CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU 1. Tính cấp thiết của đề tài - Góp phần tạo ra máy in 3D vật liệu lỏng đầu tiên tại Việt Nam với chi phí thấp. - Đáp ứng hài lòng các nhu cầu của người dân trong thời đại 4.0 - Là giải pháp tối ưu hóa tốt nhất so với các máy khác trên thị trường 1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài có những ý nghĩa khoa học và thực tiễn: - Thiết kế mẫu máy in 3D với chất lượng mẫu in tốt phục vụ cho công việc nghiên cứu và giảng dạy trên trường lớp.
- Phát triển chất lượng về mẫu in, kết cấu máy so với những dòng máy in 3D truyền thống trên thị trường từ nhưng vẫn phải đảm bảo về mức giá hợp lý. Mục tiêu nghiên cứu - Đề tài nhằm mục đích nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in 3D sử dụng công nghệ in DLP, thay đổi một số thiết kế so với một số dòng máy in 3D truyền thống, nâng cao chất lượng mẫu in, tốc độ mẫu in. - Hiểu rõ về công nghệ in 3D vật liệu lỏng. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.
Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu, thiết kế nhằm chế tạo ra máy in 3D công nghệ DLP. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài như sau: - Nghiên cứu tổng quan về công nghệ in 3D. - Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu truyền động của máy. Cơ sở phương pháp luận Từ cơ cở các tài liệu, các nghiên cứu, đề tài đi trước, các mẫu máy có trên thị trường để phân tích những ưu điểm cũng như những nhược điểm của các dòng máy có trước từ đó lựa chọn thiết kế được mẫu máy tốt hơn.
Phương pháp nghiên cứu 3 Luan van Nghiên cứu lý thuyết: - Tìm kiếm, tổng hợp các tài liệu liên quan đến đề tài. - Nghiên cứu về lý thuyết tạo mẫu nhanh với công nghệ DLP. - Tổng hợp tài liệu tính toán, thiết kế cơ cấu truyền động đảm bảo độ chính xác, tối ưu hóa chuyển động. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ IN 3D VẬT LIỆU LỎNG (DLP) 2.1 Giới thiệu về công nghệ 4 Luan van Công nghệ in 3D hay công nghệ tạo mẫu nhanh là cách thức để thực hiện việc in 3D, hay cách thức để máy in 3D hoạt động.
Ngày nay công nghệ in 3D phát triển rất đa dạng, với mỗi sản phẩm 3D có thể được in ra với nhiều loại vật liệu khác nhau, vật liệu dạng khối, dạng lỏng, dạng bột bụi. Với mỗi loại vật liệu cũng có nhiều phương thức để in như sử dụng tia laser, dụng cụ cắt, đùn ép nhựa … Cách thức in thì có in từ dưới lên, in từ đỉnh xuống. Công nghệ Resin là tên gọi chung của một loạt công nghệ in 3D dựa trên loại mực in 3D resin lỏng. Gồm có, công nghệ SLA, DLP và IN 3D liên tục.
- Ưu điểm: Công nghệ in3D RESIN cho ra sản phẩm có độ mịn cao nhất. - Nhược điểm: Quy trình in resin phức tạp, chỉ nên dùng để in các mẫu bé và tinh xảo. - Ứng dụng: Tạo mẫu 3D đồ trang sức, nha khoa, mô hình minature. Công nghệ in 3D DLP – Công nghệ in 3D Digital Light Processing là một công nghệ in 3D gần giống SLA (Stereolithography), cùng sử dụng chất liệu nhựa Photopolymer.
Điểm khác biệt lớn nhất của công nghệ in 3D này là nguồn sáng. DLP sử dụng đèn hồ quang, có khả năng quét qua toàn bộ khay vật liệu trong một lần quét.1 Công nghệ in 3D DLP Đặc điểm kỹ thuật: - Tốc độ in nhanh hơn SLA. 5 Luan van - Sản xuất những chi tiết chính xác với độ phân giải chất lượng cao. - Yêu cầu tương tự SLA về hệ thống support và xử lý hậu kỳ in 3D 2.2 Quy trình in Bồn nguyên liệu Photopolymer được tiếp xúc với ánh sáng từ máy chiếu của máy in DLP.
Máy chiếu DLP chiếu hình ảnh của mô hình 3D CAD lên nguyên liệu polymer lỏng theo dạng cắt lớp. Nguyên liệu polymer lỏng đông cứng lại, bàn vật liệu hạ xuống (hoặc bàn in được nâng lên), sau đó lớp nhựa tiếp theo được tiếp xúc với ánh sáng. Quá trình lặp lại cho đến khi đối tượng in 3D được hoàn thành và bồn in hết nguyên liệu, để lộ ra sản phẩm in hoàn thiện. DLP thay vì sữ dụng một đầu phát laser và chỉ có thể đông kết tại 1 điểm trên bàn in thì nó dùng 1 màn hình máy chiếu kỹ thuật số, các pixel trên màn hình ấy đóng vai trò là 1 đầu phát ánh sáng chỉ có 2 trạng thái là tắt và mở (0 và 1), vì thế với màn hình này hoàn toàn có thể in ra cả 1 lớp Resin 6 Luan van Hình 2.2 Công nghệ DLP, ánh sáng kết tinh được chiếu từ máy chiếu bên dưới làm Resin liên tục kết tinh.3 Ứng dụng của công nghệ : - Tạo mẫu sản phẩm cho đúc chân không và các công nghệ tạo sản phẩm mẫu sản lượng ít khác.
- Sản phẩm mẫu thử nghiệm vận hành. - Sản xuất với số lượng thấp/phiên bản hạn chế số lượng, đặc biệt là với sản phẩm có hình học phức tạp. - Sản phẩm mẫu cho các buổi chụp ảnh và thử nghiệm trên thị trường. - Nha khoa/ Kim hoàn/ Nghệ thuật và các ngành khác yêu cầu độ chi tiết cao và sản phẩm hoàn thiện.
7 Luan van Hình 2.3 Một số mẫu in 2.4 Một số công nghệ in 3D vật liệu lỏng 2. 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.
8 Luan van Hình 2. Sơ đồ nguyên lý mấu 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. 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.5 Giới thiệu một số máy in 3D Máy Prusa i3 Hình 2.5 Máy in 3D prusa I3 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. 10 Luan van Hình 2.6 Máy in 3D Delta Kossel Bảng 2.1 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. 11 Luan van Hình 2.7 Máy in 3D Ember Độ phân giải trục XY 50 micron Độ phân giải trục Z 10-100 micron Không gian in 60x40x134 mm Tốc độ in 18mm/h Loại nhựa Acrylate photosensitive resin Kích thước máy 325 x 340 x 434 mm Giá thành 7495 USD bao gồm nhựa lỏng Bảng 2.2: 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 nghiên cứu. 12 Luan van CHƯƠNG 3 : CƠ LÝ THUYẾT 3.
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.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 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 13 Luan van in bằng các máy in 3D sẵn có. Phần điện của máy in 3D có thể chi 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.