Đồ án 2 thiết kế máy in 3d nghiên cứu và điều khiển máy in 3d dạng bột (powder bed 3d printer)

Chế tạo và sản xuất: Trong ngành công nghiệp, máy in 3D có thể được sử dụng để sản xuất các bộ phận hoặc sản phẩm nhỏ trong số lượng lớn hoặc nhỏ hơn, tùy thuộc vào quy mô và ứng dụng cụ

1 Nguyễn Văn Cảnh

2 Nguyễn Thành Phát

3 Nguyễn Trọng Bằng

4 Nguyễn Văn Hoài Ninh

5 Nguyễn Văn Khang

Hà Nội, Ngày … Tháng … Năm

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật trên thế giới đang pháttriển 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 chiếnlược công nghiệp hóa và hiện đại hóa nền kinh tế nước ta là một việc hếtsức có ý nghĩa, tạo ra khả năng phát triển nền kinh tế với tốc độ cao, vữngchắc và lâu dài

Ở các nước có nền công nghiệp tiên tiến việc tự động hóa các nghànhkinh 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 mẫunhanh, 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 pháptruyền thống khó có thể gia công hoặc nếu gia công thì cũng mất nhiềuthời gian và công sức Chính vì vậy mà công nghệ in 3d đang ngày càngphổ biến không chỉ ở lĩnh vực công nghiệp máy móc mà còn hiện hữu dadạng trong các lĩnh vực khác như y tế, giáo dục,… Công nghệ in 3d đãđánh dấu bước mở đầu cho cuộc ‘’Cách mạng Công nghiệp lần thứ 4’’

“giải thích’’ tạo ra ảnh hưởng to lớn trên nhiều lĩnh vực Ở Việt Namhiện nay công nghệ in 3d đang dần được đưa vào ứng dụng trong quá trìnhsản xuất với các loại máy in 3d đa chủng loại và nguồn gốc như máy in củaNga, Tây Ban Nha, Ba Lan,

Với những lý do trên, nhóm sinh viên chúng em được giao nhiệm vụ

đồ án như sau: “Nghiên cứu và điều khiển máy in 3d dạng bột (powder bed3d printer)” bao gồm những nhiệm vụ sau đây:

+ Tổng quan về máy in 3d hiện nay

+ Nghiên cứu, thiết kế tính toán tổng thể máy in 3d về kết cấu cơ khí+ Nghiên cứu hệ thống điều khiển và lập trình điều khiển máy

+ Phân tích CAE của hệ thông máy in 3D

+ Kết luận và định hướng phát triển

Trong quá trình nghiên cứu chúng em đã gặp nhiều khó khăn, do đềtài mới mẻ, thời gian và kiến sau một thời gian nghiên cứu, thiết kế và chếtạo, chúng em đã hoàn thành được thức còn hạn chế Tuy nhiên nhờ sự cốgắng của bản thân và đặc biệt là sự chỉ dẫn tận tình của giáo viên hướngdẫn

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy đã tạo điều kiện tốt nhất chochúng em trong suốt thời gian vừa qua

Một lần nữa chúng em xin cảm ơn!

Table of Contents

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D HIỆN NAY

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D VÀ MỘT SỐ MÁY IN 3D HIỆN NAY

1.3 Các công nghệ in 3D

1.3.1 Nguyên lý chung của công nghệ in 3D

1.3.2 Công nghệ Tạo hình nhờ tia laser (SLA)

1.3.3 Công nghệ Thiêu kết lazer chọn lọc (SLS)

1.3.4 Công nghệ Mô hình hóa bằng phương pháp nóng chảy lắng dọng (FDM)

1.3.5 Công nghệ in 3D dán nhiều lớp (LOM)

1.3.6 Công nghệ Laser kim loại thiêu kết trực tiếp (DMLS)

1.3.7 Công nghệ in phun sinh học (Inkjet-bioprinting)

1.4 Ứng dụng công nghệ in 3D

1.5 Yêu cầu kỹ thuật đối với máy in 3D dạng bột

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ MÔ HÌNH MÁY IN 3D DẠNG BỘT (POWDER BED 3D PRINTER)

2.1 CHỌN KẾT CẤU CHO MÔ HÌNH

Hình 2.1 Mô hình máy in 3D

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

Hình 2.4 truyền ốc vit me đai ốc

Tên Đề tài : Tính toán ,thiết kế máy in 3D

Nghiên cứu và phát triển: Trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển, máy in 3D được sửdụng để tạo ra các mô hình, bộ phận và thiết bị mô phỏng cho các dự án nghiên cứu

Y tế: Trong ngành y tế, máy in 3D có thể được sử dụng để in các bộ phận thay thế, như khung xương, răng giả, hoặc thậm chí các bộ phận cơ thể nhân tạo như các khớp nối

Giáo dục: Máy in 3D có thể giúp giáo viên và học sinh hiểu sâu hơn về các khái niệm thiết kế và kỹ thuật, cũng như tạo ra các mô hình giảng dạy

Chế tạo và sản xuất: Trong ngành công nghiệp, máy in 3D có thể được sử dụng để sản xuất các bộ phận hoặc sản phẩm nhỏ trong số lượng lớn hoặc nhỏ hơn, tùy thuộc vào quy mô và ứng dụng cụ thể

Các công ty và doanh nghiệp: Các công ty sử dụng máy in 3D để tạo ra các mẫu thử nghiệm, sản phẩm tùy chỉnh, và bộ phận sản xuất trong quy trình phát triển sản phẩm

và sản xuất hàng loạt

Ngành công nghiệp sản xuất: Ngành sản xuất cũng sử dụng máy in 3D để tạo ra các

bộ phận và sản phẩm nhỏ trong số lượng lớn hoặc nhỏ hơn, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thời gian và chi phí

Ngành y tế: Trong lĩnh vực y tế, máy in 3D được sử dụng để tạo ra các bộ phận thay thế và thiết bị y tế, như răng giả, dựng khung xương, và các thiết bị y tế tùy chỉnh Các nhà nghiên cứu và nhà phát triển sản phẩm: Máy in 3D là công cụ hữu ích cho việc nghiên cứu và phát triển, cho phép tạo ra các mô hình thử nghiệm và bộ phận mô phỏng cho các dự án nghiên cứu

Ngành nghệ thuật và thiết kế: Nghệ sĩ và người thiết kế sử dụng máy in 3D để tạo ra các tác phẩm nghệ thuật, thiết kế sản phẩm, và sáng tạo trong lĩnh vực này

Cộng đồng sáng tạo: Máy in 3D cũng có thể hướng đến các cộng đồng sáng tạo và maker, những người yêu thích công nghệ và muốn thử nghiệm và tạo ra các dự án sáng tạo.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D HI ỆN NAY

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Yêu cầu 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

Trong xu thế đó nhằm mục đích chế tạo một máy công cụ chính xác

có thể linh hoạt trong cuộc sống thực hiện được tại gia đình và chi phí thấp

nhằm phục vụ trong in các chi tiết, đồ dùng, quà lưu niệm,… Nhóm đã

nghiên cứu và điều khiển máy in 3d

1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D VÀ MỘT SỐ MÁY IN 3D HIỆN NAY

Định nghĩa và khái niệm

In 3D là một dạng công nghệ ược 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 sản 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 cắt 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 làphương pháp gia công, mài giũa vật liệu nguyên khối - bằng cách loại bỏhoặc cắt gọt đi một phần vật liệu, nhằm có được sản phẩm cuối cùng Cònvới sản xuất đắp dần, ta có thể coi nó là công nghệ tạo hình như đúc hay épkhuôn, nhưng từ những nguyên liệu riêng lẻ để đắp dần thành sản phẩmcuối cùng

Có nhiều thuật ngữ khác cũng được dùng để chỉ công nghệ in 3D nhưcông nghệ tạo mẫu nhanh, công nghệ chế tạo nhanh và công nghệ chế tạotrực tiếp Như vậy, hầu hết các thuật ngữ này đều ra đời dựa trên cơ chếhay tính chất của công nghệ

Lịch sử công nghệ in 3D

Công nghệ in 3D ra đời đã được hơn 30 năm nay Thiết bị và vật liệusản xuất đắp dần đã được phát triển trong những năm 1980 Năm 1981,Hideo Kodama của Viện Nghiên cứu Công nghiệp thành phố Nagoya(Nhật Bản) đã sáng tạo ra phương pháp tạo một mô hình bằng nhựa bachiều với hình ảnh cứng polymer, nơi diện tích tiếp xúc với tia cực tímđược kiểm soát bởi một mô hình lớp hay phát quang quét Sau đó, vào năm

1984, nhà sáng chế người Mỹ Charles Hull của Công ty Hệ thống 3D(3Dsystems) đã phát triển một hệ thống nguyên mẫu dựa trên quá trình nàyđược gọi là Stereolithography, trong đó các lớp được bổ sung bằng cáchchữa giấy nến với ánh sáng cực tím laser Quá trình như một "hệ thống đểtạo ra các đối tượng 3D bằng cách tạo ra một mô hình mặt cắt của các đốitượng 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” (Selectivelaser sintering - SLS) có sử dụng file định dạng STL (StandardTessellation Language) Hull cũng thành lập công ty 3Dsystems và đếnnay nó là một trong những công ty cung cấp công nghệ lớn nhất hiện naytrong lĩnh vực in 3D

Ưu, nhược điểm của công nghệ

in

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 nhấttrong lĩnh vực công nghệ tạo mẫu nhanh; Chi phí nguyên vật liệu và chiphí sản xuất thấp; Đa dạng về vật liệu chế tạo và các ứng dụng; Có thể incác 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 lênđến 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 khácnhau so với chi tiết hoặc sản phẩm thật

Về các hạn 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 thướcđối tượng được in hạn chế, chi tiết hoặc độ phân giải của đối tượng còngiới hạn, chi phí vật liệu còn cao, và trong một số trường hợp, độ bền chắccủa 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

1.3 CÁC CÔNG NGHỆ IN 3D

1.3.1 Nguyên lý chung của công nghệ in 3D

Hình 1.1 Nguyên lý chung của công nghệ in 3D

Để bắt đầu in 3D, người ta cần một bản thiết kế vật thể 3D trên phầnmềm 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 đượcđưa vào phần mềm thông qua việc sử dụng thiết bị quét laser Sau khi bảnthiết kế được hoàn thành, ta cần tạo ra tài liệu STL - Standard TessellationLanguage, 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 thànhnhững đa giác nhỏ hơn, để mô phỏng cho cấu trúc bên ngoài và cả bêntrong của vật thể Đây là phần rất quan trọng trong sản xuất đắp dần Khitài liệu đã được hoàn thiện, hệ thống sẽ chia nhỏ thiết kế mẫu thành nhiềulớp khác nhau và chuyển thông tin đến 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 đếnkhi vật thể cần sản xuất được hoàn thiện Để sản xuất các vật thể, các hệthống máy in 3D sử dụng kết hợp nhiều công nghệ khác nhau Các côngnghệ này được phân loại dựa vào bản chất vật liệu In 3D hay sản xuất đắpdần 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), hayvật liệu dạng bột (bột kim loại, bột gốm kết dính với nhau tạo thành sảnphẩm…)

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 lỗhổng trên sản phẩm Hoặc sử dụng một vài quá trình thẩm thấu để phủ kínsản phẩm bằng các vật liệu khác

Ngày nay một loạt các công nghệ in được sử dụng, mỗi loại đều cónhững ưu điểm và hạn chế riêng Các công nghệ chính bao gồm: “Thiêukết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering - SLS), “Thiêu kết lazer chọnlọc trực tiếp” (Direct metal laser sintering - DMLS), “Mô hình hóa bằngphương pháp nóng chảy lắng đọng” (Fused deposition modeling - FDM),

“Tạo hình nhờ tia laser” (Stereolithography) và “In phun sinh học” (Inkjetbioprinting)

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 3Dchi 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 3Dnày Công nghệ in 3D SLA là một công nghệ in 3D vẫn hoạt động theonguyên tắc “ đắp lớp” có đặc điểm khác biệt với các công nghệ khác làdùng 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 sửdụng chùm tia laser/UV hoặc một nguồn năng lượng mạnh tương đương đểlàm “ đông cứng” các lớp vật liệu in 3D là nhựa dạng lỏng, nhiều rất nhiềulớp 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 từnhững 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 địnhđầu tư sản xuất hàng loạt

Về nguyên lý hoạt động: Sau khi tập tin 3D CAD được kết nối dưới ngônngữ

STL (Tessellation language) thì quá trình in được bắt đầu: Lớp nhựa lỏngđắp lên mẫu 3D thiết kế sẵn tia UV làm cứng lớp nhựa này, sau đó nhiềulớp được đắp lên nhau cho đến khi đạt chỉ số kỹ thuật của vật thể đã địnhsẵn Các lớp in 3D SLA có thể đạt từ 0.06mm, 0.08mm, 0.1mm tùy vàonhu cầu in

Hình 1.2 Mô hình cấu tạo của SLA

Ưu điểm:

Công nghệ SLA có khả năng tạo ra các mô hình có độ chi tiết cao, sắcnét và chính xác Về các công nghệ in 3D sử dụng vật liệu nhựa, thì đây làcông nghệ tạo ra sản phẩm in 3D là nhựa tốt nhất, có thể sử dụng ngay, độphân giải, độ mịn cao, có thể nói là cao nhất hiện nay

1.3.3 Công nghệ thiêu kết lazer chọn lọc (SLS)

Công nghệ này này cũng dựa trên quá trình chế tạo từng lớp nhưngchất polymer lỏng được thay bằng vật liệu bột

Hình 1.4 Mô hình công nghệ SLSCông nghệ SLS vận hành tương tự SLA nhưng vật liệu ở dạng bộtgốm sứ, thép, titan, nhôm, bạc, thủy tinh,… Tia laser giúp liên kết các hạtbột với nhau Đặc biệt, bột thừa sau quy trình có thể tái chế nên rất tiếtkiệm Có thể tạo lớp bằng vật liệu phụ trợ là keo chuyên dụng (có khi kèmmàu 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 Sửdụng tia laser, công nghệ SLS nung kết các loại vật liệu dạng bột khácnhau 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 da dạng, đặc biệt là in 3D bằngchất liệu kim loại/gốm

Nguyên lý hoạt động

Phương pháp SLS sử dụng tính chất của vật liệu bột là có thể hóa rắndưới tác dụng của nhiệt (như nylon, elastomer, kim loại) Một lớp mỏngcủa bột nguyên liệu được trải trên bề mặt của xy lanh công tác bằng mộttrống định mức Sau đó, tia laser hóa rắn (kết tinh) phần bột nằm trongđường biên của mặt cắt không thực sự làm chảy chất bột), làm cho chúngdính chặt ở những chỗ có bề mặt tiếp xúc Trong một số trường hợp, quátrình 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 phươngpháp tạo hình lập thể SLA Sau đó xy lanh hạ xuống một khoảng cáchbằng độ dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu được đưa vào và quá trình đượclặp 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