THIẾT kế máy tạo mẫu NHANH THEO CÔNG NGHỆ DLP

THIẾT KẾ MÁY TẠO MẪU NHANH THEO CÔNG NGHỆ DLP DESIGN OF 3D RAPID PROTOTYPING MACHINE USING DIGITAL LIGHT PROCESSING TECHNOLOGY Đặng Văn Nghìn1a, Nguyễn Đình Trọng2, Trần Hồng Anh2, Ng

THIẾT KẾ MÁY TẠO MẪU NHANH THEO CÔNG NGHỆ DLP

DESIGN OF 3D RAPID PROTOTYPING MACHINE USING DIGITAL LIGHT

PROCESSING TECHNOLOGY

Đặng Văn Nghìn1a, Nguyễn Đình Trọng2, Trần Hồng Anh2,

Ngô Diệu Thạch2, Gia Xuân Long 1b

1Viện Cơ học và Tin học ứng dụng TP HCM

2PTN Quốc gia Điều khiển số và Kỹ thuật hệ thống

a nghindv@yahoo.com, bgialong2412@gmail.com

TÓM TẮT

Bài báo này giới thiệu các đặc điểm, lịch sử phát triển, tầm quan trọng và phạm vi ứng dụng của việc tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP Nội chung chính của bài báo trình bày nguyên lý hoạt động, cấu trúc và phân tích lựa chọn các phương án thiết kế trên cơ sở các cụm chức năng của một máy in 3D theo công nghệ DLP Đồng thời trình bày kết quả thiết kế các cụm chức năng cũng như kết quả chế tạo của một máy tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP

Từ khóa: DLP, xử lý ánh sáng kỹ thuật số, mặt nạ chiếu, stereolithography, phân tích,

thiết kế hệ thống, tạo mẫu nhanh

ABSTRACT

In this paper, a literature review concerning some aspects of the Digital Light Processing technology such as the brief introduction, development history, some advantages and practical applications in various fields is presented The main content of this paper is that

we present the principle, construction as well as analysing and choose the bestdesign for a 3D Rapid Prototyping machine using Digital Light Processing technology We also implement some results of designed parts as well as manufactured machine

Keywords: DLP, Digital Light Processing, mask projection, stereolithography, system

design, system analysis, rapid prototyping

1 GIỚI THIỆU

Ngày nay nhu cầu tạo nên mẫu sản phẩm ban đầu là một nhu cầu thiết yếu trong quá trình sản xuất, trước khi sản xuất hàng loạt một sản phẩm nào cũng phải cần tạo mẫu sản phẩm trước để kiểm tra tính hiện thực và khả thi Ngoài kỹ thuật cơ khí, công nghệ này còn được ứng dụng nhiều trong công nghệ y sinh, và đặc biệt hơn nữa là công nghệ kim hoàn và ngành hàng không vũ trụ.Trong đó, phương pháp in 3D sử dụng công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số DLP (Digital Light Processing) nổi bật là một công nghệ in 3D phát triển từ công nghệ in 3D SLA với nhiều cải thiện đáng kể trên sản phẩm cũng như thời gian in

Sự phát triển công nghệ in 3D theo công nghệ DLP và sự xuất bản các bằng sáng chế liên quan đến việc tạo mẫu nhanh ứng dụng công nghệ DLP bắt đầu xuất hiện từ cuối năm

2001 với sự gia tăng rõ rệt trong các hoạt động xung quanh công nghệ này trong vòng 15 năm qua[1] Với nhiều đặc tính ưu việt về chất lượng mẫu in, in 3D theo công nghệ DLP đã và đang được ứng dụng rộng rãi Do đó, việc thiết kế chế tạo một máy tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP rất được quan tâm hiện nay

2 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

2.1 Nguyên lý hoạt động

Tương tự như công nghệ SLA, nhờ vào tính nhiệt hóa rắn của các polymer cảm quang dưới tác dụng của ánh sáng tia UV Đầu tiên, người ta đặt thiết bị nâng cách bề mặt chất lỏng một khoảng bằng với độ dày của lớp vật liệu đầu tiên (tức là lớp nằm dưới cùng) Sau đó, chùm tia sáng được điều khiển bằng máy tính thông qua hệ thống quét bằng quang học sẽ quét lên bề mặt theo những tiết diện của từng mặt cắt Vật liệu lỏng khi bị tác động của chùm tia cực tím sẽ bị đông đặc lại Sau đó, cơ cấu nâng được dịch chuyển lên phía trên một đoạn đúng bằng chiều dày của một lớp và quá trình được lặp lại Các lớp liên kết lại với nhau thành khối cho đến khi hoàn thành sản phẩm

Hình 1 Nguyên lý hoạt động của công nghệ tạo mẫu nhanh DLP

2.2 Cấu trúc thành phần máy

Cấu trúc của máy tạo mẫu nhanh DLP gồm có các cụm sau: cụm khung máy, cụm cung cấp nguồn sáng, cụm nâng hạ theo trục Z và tấm đỡ mẫu, cụm di chuyển qua lại theo trục X, cụm chứa dung dịch nhựa lỏng, cụm điều khiển

Hình 2 Cấu trúc máy

2.3 Phân tích, lựa chọn phương án

Trong các năm gần đây các dòng máy in 3D theo công nghệ DLP đang được nghiên cứu

và phát triển trên thế giới với một số dòng máy điển hình với các phương án thiết kế được thể hiện theo bảng ma trận các phương án lựa chọn như bảng 1:

Bảng 1 Ma trận các phương án thiết kế máy tạo mẫu nhanh DLP

Sau khi phân tích ma trận QFD theo các dòng máy trên thế giới, nhóm tác giả chọn phương án thiết kế như sau: Khung nhôm dạng hộp – Cụm cấp nguồn sáng từ dưới lên - Cụm

di chuyển qua lại theo trục X được truyền động bằng cơ cấu culit – Cụm đựng nhựa lỏng sử dụng màng phủ FEP chống dính

3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

3.1 Khung máy

Yêu cầu kĩ thuật: đảm bảo độ cứng vững cho máy, tránh cong vênh hay dao động trong quá trình vận hành máy Đảm bảo độ vuông góc, song song tạo điều kiện lắp ráp các bộ phận khác dễ dàng

Sau khi đã phân tích lựa chọn, để đơn giản, dễ dàng láp ráp và chỉnh sửa cũng như việc

mở rộng máy sau này ta chọn khung nhôm định hình để thiết kế khung máy

Hình 3 Khung máy hoàn chỉnh

3.2 Cụm cấp nguồn sáng

Yêu cầu kĩ thuật: quang phổ nguồn sáng phải có bước sóng phù hợp để làm hóa rắn

nhựa cảm quang, cường độ ánh sáng ở bước sóng đó phải đáp ứng thời gian chiếu yêu cầu [6]

Chọn máy chiếu nhãn hiệu Viewsonic PJD 7822HDL của hãng ViewSonic đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cũng như chi phí thấp Bên cạnh đó, cũng chọn hướng bố trí nguồn sáng chiếu từ dưới lên và lựa chọn cách chiếu trực tiếp không thông qua hệ thống quang học để đơn giản hóa cũng như dễ điều khiển quá trình in mẫu [7]

3.3 Cụm nâng hạ trục Z

Yêu cầu kĩ thuật: khoảng cách dịch chuyển nhỏ nhất của cụm trục Z phải nhỏ hơn chiều dày của lớp vật liệu đông đặc [4] được chọn ở đây là 0,05 - 0,15 mm Bên cạnh đó, cần đảm bảo được độ chính xác về độ vuông góc, song song của kết cấu giúp hoạt động dễ dàng và

đảm bảo được độ chính xác yêu cầu của vật mẫu tạo được

Thông số kích thước vật mẫu được tạo bởi máy tạo mẫu nhanh DLP:

- Kích thước vật theo 3 phương xyz: bị giới hạn do màn chiếu động và hệ thống thấu kính [6], chọn là 115x65x250 (mm)

- Độ dày lớp tốt nhất: bị ảnh hưởng bởi phương pháp tái phủ, độ phân giải truyền động, đặc tính vật liệu và hướng chiếu [6], chọn là 0,025mm

Tính toán kiểm nghiệm

Kiểm nghiệm momen tĩnh tác động lên cụm trục Z:

Sơ đồ các momen lực cụm trục Z chịu tác dụng theo ba phương X,Y,Z:

Hình 4 Sơ đồ chịu lựa uốn của máy của cụm trục Z

Sơ đồ tác dụng lực trên máy tạo mẫu nhanh của cụm trục Z:

Hình 5 Sơ đồ chịu moment tĩnh của cụm trục Z

Moment chịu tải trọng tĩnh của cụm trục Z:

Ma = (P1 + P2).d = (5,24 + 27,2453).117.10-3 = 3,801 (N.m) < MA = 166 N.m

Trong đó:

- Trọng lực do tấm đỡ mẫu gây ra: P1 = m1.g = 0,5346.9,81= 5,24 (N)

- Trọng lực do kích thước mẫu tạo thành lớn nhất gây ra:

P2 = m2.g = 2,7773x9,81 = 27,2453 (N) → Thỏa mãn điều kiện bền

Kiểm nghiệm tải trọng động cho phép:

Tải động tính toán của trục vít me đai ốc bi là:

𝐶 𝑑 = 𝑄 𝐿13 = 41,203 × √1684,342 3 = 490,236 (𝑁) < 𝐶 𝑜 = 1370 (𝑁) Trong đó:

Tải trọng tương đương:𝑄 = 𝐹𝑎× 𝑓𝑤= 37,457 × 1,1 = 41,203 (𝑁) [5]

Với: f w : hệ số tải trọng, f w = 1 - 1,2 [5]

Lực dọc trục: 𝐹𝑎 = 𝐹 𝑚 + 𝐹 𝑞𝑡 = 4,968 + 32,489 = 37,457 (𝑁)

Tuổi thọ của cụm trục Z: 𝐿ℎ =2×𝑙𝐿×𝑃𝑠

𝑠 ×𝑛×60 =2×308,8×5880×603,67×1010×10 = 1684,342 (ℎ)

Với:L h : tuổi thọ của cụm trục Z (h); P S = 10mm - bước của vít me (mm); l s = 308,8mm-

chiều dài hành trình làm việc (mm); n = 5880 số vòng quay (vòng/phút)

Thời gian hoạt động trên lý thuyết của cụm trục Z:

𝐿 = ( 𝐶𝑎

𝑓 𝑤 𝐹 𝑎 )

3

× 10 6 = ( 1370

1,1 × 37,457)

3

× 10 6 = 3,67 × 10 10 (ℎ)

Số vòng quay cần thiết tối đa của trục:

60 60 0,98 1000

5880( / )

10 1

z

v

p z



→ Thỏa điều kiện tải trọng động

3.4 Cụm di chuyển qua lại theo trục X

Cụm trục X với chức năng di chuyển qua lại để làm đều dung dịch nhựa lỏng, hạn chế hiện tượng dính giữa bể và tấm giữ mẫu Đồng thời cụm trục X còn có chức năng đỡ bể đựng dung dịch nhựa lỏng Vì vậy cụm trục X bao gồm các bộ phận: ray trượt, con trượt, tay quay culit và 2 tấm đế

Cụm di chuyển qua lại theo trục X không yêu cầu độ chính xác cao nên có rất nhiều phương án để thiết kế cụm di chuyển qua lại, nhưng người ta thường dùng hai cơ cấu là: truyền động bằng culit kết hợp ray trượt và động cơ bước hoặc truyền động bằng đai răng kết hợp với con trượt dẫn hướng và động cơ bước

Hình 6 Các bộ phận của cụm trục X

Trọng lượng của tấm đế trên: P1 = m1.g = 0,815.9,8 = 7,987 N

Trong đó: Khối lượng của tấm đế trên: m1 = D1.V1 = 2,7.18,3.33.0,5 = 815,265 (g) = 0,815 (kg)

Trọng lượng của bể dựng dung dịch: P2 = m2.g = 0,909.9,8 = 8,908 N

Trong đó: Khối lượng của bể dựng dung dịch: m2 = D2.V2 = 417x2,180 = 909,06 (g) = 0,909 (kg)

Hình 7 Sơ đồ tác dụng lực lên cơ cấu culit

Như hình 7 ta thấy lực tác dụng chủ yếu ảnh hưởng đến cơ cấu culit là 4 lực ma sát trên

4 con trượt trên thanh ray trượt

→ Fms1 = Fms2 = Fms3 = Fms4 = (P1 + P2).fc /4= (7,987 + 8,908).0,66/4 = 2,788N Trong đó:

P1 = 7,987N – trọng lượng của tấm đế trên

P2 = 8,908 N – trọng lượng của bể đựng dung dịch

fc = 0,66 – hệ số ma sát trong con trượt và ray trượt (tra theo catalog của hãng THK) Trên hình 7, có 4 vị trí cơ cấu culit tác dụng nhiều nhất là A, B, C, D, những lực gây ra moment quay cho cơ cấu culit là các lực tiếp tuyến FAn, FBn, FCn, FDn, còn những lực đi qua tâm quay không gây moment quay cho culit như FAt,FBt, FCt, FDt Mặt khác từ bốn điểm ta thấy điểm B là điểm có tác dụng lực lớn nhất ảnh hưởng đến cơ cấu culit

→FBn = Fms1 + Fms2 + Fms3 + Fms4 = 2,788 + 2,788 + 2,788 + 2,788 = 11,152N

Để cơ cấu culit có thể quay được thì moment quay phải lớn hơn moment do lực ma sát gây ra:

Mquay> M = FBn.l =11,152 0,065 = 0,725 (N/m)

→ Để cơ cấu culit có thể quay được thì moment gây ra của động cơ phải lớn hơn M

4 KẾT QUẢ

Chúng tôi đã tính toán, thiết kế và chế tạo thành công máy in 3D DLP với các thông số

kỹ thuật chính như sau:

- Khả năng tạo mẫu tối đa: 115x65x250mm

- Độ chính xác theo phương Z: 25µm

- Độ chính xác mẫu theo phương XY: 50-100 µm

Hình 8 Những hình ảnh về kết quả chế tạo

Hình 9: Mẫu nhân vật được in bởi máy

5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Trên đây chúng tôi đã trình bày tổng quan về lịch sử, tầm quan trọng, đồng thời trình bày đường lối tính toán thiết kế một máy in 3D theo công nghệ DLP Và cuối cùng là đưa ra kết quả tính toán thiết kế và một vài mẫu được in bởi máy Cần tiếp tục các nghiên cứu chuyên sâu như:

sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng mẫu in về kích thước và độ bền mẫu trên các loại vật liệu khác nhau, nghiên cứu nâng cao độ chính xác mẫu in,…

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Terry Wohlers History of additive manufacturing, 2014

[2] Paulo Jorge Bártolo, Stereolithography Materials Processes and Applications, Springer,

2011

[3] Philip Mark Hackney An Investigation into the Characteristics of Material and Processes, for the Production of Accurate Direct Parts and Tools using 3D Rapid Prototying Technologies University of Northumbria, 2007

[4] Lê Văn Uyển, Vũ Lê Huy Phương pháp tính toán thiết kế và lựa chọn truyền động

vitme-bi Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc tần thứ VIII - Hà Nội, 12/2007 [5] PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc Cơ Sở Thiết Kế Máy NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí

Minh, 2008

[6] Design Considerations for Mask Projection Microstereolithography Systems

[7] Reinout Holtrup Design and construction of a multi-material 3D DLP printer University

of Twente, 2015