Hướng dẫn tổng quan về máy in 3D

CƠ CẤU CƠ KHÍ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA MÁY LÀM MÔ HÌNH KHUÔN. LỰA CHỌN TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY LÀM MÔ HÌNH KHUÔN. CÁC BƯỚC ĐỂ TIẾN HÀNH IN 3D.......................................................................................................................................................................

PHẦN 1 : THIẾT KẾ CƠ CẤU CƠ KHÍ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA MÁY LÀM MÔ HÌNH KHUÔN

1 THIẾT KẾ CƠ CẤU CƠ KHÍ

Dựa trên mô hình máy in 3D reprap, nhóm thiết kế một máy in 3D có cấu tạo như máy in mô hình với kích thước nhỏ Máy gồm các bộ phận sau:

+ Với 3 trục chuyển động X,Y,Z trong đó: trục X chuyển động trên trục Z, trục Y chuyển động vuông góc với trục X, trục Z chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng so với trục Y

+ Bàn nhiệt: được gắn cố định trên các mặt bích trượt trên trục Y

Hình 1.2 : các chi tiết phần cố định trục X

+ Phần chuyển động là chuyển động trượt của mặt bích trên 2 thanh trục trơn qua chuyển động dây đai Phần chuyển động gồm chi tiết:

Hình 1.3 : mặt bích trượt trục X

- Trục Y được gắn cố định trên bàn máy Chuyển động trên trục Y là chuyển động của bàn nhiệt, bàn nhiệt được gắn liền với các mặt bích chuyển động trượt trên trục Y qua chuyển động dây đai

Hình 1.4 : chuyển động trục Y

- Trục Z gồm 2 phần: phần cố định và phần chuyển động

Hình 1.5 : thành phần trục Z

+ Phần cố định gồm các chi tiết:

Hình 1.6 : Mặt bích cố định trục Z

+ Phần chuyển động: là chuyển động vít me tịnh tiến theo phương thẳng đứng Gồm có chi tiết :

Hình 1.7 : gối trục X,Y

- Đầu đùn nhựa được gắn trên mặt bích chuyển động trượt trên trục X và lên xuống theo trục Z Chuyển động quay của bánh răng có tác dụng đẩy nhựa xuống đầu đùn cũng như rút ngược nhựa in

Hình 3.8 : cấu tạo đầu đùn

MÔ HÌNH TỔNG QUÁT

Bản vẽ lắp khung máy

Mặt trước máy

a) Động cơ một chiều:

Ưu điểm:

+ Momen khởi động lớn, dễ điều khiển tốc độ và chiều, giá thành rẻ

Nhược điểm:

+ Dải tốc độ điều khiển hẹp

+ Phải có mạch nguồn riêng

b) Động cơ xoay chiều

Ưu điểm:

+ Cấp nguồn trực tiếp từ lưới điện xoay chiều

+ Đa dạng và phong phú về chủng loại, giá thành rẻ

+ Điều khiển vị trí, tốc độ chính xác, không cần mạch phản hồi

+ Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC

Loại động cơ này có một số đặc điểm như sau:

+ Momen quán tính nhỏ

+ Đặc điểm động học tốt

+ Thường được tích hợp sẵn cảm biến đo tốc độ hay góc quay

a) Động cơ servo thủy lực

Ưu điểm:

+ Được dung phổ biến với các máy có công suất lớn

+ Giá thành thấp

+ Có đặc tính hệ số khuếch đại cao

+ Dễ làm trơn quá trình chuyển động

+ Có khả năng chống quá tải

Nhược điểm:

+ Cần phải giữ môi trường dầu luôn sạch, không có tạp chất

+ Lực và quá trình chuyển động phụ thuộc nhiều vào độ nhớt của dầu

+ Độ nhớt của dầu phụ thuộc vào nhiệt độ

Ø Từ những ưu, nhược điểm của một số loại động cơ trên, em lựa chọn động cơ bước để sử dụng cho đề tài của mình

a: gia tốc (m/s2) Dựa theo khảo sát của một mô hình máy in 3D reprap

đo được gia tốc của trục là 0,05 (m.s2)

Momen xoắn:

M = F.lctđ = F.D2 = 0,025.0,0006 = 0,000015 (Nm)Error! Bookmark not puli

defined

Trong đó:

M: momen xoắn (Nm) F: lực tác dụng lên trục

lctđ: chiều dài cánh tay đòn (m) Chiều dài cánh tay đòn được tính bằng nửa đường kính của puli

Dpuli: đường kính của puli đai (m) Đường kính của puli được tính như sau:

Dpuli = #,%&" C là chu vi của puli, sử dụng puli 20 răng có chu vi là 4mm

b Tính toán trục y

Lực tác dụng:

F = m.a = 0.3.0.05 = 0,0015 (N)

Trong đó:

m: khối lượng có được sau khi đem cân

a: gia tốc có được sau khi khảo sát mô hình 3D reprap có sẵn

a: gia tốc có được sau khi khảo sát thực tế

M = F.lctđ = F.Dtrục2 = 0,0036.8.10

-3

2 = 0,000014 (Nm) Trong đó:

Dtrục: là đường kính của trục Z (m) Sử dụng trục chuyển động là thanh trục có đường kính là 8mm

Ø Sau khi tính toán cho các trục của máy in, động cơ bước em lựa chọn sử dụng

là động cơ NEMA 17 Các thông số động cơ như sau:

Loại động cơ

bước

Điện áp định mức (VDC)

Dòng định mức (A)

Độ phân giải (độ/bước)

Momen (Nm)

PHẦN 2 : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY LÀM MÔ HÌNH KHUÔN

1 LỰA CHỌN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Bộ điều khiển thông dụng nhất cho các máy in 3D gồm có:

+ Mạch Arduino Mega 2560

+ Mạch RAMPS 1.4

+ Bộ điều khiển, hiển thị LCD 2004 hoặc bộ điều khiển, hiển thị LCD 128*64

1.1 Mạch arduino mega 2560

Hình 3.7: bo mạch Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560 là một bo mạch thiết kế với bộ xử lí trung tâm là vi điều khiển AVR ATMega2560 Cấu tạo chính của Arduino Mega 2560 bao gồm các phần sau: Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để chuyển giữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính

Jack nguồn: để chạy Arduino chỉ có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưng không phải lúc nào cũng có thể cắm từ máy tính được lúc đó ta cần nguồn từ 9V đến 12V

Có 54 chân digital (trong đó có 15 chân có thể sử dụng như những chân PWM là từ chân số 2 đến 13 và chân 44, 45, 46)

Có 6 ngắt ngoài: chân 2 (interrupt 0), chân 3 (interrupt 1), chân 18 (interrupt 5), chân

19 (interrupt 4), chân 20 (interrupt 3), và chân 21 (interrupt 2)

Có 16 chân vào analog (từ A0 đến A15)

Có 4 cổng serial giao tiếp với phần cứng:

Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lí trung tâm của toàn bo mạch Với mỗi mấu Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau Ở con Arduino Mega 2560 này thì sử dụng ATMega2560

Các thông số của Arduino Mega 2560:

Các Mega 2560 có 16 đầu vào tương tự, mỗi ngõ vào tương tự đều có độ phân giải

10 bit (tức là 1024 giá trị khác nhau) Theo mặc định đo từ 0 đến 5 Volts, mặc dù là

nó có thể thay đổi phần trên của phạm vi bằng cách sử dụng chân Aref và analogReference

Các Mega 2560 có 256KB bộ nhớ flash để lưu trữ mã (trong đó có 8KB được sử dụng cho bộ nạp khởi động), 8KB SRAM và 4KB EEPROM

Ứng dụng thực tế Arduino Mega 2560: với sự tiện ích vô cùng lớn của Arduino Mega 2560, mạnh mẽ với bộ nhớ flash lớn, số chân nhiều hơn và cùng số lượng shield hỗ trợ không hề nhỏ Arduino Mega đã được đưa vào các dự án lớn hơn như

xử lí thông tin nhiều luồng, điều khiển nhiều động cơ, xe điều khiển từ xa, LED cube hay còn mở rộng cánh cửa với thế giới IoT v.v

3D dung RAMPS 1.4 luôn dễ dàng bảo trì, thay thế, sửa chữa và nâng cấp với chi phí thấp

Hình 3.8: mạch RAMPS 1.4

Các tính năng nổi bật:

+ Dùng để điều khiển máy in 3D và các dạng robot 3 trục tịnh tiến

+ Có thể mở rộng cho các phụ kiện điện tử khác

+ Có 3 mạch công suất cho các đầu sấy và quạt, các mạch xử lí tín hiệu nhiệt điện trở

+ Có thể tích hợp thẻ nhớ

+ Điều khiển bàn nhiệt

+ Hiển thị trạng thái hoạt động bằng led

+ Hỗ trợ tới 2 động cơ trục Z

+ 6 ngõ digital được dung cho cảm biến đầu cuối của mỗi trục

+ Cầu trì tự phục hồi 5A bảo vệ các phần tử trong mạch

+ Thêm các chân ngõ ra: PWM, ngõ ra số, nối tiếp, SPI, I2C và các ngõ ra analog

1.3 Mạch driver điều khiển động cơ bước a4988

A4988 là driver điều khiển động cơ bước cực kỳ nhỏ gọn, hổ trợ nhiều chế độ làm việc, điều chỉnh được dòng ra cho động cơ, tự động ngắt điện khi quá nóng A4988 hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động của động cơ bước lưỡng cực như: Full, Half, 1/4, 1/8 và 1/16

Hình 3.9: mạch driver a4988

Thông số kĩ thuật:

+ Công suất ngõ ra lên tới 35V, dòng đỉnh 2A

+ Có 5 chế độ: full bước, 1/2 bước, 1/4 bước, 1/8 bước, 1/16 bước

+ Điều chỉnh dòng ra bằng chiết áp, nằm bên trên Current Limit=VREFx2.5

+ Tự động ngắt điện khi quá nhiệt

1.4 Bộ điều khiển, hiển thi LCD 2004

Màn hình LCD 2004 được thiết kế sử dụng với board RAMPS, có chức năng làm bảng hiển thị và điều khiển máy in 3D

Mạch có tích hợp khi cắm thẻ nhớ SD, điều khiển rotary encoder với nút bấm, màn hình LCD 2004 cho phép cân chỉnh từ việc di chuyển các trục và nạp G-code trực tiếp từ khi cắm thẻ SD

Hình 3.10 màn hình LCD 2004

2 LẮP RÁP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Đặt mạch RAMPS 1.4 lên trên mạch Arduino Mega 2560 Đầu USB của bảng mạch Mega 2560 phải ở ngay dưới khu vực “ D8 D9 D10” của RAMPS 1.4

Hình 4.5: RAMPS 1.4 đặt trên Mega 2560

Tiếp theo, đặt module điều khiển động cơ bước bên trên RAMPS 1.4 shield: với module A4988 chiết áp phải được đặt ở hướng ngược lại với mặt “ D8 D9 D10” của RAMPS 1.4

Hình 4.6: sơ đồ nối A4988 với mạch RAMPS 1.4

Sau đó kết nối RAMPS với nguồn và các bộ phận điện khác của máy in 3D:

Hình 4.7: sơ đồ nối các bộ phận máy in với RAMPS

3 THÔNG SỐ PHẦN MỀM REPETIER HOST

Repetier Host là giải pháp phần mềm tất cả trong một cho các loại máy in 3D Reprap, bao gồm các chức năng kiểm tra mô hình 3D, tạo Gcode (slicer), điều khiển và theo dõi máy khi vận hành

Giao diện chính của Repetier Host:

Hình 4.8: giao diện chính của Repetier Host

3.1 Thiết lập máy in 3D

Sau khi cài và khởi động Repetier Host (RH), tại giao diện chính chọn “Config” ->

“Printer Setting” để thiết lập máy in

Trong tab “Connection” ta thiết lập như sau:

Hình 4.9: tab Connection

Trong đó:

+ Default: tên do người dùng tự đặt

+ COM3: tên cổng COM kết nối giữa máy tính và mạch điều khiển (Arduino Mega 2560) Để biết máy tính kết nối với máy in qua cổng COM nào, vào mục Device Manager của máy tính để xem

+ Các thiết lập khác để mặc định theo phần mềm

Trong tab “Printer” ta thiết lập như sau:

Hình 4.10 tab Printer

Trong tab “Extruder” ta thiết lập như sau:

Hình 4.11: tab Extruder

Trong đó:

+ Number of Extruder: số đầu đùn của máy in

+ Max Extruder Temperature: nhiệt độ tối đa của đầu đùn

+ Max Bed Temperature: nhiệt độ tối đa của bàn nhiệt

+ Diameter (0.4) là đường kính lỗ đùn nhựa Đường kính lỗ được ghi trên đầu đùn nhựa (ví dụ: 40 thì đường kính là 0.4 mm)

Trong tab “Printer Shape” thiết lập kích thước và vị trí bàn nhiệt như hình sau:

Hình 4.12: tab Printer Shape

Trong đó:

+ Printer Type: kiểu dáng của bàn nhiệt Ta chọn Classic Printer là kiểu vuông truyền thống, ngoài ra còn có Rostock Printer là kiểu tròn

+ Home X (Y, Z): vị trí đặt trục X (Y, Z)

+ X(Y) min, X(Y) max: kích thước bàn nhiệt

+ Print Area (Width, Depth, Height): kích thước in tối đa theo phương X, Y, Z Các tab còn lại có thể để giá trị mặc định, sau khi cài đặt xong chọn Apply/OK

3.2 Thiết lập slicer

Repetier Host tích hợp hai bộ công cụ dung để cắt vật in là Cura Engine và Slic3r

Để thiết lập Slicer, ngoài màn hình chính chọn tab “Slicer”:

Hình 4.13: tab Slicer

Chọn Slicer muốn sử dụng: Cura Enginr hoặc Slic3r

Sau khi chọn Slicer, click vào Configulation để thiết lập Slicer đã chọn

Trong tab “Print Settings” (thiết lập in) ta thiết lập lần lượt các thông số sau: Thiết lập Layers and perimeters:

Hình 4.14: Thiết lập Layers and perimeters

Trong đó:

+ Layer Height: là chiều dày của lớp in

+ First layer height: chiều dày lớp in đầu tiên

+ Solid layers (Top/Bottom): số nét in ở lớp trên/dưới cùng

+ Các thiết lập khác có thể để mặc định

Thiết lập Infill:

Hình 4.15: thiết lập Infill

Trong đó:

+ Fill density: phần trăm điền đầy vật liệu trong lòng vật in

+ Fill pattern: dạng điền đầy

+ Top/bottom fill pattern: đạng điền kín mặt trên/dưới cùng (có thể để mặc định) + Các thiết lập khác có thể để mặc định

Thiết lập Skirt and brim:

Hình 4.16: thiết lập Skirt and brim

Trong đó:

+ Loops: số nét in của đường biên

+ Distance from object: khoảng cách từ đường biên tới vật thể

+ Skirt height: số lớp của đường biên (thông thường để giá trị bằng 1)

+ Brim width: chiều rộng của một lớp vật liệu nằm ở rìa chân vật in

Thiết lập Support material:

Support material là cấu trúc vật liệu được máy in tạo ra nhằm nâng đỡ các bộ phận của vật in Sau khi in xong cần loại bỏ lớp đỡ này thủ công

Thông thường không cần dùng tới chức năng này trừ trường hợp vật in có hình dáng đặc biệt

Thiết lập Speed:

Hình 4.17: thiết lập Speed

Trong đó:

+ Perimeters (external): tốc độ in thành/vách phía trong/ngoài của vật thể

+ Small perimeters: tốc độ in thành/vách khi vật in có kích thước nhỏ

+ Infill: tốc độ di chuyển khi điền vật liệu trong vật in

+ Solid infill: tốc độ điền đầy khu vực vật in cần làm đặc

+ Top solid infill: tốc độ điền đầy kín mặt trên vật thể

+ Support material: tốc độ in lớp nâng/đỡ

+ Bridges: tốc độ khi in qua khe hở

+ Gap fill: tốc độ khi điền vật liệu trong những khe hẹp

+ Travel: tốc độ di chuyển đầu đùn khi không đùn vật liệu

+ Các thiết lập khác có thể cài mặc định

Trong tab “Filament Settings” (thiết lập nhựa in) ta thiết lập các thông số như sau: Thiết lập Filament:

Hình 4.18: thiết lập Filament

Trong đó:

+ Diameter: đường kính sợi nhựa in

+ Extrusion multiplier: hệ số đùn nhựa

+ Extruder/Bed: nhiệt độ đầu đùn/bàn nhiệt ở lớp đầu tiên (first) và các lớp sau đó (other layer) Nhiệt độ đầu đùn/bàn nhiệt lớp đầu tiên có thể cao hơn một chút để vật thể in bám chắc hơn vào bàn nhiệt

Thiết lập Cooling:

Hình 4.19: thiết lập cooling

Trong đó:

+ Keep fan always on: luôn bật quạt thổi nhựa in (nên bỏ dấu tích)

+ Enable auto cooling: tự động điều khiển quạt thổi nhựa in

+ Fan speed (min/max): tốc độ quạt mức nhỏ nhất và lớn nhất

+ Các thiết lập khác có thể để mặc định

Trong tab “Printer Settings” (thiết lập máy in) ta thiết lập các thông số như sau: Thiết lập General:

Hình 4.20: thiết lập General

Các thiết lập trong General có thể để mặc định, trừ mục “Bed shape” (hình dạng bàn nhiệt):

Hình 4.21: thiết lập Bed Shape

Trong đó:

+ Shape: hình dạng bàn nhiệt

+ Size: kích thước bàn nhiệt theo trục X,Y

+ Origin: tọa độ vị trí gốc của đầu đùn

Thiết lập Custom G-code: bao gồm các tùy chỉnh G-code trước/sau khi in, trước/sau khi đổi lớp in

Thiết lập Extruder 1 (nếu máy có nhiều Extruder thì sẽ có 2,3…):

Hình 4.22: thiết lập Extruder 1

Trong đó:

+ Nozzle diameter: đường kính lỗ đùn nhựa (trên đầu đùn nhựa có in số)

+ Length: chiều dài đoạn nhựa sẽ bị rút ngược lại trước khi máy in di chuyển qua vùng không đùn nhựa

+ Lift Z: chiều cao đầu đùn sẽ được nâng lên trước khi rút ngược nhựa in và di chuyển xang vị trí khác

+ Các thông số còn lại có thể cài mặc định

Chú ý: Sau khi thiết lập các thuộc tính xong, nhấn chọn ký hiệu sau để lưu các thuộc tính đã được cài đặt lại

4 CÁC BƯỚC CƠ BẢN ĐỂ IN 3D

4.1 Dựng hình 3d bằng phần mềm vẽ 3d và xuất file 3d ra định dạng stl

Bạn thiết kế mô hình 3D bằng các phần mềm vẽ 3D như Autocad 3D, Solidworks, 3D Studio Max… Thông thường các phần mềm vẽ 3D đều có chức năng xuất ra định dạng

STL Nếu mặc định không có bạn có thể cài thêm các plugin

4.2 Đưa file stl vào phần mềm in 3d repetier host

Giao diện chính của phần mềm sau khi khởi động như hình 4.1 Sau khi mở Repetier Host, click “Connect” để kết nối với máy in, kết nối thành công sẽ có biểu tượng màu xanh ở góc bên trái như hình sau:

Hình 4.23: kết nối máy tính với máy in

Click vào biểu tượng “Load” để nạp file chi tiết 3D, có thể nạp một hoặc nhiều file định dạng STL tùy theo kích thước vật so với bàn nhiệt

Hình 4.24: load file chi tiết 3d

Sau khi load và chọn file ta có thể thấy hình ảnh vật thể được load lên trên phần mềm như hình sau:

Hình 4.25: hình ảnh được load

Các file chi tiết 3D sau khi nạp sẽ hiện lên cửa sổ của phần mềm Repetier Host Muốn xóa chi tiết nào, click vào biểu tượng thùng rác bên phải tên của chi tiết tương ứng

Muốn xoay các chi tiết (theo 3 chiều X,Y,Z), click chọn chi tiết và ấn “R” sau đó điền góc muốn quay tương ứng vào từng trục (thông thường quay 90 dộ hoặc 180 độ)

Hình 4.26: xoay chi tiết theo các trục

Muốn phóng to/thu nhỏ vật in, click chọn vật in rồi ấn “S” Sau đó điền tỉ lệ như hình ( lớn hơn 1 là phóng to, nhỏ hơn 1 là thu nhỏ):

Hình 4.27: phóng to/ thu nhỏ theo các trục

Chú ý: Nên xoay cho mặt phẳng có kích thước lớn của vật in tiếp xúc với bàn nhiệt

để vật in được giữ chắc chắn Đồng thời xoay vật in sao cho trong quá trình in có càng ít phần của vật in bị nhô ra ngoài mà không có lớp đỡ bên dưới càng tốt Sau khi đã chỉnh xong, trong màn hình chính ta chọn Slicer, sau đó click “Slice with Slic3r” để cắt vật thể và tạo file G-code:

Hình 4.28: file G-code