MỞ ĐẦU TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1. Lý do chọn đề tài: Hiện nay, công nghệ laser ngày càng trở nên phổ biến trên thế giới vì tính ứng dụng cao của nó trong nhiều ngành nghề và lĩnh vực khác nhau như: y học, quân sự, cơ khí,… Đặc biệt trong cơ khí, việc chế tạo ra những chiếc máy giúp giảm sức lao động, tăng độ chính xác trong chế tạo, gia công các chi tiết. Và sử dụng công nghệ laser trong cắt, khắc đang được ứng dụng rộng rãi. Máy cắt, khắc CNC laser có khả năng tạo ra nhiều sản phẩm độc đáo, ví dụ như: khắc các bức tranh lên bề mặt gỗ, mica; khắc họa tiết lên hoa quả để trưng ngày tết (dưa hấu); cắt, khắc các mảnh ghép 2D để làm mô hình đồ chơi theo bản vẽ,… Hình 1.
1 Sản phẩm khắc laser mẫu Vì ứng dụng rất nhiều và hữu ích như thế trong cuộc sống, nên máy khắc, cắt laser CNC ngày càng được sử dụng nhiều, phát triển mạnh và đa dạng với nhiều mẫu mã, công suất khác nhau tùy theo nhu cầu sử dụng. Căn cứ vào các lợi ích và nhu cầu thiết thực trên, nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy CNC khắc laser trên bề mặt gỗ và vỏ dưa hấu”. Với đề tài này chúng em hy vọng sẽ tạo ra nhiều sản phẩm đẹp và giảm sức lao động thủ công của con người với năng suất ổn định. Ý nghĩa và mục tiêu đề tài: - Ý nghĩa khoa học: Tạo tiền đề cho người nghiên cứu áp dụng các kiến thức, kỹ năng đã học và thực tập vào đời sống thực tiễn.
10 Luan van Tạo ra nhiều sản phẩm đẹp, mới mẻ; góp phần đóng góp vào tiến trình “công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước”. - Ý nghĩa thực tiễn Giúp việc tạo ra các sản phẩm trưng bày, mô hình đẹp, nhanh, đáp ứng được nhu cầu khách hàng. Ngoài việc khắc trên bề mặt gỗ và vỏ dưa hấu thì máy có thể khắc, cắt được trên các bề mặt phi kim như mica, giấy ép, ví da,… - Mục tiêu nghiên cứu đề tài: Tìm hiểu chức năng, nguyên lý, cơ cấu điều khiển và mô hình của máy CNC khắc laser. Thiết kế, chế tạo các kết cấu và nguyên lí của máy dựa trên mô hình có trên thị trường để phù hợp hơn với thực tiễn, ứng dụng được vào sản xuất.
Mô hình hóa thiết kế 3D bằng phần mềm Autodesk Inventor Professional 2018. Tính toán và hoàn chỉnh thiết kế cho máy khắc laser. Gia công, lắp ráp và kiểm nghiệm các hệ thống của máy và hoàn chỉnh máy, đưa vào chạy thực nghiệm. - Đối tượng nghiên cứu.
Khắc laser quy mô phân xưởng. Các kiểu máy khắc laser cơ bản và máy khắc laser có bàn nâng điều chỉnh tiêu cự tự động. Nguyên lý là nguồn cao áp kích tia laser trong ống phóng, ống phóng bắn tia laser qua 3 kính phản xạ chiếu xuống kính hội tụ, từ đó tia được hội tụ tại 1 điểm chiếu xuống bề mặt cần khắc. Hoặc nguồn kích qua đầu phóng laser diode chiếu xuống bề mặt cần khắc.
- Máy CNC khắc laser trên bề mặt gỗ và vỏ dưa hấu. Phần mềm Autodesk Inventor Professional 2018 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu, thiết kế, tính toán, thiết kế và chế tạo máy CNC khắc laser trên bề mặt gỗ và vỏ dưa hấu kích thước vừa và nhỏ. Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor Professional 2018 trong thiết kế.3 Phương pháp nghiên cứu: - Cơ sở phương pháp luận: Phương pháp nghiên cứu là những nguyên tắc và cách thức hoạt động khoa học nhằm đạt đến chân lý khách quan dựa trên cơ sở của sự chứng minh khoa học. Theo định nghĩa này cần phải có những nguyên tắc cụ thể và dựa theo đó các vấn đề được giải quyết.
Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của nguồn phóng laser, động cơ bước, các mạch điều khiển. Từ đó có sự bao quát đúng đắn trong việc tính toán, thiết kế và chế tạo máy CNC khắc laser trên bề mặt gỗ và vỏ dưa hấu. 11 Luan van - Các phương pháp nghiên cứu cụ thể: Để thực hiện đề tài này, chúng em sử dụng một số phương pháp sau: + Phương pháp nghiên cứu tài liệu: tham khảo các nguồn tài liệu sách, giáo trình, tài liệu tham khảo, các bài viết từ nguồn tin cậy trên Internet, các công trình nghiên cứu… nhằm xác định được nguyên lý, cơ cấu hoạt động của máy. + Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành nghiên cứu, xem xét trên các máy thực tế sẵn có từ đó phân tích ưu nhược điểm, tiến hành thiết kế lại cho tốt.
Nghiên cứu hệ thống điều khiển thực tế để đối chiếu lắp ráp vào máy với giá thành rẻ nhất. + Phương pháp phân tích tổng hợp: Sau khi đã tham khảo, nghiên cứu tài liệu, quá trình nghiên cứu thực nghiệm cho ra các số liệu cần thiết đầu tiên và những hình dung ban đầu. Phát thảo nên mô hình và phương pháp truyền động trên giấy, phân tích các yếu tố cần thiết tác động vào để đạt được yêu cầu sơ bộ ban đầu đặt ra. Tổng hộp lại các yếu tố đã phân tích loại bỏ các yếu tố thừa không cần thiết và lựa chọn được cơ cấu truyền tối ưu nhất trong quá trình làm việc.
+ Phương pháp mô hình hóa: Xây dựng mô hình 3D bằng phần mềm Autodesk Inventor Professional 2018. Gia công, chế tạo ra phẩm là mục tiêu chính của đề tài, là cơ hội để áp dụng các kiến thức đã học và thực tập, là thách thức với những kiến thức mới mà thực tiễn đòi hỏi đặt ra. + Phương pháp kiểm nghiệm: Sản phẩm gia công chế tạo xong sẽ được kiểm nghiệm và khắc phục sai hỏng mà lý thuyết không lường hết được.4 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài: 1.1 K40 Version Laser Co2 40W CNC Laser Engraving Machine: Hình 1. 2 Máy laser K40 thực tế nhập từ Trung Quốc 12 Luan van - Mô tả về máy: + Xuất xứ: Trung quốc + Model: K2030 - Công dụng: Dùng để khắc cắt các vật liệu phi kim như: sừng, gỗ, nhựa, tre nứa, thủy tinh, pha lê, da, cao su,… để làm món quà nhỏ như làm mô hình, khắc chân dung, phù hiệu, khắc bao bì, con dấu,… - Thông số kỹ thuật: Thông số kỹ thuật máy laser 2030: Công suất bóng laser: 40W Điện áp: AC220 ± 10% / 50Hz Phạm vi làm việc: 200mmx300mm Tốc độ khắc: 350mm / s Khắc sâu: 0-10mm (Tùy thuộc vật liệu) Nhiệt độ hoạt động: -5 ℃ -65 ℃ Làm mát: Bằng nước Giao thức kết nối: giao diện USB Môi trường hệ thống: Windows XP/7/8.
3 Máy laser 6040-60W từ Trung Quốc 13 Luan van - Mô tả về máy: Xuất xứ: Trung Quốc Model: K4060 - Công dụng: Dùng cắt khắc vật liệu phi kim như: Sừng, Gỗ, Nhựa, Tre Nứa, Thủy Tinh, Pha lê, Đá cẩm thạch, MDF, Da, Cao su. Chủ yếu được sử dụng cho những món quà nhỏ. Chẳng hạn như: Làm mô hình, khắc chân dung, phù hiệu, phù hiệu, quà tặng, khắc bao bì, con dấu. + Bao bì và in ấn công nghiệp: khắc in tấm cao su, tấm nhựa, tấm đôi, dao cắt cắt board.
+ Ngành may mặc và da: Cắt, khắc hoa văn trên quần áo, đồ lót, đồ nội thất, găng tay, túi xách, giày dép, mũ, đồ chơi và xe hơi trên da, da tổng hợp, da, vải, lông thú. + Ngành công nghiệp mô hình: sản xuất xây dựng tàu cát bảng và máy bay mô hình ABS cắt board, cắt đa đĩa. + Xác định ngành công nghiệp sản phẩm: thiết bị ghi trên nhãn mác và các sản phẩm bảo mật khác + Các ngành công nghiệp khác: như đá cẩm thạch, đá granit và vật liệu xây dựng trang trí khác trên vết khắc, cắt giấy, thiệp chúc mừng và hàng thủ công giấy khác. - Thông số kỹ thuật: Công suất bóng laser: 50W / 60W /80W Điện áp: AC220 ± 10% / 50Hz Phạm vi làm việc: 400mmx600mmx250mm Tốc độ khắc: 400mm / s Khắc sâu: 0-10mm (Tùy thuộc vật liệu) Nhiệt độ hoạt động: -5 ℃ -65 ℃ Làm mát: Bằng nước và gió Giao thức kết nối: giao diện USB Môi trường hệ thống: Windows XP/7/8 14 Luan van CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 2.1 Tổng quan về tia laser: Tia Laser (đọc là la-de) là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích".
Năm 1964, Charles Townes, Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov cùng nhận giải thưởng Nobel vật lý về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo ra máy dao động và phóng đại dựa trên thuyết maser-laser. Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960, bởi nhà vật lý Theodore Maiman tại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ở Malibu, California. Hồng ngọc là ôxít nhôm pha lẫn crôm. Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây và xanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra.
Hall phát triển laser bán dẫn đầu tiên, hay laser diod, năm 1962. Laser bán dẫn đầu tiên với tia phát ra có thể thấy được được trưng bày đầu tiên cùng năm đó. Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov của Liên Xô và Hayashi và Panish của Phòng thí nghiệm Bell đã độc lập phát triển laser diode hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong phòng, sử dụng cấu trúc đa kết nối, tu sửa. Gia công bằng tia laser là quá trình cắt vật liệu, nung chảy hay thay đổi cấu trúc vật liệu bằng cách tập trung một tia sáng đơn sắc vào chi tiết gia công.
Gia công cắt gọt laser không cho phép bóc tách vật liệu với khối lượng lớn nhưng nó cho tốc độ cắt cao và với dụng cụ dễ điều khiển, không tiếp xúc và không mòn. 1 Cắt laser trên thép tấm 15 Luan van 2.2 Đặc điểm của Laser: a) Công suất ( Cường độ ) của nguồn bức xạ bằng ánh sáng rất mạnh so với nguồn năng lượng điện từ có cùng nguồn. Độ đơn sắc được đặc trưng bởi tỷ số µ = ∆λ / λo S = ∆ ω / ωo Trong đó ∆λ - Chiều rộng quang phổ; µ - Mức độ đơn sắc ωo - Tần số ứng với độ dài bước sóng λo Laser Rubin-Hồng Ngọc : ∆λ = 0,69 µm Với D = 1 cm Đường kính chùm tia bức xạ thì góc phân kỳ 𝜃0.10-4 rad ≈ 14 Laser CO2 : λ = 10,6 µm Với D = 1,2.10-3 cm Đ−ờng kính chùm tia bức xạ thì 𝜃0.10-4 rad ≈ 3'20'' Trong thực tế góc phân kỳ có lớn hơn do ảnh hưởng của độ đồng nhất về sự phân bố biên độ và các pha trong vùng bức xạ.