phan Thế Nhân, người tận tình giúp đỡ, dẫn việc thực đồ án giúp chúng em hoàn thành báo cáo để đạt kết tốt Em xin chân thành cảm ơn Thầy (Cơ)! Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 Nhóm sinh viên thực đề tài ii TÓM TẮT ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D KHỚP CỔ CHÂN In 3D công nghiệp gọi TMN (tạo mẫu nhanh), ngành công nghệ phát triển mạnh mẽ Công nghệ in 3D tạo sản phẩm thật, vật thể thật mà ta cầm tay, sờ mó, quan sát cách xác giúp ta cảm nhận chúng dễ dàng mà không cần phải suy nghĩ mơ hồ, tưởng tượng Trên giới, tầm ảnh hưởng In 3D thị trường công nghệ ngày tăng, với việc ứng dụng in 3D xuất ngày nhiều lĩnh vực khác : y học, sản xuất, chế tạo công cụ … Hiện Việt Nam, in 3D dần phổ biến giới nghiên cứu TMN, việc tự nghiên cứu thiết kế chế tạo máy in 3D ngày quan tâm nhóm nghiên cứu … Trên giới, ứng dụng xuất bắt đầu tiêu thụ rộng rãi thị trường, lúc với xuất công ty chuyên ngành, phát triển không ngừng Đề tài thực bối cảnh ngành công nghệ in 3D nước giới phát triển mạnh mẽ, nhiều trường đại học công ty lớn tự chế tạo, sản xuất đưa thị trường sử dụng ngày rộng rãi, ứng dụng nhiều ngành thiết kế Ở đề tài này, nhóm đặt mục tiêu thiết kế chế tạo máy in 3D hoàn chỉnh in vật thật với yêu cầu phải thiết kế phần cứng khí với độ xác cao Thiết kế chế tạo máy in với cấu trúc trục vít me - trượt vng Nhóm sinh viên thực đề tài iii PROJECT ABSTRACT 3D printing in the industry, called TMN (rapid prototyping), is one of the burgeoning new technology industries 3D printing technology creates real products, real objects that we can hold in our hands, touch and observe accurately so that we can feel them more easily without having to think vaguely…, imagine it In the world, the influence of 3D printing in the technology market is increasing, with the application of 3D printing appearing more and more in different fields such as medicine, manufacturing, and tool making Currently in Vietnam, 3D printing is also gaining popularity among TMN researchers, and therefore the self-study of 3D printer design and manufacturing is also getting more and more attention by research groups In the world, these applications have appeared and started to be widely consumed in the market, at the same time with the appearance of specialized companies, which have been growing constantly This project is implemented in the context of the 3D printing industry in the country and the world is growing strongly, many universities and large companies have self-produced, produced and brought to use in the market extensively, and applied extensively in design industries In this project, the team set a goal of designing and manufacturing a complete 3D printer that can print real objects with the requirement that mechanical hardware must be designed with high precision with 3axis structure is square slider me-screw Group of students implementing project iv LỜI NÓI ĐẦU i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT ĐỀ TÀI iii DANH MỤC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC BẢNG xii THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI xiii CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2.1 Trong nước 1.2.2 Ngoài nước 1.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn máy in 3D khớp cổ chân 1.4 Mục tiêu đề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.5.1 Phương pháp thu thập tổng hơp tài liệu 1.5.2 Phương pháp phân tích thực nghiệm 1.6 Kết cấu đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Giới thiệu công nghệ TMN (Tạo mẫu nhanh-in 3D) 2.1.1 Nguyên lý chung 2.1.2 Đặc điểm 2.2 Sự đời phát triển phương pháp TMN 2.2.1 Thời kỳ đầu: Tạo mẫu tay 2.2.2 Thời kỳ thứ hai: Phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo 2.3 Một số công nghệ tạo mẫu nhanh 2.3.1 Công nghệ SLA 2.3.2 Công nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing) 2.4 Ứng dụng TMN 10 v 2.4.1 Phát triển sản phẩm 10 2.4.2 Kiểm tra chức làm việc sản phẩm 10 2.4.3 Tạo khuôn nhanh 11 2.4.4 Ứng dụng y học 12 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 3.1 Giới thiệu số mẫu máy in 3D 13 3.1.1 Máy in 3D prusa i3 13 3.1.2 Máy in 3D delta Kossel 14 3.1.3 Máy Ember 15 3.2 Khái quát chung máy in 3D 16 3.3 Động bước 18 3.3.1 Cấu tạo động bước 18 3.3.2 Cách hoạt động 19 3.3.3 Phân loại động bước: 19 3.3.3.1 Động bước nam châm vĩnh cữu 19 3.3.3.2 Động biến từ trở 20 3.3.3.3 Động bước pha 21 3.3.4 Các phương pháp điều khiển động bước 22 3.4 Cơ cấu truyền động vít me-đai ốc 23 3.4.1 Cơ cấu vitme-đai ốc trượt 23 3.4.2 Cơ cấu vitme đai ốc bi 24 3.5 Ray trượt dẫn hướng 26 3.6 Truyền động đai 27 CHƯƠNG PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ 29 4.1 Thông số máy in 29 4.2 Các phương án thiết kế kế kết cấu máy in 29 4.2.1 Phương án 1: Truyền động Cartesian XZ, truyền động vitme - đai ốc 29 4.2.2 Phương án 2: Truyền động Delta, truyền động đai 30 vi 4.3 Lựa chọn phương án 30 4.4 Trình tự thực 30 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ 31 5.1 Thiết kế khung máy 31 5.2 Thiết kế cụm khí trục Z 33 5.2.1 Tính tốn truyền động vít me - đai ốc trượt trục Z 33 5.2.2 Tính tốn truyền đơng vitme - đai ốc trượt trục X 37 5.2.3 Tính toán truyền động vitme - đai ốc trượt trục Y 38 5.2.4 Tính tốn cơng suất động chọn số vịng quay động 39 5.3 Khớp nối 41 5.4 Ổ lăn 43 5.5 Bộ phận đùn nhựa 44 5.5.1 Bộ tời nhựa 44 5.5.2 Bộ đầu phun gia nhiệt nhựa 45 5.5.3 Chất lượng sợi nhựa 46 5.6 Tính tốn thiết kế phần điện 47 5.6.1 Nguồn điện 47 5.6.2 Phần điều khiển 48 5.7 Thiết lập thông số phần cứng 56 5.8 Phần mềm CAM 60 CHƯƠNG KẾT LUẬN-ĐỀ NGHỊ 66 6.1 Kết luận 66 6.2 Quy trình lắp ráp máy in 66 6.3 Quy trình vận hành máy 70 6.4 Các lỗi cách khắc phục in 74 6.5 Hướng phát triển 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 vii _ Initial layer line width (%): Bề rộng lớp vật liệu in đầu tiên, đặt 100% _ Cut off…: Đặt _ Dual extrusion overlap (mm): Bề rộng lớp vật liệu in chồng lên Đặt 0.15 _ Travel speed: Tốc độ giới hạn in Đặt 100 nhựa PLA _ Bottom layer speed: Tốc độ in lớp phía Đặt 20 đến 30 Càng nhỏ in đẹp _ Infill speed: Tốc độ fill, không cần đẹp, đặt 45 đến 55 _ Top/bottom speed: Tốc độ in lớp phía trên, đặt 35 đến 45 _ Outer shell speed: Tốc độ in lớp vật liệu phía ngồi: cần đẹp, đặt 20 đến 30 _ Inner shell speed: Tốc độ in lớp vật liệu phía trong: tùy nhu cầu chất lượng bề mặt, đặt 20 đến 50 _ Cool: Minimal layer time (sec) – thời gian delay lớp in, đặt đến 10 s Chọn enable cooling fan để bật quạt làm nguội nhanh vật liệu in  Machine setting Hình 5.43 Thơng số machine 65 CHƯƠNG KẾT LUẬN-ĐỀ NGHỊ 6.1 Kết luận Sau q trình nghiên cứu, tính tốn thiết kế, nhóm chế tạo thành cơng mơ hình máy in 3D tạo mơ hình khớp cổ chân, với dung sai chi tiết dao động từ 0,03 ~ 0,05 mm Vật liệu sử dụng trình in nhựa PLA  Thơng số kỹ thuật: Thơng số Giá trị Kích thước máy 500x500x500 mm Không gian làm việc 260x200x200 mm Không gian in tối ưu 250x180X180 mm Tốc độ in tối đa 65 mm/s Tốc độ in tối ưu 40 ~ 60 mm/s Nguồn điện 220V Bảng 6.1 Thông số kỹ thuật máy in Thơng số Giá trị Kích thước chi tiết chuẩn 220x52x55 mm Kích thước chi tiết sau in thử nghiệm 220.3x52.3x55.3 mm Bảng 6.2 Thông số chi tiết in 6.2 Quy trình lắp ráp máy in _ Bước 1: Lắp ráp khung máy 66 Hình 6.1 Khung máy _ Bước 2: Lắp ráp trục Y bàn in Hình 6.2 Lắp khung máy trục Y 67 _ Bước 3: Lắp ráp trục Z Hình 6.3 Lắp ráp trục Z _ Bước 4: Lắp ráp trục X đầu phun Hình 6.4 Lắp ráp trục X đầu phun 68  Mơ hình vẽ Hình 6.5 Mơ hình vẽ  Mơ hình thực tế máy in Hình 6.6 Mơ hình máy in thực tế 69  Sản phẩm khớp cổ chân in Hình 6.7 Sản phẩm khớp cổ chân in 6.3 Quy trình vận hành máy  Quy trình vận hành máy thể qua sơ đồ khối: Hình 6.8 Sơ đồ khối q trình in 70 Để xuất file mơ hình dạng STL sang file Gcode ta vào phần mêm cura nhấn Load file, nhập thông số bàn in, thông số chi tiết in thông số in Sau nhấn Save file lưu vào thẻ nhớ cắm vào Module điều khiển LCD Hình 6.9 Các thông số in  Để điều khiển máy in ta sử dụng module LCD để điều khiển _ Sử dụng nút xoay phía trước LCD để lựa chọn chức sử dụng _ Một số chức sử dụng LCD gồm: _ Di chuyển trục X, Y, Z, E với bước dịch chuyển 0,1mm, 1mm, 10mm Ta nhấn vào lệnh Prepare Move axit Màn hình lên sau: Hình 6.10 Điều khiển di chuyển trục 71 _ Gia nhiệt cho đầu phun Ta nhấn vào lệnh Prepare Preheat PLA (hoặc Preheat ABS) Màn hình sau: Hình 6.11 Gia nhiệt đầu phun _ Autohome trục Ta nhấn vào lệnh Prepare Autohome Hình 6.12 Điều khiển trục home _ Thiết lập thông số tốc độ in, nhiệt độ gia nhiệt, … Ta nhấn vào lệnh Control Temperature Nozzle để gia nhiệt Hình 6.13 Gia nhiệt thủ công 72 Ta nhấn vào lệnh Control Montion để thiết lập tốc in in Hình 6.14 Thiết lập tốc độ in  Sơ đồ thư mục Module LCD Hình 6.15 Sơ đồ thư mục Module LCD 73 6.4 Các lỗi cách khắc phục in  Đầu đùn – vịi đùn bị tắc Hình 6.16 Đầu đùn bị tắc _ Giải pháp 1: Rút sợi nhựa khỏi máy in Tiếp theo, làm nóng Đầu đùn đến điểm nóng chảy sợi nhựa mà bạn sử dụng nhiều sử dụng lần cuối Sau cẩn thận dùng kim dụng cụ khác đủ nhỏ để vừa với vòi phun khoảng 4mm qua lỗ Điều vài lần thử hoạt động tốt cho PLA _ Giải pháp 2: Kéo nguội cách phổ biến khác để làm Đầu đùn bị tắc, hoạt động tốt với sợi dẻo nylon Bắt đầu cách nung nóng Đầu đùn đến nhiệt độ sợi nhựa, sau đẩy tay nhiều sợi dây thơng qua vịi phun mà khơng dùng q nhiều lực Sau để đầu đùn nguội xuống nhiệt độ khoảng 100C, sau bạn kéo sợi nhựa khỏi Đầu đùn Điều kéo cản trở với sợi nhựa Kẹp đoạn cuối sợi nhựa đẩy nhựa vào lại để bắt đầu in  Nhựa in không bám dính vào bàn in 74 Hình 6.17 Nhựa khơng dính vào bàn in _ Giải pháp 1: Xử lý bàn in chất kết dính keo xịt tóc keo dính Ngồi ra, thử phủ lên lớp giấy dính giấy vẽ, giấy thợ sơn _ Giải pháp 2: Kiểm tra để đảm bảo bàn in bạn mức cao vòi phun bạn không xa không gần bàn in _ Giải pháp 3: Làm chậm tốc độ in xuống cho vài lớp chúng thời gian nguội ổn định Nếu bạn gặp cố, thử giảm nhiệt độ Đầu đùn  Các dây nhựa bị phản phất Hình 6.18 Sợi nhựa bị phản phất 75 _ Giải pháp 1: Điều cần làm đảm bảo Retraction kích hoạt phần mềm slice ( phần mềm in3d) bạn Điều kéo sợi nhựa trở lại vào vòi phun trước di chuyển qua mơ hình cho khơng có sợi cịn sót lại rút điểm _ Giải pháp 2: Khi tick reaction ( rút lại sợi nhựa) bạn gặp phải cố, thử tăng tốc độ di chuyển đầu phun (khác với tốc độ in) Khi vòi phun di chuyển nhanh khu vực mơ hình, có thời gian cho dây hình thành _ Giải pháp 3: Nếu phương pháp thất bại, thử làm chậm tốc độ in giảm nhiệt độ Đầu đùn chút thời điểm  Sản phẩm bị cong vênh Hình 6.19 Sản phẩm bị cong vênh _ Giải pháp 1: Sợi nhựa nhiệt độ cao, ABS, yêu cầu bàn gia nhiệt để tuân thủ cách Ngay PLA hưởng lợi từ việc sử dụng bàn gia nhiệt Bàn gia nhiệt không hỗ trợ độ bám dính mà cịn giữ phần đáy in khỏi nguội nhanh (và cong vênh) trước hoàn thành mơ hình Nếu bạn sử dụng bàn in có gia nhiệt, đảm bảo nhiệt độ giữ nhiệt độ suốt trình in _ Giải pháp 2: Máy in có khung mở bán kèm theo chịu ảnh hưởng môi trường chúng nhiều luồng gió làm thay đổi chất lượng mơ hình Tự ráp mua khung bao cho máy in bạn giữ nhiệt độ in ổn định cách ly môi trường xung quan 76 6.5 Hướng phát triển _ Xây dựng máy in in nhiều màu sắc _ Cải thiện tốc độ in cao _ Nghiên cứu vật liệu in khác có chất lượng cao 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Quốc Hùng, Thiết kế máy cắt kim loại, đại học sư phạm kỹ thuật Hổ Chí Minh [2] Trần Quốc Hùng, giáo trình dung sai kỹ thuật đo, NXB đại học quốc gia thành phốHồ Chí Minh, 2013 [3] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập 1, tập 2, NXB giáo dục Việt Nam, 2010 [4] PGS TS Đặng Thiện Ngơn, Giáo trình trang bị - điện điện tử máy công nghiệp, NXB đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2013 [5] Ninh Đức Tốn (2009), “Sổ tay Dung Sai Lắp Ghép”, Nhà Xuất Bản Giáo Dục 78 S K L 0 ... tiễn máy in 3D khớp cổ chân Nhằm mục đích học tập nghiên cứu lĩnh vực in 3D nhóm chọn đề tài ? ?Thiết Kế Chế Tạo máy in 3D khớp cổ chân? ?? với mục tiêu: _ Tham gia nghiên cứu ,chế tạo máy in 3D với... chỉnh thiết kế cho máy in 3D khớp cổ chân _ Gia công, lắp ráp kiểm nghiệm cac hệ thống máy hoàn chỉnh máy, đưa vào chạy thực nghiệm _ Đối tượng nghiên cứu: Thiết kế, chế tạo máy in 3D FDM tạo hình... Nghệ Chế Tạo Máy Người hướng dẫn: Th.S Phan Thế Nhân TP Hồ Chí Minh, Tháng 08 Năm 2020 ii LỜI NÓI ĐẦU Đề tài THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D KHỚP CỔ CHÂN đề tài lạ, chí hình thức cơng nghiệp chế tạo,