Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công nghệ sản xuất đắp dần (Additive Manufacturing), phổ biến với tên gọi in 3D, được hình thành từ những năm 1980 và từng bước được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, công nghiệp, y tế, xây dựng và tạo mẫu nhanh. Khác với các phương pháp gia công cắt gọt truyền thống, in 3D xây dựng mô hình vật thể ba chiều hoàn chỉnh thông qua việc xếp chồng liên tiếp từng lớp vật liệu dựa trên dữ liệu thiết kế số hóa. Tại Việt Nam vào giai đoạn thực hiện đề tài (năm 2017), nhu cầu chế tạo mẫu phục vụ học tập, nghiên cứu và sản xuất thử nghiệm ngày càng gia tăng. Tuy nhiên, các dòng máy in 3D thương mại nhập khẩu có giá thành tương đối cao, trong khi các mô hình máy in 3D tự chế tạo trong nước thường gặp hạn chế về độ ổn định vận hành và độ chính xác hình học. Xuất phát từ bối cảnh thực tiễn đó, nhóm sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã thực hiện đồ án "Nghiên cứu và thi công máy in 3D" nhằm chế tạo một hệ thống in 3D mã nguồn mở có chi phí hợp lý, vận hành ổn định và đạt yêu cầu tạo mẫu cơ bản.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định gồm 4 nội dung:

  1. Hiểu được nguyên lý hoạt động của công nghệ in 3D.
  2. Hoàn thành mô hình máy in 3D hoàn chỉnh.
  3. Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định.
  4. In được các sản phẩm có độ chính xác về hình dạng, kích cỡ, đủ độ bền và bề mặt đạt yêu cầu.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 4 bước cụ thể:

  1. Tìm hiểu các dạng cấu trúc máy in 3D và các công nghệ in 3D hiện hành trên thị trường.
  2. Lựa chọn đúng các thiết bị điện tử và linh kiện cơ khí để lắp ráp hoàn chỉnh một máy in 3D.
  3. Thiết lập và làm chủ phần mềm điều khiển (firmware Marlin và phần mềm cắt lớp Cura).
  4. Phân tích nguyên nhân và đề xuất giải pháp khắc phục các sự cố kỹ thuật phát sinh trong quá trình in thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Phần cứng điều khiển gồm vi điều khiển ATmega2560 trên bo mạch Arduino Mega 2560, bo mạch mở rộng RAMPS 1.4, mạch điều khiển động cơ bước DRV8825, động cơ bước STP-43D2033; hệ thống cơ khí truyền động; firmware Marlin và phần mềm xử lý mô hình Cura.
  • Phạm vi nghiên cứu: Đồ án tập trung nghiên cứu mô hình máy in 3D sử dụng công nghệ lắng đọng sợi nhựa nóng chảy (FDM) theo hệ tọa độ Descartes (Cartesian) dựa trên nền tảng mẫu Prusa I3; phạm vi in khổ nhỏ để bàn, không sử dụng bàn gia nhiệt; vật liệu in thực nghiệm là sợi nhựa Polylactic Acid (PLA) đường kính 1,75 mm. Quá trình thực hiện diễn ra từ tháng 02/2017 đến tháng 07/2017 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Về mặt lý thuyết công nghệ, đồ án tổng thuật 6 công nghệ in 3D phổ biến trên thị trường:

  • Công nghệ hóa cứng polymer quang học (SLA): Dùng tia laser hoặc tia cực tím làm đông cứng từng lớp chất lỏng photopolymer trong bồn chứa; cho độ chi tiết và độ mịn bề mặt cao nhưng vật liệu đắt và kém bền dưới ánh nắng.
  • Công nghệ phun polymer quang học (JP): Phun giọt photopolymer kết hợp đèn UV chiếu đông cứng tức thì; cho phép in phối hợp nhiều vật liệu và màu sắc nhưng chi phí thiết bị rất cao.
  • Công nghệ lắng đọng sợi nhựa nóng chảy (FDM): Làm nóng chảy sợi nhựa nhiệt dẻo qua đầu đùn nhiệt và đùn ép từng lớp theo biên dạng mặt cắt; cấu tạo đơn giản, giá thành thấp, nguồn vật tư dồi dào, phù hợp cho nghiên cứu chế tạo.
  • Công nghệ thiêu kết laser chọn lọc (SLS): Dùng tia laser thiêu kết bột vật liệu (Nylon, PEEK) theo từng lớp; tạo được chi tiết thành mỏng, độ bền cơ học cao nhưng thiết bị phức tạp và tiêu tốn năng lượng.
  • Công nghệ in 3D phun bột (3DP): Hoạt động tương tự SLS kết hợp đầu phun keo màu liên kết hạt bột.
  • Công nghệ chế tạo vật thể nhiều lớp (LOM): Dán các lớp vật liệu mỏng (giấy, gỗ) chồng lên nhau và cắt biên dạng bằng laser hoặc dao cắt.

Từ việc phân tích ưu nhược điểm, tác giả lựa chọn công nghệ FDM kết hợp cấu trúc động học Cartesian (dạng Prusa I3). So với cơ cấu Delta (3 trục song song dạng tam giác) và Polar (hệ tọa độ cực với bàn xoay), cấu trúc Cartesian có chuyển động độc lập trên 3 trục X, Y, Z, dễ lắp ráp, dễ căn chỉnh cơ học và nhận được sự hỗ trợ hoàn chỉnh từ cộng đồng phần mềm mã nguồn mở.

Về mặt toán học và điều khiển, đồ án áp dụng giải thuật điều khiển vòng kín PID (Proportional - Integral - Derivative) để ổn định nhiệt độ đầu đùn nhựa. Sai lệch $e(t)$ giữa nhiệt độ cài đặt (Set Point) và nhiệt độ đo thực tế từ cảm biến (Process Variable) được xử lý qua 3 khâu:

  • Khâu tỉ lệ (P): $u_P(t) = K_p \cdot e(t)$ tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ trực tiếp với sai số hiện tại.
  • Khâu tích phân (I): $u_I(t) = K_i \int e(t)dt$ triệt tiêu sai số xác lập dựa trên tích lũy sai số theo thời gian.
  • Khâu vi phân (D): $u_D(t) = K_d \frac{de(t)}{dt}$ phản ứng với tốc độ thay đổi của sai số, chống vọt lố. Biểu thức tổng quát của bộ điều khiển nhiệt độ là: $u(t) = K_p \cdot e(t) + K_i \int e(t)dt + K_d \frac{de(t)}{dt}$.

Về chuẩn giao tiếp điều khiển, hệ thống sử dụng tập lệnh G-code để điều khiển vị trí và chế độ vận hành:

  • Lệnh G1: Chuyển động nội suy đường thẳng, nhận các thông số tọa độ X, Y, Z, lượng nhựa đùn E (mm), tốc độ di chuyển F (Feedrate - mm/phút) và trạng thái kiểm tra công tắc hành trình S.
  • Lệnh G2, G3: Chuyển động nội suy cung tròn cùng chiều hoặc ngược chiều kim đồng hồ, nhận thêm thông số tọa độ tâm I, J.
  • Lệnh G90 và G91: Xác lập hệ quy chiếu tọa độ tuyệt đối và tọa độ tương đối.
  • Nhóm lệnh M: Quản lý các chức năng phụ như cài đặt nhiệt độ đầu đùn, tốc độ quạt làm mát.

Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm: phương pháp phân tích tài liệu kỹ thuật về kiến trúc RepRap; phương pháp tính toán cơ điện tử để định cỡ nguồn điện, động cơ bước và tỷ số truyền động; phương pháp thực nghiệm chế tạo, cài đặt tham số phần mềm và kiểm tra mẫu in để tối ưu hóa chất lượng sản phẩm.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống máy in 3D Cartesian được thiết kế và chế tạo bao gồm 4 khối chức năng chính: Khối nguồn, Khối xử lý trung tâm, Khối chấp hành và Khối cảm biến.

Thành phần linh kiện Thông số kỹ thuật chi tiết Vai trò chức năng trong hệ thống
Arduino Mega 2560 R3 Vi điều khiển ATmega2560, thạch anh 16 MHz, 54 chân Digital (15 chân PWM), 16 chân Analog, 4 bộ UART, bộ nhớ Flash 256 KB, SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB Tiếp nhận mã lệnh G-code từ thẻ nhớ SD, thực thi thuật toán PID và phát xung điều khiển các trục
Bo mạch mở rộng RAMPS 1.4 Bo mạch RepRap Shield cắm trực tiếp lên Arduino Mega, hỗ trợ 5 khe cắm driver động cơ bước, cấp nguồn logic 5V từ Arduino Cầu nối ghép nối tín hiệu giữa vi điều khiển với driver, cảm biến nhiệt, công tắc hành trình và đầu nung
Driver DRV8825 Điện áp cấp động cơ 8,2V - 45V, hỗ trợ vi bước (Full, Half, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 step), tự ngắt khi quá nhiệt Điều khiển dòng cấp cho các cuộn dây của động cơ bước, giảm rung giật và tăng độ mịn chuyển động
Động cơ bước STP-43D2033 Động cơ bước NEMA 17 (kích thước 1,7 inch), 2 pha Bi-polar, góc bước 1,8 độ (200 bước/vòng), điện áp định mức 2,52V, dòng 1,7A, mô-men xoắn 362 mN.m Kéo bàn in (trục Y), kéo cụm đầu đùn (trục X) và nâng hạ cầu trục (trục Z)
Cụm đầu phun (Hotend) Thân nhôm, lỗ phun 0,4 mm, sợi nhựa tương thích 1,75 mm, ống gia nhiệt 12VDC, cảm biến nhiệt trở NTC đo tối đa 300°C Gia nhiệt làm nóng chảy sợi nhựa PLA và đùn sợi nhựa theo biên dạng từng lớp
Công tắc hành trình (Endstop) Model KW12-2c, dòng định mức 3A 250VAC / 5A 125VAC Giới hạn hành trình cơ khí, xác định vị trí gốc tọa độ (Home) của các trục X, Y, Z
Hệ thống truyền động cơ khí Khung nhôm định hình 20x20 mm, ray trượt tròn và con trượt 8 mm, vitme M5 và đai ốc M5, dây curoa bản 6 mm, puli 20 răng Định hình kết cấu máy; biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến
Nguồn cấp một chiều Nguồn tổ ong 12VDC - 5A Cung cấp năng lượng cho động cơ bước, quạt tản nhiệt 12V và điện trở gia nhiệt đầu đùn

Trong cấu hình cơ khí, trục X và trục Y sử dụng cơ cấu truyền động dây curoa đai răng 6 mm phối hợp puli 20 răng gắn trên trục động cơ bước, di chuyển trên thanh trượt tròn 8 mm thông qua các ổ bi trượt 8x15x24 mm nhằm tối ưu tốc độ di chuyển. Riêng trục Z sử dụng cơ cấu trục ren vitme M5 kết hợp khớp nối mềm 5x5 mm nối với động cơ bước; cơ cấu vitme giúp tăng lực nâng, đảm bảo độ phân giải dịch chuyển theo phương đứng và có khả năng tự hãm chống rơi cụm đầu phun khi ngắt điện. Bàn in sử dụng tấm kính phẳng đặt trên khung đỡ, không lắp bộ gia nhiệt (heated bed).

Về mặt phần mềm và firmware:

  • Firmware Marlin được nạp vào vi điều khiển ATmega2560 thông qua Arduino IDE. Các thông số cấu hình chính bao gồm: thiết lập tốc độ truyền thông UART ở mức 115200 hoặc 250000 baud; khai báo bo mạch điều khiển là RAMPS 1.4 (BOARD_RAMPS_14_EFB); định nghĩa loại cảm biến nhiệt trở; kích hoạt thuật toán điều khiển nhiệt PID cho đầu nung; giới hạn nhiệt độ đùn tối thiểu (ngăn động cơ đùn khi nhựa chưa chảy mềm để bảo vệ cơ cấu đẩy sợi); định nghĩa trạng thái đảo chiều chân tín hiệu công tắc hành trình Endstop; khai báo kích thước bàn in và tính toán số bước động cơ trên mỗi milimet dịch chuyển (steps per unit) cho các trục X, Y, Z và động cơ đùn E.
  • Chế độ vi bước của driver DRV8825 được cấu hình thông qua việc cắm các chân jumper dưới khe cắm trên bo mạch RAMPS 1.4 (chế độ 1/16 hoặc 1/32 bước).
  • Phần mềm cắt lớp Cura tiếp nhận mô hình thiết kế 3D định dạng .stl, tính toán phân chia mô hình thành các lát cắt nằm ngang và xuất ra chuỗi lệnh G-code. Các thông số thiết lập trong Cura bao gồm: chiều cao lớp in (Layer Height, thông thường từ 0,1 mm đến 0,3 mm), độ rộng đường in (Line Width 0,4 mm), số lớp thành vỏ (Wall Thickness), mật độ đan rỗng bên trong (Infill Density), nhiệt độ nung sợi PLA (dao động quanh 190°C - 210°C), tốc độ in (Print Speed), kích hoạt các tính năng bù trừ chồng lấn biên dạng (Compensate Wall Overlaps) và điền đầy khe hở giữa các lớp thành (Fill Gaps Between Walls).
  • Vận hành hệ thống: Tệp G-code sau khi xuất được chép vào thẻ nhớ SD. Khi máy khởi động, hệ thống thực hiện chu trình kiểm tra cảm biến nhiệt độ, kích hoạt lệnh đưa 3 trục về vị trí gốc tọa độ (G28 Home), đọc nhiệt độ và cấp xung PWM gia nhiệt đầu đùn. Khi nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn và đạt giá trị đặt qua thuật toán PID, vi điều khiển tuần tự đọc các dòng lệnh G-code từ thẻ nhớ để điều khiển động cơ bước và đùn nhựa tạo hình sản phẩm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này phân tích bối cảnh phát triển của công nghệ in 3D trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả chỉ ra tính cấp thiết của đề tài trong việc nghiên cứu chế tạo thiết bị tạo mẫu có chi phí thấp dựa trên các linh kiện nguồn mở sẵn có. Chương này xác định rõ mục tiêu, 4 nhiệm vụ nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu (vi điều khiển Arduino Mega 2560, bo mở rộng RAMPS 1.4, các công nghệ in 3D) và phạm vi giới hạn của đề tài (máy in Cartesian công nghệ FDM, in sợi PLA, không dùng bàn nhiệt).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết nguyên lý hoạt động của 6 công nghệ in 3D (SLA, JP, FDM, SLS, 3DP, LOM) và so sánh 3 cấu trúc máy in FDM phổ biến (Cartesian, Delta, Polar). Tác giả cung cấp thông số kỹ thuật chi tiết của các linh kiện được lựa chọn: vi điều khiển ATmega2560 (Flash 256 KB, 54 chân Digital, xung nhịp 16 MHz), bo mở rộng RAMPS 1.4, động cơ bước NEMA 17 STP-43D2033 (bước 1,8 độ, điện trở 3,0 $\Omega$/pha, lực kéo 362 mN.m), driver DRV8825 với bảng cấu hình vi bước qua các chân MODE, đầu phun nhôm lỗ 0,4 mm, công tắc hành trình KW12-2c, khung nhôm 20x20 mm và vitme M5. Bên cạnh đó, chương này trình bày cơ sở toán học của bộ điều khiển PID đối với quá trình ổn định nhiệt và cấu trúc cú pháp của tập lệnh G-code (G1, G2, G3, G90, G91).

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Chương 3 mô tả sơ đồ khối hệ thống máy in 3D, phân tích lựa chọn các phương án phần cứng trên thị trường (so sánh các mạch MKS Base V1.2, Melzi, GT2560 với phương án Arduino Mega 2560 kết hợp RAMPS 1.4). Tác giả trình bày các tính toán phân phối công suất cho bộ nguồn 12V - 5A, sơ đồ kết nối chân giữa RAMPS 1.4 với các cảm biến và cơ cấu chấp hành, bảng tra cấu hình jumper bước cho driver DRV8825. Chương này cũng giải thích chi tiết lưu đồ thuật toán điều khiển nạp trong firmware Marlin, các bước thiết lập thông số trong tệp mã nguồn cấu hình (Configuration.h) và quy trình tối ưu hóa các thông số cắt lớp trong phần mềm Cura (chiều cao lớp in, tốc độ in, nhiệt độ đùn, xử lý bù trừ lớp vỏ).

Chương 4: Kết quả và nhận xét

Chương 4 công bố kết quả thực tế của mô hình máy in 3D hoàn chỉnh sau khi lắp ráp và cân chỉnh. Thiết bị có khả năng đọc mã G-code trực tiếp từ thẻ nhớ SD để in các mẫu vật thể từ đơn giản đến phức tạp bằng nhựa PLA. Tác giả tiến hành phân tích chi tiết hình ảnh thực nghiệm của 5 dạng lỗi in thường gặp trong quá trình vận hành thực tế: lỗi tách lớp khỏi bàn in, lỗi dịch lớp do mất bước, lỗi các lớp in không thẳng hàng (gợn sóng), lỗi thiếu nhựa gây mất lớp và lỗi hở bề mặt lớp trên cùng; đồng thời trình bày nguyên nhân kỹ thuật và giải pháp xử lý triệt để cho từng trường hợp.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tóm tắt các kết quả đạt được: hoàn thành lắp ráp mô hình máy in 3D Cartesian hoạt động ổn định, nạp và thực thi chính xác tập lệnh G-code, tạo ra mẫu in đúng kích thước và biên dạng. Chương này cũng thẳng thắn chỉ ra các điểm còn hạn chế của mô hình do chưa có bàn gia nhiệt và khung máy còn rung lắc ở tốc độ cao; từ đó đề xuất các hướng nâng cấp tiếp theo như bổ sung bàn nhiệt, tích hợp cảm biến cân bàn tự động và ghép nối với thiết bị quét 3D.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Về kết quả thực nghiệm, đề tài đã thi công hoàn chỉnh một máy in 3D FDM dạng Cartesian sử dụng khung nhôm định hình 20x20 mm, vận hành bằng bo điều khiển Arduino Mega 2560 kết hợp RAMPS 1.4 và driver DRV8825. Hệ thống vận hành độc lập thông qua giao tiếp thẻ nhớ SD card mà không cần duy trì kết nối liên tục với máy tính. Đầu phun nhôm 0,4 mm hoạt động ổn định ở dải nhiệt độ làm việc của sợi nhựa PLA nhờ thuật toán điều khiển PID.

Trong quá trình thực nghiệm, đồ án đã tổng hợp và phân tích 5 lỗi kỹ thuật cơ bản cùng giải pháp khắc phục thực tế:

Tên lỗi kỹ thuật Biểu hiện thực tế trên mẫu in Nguyên nhân kỹ thuật phát hiện Biện pháp khắc phục đã thực hiện
Tách lớp khỏi bàn in (Warping) Phần đáy mẫu in bị cong vênh, bong tróc khỏi mặt kính trong quá trình in Bàn in không có bộ gia nhiệt; khoảng cách giữa đầu phun và mặt bàn ở lớp đầu tiên quá lớn hoặc bề mặt kính bám dính kém Cân chỉnh khoảng cách lớp đầu tiên thật sát mặt bàn; vệ sinh bề mặt kính và quét lớp keo tăng độ bám dính
Dịch lớp (Layer shifting) Các lớp in bị xô lệch sang một bên theo phương trục X hoặc trục Y Dây đai curoa bị chùng; ốc siết puli motor bị lỏng; hoặc dòng cấp trên driver DRV8825 không đủ dẫn đến mất bước động cơ Căng lại dây đai curoa bản 6 mm; siết chặt ốc giữ puli 20 răng; hiệu chỉnh biến trở dòng điện trên driver DRV8825
Lớp in không thẳng hàng (Z-wobble) Bề mặt ngoài của mẫu in xuất hiện các đường gợn sóng lồi lõm không phẳng Trục vitme M5 bị đảo hoặc cong; khớp nối mềm 5x5 mm bị lệch tâm; khung máy bị rung lắc khi đổi hướng Căn chỉnh lại độ thẳng và độ đồng tâm của trục vitme M5; xiết chặt góc ke 20x20 mm để gia cố độ cứng vững khung máy
Mất lớp in (Under-extrusion) Thành mẫu in xuất hiện các khe rỗng đứt đoạn, thiếu nhựa giữa các lớp Đầu phun bị tắc nghẽn cục bộ; nhiệt độ nung chưa đủ làm chảy nhựa kịp với tốc độ đùn; bánh răng đẩy sợi bị trượt Vệ sinh sạch đầu phun nhôm; tăng nhiệt độ gia nhiệt đầu đùn; siết lại lò xo ép cụm đùn sợi nhựa
Lớp nhựa trên cùng bị hở (Pillowing) Mặt trên cùng của vật thể xuất hiện các lỗ rỗ hoặc khe hở nhìn thấy bên trong Số lượng lớp mặt trên (Top Solid Layers) thiết lập quá ít; mật độ đan rỗng (Infill) quá thưa; quạt tản nhiệt làm nguội chưa đủ Tăng số lớp Top Layers trong phần mềm Cura; tăng mật độ Infill; điều chỉnh tăng tốc độ quạt làm mát 12V

Về đóng góp kỹ thuật, đồ án đã hiện thực hóa thành công quy trình khép kín từ khâu tiếp nhận mô hình CAD 3D (.stl), phân tích cắt lớp qua Cura, cấu hình firmware Marlin mã nguồn mở trên vi điều khiển 8-bit ATmega2560, đến khâu chế tạo và cân chỉnh cơ khí truyền động. Tài liệu cung cấp bảng hướng dẫn xử lý lỗi in thực tế có giá trị thực tiễn đối với người tự chế tạo máy in 3D FDM.

Hạn chế và hướng phát triển

Đồ án ghi nhận các hạn chế kỹ thuật cụ thể từ thực tế thi công:

  • Mô hình chưa được trang bị bàn nhiệt (heated bed), do đó chỉ in được vật liệu nhựa PLA; không in được các loại nhựa có hệ số co ngót nhiệt cao như ABS vì vật thể sẽ bị biến dạng và nứt vỡ khi nguội.
  • Hệ thống khung cơ khí kết hợp giữa nhôm định hình và các chi tiết gá bằng nhựa tự in vẫn còn độ rơ cơ học nhất định, gây ra hiện tượng rung giật khi tăng tốc độ in.
  • Việc cân chỉnh thăng bằng mặt bàn in hoàn toàn thực hiện thủ công bằng ốc lò xo 4 góc, tốn thời gian và dễ phát sinh sai số.
  • Thiết bị chưa tích hợp màn hình hiển thị LCD và nút điều khiển trực tiếp trên thân máy, mọi thiết lập phải cấu hình trước qua tệp mã lệnh.

Hướng nghiên cứu phát triển được tác giả đề xuất bao gồm:

  • Lắp đặt bổ sung bàn nhiệt 12V công suất cao (sử dụng đường cấp nguồn 11A trên RAMPS 1.4) và cảm biến nhiệt độ bàn in để mở rộng khả năng in các vật liệu kỹ thuật như ABS, PETG.
  • Lắp đặt thêm cảm biến tiệm cận hoặc công tắc hành trình phụ để xây dựng tính năng tự động cân bàn in (Auto-bed leveling) trong firmware Marlin.
  • Nâng cấp màn hình điều khiển đồ họa LCD kèm khe cắm thẻ nhớ trực tiếp để thao tác độc lập hoàn toàn mà không cần nạp tệp qua máy tính.
  • Nghiên cứu kết hợp máy quét 3D (3D scanner) với máy in 3D nhằm hình thành hệ thống thiết kế ngược hoàn chỉnh, cho phép sao chép nhanh các chi tiết mẫu vật thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu và thi công máy in 3D" là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực đối với:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện tử, Cơ điện tử, Tự động hóa và Chế tạo máy đang thực hiện các đề tài liên quan đến máy CNC mini, máy vẽ laser hoặc máy in 3D mã nguồn mở.
  • Những người tự chế tạo thiết bị (Maker) cần một tài liệu tổng hợp đầy đủ về sơ đồ ghép nối chân giữa Arduino Mega 2560, bo mở rộng RAMPS 1.4 và driver DRV8825.
  • Nội dung đáng tham khảo nhất trong công trình là phần tính toán cấu hình tham số trong tệp mã nguồn Firmware Marlin, các bảng tra cứu cấu hình vi bước jumper và quy trình phân tích nguyên nhân - biện pháp khắc phục 5 lỗi in thực nghiệm phổ biến trên công nghệ FDM.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình máy in 3D trong đồ án sử dụng kiến trúc động học nào và tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn kiến trúc đó?

Mô hình sử dụng cấu trúc động học Cartesian (dựa trên mẫu Prusa I3). Nhóm tác giả lựa chọn cấu trúc này vì có chuyển động các trục X, Y, Z độc lập, kết cấu cơ khí đơn giản, nguồn linh kiện sẵn có trên thị trường, chi phí gia công hợp lý và được hỗ trợ đầy đủ từ cộng đồng mã nguồn mở RepRap.

Hệ thống sử dụng cơ cấu truyền động cơ khí khác nhau giữa các trục như thế nào?

Trục X (di chuyển đầu phun) và trục Y (di chuyển bàn in) sử dụng dây curoa bản 6 mm kết hợp puli 20 răng và thanh trượt tròn 8 mm để đạt tốc độ di chuyển nhanh. Trục Z (nâng hạ cầu trục) sử dụng cơ cấu trục ren vitme M5 kết hợp khớp nối mềm 5x5 mm và đai ốc M5 để nâng cao độ phân giải dịch chuyển theo phương đứng và giữ khả năng tự hãm khi ngắt nguồn điện.

Bộ điều khiển PID được ứng dụng cho khối chức năng nào trong hệ thống?

Bộ điều khiển PID được tích hợp trong firmware Marlin của vi điều khiển ATmega2560 để điều khiển ổn định nhiệt độ nung chảy tại đầu đùn (Hotend). Thuật toán tính toán sai lệch giữa nhiệt độ đo được từ cảm biến nhiệt trở và nhiệt độ cài đặt, từ đó điều chế độ rộng xung (PWM) cấp cho ống gia nhiệt 12V, tránh hiện tượng quá nhiệt làm biến tính nhựa hoặc thiếu nhiệt làm tắc đầu đùn.

Thiết bị có khả năng in nhựa ABS hay không?

Trong phạm vi thực hiện của đồ án, máy chưa thể in tốt nhựa ABS vì chưa trang bị bàn gia nhiệt (heated bed). Nhựa ABS có độ co ngót nhiệt rất lớn khi tiếp xúc với không khí nguội, nếu in trên bàn kính không gia nhiệt sẽ dẫn đến hiện tượng cong vênh và tách lớp hoàn toàn. Mô hình tập trung in thử nghiệm thành công với sợi nhựa PLA 1,75 mm.

Các nguyên nhân chính gây ra hiện tượng dịch lớp (Layer shifting) và cách khắc phục trong đồ án là gì?

Hiện tượng dịch lớp bắt nguồn từ ba nguyên nhân kỹ thuật: độ căng dây curoa trục X hoặc Y không đủ (bị chùng), ốc siết cố định puli bánh răng trên trục động cơ bước bị lỏng, hoặc dòng điện định mức cấp từ driver DRV8825 cho động cơ bước quá thấp dẫn đến hiện tượng trượt bước khi đảo chiều nhanh. Cách khắc phục gồm: siết chặt lại puli, tăng độ căng dây đai và tinh chỉnh biến trở Vref trên bo DRV8825 để cấp đủ dòng cho động cơ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu và thi công máy in 3D" của sinh viên Phạm Hoàng Hải và Phạm Văn Bình đã hiện thực hóa thành công một mô hình máy in 3D FDM dạng Cartesian hoàn chỉnh dựa trên vi điều khiển Arduino Mega 2560 và bo mạch RAMPS 1.4. Công trình đã làm chủ việc cấu hình firmware Marlin, giải thuật điều khiển nhiệt độ PID và các tham số cắt lớp mô hình trong phần mềm Cura. Kết quả thực nghiệm in thành công các mẫu vật từ nhựa PLA và hệ thống hóa được phương pháp xử lý các lỗi kỹ thuật cơ bản, tạo nền tảng vững chắc cho việc tiếp tục tích hợp bàn gia nhiệt và cảm biến cân bàn tự động trong các giai đoạn phát triển tiếp theo.