THiết kế và chế tạo máy in 3d

Công nghệ tạo mẫu nhanh:1.1.1 Khái niệm: Tạo mẫu nhanh Rapid Prototying Technology - RPT là phương pháp chế tạovật thể thật một cách tự động từ nguồn dữ liệu được thiết kế trên máy tính

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Công nghệ tạo mẫu nhanh: 1

1.1.1 Khái niệm: 1

1.1.2 Ba thời kì của quá trình tạo mẫu: 1

1.1.3 Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh: 4

1.1.4 Quá trình tạo mẫu nhanh: 7

1.1.5 Phân loại: 8

1.1.6 Một số loại công nghệ in 3D: 9

1.1.7 Tầm quan trọng và ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh: 16

1.2 Phương pháp tạo mẫu nhanh FDM: 20

1.2.1 Khái niệm và nguyên lý hoạt động: 20

1.2.2 Vật liệu dùng trong FDM: 21

1.2.3 Ưu – nhược điểm của phương pháp FDM: 23

1.2.4 Một số máy tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM trên thế giới: 24

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 28

2.1 Lựa chọn khung máy: 28

2.1.1 Khung máy hình lăng trụ: 28

2.1.2 Khung máy hình hộp: 28

2.2 Lựa chọn truyền động trên mặt phẳng Oxy: 29

2.2.1 Truyền động culit kết hợp với thanh ray trượt 29

2.2.2 Truyền động đai kết hợp thanh dẫn hướng: 30

2.3 Các loại bộ truyền đai: 31

2.3.1 Đai dẹt: 31

2.3.2 Đai thang: 31

2.3.3 Đai hình lược: 31

2.3.4 Đai răng: 32

2.4 Lựa chọn cụm nâng hạ trục Z: 32

2.4.1 Vít me đai ốc thường: 32

2.4.2 Vít me đai ốc bi: 34

2.5 Lựa chọn bộ điều khiển: 36

2.5.1 Hệ thống các relay – timer – contactor: 36

2.5.2 PLC: 36

2.5.3 Vi điều khiển: 36

2.6 Lựa chọn động cơ: 37

2.6.1 Động cơ bước: 37

2.6.2 Động cơ DC servo: 38

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 40

3.1 Cụm truyền động trục x: 40

3.1.1 Chọn động cơ: 40

3.1.2 Tính toán bộ truyền đai răng cho trục X: 42

3.2 Cụm truyền động trục y: 43

3.2.1 Nguyên lý cụm truyền động: 43

3.2.2 Chọn động cơ: 44

3.2.3 Tính toán đai răng truyền động từ động cơ cho trục Y: 46

3.2.4 Tính toán trục bánh đai bị động truyền động cho trục Y 47

3.3 Cụm truyền động trục z: 49

3.3.1 Nguyên lý cụm truyền động: 49

3.3.2 Chọn động cơ: 49

3.4 Khung máy: 52

3.4.1 Mặt trước của khung máy: 53

3.4.2 Mặt sau khung máy: 54

3.4.3 Mặt bên khung máy: 55

3.4.4 Mặt dưới khung máy: 56

3.4.5 Khung máy sau khi ráp lắp hoàn chỉnh: 57

3.5 Cụm đầu đùn 57

3.5.1 Nhựa in ABS và PLA: 58

3.5.2 Cụm truyền động và dẫn hướng: 60

3.5.3 Cụm gia nhiệt: 61

3.5.4 Đầu phun: 63

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 64

4.1 Tổng quan hệ thống điều khiển: 64

4.1.1 Sơ đồ tông quan: 64

4.1.2 Sơ đồ khối xử lý dữ liệu trên máy tính 64

4.1.3 Sơ đồ khối xử lý trên vi điều khiển: 65

4.2 Tìm hiểu phần mềm Repetier-Host 68

4.3 Mã Gcode: 72

4.4 Thiết kế mạch điện: 75

4.4.1 Giới thiệu động cơ bước: 75

4.4.2 Phân loại động cơ bước 76

4.4.3 Điều khiển động cơ bước: 79

4.4.4 Mạch điều khiển: 81

4.4.5 Driver A4988 86

4.4.6 Module Ramps1.4 88

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 91

5.1 Hệ thống hoàn chỉnh: 91

5.2 Kết quả thực nghiệm 91

5.2.1 Mẫu thử nghiệm 1 92

5.2.2 Mẫu thử nghiệm 2 93

5.2.3 Mẫu thử nghiệm 3 94

5.3: Hướng phát triển của đề tài 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Thời kỳ tạo mẫu bằng tay 2

Hình 1.2: Phần mềm tạo mẫu nhanh hay tạo mẫu ảo 3

Hình 1.3: Tạo mẫu bằng công nghệ tạo mẫu nhanh 4

Hình 1.4: Kỹ sư Charles Hull - cha đẻ của công nghệ in 3D 5

Hình 1.5: Tạo mẫu nhanh công nghệ SLA 5

Hình 1.6: Tạo mẫu nhanh công nghệ SLS 6

Hình 1.7: Các loại công nghệ tạo mẫu nhanh 9

Hình 1.8: Công nghệ tạo mẫu SLS 10

Hình 1.9: Nguyên lý làm việc SGC 12

Hình 1.10: Nguyên lý quá trình LOM 14

Hình 1.11: Máy tạo mẫu LOM 15

Hình 1.12: Ứng dụng chế tạo sản phẩm 16

Hình 1.13: Ứng dụng truyền đạt thiết kế 17

Hình 1.14: Ứng dụng tiếp thị sản phẩm 17

Hình 1.15: Ứng dụng kiểm tra sản phẩm 18

Hình 1.16: Ứng dụng tạo khuôn 18

Hình 1.17: Ứng dụng làm xương nhân tạo 19

Hình 1.18: Ứng dụng tạo mô hình triển lãm 20

Hình 1.19: Nguyên lý in 3D theo công nghệ FDM 21

Hình 1.20: Máy FDM 1650 24

Hình 1.21: Máy FDM2000 25

Hình 1.22: Máy FDM 8000 26

Hình 2.1: Khung máy hình lăng trụ bằng nhôm 28

Hình 2.2: Khung máy hình hộp bằng mica 29

Hình 2.3: Truyền động bằng cơ cấu culit kết hợp thanh trượt 30

Hình 2.4: Truyền động bằng đai kết hợp thanh dẫn hướng 30

Hình 2.5: Thông số đai thang 31

Hình 2.6: Cơ cấu dùng vít me đai ốc 33

Hình 2.7: Cấu tạo của vitme-đai ốc 33

Hình 2.8: Hình dạng của vít me đai ốc bi 34

Hình 2.9: Mặt cắt vít me đai ốc bi 35

Hình 2.10: Arduino Mega 2560 37

Hình 2.11: Động cơ bước 38

Hình 2.12: Động cơ DC servo 38

Hình 3.1: Nguyên lý cụm truyền động trục X 40

Hình 3.2: Nguyên lý truyền động cụm trục Y 44

Hình 3.3: Phác thảo kết cấu sơ bộ trục 48

Hình 3.4: Sơ đồ biểu diễn lực trên trục 48

Hình 3.5: Cơ cấu vít me - đai ốc trục Z 49

Hình 3.6: Mặt trước của máy 454 x 375 mm 53

Hình 3.7: Khung máy trước được thiết kế bằng solidwork 2014 53

Hình 3.8: Mặt sau khung máy 454 x 357 mm 54

Hình 3.9:Mặt sau khung máy thiết kế bằng solidwork 2014 54

Hình 3.10: Mặt bên khung máy 320 x 375 mm 55

Hình 3.11: Mặt bên được thiết kế bằng solidwork 2014 55

Hình 3.12: Mặt dưới khung máy 454 x 320 mm 56

Hình 3.13: Mặt dưới khung máy thiết kế bằng solidwork 2014 56

Hình 3.14: Khung máy hoàn chỉnh sau lắp ráp thiêt kế bằng solidwork 2014 57

Hình 3.16: Cấu trúc hóa học nhựa ABS 58

Hình 3.17: Cuộn nhựa PLA với các màu sắc khác nhau 60

Hình 3.18: Bánh răng MK8 dùng để dẫn hướng nhựa in 61

Hình 3.19: Kết cấu cụm đầu phun 61

Hình 3.20: Cụm gia nhiệt 62

Hình 3.21: Cảm biến nhiệt THERMISTOR 100k NTC 62

Hình 3.22: Đầu phun 0.4 mm bằng đồng 63

Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khiển 64

Hình 4.2: Sơ đồ xử lý dữ liệu trên máy tính 65

Hình 4.3: Sơ đồ xử lý trên vi điều khiển 66

Hình 4.4: Giao diện Repetier host V1.0.6 69

Hình 4.5: Tab phần mềm cắt lớp Slice 70

Hình 4.6: Cài đặt cấu hình Slice 71

Hình 4.7: Tab biễu diễn tọa độ các trục, nhiệt độ đầu phun 72

Hình 4.8: Động cơ từ trở biến đổi 77

Hình:4.9 Mặt cắt ngang và sơ đồ đấu dây của động cơ đơn cực Roto có 6 cực 78

Hình 4.10: Mặt cắt ngang và sơ đồ đấu dây của động cơ lưỡng cực 79

Hình 4.11: Chế độ điều khiển một bước 80

Hình 4.12: Chế độ điều khiển nửa bước 80

Hình 4.13: Máy in 3D Makerbot điều khiển bằng Arduino Mega2560 82

Hình 4.14: Robot di động tránh vật cản dùng Arduino và camera CMU Cam 83

Hình 4.15: Một thiết bị UAV 83

Hình 4.16: Ứng dụng game 84

Hình 4.17: Arduino mega 2560 86

Hình 4.18: Driver A4988 87

Hình 4.19: Sơ đồ chân A4988 87

Hình 4.20: Ramps 1.4 88

Hình 4.21: Sơ đồ kết nối Jumper vào Ramps1.4 90

Hình 4.22: Sơ đồ kết nối các thiết bị vào Ramps1.4 91

Hình 4.23: Sơ đồ đấu nguồn 91

Hình 4.24: Nối các động cơ trục X,Y,Z, đầu đùn 92

Hình 4.25: Đấu dây công tắc hành trình 92

Hình 5.1: Hệ thống máy FDM hoàn chỉnh 91

Hình 5.2 Mẫu thử nghiệm 1 92

Hình 5.3: Mẫu thử nghiệm 2 93

Hình 5.4: Mẫu thử nghiệm 3 94

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh vật liệu ABS và PLA 23

Bảng 2.1: Bảng thông số các dạng truyền động đai 32

Bảng 4.1: Các mã lệnh chức năng cơ bản: 73

Bảng 4.2: Mã lệnh Gcode cơ bản: 74

Bảng 4.3: Mã lệnh điều khiển M: 75

Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật Mega 2560 81

Bảng 4.5: Lựa chọn chế độ điều khiển động cơ bước 88

Bảng 4.6: Thông số Ramps 1.4 89

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ tạo mẫu nhanh:

1.1.1 Khái niệm:

Tạo mẫu nhanh (Rapid Prototying Technology - RPT) là phương pháp chế tạovật thể thật một cách tự động từ nguồn dữ liệu được thiết kế trên máy tính bằngphương pháp đắp dần vật liệu theo từng lớp, với tốc độ nhanh hơn nhiều so với cácphương pháp gia công chế tạo thông thường Những chiếc máy in 3 chiều này chophép người thiết kế có thể nhanh chóng tạo ra một thực thể chi tiết hay mô hình đúngnhư thiết kế của họ Sự phát triển của tạo mẫu nhanh có quan hệ mật thiết với sự pháttriển ứng dụng của máy tính trong công nghiệp Việc gia tăng sử dụng máy tính đãthúc đẩy sự tiến bộ trong nhiều lĩnh vực liên quan đến máy tính bao gồm:

 Thiết kế (CAD–Computer Aided Design)

 Chế tạo (CAM–Computer Aided Manufacturing)

 Điều khiển số nhờ máy tính (CNC – Computer Numerical Control)

Một số khái niệm về tạo mẫu nhanh được đưa ra từ các giáo sư trên thế giới:

 Fritz Kloeke – Giáo sư đại học Aechen: tạo mẫu nhanh là quá trình tạomẫu theo từng lớp trực tiếp từ dữ liệu thiết kế 3D và là quá trình tạo mẫu không cầndùng khuôn và dụng cụ

 Chris Zhang – Giáo sư đại học Saskatchewan: tạo mẫu nhanh là quátrình tạo mẫu theo nguyên tắc bồi đắp vật liệu

 Tery Wohler – Chủ tịch hiệp hội tạo mẫu nhanh thế giới: tạo mẫu nhanh

là công nghệ chế tạo mô hình vật lý hoặc mẫu sản phẩm từ dữ liệu thiết kế 3D trênmáy tính hoặc từ dữ liệu chụp cắt lớp điện toán CT, cộng hưởng từ MRI hoặc từ dữliệu của các thiết bị số hóa 3D

1.1.2 Ba thời kì của quá trình tạo mẫu:

Quá trình tạo mẫu được phân ra làm ba thời kì Hai thời kì sau chỉ mời ra đời trongkhoảng 20 năm trở lại đây Tương tự quá trình tạo mẫu trên máy vi tính, tính chất vật

 Thời kì đầu: tạo mẫu bằng tay:

Thời kỳ đầu tiên ra đời cách đây vài thế kỷ Trong thời kỳ này, các mẫu điển hìnhkhông có độ phức tạp cao và chế tạo một mẫu trung bình mất khoảng 4 tuần Phươngpháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề và thực hiện công việc một cách cực kỳ nặngnhọc

Hình 1.1: Thời kỳ tạo mẫu bằng tay

 Thời kì thứ hai: sử dụng phần mềm tạo mẫu (tạo mẫu ảo)

Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển rất sớm, khoảng giữa thập niên 70 Thời

kỳ này đã có phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo Việc ứng dụng CAD/CAE/CAM đãtrở nên rất phổ biến Phần mềm tạo mẫu sẽ phát họa trên máy vi tính những suy tưởng,

ý tưởng mới

Các mẫu này như là một mô hình vật lý: được kiểm tra, phân tích cũng như đoứng suất và sẽ được hiệu chỉnh cho phù ho nếu chúng chưa đạt yêu cầu Thí dụ nhưphân tích ứng suất và sức căng bề mặt chất lỏng có thể dự đoán chính xác được bởi vì

có thể xác định chính xác các thuộc tính và tính chất của vật liệu Hơn nữa, các mẫutrong thời kỳ này trở nên phức tạp hơn nhiều so với thời kỳ đầu Vì thế, thời gian yêucầu cho việc tạo mẫu có khuynh hướng tăng lên, tính chất vật lý của mẫu vẫn còn phụthuộc vào các phương pháp tạo mẫu cơ bản trước Tuy nhiên, việc vận dụng các máygia công chính xác đã cải thiện tốt hơn các tính chất vật lý của mẫu Cùng với sự tiến

bộ trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh trong thời kỳ thứ ba, có sự trợ giúp rất lớn của quátrình tạo mẫu ảo Tuy nhiên, vẫn còn tranh cãi về những giới hạn của công nghệ tạomẫu nhanh như: sự giới hạn về vật liệu (hoặc bởi vì chi phí cao hoặc cách sử dụng chotừng vật liệu không giống nhau để tạo chi tiết), tính chất vật lý từng phần của sảnphẩm trong quá trình tạo mẫu nhanh cũng được tính đến.

Hình 1.2: Phần mềm tạo mẫu nhanh hay tạo mẫu ảo

 Thời kì thứ ba: công nghệ tạo mẫu nhanh

Quá trình tạo mẫu rỗng thích hợp cho việc sản xuất trên bàn nâng hay công nghệsản xuất lớp Công nghệ này thể hiện quá trình phát triển tạo mẫu trong thời kỳ thứ ba.Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh là một phát minh quan trọng Thời kỳ thứ

ba cũng là thời kỳ bùng nổ mạnh mẽ của công nghệ và kinh tế thế giới Vào thời điểmnày số lượng các nhà sản xuất, công ty, doanh nghiệp tăng lên không ngừng, tạo ramôi trường cạnh tranh vô cùng quyết liệt Việc đưa ra một sản phẩm mới ra thị trườngnhanh hơn các đối thủ đã trở nên quan trọng nếu không nói đó là vấn đề sống còn Khi

tạo, kiểm tra và tiếp thị Để đưa sản phẩm ra thị trường nhanh chóng thì thời gian vàchi phí cho từng giai đoạn phải được rút ngắn triệt để Năm 1988, hơn 20 công nghệtạo mẫu nhanh đã được nghiên cứu.

Hình 1.3: Tạo mẫu bằng công nghệ tạo mẫu nhanh

1.1.3 Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh:

- Thập niên 1980s: Khái niệm về in 3d được nhen nhóm bắt đầu từ năm 1976,

thời điểm máy in phun được phát minh Bởi vì đến năm 1984, các cải tiến vàtiến bộ mới đối với đầu in phun đã giúp đưa công nghệ từ chỗ chỉ in được mựcđến in được cả các chất liệu khác Trong những thập kỷ sau đó, các ứng dụngcủa công nghệ in 3d đã không ngừng phát triển thông qua các ngành côngnghiệp khác nhau, từ cơ khí, ô tô, hàng không, y học, sản xuất đến thiết kế trangsức

- Năm 1984 đánh dấu sự ra đời chính thức của công nghệ in 3d mà cha đẻ là kỹ

sư Charles Hull, người sẽ trở thành đồng sáng lập công ty 3D Systems sau này,người phát minh ra công nghệ Stereolithography huyền thoại, cho phép innhững vật thể 3D phức tạp với độ chính xác cao từ dữ liệu số

Hình 1.4: Kỹ sư Charles Hull - cha đẻ của công nghệ in 3D

- Năm 1984 : Charles Hull phát minh ra công nghệ stereolithography, được cấp

bằng sáng chế năm 1987

- Năm 1991: Stratasys sản xuất máy in sử dụng công nghệ FDM đầu tiên trên thế

giới

- Năm 1992: Công ty 3d systems của Charles Hull sản xuất chiếc máy in 3D đầu

tiên dùng công nghệ SLA

Hình 1.5: Tạo mẫu nhanh công nghệ SLA

Hình 1.6: Tạo mẫu nhanh công nghệ SLS

- Năm 1994: Máy in từ sáp của Model Maker ra đời.

- Năm 1997: Công ty Aeromet phát minh ra công nghệ LAM (laser additive

manufacturing)

- Năm 1999: Các nhà khoa học đã cấy thành công nội tạng từ tế bào của bệnh

nhân và dùng thanh đỡ in từ máy in 3D để chống đỡ các bộ phận này

- Năm 2000: Máy in phun 3D đầu tiên ra đời tại công ty Object Geometries.

Cùng năm này Zcorp phát minh ra máy in 3D màu multicolor

- Năm 2001 : Solidimension tạo ra chiếc desktop 3d printer đầu tiên.

- Năm 2002: Các nhà khoa học dự định tạo ra cơ quan nội tạng bằng kích cỡ thật

và có thể hoạt động được Một quả thận từ máy in 3D đã ra đời

- Năm 2005: Dr Adrian Bowyer ở trường đại học Bath thành lập Reprap project

để phổ cập công nghệ in 3D

- Năm 2008: Reprap Darwin là chiếc máy đầu tiên có thể tự in ra các bộ phận của

chính nó Cùng năm Stratasys sản xuất thành công vật liệu in FDM có tínhtương hợp sinh học (biocompatible) Một website điện tử dành cho thị trườngmodel in 3D mang tên Shapeways ra đời Makerbot không hề thua kém cho ramắt trang Thingiverse để chia sẻ các model miễn phí dành cho việc in 3D

- Năm 2009: Makerbot bắt tay sản xuất bộ kit cải tiến máy Rerap cho đối tượng

người dùng lớn hơn Bên Organovo cũng in thành công mạch máu đầu tiên

- Năm 2011: Chiếc ô tô đầu tiên in bằng công nghệ 3D ra đời.

- Năm 2012: LayerWise in thành công bộ xương hàm ở Hà Lan.

Qua sự hình thành và ra đời của các công nghệ tạo mẫu nhanh ta thấy có 5công nghệ tạo mẫu nhanh chính đó là SLA, SLS, LOM, 3DP, FDM Ngoài ra cónhiều công nghệ khác nhưng chủ yếu vẫn dựa cơ bản trên 5 loại công nghệ trên

1.1.4 Quá trình tạo mẫu nhanh:

Hầu hết tất cả các quá trình tạo mẫu nhanh đều thường bao gồm 5 bước cơ bản:

 Bước 1: Mẫu hay một bộ phận chi tiết được thiết kế trên hệ thống CAD(Computer Aided Design)

Mẫu phải thể hiện đầy đủ tính chất vật lý như sản phẩm thật thể hiện bằng nhữngmặt cong khép kín với kích thước giới hạn rõ ràng Mẫu có thể được tạo bởi các phầnmềm CAD bất kỳ như: Solidworks, Inventor, Pro/Engineer, …

 Bước 2: Mô hình dạng khối hay mô hình bề mặt sẽ được chuyển sangfile định dạng “.STL” (Stereo Lithography)

Những phần mềm CAD khác nhau sử dụng những thuật toán khác nhau để đặctrưng cho vật thể Vì thế định dạng STL ra đời để thiết lập một sự đồng nhất và tạomột chuẩn riêng cho ngành công nghiệp tạo mẫu nhanh Trong định dạng STL, vật thểđược đặc trưng dưới dạng các mặt tam giác, một file STL sẽ bao gồm tọa độ các đỉnhhướng của các tam giác Do file STL sử dụng các phần tử mặt phẳng để định nghĩavật thể nên không thể hình thành các đường cong chính xác Do đó số lượng các tamgiác càng nhiều sẽ khiến tăng độ chuẩn xác so với vật thể thiết kế, nhưng đồng thờicũng làm tăng kích thước file STL và tăng thời gian xử lí cắt lớp và tạo hình vật thể

Từ khi ra đời, định dạng file STL đã tạo thành một chuẩn chung cho tất cả các côngnghệ ứng dụng trong ngành công nghiệp tạo mẫu nhanh

 Bước 3: Cắt lớp file STL theo độ dày thích hợp:

Ở bước này, phần lớn các phần mềm cắt lớp đều yêu cầu phải định dạng chínhxác vị trí, kích thước và hướng quay của vật thể cần tạo hình Hướng quay là một yếu

tố cực kì quan trọng trong quá trình cắt lớp vì nó sẽ quyết định tính chất của vật thểđược tạo thành Do đặc trưng đắp dần các lớp vật liệu nên thường phương z là phươngchịu lực chủ yếu nhất của vật thể tạo thành từ công nghệ tạo mẫu nhanh nên cần xácđịnh rõ chức năng của chi tiết để có thể xác lập hướng quay của chi tiết một cách hợp

lý nhất Hơn nữa để tiết kiệm thời gian cắt lớp cũng như tạo hình chi tiết người tathường chọn hướng quay sao cho số lớp mặt cắt là ít nhất Thường thì các phần mềmcắt lớp cắt vật thể thành các lớp có độ dày từ 0.01 đến 0.7 mm, phụ thuộc vào côngnghệ tạo mẫu sử dụng Do đó, mỗi công nghệ tạo mẫu nhanh thường có phần mềm cắtlớp riêng biệt

 Bước 4: Xây dựng mô hình từng lớp liên tiếp xếp chồng lên nhau để tạohình vật thể

Đây là quá trình điều khiển các trục để tạo hình cho từng lớp vật liệu Hầu hếtcác máy tạo mẫu nhanh đều thực hiện quá trình này một cách hoàn toàn tự động, rất ít

sự can thiệp của con người

Hình 1.7: Các loại công nghệ tạo mẫu nhanh

Quá trình kết tinh có thể được điều khiển tương tự như quá trình polymer hoátrong 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 chođến khi chi tiết được hoàn thành

Trong quá trình chế tạo, những phần vật liệu không nằm trong đường bao mặt cắt

sẽ được lấy ra sau khi hoàn thành chi tiết, và được xem như bộ phận phụ trợ để cho lớpmới được xây dựng Điều này có thể làm giảm thời gian chế tạo chi tiết khi dùngphương pháp này

Phương pháp SLS có thể được áp dụng với nhiều loại vật liệu khác nhau:Policabonate, PVC, ABS, nylon, sáp,… Những chi tiết được chế tạo bằng phươngpháp SLS tương đối nhám và có những lỗ hỗng nhỏ trên bề mặt nên cần phải xử lý saukhi chế tạo (xử lý tinh)

Hình 1.8: Công nghệ tạo mẫu SLS

Vật liệu sử dụng: Polycacbonate (PC), nylon, sáp, bột kim loại (copperpolyamide, rapid steel), bột gốm (ceramic), glass filled nylon, vật liệu đàn hồi(elastomer)

Quá trình tạo mẫu: Sản phẩm được chia thành các lát cắt từ file định dạng STLtạo một lớp bằng cách trải các lớp bột, thiêu kết bằng nguồn laser CO2 theo các bướcsau:

- Bước 1: Một lớp vật liệu bột nóng chảy được đặt vào buồng chứa sản phẩm

- Bước 2: Lớp vật liệu bột đầu tiên được quét bằng tia laser CO2 và đông đặc lại.Vật liệu bột không được xử lý sẽ được đưa trở về thùng chứa liệu

- Bước 3: Khi lớp thứ nhất đã hoàn thành thì lớp vật liệu bột thứ hai được cấpvào thông qua con lăn cơ khí chuẩn bị cho quá trình quét lớp thứ hai

- Bước 4: Bước hai và bước ba được lặp lại cho đến khi sản phẩm được hoànthành

Sau khi quá trình kết thúc, sản phẩm được lấy ra khỏi buồng xử lý và có thể quagiai đoạn hậu xử lý hoặc đánh bóng lại như phun cát tùy từng ứng dụng của sảnphẩm

Ưu điểm và nhược điểm:

Ưu điểm:

- Số lượng vật liệu đưa vào cao làm quá trình tạo mẫu diễn ra nhanh chóng

- Vật liệu đa dạng, không đắt tiền

- Không cần cơ cấu hỗ trỡ

- Giảm sự bóp méo do ứng suất

- Giảm các giai đoạn hậu xử lý

- Chế tạo cùng lúc nhiều chi tiết

Nhược điểm:

- Độ bóng bề mặt thô

- Bề mặt chi tiết rổ

- Lớp đầu tiên đòi hỏi đế nhựa để giảm ảnh hưởng nhiệt

- Mật độ chi tiết không đồng nhất

 Phương pháp tạo mẫu nhanh SGC (Solid Ground Curing)

Nguyên lý làm việc của SGC như sau:

Hình 1.9: Nguyên lý làm việc SGCChi tiết được xây dựng từng lớp một từ vật liệu lỏng photopolymer Vật liệu này

sẽ bị động cứng dưới tác dụng của tia cực tím

Các bước cơ bản được tiến hành như sau:

- Bước 1: Chuẩn bị dữ liệu, tạo mặt nạ và tạo mẫu Mặt nạ này được tạo từ dữ

liệu CAD nhập và in trên một nền trong suốt (thủy tinh) bằng phương pháp tĩnh điện,giống như quá trình được sử dụng trong máy photocopy và máy in laser Một lớp màuđen sẽ phủ lên toàn bộ bề mặt trừ những tiết diện của sản phẩm thể hiện bằng nhữngmiền trong suốt phản ánh chính xác mặt cắt ở lớp hiện hành của sản phẩm Lớp màuđen này có thể xóa được để tạo mặt nạ cho những lớp vật liệu tiếp theo

- Bước 2: Dưới tác dụng của chùm tia tử ngoại xuyên qua tấm thuỷ tinh khi tấm

thuỷ tinh di chuyển đến vị trí gần phía trên đỉnh của lớp mỏng chất lỏng polymer và

chiếu vào thùng vật liệu bên dưới Phần vật liệu bị chiếu bởi tia tử ngoại sẽ được đôngđặc nhanh chóng, cùng lúc này hình ảnh trên tấm thuỷ tinh.

- Bước 3: Vật liệu dư không bị đông đặc sẽ được thu hồi lại, và khoảng trống

xung quanh sản phẩm đang được chế tạo sẽ được điền đầy bằng sáp (wax), có tác dụngnhư là bộ phận hỗ trợ trong suốt quá trình tạo sản phẩm

Để đảm bảo cho quá trình hoá rắn nhanh, sáp lỏng được đông đặc bằng một tấmlàm nguội sáp Sau đó, đầu phay sẽ làm nhẵn bề mặt sản phẩm và xác định đúng bềdày của một lớp Bộ phận đỡ sản phẩm sẽ dịch xuống đúng bằng chiều dày của mộtlớp và quá trình được lặp lại cho đến khi hoàn thành sản phẩm

Ưu và nhược điểm của phương pháp SGC

Ưu điểm:

- Hệ thống xử lý song song: quá trình tạo mẫu và xử lý tinh xảy ra song song do đó

tiết kiệm thời gian từ 25-50%, giảm ứng suất bên trong và độ cong vênh sản phẩm

- Đặc tính sản phẩm đồng nhất

- Có thể chế tạo cùng lúc nhiều sản phẩm.

Nhược điểm:

- Giá thành hơi cao, thiết bị làm việc hơi ồn

- Giá thành hợi cao, thiết bị làm việc hơi ồn

- Vật liệu sử dụng bị hạn chế

- Phải qua giai đoạn hậu xử lý

- Chi phí vận hành và bảo trì cao

- Phải lấy sáp ra khỏi sản phẩm khi chế tạo xong.

- Tạo khuôn và công cụ: tạo công cụ bằng vật liệu Silicon-Rubber, epoxy, phun kimloại, acrylic, khuôn đúc thạch cao.

- Ứng dụng trong y học: chuẩn đoán, phẫu thuật, thiết kế các bộ phận giả thay thế

 Phương pháp tạo mẫu nhanh LOM:

Đầu tiên, thiết bị nâng (đế) ở vị trí cao nhất cách con lăn nhiệt một khoảng bằngđúng độ dày của lớp vật liệu, tiếp theo con lăn nhiệt sẽ cán lớp vật liệu này, dưới bềmặt của vật liệu có chất kết dính mà khi được ép và gia nhiệt bởi trục lăn nó sẽ giúplớp này liên kết với lớp trước Hệ thống quang học sẽ đưa tia laser đến để cắt vật liệutheo hình dạng hình học của mô hình đã tạo từ CAD Vật liệu được cắt bởi tia lasertheo đường viền của mặt cắt lát Phần vật liệu dư sẽ được thu hồi bằng con lăn hồi liệu.Sau đó đế hạ xuống cấu nâng hạ xuống thấp và vật liệu mới được nạp vào, cơ cấu lạinâng lên chậm đến vị trí thấp hơn chiều cao trước đó, trục cán sẽ tạo liên kết giữa lớpthứ hai với lớp thứ bằng đúng chiều dày lớp vật liệu kế tiếp Chu kỳ này được lặp lạicho đến khi kết thúc

Hình 1.10: Nguyên lý quá trình LOM

Những vật liệu dư đóng vai trò như cơ cấu phụ trợ để đỡ cho chi tiết Vật liệu dư

này cũng được cắt thành những đường ngang dọc (cross-hatch) Những đường giaotuyến song song này làm bong những vật liệu dư để nó được lấy đi dễ dàng sau khi chếtạo Sau đó, bề mặt của chi tiết có thể được đánh bóng, xi mạ, hoặc sơn Theo nguyên tắc tất cả các vật liệu dạng tấm đều có thể sử dụng cho hệ thốngLOM Nhưng thông thường LOM sử dụng nhiều nhất là giấy, plastic, gốm và vật liệucomposite

Hình 1.11: Máy tạo mẫu LOM

Một số ưu nhược điểm của phương pháp LOM:

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

- Độ bóng bề mặt không cao.

- Lấy sản phẩm ra khỏi kết cấu hỗ trợ khó khăn

1.1.7 Tầm quan trọng và ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh:

Tạo mẫu nhanh -in 3D được đánh giá là một trong 10 công nghệ tiêu biểu đếnnăm 2020 Sở hữu nhiều tính chất ưu việt so với phương pháp tạo mẫu truyền thống,tạo mẫu nhanh đang dần được ứng dụng rộng khắp trong nhiều ngành sản xuất, tiếpthị, quốc phòng, y tế…

Hình 1.12: Ứng dụng chế tạo sản phẩm

 Truyền đạt thiết kế

Tạo mẫu nhanh là phương án truyền đạt ý tưởng tuyệt vời nhất giữa các nhà thiết

kế Mô hình “thật” của sản phẩm giúp nhóm thiết kế đánh giá kiểu dáng và phát hiệncác sai sót tiềm ẩn dễ dàng hơn so với việc kiểm tra trên mô hình 3D

Hình 1.13: Ứng dụng truyền đạt thiết kế

 Tiếp thị sản phẩm:

Sản phẩm tạo mẫu nhanh hoàn toàn có khả năng thể hiện màu sắc cũng như tương quan lắp ghép Các thống kê cho thấy tạo mẫu nhanh sẽ tiết kiệm được 30% –50% chi phí trong quá trình giới thiệu sản phẩm mới cho nhà đầu tư Một điều quantrọng nữa, sản phẩm tạo mẫu nhanh giúp tăng độ tin cậy của khách hàng trong việc lựachọn và định giá sản phẩm

 Kiểm tra chức năng làm việc của sản phẩm:

Hình 1.15: Ứng dụng kiểm tra sản phẩm

Dựa vào mô hình 3D rất khó để đảm bảo sản phẩm khi sản xuất ra có thể đáp ứngđược các yêu cầu về thao tác làm việc, lắp ghép… đặc biêt với các chi tiết cam, trụclệch tâm hay khớp nối, cần điều khiển.Công nghệ tạo mẫu nhanh hiện nay có thể “in3d” các chi tiết lắp ghép, thậm chí với nhiều màu sắc khác nhau

 Tạo công cụ gia công:

Tạo mẫu nhanh được ứng dụng rất mạnh mẽ trong việc chế tạo các chi tiết làmkhuôn đúc silicon, composite, tạo hình chân không…

Hình 1.16: Ứng dụng tạo khuôn

 Hổ trợ đắc lực cho y học:

Trong lĩnh vực y học, công nghệ tạo mẫu nhanh được dùng để chế tạo các môhình y học, các bộ phận cấy ghép thay thế xương và các công cụ trợ giúp phẫu thuật

Xương nhân tạo: Có những vụ tai nạn gây vỡ một phần xương trên cơ thể và

không thể phục hồi Yêu cầu đặt ra là phải tái tạo lại được phần xương tương ứng để

cấy ghép với độ chính xác cao Để làm được điều đó, người ta sử dụng đến kỹ thuật

ngược Công nghệ tạo mẫu nhanh cũng được sử dụng rộng rãi trong nha khoa

Hình 1.17: Ứng dụng làm xương nhân tạo

 Cung cấp mô hình triển lãm:

Công nghệ tạo mẫu nhanh cho phép tạo ra các mô hình tòa nhà, tượng đài, hìnhnhân thu nhỏ với tỷ chính xác hơn hẳn các phương pháp thủ công Trong ngành khảo

cổ học, có những vật người ta cần tạo ra một bản sao để trưng bày, mục đích là để bảotồn bản gốc quý giá và dễ hư tổn Để làm được những việc đó người

ta sử dụng công nghệ Scan laser lấy lại hình dáng của vật, sau đó sử dụng phần mềmCAD/CAM thiết kế và gia công tạo lại hình dáng của sản phẩm và cuối cùng sử dụngmàu sắc để làm cho vật có hình dạng giống với vật mẫu

Hình 1.18: Ứng dụng tạo mô hình triển lãm

1.2 Phương pháp tạo mẫu nhanh FDM:

1.2.1 Khái niệm và nguyên lý hoạt động:

và sau này trở thành công nghệ chủ đạo trong lĩnh vực in 3D cho đến ngày nay

 Nguyên lý hoạt động:

Công nghệ FDM là công nghệ đặc trưng của công nghệ tạo mẫu nhanh Nguyên

lý chung của công nghệ này là đùn vật liệu dạng sợi để tạo thành các mặt cắt của mẫu.Nguyên liệu mà công nghệ FDM sử dụng là sợi dây nhựa Sợi dây nhựa được cung cấp

cho đầu đùn nhờ động cơ cuốn Đầu đùn được làm nóng tới nhiệt độ thích hợp để sợidây nhựa tan chảy và đùn ra ngoài.

Hình 1.19: Nguyên lý in 3D theo công nghệ FDMĐầu đùn này có thể di chuyển độc lập theo hai phương X, Y (giống như máyCNC) tạo nên hình dạng một mặt cắt của vật thể Để làm lớp tiếp theo thì bàn nângmang lớp trước đi xuống một khoảng rất nhỏ (0.1- 0,3mm) và đầu đùn lại tiếp tục đắpmột lớp mặt căt tiếp theo lên lớp trước Quá trình hoàn thành khi tất cả các mặt cắt đắplên nhau

1.2.2 Vật liệu dùng trong FDM:

Vật liệu dùng trong công nghệ FDM là loại vật liệu nhiệt dẻo chẳng hạn như,ABS (acrylonitrile butadiene styrene), PLA (polylactic axit), nylon, Ninjaflex vật liệu

y sinh Các đặc trưng của vật liệu dùng trong công nghệ FDM:

 Khả năng hoá dẻo:

Là khả năng biến đổi trạng thái từ dạng rắn sang dạng chảy dẻo dưới tác dụngcủa nhiệt độ cao Khả năng này giúp ta có thể dễ dàng định hình vật liệu và điều phốithể tích vật liệu theo ý muốn Điều này mang tính quyết định trong việc hình thànhchiều dày lớp tạo hình, thông qua đó sẽ quyết định khả năng thích ứng biên dạng củacông nghệ tạo mẫu đối với những vật thể có biên dạng hình học phức tạp.

 Khả năng và thời gian đông cứng:

Sau khi được gia nhiệt và định hình theo ý muốn thì vật liệu sẽ tiếp xúc với môitrường không khí ở nhiệt độ phòng Khi đó vật liệu phải đông cứng trở lại Thời gianđông cứng của vật liệu phải thật nhanh, thường phải thấp hơn 10s Tính đông cứng nàygiúp vật liệu có độ cứng vững cần thiết sau mỗi lớp mỏng tạo hình cho đối tượng tạomẫu Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với độ chính xác về mặt hình dáng hình họcsau cùng của mẫu

 Khả năng liên kết:

Chính là khả năng kết dính bề mặt của 2 lớp vật liệu mỏng liền kề nhau trong quátrình tạo mẫu Hai lớp vật liệu này có thể ở 2 nhiệt độ khác nhau, 2 trạng thái vật líkhác nhau.Tính chất này mang ý nghĩa quan trọng đối với cơ tính, độ cứng vững củasản phẩm tạo hình khi hoàn thành

 Độ nhớt của vật liệu:

Độ nhớt của vật liệu sẽ quyết định khả năng di chuyển của dòng vật liệu khi ởtrạng thái chảy dẻo dưới tác dụng của nhiệt độ Điều này có ý nghĩa quan trọng trọngviệc xác định mức độ lực cần thiết để đẩy dòng vật liệu với một vận tốc xác địnhtrước, do đó nó sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc và kích thước cụm đầu đùn vật liệu của máytạo mẫu nhanh

Trong tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM hiện nay, người ta dùng chủ yếu hailoại nhựa đó là ABS và PLA Các loại dây nhựa này có kích thước đường kính dây là1,75 và 3mm, rất đa dạng về màu sắc, được đóng gói thành từng cuộn có trọng lượng

là 1kg Thông thường, những người mới tìm hiểu về tạo mẫu nhanh cho rằng sử dụngsợi nhựa 1.75mm sẽ tạo ra những sản phẩm tạo mẫu nhanh có chất lượng cao hơn sovới loại 3mm Kéo theo nhu cầu về sợi nhựa1.75mm cũng cao hơn hẳn Tuy nhiên, sợi

nhựa kích thước 1.75mm không mang lại ưu thế vượt trội hơn hẳn so với loại 3mm,mỗi loại sẽ có những ưu nhược điểm riêng.

Bảng 1.1: So sánh vật liệu ABS và PLA

1.2.3 Ưu – nhược điểm của phương pháp FDM:

- Sử dụng phương pháp nung chảy vật liệu thông thường bằng các loại điện trở

nhiệt, không cần sử dụng nguồn lazer nên có chi phí lắp đặt, bảo trì, sửa chữathấp

- Nhiệt độ nóng chảy khi gia công thấp, vật liệu sử dụng không độc hại.

- Vật liệu dễ tìm kiếm với giá thành trung bình thấp, lại có nhiều loại và màu sắc

khác nhau nên có thể linh hoạt trong việc lựa chọn và thay đổi vật liệu

- Tạo sản phẩm với tốc độ nhanh, giá thành rẻ, có chất lượng cao và đảm bảo đến

85% tính chất của vật liệu được sử dụng Nâng cao khả năng chế tạo các sảnphẩm 3D phức tạp và tính linh hoạt trong việc đáp ứng của sản phẩm

- Sử dụng vật liệu với năng suất cao nhất vì dễ dàng loại bỏ vật liệu đỡ và có khả

năng tái chế (vật liệu đỡ, vật liệu loại bỏ từ quá trình hậu xử lý)

 Nhược điểm:

- Độ chính xác về hình dáng của sản phẩm bị hạn chế do phụ thuộc vào đường

kính vòi đùn

- Có đường phân cách giữa các lớp, bề mặt sản phẩm có độ nhám cao do nguyên

lý gia công theo lớp, đặc biệt là các bề mặt theo phương thẳng đứng và có độdốc

- Kém cứng vững theo phương vuông góc với trục thẳng đứng (trục xây dựng sản

phẩm), độ bền cơ học sản phẩm bị giới hạn

- Không dự đoán được độ co ngót vật liệu

1.2.4 Một số máy tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM trên thế giới:

FDM 1650

Hình 1.20: Máy FDM 1650Thông số kỹ thuật:

• Kích thước sản phẩm: 254 x 254 x 254

• Độ chính xác:0.127mm

• Kích thước máy: 660 x 914 x1067 mm

• Độ chính xác :  0.127 0.254 mm

• Kích thước máy: 1486 x 1905 x 1003 mm

• Khối lượng: 392 kg

• Chiều rộng lớp: 0.254 - 2.54 mm

• Chiều dày lớp: 0.05 - 0.762 mm

• Kích thước sản phẩm : 457 x 457 x 609 mm

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 2.1 Lựa chọn khung máy:

2.1.1 Khung máy hình lăng trụ:

Hình 2.1: Khung máy hình lăng trụ bằng nhômĐặc điểm:

- Kết cấu đơn giản

- Độ cứng vững không ổn định, dễ rung lắc

- Giá thành nhôm định hình cao

2.1.2 Khung máy hình hộp:

Đặc điểm:

- Kết cấu vững chắc, đơn giản.

- Độ cứng vững tương đối cao, đảm bảo điều kiện vuông góc của các thanh dẫn

hướng

- Giá thành vừa phải.

Hình 2.2: Khung máy hình hộp bằng mica

2.2 Lựa chọn truyền động trên mặt phẳng Oxy:

Chức năng: Đây là bộ phận đi chuyển qua lại trong mặt phẳng OXY giúp cơ

cấu mang đầu đùn đến các vị trí cần thiết để thực hiện quá trình đùn nhựa Cụm di

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

2.2.1 Truyền động culit kết hợp với thanh ray trượt

Hình 2.3: Truyền động bằng cơ cấu culit kết hợp thanh trượt

2.2.2 Truyền động đai kết hợp thanh dẫn hướng:

Hình 2.4: Truyền động bằng đai kết hợp thanh dẫn hướng

Ưu điểm:

- Kích thước bộ truyền nhỏ, ít gây tiếng ồn khi vận hành.

- Có thể truyền động với khoảng cách trục cách xa.

- Nhờ vào tính chất đàn hồi của đai nên tránh dao động sinh ra do tải thay đổi tác dụng lên cơ

cấu

- Tỉ số truyền lớn, hiệu suất bộ truyền cao.

Nhược điểm:

- Tỉ số truyền thay đổi do hiện tượng trượt trơn giữa đai và bánh đai.

- Tải trọng tác dụng lên trục và ổ lớn do phải có lực căng đai ban đầu.

Có khả năng tải, tuổi thọ cao và độ chịu va đập tốt tuy nhiên gái thành cao,không dùng ở những nơi có axit, ẩm ướt, chiều rộng đai b=10-300mm, khối lượngriêng 1000-1100kg/m^3

2.3.2 Đai thang:

Tiết diện ngang hình thang cân, kích thước tiết diện và chiều dài đai đã được tiêuchuẩn hóa Mặt làm việc của đai thang là hai mặt bên, ép vào rãnh cung có tiết diệnhình thang của bánh đai, nhờ tác dụng chêm nên hệ số ma sát giữa đai và bánh đai tănglên, khả năng tải cao Chiều dày lớn nên không có lợi về phương diện uốn đai quanhbánh đai, có sự phân bố không đều tải trọng giữa các dây đai

Hình 2.5: Thông số đai thang

2.3.3 Đai hình lược: