Đồ án: tốt nghiệp thiết kế chế tạo máy in 3d dạng scara

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp thiết kế chế tạo máy in 3d dạng scara, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Liêu Chí Thắng
• Người hướng dẫn: ThS. Dương Thị Vân Anh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
• Đề tài: Thiết kế chế tạo máy in 3D dạng SCARA
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Thiết kế Chế tạo Máy In 3D Dạng SCARA

Đồ án tốt nghiệp thiết kế chế tạo máy in 3D là một dự án khoa học quan trọng trong ngành Công nghệ chế tạo máy tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Đây là công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ in 3D hiện đại để phát triển máy in 3D SCARA với khả năng in các vật thể ba chiều có kích thước 300 x 300 x 200mm. Dự án này được thực hiện bởi sinh viên Liêu Chí Thắng dưới sự hướng dẫn của ThS. Dương Thị Vân Anh. Mục tiêu chính là nghiên cứu toàn diện về nguyên lý in 3D, vật liệu in 3D, hệ thống truyền động và hệ thống điều khiển để tạo ra một máy in 3D hoàn chỉnh và hiệu quả.

1.1. Khái niệm máy in 3D SCARA

Máy in 3D SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm) là thiết bị in ba chiều sử dụng cánh tay robot SCARA để điều khiển đầu in. Loại máy in này được thiết kế đặc biệt để in các vật thể với độ chính xác cao và tốc độ nhanh. Cấu trúc SCARA cho phép máy hoạt động linh hoạt trong không gian ba chiều, tối ưu hóa quy trình in 3D cho các sản phẩm công nghiệp.

1.2. Ý nghĩa của đồ án tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp này có ý nghĩa thực tiễn cao trong việc ứng dụng công nghệ in 3D vào sản xuất công nghiệp. Nó kết hợp kiến thức về thiết kế kỹ thuật, chế tạo máy và điều khiển tự động để tạo ra sản phẩm có giá trị thực tiễn. Dự án này giúp nâng cao kỹ năng kỹ sư và khả năng giải quyết vấn đề kỹ thuật của sinh viên.

II. Nội dung Nghiên cứu và Phương pháp Thực hiện

Nội dung đồ án thiết kế chế tạo máy in 3D bao gồm nhiều lĩnh vực nghiên cứu chuyên sâu. Sinh viên phải nghiên cứu nguyên lý in 3D để hiểu rõ cơ chế hoạt động của công nghệ này. Tiếp theo là phân tích vật liệu in 3D thích hợp cho ứng dụng thực tế. Phần quan trọng nhất là thiết kế hệ thống truyền động chính xác với các thông số kỹ thuật phù hợp. Đồng thời, thiết kế hệ thống điều khiển giúp máy hoạt động tự động. Cuối cùng là thi công và chế tạo máy in 3D thực tế để kiểm chứng lý thuyết với thực hành.

2.1. Nghiên cứu nguyên lý và vật liệu in 3D

Nghiên cứu nguyên lý in 3D yêu cầu sinh viên tìm hiểu các phương pháp in khác nhau như FDM, SLA, SLS. Mỗi phương pháp có ưu điểm riêng và ứng dụng cụ thể. Vật liệu in 3D được lựa chọn dựa trên yêu cầu chất lượng và khả năng in. Các vật liệu phổ biến như PLA, ABS, Resin đều được đánh giá chi tiết để chọn phương án tối ưu.

2.2. Thiết kế hệ thống truyền động và điều khiển

Hệ thống truyền động là trái tim của máy in 3D SCARA, bao gồm động cơ bước, rơ le, và truyền động cơ học. Hệ thống điều khiển sử dụng vi điều khiển để quản lý chuyển động trục và tốc độ in. Phần mềm điều khiển phải được lập trình chính xác để đảm bảo chất lượng sản phẩm in.

III. Tiêu chí Đánh giá Đồ án Tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp được đánh giá theo tiêu chí toàn diện với tổng điểm 100. Đầu tiên là hình thức và kết cấu đồ án (20 điểm) bao gồm định dạng, mục tiêu, tính cấp thiết và phương pháp nghiên cứu. Tiếp theo là nội dung nghiên cứu (80 điểm) đánh giá khả năng ứng dụng kiến thức, phân tích tổng hợp, thiết kế chế tạo và tính sáng tạo. Ngoài ra, còn có điểm thưởng (10 điểm) cho các đồ án báo cáo tiếng Anh, công bố bài báo khoa học hoặc chuyển giao cho công ty.

3.1. Đánh giá hình thức và nội dung đồ án

Hình thức đồ án phải tuân thủ tiêu chuẩn định dạng của trường với đầy đủ các mục bắt buộc. Nội dung đồ án phải thể hiện tính tổng quan, mục tiêu rõ ràng và phương pháp nghiên cứu khoa học. Sinh viên cần chứng minh khả năng ứng dụng kiến thức toán học, kỹ thuật trong giải quyết các vấn đề thực tế của thiết kế chế tạo máy in 3D.

3.2. Tiêu chí sáng tạo và ứng dụng thực tế

Tính sáng tạo là yếu tố quan trọng được đánh giá cao (50 điểm) trong nội dung nghiên cứu. Đồ án phải đề xuất phương pháp mới hoặc quy trình cải tiến có tính khả thi và ứng dụng thực tế. Khả năng cải tiến dự án cũng được xem xét (10 điểm) cùng với sử dụng công cụ kỹ thuật chuyên ngành như phần mềm CAD, phần mềm mô phỏng.

IV. Ứng dụng và Hướng Phát triển Của Máy In 3D SCARA

Máy in 3D SCARA từ đồ án tốt nghiệp này có nhiều ứng dụng thực tế trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp. Máy có thể in các vật thể cỡ nhỏ đến trung bình với độ chính xác cao, thích hợp cho sản xuất mẫu, chế tạo chi tiết máy, và ứng dụng y tế. Hướng phát triển tương lai bao gồm cải tiến tốc độ in, mở rộng vật liệu in 3D được hỗ trợ, và tích hợp trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa quá trình in. Dự án này tạo nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về công nghệ in 3D tiên tiến.

4.1. Ứng dụng công nghiệp của máy in 3D SCARA

Ứng dụng chính của máy in 3D SCARA là sản xuất mẫu nhanh (rapid prototyping) cho các công ty thiết kế sản phẩm. Máy cũng hỗ trợ sản xuất chi tiết phụ cho ngành công nghiệp điện tử và ngành sản xuất linh kiện máy. Trong y học, máy có thể in mô hình giải phẫu cho mục đích giáo dục và lập kế hoạch phẫu thuật. Tính linh hoạt của cấu trúc SCARA cho phép máy thích ứng với nhiều ứng dụng khác nhau.

4.2. Hướng phát triển và cải tiến tương lai

Hướng phát triển tiếp theo là tăng tốc độ in 3D để tăng năng suất sản xuất. Mở rộng khả năng in với nhiều loại vật liệu khác nhau sẽ nâng cao ứng dụng đa dạng. Tích hợp cảm biến thông minh và hệ thống phản hồi giúp tự động điều chỉnh quá trình in. Kết nối IoT cho phép theo dõi từ xa và quản lý máy hiệu quả. Những cải tiến này sẽ đưa công nghệ in 3D SCARA trở thành giải pháp sản xuất tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu. Chương 2: Tổng quan về công nghệ in 3D. Chương 3: Cơ sở lý thuyết nguyên lý máy in 3D. Chương 4: Tính toán, thiết kế và chế tạo máy in 3D.

Chương 5: Kết quả. 2 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D 2. Giới thiệu về công nghệ in 3D Công nghệ in 3D ra đời từ 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 in 3D khá phát triển với nhiều phát minh mới.

Công nghệ in 3D 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. Công nghệ in 3D đã giúp các nhà sản xuất đẩy mạnh việc thiết kế sản phẩm, hạn chế các sai sót không đáng trong quá trình thiết kế và sản xuất. Về cơ bản công nghệ in 3D là quá trình tạo mẫu giúp cho 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.

Đặc điểm của công nghệ in 3D 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. Vật liệu dùng trong in 3D Cùng với sự phát triển của công nghệ và máy in 3D, theo đó là sự phát triển vật liệu in 3D.

Vật liệu in ban đầu chủ yếu là nhựa dẻo, bột kim loại hay bột sứ, nhưng với sự tìm tòi nghiên cứu không ngừng của con người, các vật liệu in ngày càng đa dạng, dù là nhựa, là sợi nylon, đủ các loại kim loại đồng, chì, vàng, bạc, thép, titan, cho đến các loại nhựa thân thiện với môi trường, an toàn cho thực phẩm, thậm chí là các chất liệu hữu cơ có thể ăn được như socola, đường kính…Tuỳ theo nhu cầu mà có thể chọn vật liệu phù hợp để tạo sản phẩm 3D có những ứng dụng chuyên biệt. Nhựa ABS 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, chịu 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… 3 Hình 2.

Nhựa PLA Nhựa PLA là nhựa nhiệt dẻo phân huỷ sinh học. Nhựa có nguồn gốc từ các nguồn tái tạo như bột ngô, mía, củ sắn. Bản chất ban đầu 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 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.

Nhựa PETG Nhựa PETG có nguồn gốc từ PET đây là một loại vật liệu thông dụng để sản xuất bao bì, có tính chống ẩm cao. PETG là 1 loại vật liệu mới dùng cho máy in 3D được đánh giá rất tốt. PETG có độ chịu nhiệt cao tương đương ABS (100ºC trở lên), dễ in như PLA mà lại có độ cứng rất cao. 4 Độ co của vật liệu PETG rất thấp, tương đương PLA nên rất dễ in, vật thể in ra có độ chính xác cao, không bị co rút, biến dạng như ABS.

Khi sử dụng vật liệu PETG, nhiệt độ đầu phun được cài đặt từ 240ºC - 260ºC; tốc độ in từ 30mm/s đến 40mm/s; đầu in chịu được nhiệt độ cao. Nhựa HIPS HIPS là loại vật liệu chịu được nhiệt cao, dễ in do độ giãn nở thấp, độ cứng cao, chịu được lực va đập mạnh. Vật thể in bằng nhựa HIPS có độ láng bóng và đẹp hơn so với ABS. Hiện nay, giá nhựa HIPS ngang giá nhựa ABS và thấp hơn cả nhựa PLA.

Vật liệu HIPS có đặc tính tan trong nước chanh, trong khi ABS thì không. Do vậy HIPS thường được chọn để làm vật liệu chống đỡ cho ABS. Để in được vật liệu HIPS, nhiệt độ đầu phun được chỉnh từ 240ºC đến 260ºC; cài đặt nhiệt bàn in heatbed từ 60ºC đến 80ºC; tốc độ in trung bình 30mm/s đến 60mm/s. Ngoài ra có thể bôi keo ABS Juice lên mặt bàn in và cài đặt nhiệt độ vừa 0 phải từ 50 C đến 60ºC cũng in được.

Vật liệu HIPS thích hợp để in vật thể chịu lực, chịu nhiệt.4: Nhựa HIPS Hình 2. Vật liệu CF-PLA Vật liệu CF-PLA là nhựa PLA được pha thêm 15 - 20% tinh thể carbon nhằm tăng độ cứng cho cấu trúc vật thể được in ra. Các vật thể được in bằng CF-PLA có cấu trúc vững chắc, độ bền và độ cứng cơ học cao hơn nhiều lần so với vật thể in bằng PLA nguyên chất. CF-PLA thích hợp để tạo các chi tiết cứng, chịu lực, dụng cụ hoặc chi thiết gá đỡ máy móc.

Đây là loại vậy liệu đang được ưa chuộng hiện nay. Để in vật liệu CF-PLA, nhiệt độ đầu phun được chỉnh từ 220ºC đến 240ºC, nhiệt độ bàn in heatbed khoảng 60ºC. Nếu máy in 3D không có bàn nhiệt, có thể in bằng tấm dán xanh Blue Tape. Tốc độ in trung bình 30 - 50mm/s.

Do pha với carbon, nên vật liệu CF-PLA có nhiều hạt li ti, nên in với đầu phun lớn từ 0.5mm trở lên. Bề mặt vật thể in ra nhám, không láng mịn như PLA nguyên gốc do đã pha với carbon. Sợi nhựa CF-PLA trước khi in giòn và dễ gãy nền được bảo quản trong hộp, tủ hút ẩm và tránh va chạm.5: Nhựa CF-PLA 2. Các bước của quá trình tạo mẫu nhanh Quá trình tạo mẫu nhanh được thể hiện qua sơ đồ sau: 6 Mô hình Tiền xử Tạo mẫu Hậu xử lý CAD 3D lý tự động Hình 2.6: 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. - 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 Các công nghệ in 3D tạo mẫu nhanh chủ yếu là SLA, SLS, LOM, 3DP, FDM. Ngoài ra có nhiều công nghệ khác nhưng chủ yếu vẫn dựa trên 5 loại công nghệ này.

Công nghệ SLA Công nghệ SLA được phát minh ở Mỹ vào năm 1984. Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA là dựa vào nguyên tắc kỹ thuật dùng tia Laser 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.7: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu SLA 7 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. 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 3DP được phát triển ở khoa kỹ thuật cơ khí viện công nghệ MIT.8: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu 3DP Đầu phun sẽ phun dung dịch keo kết 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 2.

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. 8 Sợi nhựa Bánh răng tời nhựa Đầu phun nhựa Chi tiết Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu 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 thống 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.

Công nghệ SLS Công nghệ SLS sử dụng nguyên liệu dạng bột được chứa trong các bồn, các layer được xếp chồng lên nhau bằng các bánh lăn (roller), vừa cuộn vừa kéo san phẳng vật liệu ra thành lớp mỏng. Biên dạng layer được hình thành bằng cách dùng tia laser chiếu cho nóng chảy bột để bột lớp layer trên liên kết với layer dưới.10: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu SLS 9 2. Công nghệ LOM Công nghệ LOM sử dụng nguyên liệu đầu vào là các vật liệu có thể dát mỏng như giấy, gỗ … dạng cuộn hay tờ, mỗi layer chính là mỗi tờ giấy hay lát gỗ, biên dạng layer được cắt ra bằng laser hay dụng cụ cắt rồi dán chồng lên nhau tạo nên vật thể 3D. Đối với công nghệ này có thể tạo ra vật thể có màu sắc theo đúng thiết kế.11: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu LOM 2.

Giới thiệu một số mẫu máy in 3D 2. Máy Prusa I3 Máy Prusa I3 được tạo ra 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 dao động từ 4 triệu đến 6 triệu đồng.