Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy khắc laser 2D mini phục vụ tuyển sinh

Đồ án thiết kế chế tạo máy khắc laser 2D mini phục vụ tuyển sinh. Tài liệu gồm thuyết minh, bản vẽ, phân tích kết cấu và hệ thống điều khiển.

• Tác giả: Nguyễn Việt Tùng
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Bá Trương Đài
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo Máy
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy khắc laser 2D mini phục vụ tuyển sinh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Máy Khắc Laser 2D Mini

Máy khắc laser 2D mini là thiết bị hiện đại được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hiện nay. Đây là một giải pháp khắc laser mini được phát triển dựa trên công nghệ laser CO2 và laser diode tiên tiến. Máy khắc laser 2D mini có khả năng khắc, cắt và đánh dấu trên các vật liệu như gỗ, da, giấy và nhiều chất liệu khác. Với kích thước nhỏ gọn, máy khắc laser mini không chỉ tiết kiệm không gian mà còn dễ dàng lắp đặt và bảo trì. Công nghệ khắc laser 2D cho phép tạo ra các thiết kế phức tạp với độ chính xác cao, đáp ứng nhu cầu sản xuất và thiết kế của các doanh nghiệp nhỏ đến vừa.

1.1. Định Nghĩa Và Tính Năng Chính

Máy khắc laser mini là thiết bị sử dụng tia laser để khắc, cắt các vật liệu với độ chính xác cao. Tính năng chính bao gồm: khắc engraving tạo hoa văn trang trí, khắc marking đánh dấu thông tin, cắt laser chính xác và đổi màu vật liệu. Hệ thống điều khiển CNC cho phép người dùng dễ dàng thiết kế và thực thi các dự án phức tạp.

1.2. Ứng Dụng Và Tầm Quan Trọng

Máy khắc laser 2D được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất bao bì, quảng cáo, cơ khí, thủ công mỹ nghệ và in ấn. Trong lĩnh vực giáo dục, máy khắc laser mini là công cụ hữu ích để hỗ trợ đào tạo và tuyển sinh các ngành công nghệ chế tạo máy, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về công nghệ laser hiện đại.

II. Thiết Kế Và Cấu Trúc Máy Khắc Laser Mini

Thiết kế máy khắc laser mini 2D đòi hỏi sự kết hợp giữa các thành phần cơ học, quang học và điện tử hiện đại. Cấu trúc chính bao gồm hệ thống laser, cơ cấu truyền động XY, trục nâng Z, bàn làm việc và hệ thống điều khiển CNC. Việc thiết kế máy khắc laser phải đảm bảo độ chính xác cao, ổn định và an toàn trong quá trình vận hành. Mô hình máy khắc laser mini được phát triển dựa trên các nghiên cứu thực tế và tính toán kỹ thuật chi tiết, giúp tối ưu hóa hiệu suất làm việc.

2.1. Cấu Phần Chính Của Hệ Thống

Máy khắc laser bao gồm các cấu phần: (1) Nguồn laser diode hoặc CO2 phát ra tia laser, (2) Hệ thống truyền động XY điều khiển chuyển động ngang và dọc, (3) Trục Z nâng hạ đầu khắc, (4) Bàn làm việc cố định vật liệu, (5) Hệ thống làm mát bằng nước. Các thành phần này hoạt động phối hợp để tạo ra các đường khắc chính xác.

2.2. Hệ Thống Điều Khiển Và Quang Học

Hệ thống điều khiển máy khắc laser mini sử dụng công nghệ CNC kết hợp với phần mềm chuyên dụng cho phép người dùng thiết kế và điều chỉnh các tham số khắc như công suất laser, tốc độ cắt, độ sâu khắc. Các gương quang học và ống kính được hiệu chỉnh để tập trung tia laser tại điểm cực tiểu, tạo đường khắc nét và chính xác.

III. Quy Trình Chế Tạo Và Phát Triển Máy Khắc Laser

Quá trình chế tạo máy khắc laser 2D mini là một dự án kỹ thuật phức tạp đòi hỏi nhiều bước chuẩn bị và thực hiện chi tiết. Bắt đầu từ giai đoạn nghiên cứu tài liệu, phân tích các phương án thiết kế hiện có, đến việc đề xuất các cải tiến mới. Tiếp theo là công đoạn tính toán kỹ thuật, vẽ bản vẽ kỹ thuật chi tiết, lựa chọn vật liệu và lên danh sách chi phí. Giai đoạn chế tạo bao gồm gia công các chi tiết cơ khí, lắp ráp các bộ phận, gắn các thiết bị điện tử và phần mềm. Cuối cùng là kiểm tra, hiệu chỉnh và thử nghiệm hoạt động của máy khắc laser mini.

3.1. Giai Đoạn Thiết Kế Và Tính Toán

Thiết kế máy khắc laser bắt đầu bằng việc xác định các yêu cầu kỹ thuật như diện tích làm việc, công suất laser, độ chính xác định vị. Sau đó, tiến hành mô phỏng trên phần mềm CAD để kiểm tra tính khả thi. Các tính toán chi tiết được thực hiện cho các bộ phận như cơ cấu truyền động, khả năng chịu lực của khung, hệ thống làm mát. Bản vẽ kỹ thuật được hoàn thiện để phục vụ cho giai đoạn chế tạo.

3.2. Quá Trình Lắp Ráp Và Thử Nghiệm

Chế tạo máy khắc laser mini tiếp theo là lắp ráp các chi tiết gia công theo bản vẽ kỹ thuật. Các bộ phận cơ khí được lắp ghép, hệ thống quang học được hiệu chỉnh, thiết bị điện tử và phần mềm được cài đặt. Sau đó thực hiện thử nghiệm hoạt động ban đầu, kiểm tra độ chính xác, tinh chỉnh các tham số để đạt hiệu suất tối ưu trước khi sử dụng.

IV. Ứng Dụng Và Giá Trị Thực Tiễn Của Máy Khắc Laser Mini

Máy khắc laser 2D mini có giá trị thực tiễn rất lớn trong các lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế. Trong ngành quảng cáo, máy khắc laser mini giúp tạo ra các sản phẩm quà tặng độc đáo với logo, tên công ty khắc trên các vật liệu như gỗ, da, kim loại. Trong ngành bao bì, máy được sử dụng để in hạn sử dụng, mã sản phẩm trên vỏ hộp. Trong giáo dục, máy khắc laser là công cụ hỗ trợ đào tạo kỹ sư, giúp sinh viên làm quen với công nghệ hiện đại. Với kích thước mini, thiết bị này phù hợp cho các workshop, xưởng sản xuất nhỏ và cửa hàng kinh doanh sản phẩm tùy chỉnh.

4.1. Ứng Dụng Trong Các Ngành Công Nghiệp

Máy khắc laser mini được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất bao bì để in thông tin sản phẩm, mã vạch. Trong ngành quảng cáo, tạo sản phẩm trang trí như bảng tên, khung ảnh. Trong cơ khí, khắc số sê-ri, mã hiệu trên các linh kiện. Ngành thủ công mỹ nghệ sử dụng để tạo các tác phẩm nghệ thuật độc đáo. Trong bản in, máy khắc laser 2D hỗ trợ in bạn mẫu và sản xuất nhỏ với chi phí thấp.

4.2. Giá Trị Đối Với Giáo Dục Và Tuyển Sinh

Máy khắc laser mini là công cụ giáo dục quý giá giúp sinh viên công nghệ chế tạo máy hiểu rõ về công nghệ laser, hệ thống CNC, kỹ thuật thiết kế và chế tạo. Qua dự án chế tạo máy khắc laser, sinh viên rèn luyện kỹ năng toán học, vẽ kỹ thuật, lập trình và quản lý dự án. Thiết bị này hỗ trợ tuyển sinh bằng cách trưng bày khả năng kỹ thuật, thu hút học sinh quan tâm đến ngành công nghệ chế tạo máy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1. Tính cấp thiết của đề tài. Hiện nay, với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, ngành công nghiệp gia công chính xác đã đạt được nhiều thành tựu với sự xuất của nhiều máy móc hiện đại có khả năng xử lý các bộ phận phức tạp với độ chính xác cao, nâng cao năng suất lao động. Máy móc ngày càng hiện đại hơn, thì chi phí càng cao.

Đó là lý do tại sao rất nhiều kỹ sư đã tự tìm hiểu và chế tạo các máy nhỏ hơn, chi phí thấp hơn nhưng đủ để đáp ứng các nhu cầu của đời sống từ sản xuất đến giảng dạy và học tập. Trên thế giới và cả Việt Nam ngày nay, nhiều người đã và đang tham gia vào quá trình chế tạo ra các máy ứng dụng hệ thống CNC cỡ nhỏ phục vụ cho việc sử dụng trong gia đình, xưởng nhỏ để gia công các chi tiết từ đơn giản đến phức tạp với chi phí thấp. Nhận thấy được vấn đề nhỏ nhoi nhưng mang ý nghĩa quan trọng trong quá trình sản xuất và học tập, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy khắc laser 2D mini phục vụ tuyển sinh“ sẽ thúc đẩy sự sáng tạo và khả năng sử dụng kiến thức của sinh viên trong việc đề xuất các giải pháp mới khi thiết kế máy và thiết kế, lập trình gia công chi tiết. Việc thiết kế máy máy khắc laser 2D đòi hỏi sinh viên phải có kiến thức tổng quan về cơ khí, điện tử và tin học.

Nó phù hợp với hướng nghiên cứu chung của xã hội vì cải thiện nhu cầu cuộc sống. Vì vậy, hướng nghiên cứu này không chỉ có lợi cho việc tích cực tìm tòi, nghiên cứu, từng bước làm chủ kiến thức về lĩnh vực này trong tương lai. Máy khắc laser 2D mà nhóm đã hoàn thành giúp nhóm nắm vững những kiến thức, kinh nghiệm và kỹ năng cơ bản nhất về mọi mặt. Sản phẩm hoàn chỉnh có thể được sử dụng cho học tập, khắc các chi tiết có kích thước vừa phải.

Mục tiêu Các mục tiêu cần đạt được khi nghiên cứu, thiết kế và kết nối máy.  Vận hành đơn giản, không mất quá nhiều thời gian điều chỉnh. 1  Nhỏ gọn, dễ di chuyển.  Thuận tiện khắc các chi tiết có kích thước khác nhau.

 Bảo đảm an toàn cho người sử dụng.  Lập trình điều khiển trên máy tính.  Sản phẩm có thể phục vụ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.

Đối tượng nghiên cứu Máy khắc laser 2D sử dụng đầu diode. - Bộ điều khiển Adruino V3. - Phần mềm thiết kế Creo Parametric 8.0 - Phần mềm thiết kế và xuất bản vẽ Inventor Professional 2022 - Động cơ Servo, motor giảm tốc. - Các phần mềm điều khiển: GRBL, BENBOX, LIGHTBURN.

Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu và chế tạo hoàn chỉnh máy khắc laser 2 trục có trục nâng Z. Đảm bảo các yêu cầu đặt ra dưới đây: - Vùng khắc khả dụng: 297 x 210 mm - Dung sai: ± 0. - Thời gian thực hiện: 3 tháng. - Công suất nguồn laser: 5.5W - Tốc độ nâng trục Z: 5,3`mm/s 1.

Nội dung nghiên cứu. Nội dung 1: Tìm hiểu về máy laser có sẵn trên thị trường. Nội dung 2: Nghiên cứu phương án thiết kế cơ khí. Nội dung 3: Lựa chọn phương án thiết kế tối ưu nhất.

Nội dung 4: Thiết kế khung máy và hệ thống điện phù hợp. Nội dung 5: Gia công, lắp ráp khung máy và kết nối thiết bị điện vào bộ điều khiển. 2 Nội dung 6: Kiểm tra độ tương thích của động cơ với bộ điều khiển. Nội dung 7: Giới thiệu các chức năng của bộ điều khiển.

Nội dung 8: Hoàn thiện mô hình và hướng dẫn vận hành máy. Nội dung 9: Đánh giá kết quả. Phương pháp ngiên cứu 1. Cơ sở phương pháp luận Dựa trên kiến thức hiện có của máy khắc laser.

Sau đó tiến hành tổng hợp, đánh giá các giải pháp đặt ra: trường hợp nào là tối ưu hoặc không tối ưu. Phương pháp nghiên cứu cụ thể Khảo sát thực tế và xây dựng mô hình và thực nghiệm: sản xuất mô hình máy khắc laser 2 trục, vận hành thử, gia công sản phẩm. Các nghiên cứu trong và ngoài nước. Các nghiên cứu trong nước Ý tưởng sử dụng lệnh bộ nhớ để điều khiển máy trong máy công cụ CNC xuất hiện từ đầu thế kỷ XIV.

Ngày nay, máy công cụ CNC (máy tính điều khiển số - trung tâm CNC có sự trợ giúp của máy tính) ngày càng trở nên hoàn hảo và những tính năng vượt trội của chúng đã thúc đẩy sự phát triển của máy công cụ dựa trên hệ thống CNC. Tia laser đầu tiên được Maiman phát minh vào tháng 5 năm 1960. Đó là laser ruby (trạng thái rắn). Sau đó nhiều loại laser khác đã ra đời như laser uranium, laser khí helium-neon, laser bán dẫn, laser khí CO2 và Nd: YAG, laser hóa, laser khí kim loại,… Có nhiều loại máy khắc phổi biến với nhiều công suất khắc lớn nhỏ và kiểu dáng phù hợp với mục đích sử dụng.1: Máy khắc laser CO2.2: Máy khắc laser Fiber Hình 1.3: Máy khắc laser diode 1.

Các nghiên cứu ngoài nước. Hiện nay ở Việt Nam công nghệ khắc laser đang rất phát triển. Nhiều hệ máy laser phục vụ sản xuất nhỏ dần ra đời. Một số trường đại học, cao đẳng đã tập trung 4 sản xuất các mô hình máy khắc laser phục vụ giảng dạy như mô hình máy khắc laser CO2 của Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, máy khắc laser diode của Đại học Giao Thông Vận Tải TP.HCM… Tuy nhiên, các máy khắc laser tự chế ở Việt Nam thường ít được sử dụng vào mục đích tiếp cận với các bạn học sinh có đam mê và thích thú với công nghệ CNC nói chung và laser nói riêng mà chủ yếu dùng để phục vụ việc giảng dạy học tập của các giảng viên và sinh viên tại các trường đại học và sản xuất trong công nghiệp.

5 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MÁY KHẮC LASER HIỆN NAY. Lịch sử phát triển của máy cắt khắc laser và nguồn tia laser. Lịch sử ra đời và phát triển của tia laser. Tia laser được phát hiện lần đầu tiên bởi nhà vật lý Theodore Maiman trong một thí nghiệm tình cờ tại Hughes Laboratory ở Malibu, California vào những năm 1960.

Sau phát hiện này, các nhà khoa học đã nghiên cứu sâu hơn và phát hiện ra nhiều lợi ích to lớn khi tận dụng nguồn tia laser này. Một trong những cuộc nghiên cứu tiêu biểu là sự phát triển của laser bán dẫn đầu tiên bởi Robert N. Thiết bị của Hall xây dựng trên hệ thống vật liệu gali-asen và tạo ra tia có bước sóng 850nm, gần vùng quang phổ tia hồng ngoại. Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov của Liên Xô cùng Hayashi và Panish của phòng thí nghiệm Bell đã độc lập phát triển thành công điốt laser hoạt động liên tục trong nhiệt độ phòng.

Từ đó, tia laser đã trở thành một công cụ tuyệt vời trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất cơ khí, nghệ thuật cho đến y học. Lịch sử ra đời và phát triển của máy cắt khắc laser. Năm 1965, Trung tâm Nghiên cứu Western Electric Engineering sản xuất thành công máy cắt laser đầu tiên và được sử dụng để khoét lỗ trên kim cương. Hai năm sau, người Anh bắt đầu có những thành tựu đầu tiên trong việc cắt kim loại bằng tia laser bằng cách sử dụng hỗ trợ khí oxy.

Năm 1970, công nghệ này bắt đầu được đưa vào sản xuất để cắt titan cho các ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ. Sau đó, thay vì sử dụng oxy, người ta bắt đầu kết hợp thành công tia laser với sự bổ trợ của khí CO2 và từ đó máy cắt laser CO2 ra đời. Máy cắt CO2 được sử dụng để cắt phi kim, vải da, nhưng không thể đốt cháy kim loại. Từ đó, với những thí nghiệm mới và nhiều sự kết hợp khác nhau, các nhà khoa học đã phát minh ra nhiều loại máy cắt laser hơn, có áp lực cao hơn và cắt nhanh gọn hơn so với những chiếc máy laser đời cũ.

Ưu điểm lớn của máy cắt laser so với các công nghệ cơ khí khác là công cụ kẹp phôi dễ dàng hơn và giảm ảnh hưởng đến phôi. Độ chính xác hoàn hảo và tia không bị 6 mòn trong quá trình cắt. Máy cắt laser hiện đại giúp giảm cong vênh của vật liệu khi cắt và các hệ thống laser có một vùng nhiệt bị ảnh hưởng nhỏ. Với kim loại, kim cương và một số vật liệu khác rất khó hoặc không thể cắt được bằng các công cụ truyền thống, đó là lúc máy cắt tia laser chất lượng cao phát huy hết sức mạnh của nó.

Các loại máy cắt khắc laser. Hiện nay trên thị trường có nhiều loại máy khác laser được ứng dụng chủ yếu từ 3 nguồn laser là CO2 laser, YAG laser và Fiber laser. - CO2 laser là một trong những dòng máy gia công vật liệu cơ khí cao cấp, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất và gia công. Khác với những phương pháp cắt truyền thống, máy cắt laser CO2 hoạt động bằng cách tạo ra một tia laser được tập trung và tập trung năng lượng để cắt hoặc khắc các vật liệu.

- Fiber laser là loại máy chuyên dùng để khắc trên kim loại nhờ nguồn phát tia laser được truyền đi thông qua các sợi cáp quang (hay còn gọi là tia laser fiber), những tia laser fiber này hội tụ lại thành một điểm thông qua thấu kính với bước sóng khoảng 1,064 micromet có khả năng tạo ra đường kính tiêu cự vô cùng nhỏ, mật độ xử lí gấp khoảng 100 lần so với các dòng máy khắc laser CO2 với cùng công suất. Chính vì thế, nó có khả năng khắc hoàn hảo trên các chất liệu kim loại khác nhau. Tia laser fiber được phát minh ra vào năm 1961 bởi nhà vật lý Elias Snitzer và được mang ra trình diễn lần đầu tiên trước công chúng vào năm 1963. - YAG laser là dạng laser trạng thái rắn và được khắc trên vật liệu bằng cách bơm laser trực tiếp từ diot, thường được dùng trong nguồn laser YAG và Nd.

Bước sóng của loại máy cắt này giống như dòng laser Fiber phù hợp để ứng dụng khắc ký mã hiệu trên chất liệu kim loại và nhựa. YAG là công nghệ laser mới chuyên dùng để cắt và khắc kim loại , đặc biệt là những vật liệu khó gia công theo các phương pháp truyền thống, ví dụ như các vật liệu siêu cứng hoặc 7 những vật liệu cực mỏng hoặc những chi tiết yêu cầu có độ tinh xảo cao. YAG là sự kết hợp tuyệt vời của công nghệ Laser với bộ điều khiển cnc và hệ thống quang học. Các phương pháp khắc Laser.

Khắc Engraving/Marking.