Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in 3d ứng dụng trong xây dựng

Công nghệ tạo mẫu nhanh đang phát triển mạnh ở các nước Mỹ, Đức, Canada… ứng dụng nhiều công nghệ tiên tiến như SLA, SLS, 3DP, LOM, FDM,… Không chỉ ngưng ở việc tạo mẫu cho các chi tiết

ĐOÀN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH

BAN CHẤP HÀNH TP HỒ CHÍ MINH

-

CÔNG TRÌNH DỰ THI 1.1.1 GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

EURÉKA 1.1.2 LẦN THỨ XIX NĂM 2017

TÊN CÔNG TRÌNH: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY

IN 3D ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG

LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

Mã số công trình: ………

(Phần này do BTC Giải thưởng ghi)

MỤC LỤC MỤC LỤC I DANH MỤC CÁC BẢNG IV DANH MỤC HÌNH ẢNH V

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.1 Lý do chọn đề tài 2

1.2 Mục đích của đề tài 5

1.3 Nhiệm vụ của đề tài 5

1.4 Phương pháp nghiên cứu 5

1.5 Nội dung đề tài 6

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D 7

2.1 Sơ lược công nghệ in 3D 7

2.2 Tổng quan về ứng dụng máy in 3D trong và ngoài nước 10

2.2.1 Ứng dụng trong các lĩnh vực 10

2.2.2 Tình hình ứng dụng 15

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU VỀ MÁY IN 3D ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG 17

3.1 Giới thiệu 17

3.2 Nguyên lý hoạt động 19

3.3 Nguyên liệu in 20

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY 22

4.1 Yêu cầu cần thiết khi thiết kế 22

4.2 Thiết kế phần khung 22

4.3 Chất liệu khung và bản lề 23

4.3.1 Chất liệu của khung 23

4.3.2 Khớp nối và con lăn trên các trục 26

4.4 Khớp đỡ vít me 29

4.5 Tru ̣c vitme-đai ốc 29

4.6 Đô ̣ng cơ bước STEP 57 30

4.7 Vít tải đẩy vật liệu 33

4.7.1 Giới thiệu vít tải 33

4.7.2 Ưu và nhược điểm 34

4.8 Phần thi công cơ khí 35

4.8.1 Ba trục XYZ 35

4.8.2 Vít tải 36

4.9 Phần board điều khiển 37

4.9.1 Board điều khiển chính 37

4.9.2 RAMPS 1.4 42

4.10 Lập trình điều khiển 44

4.10.1 Phần mềm lập trình điều khiển Arduino IDE 44

4.11 Firmware 45

4.12 Phần mềm điều khiển Creation Workshop 47

4.13 Các bước in thử nghiê ̣m 49

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN – ĐỀ XUẤT 51

5.1 Kết luận 51

5.2 Đề xuất 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC 54

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.2 Thành phần hóa học hợp kim nhôm 26 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật ATmega2560 38

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tạo hình sản phẩm phức tạp 2

Hình 1.2 Máy in 3D và sản phẩm tạo mẫu nhanh 3

Hình 1.3 Máy in 3D xây dựng của Alex-Le-Roux 4

Hình 1.4 Các ứng dụng của máy in 3D 4

Hình 2.1 Công nghệ SLA 7

Hình 2.2 Công nghệ FDM 8

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động công nghệ LOM 9

Hình 2.4 Mô tả công nghệ 3DP 9

Hình 2.5 Công nghệ SLS 10

Hình 2.6 Các mô hình từ in 3D 10

Hình 2.7 Mô hình thiết kế và sản phẩm in 3D 11

Hình 2.8 Mô hình thiết kế và sản phẩm in 3D 11

Hình 2.9 Lĩnh vực xây dựng 12

Hình 2.10 khung của chi tiết 13

Hình 2.11 Ứng dụng hiện đại 13

Hình 2.12 Các hộp sọ được gia công từ in 3D 14

Hình 2.13 Xương hàm từ in 3D 14

Hình 2.14 Máy in thức ăn của Essential Dynamics có giá $2,995 15

Hình 2.15 MaketBot bán trên thị trường với giá 1,999$ 15

Hình 3.1 10 Căn nhà được “in” đầu tiên trên thế giới 18

Hình 3.2 Tòa lâu đài được in bằng xi măng 18

Hình 3.4 khác nhau giữa in 3D thông thường và in 3D bằng xi măng 19

Hình 3.5 máy in 3D bằng xi măng có kích thước lớn và vừa 20

Hình 3.6 Nguyên liệu vào của máy 21

Hình 4.1 Bản thiết kế phần khung hoàn chỉnh 23

Hình 4.2 Nhôm định hình V-rail 20X20 23

Hình 4.3 Nhôm định hình V-rail vẽ trên solid works 25

Hình 4.4 Trục X được thiết kế 25

Hình 4.5 Trục Z được lắp trên trục X 26

Hình 4.6 Trục Y 26

Hình 4.7 Bản vẽ gia công các pass gá động cơ 27

Hình 4.8 Bản vẽ gia công các pass nối cơ cấu chấp hành 27

Hình 4.9 Con lăn V-slot 28

Hình 4.10.Khớp nối và con lăn của trục trên bản vẽ và sau khi gia công 28

Hình 4.11 Khớp đỡ vít me trục Z 29

Hình 4.12 Vít me 30

Hình 4.13 Động cơ bước STEP 57 31

Hình 4.14 Bên trong của động cơ bước 31

Hình 4.15 Cấu tạo động cơ bước và cách điều khiển 32

Hình 4.16 Hình dạng vít tải 33

Hình 4.17 Hình dạng vít tải được vẽ trên solid works 34

Hình 4.18 Phay mặt và khoan khớp nối 35

Hình 4.19 Trục di chuyển của máy sau khi gia công và lắp ráp 36

Hình 4.20 Động cơ và phểu vào vật liệu 36

Hình 4.21 Vít tải đã gia công 37

Hình 4.22 Hình dạng thực tế của board điều khiển chính 38

Hình 4.23 Mạch nguyên lý khối giao tiếp với máy tính 39

Hình 4.24 Khối tạo nguồn 3.3V 40

Hình 4.25 Khối điều khiển chính 40

Hình 4.26 Mạch nguyên lý và mạch layout toàn board 41

Hình 4.27 Board RAMPS 1.4 42

Hình 4.28 Board A4988 42

Hình 4.29 Mạch nguyên lý driver step motor 43

Hình 4.30 Arduino IDE 44

Hình 4.31 Giao diện cơ bản Arduino IDE 45

Hình 4.32 Nội dung configuration.h 46

Hình 4.33 Giao diện của Creation Workshop trên windowns 47

Hình 4.34 Tab Gcode để hiển thi ̣ thông tin về code điều khiển do phần mềm xuất ra47 Hình 4.35 Hình ảnh cắt lớp 48

Hình 4.36 Thiết lâ ̣p máy và thông số máy in 3D 48

Hình 4.37 Thiết lâ ̣p thông số của resin 49

Hình 4.38 Thiết lâ ̣p kết nối từ máy tính đến máy in 3D, thiết lâ ̣p thông số hành trình X,Y,Z 49 Hình 4.39 Mở chi tiết cần in và canhs chỉnh tỉ lê ̣, vi ̣ trí hợp lý, ta ̣o support nếu cần thiết sau đó tiến hành cắt lớp và bắt đầu quá trình in 50

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ thuật cơ khí nói riêng đang phát triển với một tốc độ rất nhanh Nó có mặt trên tất cả các lĩnh vực đời sống xã hội, mang lại những lợi ích lớn cho con người cả về tinh thần lẫn vật

chất Nước ta đang hướng tới mục tiêu thực hiện “Công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước” Nhằm phục vụ cho sự phát triển nền công nghiệp hiện nay,

ngành cơ khí đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất ra các thiết bị, công

cụ cho mọi ngành kinh tế quốc dân Để phục vụ cho việc phát triển ngành cơ khí hiện nay chúng ta cần đẩy mạnh đào tạo cán bộ kỹ thuật có trình độ chuyên môn cao về các lĩnh vực công nghiệp kinh điển đồng thời đáp ứng những công nghệ tiên tiến, công nghệ tự động trong sản xuất cơ khí

Nghiên cứu, chế tạo và sản xuất máy in 3D là ngành công nghiệp mới mang lại lợi nhuận cao và ngày càng phát triển mạnh Ngày nay, máy in 3D đã đạt được những thành tựu to lớn trong sản xuất công nghiệp cũng như trong đời sống Máy in 3D có thể tạo mẫu khá nhanh và độ chính xác tương đối để phục vụ quá trình sản xuất trong công nghiệp

Chính vì vậy mà nhóm tác quyết định đăng ký ĐA/KLTN với Nhà Trường, Khoa đề tài: “Thiết kế chế tạo máy in 3D ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng” Hiện nay, máy in 3D có thể chia nhiều chủng loại, chủ yếu là theo cách thức chúng vận hành và nguyên liệu sản xuất Mục đích của việc nghiên cứu đề tài này là thiết kế được máy in 3D sử dụng vâ ̣t liệu khá mới là hồ xây ( hỗn hợp xi măng, cát và nước) ứng dụng trong kiến trúc xây dựng, chi phí thấp

Tuy nhiên, do yêu cầu về thời gian hạn hẹp, kiến thức còn nhiều hạn chế, việc tìm tài liệu về máy in 3D sử dụng vật liệu hồ xây còn khó khăn nên việc nghiên cứu và chế tạo còn nhiều thiếu sót Vì vậy, rất mong được sự đóng góp

ý kiến của thầy, cô và bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay trên thế giới các ngành công nghiê ̣p sản xuất đã và đang rất phát triển với trình độ ngày càng tiên tiến Lượng hàng hóa sản xuất ngày mô ̣t tăng cao theo nhu cầu thi ̣ trường, các sản phẩm không ngừng thay đổi mẫu mã và được sản xuất hàng loa ̣t Điều này kéo theo mô ̣t yếu tố quan trọng không kém trong sản xuất hàng hóa công nghiê ̣p hiê ̣n đa ̣i chính là ta ̣o mẫu nhanh Viê ̣c ta ̣o mẫu nhanh để nhanh chóng chuyển từ ý tưởng thiết kế ra vâ ̣t thể thâ ̣t là rất quan tro ̣ng Hiê ̣n ta ̣i có rất nhiều công nghê ̣ ta ̣o mẫu nhanh khác nhau mỗi công nghê ̣ đều có những ưu nhược điểm riêng

Máy in 3D là 1 trong những phưng pháp tạo mẫu nhanh, có thể tạo ra những sản phẩm phức tạp và tinh xảo

Hình 1.1 Tạo hình sản phẩm phức tạp

Công nghệ tạo mẫu nhanh đã ra đời từ rất lâu do các nhà tạo mẫu công nghiệp Mỹ khởi nguồn Từ đó cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ kỹ thuật điện tử, công nghệ tạo mẫu nhanh đã có những bước đột phá rõ rệt Công nghệ tạo mẫu nhanh đang phát triển mạnh ở các nước Mỹ, Đức, Canada… ứng dụng nhiều công nghệ tiên tiến như SLA, SLS, 3DP, LOM, FDM,… Không chỉ ngưng ở việc tạo mẫu cho các chi tiết cơ khí đơn thuần, ngày nay công nghệ tạo mẫu nhanh với độ chính xác cao, cấu tạo nhỏ gọn dễ sử dụng, thân thiện với người dùng đang ngày trở nên phổ biến và hiện thực hóa mọi ý

tưởng ra thực tế một cách nhanh chóng và chính xác nhất Tuy nhiên, hiện nay giá thành các loại máy tạo mẫu nhanh còn rất cao

Hình 1.2 Máy in 3D và sản phẩm tạo mẫu nhanh

Ở Việt Nam, công nghê ̣ in 3D vẫn là mô ̣t phát triển khá mới mẻ và chưa phổ biến Hiện nay, các doanh nghiệp nhập khẩu các thiết bị công nghệ tạo mẫu nhanh phục vụ thị trường trong nước có giá thành rất cao Chi phí đầu tư một máy in 3D công nghệ SLA có giá từ 8.000 USD trở lên, vật liệu phục vụ công nghệ in 3D cũng phải nhập khẩu và giá thành rất cao Do vậy nhu cầu làm chủ công nghệ in 3D trong nước là rất cần thiết và cần đẩy mạnh nghiên cứu hơn để phục vụ nhu cầu sản xuất, giảm giá thành dịch vụ tạo mẫu nhanh

Năm vừa qua, Trung tâm Thiết kế chế tạo Thiết bị mới thuộc Sở Khoa học và Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh cũng đã nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công máy in 3D quy mô phòng thí nghiệm Các nghiên cứu chế tạo mẫu nhanh công nghệ LOM tại phòng thí nghiệm trọng điểm của Đại học Bách Khoa (Đại học Quốc gia Tp HCM) Hiện tại, nhóm chúng em đang nghiên cứu Công nghệ in 3D ứng dụng công nghệ SLA, phục vụ chế tạo chi tiết cơ khí, phục vụ giảng dạy, tạo mẫu nhanh v.v… bước đầu đã được thu nhiều kết quả thành công tốt đẹp

Hình 1.3 Máy in 3D xây dựng của Alex-Le-Roux

Các ứng dụng đã giải quyết nhanh nhu cầu thiết kế chế tạo của sinh viên kỹ thuật của Khoa để chế tạo chi tiết, mô hình máy móc mà trước đây tốn rất nhiều thời gian, chi phí gia công cơ khí trên máy gia công cơ Hỗ trợ sinh viên ngành xây dựng của trường sẽ chủ động và sáng tạo hơn khi thực hiện mô hình đồ án xây dựng mô hình nhà, công trình… phục vụ các ngành mỹ thuật công nghiệp hiện thực hóa các ý tưởng sáng tạo của mình v.v… bằng máy in 3D

Hình 1.4 Các ứng dụng của máy in 3D

Từ những thực tiễn khả quan đó, nhóm tác giả chọn đề tài :“ Nghiên cứu, thiết

kế và chế tạo máy in 3D ứng dụng trong xây dựng”

1.2 Mục đích của đề tài

Đề tài có các mục đích sau:

 Chế tạo mô hình máy in 3D có thể in ra vật thể bằng hồ xây (xi măng, cát

và nước) từ hầu như tất cả các bản thiết kế trên các phần mềm vẽ, các hoa văn phức tạp hay các hình trên dữ liệu CAD

 Độ chính xác có thể đạt đến 0.05mm

 Tạo hình được các chi tiết kích thước từ dài x rộng x cao trong khoảng từ 700x700x800mm

1.3 Nhiệm vụ của đề tài

 Tìm hiểu nguyên lý điều khiển, thiết kế bộ phận bơm đẩy hồ xây, các cơ cấu động học

 Thi công cơ khí, chế tạo và lắp ráp hoàn thiện mô hình máy in 3D vật liệu

in là hồ vửa xây

 Tìm hiểu và điều khiển hệ thống mạch điện, board mạch đệm nối từ máy tính xuống hệ thống Driver điều khiển các động cơ trục công tắc hành trình

 Thiết kế thi công hệ thống điện, cử hành trình an toàn khi vận hành,…

 Đối tượng nghiên cứu của đề tài là máy in 3D điều khiển bằng chương trình số dựa trên G-code

 Người nghiên cứu tập trung nghiên cứu thiết kế, thi công hệ thống cơ khí, tìm hiểu và hoạt động, hệ thống điều khiển cho máy in 3D

 Tận dụng các phần mềm cắt lớp sẵn có như Slic3r, Cura…để xuất mã code cho máy in hoạt động

G-1.4 Phương pháp nghiên cứu

 Tìm hiểu các tài liệu và thiết kế hiện có ở trong và ngoài nước

 Thiết kế bộ phận bơm đẩy vật liệu hồ xây, thiết kế gia công trục vít tải

 Tìm hiểu tỉ lệ pha trộn nguyên liệu

 Nghiên cứu lập trình và ứng dụng kho mã nguồn mở Arduino, xây dựng và phát triển hệ thống điều khiển chính xác thời gian cho máy in 3D

 Tiến hành thực nghiệm, đo đạc, phân tích và hiệu chỉnh cân bằng

 Thiết kế mô hình và tính toán các thông số của khung máy bằng Solidworks

 Giám sát từ máy tính sử dụng các phần mềm cắt lớp sẵn có như Creation Workshop, CURA, Pronterface…

1.5 Nội dung đề tài

Đề tài được xây dựng gồm các nội dung sau:

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương 2: Tổng quan về máy in 3D

Chương 3: Giới thiệu về máy in 3D ứng dụng trong xây dựng

Chương 4: Thiết kế và chế tạo máy

Chương 5: Kết luận – Đề xuất

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D

2.1 Sơ lược công nghệ in 3D

Công nghệ in 3D không phải là công nghệ mới Nó đã được phát triển từ cuối những năm 1980 và đã được sử dụng rộng rãi để tạo ra các nguyên mẫu sản phẩm một cách nhanh chóng Cái mới của công nghệ này là nó không còn chỉ được các công ty lớn sử dụng để tạo ra các nguyên mẫu sản phẩm, mà trong những năm gần đây, công nghệ in 3D đã thực sự bước vào thị trường tiêu dùng Nhiều nhà khoa học và chuyên gia từng đặt câu hỏi liệu công nghệ in 3D có thực sự là một công nghệ sẽ làm nên sự biến đổi lớn cho cả thế giới

Có rất nhiều công nghệ tạo mẫu nhanh trên thế giới SLA, SLS, 3DP, LOM, FDM,… Không chỉ ngưng ở việc tạo mẫu cho các chi tiết cơ khí đơn thuần, ngày nay công nghệ tạo mẫu nhanh với độ chính xác cao, cấu tạo nhỏ gọn dễ sử dụng, thân thiện với người dùng đang ngày trở nên phổ biến và hiện thực hóa mọi ý tưởng ra thực

tế một cách nhanh chóng và chính xác nhất

Công nghệ SLA ( Stereolithography Apparatus) : là công nghệ sử dụng tia sáng (tia laser, tia UV hoặc tia sáng bình thường) làm đông cứng lớp photopolymer lỏng (polymer quang hóa - polymer đóng rắn khi có ánh sáng chiếu vào) được chứa trong bồn, từng lớp từng lớp để hình thành nên vật thể 3D Đây là công nghệ đầu tiên và cũng là công nghệ đem lại độ dày layer nhỏ nhất hiện nay (độ chi tiết tốt nhất)

Hình 2.1 Công nghệ SLA

Công nghệ J-P (Jetted Photopolymer): thật ra công nghệ này cũng giống như

công nghệ SLA nhưng thay vì nguyên liệu được chứa trong bồn thì nguyên liệu được phun giống như máy in phun, đi kèm với đầu phun là đèn chiếu UV làm đông cứng lớp photopolymer vừa phun ra Vì vậy, công nghệ cho phép in nhiều loại vật liệu trên cùng một vật thể in, mỗi bình mực in là 1 loại vật liệu

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

sợi nhựa, sau đó được nung nóng 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

Hình 2.2 Công nghệ FDM

Công nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing): sử dụng nguyên liệu đầu

vào là các vật liệu có thể dát mỏng như giấy, gỗ … dạng cuộn hay tờ, mỗi layer chính

là mỗi tờ giấy hay lát gỗ, biên dạng layer được cắt ra bằng laser hay dụng cụ cắt rồi dán chồng lên nhau tạo nên vật thể 3D

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động công nghệ LOM

Công nghệ 3DP (3D printing) : Công nghệ này sử dụng nguyên lý tạo lớp layer

giống như công nghệ SLS ở trên, còn phần liên kết các layer với nhau thì giống với công nghệ máy in phun 2D bình thường Mực in lúc này vừa là màu sắc, vừa là keo liên kết các hạt bột với nhau Công nghệ này có thể in được màu sắc cho vật thể giống như máy in phun màu

Hình 2.4 Mô tả công nghệ 3DP

Công nghệ SLS (Selective Laser Sintering): sử dụng nguyên liệu dạng bột được

chứa trong các bồn, các layer được xếp chồng lên 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 dùng tia laser chiếu cho nóng chảy bột để bột lớp layer trên liên kết với layer dưới

In 3D tạo ra nhiều mô hình thật cho các học sinh, sinh viên dễ dàng nắm bắt kiến thức trong giờ học và có thể tiếp xúc với mô hình thật trong học tập để có thêm kinh nghiệm thực tiễn

* Sản xuất xây dựng:

Máy in 3D giúp tạo mẫu nhanh chóng, ngay cả với những bộ phận phức tạp của công trình với chi phí và thời gian khá thấp Tạo ra các mô hình thay thế cho các vật liệu thô sơ như: tre, nứa, các mẫu xốp,… Và đặt biệt là các chi tiết của máy in 3D rất

dễ lắp ghép và thay thế, tính thẫm mỹ lại khá cao

Hình 2.7 Mô hình thiết kế và sản phẩm in 3D

Hình 2.8 Mô hình thiết kế và sản phẩm in 3D

Hình 2.9 Lĩnh vực xây dựng

* Giải trí:

Hình 2.10 Lĩnh vực giải trí

* Đúc khuôn vỏ mỏng: Đúc khuôn vỏ mỏng là một quá trình đúc chính xác để

chế tạo là những chi tiết có hình dáng sắc cạnh từ các hợp kim Hiệu quả chủ yếu khi

áp dụng phương pháp tạo mẫu nhanh trong công nghệ đúc khuôn vỏ mỏng là khả năng

tạo ra mẫu có độ chính xác cao, chi phí thấp và thời gian để tạo mẫu ngắn

Hình 2.10 khung của chi tiết

* Chế tạo dụng cụ: Người ta ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong chế tạo

dụng cụ như điện cực trong gia công tia lửa điện, chế tạo các khe hở hoặc ruột của khuôn phun nhựa, ống dẫn hệ thống điều hòa nhiệt độ…

Hình 2.11 Ứng dụng hiện đại

* Trong lĩnh vực y học: Trong lĩnh vực y học, công nghệ tạo mẫu nhanh được dùng để chế tạo các mô hình y học, các bộ phận cấy ghép thay thế xương và các công

cụ trợ giúp phẫu thuật

Hình 2.12 Các hộp sọ được gia công từ in 3D

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

thay thế 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 2.13 Xương hàm từ in 3D

2.2.2 Tình hình ứng dụng

* Trên thế giới:

Công nghệ tạo mẫu nhanh đã và đang phát triển không ngừng trên thế giới với hàng loạt các sản phẩm được nâng cấp và cải tiến từng ngày Không chỉ phục vụ cho nhiều lĩnh vực cơ bản như khoa học, giáo dục mà hiện nay nó còn góp mặt trong giải trí với hàng loạt sản phẩm mang tính tạo hình cao

Hình 2.14 Máy in thức ăn của Essential Dynamics có giá $2,995

Hình 2.15 MaketBot bán trên thị trường với giá 1,999$

* Trong nước :

Thực tế cho thấy ta ̣o mẫu nhanh công nghiê ̣p vẫn chưa phát triển trong nước và đây là sản phẩm mới trong khuôn khổ đề tài khoa học, công nghệ cấp nhà nước về phát triển công nghệ phục vụ công nghiệp Đa phần ta ̣o mẫu từ các máy gia công cơ hoă ̣c chỉ la bản mẫu 3D trên máy tính thông qua các phần mềm vẽ 3D Hiện nay, một

số nghiên cứu phát triển tại các trường Đại học trong nước cũng đang bắt đầu ứng dụng in 3D bằng nhiều vật liệu đa dạng hơn ,nhưng giá thành nghiên cứu chế tạo máy

in 3D công nghệ này chi phí cũng khá đắt, do vậy việc ứng dụng máy in 3D này vẫn chưa phát triển

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU VỀ MÁY IN 3D ỨNG DỤNG

TRONG XÂY DỰNG

3.1 Giới thiệu

Công nghệ In 3D bắt đầu vượt ra ngoài khuôn khổ của các máy in để trực tiếp thực hiện công việc tại công trường xây dựng bằng sáng kiến sử dụng robot MX3D, một công ty công nghệ In 3D tại Hà Lan đang tiên phong trong kỹ thuật mới này bằng việc triển khai dự án in toàn vẹn một cây cầu bằng thép khẩu độ 15m bắc qua một kinh đào tại thủ đô Amsterdam, tạo nên một nguyên mẫu cho phương pháp In 3D bằng các robot làm việc tự động theo phần mềm lập trình sẵn

Trước đây để thực hiện một cây cầu tương tự người ta phải lắp ráp từng

bộ phận đã đúc sẵn, bởi cho tới bấy giờ kỹ thuật In 3D mới chỉ sử dụng phương pháp thiêu kết từng lớp mỏng bột kim loại bằng tia laser, cho ra những cấu kiện nhỏ bên trong máy in mà cỡ lớn nhất thuộc thế hệ máy BAAM được dùng để chế tạo mẫu xe Strati Cầu In 3D bằng robot ở Amsterdam là công trình phối hợp giữa kiến trúc sư Joris Laarman, công ty công nghệ in MX3D, công ty phần mềm Autodesk và công ty xây dựng Heijmans

Bằng việc sử dụng các chất liệu kim loại từ sắt, thép không rỉ đến nhôm, đồng, thau, các cánh tay robot phối hợp liên tục để in ra các kết cấu phức tạp của cây cầu một cách dễ dàng, bắt đầu từ hai bờ tiến vào giữa cho đến khi chiếc cầu được nối liền Các robot ngồi làm việc ngay trên phần kết cấu vừa hoàn tất như những người thợ chuyên nghiệp để cuối cùng cho ra cây cầu hiện đại biểu tượng cho công nghệ mới trong vòng hai tháng, tại một thành phố cổ kính 740 năm tuổi

In 3D để tạo nên một cây cầu hay một công trình xây dựng không còn là câu chuyện của tiểu thuyết Công nghệ mới đang rút ngắn thời gian, giảm bớt chi phí, tạo nên chất lượng tốt hơn, đẹp hơn, và gần như không có chất thải của vật liệu xây dựng hay giàn giáo Tim Geurtjens, Giám đốc công nghệ tại MX3D nói rằng “điều khác biệt giữa công nghệ chúng tôi với kỹ thuật truyền thống là vượt

ra bên ngoài khuôn khổ của máy in, thay vào đó những con robot sáu trục sẽ tạo

nên những khả năng không giới hạn cho ngành xây dựng

Năm 2014, công ty WinSun của Trung Quốc xây mười ngôi nhà 3D đầu

tiên trên thế giới

Hình 3.1 10 Căn nhà được “in” đầu tiên trên thế giới

Tại Mỹ, cả 1 lâu đài được in 3D bằng xi măng

Hình 3.2 Tòa lâu đài được in bằng xi măng

3.2 Nguyên lý hoạt động

Máy in 3D bằng xi măng có nguyên lý hoạt động như máy in 3D sử dụng sợi nhựa, khác nhau ở điểm nguyên liệu vào là xi măng, cơ cấu đầu phun được thay đổi sao cho hợp với nguyên liệu ra Đưa vào máy in 3D qua một bộ phận gọi là đầu in (print head) Đầu in có hình dáng như một chiếc hộp với một vòi phun Một cơ cấu truyền động sẽ đẩy từng phần xi măng xuống đầu in Xi măng qua đầu in là những đường khá lớn Ngay khi ra ngoài không khí xi măng phải mất 1 thời gian ngắn mới khô cứng, gắn lại với nhau tạo thành các lớp

Hình 3.4 khác nhau giữa in 3D thông thường và in 3D bằng xi măng

Để in một ngôi nhà thì máy in phải có kích thước thật sự lớn, phải lớn hơn với vật cần in.Vì vậy máy in 3D bằng xi măng được chia ra làm 2 loại:

Loại có kích thước

cực lớn

Có thể in được cả 1 căn nhà trong 1 lượt

in

Ít tốn nhân công, tạo bụi vào không khí ít hơn so với xây dựng truyền thống, hoàn thành căn nhà trong 1 lần in

Phụ thuộc vào thời tiết, vì nguyên liệu là xi măng

Loại có kích thước

vừa

In từng bộ phận rồi ghép lại với nhau

Ít tốn nhân công, tạo bụi vào không khí ít hơn so với xây dựng truyền thống, không phụ thuộc vào thời tiết, có thể in hàng loạt

Phải chờ từng đợt in rồi mới có thể ghép

Hình 3.5 máy in 3D bằng xi măng có kích thước lớn và vừa

3.3 Nguyên liệu in

Mác bê tông là nói đến khả năng chịu nén của mẫu bê tông Nói dễ hiểu là tỷ lệ pha trộn cát, đá, nước để có khả năng chịu nén của mẫu bê tông Mác càng lớn (dân thợ hồ gọi là trộn già hơn) thì xi măng càng lớn > cường độ nén cao

Do máy in 3D đang thực hiện sử dụng bộ phận đẩy nguyên liệu bằng vít tải nên khả năng nén nguyên liệu không được cao như cơ cấu khí nén, vì thế lựa chọn nguyên liệu phù hợp nhất là hồ xây (xi măng, cát và nước)

Qua thực nghiệm để tìm ra tỉ lệ pha trộn nguyên liệu phù hợp nhất là: Mác 100 gồm: 1

xi măng: 6 cát : 1,5 nước

Hình 3.6 Nguyên liệu vào của máy

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY

4.1 Yêu cầu cần thiết khi thiết kế

Cơ khí máy phải có kích thước vừa phải Không cần thiết quá lớn và cũng không được quá nhỏ Sao cho sản phẩm mẫu phải trực quan thể hiện được như bản thiết kế Phần mềm phải đảm bảo có thể truyền tải tất cả các đi ̣nh da ̣ng sản phẩm 3D từ các file hình vẽ 3D

Phần điê ̣n tử phải đảm bảo chất lượng ổn đi ̣nh cao, nhằm duy trì máy hoa ̣t đô ̣ng với công suất tốt nhất và bền lâu

Dễ dàng di chuyển cũng như vận chuyển đi xa

Các thông số yêu cầu :

Kích thước vùng gia công: 700x700x800

Tốc đô ̣ các tru ̣c XYZ tối đa: 2000mm/ph

Gia tốc tru ̣c XYZ tối đa: 200mm/s2

4.2 Thiết kế phần khung

-Phần khung máy là thành phần quan trọng nhất phải được lưu ý thiết kế tính toán sao cho hợp lý và mang tính cân đối Đây là bộ phận có tác dụng như khung xương liên kết các thành phần dẫn, truyền động, mạch điều khiển cũng như chứa vùng gia công

-Yêu cầu chung của phần khung là phải cứng vững và đảm bảo chông rung động khi gia công, chịu va đập tốt và dễ lắp ráp Yêu cầu tiếp theo là khung cơ khí phải đảm bảo chịu được khối lượng vòi phun và mạch điện tử

-Ngoài ra, phần khung máy còn phải đảm bảo các lỗ bắt các trục dẫn động phải thật sự đồng tâm để tránh gây ra sai số so với mô hình đã tính toán

-Các khớp nối yêu cầu phải có độ cững vững và chịu rung động va đập tốt để giảm thiểu tối đa khả năng gây ra sai số khi gia công

-Để tạo khung sườn cho mô hình có đủ độ cứng vững mà phù hợp với kinh tế nhất, dễ dáng chế tạo lắp ghép mà phải có tính thẩm mỹ khi thành phẩm Với

những yếu tố đó nhóm đã quyết định chọn làm khung máy bằng Nhôm định hình

- Chịu lực tốt: Profile nhôm có cầu cách nhiệt là loại vật liệu cao cấp dùng trong sản xuất cửa sổ, cửa đi, vách kính lớn Hệ có cấu tạo 3 lớp gồm 2 thanh nhôm

định hình và cầu cách nhiệt bằng vật liệu polymer ở giữa Thêm vào đó, các rãnh, vách kỹ thuật trong cấu trúc thanh nhôm được tính toán kỹ lưỡng để tạo sống gia cường, kênh thoát nước, khoang trống cách âm cách nhiệt Với cấu tạo này, thanh profile nhôm có tính cách âm, cách nhiệt cao và nổi bật hơn nhựa uPVC là tính chịu lực tốt

- Thể hiện ở kết cấu vững chắc của các thanh nhôm được sản xuất theo tiêu chuẩn quốc tế, có thể chịu được mọi sức ép của gió, bão trên cấp 12., không bị cong vênh, co ngót, oxi hoá và han gỉ theo thời gian, thích ứng với những điều kiện thời tiết phức tạp ở Việt Nam

- Tải trọng nhẹ: Do đặc điểm nhôm định hình là vật liệu nhẹ, có độ bền cao, được thiết kế các khoang rỗng cùng với các sống gia cường hợp lý nên việc sử dụng vật liệu này sẽ giảm tải trọng của toàn bộ công trình hơn hẳn so với vách tường sử dụng các loại vật liệu khác

Hình 4.3 Nhôm định hình V-rail vẽ trên solid works

-Trục X được ghép 2 thanh nhôm định hình với kích cỡ 20X40 tạo thành thanh 40X40 để vững và cứng cáp do trục X phải chịu khối lượng lớn từ Z và Y

-Trục Z cũng được lắp tương tự như trục X vì trục Z được đặt thẳng đứng và chịu được momen của trục Y khi vòi phun di chuyển xa nhất

-Trục Y không phải chịu nhiều lực tác dụng lên trục nên chỉ cần 1 thanh nhôm định hình 20X40

Hình 4.4 Trục X được thiết kế