Thiết kế máy in 3d và chế tạo mô hình

Đồ án Tốt nghiệp là một trong những học phần bắt buộc của sinh viên ngành Cơ Điện Tử nói riêng cũng như sinh viên khối ngành kĩ thuật nói chung.Để thiết kế thành công một cơ cấu, một cụm

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn: TS ĐẶNG PHƯỚC VINH

Sinh viên thực hiện: DƯƠNG QUANG HẢI

TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài : THIẾT KẾ MÁY IN 3D VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH

Họ và tên SV : Dương Quang Hải Mã SV:101120341

Họ và tên SV : Lê Trung Thạnh Mã SV:101120368

GV hướng dẫn : T.s Đặng Phước Vinh

GV duyệt : T.s Lê Hoài Nam

Nội dung đã làm được bao gồm các vấn đề sau:

1 Nhu cầu thực tế của đề tài

Đồ án Tốt nghiệp là một trong những học phần bắt buộc của sinh viên ngành Cơ Điện Tử nói riêng cũng như sinh viên khối ngành kĩ thuật nói chung.Để thiết kế thành công một cơ cấu, một cụm chi tiết máy hay một máy hoàn chỉnh thì đòi hỏi sinh viên phải có hiểu biết và nắm chắc các kiến thức về lĩnh vực cơ khí cũng như điện tử.Đây là điều kiện thuận lợi cho chúng em để được ứng dụng các kiến thức đã học vào thực tế Hiện nay, nền khoa học kĩ thuật đang phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ

Nhiều công nghệ mới đã ra đời Một trong những nghiên cứu đặc biệt được quan tâm gần đây là công nghệ in 3D Máy in 3D đang mang lại giải pháp cho nhiều đối tượng

kĩ sư,họa sĩ và các nhà thiết kế khác.Tất cả họ đều sử dụng máy in vào việc kiểm tra ý tưởng,thiết kế sản phẩm mẫu một cách nhanh chóng mà không phải trải qua những công đoạn phức tạp Nhưng một thực tế là các mẫu máy in 3D của chúng ta hầu hết phải nhập khẩu với giá thành cao

Với mong muốn làm chủ được nguyên lý hoạt động của máy, từ đó thiết kế, chế tạo nên một chiếc máy in 3D có cấu tạo đơn giản, độ tin cậy cao, vật tư chế tạo thay thế có sẵn trên thị trường hoặc dễ gia công nhưng vẫn đảm bảo an toàn và đáp ứng đầy đủ các tính năng, có thể thay thế sản phẩm ngoại nhập với giá thành rẻ hơn Vậy nên

chúng em quyết định chọn đề tài ”THIẾT KẾ MÁY IN 3D VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH” làm đề tài tốt nghiệp

2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài tốt nghiệp:

Trong đề tài này chúng em thiết kế cơ cấu cho máy, tìm hiều các phương pháp

ra giải pháp phù hợp để đảm bảo năng suất chất lượng sản phẩm, từ đó:

- Tính toán thiết kế các hệ truyền động chính

- Thiết kế và thi công mô hình

3 Nội dung đề tài đã thực hiện :

- Số trang thuyết minh: 70 trang

- Tổng quan về máy in 3D và các ứng dụng của nó

- Các sản phẩm của máy in 3D và một số máy in có trên thị trường

- Giới thiệu một số bộ truyền, lựa chọn phương án thiết kế máy in 3D

- Tính toán lựa chọn các thành phần, bộ truyền sử dụng trong máy in 3D

- Giới thiệu thành phần và các module chức năng điều khiển động cơ

- Giới thiệu về các phần mềm vẽ 3D và phần mềm điều khiển máy in 3D

* Đã lựa chọn và thiết kế phần:

- Lựa chọn thiết kế các bộ phận chính

- Lựa chọn chất liệu làm khung máy và diện tích làm việc

- Cơ cấu truyền động theo trục X trục Y và trục Z

- Chọn các loại động cơ sử dụng

- Bộ truyền đai răng – puly

- Chọn xe lăn trượt trên thanh nhôm

- Nghiên cứu các mạch điều khiển

- Sử dụng các phần mềm chuyên dụng để vẽ và xuất file in 3D

* Kèm mô hình máy in 3D

Thiết Kế Máy In 3D Và Chế Tạo Mô Hình

1 Dương Quang Hải 101120341 12CDT2 CƠ ĐIỆN TỬ

2 Lê Trung Thạnh 101120368 12CDT2 CƠ ĐIỆN TỬ

hiện

1 Dương Quang Hải - Tìm hiểu một số loại máy in 3D ngoài thực

tế và lựa chọn hệ thống phù hợp để thiết kế

- Đưa ra nguyên lí, tính toán sức bền và tìm hiểu phần mềm điều khiển máy in Simplify 3D

- Chỉnh sửa máy và code cho máy

2 Lê Trung Thạnh

1 Lê Trung Thạnh Tính toán sức bền cho các trục máy

2 Dương Quang Hải Tìm hiểu code máy in ,hoàn thành thuyết minh

1 Dương Quang Hải Bản vẽ lắp trục Y, Z 1A0

2 Lê Trung Thạnh

1 Lê Trung Thạnh - Bản vẽ tổng thể 1A0

- Bản vẽ lắp trục X 1A0

Thiết Kế Máy In 3D Và Chế Tạo Mô Hình

- Bản vẽ từng chi tiết 1A0

2 Dương Quang Hải - Bản vẽ sơ đồ nối dây 1A0

- Bản vẽ sơ đồ động

- Bản vẽ lưu đồ thuật toán 1A0

Thiết Kế Máy In 3D Và Chế Tạo Mô Hình

LỜI CÁM ƠN

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Cơ khí và bộ môn

Cơ điện tử trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Đà Nẵng đã tận tụy dạy dỗ, truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua để chúng

em có kiến thức hoàn thành được đề tài này

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Phước Vinh đã tận tình hướng

dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề tài này

Xin chân thành cảm ơn các bạn trong tập thể lớp 12CDT đã tham gia đóng góp

ý kiến trong suốt quá trình thực hiện để nhóm có thể hoàn thành tốt đề tài này

Mặc dù được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Đặng Phước Vinh, nhưng do

công nghệ còn hạn chế, kinh nghiệm thiết kế chưa trau dồi nhiều, tài liệu phục vụ cho công việc thiết kế còn quá ít nên cũng không tránh khỏi những bỡ ngỡ Sau thời gian 3 tháng làm đề tài này bằng chính nổ lực của bản thân và được sự hướng dẫn của thầy Đặng Phước Vinh, các thầy cô giáo và sự giúp đỡ của các bạn sinh viên khác trong khoa chúng em đã hoàn thành xong đồ án này đúng thời gian quy định Một lần nữa cho phép chúng em gửi đến quý thầy cô cùng các bạn lòng biết ơn sâu nhất

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2017 Nhóm sinh viên thực hiện:

Lê Trung Thạnh Dương Quang Hải

Thiết Kế Máy In 3D Và Chế Tạo Mô Hình

CAM ĐOAN

Kính gửi: - Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

- Khoa Cơ Khí Chúng em xin cam đoan nội dung của đồ án không phải sao chép bất cứ đồ án hay công trình nào đã có trước đây Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện đồ án này đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong đồ án đã được ghi nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố

Nhóm sinh viên thực hiện:

Dương Quang Hải Lê Trung Thạnh

Thiết Kế Máy In 3D Và Chế Tạo Mô Hình

MỤC LỤC:

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 1

1.1 Qúa trình phát triển của công nghệ tạo mẫu 1

1.1.1.Thời kì đầu:tạo mẫu bằng tay 1

1.1.2.Thời kì thứ 2:phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo 1

1.1.3 Thời kì thứ 3: quá trình tạo mẫu nhanh 1

1.2 Ứng dụng trong các lĩnh vực 2

1.3 Nguyên lí hoạt động và phân loại 13

1.3.1 Nguyên lí hoạt động 13

1.3.2 Phân loại 14

CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CƠ KHÍ 17

2.1 Giới thiệu máy in 3D: 17

2.1.1 Các loại máy in tự lắp hiện nay: 17

2.1.2 Các bước vận hành máy in 3D 20

2.2 Phương án thiết kế 20

2.2.1 Thông số kĩ thuật của máy 20

2.2.2 Sơ đồ khối 21

2.2.3 Các bộ phận chính của máy 22

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CÁC CƠ CẤU CƠ KHÍ 25

3.1 Chọn động cơ cho các cơ cấu dẫn động 25

3.2 Tính thông số bộ truyền cho cơ cấu dẫn hướng các trục 27

3.2.1 Cơ cấu dẫn hướng trục X,Y 27

3.2.2 Cơ cấu di chuyển theo trục X 28

3.2.3 Cơ cấu di chuyển theo trục Y 31

3.2.4 Tính toán sức bền vật liệu của trục dẫn hướng 31

3.3 Cơ cấu di chuyển theo trục Z 33

3.3.1 Cấu tạo 33

3.3.2 Tính toán sức bền vật liệu của trục dẫn hướng 33

3.3.3 Bộ phận truyền động vít me 34

CHƯƠNG 4:GIỚI THIỆU VỀ PHẦN ĐIỆN TỬ 37

4.1 Giới thiệu về mạch Arduino Mega 2560 37

4.1.1 Mô tả sản phẩm Arduino Mega 2560 R3 37

4.1.2 Thông số kỹ thuật 38

Thiết Kế Máy In 3D Và Chế Tạo Mô Hình

4.2.1 Mô tả sản phẩm 39

4.2.2 Thông số kỹ thuật thông số Bo mạch RAMPS 1.4 40

4.3 Động cơ bước NEMA 17 Stepper Motor – 40 mm, 1.2 A, 0.4 N.m 40

4.3.1 Mô tả sản phẩm 40

4.3.2 Thông số kỹ thuật 41

4.4 Chip A4988 Stepper Motor Driver 42

4.5 Cảm biến nhiệt cho đầu phun máy in 3D 42

4.6 Đầu phun J Head All Metal E3D 43

4.6.1 Mô tả sản phẩm 43

4.6.2 Thông số kỹ thuật 43

4.7 Phần mềm điều khiển 44

4.7.1 Phần mềm Simplify3D : 44

Thiết Kế Máy In 3D Và Chế Tạo Mô Hình

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Máy in 3D thế hệ đầu tiên 2

HÌnh 1 2 Ngôi nhà được xây bằng máy in 3D 3

Hình 1 3 Thiết kế áo quần 4

Hình 1 4 Tay chân giả 5

Hình 1 5 Linh kiện thay thế 5

Hình 1 6 Chế tạo các cơ quan cây ghép bên trong cơ thể 6

Hình 1 7 Chiếc xe của giáo sư Jim Kor 7

HÌnh 1 8 Mẫu concep của 1 chiếc xe được chế tạo bằng máy in 3D 7

Hình 1 9 Tác phẩm điêu khắc nổi tiếng 8

Hình 1 10 Dây chuyền được làm bằng máy in 3D 8

Hình 1 11 Thực phẩm được làm ra hình dáng nhờ máy in 3D 9

Hình 1 12 Mẫu vật 3D 10

HÌnh 1 13 Súng được làm bằng công nghệ in 3D 10

Hình 1 14 Một nguyên mẫu tên lửa sản xuất hoàn toàn bằng công nghệ in 3D của hãng Raytheon 11

Hình 1 15 Mẫu vật đầu tiên được in bằng máy in 3D trong không gian 12

Hình 1 16 Máy in mẫu 3D 13

Hình 1 17 Nguyên lí xếp chồng lớp vật liệu 14

Hình 1 18 Cơ cấu chấp hành nối tiếp 15

Hình 1 19 Cơ cấu chấp hành song song 16

Hình 2 1 Máy in 3D Prusa i3 17

Hình 2 2 Máy in Delta 18

Hình 2 3 Máy in 3D Pro 230 19

Hình 2 4 Máy in 3D mendel 19

Hình 2 5 Sơ đồ khối 21

Hình 2 6 Cơ câu chấp hành nối tiếp 23

Hình 2 7 Cơ cấu chấp hành song song 24

Thiết Kế Máy In 3D Và Chế Tạo Mô Hình

Hình 3 2 Động cơ bước 26

Hình 3 3 Dây đai và Pulley GT2 27

Hình 3 4 Cấu tạo bộ phận di chuyển theo trục X 28

Hình 3 5 Cấu tạo bộ phận di chuyển theo trục Y 31

Hình 3 6 Cấu tạo bộ phận di chuyển theo trục Z 33

Hình 4 1 Adruino Mega 2560 R3 37

Hình 4 2 Bo mạch ramps-1.4 39

Hình 4 3 Động cơ bước NEMA 17 41

Hình 4 4 Chip A4988 điều khiển động cơ bước 42

Hình 4 5 Cảm biến nhiệt100KΩ NTC Thermistor 43

Hình 4 6 Đầu phun J Head All Metal E3D 43

Hình 4 7 Simplify3D 44

Hình 4 8 Bảng điều khiển Simplify3D 44

Hình 4 9 Giao diện ban đầu của simplify 3.0 65

Hình 4 10 Thông số X, Y, Z phù hợp với bàn máy 65

Hình 4 11 Chọn thông số unfill phù hợp 66

Hình 4 12 Tiến hành chọn file stl 66

Hình 4 13 Điều chỉnh kích thướt muốn in phù hơp 67

Hình 4 14 Mô phỏng đường đi của đầu in 67

Hình 4 15 Chọn kiểu kết nối USB hoặc SD Card 68

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÁY IN

1.1 Qúa trình phát triển của công nghệ tạo mẫu

1.1.1.Thời kì đầu: tạo mẫu bằng tay

-Thời kì đầu tiên ra đời cách đây vài thế kỉ.Trong thời kì này,các mẫu điển hình không có mức độ phức tạp cao và chế tạo một mẫu trung bình mất khoảng 4 tuần.Phương pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề và thực hiện công việc một cách cực kì nặng nhọc

-Cho đến ngày nay phương pháp tạo mẫu thủ công này vẫn còn sử dụng khá phổ biến, trong các trường đại học về mỹ thuật có ngành tạo dáng Chúng mang hướng nghệ thuật ,hàng chế tác riêng nhiều hơn là tạo mẫu trong sản xuất hàng loạt

1.1.2.Thời kì thứ 2: phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo

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

kì này đã có phần mềm tạo mẫu ảo Việc ứng dụng CAD/CAM/CAE đã trở 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 đo ứng suất và sẽ được hiệu chỉnh cho phù hợp nếu chúng chưa đạt yêu cầu.Thí dụ như :phân 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 các tính chất của vật liệu.Hơn nữa ,các mẫu trong thời kỳ này trở nên phức tạp hơn nhiều so với thời kỳ đầu.Vì thế ,thời gian yêu cầu cho việc tạo mẫu còn phụ thộc vào các phương pháp tạo mẫu cơ bản trước -Tuy nhiên,việc vận dụng các máy gia công chính xác đã cải thiện tốt hơn các chất vật lý của mẫu

1.1.3 Thời kì thứ 3: quá trình tạo mẫu nhanh

-Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh là một phát minh quan trọng Những phát minh này đã đáp ứng được yêu cầu của giới kinh doanh trong thời kì này như :giảm thời gian sản xuất, tăng độ phức tạp của mẫu,giảm chi phí

-Ở thời điểm này người tiêu dung yêu cầu các sản phẩm cả về chất lượng lẫn mẫu mã, nên mức độ phức tạp của chi tiết cũng tăng lên Nhưng nhờ vào công nghệ chúng ta có thể so sánh và đánh giá các phiên bản mẫu trước khi đưa vào sản xuất đại trà Chính vì thế, rất nhiều các thương hiệu lớn như Apple, Microsoft đến cả Google

-Bên cạnh đó, những chiếc máy in 3D còn được ứng dụng rộng rãi vào các ngành nghề khác như trong y tế, các bộ phận giả cho con người có thể được “in” ra mà không mất quá nhiều thời gian và chi phí, phục vụ việc cấy ghép nhanh chóng và hiệu quả hơn Tính năng tạo vật mẫu còn được hưởng ứng bởi các nhà nghiên cứu, thiết kế hay giáo dục để tạo ra vật mẫu phức tạp Hơn thế nữa, gần đây, các nhà du hành vũ trụ NASA cũng sử dụng máy in 3D để tạo ra công cụ sử dụng ngoài không gian Trong số hàng mà tàu vận tải tự động SpaceX Dragon được Cơ quan Hàng không- Không gian

Mỹ NASA phóng lên ngày 21-9-2014 tiếp tế cho Trạm Không gian Quốc tế ISS có một chiếc máy in Zero-G 3D Printing

Hình 1 1 Máy in 3D thế hệ đầu tiên

Tuy nhiên, điều mong đợi lớn nhất đó chính là sự phổ biến của công nghệ in 3D trong các hộ gia đình và nơi làm việc của từng cá nhân Người sử dụng có thể tạo ra sản phẩm phục vụ nhu cầu của chính mình thay vì phải đi mua chúng với giá thành cao

ở các của hàng Nếu điều này trở thành hiện thực, công nghệ in 3D chắc chắn sẽ làm thay đổi thói quen tiêu dung và mua sắm của phần lớn thị trường Sau đây là một số ứng dụng của máy in trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong đời sống con người

1.2 Ứng dụng trong các lĩnh vực

Công nghệ in 3D đang là một trong những xu hướng phát triển của khoa học kỹ thuật Nhờ vào công nghệ in 3D, chúng ta có thể tạo ra các đồ vật với giá thành rẻ hơn và thời gian ngắn hơn rất nhiều

Ứng dụng của công nghệ in 3D rất rộng rãi, từ xây dựng, thời trang, cho đến y học, đến các ngành công nghiệp sản xuất như ô tô, tàu vũ trụ, máy bay

✓ Xây dựng

Một công ty xây dựng của Trung Quốc cho biết họ đã sử dụng công nghệ in 3D để xây dựng một ngôi nhà Họ sử dụng một máy in 3D khổng lồ để phun xi-măng và một loại vật liệu đã được tái chế thay thế cho các loại bê-tông thông thường dùng để xây nhà Những ngôi nhà được xây bằng công nghệ 3D không có thiết kế quá đẹp và kích thước lớn, tuy nhiên giá thành của chúng khá rẻ, chỉ khoảng 5000 USD một căn Bên cạnh

đó, thời gian hoàn thành một ngôi nhà được xây bằng công nghệ in 3D rất nhanh, công

ty này đã xây xong 10 ngôi nhà chỉ trong vòng 2 ngày

HÌnh 1 2 Ngôi nhà được xây bằng máy in 3D

✓ Thiết kế quần áo

Hình 1 3 Thiết kế áo quần

- Có thể bạn không biết, trong show diễn Victoria's Secret 2013, một phụ kiện lấp lánh cùng chiếc vương miện được người mẫu Lindsay Ellingson mang trên người chính là một trong những sản phẩm của công nghệ in 3D Công nghệ in 3D hứa hẹn sẽ làm thay đổi ngành thời trang và may mặc trên toàn thế giới

-Theo nhà thiết kế thời trang Iris van Herpen, trong tương lai gần chúng ta sẽ sử dụng những máy quét trên cơ thể, sau đó sẽ tạo ra những mẫu áo quần phù hợp với mỗi người dựa vào công nghệ in 3D Không chỉ vậy, người sử dụng có thể tùy chỉnh

bộ quần áo theo ý thích của mình trên từng mm một cách chính xác Bên cạnh đó, công nghệ in 3D cũng hứa hẹn sẽ làm thay đổi hoàn toàn ngành phụ kiện thời trang

✓ Chân tay giá rẻ

- Với y học phát triển như hiện nay, những người không may mắn bị mất đi tay hoặc chân của mình đã có cơ hội hoạt động bình thường với những bộ chân tay giả có thể cử động linh hoạt

-Tuy nhiên giá thành của chúng không hề rẻ, có thể lên đến hàng ngàn USD

Hình 1 4 Tay chân giả

-Với công nghệ in 3D, Mick Ebeling – giám đốc điều hành của công ty nghiên cứu Not Impossible Labs – đã lần đầu tiên tạo ra những bộ chân tay giả với chi phí chỉ khoảng 100 USD

-Các nhà khoa học tại công ty thiết kế Autodesk và Đại học Toronto đang phát triển một phần mềm cho phép quét các bộ phận của người khuyết tất, sau đó thiết kế những bộ phận thay thế sao cho phù hợp nhất với giá thành thấp

✓ Linh kiện thay thế cho mọi thứ

- Các đồ điện tử, hay bất kỳ đồ vật nào xung quanh chúng ta đều có thể bị hỏng một vài bộ phận Thông thường nếu không thể sửa chúng ta sẽ phải thay thế bằng những linh kiện mới Tuy nhiên không phải lúc nào việc tìm kiếm và thay thế linh kiện cũng đơn giản, có thể do đồ vật đó của bạn đã quá cũ và không còn được sản xuất

Hình 1 5 Linh kiện thay thế

-Tuy nhiên, với công nghệ in 3D mọi rắc rối này đều có thể được giải quyết dễ dàng Giờ đây bạn có thể tải về các tập tin thiết kế của những linh kiện đó, sau đó sử dụng máy in 3D tại nhà để tạo ra một cái khác hoàn toàn mới để thay thế

- Hiện nay, trên trang web Thingiverse có sẵn những bản thiết kế của hơn 2.500 linh kiện thay thế của tất cả mọi đồ vật từ tay quay trên cửa sổ xe, đồng hồ đeo tay hay một số linh kiện điện tử khác …

✓ Chế tạo cơ quan cấy ghép trong cơ thể con người

- Các nhà khoa học đã tạo ra một bước đột phá lớn trong việc cấy ghép các cơ quan bên trong cơ thể con người bằng công nghệ in 3D, được gọi là bioprinting Trong đó, các nhà khoa học đã lấy tế bào của người từ sinh thiết hay tế báo gốc, nhân bản chúng trong đĩa petit, sau đó sử dụng như một loại mực sinh học để tạo nên các cơ quan nội tạng của con người như tim, thận …

- Các nhà khoa học hy vọng rằng bioprinting sẽ có thể sắp xếp các tế bào một cách chính xác để mô phỏng hoàn toàn các chức năng của các cơ quan bên trong cơ thể Các

cơ quan nhân tạo này có thể được sử dụng để thử nghiệm thuốc, hay thậm chí có thể dùng để cấy ghép thay thế những cơ quan thật

Hình 1 6 Chế tạo các cơ quan cây ghép bên trong cơ thể

- Nếu các cơ quan này được tạo ra từ các tế bào gốc của bệnh nhân, nó sẽ ít có nguy cơ bị đào thải bởi hệ miễn dịch của người đó

✓ Sản xuất ô tô

Các linh kiện ô tô được chế tạo bằng công nghệ in 3D đã được sử dụng một thời gian, tuy nhiên kỹ sư Jim Kor và các đồng nghiệp của mình đã có một ý tưởng táo bạo hơn khi chế tạo nguyên một chiếc ô tô bằng công nghệ in 3D Chiếc xe được sản xuất năm 2013, có hai bánh và có thể chở được hai hành khách, với các chi tiết được làm

chủ yếu từ nhựa nhờ máy in 3D Chiếc xe được trang bị động cơ hybrid được làm bằng sắt

Hình 1 7 Chiếc xe của giáo sư Jim Kor

-Mặc dù chiếc xe của Jim Kor có thể chưa hoàn hảo, nhưng nó mở ra một hướng phát triển mới cho ngành sản xuất ô tô

- Với công nghệ in 3D, những chiếc ô tô có thể được chế tạo từ loại vật liệu rẻ, nhẹ và bền không kém gì sắt thép, trong khi có thể dễ dàng gia công và tạo đường nét

HÌnh 1 8 Mẫu concep của 1 chiếc xe được chế tạo bằng máy in 3D

✓ Nghệ thuật

-Không chỉ được ứng dụng trong khoa học và các ngành công nghiệp, công nghệ

in 3D còn được các nghệ sĩ sử dụng để sáng tạo các tác phẩm nghệ thuật độc đáo Họa

sĩ Cosmo Wenman đã từng sử dụng một máy in 3D để tạo ra một bản sao vô cùng tỉ

mỉ của tác phẩm điêu khắc nổi tiếng “Head of a Horse of Selene”

Hình 1 9 Tác phẩm điêu khắc nổi tiếng

-Ông đã sử dụng máy in 3D để tạo ra các phần khác nhau của khuôn mặt bức tượng, sau đó ghép chúng lại bằng keo và sơn màu đá cẩm thạch để mô phỏng lại tác phẩm nghệ thuật này

-Trong tương lai, các tác phẩm nghệ thuật sẽ được số hóa và tất cả mọi người đều có thể tải về và tạo ra một bản sao hoàn hảo bằng máy in 3D, tất nhiên tất cả các tác phẩm này đều được làm từ nhựa

- Một ví dụ về in 3D in ấn bản giới hạn đồ trang sức Sợi dây chuyền này được làm bằng sợi glassfiber đầy nilon nhuộm Nó liên kết quay được sản xuất trong các ước sản xuất giống như các bộ phận khác

Hình 1 10 Dây chuyền được làm bằng máy in 3D

✓ Thực phẩm

Không chỉ dừng lại ở việc chế tạo các đồ vật, công nghệ in 3D còn giúp bạn tạo ra những đồ ăn đặc biệt, trong đó có các loại kẹo Tại triển lãm điện tử tiêu dùng Las Vegas năm ngoái, công ty 3D Systems đã lần đầu tiên giới thiệu một chiếc máy in 3D

có thể sử dụng nguyên liệu là các loại socola, đường, vani và hương liệu để tạo ra nhiều loại kẹo có hình dạng thú vị khác nhau

Hình 1 12 Mẫu vật 3D

-Các nhà khoa học đã chế tạo thành công ba loại cơ quan: cấu trúc phẳng như da, cấu trúc hình ống như ống tiểu và mạch máu, và cấu trúc trũng như bàng quang Các

cơ quan phức tạp nhất là các cấu trúc dạng đặc như thận, gan, và tuyến tụy

cần thiết cho chúng, cũng như cách cung cấp oxy tốt nhất cho các cơ quan mới này cho đến khi cơ thể hoàn toàn tiếp nhận

✓ Vũ khí

-Năm 2013, một nhà thiết kế tại Texas đã chế tạo thành công một khẩu súng lục

có thể bắn được đạn thật bằng công nghệ in 3D Khẩu súng được làm từ nhựa, tuy nhiên có một số bộ phận được làm bằng kim loại vì nhà thiết kế này lo sợ nó sẽ trở thành một loại vũ khí có thể mang qua an ninh sân bay

HÌnh 1 13 Súng được làm bằng công nghệ in 3D

- Ứng dụng này của công nghệ 3D đem lại khá nhiều rủi ro, khi bất kỳ ai cũng có thể tải bản thiết kế trên mạng và chế tạo một khẩu súng cho mình.

Hình 1 15 Mẫu vật đầu tiên được in bằng máy in 3D trong không gian

- Với thiết bị này, phi hành gia có thể tìm ra giải pháp xử lý nếu có sự cố hỏng hóc trên trạm vũ trụ Đây là một dấu mốc lớn, không chỉ đối với công ty Made In Space và NASA, mà còn đối với toàn nhân loại

Công nghệ in 3D nở rộ trong tương lai

Sự ra đời của công nghệ in 3D đem đến rất nhiều hứa hẹn Nó cho phép bất kỳ ai

có thể tạo nên sản phẩm mà mình muốn, với giới hạn duy nhất là trí tưởng tượng của chính người dùng Giải thích một cách đơn giản, công nghệ này cho phép người dùng

tự thiết kế một vật thể bằng phần mềm đồ họa không gian 3 chiều (3D), sau đó sử dụng một máy “in” sản phẩm đó ra thành một vật thể thực sự Ý tưởng của công nghệ này bắt nguồn từ phim ảnh viễn tưởng như bộ phim du hành vũ trụ Star Trek, với các nhân vật có thể sử dụng những nguyên liệu dễ tái chế, tạo nên các sản phẩm cần dùng Công nghệ này đã bắt đầu nhen nhóm và phát triển nhanh chóng trong giới những người đam mê chế tạo và được ứng dụng vào hàng loạt các ngành khác nhau từ y tế đến giáo dục

Hình 1 16 Máy in mẫu 3D

- Tại phân mảng in 3D cho khách hàng cá nhân và doanh nghiệp, có lẽ Shapeways nổi trội nhất Công ty này mở dịch vụ vào năm 2008, cho phép người dùng bình thường và các doanh nghiệp đặt in 3D bằng cách gửi file CAD (Computer aid design) đến trang web của họ Bằng cách đăng các hướng dẫn và đưa ra dịch vụ hỗ trợ, Shapeways đã khuyến khích hàng trăm nhà thiết kế và doanh nghiệp tạo ra sản phẩm

từ in 3D và bán chúng Các sản phẩm hiện diện trên trang web www.shapeways.com bao gồm hàng triệu mẫu hình, từ những tác phẩm nghệ thuật cực kỳ tinh xảo đến các công cụ hữu dụng Shapeways đã bước đầu thành công, mở thêm nhà máy với các máy

in trị giá hàng triệu USD Công ty này đã có thể in các mẫu hình có kích cỡ lớn như bàn ghế, giường tủ, in với 30 chất liệu khác nhau từ nhựa đến kim loại Dù dịch vụ này càng ngày càng trở nên phổ biến, việc học thiết kế hình 3D bằng phần mềm CAD vẫn không dễ dàng đối với nhiều người

1.3 Nguyên lí hoạt động và phân loại

1.3.1 Nguyên lí hoạt động

Đối với máy in mực 2D, ta muốn có một lá đơn , một bức thư thì ta soạn thảo văn bản thông qua Microsoft word rồi xuất ra file.doc cho máy in mới có thể in ra được.Máy in 3D cũng như vậy, ta cần một phần mềm thiết kế hỗ trợ file 3D rồi xuất ra file *.STL được nạp vào một chương trình chủ được cài đặt trên máy tính.Chương trình này có nhiệm vụ ra lệnh cho máy in quyết định quá trình chạy máy

Hình 1 17 Nguyên lí xếp chồng lớp vật liệu

1.3.2 Phân loại

a Theo công nghệ(các loại cơ bản)

-Công nghệ SLA (stereolithography) :

Công nghệ in SLA (stereolithography) sử dụng phương pháp quét laser thông thường có bộ phận tạo tia UV và hai gương đặc biệt phản chiếu hình ảnh lên nhựa, tương tự với đặc điểm chiếu sáng có thể thấy ở tia laser trên sân khấu.Những tia laser này được dùng để định hình nhựa.Đây là công nghệ đầu tiên và cũng là đem lại đồ dày layer nhỏ nhất hiện nay(độ chi tiết nhỏ nhất)

Ưu điểm: công nghệ SLA có khả năng tạo ra các mô hình có độ chi tiết cao, sắc nét và chính xác

Nhược điểm: vật liệu in 3D khá đắt, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền khi để lâu dưới ánh nắng mặt trời Diện tích chiếu của một chùm tia laser lại tương đối nhỏ nên quá trình này mất khá nhiều thời gian

-Công nghệ FDM:

Công nghệ FDM (Fused Deposition Modelling) sử nguyên liệu đầu vào là sợi

nhựa, sau đó được nung chảy ra và đầu phun kéo các sợi nhựa chảy này theo biên dạng của mặt cắt từng layer, và đắp từng lớp layer chồng lên nhau để tạo ra sản phẩm 3D Đây là công nghệ phổ biến nhất hiện nay(hay còn gọi là công nghệ in 3D FFF)

Ưu điểm: là công nghệ in 3D giá rẻ, thường được sử dụng cho các sản

phẩm chịu lực tốt, tốc độ tạo hình 3D nhanh Công nghệ sạch, dễ dàng để sử dụng và thân thiện với văn phòng làm việc Các vật liệu in ổn định về mặt cơ tính

Công nghệ in FDM có thể tạo ra các mẫu có hình dạng phức tạp và các rãnh sâu

Nhược điểm: ít khi dung trong lắp ghép vì độ chính xác không cao, khả năng chịu lực không đồng nhất

-Công nghệ SLS (selective Laser Sintering)

Công nghệ SLS sử dụng nguyên liệu dạng bột được chứa trong các bồn, các layer được xếp chồng nhau bằng các bánh lăn(roller), vừa cuộn vừa kéo san phẳng vật liệu ra thành lớp mỏng Biên dạng layer được hình thành bằng cách dụng tia laser chiếu cho nóng chảy để bột lớp layer trên liên kết với layer dưới

Ưu điểm : Thích hợp để in các mô hình có thành mỏng, các chi tiết cần độ dẻo Đặcbiệt SLS là lựa chọn tuyệt vời cho các mô hình lớn hoặc có phần rỗng phía dưới đáy SLS cho chất lượng tốt hơn vì khó phân biệt vì các lớp in bằng mắt thường

Nhược điểm: giá thiết bị và vật liệu đắt Các mô hình kín và có phần rỗng bên trong vẫn phải tiêu hao một lượng vật liệu lớn

b Theo cơ cấu chấp hành(kết cấu Robot)

- Cơ cấu chấp hành nối tiếp:

Cơ cấu chấp hành nối tiếp gồm nhiều khâu nối tiếp bằng nhiều kiểu khớp, thường

là khớp quay và khớp lăng trụ Một đầu cơ cấu chấp hành được gắn với nền và đầu kia chuyển động tự do mà trong không gian, do đó thường gọi là cơ cấu chấp hành vòng

hở Khâu cố định được gọi là đế, và đầu tự do có gắn bộ kẹp tay máy được gọi là bộ tác động cuối

-Cơ cấu chấp hành song song

Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động được nối tiếp với giá cố định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân.Thường số chân bằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên cố định hoặc ngay trên chân Chính lý do này mà các Robot song song đôi khi gọi là các Robot có hệ Các cơ cấu tác động điều khiển tải ngoài, nên cơ cấu chấp hành song song thường có khả năng chịu tải lớn

Hình 1 19 Cơ cấu chấp hành song song

Kết luận : Trong phạm vi đề tài này, với mục tiêu chế tạo một máy in 3D giá rẻ, với

các tiêu chí gọn nhẹ, tốc độ di chuyển vừa phải, để khi cần có thể dung làm thiết bị thí nghiệm, hoạt động ổn định, không rung khi chạy ở tốc độ cao, giá thành rẻ thì tác giả

đã chọn phương án thiết kế theo cơ cấu nối tiếp cùng công nghệ FDM:

+ Phương án kết cấu máy : Bàn in di động theo một phương trụ X, trục Y theo phương thẳng đứng, trục Z là đầu phun nhựa

+ Phương án truyền động : Truyền động bằng vít me đai ốc thường, đai

+ Phương án động cơ cho bộ đùn : Động cơ bước

+ Phương án động cơ dẫn động các trục : Động cơ bước

+ Phương án cơ cấu dẫn hướng : Cặp trục trơn

CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CƠ KHÍ

2.1 Giới thiệu máy in 3D:

2.1.1 Các loại máy in tự lắp hiện nay:

a Máy in Reprap Prusa i3

- RepRap prusa i3 là máy in 3D Reprap phổ biến nhất hiện nay và cũng là phiên bản chính thức Máy in 3D Prusa i3 được thiết kế bởi Prusajr thành viên phát triển chủ chốt của dự án Reprap

+ Khung : tùy chọn mica hoặc nhôm + Kích thước in: 200x200x190mm + Bộ điều khiển : Ramps 1.4 + Firmware : Marlin

+ Kích thước sợi nhựa :1.75/3mm + Bộ đùn: J Head

Hình 2 1 Máy in 3D Prusa i3

Hình 2 2 Máy in Delta

c Các loại máy in khác:

- Máy in Pro 230

Hình 2 3 Máy in 3D Pro 230

- Máy in 3D mendel

12 78 1000

9(W) 9550

2.1.2 Các bước vận hành máy in 3D

Bước 1: Thiết kế mô hình 3D

Bạn thiết kế mô hình 3D bằng các phần mềm vẽ 3D như Google

Sketchup, Autocad 3D, 3D Studio Max, Rhinoceros, Solidworks,Pro engineer… Nếu không có khả năng thiết kế, bạn có thể mua hoặc tải các mẫu thiết kế 3D được chia sẻ trên mạng

Bước 2: Xuất file mô hình 3D sang định dạng STL

- Thông thường các phần mềm vẽ 3D đều có chức năng xuất ra định dạng STL Nếu mặc định không có, bạn có thể cài thêm các plugin

Tham khảo thêm bài viết hướng dẫn cài plugin và xuất file STL từ Google Sketchup

Bước 3: Dùng các phần mềm như Cura, Slic3r… để cài đặt các thông số của file

3D STL cho máy in 3D

- Bạn có thể điều chỉnh các thông số như: Độ chi tiết, mịn, sắc xảo của mô hình, tốc

độ in, mật độ đặc bên trong của mô hình, độ dày lớp bên ngoài Sau khi tinh chỉnh xong các thông số, các phần mềm này sẽ cho phép bạn xuất file STL ra file GCODE là file mà máy in 3D hiểu để in File GCODE này chứa tất cả các thông số đã tinh chỉnh cho riêng mô hình in và cho riêng máy in 3D đó Thông thường bạn không thể dùng file GCODE của máy in này in cho máy khác được

2.2 Phương án thiết kế

Từ những mẫu máy in 3D có sẵn, tác giả đã thiết kế cho mình mẫu máy in 3D dựa

trên các phần của từng loại

2.2.1 Thông số kĩ thuật của máy

2.2.2 Sơ đồ khối

a Sơ đồ

Hình 2 5 Sơ đồ khối

b Chức năng của từng khối:

- Giao tiếp người dùng:

+ Máy tính điều khiển:

Đóng vai trò tiếp nhận dữ liệu từ người dùng Thực hiện xuất file G code, điều chỉnh các thông số về nhiệt độ, tốc độ in, tốc độ đùn để truyền dữ liệu cho bộ xử lý thực hiện việc in sản phẩm

- Màn hình LCD :

Cho phép điều khiển và giám sát hoạt động của máy Cho phép nhận dữ liệu, lựa chọn chương trình hoạt động cho máy

- Bộ xử lý trung tâm (Aduino Mega 2560):

Tiếp nhận dữ liệu từ máy tính thông qua cổng USB đề điều khiển các cơ cấu chấp hành theo yêu cầu của chương trình

- Cơ cấu di chuyển theo 3 trục X, Y, Z

- Bàn in và bộ gia nhiệt cho bàn in

-Công nghệ FDM:

Công nghệ FDM (Fused Deposition Modelling) sử dụng nguyên liệu đầu vào là

sợi nhựa, sau đó được nung chảy ra và đầu phun kéo các sợi nhựa chảy này theo biên dạng của mặt cắt từng layer và đắp từng lớp layer chồng lên nhau để tạo ra sản phẩm 3D Đây là công nghệ phổ biến nhất hiện nay(hay còn gọi là công nghệ in 3D FFF)

Ưu điểm: là công nghệ in 3D giá rẻ, thường được sử dụng cho các sản phẩm chịu lực tốt, tốc độ tạo hình 3D nhanh Công nghệ sạch, dễ dàng để sử dụng và thân thiện với văn phòng làm việc Các vật liệu in ổn định về mặt cơ tính

Công nghệ in FDM có thể tạo ra các mẫu có hình dạng phức tạp và các rãnh sâu

Nhược điểm: ít khi sử dụng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao, khả năng chịu lực không đồng nhất

-Công nghệ SLS:

Công nghệ SLS sử dụng nguyên liệu dạng bột được chứa trong các bồn, các layer được xếp chồng nhau bằng các bánh lăn(roller), vừa cuộn vừa kéo san phẳng vật liệu ra thành lớp mỏng Biên dạng layer được hình thành bằng cách dung tia laser chiếu cho nóng chảy để bột lớp layer trên liên kết với layer dưới

Ưu điểm : Thích hợp để in các mô hình có thành mỏng, các chi tiết cần độ dẻo.Đặt biệt SLS là lựa chọn tuyệt vời cho các mô hình lớn hoặc có phần rỗng phía dưới đáy SLS cho chất lượng tốt hơn vì khó phân biệt vì các lớp in bằng mắt thường Nhược điểm: giá thiết bị và vật liệu đắt.Các mô hình kín và có phần rỗng bên trong vẫn phải tiêu hao một lượng vật liệu lớn

b Theo cơ cấu chấp hành(kết cấu Robot)

- Cơ cấu chấp hành nối tiếp:

Cơ cấu chấp hành nối tiếp gồm nhiều khâu nối tiếp bằng nhiều kiểu khớp, thường

là khớp quay và khớp lăng trụ Một đầu cơ cấu chấp hành được gắn với nền và đầu kia chuyển động tự do mà trong không gian, do đó thường gọi là cơ cấu chấp hành vòng

hở Khâu cố định được gọi là đế, và đầu tự do có gắn bộ kẹp tay máy được gọi là bộ tác động cuối

Hình 2 6 Cơ câu chấp hành nối tiếp

-Cơ cấu chấp hành song song

Loại robot song song điển hình gồm có bàn máy động được nối tiếp với giá cố định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân.Thường số chân bằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên cố định hoặc ngay trên chân Chính lý do này mà các robot song song đôi khi gọi là các robot có hệ Các cơ cấu tác động điều khiển tải ngoài, nên cơ cấu chấp hành song song thường có khả năng chịu tải lớn

Hình 2 7 Cơ cấu chấp hành song song

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CÁC CƠ CẤU CƠ

KHÍ

3.1 Chọn động cơ cho các cơ cấu dẫn động

Động cơ dẫn động trên máy in 3D cho các trục trong thực tế có rất nhiều loại khác nhau, với khả năng điều khiển chính xác ấn tượng, đồng thời kèm theo cả một bộ phận phản hồi và bù sai số Các cơ cấu chuyển động trên 3 trục của máy in 3D hầu như không chịu tải trọng( chỉ có tải trọng do chính bản thân kết cấu máy gây ra ) nên yêu cầu động cơ công suất nhỏ Do vậy ở đây tác giả thống nhất phương án dùng động cơ bước để dẫn động các trục, vì loại động cơ này dễ điều khiển, dễ mua và có giá thành hợp lý Tuy nhiên do không kèm theo bộ phận phản hồi bù sai số nên trong một số trường hợp như quá tải, quá nhiệt, động cơ sẽ không giữ được độ chính xác yêu cầu, xảy ra tình trạng tụt bước hay mất bước Do vậy khi tính toán thiết kế chúng em sẽ cố gắng giảm sự sai lệch không mong muốn này về mức tối thiểu

Trên thị trường hiện nay có bán rất nhiều loại động cơ bước của nhiều hang khác nhau, kể cả hàng cũ và hàng mới Tuy nhiên có một điểm chung ở động cơ bước là công suất không lớn, nếu có công suất lớn thì kích thước rất cồng kềnh và giá thành đắt.Phổ biến trên thị trường hiện nay là động cơ bước có công suất khoảng 50W, do vậy tác giả đã chọn 3 động cơ loại này để dẫn 3 trục Ngoài ra thông số này còn có thể điều chỉnh khi lắp ráp ngoài thực tế

• Động cơ bước sử dụng trong mô hình với các thông số như sau:

-Góc bước :1,8º/bước (200 bước/ chu kì)

-Điện trở cuộn dây : 6,71Ω

-Dòng điện tối đa : 3A , điện áp danh định: 9,9V

-Momen xoắn : 834 mN.m

-Kích thước : 42,3×42,3×40 (mm)

-Khối lượng : 650g

Hình 3 1 Bản vẽ động cơ bước

Động cơ bước NEMA 17 Stepper Motor là loại động cơ phổ biến nhất dùng để dựng các máy in 3D RepRap thông thường Động cơ bước NEMA 17 được gọi là NEMA 17 bởi vì kích thước của chúng là 1,7×1,7 inch(42,3×42,3 mm) Bên cạnh động cơ bước NEMA 17 còn có các loại động cơ bước khác với kích thước khác nhau như :NEMA 11,NEMA 14, NEMA 23 và dĩ nhiên con số sau NEMA càng lớn thì kích thước động

cơ càng lớn

Hình 3 2 Động cơ bước

-Động cơ bước trong máy in 3D RepRap thường được điều khiển bởi một thiết bị gọi

là stepper motor driver được gắn trên bộ RAMPS của chúng Trường hợp động cơ

bước NEMA 17 thì đó gọi là A4988 stepper motor driver.Động cơ bước NEMA 17 sử dụng trong các máy in 3D RepRap thường có góc quay là 1,8º

Cấu tạo của một động cơ bước (Stepper Motor) giống như là tổng hợp của hai động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ Động cơ bước không quay theo kiểu của động cơ mà chúng ta thấy thường ngày, chúng quay theo từng bước với tốc độ chính xác về góc quay rất cao( nên chúng gọi là động cơ bước) Chúng ta có thể hiểu động cơ bước là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc liên tục thành các chuyển động góc quay

3.2 Tính thông số bộ truyền cho cơ cấu dẫn hướng các trục

3.2.1 Cơ cấu dẫn hướng trục X,Y

Đối với sự chuyển động của hai trục X, Y thì yêu cầu không khắc khe như trục Z,

để đảm bảo tính linh hoạt và giảm chi phí thì tác giả quyết định sử dụng bộ truyền đai răng Động cơ truyền động vẫn sử dụng động cơ bước giống với động cơ trục Z Loại dây đai được sử dụng trong bộ truyền là dây đai GT2 với bước răng là 2mm và bề rộng

là 6mm

Hình 3 3 Dây đai và Pulley GT2

Dùng Timing Pulley để truyền động với các thông số sau :

Đường kính 16.5 mm

Số răng :16 răng

Chiều dài đường răng : 7.6 mm

3.2.2 Cơ cấu di chuyển theo trục X

-Thanh dẫn chịu tác dụng của trọng lượng :động cơ , bộ phận phun nhựa…

-Trọng lượng của toàn bộ hệ thống :

P=m.g=10 (N) -Chọn thanh dẫn là bằng vật liệu thép C45 có chiều dài là 400mm

Áp dụng công thức 7.3 trang 117 ( tài liệu [1]) để tính đường kính trục tại tiết diện nguy hiểm

 

3

4

d0.1.(1 )

Mt d

 



−Trong đó:

P D

 = =>   (Thỏa mãn điều kiện bền)

d Tính chọn bộ truyền đai răng

Xác định modun m theo thực nghiệm công thức 4.58 trang 156 tài liệu [1]

Với:

- P1: công suất trên bánh chủ động Chọn P1=1 W= 0,001 KW

- n1: số vòng quay của banh dẫn: n1=n2= 60( vòng/ phút)

- Cr: hệ số tải trọng động, Cr=1,5

Như vậy ta có: m= 1,02 => ta chọn modun m=1(mm)

Với m=1, tra bảng 4.11 và 4.13 trang 115 tài liệu [1] ta có