Công nghệ in 3d tại Việt Nam là đã vá được đầu người. Tại bệnh viện Chợ Rẫy, bệnh nhân L.N.T. 17 tuổi, bị chấn thương sọ não nghiêm trọng, lỗ thủng trên hộp sọ rộng gần 140mm. Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện, sản phẩm cuối cùng là mảnh sọ nhân tạo bằng methyl methacrylate được vá vào chỗ vỡ của sọ bệnh nhân. Ngày 14/3, các bác sĩ đã phẫu thuật cho T. Sau thời gian theo dõi, đến nay bệnh viện khẳng định miếng ghép rất tốt, bệnh nhân đã bình phục. Phẫu thuật bằng phương pháp này đánh dấu một bước ngoặt của công nghệ in 3d với thị trường công nghệ tại Việt Nam: rút ngắn thời gian phẫu thuật và điều trị, thẩm mỹ cao, độ chính xác về kích thước miếng ghép cao, đặc biệt giảm đáng kể chi phí cho ca mổ. 1.3 Kết luận chương 1
Như vậy kết thúc chương 1, chúng ta đã có cái nhìn tổng quan về công nghệ in 3D, hiểu được nguyên lý cơ bản của máy in 3D khi tạo thành sản phẩm là dựa trên việc điền đầy theo từng lớp để tạo ra một sản phẩm hoàn chỉnh. Ngoài ra, hiện nay có tới 9 loại công nghệ in 3D, mỗi loại đều có ưu, nhược điểm riêng. Công nghệ in 3D còn được ứng dụng rất thực tế trong nhiều ngành nghề, lĩnh vực khác nhau từ công nghiệp, y tế, vũ trụ, giáo dục, nghiên cứu khoa học,…và tất cả đề hứa hẹn tiềm năng phát triển rất lớn trong tương lai của công nghệ này. Thêm nữa chúng ta đã phân tích những ưu điểm như tốc độ, độ linh hoạt, chi phí trong sản xuất nhỏ lẻ và vẫn còn nhiều hạn chế về chất lượng, tính nhất quán và bền vững của công nghệ in 3D. Từ đó chúng ta sẽ xác định được mục tiêu, các bước cũng như thành phần để thiết kế một hệ thống máy in 3D Corexy đảm bảo về tốc độ in từ 90 đến 130 mm/s, sản phẩm in sử dụng với đa dạng nguyên vật liệu, có độ phân giải cao và dung sai kích thước cho phép dao động trong khoảng 0,1 mm. Hệ thống máy hoạt động êm, đảm bảo an toàn. Chương 2 chúng ta sẽ tìm hiểu các thành phần của hệ thống cũng như đưa ra phương án thực hiện thiết kế máy in 3D Corexy.
CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Yêu cầu thiết kế hệ thống máy in 3D Corexy
Với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống máy in 3D” này, hệ thống ứng dụng công nghệ FDM
Thiết kế hệ thống máy in 3D Corexy đảm bảo các yêu cầu sau đây: Hệ thống có thể sản xuất ra các sản phẩm từ in 3D
Sử dụng công nghệ FDM
Đảm bảo dung sai kích thước cho phép Hệ thống thân thiện, dễ sử dụng
Tốc độ in 90 130 mm/s An toàn và tiết kiệm chi phí 2.2 Sơ đồ cấu trúc máy in 3D
Về cơ bản, kết cấu máy in gồm ba phần chính: phần cơ khí, phần mềm điều khiển, phần điện, bộ đùn nhựa.
Cấu trúc cơ khí của máy in 3D gần giống với các loại máy CNC với truyền động của các trục. Bộ truyền có thể là bộ truyề vít me – đai ốc hoặc bộ truyền đai. Do tải trọng tác dụng lên không đáng kể nên việc thiết kế tương đối đơn giản, kết cấu trcuj gọn nhẹ, chi tiết lắp ráp không đòi hỏi khả năng chịu lực cao, dễ lắp ráp, thay thế, tiết kiệm chi phí.
Phần điện được chia làm hai khối: khối điều khiển và khối chấp hành. Khối điều khiển gồm vi điều khiển, board kết nối, driver. Khối chấp hành gồm động cơ bước, các cảm biến nhiệt, động cơ servo, tản nhiệt,…
Bộ đùn nhựa thực hiện hai chức năng: bộ tời nhựa cung cấp nhựa chảy liên tục, đầu phun nhựa thực hiện chức năng nung chảy nhựa và đùn nhựa tạo nên mẫu.
Phần mềm gồm: phần mềm CAD/CAM, phần mềm điều khiển. Phần mềm CAD là các phần mềm có chức năng tạo mẫu 3D, đây là các mô hình sẽ được in trên máy in 3D. Các phần mềm CAD được sử dụng có thể là Solidwork, Creo, Sketchup,… Các mô hình 3D sau khi được tạo ra phải được chuyển sang định dạng STL từ đó có thể đưa sang các phần mềm CAM để xử lý tiếp theo. Các phần mềm CAM là các phần mềm thực hiện các chức năng cắt lớp vật thể do công nghệ in 3D là in theo
từng lớp, lớp cắt càng có kích thước nhỏ thì chất lượng mẫu in càng tốt tuy nhiên thời gian in sẽ tăng lên và ngược lại, lớp in càng lớn thì chất lượng giảm và tốc độ in tăng lên. Để tối ưu hóa giữa chất lượng in và tốc độ in thì cần cài đặt các thông số in hợp lý. Sau khi cắt lớp phần mềm sẽ tạo chuyển động khi in và xuất file Gcode.
Hình 2. 1 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của máy in 3D
Các phần mềm CAM sử dụng phổ biến cho máy in 3D là Cura, Slic3r, Simplify,..Một số phần mềm sẽ tích hợp các module CAM và module điều khiển trong một, giúp công việc xử lý mẫu in nhanh hơn và đạt hiệu quả hơn như phần mềm Repertier host, nó tích hợp các công cụ CAM là Slic3r, Cura, Skeinforge, có thể lựa chọn một trong ba module để so sánh và đưa ra phương án tốt nhất cho từng mẫu in khác nhau.
2.3 Các thiết bị phần cứng sử dụng2.3.1 Động cơ bước 2.3.1 Động cơ bước
Theo Wikipedia, động cơ bước là một loại động cơ sử dụng điện nhưng có nguyên lý và ứng dụng vô cùng khác biệt so với các loại động cơ điện 1 pha và động cơ điện 3 pha thông thường.
Thực chất, đây là một loại động cơ đồng bộ, có khả năng biến đổi các tín hiệu điều khiển của máy móc dưới dạng các xung điện rời rạc được phát ra kế tiếp nhau, tạo thành các chuyển động góc quay. Đôi khi chính là các chuyển động của rôto, giúp cho người dùng cố định roto của máy vào trong các vị trí cần thiết.
Hình 2. 2 Động cơ bước [4]
Nói chung, động cơ bước (motor bước) là một loại động cơ mà có thể quy định được tần số góc quay của nó. Nếu góc bước của nó càng nhỏ thì số bước trên mỗi vòng quay của động cơ càng lớn và độ chính xác của vị trí chúng ta thu được càng lớn.
Các góc bước của động cơ có thể đạt cực đại là 90 độ và cực tiểu đến 0,72 độ. Tuy nhiên, các góc bước của động cơ thường được sử dụng phổ biến nhất là góc 1,8 độ, góc 2,5 độ, góc 7,5 độ và góc 15 độ.
Ví dụ: Một động cơ bước có góc 1,8 độ/ bước nếu quay hết 1 vòng khoảng 360 độ thì mất 200 bước (thuật ngữ chuyên ngành gọi là Full Step). Các chế độ quay càng nhiều xung thì động cơ quay của máy sẽ càng êm hơn. Ở Việt Nam, người ta hay dùng phổ biến nhất là động cơ 200 step.
Phân loại:
- Dựa vào số pha của động cơ
Động cơ bước 2 pha sẽ tương ứng với 1 góc bước khoảng 1.8 độ. Động cơ Step 3 pha sẽ tương ứng với 1 góc bước là 1.2 độ. Động cơ Step 5 pha sẽ tương ứng với góc bước là 0.72 độ. - Dựa vào rotor
Động cơ bước có rotor được làm bằng dây quấn hoặc sử dụng nam châm vĩnh cửu. Động cơ bước thay đổi từ trở. Đây là 1 loại động cơ có roto không được tác động nhưng lại có phần tử cảm ứng.
- Dựa vào cực của động cơ Động cơ bước đơn cực. Động cơ bước lưỡng cực.
Cấu tạo:
Cấu tạo của động cơ bước gồm: Rotor và stato.
Rotor thực ra chính là một dãy các lá nam châm vĩnh cửu, chúng được sắp xếp chồng lên nhau một cách kỹ lưỡng, cẩn thận. Trên các lá nam châm này lại được chia thành các cặp cực sắp xếp đối xứng với nhau.
Stato được cấu tạo bằng sắt từ, chúng được chia thành các rãnh nhỏ để đặt cuộn dây.
Nguyên lý hoạt động:
Nguyên lý hoạt động động cơ bước không quay theo các cơ chế thông thường, bởi vì Step motor quay theo từng bước một, cho nên nó có một độ chính xác cao, đặc biệt là về mặt điều khiển học.
Động cơ motor bước làm việc nhờ vào hoạt động của các bộ chuyển mạch điện tử. Các mạch điện tử này sẽ đưa các tín hiệu của lệnh điều khiển chạy vào stato theo số thứ tự lần lượt và một tần số nhất định.
Tổng số góc quay của từng con rotor tương ứng với số lần mà động cơ được chuyển mạch. Đồng thời, chiều quay và tốc độ quay của con rotor còn phụ thuộc vào số thứ tự chuyển đổi cũng như tần số chuyển đổi của nó.
Hiện nay, có 4 phương pháp để điều khiển động cơ bước được sử dụng phổ biến nhất, đó là:
Điều khiển động cơ bước dạng sóng (Wave): Đây là phương pháp điều khiển cấp xung cho bộ điều khiển, hoạt động lần lượt theo đúng thứ tự nhất định cho từng cuộn dây pha.
Điều khiển động cơ bước đủ (Full step): Đây là phương pháp điều khiển cấp xung cùng lúc, đồng thời cho cả 2 cuộn dây pha được sắp xếp kế tiếp nhau. Điều khiển động cơ nửa bước (Half step): Chính là phương pháp điều khiển
kết hợp cả 2 phương pháp điều khiển động cơ dạng sóng và điều khiển động cơ bước đủ. Khi điều khiển động cơ theo phương pháp này thì giá trị của góc bước nhỏ hơn 2 lần và số bước của động cơ bước cũng sẽ tăng lên 2 lần so với phương pháp điều khiển bằng động cơ bước đủ. Tuy nhiên, phương pháp điều khiển này có bộ phát xung điều khiển vô cùng phức tạp.
Điều khiển động cơ vi bước (Microstep): Đây là phương pháp mới, chỉ được áp dụng trong quá trình điều khiển động cơ bước. Từ đó, cho phép động cơ bước dừng lại và định vị trong khoảng vị trí nửa bước chính giữa 2 bước đủ. Ưu điểm dễ thấy của phương pháp này chính là động cơ có thể hoạt động hiệu quả với góc bước nhỏ và độ chính xác rất cao. Do xung cấp của động cơ có dạng sóng nên máy sẽ hoạt động êm hơn, hạn chế được các vấn đề cộng hưởng lực mỗi khi động cơ hoạt động.
Ứng dụng:
Động cơ bước hiện nay đã và đang được ứng dụng rất nhiều và ngày càng phổ biến, chủ yếu là trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số của các động cơ. Nó được thực hiện bởi các lệnh đã được mã hoá tự động dưới dạng số.
Ứng dụng động cơ bước trong ngành công nghiệp tự động hoá, đặc biệt là đối với các thiết bị máy móc cần phải có sự chính xác. Chẳng hạn như các loại máy móc công nghiệp hiện đại, giúp phục vụ cho quá trình gia công cơ khí như: Máy cắt công nghệ plasma CNC, máy cắt công nghệ CNC laser,…
Ngoài ra, trong lĩnh vực công nghệ máy tính, động cơ bước Step cũng được sử dụng trong các loại ổ đĩa cứng hoặc ổ đĩa mềm, thậm chí là cả máy in,…
Trong lĩnh vực an ninh bảo mật, động cơ bước chính là một sản phẩm giám sát mới, đem lại tiến bộ vượt trội cho ngành an ninh.
Trong lĩnh vực tế, động cơ bước được sử dụng để sản xuất máy quét y tế, máy lấy mẫu, thậm chí còn có bên trong máy chụp ảnh nha khoa kỹ thuật số, những chiếc bơm chất lỏng, mặt nạ phòng độc và các loại máy móc phân tích mẫu máu.
Trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng, động cơ bước được dùng trong quá trình chế tạo máy ảnh, đem lại chức năng lấy nét chính xác và sắc sảo cho máy ảnh, đồng thời có chức năng thu phóng các loại camera kỹ thuật số tự động hay các loại máy in 3D.
Ưu, ,nhược điểm:
Nắm được những ưu - nhược điểm của động cơ bước sẽ giúp cho chúng ta ứng dụng loại động cơ này vào trong sản xuất một cách tốt nhất, đem lại giá trị kinh tế cao.
Ưu điểm:
Step Motor có ưu điểm đầu tiên là khả năng cung cấp mô men xoắn cực lớn, đặc biệt là ở dải vận tốc thấp và vận tốc trung bình.
Một “điểm cộng” nữa của động cơ bước trên thị trường hiện nay đó là nó khá bền, giá thành sản phẩm cũng tương đối thấp, do đó việc mua bán, trao đổi cũng khá thuận tiện, không gặp bất kỳ một trở ngại nào. Không chỉ có vậy, việc thay thế động cơ bước trong quá trình sản xuất cũng tương đối dễ dàng. Nhược điểm:
Motor Step hay xảy ra các hiện tượng khó chịu, chẳng hạn như bị trượt bước. Lý do được biết đến đó là vì lực từ yếu hay đôi khi còn do nguồn điện cấp vào động cơ không đủ.
Một “điểm trừ” nữa đó là trong quá trình hoạt động, động cơ Step Motor thường gây ra tiếng ồn ào khó chịu và có hiện tượng động cơ bị nóng dần lên. Với những động cơ Step Motor thế hệ mới thì độ ồn và hiện tượng nóng của động cơ đã được giảm đi đáng kể.
Không nên sử dụng động cơ Step Motor cho các thiết bị máy móc đòi hỏi tốc độ cao.
2.3.2 Truyền động vít me – đai ốc bi
Cơ cấu vít me đai ốc bi là hệ thống truyền động, được gia công với độ chính xác cao nhằm tạo ra khả năng biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến theo cơ chế con vít, bu lông (đai ốc bi) với những ưu điểm nổi bật, đem lại hiệu quả ứng
dụng cao. Vít me được thiết kế đặc biệt với một lớp bi thép tiếp xúc giữa trục vít và đai ốc vít me. Nhờ đó mà hạn chế tối đa lực ma sát trượt khi truyền biến đổi chuyển động.
Hình 2. 3 Cơ cấu vít me đai ốc bi [5]
Một cơ cấu vít me đai ốc bi hoàn chỉnh bao gồm 2 bộ phận chính đó là trục vít me và đai ốc vít me bi.
Về trục vít me bi hiện nay, có hai loại trục vít me bi được gia công theo 2 phương pháp khác nhau. Đó là vít me bi được gia công theo phương pháp ép ren hay còn gọi là cán và vít me bi được gia công theo phương pháp tiện mài ren.
Còn đối với đai ốc vít me bi được cấu tạo bởi một cấu trúc ở bi gồm vỏ ngoài, các viên bi thép chạy gọc trên các rãnh bi được tiện ren bên trong ổ. Dựa vào các vòng hồi bi tạo thành các vòng tuần hoàn kín hoặc hở.
Việc kết hợp trơn tru, nhịp nhàng giữa trục vít me và đai ốc vít me bi tạo ra sự biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, tạo thành lực kéo tịnh tiến trên trục vít me bi.
2.3.3 Thanh trượt dẫn hướng
Thanh trượt là một trong những thiết bị dẫn động tuyến tính quan trọng trong các hệ thống sản xuất tự động CNC. Linh kiện dẫn hướng chính xác hoạt động dựa
trên nguyên lý của chuyển động tịnh tiến giữa hai bộ phận cấu tạo thanh trượt chính là con trượt và thanh ray trượt.
Thanh trượt dẫn hướng được tích hợp trong hầu hết các cơ cấu máy CNC, các loại máy chế biến gỗ, máy plasma, máy in, các hệ thống máy móc, băng chuyền, dây chuyền tự động…
Hình 2. 4 Thanh trượt dẫn hướng
Ưu điểm:
- Có khả năng dẫn hướng chính xác, cao, đem lại những chuyển động tịnh tiến thẳng mượt, nhẹ nhàng với lực ma sát không đáng kể.
- Có khả năng chịu tải lớn
- Khả năng hoạt động bền bỉ, liên tục và chính xác trong thời gian dài với tốc độ lớn - Có tuổi thọ làm việc cao, khả năng hoạt động ở nhiều môi trường, nhiệt độ khắc nghiệt khác nhau
- Thiết kế đơn giản, gọn nhẹ, dễ dàng lắp đặt, sử dụng và bảo dưỡng, bảo trì định kì - Độ cứng vững cao
- Giá rẻ, tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu cho doanh nghiệp 2.3.4 Màn hình LCD text 2004
Hình 2. 5 Màn hình LCD 2004
LCD text 2004 một sản phẩm quen thuộc giúp thực hiện các dự án về điện tử, lập trình. Sản phẩm khắc phục được nhược điểm kết nối cần đến 8 dây của các moduke led khác, sản phẩm dùng module Ì2C tích hợp nên việc kết nối trở nên đơn