Chọn bán kính trục vít:
Tổng chiều dài trục vít = khoảng cách dịch chuyển + chiều dài đai ốc + khoảng thoát = 150 + 40 + 40 = 230 mm.
Kiểu lắp fixed – free có 𝑓 = 3,4 Bán kính trục vít: 𝑑𝑟 =𝑛. 𝐿 2 𝑓 . 10 −7 =1000. 250 2 3,4 . 10 −7 = 1,8 𝑚𝑚
Chọn vít me có bán kính 4 mm. Dựa trên catalouge của hãng PMI ta chọn loại vít me:
FSM0802 – C3 – 1R – 0248.
54 Tuổi thọ làm việc: 𝐿𝑡 = ( 𝐶𝑎 𝐹𝑚𝑧.𝑓𝑤)3. 106. 1 60.𝑁𝑚 = ( 200 18.1,2)3. 106. 1 60.600 = 22056,2ℎ Tốc độ quay cho phép: 𝑛 = 𝑓.𝑑𝑟 𝐿2. 107 = 3,4. 4 2502. 107 = 2176 (vòng/phút) Độ dịch do thay đổi nhiệt độ.
∆𝐿0 = 𝜌. 𝜃. 𝐿 = 12. 10−6. 3.250 = 0,009 𝑚𝑚 Trong đó: 𝜌 là hệ số giãn nở khi thay đổi nhiệt độ (12𝜇𝑚/𝑚0𝐶)
𝜃 là nhiệt độ thay đổi của trục vít L là chiều dài trục vít
Như vậy thời gian hoạt động và số vịng quay đều đạt yêu cầu. [2]
5.2.2.2 Động cơ trục Z
Căn cứ vào momen tải quy đổi, momen quán tính và số vịng quay tối đa, ta lựa chọn động cơ bước phù hợp. Để đơn giản trong q trình tính tốn ta sử dụng cơng cụ tính tốn động cơ bước có sẵn trên trang orientalmotor.com.[4]
55
56
Bảng 5.3 Thơng số tính tốn động cơ[4]
Trong đó:
Total mass of load and table: Khối lượng của bàn máy và phôi, m = 1,5 kg Friction coefficent of guide: Hệ số ma sát của thiết bị dẫn hướng
Dianmeter: Đường kính của trục vít D = 8 mm
Total length: Tổng chiều dài của trục vít L = 250 mm Lead: Bước vít, p = 2 mm
Efficient: Hiệu suất, đối với vít me bi có hiệu suất là 95% Material: Vật liệu là thep không gỉ
57 Safety factor: Hệ số an tồn
Mechanisn angle: Góc nghiêng của cơ cấu
Bảng 5.4 Kết quả tính tốn động cơ[4]
Qua kết quả tính tốn trên ta đã thu được các thơng số cần thiết như: Momen qn tính: 𝐽𝐿 = 1,1061. 10−6 (𝑘𝑔. 𝑐𝑚3)
Momen tải quy đổi: : 𝑇 = 6,7001. 10−2 (𝑁. 𝑚) Số vòng quay tối đa: : 𝑉 = 480 (vịng/phút) Với tiêu chí:
58
𝑇𝑟𝑎𝑡𝑒 > 𝑇 momen định mức động cơ lớn hơn momen cần thiết 0,5 > 𝐽𝐿
𝐽𝑚 ≥ 2 trong đó 𝐽𝑚 là momen qn tính định mức của động cơ
Dựa vào các tiêu chí trên, giá thành và độ chính xác motor, ta lựa chọn động cơ bước mã 42H47HM – 0504A – 18.
Hình 5.5 Động cơ bước 42H47HM – 0504A – 18 [13]
Dưới đây là các thông số của động cơ. Góc bước nhỏ nhất: 0,90
Momen xoắn 𝑇𝑟𝑎𝑡𝑒 = 0,45 (𝑁𝑚)
Momen quán tính 𝐽𝑚 = 72. 10−4 (𝑔. 𝑐𝑚2) Khối lượng motor m = 367 (g)
59 Dòng định mức I = 1,7 (A)
Momen hãm T = 37. 10−4 (𝑁𝑚)
5.2.2.3 Khớp nối
Để truyền chuyển động, truyền momen giữa 2 trục với nhau ta sử dụng khớp nối gồm: nối trục, ly hợp và ly hợp tự động. Khớp nối là chi tiết tiêu chuẩn vì vậy trong thiết kế thường dựa vào momen xoắn tính tốn Tt, được xác định theo công thức :
𝑇𝑡 = 𝑘. 𝑇 = 4.0,08 = 0,32 (𝑁𝑚) ≤ [𝑇]
Với: T là momen xoắn danh nghĩa k là hệ số chế độ làm việc, k = 4
Đối với máy in 3D, ta dùng loại khớp nối đàn hồi bằng hợp kim nhơm do kích thước khớp nối nhỏ gọn, khả năng truyền momen xoắn cao. Đồ án sử dụng khớp nối loại PC1 với đường kính motor 5mm, kích thước 2 đầu trục 5 – 8.
60
Hình 5.6 Khớp nối
5.2.2.4 Bàn nâng trục Z
Đối với bàn nâng trục Z sử dụng vật liệu mica với ưu điểm khối lượng nhẹ hạn chế hiện tượng bàn máy bị công xôn, giá thành lại hợp lý. Sử dụng lò xo và đai ốc để cân bằng bàn máy. Phía trên cùng sử dụng một tấm kính dày khoảng 3 – 5mm để in trực tiếp lên tấm kính.
5.2.3 Thiết kế, tính tốn sống trượt dẫn hướng
Thơng số cụm trục XY:
- Khối lượng trục Y: m = 5 kg - Khối lượng trục X: m = 1 kg
- Chiều dài làm việc: 𝑆𝑥 = 200 mm, 𝑆𝑦 = 200 mm - Vận tốc tối đa: 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 150 mm/s
- Vận tốc khi in: 𝑉1 = 100 mm/s
61
- Tốc độ động cơ: N = 1500 (vịng/phút) Tính tốn sống trượt dẫn hướng:
Phần lớn chuyển động trong quá trình in là của cụm trục XY. Sử dụng sống trượt dẫn hướng cho cụm trục XY để tăng độ chính xác và thời gian làm việc. Chọn sống trượt dẫn hướng phụ thuộc vào độ chính xác của máy, độ cứng vững, thời gian làm việc, tính kinh tế.
Tính tốn tải trọng tối đa đặt lên sống trượt.
Khoảng cách giữa 2 con trượt khác ray: c = 340 (mm) Khoảng cách giữa 2 con trượt cùng ray: d = 0 (mm) Lực tác dụng lên trục: F = 0 (N)
Khoảng cách từ lực đến trọng tâm trục theo phương Y: a = 0 (mm) Khoảng cách từ lực đến trọng tâm trục theo phương X: b = 0 (mm) Lực tối đa đặt lên sống trượt: 𝑃1 = 𝑤
4 +𝐹 4+𝐹.𝑎 2.𝑐 +𝐹.𝑏 2.𝑑 𝑃2 = 𝑤 4 +𝐹 4+𝐹.𝑎 2.𝑐 −𝐹.𝑏 2.𝑑 𝑃3 = 𝑤 4 +𝐹 4−𝐹.𝑎 2.𝑐 +𝐹.𝑏 2.𝑑 𝑃4 = 𝑤 4 +𝐹 4−𝐹.𝑎 2.𝑐 −𝐹.𝑏 2.𝑑
Do khơng có ngoại lực tác dụng vào hệ thống trượt trục Y nên
𝑃1~𝑃4 = 𝑤
4
Ở đây sử dụng 2 con trượt:
𝑃1 = 𝑃2 = 𝑤 4 = 𝑚. 𝑔 4 = 5.10 4 = 25𝑁 Hệ số an toàn tĩnh: 𝑓𝑠𝑙 = 𝐶0 𝑃 =2,55.1000 25 = 102 Với 𝐶0 là hệ số tải tĩnh 2,55kN
62 P là lực tối đa đặt lên sống trượt 25N Tuổi thọ danh nghĩa của sống trượt:
𝐿 = (𝑓ℎ. 𝑓𝑡. 𝐶 𝑓𝑤. 𝑃 ) 3 . 50 = (1.0,9.1,86.1000 1,2.25 ) 3 . 50 = 350116 (𝑘𝑚) Với: 𝑓ℎ = 1 là hệ số độ cứng 𝑓𝑡 = 0,9 là hệ số nhiệt độ C = 1,86kN là hệ số tải động 𝑓𝑤 = 1,2 là hệ số tải
Thời gian hoạt động của sống trượt:
𝐿ℎ = 𝐿. 10 3 𝑉𝑒. 60 = (𝐶𝑃). 50. 103 𝑉𝑒. 60 = (1,86.100025 ) . 50. 103 9.60 = 172222,2ℎ Với 𝑉𝑒 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 150 (mm/s) = 9 (m/phút)
5.2.4 Thiết kế các chi tiết bộ gá
- Gá đầu đùn:
63 - Gá dẫn động Y
Hình 5.8 Gá dẫn động trục Y
- Gá động cơ X
64 - Gá động cơ Y
Hình 5.10 Gá động cơ trục Y
- Gá ròng rọc trái
65 - Gá ròng rọc phải
Hình 5.12 Gá rịng rọc phải
- Gá trượt trục Z
66
5.2.5 Lựa chọn các linh kiện khác
5.2.5.1 Lựa chọn bàn nhiệt
Bàn nhiệt của máy in là bộ phận gia nhiệt cho bàn in lên đến một nhiệt độ nhất định đối với một loại nhựa nhất định. Đối với phần lớn nhựa in, nhiệt độ bàn in thường không vượt quá 120oC, ta có thể tính tốn lượng nhiệt cần thiết để gia nhiệt của bàn in:
𝑄 = 𝐺 × 𝐶𝐴𝑙𝑢 × ∆𝑇 = 𝑆 × 𝛿 × 𝐷 × 𝐶𝐴𝑙𝑢 × ∆𝑇
Với: Q: là nhiệt lượng cần cung cấp để gia nhiệt cho bàn nhiệt (J). G: khối lượng bàn nhiệt (kg).
CAlu: Nhiệt dung riêng của nhôm (880 J/(kgK)). ∆𝑇: Độ chênh lệch nhiệt độ (K).
S: Diện tích bề mặt bàn nhiệt (𝑚2). 𝛿: Độ dầy bàn in (m).
67
Hình 5.14 Bàn in nhiệt nhơm MK3
Từ thơng số kích thước, độ dày, cơng suất gia nhiệt, chúng em xin lựa chọn bàn nhiệt MK3. Các thông số kĩ thuật của bàn nhiệt nhôm MK3:
- Kích thước: 210mmx210mm. - Độ dầy: 3mm.
- Hỗ trợ điện áp 12V, 24V.
- Công suất gia nhiệt: 144W ở 12V. - Kích thước lỗ vít: 3mm.
68
5.2.5.2 Màn hình LCD 2004
Hình 5.15 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 gỉan với chỉ 4 dây. LED 20X04 có khả năng hiển thị 4 hàng, mỗi hàng 20 kí tự, tương ứng với 4 hàng 20 cột. Để sử dụng được sản phẩm với chuẩn I2C cần thêm thư viện hỗ trợ và phải biết địa chỉ của sản phẩm trong đường truyền I2C. Sản phẩm có độ bền cao đồng thời có rất nhiều ví dụ mẫu được cộng đồng Arduino xây dựng sẵn sẽ giúp người mới sử dụng làm quen nhanh hơn cũng như tiết kiệm được thời gian trong việc phát triển ứng dụng của mình.
Thơng số kĩ thuật:
Điện áp hoạt động: 5VDC
69 Nhiệt độ hoạt động: -30°C đến 75°C.
Kích thước 96 x 60 mm, chữ đen, nền xanh lá.
Đèn Led nền có thể điều khiển bằng biến trở hoặc PWM. Có thể điều khiển bằng 6 chân tín hiệu.
Hỗ trợ hiển thị bộ kí tự tiếng Anh và tiếng Nhật. Sơ đồ chân
Sơ đồ chân của LED text 20x04 giống vối các sản phẩm LED text thông thường với 16 chân. nhưng module sửa dụng thêm IC tích hợp giao tiếp I2C do đó người dùng cần kết nối với 4 chân I2C.
VSS: tương đương với GND - cực âm
VDD: tương đương với VCC - cực dương (5V) Constrast Voltage (Vo): điều khiển độ sáng màn hình
Register Select (RS): lựa chọn thanh ghi (RS=0 chọn thanh ghi lệnh, RS=1 chọn thanh ghi dữ liệu)
Read/Write (R/W): R/W=0 ghi dữ liệu , R/W=1 đọc dữ liệu. Enable pin: Cho phép ghi vào LCD
D0 - D7: 8 chân dữ liệu, mỗi chân sẽ có giá trị HIGH hoặc LOW nếu bạn đang ở chế độ đọc (read mode) và nó sẽ nhận giá trị HIGH hoặc LOW nếu đang ở chế độ ghi (write mode)
Backlight (Backlight Anode (+) và Backlight Cathode (-)): Tắt bật đèn màn hình LCD.
70
5.2.6 Bộ phận đùn nhựa
5.2.6.1 Cụm 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 5.16 Bộ tời nhựa
5.2.6.2 Đầu 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 nhơm để đảm bảo tính tản nhiệt tốt. Một đầu phun bao gồm:
71
- 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 nhơm 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 tồn, 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.
5.3 Lắp ráp khung cơ khí
Lắp ráp khung cơ khí là phần lắp ráp cơ bản tồn bộ khung bao gồm toàn bộ trục Y, trục Z dựa vào các linh kiện đã chuẩn bị ở mục trên và mô phỏng thực hiện trên Solidwork.
Bước 1: Với 4 thanh nhơm định hình 20x40 làm chân máy, cùng 4 thanh nhơm định hình 20x20 gắn lại với nhau thành khung máy sơ bộ như hình 5.17.
72
Hình 5.17 Khung sơ bộ của máy in 3D mini
Bước 2: Lắp các thanh nhơm định hình vào để cố định chân máy và xác định khoảnh di chuyển trục Z.
73
Bước 3: Lắp ráp bộ truyền động trục Z và dẫn động trục Y
Hình 5.19 Khung máy đã được lắp ráp bộ truyền động trục Z
Bước 4: Lắp đặt các bộ gá đỡ động cơ trục X, Y và bộ truyền động trục X, Y
74
5.4 Tính tốn thiết kế phần điện
Hình 5.21 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.
75
5.4.1 Khối nguồn
Hình 5.23 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 dịng điện ln 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.
5.4.2 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.
76
Hình 5.24 Sơ đồ khối các linh kiện điện tử
Vi điều khiển: Đồ án này sử dụng board MKS Gen L v2.1, dễ sử dụng, phổ biến, tiện lợi và kết nối phần cứng dễ dàng.
77
MKS Gen L V2.1 là board mạch dùng đề điều khiển máy in 3D. Được tích hợp chip Mega 2560 và Ramps trên cùng 1 board mạch giúp tiết kiệm không gian và mang lại sử ổn định khi vận hành. Các linh kiện tốt cùng với MOSFET chất lượng giúp tản nhiệt cũng như chịu tải dòng tốt hơn Ramps 1.4.
- Các driver hỗ trợ: A4988, DRV8825, TMC 2100, 2208, 2209, 2130,...
- Hỗ trợ điện áp ngõ vào: 12V và 24V.
- LCD thông dụng: 2400, 12864, TFT, 2004,...
- Cổng đầu ra hướng và xung động cơ được đặt trước, thuận tiện cho dòng điện cao bên ngoài được kết nối với mạch động cơ lớn (như 2A, 5A).
- Các giao diện Servos, AUX-1 và AUX-2 và ba đầu ra 5V và ba giao diện đầu ra 12V được cung cấp cho các linh kiện ngồi.
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 Dịng trung bình (RMS): 1 A, dịng đỉnh: 2 A
Điện thế điều khiển 3,3 V - 5 V Nhiệt độ tối đa 1500C
78
5.5 Phần mềm điều khiển máy in 3D
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 Simplify 3D, Cura, Pronterface …. Trong đồ án, sử dụng phần mềm Cura. Phần mềm Cura là phần mềm miễn phí có ưu điểm là dung lượng phần mềm nhỏ, giao diện trực quan, dễ sử dụng.
Cura là phần mềm cắt lớp và xuất Gcode cho máy in 3D mã nguồn mở. Nó được tạo ra bởi David Braam ở cơng ty Ultimaker. Bạn có thể tải phần mềm tại trang chủ của Ultimaker: https://ultimaker.com/software/ultimaker-cura
Hình 5.27 Giao diện phần mềm Cura [16]
Trong Cura để cài các thông số cho máy in chọn vào: Settings ► Printer ► Manage Printers... Sẽ ra giao diện như sau: