CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lịch sử nghiên cứu 1.1 Định nghĩa Hình 1.1: Công nghệ in 3D In 3D hay công nghệ tạo mẫu nhanh là một chuỗi các công đoạn khác nhau để tạo ra một vật thể ba chiều. Trong in 3D, các lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể. Các đối tượng này có thể có hình 2 dạng bất kỳ và được tạo ra từ mô hình 3D hoặc các nguồn dữ liệu điện tử khác. Máy in 3D thật ra là một loại robot công nghiệp.
Nó có nhiều công đoạn khác nhau như in li-to lập thể (STL) hay mô hình hóa lắng đọng nóng chảy (FDM). Do đó không giống một quy trình gia công loại bỏ vật liệu thông thường, in 3D sản xuất đắp dần một đối tượng ba chiều từ mô hình thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính hoặc các tập tin AFM, thường bằng cách thêm vật liệu theo từng lớp.2 Lịch sử hình thành và phát triển Năm 1981, Hideo Kodama của Viện nghiên cứu Công nghiệp thành phố Nagoya đã phát minh ra phương pháp chế tạo mô hình nhựa ba chiều. Sau đó, vào năm 1984, Chuck Hull của Công ty Cổ phần Hệ thống 3D đã phát triển một hệ thống nguyên mẫu dựa trên quá trình này gọi là stereolithography trong đó các lớp được bổ sung bằng cách lưu hóa giấy nến với ánh sáng cực tím laser. Hull định nghĩa quá trình như một hệ thống để tạo ra các đối tượng ba chiều bằng cách tạo ra một mô hình mặt cắt của các đối tượng được hình thành.
Năm 1986, Hull và công ty của ông được cấp bằng sáng chế và thương mại hóa chiếc máy in đầu tiên gọi là SLA-1.2: Máy in 3D đầu tiên SLA-1 Năm 1988, công nghệ sử dụng mô hình lắng đọng một ứng dụng đặc biệt của phép đùn nhựa được phát triển bởi Scott Crump và được thương mại hóa bởi công ty Stratasys của ông, đưa ra thị trường máy in FDM đầu tiên năm 1992. Đây cũng là công nghệ được sử dụng cho hầu hết các máy in ngày nay [1]. Carl Deckard phát triển và sản xuất máy in đầu tiên dùng công nghệ SLS. Năm 1991: Helisys bán chiếc máy đầu tiên dùng công nghệ LOM.3 Phân loại công nghệ tạo mẫu nhanh a, SLA (Stereolithography) - Là kỹ thuật dụng tia laser làm đông cứng nguyên liệu lỏng để tạo lớp nối tiếp cho đến khi sản phẩm hoàn tất, độ dày mỗi lớp nhỏ nhất có thể đạt đến 0,06 mm nên rất chính xác.3: Máy in 3D SLA - Ưu điểm: Tạo mẫu có độ chính xác cao, bề mặt nhẵn có thể tạo ra các mẫu hình phức tạp và kích thước lớn, sử dụng vật liệu nhựa dạng đục.
- Nhược điểm: máy móc dử 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 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 và cần xử lý mẫu sau khi in, ngoài ra mẫu có thể chứa một lượng nhựa độc hại trong một thời gian hữu hạn.4: Máy in 3D SLS - Tương tự như SLA nhưng vật liệu ở dạng bột như bột thủy tinh, bột gốm sứ, thép, titan, nhôm, bạc … Tia laser giúp liên kết các dạng bột với nhau. Đặc bệt bột thừa sau quy trình có thể tái chế nên rất tiết kiệm. - Ưu điểm: 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, chi phí vận hành cao.5: Máy in 3D FDM - FDM 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 theo từng lớp. - Ưu điểm: Chi phí bảo dưỡng thấp, vật liệu in không độc hại, không cần sự giám sát trong quá trình in, các mẫu in có độ bền tốt có khả năng chịu nhiệt, chịu va đập lớn. - Nhược điểm: độ chính xác không cao.2 Các vấn đề đặt ra Với mục tiêu là nghiên cứu, thiết kế mô hình máy in 3D sử dụng công nghệ FDM nên cần giải quyết các vấn đề sau: Hệ thống cơ khí: thiết kế mô hình cơ khí cần tối ưu phù hợp với mục đích và công dụng.
Dựa trên những mô hình có sẵn trong thực tế để thiết kế tính toán sao cho đạt được hiệu quả tốt nhất, dễ dàng lắp đặt khi thi công. Hệ thống điều khiển: chọn lựa bo mạch điều khiển phù hợp với mô hình thiết kế, giá thành phù hợp với khả năng tài chính. Tìm hiểu về phần mềm điều khiển máy in 3D: tìm hiểu các chức năng, thông số cài đặt, thiết lập phần mềm để máy chạy ổn định tạo ra sản phẩm in tốt nhất.3 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu mô hình máy in 3D ứng dụng công nghệ FDM là công nghệ tạo mẫu bằng cách đùn nhựa nóng chảy rồi hóa rắn từng lớp tạo nên chi tiết dạng khối. 6 Đề tài được thực hiện trong phạm vi: - Tính toán hệ thống cơ khí.
- Sử dụng phần mềm Solidwork thiết kế hệ thống cơ khí. - Thiết kế hệ thống điện điều khiển. - Lưu đồ thuật toán điều khiển.4 Phương pháp thực hiện - Đề tài kết hợp nghiên cứu giữa lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình cụ thể. - Nghiên cứu lý thuyết: tìm kiếm và tổng hợp các tài liệu liên quan đến đề tài.
Nghiên cứu lý thuyết tạo mẫu nhanh với công nghệ FDM. Tổng hợp tài liệu tính toán thiết kế cơ cấu truyền đọng đảm bảo độ chính xác, tối ưu hóa chuyển động. - Thực nghiệm: thiết kế phần cơ khí, phần điện. Nạp chương trình điều khiển cho hệ thống rồi hiệu chỉnh đưa ra đánh giá các thông số ổn định để làm việc.5 Dự kiến kết quả đạt được - Xây dựng bản vẽ hệ thống cơ khí và hệ thống điều khiển.
- Xây dựng hệ thống mô hình điều khiển trên phần mềm. - Xây dựng chương trình điều khiển đáp ứng được yêu cầu của đề tài. 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các yêu cầu đối với máy in 3D - Máy có kết cấu nhỏ gọn, vững chắc. - Máy hoạt động ổn định, bền bỉ và chính xác - Có thể phát huy tối đa sức sáng tạo trên nhiều loại nhựa khác nhau.
- Tiện lợi cho người sử dụng, dễ dàng điều khiển thiết lập thông số cho máy. - Hệ thống điện – điện tử hoạt động ổn định và an toàn, điều khiển chính xác.2 Cấu tạo của máy in 3D 2.1 Sơ đồ khối cấu tạo chung máy in 3D 8 Hình 2.7: Sơ đồ khối cấu tạo chung máy in 3D 9 2.2 Phần cơ khí Bao gồm khung máy, bàn máy, cơ cấu truyền động của các trục và bộ đùn nhựa. Bộ truyền là bộ truyền vitme – đai ốc và bộ truyền đai. Đặc điểm truyền động trên các trục của máy in 3D là tải trọng tác dụng lên không đáng kể nên việc thiết kế tương đối đơn giản, kết cấu các trục gọn nhẹ, các chi tiết lắp ráp không đòi hỏi khả năng chịu lực cao.
a, Khung máy Khung máy của máy in 3D yêu cầu chắc chắn, không rung lắc khi gia công. Phần khung của máy in được chia làm hai loại chính khung đơn và khung kiểu hộp. Tùy vào từng loại khung chất liệu cấu thành cũng được thay đổi để đảm bảo máy có được độ bền nhất định, vững chắc trong quá trình sử dụng. Với khung đơn: Khung được lắp từ các tấm kim loại (thường là hợp kim nhôm) hoặc gỗ được cắt từ máy laser hoặc máy cắt dây CNC, các tấm này thường có độ dày từ 6 mm trở lên.
Với khung kiểu hộp: kết cấu kiểu hộp được nhiều người sử dụng nhờ rẻ tiền và tiện lợi.8: Khung máy in 3D b, Hệ thống truyền động cơ khí Máy in 3D có nguyên tắc chuyển động giống như một máy CNC 3 trục thông thường với các chuyển động như sau: Chuyển đông trục X di chuyển đầu phun nhựa di chuyển theo chiều ngang của máy, chuyển động này đảm bảo kích thước theo chiều rộng của vật thể. 10 Chuyển động trục Y di chuyển bàn nhiệt tịnh tiến dọc theo máy chuyển động này đảm bảo kích thước theo chiều dài của vật thể. Chuyển động trục Z là chuyển động tịnh tiến lên xuống của đầu phun đảm bảo kích thước theo chiều cao của vật thể. Truyền động vít me – đai ốc Vít me – đai ốc là cơ cấu truyền động biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến.
Truyền động theo dạng này có hai loại là vít me – đai ốc và vít me – đai ốc bi.9: Vít me – đai ốc Cơ cấu vít me – đai ốc có những đặc điểm sau: - Độ chính xác truyền động tương đối, tỷ số truyền lớn. - Truyền động êm, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn. - Có thể truyển động nhanh với vít me có bước ren hoặc số vòng quay lớn. - Hiệu suất truyền động thấp nên ít dùng để thực hiện những truyền động chính.
Kết cấu vít me – đai ốc: - Ổ đỡ vit me: đảm bảo cho trục chuyển động với độ đảo hướng trục nhỏ, tránh rung lắc. - Đai ốc vit me: đai ốc dùng trong cơ cấu có chế độ làm việc ít, không yêu cầu độ chính xác cao, giữa các ren có thể có độ hở nhất định. Ưu điểm của đai ốc liền là đơn giản, giá thành thấp, có thể tự hãm ở mức độ nhất định. Để giảm biến dạng của vít me có thể dùng những phương pháp sau: - Không bố trí vít me ở ngoài thân máy mà bố trí ở trong nhằm giảm momen lật của bàn máy.
11 - Sử dụng ổ đỡ để cố định vị trí của vít me và tránh rung lắc. - Dùng gối đỡ treo phụ cho những vít me quá dài và nặng. Bộ truyền động đai Bộ truyền đai là bộ truyền cơ khí được sử dụng sớm nhất và hiện nay vẫn được sử dụng rông rãi, có nhiều loại đai như đai thang, đai dẹt, đai răng ….10: Truyền động đai Bộ truyền đai có những ưu điểm sau: - Kết cấu và vận hành đơn giản, dễ lắp đặt, thay thế khi có sự cố. - Truyền động giữa 2 trục có khoảng cách xa.
- Làm việc êm và độ ồn thấp do độ bền và dẻo của đai do đó có thể truyền động với vận tốc cao. - Tránh cho cơ cấu không có sự dao động nhờ vào sự trượt trơn của đai khi quá tải.
