Cơ cấu gạt bột (trục A):

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.2. Tổng quan về máy in 3D Laser bột:

3.2.2. Cơ cấu gạt bột (trục A):

Thanh gạt bột di trượt trên mặt bàn phẳng từ hướng bàn cấp bột về phía bàn làm việc. Sử dụng 2 thanh ray trượt để dẫn hướng chuyển động cho thanh gạt bột đảm bảo được độ dẫn hướng tốt và độ chính xác tương đối cao.

Hình 3.6 Thanh gạt được lắp vào ray trượt [3]

Sử dụng bộ truyền đai răng để truyền chuyển động cho thanh gạt di trượt trên thanh ray. Đai sẽ được cố định vào thanh gạt bột và mắc căng hai đầu nhờ lò xo căng đai. Bánh đai được gắn vào trục trịn có gối đỡ cố định vào hai bên khung. Động cơ bước NEMA 17 được gắn trên ke gá tiếp xúc với mặt bàn, để nối trục của động cơ với trục bánh đai ta dùng khớp nối mềm.

22

Hình 3.7 Cấu tạo cụm chi tiết truyền chuyển động cho thanh gạt bột [3]

Hình 3.8 Động cơ bước NEMA 17 3.2.3. Cơ cấu nâng hạ bàn in và bàn chứa bột (trục Z):

Sử dụng trục vít me kết hợp với khung máy để tạo chuyển động cho bàn in và bàn cấp bột. Trục vít me có độ chính xác cao, giúp các bàn làm việc đi chuyển êm, không rung lắc.

Bộ trục vít me có một bộ phận khác là gối đỡ, nó là một khối được gắn ổ bi, và phần trục được lắp vào ổ bi đó là một trục trơn khơng có ren, mục đích là để trục vít me xoay quanh khối chi tiết đó. Khi trục vít me quay, đai ốc sẽ di chuyển lên xuống nếu được cố định vào chi tiết khác không thực hiện chuyển động quay. Đai ốc được liên kết với một cụm chi tiết gắn bàn làm việc và bàn nâng bột, ở giữa sẽ tạo khoảng khơng gian để trục vít me có thể di chuyển.

Các trục vít me được truyền chuyển động trực tiếp bằng động cơ bước NEMA 17 thông qua khớp nối.

23

Hình 3.9 Cụm chi tiết được thiết kế để tạo chuyển động cho bàn [3] 3.2.4. Laser Diode:

Công suất 2.5W.

Module laser màu xanh tím có thể được điều khiển ở hai chế độ:

- TTL – chế độ phát liên tục, ở chế độ này thì cơng suất của laser tương đối khơng đổi so với thời gian.

- PWM(Pulse Width Modulation) – chế độ phát xung, chế độ này thì cơng suất ln thay đổi so với thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn "đóng" và "ngắt" cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất.

- Được trang bị mạch điều khiển dịng khơng đổi đảm bảo công suất quang đầu ra ổn định, nhiệt độ thấp, không cần mạch điều khiển bên ngoài, dễ sử dụng.

- Tản nhiệt bằng nhơm máy bay có quạt làm mát đảm bảo thời gian làm việc dài liên tục.

24

3.2.5. Cơ cấu điều khiển chuyển động của Laser (trục X, Y):

Các trục X, Y của Laser đều sử dụng ray trượt để dẫn hướng chuyển động. Đảm bảo độ chính xác, gọn, nhẹ.

Chọn khung nhơm định hình làm trục theo các phương, cố định các thanh ray dẫn vào khung nhơm. Tương tự cần gạt bột thì ta sử dụng bộ truyền đai răng để truyền chuyển động. Đai được kéo căng nhờ lò xo căng đai. Bánh đai được gắn vào trục trịn có gối đỡ cố định trên tấm gá.

3.2.6. Khung máy:

Khung sử dụng khung nhôm định hình để dễ dàng lắp ráp và tăng tính thẩm mỹ.

3.2.7. Phần điện điều khiển cho máy:

3.2.7.1. Mạch giao tiếp với máy tính, Driver, laser và bộ nguồn xung:

Hình 3.10 Vị trí các chân chính của mạch giao tiếp

Trong đó:

(1) – Cổng LPT, cổng này để kết nối mạch với máy tính bàn.

(2) – Cổng USB 5V DC, tín hiệu điều khiển từ máy tính sẽ được truyền qua cổng này. (3) – Cặp chân tiếp điểm thường mở của Rơ-le(màu xanh dương) điều khiển ON/OFF cho đầu Laser.

(4) – Cặp chân input 12 – 24V DC(GND/+12– 24V DC), nơi điện đầu vào cung cấp để “nuôi mạch”.

25

(5) – Cặp chân output 0 – 10V DC(PWM/GND), điều khiển công suất làm việc của laser.

(6) – Các chân ouput Pul/Dir (P2/P3; P4/P5; P6/P7; P8/P9), kết nối với các chân dương của 6 Driver(Pul+/Dir+) điều khiển động cơ cho các trục X, Y, Z và A. (7) – Chân ouput GND, kết nối với các chân âm của 6 Driver(Pul-/Dir-) điều khiển động cơ cho các trục X, Y, Z và A.

3.2.7.2. Driver với động cơ, mạch giao tiếp và bộ nguồn xung:

Hình 3.11 Ý nghĩa chức năng các chân của Driver TB6600

Máy in với yêu cầu về độ chính xác tương đối cao nên nhóm chọn vi bước 16, tương ứng với 3200 xung trên một vòng.

Máy in sử dụng động cơ bước NEMA 17 có dịng điện định mức là 1.2A, nhưng qua quá trình thực nghiệm thì chỉ cần 0.7A là động cơ có thể hoạt động tốt và nhiệt độ của động cơ luôn mát.

3.2.7.3. Động cơ bước với Driver:

Động cơ nối với driver qua cặp dây của pha A và B với chân tín hiệu A+/A- và B+/B-.

3.2.7.3. Laser Diode với mạch giao tiếp, bộ nguồn xung:

Cặp chân PWN-TTL/GND sẽ nối với cặp chân output 0 – 10V DC (PWM/GND) trên mạch giao tiếp.

26

Cặp chân 12V DC, một chân sẽ nối với dây âm đầu ra của nguồn xung, chân còn lại nối với cặp tiếp điểm thường mở Rơ-le của mạch giao tiếp.

27

3.2.8. Chương trình điều khiển:

Phần mềm được sử dụng là Mach3 CNC - là 1 phần mềm điều khiển CNC của hãng ArtSoft USA.

Hình 3.13 Giao diện làm việc chính của Mach3

Một số chức năng chính trên giao diện:

- Cycle Start <alt R>: là nút bắt đầu chạy chương trình.

- Feed Hold (SPC): là nút tạm dừng chương trình. Muốn máy chạy tiếp thì click vào nút Cycle Start, lúc này chương trình sẽ chạy nối tiếp lệnh dang dở.

- Stop < Alt S>: là nút dừng chương trình. Lựa chọn này sẽ làm cho chương trình dừng lại, giống nút Feed Hold nhưng nếu ta lại cho chương trình chạy tiếp bằng cách click vào

Cycle Start thì chương trình sẽ bỏ đi đoạn dòng lệnh đang chạy dở để đến dịng tiếp theo.

Như vậy có sự sai lệch. Khi dừng bằng nút này thì khơng chạy lại được. - Các nút Zero X, Zero Y, Zero Z, để đưa tọa độ máy về gốc (0,0,0). - Nút Edit G-code: để sửa mã G-code.

- Recent File: mở những file G-code đã chạy gần đây.

- Load G-code để mở file Gcode.

28

- Run from here: bắt đầu chạy máy từ dòng thứ ? mà ta chọn set next line.

- Offline: chạy mơ phỏng, khơng truyền tín hiệu điều khiển xuống driver động cơ.

- Ref All Home: set góc tọa độ. Khi nhấn nút này, máy sẽ set vị trí hiện tại của dao là góc tọa độ (0,0,0).

- Goto Z: đưa dao về góc tọa độ. Máy sẽ đưa trục X và Y ở vị trí bất kì về góc tọa độ trước, Z sau.

- Khung Feed Rate để chỉnh tốc độ di chuyển các trục.

3.3. Thử nghiệm các thông số in

3.3.1. Các thông số có thể thay đổi được

Các thông số đó là:

+ Tốc độ dịch chuyển của các trục: F (mm/ph) + Công suất của Laser: S (W)

+ Infill Density (%) + Layer Heigh (mm) + Shell (mm)

3.3.2. Ứng dụng phần mềm Cura Ultimaker để tạo Gcode

Cura là một ứng dụng cắt lớp cho máy in 3D mã nguồn mở. Nó được tạo ra bởi David Braam, người sau đó gia nhập Ultimaker, một cơng ty sản xuất máy in 3D để duy trì phần mềm.

Cura Ultimaker hoạt động bằng cách cắt tệp mô hình với định dạng STL của người dùng thành các lớp và tạo mã Gcode cụ thể cho máy in. Sau khi hồn thành, Gcode có thể được gửi đến máy in để sản xuất đối tượng vật lý.

29

Thiết lập máy in

Thiết lập thông số in

30

▪ Thiết lập máy in:

- Bước 1: Chọn Add printer để tạo mới 1 cấu hình máy in

Hình 3.14 Bước 1 trong thiết lập thông số in

- Bước 2: Chọn Add a non-networked printer > Prusa3D > Prusa i3 > Add

1

2

3

31

- Bước 3: Chọn Manage printers để thiết lập cấu hình máy in

Hình 3.17 Bước 3 trong thiết lập thông số in

- Bước 4: Hộp thoại Preferences xuất hiện, sau đó chọn Machine Settings

Hình 3.18 Bước 4 trong thiết lập thông số in

- Bước 5: Hộp thoại Machine Settings xuất hiện, thiết lập các thông số của Printer như hình. Hai ô Start G-code và End G-code để trống

32

33

- Bước 6: Thiết lập các thông số cho Extruder 1 như hình, vì tia Laser có đường kính nhỏ nhất là 0.5mm nên chọn thông số Nozzle size là 0.5mm

34

- Bước 7: Chọn Activate để phần mềm áp dụng những thông số vừa thiết lập

35

- Bước 8: Lấy File mẫu thử kéo đã tạo sẵn vào phần mềm

1

2

3

Hình 3.22 Bước 8 trong thiết lập thông số in

- Bước 9: Kéo sản phẩm về gần sát với gốc toạ độ bằng cách nhấp vào chi tiết và giữ rồi kéo

36

- Bước 10: Thiết lập thông số in như hình dưới + Quality:

 Layer Height: Là chiều dày mỗi lớp in.

 Innitial Layer Height: Chiều dày lớp in đầu tiên, giá trị này cho bằng với giá trị của Layer Height.

37

+ Shell:

 Wall Thickness: Chiều dày tường của sản phẩm.

Hình 3.25 Thiết lập chiều dày tường của sản phẩm

+ Infill:

 Infill Density: Mật độ điền đầy.

 Infill Line Distance: Khoảng cách giữa các đường tạo nên Infill.

 Infill pattern: Kiểu Infill. Ở đây thống nhất kiểu Infill là Grid cho mọi sản phẩm.

38

- Bước 11: Tiến hành cắt lớp sản phẩm và tạo file G-code

Chọn Slice để phần mềm tiến hành cắt lớp sản phẩm và tạo G-code

39

3.3.3. Điều chỉnh G-code để có thể chạy trên phần mềm Mach3 CNC

G-code sau khi xuất từ phần mềm Cura dùng để chạy trên máy in 3D FDM nên ngoài các cấu trúc như trong G-code trong gia cơng CNC thì nó cịn có các câu lệnh điều khiển nhiệt độ (M104 Sn, với n là nhiệt độ cần gia nhiệt cho đầu phun), điều khiển động cơ đùn nhựa (G1 En, với n là chiều dài sợi nhựa cần đùn),... Vì vậy muốn G-code chạy được trên Mach3 CNC thì cần phải điều chỉnh lại G-code bằng cách xoá những câu lệnh điều khiển nhiệt độ và đùn nhựa,... Chỉ chừa những đạon G-code có cấu trúc như trong gia công CNC. Sau khi xố những thơng số không cần thiết ở trên, để có một file G-code hoàn chỉnh để in sản phẩm theo những thông số in mong muốn thì cần phải sửa lại tốc độ dịch chuyển các trục F theo giá trị phù hợp và thêm vào các câu lệnh sau:

- G17: Chọn mặt phẳng XY. - G21: Khai báo đơn vị đo hệ mét.

- G54: Lựa chọn hệ toạ độ phôi thứ nhất. - G90: Khai báo toạ độ tuyệt đối.

- Bật Laser để tiến hành in sản phẩm: Sn M3, với n(mW) là công suất của Laser. - Tắt Laser để trải bột sau khi in xong một layer: M5 hoặc S0 M3.

- Nâng, hạ bàn in hoặc bàn chứa bột: G1 Zn F10, với n là khoảng cách cần nâng, hạ. - Trải một lớp bột: G1 An F500, với n là khoảng các cần trải bột. Sau khi trải xong 1 lớp bột, gọi lệnh G1 A0 F500 để đưa thanh gạt bột về vị trí ban đầu.

- Kết thúc việc in sản phẩm: M30.

40

Hình 3.28 Kiểm tra G-code bằng Mach3 CNC

Như hình 3.28 thì G-code đã sửa thành công, Mach3 CNC không báo lỗi và có thể tiến hành in sản phẩm.

41

CHƯƠNG 4:

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ

4.1. Kết quả đạt được

Sau q trình thử nghiệm các thơng số khác nhau, lựa chọn các giá trị thông số mang

giá trị tốt nhất dùng phục vụ cho việc thí nghiệm. Các thơng số được xác định như sau: + Công suất của đầu laser chọn trong khoảng: 2,1W ÷ 2,5W. Với các giá trị nằm trong khoảng này sẽ giúp bột nhựa được thiêu kết nhanh hơn, giảm được thời gian tạo mẫu nhưng chất lượng mẫu vẫn được đảm bảo.

+ Tốc độ dịch chuyển của các trục chọn trong khoảng: 450mm/ph ÷ 470mm/ph. Các giá trị này phù hợp với công suất được chọn ở trên.

+ Bề dày vỏ mẫu chọn trong khoảng: 0,5mm ÷ 1,5mm. Bề dày này phù hợp với kích thước vỏ mẫu.

+ Bề dày mỗi lớp in chọn trong khoảng: 0,4mm ÷ 0,8mm. Khoảng giá trị đủ để khảo

sát.

42

Bảng 4.1 Giá trị của các thông số in sau khi thử nghiệm

Thông số Giá trị

Công suất Laser

2.1 ÷ 2.5 (W) Tốc độ dịch chuyển của đầu Laser

450 ÷ 470 (mm/ph) Bề dày vỏ sản phẩm

0.5 ÷ 1.5 (mm) Chiều dày mỗi lớp in

0.4 ÷ 0.8 (mm)

Mật độ điền đầy 30 ÷ 60 (%)

4.2. Đánh giá

Từ kết quả thử nghiệm rút ra được kết luận:

 Sản phẩm có độ chính xác thấp, độ nhám bề mặt cao và thời gian tạo thành sản phẩm lâu.

 Việc thử nghiệm nghiệm và tìm được thông số in phù hợp mất rất nhiều thời gian do cơng nghệ cịn mới và máy móc chất lượng khơng cao.

 Q trình tạo thành sản phẩm rất độc hại và có khả năng gây ô nhiễm môi trường do việc thiêu kết bột nhựa.

43

CHƯƠNG 5:

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

5.1. Kết luận

Việc nghiên cứu và tìm ra được thơng số in phù hợp cho máy in 3D laser bột là rất quan

trọng và cần thiết. Đề tài “Thiết kế và thử nghiệm các thông số in từ máy in 3D Lazer bột” đã nghiên cứu và chỉ ra rõ sự ảnh hưởng của các thông số in đến chất lượng sản phẩm, việc tìm được các thông số in phù hợp góp phần phần rất lớn cho q trình tạo hàng loạt các mẫu kiểm nghiệm độ bền kéo ứng với các loại thơng số khác nhau, góp phần tìm ra được bộ thông số tối ưu nhất.

Song song những kết quả đạt được, đề tài vẫn cịn những mặt hạn chế nhất định. Vì khối lượng cơng việc thực hiện lớn, cùng với việc trang thiết bị còn hạn chế, cơng nghệ cịn mới đối với Việt Nam và kinh nghiệm chúng tơi cịn hạn chế nên kết quả đề tài chưa thực sự như mong mỏi.

5.2. Hướng phát triển

Công nghệ in 3D SLS là một cơng nghệ có nhiều tiềm năng nên việc phát triển và mở

rộng các đề tài liên quan là rất cần thiết. Đề tài này sẽ là nền tảng và có thể mở rộng phát triển nghiên cứu sâu hơn. Hướng phát triển đề tài này như sau:

- Tăng cường nghiên cứu thêm các thơng số có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm để thấy được một cách toàn diện hơn, rõ hơn về quá trình in 3D SLS.

- Đầu tư cải tiến máy in 3D SLS để quá trình nghiên cứu diễn ra dễ dàng, thuận lợi và độ chính xác cao hơn.

44

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1] Cục thông tin khoa học và công nghệ quốc gia (2017), “Tổng luận số 7: In 3D Hiện tại và tương lai”.

[2] Lê Chánh Minh và các tác giả, “Đồ Án Tốt Nghiệp: Máy in 3D từ vật liệu bột nhựa”, Đại học Sư Phạm Kỹ thuật TPHCM, 2019.

Tiếng Anh

[3] W. Ruban, V. Vijaykumar, P. Dhanabal and T. Pridhar, “Effective process parameters in seclective laser sintering”, Int. J. Rapid Manufacturing, Vol. 4, Nos. 2/3/4, 2014

(pp.148 – 164)

[4] Sharanjit Singh, Anish Sachdeva and Vishal S.Sharmar, “Optimization of selective laser sintering process parameters to achieve the maximum density and hardness in polyamide parts”, Springer International Publishing Switzerland 2017.

[5] Manfred Schmid, Antonim Amado and Konrad Wegener, “Polymer Powder for Selective Laser Sintering (SLS)”, AIP Publishing LLC 2015.

[6] Singh S, Sharma VS, Sachdeva A, Sinha SK (2013), “Optimization and analysis of