Thiết kế chế tạo máy in sản phẩm nhựa 3d phục vụ giảng dạy đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: Với bộ điều khiển máy in 3D prusa i3 , tùy theo lắp đặt của người sử dụng, cho

PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NĂM 2017

ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY IN SẢN PHẨM

NHỰA 3D PHỤC VỤ GIẢNG DẠY

Sinh viên thực hiện :

Huỳnh Hoài Nam Lớp: Cơ Khí Ô Tô Khoa: Cơ khí

Nguyễn Bá Trường Lớp : Cơ Khí Ô Tô Khoa: Cơ khí

Người hướng dẫn: KS Võ Hoài Sơn

PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NĂM 2017

ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY IN SẢN PHẨM

NHỰA 3D PHỤC VỤ GIẢNG DẠY

Sinh viên thực hiện

Huỳnh Hoài Nam Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Không

Lớp: Cơ Khí Ô Tô Khoa: Cơ khí Năm thứ: 4 Ngành học: Kỹ thuật cơ khí

Nguyễn Bá Trường Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Không Lớp: Cơ Khí Ô Tô Khoa: Cơ khí Năm thứ: 4 Ngành học: Kỹ thuật cơ khí

Người hướng dẫn: KS.Võ Hoài Sơn

1.1 Giới thiệu……….1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài……… 1

1.3 Mục đích……… 2

1.4 Nội dung thực hiện 1.5 Giới hạn của đề tài 2

1.6 Bố cục đề tài 2

Chương 1 : CƠ SỞ SƠ ĐỒ KHÔI 4

1 Cơ sở lý thuyết của máy in 3D 4

1.1 Vật liệu của máy in 3D 4

1.2 Hoạt động của máy in 3D 5

Chương 2: KHẢO SÁT SƠ ĐỒ KHỐI 6

2.1 Thiết kế sơ đồ khối 6

2.1.1 Khối cảm biến 7

2.1.2 Khối xử lý trung tâm 9

Chương 3: THI CÔNG 14

3.1 Các linh kiện để chế tạo máy in 14

3.2 Tiếng hành chế tạo máy in 3D 19

3.2.1 Kết cấu máy phần cơ khí 19

3.2.2 Sơ đồ đấu điện của máy in 21

3.3 Nguyên lý hoạt động của máy in 3D prusa i3 22

3.4 Nguyên lý của bộ phận đùn vật liệu 22

3.5 Động cơ bước và điều khiển Động cơ bước 23

3.6 Phần mềm mã nguồn mở và firmware 24

3.7 Hướng dẫn điều khiển máy in bằng phần mềm Cura 27

Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 32

Chương 5: KẾT LUẬN 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Thiết kế chế tạo máy in sản phẩm nhựa 3D phục vụ giảng dạy

- Sinh viên thực hiện:

Huỳnh Hoài Nam

Lớp: Cơ khí ô tô Khoa: Cơ Khí Năm thứ: 4 Số năm đào tạo:4

Chế tạo được máy in 3D dạng Prusa I3

In vật thể với kích thước vật thể tối đa là 200x200x200 (mm) với sai số cho phép

3 Tính mới và sáng tạo:

Thiết kế, chế tạo máy in 3D với kích thước vật thể tối đa là 200x200x200 (mm) với sai số cho phép là 0,2 mm

Sử dụng mã nguồn mở để điều khiển máy in

4 Kết quả nghiên cứu:

Hoàn thành được sản phẩm máy in 3D prusa in được chi tiết nhựa có kích thước 20x20 cm

5 Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

Với bộ điều khiển máy in 3D prusa i3 , tùy theo lắp đặt của người sử dụng, cho phép hạ giá thành tối đa Đặc biệt máy có tích hợp sẵn thư viện hình tiêu chuẩn

và có thể mở rộng ứng dụng bằng cách kết nối qua mạng LAN và Internet để chuyển file cần in vào máy Máy được thiết kế chế tạo đồng bộ, dễ dàng lắp đặt và

6 Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài

Thiết kế, chế tạo toàn bộ kết cấu máy in 3D nhỏ gọn, chuyên môn hóa cao Các chi tiết gia công có độ chính xác cao

PHẦN MỞ ĐẦU

1.1 Giới thiệu

In 3D là một nhánh nhỏ của công nghệ tạo mẫu nhanh, được phát minh từ những năm 1980s In 3D là công đoạn tạo mô hình vật lý (mẫu thật) từ mô hình số (file thiết kế 3D trên máy vi tính) một cách tự động thông qua các máy in 3D

Khi ta đã gọi là máy in thì nó phải có “mực” Với máy in thường, sau khi in, ymực sẽ khô và để lại các vệt màu trên giấy Còn máy in 3D thì “đắp” từng mảng vật liệu rồi khô cứng lại thành mô hình tương ứng với thiết kế 3D

Sản phẩm in 3D nó không trừu tượng như trên mô hình thiết kế, bạn có thể cầm nắm, thậm chí sử dụng được như một sản phẩm bình thường

Máy in 3D Reprap dạng Prusa i3 sử dụng các linh kiện chính :Ardunio mega

2560, ramps 1.4,động cơ bước, đầu phun nhựa và cảm biến nhiệt độ, hiển thi thông tin trên LCD 16x4, giao tiếp để điều khiển thông qua núm xoay, động cơ bước

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Khoa học kỹ thuật vào đầu thế kỉ 21 phát triển bùng nổ đã tạo cơ hội cho công nghệ in 3D ra đời Đây là bước đột phá nổi trội, làm thay đổi những phương thức sản xuất truyền thống và có thể sẽ trở thành xu hướng trong thời gian tới

Hiện nay, công nghệ in 3D không ngừng được cải tiến và ứng dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực từ kiến trúc, xây dựng, thời trang, mỹ thuật, y học, giải phẩu thẫm mỹ, giáo dục đến các ngành công nghiệp sản xuất khác như hàng tiêu dùng, ô tô, máy bay,

vũ trụ Bằng cách sử dụng máy in 3D, tính khả thi của việc tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh như ý tưởng được nâng cao, rút ngắn thời gian nhiều nhất có thể

Chế tạo được máy in 3D dạng Prusa I3

In vật thể với kích thước vật thể tối đa là 200x200x200 (mm) với sai số cho phép

1.4 Nội dung thực hiện

Thiết kế, thi công khung máy, phần cứng, phần điện (cơ khí, linh kiện)

Lắp ráp các khối điều khiển vào máy in 3D

Lập trình điều khiển trên kit Arduino Mega 2560

1.5 Giới hạn của đề tài

Nghiên cứu tổng quan về máy in 3D Reprap dạng Prusa I3

Thiết kế, chế tạo máy in 3D với kích thước vật thể tối đa là 200x200x200 (mm) với sai số cho phép là 0,2 mm

Sử dụng mã nguồn mở để điều khiển máy in

1.6 Bố cục của đề tài

Chương 1: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương 2: Khảo Sát Sơ Đồ Khối

Chương 3: Thi Công

Chương 4 : Kết quả thu được

Chương 5 : Kết Luận

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.Cơ sở lý thuyết của máy in 3D

1.1 Vật liệu của máy in 3D

Người sử dụng máy in 3D sẽ lựa chọn 2 loại vật liệu đầu vào: Acrylonitrile

Butadiene Styrene (nhựa ABS) và Polylactic Acid (nhựa PLA) Một số máy in chỉ

nhận nhựa ABS, một số loại khác sử dụng được cả hai Các vật liệu nhựa đầu vào này

có dạng sợi, chiều rộng 1,75mm hoặc 3mm Nhựa ABS thường được sử dụng để tạo ra

đồ chơi Lego Đây là loại nhựa có gốc hóa học, hoạt hóa ở nhiệt độ cao Nhựa PLA

thì có nguồn gốc tự nhiên, chẳng hạn như từ ngô và mía, cứng và bóng hơn nhựa ABS

Ngoài việc dùng làm nguyên liệu đầu vào cho máy in 3D, nhựa PLA còn được ứng

dụng để sản xuất các loại bao bì phân hủy được

Hình 1.1 : Sợi nhựa dùng để in 3D

Sợi nhựa dùng cho máy in 3D có giá thành khá đắt Hãng MakerBot bán 2,2

pound (990 gram) sợi nhựa PLA giá 48 USD (960.000 đồng) Nếu tìm mua trên eBay

giá thành sẽ rẻ bằng một nửa Hãng này ước tính 990 gram sợi nhựa có thể in ra được

392 quân cờ vua Giá thành sợi nhựa sẽ giảm xuống nếu các loại máy in 3D trở nên phổ biến và sợi nhựa được sản xuất với quy mô lớn Có một cách khác để giảm giá thành đầu vào là bạn sử dụng máy ép sợi nhựa Bạn đưa nguyên liệu nhựa tái chế hoặc nhựa giá rẻ vào máy ép để tạo ra các sợi nhựa

1.2 Hoạt động của máy in 3D

Khi đã có sợi nhựa, ta đưa vào máy in 3D qua một bộ phận gọi là đầu in (print head) Đầu in có hình dáng như một chiếc hộp với một vòi phun Một cơ cấu truyền động sẽ đẩy từng phần nhựa xuống đầu in Trước khi nhựa bị đùn ra từ đầu kim in, sợi nhựa phải đi qua một ống nhiệt và hóa lỏng Nhựa qua đầu kim in là những đường chỉ siêu mảnh chỉ 0,1 milimet Ngay khi ra ngoài không khí, nhựa khô cứng rất nhanh, gắn lại với nhau tạo thành các lớp Có nhiều cách in 3D ứng với nhiều kiểu máy in 3D khác nhau, ở đây, đề tài của nhóm thực hiện nghiên cứu chế tạo máy in 3D Repraps dạng Prusa i3

Với máy in 3D prusa i3, có cơ cấu hoạt động như sau :

- Xét chuyển động trong không gian 3 chiều, tọa độ Đề-các ( 3 phương x,y,z)

- Chuyển động của đầu in và bàn in:

Đầu in được điều khiển bỡi 2 động cơ, để di chuyển theo chiều lên xuống (trục y) và qua lại theo phương ngang (trục x) Để đầu in có thể chuyển động theo phương ngang, ta dùng 1 động cơ bước , đặt trục nằm ngang ,tạo ra chuyển động quay, thông qua dây đai curoa gắn kết với đầu in tạo thành chuyển động tịnh tiến theo phương ngang ( trục x)

Để đầu in có thể chuyển động theo phương thẳng đứng, lên- xuống, sử dụng 2 trục vitme theo phương thẳng đứng được xoay bỡi bỡi 2 động cơ có trục đặt thẳng đứng thẳng đứng, động cơ quay kéo theo chuyển động quay của vitme làm đầu in có thể chuyển động lên xuống

Bàn in được 1 động cơ điều khiển để di chuyển tới lui (di chuyển theo trục y ,

cố định trục x và trục z) Chuyển động của bàn in từ 1 động cơ bước có trục đặt theo phương ngang kéo dây curoa kéo theo bàn in chuyển động tịnh tiến

CHƯƠNG 2 : KHẢO SÁT SƠ ĐỒ KHỐI 2.1 Thiết kế sơ đồ khối

Theo yêu cầu của đề tài, chúng tôi tiến hành thiết kế máy in 3D gồm các khối sau:

Khối cảm biến: bao gồm cảm biến nhiệt độ và công tác hành trình

Cảm biến nhiệt nhận tín hiệu nhiệt độ từ đầu gia nhiệt trong đầu phun, tín hiệu được xử lý để hiển thị và dùng để điều khiển đầu phun

Công tác hành trình : tạo điểm bắt đầu, vị trí xuất phát của động cơ

Khối xử lý trung tâm

Khối xử lý trung tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ khối cảm biến, sau đó xử lý tín hiệu để hiển thị và điều khiển tải

Khối hiển thị

Hiển thị các thông tin cần thiết cho hệ thống : thông tin nhiệt đô, tọa độ, các thông tin để tương tác và điều khiển

Khối điều khiển

Điều khiển thực hiện các lệnh thực thi cho hệ thống: start, stop , reset,

Khối nguồn

Cung cấp điện cho các khối trong hệ thống

Khối tải

Là ngõ ra của hệ thống, thực thi các yêu cầu

Bao gồm các động cơ và đầu phun

Động cơ làm di chuyển đầu phun theo tọa độ được điều khiển từ khối xử lý trung tâm

Từ yêu cầu đó, ta thiết kế sơ đồ khối của hệ thống như sau

Hình 2.1: Sơ đồ khối máy in 3D

2.1.1.Khối cảm biến

Nhiệt điện trở

Cảm biến nhiệt độ là thành phần không thể thiếu trên các máy in 3D Các cảm biến này giúp bộ điều khiển theo dõi nhiệt độ đầu đùn cũng như nhiệt độ bàn nhiệt Nếu một trong hai nhiệt độ trên không được đo chính xác thì quá trình in sẽ không được như ý muốn, chất lượng sản phẩm in sẽ giảm, thậm ý không in được

Hiện nay các máy in 3D thường sử dụng giải pháp cảm biến nhiệt độ bằng các nhiệt điện trở Giải pháp này có ưu điểm là giá thành rẻ, trong khi đó nhiệt điện trở có

độ bền cao

Hình 2.2 : Điện trở nhiệt (Thermistor)

Nhiệt điện trở có thể phân thành 2 loại theo hệ số k Nếu k dương, trở kháng của điện trở tăng khi nhiệt độ tăng, khi đó nó được gọi là nhiệt điện trở thuận hay thuận nhiệt trở (PTC - Positive Temperature Coefficient) Ngược lại nếu k âm, trở kháng của điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, và nó được gọi là nghịch nhiệt trở (NTC - Negative Temperature Coefficient)

Nhiệt điện trở được dùng làm cảm biến nhiệt trong các máy móc thiết bị, như máy điều hòa nhiệt độ, tủ lạnh,…

Công tắc hành trình

Để đảm bảo độ chính xác cho việc in sản phẩm, việc phải có điểm bắt đầu xuất phát (home) là rất quan trọng Khi các trục X,Y,Z chưa nằm trên cùng 1 mặt phẳng ngang, việc kéo chúng về tọa độ ban đầu đóng vai trò như một sự chuẩn bị Tại vị trí của các công tắc hành trình (end-stop) được coi là 0 (home), hoặc là nơi mà các trục không thể di chuyển xa hơn nữa

Các dòng công tắc hành trình hiện nay thường có ba chân, thường đóng (NC), thường mở (NO) và Common (C) Các chân NC và NO được đặt cố định

chân C có chức năng như cổng tạo tín hiệu trên bộ điều khiển Khi nút trên endstop bị tác động sẽ gửi một tín hiệu tới bộ điều khiển để cho nó biết rằng trục đã đạt đến vị trí 0 (home)

Trong phạm vi giới hạn đồ án, nhóm sử dụng: chân Common (C) và thường đóng (NC) Vì chỉ sử dụng 1 trong 2 tiếp điểm thường đóng (NC) hoặc thường mở (NO)

Hình 2.3 : Công tắc hành trình

2.1.2.Khối xử lý trung tâm

Khối xử lý trung tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ khối cảm biến, sau đó xử lý tín hiệu để hiển thị và điều khiển tải

Để điều khiển toàn bộ hệ thống hoạt động, ta sử dụng mạch điều khiển RAMPS 1.4 được thiết kế để phù hợp với toàn bộ thiết bị điện tử cần thiết cho máy in 3D RepRap với chi phí thấp RAMPS 1.4 giao tiếp với Arduino Mega với nền tảng mạnh

mẽ và có nhiều room để mở rộng Thiết kế module bao gồm các khe cắm cho trình điều khiển động cơ bước và mạch điện điều khiển đầu phun trên shield Arduino Mega

để dễ dàng sử dụng, thay thế, nâng cấp và mở rộng chức năng Ngoài ra, 1 số bo mạch

mở rộng của Arduino có thể được gắn thêm vào miễn là mạch RAMPS gắn ở lớp trên cùng

MẠCH ĐIỀU KHIỂN ARDUINO MEGA 256

Hình 2.4: Arduino Mega 256

Đi cùng với Board Arduino là một phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp : IDE (Integrated Development Environment) cho phép người dùng viết các chương trình cho Arduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++

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 truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính

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

Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lí trung tâm của toàn bo mạch Với mỗi mẫu Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau Ở con Arduino Mega2560 này thì sử dụng ATMega2560

- Kích thước:

+ Dài : 101,98 mm + Rộng : 53,63 mm

+ Cao : 15,29 mm + Cân nặng : 34,9 g

- Thông số kỹ thuật:

+ Vi xử lý: 5V + Điện áp hoạt động: 7-12V

+ Điện áp đầu vào: 6-20V

+ Chân vào/ra: 54

12 chân đầu ra PWM, độ phân giải 8 bit, từ chân số 2 đến 13

10 chân giao tiếp, từ chân số 14 đến 21 và 2 chân số 0,1

32 chân vào/ra số, từ chân số 22 đến 53

Ngoài ra có 3 chân nối đất (GND) và một chân điện áp tham chiếu (AREF), 2 chân nguồn 5v

+ Chân vào tương tự: 16 ( từ chân số 0 đến 15)

+ Dòng điện trong mỗi chân I/O: 40mA

+ Dòng điện Chân nguồn 3.3V: 50mA

+ Bộ nhớ trong: 256kB

+ SRAM: 8kB

+ EEPROM: 4kB + Xung nhịp: 16MHz

- MẠCH ĐIỀU KHIỂN RAMPS 1.4

Hình 2.5 : Ramps 1.4

RAMPS (RepRap Arduino Mega Pololu Shield) là bộ kit điều khiển máy in 3D Reprap giao tiếp với bộ Arduino Mega 2560 mạnh mẽ cùng nhiều cổng kết nối mở rộng

Trên Arduino MEGA shield có các mô-đun tích hợp khe cắm trình điều khiển động cơ bước (stepper drivers) và thiết bị điện tử của bộ đùn nhựa in 3D Đặc biệt, chúng ta có thể gắn thêm các bo mạch mở rộng của Arduino nhưng phải đảm bảo mạch RAMPS gắn ở lớp trên cùng

Bo mạch điều khiển máy in 3D Reprap có rất nhiều loại và đều dựa trên nền tảng Arduino mã nguồn mở Hiện nay, những người chế tạo máy in 3D thường chọn

bo mạch RAMPS 1.4 để làm bộ não cho chiếc máy vì những tiện ích mà nó mang lại

Cấu tạo RAMPS 1.4:

Năm khe cắm driver A4988 điều khiển tương ứng năm động cơ bước, với mỗi khe cắm driver A4988 thì có ba cầu nối giữa nguồn với chân MS1, MS2, MS3 để điều chỉnh chế độ bước của động cơ bước

Ba Mossfet được điều khiển bằng xung PWM, cấp nguồn điều khiển đầu đùn, bàn gia nhiệt và quạt làm mát Để lấy nguồn cho thiết bị ta chỉ việc kết nối thiết bị với các ngõ ra D8, D9 hoặc D10

Ba cặp chân T0, T1, T2 là các vị trí nối Thermistor, các Thermistor này sau khi được kết nối với T0 (hoặc T1 hoặc T2) sẽ kết hợp với điện trở 4,7 kΩ trong board tạo

nên cầu chia áp, khi giá trị Thermistor thay đổi thì điện áp VTHERM0 vào vi xử lý thay đổi theo

Sáu cặp chân cắm công tắc hành trình tương ứng với 3 trục X,Y,Z ở hai vị trí Max, Min

Nút nhấn Reset nối mass với chân reset của vi xử lý, bình thường nút nhấn hở mạch, khi cần reset ta tác động nút nhấn reset hệ thống

Ngoài ra board còn có thế kết nối động cơ Servos, LCD, Sdcard

CHƯƠNG 3 : THI CÔNG 3.1 Các linh kiện để chế tạo máy in

Khung máy và các thành phần phụ

Khung máy của máy in 3D có thể được làm từ rất nhiều vật liệu đa dạng như:

Gỗ, acrylic (mi ca), sắt, nhôm…

Hình 3.1 : Khung máy in 3D được làm từ acrylic ( mi ca )

Cơ cấu trượt của máy in 3D prusa i3 gồm :

Các thanh trượt thẳng M8 và vong bi M8 ( đường kính trong vòng bi là 8mm)

Hình 3.2 : Vòng bi và thanh trượt dài M8

Dây đai ăn khớp GT2 ( timing belts) với độ rộng 5 hoặc 10mm Nên chọn chuẩn với kích thước răng và dây đai vì nó liên quan đến hành trình của các trục X và

Y Chú ý về độ co dãn của dây đai nếu dây kiesm chật lượng hoặc bị trùng sẽ dễ đến tình trạng khi motor đổi hướng đột ngột làm sai lệch hành trình dến đến méo dạng khi

in

Hình 3.3 : Dây đai và puli

Bộ nguồn : Máy in 3D có các mạch điện chạy với điện áp từ 7-12V nên sẽ cần 1

bộ nguồn cao tần ( nguồn xung ) 12v đủ khả năng cung cấp điện cho mạch xử lý, các motor và các bàn nhiệt vào khoảng 250W

Hình 3.4 : Bộ nguồn dành cho máy in 3D prusa i3

Bàn nhiệt : Khi in nhựa lỏng sẽ được đắp từng lớp lần lượt như vậy khi gặp nhiệt

độ ngoài môi trường nhựa sẽ nguội đi và tự động đông cứng lại Đặc tính giãn nở của nhựa nhiệt độ cao nở ra và co lại khi nguội, chính điều này dẫn đến hiện tượng các lớp nhựa không nguội đi cùng nhau sinh ra giãn nở khác nhau làm cho mô hình bị cong vênh Chính vì vậy chúng ta cần dùng bàn nhiệt

Bàn nhiệt có kích thước 200x 200 mm bên trong gồm các trở kháng có tác dụng sinh nhiệt tren bề mặt lên đến hơn 100 độ C Nhóm sử dụng tấm kính có độ dày 5mm

và kích thước 200x 200 mm