Thiết kế và chế tạo mô hình máy in và scan 3d

Công nghệ in 3D đã có những phát triển vượt bậc trong những năm gần đây công nghệ 3D đã giải quyết nhiều vấn đề mà máy CNC chính xác không thể giải quyết đƣợc đó là gia công tạo mẫu chính xác từ bên trong những sản phẩm đặc thù với yêu cầu độ phức tạp cao…Khi thực hiện in cần có file 3D để chuyển sang G code tuy nhiên nhiều chi tiết không có sẵn file 3D nhưng có vật mẫu và có hình dạng phức tạp gây tốn thời gian và công sức để đo đạc và vẽ lại Từ những cơ sở trên chúng em quyết định thiết kế MÁY IN VÀ SCAN 3D nhằm tích hợp hai chức năng in và quét vật thể nhỏ gọn dễ dàng cho người sử dụng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn: TS LÊ HOÀI NAM

Sinh viên thực hiện: TRẦN CÔNG THỌ

VÕ THANH HÀ

Đà Nẵng, 2017

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY IN VÀ

SCAN 3D

Sinh viên thực hiện: Trần Công Thọ MSSV: 101120318

Võ Thanh Hà MSSV: 101120287 Lớp: 12CDT1

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

1 Nhu cầu thực tế của đề tài:

Công nghệ in 3D đã có những phát triển vượt bậc trong những năm gần đây, công nghệ 3D đã giải quyết nhiều vấn đề mà máy CNC chính xác không thể giải quyết được, đó là gia công tạo mẫu chính xác từ bên trong, những sản phẩm đặc thù với yêu cầu độ phức tạp cao…

Khi thực hiện in cần có file 3D để chuyển sang G-code, tuy nhiên nhiều chi tiết không có sẵn file 3D nhưng có vật mẫu và có hình dạng phức tạp, gây tốn thời gian và công sức để đo đạc và vẽ lại

 Từ những cơ sở trên, chúng em quyết định thiết kế MÁY IN VÀ SCAN 3D nhằm tích hợp hai chức năng in và quét vật thể nhỏ gọn, dễ dàng cho người sử dụng

2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài tốt nghiệp:

 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của quét vật thể và in 3d

 Thiết kế sơ đồ động của máy

 Tính toán, thiết kế các hệ truyền động chính

 Nghiên cứu chọn sơ đồ mạch và lập trình

 Thiết kế và thi công mô hình

3 Nội dung đề tài đã thực hiện:

 Số trang thuyết minh: 69

 Số bản vẽ A0: 9

 Mô hình: 1 mô hình máy in và scan 3D

 Đĩa CD gồm các tập tin liên quan

4 Kết quả đã đạt được:

 Máy đi vào hoạt động và thực hiện được 2 chức năng in và quét vật thể

 Máy có thiết kế nhỏ gọn, dễ tháo lắp

 Tuy nhiên máy in chưa tốt và quét vật thể chưa chính xác đối với chi tiết phức tạp

DUT.LRCC

TT Họ tên sinh viên Số thẻ SV Lớp Ngành

1 Trần Công Thọ 101120318 12CDT1 Cơ Điện Tử

2 Võ Thanh Hà 101120287 12CDT1 Cơ Điện Tử

1 Tên đề tài đồ án:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN VÀ SCAN 3D

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

a Phần chung:

1 Trần Công Thọ Tìm hiểu hoạt động của quét và scan 3d

Đƣa ra sơ đồ nguyên lý và thiết kế phù hợp Tính toán sức bền, lựa chọn các chi tiết phù hợp

Chạy thử máy, và sửa lỗi Tìm hiểu cách sử dụng phần mềm Horus, Simplify3d,

Meshlab

2 Võ thanh Hà

b Phần riêng:

1 Trần Công Thọ Hoàn thành thuyết minh

5 Các bản vẽ, đồ thị:

a Phần chung:

1 Trần Công Thọ Thiết kế các chi tiết của máy

6 Họ tên người hướng dẫn: Phần/ Nội dung:

TS Lê Hoài Nam Quá trình thiết kế chế tạo máy

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 14/02/2017

8 Ngày hoàn thành đồ án: 20/05/2017

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 05 năm 2017

Trưởng Bộ môn……… Người hướng dẫn

DUT.LRCC

LỜI NÓI ĐẦU

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 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 TS Lê Hoài Nam đã tận tình hướng

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

Chúng con xin chân thành cảm ơn gia đình và người thân đã ủng hộ, động viên chúng con trong quá trình học tập, nghiên cứu

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 TS Lê Hoài Nam, 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 TS Lê Hoài Nam, các thầy cô giáo và sự giúp đỡ của các bạn sinh viên

khác trong khoa em đã hoàn thành xong đồ án này đúng thời gian qui định Một lần nữa cho phép em gởi đến quí thầy cô cùng các bạn lòng biết ơn sâu nhất

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 05 năm 2017

Nhóm sinh viên thực hiện

Trần Công Thọ Võ Thanh Hà DUT.LRCC

CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là phần nghiên cứu và thể hiện đồ án tốt nghiệp của riêng tôi, không sao chép các đồ án khác, nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của khoa và nhà trường đề ra

Sinh viên thực hiện {Chữ ký, họ và tên sinh viên}

DUT.LRCC

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU I CAM ĐOAN II MỤC LỤC III DANH MỤC HÌNH ẢNH VI

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI 2

1.1 Quá trình phát triển của công nghệ tạo mẫu 2

1.1.1 Thời kì đầu: tạo mẫu bằng tay 2

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

1.1.3 Thời kì thứ 3: quá trình tạo mẫu nhanh 2

1.2 Ứng dụng công nghệ in 3D 3

1.3 Công nghệ scan - quét mẫu 3D 8

1.3.1 Ứng dụng thiết kế ngược 9

1.3.2 Ứng dụng để kiểm tra sản phẩm 9

1.3.3 Ứng dụng thiêt kế khuôn 9

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU MÁY IN VÀ SCAN 3D VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 10

2.1 Các bước công nghệ 10

2.2 Một số công nghệ tạo mẫu nhanh điển hình 11

2.2.1 Công nghệ lập thể SLA 11

2.2.2 Công nghệ thiêu kết laser chọn lọc SLS 12

2.2.3 Công nghệ SGC 13

2.2.4 Công nghệ LOM 14

2.2.5 Công nghệ in 3 chiều 14

2.2.6 Công nghệ FDM 15

2.3 Phân loại theo máy in theo cơ cấu chấp hành 15

2.3.1 Cơ cấu chấp hành nối tiếp 15

2.3.2 Cơ cấu chấp hành song song 16

2.4 Các loại máy in hiện nay 17

2.4.1.Cartesian 17

2.4.2.Delta 17

2.4.3.Polar 18

2.4.4 Scara 19

DUT.LRCC

2.5 Nguyên lý hoạt động chung của máy in 20

2.6 Các loại máy scan 3d 20

2.6.1 Máy scan sử dụng công nghệ ánh sáng 20

2.6.2 Máy scan sử dụng công nghệ laser: 20

2.7 Chọn phương án thuyết kế 21

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CÁC 22

CƠ CẤU CƠ KHÍ 22

3.1 Chọn động cơ cho cơ cấu dẫn động các trục 22

3.2.Tính thông số bộ truyền cho cơ cấu dẫn hướng các trục 24

3.2.1 Cơ cấu dẫn hướng trục X 24

3.2.2 Cơ cấu dẫn hướng trục Y (quay quanh trục Z) 26

3.2.3 Cơ cấu dẫn hướng trục Z 27

3.2.4 Cơ cấu scan 28

3.3 Tính chọn các kích thước chính của máy 30

3.4.Tính chọn ổ lăn 30

3.5.Tính chọn ổ bi trượt 30

3.6 Bộ đùn nhựa 31

3.7 Nhựa cho máy in 3D 32

3.7.1 Nhựa ABS 32

3.7.2.Nhựa PLA 33

3.7.3 Phân biệt sự khác nhau giữa nhựa ABS và PLA 34

CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN CÁC PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM SỬ DỤNG CHO SẢN PHẨM 36

4.1 Phần cứng 36

4.1.1 Giới thiệu mạch Arduino Mega 2560 36

4.1.2 Bo mạch điều khiển RAMPS 1.4 37

4.1.3 Động cơ bước NEMA 17 38

4.1.4 Chip A4988 40

4.1.5 Cảm biến nhiệt 41

4.1.6 Đầu phun E3D - v6 42

4.1.7 Red line laser 43

4.1.7.1 Giới Thiệu 43

4.1.8 Webcam c270 43

4.2 Phần mềm 44

4.2.1 Phần mền Arduino 44

4.2.2 Phần mền REPETIER HOST 52

DUT.LRCC

4.2.3 Phần mềm HORUS 62

KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC A: 69

DUT.LRCC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Thiết kế quần áo 3

Hình 1.2 Chân tay giả 4

Hình 1.3 Linh kiện thay thế 5

Hình 1.4 3D để xây những ngôi nhà 5

Hình 1.5 Chế tạo các cơ quan cấy ghép bên trong cơ thể 6

Hình 1.6 Chiếc xe của kỹ sư Kim Kor 6

Hình 1.7 Tác phẩm điêu khắc nổi tiếng 7

Hình 1.8 Một số mẫu máy in 3D 8

Hình 2.1 Quá trình tạo mẫu trong công nghệ tạo mẫu nhanh 10

Hình 2.2 Nguyên lý công nghệ SLA 11

Hình 2.3 Cơ cấu chấp hành nối tiếp 16

Hình 2.4 Cơ cấu chấp hành song song 16

Hình 2.5 Cơ cấu máy in kiểu Cartesian 17

Hình 2.6 Cơ cấu máy in kiểu Delta 18

Hình 2.7 Cơ cấu máy in kiểu polar 19

Hình 2.8 Cơ cấu máy in kiểu scara 19

Hình 3.1 Bản vẽ động cơ bước 23

Hình 3.2 Động cơ bước 23

Hình 3.3 Dây đai và pulley GT2 24

Hình 3.4 Cấu tạo bộ phận di chuyển theo trục X 25

Hình 3.5 Cấu tạo bộ phận di chuyển theo trục Y 26

Hình 3.6: Cấu tạo bộ phận di chuyển theo trục z 27

Hình 3.7 Ổ lăn 30

Hình 3.8 Vòng bi trượt tuyến tính 31

Hình 3.9 Bộ đùn nhựa theo cơ cấu 31

Hình 3.10 Nhựa ABS 32

Hình 3.11 Nhựa PLA 33

Hình 3.12 Sự khác nhau giữa nhựa ABS và PLA 34

Hình 4.1 Mạch Arduino Mega 2560 R3 36

Hình 4.2 Bo mạch Ramps-1.4 37

Hình 4.3 Động cơ bước NEMA 17 39

Hình 4.4 Chip A4988 Stepper Motor Driver 40

Hình 4.5 Lựa chọn điều khiển động cơ bước 41

DUT.LRCC

Hình 4.6 Nhiệt điện trở 100k 41

Hình 4.7 Mô tả sự biến đổi điện trở theo nhiệt độ 42

Hình 4.8 Đầu phun E3D-V6 42

Hình 4.9 Red line laser 43

Hình 4.10 webcam C270 43

Hình 4.11 Logo phần mềm Arduino 44

Hình 4.12 Marlin Firmware 44

Hình 4.13 Cài đặt Arduino 45

Hình 4.14 Chọn cổng kết nối và tạo biểu tượng 46

Hình 4.15 Kết thúc quá trình cài đặt 46

Hình 4.16 Kết nối cổng COM thành công 47

Hình 4.17 Cài đặt file Marlin 47

Hình 4.18 Cấu hình cho Configuration.h 48

Hình 4.19 Chọn kiểu truyền tải 48

Hình 4.20 Kiểm tra cổng kết nối 49

Hình 4.21 Nạp chương trình 52

Hình 4.22 Giao diện phần mềm repetier host 52

Hình 4.23 Repetier-Hos 53

Hình 4.24 Chọn cổng kết nối và tốc độ truyền 53

Hình 4.25 Thông số kích thước, vị trí máy in 54

Hình 4.26 Phạm vi hoạt động trong không gian 3 chiều 54

Hình 4.27 Thay đổi vị trí của máy 55

Hình 4.28 Nhập file STL cho máy 55

Hình 4.29 Dịch mã G-code 56

Hình 4.30 Chạy chương trình làm việc 56

Hình 4.31 Thiết lập lại các thông số 57

Hình 4.32 Chọn kiểu chạy 57

Hình 4.33 Thiết lập tốc độ và kích thước nhựa in 58

Hình 4.34 Thiết lập nhiệt độ 58

Hình 4.35 Chọn thời gian in 59

Hình 4.36 Tốc độ in của máy 59

Hình 4.37 Lưu các thông số đã chọn 60

Hình 4.38 Dịch lại chương trình 60

Hình 4.39 Đường chạy sản phẩm in 61

Hình 4.40 Bảng welcome 63

Hình 4.41 Giao diện chính 63

DUT.LRCC

Hình 4.42 Bảng preperences 64

Hình 4.43 Giao diện hiệu chỉnh 64

Hình 4.44 Bảng Pattern 65

Hình 4.45 Giao diện quét 65

Hình 4.46 Vật thể quét đƣợc 66

DUT.LRCC

Vì vậy chúng em đã quyết định thiết kế, chế tạo máy tích hợp 2 chức năng in và quét vật thể Với mong muốn máy nhỏ gọn, hoạt động êm, và dễ dàng cho người sử dụng

Nội dung đồ án gồm 4 phần:

- Chương 1: Giới thiệu chung về đề tài

- Chương 2: Giới thiệu máy in và scan 3d và lựa chọn phương án thiết kế

- Chương 3: Tính toán thiết kế các cơ cấu cơ khí

- Chương 4: Tổng quan các phần cứng và phần mềm sử dụng

DUT.LRCC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Quá trình phát triển của công nghệ tạo mẫu

1.1.1 Thời kì đầu: tạo mẫu bằng tay

Thời kỳ đầu tiên ra đời cách đây vài thế kỷ Trong thời kỳ này, các mẫu điển hình không có 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 kỳ 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 kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển rất sớm, khoảng giữa thập niên 70 Thời

kỳ này đã có phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo Việc ứng dụng CAD/CAE/CAM 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 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 có khuynh hướng tăng lên khoảng 16 tuần, tính chất vật lý của mẫu vẫn còn phụ thuộc 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 tính chất vật lý của mẫu

1.1.3 Thời kì thứ 3: quá trình tạo mẫu nhanh

Tính chất vật lý từng phần của sản phẩm trong quá trình tạo mẫu nhanh cũng được quan tâm Quá trình tạo mẫu rỗng thích hợp cho việc sản xuất trên bàn nâng hay công nghệ sản xuất lớp Công nghệ này thể hiện quá trình phát triển tạo mẫu trong thời

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

Ở thời điểm này người tiêu dùng 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 tạo mẫu nhanh nên thời gian trung bình để tạo thành một chi tiết chỉ còn lại 3 tuần so với

DUT.LRCC

16 tuần ở thời kỳ thứ hai Năm 1988, hơn 20 công nghệ tạo mẫu nhanh hay còn gọi công nghệ in 3D đã được nghiên cứu

đang ứng dụng công nghệ in 3D cho các dự án phát triển sản phẩm chiến lược

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

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 tự tạo ra sản phẩm phục vụ nhu cầu của chính mình thay vì phải mua chúng ở các cửa hàng Nếu điều này trở thành hiện thực, công nghệ in 3D chắc chắn sẽ làm thay đổi thói quen tiêu dùng và mua sắm của phần lớn thị trường Sau đây là một số ứng dụng của máy in trong các lĩnh vực khác nhau

* Thiết kế quần áo

Hình 1.1 Thiết kế quần áo

- 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

DUT.LRCC

- 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 quần áo 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 giả 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 1.2 Chân tay giả

- Với công nghệ in 3D, Mick Ebeling là 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.Nhưng 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

DUT.LRCC

Hình 1.3 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

* Xây dựng

- Một công ty xây dựng của Trung Quốc cho biết họ sử dụng công nghệ in 3D để xây những 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 một ngày

Hình 1.4 3D để xây những ngôi nhà

DUT.LRCC

* Chế tạo các cơ quan cấy ghép bên trong cơ thể

Hình 1.5 Chế tạo các cơ quan cấy ghép bên trong cơ thể

- 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

* 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 1.6 Chiếc xe của kỹ sư Kim Kor

DUT.LRCC

- 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

* 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 1.7 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

* Công nghệ in 3D nở rộ trong tương lai

- Ngành in 3D nhìn chung có 2 phân khúc thị trường chủ yếu Phân khúc thứ nhất là khách hàng cá nhân và doanh nghiệp và Shapeways được xem là một trong số những công ty nổi trội nhất Từ năm 2008, công ty này mở dịch vụ in ấn 3D, nhận các file CAD (computer aid design) từ người sử dụng phổ thông gửi đến và in những mẫu thiết kế này bằng máy in 3D Bên cạnh đó, thư viện trên website của công ty chứa đến hàng triệu mẫu hình 3D có sẵn để phục vụ những khách hàng không có khả năng sử dụng phần mềm thiết kế 3D và có thể chọn mẫu, sau đó đặt hàng in ấn tại Shapeways Với nhiều chất liệu khác nhau, từ nhựa, đồng đến vàng bạc, và đa dạng kích cỡ in; phong phú về mẫu mã, in 3D đã thực sự tạo nên sức hấp dẫn và thu hút rất nhiều sự quan tâm của người tiêu dùng

DUT.LRCC

Hình 1.8 Một số mẫu máy in 3D

- Phân khúc thứ hai chú trọng vào thương mại hóa máy in 3D Ngoài các dòng máy in 3D được sản xuất cho công ty, doanh nghiệp lớn thì một số nhà sản xuất đã bắt đầu khai thác tiềm năng của các dòng máy để bàn, hướng đến người dùng cá nhân và trong gia đình Một số thương hiệu đang dẫn đầu trên thị trường như là Makerbot, Formlabs và 3D System, có dòng máy in 3D cho phân khúc này trong khoảng từ 1,500 đến 2,500 USD Được xem là dòng máy rẻ, tuy nhiên, với thị trường tại Việt Nam, giá này vẫn còn quá cao để phổ biến loại sản phẩm này rộng rãi Vì vậy, để đưa vào ứng dụng rộng rãi công nghệ này ở nước ta, chúng ta cần nghiên cứu và cải thiện giá thành

1.3 Công nghệ scan - quét mẫu 3D

Trong lĩnh vực sản xuất, thông thường để chế tạo ra 1 sản phẩm, người thiết kế đưa ra ý tưởng về sản phẩm đó, phác thảo ra sản phẩm, tiếp theo là quá trình tính toán thiết kế, chế thử, rồi kiểm tra, hoàn thiện phác thảo, để đưa ra phương pháp tối ưu, cuối cùng là công đoạn sản xuất ra sản phẩm Đây chính là chu trình sản xuất truyền thống, là phương pháp sản xuất đã được áp dụng từ bao thế kỷ nay Phương pháp này còn được gọi là công nghệ sản xuất thuận(Forward Enineering) Trong vài chục năm trở lại đây với sự phát triển với sự phát triển của công nghệ, xuất hiện 1 dạng sản xuất theo 1 chu trình mới, đi ngược với sản xuất truyền thống, đó là chế tạo sản phẩm theo hoặc dựa trên 1 sản phẩm có sẵn Quy trình này gọi là công nghệ thiết kế ngược (Reverse Engineering) hay cũng được hiểu là công nghệ chép mẫu hay công nghệ chế tạo ngược

Công nghệ scan 3D ra đời là một quá trình xác định hình dạng bề mặt của vật thể trong không gian ba chiều để tạo ra mô hình kỹ thuật số 3D Scan 3D đã mở ra một bước ngoặt mới trong công nghệ 3D, bất kỳ mô hình vật chất nào tồn tại trên thế giới đều có thể mô hình hóa bằng dữ liệu kỹ thuật số chỉ trong vòng vài giờ đồng hồ Công nghệ này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ sản xuất, khảo cổ học, y tế đến giao thông, xây dựng…

DUT.LRCC

1.3.3 Ứng dụng thiêt kế khuôn

Quá trình thiết kế khuôn trên máy tính cần có bản vẽ của vật mẫu Trong nhiều trường hợp chi tiết vật mẫu phức tạp Gây khó khăn trong quá trình vẽ Công nghệ scan sẽ giúp tiết kiệm thời gian và công sức cho người thiết kế

DUT.LRCC

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU MÁY IN VÀ SCAN 3D

VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

2.1 Các bước công nghệ

Để có thể tạo ra được sản phẩm thì công việc đầu tiên phải làm là phác thảo, thiết kế sản phẩm ở dạng 3D (hoặc thực hiện quét 3d và chuyển sang định dạng stl), tiếp đó là các bước cắt lớp, chia lưới, xuất file vào hệ thống máy tính điều khiển, truyền lệnh,

Hình 2.1 Quá trình tạo mẫu trong công nghệ tạo mẫu nhanh

DUT.LRCC

2.2 Một số công nghệ tạo mẫu nhanh điển hình

2.2.1 Công nghệ lập thể SLA

Phương pháp SLA (Stereo Lithography Aparatus) được phát minh bởi (Mỹ) vào

năm 1984 Năm 1986 Charles W Hull thành lập công ty 3D SYSTEMS ông là một

trong những người đầu tiên phát minh ra hệ thống tạo mẫu lập thể 3D và được cấp

bằng sáng chế vào năm 1986

a Nguyên lý

Đầu tiên người ta đặt thiết bị nâng cách bề mặt chất lỏng một khoảng bằng với

độ dày của lớp vật liệu đầu tiên (tức là lớp nằm dưới cùng) Sau đó, chùm tia laser

được điều khiển bằng máy tính thông qua hệ thống quét bằng quang học sẽ quét lên bề

mặt theo những tiết diện của từng mặt cắt Vật liệu lỏng khi bị tác động của chùm tia

laser sẽ bị đông đặc lại hoặc là được xử lý Sau đó, cơ cấu nâng được dịch chuyển

xuống phía dưới một đoạn đúng bằng chiều dày của một lớp và quá trình được lặp lại

Các lớp liên kết lại với nhau thành khối Cuối cùng vật thể được lấy ra từ thùng đựng

chất lỏng và chất lỏng còn lại thông thường được xử lý trong lò nung đặc biệt

Hình 2.2 Nguyên lý công nghệ SLA

Bởi vì chi tiết được tạo thành trong môi trường chất lỏng và bên trong vật thể

còn chứa chất lỏng polyme, do đó cần thiết phải thêm các kết cấu trợ giúp để tăng độ

cứng chi tiết và để tránh cho phần chi tiết đã được tạo thành chìm trong chất lỏng không

bị nổi lên hoặc không bị trôi nổi tự do ở trong thùng

Sau khi lấy chi tiết ra khỏi hệ thống SLA, chi tiết phải trải qua một loạt các quá

trình hậu xử lý để làm sạch, gỡ bỏ cơ cấu trợ giúp,…

DUT.LRCC

b Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm:

- Hệ thống cứng vững và hoàn toàn tự động

- Độ chính xác kích thước cao  0.1 mm

- Độ bóng bề mặt cao

- Độ phân giải cao phù hợp với các chi tiết phức tạp

- Với sự hỗ trợ của phần mềm chuyên dụng Quick Cast cho phép tạo mẫu cho quá trình đúc khuôn kim loại nhanh chóng và chính xác

Nhược điểm:

- Sản phẩm bị cong vênh

- Giá thành hơi cao

- Vật liệu sử dụng bị hạn chế

- Phải qua giai đoạn hậu xử lý

- Chi phí vận hành và bảo trì cao

c Các lĩnh vực ứng của phương pháp SLA

- Tạo mô hình từ ý tưởng

- Tạo mô hình chính xác

- Tạo công cụ mẫu

- Tạo mẫu phục vụ cho quá trình đúc khuôn kim loại, khuôn cát và tạo khuôn

2.2.2 Công nghệ thiêu kết laser chọn lọc SLS

a Đặc điểm công nghệ

Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering) sử dụng tính chất của vật liệu bột

là có thể hóa rắn dưới tác dụng của nhiệt (như nylon, elastomer, kim loại) Một lớp mỏng của bột nguyên liệu được trải trên bề mặt của xy lanh công tác bằng một trống định mức Sau đó, tia laser hóa rắn (kết tinh) phần bột nằm trong đường biên của mặt cắt (không thực sự làm chảy chất bột), làm cho chúng dính chặt ở những chỗ có bề mặt tiếp xúc Trong một số trường hợp, quá trình nung chảy hoàn toàn hạt bột vật liệu được áp dụng Quá trình kết tinh có thể được điều khiển tương tự như quá trình polymer hoá trong phương pháp tạo hình lập thể SLA Sau đó xy lanh hạ xuống một khoảng cách bằng độ dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu được đưa vào và quá trình được lặp lại cho đến khi chi tiết được hoàn thành

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

b Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm:

- Số lượng vật liệu đưa vào quá trình cao (Hight Through-put) giúp cho quá trình tạo mẫu nhanh chóng

DUT.LRCC

- Vật liệu đa dạng, không đắt tiền

- Vật liệu an toàn

- Không cần cơ cấu hỗ trợ (Support)

- Giảm sự bóp méo do ứng suất

- Giảm các giai đoạn của quá trình hậu xử lý như chỉ cần phun cát

- Không cần xử lý tinh (Post-curing)

- Chế tạo cùng lúc nhiều chi tiết

Nhược điểm:

- Độ bóng bề mặt thô

- Chi tiết ở trạng thái rỗ

- Lớp đầu tiên có thể đòi hỏi một đế tựa để giảm ảnh hưởng nhiệt (như uốn quăn)

- Mật độ chi tiết không đồng nhất

- Thay đổi vật liệu cần phải làm sạch máy kỹ càng

2.2.3 Công nghệ SGC

a Đặc điểm công nghệ

Theo công nghệ SGC (Solid Ground Curing) chi tiết được xây dựng từng lớp một từ vật liệu lỏng photopolymer Vật liệu này sẽ bị đông cứng dưới tác dụng của tia cực tím

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

b Ưu và nhược điểm

Ưu điểm:

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

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

- Phải qua giai đoạn hậu xử lý

- Chi phí vận hành và bảo trì cao

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

DUT.LRCC

2.2.4 Công nghệ LOM

a Đặc điểm công nghệ

Công nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing) đầu tiên, thiết bị nâng (đế)

ở vị trí cao nhất cách con lăn nhiệt một khoảng bằng đúng độ dày của lớp vật liệu, tiếp theo con lăn nhiệt sẽ cán lớp vật liệu này, dưới bề mặt của vật liệu có chất kết dính mà khi được ép và gia nhiệt bởi trục lăn nó sẽ giúp lớp này liên kết với lớp trước Hệ thống quang học sẽ đưa tia laser đến để cắt vật liệu theo hình dạng hình học của mô hình đã tạo từ CAD Vật liệu được cắt bởi tia laser theo đường viền của mặt cắt lát Phần vật liệu dư sẽ được thu hồi bằng con lăn hồi liệu Sau đó đế hạ xuống cầu nâng

hạ xuống thấp và vật liệu mới được nạp vào, cơ cấu lại nâng lên chậm đến vị trí thấp hơn chiều cao trước đó, trục cán sẽ tạo liên kết giữa lớp thứ hai với lớp thứ nhất bằng đúng chiều dày lớp vật liệu kế tiếp Chu kỳ này được lặp lại cho đến khi kết thúc

b Một số ưu nhược điểm

Ưu điểm:

- Vật liệu đa dạng, rẻ tiền Về nguyên tắc có thể sử dụng các loại vật liệu: giấy,

chất dẻo, kim loại, composites và gốm

- Độ chính xác cao đạt được tốt hơn 0,25 mm Bằng việc cắt vật liệu thay vì hóa rắn

nó, hệ thống có thể bảo vệ được những đặc tính ban đầu của vật liệu

- Không cần thiết kết cấu hỗ trợ

- Tốc độ cao, nhanh hơn các phương pháp tạo lớp khác bởi vì tia laser không cắt toàn bộ diện tích mà chỉ quét theo chu vi bên ngoài Do đó, vật liệu dày và mỏng có tốc độ cắt bằng nhau

- Không có sự thay đổi pha trong quá trình chế tạo chi tiết nên tránh được độ co rút của vật liệu

- Không độc hại và ô nhiễm môi trường

b Một số ưu nhược điểm

Ưu điểm:

- Tốc độ hình thành sản phẩm rất nhanh, có thể gấp 5-10 lần so với công nghệ khác

- Chi phi đầu tư sở hữu thấp nhất trong lĩnh vực công nghệ tạo mẫu nhanh

- Chi phí nguyên vật liệu và chi phí sản xuất thấp

- Đa dạng về vật liệu chế tạo và các ứng dụng

- Có thể in các vật có cấu tạo hình học phức tạp mà không cần giá đỡ

- Dễ dàng chuẩn bị, sử dụng, và bảo dưỡng

- Là công nghệ tạo mẫu có đầy đủ màu sắc lên đến hàng triệu màu

- Công nghệ in 3D cho phép chế tạo các sản phẩm đa dạng từ các vật liệu khác nhau, màu sắc khác nhau, khối lượng và kích thước với các tỷ lệ khác nhau so với chi tiết hoặc sản phẩm thật

Nhược điểm:

- Nhược điểm lớn nhất là chi phí máy móc đắt đỏ (từ 1 ÷ 2 tỷ đồng VN/máy của Zcorp), chi phí vật liệu bột và mực cao (in 1 mẫu nhỏ lon Cocacola hết khoảng trên dưới 10 triệu đồng, theo giá năm 2012 tại Hàn Quốc)

- Tạo mẫu với giá chi phí thấp, tiện lợi

- Kết cấu đơn giản dễ chế tạo, bảo dưỡng và sửa chữa

- Vật liệu in dễ kiếm, giá thành hạ hơn các phương pháp in khác

- Sử dụng dữ liệu đơn giản, có thể in từ thẻ nhớ

- Đối với các chi tiết nhỏ, có thể in một lúc nhiều chi tiết

Nhược điểm:

- Thời gian in lâu

- Kích thước sản phẩm nhỏ

2.3 Phân loại theo máy in theo cơ cấu chấp hành

2.3.1 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 trong không gian, do đó thường gọi là cơ cấu chấp hành

DUT.LRCC

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

Hình 2.3 Cơ cấu chấp hành nối tiếp

2.3.2 Cơ cấu chấp hành song song

Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động được nối 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 giá cố định hoặc ngay trên chân Chính lý do này mà các Robot song song đôi khi gọi là các Robot có bệ Các cơ cấu tác động điều khiển tải ngoài, nên cơ cấu chấp hành song song thường có khả năng chịu tải lớn

Hình 2.4 Cơ cấu chấp hành song song

DUT.LRCC

2.4 Các loại máy in hiện nay

2.4.1.Cartesian

Là các máy in 3D di chuyển đầu đùn nhựa nhờ các chuyển động theo phương X,

Y, Z trong hệ tọa độ Cartesian Đại diện tiêu biểu dòng máy in 3D mã nguồn mở loại

Cartesian chính là Prusa i3 hay Mendel

Hình 2.5 Cơ cấu máy in kiểu Cartesian

- Khối lượng các cơ cấu di động lớn, nên tốc độ in không cao và gây ồn

- Khi hoạt động máy thường bị rung và do vậy làm giảm độ chính xác

- Kích thước ngang lớn, thường bị hạn chế chiều cao vật in

2.4.2.Delta

Là các máy in 3D di chuyển đầu đùn nhựa theo nguyên lý của robot delta (robot song song) Đại diện tiêu biểu cho dòng máy in mã nguồn mở dạng Delta là Delta robot 3D printer (Kossel)

DUT.LRCC

Hình 2.6 Cơ cấu máy in kiểu Delta

- Lắp ráp, căn chỉnh máy hơi phức tạp

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

- Thường đắt hơn một chút so với máy dạng Cartesian

2.4.3.Polar

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

DUT.LRCC

Hình 2.7 Cơ cấu máy in kiểu polar

2.5 Nguyên lý hoạt động chung của máy in

- Về cơ bản, một chiếc máy in 3D theo công nghệ FDM hệ tọa độ cực và một cụm đùn nhựa Các động cơ bước trên trục Ox sẽ điều khiển máy đùn di chuyển trên mặt phẳng Oxy Một động cơ bước trên trục Oz sẽ điều khiển bàn máy quay quanh trục Oz và một động cơ bước khác sẽ điều khiển để nâng máy đùn lên xuống

- Khi một lớp vật liệu được in xong, động cơ bước trên trục Oz sẽ điều khiển để nâng máy đùn lên một khoảng cách của 1 lớp mỏng vật liệu

- Lúc này máy đùn lại được điều khiển để in ra 1 lớp mỏng vật liệu tiếp theo chồng lên lớp trước và cứ thế vật thể 3 chiều từ từ hình thành

2.6 Các loại máy scan 3d

2.6.1 Máy scan sử dụng công nghệ ánh sáng

- Công nghệ Ánh sáng X-Ray: Hệ thống quét 3D CT sử dụng tia X-Ray là công nghệ quét 3D mới nhất, tiên tiến nhất hiện nay

- Công nghệ Ánh sáng xanh: Hệ thống quét 3D sử dụng Ánh sáng xanh với mục đích sử dụng vào kiểm tra 3D, thiết kế ngược, lưu mẫu cần độ phân giải cao… Với hệ thống ánh sáng xanh, sẽ hoạt động ổn định và không bị tác động từ môi trường bên ngoài

- Công nghệ Ánh sáng trắng: Tương tự với các hệ thống ánh sáng xanh thì hệ thống quét 3D sử dụng Ánh sáng trắng ứng dụng trong kiểm tra 3D, thiết kế ngược, …

2.6.2 Máy scan sử dụng công nghệ laser:

Sử dụng tia laser chiếu vào vật thể, sau đó dùng camera để ghi hình và vẽ bề mặt vật thể

Trong các môi trường khắc nghiệt thì công nghệ laser hoạt động ổn định hơn công nghệ ánh sáng

DUT.LRCC

2.7 Chọn phương án thuyết kế

Với mục tiêu chế tạo một máy in 3D và scan kiểu mới, giá rẻ, với các tiêu chí gọn nhẹ, tốc độ di chuyển vừa phải, để khi cần có thể dùng làm thiết bị thí nghiệm, hoạt động ổn định, không rung khi chạy ở tốc độ cao, giá thành rẻ thì chúng em đã chọn phương án thiết kế theo cơ cấu nối tiếp cùng công nghệ FDM và kiểu tọa độ cực với 1 đầu đùn và dung công nghệ laser để scan như sau:

+ Phương án kết cấu máy: bàn in và scan quay quanh trục Z

+ Phương án truyền động: truyền động bằng thanh ren đai ốc thường

+ Phương án động cơ cho bộ đùn: 1 Động cơ bước

+ Phương án động cơ dẫn động các trục: 3 động cơ bước

+ Phương án cơ cấu dẫn hướng: Cặp trục trơn

DUT.LRCC

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CÁC

CƠ CẤU CƠ KHÍ

3.1 Chọn động cơ cho cơ cấu dẫn động các trục

Động cơ dẫn động trên máy 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 hầu như không chịu tải trọng (chỉ có tải trọng do chính bản thên kết cấu máy gây ra) nên yêu cầu động

cơ công suất nhỏ Do vậy ở đây chúng em 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 khá nhiều loại động cơ bước của nhiều hãng 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 công suất lớn thì kích thước rất cồng kềnh và giá thành đắt Phổ biến ở thị trường hiện nay là loại động cơ bước có công suất khoảng 50W, do vậy chúng em chọn 3 động cơ loại này để dẫn động 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: 6,71

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

- Moment xoắn: 520 mN.m

- Kích thước: 42,3x42,3x48

- Khối lượng: 650 g

DUT.LRCC

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 x 1,7 inch (43,2 x 43,2 mm) Bên cạnh động cơ bước NEMA 17 còn có các loại động cơ bước với kích thước khác như: NEMA 11, NEMA 14, NEMA 23 và dĩ nhiên là con số sau NEMA càng lớn thì kích thước động cơ càng lớn Động cơ bước trong các 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 là A4988 stepper motor driver Động cơ bước NEMA 17 sử dụng trong các máy in 3D RepRap thường có góc quay là 1,8 độ

Hình 3.2 Động cơ bước

DUT.LRCC

Cấu tạo của động cơ bước (Stepper Motor) giống như là tổng hợp của hai loại 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 độ chính xác về góc quay rất cao (nên chúng ta 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

Đối với sự chuyển động của trục X thì yêu cầu không khắt khe như trục Z, để đảm bảo tính linh hoạt và giảm chi phí thì chúng em quyết định sử dụng bộ truyền đai răng Động cơ truyền động vẫn sử dụng động cơ bước giống với động cơ trục Y và Z Loại dây đai được sử dụng trong bộ truyền là dây đai GT2 với bước răng là 2mm và bề rộng 6mm

Hình 3.3 Dây đai và pulley GT2

Dùng Timing Pulley để truyền động với thông số:

- Đường kính: 16,5mm

- Số răng: 16 răng

- Chiều dài đường răng: 7,6mm

DUT.LRCC

a Cấu tạo

Hình 3.4 Cấu tạo bộ phận di chuyển theo trục X

b Tính toán đường kính trục

- Thanh dẫn có tác dụng dẫn hướng cho đầu phun đi theo đúng hướng đã đặt ra,

vì 2 thanh chịu tác dụng lực ngang nhau và có tác dụng như nhau nên khi tính sức bền

ta chỉ cần tính trên một thanh và suy thành còn lại

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

- Trọng lượng của toàn bộ hệ thống:

P = 10 (N)

- Chọn thanh dẫn là bằng vật liệu thép C45 có chiều dài là 260 mm

- Áp dụng công thức để tính đường kính trục tại tiết diện nguy hiểm

td 3

4

Md

uy ux

5, 428( )0,1.50

- B: chế độ điều khiển của modul điều khiển: 1/16

- C: bước ren của dây đai GT2: 2mm

- D: số răng của puli GT2: 16

Vậy số bước/mm = (360/(1,8*1/16))/(2*16) = 100

3.2.2 Cơ cấu dẫn hướng trục Y (quay quanh trục Z)

Đối với sự chuyển động trục Y thì ta chọn bộ truyền bánh trụ răng chữ V Vì yêu cầu làm việc êm, chịu được tải lớn và khử lực dọc trục

Động cơ gắn vào bánh răng 1 và bánh răng 2 gắn vào trục bàn máy

Chọn tỷ số truyền i = 3,6

A

A 3

4

48

DUT.LRCC

- A: góc quay mỗi bước của động cơ: 1,8 độ

- B: chế độ điều khiển của modul điều khiển: 1/16

- i: tỉ số truyền của cặp bánh răng: 3,6

 Các ưu điểm chính: kết cấu đơn giản nhỏ gọn và dễ chế tạo Khả năng tải lớn,

độ tin cậy cao, làm việc không ồn, lợi nhiều về lực Có thể chuyển động chậm với độ chính xác cao

 Nhược điểm: Do ma sát lớn nên ren mòn nhanh, hiệu suất thấp

a.Cấu tạo

Hình 3.6: Cấu tạo bộ phận di chuyển theo trục z

1 2 3 4 5 6 7 8 9

DUT.LRCC

b Tính toán trục gần đúng

Trọng lượng toàn bộ hệ thống Fa = 20N

Vì hai trục trơn chỉ có tác dụng dẫn hướng nên toàn bộ tải trọng trục X tác dụng lên đai ốc trên thanh ren

Chọn vật liệu thanh ren và đai ốc: thanh ren chọn thép thường hoá C45 (σchay =

390 MPa), đối với đai ốc chọn vật liệu đồng thanh BrAl9Fe3

Đối với đai ốc [σk] = 40 MPa, [σd ] = 45 MPa

Ứng suất cho phép cho cặp thép – đông thanh: [σ] = 10 MPa

Chọn ren hình thang cân do tải trọng không lớn và hệ số ψh = 0,5

Đường kính rung bình của ren:

a 2

- A: góc quay mỗi bước của động cơ: 1.8 độ

- B: chế độ điều khiển của modul điều khiển: 1/16

- F: bước ren của trục ren: 0,8

Vậy số bước/mm = (360/(1.8*1/16)/0.8= 4000

Kết luận: Do không chịu tải trọng lớn, lực dọc trục không đáng kể nên ta chọn

sử dụng bộ truyền trục ren – đai ốc, chiều dài hành trình 280 mm, bước ren 0.8mm, đường kính trung bình ren 5mm Và trên thực tế thì độ dịch chuyển của trục Z được

phần mềm tính toán và phụ thuộc vào độ dày của mỗi lớp in Do đó, việc tính toán theo lí thuyết chỉ mang tính tương đối Tất cả các thông số của động cơ trục z được thiết lập trong phần mềm và sau đó sẽ được tính toán một cách tự động

3.2.4 Cơ cấu scan

a.Cấu tạo

DUT.LRCC