Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ in 3D đã trở thành xu hướng phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y tế, xây dựng và giáo dục. Theo ước tính, thời gian chế tạo một sản phẩm bằng công nghệ in 3D chỉ mất từ 3 đến 72 giờ, nhanh hơn rất nhiều so với các phương pháp truyền thống, giúp tiết kiệm chi phí và đẩy nhanh quá trình đưa sản phẩm ra thị trường. Tại Việt Nam, công nghệ in 3D đã xuất hiện từ năm 2003 và ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong y học với các sản phẩm như mảnh sọ nhân tạo bằng methyl methacrylate, giúp rút ngắn thời gian phẫu thuật và giảm chi phí điều trị.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in 3D Delta với mục tiêu tạo ra một thiết bị in 3D có giá thành thấp, vận hành ổn định, tốc độ in nhanh và sản phẩm có độ chính xác cao. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong năm 2019, với trọng tâm là hệ thống cơ khí và điều khiển của máy in 3D Delta. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp công cụ hỗ trợ học tập, giảng dạy và ứng dụng trong sản xuất, góp phần nâng cao năng suất và hiệu quả kinh tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping Technology - RPT): Phương pháp chế tạo vật thể tự động từ dữ liệu thiết kế 3D bằng cách đắp dần vật liệu theo từng lớp, giúp rút ngắn thời gian sản xuất và tăng độ chính xác sản phẩm.
  • Nguyên lý hoạt động của máy in 3D FDM (Fused Deposition Modeling): Công nghệ đùn dây nhựa nóng chảy theo từng lớp để tạo hình sản phẩm, sử dụng vật liệu nhiệt dẻo như ABS và PLA.
  • Cơ cấu chuyển động Delta: Sử dụng ba cánh tay chuyển động tịnh tiến theo nguyên lý robot song song, giúp đầu in di chuyển linh hoạt, tốc độ cao và độ chính xác tốt hơn so với các loại máy in 3D khác.
  • Hệ thống điều khiển vi điều khiển Arduino Mega 2560: Đảm bảo điều khiển chính xác các động cơ bước và các thiết bị điện tử trong máy in.

Các khái niệm chính bao gồm: tạo mẫu nhanh, công nghệ FDM, cơ cấu chuyển động Delta, động cơ bước NEMA17, bộ truyền đai răng GT2, và phần mềm điều khiển in 3D Cura.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ quá trình thiết kế, chế tạo và vận hành thực tế máy in 3D Delta tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu nghiên cứu là một máy in 3D Delta hoàn chỉnh do nhóm sinh viên thực hiện.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Tính toán mô hình động học của cơ cấu Delta để xác định tọa độ và chuyển động của đầu phun.
  • Lựa chọn và thiết kế các bộ phận cơ khí như bộ truyền đai răng GT2, động cơ bước NEMA17, đầu phun gia nhiệt và bộ tời nhựa.
  • Thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng vi điều khiển Arduino Mega 2560 kết hợp driver A4988.
  • Thực nghiệm vận hành máy in, đánh giá chất lượng sản phẩm in về dung sai kích thước, độ bóng và độ nhám bề mặt.
  • Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2019, với các giai đoạn thiết kế, chế tạo, lập trình và thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hoàn thành thiết kế và chế tạo máy in 3D Delta: Máy in được thiết kế với cơ cấu chuyển động Delta, sử dụng động cơ bước NEMA17 và bộ truyền đai răng GT2, đảm bảo chuyển động chính xác và ổn định. Kích thước máy cao khoảng 60-70 cm, phù hợp in các vật thể có chiều cao lớn.

  2. Chất lượng sản phẩm in đạt yêu cầu: Sản phẩm in có bề mặt đẹp, kích thước chính xác với dung sai trong khoảng 0.1 mm, độ bóng và độ nhám bề mặt đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật. Tốc độ in nhanh hơn so với máy in 3D loại Cartesian do khối lượng cơ cấu di động nhỏ và chuyển động êm.

  3. Hệ thống điều khiển vi điều khiển hoạt động hiệu quả: Vi điều khiển Arduino Mega 2560 kết hợp driver A4988 điều khiển đồng bộ ba động cơ bước, đảm bảo vận hành liên tục và ổn định. Nguồn điện 24V - 5A cung cấp đủ công suất cho toàn bộ hệ thống.

  4. Khắc phục các lỗi phổ biến khi in: Nhóm nghiên cứu đã xác định và xử lý các lỗi như thiếu nhựa khi bắt đầu in, vật in không dính bàn in, nhựa in ra không đủ, mặt trên sản phẩm không khít và cong vênh. Các biện pháp điều chỉnh thông số phần mềm Cura và phần cứng đã nâng cao hiệu quả in.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy máy in 3D Delta có nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại máy in 3D truyền thống, đặc biệt về tốc độ và độ chính xác. Việc sử dụng bộ truyền đai răng GT2 giúp giảm trượt và tăng độ phân giải chuyển động, đồng thời động cơ bước NEMA17 đáp ứng tốt yêu cầu mô men xoắn và độ chính xác.

So với các nghiên cứu khác trong lĩnh vực, máy in 3D Delta do nhóm thực hiện có chi phí thấp hơn nhờ lựa chọn vật liệu và linh kiện phổ biến, đồng thời vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm in. Việc áp dụng phần mềm điều khiển Cura và lập trình firmware phù hợp giúp tối ưu hóa quá trình in, giảm thiểu lỗi và tăng tính ổn định.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tốc độ in và độ chính xác giữa máy in Delta và Cartesian, cũng như bảng thống kê các lỗi in và tỷ lệ khắc phục thành công. Điều này minh chứng cho hiệu quả của thiết kế và phương pháp điều khiển được áp dụng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế cơ khí: Cải tiến khung máy và cơ cấu truyền động để giảm trọng lượng và tăng độ cứng, nhằm nâng cao tốc độ in và độ chính xác. Thời gian thực hiện dự kiến 6 tháng, do nhóm kỹ thuật cơ khí đảm nhiệm.

  2. Nâng cấp hệ thống điều khiển: Áp dụng vi điều khiển thế hệ mới với khả năng xử lý nhanh hơn và tích hợp cảm biến hồi tiếp để tăng độ ổn định và chính xác. Thời gian triển khai 4 tháng, phối hợp giữa nhóm lập trình và điện tử.

  3. Phát triển phần mềm điều khiển tùy chỉnh: Thiết kế giao diện thân thiện, tích hợp các thuật toán tối ưu hóa đường đi đầu in và tự động điều chỉnh thông số in theo vật liệu. Thời gian dự kiến 5 tháng, do nhóm phần mềm thực hiện.

  4. Mở rộng ứng dụng và đào tạo: Tổ chức các khóa đào tạo sử dụng máy in 3D Delta cho sinh viên và doanh nghiệp nhỏ, đồng thời phát triển các mô hình ứng dụng trong giáo dục và sản xuất. Thời gian thực hiện liên tục, do phòng đào tạo và hợp tác doanh nghiệp quản lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và giảng viên ngành Cơ khí chế tạo máy: Nghiên cứu cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế và vận hành máy in 3D Delta, hỗ trợ giảng dạy và phát triển đề tài khoa học.

  2. Kỹ sư và nhà thiết kế sản phẩm: Áp dụng công nghệ in 3D Delta để tạo mẫu nhanh, kiểm tra thiết kế và sản xuất các chi tiết phức tạp với chi phí thấp.

  3. Doanh nghiệp sản xuất nhỏ và vừa: Tận dụng máy in 3D Delta để nâng cao năng suất, giảm thời gian và chi phí sản xuất mẫu thử, tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường.

  4. Ngành giáo dục và đào tạo kỹ thuật: Sử dụng máy in 3D Delta làm công cụ thực hành, giúp sinh viên hiểu rõ nguyên lý hoạt động và ứng dụng công nghệ in 3D trong thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy in 3D Delta khác gì so với máy in Cartesian?
    Máy in Delta sử dụng ba cánh tay chuyển động tịnh tiến theo nguyên lý robot song song, giúp đầu in di chuyển linh hoạt, tốc độ cao và ít rung lắc hơn máy Cartesian, phù hợp in các vật thể cao và phức tạp.

  2. Vật liệu in phổ biến cho máy in 3D Delta là gì?
    Hai loại vật liệu chính là ABS và PLA. ABS bền, chịu nhiệt tốt nhưng có mùi và khó phân hủy, trong khi PLA thân thiện môi trường, dễ in nhưng kém chịu nhiệt hơn.

  3. Làm thế nào để khắc phục lỗi vật in không dính bàn in?
    Có thể điều chỉnh nhiệt độ bàn in, sử dụng keo dán hoặc băng keo chuyên dụng, đảm bảo bề mặt bàn sạch và phẳng, đồng thời hiệu chỉnh khoảng cách đầu phun và bàn in phù hợp.

  4. Tại sao chọn động cơ bước NEMA17 cho máy in?
    Động cơ NEMA17 có mô men xoắn phù hợp, kích thước nhỏ gọn, giá thành hợp lý và dễ điều khiển bằng driver A4988, đáp ứng tốt yêu cầu chuyển động chính xác của máy in 3D Delta.

  5. Phần mềm nào được sử dụng để điều khiển máy in 3D Delta?
    Phần mềm Cura được sử dụng phổ biến để cắt lớp và xuất file G-code, kết hợp với firmware lập trình trên Arduino Mega 2560 để điều khiển động cơ và các thiết bị điện tử.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công máy in 3D Delta với cấu trúc cơ khí và hệ thống điều khiển ổn định, vận hành hiệu quả.
  • Sản phẩm in đạt chất lượng cao về kích thước, bề mặt và độ chính xác, phù hợp ứng dụng trong giáo dục và sản xuất.
  • Việc lựa chọn động cơ bước NEMA17 và bộ truyền đai răng GT2 giúp tối ưu hóa chuyển động và giảm thiểu lỗi in.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về công nghệ in 3D Delta, mở rộng khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
  • Đề xuất các giải pháp cải tiến và phát triển phần mềm điều khiển nhằm nâng cao hiệu suất và tính năng của máy in trong tương lai.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ triển khai tối ưu thiết kế cơ khí và nâng cấp hệ thống điều khiển, đồng thời mở rộng ứng dụng thực tế. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm dựa trên kết quả này để thúc đẩy công nghệ in 3D tại Việt Nam.