Dựa vào kết quả tính toán, ta chọn thông số theo catalog
Hiệu chỉnh số bước/mm động cơ
Khác với động cơ thường, động cơ bước quay từng góc rất nhỏ (1.8; 0.9; ... độ) ứng với mỗi tín hiệu điều khiển từ môđun A4988 hoặc DRV8825. Mỗi tín hiệu này ứng với 1 bước. Số bước/mm là số tín hiệu từ môđun (A4988 hoặc DRV8825 ở trên) cần phải cấp cho động cơ bước để động cơ bước di chuyển cụm kết cấu (bộ đùn nhựa, spindle, sợi nhựa in..) đi một quãng đường 1mm theo trục tương ứng. Như vậy có thể thấy số bước/mm phụ thuộc vào các yếu tố:
32 • Góc quay mỗi bước của động cơ: A (thường là 1.8 hoặc 0.9 độ)
• Chế độ điều khiển của môđun điều khiển: B (thường B = 1/16 với A4988 hoặc 1/32 với DRV8825)
• Tỉ số truyền của hệ truyền động tính từ trục của động cơ bước tới cơ cấu di chuyển (đơn vị tính độ/mm), bao gồm: khoảng cách đỉnh răng (C - mm) của đai răng; số răng của puli dẫn động (D), tí số truyền cặp bánh răng dẫn động (E), bước ren của vít me/trục ren F; đường kính puli/bulông tời nhựa G...
Đối với mỗi loại truyền động, dựa vào công thức lý thuyết ta có thể tính được số bước/mm lý thuyết cần thiết để đưa vào chương trình điều khiển (GRBL, Marlin hoặc Repetier Firmware). Tuy nhiên để đạt được kết quả chính xác nhất, sau khi nạp chương trình điều khiển với số bước/mm lý thuyết, cần phải hiệu chỉnh thực tế trên máy in 3D. Các bước làm như sau:
• Số bước/mm lý thuyết đối với truyền động đai răng:
Lý thuyết bước/mm: LT=360𝐵
𝐴𝐶𝐷 Với dây đai GT2, C = 2mm Với GT2 pulley, D = 16 răng • Số bước/mm lý thuyết đối với trục vít me:
Lý thuyết bước/mm: LT= 360𝐵
𝐴𝐹 Với trục vít me, F = 8mm • Số bước/mm lý thuyết đối với bộ đùn nhựa:
Lý thuyết bước/mm: LT= 360𝐵𝐸
𝐴𝐺𝜋 Với E = 1
G: đường kính puli/bulông tời nhựa. • Hiệu chỉnh số bước/mm:
Sau khi nhập số bước/mm vào chương trình điều khiển ở trên và nạp vào mạch điều khiển, cho máy chạy theo các trục X, Y, Z hoặc tời nhựa in và hiệu chỉnh lại số bước/mm như sau:
33
✓ Điều khiển máy di chuyển theo trục (sợi nhựa) cần hiệu chỉnh một đoạn H (khoảng 40mm trở lên, càng dài càng tốt).
✓ Sau khi di chuyển, sử dụng thước kẹp (không được sử dụng thước dây hay thước kẻ vì không đủ chính xác) để đo quãng đường dịch chuyển thực tế I trên trục tương ứng.
✓ Tính lại số bước/mm thực tế: TT= 𝐿𝑇𝐻
𝐼
✓ Nhập lại số bước/mm TT vào chương trình điều khiển và thử lại vài lần tới khi đạt yêu cầu.
2.4. Thiết kế chi tiết cơ khí 2.4.1. Các chi tiết cơ khí lắp ghép 2.4.1. Các chi tiết cơ khí lắp ghép
STT Chi tiết cơ khí Số lượng
1 Gá động cơ step loại thẳng 2 chiếc
2 Gá động cơ size 42/57 1 chiếc
3 Ống Teflon 2 chiếc
4 Gá nhôm tản nhiệt hai đầu 1 chiếc
5 Lõi nối teflon nhôm M7 2 chiếc
6 Đầu nối ống Teflon 3 chiếc
7 dây gia nhiệt 2 chiếc
8 Vít M3,M4,M5, Tnut M4, long den 18 chiếc
9 Vòng bi PK8UU 2 chiếc
10 Kẹp trục M12 8 chiếc
34
12 Gối đỡ trục KL08 2 chiếc
13 Bộ đầu phun E3D V5 có sẵn đầu đốt và cảm biến 1 bộ
14 Trục vitme đường kính 8mm bước ren 4 mm 2x300mm
15 Trục vitme đường kính 8mm bước ren 4 mm 1x400mm
16 Ke góc 12 chiếc
Bảng 2. 8. Chi tiết cơ khí
2.4.2. Các chi tiết nhựa in 3D
Các chi tiết dùng để cố định các chi tiết cơ khí - linh kiện được thiết kế trên phần mềm 3D Solidworks. Sau đó sẽ được lưu dưới dạng file “.STL”, các chi tiết sẽ được hoàn thiện từ một máy in 3D khác.
2.4.3. Khung máy
Mục tiêu thiết kế:
• Thiết kế máy in 3D với khung nhôm định hình 20x20. 360x360x450(mm).
• Không gian in tối đa 180x180x200(mm) với bộ truyền động sử dụng là vitme đai ốc kết hợp với đai.
35
Hình 2.4. Mô hình khung máy
Khung máy sẽ được gia công bằng nhôm thanh định hình 20x20 và 40x20
2.3.4.Mô hình thiết kế hệ thống các trục.
• Hệ thống trục X:
Sử dụng động cơ quay pulley và kéo dây đai chuyển động bộ đùn nhựa như cơ cấu bên dưới .
Hình 2. 5: Mô hình trục X
36 • Hệ thống trục Y:
Sử dụng động cơ kéo dây đai . làm quay pulley gắn chặt với thanh chuyền động bằng vít me tăng ma sát tránh xê dịch , truyền chuyển động sang 2 bên bằng đai kéo cả cụm trục X như hình bên dưới .
37
Hình 2. 7. Mô hình trục Y
38 • Hệ thống trục Z:
Động cơ trục Z quay kéo dây đai quay pulley gắn vào trục vít me quay và chuyền chuyển động theo hướng lên xuống của cụm bàn gia nhiệt như hình dưới .
Hình 2. 8. Mô hình truc Z
39 Mô hình máy in 3D hoàn chỉnh :
40
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Trong đồ án lần này, lựa chọn công nghệ FDM cho máy in 3D là phổ biến và có giá thành rẻ nhất. Công nghệ này sử dụng bộ đùn (Nozzle) để gia nhiệt và đẩy từng lớp vật liệu nhựa dẻo chồng lên nhau, tạo thành khối sản phẩm. Nguyên liệu cho máy in FDM chủ yếu là nhựa, hoặc các vật liệu có thể nóng chảy.
• Ưu điểm
Là công nghệ in 3D giá rẻ, dễ sửa chữa và thay thế chi tiết máy móc, in với số lượng lớn, ít tốn nguyên liệu. Thường sử dụng trong các sản phẩm cần chịu lực. Tốc độ tạo hình 3D nhanh. Quá trình tạo mẫu nhanh của FDM không giống như công nghệ SLA, LOM, SLS phải sử dụng tia laser để tạo hình sản phẩm mà công nghệ tạo mẫu nhanh FDM đơn giản hơn rất nhiều, độ tin cậy cao, bảo dưỡng dễ dàng.
Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo không độc, không mùi, và do đó sẽ không gây ô nhiễm môi trường xung quanh. Thiết bị hoạt động tạo ra ít tiếng ồn.
• Nhược điểm
Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao. Khả năng chịu lực không đồng nhất .
3.1.Phần mềm điều khiển 3.1.1.Firmware Marlin 3.1.1.Firmware Marlin
Firmware Marlin là một chương trình được viết trên nền Arduino cho các mạch điều khiển máy in 3D Reprap sử dụng vi điều khiển họ AVR của hãng Atmel. Marlin còn được chỉnh sửa để sử dụng trên các máy CNC mini. Có thể nói Marlin được sử dụng rộng rãi bậc nhất trong số các máy dạng mã nguồn mở hiện nay.
Các đặc điểm nổi bật của Marlin đối với các máy in 3D Reprap gồm có:
• Hỗ trợ tự động bù thăng bằng bàn nhiệt trước khi in bằng đầu dò (thể sử dụng cả động cơ servo cho cơ cấu đầu dò)
• Hỗ trợ người dùng khi bù thăng bằng bàn nhiệt thủ công
• Có tính năng rút ngược nhựa in khi gia công (người dùng có thể chọn rút ngược nhựa in bằng firmware hay bằng slicer)
41 • Tính năng sao lưu, cập nhật eeprom của vi điều khiển
• Hỗ trợ đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt điện trở hoặc cặp nhiệt ngẫu • Điều khiển máy in hoàn toàn bằng màn hình LCD và thẻ nhớ SD
• Hỗ trợ các dạng máy in 3D Cartesian (prusa i3, ...), Delta Polar và SCARA • Giao tiếp với máy tính thông qua cổng USB (COM ảo)
• Hỗ trợ tối đa 4 bộ đùn nhựa Hoạt động của Marlin:
Marlin được sử dụng để điều khiển máy in 3D hoạt động theo công nghệ FDM. Trong quá trình in, đầu phun được nung nóng và dưới sự điều khiển của máy tính, nhựa nóng chảy sẽ được đùn ra khỏi đầu phun. Nhựa sau khi được đùn ra, chạm bàn in sẽ lập tức đông đặc. Từng lớp của vật thể sẽ được in dựa theo nguyên lý hoạt động đó và cấu thành nên hình dáng của vật thể.
• Máy in 3D có thể được điều khiển bằng phần mềm trên máy tính thong qua cáp kết nối. Ngoài ra, máy in 3D cũng có thể hoạt động độc lập bằng cách nạp file (STL) vào thẻ SD và cắm vào khe cắm thẻ nhớ của máy. Marlin sẽ thực hiện việc dịch file (STL) sang G-Code để thực hiện quy trình in.
• Để điều khiển hoạt động của máy in 3D thông qua Marlin, Arduino Mega 2560 sẽ gắn kèm theo mạch điều khiển máy in Ramps 1.4.
• Người dùng có thể sử dụng Arduino IDE để thiết lập Marlin sao cho phù hợp với máy in 3D của mình như: nhiệt độ đầu phun và bàn nhiệt khi in, tốc độ bước động cơ mỗi giây, phương chiều chuyển động của động cơ, vùng in tối đa của động cơ…
3.1.2. Phần mềm cắt lớp
Như đã thảo luận ở trên, Phần mềm sẽ chuẩn bị một mô hình 3D đã thiết kế bằng cách chia nó thành các lớp lát mỏng. Trong quá trình này, nó tạo ra mã G (gcode) cho phép máy in biết chi tiết về cách sao chép mô hình.
Lựa chọn Ultimaker Cura - Được hàng triệu người dùng tin cậy, Ultimaker Cura là phần mềm in 3D phổ biến nhất thế giới. Chuẩn bị bản in với một vài cú nhấp chuột, tích hợp với phần mềm CAD để có quy trình làm việc dễ dàng hơn hoặc đi sâu vào cài đặt tùy chỉnh để kiểm soát chuyên sâu.
42
43
3.2.Hệ thống điều khiển
3.2.1. Sơ đồ điều khiển
Hình 3.2. Sơ đồ điều khiển
Hoạt động của Máy in 3D có thể được tóm tắt như trong biểu đồ khối dưới đây:
44 Chọn các 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 và E3D V5 for Nozzle heating • Nhiệt độ: Cảm biến nhiệt 100K thermistor – ATC Semitec 104GT-2
Hình 3.4. Arduino Mega 2560
45
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 đó có 15 đầu ra PWM)
Đầu vào analog 16
Cường độ chân In/Out 40 mA
Cường độ chân 3.3 V 50 mA
Bộ nhớ Flash 256 KB, trong đó 8Kb của Bootloader
SRAM 8 KB
EEPROM 4 KB
Tốc độ 16 MHz
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560
Hình 3.5. Giao diện của Arduino IDE
Ưu điểm của kit này là nhỏ gọn, nhiều cổng GPIO với nhiều chức năng khác nhau. Ngoài ra, ngôn ngữ lập trình của Arduino cũng rất thân thiện với người dung. Đa số người dung Arduino đều lập trình qua Arduino IDE.
46 Hình 3.6. Atmega2560 arduino pin mapping
47
3.2.2. Board Ramps 1.4
Hình 3.7. Ramps 1.4
Để điều khiển hoạt động của máy in 3D thông qua Marlin, Arduino Mega 2560 sẽ gắn kèm theo mạch điều khiển máy in Ramps 1.4.
Ramps 1.4 sẽ điều khiển hoạt động của các máy in 3D, bao gồm:
• Điều khiển động cơ bước qua các driver (thường là A4988 hoặc DRV8825).
• Điều khiển gia nhiệt bàn nhiệt và đầu đùn. Dữ liệu sẽ được điều khiển qua các cảm biến nhiệt.
• Quạt tản nhiệt.
• Các công tắc hành trình (Endstop) để xác định gốc mỗi trục. • Hiển thị qua màn hình LCD.
48
49
3.2.3. Điều khiển động cơ bước A4988
Hình 3.9. Sơ đồ A49988
Đặc điểm nổi bật:
● Giao thức điều khiển số bước và chiều quay rất đơn giản. ● 5 cấp điều chỉnh bước: 1; 1/2; 1/4; 1/8 và 1/16 bước. ● Điều chỉnh dòng định mức cấp cho động cơ bằng triết áp.
● Bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ tụt áp và chống dòng ngược. ● Điều khiển được động cơ hoạt động với điện áp lên tới 35V dòng lên tới 2A.
Điện áp cấp tối thiểu: 8 V
Điện áp cấp cực đại: 35 V
Dòng cấp liên tục cho mỗi pha: 1 A (không cần tản nhiệt, làm mát) Dòng cấp liên tục cho mỗi pha: 2 A (khi có làm mát, tản nhiệt) Điện áp logic 1 tối thiểu: 3 V
Điện áp logic 1 tối đa: 5.5 V
Độ phân giải: full, 1/2, 1/4, 1/8, và 1/16
50 Lựa chọn chế độ:
Chế độ Full - 1/2 - 1/4 - 1/8 - 1/16 sẽ được thông qua 3 pin MS1 MS2 MS3.
Hình 3.10. Microstep Resolution
• Bật tắt động cơ thì thông qua pin ENABLE, mức LOW là bật module, mức HIGH là tắt module
• Điều khiển chiều quay của động cơ thông qua pin DIR
• Điều khiển bước của động cơ thông qua pin STEP, mỗi xung là tương ứng với 1 bước ( hoặc vi bước)
51
Linh kiện điện tử Số lượng
Auduino Mega 2560 1 chiếc
Board RAMPS 1.4 1 chiếc
Mạch điều khiển động cơ bước A4988 4chiếc
Công tắc hành trình 3 chiếc
Động cơ bước NEMA 17HS2401 4 động cơ
Bộ mạch LCD 2004 tích hợp khe cắm thẻ nhớ SD 1 bộ
Bàn gia nhiệt Heatbed MK3 Aluminum 1bộ
Cảm biến nhiệt 100K thermistor – ATC Semitec 104GT-2 2 chiếc
52
CHƯƠNG IV: CHẾ TẠO VÀ VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM MÁY
4.1. Thiết lập thông số điều khiển
Vì các máy in 3D khác nhau có cấu hình riêng, chúng ta phải cấu hình bằng tay để thiết lập cấu hình phù hợp cho Máy in 3D.
Quá trình cấu hình bao gồm 3 bước chính:
Hình 4.1. Quá trình in 3D
Thiết lập phần mềm Marlin
Thiết lập Ultimaker Cura
53
4.1.1. Thiết lập Marlin
Vì các máy in 3D khác nhau có cấu hình riêng, chúng ta phải cấu hình bằng tay để thiết lập cấu hình phù hợp cho Máy in 3D đã
Quá trình cấu hình bao gồm các bước chính:
Chúng ta bật Marlin (được lập trình trong Arduino IDE) và vào tab Configuration.h.
Hình 4.2. Điều chỉnh Marlin
Vào tab Configuration.h.
Tìm xuống dòng code thứ 134 => khai báo đúng loại board đang sử dụng => Ramps 1.4
54 Dòng code thứ 152: Khai báo đường kính máy in 3D đang sử dụng => Chỉnh sửa thành 1.75mm
Dòng code 313 tới 319: Khai báo cảm biến nhiệt độ đang sử dụng
Dòng code 510 tới 515: Khai báo vị trí công tác hành trình mà máy in sẽ sử dụng
55 Dòng code số 611: Khai báo số step trục x, trục y, trục z và bộ tời nhựa
o Trục X: 100bước/mm. o Trục Y: 82 bước/mm. o Trục Z: 400 bước/mm. o Bộ tời nhựa: 95 bước/mm. - thiết lập giá trị gia tốc:
Trong Marlin, gia tốc mặc định là 3000 mm / s2. Tuy nhiên, chúng ta nên giảm giá trị này để tránh rung động trong khi in. Ngoài ra, chúng ta cũng có thể điều chỉnh các giá trị này trong phần mềm cắt lớp.
Trong trường hợp này, thiết lập gia tốc mặc định cho động cơ bước 2500 mm / s2. Cuối cùng, cài đặt tốc độ giật lại (Jerk).
56 Giá trị tốc độ giật lại (Jerk) mặc định được cung cấp bởi Marlin.
o X – Jerk: 10mm/s o Y – Jerk: 10mm/s o Z – Jerk: 0.3 mm/s o Extruder – Jerk: 5mm/s Giới hạn Hành trình:
Thiết lập vị trí tối đa của mỗi trục trong phần này. o Vị trí tối đa trục X: 200
o Vị trí tối đa trục Y: 200 o Vị trí tối đa trục Z: 200
Dòng Code 1429: Thiết lập chế độ màn hình
57
4.1.2. LCD module
Hình 4.3. Điều chỉnh LCD Module
LCD được sử dụng trong dự án này được gọi là REPRAP Discount Smart Controller. Bộ điều khiển thông minh này có đầu đọc thẻ SD, bộ mã hoá quay và màn hình LCD 20 ký tự x 4 dòng. Có thể dễ dàng kết nối nó với bảng Ramps bằng cách sử dụng "smart adapter ".
Sau khi kết nối bảng điều khiển với Ramps, không cần máy tính nữa, bộ điều khiển