30
Hình 29. Xác định mặt cố định khi mơ phỏng
Hình 30. Đặt áp suất tác động vào mơ hình
2.2.5. Kết quả sau mơ phỏng
Từ kết quả mô phỏng, bảng thông số thiết kế một bộ kẹp mềm được trình bày dưới bảng sau. Từ các thơng số này, bước tiếp theo của q trình đó là tạo khn, chế tạo đầu kẹp và hồn thiện đầu gắp mềm.
31
Bảng 1. Các thông số thiết kế của một bộ kẹp mềm dựa trên thiết kế trong Hình 17.
Ký hiệu Giá trị (mm) Giải thích
H 8 Chiều cao bộ truyền động mềm
H1 1 Độ dày lớp đế không biến dạng
H2 3 Độ cao đường dẫn khí
H3 3 Độ cao của khoang khí
H4 1 Độ dày của đỉnh khoang khí
L 62 Chiều dài của bộ truyền động mềm
L1 2 Chiều dài của khoang khí
L2 4 Khoảng cách giữa các khoang khí
L3 6 Chiều dài của phần đầu bộ truyền động
W 17 Chiều rộng của bộ truyền động
Kiểm chứng bằng phương pháp thực nghiệm 2.3.
2.3.1. Chế tạo và lắp ráp
Phương pháp in 3D
2.3.1.1.
Chúng ta sẽ so sánh giữa việc tạo khuôn sử dụng công nghệ in 3D SLA, công nghệ 3D PLA và phương pháp in 3D thơng thường. Từ những hình ảnh trực quan này chúng ta có thể thấy việc in khn 3D đổ đầu gắp bằng những cơng nghệ bình thường gây ra những sai khác đối với phần khuôn, chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy những vết sần, lồi lên trên bề mặt. Điều này là không tốt đối với việc chúng ta chế tạo khuôn cho đầu gắp mềm vì nó sẽ gây ra việc đầu gắp khơng đạt chất lượng như tính tốn và mong muốn cuối cùng.
Hình 31. Một số hình ảnh về q trình in khn 3D đổ đầu gắp 4 ngón mềm
Từ những hình ảnh trực quan này chúng ta có thể thấy việc in khn 3D đổ đầu gắp bằng công nghệ in 3D SLA cho ra kết quả khuôn với chất lượng bề mặt rất cao. Bề
32
mặt của khn nhẵn, mịn và có tính cơ tính rất tốt. Chúng ta chỉ việc cắt bỏ đi phần nhựa thừa bám vào các phần khuôn rồi dùng dũa để làm nhẵn thêm bề mặt tại một số vị trí cần thiết trên khn là đã có được phần khn đổ đầu gắp. Tuy nhiên trải qua quá trình thử nghiệm chế tạo đầu gắp mềm bằng khuôn in SLA đã phát hiện ra một vấn đề đó chính là khi sử dụng các chất phụ gia để làm nhẵn mịn bề mặt của khn thì nó sẽ làm cho phần hỗn hợp ecoflex đổ đầu gắp mềm không thể đông đặc và gặp vấn đề về độ nhớt bề mặt lớn. Đây là một kết quả cần lưu ý khi chúng ta thực hiện đổ đầu gắp mềm ở những lần kế tiếp. Nhận thấy vấn đề trong việc sử dụng cả máy in 3D thông thường để tạo mẫu đến việc gặp vấn đề về chất phụ gia khi sử dụng công nghệ in 3D SLA. Một phương án đã được thử nghiệm đó là sử dụng cơng nghệ in 3D PLA cho việc tạo khuôn đổ đầu gắp mềm và kết quả phần khn thu được đã phần nào đó đạt chất lượng tốt về bề mặt và khơng gặp vấn đề trong q trình đổ khn hỗn hợp do chất phụ gia bề mặt. Do đó các sản phẩm khuôn in 3D tạo mẫu đầu gắp mềm từ đây đều được xử lý bằng cơng nghệ PLA với máy móc đạt chất lượng chuẩn.
33
Hình 33. Khn đổ đầu gắp được sản xuất từ công nghệ in 3D SLA
Hình 34. Khn đổ đầu gắp được sản xuất từ công nghệ in 3D PLA (a) khuôn đổ một bộ truyền động riêng, (b) khuôn chung 4 bộ truyền động
Q trình đổ khn bộ truyền động mềm
2.3.1.2.
Vì là thành phần rất quan trọng trong đề tài nghiên cứu và cũng là thành phần có những đặc tính đặc biệt hơn cả nên việc tính tốn xử lý cơng đoạn chế tạo đầu gắp mềm được thực hiện một cách rất kỹ càng và cẩn thận. Sau khi đã có được phần khn in 3D tốt cùng với lượng nguyên liệu đủ cung cấp cho quá trình chế tạo đầu gắp mềm. Bước tiến hành việc chế tạo đầu gắp dựa trên một quy trình từng bước đã được lên kế hoạch một cách khoa học trước đó. Đầu tiên là q trình cân lượng dung dịch eco-flex sẽ sử dụng bằng cân điện tử để xác định thể tích hay khối lượng vật liệu sẽ sử dụng là hợp lý.
Ở đây chúng ta không chỉ thực hiện việc cân khối lượng dung dịch sẽ sử dụng, mà còn phải chú ý về tỉ lệ pha trộn của 2 loại dung dịch phải ở tỉ lệ xấp xỉ 1:1 để đảm bảo phản ứng đơng đặc của eco-flex được xảy ra chính xác. Sau khi đổ hỗn hợp 2 dung
34
dịch theo tỉ lệ 1:1 và nhìn số liệu từ cân, chúng ta sẽ lấy cốc ra và dùng một ống thủy tinh hoặc ống hút nhựa để có thể khuấy đều hỗn hợp dung dịch này lên. Khối lượng hỗn hợp dung dịch tính tốn theo thể tích là khoảng 44 gam cho 2 loại Eco flex A và B.
Hình 35. Trộn dung dịch ecoflex theo tỉ lệ 1:1 vào cốc rồi quan sát số liệu trên cân
Hình 36. Đổ khn hỗn hợp sau khi trộn đều
Sau khi đã khuấy đều hỗn hợp dung dịch, chúng ta sẽ đổ nó vào khn in 3D đã chế tạo được trước đó. Trong hình 36 là khn sau khi vừa đổ dung dịch có cắm thêm
35
1 thanh nhựa ở mỗi khn dùng tạo đường khí. Sau khi dung dịch khơ lại thì tại vị trí này sẽ hình thành đường khí để kết nối với ống khí cấp bên ngồi. Rồi sau đó chúng ta sẽ đưa khn vào trong một buồng hút chân không. Bật cho máy hút chân không chạy rồi chờ trong khoảng 30 phút để máy hút hết các thành phần bọt khí trong hỗn hợp dung dịch đó. Sau khi đã thực hiện việc hút chân khơng và hút hầu như hết các bọt khí ở trong phần hỗn hợp vừa đổ vào khn, chúng ta bỏ phần khn ra ngồi và bảo quản ở trong điều kiện phịng kín, sạch sẽ và ở nhiệt độ phịng thích hợp. Điều kiện phù hợp theo các tiêu chuẩn sử dụng và bảo quản đối với vật liệu polime ecoflex 00-30 để có thể đảm bảo q trình phản ứng trong hỗn hợp diễn ra bình thường và sau khoảng 4 giờ đồng hồ sẽ đơng đặc hồn tồn và chúng ta đã có thể tách phần đầu gắp mềm ra khỏi phần khn. Đó chính là phần thân đầu gắp mềm mà chúng ta cần chế tạo. Khoảng thời gian từ lúc trộn dung dịch đến dưới 1 giờ đồng hồ, Ecoflex vẫn tồn tại ở dạng dung dịch nên với bất kỳ dao động hay góc nghiêng nào xảy ra với khuôn đều dẫn tới kết quả đầu gắp mềm sẽ bị biến dạng và khơng đạt được kích thước như thiết kế. Để hạn chế tác động này, khuôn sau khi đổ được đặt trên một tấm nền, có sức nổi và đặt trong một khoang nước. Tấm nền dùng vật nặng để cân bằng trọng lượng và xác định điểm cân bằng dựa vào thước giọt nước ở 2 góc. Như vậy dù mặt sàn của bàn làm việc hay phịng có nghiêng thì tấm nền vẫn đạt được vị trí cân bằng.
Tiếp đến chúng ta cần thực hiện việc đổ phần đế gắn với phần thân của đầu gắp vừa chế tạo cũng như kết nối phần cổ nối khí giữa đầu gắp mềm và cơ cấu cấp khí cho đầu gắp từ bên ngồi. Sau khoảng 4 giờ đồng hồ đến khi các thành phần của đầu gắp mềm đã đông đặc và kết nối lại với nhau, chúng ta xử lý thêm một số thao tác bổ sung và thu được đầu gắp mềm hoàn chỉnh cần chế tạo.
Tiếp đến, sau khi đã thu được mẫu thử nghiệm đầu gắp mềm, chúng ta sẽ đo đạc và thử nghiệm xem đầu gắp mềm vừa chế tạo đã hoạt động được thông qua việc cấp khí nén hay chưa. Nếu đầu gắp đã có thể hoạt động tốt nhờ việc cấp khí nén rồi thì việc chế tạo đã thành công. Nếu như đầu gắp chưa thể hoạt động tốt hoặc không hoạt động được khi cấp khí nén thì chúng ta cần kiểm tra lại xem có vị trí nào của đầu gắp gặp lỗi trong q trình chế tạo hay khơng. Một số vấn đề có thể gặp phải dẫn đến mẫu thử nghiệm đầu gắp mềm sau khi chế tạo đạt chất lượng kém hoặc hỏng có thể kể đến bao gồm: Thiết kế khuôn chất lượng kém, chất phụ gia làm hỏng q trình đơng đặc của vật liệu, kết nối giữa phần thân và phần đáy bị rị khí, kĩ thuật đổ chưa tốt làm tắc đường dẫn khí bên trong của đầu gắp mềm.
Quy trình chế tạo mẫu thử nghiệm đầu gắp mềm được thể hiện thơng qua Hình 43 tóm tắt trong 12 bước và được thực hiện trong phịng thí nghiệm tạo mẫu nhanh.
36
Hình 37. Q trình hút chân khơng hỗn hợp dung dịch sau khi đã đổ vào khn
37
Hình 39. Q trình sấy chân khơng xử lý độ nhớt bề mặt của đầu gắp mềm
38
39
40
Hình 43. Quy trình chế tạo mẫu thử nghiệm đầu gắp mềm
Đổi với việc tạo khuôn cho một bộ truyền động sẽ thực hiện chế tạo các phần kết nối riêng cho từng bộ truyền động và một đế gắn các bộ truyền động lại thành một đầu gắp hoàn chỉnh. Cách thực hiện chế tạo và đổ khn cả đầu gắp nếu có thao tác nào thực hiện sai sẽ khiến cả đầu gắp khơng thể sử dụng tiếp. Cịn với cách thực hiện
41
từng bộ truyền động thì hỏng ở vị trí nào có thể thực hiện thay thế bộ truyền động đó mà khơng ảnh hưởng đến các bộ truyền động khác. Q trình tạo khn cho 3 phần của bộ truyền động bằng máy in Cube Corexy 3D với kích thước 400mmx400mmx300mm. Với thiết kế đề xuất này, không cần thêm các chi tiết hỗ trợ nên không cần xử lý sản phẩm sau in. Vật liệu được lựa chọn là nhựa PLA không pha tạp chất với nhiệt độ nóng chảy tại 190 độ. Một điều quan trọng khơng thể thiếu đó là khơng sử dụng nhựa có thêm tạp chất vì khơng thể xác định liệu các vật liệu được thêm vào có ảnh hưởng đến cấu trúc của đầu kẹp mềm hay không. Các bộ phận được in 3D được hiển thị trong Hình 44 (a-c) phiên bản đầu và Hình 46 (a-c) phiên bản cải tiến. Sau khi có khn, chúng ta dựa trên các đánh giá (23), (24) có thể tiến hành chế tạo khuôn bằng vật liệu EcoFlex 00-30 theo tỷ lệ 1: 1. Sau khi chờ 4 giờ để đông đặc các bộ phận, thiết bị truyền động được lấy ra khỏi khn một cách cẩn thận. Sau đó, cần cẩn thận loại bỏ vật liệu thừa, đặc biệt là ở các khu vực tiếp xúc của các phần để đảm bảo rằng khơng khí khơng bị thất thốt ra ngồi. Cuối cùng, chúng ta gắn lớp có thể kéo dài với lớp không thể kéo dài (được phủ bằng Eco-flex) để đảm bảo rằng khí nén khơng thể thốt ra ngồi và tăng ma sát khi nhặt đồ vật. Hình 44 (d) cho thấy một nguyên mẫu của bộ kẹp với các thông số thiết kế được lấy từ Bảng 1.
Hình 44. Các bộ phận in 3D và bộ kẹp khí nén được chế tạo. (a) đế kẹp, (b) cơ cấu truyền động mềm, (c) các bộ phận trên và dưới của đầu nối và (d) đầu gắp đã lắp ráp.
Đối với phiên bản đầu tiên thiết kế đang sử dụng đường khí cắm ngồi. Mỗi bộ truyền động mềm sẽ nối với đường khí qua lỗ có sẵn ở đầu nối (hình 44 d). Hạn chế của thiết kế này là đường khí vng góc với bộ truyền động chiếm khơng gian và vì là kết nối không đồng nhất nên thường xảy ra hiện tượng rị khí. Để khắc phục hạn chế,
42
thiết kế phiên bản số 2 đã được triển khai. Nhờ sự phát triển của các kỹ thuật in 3D làm cho khoảng cách giữa các lớp in trở nên đồng nhất, khơng có khơng khí giữa 2 lớp in. Bên cạnh đó việc in đường ống nào trước cũng quyết định thành công của ý tưởng. Qua quá trinh thử nghiệm và chọn vật liệu in PLA tối ưu nhất, thiết kế đường khí nằm bên trong lịng đầu nối từ ý tưởng đã được hiện thực hóa thành cơng (hình 45). Hiện tượng rị khí khơng cịn diễn ra cũng như không gian đã được giảm đi đáng kể. Ở phiên bản số 2 này các chi tiết khác cũng được làm lại để có thể dễ dàng tháo lắp bộ truyền động mềm, tháo lắp với cánh tay máy cũng như tổng thể ngoại hình hài hịa hơn.
2.3.2. Lắp đặt và kiểm thử
Trong các thí nghiệm của đề tài đều sử dụng một máy bơm khơng khí với áp suất tối đa 80Kpa, van điện tử, van tiết lưu để điều chỉnh tốc độ dịng khí đến bộ kẹp mềm, một cảm biến chuyển đổi áp suất khí nén sang tín hiệu tương tự và đồng hồ vạn năng để hiển thị giá trị từ áp suất. cảm biến. Các thử nghiệm đã được thực nghiệm gồm kiểm tra các đặc tính của góc uốn, trọng lượng giữ của bộ kẹp dưới các áp suất khơng khí khác nhau trên một số mẫu vật. Trong thí nghiệm với một đầu kẹp, áp suất bơm vào được bắt đầu ở 0 KPa cho đến khi áp suất làm cho bộ truyền động biến dạng ít hơn hoặc góc gấp đạt 90 độ. Sự dịch chuyển đầu của bộ truyền động mềm được thể hiện trong Hình. 48a bằng cách chụp ảnh và xử lý trên công cụ ImageJ dựa trên nền tảng Java. ImageJ là một chương trình chạy trên máy tính giúp giải các bài tốn liên quan đến hình học. Bài tốn này có thể là đo góc, đo khoảng cách, đo chiều dài đường cong… Trong thí nghiệm thử tải thực hiện bằng cách gắp và giữ các vật có khối lượng và đường kính khác nhau. Khơng khí sẽ đươc bơm vào bộ kẹp để giữ vật khơng bị rơi ra ngồi, sau đó giảm áp suất cho đến khi vật trượt xuống. Thời điểm vật thể trượt xuống xác định lực tối thiểu cần gắp cho mỗi vật thể. Tương ứng với lực tối thiểu thì chúng ta có thể suy ra áp suất tối thiếu cần cung cấp cho mỗi vật thế. Các vật liệu thử nghiệm bao gồm: thủy tinh, sứ, nhơm.
Hình 45. Thiết kế đầu nối trên (a) khơng có đường khí tích hợp, (b) có đường khí tích hợp
43
Hình 46. Các bộ phận in 3D và bộ kẹp khí nén được chế tạo phiên bản số 2. (a) đế kẹp, (b) cơ cấu truyền động mềm, (c) các bộ phận trên và dưới của đầu nối và (d) đầu
44
Kết quả chế tạo và thử nghiệm 2.4.
Hình 47 trình bày các hình ảnh của cơ cấu chấp hành mềm bị uốn cong dưới các áp suất tác dụng khác nhau trong thí nghiệm (trái) và mơ phỏng (phải). Hình 48 (b-d) cho thấy mối tương quan giữa mô phỏng và dịch chuyển mũi thực tế. Đề tài đã mô phỏng và khảo sát dựa trên 3 kích thước độ dày vách trên lần lượt là 0.5mm, 1mm, 1.5mm. Có thể thấy rằng mặc dù biến dạng uốn là tương đương nhau, nhưng phản ứng của các buồng khí trong thực tế có một chút khác biệt do sự khơng hồn hảo của q trình sản xuất. Ngồi ra, áp suất thể hiện trong các biểu đồ này cũng là áp suất tối đa tương ứng với từng độ dày thành trên cùng để có thể hoạt động mà khơng bị hỏng hóc.
Bằng cách gắp các vật có đường kính và trọng lượng ngày càng tăng, thí ngiệm đã kiểm tra khả năng chịu tải của bộ kẹp. Thí nghiệm sử dụng các vật có đường kính 56mm, 64mm, 65mm và 72mm và tăng dần khối lượng cho đến khi áp lực tác dụng lên bộ kẹp đạt đến giới hạn và không thể nâng lên được. Thử nghiệm này cho thấy bộ kẹp được mơ tả ở đây có thể duy trì khả năng bám trên các bệ có đường kính lên đến 72mm và chịu tải trọng lên đến 120g. Trong tương lai, khối lượng tay nắm có thể được