Đồ án Thiết kế, chế tạo máy in 3D Delta - Cơ Điện Tử UET, 2021

Bài viết trình bày chi tiết về đồ án thiết kế và chế tạo máy in 3D Delta. Khám phá cấu tạo, nguyên lý hoạt động và quy trình thực hiện dự án này một cách

• Tác giả: Nguyễn Văn Thời
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Thành Long
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết kế, chế tạo sản phẩm máy in 3D Delta
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế máy in 3D Delta

Máy in 3D Delta là một hệ thống tạo mẫu nhanh tiên tiến. Cơ cấu Delta sử dụng ba thanh truyền song song, được điều khiển bởi ba động cơ bước độc lập. Đầu phun được treo trên các thanh này, cho phép di chuyển chính xác trong không gian ba chiều. Nguyên lý động học ngược và thuận là nền tảng để tính toán quỹ đạo. Đồ án này thuộc lĩnh vực Cơ Điện Tử, kết hợp cơ khí chính xác, điện tử điều khiển và lập trình. Máy in 3D Delta có ưu điểm là tốc độ in cao, độ chính xác tốt và vùng làm việc hình trụ. Thiết kế đòi hỏi sự hiểu biết sâu về kinematics và hệ thống điều khiển.

1.1. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động

Máy in 3D Delta dựa trên cơ cấu robot song song Stewart-Gough. Ba trục tịnh tiến thẳng đứng điều khiển ba thanh nối với đầu phun. Sự phối hợp chuyển động của ba trục tạo ra quỹ đạo phức tạp cho đầu phun. Nguyên lý động học ngược tính toán vị trí các trục từ tọa độ đầu phun. Nguyên lý động học thuận làm ngược lại. Đây là bài toán then chốt trong thiết kế máy in Delta.

1.2. Vị trí trong đồ án Cơ Điện Tử

Đồ án thiết kế máy in 3D Delta là bài tập tổng hợp lý tưởng cho sinh viên Cơ Điện Tử. Nó yêu cầu kiến thức về thiết kế cơ khí, tính toán động học, lập trình vi điều khiển và điều khiển động cơ. Dự án mô phỏng quy trình phát triển sản phẩm thực tế. Từ phân tích yêu cầu, thiết kế mô hình, chế tạo mô hình đến vận hành thử nghiệm. Đây là cơ hội áp dụng lý thuyết vào thực tiễn.

II. Phân tích các vấn đề kỹ thuật của máy in 3D Delta

Thiết kế máy in 3D Delta đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật. Bài toán động học ngược phức tạp đòi hỏi giải pháp tính toán chính xác. Lựa chọn vật liệu cho khung máy ảnh hưởng đến độ cứng và rung động. Hệ thống truyền động phải đảm bảo độ chính xác và độ lặp lại. Việc điều khiển ba động cơ bước đồng thời cần thuật toán phối hợp hiệu quả. Nhiệt độ đầu phun và bàn in phải được kiểm soát chặt chẽ. Các vấn đề này cần được giải quyết trong quy trình thiết kế tích hợp.

2.1. Thách thức trong tính toán động học

Bài toán động học ngược của cơ cấu Delta phức tạp. Nó đòi hỏi giải hệ phương trình phi tuyến tính. Sai số tính toán sẽ dẫn đến sai lệch vị trí đầu phun. Việc mô phỏng trên phần mềm như SolidWorks và MATLAB giúp kiểm tra trước. Cần xây dựng mô hình toán học chính xác cho hệ thống. Độ chính xác của phép tính quyết định chất lượng sản phẩm in.

2.2. Vấn đề lựa chọn và chế tạo linh kiện

Việc chọn động cơ bước NEMA 17 phải cân nhắc momen và công suất. Hệ thống trục vít me và đai ốc phải có độ chính xác cao. Đầu phun gia nhiệt cần kiểm soát nhiệt độ ổn định. Vật liệu khung máy phổ biến là nhôm định hình hoặc thép. Quá trình lắp ráp đòi hỏi sự chính xác để tránh sai lệch hình học. Mỗi linh kiện đều ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể.

III. Giải pháp thiết kế và chế tạo máy in 3D Delta

Giải pháp thiết kế bắt đầu từ mô hình 3D trên phần mềm CAD như SolidWorks. Tính toán động học được thực hiện bằng phương trình giải tích và mô phỏng. Phần cứng sử dụng vi điều khiển Arduino Mega và board mạch RAMPS. Phần mềm điều khiển sử dụng firmware Marlin tùy chỉnh. Hệ thống truyền động áp dụng đai răng GT2 và trục vít T8. Đầu phun sử dụng bộ gia nhiệt cartridge và cảm biến nhiệt NTC. Phương pháp cân bằng tự động bằng cảm biến khoảng cách đảm bảo độ phẳng bàn in. Giải pháp tích hợp giữa cơ khí, điện tử và phần mềm là then chốt.

3.1. Phương pháp tính toán và mô phỏng

Tính toán động học sử dụng hệ phương trình đại số 9 phương trình. Phần mềm Excel và MATLAB được dùng để giải và kiểm tra nghiệm. Mô phỏng lắp ráp trên SolidWorks giúp phát hiện va chạm. Phần mềm Cura dùng để cắt mô hình 3D thành mã G-code. Mô phỏng trước khi chế tạo giảm thiểu sai sót và tiết kiệm chi phí. Đây là bước không thể thiếu trong quy trình thiết kế hiện đại.

3.2. Thiết kế phần cứng và phần mềm điều khiển

Phần cứng bao gồm khung nhôm, động cơ NEMA 17, board RAMPS 1.4. Phần mềm sử dụng firmware Marlin với các tham số được cấu hình riêng. Chương trình điều khiển cho phép các chế độ: tự động về home, di chuyển trục, cân bàn. Giao diện người dùng thông qua màn hình LCD và nút xoay. Hệ thống được cấp nguồn bởi bộ nguồn 12V/20A. Việc lập trình vi điều khiển đảm bảo sự phối hợp chính xác giữa các động cơ.

IV. Kết luận và ứng dụng của máy in 3D Delta

Đồ án đã hoàn thành việc thiết kế và chế tạo máy in 3D Delta hoạt động. Hệ thống đáp ứng yêu cầu về độ chính xác và vùng làm việc. Máy có thể in các vật thể từ nhựa PLA, ABS với độ chi tiết tốt. Kết quả chứng minh tính khả thi của mô hình toán học và thiết kế cơ khí. Ứng dụng của máy in 3D Delta rất đa dạng trong giáo dục và sản xuất. Nó dùng để tạo mẫu nhanh, sản xuất chi tiết tùy chỉnh và nghiên cứu. Dự án là nền tảng để phát triển các hệ thống sản xuất bồi đắp tiên tiến hơn. Thành công của đồ án mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo.

4.1. Kết quả đạt được và đánh giá

Máy in 3D Delta đã được chế tạo và vận hành thành công. Các thông số như vùng in hình trụ đường kính 200mm, cao 300mm. Độ chính xác lặp lại đạt ±0.1mm theo thử nghiệm. Tốc độ in tối đa có thể lên đến 100mm/s. Hệ thống phần cứng và phần mềm hoạt động ổn định. Kết quả đạt được so với mục tiêu đề ra ban đầu của đồ án.

4.2. Ứng dụng thực tiễn và hướng phát triển

Máy in 3D Delta ứng dụng trong giáo dục STEM, dạy nguyên lý Cơ Điện Tử. Trong sản xuất, nó dùng để tạo mẫu sản phẩm công nghiệp. Y tế ứng dụng in mô hình giải phẫu hoặc thiết bị y tế tùy chỉnh. Hướng phát triển bao gồm tăng kích thước vùng in, cải thiện tốc độ. Tích hợp hệ thống camera giám sát và điều khiển từ xa. Nâng cấp lên in đa vật liệu hoặc in với vật liệu composite.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I. Giới thiệu về máy in 3d. Máy in 3D là việc biến mô hình 3D trên máy tính của bạn thành sản phẩm thật, vật thể thật tùy theo ý muốn của người sử dụng mà ta có thể cầm trên tay, sờ được và sử dụng được. Chứ không phải là in ra một hình ảnh mà ta nhìn vào nó nổi khối 3 chiều giống như ngoài đời.

Máy in 3D đem đến nhiều hứa hẹn cho bất kì ai tạo ra sản phẩm mong muốn, cho phép in các mô hình, đồ chơi, những sản phẩm sử dụng hằng ngày, hay các bộ phận cơ thể hoặc thậm chí cả ngôi nhà. Máy in 3D có thể tạo ra bất kì thứ gì. Tuy nhiên, đối với những người dùng mới bắt đầu thì cần phải tập làm quen với những phần mềm thiết kế 3D gọi là CAD (Computer Aided Design) hoặc những phần mềm thiết kế khác, như việc lên một bản vẽ phác thảo trước khi in vật mẫu. 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 “in” ra mà không mất nhiều thời gian và chi phí, phục vụ việc cấy ghép nhanh chóng và hiệu quả hơn.

Giới thiệu công nghệ in 3d. Công nghệ in 3d là gì? Công nghệ in 3D hay công nghệ tạo mẫu nhanh là cách thức để thực hiện việc in 3D, hay cách thức để máy in 3D hoạt động. Ngày nay công nghệ in 3D phát triển rất đa dạng, với mỗi sản phẩm 3D có thể được in ra với nhiều loại vật liệu khác nhau, vật liệu dạng khối, dạng lỏng, dạng bột bụi. Với mỗi loại vật liệu cũng có nhiều phương thức để in như sử dụng tia laser, dụng cụ cắt, đùn ép nhựa … Cách thức in thì có in từ dưới lên, in từ đỉnh xuống.

Công nghệ tạo mẫu nhanh. - Phương pháp tạo mẫu nhanh (rapid prototying) dựa trên nguyên tắc xây dựng từng lớp vật liệu tương ứng với mô hình 3D bằng cách sử dụng các máy in 3D. Quy trình này thực hiện 12 Đồ án TKHT Cơ Điện Tử PGS. Phạm Thành Long cần phải có dữ liệu thiết kế đã hoàn thiện và chuyển về định dạng STL (Stereolithography) rồi nhập vào máy in 3D, từ đó sẽ được tự động xử lý và phân mô hình thành các lớp để được tạo mẫu.

- Một số công nghệ tạo mẫu phổ biến hiện nay gồm có SLA (Stereolithography); SLS (Selective Laser Sintering), FDM (Fused Deposition Modeling). Mỗi công nghệ đều có ưu và nhược điểm riêng. - SLA (Stereolithography): là kỹ thuật dùng tia laser làm đông cứng nguyên liệu lỏng để tạo các lớp nối tiếp cho đến khi sản phẩm hoàn tất, độ dày mỗi lớp nhỏ nhất có thể đạt đến 0,06mm nên rất chính xác. - Có thể hình dung kỹ thuật này như sau: đặt một bệ đỡ trong thùng chứa nguyên liệu lỏng, chùm tia laser di chuyển (theo thiết kế) lên mặt trên cùng của nguyên liệu lỏng theo hình mặt cắt ngang của sản phẩm làm lớp nguyên liệu này cứng lại.

Bệ đỡ chứa lớp nguyên liệu đã cứng được hạ xuống để tạo một lớp mới, các lớp khác được thực hiện tiếp tục đến khi sản phẩm hoàn tất. - Ưu điểm: Tạo mẫu độ chính xác cao, bề mặt nhẵn, có thể tạo ra các mẫu hình dạng phức tạp và kích thước lớn, sử dụng vật liệu nhựa dạng đục. - Nhược điểm: Máy móc sử dụng công nghệ này cồng kềnh hơn và đắt hơn so với các công nghệ in 3D khác. Khi sử dụng công nghệ này để tạo mẫu đòi hỏi một số yêu cầu đặc biệt như: cần phải bảo quản mẫu trong phòng tối để tránh ánh sáng mặt trời làm cong vật liệu nhựa cảm quang tạo mẫu, yêu cầu sự bảo dưỡng mẫu cẩn thận và cần xử lý mẫu sau khi in, ngoài ra mẫu có thể chứa một lượng nhựa độc hại tồn tại trong một thời gian hữu hạn 2.

13 Đồ án TKHT Cơ Điện Tử PGS. Phạm Thành Long - SLS (Selective Laser Sintering): tương tự SLA nhưng vật liệu ở dạng bột như bột thủy tinh, bột gốm sứ, thép, titan, nhôm, bạc… Tia laser giúp liên kết các hạt bột với nhau. Đặc biệt, bột thừa sau quy trình có thể tái chế nên rất tiết kiệm. - Ưu điểm: Khả năng tạo mẫu bằng các loại vật liệu dạng bột khác nhau như nhựa, kim loại, thủy tinh.

Tạo mẫu đa dạng về màu sắc, có thể tạo ra các mẫu hình dạng phức tạp, không cần sử dụng vật liệu hỗ trợ. - Nhược điểm: Phức tạp, chi phí đầu tư cao, chi phí vận hành cao do hao tổn vật liệu lớn. - FDM (Fused Deposition Manufacturing): dùng vật liệu dễ chảy như nhựa nhiệt dẻo. Đầu vòi phun gia nhiệt hóa dẻo vật liệu, sau đó phun lên bệ đỡ theo hình mặt cắt của vật mẫu thành từng lớp.

Điểm hạn chế là độ rộng của đường phun phụ thuộc kích thước đầu vòi, nên cần tính toán để chọn đầu vòi thích hợp. - Ưu điểm: Máy in 3D công nghệ FDM sử dụng hàng loạt các vật liệu nhựa ABS, PLA với các sự lựa chọn màu sắc khác nhau. Chi phí bảo dưỡng thấp, vật liệu in không độc hại, không cần sự giám sát trong quá trình in. Các mẫu in bằng công nghệ FDM độ bền tốt, có khả năng chịu nhiệt, chịu va đập lớn.

- Nhược điểm: Công nghệ FDM tạo ra các lớp in dày hơn vì vậy công nghệ này thường ít được sử dụng cho việc tạo mẫu yêu cầu độ chính xác tuyệt đối. Bề mặt nhẵn của mẫu in bằng FDM có thể đạt được bằng cách xử lý mẫu bằng tay. - Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng, nhưng yếu tố chính cần cân nhắc khi chọn lựa là tốc độ, chi phí, độ chính xác và màu sắc muốn đạt được. Công nghệ FDM rất phổ biến hiện nay.

Do đó, để chế tạo một chiếc máy in 3D dễ dàng hơn, giá thành rẽ hơn, độ chính xác cao thì công nghệ FDM là rất thích hợp. Nên chúng em chọn công nghệ FDM để thực hiện đồ án. Vật liệu tạo mẫu. Yêu cầu đối với vật liệu tạo mẫu trong công nghệ in 3D; 14 Đồ án TKHT Cơ Điện Tử PGS.

Phạm Thành Long - Khả năng hóa dẻo: là khả năng biến đổi trạng thái từ dạng rắn sang dạng chảy dẻo dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Khả năng này giúp dễ dàng định hình vật kiệu và điều phối thể tích theo ý muốn. Điều này mang tính quyết định trong việc hình thành chiều dày lớp tạo hình. - Thời gian đông cứng: sau khi gia nhiệt và định hình theo ý muốn thì vật liệu sẽ tiếp xúc với môi trường không khí ở nhiệt độ phòng, khi đó vật liệu phải đông cứng trở lại.

Thời gian đông cứng của vật liệu phải thật nhanh, thường phải thấp hơn 10s. Tính đông cứng này giúp vật liệu có độ cứng vững cần thiết sau mỗi lớp mỏng tạo hình cho đối tượng tạo mẫu, điều này có ý nghĩa quan trọng về độ chính xác hình dáng hình học sau cùng của đối tượng tạo mẫu. - Khả năng liện kết: Chính là khả năng kết dính bề mặt của 2 lớp vật liệu mỏng liền kề nhau trong quá trình tạo mẫu, 2 lớp vật liệu này có thể ở 2 nhiệt độ khác nhau, 2 trạng thái vật lí khác nhau. Tính chất này mang ý nghĩa quan trọng đối với cơ tính, độ cứng vững của sản phẩm tạo hình khi hoàn thành.

- Độ nhớt của vật liệu: độ nhớt của vật liệu sẽ quyết định khả năng di chuyển của dòng vật liệu khi ở trạng thái chảy dẻo dưới tác dụng của nhiệt độ. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định mức độ lực cần thiết để đẩy dòng vật liệu với vận tốc xác định trước, do đó nó sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc và kích thước cụm đùn vật liệu của máy. Nhựa ABS (acrylonitrile butadiene styrene) - Sợi nhựa ABS là vật liệu tổng hợp có nguồn gốc từ dầu mỏ và được sử dụng nhiều nhất cho máy in 3D FDM sơ cấp. Đặc tính của nhựa ABS là có độ bền cao, chiu lực tốt, chịu được nhiệt độ cao, linh hoạt.

- Các sản phẩm tạo ra từ vật liệu in 3D là nhựa ABS được ứng dụng trong công nghiệp: sản xuất ống cống, ống chất thải, linh kiện ô tô, dụng cụ nhà bếp… - Nhiệt độ in của nhựa ABS khá cao từ 2300C trở lên. 15 Đồ án TKHT Cơ Điện Tử PGS. Phạm Thành Long 3. Nhựa PLA - Nhựa PLA là nhựa nhiệt dẻo phân ban đầu huỷ sinh học.

Nhựa có nguồn gốc từ các nguồn tái tạo như bột ngô, mía, củ sắn. Bản chất của PLA có màu trong suốt nên nó có thể dễ dàng nhuộm thành bất cứ màu gì hay bất cứ sắc độ đậm nhạt nào cũng được và có khả năng phát sáng trong buổi tối. - Khi chọn vật liệu in 3D là nhựa PLA thì sẽ không bền và dẻo như nhựa ABS nhưng nhựa PLA cứng và khỏe hơn ABS nên đôi khi khó chế tác gia công đối với những chi tiết ở những bộ phận phải lồng ghép vào nhau như khớp nối chẳng hạn. - Trong điều kiện nhiệt độ in thông thường PLA không có mùi lạ.

Nhiệt độ in của PLA cũng tương đối thấp 1900C – 2100C. Nhựa Resin - Nhựa resin là một loại nhựa tổng hợp thường được dùng trong công nghệ in SLA nhiều hơn thay vì ABS và PLA vốn hay dùng với công nghệ FDM. - Resin có rất nhiều loại, chủ yếu sử dụng được là những loại có thể ngưng kết dưới tác động của tia UV, tức là bao gồm những chất như acrylics, epoxies, urethanes, polyesters, silicones… 16 Đồ án TKHT Cơ Điện Tử PGS. Phạm Thành Long CHƯƠNG II.

TỔNG HỢP CẤU TRÚC MÁY IN 3D 1. Cơ sở lựa chọn công nghệ thiết kế máy in 3D Căn cứ vào các phương pháp in 3D đã được tìm hiểu ở phần trước và yêu cầu của đề tài tìm hiểu nghiên cứu máy in 3D mini phù hợp với khả năng tiếp cận công nghệ của sinh viên. Do đó chúng em quyết định lựa chọn thiết kế máy in 3D công nghệ FDM sử dụng vật liệu nhựa ABS, PLA…trên các cơ sở sau: - Công nghệ đơn giản hơn các phương pháp in khác (SLA, SLS, Polyjet…) phù hợp với khả năng tiếp cận của sinh viên. - Phần mềm điều khiển mã nguồn mở dễ dàng tiếp cận đối với đối tượng cá nhân, sinh viên (đối vơi sinh viên cơ khí không chuyên về điều khiển) … Cộng đồng in 3D đông đảo thuận lợi cho việc học hỏi trao đổi kinh nghiệm.

- Giá thành thấp, vận hành đơn giản, linh kiện sẵn có tận dụng tại chỗ (cả phần cơ khí và điều khiển…).