Nghiên Cứu, Thiết Kế và Chế Tạo Máy In 3D FDM Đa Màu Sắc Không Cần In Support

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế chế tạo máy in 3d fdm sáu đầu kết hợp in năm trục tạo mẫu in đa màu, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài

• Tác giả: Phạm Xuân Hòa
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quốc Chí
• Trường học: Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu và Chế Tạo Máy In 3D FDM Đa Màu Sắc Không Cần In Support
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Tp Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về máy in 3D
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. In 3D nhiều trục
• 1.4. Tại sao lại sử dụng công nghệ FDM
• 1.5. Mục tiêu của đề tài
• 1.6. Thông số kỹ thuật máy in 3D cần thiết kế
• 1.7. Tổ chức của đồ án
• 2. CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU - NGHIÊN CỨU - LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
• 2.1. Ý tưởng về cơ cấu thay đầu in
• 2.2. Máy in 3D Original Prusa MMUS2
• 2.3. BIQU Hermit Crab Quick Extruder Toolchanger
• 2.4. Ý tưởng về phương pháp in nhiều trục
• 2.5. Máy phay CNC 5 trục
• 2.6. Impressive 4-Axis Non-Planar 3D Printing
• 2.7. Phương án thiết kế
• 2.8. Phương án thiết kế cho cơ cấu đổi đầu in
• 2.9. Phương án thiết kế cho cơ cấu bàn xoay
• 2.10. Phương án thiết kế cho bộ đẩy nhựa
• 2.11. Lựa chọn hệ thống truyền động cho máy in
• 2.12. Lựa chọn các phương án thiết kế bộ truyền động
• 2.13. Lựa chọn động cơ
• 2.14. Lựa chọn driver
• 2.15. Lựa chọn bộ truyền động
• 2.16. Lựa chọn thanh dẫn hướng
• 2.17. Lựa chọn vitme đai ốc cho trục Z
• 2.18. Lựa chọn board mạch điều khiển
• 2.19. Board mạch BIGTREETECH GTR
• 2.20. Board mạch BIGTREETECH Octopus
• 2.21. Lựa chọn board mạch
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ CƠ KHÍ
• 3.1. Tính toán các phương án thiết kế bộ truyền động
• 3.2. Thiết kế hệ thống truyền động cho trục X
• 3.3. Thiết kế hệ thống truyền động cho trục Y
• 3.4. Thiết kế hệ thống truyền động cho trục Z
• 3.5. Tính toán thiết kế cụm xoay U – V cho in không đồng phẳng
• 3.6. Nguyên lý hoạt động
• 3.7. Tính toán thiết kế cho trục xoay U
• 3.8. Tính toán thiết kế trục V
• 3.9. Kiểm nghiệm ứng suất và chuyển vị của các chi tiết trong cơ cấu
• 3.10. Thiết kế cơ cấu thay đầu in
• 3.11. Khối đầu in
• 3.12. Cơ cấu gắp khóa khối đầu in
• 3.13. Nguyên lý thay đầu in
• 3.14. Thiết kế bộ đùn nhựa gián tiếp
• 3.15. Thông số đầu vào
• 3.16. Cấu tạo bộ đùn nhựa
• 3.17. Nguyên lý hoạt động
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
• 4.1. Driver điều khiển động cơ
• 4.2. Cảm biến nhiệt độ
• 4.3. Điện trở gia nhiệt
• 4.4. Công tắc hành trình
• 4.5. Màn hình LCD
• 4.6. Mạch điều khiển
• 4.7. Lựa chọn bộ nguồn
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
• 5.1. Nguyên lý hoạt động của máy
• 5.2. Lựa chọn Firmware
• 5.3. Lựa chọn Firmware cho máy in 3D
• 5.4. Phần mềm tạo mẫu 3D
• 5.5. Lựa chọn phần mềm cắt lát xuất Gcode
• 5.6. Ultimaker Cura slicer
• 5.7. Phần mềm Rhino Grasshoper
• 5.8. Lựa chọn phần mềm
• 5.9. Thiết lập Firmware cho mạch điều khiển
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ
• 6.1. Kết quả thực hiện
• 6.2. Kết quả thực tế
• 6.3. Phần cơ khí máy in 3D
• 6.4. Đánh giá mẫu in 3D
• 6.5. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về máy in 3D FDM và công nghệ in 3D đa màu sắc

Máy in 3D FDM (Fused Deposition Modeling) là một công nghệ sản xuất bồi đắp, cho phép tạo ra các sản phẩm ba chiều bằng cách đắp chồng các lớp vật liệu nhựa. Công nghệ này đã phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế, giáo dục, và sản xuất. Việc chế tạo máy in 3D FDM đa màu sắc không cần in support giúp giảm thiểu thời gian và chi phí sản xuất, đồng thời nâng cao tính thẩm mỹ cho sản phẩm. Sự kết hợp giữa công nghệ in 3D và khả năng tạo ra các mẫu in đa màu sắc mở ra nhiều cơ hội mới cho các nhà thiết kế và kỹ sư.

1.1. Nguyên lý hoạt động của máy in 3D FDM

Máy in 3D FDM hoạt động dựa trên nguyên lý đùn nhựa nóng chảy qua đầu phun. Vật liệu nhựa được nạp vào máy, sau đó được làm nóng và đùn ra theo các lớp. Quá trình này diễn ra liên tục cho đến khi hoàn thành sản phẩm. Công nghệ này cho phép tạo ra các hình dạng phức tạp mà không cần sử dụng các lớp hỗ trợ, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.

1.2. Lợi ích của công nghệ in 3D đa màu sắc

Công nghệ in 3D đa màu sắc mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng tạo ra các sản phẩm với màu sắc phong phú và chi tiết hơn. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian trong việc hoàn thiện sản phẩm mà còn nâng cao giá trị thẩm mỹ. Các ứng dụng trong y tế, giáo dục và nghệ thuật đều được hưởng lợi từ công nghệ này.

II. Vấn đề và thách thức trong việc chế tạo máy in 3D FDM đa màu sắc

Mặc dù công nghệ in 3D FDM đa màu sắc mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong quá trình chế tạo. Việc đảm bảo độ chính xác và chất lượng của sản phẩm in là một trong những vấn đề lớn nhất. Ngoài ra, việc tối ưu hóa quy trình in để giảm thiểu thời gian và chi phí cũng là một thách thức không nhỏ. Các nhà nghiên cứu cần tìm ra giải pháp để khắc phục những vấn đề này.

2.1. Độ chính xác và chất lượng sản phẩm in

Độ chính xác trong quá trình in 3D là yếu tố quyết định đến chất lượng sản phẩm. Việc điều chỉnh các thông số như tốc độ in, nhiệt độ và độ dày lớp in là rất quan trọng để đảm bảo sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật.

2.2. Chi phí và thời gian sản xuất

Chi phí sản xuất và thời gian in là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế của công nghệ in 3D. Việc tối ưu hóa quy trình in và lựa chọn vật liệu phù hợp có thể giúp giảm thiểu chi phí và thời gian sản xuất.

III. Phương pháp chế tạo máy in 3D FDM đa màu sắc không cần in support

Để chế tạo máy in 3D FDM đa màu sắc không cần in support, cần áp dụng các phương pháp kỹ thuật tiên tiến. Việc thiết kế cơ cấu thay đầu in và cơ cấu in 5 trục là rất quan trọng. Các giải pháp này giúp máy in có khả năng in các chi tiết phức tạp mà không cần sử dụng lớp hỗ trợ, từ đó nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

3.1. Thiết kế cơ cấu thay đầu in

Cơ cấu thay đầu in là một phần quan trọng trong máy in 3D FDM đa màu sắc. Việc thiết kế cơ cấu này cần đảm bảo tính linh hoạt và độ chính xác cao để có thể thay đổi đầu in một cách dễ dàng và nhanh chóng.

3.2. Ứng dụng công nghệ in 5 trục

Công nghệ in 5 trục cho phép máy in 3D in được những chi tiết phức tạp mà không cần phải in lớp hỗ trợ. Điều này giúp giảm thiểu thời gian xử lý hậu kỳ và nâng cao chất lượng sản phẩm in.

IV. Ứng dụng thực tiễn của máy in 3D FDM đa màu sắc

Máy in 3D FDM đa màu sắc không cần in support đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong y tế, công nghệ này giúp tạo ra các mô hình giải phẫu chính xác, hỗ trợ cho việc lập kế hoạch phẫu thuật. Trong ngành công nghiệp, máy in 3D được sử dụng để tạo ra các nguyên mẫu sản phẩm nhanh chóng và hiệu quả. Ngoài ra, công nghệ này cũng được ứng dụng trong nghệ thuật và thiết kế.

4.1. Ứng dụng trong y tế

Trong lĩnh vực y tế, máy in 3D FDM đa màu sắc giúp tạo ra các mô hình giải phẫu chính xác, hỗ trợ bác sĩ trong việc lập kế hoạch phẫu thuật và giáo dục bệnh nhân.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp

Máy in 3D FDM được sử dụng để tạo ra các nguyên mẫu sản phẩm nhanh chóng, giúp các công ty tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình phát triển sản phẩm.

V. Kết luận và tương lai của máy in 3D FDM đa màu sắc

Máy in 3D FDM đa màu sắc không cần in support đang mở ra nhiều cơ hội mới cho các ngành công nghiệp và lĩnh vực khác nhau. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, tương lai của máy in 3D hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá mới. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ này sẽ tiếp tục được đẩy mạnh để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ in 3D

Công nghệ in 3D đang phát triển nhanh chóng với nhiều cải tiến về chất lượng và hiệu suất. Các nghiên cứu mới sẽ giúp nâng cao khả năng in 3D đa màu sắc và giảm thiểu chi phí sản xuất.

5.2. Tác động đến các ngành công nghiệp

Máy in 3D FDM đa màu sắc sẽ tiếp tục có tác động lớn đến các ngành công nghiệp như y tế, sản xuất và nghệ thuật, mở ra nhiều cơ hội mới cho sự sáng tạo và đổi mới.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công nghệ in 3D (sản xuất bồi đắp) ngày càng khẳng định vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và đời sống như y tế, sản xuất chế tạo, ô tô, hàng không vũ trụ và giáo dục. Tuy nhiên, các dòng máy in 3D FDM (Fused Deposition Modeling) 3 trục truyền thống hoạt động theo nguyên lý phân lớp đồng phẳng (2.5D), trong đó chuyển động in chỉ diễn ra trên mặt phẳng XY và nâng dần theo trục Z. Nguyên lý này bộc lộ các hạn chế kỹ thuật:

• Bề mặt chi tiết xuất hiện hiệu ứng bậc thang giữa các lớp (stair-stepping effect), làm giảm độ nhẵn mịn và độ chính xác hình học.
• Khi tạo hình các chi tiết có độ vươn, góc nghiêng lớn, bề mặt cong vênh hoặc phần nhô lơ lửng, máy bắt buộc phải tạo cấu trúc giá đỡ (support). Quá trình này làm gia tăng thời gian in, tiêu hao vật liệu nhựa và đòi hỏi công đoạn bóc tách thủ công sau in, dễ làm tổn hại bề mặt sản phẩm.
• Việc in các mô hình đa màu sắc thường gặp khó khăn do cơ cấu chuyển đổi vật liệu dễ tắc nghẽn, xả bỏ nhiều nhựa thừa hoặc làm tăng tải trọng cụm đầu in.

Để khắc phục các nhược điểm trên, đề tài tốt nghiệp kỹ sư ngành Kỹ thuật Cơ điện tử tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh do sinh viên Dương Nhật Trường (MSSV: 1915717) và Phạm Xuân Hòa (MSSV: 1911216) thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Quốc Chí (thời gian thực hiện từ 05/06/2023 đến 15/09/2023) đã tập trung giải quyết bài toán tích hợp công nghệ in 5 trục và cơ cấu thay thế nhiều đầu in độc lập.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

1. Tổng quan các giải pháp máy in 3D đa đầu in, công nghệ in 3D 5 trục và ứng dụng tạo mẫu đa màu không cần vật liệu đỡ.
2. Phân tích, so sánh và lựa chọn phương án tối ưu cho cơ cấu thay 6 đầu in tự động, cơ cấu bàn xoay 2 trục (U-V) và hệ thống cấp phôi nhựa.
3. Tính toán, thiết kế chi tiết hệ thống cơ khí, hệ thống truyền động và kiểm nghiệm bền kết cấu.
4. Lựa chọn, thiết kế hệ thống điện – điện tử, bo mạch điều khiển công suất và các cảm biến.
5. Xây dựng giải thuật cắt lát không đồng phẳng (non-planar slicing), tính toán động học máy 5 trục, cấu hình firmware và thiết lập phần mềm điều khiển xuất mã lệnh G-code.
6. Gia công, lắp ráp hoàn thiện máy in 3D thực tế và tiến hành in thực nghiệm đánh giá mẫu in.

Phạm vi và thông số kỹ thuật thiết kế của hệ thống:

• Không gian làm việc tổng thể: 550 x 670 x 250 mm.
• Kích thước mẫu in tối đa: 180 x 180 x 150 mm.
• Số lượng đầu in: 6 đầu in độc lập (công nghệ FDM).
• Tốc độ in: 20 – 80 mm/s.
• Chiều cao lớp in (Layer height): 0.4 mm; Độ chính xác vị trí: 0.2 mm.
• Nhiệt độ gia nhiệt đầu đùn tối đa: 240°C; Vật liệu in sử dụng: Nhựa PLA nhiều màu sắc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp cơ sở lý thuyết về động học máy nhiều trục, lý thuyết truyền động cơ khí, công nghệ bồi đắp vật liệu FDM và giải thuật hình học tính toán trong gia công phi đồng phẳng.

Các phương pháp nghiên cứu được triển khai:

• Phương pháp phân tích – tổng hợp và đánh giá ma trận SWOT: Khảo sát các giải pháp công nghệ hiện hữu (Prusa MMU2S, E3D Toolchanger, BIQU Hermit Crab, máy phay CNC 5 trục, máy in 5AxisMaker, hệ thống 4-axis non-planar RotBot) để xác định điểm mạnh, điểm yếu và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.
• Phương pháp thiết kế và tính toán cơ khí: Sử dụng phần mềm CAD/CAE SolidWorks để dựng mô hình 3D, tính toán chọn động cơ bước, bộ truyền đai răng, vitme bi, thanh dẫn hướng con trượt và kiểm nghiệm ứng suất - chuyển vị theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEA).
• Phương pháp chuyển đổi động học và thuật toán cắt lớp: Ứng dụng công cụ lập trình thuật toán Rhino kết hợp Grasshopper để xử lý lưới bề mặt 3D, thiết lập thuật toán cắt lớp không đồng phẳng, tính toán ma trận chuyển đổi tọa độ I, J, K sang các góc quay trục U, V và dịch chuyển tuyến tính X, Y, Z, bù trừ sai số hình học của các trục quay.
• Phương pháp thực nghiệm chế tạo và tích hợp hệ thống: Gia công cơ khí chính xác, lắp ráp hệ thống khung nhôm định hình, đấu nối mạch điện công suất, nạp firmware điều khiển và kiểm nghiệm in thực tế các mẫu đa màu phức tạp.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy in 3D 6 đầu kết hợp in 5 trục được tích hợp toàn diện giữa phần cứng cơ khí, mạch điện tử điều khiển và bộ giải thuật phần mềm chuyên biệt:

Phân hệ	Cấu hình và thông số kỹ thuật được lựa chọn	Vai trò và đặc tính kỹ thuật
Cơ cấu truyền động chính	Dạng Cartesian XY, trục Z nâng bàn bằng 2 trục vitme đai ốc, trục X-Y dẫn động bằng đai răng GT2.	Giảm khối lượng cụm đầu in di động, tăng độ ổn định động học và tạo không gian gá đặt 6 đầu in.
Cơ cấu đổi đầu in	Cơ cấu gá khóa cơ khí kết hợp chốt bi định vị lò xo và lực hút nam châm.	Không cần động cơ riêng gắn trên cụm đầu in, giảm quán tính di chuyển, khóa giữ chắc chắn và lặp lại chính xác.
Cơ cấu bàn xoay 5 trục	Bàn xoay 2 bậc tự do U và V dẫn động bằng động cơ bước qua bộ truyền đai và gối đỡ ổ bi SKF.	Định hướng góc nghiêng mẫu in linh hoạt, cho phép đầu đùn vuông góc với bề mặt cong để in không cần support.
Bộ đẩy nhựa gián tiếp	Cụm đùn Bowden 2 trục động cơ (Nema 42HS02), bánh răng đùn MK8 (24 răng), ống dẫn Teflon PTFE.	Dẫn 6 luồng sợi nhựa PLA độc lập về 6 đầu in mà không làm tăng tải trọng cụm di trượt.
Hệ thống điều khiển điện tử	Bo mạch chính Bigtreetech GTR V1.0 kết hợp bo mở rộng M5 V1.0, vi điều khiển 32-bit.	Cung cấp đủ cổng điều khiển công suất cho 11 động cơ bước, 6 điện trở gia nhiệt và cảm biến nhiệt NTC.
Mạch điều khiển động cơ	Driver động cơ bước TMC2208 (hỗ trợ vi bước lên đến 256 microsteps).	Vận hành êm, giảm rung chấn, dải điện áp hỗ trợ lên tới 36VDC, tích hợp tản nhiệt công suất.
Nguồn cấp và cảm biến	Nguồn tổ ong Meanwell NES-350-24 (24V - 350W), công tắc hành trình cơ đòn bẩy và công tắc quang chữ U.	Đảm bảo công suất gia nhiệt liên tục, ổn định điện áp và xác định vị trí gốc tọa độ chính xác.
Bộ phần mềm & Firmware	Firmware Marlin/Klipper, giải thuật Grasshopper/Rhino, phần mềm giao tiếp Pronterface.	Tự động hóa quá trình cắt lớp phi đồng phẳng, xuất mã lệnh G-code và điều khiển quy trình in.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này phân tích tổng quan về công nghệ sản xuất bồi đắp FDM và các công nghệ in 3D liên quan (SLA, SLS, DMLS, LDM). Nội dung tập trung làm rõ tính cấp thiết của việc nghiên cứu in 3D đa màu sắc kết hợp công nghệ in nhiều trục nhằm nâng cao tính thẩm mỹ, phục vụ tạo mẫu giải phẫu y tế, đạo cụ điện ảnh và chế tạo kỹ thuật mà không cần xử lý bóc tách support. Tác giả xây dựng bảng phân tích SWOT, xác định mục tiêu thiết kế máy in FDM 6 đầu in, kích thước mẫu in tối đa 180x180x150 mm, tốc độ 20–80 mm/s, layer 0.4 mm, độ chính xác 0.2 mm và nhiệt độ đùn tối đa 240°C.

Chương 2: Tìm hiểu - Nghiên cứu - Lựa chọn phương án

Chương 2 khảo sát các giải pháp công nghệ trên thị trường: cơ cấu đùn Prusa MMU2S, máy in E3D Toolchanger (4 đầu, tốc độ 0-200 mm/s), bộ kẹp BIQU Hermit Crab, máy phay CNC 5 trục và máy in 5AxisMaker (không gian 400x400x400 mm). Qua phân tích ưu nhược điểm, tác giả đưa ra các quyết định thiết kế:

• Chọn cơ cấu thay đầu in cơ học dùng chốt bi lò xo và nam châm định vị thay vì dùng động cơ servo/bước gắn trên đầu in nhằm tối ưu khối lượng.
• Chọn cơ cấu bàn xoay 2 trục UV sử dụng 2 động cơ bước thay vì cơ cấu phân nhánh Robot Delta phức tạp.
• Chọn bộ đẩy nhựa gián tiếp (Bowden) điều khiển 6 cuộn nhựa bằng 2 động cơ để chống rối sợi và làm nhẹ đầu in.
• Chọn hệ thống truyền động Cartesian XY thay vì Cartesian XZ hay Delta.
• Chọn động cơ bước Nema 17 kết hợp driver TMC2208 (256 vi bước) và bộ truyền đai răng GT2 kết hợp ray dẫn hướng MGN để tối ưu chi phí và độ êm khi chuyển động.
• Chọn bo mạch điều khiển Bigtreetech GTR V1.0 kết hợp bo mở rộng M5 V1.0.

Chương 3: Tính toán - Thiết kế cơ khí

Chương 3 trình bày chi tiết việc tính toán động học và động lực học cho các cụm cơ khí:

• Thiết kế hệ thống truyền động trục X, Y dùng đai răng GT2, động cơ Nema 17 (mã 17HS4417), ray trượt và con trượt MGN.
• Thiết kế cụm nâng hạ trục Z dùng động cơ Nema 17 (mã 17HS16-2004S1), trục vitme đai ốc bi và con trượt tròn LMF theo phương pháp gá đặt cố định.
• Tính toán thiết kế cụm bàn xoay UV: trục U sử dụng động cơ 17HS4417, trục V sử dụng động cơ 17HS6002-N27BA, gối đỡ vòng bi SKF; phân tích biểu đồ phân bố lực và mômen xoắn tác động lên các trục xoay.
• Kiểm nghiệm ứng suất von Mises và chuyển vị đàn hồi của các chi tiết giá đỡ bàn xoay trên phần mềm SolidWorks FEA, đảm bảo kết cấu nằm trong giới hạn bền cho phép.
• Thiết kế cụm thay 6 khối đầu in J-head E3D, cụm ngàm kẹp cơ khí, vít bi lò xo và chốt định vị.
• Thiết kế bộ đùn nhựa gián tiếp gồm 6 cổng cấp phôi nhựa, bánh răng kéo MK8 24 răng và ống dẫn Teflon chịu nhiệt.

Chương 4: Thiết kế điện - điện tử

Chương này tính toán công suất, lựa chọn và xây dựng sơ đồ đấu nối toàn diện cho hệ thống điện:

• Driver TMC2208 cấu hình dòng điện cấp và vi bước.
• Cảm biến nhiệt trở NTC đo nhiệt độ đầu nung, điện trở nhiệt công suất cao duy trì nhiệt độ đến 240°C.
• Hệ thống công tắc hành trình dạng đòn bẩy cơ khí và công tắc quang chữ U định vị điểm Home cho các trục X, Y, Z, U, V.
• Màn hình hiển thị cảm ứng Bigtreetech TFT kết nối bo mạch chủ.
• Bo mạch Bigtreetech GTR V1.0 kết hợp bo mạch phụ Bigtreetech M5 V1.0 đáp ứng đủ số lượng kênh điều khiển cho 11 động cơ bước (3 trục tịnh tiến, 2 trục quay, 6 cổng đùn/chọn sợi nhựa) và các mạch cấp nhiệt độc lập.
• Bộ nguồn cấp Meanwell NES-350-24 công suất 350W (24VDC), hệ thống quạt tản nhiệt khối tản nhiệt và quạt ly tâm thổi làm nguội nhựa.

Chương 5: Thiết kế bộ điều khiển

Chương 5 tập trung vào giải thuật phần mềm và điều khiển chuyển động:

• Cấu hình Firmware (Marlin/Klipper) tương thích với cấu trúc máy in 5 trục và cơ cấu macro tự động gọi/trả 6 đầu in.
• Xây dựng giải thuật cắt lớp đồng phẳng và không đồng phẳng trên nền tảng Rhino và Grasshopper: chia lưới mô hình 3D, tính toán véc-tơ pháp tuyến bề mặt để điều chỉnh góc nghiêng bàn in UV đồng bộ với chuyển động XYZ.
• Xử lý bài toán biến đổi động học thuận và động học ngược (Kinematics) từ hệ tọa độ I, J, K sang các trục điều khiển của máy, tự động bù trừ sai số hình học của các trục quay A/C.
• Mô phỏng đường chạy dao (toolpath simulation) trên môi trường ảo trước khi xuất tập lệnh G-code.
• Sử dụng phần mềm Pronterface để truyền nhận tập lệnh G-code, giám sát nhiệt độ và quy trình vận hành in.

Chương 6: Kết luận và đánh giá

Chương cuối trình bày kết quả chế tạo thực tế của hệ thống máy in 3D:

• Lắp ráp hoàn chỉnh hệ khung cơ khí máy in, cụm bàn xoay UV, bộ 6 đầu in và tủ điện điều khiển.
• Tiến hành thực nghiệm in kiểm chứng qua 4 nhóm mẫu: mẫu in 3D 3 trục thông thường, mẫu in 5 trục biên dạng đơn giản, mẫu in 5 trục kết hợp đa màu đơn giản, và mẫu in 5 trục kết hợp đa màu phức tạp có độ nghiêng/cong vòm mà hoàn toàn không cần cấu trúc support.
• Đánh giá chất lượng bề mặt, độ bám dính giữa các lớp và thời gian in thực tế.

Kết quả và đóng góp

Đề tài đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế và chế tạo máy in 3D thực nghiệm với các kết quả cụ thể:

1. Kết quả chế tạo phần cứng:

   • Chế tạo hoàn chỉnh máy in 3D FDM 5 trục với kích thước vùng làm việc đạt 550 x 670 x 250 mm, in được mẫu kích thước tối đa 180 x 180 x 150 mm.
   • Hiện thực hóa thành công cơ cấu thay 6 đầu in độc lập bằng cơ cấu khóa cơ khí kết hợp chốt bi lò xo và nam châm định vị, giúp giảm tải trọng di chuyển của cụm đầu in.
   • Vận hành ổn định cụm bàn xoay 2 trục U-V kết hợp 3 trục tịnh tiến X-Y-Z bằng động cơ bước Nema 17 và driver vi bước TMC2208, bàn in xoay mượt mà và có độ cứng vững cao.
   • Xây dựng hệ thống điện điều khiển hợp bộ sử dụng cặp bo mạch Bigtreetech GTR V1.0 và M5 V1.0 cùng bộ nguồn Meanwell 24V 350W.

2. Kết quả thuật toán và phần mềm:

   • Phát triển hoàn chỉnh quy trình cắt lớp không đồng phẳng (non-planar slicing) và xuất G-code chuyên dụng bằng công cụ Rhino/Grasshopper.
   • Giải quyết bài toán động học nghịch 5 trục và thuật toán tự động bù sai số tọa độ khi bàn in nghiêng góc.
   • Thiết lập các tập lệnh macro điều khiển trơn tru quy trình chuyển đổi giữa 6 đầu in đa màu sắc trong quá trình in liên tục.

3. Đóng góp kỹ thuật:

   • Tích hợp đồng thời hai công nghệ phức tạp trên cùng một máy FDM: công nghệ thay nhiều đầu in đa màu (6 đầu) và công nghệ in không đồng phẳng 5 trục.
   • Loại bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc vào vật liệu đỡ (support) đối với các chi tiết có góc nhô lớn hoặc bề mặt cong uốn lượn, giúp tiết kiệm vật liệu PLA, giảm thời gian in và loại bỏ công đoạn xử lý nguội bề mặt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi nghiên cứu và các đánh giá thực nghiệm của tác giả trong đồ án, hệ thống còn một số điểm hạn chế cần tiếp tục hoàn thiện:

• Bàn xoay 2 trục U-V khi hoạt động với mẫu in kích thước lớn hoặc tốc độ cao có thể phát sinh mômen quán tính lớn, tiềm ẩn nguy cơ rung lắc hoặc sai số tích lũy nếu không được kiểm soát gia tốc chặt chẽ.
• Phần mềm cắt lát hiện tại được xây dựng dưới dạng các khối thuật toán trên Rhino/Grasshopper, đòi hỏi người vận hành phải có kiến thức chuyên sâu về công cụ này; chưa phát triển thành một phần mềm cắt lát độc lập có giao diện người dùng đơn giản như Cura hay PrusaSlicer.
• Cơ cấu thay đầu in dạng cơ khí cần được bảo dưỡng định kỳ và kiểm tra độ mòn của chốt bi lò xo sau thời gian dài hoạt động để duy trì độ lặp lại vị trí chính xác (0.2 mm).

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Tối ưu hóa thuật toán cắt lớp và đóng gói thành phần mềm Slicer chuyên dụng có giao diện thân thiện, tự động nhận diện góc nghiêng tối ưu để phân lớp in.
• Bổ sung thuật toán điều khiển bù trừ gia tốc và chống rung động chủ động cho cụm bàn xoay 2 trục khi in các mẫu có khối lượng phân bố không đều.
• Nghiên cứu mở rộng khả năng in kết hợp nhiều loại vật liệu nhựa kỹ thuật khác nhau ngoài PLA (như ABS, PETG, TPU) trên cùng một mẫu in.

Giá trị tham khảo

Bản đồ án tốt nghiệp là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao đối với:

• Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa đang thực hiện các đề tài nghiên cứu về máy công cụ nhiều trục, công nghệ sản xuất bồi đắp (Additive Manufacturing) và hệ thống điều khiển chuyển động.
• Các kỹ sư thiết kế máy in 3D: Có thể tham khảo chi tiết phương pháp tính toán chọn động cơ bước, vitme, đai răng, cấu trúc ngàm thay đầu in cơ học không dùng động cơ phụ, và sơ đồ ghép nối mạch điều khiển Bigtreetech GTR V1.0 + M5 V1.0.
• Các nhà nghiên cứu phần mềm CAD/CAM/Slicer: Phần xây dựng thuật toán cắt lớp không đồng phẳng, ma trận biến đổi động học 5 trục và quy trình xử lý lưới trong Rhino/Grasshopper cung cấp cơ sở toán học và giải thuật rõ ràng để phát triển các bộ sinh mã G-code đa trục.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy in trong đồ án sử dụng nguyên lý nào để in được các chi tiết nhô ra hoặc cong vênh mà không cần in cấu trúc support?
Máy sử dụng cơ cấu bàn xoay 2 bậc tự do (trục U và trục V) kết hợp với 3 trục tịnh tiến XYZ để tạo thành hệ thống in 5 trục. Khi in các bề mặt nghiêng, cong hoặc lơ lửng, bàn in sẽ tự động xoay và nghiêng theo véc-tơ pháp tuyến của bề mặt (được tính toán bởi thuật toán cắt lớp không đồng phẳng trong Rhino/Grasshopper), giúp sợi nhựa được đùn vuông góc lên lớp vật liệu trước đó mà không bị rơi rớt, loại bỏ hoàn toàn nhu cầu in support.

2. Tại sao tác giả lựa chọn cơ cấu khóa đầu in cơ học (chốt bi lò xo + nam châm) thay vì dùng động cơ điều khiển khóa gắp?
Phương án dùng động cơ điều khiển cơ cấu khóa tuy chắc chắn nhưng làm tăng đáng kể khối lượng và kích thước cụm đầu in di động, dẫn đến quán tính lớn khi di chuyển ở tốc độ cao. Cơ cấu cơ học kết hợp chốt bi lò xo và lực hút nam châm giúp cụm đầu in nhỏ gọn, nhẹ, tiết kiệm động cơ cho các trục chuyển động khác mà vẫn đảm bảo độ cứng vững và độ định vị chính xác khi thay đổi 6 đầu in.

3. Bo mạch điều khiển nào được sử dụng và tại sao cần phải kết hợp bo mở rộng?
Đồ án sử dụng bo mạch chính Bigtreetech GTR V1.0 kết hợp với bo mạch mở rộng Bigtreetech M5 V1.0. Sự kết hợp này là bắt buộc vì hệ thống cần điều khiển đồng thời 11 động cơ bước (3 trục X-Y-Z, 2 trục xoay U-V, và 6 cổng đùn/dẫn sợi nhựa cho 6 đầu in) cùng các cảm biến nhiệt và điện trở sấy độc lập, vượt quá số lượng cổng hỗ trợ của các bo mạch máy in 3D thông thường.

4. Phần mềm và giải thuật nào được sử dụng để tạo mã lệnh G-code in 5 trục và in đa màu sắc?
Tác giả sử dụng môi trường Rhino kết hợp Grasshopper để phát triển giải thuật cắt lớp không đồng phẳng chuyên biệt. Giải thuật này thực hiện chia lưới mô hình, tính toán động học nghịch đảo chuyển đổi hệ trục tọa độ I, J, K sang các trục xoay U, V, bù trừ sai số hình học trục quay và chèn các tập lệnh macro thay đầu in tự động trước khi xuất ra danh sách G-code nạp vào máy qua phần mềm Pronterface.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu - Thiết kế - Chế tạo máy in 3D FDM sáu đầu kết hợp in năm trục tạo mẫu in đa màu sắc không cần in support" của sinh viên Dương Nhật Trường và Phạm Xuân Hòa đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế cơ khí, tích hợp hệ thống điều khiển điện tử và xây dựng thuật toán cắt lớp không đồng phẳng cho máy in 5 trục. Hệ thống thực nghiệm chế tạo thành công có khả năng tạo hình các mẫu in phức tạp, đa màu sắc với kích thước lên đến 180x180x150 mm mà không cần in cấu trúc support. Đây là công trình nghiên cứu cơ điện tử ứng dụng có tính thực tiễn cao, đóng góp giải pháp kỹ thuật hữu ích cho lĩnh vực sản xuất bồi đắp và tạo mẫu nhanh trong y tế và công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Các sản phẩm của công nghệ in 3D rất đa dạng, có thể tạo được những hình khối từ đơn giản cho đến phức tạp ứng dụng trong cực kỳ nhiều lĩnh vực khác nhau: y tế, công nghiệp sản xuất chế tạo, ô tô, hàng không vũ trụ, quốc phòng, giáo dục… Sử dụng công nghệ in 3D có thể mang lại rất nhiều lợi ích cho cả cá nhân và doanh nghiệp, tạo ra một cuộc cách mạng khá lớn trong thời đại mới: - Tăng tốc độ sản xuất. - Dễ dàng tiếp cận, ứng dụng. - Tạo ra mẫu có chất lượng cao. - Tiết kiệm thời gian.

- Thiết kế sáng tạo và tự do tùy biến. - Hạn chế rác thải. - Tiết kiệm chi phí… 1. Tính cấp thiết của đề tài: Việc ứng dụng công nghệ in 3D màu cho phép tạo ra các đối tượng đa màu sắc nhanh chóng, chính xác tiết kiệm chi phí ứng dụng trong nhiều lĩnh vực hiện nay.

Tạo ra các đối tượng mang tính thẩm mỹ vượt trội hơn nhiều so với việc tô màu thủ công, giảm thiểu các bước xử lý hậu kỳ và tiết kiệm chi phí cho người dùng. 2 Ứng dụng của công nghệ in 3D đa màu 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN In 3D màu giúp các kỹ sư và nhà thiết kế tiết kiệm tiền bạc và thời gian với các nguyên mẫu trông giống nhau, các nhà làm phim biến các mô hình kỹ thuật số thành đạo cụ, các nhà sản xuất mô hình tạo ra các mô hình thu nhỏ sống động, các chuyên gia y tế tạo ra các mô hình giải phẫu chính xác, v. ❖ Tạo nguyên mẫu nhanh: giúp các công ty biến ý tưởng thành bằng chứng thực tế về khái niệm, nâng cao các khái niệm này thành nguyên mẫu có độ chính xác cao, trông và hoạt động giống như sản phẩm cuối cùng. In 3D đủ màu cũng cho phép nhóm phát triển sản phẩm thử nghiệm các tùy chọn màu khác nhau và tiến hành nghiên cứu với khách hàng trước khi chuyển sang sản xuất.

❖ Ứng dụng trong giải trí phim ảnh: đạo cụ và mô hình in 3D đang làm mờ ranh giới giữa mô hình vật lý và hiệu ứng kỹ thuật số. Các nghệ sĩ tạo ra các mô hình chi tiết, chân thực bằng phần mềm tạo mô hình 3D và sau đó biến chúng thành hiện thực trong vài giờ bằng cách sử dụng tính năng in 3D đa màu sắc. ❖ Ứng dụng trong nghệ thuật – đồ chơi: tạo ra những bước tượng, mô hình với nhiều độ phức tạp và màu sắc khác nhau dùng vào mục đích sưu tầm, trang trí hoặc làm quà tặng. ❖ Mô hình y tế: Trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, bác sĩ X quang, bác sĩ phẫu thuật và chuyên gia y sinh đang ngày càng chuyển sang in 3D để tạo ra các mô hình 3D chính xác về các đặc điểm giải phẫu có thể được sử dụng làm công cụ tham khảo cho việc lập kế hoạch trước phẫu thuật, hình dung trong phẫu thuật và giáo dục.

In 3D cho phép các chuyên gia y tế tạo ra các mô hình phức tạp với các chi tiết phức tạp mà các công nghệ khác không thể sản xuất được. In 3D nhiều trục: Khi gặp những mô hình, chi tiết phức tạp ngoài việc sử dụng nhựa PLA để in support đỡ những cơ cấu phức tạp thì việc kết hợp in đa trục, in không đồng phẳng là khá cần thiết. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Đầu tiên, phải biết rằng hầu như tất cả các quy trình in 3D ngày nay đều là “phẳng”. Phương pháp in 3D tiêu chuẩn thật sự giống in 2,5D hơn.