Chế tạo máy in 3D theo công nghệ FDM trên cơ sở sử dụng bộ điều khiển ArduinoMega 2560 Điều khiển và tự động hóaNgày nay, công nghệ in 3D đã phát triển mạnh mẽ, được đưa vào ứng dụng trong nhiềulĩnh vựa khác nhau như cơ khí, hàng không, thể thao, thời trang, sinh học và đồ gia dụng …Với độ chính xác cũng như giá thành ngày càng được cải tiến, máy in 3D đang dần được đưavào đời sống như một đồ gia dụng, được ứng dụng để gia công những vật thể với tốc độ cao vàđộ chính xác cao. Công nghệ in 3D sinh học (Bio3DPrinting) phát triển ứng dụng nhiều trongviệc tạo ra các bộ phận cho con người, đẩy nhanh quá trình chữa bệnh.Với giá thành rẻ và mức độ ứng dụng cao, em xin chọn đề tài máy in 3D theo công nghệFDM làm đồ án tốt nghiệp của mình.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
CHẾ TẠO MÁY IN 3D THEO CÔNG NGHỆ FDM TRÊN
CƠ SỞ SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ARDUINO MEGA 2560
Trang 2NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
Họ và tên: Nguyễn Sơn Tùng Mã số sinh viên: 20136762
Ngành: Điều khiển và tự động hóa
1 Đầu đề thiết kế/Tên đề tài
“Chế tạo máy in 3D theo công nghệ FDM trên cơ sở sử dụng bộ điều khiển Arduino Mega 2560”
2 Các số liệu ban đầu
Sử dụng mạch Arduino
Kích thước in 200x200x250
Vật liệu in: PLA, ABS, PETG
3 Các nội dung tính toán, thiết kế
Tìm hiểu về công nghệ in FDM
Tìm hiểu về các loại vật liệu in
Chế tạo cơ cấu cơ khí, kết nối phần mạch điện
Cài đặt và thực hiện căn chỉnh
4 Cán bộ hướng dẫn
PGS TS Hoàng Sỹ Hồng
5 Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 01/02/2018
6 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 01/06/2018
Ngày tháng năm
SINH VIÊN THỰC HIỆN
Trang 3MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
LỜI CẢM ƠN 3
DANH MỤC VIẾT TẮT 4
DANH MỤC HÌNH VẼ 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU 10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D 11
1.1 Tổng quan một số công nghệ in 3D thông dụng 11
1.1.1 Công nghệ in FDM[1] 11
1.1.2 Công nghệ in SLA/DLP [3] 14
1.1.3 Công nghệ in SLS/SLM[6] 16
1.2 Một số loại vật liệu in 3D cho máy in FDM thông dụng 16
1.3 Một số loại cơ cấu cơ khí của máy in 3D theo công nghệ FDM 18
1.3.1 Cơ cấu Cartesion 18
1.3.2 Cơ cấu Delta 19
1.3.3 Cơ cấu SCARA 19
1.4 Một số loại máy in 3D thông dụng [13] 20
1.5 Mục tiêu của đề tài 21
CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO MÁY IN 3D 23
2.1 Mô phỏng 3D và trình tự thiết kế chế tạo máy in 3D 23
2.2 Thiết kế, lựa chọn phần cơ khí 24
2.2.1 Thiết kế, lựa chọn khung cơ khí 24
2.2.2 Thiết kế các chi tiết bộ gá 28
2.2.3 Thiết kế, lựa chọn bộ đùn nhựa 33
2.2.4 Lựa chọn các linh kiện cơ khí khác 37
2.3 Thiết kế, lựa chọn phần điện 38
2.3.1 Lựa chọn bộ điều khiển 38
2.3.2 Thiết kế cổng công suất 42
2.3.3 Lựa chọn các linh kiện phần điện khác 43
2.4 Xây dựng và lắp ráp máy in 3D theo công nghệ FDM 50
2.4.1 Chuẩn bị, sắp xếp linh kiện 50
Trang 42.4.2 Lắp ráp máy in 3D theo công nghệ FDM 52
CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT MÁY IN 3D THEO CÔNG NGHỆ FDM VÀ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 63
3.1 Cài đặt firmware cho máy in 3D (Marlin 1.1.8) 63
3.1.1 Tải firmware và phần mềm biên dịch (Arduino IDE) 63
3.1.2 Thiết lập firmware[52][53] 63
3.2 Phần mềm tạo mã Gcode cho máy in 3D 72
3.2.1 Tổng quan về phần mềm Simplify 3D 72
3.2.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm Simplify 3D 72
3.2.3 Một số mã G-Code thông dụng [55] 81
3.3 Các chức năng bảo vệ của máy in 82
3.4 Căn chỉnh [56][57] 83
3.5 Kịch bản thử nghiệm 86
3.5.1 Kiểm nghiệm về kích thước 86
3.5.2 Kiểm nghiệm về độ cứng 87
3.5.3 Kiểm nghiệm ngoại quan[62] 89
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 95
4.1 Kết luận 95
4.2 Phương hướng phát triển 95
4.2.1 Máy in đa màu, đa vật liệu 95
4.2.2 Phát hiện trượt bước 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO 101
PHỤ LỤC 103
Trang 5Em cảm ơn người con gái em yêu, đã là nguồn động viên tinh thần lớn cho em, đã động viên cũng như kiềm chế em những lúc căng thẳng, mệt mỏi, đã là mục tiêu và cũng là lý do để
em có thể bước tiếp lên trong cuộc đời
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng, người thầy giáo hướng dẫn em trong suốt nhiều năm qua, cho dù những lúc em làm chưa tốt, thầy cũng đã tận tình chỉ bảo em từng bước từng bước để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp
Em xin cảm ơn những thành viên, bạn bè thân thiết của em ở gia đình SEE English Club,
đã đem lại cho em những niềm vui, những kĩ năng và còn nhiều hơn thế trong suốt 3 năm tham gia câu lạc bộ, với hơn 2 năm giữ chức phó chủ tịch của câu lạc bộ
Em xin gửi lời cảm ơn tới các anh, chị, các bạn và các em trong Lab ManDevices đã giúp
đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án này
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Điện, Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thiện đồ án này
TÁC GIẢ ĐỒ ÁN Nguyễn Sơn Tùng
Trang 6DANH MỤC VIẾT TẮT
FDM Fused Deposition Modeling
SLA Stereolithography
DLP Digital Light Processing
SLS Selective laser sintering
SLM Selective laser melting
GTT Glass Transistion Temperture Nhiệt độ chuyển thể
HSS Hardened Stainless Steel Thép không rỉ được tôi luyện
Trang 7DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo chung của máy in 3D theo công nghệ FDM 11
Hình 1.2 Nhựa in dành cho máy in 3D theo công nghệ FDM [2] 12
Hình 1.3 Lưu đồ công nghệ của máy in 3D theo công nghệ FDM 13
Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo chung của máy in 3D theo công nghệ SLA/DLP 14
Hình 1.5 Vật in được in trên máy SLA [5] 15
Hình 1.6 Sơ đồ cấu tạo chung của máy in 3D theo công nghệ SLS/SLM 16
Hình 1.7 Máy in 3D của hãng Prusa[9] 18
Hình 1.8 Đi dây đai cho máy in theo cơ cấu CoreXY[10] 18
Hình 1.9 Máy in theo cơ cấu DELTA[11] 19
Hình 1.10 Máy in theo cơ cấu SCARA[12] 19
Hình 1.11 Máy Original Prusa I3 Mk3 20
Hình 1.12 Máy Tevo Tarantula 20
Hình 1.13 Máy Creality3D CR10S 20
Hình 1.14 Máy Wanhao Duplicator I3 20
Hình 1.15 Máy Ultimaker 3 21
Hình 1.16 Wanhao Duplicator 7 21
Hình 1.17 Máy Tevo Little Monster 21
Hình 2.1 Mô phỏng máy in 3D bằng SolidWork 2016 23
Hình 2.2 Quy trình chế tạo máy in 3D theo công nghệ FDM 24
Hình 2.3 Máy in 3D nhìn từ phía trước 24
Hình 2.4 Vùng truyền động XY của máy 25
Hình 2.5 Vùng in của máy in 3D 25
Hình 2.6 Vùng gầm của máy in 3D 25
Hình 2.7 Trục X của máy in 3D 25
Hình 2.8 Cơ cấu ghép của khung nhôm 26
Hình 2.9 Trục Y của máy in 3D 26
Hình 2.10 Cơ cấu khung trục X 26
Hình 2.11 Cơ cấu khung trục Y 27
Hình 2.12 Cơ cấu khung trục Z 28
Hình 2.13 Gá đỡ động cơ trục XY 28
Trang 8Hình 2.14 Gá đỡ động cơ trục Z 29
Hình 2.15 Gá đỡ trục trượt cho trục Y 29
Hình 2.16 Bộ gá giữ Endstop 29
Hình 2.17 Bộ gá giữ trục trượt cho trục X 30
Hình 2.18 Bộ gá đỡ trục trượt Z 30
Hình 2.19 Bộ gá căng đai 30
Hình 2.20 Bộ gá đầu đùn 31
Hình 2.21 Tác dụng của Layer Fan[20] 31
Hình 2.22 Bộ gá trượt bàn in 32
Hình 2.23 Ốc đồng vít me 32
Hình 2.24 Bộ gá gắn bàn nhiệt 32
Hình 2.25 Bộ gá phần điện 33
Hình 2.26 Bộ đùn nhựa đã lắp đầy đủ linh kiện 33
Hình 2.27 Cấu tạo bộ gia nhiệt E3D V[23] 34
Hình 2.28 Các loại họng chặn nhiệt (Heat Break) cho bộ gia nhiệt E3D V6[24] 34
Hình 2.29 Kim phun bằng đồng thau[26] 35
Hình 2.30 Kim phun bằng thép SS[27] 35
Hình 2.31 Kim phun bằng thép HSS[28] 36
Hình 2.32 Kim phun bằng đồng có lắp đầu Ruby[29] 36
Hình 2.33 Các vùng nhiệt độ trong bộ gia nhiệt 36
Hình 2.34 Sơ đồ mắc nối dây đai theo cơ cấu COREXY 37
Hình 2.35 Hình ảnh thực tế của mạch Arduino Mega 2560 38
Hình 2.36 Hình ảnh thực tế của mạch RAMPS1.4[32] 38
Hình 2.37 Sơ đồ nguyên lý của mạch RAMPS1.4[33] 39
Hình 2.38 Sơ đồ nguyên lý khối Heater & Fan 39
Hình 2.39 Sơ đồ nguyên lý khối Endstops 40
Hình 2.40 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến nhiệt độ 40
Hình 2.41 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 40
Hình 2.42 Sơ đồ nguyên lý khối driver động cơ bước 41
Hình 2.43 Sơ đồ nguyên lý khối Servos 42
Hình 2.44 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp ngoại vi 42
Trang 9Hình 2.45 Mạch mở rộng công suất 42
Hình 2.46 Bàn nhiệt nhôm MK3[39] 44
Hình 2.47 Nhiệt trở NCT cho máy in 3D 44
Hình 2.48 Động cơ 17pm-ka39b 45
Hình 2.49 Module A4988 47
Hình 2.50 Module DRV8825 47
Hình 2.51 Module TMC2100 48
Hình 2.52 Hình ảnh thực tế của cảm biến tiệm cận từ[46] 49
Hình 2.53 Hình ảnh thực tế của BL Touch[47] 49
Hình 2.54 Hình ảnh thực tế của một máy in lắp ráp Probe bằng Servo + Nút nhấn 50
Hình 2.55 Hình ảnh thực tế của cảm biến tiện cận dạng điện dung[48] 50
Hình 2.56 Hình ảnh thực tế của một máy in lắp ráp Probe dạng tiếp điểm kim phun[49] 50
Hình 2.57 Cạnh bên máy in 52
Hình 2.58 Kết nối bốn thanh cạnh 52
Hình 2.59 Bốn thanh cạnh dưới của máy 52
Hình 2.60 Giá đỡ trục Z 53
Hình 2.61 Máy đã lên khung cơ bản 53
Hình 2.62 Các thanh nhôm cho bộ đỡ bàn 53
Hình 2.63 Ghép hai thanh đỡ dài vào khung trượt 54
Hình 2.64 Mặt dưới bàn nhiệt MK3 54
Hình 2.65 Mặt trên (Hình trên) và mặt dưới (Hình dưới) của bàn nhiệt 54
Hình 2.66 Lắp thanh trượt Y vào gá đỡ 55
Hình 2.67 Bộ gá trục trượt cho trục X 55
Hình 2.68 Gắn động cơ vào gá đỡ 55
Hình 2.69 Endstop trục Y 56
Hình 2.70 Block gia nhiệt gắn kim phun 56
Hình 2.71 Gắn họng chặn nhiệt vào block gia nhiệt 56
Hình 2.72 Gắn ống tản nhiệt vào họng 56
Hình 2.73 Ráp nhiệt trở và cảm biến 57
Hình 2.74 Bọc đầu silicon cách nhiệt 57
Hình 2.75 Gắn Hotend vào bộ gá 57
Trang 10Hình 2.76 Gắn quạt vào gá 57
Hình 2.77 Lắp ráp bộ đẩy nhựa 58
Hình 2.78 Gắn cảm biến tiệm cận từ 58
Hình 2.79 Hoàn thành lắp ráp bộ đùn nhựa 58
Hình 2.80 Gắn bộ đùn nhựa vào khung 58
Hình 2.81 Bộ dây đai của cơ cấu CoreXY 59
Hình 2.82 Gắn bộ gá phần điện vào khung 59
Hình 2.83 Gắn mạch Arduino Mega 2560 59
Hình 2.84 Gắn mạch RAMPS 1.4 59
Hình 2.85 Nguồn và mạch mở rộng công suất 60
Hình 2.86 Sơ đồ đấu dây của máy in 3D 60
Hình 2.87 Sơ đồ đấu nối endstop cho trục Z[50] 61
Hình 2.88 Module màn hình LCD Graphic 12864 dành cho máy in 3D[51] 61
Hình 2.89 Máy in 3D sau khi lắp ráp hoàn chỉnh 62
Hình 3.1 Sơ đồ gốc tọa độ của bàn in 69
Hình 3.2 Module LCD Graphic 12864 và LCD dùng cho máy in 3D 71
Hình 3.3 Phần mềm Simplify 3D 72
Hình 3.4 Giao diện ngoài cùng của Simplify3D 72
Hình 3.5 Giao diện khung Process 73
Hình 3.6 Hình thực tế của các chỉ số infill khác nhau (đã bỏ lớp mặt trên và dưới)[54] 73
Hình 3.7 Tab Extruder 74
Hình 3.8 Tác dụng của việc sử dụng Retraction đúng thông số 74
Hình 3.9 Tab Layer 75
Hình 3.10 Tab Additions 75
Hình 3.11 Skirt, Brim và Raft 76
Hình 3.12 Tab Infill 76
Hình 3.13 Tab Support 77
Hình 3.14 Tab Temperature 78
Hình 3.15 Tab Cooling 78
Hình 3.16 Tab Gcode 79
Hình 3.17 Tab Scrips 80
Trang 11Hình 3.18 Tab Speeds 80
Hình 3.19 Tab Advanced 81
Hình 3.20 Ngoại quan xác định Z Offset [58] 83
Hình 3.21 Xác định thông số để chỉnh vuông góc 85
Hình 3.22 Kiểm tra độ vuông góc 85
Hình 3.23 Mẫu vật in kiểm tra XZ 85
Hình 3.24 Mẫu vật in kiểm tra vuông góc YZ 85
Hình 3.25 Mẫu vật in kiểm tra kích thước lỗ và kích thước dài 86
Hình 3.26 Các kích thước đo đạc để kiểm tra 86
Hình 3.27 Vật in kiểm tra độ dài 86
Hình 3.28 Mẫu vật kiểm tra độ cứng vật thể 87
Hình 3.29 Hệ thống kiểm tra độ cứng vật thể 88
Hình 3.30 Mẫu in tàu Benchy 89
Hình 3.31 Sản phảm tàu Benchy 90
Hình 3.32 Mẫu vật in Spiral Cube 91
Hình 3.33 Sản phẩm in Spiral Cube 91
Hình 3.34 Vật in Lattice Cube 92
Hình 3.35 Mẫu vật in Lattice Cube 92
Hình 3.36 Vật in Wheel Ring 93
Hình 3.37 Mẫu vật in Wheel Ring 93
Hình 4.1 Máy in sử dụng 2 đầu đùn di chuyển cùng nhau (Dual Nozzle) 95
Hình 4.2 Máy in nhiều đầu phun di chuyển độc lập (Dual Gantry) 96
Hình 4.3 Máy Original Prusa I3 MK2 MMU sử dụng ống ghép nhựa 97
Hình 4.4 Ông ghép nhựa ở máy Originals Prusa I3 MK2 98
Hình 4.5 Khối Prime Pillar cùng vật thể in chính 98
Hình 4.6 Máy in sử dụng kim phun trộn màu Diamond 3 đầu vào 99
Hình 4.7 Một số sản phẩm in từ máy sử dụng kim trộn màu 99
Trang 12DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Bảng các vật liệu in 3D FDM[7][8] 16
Bảng 2.1 Bảng lựa chọn vi bước cho A4988, DRV8825[34] 41
Bảng 2.2 Cài đặt các chế độ cho TMC2100 sử dụng các chân CFG1 và CFG2 48
Bảng 2.3 Danh sách các chi tiết cho máy in 3D 50
Bảng 3.1 Kết quả kiểm nghiệm kích thước lỗ của PLA in ở 230oC 87
Bảng 3.2 Kết quả kiểm nghiệm độ dài của PLA in ở 230C 87
Bảng 3.3 Kết quả kiểm nghiệm độ cứng của vật thể in 88
Trang 13CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D
1.1 Tổng quan một số công nghệ in 3D thông dụng
Ngày nay, công nghệ in 3D đã phát triển mạnh mẽ, được đưa vào ứng dụng trong nhiều lĩnh vựa khác nhau như cơ khí, hàng không, thể thao, thời trang, sinh học và đồ gia dụng … Với độ chính xác cũng như giá thành ngày càng được cải tiến, máy in 3D đang dần được đưa vào đời sống như một đồ gia dụng, được ứng dụng để gia công những vật thể với tốc độ cao và
độ chính xác cao Công nghệ in 3D sinh học (Bio-3DPrinting) phát triển ứng dụng nhiều trong việc tạo ra các bộ phận cho con người, đẩy nhanh quá trình chữa bệnh
Với giá thành rẻ và mức độ ứng dụng cao, em xin chọn đề tài máy in 3D theo công nghệ FDM làm đồ án tốt nghiệp của mình
1.1.1 Công nghệ in FDM [1]
FDM (Fused Deposition Modeling) là công nghệ in 3D sử dụng nhựa (filament) được đun nóng và đùn qua đầu phun thành từng lớp chồng lên nhau, dần dần tạo thành vật thể 3D hoàn chỉnh Ở công nghệ FDM, sợi nhựa (1) được dẫn đùn bởi đầu đùn (2) để đùn lên vật thể in (4), đầu đùn (3) di chuyển theo mặt phẳng ngang (theo trục X, Y) so với bàn in (6) để điều khiển vị trí mà nhựa sẽ đùn ra Bàn in (6) sẽ di chuyển lên xuống theo trục Z để đầu đùn (3) in các lớp
in tiếp theo Đối với những vị trí in đặc biệt (in không có vật liệu sẵn bên dưới), thì phải in thêm phần in hỗ trợ (Support) (5) để có thể in được những vị trí đặc biệt này Phần in Support được thiết kế để dễ dàng bóc tách khỏi vật thể in khi vật thể in xong
Công nghệ in 3D FDM hiện là công nghệ in 3D giá thành rẻ nhất hiện nay, cho ra vật thể
in bằng nhựa, chi phí nguyên vật liệu rẻ, đa dạng Nhược điểm của công nghệ in này là tốc độ chậm, độ chính xác không bằng các công nghệ in khác, độ chi tiết của vật thể thấp, dẫn tới bề
mặt vật thể khá thô, không mịn
Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo chung của máy in 3D theo công nghệ FDM
Trang 14Máy in 3D theo công nghệ FDM có cấu tạo như hình 1.1 Khi bắt đầu quá trình in, máy
in sẽ gia nhiệt ở kim phun (2) và bàn in (6) lên nhiệt độ thích hợp để có thể in, nhiệt ở kim phun
sẽ được gia nhiệt lên đến tầm 200oC (nhiệt độ in của nhựa PLA) và bàn in được gia nhiệt đến
60oC (Nhiệt độ chuyển thể của PLA), sau khi quá trình gia nhiệt hoàn tất, đầu phun sẽ di chuyển
về vị trí gốc 0 (Home) rồi bắt đầu thực hiện quá trình cân bàn in (Bed Leveling), là quá trình đảm bảo cho mặt phẳng chứa bàn in nằm song song với mặt phẳng mà kim phun di chuyển Sau khi quá trình cân bàn in hoàn tất, kim phun sẽ di chuyển xuống gần sát bàn in, thông thường là 90% độ cao của lớp in bình thường, để nhựa in ra được ép chặt xuống bàn in đảm bảo vật in sẽ dính chặt vào bàn in trong quá trình in, đồng thời khi vật in được bóc ra khỏi bàn in sẽ có lớp mặt in đẹp
Đối với vật liệu in cho máy in 3D (Hình 1.2) theo công nghệ FDM in nhựa, sẽ có 3 giá trị nhiệt độ mà ở đó ta cần quan tâm, đó là nhiệt độ in, nhiệt độ bàn in và nhiệt độ chuyển thể Nhiệt độ in là khoảng nhiệt độ mà ta gia nhiệt kim phun (3) lên để máy có thể thực hiện quá trình in, đối với PLA nhiệt độ in là từ 195 oC đến 230oC, ở nhiệt độ này, nhựa in chuyển sang trạng thái lỏng Nhiệt độ bàn in là nhiệt độ mà ta gia nhiệt cho bàn nhiệt của máy in lên đến giá trị nhiệt độ đó, thường trong khoảng nhiệt độ chuyển thể của vật liệu đó Nhiệt độ bàn in thường không cao quá nhiệt độ chuyển thể vì nếu để nhiệt độ bàn in quá cao sẽ dẫn đến vật in không nguội kịp, làm cho lớp nhựa tiếp theo chồng lên sẽ không đúng chỗ, dẫn tới vật in sẽ không đảm bảo độ cứng cũng như ngoại quan Giá trị nhiệt độ chuyển thể là nhiệt độ mà ở đó vật in bắt đầu chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng, làm cho vật in tồn tại mềm dẻo Giá trị nhiệt độ chuyển thể này là giá trị cực kì quan trọng để người dùng có thể chọn loại nhựa thích hợp cho nhu cầu của họ, ví dụ đối với những vật trang trí hoặc giá đỡ, người dùng có thể chọn vật liệu in PLA do vật trang trí thường không cần chịu nhiệt độ cao (Nhiệt độ chuyển thể của PLA vào khoảng 55 o C đến 60 o C), hoặc đối với những vật cần chịu nhiệt cao như vật để ngoài trời hoặc chụp đèn … thì thường chọn ABS vì nhiệt độ chuyển thể của PLA vào khoảng 110o C
Hình 1.2 Nhựa in dành cho máy in 3D theo công nghệ FDM [2]
Trang 15Lưu đồ thuật toán của máy in 3D theo công nghệ FDM (Hình 1.3):
Hình 1.3 Lưu đồ công nghệ của máy in 3D theo công nghệ FDM
Trang 161.1.2 Công nghệ in SLA/DLP [3]
Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo chung của máy in 3D theo công nghệ SLA/DLP
SLA (Stereolithography) hoặc DLP (Digital Light Processing) (Hình 1.4) là công nghệ in 3D dựa trên nền tảng chất cảm quang (Resin) Công nghệ này sử dụng chất cảm quang làm vật liệu in, đóng rắn bằng ánh sáng, công nghệ in này cũng đóng rắn theo lớp giống công nghệ FDM Đối với công nghệ SLA, ánh sáng sử dụng để đóng rắn bằng tia laser, còn đối với công nghệ DLP, ánh sáng này sử dụng ánh sáng từ máy chiếu Chất cảm quang (Resin) (1) được chứa trong một buồng chứa (2) gắn cố định, tia laser (3) được chiếu từ nguồn phát (4) (Đối với DLP, nguồn phát (4) này sẽ là máy chiếu DLP), laser chiếu vào Resin (1) sẽ đóng rắn Resin này, bám vào vật thể in (5)
Ở công nghệ in SLA hoặc PLP, do vật liệu in là chất cảm quang được đóng rắn bằng ánh sáng, do đó không cần phải gia nhiệt bất cứ bộ phận nào, mà sẽ sử dụng tia laser hoặc đèn chiếu Đối với công nghệ SLA, tia laser được phát ra từ nguồn phát, sẽ được điều hướng thông qua các lăng kính được gắn động cơ để điều khiển vị trí mà tia laser được chiếu tới Đồng thời tia laser sử dụng ở máy SLA được hội tụ tại bề mặt chất cảm quang có đường kính rất nhỏ, khoảng tầm 1 2um[4], đo đó máy in SLA có thể in ra vật in có độ chi tiết rất cao so với máy FDM (Hình 1.5)
Trang 17Hình 1.5 Vật in được in trên máy SLA [5]
Tương tự như công nghệ SLA, công nghệ DLP sử dụng màn hình LCD hoặc máy chiếu thay cho tia laser Ưu điểm của máy in DLP so với SLA là dễ điều khiển, độ chính xác cao, tốc
độ nhanh, ngoài ra máy DLP còn có một ưu điểm lớn là thời gian in phụ thuộc vào chiều cao của khối vật in, không phụ thuộc vào thể tích, còn thời gian in của SLA thì phụ thuộc vào thể tích, có nghĩa là, nếu máy DLP in một vật thể trong 10 phút, thì nó có thể in 10 cái sắp xếp trên cùng 1 mặt phẳng cũng trong 10 phút Tuy nhiên máy DLP lại có nhược điểm lớn về mặt kích thước, do máy in sử dụng màn LCD để đóng rắn chất cảm quang, do đó độ phân giải của vật in
ra hoàn toàn phụ thuộc vào độ phân giải của màn hình LCD, nếu với cùng độ phân giải màn hình mà thể tích in lớn (DPI lớn), thì vật in ra sẽ thô hơn so với thể tích nhỏ (DPI nhỏ), SLA không bị hạn chế về mặt này, đó là lý do vì sao máy DLP thường chế tạo có kích thước theo 2 trục X, Y rất nhỏ để tăng chỉ số DPI, vật in ra độ mịn rất cao
Dòng máy in SLA/DLP có ưu điểm so với FDM là vật in ra có độ mịn lớn, vật in đẹp, tuy nhiên chất cảm quang sử dụng cho máy in có giá thành rất đắt (650 nghìn đồng cho 500g) so với nhựa in của máy FDM (250 nghìn đồng cho 1kg)
Trang 181.1.3 Công nghệ in SLS/SLM [6]
Hình 1.6 Sơ đồ cấu tạo chung của máy in 3D theo công nghệ SLS/SLM
SLS/SLM (Hình 1.6) (Selective Laser Sintering/ Selective Laser Melting) là công nghệ in 3D sử dụng tia laser làm chảy vật liệu in (Bột mịn), vật liệu in nóng chảy được kết dính theo từng lớp hình thành vật thể 3D Tia laser công suất cao từ nguồn phát sẽ được chiếu vào máy quét (Scanner System), máy quét làm nhiệm vụ lái tia laser này đến vị trí chính xác cần nung chảy
Máy in SLS/SLM gồm 2 buồng chứa vật liệu in (Bột in), buồng bên phải là nơi mà vật in được tạo thành, tia laser chiếu vào mặt trên của buồng, làm chảy vật liệu in, bám vào vật đang được in (Object being fabricated) Sau khi một lớp in được hoành thành, bàn in của buồng bên phải sẽ dịch xuống một khoảng cách bằng độ cao 1 lớp in, tương tự buồng bên trái sẽ dịch lên cũng một khoảng cách như vậy, con lăn (Roller) sẽ gạt bột in từ buồng bên phải qua buồng bên trái, tạo một bề mặt in mới, và lớp in mới lại bắt đầu Sau khi quá trình in hoàn thành, vật in ở buồng bên trái sẽ được lấy ra thổi sạch bụi còn bám lại trên bề mặt vật in In 3D sử dụng công nghệ SLS/SLM thường được dùng để in những loại vật liệu như bột thủy tinh, gốm, bột kim loại như nhôm, sắt, titan, đồng …
1.2 Một số loại vật liệu in 3D cho máy in FDM thông dụng
Heatbed Temperature
Đặc điểm
01 Nhựa PLA 55 o C đến 60 o C 195-230 o C 0-60 o C Chịu nhiệt kém,
dễ in, khi in ra bề mặt đẹp, độ cứng thấp
Trang 1902 Nhựa ABS 110 C 220-250 C 80-110 C Chịu nhiệt tốt,
khó in, sản phẩm
in ra bề mặt khá gồ ghề, độ cứng cao
03 Nhựa
PET/PETG
88 o C 235-255 o C 40-70 o C Chịu nhiệt tốt, dễ
in ấn, bám dính rất tốt, bề mặt in đẹp,
độ cứng cao
04 Nhựa TPE 100 o C 210-230 35-65 Nhựa dẻo
05 Nhựa TPU -53.5 đến -28 o C 240-260 o C 40-60 Nhựa đàn hồi
55 o C đến 60 o C 195-220 o C 0-60 o C Sợi nhựa có thêm
sợi carbon làm tăng độ bền vật liệu
Nền PETG
88 o C 235-255 o C 40-70 o C
09 Nhựa ASA 110 o C 240-260 80-110
10 Nhựa PP 100 o C 235-265 100-120 Sử dụng đối với
các ứng dụng về chứa đựng thực phẩm
11 Nhưa
phát
quang
Nền PLA
55 o C đến 60 o C 195-220 o C 0-60 o C Phát quang trong
bóng tối Nền
PETG
88 o C 235-255 o C 40-70 o C
Nền TPU
Trang 2015 Nhựa dẫn điện 55 o C đến 60 o C 210-230 40-60 Có thể dẫn điện,
tuy nhiên chỉ ứng dụng với tải nhỏ
trong nước, thường được sử dụng làm vật đỡ trong quá trình in
17 Nhựa HIPS 100 o C 220-240 40-60
1.3 Một số loại cơ cấu cơ khí của máy in 3D theo công nghệ FDM
1.3.1 Cơ cấu Cartesion
1.3.1.1 Cơ cấu Prusa
Cơ cấu Prusa (hình 1.7) sử dụng 3 đến 4 động cơ cho 3
trục X, Y, Z, trong đó: Đầu đùn được di chuyển theo trục X,
và được điều khiển bởi 1 động cơ bước Toàn bộ trục X được
di chuyển theo trục Z (di chuyển lên xuống) và được điều
khiển bởi 1 hoặc 2 động cơ bước đồng bộ với nhau (Dual Z)
Bàn in được gắn liền với trục Y và được điều khiển bởi 1 động
1.3.1.2 Cơ cấu CoreXY
Cơ cấu CoreXY (Hình 1.8) sử dụng 3 đến 4
động cơ cho 3 trục X, Y, Z trong đó đầu đùn được
gắn trên trục X, cả toàn bộ trục X được di chuyển
theo trục Y Cơ cấu CoreXY sử dụng hệ dây đai như
hình 1.7, từ đó 2 động cơ phối hợp với nhau điều
khiển đầu đùn theo 2 trục X và Y, Khi 2 động cơ
quay cùng chiều, cùng tốc độ, đầu đùn di chuyển
Hình 1.7 Máy in 3D của hãng Prusa [9]
Hình 1.8 Đi dây đai cho máy in theo cơ cấu
CoreXY [10]
Trang 21theo trục Y, khi 2 động cơ quay ngược chiều, cùng tốc độ, đầu đùn sẽ di chuyển theo trục X Bàn in được gắn với trục Z, chỉ di chuyển lên xuống
Ưu điểm:
Gia tốc in lớn do trục X, và Y khá nhẹ
Dễ đóng hộp làm buồng kín nhiệt (Ưu điểm khi in những vật liệu dễ co như ABS) Nhược điểm:
Chi phí xây dựng cao hơn
Kích thước cồng kềnh, tuy nhiên lại được lợi hơn về mặt cơ khí đối với những máy in khổ lớn
1.3.1.3 Cơ cấu HBot
Cơ cấu H-Bot có cấu tạo tương tự như CoreXY, tuy nhiên kiểu căng đai truyền động của H-Bot có nhược điểm là 1 đoạn dây căng đai đi qua 2 động cơ XY, do đó nếu động cơ bước có
sự sai lệch do chế tạo hoặc do cài đặt, dễ dẫn tới sự trượt bước do dây đai bị kéo dãn
1.3.2 Cơ cấu Delta
Cơ cấu Delta (Hình 1.9) sử dụng 3 động cơ bước cho 3 trục
XYZ, không giống với cơ cấu Cartesion, cơ cấu Delta có hành trình
in hình trụ (bàn hình tròn) 3 động cơ bước của máy Delta hoạt động
phối hợp với nhau điều khiển đầu đùn theo 3 trục XYZ
- Không được lợi về chiều cao
1.3.3 Cơ cấu SCARA
Cơ cấu SCARA (Hình 1.10) là cơ cấu sử dụng cánh tay robot để
điều khiển đầu đùn đến tọa độ thích hợp Cơ cấu này sử dụng 1 động
cơ để hoặc di chuyển bàn in hoặc di chuyển toàn bộ trục XY theo
phương trục Z 2 động cơ sẽ phối hợp với nhau điều khiển đầu đùn
theo 2 phương X và Y
Hình 1.10 Máy in theo
cơ cấu SCARA [12]
Hình 1.9 Máy in theo cơ cấu DELTA [11]
Trang 221.4 Một số loại máy in 3D thông dụng [13]
Hình 1.12 Máy Tevo Tarantula
Hình 1.14 Máy Wanhao Duplicator I3
Trang 231.5 Mục tiêu của đề tài
Sau khi thực hiện khảo sát qua các dòng máy trên thị trường, kết hợp với ưu điểm, nhược điểm của các dòng máy in và một số các cơ cấu máy in, em đưa ra lựa chọn mục tiêu cho đề tài của em Em xin đặt ra một số mục tiêu cho máy in được chế tạo như sau:
- Máy sử dụng khung nhôm định hình
Trang 25CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO MÁY IN 3D
2.1 Mô phỏng 3D và trình tự thiết kế chế tạo máy in 3D
Quá trình thiết kế chế tạo máy in 3D được vẽ và mô phỏng 3D trên phần mềm SolidWorks
2016 SP2 Mô phỏng 3D của máy in 3D theo công nghệ FDM với cơ cấu CoreXY như hình 2.1 Các chi tiết máy in 3D trên hình 2.1:
Hình 2.1 Mô phỏng máy in 3D bằng SolidWork 2016
Phần điện (Màu xanh)
Trang 26 Bộ điều khiển (Nằm bên dưới bộ gá)
Hình 2.2 Quy trình chế tạo máy in 3D theo công nghệ FDM
2.2 Thiết kế, lựa chọn phần cơ khí
2.2.1 Thiết kế, lựa chọn khung cơ khí
Quá trình tính toán các kích thước để lựa chọn
mua nhôm sử dụng cho máy được dựa trên mục tiêu
của đề tài Các kích thước tính toán bao gồm chiều
cao (phù hợp cho trục Z), chiều ngang (phù hợp cho
trục X), chiều sâu (phù hợp cho trục Y)
Đối với chiều cao, máy in được chia làm 3
vùng (Hình 2.3): Vùng thứ nhất ở trên cùng là vùng
truyền động, phần này là nơi chứa phần lớn tất cả
bộ phần cơ khí quan trọng của máy như động cơ
Hình 2.3 Máy in 3D nhìn từ phía trước
Trang 27XY, dây đai, trục trượt, bộ đùn nhựa … Vùng thứ 2
ở giữa là vùng in, đây là vùng nơi chứa vật đang in
và đã hoàn thành in, Vùng thứ 3 là phần gầm máy,
là nơi chứa mạch điều khiển, động cơ trục Z, nguồn
Phần thứ nhất tính từ mặt trên cùng của máy
xuống mặt của bàn in khi bàn in ở vị trí cao nhất,
phần này có độ cao là 155mm (Hình 2.4)
Phần thứ hai tính từ mặt trên bàn in khi bàn in
ở vị trí trên cùng xuống đến mặt trên của bàn in khi
bàn in ở vị trí dưới cùng, do độ cao của vùng này
cũng chính là độ cao của khổ in máy được đặt ra ở
mục 1.5 (Chương 1), do đó độ cao này sẽ là 250mm,
tuy nhiên để đảm bảo an toàn do trong quá trình thi
công lắp ráp có thể có sai số, em sẽ lựa chọn độ cao
của vùng này ở một khoảng cách an toàn là 300mm
Hình 2.5 thể hiện vùng in của máy in 3D, do khoảng
cách từ đáy ốc vít me lên mặt trên của bàn in (b)
không đổi trong toàn bộ quá trình di chuyển của bàn
in, do đó độ cao vùng in của máy cũng được tính
bằng khoảng cách từ đáy ốc vít me đến mặt trên của
khớp nối (c) và bằng 300mm
Vùng thứ 3 được tính từ mặt trên của bàn in
khi bàn in nằm ở vị trí dưới cùng của vùng in xuống
đến chân của máy (Hình 2.6), vùng này phải đảm
bảo đủ cao để chứa nguồn cấp cho máy, đủ thoáng để có thể tản nhiệt cho mạch điều khiển và các module điều khiển động cơ bước của máy, sau khi thử nghiệm đo đạc, em lựa chọn độ cao vùng này vào khoảng 195mm
Từ kích thước của 3 vùng được lựa chọn ở trên ta có thể tính toán kích thước chiều cao của máy = chiều cao vùng 1 + chiều cao vùng 2 + chiều cao vùng 3 = 155mm + 300mm + 195mm = 650mm
Hình 2.6 Vùng gầm của máy in 3D
Hình 2.4 Vùng truyền động XY của máy
Hình 2.5 Vùng in của máy in 3D
Hình 2.7 Trục X của máy in 3D
Trang 28Trục X của máy in 3D gồm 2 vùng (Hình
2.7): vùng chết (1) là vùng mà đầu đùn không thể
di chuyển tới do va chạm cơ khí và vùng in (2) là
vùng mà đầu đùn có thể tự do di chuyển tới do
khoảng in thực của máy theo phương X (Khoảng
cách của vị trí kim phun khi đầu đùn ở tận cùng bên
trái với khi đầu đùn ở tận cùng bên phải) bằng với
độ dài vùng in (2) trừ đi độ dài của đầu đùn khi lắp
đầy đủ linh kiện (~106mm) và bằng 200mm (Dựa
vào mục tiêu của đề tài) Ở vùng chết 1, dựa vào mô
phỏng trên Solidwork, tổng khoảng cách của vùng
chết là 103mm Từ các tính toán trên, ta có tổng
chiều dài trục X là 103mm+106mm+200mm =
409mm, và để đảm bảo khoảng cách an toàn, em
xin lựa chọn tổng chiều dài của trục X là 440mm
Do tổng chiều dài trục X bằng độ dài thanh nhôm
nằm ngang cộng với độ dầy 2 thanh nhôm ở 2 bên
cạnh (Hình 2.8), do đó ta có kích thước cắt thanh
nhôm ở cạnh là 440 - 2×20 = 400mm
Đối với trục Y (Hình 2.9) cũng tính toán tương tự như với trục X, trục Y cũng bao gồm
2 vùng là vùng chết và vùng in Đối với trục Y, vùng chết 1 có độ dài 96mm, tổng độ dày của đầu đùn là 86mm, khổ in theo phương Y là 200mm, để đảm bảo khoảng cách an toàn, em xin chọn khổ in này là 250mm, dẫn đến tổng chiều dài theo trục Y là 250mm + 96mm + 86mm = 432mm làm tròn thành 440mm Do cấu trúc ghép nhôm của trục Y tương tự như ở trục X, do
đó độ dài thanh nhôm ngang của trục Y cũng là 400mm
Kết cấu khung trục X của máy in 3D:
Hình 2.10 Cơ cấu khung trục X
Hình 2.8 Cơ cấu ghép của khung nhôm
Hình 2.9 Cơ cấu khung trục Y
Trang 29Phần trục X (Hình 2.10) của máy CoreXY gồm 3 phần:
Phần 1: Bộ đùn nhựa chứa các linh kiện làm nhiệm vụ nung nóng nhựa lên nhiệt độ in và đẩy nhựa ra hình thành vật thể in
Phần 2: Giá đỡ bộ đùn được làm bằng thanh sợi carbon đường kính 10mm, đảm bảo đủ độ cứng và có khối lượng ít nhất có thể do toàn bộ trục X di truyển trên trục Y
Phần 3: Giá đỡ trục X là phần linh kiện liên kết giữa trục X và trục Y, giá đỡ trục Y gắn giữ 2 thanh thép mạ crom, toàn bộ cơ cấu bộ đùn nhựa, giá đỡ này trượt theo trục Y trên phần linh kiện (3) này
Kết cấu khung trục Y của máy in 3D:
Phần trục Y (Hình 2.11) của máy CoreXY gồm 3 phần:
Phần 1: Cơ cấu trục X là toàn bộ cơ cấu trục X của máy, gồm bộ đùn nhựa, giá đỡ
Phần 2: Giá đỡ trục X là giá đỡ để phần cơ cấu trục X có thể trượt trên đó và trượt theo trục
Y, sử dụng bạc trượt LM8UU nhằm giảm ma sát
Phần 3: Bộ giữ động cơ, căng đai: Làm nhiệm vụ giữ động cơ và các puly căng đai, nhằm truyền động từ động cơ tới các phần khác để đưa đầu đùn vào vị trí cần thiết để in
Hình 2.11 Cơ cấu khung trục Y
Trang 30Kết cấu khung trục Z của máy in 3D:
Phần trục Z (Hình 2.12) của máy CoreXY
gồm 4 phần:
Phần 1: Cơ cấu truyền động bao gồm động
cơ, vít me và khớp nối, làm nhiệm vụ dẫn động
đưa bàn in lên xuống
Phần 2: Cơ cấu dẫn hướng là giá đỡ để cho
bàn in, để bàn in trượt lên xuống theo đúng trục
Z, cơ cấu được làm từ 4 thanh thép mạ crom
Phần 3: Cơ cấu giữ bàn in là giá đỡ để bàn in
có thể gắn lên đó, đồng thời trượt lên xuống theo cơ cấu dẫn hướng
Phần 4: Bàn in, thường là bàn nhôm hoặc bàn kính, em xin lựa chọn bàn in bằng nhôm để đảm bảo độ cứng, độ phẳng cũng như tính an toàn trong quá trình sử dụng
2.2.2 Thiết kế các chi tiết bộ gá
Chi tiết gá là các chi tiết sử dụng để ghép nối các bộ phận của máy lại với nhau để máy
có thể thực hiện được chức năng của máy Các bộ gá của máy được em thiết kế trên phần mềm SolidWorks 2013 Một máy in 3D theo công nghệ FDM sử dụng cơ cấu CoreXY bao gồm những gá nhựa sau:
- Gá đỡ Motor trục XY
Bộ gá đỡ motor của trục XY (Hình 2.13) là bộ
gá mà 2 động cơ điều khiển vị trí của đầu đùn được
gắn, bộ gá này gồm 3 phần:
• Mặt vít động cơ (1) là nơi động cơ được vít
giữ vào bằng ốc M3 (Đối với động cơ nema17)
• Cánh trợ lực (2) đảm bảo mặt vít động cơ
trong quá trình in được giữ chặt, không bị bẻ cong,
nếu mặt vít động cơ bị lắc trong quá trình in sẽ dẫn
tới sai số trên vật in ra
• Mặt vít khung (3) là nơi bộ gá được vít vào khung nhôm định hình, sử dụng ốc M5 để vít đảm bảo độ cứng
Trong khi hoạt động, động cơ máy có thể trở nên rất nóng (~ 60oC), do đó đối với gá đỡ motor trục X và Y, phải sử dụng nhựa ABS hoặc PETG để in Vì lý do giá thành em xin lựa chọn nhựa ABS Do một máy in theo cơ cấu CoreXY có 2 động cơ, 1 cho X và 1 cho Y nên cần phải có 2 bộ gá được in đối xứng (mirror) nhau
Hình 2.13 Gá đỡ động cơ trục XY Hình 2.12 Cơ cấu khung trục Z
Trang 31- Gá đỡ Motor trục Z
Tương tự như bộ gá motor trục XY, bộ gá
motor trục Z (Hình 2.14) làm nhiệm vụ giữ động cơ
trục Z để động cơ làm nhiệm vụ đưa bàn in di
chuyển lên xuống theo phương Z, gá đỡ bàn in trục
Z cũng gồm 3 phần chức năng tương tự như bộ gá
đỡ motor trục XY: Mặt vít động cơ (1), Cánh trợ
lực (2) và mặt vít vào khung (3) Tuy nhiên động cơ
trục Z không phải hoạt động nặng và thường xuyên
như 2 trục X và Y nên động cơ trục Z thường không
nóng bằng động cơ trục X và Y (~30-40oC) nên ở
bộ gá đỡ này có thể sử dụng nhựa PLA Do khoảng
cách từ trục trượt đến mép bàn in lớn, cánh tay đòn
lớn, nên để đảm bảo cho bàn in không bị lắc ở mép,
em sử dụng 2 động cơ trục Z nằm ở 2 phía của bàn
in
- Gá đỡ trục trượt cho trục Y
Gá đỡ trục trượt cho trục Y (Hình 2.15) là bộ
gá quan trọng, làm nhiệm vụ đỡ 2 trục thép để toàn
bộ cơ cấu trục X có thể trượt trên đó theo phương
Y Bộ gá đỡ đầu đùn gồm 2 phần: Phần vít vào
khung (1) làm nhiệm vụ cố định khối gá đỡ trục và
phần kẹp (2) làm nhiệm vụ kẹp chặt trục thép đường
kính 8 được gắn ở lỗ (3) Do tổng khối lượng toàn
bộ khối đầu đùn + Trục X + Trục Y không quá lớn,
nên phần gá đỡ này hoàn toàn có thể in bằng nhựa
PLA Một bộ gá kẹp như hình 2.4 được sử dụng để
đỡ 1 thanh trượt Y, mà một máy in theo cơ cấu
CoreXY có 2 thanh trượt trục Y nằm ở 2 phía của
máy (Tương tự gá đỡ động cơ trục XY), do đó ta
cần in 2 bộ gá đối xứng (Mirror) nhau
Ngoài ra ở trên trục Y còn có một bộ gá gẹp
giữ công tắc endstop cho phương Y (Hình 2.16), bộ
gá này gồm 2 miếng nhựa PLA (1) và (2) có lỗ bán nguyệt ở giữa, được vít với nhau bằng vít M3, kẹp chặt vào trục trượt Y Miếng (1) có 2 lỗ đường kính 1.5mm làm nhiệm vụ vít chặt công tắc endstop (3) xuống bằng ốc M2 Công tắc endstop (3) này làm nhiệm vụ xác định điểm Y=0 cho đầu đùn, khi máy bắt đầu in, đầu đùn luôn di chuyển về vị trí gốc 0, khi đầu đùn nhấn công
Hình 2.16 Bộ gá giữ Endstop Hình 2.14 Gá đỡ động cơ trục Z
Hình 2.15 Gá đỡ trục trượt cho trục Y
Trang 32tắc này ở đâu thì vị trí đó là vị trí Y=0 Đó là lý do
vì sao bộ gá kẹp này phải kẹp thật chặt vào trục và
không được di chuyển để đảm bảo vị trí gốc 0
(Home) là như nhau ở mọi lần in
- Gá đỡ trục trượt cho trục X
Bộ gá đỡ trục X (Hình 2.17) gồm 2 phần là
phần A trượt trên trục Y bên trái và phần B trượt
trên trục Y bên phải Mỗi phần gồm 2 miếng được
ghép lại với nhau bằng ốc M3, nhằm làm nhiệm vụ
kẹp chặt bạc trượt LM8UU ở vị trí (5) bằng miếng
(2) để bộ gá có thể trượt trên thanh thép ít ma sát
nhất có thể Mỗi phần của bộ gá bao gồm lỗ 2 có
đường kính 10mm (1) dành để kẹp trục trượt sợi
carbon của đầu đùn, 2 lỗ có đường kính 5mm (4)
dành để gắn trục giữ của pulley căng đai cho hệ
thống dây đai truyền động của máy in Riêng đối
với phần A của bộ gá, có thêm thanh chắn (3) làm
nhiệm vụ nhấn công tắc endstop của trục X nằm trên
đầu đùn Tương tự như đối với trục Y, công tắc
endstop của trục X làm nhiệm vụ xác nhận vị trí X
= 0 cho đầu đùn Tương tự như đối với bộ gá đỡ trục
Y, bộ gá đỡ trục X không phải chịu nhiều lực cũng
như nhiệt độ, do đó hoàn toàn có thể in chi tiết gá
này bằng nhựa PLA
- Gá đỡ trục trượt cho trục Z
Gá đỡ trục trượt cho trục Z (Hình 2.18) là bộ
gá kẹp thanh trượt thép đường kính 8mm để dẫn
hướng cho bàn in di chuyển lên xuống theo phương
Z Bộ gá trượt gồm 2 bộ phận: Mặt vít vào khung
(1) nhằm làm nhiệm vụ vít cố định bộ gá vào khung,
đầu kẹp trục (2) đường kính 8mm làm nhiệm vụ kẹp
chặt trục trượt thép phi 8 Do bộ gá trục trượt Z cần
2 cái ở mỗi đầu, mỗi bên động cơ trục Z sẽ có 2 trục
trượt, máy chạy 2 động cơ Z do đó sẽ có tổng cộng
8 chi tiết như hình 2.18, chi tiết này cũng không phải
chịu lực cũng như chịu nhiệt nên có thể in với nhựa
PLA
- Bộ gá căng đai
Hình 2.17 Bộ gá giữ trục trượt cho trục X
Hình 2.19 Bộ gá căng đai Hình 2.18 Bộ gá đỡ trục trượt Z
Trang 33Bộ gá căng đai trên hình 2.19 là một trong những chi tiết quan trọng để cơ cấu dây đai của máy in có thể được mắc như trên hình 1.7 (Chương 1), bộ gá gồm 3 bộ phận: mặt vít khung (1), chỗ gắn trục của pulley căng đai (2), cánh trợ lực (3) Tương tự như với bộ gá động cơ XY,
bộ gá căng đai cũng có 2 bộ nằm ở 2 phía của máy,
do vậy bộ gá như trên hình 2.19 cũng cần in 2 bộ
đối xứng nhau, và do không chịu lực nhiều nên bộ
gá cũng sẽ được in bằng nhựa PLA
- Gá đỡ đầu đùn
Gá đỡ đầu đùn có cấu tạo như hình 2.20, là
bộ gá phức tạp cũng như quan trọng nhất trong máy
in 3D, bộ gá đỡ đầu đùn làm nhiệm vụ liên kết tất
cả các phần để thực hiện cho việc in ấn như Hotend,
Extruder Motor, … Gá đỡ đầu đùn gồm 9 bộ phận:
Mặt gắn Extruder Motor (1): làm nhiệm vụ
gắn và giữ bộ đẩy nhựa và động cơ đùn nhựa
Khe chốt giữ Hotend (2): Làm nhiệm vụ
kẹp giữ bộ Hotend E3D V6
Mặt gắn công tắc Endstop (3): dành để gắn
công tắc endstop cho trục X
Mặt giữ dây đai GT2 (4): là điểm đầu và
điểm cuối của cơ cấu dây đai ở máy in theo cơ cấu
CoreXY
Mặt trượt (5): lỗ có đường kính 10mm, trượt
trên thanh carbon được gắn ở bộ gá đỡ trục trượt
cho trục X, làm đầu đùn di chuyển theo trục X
Mặt gắn Layer Fan (6): gắn quạt thổi ở 2 bên của kim phun, quạt này làm nhiệm vụ thổi thẳng vào vật in làm nguội lớp in nhanh chóng, để lớp in tiếp theo được in lên có thể dính chắc vào lớp trước đó, rất quan trọng đối với một số loại nhựa như PLA Tác dụng của Layer Fan có thể thấy ở hình 2.21 (Hình bên trái là không sử dụng layer fan, bên phải là có sử dụng)
Mặt gắn Hotend Fan (7): gắn quạt thổi tản nhiệt cho bộ hotend
Lỗ gắn cảm biến bàn in (8): nơi gắn cảm biến sử dụng cho quá trình cân bàn in, cảm biến sẽ được siết chặt bằng ốc chìm ở khe 8a
Khớp giữ dây (9): là vị trí để gắn và buộc giữ dây điện ra vào bộ đùn Khớp này được gắn với bộ gá bằng ốc M5, nhưng không gắn chặt bởi khớp này sẽ xoay quanh trục của chính
Trang 34tuy vậy ABS tan trong acetone, butyl acetate (ABS = Acrylonitrile Butadiene Styrene)[21] Do
đó em sẽ sử dụng nhựa PETG để in gá đỡ bộ đùn nhựa này
- Bộ gá trượt cho bàn in
Bộ gá trượt bàn in có 3 chi tiết như trên hình
2.22, trong đó bao gồm 2 chi tiết A giống nhau làm
nhiệm vụ giữ bạc trượt LM8UU để bàn in trượt lên
xuống theo phương Z, chi tiết B làm nhiệm vụ gắn
ốc đồng của vít me (Hình 2.23), thực hiện truyền
động từ động cơ vào bàn in
Từ mục tiêu đặt ra của đề bài, ta có thể tích in
của máy là 200mm x 200mm x 250mm = 106mm3
Khối lượng riêng của PLA vào khoảng 1.2
1.4g/cm3 [22], ta có thể tính được khối lượng tối đa
của vật in có thể đạt được ở máy này là:
𝐺 = 𝐷 × 𝑉 = 1.4 ×106
10 3 = 14 × 10 3𝑔 = 14𝑘𝑔 ( 2.1)
Vậy tổng khối lượng tối đa mà bàn in phải
chịu là 15.3kg (Khối lượng của bàn nhiệt và giá đỡ
vào khoảng 1.3kg Do 2 chi tiết A chỉ trượt lên
xuống, do đó 2 chi tiết này không chịu trọng lực của
15.3kg (~150N) chỉ dồn vào 2 chi tiết B (do máy in
chạy 2 trục Z), mỗi chi tiết sẽ chịu 75N tối đa, do đó
chi tiết này nên được in bằng nhựa ABS để đảm bảo
độ cứng và khả năng chịu lực
- Bộ gá gắn bàn nhiệt
Bộ gá gắn bàn nhiệt là chi tiết giúp bàn nhiệt
của máy in có thể bám vào giá đỡ Một bộ gá đỡ bàn
nhiệt gồm 4 chi tiết giống nhau như hình 2.24, nằm
ở 4 góc bàn nhiệt Một bộ chi gá bàn nhiệt gồm 3
phần: Mặt gắn khung nhôm (1) làm nhiệm vụ gắn
giữ bộ gá vào giá đỡ, mặt gắn bàn in (3) có lỗ đường
kính 3mm để vít bàn nhiệt xuống bằng ốc M3, cánh
trợ lực (2) làm nhiệm vụ hỗ trợ đỡ lực cho mặt gắn
bàn in Do 4 bộ gá bàn nhiệt chịu lực hoàn toàn từ
bàn in dồn xuống, tức vào khoảng 150N như tính
toán ở trên, cộng với nhiệt từ bàn nhiệt khi in ABS
có thể lên đến 100oC, do đó toàn bộ 4 bộ gá này sẽ
Hình 2.22 Bộ gá trượt bàn in
Hình 2.23 Ốc đồng vít me
Hình 2.24 Bộ gá gắn bàn nhiệt
Trang 35phải in bằng nhựa ABS để có thể chịu được nhiệt cũng như trọng lực dồn xuống bàn in
- Bộ gá gắn phần điện
Bộ gá gắn phần điện (Hình 2.25) là bộ khung
cho phép gắn toàn bộ các chi tiết lên đó như bộ điều
khiển, mạch công suất… Bộ gá phần điện bao gồm
2 bộ phận là mặt vít khung (1) để vít bộ gá cứng vào
khung nhôm và mặt vít mạch điện (2) để vít hoặc
gắn các mạch điện tử vào Bộ gá phần điện không
phải chịu nhiệt cũng như chịu lực, do đó có thể sử
dụng nhựa PLA để in bộ gá này
2.2.3 Thiết kế, lựa chọn bộ đùn nhựa
Bộ đùn nhựa là bộ phận quan trọng cũng như
phức tạp nhất trong một chiếc máy in 3D, bộ đùn
nhựa có tác dụng đưa nhựa từ cuộn nhựa in, nung
nóng nhựa in lên đến nhiệt độ thích hợp để in và
đùn nhựa đã nóng chảy đó ra khỏi bộ đùn và bám
vào vật in Bộ đùn nhựa phải được thiết kế chắc
chắn, gọn nhẹ và dễ tháo lắp để sửa chữa khi gặp
lỗi Một bộ đùn nhựa có cấu tạo như hình 2.26, bao
gồm 3 phần chính:
Phần 1: Bộ đẩy nhựa
Bộ đẩy nhựa làm nhiệm vụ kéo nhựa từ cuộn
nhựa in để đưa vào bộ gia nhiệt Bộ đẩy nhựa gồm
có một động cơ bước (1a) gắn với một bộ đẩy nhựa
Bộ đẩy nhựa gồm có bánh răng đẩy nhựa (1b), bánh
răng này sẽ gắn vào trục động cơ bước (1a) và găm
chặt vào sợi nhựa, dẫn nhựa ra và vào đầu đùn
Pulley đùn nhựa (1c) làm nhiệm vụ kẹp chặt nhựa in bám vào bánh răng đẩy nhựa, tránh không cho nhựa in bị trượt dẫn đến sai lệch khi in Nhựa in được đẩy bởi động cơ đùn sẽ được dẫn qua ống dẫn nhựa (1d) làm bằng Teflon (PTFE) xuống tới tận bộ gia nhiệt, ống có đường kinh trong
là 2mm (phù hợp dành cho dẫn nhựa loại 1.75mm)
Trang 36Phần 3: Đầu đùn
Đầu đùn là một nhóm các chi tiết phối hợp làm nhiệm vụ in và hỗ trợ cho quá trình in Một bộ đầu đùn thường bao gồm 3 chi tiết: Quạt Hotend (3c) làm nhiệm vụ tản nhiệt cho Hotend, Quạt Layer Fan (3d) có nhiệm vụ làm nguội nhanh lớp nhựa mới in ra, để đảm bảo nhựa đó đủ cứng chắc để khi lớp tiếp theo in ra có thể bám chắc vào, và chi tiết cuối cùng cũng
là chi tiết quan trọng nhất là Hotend (3b)
Hotend (hay bộ gia nhiệt) là một chi tiết làm
nhiệm vụ đốt nóng nhựa đến nhiệt độ in, để bộ đẩy
nhựa có thể đẩy nhựa đã nóng chảy ra khỏi kim phun
để thực hiện quá trình in Một bộ gia nhiệt bao gồm
5 phần chính (Hình 2.27):
Phần 1: Bộ giữ ống PTFE, chi tiết này làm
nhiệm vụ giữ ống PTFE chặt trong bộ gia nhiệt, đảm
bảo nhựa từ bộ đùn đi qua bộ gia nhiệt mà không bị
đẩy ra ngoài
Phần 2: Ống tản nhiệt (Heat Sink), chi tiết này
được làm bằng nhôm do hệ số dẫn nhiệt của nhôm
lớn (205W/(mK)), đồng thời ống này được thiết kế
có các cánh tản nhiệt để tăng tốc độ thoát nhiệt ra
ngoài môi trường Ống dẫn nhựa PTFE được nối từ
bộ đẩy nhựa tới bộ giữ ống PTFE vào giữa ống tản
nhiệt này (2a) và dừng ở họng chặn nhiệt
Phần 3: Họng chặn nhiệt (Heatbreak/ Throat),
họng này có tác dụng ngăn chặn tốt đa nhiệt di
chuyển từ phần gia nhiệt bên dưới lên phía trên
Họng này được làm bằng thép (Stainless Steel), có
hệ số dẫn nhiệt rất thấp so với nhôm (16W/(mK))
Đồng thời điểm giữa họng được làm nhỏ nhất có thể
để làm giảm tối thiểu khả năng truyền nhiệt từ dưới
khối gia nhiệt lên bên trên Họng này gồm 5 loại, tùy
vào nhu cầu của người thiết kế (Hình 2.28)
- Họng số 1 là loại đặc kim loại (all metal) dành
Trang 37- Họng số 3 là loại có sử dụng ống Teflon nhỏ (PTFE base) dành cho nhựa 1.75mm
- Họng số 4 là loại có sử dụng ống Teflon nhỏ (PTFE base) dành cho nhựa 2.85/3.00 mm
- Họng số 5 là loại họng mà ống Teflon có thể đi vào tận kim phun, thay vì dừng ở phía trên họng
PTFE hay Teflon có tên đẩy đủ là Polytetrafloetylen[25] có hệ số ma sát rất thấp (0.04) thích hợp cho việc dẫn nhựa từ bộ đẩy nhựa vào Hotend hoặc dẫn nhựa từ cuộn nhựa vào bộ đẩy nhựa, ngoài ra PTFE còn có khả năng chịu nhiệt tốt, nhiệt độ chuyển thể của PTFE vào khoảng 115oC nhưng sự biến dạng bắt đầu xuất hiện mạnh ở trên 250oC, Do đó đối với những loại vật liệu có nhiệt độ in lớn hơn 250 độ C (ABS, PET, PETG, TPU, Nylon, PC, …) thì bắt buộc phải sử dụng họng all metal, bởi họng PTFE bị biến dạng ở đầu đùn sẽ gây ra sự tắc nhựa, khiến cho quá trình in không thể tiếp tục
Phần thứ 4 là block gia nhiệt (Heater Block), block này làm nhiệm vụ giữ điện trở gia nhiệt (5b), cảm biến nhiệt độ (5a), đồng thời kết nối giữa họng chặn nhiệt và kim phun
Phần thứ 5 là kim phun (Nozzle), tùy vào nhu cầu người dùng sẽ có nhiều loại kim phun khác nhau Nếu chia theo kích thước, kim phun có nhiều kích thước khác nhau, cụ thể như 0.2mm, 0.3mm, 0.4mm, 0.5mm, 0.6mm, 0.8mm, 1.0mm, 1.2mm Nếu chia theo vật liệu, kim phun có thể chia ra nhiều loại như:
- Kim phun đồng (Hình 2.29): là loại phổ biến
nhất do giá thành rẻ, đáp ứng tốt đối với các nhu cầu
nhựa thông thường như PLA, ABS, PET, PETG, …
Kim phun đồng có ưu điểm là hệ số dẫn nhiệt của
đồng cao (401W/(mK)), tuy nhiên nhược điểm là độ
cứng thấp, do đó nếu muốn in những vật liệu như sợi
carbon hoặc nhựa phát quang, kim phun đồng sẽ
nhanh chóng bị bào mòn và sai về kích thước
- Kim phun thép SS (Stainless Steel) (Hình
2.30), xét về giá, loại kim phun này không chênh
lệch nhiều so với kim phun đồng, kim phun thép SS
có ưu điểm độ cứng cao hơn so với đồng, nên sẽ tồn
tại lâu hơn khi in những vật liệu có độ cứng cao tuy
vậy kim phun thép SS có một nhược điểm lớn là hệ
số dẫn nhiệt rất thấp (16W/(mK)), do đó ít phổ biến
trên thị trường
Hình 2.29 Kim phun bằng đồng thau [26]
Hình 2.30 Kim phun bằng thép SS [27]
Trang 38- Kim phun thép HSS (Hardened Stainless
Steel) (Hình 2.31) làm bằng thép đã được làm tôi
cứng hơn, có thể chịu được vật liệu có độ cứng cao
sau một thời gian rất dài, tuy nhiên do kim phun thép
HSS có giá thành rất cao (~500.000VND) so với kim
phun thép SS (~10.000VND), do đó thường ít thấy
sử dụng kim phun này
- Kim phun đầu ruby (Ruby Nozzle)
Kim phun đầu ruby (Hình 2.32) là loại kim
phun đặc biệt dành cho những người có nhu cầu in
thường xuyên với các loại vật liệu cứng như sợi
carbon, sợi phát quang Kim phun này có giá rất cao,
vào khoảng tầm 90$ (~ 2 triệu đồng) Kim phun đầu
ruby được thiết kế phần lớn là đồng, để tăng tối đa
khả năng dẫn nhiệt, kim phun này được gắn một viên
ruby nhỏ ở đầu, nơi mà vật liệu in ra sẽ ma sát mạnh
nhất với đầu phun Do Ruby có độ cứng rất cao, do
đó kim phun này có thể tồn tại được cực lâu so với
kim phun Hardened Stainless Steel
Xét về mặt nhiệt độ trong bộ gia nhiệt, một bộ
gia nhiệt được chia làm 3 phần, hay 3 vùng nhiệt độ
(Hình 2.33):
- Phần nóng (Hot Zone), là phần nằm bên dưới
cùng, nơi nhiệt độ được đốt nóng bởi điện trở nhiệt
lên tới nhiệt độ in
- Phần trung hòa (Transistion Zone), là phần
nằm ở giữa phần nóng và phần lạnh, đây là phần
nguy hiểm nhất ở bộ gia nhiệt, vì ở đây nhiệt độ chưa
đủ thấp để nhựa tồn tại ở thể rắn, nhưng cũng chưa
đủ nóng để nhựa chuyển sang thể lỏng, ở vùng này,
nhựa rất dễ có nguy cơ bị tắc Do đó các nhà thiết kế
bộ gia nhiệt như E3D phải thiết kế phần này sao cho
ngắn nhất có thể, thường chỉ khoản tầm 1mm ở giữa
block gia nhiệt và ống tản nhiệt Cũng vì lý do này
Trang 39- Phần lạnh (Cold Zone) đây là phần phía trên cùng của bộ gia nhiệt, ở phần này, nhựa hoàn toàn tồn tại ở thể rắn Ở vùng này, nhiệt độ của họng và của ống tản nhiệt không được vượt quá nhiệt độ chuyển thể (Glass Transition Temperature), do đó cần có một quạt tản nhiệt kết hợp với các cánh tản nhiệt thổi liên tục để đảm bảo nhiệt độ ở vùng này luôn thấp nhất có thể
Đối với một số loại đầu gia nhiệt có khả năng gia nhiệt với nhiệt độ cao (300-800 độ C), quạt với cánh tản nhiệt không thể đáp ứng được nhu cầu giải nhiệt, người ta sẽ phải thay thế sử dụng tản nhiệt nước thay vì tản nhiệt không khí
2.2.4 Lựa chọn các linh kiện cơ khí khác
2.2.4.1 Lựa chọn loại dây đai sử dụng
Đối với máy in 3D cỡ nhỏ, quá trình di chuyển cũng như quá trình in không chịu lực quá nhiều, do đó để giảm giá thành, em xin lựa chọn loại dây đai GT2
Dây đai loại GT2 có 2 loại kích thước là dây đai bản 10mm và dây đai bản 6mm, vì lý do giá thành em xin lựa chọn loại dây đai bản 6mm vì bản 10mm đắt gấp 3 lần loại dây đai bản 6mm Sau đây là một số thông số kĩ thuật của dây đai GT2: [30]
Loại dây đai: 2GT-6mm
Bước đai (Khoảng cách giữa 2 đỉnh răng gần nhất): 2mm
Độ dày đai: 1.38m
Độ cao răng: 0.75mm
Vật liệu đai: Cao su
Độ rộng đai: 6mm
Cơ cấu dây đai của máy CoreXY có cấu tạo
như hình 2.34, gồm 2 lớp dây đai trên (Xanh) và dưới
(Đỏ), mỗi dây đai được truyền động bởi một động cơ
truyền động gắn ở phía sau máy
Cơ cấu dây đai của CoreXY sẽ khiến cho việc
điều khiển đầu đùn đi theo trục X hay trục Y phải
điều khiển cả 2 động cơ, theo công thức sau:
𝑋 = −0.5 × (𝐴 − 𝐵)
𝑌 = −0.5 × (𝐴 + 𝐵)
Hình 2.34 Sơ đồ mắc nối dây đai theo cơ
cấu COREXY
Trang 402.2.4.2 Lựa chọn loại trục trượt
Đối với máy in 3D hoạt động theo cơ cấu CoreXY, có tất cả 3 trục di chuyển là trục X, Y
và Z Đối với trục Z, bàn in di chuyển cần đảm bảo sự cứng cáp, không bị rung, đồng thời đối với trục Z, khối lượng không gây ảnh hưởng tới quá trình in, do đó đối với trục Z, em chọn sử dụng loại trục trượt thép mạ crom đường kính 8mm để đảm bảo bàn in di chuyển không bị rung hoặc cong làm sai lệch quá trình in Đối với trục X, do ở cơ cấu máy CoreXY, toàn bộ trục X
di chuyển dọc theo phương trục Y, do đó cần giảm khối lượng trên toàn bộ trục X xuống thấp nhất, do đó em lựa chọn sử dụng trục sợi carbon đường kính 10mm để đảm bảo độ cứng mà có khối lượng thấp nhất có thể (khoảng 100g/m so với thép mạ crome đường kính 8 là 400g/m)
2.3 Thiết kế, lựa chọn phần điện
2.3.1 Lựa chọn bộ điều khiển
Để điều khiển máy in 3D, trên thị trường có rất nhiều bộ điều khiển khác nhau nhưng giá thành của các bộ điều khiển này tương đối cao, do đó em xin chọn sử dụng bộ điều khiển Arduino Mega 2560 + RAMPS
Arduino Mega 2560 (Hình 2.35) là một mạch tích hợp sử dụng vi điều khiển Atmega
2560, sử dụng mã nguồn mở (Open Source), được phát triển bới công ty Arduino Một số thông
(Electrically Erasable Programmable
Read-only Memory) (Chu kì ghi khoảng 100.000 lần)
- 8KB bộ nhớ SRAM
- Hỗ trợ JTAG (Join Test Action Group)
RAMPS 1.4 (Reprap Arduino Mega Pololu
Shield) (Hình 2.36) là mạch điện tử được sử dụng
rộng rãi nhất cho các máy in 3D RepRap Các tích
hợp của mạch RAMPS bao gồm:
- 3 cổng công suất, mỗi cổng sử dụng một FET
công suất P60NF06, có khả năng dẫn công
suất 75W ở điện áp 12V
- 5 cổng Stepper Driver độc lập (1 cổng cho X,
1 cổng cho Y, 1 cổng cho Z và 2 cổng cho 2
Hình 2.35 Hình ảnh thực tế của mạch
Arduino Mega 2560
Hình 2.36 Hình ảnh thực tế của mạch
RAMPS1.4 [32]