I. Nghiên cứu máy in 3D
Phần này tập trung vào nghiên cứu máy in 3D, bao gồm khảo sát các công nghệ in 3D hiện có như SLA, 3DP và FDM. Báo cáo phân tích ưu điểm, nhược điểm của từng công nghệ, đặc biệt nhấn mạnh vào công nghệ FDM do tính đơn giản, dễ tiếp cận và chi phí thấp. Công nghệ in 3D được đánh giá là một xu hướng phát triển mới trong khoa học kỹ thuật hiện đại, ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ thiết kế thời trang, linh kiện thay thế đến y tế và công nghiệp. Nghiên cứu cũng đề cập đến các mẫu máy in 3D khác nhau như Cartesian, Delta và Polar, so sánh ưu nhược điểm để lựa chọn phương án tối ưu cho dự án. Máy in 3D dạng Cartesian được lựa chọn do tính dễ lắp ráp, bảo dưỡng và cộng đồng mã nguồn mở rộng lớn. Đây là yếu tố quan trọng cho mục tiêu nghiên cứu và chế tạo máy in 3D tại HCMUTE. Nghiên cứu khoa học HCMUTE đóng vai trò nền tảng cho việc phát triển công nghệ này.
1.1 Phân tích các công nghệ in 3D
Đề tài phân tích chi tiết ba công nghệ in 3D chính: SLA (Stereolithography), 3DP (Three Dimensional Printing) và FDM (Fused Deposition Modeling). SLA sử dụng tia laser để đông cứng chất lỏng photopolymer, tạo ra sản phẩm chính xác cao nhưng đắt đỏ và phức tạp. 3DP sử dụng chất kết dính để liên kết bột vật liệu, phù hợp cho sản xuất các mô hình phức tạp. FDM, công nghệ được chọn cho dự án, sử dụng sợi nhựa nóng chảy để tạo lớp, đơn giản, hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Vật liệu in 3D được nghiên cứu kỹ lưỡng, phù hợp với mục đích tạo mẫu đúc. In 3D nhựa và in 3D kim loại được xem xét, đánh giá dựa trên tính chất vật liệu, độ chính xác và chi phí. Phân tích kết quả in 3D giúp đánh giá hiệu quả của máy in 3D tự chế. Quản lý chất lượng in 3D được đề cập đến đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra. An toàn lao động trong in 3D cũng được lưu ý, đảm bảo an toàn cho người vận hành.
1.2 So sánh các kiểu máy in 3D
Ba kiểu máy in 3D chính, Cartesian, Delta, và Polar, được so sánh về ưu điểm và nhược điểm. Máy in 3D dạng Cartesian được chọn do cấu trúc đơn giản, dễ lắp ráp, bảo trì và có nhiều tài liệu hỗ trợ từ cộng đồng mã nguồn mở. Máy in 3D dạng Delta có tốc độ in nhanh hơn nhưng phức tạp hơn về mặt thiết kế và lắp ráp. Máy in 3D dạng Polar có khả năng tạo hình lớn trong không gian nhỏ nhưng ít phổ biến và khó khăn trong việc tìm kiếm tài liệu hỗ trợ. Việc lựa chọn kiểu máy dựa trên cân nhắc về độ chính xác, chi phí, tính khả thi và kinh nghiệm của nhóm nghiên cứu. Thiết kế và chế tạo máy in 3D được thực hiện dựa trên phương pháp nghiên cứu tài liệu và thực nghiệm. Mô hình đúc mẫu 3D được sử dụng để đánh giá hiệu quả của máy in 3D trong ứng dụng đúc mẫu. Tối ưu hóa thiết kế máy in 3D nhằm giảm chi phí sản xuất và tăng độ chính xác.
II. Thiết kế máy in 3D
Phần này tập trung vào thiết kế máy in 3D, bao gồm thiết kế cơ khí, lựa chọn động cơ, hệ thống điều khiển và phần mềm. Thiết kế khung máy được mô tả chi tiết, bao gồm tính toán kích thước, vật liệu và phương pháp gia công. Thiết kế cơ khí đảm bảo độ cứng vững, ổn định và chính xác của máy. Lựa chọn động cơ phù hợp với yêu cầu về tốc độ, mô-men xoắn và độ chính xác. Phần mềm thiết kế máy in 3D được sử dụng để mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế. Mạch Arduino Mega 2560 và mạch điều khiển động cơ bước A4988 được sử dụng để điều khiển máy in. Tối ưu hóa thiết kế máy in 3D tập trung vào giảm chi phí sản xuất và tăng độ chính xác. Phân tích chi phí sản xuất máy in 3D giúp đánh giá hiệu quả kinh tế của dự án. Học viện kỹ thuật HCMUTE cung cấp cơ sở vật chất và chuyên môn hỗ trợ cho dự án.
2.1 Thiết kế cơ khí và lựa chọn động cơ
Phần này trình bày chi tiết thiết kế khung máy, bao gồm vật liệu, kích thước và phương pháp gia công. Tính toán trục X, Y, Z đảm bảo độ chính xác và ổn định trong quá trình in. Lựa chọn động cơ bước phù hợp với yêu cầu về mô-men xoắn và tốc độ. Tính toán công suất động cơ đảm bảo hiệu suất hoạt động của máy. Truyền động vitme – đai ốc được sử dụng để chuyển động chính xác. Ray trượt dẫn hướng đảm bảo độ thẳng hàng của các trục. Thiết kế gia công các chi tiết gá đỡ được thực hiện để đảm bảo sự ổn định của máy. Mô phỏng quá trình in 3D giúp dự đoán và giải quyết các vấn đề tiềm ẩn. Phần mềm mô phỏng quá trình in 3D được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế.
2.2 Hệ thống điều khiển và phần mềm
Phần này mô tả hệ thống điều khiển của máy in 3D, bao gồm mạch Arduino Mega 2560, mạch điều khiển động cơ bước A4988, bộ điều khiển và hiển thị LCD, đầu phun gia nhiệt, cảm biến nhiệt độ và nguồn điện. Thiết lập Firmware và các thông số cài đặt được trình bày rõ ràng. Lựa chọn hệ thống điều khiển dựa trên sự cân bằng giữa chi phí, tính năng và khả năng tích hợp. Thiết kế phần mềm điều khiển giúp người dùng dễ dàng thao tác và quản lý máy in. Nạp code điều khiển cho máy in 3D và thiết lập Firmware được hướng dẫn chi tiết. Mô phỏng quá trình điều khiển máy in 3D giúp đảm bảo tính ổn định và chính xác của hệ thống.
III. Ứng dụng đúc mẫu
Phần này tập trung vào ứng dụng máy in 3D trong đúc mẫu. Máy in 3D ứng dụng đúc mẫu được đánh giá cao về khả năng tạo ra các mẫu đúc phức tạp với độ chính xác cao và thời gian nhanh chóng. Đúc mẫu chính xác là mục tiêu quan trọng của nghiên cứu này. Đúc mẫu nhanh giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quy trình sản xuất. In 3D cho ngành công nghiệp được minh chứng qua ứng dụng này. Quy trình đúc mẫu được mô tả chi tiết, bao gồm các bước tạo mẫu, làm khuôn và rót kim loại. Vật liệu in 3D cho đúc mẫu được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo tính tương thích với quá trình đúc. So sánh in 3D với các phương pháp đúc truyền thống cho thấy những ưu điểm vượt trội của công nghệ in 3D. Ngành kỹ thuật cơ khí HCMUTE hưởng lợi từ nghiên cứu này.
3.1 Quy trình đúc mẫu bằng máy in 3D
Phần này trình bày chi tiết quy trình đúc mẫu sử dụng máy in 3D, bao gồm thiết kế mẫu 3D, in mẫu, làm khuôn, rót kim loại và hoàn thiện sản phẩm. Cơ sở lý thuyết về quy trình chế tạo mẫu nhanh bằng phương pháp đúc được nêu rõ. Tính toán thiết kế đúc đảm bảo chất lượng sản phẩm. Thực tế quy trình chế tạo vật mẫu theo phương pháp đúc được mô tả bằng hình ảnh và dữ liệu thực tế. Chi phí in 3D được tính toán và so sánh với các phương pháp truyền thống. Ưu điểm của in 3D trong đúc mẫu được nhấn mạnh, bao gồm tốc độ, độ chính xác và khả năng tạo hình phức tạp. Nhược điểm của in 3D trong đúc mẫu cũng được đề cập, ví dụ như chất lượng bề mặt và chi phí vật liệu.
3.2 Đánh giá kết quả và hướng phát triển
Phần này trình bày kết quả kiểm tra và đánh giá chất lượng sản phẩm đúc từ mẫu in 3D. Phân tích kết quả in 3D giúp đánh giá hiệu quả của máy in 3D và quá trình đúc. So sánh in 3D với các phương pháp đúc truyền thống giúp đánh giá tính ưu việt của công nghệ in 3D. Tương lai của in 3D trong đúc mẫu được dự đoán dựa trên xu hướng phát triển của công nghệ. Ứng dụng in 3D trong giáo dục được nhấn mạnh, giúp sinh viên tiếp cận và làm quen với công nghệ hiện đại. Ứng dụng công nghệ in 3D trong nhiều lĩnh vực khác nhau được đề xuất. Xu hướng phát triển in 3D được dự báo dựa trên các nghiên cứu hiện nay. Phát triển máy in 3D tại HCMUTE hướng tới sự cải tiến và hoàn thiện hơn nữa.
