Khoá Luận Tốt Nghiệp: Nghiên Cứu Thiết Kế Máy In 3D Chất Liệu Nhựa

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế máy in 3D chất liệu nhựa, tập trung vào quy trình, công nghệ và ứng dụng thực tiễn trong sản xuất hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Hùng Sơn
• Người hướng dẫn: Th.S Đinh Thế Nam
• Trường học: Đại học Dân lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Tự Động Công Nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế máy in 3D chất liệu nhựa
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hải Phòng

Tóm tắt

I. Nghiên cứu thiết kế máy in 3D

Nghiên cứu thiết kế máy in 3D là trọng tâm của khóa luận tốt nghiệp này. Tài liệu tập trung vào việc phân tích và thiết kế một máy in 3D sử dụng công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling). Công nghệ này được lựa chọn do tính đơn giản, chi phí thấp và khả năng sử dụng vật liệu nhựa phổ biến. Khóa luận đưa ra các phương án thiết kế kết cấu máy, bao gồm việc tối ưu hóa đường di chuyển đầu phun để cải thiện chất lượng mẫu in và giảm thời gian in. Các yêu cầu về lý thuyết và thực tiễn được đề cập chi tiết, cùng với các số liệu cần thiết để tính toán và thiết kế máy.

1.1. Quy trình thiết kế máy in 3D

Quy trình thiết kế máy in 3D được trình bày rõ ràng trong khóa luận. Bắt đầu từ việc nghiên cứu các công nghệ in 3D hiện có, tác giả đã lựa chọn công nghệ FDM làm nền tảng. Quy trình bao gồm các bước: thiết kế khung máy, tính toán truyền động, lựa chọn động cơ và thiết kế bộ phận đùn nhựa. Mỗi bước được phân tích kỹ lưỡng để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả. Đặc biệt, việc tối ưu hóa đường di chuyển đầu phun được nhấn mạnh như một yếu tố quan trọng để nâng cao chất lượng in.

1.2. Phân tích thiết kế máy in 3D

Phân tích thiết kế máy in 3D tập trung vào việc đánh giá các yếu tố kỹ thuật như độ chính xác, tốc độ in và khả năng tương thích với vật liệu nhựa. Khóa luận đưa ra các phương án thiết kế khác nhau và so sánh ưu nhược điểm của từng phương án. Các yếu tố như kết cấu khung máy, hệ thống truyền động và bộ phận gia nhiệt được phân tích chi tiết. Kết quả phân tích giúp xác định phương án tối ưu nhất để thiết kế máy in 3D hiệu quả.

II. Chất liệu nhựa trong máy in 3D

Chất liệu nhựa là yếu tố quan trọng trong thiết kế máy in 3D. Khóa luận tập trung vào việc nghiên cứu các loại nhựa phổ biến như ABS và PLA, đánh giá tính chất vật lý và hóa học của chúng. Nhựa được lựa chọn dựa trên khả năng dễ gia công, độ bền và tính thân thiện với môi trường. Tài liệu cũng đề cập đến quy trình xử lý nhựa trong máy in 3D, từ khâu nung chảy đến đùn nhựa qua đầu phun. Các thông số nhiệt độ và áp suất được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo chất lượng mẫu in.

2.1. Ứng dụng nhựa trong máy in 3D

Ứng dụng nhựa trong máy in 3D được phân tích chi tiết trong khóa luận. Nhựa được sử dụng làm vật liệu chính để tạo mẫu in, với ưu điểm là dễ kiếm, giá thành thấp và không gây độc hại. Tài liệu đưa ra các phương pháp xử lý nhựa trong quá trình in, bao gồm việc điều chỉnh nhiệt độ và áp suất để đảm bảo nhựa được nung chảy đúng cách. Các thử nghiệm thực tế được thực hiện để đánh giá hiệu quả của nhựa trong việc tạo mẫu in 3D.

2.2. Tính năng của nhựa trong in 3D

Tính năng của nhựa trong in 3D được khảo sát kỹ lưỡng. Khóa luận đánh giá các đặc tính như độ bền, độ dẻo và khả năng chịu nhiệt của nhựa. Các thử nghiệm được thực hiện để xác định hiệu suất của nhựa trong quá trình in, bao gồm việc đo lường độ chính xác và độ bóng bề mặt của mẫu in. Kết quả cho thấy nhựa PLA có ưu điểm vượt trội về tính thân thiện với môi trường và dễ gia công, trong khi nhựa ABS có độ bền cao hơn.

III. Công nghệ in 3D và ứng dụng

Công nghệ in 3D là nền tảng của khóa luận, với trọng tâm là công nghệ FDM. Tài liệu giới thiệu tổng quan về các công nghệ in 3D hiện có, bao gồm SLA, 3DP và FDM. Công nghệ FDM được lựa chọn do tính đơn giản và chi phí thấp. Khóa luận cũng đề cập đến các ứng dụng thực tế của máy in 3D trong các lĩnh vực như y tế, giáo dục và sản xuất công nghiệp. Các ví dụ cụ thể được đưa ra để minh họa tính hiệu quả của công nghệ in 3D trong việc tạo mẫu nhanh và sản xuất các chi tiết phức tạp.

3.1. Công nghệ FDM trong in 3D

Công nghệ FDM trong in 3D được phân tích chi tiết. Khóa luận giải thích nguyên lý hoạt động của công nghệ FDM, từ việc nung chảy nhựa đến đùn nhựa qua đầu phun để tạo mẫu in. Các ưu điểm của công nghệ FDM như kết cấu đơn giản, chi phí thấp và khả năng sử dụng vật liệu nhựa phổ biến được nhấn mạnh. Tài liệu cũng đưa ra các hạn chế của công nghệ này, bao gồm độ chính xác không cao và tốc độ in chậm so với các công nghệ khác.

3.2. Ứng dụng máy in 3D trong thực tế

Ứng dụng máy in 3D trong thực tế được trình bày rõ ràng. Khóa luận đưa ra các ví dụ cụ thể về việc sử dụng máy in 3D trong các lĩnh vực như y tế (tạo mẫu phẫu thuật), giáo dục (mô hình học tập) và sản xuất công nghiệp (tạo mẫu nhanh). Các ứng dụng này cho thấy tiềm năng lớn của máy in 3D trong việc cải thiện hiệu quả sản xuất và giảm chi phí. Tài liệu cũng đề cập đến các thách thức và hạn chế của máy in 3D trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH 1. Giới thiệu về công nghệ tạo mẫu nhanh Công nghệ tạo mẫu nhanh ra đời tử 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 tạo mẫu nhanh khá phát triển với nhiều công nghệ với được phát minh. Công nghệ tạo mẫu nhanh 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.

Các công nghệ tạo mẫu nhanh đã giúp các nhà sản xuất đẩy mạnh việc thiết kế sản phẩm, hạn chế các sai sót không đáng có trong quá trình thiết kế và sản xuất. Về cơ bản công nghệ tao mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu sản phẩm giúp 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, các phần mềm cắt lớp. Tạo đường chuyển động.

Đặc điểm của công nghệ tạo mẫu nhanh 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. Các bước của quá trình tạo mẫu nhanh.

Quá trình tạo mẫu nhanh được thể hiện qua sơ đồ khối sau: Mô hình Tiền xử Tạo mẫu Hậu xử lý CAD 3D lý tự động Hình 1.1: Sơ đồ quá trình tạo mẫu Bước 1: Tạo mô hình 3D dạng mặt hay khối. 1 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, … 1. Một số công nghệ tạo mẫu nhanh 1. Công nghệ SLA Công nghệ SLA được phát minh ở Mỹ vào năm 1984. Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA dựa vào nguyên tắc 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.2: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu SLA 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. 2 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 chiều được phát triển ở khoa kỹ thuật cơ khí viện công nghệ MIT.3: 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. 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. 3 Sợi nhựa Bánh răng tời nhựa Đầu phun nhựa Chi tiết Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu FDM Nguyên lý hoạt động: 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 thồng 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. Giới thiệu một số mẫu máy in 3D 1.5: Máy in 3D prusa I3 4 Được phát triển 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 giao động từ 4 triệu đến 6 triệu.

Ưu điểm của loại máy này là kết cấu đơn giản, dễ lắp ráp, tuy nhiên nhược điểm là độ chính xác không cao, độ bóng bề mặt thấp. Máy Delta Kossel Được phát triển bởi Johann tại Seatle, Mỹ vào năm 2012. Dòng máy này sử dụng cơ cấu delta, công nghệ in FDM, loại nhựa thường được sử dụng là nhựa ABS, PLA.6: Máy in 3D Delta Kossel Loại máy Delta Tốc độ in 320 mm/s Độ phân giải động cơ 100 step/mm Không gian in Đường kính in 170 mm, chiều cao 240 mm Độ phân giải mỗi lớp in 0.2 mm Giá 600USD Bảng 1.1: Thông số máy in 3D Delta Kossel Ưu điểm của mẫu máy này là máy hoạt động êm, ít rung, tốc độ và độ chính xác cao có thể in được vật thể có chiều cao lớn, cơ cấu có độ cứng vững cao. Bên cạnh những ưu điểm đó là những nhược điểm như khổ máy lớn, cồng kềnh, kết cấu phức tạp, khó căn chỉnh, giá thành đắt hơn so với dòng máy prusa.

Máy Ember Máy ember được phát triển bởi công ty Autodesk năm 2015. Đây là dòng máy in sử dụng công nghệ SLA, sử dụng vật liệu là loại nhựa lỏng.7: Máy in 3D Ember Độ phân giải trục XY 50micron Độ phân giải trục Z 10 – 100 micron. Không gian in 64x40x134 mm. Tốc độ in 18 mm/h.

Loại nhựa Acrylate photosensitive resin. Kích thước máy 325 x 340 x 434 mm. Giá thành 7495USD bao gồm nhựa lỏng.2: Thông số máy in 3D Ember. Ưu điểm của dòng máy là độ phân giải của máy cao, độ chính xác cao, kích thước máy nhỏ gọn, chi tiết sau khi in có độ cứng cao, độ bóng bề mặt cao Nhược điểm của máy là giá thành cao, tốc độ in thấp.

Kết luận Chương này đã giới thiệu một số công nghệ in 3D và một số mẫu máy in 3D điển hình và được sử dụng khá phổ biến trên thị trường hiện này từ đó làm tiền đề cho việc lựa chọn kế cấu và công nghệ in sử dụng trong đồ án. 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Khái quát chung về máy in 3D Máy in 3d đầu tiên ra đời vào những năm 80 là những dòng máy in 3D SLA đầu tiên trên thế giới. Về cơ bản mọi máy in 3D đều có kết cấu cơ khí gần giống nhau, chỉ khác nhau về bộ phận tạo mẫu.

Xét về tổng quan các máy in 3D FDM có kết cấu gồm 3 phần chính: phần mềm điều khiển, phần điện, phần cơ khí, bộ đùn nhựa. Phần mềm CAD /CAM Phần mềm Phần mềm điều khiển Đai Truyền động các trục Phần Vít me đai ốc MÁY cơ IN 3D khí Bộ đùn nhựa Bộ phận điều Vi điều khiển khiển Phần điện Động cơ bước Bộ phận chấp Đầu phun hành nhựa Cảm biến nhiệt Hình 2.1: Cấu trúc máy in 3D Cấu trúc cơ khí của một máy in 3D gần giống với các loại máy CNC với truyền động của các trục. Bộ truyền có thể là bộ truyền vít me – đai ốc hoặc bộ truyền đai. Đặc điểm của truyền động cơ khí trong máy in 3D là tải trọng tác dụng lên không đáng kể do đó việc thiết kế tương đối đơn giản, kết cấu các trục tương đối gọn 7 nhẹ, các chi tiết lắp ráp không đòi hỏi về khả năng chịu lực không cao do đó có thể sử dụng các chi tiết in đươc bằng các máy khác để lắp ráp.

Đó cũng là một ưu điểm của các máy in 3D. Một số dòng máy in 3D có khoảng 80% các chi tiết lắp ráp là được in bằng các máy in 3D sẵn có. Phần điện của máy in 3D có thể chia thành 2 khối: khối điều khiển và khối chấp hành. Khối điều khiển gồm các thành phần như: Vi điều khiển, Board kết nối, Driver.

Khối chấp hành gồm các thành phần như: động cơ bước, các cảm biến nhiệt, động cơ servo (nếu có), tản nhiệt, …. Bộ đùn nhựa là một trong những phần quan trọng nhất trong máy. Bộ phận này thực hiện 2 chức năng trong máy: bộ tời nhựa cung cấp nhựa chạy liên tục, đầu phun nhựa thực hiện chức năng nung chảy nhựa và đùn nhựa tạo nên mẫu. Phần mềm được chia làm 2 thành phần: phần mềm CAD/CAM, phần mềm điều khiển.

Phần mềm CAD là các phần mềm có chức năng tạo mẫu 3D, đây là các mô hình sẽ được in trên máy in 3D. Các phần mềm CAD được sử dụng có thể là Solidwork, Creo, Sketchup, …. Các mô hình 3D sau khi được tạo ra phải được chuyển đổi sang định dạng STL từ đó có thể đưa sang các phần mềm CAM để xử lý tiếp theo. Các phần mềm CAM là các phần mềm thực hiện các chức năng cắt lớp vật thể do công nghệ in 3D là in theo từng lớp, lớp cắt càng có kích thước nhỏ thì chất lượng mẫu in càng tốt tuy nhiên thời gian in sẽ tăng lên và ngược lại, lớp in càng lớn thì chất lượng giảm và tốc độ in tăng lên.

Để tối ưu hóa giữa chất lượng in và tốc độ in thì phải có cài đặt các thông số in hợp lý. Sau khi cắt lớp phần mềm sẽ tạo chuyển động khi in và xuất file Gcode. Các mã lệnh Gcode hầu hết giống với gcode trên máy CNC tuy nhiên có một số mã lệnh riêng đối với máy in 3D.