Máy in 3D 2 đầu phun

Máy in 3D thiết kế có thể thực hiện in 2 màu, chuyển động các trục êm, nhẹ nhàng Máy in có 2 chế độ cân bàn in: Bằng tay và tự động (ManAuto) Máy in 3D vận hành ổn định Sản phẩm in đạt chất lượng bề mặt Chế độ cân bàn tự động hoạt động đạt yêu cầu

Trang 1

TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ THI CÔNG MÁY IN 3D 2 ĐẦU PHUN

I MÔ TẢ CHỨC NĂNG

- Máy in 3D thiết kế có thể thực hiện in 2 màu, chuyển

động các trục êm, nhẹ nhàng

- Máy in có 2 chế độ cân bàn in: Bằng tay và tự động

(Man/Auto)

II YẾU CẦU

- Máy in 3D vận hành ổn định

- Sản phẩm in đạt chất lượng bề mặt

- Chế độ cân bàn tự động hoạt động đạt yêu cầu

III NHIỆM VỤ THỰC HIỆN

1 CƠ KHI

- Thiết kế, gia công, lắp ráp khung máy

-Thiết kế, gia công, lắp ráp cơ cấu truyền động 3 truc X, Y, Z

- Lựa chọn, lắp ráp bàn in

- Thiết kế, lắp ráp các bộ phận cover mạch điện, quat tản nhiệt, bộ đùn nhựa, đầu nung,…

2 ĐIỆN, LẬP TRÌNH

- Lựa chọn, lắp đạt board mạch, động cơ, driver điều

khiển,

- Điều chỉnh thông số phần mềm điều khiển Marlin phù

hợp với máy

- Kích hoạt chế độ nâng bàn tự động, san lấp mặt phẳng khi in

IV THỜI GIAN THỰC HIỆN

Từ ngày: 07/06/2021 Đến ngày: 03/07/2021Giám hiệu Khoa Cơ Khí GV hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 1

Trang 2

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021

Giáo viên phản biện 1

Trang 4

Trang 5

(Ký, ghi rõ họ tên)

Trang 6

Trang 7

(Ký, ghi rõ họ tên)

Trang 8

MỤC LỤC

Trang 9

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

- Công nghệ in 3D từ khi ra đời đến nay đã được cải tiến vàphát triển rất nhiều Hàng loạt phương pháp và công nghệ in3D ra đời, mỗi công nghệ in có những ưu điểm riêng Hiệnnay một trong những phương pháp in 3D được sử dụng phổbiến nhất là công nghệ FDM với những ưu điểm như đơngiản, dễ thiết kế, vật liệu dễ tìm, không gây độc hại … Bêncạnh những ưu điểm đó thì việc thực hiện in vật mẫu 1 màucó phần đơn điệu … Từ đó nhóm quyết định thiết kế chế tạomẫu máy in 3D có thể thực hiện in được vật mẫu 2 màunhằm tăng thêm độ sinh động cho mẫu in

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Đề tài có những ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

- Thiết kế mẫu máy in 3D với chất lượng mẫu in đẹp phục vụ chocông việc nghiên cứu và giảng dạy trên trường lớp

- Phát triển đầu phun thứ 2, chất lượng in tốt và đảm bảo về mứcgiá hợp lí

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

- Đề tài nhằm mục đích nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in 3D

sử dụng công nghệ in FDM 2 đầu phun, nâng cao chất lượngmẫu in, tốc độ mẫu in

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy in3D công nghệ FDM 2 đầu phun

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứu của đề tài như sau:

+ Nghiên cứu tổng quan về công nghệ in 3D

Trang 10

+ Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu truyền động của máy.

+ Nghiên cứu tính toán phần điện

+ Nghiên cứu phần mềm giao tiếp, hỗ trợ lập trình in 3D.+ Nghiên cứu, tính toán đường chạy nhựa tối ưu

1.5 Phương pháp nghiên cứu

• Đề tài kết hợp nghiên cứu giữa phương pháp lý thuyết vàthực nghiệm trên mô hình Cụ thể:

- Nghiên cứu lý thuyết:

+ Tìm kiếm, tổng hợp các tài liệu liên quan đến đề tài.+ Nghiên cứu về lý thuyết tạo mẫu nhanh với công nghệ FDM

+ Tổng hợp tài liệu tính toán, thiết kế cơ cấu truyền động đảm bảo độ chính xác, tối ưu hóa chuyển động

+ Tìm hiểu về thuật toán điều khiển đường chạy của 2 đầuphun

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương 2: Tổng quan về các công nghệ in 3D

Chương 3:Lựa chọn công nghệ in 3D và thiết kế máy in theo công nghệ in FDM

Chương 4: Cơ sở lý thuyết

Chương 5: Tính toán và thiết kế máy in 3d

Chương 6: Kết luận

Trang 11

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGHỆ IN 3D

2.1 Các công nghệ của máy in 3d

2.1.1 Công nghệ FDM ( Fused Deposition Modeling )

- Phương pháp nầy được thương mại hóa bởi công ty Stratasys vàonăm 1989 Sản phẩm chính của công ty là dòng máy FDM-900,FDM-1600 và FDM-1650.vật liệt sử dụng trong FDM là các loạinhựa nhiệt dẻo: ABS, Poyamind, Nylon, sáp

- Công nghệ in FDM được sử dụng khá nhiều trong các loại máy inhiện nay với kết cấu đơn giản, vật liệu dễ tìm

Hình 2.1 Công nghệ in FDM

- Nguyên lý hoạt động: Ở vị trí ban đầu bàn in cách đầu phun nhiệtmột khoảng bằng chiều dày lớp in Sợi nhựa được đưa vào kimphun nhờ hệ thồng tời nhựa bằng cặp bánh răng một cách liêntục Tại đầu phun nhựa, nhựa được nung nóng tới khoảng nhiệtđộ thích hợp bởi bộ phận gia nhiệt Nhựa nóng chảy được đùn ratheo biên dạng dịch chuyển của đầu phun Sau khi lớp thứ nhấthoàn thành bàn máy dịch xuống một khoảng bằng chiều dày

Trang 12

2.1.2 Công nghệ SLA (Stereo Lithography Aparatus)

- Phương pháp SLA được phát minh tại Mỹ năm 1984 Năm 1986Charles W.Hull thành lập công ty 3D SYSTEMS và ông là mộttrong những ngừi phát minh ra hệ thống mẫu lập thể 3D vàđược cấp bằng sáng chế vào năm 19866

- Thời gian quét chùm tia laser phụ thuộc vào hình dạng hình họccủa những đường viền, mẫu vạch, tốc độ của tia laser và thờigian bao phủ (thời gian để một lớp của polymer sao cho rắn lạivà thời gian để lớp cuối cùng rắn lại)

- Sau khi lấy chi tiết ra khởi hệ thống SLA, chi tiết phải trải qua mộtloạt các quá trình Hậu xử lý (post-processing) Đầu tiên, nhữngchất polymer dư ra được làm sạch hết Những chi tiết làm sạchbằng những phương pháp chuẩn để bỏ đi những chất nhựa dưvới: Tri-propylene Glycol Monomethyl Ether, rửa bằng nước, saucùng rửa bằng iso-propyl alcohol, chi tiết được làm khô trongkhông khí Do tia laser không cung cấp đủ năng lượng để xử lýhoàn toàn chi tiết nên quá trình xử lý chi tiết được thực hiệnbằng thiết bị xử lý tinh PCA(post-curing apparatus) PCA là mộtbuồng với một bàn quay và những bóng đèn chiếu tia tử ngoại.Thông thường, người ta đặt chi tiết trong PCA khoảng từ 30 phútđến một giờ Chi tiết sẵn sàng để lấy ra khỏi cơ cấu phụ trợ vàđể xử lý bề mặt như: Đánh bóng, mạ phủ …nếu có yêu cầu

- Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA dựa vào nguyên tắc đông cứngvật liệu lỏng photopolymer thành hình dạng rõ ràng khi nó đượcchiếu bởi một chùm tia laser cường độ cao Có thể sử dụng LaserHe-Cd với bước sóng 325nm hoặc Laser dạng rắn Nd:YVO4 vớibước sóng 354,7nm

Trang 13

Hình 2.2 Công nghệ in SLA

- Tại vị trí bệ đỡ cao nhất thì trên tấm là một lớp chất lỏng cạn Máyphát laser phát ra chùm tia cực tím tập trung trên một diện tíchcủa lớp chất lỏng và di chuyển theo hướng X – Y Chùm tia cựctím chiếu sáng làm đông đặc lớp dung dịch tạo nên một khốiđặc, bệ đỡ được hạ xuống một khoảng bằng chiều dày 1 lớp vàquá trình được lặp lại Quá trình được tiếp diễn cho đến khi đạtđược kích thước của chi tiết Phần dung dịch xung quanh khôngbị đông kết và có thể được sử dụng cho lần kế tiếp

2.1.3 Công nghệ in 3DP

- Công nghệ in chiều được phát triển ở khoa kỹ thuật cơ khí viện công nghệ MIT Đây là phương pháp in 3D Polyjet được thương mại hóa độc quyền bởi hãng Stratasys với dòng máy in Objet củahãng

Trang 14

Hình 2.3 Công nghệ in 3DP

-Đầu phun sẽ phun dung dịch keo kế dính trên bề mặt lớp nền bộtvật liệu chế tạo Bột sẽ kết dính với nhau ở những vị trí có keodính Sau khi lớp đầu tiên hoàn thành piston chế tạo sẽ đi xuốngmột khoảng bằng bề dày một lớp Piston phân phối bột đi lên,con lăn chạy qua đẩy bột cung cấp tiếp tục cho quá trình Quátrình được lặp lạI cho đến khi toàn bộ vật thể được chế tạo xongtrong nền bột

2.1.4 Phương pháp thiêu kết bằng laser SLS (Selective

Laser Sintering)

-Phương pháp này được phát minh bởi Carl Dexkard vado năm

1986 của trường đại học Texas và được bằng sáng chế 1989,đưa ra thị trường bởi tập đoàn DTM (được thành lập 1987) Thiếtbị đầu tiên được thương mại hóa vào năm 1992 Đây là mộttrong những phương pháp đầu tiên và được công nhận sau SLA

Trang 15

Hình 2.4 Công nghệ in 3D SLS

- Phương pháp SLS sử dụng tính chất của vật liệu bột là có thểhóa rắn dưới tác dụng của nhiệt (như nylon, elastomer, kimloại) Một lớp mỏng của bột nguyên liệu được trải trên bề mặtcủa xy lanh công tác bằng một trống định mức Sau đó, tialaser hóa rắn (kết tinh) phần bột nằm trong đường biên củamặt cắt không thực sự làm chảy chất bột), làm cho chúng dínhchặt 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 quátrình polymer hoá trong phương pháp tạo hình lập thể SLA Sauđó 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 đếnkhi chi tiết được hoàn thành

Trang 16

- Trong quá trình chế tạo, những phần vật liệu không nằm trongđường bao mặt cắt sẽ được lấy ra sau khi hoàn thành chi tiết,và được xem như bộ phận phụ trợ để cho lớp mới được xâydựng Điều này có thể làm giảm thời gian chế tạo chi tiết khidùng phương pháp này Phương pháp SLS có thể được áp dụngvới nhiều loại vật liệu khác nhau: Policabonate, PVC, ABS,nylon, sáp,… Những chi tiết được chế tạo bằng phương phápSLS tương đối nhám và có những lỗ hỗng nhỏ trên bề mặt nêncần phải xử lý sau khi chế tạo (xử lý tinh).

Trang 17

CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT KẾ MÁY IN 3D

THEO CÔNG NGHỆ FDM 3.1. Cơ sơ lựa chọn công nghệ thiết kế máy in 3D

-Căn cứ vào các công nghệ in 3D đã được tìm hiểu ở phần trước vàyêu cầu của đề tài tìm hiểu nghiên cứu máy in 3D mini phù hợpvới khả năng tiếp cận công nghệ của sinh viên Do đó đề tàiquyết định lựa chọn thiết kế máy in 3D công nghệ FDM sử dụngvật liệu nhựa ABS, PLA…trên các cơ sơ sau:

-Công nghệ đơn giản hơn các phương pháp in khác (SLA, SLS,Polyjet…) phù hợp với khả năng tiếp cận của sinh viên

-Phần mềm điều khiển mã nguồn mở dễ dàng tiếp cận đối với đốitượng cá nhân, sinh viên… Cộng đồng in 3D đông đảo thuận lợicho việc học hỏi trao đổi kinh nghiệm

-Giá thành thấp, vận hành đơn giản, linh kiện sẵn có tận dụng tạichỗ (cả phần cơ khí và điều khiển…)

-Dựa vào khảo sát các mẫu máy in 3D mini hiện có trên thị trường,tham khảo kết cấu của các mẫu máy kể trên và kết hợp với cáckiều điện sẵn có(vật liệu, khả năng công nghệ trong chế tạo…).Đề tài quyết định phương án thiết kế xây dựng khung máy dạnglắp ghép cơ sở chính là các thanh nhôm định hình cùng với cácphụ kiện lắp ghép đi kèm (con chạy, ke góc…) sẵn có trên thịtrường

3.2 Lựa chọn công nghệ FDM

Trang 18

-Đây là công nghệ in 3D được sử dụng rất phổ biến cho các máy in3d (in nhựa) hiện nay tại Việt Nam Những loại máy thườngthấy: Prusa, Delta, Cube… đều dùng công nghệ này

-Các loại máy in 3D dùng công nghệ này khá đơn giản và dễ sửdụng

Hình 3.1 Chất lượng mẫu in của công nghệ FDM và SLA

3.3 Cấu tạo máy in 3D

-Cơ cấu điều khiển đầu đùn: Di chuyển theo hai hướng XY của bàn

-Đầu đùn: Hoạt động theo file được cài đặt trước

-Sợi nhựa nhiệt dẻo hay sáp: Đùn qua đầu phun nhỏ của khuônđược gia nhiệt

-Cơ cấu cung cấp sợi nhựa

-Bàn: Tùy ý nâng lên hạ xuống theo mục đích sử dụng

3.4 Phân tích ưu điểm và nhược điểm

o Ưu điểm: Đây là công nghệ in 3D có giá thành rẻ, ngườidùng có thể dễ dàng sửa chữa hoặc thay thế các chi tiết máy

Trang 19

tiêu tốn Đặc biệt, FDM có tốc độ tạo hình in 3D nhanh, sửdụng vật liệu không ảnh hưởng đến môi trường xung quanhvà sức khỏe con người.

o Nhược điểm: Độ chính xác không cao, không thường đượcdùng trong lắp ghép, chế tạo ra các sản phẩm với khả năngchịu lực không đồng nhất

-Với máy in 3D FDM thì độ chính xác của sản phẩm in phụ thuộcvào kích thước đầu phun và độ chính xác và tốc độ di chuyểncủa các trục tọa độ, nhất là XY Chất lượng bề mặt in của sảnphẩm trên máy FDM còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhưđộ kết dính giữa 2 lớp layer và khối lượng của lớp trên đè xuốnglớp dưới và rất nhiều yếu tố khác như độ co ngót, cong vênh, sailệch khi in

3.5 Nguyên lý làm việc

-Công nghệ FDM hoạt động dựa trên nguyên tắc làm nóng chảy sợinhựa và thông qua đầu phun nhiệt trên bề mặt để làm lắng lại.Dựa trên dữ liệu 3D người dùng cung cấp cho máy in, cử độngcủa đầu phun sẽ được điều khiển tương ứng Vật liệu phổ biếnnhất sử dụng cho máy in 3D công nghệ FDM là nhựa ABS vàPLA

-Mô hình sản phẩm được tạo ra từ file JGES hoặc file STL nhờ sửdụng phần mềm AutoCAD Các file dữ liệu này sẽ được cắtthành nhiều lớp và xử lý thông qua phần mềm Quickslide vàSupportwork Nếu cần thiết sử dụng, cấu trúc đỡ chi tiết sẽ đượctự động tạo ra

Trang 20

-Vật liệu sau khi qua đầu phun được gia nhiệt sẽ bị nóng chảy vàđùn ra tấm đế theo đường dẫn được tạo ra bởi phần mềmQuickslide, lúc này, lớp đầu tiên đã được hoàn thành Đặc biệt,người dùng có thể điều chỉnh độ rộng của vật liệu thoát ra trongkhoảng từ 0,254mm đến 2,54mm.

-Khi lớp vật liệu đầu tiên đã được tạo ra, đầu phun của máy FDM dichuyển theo chiều hướng Z và tạo ra lớp tiếp theo Lớp vật liệuvừa được đùn sẽ liên kết với vật liệu từ trước đó Quá trình nàylặp đi lặp lại nhiều lần cho đến khi mẫu vật được tạo thành hoànchỉnh

3.6 Vật liệu sử dụng

-Với công nghệ in 3D FDM, đường kính của vòi phun thường có kíchthước 0,2-1mm Thế nên, hầu hết tất cả các loại vật liệu bằngnhựa dẻo đều có thể sử dụng để tạo mẫu vật Ngoài ra, dù sửdụng một loại vật liệu giống nhau nhưng ta có thể bổ sung thêmnhiều màu sắc khác để tạo thành những sản phẩm có màu sắcsinh động

3.7 Ứng dụng

-Chế tạo các mô hình làm vật mẫu

-Chuyên sử dụng để sản xuất các bộ phận, linh kiện có kích thướcnhỏ, độ chi tiết cao

-Sử dụng được nhiều dạng vật liệu sinh học

3.8 Máy in 3d sử dụng hệ tọa độ descartes và áp dụng

Trang 21

-Đây là một trong những mẫu máy in 3D công nghệ FDM khá phổbiến trên thị trường hiện nay Mức giá của loại máy này giaođộng từ 4 triệu đến 6 triệu Ưu điểm của loại máy này là kết cấuđơn giản, dễ lắp ráp, tuy nhiên nhược điểm là độ chính xáckhông cao, độ bóng bề mặt thấp.

Trang 22

Hình 3.2 Máy in 3D sử dụng hệ tọa độ descartes

Trang 23

CHƯƠNG 4: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

4.1. Các phương án thiết kế kết cấu máy

-Có rất nhiều phương án để tạo nên cấu trúc khung để dựa theo đómà thiết kế tìm mua các vật liệu cơ cấu sao cho phù hợp với yêucầu và nhu cầu cần thiết kế Lựa chọn phương án truyền độngphù hợp rất quan trọng để từ đó làm gốc và phát triển đồ án

- Truyền động Cartesian-XZ: là trong kết cấu này bàn in sẽ dịchchuyển theo phương Y, đầu phun dịch chuyển theo phương

XZ Trong đó 2 trục XY sử dụng bộ truyền đai, trục Z sử dụngbộ truyền vít me – đai ốc

o Ưu điểm:

 Kết cấu đơn giản, dễ thi công

 Chi phí rẻ, độ cứng vững tương đối

- Nhược điểm:

 Độ chính xác của mẫu in không cao

 Do bàn in di chuyển nên đễ làm cho những lớp in đầutiên dễ bị dịch chuyển làm sai lệch mẫu in

 Do khối lượng các cơ cấu di dộng lớn nên quán tính lớn,

dễ rung động

-Truyền động Cartesian-XY: là trong kết cấu bàn in dịch chuyểntheo phương Z, đầu phun nhựa dịch chuyển theo phươngXY.Trong đó 2 trục XY sử dụng bộ truyền đai theo cơ cấu Core

XY, trục Z sử dụng bộ truyền vít me đai ố

o Ưu điểm:

 Kết cấu đơn giản, dễ lắp đặt

 Có thể in với tốc độ cao hơn so với kết cấu Cartesian-XZvà tương đương với kết cấu delta

 Các kết cấu di động nhỏ nên quán tính nhỏ, máy chạy

êm hơn

 Độ chích xác tương đương hoạc cao hơn máy delta

o Nhược điểm:

Trang 24

 Kích thước máy có thể hơi lớn và cồng kềnh

-Sử dụng kết cấu robot delta, dùng truyền động đai

o Ưu điểm :

 Các kết cấu di động nhỏ nên quán tính máy nhỏ, dichuyển êm

 Độ cứng khá cao, có thể in được vật có chiều cao lớn

 Độ chính xác và thời gian in nhanh hơn cấu trúcCartesian-XZ

o Nhược điểm :

 Khổ máy lớn , gây khó khăn cho quá trình di chuyển

 Khó căn chỉnh bàn máy

 Giá thành cao hơn mẫu máy sử dụng kết cấu XZ

-Dựa vào những ưu điểm cũng như khuyết điểm của từng kết cấunhư trên nhóm đã quyết định sử dụng phương án 2 Cartersian

XY cho máy

4.2. Khái quát chung về máy in 3D

-Máy in 3D đầu tiên ra đời vào những năm 80 là những dòng máy

in 3D SLA đầu tiên trên thế giới Về cơ bản mọi máy in 3D đềucó kết cấu cơ khí gần giống nhau, chỉ khác nhau về bộ phận tạomẫu Xét về tổng quan các máy in 3D FDM có kết cấu gồm 3phần chính: phần mềm điều khiển, phần điện, phần cơ khí, bộđùn nhựa

Trang 25

Hình 4.1 Sơ đồ khối của máy in 3D

-Cấu trúc cơ khí của một máy in 3D gần giống với các loại máyCNC với truyền động của các trục Bộ truyền có thể là bộ truyềnvít me – đai ốc hoặc bộ truyền đai Đặc điểm của truyền động cơkhí trong máy in 3D là tải trọng tác dụng lên không đáng kể dođó việc thiết kế tương đối đơn giản, kết cấu các trục tương đốigọn nhẹ, các chi tiết lắp ráp không đòi hỏi về khả năng chịu lựckhông cao do đó có thể sử dụng các chi tiết in đươc bằng cácmáy khác để lắp ráp Đó cũng là một ưu điểm của các máy in3D Một số dòng máy in 3D có khoảng 80% các chi tiết lắp ráplà được in bằng các máy in 3D sẵn có Phần điện của máy in 3Dcó thể chi thành 2 khối: khối điều khiển và khối chấp hành

-Khối điều khiển gồm các thành phần như: Vi điều khiển, Board kếtnối, Driver

-Khối chấp hành gồm các thành phần như: động cơ bước, các cảmbiến nhiệt, động cơ servo (nếu có), tản nhiệt, …

-Bộ đùn nhựa là một trong những phần quan trọng nhất trong máy

Trang 26

cấp nhựa chạy liên tục, đầu phun nhựa thực hiện chức năngnung chảy nhựa và đùn nhựa tạo nên mẫu Phần mềm đượcchia làm 2 thành phần: phần mềm CAD/CAM, phần mềm điềukhiển

-Phần mềm CAD là các phần mềm có chức năng tạo mẫu 3D, đâylà các mô hình sẽ được in trên máy in 3D Các phần mềm CADđược sử dụng có thể là Solidwork, Creo, Sketchup, … Các môhình 3D sau khi được tạo ra phải được chuyển đổi sang địnhdạng STL từ đó có thể đưa sang các phần mềm CAM để xử lýtiếp theo

-Các phần mềm CAM là các phần mềm thực hiện các chức năngcắt lớp vật thể do công nghệ in 3D là in theo từng lớp, lớp cắtcàng có kích thước nhỏ thì chất lượng mẫu in càng tốt tuy nhiênthời gian in sẽ tăng lên và ngược lại, lớp in càng lớn thì chấtlượng giảm và tốc độ in tăng lên Để tối ưu hóa giữa chất lượng

in và tốc độ in thì phải có cài đặt các thông số in hợp lý Sau khicắt lớp phần mềm sẽ tạo chuyển động khi in và xuất file Gcode

-Các mã lệnh Gcode hầu hết giống với gcode trên máy CNC tuynhiên có một số mã lệnh riêng đối với máy in 3D

-Các phần mềm CAM được sử dụng phổ biến cho máy in 3d làCura, Slic3r, Simplify, … Một số phần mềm sẽ tích hợp cácmodule CAM và module điều khiển trong một, giúp công việc sử

lý mẫu in nhanh hơn và đạt hiệu quả hơn như phần mềmRepertier host Phần mềm này tích hợp các công cụ CAM làSlic3r, Cura, Skeinforge, có thể lựa chọn sử dụng một trong bamodule để so sánh từ đó lựa chon module tốt hơn cho từng kiểumẫu in khác nhau Để máy hoạt động ta phải nạp Gcode chomáy Có thể nạp Gcode thông qua phần mềm điều khiển hoặcnạp qua thẻ nhớ trên màn hình LCD điều khiển Phần mềm giao

Trang 27

diện điều khiển được sử dụng có thể là Repertier host hoặcPronterface.

4.3. Động cơ bước

-Động cơ bước (stepper motor), thực chất là một động cơ đồng bộdùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xungđiện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay

Hình 4.2 Một số loại động cơ bước

-Về cấu tạo động cơ bước gồm có các bộ phận là stato, roto là namchâm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở lànhững khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính Động cơ bướcđược điều khiển bởi bộ điều khiển bên ngoài Động cơ bước vàbộ điều khiển được thiết kế sao cho động cơ có thể giữ nguyênbất kỳ vị trí cố định nào cũng như quay đến một vị trí bất kỳnào

Động cơ bước có thể sử dụng trong hệ thống điều khiển vòng hở

vòng kín, tuy nhiên khi sử dụng động cơ bước trong hệ điềukhiển vòng hở khi quá tải, tất cá các giá trị của động cơ đều bịmất và hệ thống cần nhận diện lại

Trang 28

-Một số đặc điểm của động cơ bước:

 Động cơ bước hoạt động dưới tác dụng của các xung rờirạc và kế tiếp nhau

 Khi có dòng điện hay điện áp đặt vào cuộn dây phần ứngcủa động cơ bước làm cho roto của động cơ quay một gócnhất định gọi là bước của động cơ

 Góc bước là góc quay của trục động cơ tương ứng với mộtxung điều khiển

 Góc bước được xác định dựa vào cấu trúc của động cơbước và phương pháp điều khiển động cơ bước

 Tính năng mở máy của động cơ được đặc trưng bởi tần sốxung cực đại có thể mở máy mà không làm cho roto mấtđồng bộ

 Chiều quay động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòngđiện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp xung cho các cuộn dây

-Động cơ bước được chia thành 3 loại chính là:

 Động cơ bước biến từ trở

 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

 Động cơ bước hỗn hợp/lai

Trang 29

-Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có roto là nam châm vĩnh cửu, stato có nhiều răng trên mỗi răng có quấn các vòng dây Các cuộn dây pha có cực tính khác nhau.

Hình 4.3 Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu

- Nguyên lý hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửucó 2 cặp cuộn pha được trình bày ở hình:

 Ban đầu vị trí của stato và roto đang ở phase A Khi cấpđiện cho 2 cuộn dây pha B và D trong 2 cuộn sẽ xuất hiệncực tính Do cực tính của cuộn dây pha và roto ngược nhaudẫn đến roto chuyển động đến vị trí như hình phase B on.Khi cuộn dây pha B và D ngắt điện cuộn dây A và B đượccấp điện thì roto lại chuyển động đến vị trí như hình phase

C on

Trang 30

Hình 4.4 Nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu

-Gọi số răng trên stato là Zs, góc bước của động cơ là Sđc, gócbước của động cơ nàyđược tính theo công thức sau:

-Động cơ bước biến từ trở có cấu tạo giống với động cơ bước namchâm vĩnh cửu Cấu tạo của stato cũng có các cuộn pha đốixứng nhau, nhưng các cuộn pha đối xứng có cùng cực tính khácvới động cơ bước nam châm vĩnh cửu

-Góc bước của stato là Ss Roto của động cơ bước biến từ trở đượccấu tạo từ thép non có khả năng dẫn từ cao, do đó khi động cơmất điện roto vẫn tiếp tục quay tự do rồi mới dừng hẳn

Trang 31

Hình 4.5 Nguyên lý hoạt động động cơ bước biến từ trở

-Nguyên lý hoạt động của động cơ bước biến từ được thể hiện nhưhình:

-Khi cấp điện cho pha A (hình a), từng cặp cuộn dây A bố trí đốixứng nhau có cùng cực tính là nam (S) và bắc (N) Lúc này cáccuộn dây hình thành các vòng từ đối xứng Khi cấp điện cho pha

B (hình b) Lúc này từ trở trong động cơ lớn, momen từ tác độnglên trục roto làm cho roto quay theo chiều giảm từ trở Rotoquay cho tới khi từ trở nhỏ nhất và khi momen bằng không thìtrục động cơ dừng, roto đạt đến vị trí cân bằng mới Tương tựnhư vật khi cấp điện cho pha C, động cơ hoạt động theo nguyêntắc trên và roto ở vị trí như hình c Quá trình trên lặp lại và động

cơ quay liên tục theo thứ tự pha A ◊ B ◊ C Để động cơ quayngược chiều chỉ cần cấp điện cho các pha theo thứ tự ngược lại

Trang 32

-Gọi số pha của động cơ là Np, ổ răng trên roto là Zr, góc bước củađộng cơ bước biến từ trở là S ta tính được công thức sau:

-Động cơ bước hỗn hợp (còn gọi là động cơ bước lai) có đặc trưngcấu trúc của động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bướcbiến từ Stato và roto có cấu tạo tương tự động cơ bước biến từtrở nhưng số răng của stato và roto không bằng nhau Roto củađộng cơ bước thường có 2 phần: Phần trong là nam châm vĩnhcửu được gắn chặt lên trục động cơ, phần ngoài là 2 đoạn rotođược chế tạo từ lá thép non và răng của 2 đoạn roto được đặtlệch nhau

Hình 4.6 Cấu tạo động cơ bước hỗn hợp

-Góc bước của động cơ bước hỗn hợp được tính theo công thức:

Trang 33

o Trong đó: S là góc bước của động cơ, Sr là góc giữa 2 răng kềnhau, Zs là số cặp cực trên stato.

-Động cơ bước hỗn hợp được sử dụng rộng rãi vì kết hợp các ưuđiểm của 2 loại động cơ trên là động cơ bước nam châm vĩnhcửu và động cơ bước biến từ trở

-Hiện nay các động cơ bước 2 pha được sử dụng rất thông dụng, cókết cấu như động cơ bước hỗn hợp và động cơ bước nam châmvĩnh cửu Tuy nhiên động cơ bước 2 pha còn được phân loại dựa

Động cơ bước đơn cực: cuộn dây pha có ba dây đầu ra Điểmtrung tâm của cuộn dây được đấu ra ngoài Khi cấp điện, dâytrung tâm được nối với đầu dương của nguồn điện, hai đầu dâycòn lại được nối với đầu âm

-Động cơ bước lưỡng cực: cuộn dây pha của loại động cơ này chỉcó 2 đầu ra Một đầu dây được nối với nguồn dương và đầu cònlại được nối với đầu âm của nguồn điện Động cơ bước lưỡng cựccó kết cấu đơn giản nhưng điều khiển phức tạp hơn động cơbước đơn cực

Trang 34

Hình 4.7 Động cơ bước 2 pha lưỡng cực và đơn cực

-Hiện nay có 4 phương pháp điều khiển động cơ bước

Hình 4.8 Phương pháp điều khiển động cơ bước

• Điều khiển dạng sóng (Wave): là phương pháp điều khiển

cấp xung điều khiển lần lượt theo thứ tự chon từng cuộn dâypha

• Điều khiển bước đủ (Full step): là phương pháp điều

khiển cấp xung đồng thời cho 2 cuộn dây pha kế tiếp nhau

• Điều khiển nửa bước (Half step): là phương pháp điều

khiển kết hợp cả 2 phương pháp đều khiển dạng sóng và

Trang 35

giá trị góc bước nhỏ hơn hai lần và số bước của động cơ bướctăng lên 2 lần so với phương pháp điều khiển bước đủ tuynhiên phương pháp này có bộ phát xung điều khiển phứctạp.

• Điều khiển vi bước (Microstep): là phương pháp mới được

áp dụng trong việc điều khiển động cơ bước cho phép động

cơ bước dừng và định vị tại vị trí nửa bước giữa 2 bước đủ

Ưu điểm của phương pháp này là động cơ có thể hoạt độngvới góc bước nhỏ,độ chính xác cao Do xung cấp có dạngsóng nên động cơ hoạt động êm hơn,hạn chế được vấn đềcộng hưởng khi động cơ hoạt động

Trang 36

Hình 4.9 Các dạng sóng của từng loại điều khiển động cơ bước

Trang 37

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÁY IN 3D

5.1. Thiết kế khung máy

-Đối với kết cấu khung máy dành cho máy in 3D, do không chịu tảitrọng lớn nên nhóm quyết định thết kế khung máy bằng nhômđịnh hình nhằm tiết kiệm về giá cả, dễ tháo lắp và sửa chữatrong quá trình lắp máy Kích thước nhôm định hình sử dụng là20x20 để khung máy nhỏ gọn

Hình 5.1 Kích thước nhôm định hình

-Khung máy là bộ phận quan trọng, chịu lực lớn nhất và đảm bảođộ chính xác của máy nên yêu cầu độ chính xác khi gia công.Yêu cầu phải đảm bảo về kích thước của các thanh nhôm, độvuông góc khi lắp ghép Các thanh nhôm định hình được cắtbằng máy cưa tay với dung sai 2 – 3mm, sau đó được đưa lênmáy phay CNC để phay phẳng 2 đầu nhằm đảm bảo kích thướcvà độ phẳng

Trang 38

-Các thanh nhôm được nối với nhau bằng bát ke góc nhôm và bulông lục giác.

Hình 5.2 Bu lông, ke góc, con trượt

5.2. Lựa chọn truyền động vít me – đai ốc trục Z

•Lựa chọn kiểu lắp trục vít:

-Có 3 kiểu lắp trục vít thường được sử dụng là kiểu fixed – fixed,fixed - support, fixed – free

-Kiểu fixed – fixed hai đầu vitme đựơc cố định, với kiểu lắp này đạtđộ cứng vững cao, chịu được tải trọng cao giảm sự rung độngcủa trục Z, tuy nhiên kết cấu phức tạp, khó lắp đặt

Hình 5.3 Kiểu lắp vít me fixed – fixed.

Trang 39

-Kiểu fixed – support một đầu vít me được gắn ổ bi, kiểu lắp này có

vững thấp hơn so với kiểu fixed – fixed, khả năng chịu tải trungbình

Hình 5.4 Kiểu lắp vít me fixed – support.

-Kiểu fixed – free một đầu vitme để tự do, kiểu lắp này có kết cấu

Trang 40

-Đối với kết cấu bàn in của máy do khoảng dịch chuyển nhỏ, tảitrọng đặt trên bàn máy nhỏ nên nhóm lựa chọn kiểu fixed –support để dễ lắp đặt và có độ cứng vững phù hợp

5.3. Lựa chọn các cơ cấu chấp hành

5.3.1. Lựa chọn bộ truyền động vitme – đai ốc trục Z:

-Chất liệu trục vitme: thép không rỉ

-Chất liệu đai ốc: đồng

Hình 5.6 Trục vitme T8 và Đai ốc

5.3.2. Chọn động cơ các trục:

-Step motor NEMA 17 size 42 x 48mm

Tiêu đề	Thiết kế thi công máy in 3D 2 đầu phun
Người hướng dẫn	PTS. Nguyễn Văn A, Giáo viên phản biện 1, Giáo viên phản biện 2
Chuyên ngành	Cơ khí
Năm xuất bản	2021
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	104
Dung lượng	6,97 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[1]Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1, tập 2, NXBgiáo dục Việt Nam, 2010	Khác
[2]Trần Quốc Hùng, Thiết kế máy cắt kim loại, đại học sư phạm kỹ thuật tp. Hổ ChíMinh	Khác
[3]Trần Quốc Hùng, giáo trình dung sai kỹ thuật đo, NXB đại học quốc gia thànhphốHồ Chí Minh, 2013	Khác
[4]PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn, Giáo trình trang bị - điện điện tử trong máy côngnghiệp, NXB đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2013	Khác
[5]Ball screw catalouge, PMI, link www.pmi-amt.com/en/support [6]HIWIN Linear guideway catalouge, linkwww.hiwin.com/downloads.html [7]www.us.misumi-ec.com/	Khác