Thiết kế và chế tạo máy in 3d cho chi tiết gốm sứ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN Chủ nhiệm đề tài: KS... BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ T

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

S 0 9

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D CHO CHI TIẾT

GỐM SỨ

MÃ SỐ: SV2020-72

S KC 0 0 7 3 4 8

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

Chủ nhiệm đề tài: KS Hoàng Văn

Hướng

TP Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 10 năm 2020

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D CHO CHI TIẾT GỐM

SỨ SV2020 - 72

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D CHO CHI TIẾT GỐM

SỨ SV2020 - 72

Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa Đào tạo Chất lượng cao

SV thực hiện: TẠ MINH TUẤN Nam, Nữ: Nam

Dân tộc: Kinh

Khoa: Khoa đào tạo Chất lượng cao Năm thứ: 4/ Số năm đào tạo: 4 năm Lớp: 16144CL1

Ngành học: Công nghệ Kĩ thuật Cơ khí

Người hướng dẫn: KS Hoàng Văn Hướng

TP Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 10 năm 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo máy in 3D cho chi tiết gốm sứ

- Chủ nhiệm đề tài: Tạ Minh Tuấn Mã số SV: 16144193

- Lớp: 16144CL1 Khoa: Đào tạo Chất lượng cao

- Thành viên đề tài:

- Người hướng dẫn: KS Hoàng Văn Hướng

2 Mục tiêu đề tài:

- Tìm hiểu về tạo hình gốm sứ

- Thiết kế và chế tạo mô hình máy in 3D

- Tìm hiểu công nghệ in 3D cho các chi tiết từ vật liệu đất sét

- Kiểm nghiệm mô hình

- Sản phẩm thực tế

3 Tính mới và sáng tạo:

- Sử dụng vật liệu mới cho ngành công nghệ in 3D

- Dùng khung cơ khí máy in 3D cetus tạo thêm không gian in

4 Kết quả nghiên cứu:

- Mô hình 3D

- Kết quả kiểm nghiệm ansys

- Mô hình và sản phẩm thực tế

- Kết quả khảo sát

5 Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

- Mô hình dạy học cho sinh viên cơ khí

- Tạo mẫu nhanh và chi tiết phức tạp cho ngành gốm sứ ở Việt Nam

6 Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài

TPHCM,Ngày 27 tháng 10 năm 2020

SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài

Tạ Minh Tuấn Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề

Mục Lục

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 9

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 10

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 10

1.2 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 10

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 10

1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 11

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 11

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 11

1.5 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP LÍ LUẬN 11

1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ IN 3D CHO CHI TIẾT GỐM SỨ 12

2.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D CHO CHI TIẾT GỐM SỨ 12

2.2 ỨNG DỤNG CỦA IN 3D GỐM VÀO HÀNG KHÔNG VŨ TRỤ Ở MĨ [10] 13

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17

3.1PHƯƠNG PHÁP TẠO MẪU NHANH FDM(FUSED DEPOSITION MODELING) 17

3.1.1 Khái niệm và nguyên lí hoạt động 17

3.1.2 Ưu – Nhược điểm của phương pháp FDM 18

3.2 LỰA CHỌN KẾT CẤU MÁY IN 18

3.3 LỰA CHỌN CỤM NÂNG HẠ TRỤC Z 20

3.3.1 Vít me đai ốc thường 20

3.3.2 Vít me đai ốc bi 21

3.4 RAY TRƯỢT DẪN HƯỚNG 22

CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 26

4.1 THÔNG SỐ MÁY 26

4.2 CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU MÁY 26

4.2.1 Phương án 1 26

4.2.2 Phướng án 2 26

4.2.3 Phương án 3 27

4.3 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 27

4.4 TRÌNH TỰ THỰC HIỆN 27

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 28

5.1.THIẾT KẾ KHUNG MÁY 28

5.2.THIẾT KẾ CỤM CƠ KHÍ TRỤC Z 31

5.2.1 Tính toán truyền động vít me – đai ốc bi trên trục Z 31

5.2.3 Khớp nối 39

5.3.THIẾT KẾ CƠ KHÍ TRỤC X 40

5.3.1 Tính toán truyền động đai trên trục X 40

5.3.2 Tính toán động cơ trục X 41

5.4.THIẾT KẾ CƠ KHÍ TRỤC Y 42

5.4.1 Tính toán truyền động đai trên trục Y 42

5.4.2 Tính toán động cơ trục Y 44

5.5.THIẾT KẾ BỘ PHẬN ĐÙN ĐẤT SÉT 44

5.5.1 Thiết kế đầu đùn trên phần mềm 44

5.5.2 Tính toán nguyên liệu đầu vào 46

5.6.TÍNH TOÁN RAY TRƯỢT 50

CHƯƠNG 6: KIỂM NGHIỆM MÔ HÌNH ANSYS 2020 R1 58

6.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 58

6.2 TRƯỜNG HỢP KIỂM NGHIỆM 58

6.3 KIỂM NGHIỆM CỤM PHUN ĐỐI VỚI TRỤC X 58

6.4 KIỂM NGHIỆM CỤM PHUN VÀ HỆ TRỤC X VÀ Z: 67

CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 78

7.1GIỚI THIỆU PHẦN ĐIỀU KHIỂN 78

7.2VI ĐIỀU KHIỂN 79

7.3DRIVER 80

7.4CÔNG TẮC HÀNH TRÌNH 82

7.5MÀN HÌNH LCD12864 83

CHƯƠNG 8: LẮP RÁP MÔ HÌNH THỰC TẾ 85

8.1TRỤC X 85

8.2TRỤC Y 86

8.3TRỤC Z 87

8.4MÔ HÌNH 3D 88

8.5MẪU IN 3D 89

CHƯƠNG 9: VỆ SINH ĐẦU PHUN SAU KHI IN 90

9.1 PHƯƠNG ÁN VỆ SINH 90

1 Tháo đầu phun sau khi in 90

9.2 THỰC HIỆN PHƯƠNG ÁN 90

CHƯƠNG 10: KẾT LUẬN 91

10.1KẾT LUẬN 91

10.2HƯỚNG PHÁT TRIỂN 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 3 1 Nguyên Lí In 3d Theo Công Nghệ Fdm 17

Hình 3 2 Máy In 3d Cetus 19

Hình 3 3 Cơ Cấu Dùng Vít Me Đai Ốc 20

Hình 3 4 Vít Me Đai Ốc Bi 21

Hình 3 5 Mặt Cắt Vít Me Bi 21

Hình 3 6 Ray Trượt Mgn12c 23

Hình 3 7 Thanh Trượt Vuông Cpc 24

Hình 3 8 Thanh Trượt Vuông Hiwin 24

Hình 3 9 Thanh Trươt Vuông Thk 24

Hình 3 10 Thanh Trượt Vuông Bosch Rexroth 25

Hình 5 1 Kích Thước Nhôm Định Hình 20x40 28

Hình 5 2 Kích Thước Nhôm Định Hình 20x60 28

Hình 5 3 Kích Thước Nhôm Định Hình 60x60 29

Hình 5 4 Kết Cấu Khung Máy 29

Hình 5 5 Bulong Lục Giác Chìm, Ke Góc Vuông, Tán T 30

Hình 5 6 Chân Đế Cao Su 30

Hình 5 7 Kiểu Lắp Vít Me Fixed – Fixed 32

Hình 5 8 Kiểu Lắp Vít Me Fixed – Support 32

Hình 5 9 Kiểu Lắp Vít Me Fixed – Free 32

Hình 5 10 Thông Số Vít Me Bi Sfu – 1204 35

Hình 5 11 Động Cơ Bước Nema 17 38

Hình 5 12 Một Số Loại Khớp Nối 39

Hình 5 13 Thông Số Khớp Nối Mềm 5 – 8 Mm 39

Hình 5 14 Sơ Đồ Chuyển Động Trục X 40

Hình 5 15 Động Cơ Nema 17 Cho Trục X 42

Hình 5 16 Động Cơ Nema 17 Cho Trục Y 44

Hình 5 17 Bình Chứa Đất Sét Trên Phần Mềm Inventor 45

Hình 5 18 Bộ Phận Đùn Đất Sét Thiết Kế Trên Phần Mềm Inventor 45

Hình 5 19 Thông Số Bộ Phần Đùn Đất Sét 46

Hình 5 20 Biên Dạng Chi Tiết Khi In 47

Hình 5 21 Ray Trượt Mgn12c 51

Hình 5 22 Thông Số Ray Trượt Dẫn Hướng 51

Hình 5 23 Sơ Đồ Tính Toán Ray Trượt Dẫn Hướng 53

Hình 5 24 Các Thành Phần Momen Tĩnh Cho Phép Của Ray Trượt 54

Hình 5 26 Mối Quan Hệ Độ Cứng Và Hệ Số 55

Hình 5 27 Mối Quan Hệ Nhiệt Độ Với Hệ Số 56

Hình 6 1 Mô Hình Trục X Được Đơn Giản Hóa 58

Hình 6 2 Vị Trí Gần Home Nhất 59

Hình 6 3 Vị Trí Đầu Phun Nằm Ở Giữa Trục Hành Trình 59

Hình 6 4 Vị Trí Của Đầu Phun Ở Cuối Hành Trình 59

Hình 6 5 Nhập Dữ Liệu Phân Tích Vào Phần Mềm Ansys 2020 R1 60

Hình 6 6 Thao Tác Trên Phần Mềm Ansys 2020 R1 60

Hình 6 8 Kết Quả Sau Quá Trình Gọp Phần Tử Trên Phần Mềm Ansys 2020 R1 60

Hình 6 9 Phương Pháp Chia Lưới Multizone 61

Hình 6 10 Phương Pháp Chia Lưới Bodys Sizing 61

Hình 6 11 Đặt Lực Và Fix Suppost Trên Mô Hình 63

Hình 6 12 Trường Hợp 1 Xét Biến Dạng Do Cụm Phun Gây Ra Với Trục X 65

Hình 6 13 Trường Hợp 1 Xét Chuyển Vị Do Cụm Phun Gây Ra Với Trục 65

Hình 6 14 Trường Hợp 2 Xét Biến Dạng Do Cụm Phun Gây Ra Với Trục X 65

Hình 6 15 Trường Hợp 2 Xét Chuyển Vị Do Cụm Phun Gây Ra Với Trục X 66

Hình 6 16 Trường Hợp 3 Xét Biến Dạng Do Cụm Phun Gây Ra Với Trục X 66

Hình 6 17 Trường Hợp 3 Xét Chuyển Vị Do Cụm Phun Gây Ra Với Trục X 66

Hình 6 18 Trường Hợp Kiểm Nghiệm 67

Hình 6 19 Trường Hợp Kiểm Nghiệm Trên Phần Mềm Ansys 2020 R1 68

Hình 6 20 Đơn Giản Hóa Mô Hình Ansys 2020r1 70

Hình 6 21 Kết Quả Meshing Type Body Sizing Ansys 2020r1 71

Hình 6 22 Đặt Lực Và Fix Suppost Trên Ansys 2020r1 71

Hình 6 23 Trường Hợp Po 1-3 76

Hình 6 24 Trường Hợp Po 2-3 76

Hình 6 25 Trường Hợp Po 3-3 77

Hình 7 1 Sơ Đồ Khối Linh Kiện Điện Tử 78

Hình 7 2 Board Mạch MKS Gen L V1.0 80

Hình 7 3 Driver A4988 80

Hình 7 6 Hệ Thống Các Chân Của Driver A4988 82

Hình 7 7 Thông Số Bước Trên Các Driver 82

Hình 7 8 Sơ Đồ Gắn Công Tắc Hành Trình 83

Hình 7 9 Màn Hình LCD 83

Hình 7 10 Vị Trí Kết Nối Màn Hình LCD 84

Hình 8 1 Cụm X Trên Inventor 85

Hình 8 2 Cụm X Thực Tế 85

Hình 8 3 Cụm Y Trên Inventor 86

Hình 8 4 Cụm Y Thực Tế 86

Hình 8 5 Cụm Z Trên Inventor 87

Hình 8 6 Cụm Z Thực Tế 87

Hình 8 7 Mô Hình 3D 88

Hình 8 8 Mô Hình 3D Thực Tế 88

Hình 8 9 Mẫu In 1 89

Hình 8 10 Mẫu In 2 89

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 5 1: Lực Dọc Trục Và Phần Trăm Tương Ứng: 34

Bảng 5 2 Thông Số Động Cơ Bước Nema 17 38

Bảng 5 3 Thông Số Ray Trượt Dẫn Hướng Mgn12 51

Bảng 5 4 Hệ Số An Toàn Của Một Số Máy: 55

Bảng 5 5 Hệ Số Tải Trong: 56

Bảng 6 1 Thông Số Vật Liệu Aluminum Alloy-High Strength-Wrought 62

Bảng 6 2 Thông Số Vật Liệu Structural Steel 62

Bảng 6 3 Tổng Biến Dạng Trên Thanh X 63

Bảng 6 4 Ứng Suất Tương Đương 64

Bảng 6 5 Tổng Biến Dạng Do Cụm Tác Độ Trên Hệ Khung Xoz 72

Bảng 6 6 Chuyển Vị Do Cụm Tác Độ Trên Hệ Khung Xoz 73

Bảng 6 7 Thống Kê Thông Số Chuyển Vị Trên Hệ Khung Xoz 75

Bảng 7 1 Thông Số Kỹ Thuật Mks Gen L V1.0 79

Bảng 7 2 So Sánh A4988 Và Drv8825 80

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu và chữ viết

FDM Fused Deposition Modeling Phương pháp hóa rắn hợp

nhất

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Ở thời đại 4.0 hiện nay mọi người chắc hẳn đã không còn xa lạ với cụm từ “tự động hóa” Để đem lại những lợi ích cũng như sự đổi mới cho các doanh nghiệp các thiết bị tự động đang từng bước thể hiện vai trò của mình trong việc tiết kiệm lao động, tiết kiệm năng lượng, nguyên vật liệu và nâng cao chất lượng với độ chính xác cao Có thể nói trong bối cảnh nền kinh tế đang phải đối phó với các hiện tượng như lạm phát, chi phí cho vật tư, lao động, quảng cáo và bán hàng ngày càng tăng buộc công nghiệp chế tạo phải tìm kiếm các phương pháp sản xuất tối ưu để giảm giá thành sản phẩm nhưng vẫn phải đảm bảo chất lượng

Bên cạnh đó, công nghệ tạo mẫu nhanh từ khi ra đời đến nay đã được cải tiến và phát triển rất nhiều Hàng loạt phương pháp và công nghệ tạo mẫu ra đời, mỗi công nghệ tạo mẫu có những ưu điểm riêng Hiện nay mong trong những phương pháp tạo mẫu được sử dụng phổ biến nhất là công nghệ FDM với những ưu điểm như đơn giản, dễ thiết kế, vật liệu dễ tìm, không gây độc hại, …

Việc sử dụng công nghệ in 3D vào ngành Đồ gốm mỹ thuật, nói chính xác hơn là các sản phẩm mỹ thuật từ gốm sẽ được sản xuất theo hướng tự động hóa bằng máy móc Sẽ mang lại những bước tiến quan trọng trong ngành gốm ở nước ta hiện nay Thay vì sản xuất gốm bằng phương pháp thủ công truyền thống, giờ đây các sản phẩm gốm sẽ được sản xuất một cách tự động bằng máy móc với số lượng lớn, tiết kiệm thời gian hơn khi gia công những sản phẩm có biên dạng phức tạp hơn

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài có những ý nghĩa khoa học và thực tiễn như:

 Thiết kế mẫu máy in 3D với nguồn vật liệu mới là đất sét phục vụ cho ngành mỹ nghệ gốm, cũng như tạo mẫu cho việc giảng dạy trên trường lớp

 Phát triển kết cấu máy in 3D so với những dòng in 3D truyền thống trên thị trường, nhưng phải đảm bảo về chi phí hợp lí và chế độ vận hành

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài nhằm mục đích nghiên cứu thiết kế chế và chế tạo máy in 3D với vật liệu đất sét sử dụng công nghệ FDM, thay đổi một số thiết kế so với một số dòng in 3D

truyền thống, mang lại thiết kế nhỏ gọn đảm bảo có thể làm việc trong không gian nhỏ hơn so với các dòng máy in truyền thống Sử dụng các linh kiện cơ khí có độ chính xác, độ ổn định khi vận hành

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy in 3D công nghệ FDM

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài như sau:

 Nghiên cứu tổng quan về công nghệ in 3D

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

 Nghiên cứu thiết kế đầu phun với vật liệu đất sét

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

1.5 Cơ sở phương pháp lí luận

Từ cơ sở các tài liệu, các nghiên cứu, đề tài đi trước, các mẫu máy có trên thị trường để phân tích ưu nhược điểm của các dòng máy có trước Từ đó chọn phương án thiết kế mẫu máy tốt hơn, nhưng vẫn đảm bảo về chất lượng và chi phí hợp lí

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp nghiên cứu giữa phương pháp lí thuyết và thực nghiệm trên mô hình Cụ thể:

- Nghiên cứu lí thuyết:

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

 Nghiên cứu lí thuyết về công nghệ tạo mẫu nhanh với phương pháp FDM

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

- Thực nghiệm:

 Chế tạo mô hình máy in 3D

 Nghiên cứu các đường chạy của đầu phun có thể sử dụng với các mẫu in để tối

ưu mẫu in

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ IN 3D CHO

CHI TIẾT GỐM SỨ

2.1 Giới thiệu về công nghệ in 3D cho chi tiết gốm sứ

Do có nhiều đặc tính khác nhau, gốm sứ được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm công nghiệp hóa chất, máy móc, điện tử, hàng không vũ trụ và kỹ thuật y sinh Các đặc tính giúp chúng trở thành vật liệu linh hoạt bao gồm độ bền và độ cứng cơ học cao,

ổn định nhiệt và hóa học tốt và hiệu suất nhiệt quang điện và từ khả thi Các thành phần gốm được tạo thành các hình dạng mong muốn bắt đầu từ hỗn hợp bột có hoặc không có chất kết dính và các chất phụ gia khác sử dụng các công nghệ thông thường bao gồm ép phun, ép khuôn, đúc, … Tuy nhiên, các kỹ thuật tạo hình gốm này có hạn chế là thời gian gia công lâu và giá thành cao Các cấu trúc có hình học phức tạp cao và các liên kết bên trong chi tiết không thể sản xuất được Mặt khác, việt gia công các thành phần gốm sứ có xu hướng cực kỳ khó khăn do độ cứng và độ giòn rất cao của chúng Không chỉ các dụng cụ cắt bị mài mòn nghiêm trọng, mà các khuyết tật như nứt vỡ cũng có thể tạo

ra trong quá trình gia công ra các bộ phận bằng gốm Chưa kể đến việc khó đạt được chất lượng bề mặt tốt và độ chính xác về kích thước

Việc đưa in 3D vào sản xuất các thành phần gốm sứ mang lại những khả năng hoàn toàn mới giải quyết các vấn đề và thách thức nêu trên Việc in 3D gốm sứ lần đầu tiên được báo cáo bởi Marcus [8] và Sachs [9] trong những năm 1990 Cho đến nay, với những tiến bộ mới nhất trong khoa học vật liệu và khoa học máy tính, rất nhiều công nghệ in 3D đã được phát triển đặc biệt cho sản xuất gốm sứ

Sau khi hoàn tất quá trình in tương tự phương pháp FDM thông thường, phần gốm được in sẽ được nung Tương tự như trường hợp FDM đối với vật liệu nhựa thông thường, trong FDM của gốm sứ, chất lượng của các bộ phận được in, chẳng hạn như tính đồng nhất, độ nhám bề mặt, độ chính xác về kích thước và tính chất cơ học cũng phụ thuộc vào các thông số của quá trình in như đường kính đầu in, chiều dày lớp in, tốc độ in, hướng xây dựng, … Trong số các đặc tính nêu ở trên, độ nhám bề mặt là mối quan tâm hàng đầu đối với các chi tiết được in bằng phương pháp này

2.2 Ứng dụng của in 3D gốm vào hàng không vũ trụ ở Mĩ [10]

Chế tạo một vũ khí siêu thanh hoặc phương tiện phóng không gian là một chuyện Sản xuất hàng loạt chúng là một việc khác Các thành phần gốm chịu nhiệt, bền

mà chúng yêu cầu rất khó sản xuất Keith Button đã nói chuyện với các nhà khoa học vật liệu nghĩ rằng họ có giải pháp

Để tạo ra một bộ phận gốm sứ, một kỹ thuật viên thường ép một vật liệu giống như đất sét mềm vào khuôn để tạo ra hình dạng gần đúng với hình dạng mong muốn, làm cứng nó trong lò và sau đó mài nó xuống đến hình dạng chính xác Quá trình xay xát này có thể mất hàng tháng và dẫn đến các bộ phận bị sứt mẻ hoặc nứt

Các kỹ sư vật liệu và nhà hóa học tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ ở Washington, DC, đang phát triển một phương pháp in 3D có thể tạo ra hình dạng bộ phận gốm chính xác mà không cần phay Các bộ phận cấu thành có thể được chế tạo bởi bất kỳ nhà sản xuất hàng không vũ trụ nào bằng một loại máy in 3D thương mại bán sẵn, hỗn hợp kim loại và polymer do các nhà khoa học NRL phát minh ra và một lò nung để chữa các bộ phận

Ý tưởng in các bộ phận bằng gốm xuất phát từ sự phát triển của nhóm hóa học NRL, bắt đầu từ khoảng 12 năm trước, từ một loại bột nhựa polyme mà nó trộn với các loại bột kim loại khác nhau để tạo ra cacbua chịu lửa, một loại gốm chịu nhiệt cực cao Các nhà nghiên cứu của NRL đã tạo ra các viên từ nhựa polyme trộn với các kim loại như silicon, titan hoặc vonfram, sau đó ép viên bằng máy ép thủy lực và dập thành các hình dạng đơn giản Khi họ nung những hình dạng ép này trong lò chứa đầy khí argon ở 1.500 độ C - giống như nung một nồi đất - nhựa polyme cháy thành cacbon và phản ứng với kim loại để tạo thành gốm

Boris Dyatkin, một kỹ sư nghiên cứu vật liệu tại NRL, giải thích: Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu ý tưởng in 3D vì họ muốn áp dụng hóa học gốm kim loại polyme của mình vào những hình dạng phức tạp hơn đĩa, hình cầu và hình nón mà họ đang tạo ra, Boris Dyatkin, một kỹ sư nghiên cứu vật liệu tại NRL giải thích Với phương pháp ép khuôn, kích thước và hình dạng của phần gốm được quyết định bởi khuôn và một số hình dạng không thể thực hiện được với khuôn ép Ngoài ra, “nếu bạn cần thay đổi kích thước của bộ phận hoặc nếu bạn cần thay đổi một khía cạnh hình học nào đó của nó, thì việc thực hiện nhanh chóng sẽ khó hơn”

Khi các nhà nghiên cứu NRL bắt đầu làm việc nghiêm túc về khái niệm in 3D, vào năm 2018, trước tiên họ phải quyết định loại in 3D nào là tốt nhất Họ đã cân nhắc rất nhiều lựa chọn máy in Một khả năng là lập mô hình lắng đọng hợp nhất Một đầu máy in được gắn trên một cánh tay robot lắng đọng các hạt polyme nóng chảy làm cứng lại từng lớp để tạo thành vật thể Một ứng cử viên khác là in 3D bột Một tia laser làm tan chảy các đốm bột khi các lớp bột được thêm vào một lớp bột giống như hộp, và các đốm này cứng lại với nhau để tạo ra cấu trúc Hình dạng được tiết lộ bằng cách loại bỏ bột rời Hoặc, cách khác, một đầu máy in sẽ bơm vật liệu đóng gáy vào bột để tạo cấu trúc

Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu một phương pháp in 3D được gọi là robocasting Họ đưa ra quyết định này dựa trên lời khuyên của NanoArmor, một công

ty nghiên cứu và phát triển ở California trả tiền cho NRL để sản xuất gốm sứ và thử nghiệm chúng cho chương trình phát triển vật liệu siêu thanh của Cơ quan Phòng thủ Tên lửa

Thông thường, các máy in robocasting này tạo ra các mặt hàng khác nhau, từ đồ gốm với cấu trúc mạng tinh thể phức tạp đến các tấm bê tông hình dạng phức tạp cho các tòa nhà Cánh tay robot của máy in di chuyển đầu máy in để ép ra các hạt hồ dán cứng lại khi chúng khô

Những máy in này rất hấp dẫn, bởi vì robocasting có thể in các cấu trúc lớn hơn các phương pháp in 3D khác, và nó rẻ và đơn giản Tristan Butler, một nhà hóa học vật liệu tại NRL, cho biết hầu như không được đào tạo, “về cơ bản ai cũng có thể in bất cứ thứ gì họ muốn

Robocasting cũng mở ra khả năng tạo ra vật liệu tổng hợp gốm mới Dyatkin cho biết, các nhà sản xuất có thể thêm sợi carbon xay sẵn, ở dạng bột, vào hỗn hợp để tạo ra gốm composite sợi carbon Hoặc, theo hai khái niệm mà các nhà nghiên cứu vẫn chưa khám phá: 1 Một máy in có thể ép đùn keo lên lưới sợi carbon dệt Hoặc, 2 Nếu không có máy in, lưới có thể được nhúng vào một phiên bản ít nhớt hơn của hồ hoặc bột nhão lỏng có thể được đổ vào khuôn có chứa lưới Với cả hai khái niệm, lưới và hồ dán kết hợp sẽ được nung trong lò để tạo ra gốm composite

Thách thức lớn của họ là tạo ra một hỗn hợp có thể được máy in chấp nhận và cứng lại thành những phần có độ đặc như những phần họ đã làm trước đó Nói chung, gốm sứ dày đặc hơn và bền hơn với nhiệt

Họ cần một chất kết dính để giữ hỗn hợp lại với nhau trong khi phân tán đồng đều các phân tử kim loại và nhựa trong toàn bộ hỗn hợp

Keo phải đủ lỏng để chảy qua đầu máy in, nhưng sau khi ép ra, nó không được quá ẩm hoặc quá khô Butler nói: “Có một sự cân bằng mong manh “Bạn không muốn

nó khô quá nhanh, vì nó sẽ gây nứt Nhưng bạn muốn nó khô đủ nhanh để có thể đóng nhiều lớp để xây dựng các cấu trúc cao hơn Đó là thứ bạn phải quay số "

Chìa khóa để đạt được độ nhớt phù hợp sẽ là sự lựa chọn chất kết dính, là một loại polymer và chất hóa dẻo được trộn ở dạng bột với nhựa bột và kim loại Chất lỏng được thêm vào để tạo ra bột nhão Sau khi một bộ phận được in, nó được nung trong lò để kích hoạt phản ứng hóa học biến hỗn hợp cứng thành gốm, sau khi đốt cháy chất kết dính

Các nhà nghiên cứu NRL đã thử 10 đến 15 chất kết dính phổ biến trong in 3D Một số tan trong nước và một số khác tan trong rượu Các nhà khoa học đã tạo ra bột nhão với mỗi loại và tạo ra các đĩa thử nghiệm Một trong những phiên bản hòa tan trong nước đã được chọn, vì nó tỏ ra tốt nhất trong việc tạo ra hỗn hợp đồng nhất có độ nhớt phù hợp

Hiện tại, các hình dạng họ tạo ra bằng cách in robocast không dày đặc như những hình dạng họ tạo ra bằng kỹ thuật ép khuôn Các nhà nghiên cứu của NRL tiếp tục tìm kiếm tốc độ gia nhiệt tối ưu cho lò, nghĩa là lò đốt cháy hoàn toàn chất kết dính trong khi nuôi dưỡng các liên kết hóa học kim loại và nhựa phải hình thành để tạo ra một loại gốm có mật độ thích hợp Các nhà nghiên cứu cũng đang nghiên cứu để in các vật thể - hình trụ rỗng, đĩa hình côn và hình nón - cao hơn và được làm từ các hạt nhỏ hơn của hồ ép đùn, được gọi là pixel trong ngành Các pixel càng nhỏ, đối tượng in 3D càng chính xác và chi tiết Các nhà nghiên cứu của NRL đang in các bộ phận có chiều cao vài

cm được tạo thành từ các pixel có đường kính chỉ dưới một mm Họ nghĩ rằng cuối cùng phương pháp in của họ có thể tạo ra các bộ phận lớn khi cần - theo lý thuyết - kích thước bằng tòa nhà - với bất kỳ hình dạng nào Họ chưa đặt mục tiêu kích thước pixel

Một mục tiêu khác: Tìm ra cách tạo ra đồ gốm in 3D gần với mật độ của đồ gốm ép khuôn nhất có thể Để kiểm tra độ cứng, họ sử dụng máy kiểm tra vi điểm Một mẫu gốm nhỏ được đặt trên bệ của thiết bị, và một đầu ghim có đường kính khoảng 100 micron ấn xuống bề mặt đến một áp suất đặt trước Vết lõm cực nhỏ càng lớn, vật liệu càng mềm

Để đánh giá độ bền và chắc của vật liệu khi nung nóng, họ kiểm tra các tinh thể cực nhỏ trong gốm với sự hỗ trợ của máy nhiễu xạ tia X Một mẫu được đặt trên một tấm áp suất ở giữa máy; một ống tia X bắn các chùm tia X vào mẫu trong khi một máy

dò phía sau mẫu quay qua một loạt các góc để thu các chùm tia phản xạ Máy tạo ra các biểu đồ mô tả góc mà tia X bị phản xạ bởi các tinh thể trong vật liệu và cường độ của tia X phản xạ Các đỉnh khác nhau trong đồ thị tạo ra các mẫu đặc trưng mà phần mềm phân tích để xác định loại và pha của tinh thể kim loại hoặc cacbon trong vật liệu, cũng như kích thước và thể tích của tinh thể

Một vấn đề khác là cho đến nay, gốm in 3D có độ xốp hơn so với đĩa ép Trong một số trường hợp, những khoảng trống cực nhỏ đó cần được lấp đầy để làm cho vật liệu đặc hơn và do đó bền hơn và chịu nhiệt tốt hơn Một lựa chọn sẽ là thẩm thấu hơi Khí trong lò phản ứng hóa học với gốm - khi nó đang hình thành hoặc sau khi nó

đã hình thành - và lấp đầy trong bất kỳ lỗ rỗng nào Butler cho biết một ý tưởng khác là vẽ một dung dịch lên vật thể in 3D có thể lấp đầy các lỗ thông qua phản ứng hóa học ở nhiệt độ thấp hơn

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1 Phương pháp tạo mẫu nhanh FDM (Fused Deposition Modeling)

3.1.1 Khái niệm và nguyên lí hoạt động

và sau này trở thành công nghệ chủ đạo trong lĩnh vực in 3D cho đến ngày nay

- Nguyên lí hoạt động:

Công nghệ FDM là công nghệ đặc trưng của công nghệ tạo mẫu nhanh Nguyên lý chung của công nghệ này là đùn vật liệu dạng sợi để tạo thành các mặt cắt của mẫu Nguyên liệu mà công nghệ FDM sử dụng là sợi dây nhựa Sợi dây nhựa được cung cấp cho đầu đùn nhờ động cơ cuốn Đầu đùn được làm nóng tới nhiệt độ thích hợp để sợi dây nhựa tan chảy và đùn ra ngoài

Hình 3 1 Nguyên lí in 3D theo công nghệ FDM

Đầu đùn này có thể di chuyển độc lập theo hai phương X, Y (giống như máy CNC) tạo nên hình dạng một mặt cắt của vật thể Để làm lớp tiếp theo thì bàn nâng mang

lớp trước đi xuống một khoảng rất nhỏ (0.1- 0,3mm) và đầu đùn lại tiếp tục đắp một lớp mặt căt tiếp theo lên lớp trước Quá trình hoàn thành khi tất cả các mặt cắt đắp lên nhau

3.1.2 Ưu – Nhược điểm của phương pháp FDM

- Ưu điểm:

 Sử dụng phương pháp nung chảy vật liệu thông thường bằng các loại điện trở nhiệt, không cần sử dụng nguồn lazer nên có chi phí lắp đặt, bảo trì, sửa chữa thấp

 Nhiệt độ nóng chảy khi gia công thấp, vật liệu sử dụng không độc hại

 Vật liệu dễ tìm kiếm với giá thành trung bình thấp, lại có nhiều loại và màu sắc khác nhau nên có thể linh hoạt trong việc lựa chọn và thay đổi vật liệu

 Tạo sản phẩm với tốc độ nhanh, giá thành rẻ, có chất lượng cao và đảm bảo đến 85% tính chất của vật liệu được sử dụng Nâng cao khả năng chế tạo các sản phẩm 3D phức tạp và tính linh hoạt trong việc đáp ứng của sản phẩm

 Sử dụng vật liệu với năng suất cao nhất vì dễ dàng loại bỏ vật liệu đỡ và có khả năng tái chế (vật liệu đỡ, vật liệu loại bỏ từ quá trình hậu xử lý)

- Nhược điểm:

 Độ chính xác về hình dáng của sản phẩm bị hạn chế do phụ thuộc vào đường kính vòi đùn

 Có đường phân cách giữa các lớp, bề mặt sản phẩm có độ nhám cao do nguyên

lý gia công theo lớp, đặc biệt là các bề mặt theo phương thẳng đứng và có độ dốc

 Kém cứng vững theo phương vuông góc với trục thẳng đứng (trục xây dựng sản phẩm), độ bền cơ học sản phẩm bị giới hạn

 Không dự đoán được độ co ngót vật liệu

3.2 Lựa chọn kết cấu máy in

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 Nếu phân loại theo kết cấu chuyển động thì hiện nay phổ biến với 4 loại máy in 3D: Cartesian, Delta, và Polar

Máy in 3D Cetus

Máy in 3D cetus có nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống với máy Prusa I3 (Trục

x, y hoạt đông động lập Trục Z di chuyển bộ đầu phun nhựa) Có thể nói đây là dòng máy được cài tiến từ máy prusa bao gồm cả linh kiện và kích thước nên giảm đáng kể khối lượng máy, sử dụng ray trược cho trục đảm bảo máy hoạt đông chính xác và mượt hơn rất nhiều, sản phẩm sau in có chất lượng bề mặt đẹp Do máy in 3D phần đầu đùn

có khối lượng nhỏ nên thiết kế dạng cần trục không bị cong, bên cạnh đó đối trọng của động cơ sẽ giúp trục X luôn cân bằng, và đầu đùn được đặtbên hông giúp giảm khối lượng trục X, đảm bảo hoạt động êm ái và ổn định

- Ưu điểm:

 Kiểu dáng mới

 Kích thước vật in có thể lớn

 Thiết kế nhỏ gọn hơn Prusa i3, nên có thể đặt máy trong khôn gian nhỏ

 Sử sụng ray trượt vuông, giúp máy vận hành êm hơn

 Độ ổn định cao

- Nhược điểm:

 Không thể găn được đầu đùn có khối lượng lớn

Hình 3 2 Máy in 3D Cetus

 Lắp ráp và căn chỉnh máy khó

 Giá thành cao

Kết luận: Nghiên cứu và thiết kế chế tạo máy in 3D theo kiểu Cetus Vì thiết kế này

đơn giản về mặt cấu trúc cũng như quá trình cần chỉnh hệ gốc tọa độ Home đơn giản hơn hệ Delta, thiết kế nhỏ gọn hơn Cartesian có thể đặt trong không gian làm việc nhỏ Xong thiết kế này lại đảm bảo đọ ổn định và có khả năng linh động cao

3.3 Lựa chọn cụm nâng hạ trục Z

3.3.1 Vít me đai ốc thường

Hình 3 3 Cơ cấu dùng vít me đai ốc

Vít me được gắn đồng trục với động cơ, khi động cơ quay, vít me quay,động cơ

và vit me gắn cố định, làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me Đai ốc thì được gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động(trục X, Y, Z) Từ đó làm cho bộ phận đó chuyển động so với hệ thống thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động

Tốc độ di chuyển được phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vít, một vòng quay của trục động cơ sẽ làm đai ốc di chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít, vì vậy tốc độ di chuyển của bộ phận trượt ở phương pháp này là chậm nhưng lại có độ chính xác khi chuyển động khá cao Dùng động cơ bước có bước góc càng nhỏ

và trục ren có bước ren nhỏ thì độ chính xác di chuyển càng cao

- Ưu điểm

 Khả năng chịu tải cao

 Bảo trì, sửa chữa, thay thế dễ dàng

 Rất phổ biến, được sử dụng rộng rãi

 Giá thành tốt

- Nhược điểm:

 Độ cứng vững dọc trục không tốt do có khe hở giửa vít me và đai ốc

 Không đảm bảo độ chính xác cao

 Ma sát lớn, hiệu suất giảm

3.3.2 Vít me đai ốc bi

Trong máy công cụ điều khiển số công nghiệp, người ta thường sử dụng dạng vít

me đai ốc đó là vít me đai ốc với mặt tiếp xúc còn được gọi là vít me đai ốc thường (như

đã giới thiệu ở trên) và một dạng nữa đó là vít me đai ốc bi Đây là dạng vít me đai ốc thay vì ma sát trượt thông thường, tiếp xúc giữa vít me và đai ốc thông qua các viên bi được chuyển thành mà sát lăn Điều này đem đến một ưu điểm: chỉ cần một lực quay rất nhỏ vào trục vít me đã có thể làm cho đai ốc chuyển động

Hình 3 4 Vít me đai ốc bi

Hình 3 5 Mặt cắt vít me bi

Giữa vận tốc tịnh tiến của vít và số vòng quay trong một phút của đai ốc có liên hệ:

 Chỉ cần lực nhỏ để có thể di chuyển đai ốc

 Mất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền lớn gần 0,9

 Đảm bảo chuyển động ổn định vì lực ma sát hầu như không phụ thuộc vào tốc độ

 Có thể loại trừ khe hở và sức căng ban đầu nên đảm bảo độ cứng vững dọc trục cao

 Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài

- Nhược điểm:

 Khả năng chịu tải kém

 Chế tạo, bảo trì khó khăn

 Giá thành cao

 Chóng mòn

Kết luận: Ta chọn bộ truyền vít me – đai ốc bi để đảm bảo độ chính xác cao của máy

tạo mẫu nhanh

 Kết luận: Ta chọn bộ điều khiển là vi điều khiển vì yêu cầu bộ điều khiển thực

hiện nhiều chức năng, liên tục kiểm soát các thông số cùng lúc, đồng thời cũng phải đảm bảo độ ổn định cho hệ thống, dễ dàng lập trình, thay thế, kích thước nhỏ gọn

3.4 Ray trượt dẫn hướng

Ray trượt dẫn hướng có 2 chức năng cơ bản:

- Dùng để dẫn hướng cho các bộ phận như bàn máy, các cụm trục,… theo một quỹ đạo hình học cho trước

- Định vị đúng các bộ phận tĩnh

Do vậy, ray trượt cần các yêu cầu sau:

- Đảm bảo độ chính xác tĩnh và độ chính xác di chuyển cho các bộ phận lắp trên đó Yêu câu này chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác gia công ray trượt, cách bố trí ray trượt phù hợp bề mặt chịu lực Bố trí sao cho lực tác dụng lên ray trượt là nhỏ nhất và biến dạng ray trượt là nhỏ nhất

- Bề mặt làm việc phải có khả năng chịu mòn cao để đảm bảo độ chính xác lâu dài Yêu cầu này phụ thuộc vào độ cứng bề mặt của ray trượt, độ bóng bề mặt của ray trượt, chế độ bôi trơn và bảo quản ray trượt

- Kết cấu ray trượt đơn giản, có tính công nghệ cao

- Có khả năng điều chỉnh khe hở khi mòn, tránh được phoi và bụi

Hình 3.6 Ray trượt MGN12C

Bảo vệ và bôi trơn ray trượt:

- Bảo vệ ray trượt khỏi bụi bẩn, phoi, … cũng như bôi trơn hợp lý bề mặt ray trượt có tác dụng làm giảm độ mòn đáng kể của ray trượt và giữ dược độ chính xác ban đầu của ray trượt

- Đồng thời với các biện pháp chống bụi là việc bôi trơn hợp lý, thông thường đối với ray trượt tuyến tính hiện nay các nhà chế tạo đều có hướng dẫn bôi trơn cho từng dòng ray trượt để đảm bảo hiệu quả tốt nhất

Ray trượt dẫn hướng thường được sử dụng hiện nay: ray trượt vuông, thanh trượt tròn

Thanh trượt vuông

Thanh trượt vuông là một trong những thiết bị được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, trong các loại máy móc, thiết bị tự động hóa Dòng ray trượt dẫn hướng này được làm từ thép hợp kim, được cấu tạo bởi thanh ray trượt và con trượt block, giúp cơ cấu máy chuyển động một cách trơn tru, dẫn hướng chính xác nhất

Một số loại thanh trượt vuông phổ biến trên thị trường hiện nay như thanh trượt vuông CPC, thanh trượt vuông HIWIN, thanh trươt vuông THK, thanh trượt vuông Bosch Rexroth, …

Hình 3 7 Thanh trượt vuông CPC

Hình 3 8 Thanh trượt vuông HIWIN

Hình 3 9 Thanh trươt vuông THK

Hình 3 10 Thanh trượt vuông Bosch Rexroth

Kết luận: Việc lựa chọn ray trượt dẫn hướng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như

độ chính xác của máy, độ cứng vững, thời gian làm việc và yêu cầu về tính kinh tế Để có một ray trượt phù hợp thì 2 yếu tố là khả năng chịu tải và tuổi thọ là 2 yếu tố được

ưu tiên nhất Kết hợp giữa các yếu tố này để lựa chọn được ray trượt dẫn hướng có thể đảm bảo được khả năng chịu tải và đạt được giá trị kinh tế phù hợp nhất Đối với máy

in 3D do yêu cầu tải nhẹ nên ta lựa chọn dòng ray trượt thanh trượt vuông Cụ thể là ray trượt MNG12C

CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

4.1 Thông số máy

- Không gian in tối đa : 300 x300x300 mm

- Độ phân giải của một lớp in: từ 2 ÷ 5

- Tốc độ khi in: 20 mm/s

- Tốc độ tối đa: 60mm/s

4.2 Các phương án thiết kế kết cấu máy

4.2.1 Phương án 1

Truyền động Cartesian – XZ

- Trong kết cấu này bàn in sẽ dịch chuyển theo phương Y, đầu phun sẽ dịch chuyển theo phương XZ

- Hai trục XY sử dụng bộ truyền đai, trục Z sử dụng bột truyền vít me – đai ốc

- Ưu điểm của kết cấu này là:

 Kết cấu đơn giản dễ thi công

 Chi phí rẻ, độ cứng vững cao

- Nhược điểm của nó là:

 Độ chính xác của mẫu in không cao

 Do bàn in di chuyển nên dễ làm cho những lớp in đầu tiên dễ bị dịch chuyển làm sai lệch mẫu in

 Do khối lượng các cơ cấu di động lớn nên quán tính lớn, dễ rung động

4.2.2 Phướng án 2

Sử dụng kết cấu robot delta, dùng truyền động đai Kết cấu này có ưu điểm là:

- Các kết cấu di động nhỏ, nên quán tính máy nhỏ hoạt động êm

- Độ cứng vững khá cao, có thể in được vật có chiều cao lớn

- Độ chính xác và thời gian in nhanh hơn Cartesian – XZ

Tuy nhiên, nhược điểm của máy là:

- Khổ máy lớn gây khó khăn cho quá trình di chuyển

- Khó căn chỉnh bàn máy

- Giá thành cao hơn mẫu máy sử dụng Cartesian

4.2.3 Phương án 3

Sử dụng kết cấu máy in 3D Cetus, loại này có nguyên lí hoạt động gần giống như máy in Cartesian Trục XY sử dụng đai, trục Z sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc bi

Ưu điểm của kết cấu này:

- Kết cấu đơn giản, dễ lắp đặt

- Có thể in với tốc độ cao hơn kết cấu Cartesian – XZ và tương đương với kết cấu delta

- Các kết cấu di động nhỏ nên quán tính nhỏ, máy hoạt động êm hơn

- Độ chính xác tương đương máy Delta

Nhược điểm của kết cấu này:

- Khó căn chỉnh bàn in

4.3 Lựa chọn phương án

Dựa vào những ưu điểm cũng như những khuyết điểm của từng kết cấu đã được nêu trên 3 phương án Nhóm quyết định chọn phương án 3 – máy in kết cấu Cetus

4.4 Trình tự thực hiện

- Tính toán thiết kế truyền động vít me – đai ốc bi cho trục Z

- Tính toán thiết kế truyền động đai cho trục XY

- Thiết kế bộ phận đùn đất sét

- Thiết kế, gia công các chi máy

- Lựa chọn, tính toán phần điện

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ

5.1 Thiết kế khung máy

Đối với kết cấu khung máy dành cho máy in 3D, do không chịu tải trọng lớn nên nhóm quyết định thiết kế khung máy bằng nhôm định hình nhằm tiết kiệm về chi phí, dễ tháo lắp và sữa chữa trong quá trình bảo dưỡng máy

Kích thước nhôm định hình sử dụng là:

- Nhôm định hình 20x40:

- Nhôm định hình 20x60:

Hình 5 2 Kích thước nhôm định hình 20x60 Hình 5 1 Kích thước nhôm định hình 20x40

- Nhôm định hình 60x60:

Hình 5 3 Kích thước nhôm định hình 60x60

Phương pháp gia công vè lắp ráp khung máy:

Khung máy là bộ phận quan trọng, chịu lực lớn nhất và đảm bảo độ chính xác của máy nên yêu cầu độ chính xác cao khi gia công

Yêu cầu phải đảm bảo về kích thước của các thanh nhôm, độ vuông góc khi lắp ghép

Các thanh nhôm định hình được cắt bằng máy cưa bàn lưỡi hợp kim để đảm bảo độ phẳng của thiết diện khi cắt

Các thanh nhôm được ghép với nhau bằng các ke góc vuông để đảm bảo độ vuông góc, các bát phay CNC đảm bảo độ phẳng và độ vuông góc

Hình 5 5 Bulong lục giác chìm, ke góc vuông, tán T

Chân mám được lắp thêm 4 chân đế cao su nhằm giảm rung động khi máy hoạt động

Hình 5 6 Chân đế cao su

5.2 Thiết kế cụm cơ khí trục Z

Trục Z là trục ít di chuyển nhất trong quá trình làm việc, tuy nhiên nó có yếu tố quyết định đến chất lượng sản phẩm rất lớn, vì nó liên quan đến thông số chiều dày một lớp in, thông số này ảnh hưởng đến độ bóng cũng như dung sai kích thước về chiều cao của chi tiết

Thông thường đối với trục Z ta có thể dùng vít me – đai ốc, vít me – đai ốc bi hoặc sử dụng đai

Truyền động đai có ưu điểm là kết cấu nhỏ gọn, hoạt động êm, dễ thiết kế nhưng trục Z chuyển động lên xuống sẽ gây trượt đai Truyền động vít me – đai ốc bi được sử dụng trên trục Z do truyền động có hiệu suất cao, ít gây hiện tượng trượt, vận hành êm

5.2.1 Tính toán truyền động vít me – đai ốc bi trên trục Z

- Thông số đầu vào:

 Trọng lượng gá trục X lên trục Z: WZ = 10.10 = 100 N

 Khối lượng lớn nhất của chi tiết: M = 20 Kg => W = 200 N

 Vận tốc di chuyển tối đa: V1= 60 mm/s

 Vận tốc di chuyển khi in: V2= 5 mm/s

 Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ: a = 3 mm/s2

 Thời gian hoạt động: Lt = 14600 h

 Tốc độ vòng của động cơ: N = 1000 rpm

 Hệ số ma sát trơn bề mặt: µ = 0,1

- Lựa chọn kiểu lắp trục vít:

Có 3 kiểu lắp trục vít thường sử dụng là fixed – fixed, fixed – support, fixed – free

 Kiểu fixed – fixed hai đầu vít me được cố định, với kiểu lắp này đạt độ cứng

vững cao, chịu được tải trọng cao giảm sự rung động của trục Z, tuy nhiên kết cấu phức tạp, khó lắp đặt

Hình 5 7 Kiểu lắp vít me fixed – fixed

 Kiểu fixed – support một đầu vít me được gắn với ổ bi, kiểu lắp này có độ cứng

vững thấp hơn kiểu fixed – fixed, khả năng chịu tải trung bình

Hình 5 8 Kiểu lắp vít me fixed – support

 Kiểu fixed – free một đầu vít me để tự do, kiểu lắp này có kết cấu đơn giản nhất, dễ lắp đặt, chịu tải trọng thấp tương đương với kiểu lắp kiểu lắp fixed – support, độ cứng vững thấp hơn fixed – fixed

Hình 5 9 Kiểu lắp vít me fixed – free

Đối với kết cấu bàn in của máy do trục Z di chuyển khoảng 300 mm lớn nên ta chọn kiểu fixed – fixed

- Tính toán lực dọc trục

 Hệ số ma sát lăn: µ = 0,1

 Khối lượng tổng cộng: m= M + Wy =30 kg

 Lực chống không tải: f = 30 kgf = 300 N

 Gia tốc trọng trường: g= 10 m/s2

- Tính các lực dọc trục: [6]

 Tăng tốc (đi lên): Fa1 = mg + ma = 10.10 + 10.3 = 130 N (5.2)

 Chạy đều (đi lên): Fa2 = mg = 10.10 = 100 N (5.3)

 Gia công (đi lên): Fa3 = mg + μFmz = 10.10 + 0,1.0 = 100 N (5.4)

 Giảm tốc (đi lên): Fa4 = mg - ma = 10.10 – 10.3 = 70 N (5.5)

 Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công : F1max = 130 N

 Lực dọc trục lớn nhất khi gia công : F2max = 70 N

 Lực dọc trục trung bình: [6]

 F1max, F2max: Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công và gia công

 N1max, N2max: Tốc độ quay lớn nhất của trục khi không gia công và gia công

 T1, T2: Thời gian máy hoạt động ở chế độ không tải và có tải

Bảng 5 1: Lực dọc trục và phần trăm tương ứng:

 fs: hệ số bền tĩnh, với máy công cụ fs = 1,5 – 3 (chọn fs = 2)

 Famax: lực dọc trục lớn nhất tác dụng lên vitme

- Chọn bán kính trục vít:

 L= Tổng chiều dài di chuyển max + Chiều dài đai ốc,ổ bi/2 + Chiều dài vùng thoát = 300 + 44 + 40 = 384 (mm)

 Kiểu ổ bi là lắp chặt ở cả hai đầu -> f = 3,4

 Chọn tốc độ quay cho động cơ khoảng 80% so với tốc độ quay giới hạn nên ta có n=80% Nmax = 80% 1000 = 800 vòng/ph

Bán kính trục vít :

dr = 𝑛.𝐿2

𝑓 10−7=800.3842

- Chọn loại vít me:

 Loại vít me: SFU1204

 Đường kính trục: 12mm

 Bước vít: 4mm

Hình 5 10 Thông số vít me bi SFU – 1204

Chiều dài vít me sau khi chọn:

L= Tổng chiều dài dịch chuyển + Chiều dài đai ốc + Chiều dài vùng thoát

= 300 +40 +44= 384 mm => 400 mm

- Kiểm tra sơ bộ:

 Tuổi thọ làm việc: [6]

𝐿𝑡 = ( 𝐶𝑎

𝐹 𝑚𝑧 𝐹 𝑤)3 106 1

𝐿𝑡 = (1109,23

100.1,2)

3

106 160.900 = 14600 ℎ = 14600 ℎ

 Tốc độ quay cho phép:

𝑛 = 𝑓.𝑑𝑟

𝐿 2 107 = 3,4 12

400 2 107 = 2550 vòng/phút [6] (5.13)

5.2.2 Tính toán động cơ cho trục Z

- Moment quán tính khối:

 Trên trục vít me:

- Moment phát động:

Thời gian dành cho quá trình có gia tốc là rất ngắn, do đó ở đây ta chỉ tính toán cho giai đoạn chạy đều ( chiếm phần lớn thời gian gia công )

 Moment đặt trước:

𝑇𝑝 = 𝑘.𝐹𝑎𝑜.𝑙

𝑇𝑝 = 0,3.4,3.1

2𝜋 = 0,21 (kfg.cm) [6]