4.4 Linh kiện điện tử và hệ thống điều khiển
4.4.1 Module điều khiển động cơ bước A4988:
Module điều khiển động cơ bước A4988 là một trình điều khiển động cơ vi bước hồn chỉnh với việc tích hợp bộ dịch cho hoạt động dễ dàng. Sản phẩm này hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động của động cơ bước lưỡng cực như: Full, Half, ¼, 1/8 và 1/16.
Sơ đồ chân và sơ kết nối
Hình 4. 27 Sơ đồ mạch điện driver động cơ A4988 (Nguồn Internet) Chức năng các chân Chức năng các chân
- Bật tắt động cơ thông qua chân ENABLE, mức LOW là tắt module, mức HIGH là bật.
- 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).
- Chọn chế độ hoạt động bằng cách đặt mức logic cho các chân MS1, MS2, MS3. - Hai chân Sleep với Reset nối với nhau luôn.
Thông số kỹ thuật
- Cơng suất ngõ ra lên tới 35V, dịng đỉnh 2A.
- Có 5 chế độ: full bước, 1/2 bước, 1/4 bước, 1/8 bước, 1/16 bước. - Tự động ngắt điện khi quá nhiệt.
- Cách sử dụng Lựa chọn chế độ full hay 1/2 hay ¼… sẽ được thơng qua 3 pin MS1 MS2 MS3.
- Bật tắt động cơ thì thơng 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).
Các chế độ điều khiển
Hình 4. 28 Các chế độ điều khiển Điều khiển dòng đầu ra của Module Điều khiển dòng đầu ra của Module
Drive động cơ bước A4988 điều chỉnh dòng cấp cuộn dây bằng cách điều chỉnh biến trở, nên nếu điều chỉnh biến trở khơng đúng thì sẽ khiến động cơ khơng chạy (do dòng quá lớn) hoặc động cơ vẫn chạy nhưng q nóng (do dịng qua cuộn dây q lớn).
Dịng của cuộn dây được tính thơng qua điện áp của biến trở là: V Cơng thức tính I cấp cho động cơ:
Trong đó: Rs = Const, quan sát trên Board A4988.
V_ có thể thay đổi được bằng cách đo điện áp của biến trở.
Khi điều chỉnh dòng cấp cho động cơ, cần điều chỉnh biến trở sao cho khi tính ra giá trị của I, thì I bằng hoặc nhỏ hơn một chút so với giá trị Iđm của động cơ.
4.4.2 Board Mạch MKS Gen L V2.0
Giới thiệu board điều khiển máy in 3D MKS Gen V2.0 - Board mặt tích hợp giữa Arduino Mega 2560 và Ramp 1.4
- Tích hợp Arduino Mega 2560 và Ramps V1.4 trên cùng một bo mạch, thuận tiện cho việc lắp đặt.
- Có thể sử dụng được với nhiều driver tích hợp: DRV8825, A4988, TMC2100, TB6600….
- Sử dụng Mosffet công suất cao và tản nhiệt ưu việt hơn so với Ramps V1.4 - Sử dụng mã nguồn mở Marlin
- Ký hiệu rõ ràng các trục XYZ bằng các màu khác nhau, các dăm cắm cắm được thiết kế một chiều giúp hạn chế việc cắm ngược.
- Sử dụng được với màn hình LCD 12864 or 2004. Có thể sử dụng với màn hình TFT 2.8 or TFT 3.2 hỗ trợ in lại từ điểm in bị mất điện.
Thông số kỹ thuật
– Model: MKS Gen L V2.0 – Điện áp: 12V/ 24VDC
– Chip: Atmega2560 (Arduino mega2560) – Chip Usb to TTL : CH340
– Kết nối không dây: Wifi/Bluetooth – Hỗ trợ cảm biến nhiệt loại: NTC 100K – Hỗ trợ cặp nhiệt loại: AD597/PT100 – N Endstop: 6
– N Fan: 1
– Bộ đùn: E1, E2 – Micro step: Full step
– Hỗ trợ driver: A4988, A4982, DRV8825, TMC2100, LV8729, TB6600..vv – Hỗ trợ LCD điều khiển: LCD2004, LCD12864, MKS TFT, OLED..vv – Phần mềm hỗ trợ: Simplify 3D, KISSlicer, Cura, Repetier-host..vv – File hỗ trợ: G-Code
– Thẻ nhớ: Tùy theo Ramp LCD
– Có thể sử dụng cho các loại máy in 3D như: Máy 3 trục X,Y,Z , Delta, i3, corexy…vv
Hình 4. 30 Kích thước của board MKS Gen V2 (Nguồn Internet)
Hệ thống dây điện
CHƯƠNG 5 :
THI CƠNG
Sau q trình nghiên cứu, tính tốn và thiết kế, nhóm đã chế tạo thành cơng mơ hình máy in 3D, với dung sai chi tiết hiện tại dao động từ 0,1 ~ 0,2 mm. Vật liệu được sử dụng trong quá trình in gel được cung cấp từ đại học Quốc tế.
Hình 5. 1 Mơ hình thiết kế 3D
Thơng số Giá trị
Kích thước máy 480x360x340 mm
Khơng gian làm việc 200x150x150 mm Tốc độ in tối đa 150 mm/s
Tốc độ in tối ưu 100 mm/s
Quy trình vận hành của máy
Hình 5. 2 Quy trình vận hành của máy
5.1 Mơ phỏng q trình chuyển động của máy in 3D
Trong quá trình nghiên cứu trên youtube và một số trang web về cơ khí khác nhau, chúng em đã quyết định sử dụng phần mềm Inventor để mơ phỏng q trình chuyển động của máy in 3d.
Autodesk Inventor là phần mềm xây dựng mơ hình 3D, thiết kế, hình mẫu và kiểm tra ý tưởng các sản phầm. Inventor tạo ra các nguyên mẫu mô phỏng chuẩn xác khối lượng, áp lực, độ ma sát, tải trọng,… của các đối tượng sản phẩm trong môi trường 3D. Các công cụ mô phỏng, phân tích được tích hợp trong Inventor cho phép người
dùng thiết kế từ khuôn đúc cơ bản đến nâng cao như thiết kế chi tiết máy, trực quan hóa sản phẩm. Inventor cịn được tích hợp CAD và các cơng cụ giao tiếp thiết kế nhằm nâng cao năng suất làm việc của CAD và giảm thiếu phát sinh lỗi, tiết kiệm thời gian.
Hình 5. 3 Giao diện của phần mềm Inventor
Đầu tiên chúng ta phải gán cho các trục ràng buộc bằng lệnh Constrain. Để tạo ràng buộc các chi tiết với nhau trong môi trường Assembly, chung ta chọn vào lệnh Constraint. Lúc này xuất hiện hộp thoại Place Constraint.
Trong hộp thoại Place Constraint có khá nhiều Tab khác nhau, trong đó tab Assenbly chưa các chức năng, cơng cụ ràng buộc giúp lắp ghép các chi tiết lại với nhau.
Trong phần Type, chúng ta tìm hiểu đến cơng cụ Mate như hình bên dưới
Chọn Flush trong phần Solution
Sau đó bên màn hình đồ họa chọn vào bên mặt của tỳ xy lanh và vỏ xylanh để chúng ràng buộc với nhau. Đồng thời cùng làm vậy với 2 bàn trượt trục X và Y. Tiếp theo đó ta vào phần environments chọn Inventor studio để tiến vào phần mô phỏng.
Để điều chỉnh các chuyển động trong cùng 1 thời gian cho nhịp nhàng thì chúng ta cần gán các chuyển động lại với nhau chúng ta dùng lệnh Animate constraint.
Hình 5. 5 Hộp thoại Animate constraint
Các thông số cơ bản cần thiết lập gồm:
Action : Start là khoảng cách bắt đầu di chuyển của trục End là điểm kết thúc của chuyển động.
Time : Start là thời gian bắt đầu di chuyển của trục End là thời gian kết thúc quá trình di chuyển
Đầu tiên chúng ta cho trục Z và trục X di chuyển trước bắt đầu từ 0 giây đến 5 giây để đầu in cùng với tấm nhơm mặt in di chuyển vào giữa. Sau đó đầu in mới bắt đầu phun Gel cùng với lúc đó trục Y mới bắt đầu di chuyển từ giây thứ 5 đến giây thứ 10. Khi trục Y di chuyển đến hết quảng đường thì trục X mới bắt đầu di chuyển tiến hành tạo thành mẫu in theo từ lớp như vậy bằng cái lặp lại các di chuyển như trên.
5.2 Phần mềm điều khiển
Có nhiều phần mềm điều khiển máy in 3D như repertier host, pronterface …. Trong đồ án, sử dụng phần mềm Cura. Phần mềm Cura là phần mềm miễn phí có ưu điểm là nguồn mở. Nó là tiêu chuẩn vàng của máy in 3D trên toàn thế giới. Nếu bạn so sánh Cura với các phần mềm chia lớp 3D khác, tất cả có vẻ rất đơn giản, với các tùy chọn và điều chỉnh hạn chế. Nhưng có nhiều cài đặt phức tạp hơn nếu bạn cần chúng; Nó chỉ được thiết kế rất gọn gàng và thân thiện.
Cura 3D đang cắt phần mềm cho máy in 3D. Nó lấy một mơ hình 3D và chia nó thành các lớp để tạo một tệp có tên là G-Code, đây là mã mà máy in 3D hiểu được.
Cura chia lớp mơ hình 3D. Nó biên dịch tệp 3D STL, OBJ hoặc 3MF sang định dạng mà máy in có thể hiểu được. Máy in 3D sử dụng sợi nhựa hợp nhất (FFF) in các lớp chồng lên nhau để tạo đối tượng 3D. Cura 3D lấy mơ hình 3D và tìm ra cách các lớp đó được đặt trên bàn in và tạo một bộ hướng dẫn cho máy in tuân theo – lớp trên lớp.
Các thông số cơ bản bao gồm:
Hình 5. 7 Hộp thoại cơ bản của Cura
Layer height là chiều dày 1 lớp, chiều dày một lớp càng nhỏ thì chi tiết in càng mịn tuy nhiên thời gian in chậm. Lớp in càng mỏng thì càng hạn chế được khác khuyết tật của mẫu in như những vết nhựa dư, chảy nhựa,... Ngược lại lớp in càng dày thì thời gian in càng nhanh tuy nhiên có thể có một số nhược điểm như sai lệch kích thước sẽ lớn hơn, độ bóng bề mặt thấp, chất lượng mẫu in khơng cao. Chiều dày một lớp in tối đa khơng q đường kính của đầu phun nhựa. Nhóm em chọn mỗi lớp dày khoảng 0,08 mm vì vật liệu in là tế bào được cấu tạo rất nhỏ.
Shell thickness: bề dày lớp vỏ của sản phẩm tính bằng milimet. Bề dày lớp vỏ càng lớn thì độ bền sản phẩm càng cao.
Top/ Bottom Thickness: Độ dày của lớp trên cùng và lớp dưới cùng chi tiết ( Layer Height trên để 0,08 và cài đặt mà 1.2 thì số lớp in là 15 lớp - Có thể cài đặt trực tiếp ở Top Layer hoặc Bottom Layer).
Print setting: Tốc độ, chiều dày 1 lớp in, chiều dày lớp in, độ đặc của chi tiết, các thông số của support như chiều dày, độ đặc, …ở đây chúng em để ở mức 50 mm/s.
Printing temperature là nhiệt độ khi in
Filament Diameter: đường kính sợi nhựa, phổ biến hiện nay là nhựa có đường kính 1,75mm; 3mm.
Nozzle Size là kích thước mũi in của máy. Đường kính đầu phun nhựa là một yếu tố khá quan trọng vì nó ảnh hưởng tới đường kính của sợi nhựa được phun ra.
Retraction: cài đặt thông số chi tiết cho chức năng giám bớt ba via
Speed: tốc độ rút sợi nhựa tính bằng mm/s. Tốc độ cao sẽ tốt hơn, giảm bớt ba via tốt hơn. Tuy nhiên tốc độ quá cao có thể dẫn đến mịn sợi nhựa, ảnh hưởng đến quá trình in.
Distance: khoảng cách rút sợi nhựa lại tính bằng milimet. Khoảng cách bằng 0 tương đương với việc khơng kích hoạt chức năng rút nhựa.
Initial layer thickness: độ dày lớp in đầu tiên được tính bằng milimet. Độ dày lớn giúp nhựa kết dính với bàn in tốt hơn.
Initial layer line width: điều chỉnh lượng nhựa phun lớp in đầu tiên. Cài đặt 100 % nếu muốn lượng nhựa phun như bình thường. Có thể điều chỉnh tăng để lớp in đầu tiên có thể kết dính tốt hơn với bàn in.
Cut off object bottom: cắt bỏ một phần mơ hình để tăng diện tích lớp đáy, giúp kết dính bàn in tốt hơn.
Travel speed: tốc độ di chuyển đầu phun khi qua lại giữa các khoảng trống. Tốc độ cao giúp tiết kiệm thời gian nhưng có thể dẫn đến sự sai lệch của động cơ và làm hư sản phẩm.
Bottom layer speed: tốc độ in của lớp đầu tiên. Tốc độ chậm giúp lớp in kết dính tốt hơn với bàn in.
Infill speed: tốc độ điền đầy phần trong của mơ hình.
Top/Bottom speed: tốc độ in lớp đáy và lớp mặt của sản phẩm. Cài đặt tốc độ cao giúp tiết kiệm thời gian nhưng có thể ảnh hưởng xấu đến ngoại quan sản phẩm.
Outer shell speed: tốc độ in đường viền phía ngồi của sản phẩm. Nên cài đặt tốc độ thấp để nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm.
Inner shell speed: tốc độ in đường viền phía trong của sản phẩm. Chúng ta có thể cài đặt tốc độ này cao hơn để tiết kiệm thời gian do việc này ảnh hưởng không nhiều đến ngoại của sản phẩm.
Minimal layer time: thời gian tối thiểu để in 1 lớp của sản phẩm được tính bằng giây. Việc này giúp đảm bảo lớp in có đủ thời gian khơ cứng định hình trước khi in lớp kế tiếp đè lên trên.
Enable cooling fan: kích hoạt quạt làm nguội giúp nhựa khơ cứng định hình nhanh hơn. Việc dùng quạt cịn tùy thuộc vào đặc tính vật liệu sử dụng.
CHƯƠNG 6 :
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ KẾ LUẬN
6.1 Kết quả đạt được
Sau q trình nghiên cứu, tính tốn và thiết kế, em đã tính tốn, mơ phỏng thành cơng mơ hình máy in 3D, với dung sai chi tiết hiện tại dao động từ 0,2 ~ 0,5 mm. Vật liệu được sử dụng trong quá trình in là gel sinh học được cung cấp bởi đại học Quốc tế. Trước khi vận hành máy nên vệ sinh bề mặt bàn in bằng dung dịch khử trùng để có thể diệt hết vi khuẩn khi mở máy ra lấy sản phẩm in. Trước khi bắt đầu in cần di chuyển đầu phun ra vị trí an tồn sau đó dùng các lệnh thủ cơng cho đùn gel ra khoảng 5mm sau đó lau sạch vết gel để đảm bảo đầu phun khơng bị tắc.
Hình 6. 1 Máy in 3D sinh học
Vì thời gian thực hiện đồ án trong quá trình cách ly của thành phố Hồ Chí Minh. Sau khi hồn thiện thiết kế cũng là lúc thành phố khơng cho ra ngồi chúng em đã gặp phải rất nhiều khó khăn trong q trình thi cơng để hồn thiện đồ án. Chúng em chỉ mới hoàn thành được phần trục vitme XY và xi lanh điện trục Z của máy. Còn phần khung do lúc đặt làm cắt laser khơng thể hồn thành trước q trình cách ly
nên chưa thể lắp thành máy hoàn thiện được nên chúng em mong quý thầy cô thông cảm.
Hình 6. 2 Hình ảnh thực tế của máy in 3D
Ưu điểm:
- Giá thành rẻ hơn so với các máy khác nhiều lần. - Nhỏ gọn, dễ dàng tháo lắp và di chuyển.
- Giao diện thân thiện.
Khiếu điểm của máy và những mục tiêu chưa đạt được:
- Cơ cấu chưa thật sự tối ưu
- Do tình hình dịch covid nên chưa thể lắp sắp thành máy hoàn thiện để chạy thử
được nên khơng thể biết được chính xác áp suất của máy để điều chỉnh khi in ( dự tính là 230KPA).
- Độ chính xác của các lớp in chi đã mức độ từ 0,2 đến 0,5 mm vài chi tiết cần độ chính xác cao lên tới 0,1 mm.
- Giá thành chế tạo máy và vật liệu in còn quá cao nên sản phẩm tạo ra sẽ rất dắt so với thị trường.
Hướng phát triển đề xuất
- Khắc phục các lỗi trên máy.
- Cải thiện tốc độ in cao hơn
- Nghiên cứu vật liệu in khác có chất lượng cao và rẻ hơn.
- Nâng cấp phần mềm, tính năng để cho người dùng dễ dàng tiếp cận và sử dụng. - Nâng cấp các kết cấu cơ khí để máy có thể hoạt động được tối ưu hơn, và nhỏ gọn hơn.
- Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện thiết kế để tăng năng suất, hiệu quả của máy in 3D sinh học để có thể sản xuất theo quy mơ cơng nghiệp.
Vấn đề tồn tại là khá nhiều, tuy nhiên trong giới hạn, khả năng trình độ và
thời gian có hạn nên chúng em chưa thể hồn thiện những vấn đề trên . Đây là một