Bảng dưới đây tổng hợp lại các chi tiết sử dụng cho hệ thống
Bảng 3. 1 Danh sách các chi tiết sử dụng cho hệ thống
STT Tên chi tiết Số lượng Vật liệu Phương pháp gia công Ghi chú 1 Gá đầu
đảm bảo độ vuông góc.
2 Gá đầu
phun 2
1 POM Phay CNC Gia công chính xác kích
thước, khoảng cách 2 lỗ
3 Tấm gá
trục X 1 POM Phay CNC Gia công chính xác vịtrí các lỗ bắt con trượt
4 Đồ gá bạc
đạn
2 POM Phay CNC Gia công chính xác vị trí 2 lỗ ren trên mặt đầu, kích thước bậc
5 Khối đỡ
trục X
2 POM Phay CNC Gia công chính xác kích
thước lỗ, đảm bảo độ phẳng của mặt trên. 6 Tấm nối con trượt trục X 1 Mica Cắt laser 7 Gá công tắc hành trình trục XY 2 Mica Cắt laser 8 Gá công tắc hành trình trục Z 1 PLA In 3D 3.2.6 Bộ phận đùn nhựa 3.2.6.1Cụm tời nhựa
Bộ tời nhựa là một cơ cấu kéo sợi nhựa giúp nhựa được cung cấp liên tục, nó được điều khiển bởi một động cơ bước. Động cơ bước quay là quay bánh răng gắn trên động cơ sẽ đẩy sợi nhựa xuống bộ phân gia nhiệt.
Hình 3. 11 Bộ tời nhựa
3.2.6.2Đầu phun gia nhiệt
Đầu phun là nơi nung nóng sợi nhựa và đùn nhựa tạo mẫu in. Hầu hết các bộ phận ở đầu phun đều được chế tạo bằng hợp kim nhôm để đảm bảo tính tản nhiệt tốt. Một đầu phun bao gồm:
- Khối tản nhiệt: giảm nhiệt độ ở vùng phía trên đầu phun nhằm hạn chế nhựa bị chảy lỏng trước khi được phun ra làm tắc đầu phun nhựa, tràn nhựa làm ảnh hưởng đến chất lượng đầu phun nhựa.
- Lõi dẫn: định hướng đường đi của sợi nhựa vào đúng đầu phun, thường được chế tạo bằng nhôm bên trong có lót ống làm bằng nhựa teflon dùng dẫn hướng và cách nhiệt cho sợi nhựa.
- Cục nóng gồm điện trở có tác dụng gia nhiệt, cảm biến nhiệt độ để điều khiển độ nóng chảy của nhựa. Cần có biện pháp an toàn, tránh tiếp xúc trực tiếp bộ phận này gây bỏng.
- Đầu phun: định hình kích thước của nhựa lỏng khi được phun ra thường có các kích thước đầu phun từ 0,1 mm đến 0,5 mm. Kích thước đầu phun ảnh hưởng đến kích thước một lớp in.
3.2.6.3Sợi nhựa
Hình 3. 12 Sợi nhựa
Để máy in 3D có thể sản xuất ra thành phẩm, người ta sử dụng nhựa dạng sợi làm nguyên liệu đầu vào. Lưu ý nhựa sử dụng phải là sợi nhựa nguyên chất, không pha tạp, không dùng loại nhựa tái chế vì dễ lẫn cát, sạn, bụi bẩn,… khi sử dụng dễ làm tắc đầu phun.
Nhựa in 3D là vật liệu để bồi đắp lên mô hình sản phẩm bằng những công nghệ in 3D thông qua sự hỗ trợ của máy in 3D và các phần mềm kỹ thuật. Có rất nhiều các loại vật liệu khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu và phương pháp công nghệ để có thể đưa ra sự lựa chọn, vật liêu in 3D là yếu tố quan trọng để cấy thành lên sản phẩm (chất lượng, độ bền, độ cứng, độ thẩm mỹ,….).
Vật liệu in 3D có tới 25 loại từ nhựa PLA thông dụng, tới các loại nhựa nhiệt dẻo để làm sản phẩm có tính đàn hồi như vỏ giày, xích xe tăng, băng tải,.. Rồi tới nhựa kỹ thuật POM, Acrylic. Về mỹ thuật sẽ có các dòng vật liệu chuyên cho giả gỗ, thép, đồng,.. và cả vật liệu thay đổi màu sắc khi chiếu ánh sáng vào, rồi vật liệu phản quang,.
Tên của 25 loại nhựa: PLA, ABS, PETG (PET, PETT), Nylon, TPE, TPU, TPC (Flexible), PC (Polycarbonate), Exotic and Recreational Types of 3D Printer Filament, Wood, Metal, Biodegradable (bioFila), Conductive, Glow-in-the-Dark,
Magnetic, Color-Changing, Clay/Ceramic, Professional Types of 3D Printer Filament, Carbon Fiber, PC / ABS, HIPS, PVA, Wax (MOLDLAY), ASA, PP, Acetal (POM), PMMA (Acrylic), Cleaning, FPE
Nhựa PLA
Đây được xem là nhựa phổ biến nhất cho các dòng máy gia đình vì không độc, dễ in và không có mùi. Được làm từ bột bắp (nhưng cũng có thể tìm thấy giống mía và khoai mì), làm cho nó có thể phân hủy sinh học. Đây là một vật liệu dễ dàng để in 3D. Ngoài ra, PLA phát ra một mùi thơm ngọt ngào dễ chịu khi được làm nóng. Vì lý do này, nhiều người thích nó hơn ABS. Hơn nữa, nó là một vật liệu in 3D phù hợp cho tiếp xúc với thực phẩm (tuy nhiên, PET là lựa chọn số một) và nó co lại ít hơn so với ABS khi làm mát. Về nhược điểm, PLA kém bền hơn so với ABS và dễ bị nóng. Vì vậy, đối với các bộ phận cần cho các mục đích kỹ thuật, tốt hơn nên dùng ABS. PLA có nhiều màu sắc. Ngoài ra, có thể tạo cho nó vẻ ngoài của gỗ hoặc kim loại. Giống như sợi nhựa ABS
Ứng dụng: Mô hình khái niệm, Dự án DIY, Dự án DIY Mô hình chức năng, Sản xuất
Thông số nhựa
Độ cứng: Cao , Độ dẻo : Kém và độ bền : Trung bình Nhiệt độ in: 180-230 độ, thường chọn chuẩn là 200 độ Nhiệt độ bàn gia nhiệt : 20-60 độ
Độ co ngót khi nguội: Ít An toàn cho mảng thực phẩm
Nhựa PLA chịu nhiệt kém do đó sản phẩm in không nên dùng trong môi trường trên 60 độ
Ứng dụng của nhựa PLA: In hộp đựng, in chi tiết chịu mòn kém, in đồ chơi, in mô hình
Nhựa ABS
Đây là loại nhựa thông dụng thứ 2, được dùng khi sản xuất các chi tiết chịu nhiệt, chịu lực và thường in trong môi trường kín, không có con người . Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) là vật liệu phổ biến trong các sản phẩm dân dụng và công nghiệp như đồ chơi lego, mũ bảo hiểm, cơ tính khá tốt bù lại in sẽ khó hơn do nhiệt độ cao, độ co ngót lớn ( dễ nứt), và nặng mùi, hơi độc
Độ cứng : cao, độ bền : cao, độ đàn hồi: trung bình Độ khó khi in: Trung bình
Nhiệt độ in: 210 – 250 độ
Nhiệt độ bàn gia nhiệt : 80-110 độ Dung môi xử lý: aceton, eston
Không an toàn cho ứng dụng trong đồ dùng thực phẩm
Ứng dụng: hộp đựng tay nghe, đồ chơi chịu mòn, tay cầm dụng cụ, các bộ phận xe cộ, và vỏ hộp điện
3.3 Tính toán thiết kế phần điện
Hình 3. 13 Sơ đồ khối hệ thống điện
Hệ thống điện là một phần quan trọng của hệ thống máy, cung cấp nguồn điện, điều khiển các thiết bị như động cơ, cụm tời, đầu phun giúp hệ thống hoạt động.
Hình 3. 14 Sơ đồ nối dây mạch điện của máy in 3D
Hình 3. 15 Nguồn tổ ong
Khối nguồn là một bộ phận cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống điện trong máy. Để chất lượng in được tốt thì máy cần hoạt động liên tục và ổn định nên nguồn cấp phải đảm bảo về điện áp và dòng điện luôn ổn định.
Đối với hệ thống máy sử dụng trong đồ án, để đảm bảo cung cấp đủ điện áp và dòng cho động cơ của các thiết bị khác, đồng thời cũng để thuận lợi cho việc nâng cấp hệ thống điện sau này, đảm bảo hệ thống điện hoạt động tốt nhất ta lựa chọn nguồn tổ ong 12V – 30A.
3.3.2 Phần điều khiển
Phần mềm điều khiển thực hiện cấp xung, điều khiển chuyển động của động cơ bước các trục chuyển động, điều khiển nhiệt độ đầu phun nhựa, điều khiển bộ tời nhựa, điều khiển quạt làm mát đầu phun, quạt làm mát sản phẩm.
Vi điều khiển: Đồ án này sử dụng board arduino mega 2560, dễ sử dụng, phổ biến, ngôn ngữ lập trình đơn giản và kết nối phần cứng dễ dàng. Board arduino mega 2560 bao gồm:
54 chân digital (15 có thể được sử dụng như các chân PWM) 16 đầu vào analog,
4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng), 1 thạch anh 16 MHz,
1 cổng kết nối USB, 1 jack cắm điện, 1 đầu ICSP, 1 nút reset.
Hình 3. 16 Sơ đồ khối các linh kiện điện tử
Hình 3. 17 Board arduino mega 2560
Board kết nối giúp kết nối các thiết bị ngoại vi như driver, công tắc hành trình một cách an toàn, gọn gàng và mang tính thẩm mĩ cao. Đồ án sử dụng board RAMPS với các đặc tính như:
Dòng điện cung cấp từ 12V – 24V Điện áp 5A – 30A
Tương thích với máy in 3D theo tọa độ Dercartes, robot delta Có khả năng mở rộng để với các thiết bị ngoại vi khác
3 mosfet cho quạt tản nhiệt và bộ gia nhiệt, 3 mạch điều khiển nhiệt độ Cầu chì 5A bảo vệ
Cấp dòng cho bàn nhiệt lên tới 11A Cung cấp 5 khe cắm driver
Hỗ trợ điều khiển 2 tối đa 2 trục Z đối với các máy Prusa Hỗ trợ LCD SD Card
Báo tín hiệu bằng LED khi gia nhiệt Có thể hỗ trợ kết nối servo
Các chân I2C và SPI để thuận lợi cho việc mở rộng board mạch Tất cả các chân mosfet đều được kết nối vào chân PWM
Hỗ trợ kết nối USB chuẩn B
Hình 3. 18 Board RAMPS
Driver stepper motor thực hiện cấp điện cho động cơ bước hoạt động. Đồ án sử dụng driver A4988 vì tính phổ biến và giá thành rẻ.
Driver A4988 có giải điện áp hoạt động từ 8 V – 35 V
5 Độ phân giải khác nhau: đủ bước, nửa bước, 1/4, 1/8, 1/16 Dòng trung bình (RMS): 1 A, dòng đỉnh: 2 A
Điện thế điều khiển 3,3 V - 5 V Nhiệt độ tối đa 1500C
Hình 3. 19 Driver A4988
3.4 Hệ thống phần mềm điều khiển máy in 3D 3.4.1 Phần mềm điều khiển
Hình 3. 20 Giao diện phần mềm Pronterface
Phần mềm điều khiển máy in giúp thực hiện các thao tác vận hành máy bằng tay đơn giản, dễ dàng hơn so với LCD, có thể thực hiện các thao tác di chuyển các trục, gia nhiệt và đồng thời nhập các lệnh Gcode cho các quá trình test máy, căn chỉnh bàn in. Có nhiều phần mềm điều khiển máy in 3D như repertier host, pronterface …. Trong đồ án, sử dụng phần mềm pronterface. Phần mềm pronterface
là phần mềm miễn phí có ưu điểm là dung lượng phần mềm nhỏ, giao diện trực quan, dễ sử dụng.
Phần mềm CAM là phần mềm có nhiệm vụ cắt lớp mẫu 3D sau đó tạo đường chạy nhựa sau đó xuất ra dưới dạng file Gcode. Có nhiều phần mềm CAM được sử dụng với máy in 3D, trong đề tài nhóm sử dụng phần mềm Slic3r là phần mềm được sử dụng tương đối nhiều. Slic3r có khá nhiều thông số thiết lập cùng với nhiều đường chạy nhựa từ đó có thể tối ưu được chất lượng mẫu in.
Hình 3. 21 Giao diện phần mềm slic3r
3.4.2 Các kiểu chạy nhựa
Slic3r cung cấp khá nhiều đường chạy nhựa khác nhau để có thể lựa chọn đường chạy nhựa tối ưu cho từng loại mẫu in khác nhau.
- Kiểu rectilinear và kiểu line về cơ bản là giống nhay về kiểu chạy tuy nhiên kiểu line giữa các đường chạy nhựa có liên kết với nhau do đó có giảm thời gian các đường chạy không khác với kiểu rectilinear không có sự liên kết với nhau do đó tốn thêm thời gian cho khoảng chạy không in.
- Kiểu hilbertcure các đường chạy nhựa có nhiều đường gấp khúc do đó không nên chạy với tốc độ cao do quán tính và gia tốc tại những vị trí này là khá lớn sẽ là ảnh hưởng đến máy và chất lượng mẫu in.
- Kiểu honeycomb, archimedeanchords, 3dhoneycomb là các kiểu chạy nhựa tượng đối phù hợp với lớp ở phía trong khi với những kiểu chạy nhựa này có thể in với tốc độ cao hơn.
- Kiểu rectilinear, linear, concentric thường dùng cho những lớp đáy và lớp phía trên của mẫu in do đạt được thẩm mĩ cao hơn mặt khác những lớp này không yêu cầu chạy tốc độ cao nên có thể sử dụng được những kiểu này. 3.4.3 Thiết lập Firmware
Do firmware được tải về là firmware mã nguồn mở, được sử dụng cho tất cả các máy in 3D khác nhau, do đó ta phải thiết lập firmware sao cho phù hợp với máy in được thiết kế về các chức năng sử dụng, kích thước vùng in, các chức năng bảo vệ và tốc độ.
Firmware tải về là file Marlin-1.1.x.zip, giải nén ra tìm vào folder Marlin- 1.1.x\Marlin, tìm đến file Marlin.ino mở bằng Arduino IDE. Firmware Marlin 1.1.8 có rất nhiều tab, nhưng để thiết lập cho phù hợp với máy in, mình chỉ cần xét 2 tab: Configuration.h và Configuration_adv.h.
Tab Configuration.h:
Trong tab này, ta cài đặt các thông số chức năng như sau:
#define DEFAULT_NOMINAL_FILAMENT_DIA 1.75 Đường kính sợi nhựa in là 1.75mm
#define TEMP_SENSOR_0 1 #define TEMP_SENSOR_1 0 #define TEMP_SENSOR_2 0 #define TEMP_SENSOR_3 0 #define TEMP_SENSOR_4 0 #define TEMP_SENSOR_BED 1
Lựa chọn cảm biến nhiệt sử dụng, trong trường hợp này, 1 là cảm biến nhiệt trở 100k, được sử dụng cho cả đầu đùn và bàn nhiệt.
#define HEATER_0_MINTEMP 5 #define HEATER_1_MINTEMP 5 #define HEATER_2_MINTEMP 5 #define HEATER_3_MINTEMP 5 #define HEATER_4_MINTEMP 5 #define BED_MINTEMP 5
Cài đặt nhiệt độ tối thiểu cho đầu đùn và bàn in, đây là một chức năng bảo vệ kiểm tra cảm biến nhiệt có bị lỗi hay không.
Nhiệt độ này được cài đặt thấp hơn tầm 5oC so với nhiệt độ thấp nhất của môi trường tại nơi mình ở.
#define HEATER_0_MAXTEMP 250 #define HEATER_1_MAXTEMP 275 #define HEATER_2_MAXTEMP 275 #define HEATER_3_MAXTEMP 275 #define HEATER_4_MAXTEMP 275 #define BED_MAXTEMP 120
Cài đặt nhiệt độ tối đa cho đầu đùn và bàn in, đây là một chức năng bảo vệ kiểm tra cảm biến nhiệt có bị lỗi hay không.
Nhiệt độ này được cài đặt bằng với nhiệt độ tối đa mà mình sử dụng, đối với những máy có họng chặn nhiệt sử dụng ống PTFE, cài đặt nhiệt độ này là 250oC. Bàn in cài đặt là 120oC do không có loại nhựa nào thực sự cần sử dụng bàn in quá nhiệt độ này.
#define DEFAULT_Kp 22.2 #define DEFAULT_Ki 1.08 #define DEFAULT_Kd 114
Cài đặt thông số PID cho đầu nhiệt.
#define PREVENT_COLD_EXTRUSION #define EXTRUDE_MINTEMP 170
Cài đặt chống đùn nguội, khi chức năng này được kích hoạt, nếu nhiệt độ đầu đùn dưới 170oC thì động cơ đùn sẽ không quay, tránh cho tình trạng bánh răng đẩy nhựa mài mòn nhựa in do nhựa ko đùn đc.
#define THERMAL_PROTECTION_HOTENDS // Enable thermal protection for all extruders
#define THERMAL_PROTECTION_BED // Enable thermal protection for the heated bed
Cài đặt bảo vệ mất nhiệt cho máy in.
#define COREXY //#define COREXZ //#define COREYZ //#define COREYX //#define COREZX //#define COREZY
Lựa chọn cơ cấu máy in, trong trường hợp này, lựa chọn COREXY
#define USE_XMIN_PLUG #define USE_YMIN_PLUG #define USE_ZMIN_PLUG //#define USE_XMAX_PLUG //#define USE_YMAX_PLUG //#define USE_ZMAX_PLUG
#define X_MIN_ENDSTOP_INVERTING false #define Y_MIN_ENDSTOP_INVERTING false #define Z_MIN_ENDSTOP_INVERTING true #define X_MAX_ENDSTOP_INVERTING false #define Y_MAX_ENDSTOP_INVERTING false #define Z_MAX_ENDSTOP_INVERTING false
#define Z_MIN_PROBE_ENDSTOP_INVERTING true
Cài đặt endstop, trong trường hợp này, máy in sử dụng 3 endstop X Min, Y Min, Z Min, đối với X, Y, endstop sử dụng công tắc hành trình nên xài đặt logic là false (khi bấm endstop tín hiệu lên 1), còn đối với Z, endstop sử dụng cảm biến tiệm cận từ NPN, nên cài đặt logic là true (khi có endstop tín hiệu xuống mức 0). Do Z_MIN_PROBE với Z_MIN_ENDSTOP trong trường hợp này là một nên cài đặt logic cho cả 2 phải giống nhau và đều là true.
#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT{ 80, 80, 400, 500 } #define DEFAULT_MAX_FEEDRATE{300, 300, 5, 25 } #define DEFAULT_MAX_ACCELERATION{3000, 3000, 100, 10000} #define DEFAULT_ACCELERATION 3000 #define DEFAULT_RETRACT_ACCELERATION 3000 #define DEFAULT_TRAVEL_ACCELERATION 3000 #define DEFAULT_XJERK 10.0 #define DEFAULT_YJERK 10.0 #define DEFAULT_ZJERK 0.3 #define DEFAULT_EJERK 5.0 Các cài đặt về chuyển động:
- Dòng đầu tiên cài đặt về số bước của động cơ (đơn vị step/mm)
Động cơ lựa chọn là loại động cơ bước xung 1.8 độ/step, vi bước cài đặt cho driver là 1/16, từ đó tính ra số bước trên một vòng quay là ����/��� 66
Pulley gắn ở động cơ là loại pulley 16 răng, đai răng GT2 (2mm/bước răng)
một vòng quay của pulley là 40mm.
Sử dụng công thức ở Chương 2, phần 1.c, tính tọa độ X, Y theo di chuyển của 2 động cơ, ta thấy để đầu đùn chỉ di chuyển theo trục X, A và B phải ngược dấu, tức động cơ quay cùng chiều. Giả sử cho động cơ A và động cơ B quay cùng chiều 1 vòng ngược chiều kim đồng hồ, A = 32mm và B = - 32mm, thay vào công thức ta