Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy in 3D sử dụng cơ cấu CoreXY (ĐH SPKT)

Tải trọn bộ đồ án tốt nghiệp thiết kế máy in 3D CoreXY. Bao gồm bản vẽ, thuyết minh tính toán chi tiết, và hướng dẫn chế tạo từ A-Z.

• Tác giả: Nguyễn Cảnh Hà
• Người hướng dẫn: ThS. Tạ Nguyễn Minh Đức
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Máy In 3D Sử Dụng Cơ Cấu CoreXY
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Máy In 3D CoreXY và Công Nghệ FDM

Máy in 3D CoreXY là một giải pháp tiên tiến trong lĩnh vực in 3D hiện đại, sử dụng công nghệ FDM (Fused Deposition Molding) để tạo ra các sản phẩm ba chiều. Cơ cấu CoreXY được thiết kế để tối ưu hóa chuyển động của đầu phun, giúp cải thiện độ chính xác và tốc độ in ấn. Công nghệ này có những ưu điểm vượt trội như vật liệu dễ kiếm, không gây độc hại, kết cấu máy đơn giản, và chi phí chế tạo thấp. Với không gian làm việc 200x200x200mm, máy có khả năng sử dụng vật liệu nhựa ABS và PLA, phù hợp cho nhiều ứng dụng thực tiễn. Đồ án này tập trung vào thiết kế và chế tạo máy in 3D có độ chính xác cao, kết hợp giữa hiệu suất in và chất lượng sản phẩm.

1.1. Công Nghệ FDM trong In 3D

Công nghệ FDM (Fused Deposition Molding) là quá trình xếp chồng từng lớp vật liệu nóng chảy để tạo hình dạng 3D. Phương pháp này sử dụng sợi nhựa PLA hoặc ABS được đưa vào buồng nung, sau đó nóng chảy và được đầu phun ấn xuống theo hình dạng thiết kế. Ưu điểm chính của FDM là chi phí vật liệu thấp, dễ sử dụng, không yêu cầu hóa chất độc hại, và có thể tạo ra các mô hình có độ phức tạp cao.

1.2. Cơ Cấu CoreXY và Ưu Điểm

Cơ cấu CoreXY là hệ thống truyền động sử dụng hai belt (dây đai) chuyển động để điều khiển vị trí đầu phun trên hai trục X và Y. Khác với các hệ thống truyền động truyền thống, CoreXY giảm quán tính, cải thiện tốc độ chuyển động, và cho phép in ấn nhanh hơn với độ chính xác cao hơn. Thiết kế này cũng giúp tối ưu hóa đường di chuyển đầu phun, từ đó cải thiện chất lượng bề mặt sản phẩm.

II. Thiết Kế Cơ Khí của Máy In 3D CoreXY

Thiết kế cơ khí của máy in 3D CoreXY yêu cầu sự kết hợp hoàn hảo giữa các thành phần để đạt được hiệu suất tối ưu. Khung máy được thiết kế với kích thước không gian làm việc 200x200x200mm, sử dụng các ray trượt tuyến tính để đảm bảo chuyển động mượt mà và chính xác. Hệ thống truyền động belt với hai động cơ bước được cấu hình theo cơ cấu CoreXY, cho phép chuyển động đồng thời trên trục X và Y mà không cần các trục riêng biệt. Các thành phần chính bao gồm khung nhôm, ray trượt, pulley, belt, đầu phun, và nền tảy in. Quá trình tính toán, thiết kế, gia công và lắp ráp được thực hiện một cách có hệ thống để đảm bảo máy hoạt động với dung sai chính xác.

2.1. Hệ Thống Truyền Động CoreXY

Hệ thống truyền động CoreXY sử dụng hai động cơ bước để điều khiển chuyển động của đầu phun trên mặt phẳng ngang. Mỗi động cơ được kết nối với một pulley chạy dọc theo các belt. Khi cả hai động cơ hoạt động, chúng tạo ra lực tổng hợp để di chuyển đầu phun theo bất kỳ hướng nào trên mặt phẳng XY. Thiết kế này giảm quán tính so với hệ thống Cartesian truyền thống, cho phép tăng tốc độ và độ chính xác.

2.2. Khung Máy và Hệ Thống Ray Trượt

Khung máy in 3D CoreXY được chế tạo từ hồ sơ nhôm extrusion để đạt được độ bền cao với trọng lượng nhẹ. Ray trượt tuyến tính được lắp đặt để hỗ trợ chuyển động của nền tảy in trên trục Z và các thành phần X-Y. Hệ thống này đảm bảo độ thẳng hàng chính xác, giảm ma sát, và cho phép chuyển động mượt mà trong suốt quá trình in ấn.

III. Hệ Thống Điện Tử và Điều Khiển Máy In 3D

Hệ thống điện tử của máy in 3D CoreXY bao gồm bo mạch điều khiển, động cơ bước, cảm biến, và hệ thống nung nóng. Bo mạch điều khiển nhận dữ liệu từ file thiết kế 3D và chuyển đổi thành lệnh điều khiển các động cơ bước trên các trục X, Y, và Z. Các động cơ bước được lựa chọn để đảm bảo độ chính xác định vị tốt, cho phép in với dung sai chính xác. Hệ thống nung nóng gồm phần nung nóng đầu phun (thường là 200-220°C) và nền tảy in được nung nóng (60-110°C tùy theo vật liệu) để đảm bảo in ấn thành công. Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ chính xác, trong khi cảm biến vị trí giúp định vị ban đầu của các trục.

3.1. Bo Mạch Điều Khiển và Phần Mềm In 3D

Bo mạch điều khiển của máy in 3D CoreXY sử dụng vi điều khiển để xử lý dữ liệu G-code từ phần mềm in 3D. Các phần mềm hỗ trợ phổ biến bao gồm Cura, Slic3r, và Pronterface, cho phép người dùng tùy chỉnh các thông số in như tốc độ, nhiệt độ, độ cao lớp. Phần mềm này chuyển đổi mô hình 3D thành lệnh điều khiển cho các động cơ bước, đảm bảo độ chính xác trong việc tạo hình.

3.2. Hệ Thống Nung Nóng và Cảm Biến

Hệ thống nung nóng bao gồm bộ nung nóng điện trở trên đầu phun để nóng chảy vật liệu và mặt nền tảy được nung nóng để hỗ trợ độ bám của lớp đầu tiên. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 được sử dụng để giám sát và kiểm soát nhiệt độ chính xác, tránh quá nhiệt hoặc tế quá. Hệ thống này duy trì nhiệt độ ổn định trong suốt quá trình in, đảm bảo chất lượng sản phẩm cao.

IV. Quá Trình Chế Tạo Lắp Ráp và Sản Phẩm Hoàn Thiện

Quá trình chế tạo máy in 3D CoreXY được thực hiện theo các bước có hệ thống từ thiết kế đến lắp ráp cuối cùng. Đầu tiên, các bản vẽ chi tiết được tạo ra để hướng dẫn quá trình gia công các thành phần cơ khí như khung máy, các bộ phận hỗ trợ, và các chi tiết phụ. Các thành phần được gia công bằng máy CNC, máy tiện để đạt độ chính xác cao. Tiếp theo, quá trình lắp ráp bao gồm lắp ráp khung máy, lắp đặt ray trượt, gắn các động cơ bước, lắp ráp hệ thống nung nóng, và cài đặt bo mạch điều khiển. Sản phẩm hoàn thiện là một máy in 3D toàn chức năng với khả năng in các sản phẩm có độ chính xác dung sai 0.1mm. Đồ án còn bao gồm tập bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp ráp, và bản thuyết minh đầy đủ để hỗ trợ quá trình sản xuất và bảo trì.

4.1. Quy Trình Gia công và Lắp Ráp

Quy trình gia công bao gồm cắt gọt nhôm, gia công các lỗ và rãnh theo bản vẽ chi tiết, và kiểm tra kích thước chính xác của từng thành phần. Lắp ráp được thực hiện theo bản vẽ lắp ráp chi tiết, với cấu trình từng bước từ lắp khung cơ bản đến gắn các thành phần điện tử. Kiểm tra chất lượng được tiến hành ở mỗi giai đoạn để đảm bảo sản phẩm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.

4.2. Kiểm Thử và Tối Ưu Hóa Hiệu Năng

Sau lắp ráp hoàn thiện, máy in 3D CoreXY được kiểm thử toàn diện với các bộ thử nghiệm mẫu tiêu chuẩn. Kiểm tra độ chính xác định vị, kiểm tra chất lượng in ấn, kiểm tra tốc độ in, và kiểm tra độ bền của các thành phần. Quá trình tối ưu hóa bao gồm điều chỉnh thông số in như nhiệt độ, tốc độ, và tối ưu hóa đường di chuyển đầu phun để đạt cân bằng giữa chất lượng và thời gian in ấn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh Chương 3: Cơ sở lý thuyết Chương 4: Phương hướng và các giải pháp thiết kế Chương 5: Tính toán thiết kế máy in 3D Chương 6: Kết quả 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH 2. Giới thiệu về công nghệ tạo mẫu nhanh Công nghệ tạo mẫu nhanh ra đời tử những thập niên 80 với sự xuất hiện đầu tiên của công nghệ tạo mẫu lập thể SLA được phát minh ở Mỹ vào những năm 1983 bởi Charles Hull. Từ đó đến nay công nghệ tạo mẫu nhanh khá phát triển với nhiều công nghệ với được phát minh. Công nghệ tạo mẫu nhanh hỗ trợ rất nhiều cho người thiết kế và những nhà sản xuất có thể kiểm tra các chi tiết hay hệ thống được thiết kế trước khi được cấp vốn để sản xuất hàng loạt.

Các công nghệ tạo mẫu nhanh đã giúp các nhà sản xuất đẩy mạnh việc thiết kế sản phẩm, hạn chế các sai sót không đáng có trong quá trình thiết kế và sản xuất. Về cơ bản công nghệ tao mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu sản phẩm giúp người sản xuất quan sát nhanh sản phẩm cuối cùng. Quá trình tạo mẫu được hỗ trợ bởi các phần mềm CAD giúp thiết kế nhanh sản phẩm, các phần mềm cắt lớp. Tạo đường chuyển động.

Đặc điểm của công nghệ tạo mẫu nhanh là: - Thực hiện tạo mẫu trong thời gian ngắn, đây chính là điểm mạnh của phương pháp này. - Sản phẩm của quá trình tạo mẫu nhanh có thể dùng để kiểm tra các mẫu được sản xuất bằng các phương pháp khác. - Mẫu tạo ra có thể dùng hỗ trợ cho quá trình sản xuất. Các bước của quá trình tạo mẫu nhanh.

Quá trình tạo mẫu nhanh được thể hiện qua sơ đồ khối sau: Mô hình Tiền xử Tạo mẫu Hậu xử lý CAD 3D lý tự động Hình 2.1: Sơ đồ quá trình tạo mẫu Bước 1: Tạo mô hình 3D dạng mặt hay khối. Bước 2: Tiền xử lý - Chuyển đổi định dạng file CAD 3D sang định dạng file .stl xấp xỉ bề mặt dưới dạng tam giác. 3 - 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 tự động.

Bước 4: Hậu xử lý Tháo các bộ phận support, xử lý bề mặt, … 2. Một số công nghệ tạo mẫu nhanh 2. Công nghệ SLA Công nghệ SLA được phát minh ở Mỹ vào năm 1984. Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA dựa vào nguyên tắc đông cứng vật liệu lỏng photopolymer thành hình dạng rõ ràng khi nó được chiếu bởi một chùm tia laser cường độ cao.

Có thể sử dụng Laser He-Cd với bước sóng 325nm hoặc Laser dạng rắn Nd:YVO4 với bước sóng 354,7nm.2: 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 cực tím tập trung trên một diện tích của lớp chất lỏng và di chuyển theo hướng X – Y. Chùm tia cực tím chiếu sáng làm đông đặc lớp dung dịch tạo nên một khối đặc, bệ đỡ được hạ xuống một khoảng bằng chiều dày 1 lớp và quá trình được lặp lại. 4 Quá trình được tiếp diễn cho đến khi đạt được kích thước của chi tiết.

Phần dung dịch xung quanh không bị đông kết và có thể được sử dụng cho lần kế tiếp. Công nghệ in 3DP Công nghệ in chiều được phát triển ở khoa kỹ thuật cơ khí viện công nghệ MIT.3: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu 3DP Đầu phun sẽ phun dung dịch keo kế dính trên bề mặt lớp nền bột vật liệu chế tạo. Bột sẽ kết dính với nhau ở những vị trí có keo dính. Sau khi lớp đầu tiên hoàn thành piston chế tạo sẽ đi xuống một khoảng bằng bề dày một lớp.

Piston phân phối bột đi lên, con lăn chạy qua đẩy bột cung cấp tiếp tục cho quá trình. Quá trình được lặp lạI cho đến khi toàn bộ vật thể được chế tạo xong trong nền bột. 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. 5 Sợi nhựa Bánh răng tời nhựa Đầu phun nhựa Chi tiết Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu FDM Nguyên lý hoạt động: Ở vị trí ban đầu bàn in cách đầu phun nhiệt một khoảng bằng chiều dày lớp in.

Sợi nhựa được đưa vào kim phun nhờ hệ thồng tời nhựa bằng cặp bánh răng một cách liên tục. Tại đầu phun nhựa, nhựa được nung nóng tới khoảng nhiệt độ thích hợp bởi bộ phận gia nhiệt. Nhựa nóng chảy được đùn ra theo biên dạng dịch chuyển của đầu phun. Sau khi lớp thứ nhất hoàn thành bàn máy dịch xuống một khoảng bằng chiều dày một lớp.

Quá trình tiếp tục cho đến khi hoàn thành chi tiết. Giới thiệu một số mẫu máy in 3D 2.5: Máy in 3D prusa I3 6 Được phát triển từ những năm 2010 bởi Josef Prusa. Đây là một trong những mẫu máy in 3D công nghệ FDM khá phổ biến trên thị trường hiện nay. Mức giá của loại máy này giao động từ 4 triệu đến 6 triệu.

Ưu điểm của loại máy này là kết cấu đơn giản, dễ lắp ráp, tuy nhiên nhược điểm là độ chính xác không cao, độ bóng bề mặt thấp. Máy Delta Kossel Được phát triển bởi Johann tại Seatle, Mỹ vào năm 2012. Dòng máy này sử dụng cơ cấu delta, công nghệ in FDM, loại nhựa thường được sử dụng là nhựa ABS, PLA.6: Máy in 3D Delta Kossel Loại máy Delta Tốc độ in 320 mm/s Độ phân giải động cơ 100 step/mm Không gian in Đường kính in 170 mm, chiều cao 240 mm Độ phân giải mỗi lớp in 0.2 mm Giá 600USD Bảng 2.1: Thông số máy in 3D Delta Kossel Ưu điểm của mẫu máy này là máy hoạt động êm, ít rung, tốc độ và độ chính xác cao có thể in được vật thể có chiều cao lớn, cơ cấu có độ cứng vững cao. Bên cạnh những ưu điểm đó là những nhược điểm như khổ máy lớn, cồng kềnh, kết cấu phức tạp, khó căn chỉnh, giá thành đắt hơn so với dòng máy prusa.

Máy Ember Máy ember được phát triển bởi công ty Autodesk năm 2015. Đây là dòng máy in sử dụng công nghệ SLA, sử dụng vật liệu là loại nhựa lỏng.7: Máy in 3D Ember Độ phân giải trục XY 50micron Độ phân giải trục Z 10 – 100 micron. Không gian in 64x40x134 mm. Tốc độ in 18 mm/h.

Loại nhựa Acrylate photosensitive resin. Kích thước máy 325 x 340 x 434 mm. Giá thành 7495USD bao gồm nhựa lỏng.2: Thông số máy in 3D Ember. Ưu điểm của dòng máy là 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 Nhược điểm của máy là giá thành cao, tốc độ in thấp.

Kết luận Chương này đã giới thiệu một số công nghệ in 3D và một số mẫu máy in 3D điển hình và được sử dụng khá phổ biến trên thị trường hiện này từ đó làm tiền đề cho việc lựa chọn kế cấu và công nghệ in sử dụng trong đồ án. 8 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3. 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 đầu tiên trên thế giới. Về cơ bản mọi máy in 3D đều có kết cấu cơ khí gần giống nhau, chỉ khác nhau về bộ phận tạo mẫu.

Xét về tổng quan các máy in 3D FDM có kết cấu gồm 3 phần chính: phần mềm điều khiển, phần điện, phần cơ khí, bộ đùn nhựa. Phần mềm CAD/CAM Phần mềm Phần mềm điều khiển Đai Truyền động các trục Phần MÁY cơ Vít me đai ốc IN 3D khí Bộ đùn nhựa Bộ phận điều Vi điều khiển khiển Phần điện Động cơ bước Bộ phận chấp Đầu phun hành nhựa Cảm biến nhiệt Hình 3.1: Cấu trúc máy in 3D Cấu trúc cơ khí của một máy in 3D gần giống với các loại máy CNC với truyền động 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 không đáng kể do đó 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 lực không cao do đó có thể sử 9 dụng các chi tiết in đươc bằng các máy khác để lắp ráp.

Đó cũng là một ưu điểm của các máy in 3D. Một số dòng máy in 3D có khoảng 80% các chi tiết lắp ráp là được in bằng các máy in 3D sẵn có. Phần điện của máy in 3D có thể chi thành 2 khối: khối điều khiển và khối chấp hành. Khối điều khiển gồm các thành phần như: Vi điều khiển, Board kết nối, Driver.

Khối chấp hành gồm các thành phần như: động cơ bước, các cảm biến nhiệt, động cơ servo (nếu có), tản nhiệt, …. Bộ đùn nhựa là một trong những phần quan trọng nhất trong máy. Bộ phận này thực hiện 2 chức năng trong máy: bộ tời nhựa cung cấp nhựa chạy liên tục, đầu phun nhựa thực hiện chức năng nung chảy nhựa và đùn nhựa tạo nên mẫu. Phần mềm được chia làm 2 thành phần: phần mềm CAD/CAM, phần mềm điều khiển.

Phần mềm CAD là các phần mềm có chức năng tạo mẫu 3D, đây là các mô hình sẽ được in trên máy in 3D. Các phần mềm CAD được sử dụng có thể là Solidwork, Creo, Sketchup, …. Các mô hình 3D sau khi được tạo ra phải được chuyển đổi sang định dạng STL từ đó có thể đưa sang các phần mềm CAM để xử lý tiếp theo. Các phần mềm CAM là các phần mềm thực hiện các chức năng cắt lớp vật thể do công nghệ in 3D là in theo từng lớp, 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 các thông số in hợp lý. Sau khi cắt lớp phần mềm sẽ tạo chuyển động khi in và xuất file Gcode. Các mã lệnh Gcode hầu hết giống với gcode trên máy CNC tuy nhiên có một số mã lệnh riêng đối với máy in 3D.