(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế chế tạo máy in 3d dạng SCARA

TÓM TẮT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY IN 3D DẠNG SCARATrong những năm trở lại đây, công nghệ in 3D phát triển rất nhanh với những ưuđiểm như vật liệu dễ tìm, không gây độc hại, kết cấu máy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY IN 3D DẠNG SCARA

GVHD : ThS DƯƠNG THỊ VÂN ANH SVTH : LIÊU CHÍ THẮNG

MSSV : 12143199

SKL004504

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ

MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

Đ Ồ

Ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD : ThS DƯƠNG THỊ VÂN ANH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦNGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tư

do - Hạnh phúc ***

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: LIÊU CHÍ THẮNG

Ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Giảng viên hướng dẫn: ThS DƯƠNG THỊ VÂN ANH

Ngày nhận đề tài: 3/2016

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY IN 3D DẠNG SCARA

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

Kích thước vật in 300 x 300 x 300.

3 Nội dung thưc hiện đề tài:

Máy in 3D in được vật thể 300 x 300 x 200.

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Tên đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY IN 3D DẠNG SCARA

Giáo viên hướng dẫn: ThS Dương Thị Vân Anh

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài và khối lượng thưc hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa học xã hội,… để giải quyết vấn đề

Khả năng phân tích/tổng hợp

 Khả năng thực hiện thiết kế và chế tạo hệ thống,

máy móc, hoặc thiết bị,…(đối với đề tài theo hướng công

nghệ)

 Khả năng thực hiện nghiên cứu, đề xuất phương pháp hoặc quy trình,… có tính mới và sáng tạo, đáp ứng

yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế (đối với đề

tài theo hướng nghiên cứu)

Khả năng cải tiến và phát triển đề tài Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành,…

Các ĐATN có một trong các tiêu chí sau sẽ được cộng

thêm 10 điểm:

- Thuyết minh ĐATN viết bằng tiếng Anh

- ĐATN báo cáo bằng tiếng Anh

- Kết quả ĐATN viết được 1 bài báo khoa học (Hội nghị, tạp chí chuyên ngành,…)

- ĐATN được chuyển giao cho công ty (có giấy xác nhận của công ty)

Tổng điểm

(*) Nếu > 100 sẽ qui đổi thành 100 điểm

Tổng điểm quy đổi (hệ 10)

(*) Nếu > 10 sẽ qui đổi thành 10 điểm

5 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

iii

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Tên đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY IN 3D DẠNG SCARA

Giáo viên phản biện: ThS Đặng Minh Phụng

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài và khối lượng thưc hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa học xã hội,… để giải quyết vấn đề

Khả năng phân tích/tổng hợp

 Khả năng thực hiện thiết kế và chế tạo hệ thống,

máy móc, hoặc thiết bị,…(đối với đề tài theo hướng công

nghệ)

 Khả năng thực hiện nghiên cứu, đề xuất phương pháp hoặc quy trình,… có tính mới và sáng tạo, đáp ứng

yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế (đối với đề

tài theo hướng nghiên cứu)

Khả năng cải tiến và phát triển đề tài Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành,…

Các ĐATN có một trong các tiêu chí sau sẽ được cộng

thêm 10 điểm:

- Thuyết minh ĐATN viết bằng tiếng Anh

- ĐATN báo cáo bằng tiếng Anh

- Kết quả ĐATN viết được 1 bài báo khoa học (Hội nghị, tạp chí chuyên ngành,…)

- ĐATN được chuyển giao cho công ty (có giấy xác nhận của công ty)

Tổng điểm

(*) Nếu > 100 sẽ qui đổi thành 100 điểm

Tổng điểm quy đổi (hệ 10)

(*) Nếu > 10 sẽ qui đổi thành 10 điểm

5 Câu hỏi phản biện (nếu có):

v

LỜI CẢM ƠN

Khi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này cũng là lúc Tôi gần kết thúc thời gian họctập tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, khoảng thời gian họctập và nghiên cứu tại Trường đã giúp cho Tôi hiểu và yêu quý nơi đây nhiều hơn.Thầy, Cô không những truyền đạt cho Tôi những kiến thức chuyên môn mà còngiáo dục cho Tôi về lý tưởng, đạo đức trong cuộc sống, đây là hành trang không thểthiếu cho cuộc sống và sư nghiệp của Tôi sau này Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâusắc đến tất cả các Quý Thầy, Cô đã tận tình chỉ bảo, dẫn dắt Tôi đến ngày hôm nay

để có thể vững bước trên con đường học tập và làm việc sau này

Đồ án tốt nghiệp đã đánh dấu việc hoàn thành những năm tháng miệt mài họctập của Tôi Qua đây xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn động viên

và tạo mọi điều kiện để Tôi hoàn thành khóa học

Cuối lời, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Cô Dương Thị Vân

Anh, Thầy Đặng Minh Phụng và Thầy Đoàn Tất Linh đã nhiệt tình hướng dẫn,

giúp đỡ Tôi hoàn thành đồ án này

Sinh viên thực hiện

Liêu Chí Thắng

TÓM TẮT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY IN 3D DẠNG SCARA

Trong những năm trở lại đây, công nghệ in 3D phát triển rất nhanh với những ưuđiểm như vật liệu dễ tìm, không gây độc hại, kết cấu máy đơn giản, chi phí thấp…

Đề tài được xây dưng trên cơ sở những ưu điểm của công nghệ in 3D, phát huynhững ưu điểm và hạn chế một số nhược điểm của máy in 3D Thưc hiện tạo mẫutrong thời gian ngắn nhằm hỗ trợ cho người thiết kế và những nhà sản xuất có thểkiểm tra các chi tiết hay hệ thống được thiết kế trước khi được cấp vốn sản xuấthàng loạt Thiết kế mẫu máy in 3D với chất lượng mẫu in tốt, phục vụ cho công việcnghiên cứu và giảng dạy trên giảng đường Bên cạnh đó nhằm phát triển chất lượngmẫu in và những dòng máy in 3D truyền thống

Đề tài nhằm mục đích nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in 3D dạng Scara,nhằm thay đổi thiết kế cơ khí và hệ thống chuyển động so với một số máy in 3D truyềnthống tạo một bước ngoặc mới cho việc phát triển máy in 3D dạng Robot công nghiệp

Từ đó làm tiền đề để phát triển công nghệ in 3D theo tiêu chuẩn công nghiệp

Nội dung của đề tài bao gồm:

- Nghiên cứu nguyên lý in 3D

- Nghiên cứu vật liệu in 3D

- Thiết kế truyền động cơ khí cho máy in

- Thiết kế hệ thống điều khiển

Người làm đồ án

Liêu Chí Thắng

ABSTRACT DESIGN IN 3D FORMAT MACHINERY SCARA

In recent years, 3D printing technology is developing very fast with theadvantages such as easy to find materials, nontoxic, simple machine structure, lowcost The theme is built on the basis of the advantages of 3D printing technology,promoting the advantages and disadvantages of limiting some of the 3D printer.Perform stylist for a short time to assist designers and manufacturers, can check thedetails or the system is designed to be funded prior to mass production 3D printermodel designs with good quality prints, serving for research and teaching intheclassroom Besides, in order to develop the quality of prints and the traditional3D printers

The theme aims to research, design and manufacture 3D printers Scara format,

in order to change the mechanical design and motion systems compared with sometraditional 3D printer to create a new landmark for the development of 3D printersindustrial robot types From that premise to develop 3D printing technologyaccording to industry standards

The content of the topic is included:

-Research principles in 3D

-Research material 3D printing

-Design mechanical transmission for printers

-Control system design

Who do the projects

Lieu Chi Thang

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA TRANG

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iv

LỜI CẢM ƠN vi

TÓM TẮT ĐỒ ÁN vii

MỤC LỤC ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ xiv

CHƯƠNG 1 1

GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Ý nghĩa khoa học và thưc tiễn của đề tài 1

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 1

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1

1.5 Cơ sở phương pháp luận 1

1.6 Phương pháp nghiên cứu 2

1.7 Kết cấu đề tài 2

CHƯƠNG 2 3

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D 2.1 Giới thiệu về công nghệ in 3D 3

2.2 Vật liệu dùng trong in 3D 3

2.2.1 Nhưa ABS 3

2.2.2 Nhưa PLA 4

2.2.3 Nhưa PETG 4

2.2.4 Nhưa HIPS 5

2.2.5 Vật liệu CF-PLA 6

2.3 Các bước của quá trình tạo mẫu nhanh 6

2.4 Một số công nghệ tạo mẫu nhanh 7

2.4.1 Công nghệ SLA 7

2.4.2 Công nghệ in 3DP 8

2.4.3 Công nghệ FDM 8

2.4.4 Công nghệ SLS 9

2.4.5 Công nghệ LOM 10

2.5 Giới thiệu một số mẫu máy in 3D 10

2.5.1 Máy Prusa I3 10

2.5.2 Máy Delta Kossel 11

2.5.3 Máy Ember 12

2.5.4 Máy 3D Scara 13

2.6 Kết luận 13

CHƯƠNG 3 14

CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGUYÊN LÝ IN 3D 3.1 Khái quát chung về máy in 3D 14

3.2 Động cơ bước 17

3.2.1 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 18

3.2.2 Động cơ bước biến từ trở 19

3.2.3 Động cơ bước hỗn hợp 20

3.2.4 Động cơ bước 2 pha 21

3.2.5 Các phương pháp điều khiển động cơ bước 21

3.3 Truyền động vít me - đai ốc 22

3.3.1 Cơ cấu vít me - đai ốc trượt 23

3.3.2 Cơ cấu vít me đai ốc bi 24

3.4 Truyền động đai 25

3.5 Kết luận 26

CHƯƠNG 4 27

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D 4.1 Thông số máy 27

4.2 Các phương án thiết kế kết cấu máy 27

4.2.1 Phương án 1: Truyền động Cartesian – XZ 27

4.2.2 Phương án 2: Sử dụng kết cấu robot delta, dùng truyền động đai 27

4.2.3 Phương án 3: Truyền động Cartesian – XY 27

4.2.4 Phương án 4: Sử dụng tay máy Scara, dùng truyền động hộp số của động cơ - XY 28 4.3 Lưa chọn phương án 28

4.4 Trình tư thưc hiện

4.6.1 Tính toán truyền động vít me - đai ốc bi trục Z 30

4.6.2 Chọn động cơ trục Z 34

4.6.3 Bạc dẫn hướng 36

4.6.4 Lưa chọn bộ truyền 37

4.7 Thiết kế cơ khí cụm trục XY 38

4.7.1 Kết cấu truyền động trục XY 38

4.7.2 Tính toán lưa chọn động cơ cụm trục XY 38

4.8 Thiết kế và gia công các chi tiết 40

4.8.1 Danh sách các chi tiết gia công 40

4.8.2 Danh sách các Bulong lắp ráp 46

4.8.3 Danh sách các cụm lắp ráp, phân rã 48

4.9 Bộ phận đùn nhưa 49

4.9.1 Cụm tời nhưa 49

4.9.2 Đầu phun gia nhiệt 50

4.9.3 Sợi nhưa 51

4.10 Tính toán thiết kế phần điện 51

4.10.1 Khối nguồn 51

4.10.2 Phần điều khiển 52

4.11 Thiết lập thông số phần cứng của máy 62

4.12 Phần mềm điều khiển 65

4.12.1 Các thông số cơ bản khi thiết lập Basic chế độ in 66

4.12.2 Các thông số cơ bản khi thiết lập Advanced chế độ in 72

4.13 Các kiểu chạy nhưa 72

CHƯƠNG 5 74

KẾT LUẬN

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Thông số máy in 3D Delta 12

Bảng 2.2: Thông số máy in 3D Ember 12

Bảng 3.1: Một số Gcode thường dùng 15

Bảng 4.1: Một số loại đai 37

Bảng 4.2: Các chi tiết gia công 40

Bảng 4.3: Các bulong lắp ráp 46

Bảng 4.4: Các cụm lắp ráp 48

Bảng 4.5: Một số linh kiện điện 52

Bảng 4.6: Thông số board Arduino Mega 25 54

Bảng 4.7: Thông số board RAMPS 1.4 56

Bảng 4.8: So sánh driver A4988 và DRV882 58

Bảng 4.9: Thiết lập các chế độ điều khiển 59

Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật 74

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Hình 2.1: Nhưa ABS 4

Hình 2.2: Nhưa PLA 4

Hình 2.3: Nhưa PTEG 5

Hình 2.4: Nhưa HIPS 5

Hình 2.5: Nhưa CF-PLA 6

Hình 2.6: Sơ đồ quá trình tạo mẫu 7

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu SLA 7

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu 3DP 8

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu 9

Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu SLS 9

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu LOM 10

Hình 2.12: Máy in 3D Prusa I3 11

Hình 2.13: Máy in 3D Delta Kossel 11

Hình 2.14: Máy in 3D Ember 12

Hình 2.15: Máy in 3D Scara 13

Hình 3.1: Cấu trúc máy in 3D 14

Hình 3.2: Động cơ bước 17

Hình 3.3: Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu 18

Hình 3.4: Nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu 19

Hình 3.5: Nguyên lý hoạt động động cơ bước biến từ trở 19

Hình 3.6: Cấu tạo động cơ bước hỗn hợp 20

Hình 3.7: Động cơ bước 2 pha lưỡng cưc và đơn cưc 21

Hình 3.8: Phương pháp điều khiển động cơ bước 22

Hình 3.9: Vít me đai ốc trượt 23

Hình 3.10: Kết cấu đai ốc 2 nửa 23

Hình 3.11: Vít me đai ốc bi 24

Hình 3.12: Kết cấu vít me đai ốc bi 24

Hình 3.13: Cơ cấu điều chỉnh khe hở vít me - đai ốc bi 25

Hình 3.14: Truyền động đai 25

Hình 4.4: Chân đế cao su 30

Hình 4.5: Kiểu lắp vít me fixed - fixed 31

Hình 4.6: Kiểu lắp vít me fixed - support 31

Hình 4.7: Kiểu lắp vít me fixed - free 31

Hình 4.8: Quy trình lưa chọn vít me 32

Hình 4.9: Bản vẽ động cơ bước 36

Hình 4.10: Bạc dẫn hướng LHFRDM16 36

Hình 4.11: Thông số kích thước bạc dẫn hướng 36

Hình 4.12: Biên dạng đai răng 37

Hình 4.13: Đai GT2 và pulley 38

Hình 4.14: Thông số đai GT2 38

Hình 4.15: Bộ tời nhưa 49

Hình 4.16: Kết cấu đầu phun nhưa 50

Hình 4.17: Sơ đồ hệ thống điện - điều khiển 51

Hình 4.18: Nguồn tổ ong 52

Hình 4.19: Nguồn LITEON 52

Hình 4.20: Sơ đồ khối các linh kiện điện tử 53

Hình 4.21: Board Arduino Mega 2560 53

Hình 4.22: Giao diện phần mềm Arduino IDE 55

Hình 4.23: Board RAMPS 55

Hình 4.24: Board MKS 55

Hình 4.25: Sơ đồ nguyên lý board RAMPS 57

Hình 4.26: Driver A4988 57

Hình 4.27: Driver DRV8825 57

Hình 4.28: Sơ đồ khối A4988 58

Hình 4.29: Vị trí kết nối driver 59

Hình 4.30: Công tắc hành trình 59

Hình 4.31: Vị trí kết nối công tắc hành trình 60

Hình 4.32: Vị trí kết nối LCD 60

Hình 4.33: Module LCD 2004 60

Hình 4.34: Cảm biến nhiệt 61

Hình 4.35: Điện trở gia nhiệt 61

Hình 4.36: Vị trí kết nối cảm biến nhiệt và điện trở gia nhiệt 61

Hình 4.37: Sơ đồ kết nối tổng quát 62

Hình 4.38: Giao diện phần mềm Cura 65

Hình 4.39: Giao diện phần mềm Cura 66

Hình 4.40: Thiết lập Layer height 66

Hình 4.41: Minh họa thiết lập Layer height 67

Hình 4.42: Thiết lập Shell thickness 67

Hình 4.43: Minh họa thiết lập Shell thickness 68

Hình 4.44: Thiết lập Bottom thickness/ Top thickness 68

Hình 4.45: Minh họa thiết lập Bottom thickness/ Top thickness 69

Hình 4.46: Thiết lập Fill density 69

Hình 4.47: Minh họa thiết lập Fill density 70

Hình 4.48: Thiết lập các thông số in 70

Hình 4.49: Minh họa thiết lập Support type 71

Hình 4.50: Minh họa thiết lập Platfom adhesion type 71

Hình 4.51: Thiết lập Advanced 72

Hình 4.52: Kiểu rectilinear 72

Hình 4.53: Kiểu line 72

Hình 4.54: Kiểu concentric 72

Hình 4.55: Kiểu honeycomb 72

Hình 4.56: Kiểu hibertcurve 73

Hình 4.57: Kiểu archimedeanchords 73

Hình 4.58: Kiểu octagramspirals 73

Hình 4.59: Kiểu 3dhoneycomb 73

Hình 5.1: Mô hình thiết kế máy in 3D 74

Hình 5.2: Mô hình thưc tế 74

Hình 5.3: Sơ đồ khối quá trình in 75

Hình 5.4: Các chức năng điều khiển 75

Hình 5.5: Sơ đồ cây thư mục 75

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ tạo mẫu nhanh từ khi ra đời đến nay đã được cải tiến và phát triểnrất nhiều Hàng loạt phương pháp và công nghệ tạo mẫu ra đời, mỗi công nghệ tạomẫu có những ưu nhược điểm riêng Hiện nay, một trong những phương pháp tạomẫu được sử dụng phổ biến nhất là công nghệ in 3D với những ưu điểm như đơngiản, dễ thiết kế, vật liệu dễ tìm, không gây độc hại…

Bên cạnh những ưu điểm thì còn tồn tại một số hạn chế là độ bóng bề mặt thấp,tốc độ in chưa cao… Từ những điều này, Tôi quyết định thiết kế chế tạo máy in 3D

để có thể phát huy được những ưu điểm, đồng thời khắc phục một số hạn chế đểnâng cao tốc độ và chất lượng mẫu in

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Thiết kế mẫu máy in 3D với chất lượng mẫu in tốt phục vụ cho công việc nghiên cứu và giảng dạy ờ trường

- Phát triển chất lượng về mẫu in, kết cấu máy so với những dòng máy in 3D truyền thống trên thị trường

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Thưc hiện Đề tài nhằm mục đích nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in 3Ddạng Scara, để thay đổi một số thiết kế và một số chuyển động của một số dòngmáy in 3D truyền thống, nhằm mở rộng không gian in, nâng cao chất lượng mẫu in

và tốc độ mẫu in

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy in 3D dạng Scara.

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ in 3D

- Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu truyền động của máy

- Nghiên cứu tính toán phần điện

- Nghiên cứu phần mềm giao tiếp, hỗ trợ lập trình in 3D

1.5 Cơ sở phương pháp luận

Dưa trên cơ sở các tài liệu, các đề tài nghiên cứu trước đây, các mẫu máy có

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu kết hợp giữa phương pháp lý thuyết và thưc nghiệm trên

mô hình cụ thể như sau:

Lý thuyết:

- Tìm kiếm, tổng hợp các tài liệu liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu về lý thuyết tạo mẫu nhanh với công nghệ in 3D

- Tổng hợp tài liệu tính toán, thiết kế cơ cấu truyền động đảm bảo độ chính xác, tối ưu hóa chuyển động

- Tìm hiểu về thuật toán điều khiển và phương pháp chuyển động cánh tay và

đường chạy của đầu phun

Thực nghiệm:

- Chế tạo mô hình máy in 3D dạng Scara, từ đó kiểm tra lại các lý thuyết trước

đó đã nghiên cứu

- Nghiên cứu các kiểu đường chạy nhưa có thể sử dụng đối với các mẫu in để tối ưu mẫu in

1.7 Kết cấu đề tài

Chương 1: Giới thiệu.

Chương 2: Tổng quan về công nghệ in 3D.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết nguyên lý máy in 3D.

Chương 4: Tính toán, thiết kế và chế tạo máy in 3D.

Chương 5: Kết quả.

2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D

2.1 Giới thiệu về công nghệ in 3D

Công nghệ in 3D ra đời từ những thập niên 80 với sư xuất hiện đầu tiên của côngnghệ tạo mẫu lập thể SLA được phát minh ở Mỹ vào những năm 1983 bởi CharlesHull Từ đó đến nay công nghệ in 3D khá phát triển với nhiều phát minh mới

Công nghệ in 3D hỗ trợ rất nhiều cho người thiết kế và những nhà sản xuất, cóthể kiểm tra các chi tiết hay hệ thống được thiết kế trước khi được cấp vốn để sảnxuất hàng loạt Công nghệ in 3D đã giúp các nhà sản xuất đẩy mạnh việc thiết kếsản phẩm, hạn chế các sai sót không đáng trong quá trình thiết kế và sản xuất

Về cơ bản công nghệ in 3D là quá trình tạo mẫu giúp cho người sản xuất quansát nhanh sản phẩm cuối cùng Quá trình tạo mẫu được hỗ trợ bởi các phần mềmCAD giúp thiết kế nhanh sản phẩm

Đặc điểm của công nghệ in 3D là:

- Thưc hiện tạo mẫu trong thời gian ngắn, đây chính là điểm mạnh của phươngpháp này

- Sản phẩm của quá trình tạo mẫu nhanh có thể dùng để kiểm tra các mẫu đượcsản xuất bằng các phương pháp khác

- Mẫu tạo ra có thể dùng hỗ trợ cho quá trình sản xuất

2.2 Vật liệu dùng trong in 3D

Cùng với sư phát triển của công nghệ và máy in 3D, theo đó là sư phát triển vậtliệu in 3D Vật liệu in ban đầu chủ yếu là nhưa dẻo, bột kim loại hay bột sứ, nhưng với

sư tìm tòi nghiên cứu không ngừng của con người, các vật liệu in ngày càng đa dạng,

dù là nhưa, là sợi nylon, đủ các loại kim loại đồng, chì, vàng, bạc, thép, titan, cho đếncác loại nhưa thân thiện với môi trường, an toàn cho thưc phẩm, thậm chí là các chấtliệu hữu cơ có thể ăn được như socola, đường kính…Tuỳ theo nhu cầu mà có thể chọnvật liệu phù hợp để tạo sản phẩm 3D có những ứng dụng chuyên biệt

2.2.1 Nhựa ABS

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 nhưa ABS là có độ bền cao,chịu lưc tốt , chịu được nhiệt độ cao, linh hoạt Các sản phẩm tạo ra từ vật liệu in 3D

là nhưa ABS được ứng dụng trong công nghiệp: sản xuất ống cống, ống chất thải,linh kiện ô tô, dụng cụ nhà bếp…

Hình 2.1: Nhưa ABS

2.2.2 Nhựa PLA

Nhựa PLA là nhưa nhiệt dẻo phân huỷ sinh học Nhưa có nguồn gốc từ các

nguồn tái tạo như bột ngô, mía, củ sắn Bản chất ban đầu của PLA có màu trongsuốt nên nó có thể dễ dàng nhuộm thành bất cứ màu gì hay bất cứ sắc độ đậm nhạt

nào và có khả năng phát sáng trong buổi tối.

Khi chọn vật liệu in 3D là nhưa PLA thì sẽ không bền và dẻo như nhưa ABSnhưng nhưa PLA cứng và khỏe hơn ABS nên đôi khi khó chế tác gia công đối vớinhững chi tiết ở những bộ phận phải lồng ghép vào nhau như khớp nối chẳng hạn

Hình 2.2: Nhưa PLA

2.2.3 Nhựa PETG

Nhựa PETG có nguồn gốc từ PET đây là một loại vật liệu thông dụng để sản

xuất bao bì, có tính chống ẩm cao PETG là 1 loại vật liệu mới dùng cho máy in 3Dđược đánh giá rất tốt PETG có độ chịu nhiệt cao tương đương ABS (100ºC trở lên),

Độ co của vật liệu PETG rất thấp, tương đương PLA nên rất dễ in, vật thể in racó độ chính xác cao, không bị co rút, biến dạng như ABS.

Khi sử dụng vật liệu PETG, nhiệt độ đầu phun được cài đặt từ 240ºC - 260ºC;tốc độ in từ 30mm/s đến 40mm/s; đầu in chịu được nhiệt độ cao

Hình 2.3: Nhưa PTEG

2.2.4 Nhựa HIPS

HIPS là loại vật liệu chịu được nhiệt cao, dễ in do độ giãn nở thấp, độ cứng cao,

chịu được lưc va đập mạnh Vật thể in bằng nhưa HIPS có độ láng bóng và đẹp hơn sovới ABS Hiện nay, giá nhưa HIPS ngang giá nhưa ABS và thấp hơn cả nhưa PLA

Vật liệu HIPS có đặc tính tan trong nước chanh, trong khi ABS thì không Dovậy HIPS thường được chọn để làm vật liệu chống đỡ cho ABS

Để in được vật liệu HIPS, nhiệt độ đầu phun được chỉnh từ 240ºC đến 260ºC;cài đặt nhiệt bàn in heatbed từ 60ºC đến 80ºC; tốc độ in trung bình 30mm/s đến60mm/s Ngoài ra có thể bôi keo ABS Juice lên mặt bàn in và cài đặt nhiệt độ vừaphải từ 500C đến 60ºC cũng in được

Vật liệu HIPS thích hợp để in vật thể chịu lưc, chịu nhiệt

Hình 2.4: Nhưa HIPS

Hình 2.4: Nhưa HIPS

2.2.5 Vật liệu CF-PLA

Vật liệu CF-PLA là nhưa PLA được pha thêm 15 - 20% tinh thể carbon nhằm

tăng độ cứng cho cấu trúc vật thể được in ra Các vật thể được in bằng CF-PLA có cấutrúc vững chắc, độ bền và độ cứng cơ học cao hơn nhiều lần so với vật thể in bằng PLAnguyên chất CF-PLA thích hợp để tạo các chi tiết cứng, chịu lưc, dụng cụ hoặc chithiết gá đỡ máy móc Đây là loại vậy liệu đang được ưa chuộng hiện nay

Để in vật liệu CF-PLA, nhiệt độ đầu phun được chỉnh từ 220ºC đến 240ºC, nhiệt

độ bàn in heatbed khoảng 60ºC Nếu máy in 3D không có bàn nhiệt, có thể in bằng tấmdán xanh Blue Tape Tốc độ in trung bình 30 - 50mm/s Do pha với carbon, nên vật liệuCF-PLA có nhiều hạt li ti, nên in với đầu phun lớn từ 0.5mm trở lên Bề mặt vật thể in

ra nhám, không láng mịn như PLA nguyên gốc do đã pha với carbon

Sợi nhưa CF-PLA trước khi in giòn và dễ gãy nền được bảo quản trong hộp, tủhút ẩm và tránh va chạm

Hình 2.5: Nhựa CF-PLA 2.3 Các bước của quá trình tạo mẫu nhanh

Quá trình tạo mẫu nhanh được thể hiện qua sơ đồ sau:

- Sử dụng các phần mềm thiết kế các kết cấu hỗ trợ (support), kiểm tra file stl

và chỉnh sửa, cắt lớp chi tiết

- Xuất file Gcode tạo đường chuyển động

Bước 3: Tạo mẫu tư động.

Bước 4: Hậu xử lý.

Tháo các bộ phận support, xử lý bề mặt,…

2.4 Một số công nghệ tạo mẫu nhanh

Các công nghệ in 3D tạo mẫu nhanh chủ yếu là SLA, SLS, LOM, 3DP, FDM.

Ngoài ra có nhiều công nghệ khác nhưng chủ yếu vẫn dưa trên 5 loại công nghệ này

2.4.1 Công nghệ SLA

Công nghệ SLA được phát minh ở Mỹ vào năm 1984 Phương pháp tạo mẫu

lập thể SLA là dưa vào nguyên tắc kỹ thuật dùng tia Laser đông cứng vật liệu lỏngphotopolymer thành hình dạng rõ ràng khi nó được chiếu bởi một chùm tia Lasercường độ cao Có thể sử dụng Laser He-Cd với bước sóng 325nm hoặc Laser dạngrắn Nd:YVO4 với bước sóng 354,7nm

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu SLA

Tại vị trí bệ đỡ cao nhất thì trên tấm là một lớp chất lỏng cạn Máy phát laser phát ra chùm tia cưc tím tập trung trên một diện tích của lớp chất lỏng và di

chuyển theo hướng X - Y

Chùm tia cưc tím chiếu sáng làm đông đặc lớp dung dịch tạo nên một khốiđặc, bệ đỡ được hạ xuống một khoảng bằng chiều dày 1 lớp và quá trình được lặplại Quá trình được tiếp diễn cho đến khi đạt được kích thước của chi tiết Phần dungdịch xung quanh không bị đông kết và có thể được sử dụng cho lần kế tiếp

2.4.2 Công nghệ in 3DP

Công nghệ in 3DP được phát triển ở khoa kỹ thuật cơ khí viện công nghệ MIT.

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu 3DP

Đầu phun sẽ phun dung dịch keo kết dính trên bề mặt lớp nền bột vật liệu chếtạo Bột sẽ kết dính với nhau ở những vị trí có keo dính Sau khi lớp đầu tiên hoànthành, piston chế tạo sẽ đi xuống một khoảng bằng bề dày một lớp Piston phân phốibột đi lên, con lăn chạy qua đẩy bột cung cấp tiếp tục cho quá trình Quá trình đượclặp lại cho đến khi toàn bộ vật thể được chế tạo xong trong nền bột

2.4.3 Công nghệ FDM

Công nghệ in FDM được sử dụng khá nhiều trong các loại máy in hiện nay

với kết cấu đơn giản, vật liệu dễ tìm

Sợi nhưa

Bánh răng tời nhưa

Đầu phun nhưa

Chi tiết

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu

Ở vị trí ban đầu bàn in cách đầu phun nhiệt một khoảng bằng chiều dày lớp in.Sợi nhưa được đưa vào kim phun nhờ hệ thống tời nhưa bằng cặp bánh răng mộtcách liên tục Tại đầu phun nhưa, nhưa được nung nóng tới khoảng nhiệt độ thíchhợp bởi bộ phận gia nhiệt Nhưa nóng chảy được đùn ra theo biên dạng dịch chuyểncủa đầu phun Sau khi lớp thứ nhất hoàn thành Bàn máy dịch xuống một khoảngbằng chiều dày một lớp Quá trình tiếp tục cho đến khi hoàn thành chi tiết

2.4.4 Công nghệ SLS

Công nghệ SLS 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 sanphẳng vật liệu ra thành lớp mỏng Biên dạng layer được hình thành bằng cách dùngtia laser chiếu cho nóng chảy bột để bột lớp layer trên liên kết với layer dưới

Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu SLS

2.4.5 Công nghệ LOM

Công nghệ LOM 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, biêndạng layer được cắt ra bằng laser hay dụng cụ cắt rồi dán chồng lên nhau tạo nên vậtthể 3D Đối với công nghệ này có thể tạo ra vật thể có màu sắc theo đúng thiết kế

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu LOM

2.5 Giới thiệu một số mẫu máy in 3D

2.5.1 Máy Prusa I3

Máy Prusa I3 được tạo ra từ những năm 2010 bởi Josef Prusa, đây là một trongnhững mẫu máy in 3D công nghệ FDM khá phổ biến trên thị trường hiện nay Mức giácủa loại máy này dao động từ 4 triệu đến 6 triệu đồng Ưu điểm của loại máy này là kếtcấu đơn giản, dễ lắp ráp, nhưng độ chính xác không cao, độ bóng bề mặt thấp

mở lớn phù hợp với người mới bắt đầu làm quen với công nghệ in 3D

gây ồn ào Khi hoạt động máy thường bị rung nên làm giảm độ chính xác Kíchthước ngang lớn, thường bị hạn chế chiều cao vật in

Hình 2.12: Máy in 3D Prusa I3

2.5.2 Máy Delta Kossel

Được tạo ra bởi Johann tại Seatle, Mỹ vào năm 2012 Dòng máy này sử dụng cơcấu delta, công nghệ in FDM, loại nhưa thường được sử dụng là nhưa ABS, PLA

Hình 2.13: Máy in 3D Delta Kossel

Bảng 2.1: Thông số máy in 3D Delta

được vật thể có chiều cao lớn, cơ cấu có độ cứng vững cao, bàn nhiệt (nơi đặt vậtin) không di chuyển trong suốt quá trình in nên vật in được giữ chắc chắn hơn

giá thành đắt hơn so với dòng máy Prusa

2.5.3 Máy Ember

Máy Ember được tạo bởi công ty Autodesk năm 2015, đây là dòng máy in sửdụng công nghệ SLA, sử dụng vật liệu là loại nhưa lỏng

Hình 2.14: Máy in 3D Ember Bảng 2.2: Thông số máy in 3D Ember

- Ưu điểm: Độ phân giải của máy cao, độ chính xác cao, kích thước máy nhỏ

gọn, chi tiết sau khi in có độ cứng cao, độ bóng bề mặt cao

lớn, lắp ráp và căn chỉnh máy khó

2.5.4 Máy 3D Scara

Máy in 3D Scara được phát minh bởi Sean (người Anh), dưa vào nguyên lýhoạt động của cánh tay cũng như chuyển động của các trục, tạo ra bước phát triểnmới cho công nghệ in 3D

Hình 2.15: Máy in 3D Scara

thể có chiều ngang lớn Kích thước máy không chiếm diện tích bàn in

thành đắt so với những máy in truyền thống

2.6 Kết luận

Chương này giới thiệu một số công nghệ in 3D và một số mẫu máy in 3Dđược sử dụng phổ biến trên thị trường hiện nay, từ đó làm cơ sở cho việc lưa chọnkết cấu và công nghệ in sử dụng trong đồ án

CHƯƠNG 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGUYÊN LÝ IN 3D

3.1 Khái quát chung về máy in 3D

Máy in 3D đầu tiên ra đời vào những năm 80 là những dòng máy in 3D SLA

Về cơ bản mọi máy in 3D đều có kết cấu cơ khí gần giống nhau, chỉ khác nhau về

bộ phận tạo mẫu và bộ phận chuyển động Xét về tổng quan các máy in 3D có kếtcấu gồm 4 phần chính: Phần cơ khí, điện, bộ đùn nhưa, phần mềm điều khiển

(theo sơ đồ có 3 phần chính: phần mềm, phần cơ khí, phần điện)

MÁY

IN 3D

Phần mềmCAD/CAMPhần

mềm Phần mềm điều

khiển

Bộ phận điềukhiểnPhần điện

Bộ phận chấphành

Đai

Vít me đai ốc

Vi điềukhiển

Động cơbước

- Cấu trúc cơ khí của máy in 3D gần giống với các loại máy CNC với truyềnđộng của các trục Bộ truyền có thể là bộ truyền vít me - đai ốc hoặc bộ truyền đai.Đặc điểm của truyền động cơ khí trong máy in 3D là tải trọng tác dụng lên khôngđáng kể, nên việc thiết kế tương đối đơn giản, kết cấu các trục tương đối gọn nhẹ,các chi tiết lắp ráp không đòi hỏi về khả năng chịu lưc do đó có thể sử dụng các chitiết in được bằng các máy khác để lắp ráp Một số dòng máy in 3D có khoảng 30%các chi tiết lắp ráp là được in bằng các máy in 3D sẵn có.

- Phần điện của máy in 3D có thể chia thành 2 khối: khối điều khiển và khốichấp hành Khối điều khiển gồm: Vi điều khiển, Board kết nối, Driver Khối chấphành gồm: động cơ bước, các cảm biến nhiệt, động cơ servo (nếu có), tản nhiệt,…

- Bộ đùn nhưa là một trong những phần quan trọng nhất trong máy Bộ phậnnày thưc hiện 2 chức năng trong máy: bộ tời nhưa cung cấp nhưa chạy liên tục, đầuphun nhưa thưc hiện chức năng nung chảy nhưa và đùn nhưa tạo nên mẫu

CAD là các phần mềm có chức năng tạo mẫu 3D, đây là các mô hình sẽ được in trênmáy in 3D Các phần mềm CAD được sử dụng có thể là Solidwork, Creo, Sketchup,

đó có thể đưa sang các phần mềm CAM để xử lý tiếp theo Các phần mềm CAM là cácphần mềm thưc hiện các chức năng cắt lớp vật thể do công nghệ in 3D là in theo từnglớp, lớp cắt càng có kích thước nhỏ thì chất lượng mẫu in càng tốt, tuy nhiên thời gian

in sẽ tăng lên và ngược lại, lớp in càng lớn thì chất lượng giảm và tốc

độ in tăng lên Để tối ưu hóa giữa chất lượng in và tốc độ in thì phải có cài đặt cácthông số in hợp lý Sau khi cắt lớp phần mềm sẽ tạo chuyển động khi in và xuất fileGcode Các mã lệnh Gcode hầu hết giống với gcode trên máy CNC tuy nhiên cómột số mã lệnh riêng đối với máy in 3D

Dưới đây là một số tập lệnh thường dùng với máy in 3D:

Bảng 3.1: Một số Gcode thường dùng

Mã lệnh

G0 G1 G2/G3

G17, G18, G19 G21 G20 G28 G90 G91 M18 M21 M24 M104 M106 M107 M114 M119 M120 M121 M140 M150 M190

16

Các phần mềm CAM được sử dụng phổ biến cho máy in 3D là Cura, Slic3r,Simplify, … Một số phần mềm sẽ tích hợp các module CAM và module điều khiển,

giúp công việc xử lý mẫu in nhanh hơn và đạt hiệu quả hơn như phần mềmRepertier Host Phần mềm này tích hợp các công cụ CAM là Slic3r, Cura,Skeinforge, có thể lưa chọn sử dụng một trong ba module để so sánh từ đó lưa chọnmodule tốt hơn cho từng kiểu mẫu in khác nhau

Để máy hoạt động ta phải nạp Gcode cho máy, có thể nạp Gcode thông quaphần mềm điều khiển hoặc nạp qua thẻ nhớ trên màn hình LCD điều khiển Phầnmềm giao diện điều khiển được sử dụng có thể là Repertier host hoặc Pronterface

3.2 Động cơ bước

Động cơ bước (stepper motor) 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 chuyểnđộng góc quay

Hình 3.2: Động cơ bước

Về cấu tạo động cơ bước gồm có các bộ phận là stato, roto là nam châm vĩnhcửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở là những khối răng làm bằng vậtliệu nhẹ có từ tính Động cơ bước được điều khiển bởi bộ điều khiển bên ngoài.Động cơ bước và bộ điều khiển được thiết kế sao cho động cơ có thể giữ nguyên bất

kỳ vị trí cố định nào cũng như quay đến một vị trí bất kỳ nào

Động cơ bước có thể sử dụng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản,hoặc vòng kín, tuy nhiên khi sử dụng động cơ bước trong hệ điều khiển vòng hở khiquá tải, tất cá các giá trị của động cơ đều bị mất và hệ thống cần nhận diện lại