Ở Việt Nam hiện nay công nghệ in 3d đang dần được đưa vào ứng dụng trong quá trình sản xuất với các loại máy in 3d đa chủng loại và nguồn gốc như máy in của Nga, Tây Ban Nha, Ba Lan,...
Trang 1Trang 1
MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D HỆN NAY 8
ĐẶT VẤN ĐỀ 8
1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D VÀ MỘT SỐ MÁY IN 3D HIỆN NAY 8 1.3 CÁC CÔNG NGHỆ IN 3D 10
1.3.1 Nguyên lý chung c ủa công nghệ in 3D 10
1.3.2 Công ngh ệ Tạo hình nhờ tia laser (SLA) 11
1.3.3 Công ngh ệ Thiêu kết lazer chọn lọc (SLS) 12
1.3.4 Công ngh ệ Mô hình hóa bằng phương pháp nóng chảy lắng đọng
(FDM) ……….14
1.3.5 Công ngh ệ in 3D dán nhiều lớp (LOM) 16
1.3.6 Công ngh ệ Laser kim loại thiêu kết trực tiếp (DMLS) 17
1.3.7 Công ngh ệ in phun sinh học (Inkjet-bioprinting) 17
1.4 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IN 3D 17
1.5 YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI MÁY IN 3D DẠNG BỘT 19
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ MÔ HÌNH MÁY IN 3D DẠNG BỘT (POWDER BED 3D PRINTER) 22
CHỌN KẾT CẤU CHO MÔ HÌNH 22
2.2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, LỰA CHỌN CÁC CHI TIẾT TRÊN MÔ HÌNH 23
2.2.1 Các lo ại cơ cấu truyền động 23
2.2.2 Tính toán, thi ết kế cơ cấu truyền động 27
2.2.3 Tính toán sơ bộ chọn động cơ cho 2 bộ truyền của mô hình 40
2.2.4 Các chi ti ết khác trong mô hình 44
2.2.4 K ết Luận 47
2.3 LẮP RÁP HỆ THỐNG CƠ KHÍ 48
2.3.1 Khái ni ệm về lắp ráp hệ thống cơ khí 48
2.3.2 K ỹ thuật lắp ráp 49
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH MÁY IN 3D 52
MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY 52
3.1.1 Mô hình h ệ thống điều khiển 52
Trang 2Trang 2
3.1.2 Sơ đồ đấu dây 53
3.2 LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 53
3.2.1 Module điều khiển động cơ bước A4988 53
3.2.2 Shield Ramps 1.4 Controller 55
3.2.3 Arduino Atmega 2560 57
3.2.4 Lazer và Module điều khiển Lazer 59
3.2.5 Nguyên li ệu sử dụng bột nhựa PVC 64
3.3 ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC 66
3.3.1 Động cơ bước 66
3.3.2 Nguyên lý ho ạt động của động cơ bước 69
3.3.3 Ghép n ối máy tính 71
CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN MÁY 72
PHẦN MỀM ARDUINO IDE 72
4.2 PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN REPETIER 74
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM BỀN BẰNG PHẦN MỀM NX 79
5.1 TỔNG QUAN VỀ CAE 79
5.2 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM NX- NASTRAN 81
5.2.1 Giới thiệu phần mềm NX 81
5.2.2 Gi ới thiệu Module Simulation/ NASTRAN 83
5.3 PHÂN TÍCH KIỂM NGHIỆM BỀN CHI TIẾT TRỤC DẪN HƯỚNG (TRỤC X) 83
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO 88
Trang 3Trang 3
DANH M ỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Nguyên lý chung của công nghệ in 3D 10
Hình 1.2 Mô hình cấu tạo của SLA 12
Hình 1.3 sản phẩm được tạo ra từ công nghệ SLA 12
Hình 1.4 Mô hình Công nghệ SLS 13
Hình 1.5 Một số dạng sản phẩm của công nghệ SLS 14
Hình 1.6 Công nghệ in 3D FDM 15
Hình 1.7 Sản phẩm công nghệ in 3D (FDM) 15
Hình 1.8 Máy in 3D công nghệ LOM và một số sản phẩm 16
Hình 1.9 Công nghệ in phun sinh học 17
Hình 1.10 Vỏ động cơ ô tô được in bằng công nghệ in 3D vật liệu bền SLS 18
Hình 1.11 Tấm lót dày hãng ADIDAS được làm bằng công nghệ in 3D 19
Hình 1.12 Mảnh xương sọ in 3D để cấy ghép 19
Hình 2.1 Mô hình máy in 3D 22
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của máy 23
Hình 2.3 Bộ truyền động đai răng 24
Hình 2.4 Truyền động vít me đai ốc 25
Hình 2.5 Cấu tạo vít me bi 26
Hình 2.6 Cấu tạo vít me – đai ốc bi 30
Hình 2.7 Bố trí ổ bi 31
Hình 2.8 Chọn kiểu vít me bi cho trục Z 32
Hình 2.9 Dẫn hướng dạng trụ 35
Hình 2.10 Chi tiết sống dẫn ma sát lăn hình trụ 36
Hình 2.11 Sơ đồ lực tác dụng lên ray dẫn hướng trục X 37
Hình 2.12 Catalog chọn con trượt trục X 37
Hình 2.13 Sơ đồ lực tác dụng lên ray dẫn hướng trục Y 38
Hình 2.14 Catalog chọn con trượt trục Y 39
Hình 2.15 Động cơ bước 40
Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý động cơ servo DC hồi tiếp 41
Hình 2.17 Động cơ xoay chiều 42
Hình 2.18 Thông số của động cơ 43
Trang 4Trang 4
Hình 2.19 Tấm đỡ cụm LAZER 44
Hình 2.20 Gối đỡ thanh dẫn hướng 45
Hình 2.21 Thanh dẫn hướng 45
Hình 2.22 Cụm dẫn hướng 46
Hình 2.23 Trục vít me 46
Hình 2.24 Vít me đai ốc 46
Hình 2.25 Nhôm định hình trên máy 47
Hình 2.26 Ke góc và bu lông 47
Hình 2.27 Mô hình máy in 3D dạng bột 48
Hình 3.1 Mô hình hệ thống điều khiển 52
Hình 3.2 Sơ đồ đấu dây hệ thống điều khiển 53
Hình 3.3 Driver động cơ A4988 53
Hình 3.4 Sơ đồ mạch điện driver động cơ A4988 54
Hình 3.5 Các chế độ điều khiển 55
Hình 3.6 Ramps 1.4 56
Hình 3.7 Sơ đồ nối chân RAMPS 1.4 57
Hình 3.8 Adruino ATmega 2560 57
Hình 3.9 Giới thiệu về Lazer 59
Hình 3.10 Sơ đồ cấu tạo của thiết bị phát lazer ruby 60
Hình 3.11 Nguyên lý cấu tạo của lazer CO2 61
Hình 3.12 Biểu đồ dải năng lượng cho bán dẫn P&N 61
Hình 3.13 Sự tạo thành tiếp giáp P&N 62
Hình 3.14 Nguồn nuôi của lazer diode 62
Hình 3.15 Ảnh lazer diode 63
Hình 3.16 Nguyên liệu bột nhựa PVC 64
Hình 3.17 Ứng dụng của bột nhựa PVC 64
Hình 3.18 Cấu tạo động cơ bước vĩnh cửu 67
Hình 3.19 Cấu tạo động cơ bước có từ trở thay đổi 68
Hình 3.20 Động cơ bước 3 tầng từ trở thay đổi 69
Hình 3.21 Động cơ bước từ trở thay đổi 70
Hình 4.1 Giao diện phần mềm Arduino IDE 72
Hình 4.2 Chọn phần cứng Arduino 73
Hình 4.3 Chọn loại cổng kết nối 73
Trang 5Trang 5
Hình 4.4 Nạp chương trình vào mạch 74
Hình 4.5 Dao diện phần mềm điều khiển 75
Hình 4.6 Bản vẽ trong phần mềm Solidworks 75
Hình 4.7 Giao diện Repetier-Firmware khi máy chạy 76
Hình 4.8 Cấu hình chi tiết máy 76
Hình 4.9 Chỉnh sửa G-code sau khi xuất 77
Hình 4.10 Set gốc máy 77
Hình 4.11 G-code chạy máy 78
Hình 4.12 Sản phẩm sau khi chạy máy 78
Hình 5.1 Phân tích cấu trúc bằng CAE 80
Hình 5.2 Phân tích truyền nhiệt bằng CAE 81
Hình 5.3 Phân tích va chạm bằng CAE 81
Hình 5.4 Module Model trên NX 11.0 82
Hình 5.5 Module Drawing trên NX 11.0 82
Hình 5.6 Module simulation trên NX 11.0 82
Hình 5.7 Khởi động phần mềm và vào môi trường thiết kế 83
Hình 5.9 Chia lưới cho chi tiết 85
Hình 5.10 Chuyển vị theo phương z 86
Trang 6Trang 6
DANH M ỤC BẢNG
Bảng 2.1 Các thông số hình học của bộ truyền đai 24
Bảng 2.2 Mô đun và chiều rộng đai tiêu chuẩn 28
Bảng 2.3 Hệ số tải trọng cảu con trượt 39
Bảng 2.4 Các phương pháp ghép nối 49
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của Adruino 58
Trang 7Trang 7
L ỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật trên thế giới đang phát triển với tốc
độ như vũ bão, không ngừng vươn tới những đỉnh cao mới, trong đó có những thành tựu về tự động hóa sản xuất
Khẳng định vai trò quan trọng của công nghệ tự động trong chiến lược công nghiệp hóa và hiện đại hóa nền kinh tế nước ta là một việc hết sức có ý nghĩa, tạo ra khả năng phát triển nền kinh tế với tốc độ cao, vững chắc và lâu dài
Ở các nước có nền công nghiệp tiên tiến việc tự động hóa các nghành kinh tế, kỹ thuật trong đó có cơ khí chế tạo đã thực hiện từ nhiều thập kỉ Máy in 3d được đưa vào sản xuất trong các quy trình gia công tạo mẫu nhanh, tạo ra các chi tiết có biên dạng phức tạp, Ở Việt Nam, nhiều công ty tư nhân cũng đang bắt đầu ứng dụng đưa vào công việc sản xuất
Hiện nay, nhu cầu gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp với tốc độ và độ chính xác cao hơn Với những chi tiết dạng này các phương pháp truyền thống khó có thể gia công hoặc nếu gia công thì cũng mất nhiều thời gian và công sức Chính vì vậy
mà công nghệ in 3d đang ngày càng phổ biến không chỉ ở lĩnh vực công nghiệp máy móc mà còn hiện hữu đa dạng trong các lĩnh vực khác như y tế, giáo dục,… Công nghệ
in 3d đã đánh dấu bước mở đầu cho cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ 4 tạo ra ảnh hưởng to lớn trên nhiều lĩnh vực Ở Việt Nam hiện nay công nghệ in 3d đang dần được đưa vào ứng dụng trong quá trình sản xuất với các loại máy in 3d đa chủng loại và nguồn gốc như máy in của Nga, Tây Ban Nha, Ba Lan,
Với những lý do trên, nhóm sinh viên Cử nhân Cơ điện tử K59 Đại Học Bách Khoa Hà Nội chúng em được giao nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp như sau: “Nghiên cứu, chế tạo và điều khiển máy in 3d dạng bột (powder bed 3d printer)” bao gồm những nhiệm vụ sau đây:
+ Nghiên cứu, tìm hiểu về lịch sử phát triển của máy in 3d
+ Nghiên cứu, thiết kế tổng thể máy in 3d về kết cấu cơ khí, hệ thống điều khiển
và lập trình điều khiển máy
+ Chế tạo được một mô hình máy in 3d thu nhỏ dựa theo những điều kiện có sẵn Trong quá trình nghiên cứu và chế tạo, chúng em đã gặp nhiều khó khăn, do đề tài mới mẻ, thời gian và kiến Sau một thời gian nghiên cứu, thiết kế và chế tạo, chúng
em đã hoàn thành được thức còn hạn chế Tuy nhiên nhờ sự cố gắng của bản thân và
đặc biệt là sự chỉ dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn là T.S Nguy ễn Kiên Trung,
cùng bộ môn Công Nghệ Chế Tạo Máy đến nay chúng em đã hoàn thành được các nhiệm vụ của đồ án tốt nghiệp
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Kiên Trung cùng Bộ môn công
nghệ chế tạo máy đã tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em trong suốt thời gian vừa qua Một lần nữa chúng em xin cảm ơn!
Trang 8Trang 8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D HỆN NAY
ĐẶT VẤN ĐỀ
Yêu c ầu xã hội
Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping – RP) là công nghệ sản xuất tiên tiến, bên cạnh việc lập trình gia công trên máy CNC để gia công chế tạo sản phẩm người ta xây dựng mô hình CAD 3D trên máy tính và gia công theo cách thực hiện trực tiếp từ những dữ liệu của mô hình
Với các vật liệu dạng bột, các phương pháp truyền thống như tiện, phay, bào không thể gia công tạo sản phẩm Thay vào đó ta sử dụng phương pháp in 3d để thêu kết vật liệu dạng này thông qua tác dụng nhiệt của đầu đốt laser hoặc thêu kết bằng đầu phun nước,…
Từ đó các kĩ sư đã thiết kế và chế tạo máy in 3d có độ chính xác cao hơn, in được trên các vật liệu khác nhau, giảm thời gian tạo ra sản phẩm và yêu cầu sản xuất in ra
mô hình phức tạp mà các phương pháp truyền thống khó chế tạo
Tại Việt Nam các máy in 3d công nghiệp cũng đã có mặt trên thị trường trong nhiều năm và phần lớn được cung cấp bởi các công ty hoạt động thương mại Máy in 3d tạo bước phát triển lớn trong nghành công nghiệp tạo mẫu nhanh
Đa phần các máy in 3d tại Việt Nam được các công ty sản xuất hàng loạt với công nghệ tiên tiến nhưng bù lại lại có chi phí cao, không linh hoạt trong cuộc sống và được phục vụ vào mục đích tạo ra các sản phẩm hàng loạt
Định nghĩa và khái niệm
In 3D là một dạng công nghệ được gọi là sản xuất đắp dần/đắp lớp (Additive Manufacturing) Các quá trình đắp dần tạo ra các đối tượng theo từng lớp, khác với các
kỹ thuật đúc hoặc cắt gọt (như gia công)
Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ (American Society for Testing Materials
- ASTM) đã đưa ra một khái niệm rõ ràng về công nghệ sản xuất đắp dần: “Công nghệ
s ản xuất đắp dần là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo nên mô hình 3D, thường là chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau, và quá trình này trái ngược với quá trình c ắt gọt vẫn thường dùng để chế tạo xưa nay” Có thể thấy đây là một phương
pháp sản xuất hoàn toàn trái ngược so với các phương pháp cắt gọt - hay còn gọi là phương pháp gia công, mài giũa vật liệu nguyên khối - bằng cách loại bỏ hoặc cắt gọt
đi một phần vật liệu, nhằm có được sản phẩm cuối cùng Còn với sản xuất đắp dần, ta
Trang 9đã phát triển một hệ thống nguyên mẫu dựa trên quá trình này được gọi là Stereolithography, trong đó các lớp được bổ sung bằng cách chữa giấy nến với ánh sáng cực tím laser Hull định nghĩa quá trình như một "hệ thống để tạo ra các đối tượng 3D bằng cách tạo ra một mô hình mặt cắt của các đối tượng được hình thành," nhưng điều này đã được phát minh bởi Kodama Đóng góp của Hull là việc thiết kế các định dạng tập tin STL (STereoLithography) được ứng dụng rộng rãi trong các phần mềm in 3D
Năm 1986, Charles Hull đã sáng tạo ra quy trình Stereolithography – sản xuất vật
thể từ nhựa lỏng và làm cứng lại nhờ laser Sau đó ông đăng ký bản quyền cho công nghệ in 3D “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering - SLS) có sử dụng file định dạng STL (Standard Tessellation Language) Hull cũng thành lập công ty 3Dsystems và đến nay nó là một trong những công ty cung cấp công nghệ lớn nhất hiện nay trong lĩnh vực in 3D
Ưu, nhược điểm của công nghệ in 3D
Công nghệ in 3D có những ưu điểm chính: Tốc độ hình thành sản phẩm rất nhanh
so với công nghệ khác; Chi phi đầu tư sở hữu thấp nhất trong lĩnh vực công nghệ tạo mẫu nhanh; Chi phí nguyên vật liệu và chi phí sản xuất thấp; Đa dạng về vật liệu chế tạo và các ứng dụng; Có thể in các vật có cấu tạo hình học phức tạp mà không cần giá đỡ; Dễ dàng chuẩn bị, sử dụng và bảo dưỡng; Là công nghệ tạo mẫu có đầy đủ màu sắc lên đến hàng triệu màu; Cho phép chế tạo các sản phẩm đa dạng từ các vật liệu khác nhau, màu sắc khác nhau, khối lượng và kích thước với các tỷ lệ khác nhau so với chi tiết hoặc sản phẩm thật
Về các h ạn chế hiện tại của in 3D, khác nhau tùy theo kỹ thuật in, bao gồm tốc độ
in hiện tại chưa thực sự tương xứng với tiềm năng, kích thước đối tượng được in hạn chế, chi tiết hoặc độ phân giải của đối tượng còn giới hạn, chi phí vật liệu còn cao, và trong một số trường hợp, độ bền chắc của sản phẩm được in cũng hạn chế Tuy nhiên, trong những năm gần đây đã có những tiến bộ nhanh chóng trong việc giảm các hạn chế này
Trang 10Trang 10
1.3 Các công nghệ in 3D
1.3.1 Nguyên lý chung của công nghệ in 3D
Hình 1.1 N guyên lý chung của công nghệ in 3D
Để bắt đầu in 3D, người ta cần một bản thiết kế vật thể 3D trên phần mềm CAD,
một phần mềm quen thuộc hỗ trợ thiết kế trên máy tính Mô hình của vật thể hoặc được thiết kế trực tiếp trên phần mềm này hoặc được đưa vào phần mềm thông qua việc sử dụng thiết bị quét laser Sau khi bản thiết kế được hoàn thành, ta cần tạo ra tài liệu STL
- Standard Tessellation Language, một dạng tài liệu quen thuộc với công nghệ sản xuất đắp dần Làm tesselate theo ngôn ngữ Tesselation chuẩn là chia một vật thể thành những đa giác nhỏ hơn, để mô phỏng cho cấu trúc bên ngoài và cả bên trong của vật thể Đây là phần rất quan trọng trong sản xuất đắp dần Khi tài liệu đã được hoàn thiện,
hệ thống sẽ chia nhỏ thiết kế mẫu thành nhiều lớp khác nhau và chuyển thông tin đến
Trang 11Trang 11
thiết bị sản xuất đắp dần Sau đó, hệ thống sản xuất đắp dần sẽ tự chế tạo vật thể theo từng lớp một cho đến khi vật thể cần sản xuất được hoàn thiện Để sản xuất các vật thể, các hệ thống máy in 3D sử dụng kết hợp nhiều công nghệ khác nhau Các công nghệ này được phân loại dựa vào bản chất vật liệu In 3D hay sản xuất đắp dần có thể làm
việc với vật liệu rắn (nhựa, kim loại, polymer), vật liệu lỏng (nhựa lỏng đông cứng lại nhờ tác động của laser hay ánh sáng điện tử), hay vật liệu dạng bột (bột kim loại, bột gốm kết dính với nhau tạo thành sản phẩm…)
Sau quá trình này thường có thêm một vài khâu hoàn thiện sau sản xuất Có thể là loại bỏ bụi bẩn hoặc các chất liệu khác bám trên sản phẩm Ngoài ra, đôi khi chúng ta cần thêm quá trình thêu kết để có thể phủ kín các lỗ hổng trên sản phẩm Hoặc sử dụng một vài quá trình thẩm thấu để phủ kín sản phẩm bằng các vật liệu khác
Ngày nay một loạt các công nghệ in được sử dụng, mỗi loại đều có những ưu điểm
và hạn chế riêng Các công nghệ chính bao gồm: “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering - SLS), “Thiêu kết lazer chọn lọc trực tiếp” (Direct metal laser sintering
- DMLS), “Mô hình hóa bằng phương pháp nóng chảy lắng đọng” (Fused deposition modeling - FDM), “Tạo hình nhờ tia laser” (Stereolithography) và “In phun sinh học” (Inkjet bioprinting)
1.3.2 Công nghệ Tạo hình nhờ tia laser (SLA)
Đây là công nghệ in 3D xuất hiện đầu tiên và cũng là công nghệ in 3D chi tiết chuẩn xác nhất, có sai số thấp nhất trong các công nghệ in 3D khác Hiện 3D Systems
là hãng nắm bản quyền thương mại công nghệ in 3D này Công nghệ in 3D SLA là một công nghệ in 3D vẫn hoạt động theo nguyên tắc “đắp lớp” có đặc điểm khác biệt với các công nghệ khác là dùng tia UV làm cứng từng lớp vật liệu in (chủ yếu là nhựa
lỏng)
Tương tự công nghệ SLS, các máy in 3D sử dụng công nghệ SLA sử dụng chùm tia laser/UV hoặc một nguồn năng lượng mạnh tương đương để làm “đông cứng” các lớp vật liệu in 3D là nhựa dạng lỏng, nhiều rất nhiều lớp như vậy sẽ tạo nên vật thể in 3D SLA Lớp in SLA có thể đạt từ 0.06, 0.08, 0.1,… mm
Công nghệ này được sử dụng để chế tạo ra các vật phẩm 3D chỉ từ những hình ảnh trên máy tính và công nghệ này cho phép người dùng kiểm tra các mẫu thiết kế một cách nhanh chóng, chính xác trước khi quyết định đầu tư sản xuất hàng loạt
Về nguyên lý hoạt động: Sau khi tập tin 3D CAD được kết nối dưới ngôn ngữ STL (Tessellation language) thì quá trình in được bắt đầu: Lớp nhựa lỏng đắp lên mẫu 3D thiết kế sẵn tia UV làm cứng lớp nhựa này, sau đó nhiều lớp được đắp lên nhau cho đến khi đạt chỉ số kỹ thuật của vật thể đã định sẵn Các lớp in 3D SLA có thể đạt từ 0.06mm, 0.08mm, 0.1mm tùy vào nhu cầu in
Trang 12là cao nhất hiện nay
Nhược điểm:
Vật liệu in 3D khá đắt, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền khi để lâu dưới ánh sáng mặt trời
Hình 1.3 sản phẩm được tạo ra từ công nghệ SLA
1.3.3 Công nghệ Thiêu kết lazer chọn lọc (SLS)
Công nghệ này này cũng dựa trên quá trình chế tạo từng lớp nhưng chất polymer lỏng được thay bằng vật liệu bột
Trang 13Trang 13
Hình 1.4 Mô hình Công nghệ SLS
Công nghệ SLS vận hành tương tự SLA nhưng vật liệu ở dạng bột gốm sứ, thép, titan, nhôm, bạc, thủy tinh,… Tia laser giúp liên kết các hạt bột với nhau Đặc biệt, bột thừa sau quy trình có thể tái chế nên rất tiết kiệm Có thể tạo lớp bằng vật liệu phụ trợ
là keo chuyên dụng (có khi kèm màu sắc nếu in 3D đa sắc màu), hoặc tia laser, tia UV,…
Nhìn chung, SLS là công nghệ tạo mẫu dựa trên vật liệu dạng bột Sử dụng tia laser, công nghệ SLS nung kết các loại vật liệu dạng bột khác nhau với nhau để tạo ra mẫu dạng rắn Công nghệ in 3D SLS là chìa khóa để các máy in 3D tạo ra những sản phẩm đa dạng, đặc biệt là in 3D bằng chất liệu kim loại/gốm
Nguyên lý ho ạt động
Phương pháp SLS sử dụng tính chất của vật liệu bột là có thể hóa rắn dưới tác dụng của nhiệt (như nylon, elastomer, kim loại) Một lớp mỏng của bột nguyên liệu được trải trên bề mặt của xy lanh công tác bằng một trống định mức Sau đó, tia laser
10 hóa rắn (kết tinh) phần bột nằm trong đường biên của mặt cắt không thực sự làm chảy chất bột), làm cho chúng dính chặt ở những chỗ có bề mặt tiếp xúc Trong một số trường hợp, quá trình nung chảy hoàn toàn hạt bột vật liệu được áp dụng Quá trình kết tinh có thể được điều khiển tương tự như quá trình polymer hoá trong phương pháp tạo hình lập thể SLA Sau đó xy lanh hạ xuống một khoảng cách bằng độ dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu được đưa vào và quá trình được lặp lại cho đến khi chi tiết được hoàn thành
Ưu điểm:
Khả năng tạo mẫu bằng các loại vật liệu dạng bột khác nhau như nhựa, kim loại, thủy tinh, gốm Tạo mẫu đa dạng về màu sắc, có thể tạo ra các mẫu hình dạng phức tạp, không cần sử dụng vật liệu hỗ trợ, không cần cấu trúc hỗ trợ SLS đã được sử dụng chủ yếu để tạo nguyên mẫu, nhưng gần đây đã được ứng dụng cho sản xuất theo từng yêu cầu cụ thể Ví dụ, General Electric đã mua một công ty công nghệ SLS để chế tạo các bộ phận cho động cơ phản lực thương mại Công nghệ SLS thích hợp để in các mô hình có thành mỏng, các chi tiết cần độ dẻo Đặc biệt, SLS là lựa chọn tuyệt vời khi cần in những mô hình lớn hoặc có phần rỗng phía dưới đáy Xét về độ mịn bề mặt,
Trang 14Trong máy in 3D (FDM) vật liệu nóng chảy được đẩy ra, đầu đùn sẽ di chuyển một biên dạng 2D Độ rộng của đường đùn có thể thay đổi trong khoảng từ (từ 0,193mm đến 0,965mm) và được xác định bằng kích thước của miệng đùn Miệng của vòi đùn không thể thay đổi trong quá trình tạo mẫu, vì thế cần phân tích các mô hình tạo mẫu trước khi chọn vòi đùn thích hợp
Trang 15Trang 15
Hình 1.6 Công nghệ in 3D FDM
Vì giá thành máy và vật liệu in 3D rẻ, nên công nghệ này đang là công nghệ in 3D phát triển mạnh nhất, phổ biến nhất hiện nay
Ưu điểm: Là công nghệ in 3D giá rẻ, dễ sửa chữa và thay thế chi tiết máy móc, in
với số lượng lớn, ít tốn nguyên liệu Thường sử dụng trong các sản phẩm cần chịu lực Tốc độ tạo hình 3D nhanh Quá trình tạo mẫu nhanh của FDM không giống như công nghệ SLA, LOM, SLS phải sử dụng tia laser để tạo hình sản phẩm mà công nghệ tạo mẫu nhanh FDM đơn giản hơn rất nhiều, độ tin cậy cao, bảo dưỡng dễ dàng Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo không độc, không mùi, và
do đó sẽ không gây ô nhiễm môi trường xung quanh Thiết bị hoạt động tạo ra ít tiếng
ồn
Nhược điểm: Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao Khả năng chịu
lực không đồng nhất
Hình 1.7 Sản phẩm công nghệ in 3D (FDM)
Trang 16Trang 16
1.3.5 Công nghệ in 3D dán nhiều lớp (LOM)
Các đối tượng 3D được tạo ra từng lớp, mỗi lớp sẽ được cắt bằng tia laser hoặc
dụng cụ cắt chuyên dụng (cắt theo đường biên dạng với tốc độ khoảng 15 inch/giây) sau đó được dán chặt từng lớp, từng lớp vào với nhau tạo ra sản phẩm Sau khi vật liệu
dư thừa được cắt bỏ, đối tượng có thể được đánh giấy ráp hoặc được sơn Mặc dù độ chuẩn xác của các loại máy in 3D công nghệ này là hơi thấp hơn so với các công nghệ SLA hay SLS, nhưng LOM là một trong những công nghệ in ấn giá cả phải chăng nhất
và 3D nhanh nhất để tạo các bộ phận tương đối lớn Nó cũng cho phép tạo nhiều màu sắc 3D in các đối tượng
Ưu điểm: Vật liệu đa dạng, rẻ tiền Về nguyên tắc có thể sử dụng các loại vật liệu:
giấy, chất dẻo, kim loại, composites và gốm; Độ chính xác cao đạt được tốt hơn 0,25
mm Bằng việc cắt vật liệu thay vì hóa rắn nó, hệ thống có thể bảo vệ được những đặc tính ban đầu của vật liệu; Không cần thiết kết cấu hỗ trợ; Tốc độ cao, nhanh hơn các phương pháp tạo lớp khác bởi vì tia laser không cắt toàn bộ diện tích mà chỉ quét theo chu vi bên ngoài Do đó, vật liệu dày và mỏng có tốc độ cắt bằng nhau; Không có sự thay đổi pha trong quá trình chế tạo chi tiết nên tránh được độ co rút của vật liệu; Không độc hại và ô nhiễm môi trường
Nhược điểm: Không thu hồi được vật liệu dư Sự cong vênh của chi tiết thường là
vấn đề chính của phương pháp LOM; Lấy sản phẩm ra khỏi kết cấu hỗ trợ khó khăn;
Độ bóng bề mặt không cao
Hình 1.8 M áy in 3D công nghệ LOM và một số sản phẩm
Trang 17Trang 17
1.3.6 Công nghệ Laser kim loại thiêu kết trực tiếp (DMLS)
Công nghệ DMLS là một trong những công nghệ đầu tiên sản xuất nhiều bộ phận kim loại trong một quy trình Với DMLS, kim loại bột (đường kính khoảng 20 micron), không chứa chất kết dính hoặc chất dẫn xuất, bị tan chảy hoàn toàn khi quét chùm tia laser công suất cao để chuyển thành một dạng vật liệu mới với các tính chất của vật liệu ban đầu Lợi thế của công nghệ DMLS so với công nghệ SLS là độ phân giải cao hơn do sử dụng các lớp mỏng hơn, được tạo nên bởi các hạt có đường kính nhỏ hơn Khả năng này cho phép tạo ra một phần hình dạng phức tạp hơn Các lựa chọn vật liệu hiện đang được cung cấp bao gồm thép hợp kim, thép không rỉ, nhôm, đồng, cobalt-chrome, và titan Tuy nhiên, hầu như bất cứ kim loại hợp kim nào cũng có thể được sử dụng trong công nghệ này
Ưu điểm: của công nghệ DMLS so với những công nghệ tạo mẫu nhanh khác là
có thể tạo ra những sản phẩm bằng kim loại với mật độ đạt trên 95% (công nghệ SLS chỉ đạt 70%) với độ chính xác và chi tiết cao do mỗi lớp tạo hình chỉ dày 20 µm
1.3.7 Công nghệ in phun sinh học (Inkjet-bioprinting)
Công nghệ in phun sinh học Bioprinting sử dụng một kỹ thuật tương tự như các máy in phun, trong đó một vòi phun định vị chính xác đặt một chấm nhỏ mực in để tạo thành hình dạng Trong in phun sinh học, vật liệu được sử dụng là các tế bào của con người chứ không phải là mực Đối tượng in được tạo ra bằng cách phun một hỗn hợp
“vật liệu giàn giáo” (như hydrogel có chứa đường) và các tế bào sống được nuôi cấy
từ các mô của bệnh nhân Sau khi in, mô được đặt trong một buồng với nhiệt độ và điều kiện ôxy thích hợp để tạo điều kiện cho tế bào tăng trưởng Khi các tế bào đã được kết hợp, “vật liệu giàn giáo” được lấy ra và mô đã sẵn sàng để được cấy ghép
Hình 1.9 Công nghệ in phun sinh học
Ưu điểm: của máy in sinh học 3D là mô hoặc cơ quan có thể được tạo ra theo từng
lớp một để đạt được hình học giải phẫu chính xác In sinh học 3D có thể thu được bằng
in bằng laser hỗ trợ sinh học (LaBP) hoặc in phun (IBP)
1.4 Ứng dụng công nghệ in 3D
Trang 18Trang 18
Công nghệ in 3D đang ngày càng phát triển, không chỉ giúp cho việc chế tạo khuôn mẫu được chính xác và dễ dàng hơn mà còn tìm được nhiều ứng dụng trong thực tế cuộc sống Công nghệ in 3D đang được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp sản xuất chế tạo, y khoa, kiến trúc, xây dựng… Dưới đây là những lĩnh vực chính được ứng dụng công nghệ in 3D
Các loại máy in 3D không chỉ phục vụ các sinh viên kiến trúc, đồ họa, cơ khí mà còn có thể áp dụng cho những nhà nghiên cứu, kĩ sư, giảng viên hay bất kỳ cá nhân nào có nhu cầu in tạo mẫu 3D
Từ sản xuất công nghiệp đến y học, thẩm mỹ làm đẹp, máy in 3D hoàn toàn có thể khẳng định vai trò chủ đạo của mình Công nghệ 3D giúp các bác sĩ tạo mô hình bộ phận cơ thể để rút ngắn thời gian hội chẩn và phẫu thuật chính xác hơn, đồng thời còn
bệnh nhân Những chiếc máy in 3D còn giúp ngành nữ trang tạo nhanh và chính xác
cùng
Hình 1.10 Vỏ động cơ ô tô được in bằng công nghệ in 3D vật liệu bền SLS
Trang 19Trang 19
Hình 1.11 T ấm lót dày hãng ADIDAS được làm bằng công nghệ in 3D
Hình 1.12 M ảnh xương sọ in 3D để cấy ghép
1.5 Yêu cầu kỹ thuật đối với máy in 3D dạng bột
+ Máy phải hoạt động ổn định, chạy êm, không xảy ra lỗi trong qua trình gia công
Trang 20Trang 20
+ Máy lắp ráp phải có tính công nghệ cao nghĩa là dễ tháo lắp, thay thế, bảo dưỡng + Máy sử dụng những chi tiết tiêu chuẩn hóa như bulông, vòng bi, vítme bi nên dễ dàng thay thế và giá thành của máy cũng thấp đi
+ Sản phẩm được làm ra với thiết kế đẹp mắt, chi phí sản xuất và bảo trì thấp so với
sản phẩm cùng loại của nước ngoài, do đó phù hợp với túi tiền của người dùng Sản phẩm có các phần mềm hỗ trợ trực quan, dễ hiểu nên mọi người đều có thể sử dụng một cách dễ dàng sau vài giờ tìm hiểu, do đó có khả năng đưa ra sử dụng rộng rãi, phổ biến
+ Phần mềm giao tiếp giữa máy laser với máy tính là ARDUINO, nó có thể hoạt
động trên mọi hệ điều hành của Windows, thẩm chí cả laptop thay vì máy tính để
+ Tính môi trường: Máy không làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh, không
ồn ào, và đặt biệt không gây ô nhiễm môi trường
Nguyên lí làm vi ệc của máy
Máy laser hoạt động theo nguyên lý chi tiết đứng im và đầu laser di chuyển, laser được đóng, ngắt tự động nhờ relay Dự liệu được đưa vào máy tính có thể là tự thiết kế hoặc lấy trên mạng, và được đưa vào phần mềm Repetier để xử lý và xuất G-code Ta
có thể chỉnh sửa G-code ngay trên giao diện phần mềm Repetier G-code chạy theo như ý muốn thì đem đi gia công và không đúng thì loại bỏ và thiết kế lại G-code đạt yêu cầu đem đi gia công với phần mềm điều khiển Grbl Controller tương thích với ARDUINO Tại đây mạch ARDUINO sẽ xử lý tín hiệu từ Grbl Controller xuất ra
và xuất xung tín hiệu cho các cơ cấu chấp hành (2 driver TB6560, 1 relay)
• Driver TB6560 sẽ điều khiển động cơ bước quay theo tín hiệu xung nhận được
từ ARDUINO, động cơ bước xoay làm đai răng di chuyển và kéo theo laser, 2 động cơ bước tạo thành hệ mặt phẳng XOY
• RELAY sẽ đóng ngắt laser một cách tự động dựa vào tín hiệu từ ARDUINO xuất
Trang 21Trang 21
laser có nhiều chủng loại khác nhau tùy thuộc vào công suất và cơ cấu khác nhau.Tuy nhiên xét tổng thể về nguyên lý thì các máy laser đều có cấu trúc và hệ điều khiển tương tự nhau Cấu trúc của tất cả các loại máy laser đều bao gồm: Phần xử lý trung tâm (Giao diện người máy và thực hiện nội suy), phần điều khiển stepper motor, động
cơ Stepper motor Tuy nhiên trong thực tế nghiên cứu của sinh viên thì việc nghiên cứu chế tạo một máy laser với đầy đủ chức năng và bộ phận của một máy laser tiêu chuẩn là rất khó Vì giá thành động cơ steper motor và hệ thống dẫn động vít me bi rất đắt và điều kiện nhà xưởng còn hạn chế nên việc chế tạo một máy laser đối với sinh viên là rất khó
Trong đồ án này chúng em tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu các phần tử trong máy laser tiêu chuẩn Từ đó bắt tay vào chế tạo một mô hình máy in 3d cỡ vừa
Mục tiêc của em trong đồ án này là chế tạo được mô hình máy in 3d hoạt động tốt và
có thể gia công được bột nhựa, bột thạch cao, bột xi măng Máy có thể nhận file code và có thể chỉnh sửa bằng tay trên phần mềm điều khiển
Trang 22G-Trang 22
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ MÔ HÌNH MÁY IN 3D
CHỌN KẾT CẤU CHO MÔ HÌNH
Nguyên lí hoạt động của máy in 3D
Về cơ bản, mô hình máy in 3d của chúng em thể hiện nguyên lí hoạt động của một máy in 3D được điều khiển bằng phần mềm chuyên dụng được dùng trong thực tế Gồm 3 trục X, Y và Z Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian và kinh tế, mô hình máy của chúng em vẫn còn một số điều bị hạn chế
Hình 2.1 Mô hình máy in 3D Nguyên lí ho ạt động:
Động cơ ở các trục X, Y và Z được kết nối với mạch điều khiển, phần mạch điều khiển này được kết nối với máy tính Phần mềm điều khiển thông tính toán điều khiển
và cấp xung cho động cơ, làm động cơ quay Máy sử dụng truyền động đai răng và vít
me, Truyền mômen từ động cơ tới các trục làm cụm dẫn động ba trục chuyển động tịnh tiến trên các trục dẫn hướng Chuyển động của các cụm điều khiển ba trục phụ thuộc vào phần mềm điều khiển nội suy biên dạng chi tiết cần in Ta chỉ cần thiết kế
mô hình chi tiết, và xuất file từ máy tính nạp vào phần mềm điều khiển
Trang 23Trang 23
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của máy
2.2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, LỰA CHỌN CÁC CHI TIẾT
TRÊN MÔ HÌNH
2.2.1 Các loại cơ cấu truyền động
Yêu cầu của cơ cấu truyền động trong máy in 3D là phải biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của đầu Laser Việc lựa chọn cơ cấu truyền động dựa vào điều kiện làm việc của máy và yêu cầu điều khiển, trên thực tế có nhiều
cơ cấu truyền động để biến chuyển động quay thành tịnh tiến như bánh răng-thanh răng, vít me- đai ốc, và truyền động đai ( chi tiết gắn trên đai)… vì các yêu cầu kỹ thuật như gọn nhẹ, giá thành hợp lý, dễ dàng lựa chọn và sử dụng nhóm đã chọn đai
và vít me -đai ốc làm cơ cấu truyền động cho các trục
+ Truyền động đai răng: trục X, Y
+ Truyền động vít me – đai ốc: trục Z
+ và lựa chọn các cơ cấu dẫn hướng trên các trục X, Y, Z
2.2.1.1 Truyền động đai răng
Trang 24Trang 24
Hình 2.3 Bộ truyền động đai răng
Đai răng là loại đai dẹt được chế tạo thành vòng kín, có răng ở mặt trong Khi vào tiếp xúc với các bánh đai các răng của đai sẽ ăn khớp với các răng trên bánh đai Do truyền lực bằng ăn khớp truyền động đai có những ưu điểm: không có trượt, tỉ số truyền lớn, hiệu suất cao, không cần lực căng đai quá lớn, lực tác dụng lên trục và lên ổ nhỏ Đai răng được chế tạo từ cao su trộn với nhựa nairit hoặc được đúc từ cao su pouliuretan Lớp chịu tải chủ yếu là dây thép, sợi thuỷ tinh hoặc sợi poliamit
B ảng 2.1 Các thông số hình học của bộ truyền đai
Ưu điểm: Việc truyền lực có tính đàn hồi; chạy êm và ít ồn, chịu sốc; khoảng cách trục có thể lớn; không cần phải bôi trơn; phí bảo dưỡng thấp
Nhược điểm: Bị trượt qua sự giãn nở của dây đai qua đó không có tỷ lệ truyền chính xác; nhiệt độ ứng dụng bị giới hạn; thêm tải trọng lên ổ trục do lực căng cần thiết của dây đai
Trang 25Trang 25
2.2.1.2 Truyền động bánh ma sát
Truyền động bánh ma sát được thực hiện nhở sự chuyển động của bánh xe trên
sống trượt được làm phẳng Dùng để biến chuyển động quay của bánh xe thành chuyển động tịnh tiến
Ưu điểm:
+ Chế tạo đơn giản
+ Kích thước tương đối nhỏ gọn
+ Chạy êm, ít gây tiếng ồn
+ Thực hiện được các chuyển động cần chính xác cao
+ Có khả năng truyền động trong trạng thái lực lớn
+ Cấu tạo gọn nhẹ
2.2.1.3 Truyền động Vít me
Vít me là một hệ thống truyền động ,được gia công chính xác để biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến theo cơ chế con vít - bulon (đai vít , hay đai ốc) Để chuyền động một cách trơn tru và chính xác , hoạt động liên tục bền bỉ trong thời gian dài ta phải có biện pháp bôi trơn hợp lý
Khi trục vít xoay làm cho đai ốc chuyển động tịnh tiến, trục vít quay được một vòng thì đai ốc sẽ chuyển động tịnh tiến được một đoạn bằng bước vít
Hình 2.4 T ruyền động vít me đai ốc
Ưu điểm:
Trang 26Trang 26
+ Độ chính xác cao, cơ cấu gọn nhẹ Thường được dùng trong cac máy cnc có
độ chính xác cao
Nhược điểm:
+ Hiệu suất truyền lực thấp, giá thành cao
- Có hai loại vitme:
+ Vít me thường:
là vitme và đai ốc tiếp xúc trực tiếp với nhau và trượt trên nhau qua các mặt ren Loại này có nhược điểm là ma sat cao do tiếp xúc mặt sinh ra ma sat trượt, và có sai
số do khe hở giữa vitme và đai ốc khi đảo chiều chuyển động
Để khử sai số của khe hở giữa trục vít và đai ốc người ta gắn một cơ cấu lò xo vào đai ốc giữ cho đai ốc luôn tiếp xúc với một mặt ren của trục vít
Hoạt động : Tiếp xúc giữa vít me bi và đai ốc có 1 đường rãnh (rãnh me ) được
lắp đầy bởi những viên bi thép Khi trục vít xoay, những viên bi lăn tròn trong mối ren của trục vít và đai óc Điều này nhằm giảm ma sát của chúng Bởi vì các viên bi cuối cùng sẻ rơi ra ngoài, nên đai ốc có 1 đường ống dẫn về (đường hồi) để hứng những viên bi khỏi rãnh của trục vít và đưa chúng trở lại phần đầu của đường bi ở phía cuối của đai óc.Lực đẩy của đai ốc nhẹ nhàng nhờ chuyển động lăn của những viên bi cuộn tròn, hơn là trượt
- Nh ững Thông số hoạt động:
Chiều dài thanh vít , chiều dài hành trình đạt được, đường kính thanh vít, hành trình bước ren khi thanh vit quay đúng 1 vòng
Hình 2.5 Cấu tạo vít me bi
Trang 27Trang 27
Từ ưu nhược điểm của cơ cấu truyền động cùng với điều kiện gia công và những
bộ truyền có trong thị trường hiện nay ta chọn truyền động bằng đai răng cho trục X,
Y và truyền động bằng vít me cho trục Z
2.2.2 Tính toán, thiết kế cơ cấu truyền động
2.2.2.1 Thông số đầu vào
Trang 28Trang 28
mx= 0.1 kg
my = 5.5 kg
mz=1 kg
a) Tính toán truyền động đai răng
Xác định module và chiều rộng đai
module được xác định theo công thức:
1 3 1
+ P1 - công suất trên bánh đai chủ động, kW
+ n1 – số vòng quay trên bánh đai chủ động vg/ph
4
3 1
5*10
20
P m
B ảng 2.2 Mô đun và chiều rộng đai tiêu chuẩn
Từ kết quả tính ở phần trước ta chọn đai răng có chiều rộng: b=5 (mm)
Trang 29Trang 29
Xác định các thông số của bộ truyền:
+ Số răng z1 của bánh đai được chọn =20 răng
+ Số răng z2 được tính theo công thức
Tính toán lực trên đai
Khác với các truyền động đai dẹt, đai thang và nhiều đai cần phải mắc lên bánh đai với lực căng ban đầu đủ lớn để tạo ra lực ma sát cần thiết trong truyền động đai răng lực căng ban đầu chỉ nhằm khắc phục khe hở khi ăn khớp và đảm bảo cho đai tiếp xúc tốt với bánh đai Nó chỉ cần lớn hơn do lực li tâm sinh ra
Ta có momen xoắn trên trục dộng cơ
4
1
5.10 9.55.10 9.55.10 238.75(N/ m)
20
P T
t
T F
bộ truyền chính của các loại máy có chuyển động tịnh tiến khứ hồi như máy bào giường
Các ưu điểm:
Trang 302( )1000
+ Lực ma sát của vitme và đai ốc, thanh dẫn hướng với rãnh dẫn
+ Lực quán tính khi có gia tốc
Trang 31Trang 31
Tính toán t ải trọng động:
(60 N mL t) F mx 10 = (60 × 333× 45000)1/3× 0,21 × 10-2 = 2,02(kgf)
Kiểu ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động→ f = 15,1
Tốc độ quay của động cơ 2000 rpm
Trang 32 = 149135 vg/ph
- Trong đó dr là đường kính lõi ren trục vít: dr = 8mm
Tốc độ này lớn hơn so với tốc độ quay lớn nhất được thiết kế Do vậy lựa chọn như trên thỏa mãn
Momen quán tính kh ối
Trên phần dịch chuyển:
Trang 33Trang 33
GD𝑤2 = Wy × (2 ×π𝑙 )2= 120 × (2 ×π1,2 )2= 4,4 kgf.cm2 Trên phần ghép nối:
r
F F
= 6477 kgf> Fmax(4,1 kgf)
2.2.2.2 Chọn cơ cấu dẫn hướng:
Trang 34Trang 34
a) Mục đích của cơ cấu dẫn hướng
Đường dẫn hướng được sử dụng trong máy công cụ nhằm mục đích:
+ Điều khiển dẫn hướng hoặc đường dẫn cho các hoạt động của phần chịu tải hoặc bàn giữ dụng cụ hoặc phôi gia công
+ Cung cấp cho sự chỉnh lý trong trình diễn
+ Định vị trong mối quan hệ với không gian làm việc
+ Bảo vệ khỏi phoi và sự hư hại
+ Yêu cầu của dẫn hướng trong máy điều khiển chính xác
+ Đảm bảo dịch chuyển nhỏ nhất của máy
+ Tránh được hiện tượng trượt theo bước nhảy
+ Giảm được tổn thất năng lượng, có khả năng bôi trơn tốt
+ Tuổi thọ và độ tin cậy cao
b) Các loại dẫn hướng sử dụng trong thực tế
D ẫn hướng dạng chữ V
Dạng chữ V hay chữ V xoay ngược được sử dụng rộng rãi trong các loại máy cắt gọt, đặc biệt là máy tiện Một trong những ưu điểm của loại chữ V hay chữ V xoay là
có thể định hướng song song của dẫn hướng với trục quay, không có hiệu quả khi mòn
Có chuyển động khép kín như thành phần ổn định trong các thành phần thấp hơn, và thành phần tự động duy trì sự sắp xếp thẳng hàng Vì vậy các máy trục không cần yêu cầu có dẫn hướng chữ V để tạo ra dung sai gây bởi sự mài mòn Ở vài máy, góc của chữ V khác nhau để giảm khả năng mòn thất thường của bề mặt chữ V
D ẫn hướng dạng phẳng và dạng đuôi én ( dạng mang cá )
Mặc dù kiểu hình chữ V có các ưu điểm chắc chắn, nhưng loại hình đuôi én và phẳng vẫn được sử dụng trong các máy công cụ CNC Loại dẫn hướng phẳng có khả năng chịu tải hơn các loại dẫn hướng khác
Sau thời gian sử dụng, sự mài mòn có thể xuất hiện sự trượt của các bề mặt với nhau Các cần máy trục được sử dụng để bảo đảm độ chính xác lắp của các mặt trượt
Trang 35D ẫn hướng lăn
Dẫn hướng lăn hay dẫn hướng chống ma sát chuyển động tịnh tiến được sử dụng
để vượt qua hệ số ma sát tương đối cao của ma sát trong tiếp xúc kim loại với kim loại
và kết quả của việc giới hạn địa chỉ trong phần danh sách ở trên
Chúng sử dụng các thành phần cán giữa các phần chuyển động và phần tĩnh của máy Chúng mang lại các ưu điểm sau khi so sánh với dẫn hướng ma sát:
+ Ma sát thấp
+ Không có trượt
+ Tự do lắp ráp
+ Có lãi trong điều kiện sẵn sàng lắp đặt
+ Sức chứa tải trọng cao
+ Khả năng chứa tải trọng đặt trước nặng hơn
+ Tốc độ đòn ngang cao hơn
Các nhược điểm chính của các dẫn hướng này được so sánh với dẫn hướng ma sát
là khả năng giảm sóc thấp hơn
Trang 36Hình 2.10 Chi tiết sống dẫn ma sát lăn hình trụ
Số lượng của máy sử dụng ổ đũa để cung cấp cho các hoạt động lăn nhiều hơn là
trượt Các ổ đũa được tiếp xúc với dẫn hướng được gia công trên các phần đúc của
máy Những loại ổ này rất hiệu quả trong việc gia công mịn và dễ dàng chuyển động,
nhưng vẫn yêu cầu độ chính xác hình dạng được gia công đối với vật đúc Các bề mặt
tại điểm tiếp xúc với ổ đũa cần phải được làm tăng cứng và cần phải có bề mặt mịn
Xác định điều kiện làm việc:
Khối lượng bàn máy, các cột liên kết dẫn động theo trục X : WX= 0.1 (kg)
Tốc độ chạy không lớn nhất: v=2m/ph
Lực tác dụng lên mỗi Block của ray trượt được tính theo sơ đồ sau:
Chọn sơ bộ khoảng cách c=130 mm, d=50 mm
Trang 37F F a F b P
Hình 2.12 Catalog chọn con trượt trục X
Trang 38Trang 38
Tải trọng động cho phép: C = 15 (kgf) = 0, 15 (KN)
Dẫn hướng trục Y
Xác định điều kiện làm việc:
Khối lượng bàn máy, các cột liên kết dẫn động theo trục X : Wy= 5.5 (kg) Tốc độ chạy không lớn nhất: v=2m/ph
Lực tác dụng lên mỗi Block của ray trượt được tính theo sơ đồ sau: Chọn sơ bộ khoảng cách c=130 mm, d=50 mm
F F a F b P
Trang 39Hình 2.14 Catalog chọn con trượt trục Y
Với ray được tôi tới độ cứng 58-60 HRC thì hệ số độ cứng f h 1
Với nhiệt độ môi trường làm việc 100ºC thì hệ số nhiệt độ ft 1
B ảng 2.3 Hệ số tải trọng cảu con trượt
w
f
Trang 40lại của từ trường rotor
+ Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta có thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như các động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo)
+ Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được) Khi momen tải quá lớn gây ra
hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay
Động cơ servo