Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 phát triển mạnh mẽ, công nghệ in 3D đã trở thành một xu hướng quan trọng trong lĩnh vực sản xuất và nghiên cứu kỹ thuật. Theo ước tính, việc ứng dụng máy in 3D trong các ngành công nghiệp như cơ khí, y học, xây dựng và thiết kế thời trang ngày càng gia tăng, góp phần rút ngắn thời gian sản xuất và giảm chi phí gia công. Tuy nhiên, trên thị trường hiện nay, các loại máy in 3D có chi phí cao và đôi khi không đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác cần thiết cho các ứng dụng chuyên sâu.

Luận văn này tập trung nghiên cứu tính toán, thiết kế và chế tạo máy in 3D dạng Cartesian với mục tiêu hoàn thiện một máy in 3D hoạt động ổn định, có độ chính xác cao, phù hợp để tạo mẫu vật đúc nhanh phục vụ ngành đúc. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2021, với trọng tâm là phát triển một sản phẩm máy in 3D giá rẻ, dễ sử dụng và có thể ứng dụng rộng rãi trong đào tạo và sản xuất.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp một công cụ hỗ trợ đắc lực cho sinh viên và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật, đồng thời mở ra hướng đi mới cho việc tạo mẫu nhanh trong công nghiệp đúc, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu chi phí gia công truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật cơ khí, điện tử và công nghệ in 3D hiện đại. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết truyền động cơ khí: Bao gồm các cơ cấu truyền động vít me – đai ốc, truyền động đai và ray trượt dẫn hướng. Cơ cấu vít me – đai ốc bi được lựa chọn cho trục Z nhằm đảm bảo độ chính xác và hiệu suất cao (90-95%), trong khi truyền động đai được sử dụng cho trục X và Y để giảm trọng lượng và tăng tốc độ di chuyển.

  2. Lý thuyết điều khiển động cơ bước: Động cơ bước NEMA 17 được sử dụng với ưu điểm điều khiển vị trí chính xác, chi phí thấp và khả năng hoạt động trong hệ thống điều khiển vòng hở. Mạch điều khiển Arduino Mega 2560 kết hợp với driver A4988 được áp dụng để điều khiển các động cơ bước, đảm bảo tính linh hoạt và dễ dàng lập trình.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ tọa độ Cartesian trong thiết kế máy in 3D, nguyên lý hoạt động của động cơ bước, truyền động vít me – đai ốc, truyền động đai, và các thông số kỹ thuật của đầu phun gia nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ tài liệu chuyên ngành, các nghiên cứu trước đây về công nghệ in 3D, và thực nghiệm trực tiếp trong quá trình thiết kế, chế tạo máy. Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu tài liệu và thực nghiệm:

  • Nghiên cứu tài liệu: Tìm hiểu các công nghệ in 3D phổ biến như SLA, 3DP, FDM; các loại động cơ bước; cơ cấu truyền động; và phần mềm điều khiển.

  • Thực nghiệm: Thiết kế mô hình máy in 3D dạng Cartesian trên phần mềm Inventor, tính toán các thông số kỹ thuật, lựa chọn vật liệu và linh kiện, lắp ráp và hiệu chỉnh máy. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ đầu năm 2021 đến tháng 6 năm 2021, với cỡ mẫu là một máy in 3D hoàn chỉnh.

Phân tích dữ liệu được thực hiện thông qua đánh giá hiệu suất máy in, độ chính xác in ấn, và khả năng ứng dụng trong tạo mẫu đúc nhanh. Các số liệu về kích thước, tốc độ in, nhiệt độ hoạt động và công suất động cơ được đo đạc và so sánh với tiêu chuẩn kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hoàn thiện máy in 3D dạng Cartesian: Máy in có kích thước 545x458x730 mm, khổ in 200x200x200 mm, tốc độ in từ 50-70 mm/s, sử dụng nhựa PLA và các loại nhựa phổ biến khác. Đầu phun có đường kính 0.4 mm, nhiệt độ đùn từ 180 đến 260°C, bàn gia nhiệt từ 40 đến 80°C. Máy hoạt động ổn định, đáp ứng yêu cầu về độ chính xác cao trong in ấn.

  2. Lựa chọn động cơ bước NEMA 17: Động cơ có điện áp 4-5,5VDC, dòng định mức 1-1,5A, góc bước 1,8 độ/bước, phù hợp với yêu cầu điều khiển chính xác và chi phí thấp. Tính toán momen xoắn và công suất động cơ cho các trục X, Y, Z đảm bảo khả năng vận hành trơn tru, với momen xoắn trục X và Y lần lượt khoảng 0,1 N và 0,009 N.

  3. Ứng dụng tạo mẫu nhanh cho phương pháp đúc: Máy in 3D được sử dụng để in các vật mẫu phục vụ cho quy trình đúc khuôn cát. Các mẫu vật in có độ hoàn thiện cao, sai số kích thước nằm trong giới hạn cho phép của cấp chính xác cấp 3, giúp rút ngắn thời gian và giảm chi phí so với phương pháp gia công truyền thống.

  4. Hệ thống điều khiển Arduino Mega 2560 và driver A4988: Hệ thống điều khiển hoạt động hiệu quả, hỗ trợ các chế độ điều khiển động cơ bước đa dạng (full, half, 1/4, 1/8, 1/16 bước), giúp máy in vận hành êm ái và chính xác. Màn hình LCD 2004 tích hợp cho phép người dùng dễ dàng điều chỉnh thông số và theo dõi trạng thái máy.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc lựa chọn thiết kế máy in 3D dạng Cartesian dựa trên ưu điểm về độ chính xác, chi phí thấp và dễ dàng lắp ráp phù hợp với mục tiêu của đề tài. So với các nghiên cứu trước đây về máy in 3D dạng Delta hoặc Polar, phương án Cartesian có lợi thế về tính đơn giản và khả năng bảo trì.

Việc sử dụng động cơ bước NEMA 17 kết hợp với mạch điều khiển Arduino Mega 2560 và driver A4988 đã chứng minh hiệu quả trong việc điều khiển chính xác các trục chuyển động, đồng thời giảm thiểu chi phí so với động cơ servo. Các số liệu về momen xoắn và công suất động cơ được tính toán kỹ lưỡng, đảm bảo máy vận hành ổn định.

Ứng dụng tạo mẫu nhanh bằng máy in 3D trong quy trình đúc khuôn cát đã mang lại hiệu quả rõ rệt, giúp giảm thời gian gia công mẫu và tăng độ chính xác của sản phẩm đúc. Kết quả này phù hợp với các báo cáo ngành về việc ứng dụng công nghệ in 3D trong sản xuất công nghiệp, đồng thời mở ra hướng phát triển mới cho ngành đúc tại Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ chính xác kích thước mẫu in 3D với tiêu chuẩn cấp chính xác, cũng như bảng thống kê các thông số kỹ thuật của máy in và động cơ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp hệ thống điều khiển: Áp dụng các bộ điều khiển có khả năng phản hồi (động cơ servo hoặc động cơ bước có cảm biến encoder) để tăng độ chính xác và giảm sai số trong quá trình in, hướng tới mục tiêu nâng cao độ chính xác lên trên 95% trong vòng 12 tháng tới. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và phòng thí nghiệm kỹ thuật.

  2. Mở rộng phạm vi vật liệu in: Nghiên cứu và thử nghiệm các loại nhựa in mới như PETG, ABS, và vật liệu composite để tăng tính ứng dụng của máy trong các ngành công nghiệp khác nhau, dự kiến hoàn thành trong 6 tháng. Chủ thể thực hiện: bộ phận nghiên cứu vật liệu và kỹ thuật chế tạo.

  3. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp: Tối ưu hóa phần mềm điều khiển và cắt lớp (slicer) để cân bằng giữa tốc độ in và chất lượng sản phẩm, đồng thời tích hợp giao diện người dùng thân thiện hơn, hoàn thành trong 9 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm phát triển phần mềm và kỹ thuật viên.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho sinh viên và doanh nghiệp nhỏ về thiết kế, vận hành và bảo trì máy in 3D, nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi công nghệ in 3D trong sản xuất và nghiên cứu, triển khai trong vòng 1 năm. Chủ thể thực hiện: nhà trường và các trung tâm đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí và cơ điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế, chế tạo và vận hành máy in 3D, giúp sinh viên nâng cao kỹ năng thực hành và áp dụng kiến thức lý thuyết vào dự án thực tế.

  2. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ vật liệu và chế tạo máy: Tài liệu chi tiết về các phương pháp tính toán, lựa chọn vật liệu và thiết kế cơ khí hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các sản phẩm công nghệ mới.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và gia công cơ khí: Tham khảo để ứng dụng công nghệ in 3D trong quy trình tạo mẫu nhanh, giảm chi phí và thời gian gia công, nâng cao hiệu quả sản xuất.

  4. Các trung tâm đào tạo kỹ thuật và công nghệ: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy và hướng dẫn thực hành cho học viên, giúp nâng cao chất lượng đào tạo và cập nhật công nghệ mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy in 3D dạng Cartesian có ưu điểm gì so với các loại khác?
    Máy in 3D dạng Cartesian có kết cấu đơn giản, dễ lắp ráp và bảo trì, chi phí thấp, phù hợp với người mới bắt đầu và các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao. Ví dụ, trong luận văn, máy in dạng Cartesian được chọn vì tính ổn định và dễ hiệu chỉnh.

  2. Tại sao chọn động cơ bước thay vì động cơ servo cho máy in 3D?
    Động cơ bước có chi phí thấp, điều khiển đơn giản không cần phản hồi, phù hợp với các hệ thống điều khiển vòng hở như máy in 3D giá rẻ. Động cơ servo tuy có ưu điểm về momen và độ chính xác nhưng chi phí cao và phức tạp hơn.

  3. Phần mềm nào được sử dụng để điều khiển máy in 3D trong nghiên cứu?
    Phần mềm Ultimaker Cura 4.6 được sử dụng để cắt lớp và tạo đường chạy cho máy in, kết hợp với firmware Marlin trên Arduino Mega 2560 để điều khiển phần cứng.

  4. Ứng dụng của máy in 3D trong ngành đúc là gì?
    Máy in 3D được dùng để tạo mẫu vật đúc nhanh, giúp giảm thời gian và chi phí gia công mẫu truyền thống, đồng thời nâng cao độ chính xác và chất lượng sản phẩm đúc.

  5. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác khi in 3D?
    Độ chính xác được đảm bảo thông qua thiết kế cơ khí chính xác, lựa chọn động cơ phù hợp, điều chỉnh phần mềm cắt lớp với độ dày lớp in nhỏ, và sử dụng hệ thống điều khiển ổn định. Ví dụ, trong luận văn, trục Z sử dụng truyền động vít me – đai ốc để tăng độ chính xác chiều cao lớp in.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công máy in 3D dạng Cartesian với kích thước khổ in 200x200x200 mm, tốc độ in 50-70 mm/s, đáp ứng yêu cầu về độ chính xác và ổn định.
  • Lựa chọn động cơ bước NEMA 17 và hệ thống điều khiển Arduino Mega 2560 kết hợp driver A4988 đảm bảo khả năng vận hành hiệu quả và chi phí hợp lý.
  • Ứng dụng máy in 3D trong tạo mẫu nhanh cho phương pháp đúc khuôn cát đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả thực tiễn.
  • Đề xuất nâng cấp hệ thống điều khiển, mở rộng vật liệu in, phát triển phần mềm và đào tạo chuyển giao công nghệ để nâng cao hiệu quả và ứng dụng rộng rãi hơn.
  • Các bước tiếp theo bao gồm hoàn thiện phần mềm điều khiển, thử nghiệm vật liệu mới và tổ chức đào tạo kỹ thuật, nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ in 3D trong nghiên cứu và sản xuất.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm dựa trên kết quả nghiên cứu này để góp phần nâng cao năng lực công nghệ trong nước.