Nghiên cứu tối ưu hóa ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến độ chính xác của mẫu trong công nghệ chế tạo mẫu nhanh trên máy in 3d

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Tối ưu hóa các thông số công nghệ nhằm nâng cao độ chính xác trong tạo mẫu nhanh bằng công nghệ in 3D được tiến hành trên máy in 3D Prusa sử dụng vật li

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN ĐỖ QUỐC TRUNG

NGHIÊN CỨU, TỐI ƯU HÓA ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MẪU

TRONG CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH

TRÊN MÁY IN 3D PRUSA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN ĐỖ QUỐC TRUNG

NGHIÊN CỨU, TỐI ƯU HÓA ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MẪU

TRONG CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH

TRÊN MÁY IN 3D PRUSA

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã số: 8520103

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Công Nguyên

HÀ NỘI, NĂM 2019

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận văn

Nguyễn Đỗ Quốc Trung

ii

LỜI CẢM ƠN

Là học viên trong lớp Kỹ thuật Cơ khí - Khóa K25, Trường Đại học Thủy Lợi Hà Nội

tôi đã chọn đề tài luận văn Thạc sỹ là: “Nghiên cứu, tối ưu hóa ảnh hưởng của một

số yếu tố công nghệ đến độ chính xác của mẫu trong công nghệ tạo mẫu nhanh trên máy in 3D Prusa”

Để luận văn hoàn thành đúng tiến độ và đạt được kết quả cao, trong quá trình nghiên cứu Luận văn tôi đã nhận được sự giúp đỡ của quý thầy trong bộ môn Kỹ thuật Cơ khí Với tình cảm sâu sắc và chân thành, cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tất cả quý thầy cô trong trường ĐHTL đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá nghiên cứu đề tài

Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo Tiến sĩ Nguyễn Công

Nguyên đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn tôi hoàn thành tốt luận văn này trong thời

gian qua Sự quan tâm hướng dẫn tận tình của thầy là động lực để tôi nỗ lực hết mình trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn

Ngoài ra tôi xin chân thành cảm ơn đến lãnh đạo trường Cao đẳng nghề Ninh Thuận, quý thầy cô trong Khoa Cơ khí đã trực tiếp và gián tiếp đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một học viên, luận văn của tôi không thể tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của quý thầy cô để tôi có điều kiện bổ sung, hoàn thiện luận văn của mình, phục vụ tốt hơn cho công tác giảng dạy tại trường Cao đẳng nghề Ninh Thuận

Xin trân trọng cảm ơn!

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU ix

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH BẲNG PHƯƠNG PHÁP IN 3D 1

1.1 Lịch sử và ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh bằng phương pháp in 3D 1 1.1.1 Lịch sử công nghệ tạo mẫu nhanh bằng phương pháp in 3D: 2

1.1.2 Ứng dụng của công nghệ in 3D trong cuộc sống 4

1.2 Giới thiệu về công nghệ in 3D 7

1.2.1 Công nghệ in 3D là gì? 7

1.2.2 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo máy in 3D 8

1.2.3 Phân loại công nghệ in 3D 9

1.2.4 Sơ lược cấu tạo cơ bản của một máy in 3D 12

1.2.5 Vật liệu tạo mẫu in 13

1.2.6 Vật liệu tạo mẫu in 16

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG IN 3D 18

2.1 Phân tích, so sánh các loại kết cấu máy in theo công nghệ FDM 18

2.1.1 Cartesian 18

2.1.2 Delta 19

2.1.3 Polar 19

2.1.4 So sánh ưu nhược điểm các dòng máy in bằng phương pháp FDM 19

2.2 Giới thiệu tổng quan về máy in 3D Prusa i3 21

2.2.1 Lịch sử về máy in 3D Prusa i3 21

2.2.2 Cấu tạo cơ bản của máy in 3D Prusa 22

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của máy in 3D Prusa 3i 25

2.2.4 Lựa chọn phương pháp nghiên cứu nâng cao độ chính xác trên máy in 3D Prusa 3i 27

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KẾT QUẢ CỦA CÁC MẪU IN TRÊN MÁY IN 3D PRUSA 3I 29

iv

3.1 Phương pháp thí nghiệm 29

3.2 Phương pháp đo kiểm tra mẫu in 32

3.3 Phương pháp tính giá trị sai số và giá trị bù cho mẫu in 32

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM CÁC MẪU IN TRÊN MÁY IN 3D PRUSA 3I 35

4.1 Số lượng thực nghiệm 35

4.2 Phần mềm thực nghiệm 35

4.2.1 Giới thiệu tổng quan về phần mềm in Ultimaker Cura 35

4.2.2 Nguyên lý hoạt động của phần mềm Cura 36

4.2.3 Trình tự thực hiện in 3D trên phần mềm Cura 37

4.3 Thực nghiệm kích thước từ 1-10 mm 37

4.3.1 Thiết kế thực nghiệm 37

4.3.2 Các bước thực nghiệm kích thước từ 1-10 mm theo trục Z 38

4.4 Thực nghiệm kích thước từ 10-50 mm theo trục Z 43

4.4.1 Thiết kế thực nghiệm 43

4.4.2 Các bước thực nghiệm kích thước từ 10-50 mm theo trục Z 43

4.5 Thực nghiệm kích thước từ 50-150 mm theo trục Z 46

4.5.1 Thiết kế thực nghiệm 46

4.5.2 Các bước thực nghiệm kích thước từ 50-150 mm theo trục Z 47

4.6 Thực nghiệm kích thước từ 150-250 mm theo trục Z 50

4.6.1 Thiết kế thực nghiệm 50

4.6.2 Các bước thực nghiệm kích thước từ 50-150 mm theo trục Z 50

4.7 Kết luận phương pháp thực nghiệm trên máy in 3D Prusa 3i 53

4.7.1 Phương pháp chung 53

4.7.2 Kết quả đạt được 54

4.7.3 Hạn chế của luận văn 55

4.8 Hướng phát triển đề tài 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Lịch sử phát triển của công nghệ in 3D 3

Hình 1.2 Lịch sử phát triển thị trường của công nghệ in 3D 4

Hình 1.3 Chiếc máy bay drone được tạo ra bằng công nghệ in 3D 5

Hình 1.4 Ứng dụng công nghệ in 3D trong xây dựng 5

Hình 1.5 Ứng dụng công nghệ in 3D trong y học 6

Hình 1.6 Mô phỏng cắt lớp trong in 3D 7

Hình 1.7 Qui trình công nghệ in 3D 9

Hình 1.8 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của phương pháp SLA 9

Hình 1.9 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của phương pháp SLS 10

Hình 1.10 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của phương pháp FDM 11

Hình 1.11 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của phương pháp FDM 12

Hình 1.12 Một số vật liệu in kim loại có thể được dùng trong công nghệ in 3D: titanium, thép không gỉ, bạc, vàng, đồng thau, đồng… 15

Hình 1.13 Xử lí bề mặt sau in 3D 16

Hình 2.1 Các loại máy in 3D 18

Hình 2.2 Máy in 3D Prusa i3 22

Hình 2.3 Khung máy in 3D Prusa i3 22

Hình 2.4 Phần bo mạch và màn hình điều khiển máy in 3D Prusa i3 23

Hình 2.5 Động cơ bước máy in 3D Prusa i3 24

Hình 2.6 Đầu phun nhựa máy in 3D Prusa i3 24

Hình 2.7 Bàn in máy in 3D Prusa i3 24

Hình 2.8 Biểu đồ sai số trên máy in 3D Pruasa 3i với lớp in là 0.2mm 27

Hình 3.1 Sai số kích thước và dung sai 29

Hình 3.2 Dịch chuyển sai số 30

Hình 3.3 Giảm miền phân bố thực 30

Hình 3.4 Nhựa PLA có đường kính 1.75mm 30

Hình 3.5 Sơ đồ thí nghiệm 31

Hình 3.6 Mẫu đo trên trục Z 32

Hình 3.7 Phương pháp đo mẫu in 3D 32

Hình 4.1 Phần mềm Ultimaker Cura 4.1.0 36

Hình 4.2 Giao tiếp giữa phần mềm Cura và máy in 3D 36

Hình 4.3 Dữ liệu từ 1-10 mm trên phần mềm Cura 37

Hình 4.4 Sơ đồ qui trình thực nghiệm 38

Hình 4.5 Kích thước trục X và Y 39

Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn sai số của trục X,Y,Z kích thước từ 1-10 mm 40

vi

Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn sai số của trục X trước và sau khi điều chỉnh 42

Hình 4.9 Đồ thị biểu diễn sai số của trục X trước và sau khi điều chỉnh 42

Hình 4.10 Đồ thị biểu diễn sai số của trục Z trước và sau khi điều chỉnh 42

Hình 4.10 Mẫu in có kích thước từ 10-50 mm theo trục Z 43

Hình 4.11 Đồ thị biểu diễn sai số ban đầu của trục Z kích thước từ 10-50 mm 44

Hình 4.12 Đồ thị biểu diễn sai số của trục Z trước và sau khi điều chỉnh 46

Hình 4.13 Mẫu in sau khi điều chỉnh giá trị trục Z kích thước từ 10-50 mm 46

Hình 4.14 Mẫu in có kích thước từ 50-150 mm theo trục Z 47

Hình 4.15 Đồ thị biểu diễn sai số ban đầu của trục Z kích thước từ 50-150 mm 48

Hình 4.16 Đồ thị biểu diễn sai số của trục Z trước và sau khi điều chỉnh 49

Hình 4.13 Mẫu in sau khi điều chỉnh giá trị trục Z kích thước từ 50-150 mm 50

Hình 4.18 Đồ thị biểu diễn sai số ban đầu của trục Z kích thước từ 150-250 mm 51

Hình 4.19 Đồ thị sai số của trục Z trước và sau điều chỉnh kích thước 150-250 mm 52

Hình 4.20 Mẫu in sau khi điều chỉnh giá trị trục Z kích thước từ 150-250 mm 53

vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 So sánh ưu nhược điểm của các loại máy in 3D 21

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật máy in 3D Prusa 3i 25

Bảng 2.3 Sai số gây ra trên độ dày lớp in của máy in 3D Prusa 3i 27

Bảng 3.1 Các kích thước và giá trị sai số cho trục Z 33

Bảng 3.2 Giá trị bù B(i) cho trục Z 33

Bảng 4.1 Giá trị thực nghiệm kích thước từ 1-10 mm 40

Bảng 4.2 Giá trị thực nghiệm kích thước từ 1-10 mm 41

Bảng 4.3 Giá trị sai số trước và sau hiệu chỉnh của trục X,Y,Z kích thước từ 1-10 mm 42

Bảng 4.4 Giá trị thực nghiệm trục Z kích thước từ 10-50 mm 44

Bảng 4.5 Giá trị kích thước hiệu chỉnh trục Z từ 10-50 mm 45

Bảng 4.6 Giá trị sai số trước và sau hiệu chỉnh của trục Z kích thước từ 10-50mm 45

Bảng 4.7 Giá trị thực nghiệm trục Z kích thước từ 50-150 mm 47

Bảng 4.8 Giá trị kích thước hiệu chỉnh trục Z từ 10-50 mm 49

Bảng 4.9 Giá trị sai số trước và sau hiệu chỉnh của trục Z kích thước từ 50-150 mm 49

Bảng 4.10 Giá trị thực nghiệm trục Z kích thước từ 150-250 mm 51

Bảng 4.11 Giá trị kích thước hiệu chỉnh trục Z từ 150-250 mm 52

Bảng 4.12 Giá trị sai số trước và sau hiệu chỉnh của trục Z kích thước từ 150-250 mm 52

viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

RP (Rapid Prototyping): Tạo mẫu nhanh

3D (Three – Dimension): Kích thước ba chiều

3DP (3-Dimensional Printing): In 3 chiều

CAD (Computer-aided design): Thiết kế hỗ trợ bởi máy tính

CAM (Computer-aided manufacturing): Thiết kế đưa vào sản xuất hỗ trợ bởi máy tính CNC (Computer Numeric Control): Điều khiển số bằng máy tính

FDM (Fused Deposition Modelling): Phương pháp mô hình hóa lắng đọng

PLA (Polylatic Axit): Nhựa dẻo sinh học

STL (StereoLithography): quá trình sản xuất vật thể rắn

SLA (StereoLithography Apparatus): Phương pháp tạo mẫu lập thể

SLS (Selective Laser Sintering): Phương pháp thiêu kết bằng Laser

ix

MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ tạo mẫu nhanh (RP) là công nghệ của thế kỷ 21, tích hợp những thành tựu của công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu, tự động hóa, kỹ thuật laser và cơ khí hiện đại Thiết bị tạo mẫu nhanh đã có nhiều tại Việt Nam và bước đầu đưa vào sản xuất Tạo mẫu nhanh là một ý tưởng rất thiết thực phục vụ cho việc rút ngắn chu kỳ ra đời của một sản phẩm và đã đem lại hiệu quả kinh tế lớn ở những nơi biết khai thác đúng bản chất của công nghệ này một cách linh hoạt Một trong những ứng dụng nổi bật của công nghệ RP là chế tạo mẫu bằng phương pháp in 3D

Nhược điểm lớn nhất của công nghệ RP là độ chính xác thấp hơn so với phương pháp truyền thống CAD/CAM/CNC Chính vì những lý do này tôi đã lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu, tối ưu hóa ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến độ chính xác của mẫu trong công nghệ tạo mẫu nhanh trên máy in 3D Prusa” Rất mong TS Nguyễn Công Nguyên và quý thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật Cơ khí thuộc Khoa Cơ khí trường Đại học Thủy Lợi giúp tôi hoàn thành luận văn này

2 Mục đích của đề tài:

Trong điều kiện thực tế, đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ đến độ chính xác khi in mẫu và tối ưu hóa việc xây dựng được phương trình để nâng cao độ chính xác kích thước của mẫu trong công nghệ RP trên máy in 3D Prusa bằng phương pháp FDM (Fused Deposition Modelling)

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Tối ưu hóa các thông số công nghệ nhằm nâng cao độ chính xác trong tạo mẫu nhanh bằng công nghệ in 3D được tiến hành trên máy in 3D Prusa sử dụng vật liệu PLA (Polylatic Axit) bằng phương pháp khảo sát thực nghiệm các mẫu in để tìm ra phương trình cải thiện độ chính xác của các mẫu in

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

x

Thực nghiệm in các mẫu bằng vật liệu PLA từ kích thước 1-10 mm, từ 10-50 mm, từ 50-150 mm, từ 150-250 mm trên máy in 3D Prusa để tìm ra phương trình cải thiện độ chính xác của các mẫu in trên máy in 3D Prusa

5 Cấu trúc của luận văn:

Luận văn gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về công nghệ in 3D; Chương 2: Phân tích, lựa chọn phương án tối ưu hóa các thông số ảnh hưởng đến độ chính xác trong in 3D; Chương 3: Phương pháp phân tích kết quả của mẫu in trên máy in 3D Prusa; Chương 4: Thực nghiệm, tổng kết và đánh giá quá trình thực nghiệm các mẫu in trên máy in 3D Prusa;

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH BẲNG

PHƯƠNG PHÁP IN 3D

1.1 Lịch sử và ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh bằng phương pháp in 3D

Tạo mẫu nhanh là một nhóm các kỹ thuật được sử dụng để chế tạo một cách nhanh chóng một mô hình thu nhỏ của một bộ phận vật lý hoặc lắp ráp bằng cách sử dụng dữ liệu thiết kế ba chiều có sự hỗ trợ của máy tính (CAD) Các chi tiết hay cụm lắp ráp được chế tạo bằng công nghệ in 3D hay sản xuất bằng các lớp bồi đắp

Phương pháp tạo mẫu nhanh đầu tiên xuất hiện vào cuối những năm 80 và được sử dụng để chế tạo các mô hình và các chi tiết mẫu Ngày nay, chúng được sử dụng cho nhiều ứng dụng sản xuất các chi tiết chất lượng với số lượng tương đối nhỏ nếu cần

mà không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố kinh tế ngắn hạn gây bất lợi Nền kinh tế này đã khuyến khích các văn phòng dịch vụ trực tuyến Các nghiên cứu lịch sử về công nghệ

RP bắt đầu với các cuộc thảo luận về kỹ thuật sản xuất simulacra được sử dụng bởi các nhà điêu khắc thế kỷ 19 Một số nhà điêu khắc hiện đại sử dụng công nghệ con cháu

để sản xuất triển lãm Khả năng tái tạo các thiết kế từ một tập dữ liệu đã làm nảy sinh các vấn đề về quyền, vì bây giờ có thể nội suy dữ liệu thể tích từ các hình ảnh một chiều

Cũng như các phương pháp sản xuất trừ CNC, quy trình thiết kế với sự hỗ trợ máy tính - sản xuất CAD -CAM trong quy trình tạo mẫu nhanh truyền thống bắt đầu bằng việc tạo dữ liệu hình học, hoặc là khối 3D bằng máy trạm CAD hoặc cắt lát 2D sử dụng thiết bị quét Để tạo mẫu nhanh, dữ liệu này phải đại diện cho một mô hình hình học hợp lý; cụ thể là, một mặt có các bề mặt biên bao quanh một khối lượng hữu hạn, không chứa lỗ nào lộ ra bên trong, và không tự gập lại Nói cách khác, đối tượng phải

có "bên trong" Mô hình là hợp lệ nếu cho mỗi điểm trong không gian 3D, máy tính có thể xác định duy nhất cho dù điểm đó nằm bên trong, trên hoặc bên ngoài bề mặt biên của mô hình Các bộ xử lý CAD sẽ ước tính các dạng hình học CAD bên trong của nhà cung cấp ứng dụng (ví dụ, B-splines) với một dạng toán học đơn giản, lần lượt được thể hiện dưới dạng dữ liệu được chỉ định, một tính năng phổ biến trong sản xuất bồi

2

đắp: STL (stereolithography) một tiêu chuẩn thực tế để chuyển các mô hình hình học

khối đặc sang các máy SFF Để có được các quỹ đạo điều khiển chuyển động cần thiết

để điều khiển SFF thực tế, tạo mẫu nhanh, in 3D hoặc cơ chế sản xuất phụ gia, mô hình hình học được chuẩn bị thường được cắt thành các lớp và các lát được quét thành các đường (tạo bản vẽ 2D) quỹ đạo như đường chạy dao CNC), mô phỏng ngược lại quá trình xây dựng vật lý từng lớp

1.1.1 Lịch sử công nghệ tạo mẫu nhanh bằng phương pháp in 3D:

Có rất nhiều thuật ngữ khác nhau được dùng để chỉ công nghệ sản xuất đắp dần, quen thuộc nhất là công nghệ in 3D (Three – Dimension), bên cạnh những tên khác như công nghệ tạo mẫu nhanh, công nghệ chế tạo nhanh và công nghệ chế tạo trực tiếp Như vậy, hầu hết các thuật ngữ này đều ra đời dựa trên cơ chế hay tính chất của công nghệ Thuật ngữ “in 3D” sẽ cho người nghe hình dung về việc sử dụng máy in phun với đầu mực di chuyển trên giấy để tạo ra các sản phẩm hoàn thiện, giống như máy in bình thường hiện nay vẫn hay sử dụng tại văn phòng Trên thực tế thì công nghệ sản xuất đắp dần cũng có thể hoạt động tương tự như vậy, nhưng nó còn có những quá trình, kĩ thuật tiến bộ hơn Một cách cụ thể, Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Mỹ (American Society for Testing Materials - ASTM) đã đưa ra một khái niệm rõ ràng về công nghệ đắp dần: “Công nghệ sản xuất đắp dần là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo nên mô hình 3D, thường là chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau, và quá trình này trái ngược với quá trình cắt gọt vẫn thường dùng để chế tạo xưa nay” Có thể thấy đây là một phương pháp sản xuất hoàn toàn trái ngược so với các phương pháp cắt gọt - hay còn gọi là phương pháp gia công, mài giũa vật liệu nguyên khối - bằng cách loại bỏ hoặc cắt gọt đi một phần vật liệu, nhằm có được sản phẩm cuối cùng Còn với sản xuất đắp dần, ta có thể coi nó là công nghệ tạo hình như đúc hay ép khuôn, nhưng từ những nguyên liệu riêng lẻ để đắp dần thành sản phẩm cuối cùng Công nghệ sản xuất đắp dần ra đời đã được hơn 30 năm nay Năm 1986, Charles Hull sáng tạo ra một quá trình gọi là Stereolithography – sản xuất vật thể từ nhựa lỏng và làm cứng lại nhờ laser Sau đó, ông Hull thành lập công ty 3DSystems, một trong những nhà cung cấp công nghệ lớn nhất hiện nay trong lĩnh vực sản xuất đắp dần

3

Nếu lập biểu thời gian thì chúng ta sẽ thấy công nghệ này phát triển theo một biểu đồ logarit

Hình 1.1 Lịch sử phát triển của công nghệ in 3D

Từ 1986 đến 2007, trong 20 năm đầu tiên, công nghệ này mới chỉ có các bước đi nhỏ, chậm, đây được gọi là giai đoạn xâm nhập, bước nền cho công nghệ tạo mẫu nhanh Tuy nhiên đến năm 2009, đã có một sự biến động lớn trên thị trường, nhiều bằng sáng chế về công nghệ này đã hết hạn bảo vệ bản quyền, trong đó có bằng sở hữu FDM Quá trình Fuse Deposition Modelling (FDM) tạo hình sản phẩm nhờ nấu chảy vật liệu rồi xếp đặt chồng lớp, vốn được sở hữu bởi hãng Stratasys, một trong những đối thủ cạnh tranh hàng đầu trong lĩnh vực Khi bằng sáng chế về FDM hết giá trị, công nghệ này đã thu hút nhiều nhà sản xuất tham gia Giá thành sản xuất giảm và FDM trở thành một trong những chìa khóa công nghệ cơ bản của các máy sản xuất đắp dần được tiêu thụ trên thị trường hiện nay

Ngoài ra, đến năm 2014, các bằng sáng chế cho công nghệ Nung kết sử dụng laser (Selective Laser Sintering-SLS) cũng bắt đầu hết hạn, tạo cơ hội cho những sáng chế mới phát triển hơn nữa ngành sản xuất đắp dần, mở đường cho một thời kỳ phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp này trong tương lai rất gần

Năm 2013, ngành công nghệ sản xuất đắp dần trị giá khoảng 3,1 tỷ USD/năm, tăng 35% so với năm 2012 Trong vòng sáu năm tới, tốc độ tăng trưởng trung bình được dự đoán ở mức cao, khoảng 32%/năm và đạt mức 21 tỷ USD vào năm 2020 Trong vòng

4

sáu năm tới, tốc độ tăng trưởng trung bình được dự đoán ở mức cao, khoảng 32%/năm

và đạt mức 21 tỷ USD vào năm 2020

Hình 1.2 Lịch sử phát triển thị trường của công nghệ in 3D

1.1.2 Ứng dụng của công nghệ in 3D trong cuộc sống

Ứng dụng công nghệ in 3D vào việc tạo mẫu vẫn là một ứng dụng thực tế lớn nhất hiện nay Toàn bộ nền công nghiệp đang được hưởng lợi rất nhiều từ công nghiệp in 3D xuyên suốt tất cả ứng dụng in 3D theo diện rộng

1.1.2.1 Ứng dụng công nghệ in 3D trong không gian vũ trụ

Tại triển lãm hàng không Berlin, hãng sản xuất máy bay Airbus đã đem đến demo một chiếc máy bay drone được tạo ra bằng công nghệ in 3D Chiếc drone này được đặt tên

là Thor, theo tên của thần sấm trong thần thoại Na-Uy hoặc rất quen thuộc với chúng

ta trong truyện và phim của Marvel

Thị trường sản xuất đắp dần (Tỷ USD)

5

Hình 1.3 Chiếc máy bay drone được tạo ra bằng công nghệ in 3D

1.1.2.2 Ứng dụng công nghệ in 3D trong xây dựng

Trong ngành xây dựng, in 3D trong xây dựng có thể được sử dụng để tạo ra các thành phần xây dựng hoặc in toàn bộ tòa nhà Sự xuất hiện gần đây của xây dựng mô hình thông tin (BIM) nói riêng có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng in 3D

In 3D trong xây dựng có thể cho phép, nhanh hơn và chính xác hơn việc xây dựng các công trình phức tạp hoặc theo yêu cầu cũng như giảm chi phí lao động và sản xuất ít chất thải Nó cũng có thể cho phép xây dựng được thực hiện trong môi trường khắc nghiệt hoặc nguy hiểm không phù hợp với lực lượng lao động của con người như trong không gian

Hình 1.4 Ứng dụng công nghệ in 3D trong xây dựng

1.1.2.3 Ứng dụng công nghệ in 3D trong y học

Tại Pháp, các bác sĩ cấy ghép thành công đốt sống cổ với in 3D

6

Hình 1.5 Ứng dụng công nghệ in 3D trong y học Mới đây, bằng công nghệ in 3D, các chuyên gia đã tái tạo được tai người có cả mạch máu và sụn tai Đây được xem là một bước đột phá, tạo nền móng cho việc “in” ra các

bộ phận thay thế trên cơ thể con người trong tương lai

1.1.2.4 Ngoài ra còn có một số ứng dụng khác trong công nghệ in 3D

Trong ngành công nghiệp điện tử: máy in 3D đã được sử dụng để chế tạo các bộ phận phức tạp đặc biệt từ các chất liệu khác nhau và đã mở ra một trào lưu mới của ngành công nghiệp này

Ứng dụng công nghệ in 3D trong ngành thời trang để tạo ra trang sức và trang phục thiết kế theo yêu cầu cá nhân được sản xuất bằng công nghệ in 3D hiện nay đã trở nên khá phổ biến trên thế giới

Ứng dụng công nghệ in 3D trong ngành công nghiệp thực phẩm như có thể thiết kế các món ăn như socola hay bánh kẹo thành những hình dạng đẹp mắt và cầu kỳ, sau đó sử dụng các nguyên liệu thực phẩm ở dạng lỏng hoặc dạng bột để in thành món ăn theo những hình dạng đã được thiết kế

Ứng dụng công nghệ in 3D trong ngành ô tô để sản xuất thử nghiệm các thiết kế, tạo mẫu và sản xuất một số bộ phận, công cụ lắp ráp đặc biệt Ngoài ra, người ta cũng đã dùng công nghệ in 3D để sản xuất ra những chiếc xe hoàn chỉnh

Ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất và tiêu dùng, đây là ngành sử dụng máy in 3D nhiều nhất Lý do chính khiến công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong môi trường công nghiệp là do nó cho phép sản xuất các mô hình có hình dạng phức tạp, cắt giảm phế liệu, tạo nhanh sản phẩm thử nghiệm theo yêu cầu Vì vậy, in 3D mở ra tiềm

Một khi thiết kế được hoàn thành, bản vẽ 3D phải được xuất ra thành tập tin STL, có nghĩa là tệp tin được dịch sang thành vô số các mặt và đỉnh Tệp STL sau đó sẽ được cắt thành hàng trăm, hàng nghìn các lớp 2D, máy in 3D sau đó đọc các lớp 2D và chạy

in từng lớp chồng lên nhau, tạo thành một sản phẩm khối ba chiều Tất cả các tệp thiết

kế bất kể công nghệ in 3D nào đều được cắt thành từng lớp trước khi in Độ dày lớp in, kích thước của từng lớp in được xác định một phần bởi công nghệ, một phần do vật liệu, một phần theo độ phân giải và thời gian in Các lớp dày hơn tương đương với thời gian in nhanh hơn, các lớp mỏng hơn tương đương với độ phân giải tốt hơn, chi tiết mịn hơn và do đó ít phải xử lý sau khi in

Hình 1.6 Mô phỏng cắt lớp trong in 3D Ngày nay, công nghệ in 3D phát triển rất đa dạng, với mỗi sản phẩm 3D có thể được in

ra với nhiều loại vật liệu khác nhau, vật liệu dạng khối, dạng lỏng, dạng bột bụi Với

Có thể dùng các phần mềm thiết kế 3D-CAD, thiết kế tạo nên sản phẩm ở dạng 3D

Có thể dùng công nghệ scan 3D, dùng các máy quét xây dựng dữ liệu 3D ngược từ các chi tiết có sẵn

- Chuyển dữ liệu 3D sang định dạng STL:

Các phần mềm 3D khác nhau sử dụng thuật toán khác nhau để thể hiện vật thể rắn (Solid part), để thiết lập tính thống nhất – định dạng STL (StereoLithography) đã được

áp dụng như là tiêu chuẩn của ngành công nghiệp tạo mẫu nhanh

Định dạng này là quỹ tích của các mặt tam giác phẳng lắp ráp liên tục với nhau thể hiện bề mặt của vật thể trong không gian ba chiều Do định dạng STL sử dụng các yếu

tố mặt phẳng (planar triangles) nên nó không thể hiện bề mặt cong một cách chính xác Tăng số lượng mặt tam giác có thể cải thiện độ mịn của bề mặt cong nhưng bù lại dung lượng file sẽ tăng

Các chi tiết lớn, phức tạp sẽ cần nhiều thời gian cho khâu tiền xử lý và xây dựng định dạng STL Do đó, người thiết kế phải cân nhắc giữa yếu tố thời gian, dung lượng file

và độ chính xác để có được một file STL hữu ích

- Cắt mẫu thành từng lớp mỏng trên mặt ngang:

Trong bước này, một chương trình tiền xử lý file STL sẽ được xây dựng, một sô chương trình có sẵn và hầu hết cho phép người dùng điều chỉnh kích thước, vị trí và hướng đặt để mô hình

9

Mỗi lát cắt (layer) có bề dày dao động từ 0.016mm đến 0.7mm tùy theo công nghệ khác nhau Hiện tại, công nghệ Polyjet của Objet/Stratasys có thể đạt bề dày lớp cắt 0.016mm

- Chuyển dữ liệu vào máy in

- Xử lý bề mặt sản phẩm

Hình 1.7 Qui trình công nghệ in 3D

1.2.3 Phân loại công nghệ in 3D

1.2.3.1 SLA (Stereo Lithography Apparatus)

Hình 1.8 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của phương pháp SLA

SLA là kỹ thuật dùng tia laser làm đông cứng nguyên liệu lỏng để tạo các lớp nối tiếp cho đến khi sản phẩm hoàn tất, độ dày mỗi lớp nhỏ nhất có thể đạt đến 0,06mm nên rất chính xác

Có thể hình dung kỹ thuật này như sau: đặt một bệ đỡ trong thùng chứa nguyên liệu lỏng, chùm tia laser di chuyển (theo thiết kế) lên mặt trên cùng của nguyên liệu lỏng theo hình mặt cắt ngang của sản phẩm làm lớp nguyên liệu này cứng lại Bệ đỡ chứa

10

lớp nguyên liệu đã cứng được hạ xuống để tạo một lớp mới, các lớp khác được thực hiện tiếp tục đến khi sản phẩm hoàn tất

- Ưu điểm: Tạo mẫu độ chính xác cao, bề mặt nhẵn, có thể tạo ra các mẫu hình

dạng phức tạp và kích thước lớn, sử dụng vật liệu nhựa dạng đục

- Nhược điểm: Máy móc sử dụng công nghệ này cồng kềnh hơn và đắt hơn so với

các công nghệ in 3D khác Khi sử dụng công nghệ này để tạo mẫu đòi hỏi một số yêu cầu đặc biệt như: cần phải bảo quản mẫu trong phòng tối để tránh ánh sáng mặt trời làm cong vật liệu nhựa cảm quang tạo mẫu, yêu cầu sự bảo dưỡng mẫu cẩn thận và cần xử lý mẫu sau khi in, ngoài ra mẫu có thể chứa một lượng nhựa độc hại tồn tại

trong một thời gian hữu hạn

1.2.3.2 SLS (Selective Laser Sintering)

Hình 1.9 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của phương pháp SLS

SLS tương tự SLA nhưng vật liệu ở dạng bột như bột thủy tinh, bột gốm sứ, thép, titan,

nhôm, bạc… Tia laser giúp liên kết các hạt bột với nhau.Đặc biệt, bột thừa sau quy trình có thể tái chế nên rất tiết kiệm

- Ưu điểm: Khả năng tạo mẫu bằng các loại vật liệu dạng bột khác nhau như

nhựa, kim loại, thủy tinh Tạo mẫu đa dạng về màu sắc, có thể tạo ra các mẫu hình dạng phức tạp, không cần sử dụng vật liệu hỗ trợ

11

- Nhược điểm: Phức tạp, chi phí đầu tư cao, chi phí vận hành cao do hao tổn vật

liệu lớn

1.2.3.3 FDM (Fused Deposition Modeling)

FDM là phương pháp dùng vật liệu dễ chảy như nhựa nhiệt dẻo Đầu vòi phun gia nhiệt hóa dẻo vật liệu, sau đó phun lên bệ đỡ theo hình mặt cắt của vật mẫu thành từng lớp Điểm hạn chế là độ rộng của đường phun phụ thuộc kích thước đầu vòi, nên cần tính toán để chọn đầu vòi thích hợp

Hình 1.10 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của phương pháp FDM

- Ưu điểm: Máy in 3D công nghệ FDM sử dụng hàng loạt các vật liệu nhựa ABS,

PLA với các sự lựa chọn màu sắc khác nhau Chi phí bảo dưỡng thấp, vật liệu in không độc hại, không cần sự giám sát trong quá trình in Các mẫu in bằng công

nghệ FDM độ bền tốt, có khả năng chịu nhiệt, chịu va đập lớn

- Nhược điểm: Công nghệ FDM tạo ra các lớp in dày hơn vì vậy công nghệ này

thường ít được sử dụng cho việc tạo mẫu yêu cầu độ chính xác tuyệt đối Bề mặt nhẵn của mẫu in bằng FDM có thể đạt được bằng cách xử lý mẫu bằng tay

Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng, nhưng yếu tố chính cần cân nhắc khi chọn lựa là tốc độ, chi phí, độ chính xác và màu sắc muốn đạt được Công nghệ

12

FDM rất phổ biến hiện nay Do đó, để chế tạo một chiếc máy in 3D dễ dàng hơn, giá thành rẽ hơn, độ chính xác cao thì công nghệ FDM là rất thích hợp Nên em chọn công nghệ FDM để thực hiện luận văn này

1.2.4 Sơ lược cấu tạo cơ bản của một máy in 3D

1.2.4.1 Input

Đầu vào của một máy in 3D là định dạng file STL, file STL sẽ biểu diễn chi tiết 3D dưới dạng quỹ tích của các tam giác phẳng lắp ráp liên tục với nhau để thể hiện mặt của vật thể trong không gian 3 chiều

Hình 1.11 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của phương pháp FDM

Máy in 3D chỉ dùng 3 động cơ bước

Động cơ bước: Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của roto và có khả năng cố định roto vào những

vị trí cần thiết Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc

13

quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động cơ bước thì roto (phần cảm) của động cơ

sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ Khi các xung điện

áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục (Nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc)

1.2.4.4 Vít me đai ốc

Truyền động Vít – đai ốc được dùng để biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến

1.2.5 Vật liệu tạo mẫu in

Bản chất của các công nghệ đó rất khác nhau, điều đó có nghĩa là vật liệu cho mỗi công nghệ cần phải ở dạng khác nhau Ngày nay, việc lựa chọn vật liệu và công nghệ

in 3D dĩ nhiên quan trọng hơn bao giờ hết Điều này làm cho nó khá khó khăn để biết tổng quát mọi loại vật liệu in 3D Nhưng những gì chúng ta có thể làm là xem xét các loại vật liệu khác nhau và chi phí của chúng Hai loại cơ bản nhất là polymer và kim loại, trong đó cả hai đều có các loại phụ riêng Loại kim loại ít phức tạp hơn nhiều so với polyme, trong loại kim loại không có nhiều vật liệu, chủ yếu là bột kim loại được

sử dụng với công nghệ in 3D hợp nhất bột kim loại

Yêu cầu đối với vật liệu tạo mẫu trong công nghệ in 3D:

- Khả năng hóa dẻo: là khả năng biến đổi trạng thái từ dạng rắn sang dạng

- Chảy dẻo dưới tác dụng của nhiệt độ cao Khả năng này giúp dễ dàng định hình

vật kiệu và điều phối thể tích theo ý muốn Điều này mang tính quyết định trong việc hình thành chiều dày lớp tạo hình

- Thời gian đông cứng: sau khi gia nhiệt và định hình theo ý muốn thì vật liệu sẽ

tiếp xúc với môi trường không khí ở nhiệt độ phòng, khi đó vật liệu phải đông cứng trở lại Thời gian đông cứng của vật liệu phải thật nhanh, thường phải thấp hơn 10s Tính đông cứng này giúp vật liệu có độ cứng vững cần thiết sau mỗi lớp mỏng tạo hình cho đối tượng tạo mẫu, điều này có ý nghĩa quan trọng về độ chính xác hình dáng hình học sau cùng của đối tượng tạo mẫu

14

- Khả năng liên kết: Chính là khả năng kết dính bề mặt của 2 lớp vật liệu mỏng

liền kề nhau trong quá trình tạo mẫu, 2 lớp vật liệu này có thể ở 2 nhiệt độ khác nhau, hai trạng thái vật lí khác nhau Tính chất này mang ý nghĩa quan trọng đối với cơ tính,

độ cứng vững của sản phẩm tạo hình khi hoàn thành

- Độ nhớt của vật liệu: độ nhớt của vật liệu sẽ quyết định khả năng di chuyển của

dòng vật liệu khi ở trạng thái chảy dẻo dưới tác dụng của nhiệt độ Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định mức độ lực cần thiết để đẩy dòng vật liệu với vận tốc xác định trước, do đó nó sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc và kích thước cụm đùn vật liệu của máy

1.2.5.1 Nhựa ABS (acrylonitrile butadiene styrene)

Sợi nhựa ABS là vật liệu tổng hợp có nguồn gốc từ dầu mỏ và được sử dụng nhiều nhất cho máy in 3D FDM sơ cấp Đặc tính của nhựa ABS là có độ bền cao, chiu lực tốt, chịu được nhiệt độ cao, linh hoạt

Các sản phẩm tạo ra từ vật liệu in 3D là nhựa ABS được ứng dụng trong công nghiệp: sản xuất ống cống, ống chất thải, linh kiện ô tô, dụng cụ nhà bếp…

Nhiệt độ in của nhựa ABS khá cao từ 2300C trở lên

1.2.5.2 Nhựa PLA (Polylactic axit)

Nhựa PLA là nhựa nhiệt dẻo phân ban đầu huỷ sinh học Nhựa có nguồn gốc từ các nguồn tái tạo như bột ngô, mía, củ sắn.Bản chất của PLA có màu trong suốt nên nó có thể dễ dàng nhuộm thành bất cứ màu gì hay bất cứ sắc độ đậm nhạt nào cũng được và

có khả năng phát sáng trong buổi tối

Khi chọn vật liệu in 3D là nhựa PLA thì sẽ không bền và dẻo như nhựa ABS nhưng

nhựa PLA cứng và khỏe hơn ABS nên đôi khi khó chế tác gia công đối với những chi tiết ở những bộ phận phải lồng ghép vào nhau như khớp nối chẳng hạn

Trong điều kiện nhiệt độ in thông thường PLA không có mùi lạ Nhiệt độ in của PLA cũng tương đối thấp 1900C – 2100C

1.2.5.4 Kim loại

Hình 1.12 Một số vật liệu in kim loại có thể được dùng trong công nghệ in 3D:

titanium, thép không gỉ, bạc, vàng, đồng thau, đồng…

(trừ ABS là nhựa và Ceramics) Hiện tại, có một số lượng lớn vật liệu kim loại và vật liệu kim loại tổng hợp được sử dụng trong công nghệ in 3D ở cấp độ công nghiệp Hai vật liệu phổ biến trong số đó chính là nhôm (aluminium) và dẫn xuất coban (cobalt derivatives)

Một trong những vật liệu kim loại cứng nhất, và cũng vì lý do đó mà được sử dụng nhiều nhất trong công nghệ in 3D đó là Thép Không Rỉ, ở dạng bột dùng trong các phương pháp như thiêu kết Ở dạng bình thường, chúng có màu bạc, nhưng cũng có thể được mạ bởi vật liệu khác để có hiệu ứng màu vàng hoặc đồng

Trong những năm gần đây, vàng và bạc cũng đã được công nhận là vật liệu kim loại nằm trong phạm vi có thể in 3D trực tiếp, với ứng dụng phổ biến đương nhiên là trong lĩnh vực trang sức Cả hai loại vật liệu này đều là vật liệu rất cứng và thường được xử

lý ở dạng bột

16

Titanium cũng là một trong những vật liệu kim loại cứng nhất hiện tại, và thỉnh thoảng cũng được sử dụng trong ứng dụng của in 3D trong công nghiệp Được cung cấp ở dạng bột

1.2.6 Vật liệu tạo mẫu in

Nhiều máy in 3D dùng vật liệu nhựa được bán trên thị trường, nhưng chưa có loại nào cho ra sản phẩm in 3D có chất lượng bề mặt tương đương với máy ép nhựa thông thường.Những người dùng máy in 3D, đặc biệt là máy in 3D Reprap, luôn tìm cách để

xử lý bề mặt sản phẩm in 3D Lý do cần phải xử lý bề mặt mẫu in 3D:

- Các máy in 3D giá rẻ (công nghệ FDM) cho sản phẩm prototype có chất lượng

thấp, nhiều viền răn

- Độ chính xác của máy in 3D thấp, độ phân giải mô hình in 3D không cao…

- Quá trình cắt gọn vật liệu support khiến cho sản phẩm in 3D có các vết

“thẹo”…

Phương pháp xử lý bề mặt sản phẩm in 3D tạo mẫu nhanh:

- Dùng cọ chà các sợi nhựa bám trên sản phẩm

- Dùng giấy nhám làm mịn các lớp in 3D

Tất cả phương pháp trên đều tốn thời gian và công sức, nhưng không mang lại hiệu quả như mong đợi Đối với sản phẩm in 3D dùng vật liệu ABS, bạn có thể dùng Acetone để làm cho bề mặt trơn mượt

Hình 1.13 Xử lí bề mặt sau in 3D Bạn cần phải đưa mẫu in 3D vào trong một bình thủy tinh, rồi đặt bình lên bàn nhiệt máy in 3D Khi gia nhiệt đến 90 độ C, acetone sẽ bay hơi tạo ra một đám mây khí bao

17 quanh vật thể Do đặc tính hóa học, Acetone sẽ ăn mòn nhựa ABS Sau chừng 2-3h, sản phẩm đã …mượt đẹp

18

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG IN 3D

2.1 Phân tích, so sánh các loại kết cấu máy in theo công nghệ FDM

Máy in 3D đang ngày càng phát triển và chứng tỏ được sự hữu ích trong ngành công nghiệp cũng như đời sống thường ngày Và để tận dụng được tối đa khả năng của máy

in, bạn phải nắm rõ những đặc điểm cũng như ưu – nhược điểm của từng loại máy Với ưu điểm chi phí thấp, dễ sử dụng, tốc độ tạo mẫu nhanh thì lựa chọn công nghệ in FDM là phù hợp với những nội dung trình bày trong đồ án này

Nếu phân loại theo kết cấu chuyển động thì hiện nay phổ biến với 3 loại máy in 3D: Cartesian, Delta, và Polar

Hình 2.1 Các loại máy in 3D

2.1.1 Cartesian

- Nguyên lý: Là các máy in 3D di chuyển đầu đùn nhựa nhờ các chuyển động theo phương X, Y, Z trong hệ tọa độ Cartesian

- Kết cấu: Về kết cấu máy, máy có dạng kết cấu chuẩn như một máy phay CNC

3 trục với các trục di chuyển một cách cơ bản trong hệ tọa độ Đề-các Khung máy

thường có 2 dạng là dạng khung hộp và khung chữ H

- Đặc điểm làm việc và phạm vi ứng dụng

Máy in dạng này thường sử dụng hệ truyền động trục x,y dùng đai và trục z dùng vít

me Vì hoạt động của máy tương tự một máy phay CNC 3 trục nên dạng máy này được

sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất Các tọa độ theo các trục cho ta vị trí và cách thức chuyển động

19

2.1.2 Delta

- Nguyên lý : Là cách thức mà đầu phun di chuyển theo nguyên lý của robot

delta Đầu phun di chuyển độ cao, qua lại, tới lui nhờ kết nối kiểu khớp nối giữa 3 thanh nối với 3 con trượt ở trên các trục đứng của máy Tùy vào độ cao của con trượt

và góc giữa thanh và trục đứng thì đầu phun sẽ ở các vị trí khác nhau

- Kết cấu: Về kết cấu máy in Delta có kết cấu hình lăng trụ tam giác đều tai mỗi

cạnh của lăng trụ bố trí các con trượt, các con trượt này được kết nối với các thanh truyền thông qua các khớp cầu Các thanh truyền này được kết nối vào một đầu đồ gá đầu in, các chuyển động trượt lên xuống các con trượt tạo ra chuyển động in cho đầu

đùn

- Đặc điểm làm việc và phạm vi ứng dụng: Hệ truyền động của máy tất cả đều

đẫn động bằng đai và máy thường được sử dụng để in các vật thể tròn xoay hoặc vật thể có độ cao lớn Thực tế ứng dụng của máy Delta ít phổ biến hơn dòng Cartesian do máy chế tạo, lắp ráp và căn chỉnh khá phức tạp Và để in được cùng một kích thước

chiều cao thì Delta thường cao hơn máy bình thường 40%

2.1.3 Polar

- Nguyên lý: Loại máy in 3D này mới và ít phổ biến hơn hai loại trên Đầu đùn nhựa di chuyển theo nguyên lý của tọa độ cực

- Kết cấu: Về kết cấu máy do chuyển động của đầu đùn theo nguyên lý của tọa

độ cực nên chuyển động của đầu đùn cũng khác so với 2 loại còn lại Đầu đùn chỉ có một chuyển động theo trục thẳng đứng và bàn in sẽ di chuyển theo hướng vuông góc

và có thể xoay tròn Vậy nên kết cấu khung máy in này thường có dạng chữ C

- Đặc điểm làm việc và phạm vi ứng dụng: Đây là một dòng máy nhỏ gọn có thể

tháo ra lắp lại rất nhanh, rất phù hợp cho việc di chuyển Máy có thể ứng dụng trong

việc làm một láy in 3D mini tiện lợi khi di chuyển ở những khoảng cách xa

2.1.4 So sánh ưu nhược điểm các dòng máy in bằng phương pháp FDM

-Hoạt động êm, ít rung, tốc độ cao và chính xác

-Có thể in được vật in

có chiều cao lớn -Bàn nhiệt (nơi đặt vật in) không di chuyển trong suốt quá trình in nên vật in được giữ chắc chắn hơn

-Khung bệ chắc chắn

-Kiểu dáng mới -Máy hoạt động ít bị rung lắc như kiểu Cartesian

-Chỉ cần 2 động cơ bước cho việc chuyển động và

-Vật thể in được lớn hơn với một máy có kích thước hạn chế do không cần không gian cho chuyển động các trục XYZ như Delta hay Cartesian

Nhược

điểm

-Khối lượng các cơ

cấu đi động lớn, nên

-Chiều cao của máy lớn (thường tới 60-70 cm)

-Momen quán tính của bàn nhiệt lớn

-Tốc độ in không cao -Lắp ráp và căn chỉnh máy khó

Bảng 2.1 So sánh ưu nhược điểm của các loại máy in 3D

Từ những phân tích trên, ta thấy kiểu máy chuyển động dạng Cartesian là phù hợp và gần giống so với chuyển động của các máy gia công CNC 3 trục để nguyên cứu, tối ưu hóa các thông số ảnh hưởng đến độ chính xác của mẫu in 3D bằng phương pháp FDM

2.2 Giới thiệu tổng quan về máy in 3D Prusa i3

Prusa i3 là một máy in 3D mô hình hóa lắng đọng nóng chảy mã nguồn mở Là một phần của dự án RepRap, nó là máy in 3D được sử dụng nhiều nhất trên thế giới Prusa i3 được thiết kế bởi Josef Průša vào năm 2012 với Prusa i3 MK2 được phát hành vào năm 2016 và MK2S được phát hành vào năm 2017 Phiên bản mới nhất, được gọi là Prusa i3 MK3 được phát hành vào tháng 9 năm 2017 với những cải tiến đáng kể so với các mẫu trước đó Chi phí thấp và dễ gia công của Prusa i3 có thể so sánh được và nó

đã trở nên phổ biến trong giáo dục, với những người đam mê và chuyên gia Do máy

in là mã nguồn mở nên đã có nhiều biến thể được sản xuất bởi các công ty và cá nhân trên toàn thế giới, và cũng như nhiều máy in RepRap khác

2.2.1 Lịch sử về máy in 3D Prusa i3

22

Hình 2.2 Máy in 3D Prusa i3 Prusa i3 là bản thiết kế máy in thứ ba của Josef Průša, một nhà phát triển cốt lõi của dự

án RepRap, người trước đây đã phát triển bàn in được làm nóng bằng PCB Thế hệ đầu tiên là Prusa Mendel được sản xuất vào năm 2010, theo sau là Prusa Mendel (thế hệ 2), vào năm 2011 Máy in được đặt tên là Prusa Mendel bởi cộng đồng RepRap chứ không phải do Průša đặt

Tháng 5 năm 2012, thiết kế (sản xuất bằng OpenSCAD) cho Prusa i3 được phát hành,

nó là một thiết kế lại chính từ các phiên bản trước và các máy in RepRap khác Thiết

kế thay thế cấu trúc khung hình tam giác có khung bằng khung nhôm cắt bằng tia nước, có đầu nóng an toàn thực phẩm gọi là Prusa Nozzle, và sử dụng vít ren M5 thay

vì M8 Thiết kế tập trung vào việc xây dựng và sử dụng dễ dàng hơn là tối đa hóa số lượng các thành phần tự sao chép Năm 2015, Průša phát hành một phiên bản mà ông gọi là Prusa i3

2.2.2 Cấu tạo cơ bản của máy in 3D Prusa

2.2.2.1 Phần khung máy và cơ khí

Hình 2.3 Khung máy in 3D Prusa i3