L ỜI CẢM ƠN
2.3Các linh kiện của máy in 3D
Từ những ưu điểm và nhược điểm các dạng máy in 3D trên thị trường, nhóm lựa chọn nghiên cứu về dạng máy Cartesian vì tính phổ biến, đơn giản, phù hợp với khối lượng công việc cũng như tiến độ thực hiện đồ án.
Các thành phần chính của máy được trình bày ở hình 2.13, với cơ cấu trục X, Y được truyền động bởi dây đai, bánh răng và cơ cấu trục Z được truyền động bởi vitme (một số máy in dạng Cartesian khác có cơ cấu truyền động phong phú như sử
Hình 2.13 Máy in 3D dạng Cartesian
Thành phần cụ thể và chức năng của máy in 3D sẽ lần lượt được trình bày ở
các mục tiếp theo.
2.3.2 Arduino Mega 2560 R3
Arduino Mega 2560 R3 sử dụng vi điều khiển ATmega2560 cho tốc độ, ngoại vi và số chân nhiều nhất, board hoàn toàn có cấu trúc chân tương thích với các board như Uno và chạy điện áp 5VDC.
Về cơ bản, Arduino Mega2560 R3 vẫn giống Arduino Uno R3, chỉ khác số
lượng chân và nhiều tính năng mạnh hơn. Thích hợp cho điều khiển cùng lúc nhiều
động cơ bước như máy in 3D. Bên cạnh đó còn tương thích nhiều board mở rộng (shield) với ứng dụng phong phú.
Hình 2.14 Board Arduino Mega 2560 R3
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560
Vi điều khiển ATmega2560
Điện áp hoạt động 5V DC
Số chân digital 54 (15 chân PWM: 2-13, 44, 45, 46)
Số chân Analog 16
Giao tiếp UART 4 bộ UART
Giao tiếp SPI 1 bộ (chân 50 – 53) dùng với thư viện SPI
Giao tiếp I2C 1 bộ
Ngắt ngoài 6 chân (2, 3, 21, 20, 19, 18)
Bộ nhớ Flash 256 KB, 8KB sử dụng cho Bootloader
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Xung nhịp 16 MHz
2.3.3 RAMPS 1.4
RAMPS 1.4 (Reprap Arduino Mega Pololu Shield) là board mở rộng cắm trên Arduino Mega 2560 và dùng để điều khiển các máy in 3D Reaprap (mã nguồn mở Marlin) cũng như các ứng dụng khác.
Hình 2.16RAMPS 1.4 Sơ đồ nguyên lý Ramps 1.4 được trình bày như hình 2.17
Thông số kỹ thuật:
- Tương thích Arduino Mega 2560/Mega 1280.
- Hỗ trợ 5 khe cắm module A4988/DRV8825 (Stepper Motro Driver). - Hỗ trợđiều khiển tối đa 5 stepper motor cho máy in 3D có 3 trục và 2 đầu
in. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Điện áp hoạt động: 5V (được cấp từ Board Arduino). - Điện áp motor: 8-35V.
2.3.4 Động cơ bước
Với đặc tính chuyển động góc quay chính xác, khả năng cốđịnh roto ở vị trí cần thiết cũng nhưđiều khiển được tốc độ, chiều quay. Động cơ bước luôn được sử
dụng trong các máy in 3D để di chuyển cơ cấu.
Các động cơ bước trên thị trường có góc quay 0.9º, 1.8º, 3.6º,…với số dây: 4, 5, 6, 8 dây. Thông dụng nhất là loại 1.8º, 6 dây như hình 2.17.
Hình 2.18 Độngcơ bước KH42JM2B194A
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật động cơ bước KH42JM2B194A
Xuất xứ Việt Nam Tên KH42JM2B194A Loại dây Uni-Polar Kích cỡ 1.7" (Nema 17) Chiều dài động cơ 35.5mm Số pha 2 Điện áp 12-36VDC
Góc quay 1.8o Chiều dài trục 19 mm Đường kính trục 5 mm Điện trở 5.0Ω/Phase Điện áp định mức 2.52V Dòng điện định mức 0.9A Momen xoắn 362 mN.m
Với góc quay 1.8º thì cần 200 step, động cơ sẽ quay đúng một vòng (Fullstep).
Để tăng “độ phân giải” của động cơ, ta có thể điều khiển ở chế độ Halfstep hay Microstep bằng cách sử dụng driver động cơ bước. Ví dụ: Động cơ bước 1.8º được
điều khiển ở chế độ Halfstep cần 400 step để quay đúng một vòng, với mỗi step là 0.9º.
2.3.5 A4988 Step Driver
A4988 là driver điều khiển động cơ bước cực kỳ nhỏ gọn, hỗ trợ nhiều chếđộ điều khiển: Full step, half step, 1/4, 1/18, 1/16. Điều chỉnh được dòng ra cho động cơ, tựđộng ngắt điện khi quá nhiệt.
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp động cơ: 8 – 35V DC. - Điện áp logic: 3 – 5.5V DC. - Dòng ra: ± 2A.
- Áp ra: -2 – 37V.
- Chếđộ điều khiển: Full step, half step, 1/4, 1/8, 1/16. - Tự ngắt điện khi quá nhiệt.
Bảng 2.3 Lựa chọn chế độ điều khiển cho driver A4988 MS1 MS2 MS3 Chếđộ điều khiển L L L Full step H L L Half step L H L 1/4 H H L 1/8 H H H 1/16 2.3.6 Đầu phun Hình 2.21 Đầu phun Thông số kỹ thuật: - Kích cỡđầu phun: 0.4mm. - Độ dài: 89mm. - Chất liệu: Nhôm. - Trọng lượng: 80g.
- Chất liệu in: Nhựa ABS hoặc PLA (đường kính sợi nhựa 1.75 hoặc 3 mm). - Điện áp hoạt động: 12V DC.
- Điện áp cảm biến: 12V, nhiệt độ lên tới 300 °C.
Chức năng: Chuyển điện áp thành nhiệt năng làm chảy nhựa trong quá trình vận hành máy in.
2.3.7 Endstop Hình 2.22 Endstop Thông số kỹ thuật: + Loại: KW12-2c. + Điện áp hoạt động: 3A 250VAC,5A 125V AC. + Chất liệu: Nhựa, nhôm. + Khối lượng: 4g.
Chức năng: Đóng vai trò như công tắc hành trình dùng để kiểm soát chuyển động của các cơ cấu trên trục máy in. Khi endstop tại trục nào được tác động, cơ cấu trên trục đó sẽ dừng lại.
2.3.8 Quạt tản nhiệt
Hình 2.23.Quạt tản nhiệt
Điện áp hoạt động: 12V.
2.3.9 Linh kiện cơ khí
- Khung nhôm 30x30mm: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.24 Khung nhôm 30x30
Chức năng: Cố định các thành phần của máy in 3D bao gồm: Động cơ, thanh trượt, bàn in, ...
- Rây trượt và con trượt trên rây:
Chức năng: Làm trục chuyển động cho đầu phun theo trục X và bàn in theo trục Y.
- Góc ke 30x30mm:
Hình 2.26Góc ke 30x30mm Chức năng: Cốđịnh khung nhôm của máy in.
- Tấm đỡ rây trượt gia công CNC:
Hình 2.27Tấm đỡ rây trượt gia công cnc Chức năng: Cốđịnh rây trượt vào khung nhôm.
- Gối đỡ có bạc trượt KP08 và KFL08:
Hình 2.28Gối đỡ có bạc trượt Kp08 và KFL08 Chức năng: kẹp trụ trơn 8mm và có thể xoay được.
- Puli 20 răng:
Hình 2.29 Bánh răng motor Chức năng: Truyền động cho dây curoa.
- Dây curoa 6mm:
Hình 2.30Dây curoa 6mm
tiến theo trục X của đầu phun và theo trục Y của bàn in. - Puli Gt2 20 răng có bạc trượt bên trong:
Hình 2.31Puli Gt2 20 răng có bạc trượt bên trong Chức năng: Giảm ma sát trong quá trình chuyển động của dây curoa.
- Mica, kiếng:
Hình 2.32Mica, kiếng cho máy in 3D
Chức năng: Cấu thành nên bàn in của máy. Đối với nhựa ABS, bàn in được trang bị thêm thành phần gia nhiệt giúp tăng độ bám dính giữa sản phẩm với bàn in.
Hình 2.33Chi tiết nhựa máy in 3D
Chức năng: Cố định thanh trượt, khung nhôm, động cơ bước,... Có thể là nhựa
đặc hoặc là sản phẩm từ máy in 3D nhằm tiết kiệm chi phí. - Nhựa in:
Hình 2.34 Nhựa máy in 3D
Chức năng: Thành phần không thể thiếu cho máy in 3D, ở dạng rắn. Tại đầu phun, nhựa bị nóng chảy thành sợi và được đùn qua lỗ cực bé (~ 0.1 – 0.4mm) đắp từng lớp hình thành nên mô hình in 3D.
Có nhiều loại nhựa trên thị trường như nhựa ABS, PLA, CF – PLA (Carbon fiber PLA), PETG,…
Tổng kết chương 2
Những chiếc máy in 3D rất đa dạng và phong phú, linh kiện cũng là một phần quyết định nên giá thành của chiếc máy in và chất lượng sản phẩm, bên cạnh đó nhựa in rất đa dạng cho nhiều ngành nghề khác nhau cũng là nhân tố quyết định sản phẩm
Chương 3
THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 3.1 Ý Tưởng
Qua sự tìm hiểu về máy in 3D và kinh phí cho phép. Nhóm đã tùy biến lại một mẫu máy in Prusa đê phù hộp với nhu cầu cũng nhưứng dụng vào ô tô tốt hơn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ưu điểm:
- Khổ máy lơn 800x400x400.
- Thiết kế dạng module độc lập với phần điện .
- Đầu phun kép độc lập, in được 2 sản phẩm cùng lúc. - Chi phí tốt hơn so với máy cùng loại.
- Trục được thiết kếđồng bộ cao cho ra sản phẩm độ chính xác cao.
- Máy sử dụng toàn bộ rây trượt của THK giúp tăng độ chính xác và vận hành êm ái hơn.
- Sử dụng arduino mega 2560 có thể dụng tốt vào những mà nguồn khác.
Nhược điểm
- Khung máy chưa cứng cáp.
- Còn sử dụng mạch arduino tính công nghiệp chưa cao. - Một số chi tiết còn dùng nhựa in 3D.
3.2 Sơ đồ khối hệ thống 3.2.1 Yêu cầu của hệ thống
- Máy in 3D:
+ Kết nối với phần mềm Repetier Host trên máy tính thông qua cổng USB.
+ In được các vật từđơn giản đến phức tạp.
+ Chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu: Đúng kích thước, đủ độ cứng, hạn chế
tối đa các lỗi.
Hình 3.1 Sơ đồ khối máy in 3D
- Khối nguồn: Chuyển đổi điện áp từ 220V AC sang 12V DC cung cấp cho khối chấp hành.
- Khối chấp hành: Gồm động cơ bước, quạt, cơ cấu gia nhiệt tại đầu phun. Hoạt
động dựa trên tín hiệu điều khiển của khối xử lý trung tâm.
- Khối xử lý trung tâm: Được cấp nguồn 5V DC từ máy tính, nhận tín hiệu từ các Endstop, cảm biến, phần mềm Repetier Host trên máy tính.
3.3 Hoạt động của hệ thống 3.3.1 Hoạt động của máy in 3D
File có định dạng .stl (StereoLithography) qua phần mềm Repetier Host trên máy tính sẽđược cắt ra nhiều lớp và tạo mã G-code. Mã G-code này được đưa vào khối xử lý trung tâm, kết hợp với các tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ, endstop để chuyển thành lệnh điều khiển cơ cấu gia nhiệt tại đầu phun và các động cơ bước.
Tại đầu phun, nhựa được nóng chảy, kèm theo quá trình di chuyển của đầu phun hình thành nên các lớp in 3D lần lượt từ dưới lên, tạo ra sản phẩm in 3D hoàn chỉnh.
Đối với việc in 3D, có thể in qua thẻ nhớ hoặc in qua máy tính (sử dụng phần mềm Repetier Host). Đồ án sử dụng được cả hai phương pháp in qua máy tính và thẻ
nhớ. 3.4 Thiết kế, tính toán hệ thống 3.4.1 Bản vẽ máy in 3D Khối xử lý trung tâm Khối nguồn Khối chấp hành 12V DC Cảm biến Endstop Máy tính
Những khó khăn trong quá trình thiết kế:
- Sử dụng phần mêm mô phỏng in 3D cũng là một khó khăn đối với nhóm vì ít khi được tiếp cận.
- Khó khăn trong quá trình chọn linh kiện vì một số linh kiện không có săn trên thị trường. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.4.2 Lắp ráp
Từ bản vẽđến thực tế cũng gặp rất nhiều khó khăn vì một số sản phẩm không có trên thị trường, phải đặt gia công bên ngoài làm gia tăng kinh phí tạo nên khó khăn lơn nhất cho nhóm.
Một số hình ảnh trong quá trình lắp máy:
Hình 3.11Khung máy in 3D bằng nhôm 3030.
Hình 3.13Bộđầu phun MK8 - Khối xử lý trung tâm
Phương án: Trên thị trường hiện nay có một số mạch điều khiển cho máy in 3D như: MKS Base V1.2, SainSmart Melzi, Shanhai® Gt2560,...đặc điểm của các mạch này là tích hợp sẵn chip ATmega, ngoại vi, driver điều khiển động cơ bước,…
Hình 3.15SainSmart Melzi (ATmega 1284p)
Hình 3.16Shanhai® Gt2560 (ATmega 2560)
Bên cạnh đó, có thể sử dụng board Arduino Mega2560 kèm với các board mở
rộng (shield), module điều khiển động cơ bước như: RAMPS 1.4 (đã trình bày ở mục 2.3.2), BAM (Beta Arduino Mega),…
Hình 3.17 BAM shield
Lựa chọn: Chọn board Arduino Mega 2560 và RAMPS 1.4 vì tính đơn giản, phổ
biến trên thị trường với giá thành vừa phải. Bên cạnh đó còn có thể sử dụng Arduino Mega2560 với các ứng dụng khác, không chỉ dừng lại với máy in 3D.
- Khối chấp hành
Chọn động cơ cho máy in 3D phụ thuộc vào kích cỡ máy cũng như lực kéo của
động cơ lên các cơ các cơ cấu chuyển động. Trên thị trường có nhiều loại nhưng phổ
biến nhất là loại 6 dây, 1.8º với giá thành tương đối là động cơ KH42JM2B194A (giới thiệu ở mục 2.3.3).
- Khối nguồn
Đối với khối xử lý trung tâm, do máy in 3D hoạt động thông qua phần mềm Repetier Host trên máy tính nên ta có thể sử dụng luôn nguồn từ máy tính thông qua cổng USB với điện áp 5V DC.
Đối với khối chấp hành bao gồm động cơ bước, quạt, cơ cấu gia nhiệt, điện áp đòi hỏi là 12V DC, bên cạnh đó, mỗi động cơ có dòng hoạt động 0.9A, tối đa 5 động cơ
nên chỉ cần sử dụng nguồn 12V, 5A.
3.5 Kết nối hệ thống
3.5.1 Sơ đồ mạch điện máy in 3D
Hình 3.19Sơđồ kết nối các thiết bị máy in 3D Một số lưu ý về các Jumper trên RAMPS 1.4 như sau (từ trái sang):
Bảng 3.1 Jumper trên RAMPS 1.4
Jumper/state
Step size Jumper 1 Jumper 2 Jumper 3
No No No Full step
Yes No No Half step
No Yes No 1/4 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Yes Yes No 1/8
No No Yes 1/16
Yes No Yes 1/32
No Yes Yes 1/64
Yes Yes Yes 1/128
(1) (2)
Tuy nhiên, step size phụ thuộc vào driver điều khiển động cơ bước. Cụ thể, driver A4988 hoạt động ở chếđộ 1/16 thì khi cả 3 jumper được cắm, step size vẫn là 1/16.
Nếu không sử dụng bàn nhiệt thì không cần cấp nguồn tại Main power supply (1), không cần cảm biến (T1) và đầu nhiệt (D8).
3.6 Lưu đồ giải thuật
Hình 3.21 Lưu đồ giải thuật máy in 3D (tt)