Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công nghệ in 3D (tạo mẫu nhanh - Rapid Prototyping) là một trong những hướng phát triển quan trọng của kỹ thuật chế tạo hiện đại, cho phép tạo ra các sản phẩm vật thể ba chiều trực tiếp từ dữ liệu thiết kế kỹ thuật số với chi phí thấp và thời gian rút ngắn đáng kể. Khả năng ứng dụng của công nghệ này bao phủ nhiều lĩnh vực từ sản xuất công nghiệp, ô tô, hàng không vũ trụ, y học, nha khoa đến kiến trúc xây dựng và giáo dục. Tuy nhiên, việc tiếp cận các dòng máy in 3D công nghiệp khổ lớn trên thị trường thường gặp trở ngại về mặt chi phí đầu tư. Trước bối cảnh đó, đề tài "Nghiên cứu và chế tạo máy in 3D" được nhóm sinh viên ngành Cơ khí Chế tạo máy, Khoa Đào tạo Chất lượng cao - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện nhằm làm chủ công nghệ thiết kế, tính toán cơ khí và thi công hệ thống máy in 3D kích thước lớn ứng dụng công nghệ đùn ép nhựa nhiệt dẻo FDM.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh một hệ thống máy in 3D kiểu FDM có khả năng vận hành ổn định, tạo hình các chi tiết mẫu kích thước trung bình và nhỏ với độ chính xác cao và sai số kích thước được kiểm soát. Cụ thể, các nội dung và nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định bao gồm 5 nội dung chính:

  1. Tìm hiểu tổng quan về máy in 3D và các nguyên lý tạo hình ba chiều.
  2. Tổng hợp, phân tích các công trình nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước.
  3. Phân tích ý tưởng và đề xuất giải pháp thiết kế máy in 3D.
  4. Thiết kế, tính toán kết cấu cơ khí và lắp đặt, tích hợp hệ thống điện - điều khiển.
  5. Vận hành thử nghiệm, đánh giá kết quả, kết luận và đề xuất hướng phát triển.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là máy in 3D công nghệ đùn sợi nhựa nóng chảy (Fused Deposition Modeling - FDM) dạng tọa độ Descartes (Cartesian). Phạm vi kỹ thuật và giới hạn thực hiện của đề tài bao gồm:

  • Kích thước tổng thể máy in: $800 \times 800 \times 960\text{ mm}$.
  • Hành trình gia công (không gian in hiệu dụng): $550 \times 450 \times 400\text{ mm}$ (trên ba trục tương ứng $X \times Y \times Z$).
  • Phạm vi ứng dụng: Gia công tạo mẫu nhanh các sản phẩm nhựa phục vụ nghiên cứu, giáo dục và chế tạo khuôn mẫu.
  • Thời gian và địa điểm thực hiện: Đề tài được triển khai từ tháng 03/2016 đến tháng 06/2016 và hoàn tất nghiệm thu vào tháng 08/2016 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và phân loại công nghệ

Nghiên cứu dựa trên nền tảng lý thuyết về nguyên lý tạo mẫu nhanh bằng phương pháp đắp lớp (Additive Manufacturing). Văn bản tổng thuật 5 công nghệ in 3D nền tảng:

  • SLA (Stereolithography): Công nghệ do Charles Hull phát minh năm 1984 (đăng ký bản quyền năm 1986), sử dụng tia sáng (laser hoặc tia cực tím UV) để làm đông cứng từng lớp polymer quang hóa (photopolymer lỏng) trong bồn chứa, cho độ dày lớp in mỏng nhất (khoảng $0,06\text{ mm}$) và độ chính xác hình học cao.
  • SLS (Selective Laser Sintering): Công nghệ nung kết bột bằng laser do DTM thương mại hóa năm 1992, sử dụng lu lô san phẳng các lớp vật liệu bột và dùng tia laser quét nóng chảy cục bộ để liên kết các hạt vật liệu.
  • LOM (Laminated Object Manufacturing): Công nghệ tạo mẫu bằng cách cắt và dán nhiều lớp vật liệu dát mỏng (giấy, lá gỗ) liên tiếp qua dụng cụ cắt hoặc laser (Helisys thương mại năm 1991).
  • 3DP (3Dimensional Printing Techniques): Công nghệ do Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) phát minh năm 1993, sử dụng đầu phun hợp chất keo kết dính trực tiếp lên các lớp bột vật liệu mà không cần nguồn nhiệt nung chảy.
  • FDM (Fused Deposition Modeling): Công nghệ do Scott Crump phát minh năm 1988 (thương mại hóa bởi Stratasys năm 1992). Nguyên lý hoạt động dựa trên việc nung chảy vật liệu dạng sợi qua đầu đùn được gia nhiệt và dịch chuyển theo biên dạng của mặt cắt (layer) để đắp từng lớp chồng khít lên nhau tạo nên vật thể 3D hoàn chỉnh.

Nhóm tác giả cũng phân tích đặc tính kỹ thuật của các dòng vật liệu sử dụng trong in 3D FDM:

Loại vật liệu Đặc tính kỹ thuật chính Nhiệt độ đầu phun khuyến nghị Nhiệt độ bàn in (Heatbed) Tốc độ in khuyến nghị Ứng dụng tiêu biểu
ABS Nguồn gốc dầu mỏ, độ bền cao, chịu lực và chịu nhiệt tốt, linh hoạt, độ co ngót lớn Gia nhiệt cao Cần bàn nhiệt cao Trung bình Vỏ ô tô, phụ tùng gia dụng, đường ống
PLA Nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học (từ bột ngô, mía), độ cứng cao, ít co ngót, dễ in $190 - 220^\circ\text{C}$ Không bắt buộc (hoặc $\approx 60^\circ\text{C}$) $30 - 60\text{ mm/s}$ Mô hình mẫu, sản phẩm trang trí
PETG Gốc Polyethylene terephthalate, chống ẩm cao, chịu nhiệt $>100^\circ\text{C}$, độ bền cơ học cao, ít co ngót $240 - 260^\circ\text{C}$ Bàn nhiệt trung bình $30 - 40\text{ mm/s}$ Chi tiết chịu lực, đồ gá, bao bì
HIPS High Impact Polystyrene, chịu va đập, độ bóng cao, tan được trong dung dịch nước chanh (d-Limonene) $240 - 260^\circ\text{C}$ $60 - 80^\circ\text{C}$ $30 - 60\text{ mm/s}$ Vật liệu đệm đỡ (support) cho ABS, chi tiết chịu lực
CF-PLA PLA gia cường $15 - 20%$ tinh thể carbon, độ cứng vững rất cao, sợi giòn trước khi in $220 - 240^\circ\text{C}$ Khoảng $60^\circ\text{C}$ (hoặc băng dính Blue Tape) $30 - 50\text{ mm/s}$ Đồ gá kỹ thuật, chi tiết chịu tải (dùng đầu in $\ge 0,5\text{ mm}$)

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án kết hợp các phương pháp nghiên cứu kỹ thuật thực nghiệm:

  • Phương pháp tổng hợp và phân tích tài liệu: Khảo sát các tài liệu thiết kế cơ khí, dự án mã nguồn mở RepRap, các công trình nghiên cứu máy in 3D trong và ngoài nước.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán sức bền vật liệu, xác định lực, mô-men xoắn cần thiết của động cơ, lựa chọn bộ truyền đai răng, vít me - đai ốc bi và hệ dẫn hướng thanh trượt bi theo tiêu chuẩn catalogue công nghiệp THK.
  • Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm chuyên ngành để kiểm tra độ biến dạng và trạng thái chịu lực của kết cấu khung máy, trục dẫn hướng và các gối đỡ.
  • Phương pháp chế tạo, tích hợp và thực nghiệm: Gia công cơ khí khung vỏ, lắp ráp các cụm cơ cấu chấp hành, thi công tủ điện, nạp mã nguồn điều khiển và in mẫu thử nghiệm thực tế để kiểm tra sai số.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc cơ khí và hệ thống truyền động

Máy in 3D được thiết kế theo cấu trúc hình học Descartes (Cartesian) với 3 trục độc lập:

  • Kết cấu khung máy: Sử dụng khung kim loại (khung sắt hộp) định hình vững chắc để triệt tiêu rung động trong quá trình đầu in di chuyển tốc độ cao, kích thước phủ bì $800 \times 800 \times 960\text{ mm}$.
  • Hệ thống dẫn hướng và truyền động trục $X, Y$: Sử dụng hệ thống thanh trượt bi dẫn hướng tuyến tính (mã hiệu THK SHS15V2UU+700LP-II) kết hợp cụm ty trượt chịu lực và bộ truyền đai răng (timing belt) nhằm đảm bảo tốc độ đáp ứng nhanh, giảm thiểu quán tính di chuyển của đầu đùn.
  • Hệ thống dẫn hướng và truyền động trục $Z$: Chuyển động nâng hạ bàn in được thực hiện qua bộ truyền vít me - đai ốc bi chính xác cao, được cố định bởi các gối đỡ trục (theo mô hình gối đỡ fixed-support/fixed-free) nhằm tránh hiện tượng tự xoay và duy trì độ phẳng song song của bàn in.

Hệ thống điện và mạch điều khiển

Hệ thống phần cứng điện tử của máy bao gồm các khối chức năng chính:

  • Khối nguồn cấp: Bộ nguồn tổ ong chuyển đổi $24\text{VDC}$ công suất cao với 2 cổng âm $(-)$ và 2 cổng dương $(+)$.
  • Khối xử lý trung tâm: Bo mạch vi điều khiển Mega Arduino 2560 (ATmega2560) chịu trách nhiệm nhận lệnh G-code, tính toán nội suy chuyển động và điều khiển đóng cắt công suất.
  • Mạch lái động cơ bước (Driver):
    • Module Stepper Driver A4988 (công suất $1 - 1,7\text{A}$) sử dụng điều khiển các động cơ bước Size 42.
    • Module Stepper Driver DRV8825 (khả năng tải dòng lên đến $3\text{A}$) sử dụng điều khiển các động cơ bước công suất lớn Size 57.
  • Khối giao tiếp và định vị: Màn hình LCD tích hợp khe cắm thẻ nhớ SD cho phép vận hành máy độc lập không cần máy tính thông qua chức năng "Print from SD"; hệ thống công tắc hành trình (Endstop) phục vụ quá trình xác định điểm gốc (Home) và bảo vệ quá hành trình.
  • Hệ thống đầu đùn (Extruder & Hotend): Động cơ bước kéo sợi nhựa (đường kính $1,75\text{ mm}$ hoặc $3\text{ mm}$), cơ cấu ép và dẫn hướng sợi, khối gia nhiệt nhôm, cảm biến nhiệt độ (Thermistor), khối vuông giữ nhiệt, kim phun (Nozzle) và quạt tản nhiệt làm mát vùng chuyển tiếp.

Cấu hình phần mềm và thuật toán điều khiển

  • Phần mềm thiết kế và xử lý cắt lớp: Mô hình vật thể được thiết kế 3D trên phần mềm CAD Creo 3.0, xuất ra định dạng trung gian tiêu chuẩn .STL. Tệp tin .STL sau đó được đưa vào phần mềm Slic3r hoặc Cura để thiết lập các thông số in (độ dày lớp layer, mật độ điền đầy infill, nhiệt độ gia nhiệt, tốc độ in, cấu trúc giá đỡ support) và xuất mã lệnh điều khiển G-code.
  • Cấu hình Firmware trên Arduino Mega 2560: Mã nguồn điều khiển được cấu hình tên máy định danh "3D SPKT", cài đặt thông số kích thước bàn gia công ($550 \times 450 \times 400\text{ mm}$), số lượng đầu đùn, chiều dịch chuyển các trục và cảm biến nhiệt độ.
  • Thuật toán điều khiển nhiệt độ PID: Hệ thống tích hợp thuật toán PID (Proportional-Integral-Derivative) trên bo mạch điều khiển để giám sát và duy trì ổn định nhiệt độ đầu đùn, ngăn ngừa hiện tượng quá nhiệt gây cháy nhựa hoặc thiếu nhiệt làm tắc đầu phun.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D

Chương I trình bày lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ in 3D từ các ý tưởng ban đầu trong phim khoa học viễn tưởng thế kỷ 20 cho đến các cột mốc thực nghiệm tại MIT (1995), Z Corp và 3D Systems. Tác giả phân tích chi tiết nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của 5 nhánh công nghệ tạo mẫu nhanh cốt lõi: SLA, SLS, LOM, 3DP và FDM. Chương này cũng điểm qua tình hình phát triển các dòng máy in 3D khổ lớn trên thế giới, bao gồm dự án RepRap mã nguồn mở (2006-2008), máy in đa vật liệu Connex500™ (2008), in thân vỏ xe hơi Urbee (2010), in mạch máu sinh học, in thực phẩm, máy in BAAM của Cincinnati Incorporated, máy in khổ $30\text{ m}$ của Lockheed Martin và công nghệ Contour Crafting in nhà bê tông trong 24 giờ tại Đại học Nam California.

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY IN 3D KIỂU FDM

Chương II tập trung nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ FDM. Nội dung mô tả chi tiết nguyên lý phối hợp chuyển động 3 trục $(X, Y, Z)$ và cơ chế đùn vật liệu từ dạng sợi rắn sang trạng thái dẻo qua kim phun được gia nhiệt. Chương phân tích đặc tính cơ lý, phạm vi ứng dụng và chế độ cài đặt thông số in (nhiệt độ, tốc độ, bàn gia nhiệt) của các loại vật liệu thông dụng: nhựa ABS, PLA, PETG, HIPS, CF-PLA cũng như vật liệu kim loại dạng bột. Tác giả cũng phân tích hiệu quả thực tiễn của công nghệ FDM trong việc tạo mẫu thử nghiệm nhanh, chế tạo khuôn đúc silicon, làm khuôn nhựa và ứng dụng trong nha khoa, y tế và giáo dục.

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ

Chương III trình bày quá trình lựa chọn các giải pháp kết cấu cơ khí cho máy in 3D. Tác giả tiến hành so sánh 3 cấu trúc động học cơ bản: dạng Descartes (Cartesian), dạng Delta và dạng cực (Polar) để lựa chọn phương án Cartesian tối ưu cho khổ in lớn. Nội dung bao gồm việc phân tích ưu nhược điểm và lựa chọn các phương án truyền động:

  • Lựa chọn bộ truyền vít me - đai ốc bi và thanh trượt bi THK cho dẫn hướng trục.
  • Lựa chọn bộ truyền đai răng cho các chuyển động tốc độ cao trục $X$ và $Y$.
  • Lựa chọn động cơ bước (so sánh với động cơ servo về giá thành, độ chính xác điều khiển góc quay) cùng các phương pháp điều khiển động cơ bước (động cơ biến từ trở, động cơ hai cực, động cơ nhiều pha).
  • Giới thiệu phần mềm điều khiển và xử lý cắt lớp mẫu in Slic3r.

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN BỀN CHO HỆ THỐNG

Chương IV là phần tính toán kỹ thuật chi tiết, cung cấp cơ sở toán học và cơ học cho toàn bộ hệ thống:

  • Thiết kế kết cấu và tính toán tải trọng tác dụng lên trục $X$, trục $Y$ và trục $Z$.
  • Tính toán và lựa chọn thanh trượt bi dẫn hướng hãng THK (mã hiệu cụ thể SHS15V2UU+700LP-II) dựa trên tải trọng tĩnh, tải trọng động và hệ số an toàn khuyến cáo của nhà sản xuất.
  • Tính toán lựa chọn vít me - đai ốc bi cho trục $Z$ theo các sơ đồ lắp ráp gối đỡ (fixed-fixed, fixed-support, fixed-free) cùng hệ số an toàn tĩnh và hệ số tải $f_a$.
  • Tính toán mô-men xoắn và công suất động cơ bước cho các trục $X, Y, Z$ nhằm đảm bảo khả năng gia tốc và thắng lực ma sát.
  • Tính toán chọn thông số đai răng trục $X, Y$.
  • Kiểm tra sức bền và mô phỏng biến dạng kết cấu khung máy, ty trượt phương $X, Y$ và các gối đỡ trục $Z$ dưới tác dụng của tải trọng làm việc.

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỆN, MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Chương 5 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế phần cứng điện và lập trình điều khiển:

  • Lắp đặt bộ nguồn $24\text{VDC}$, bo mạch trung tâm Mega Arduino 2560, các module điều khiển động cơ bước A4988 (cho động cơ Size 42) và DRV8825 (cho động cơ Size 57), màn hình hiển thị LCD và nẹp đi dây điện kỹ thuật.
  • Cấu tạo chi tiết cụm đầu đùn: động cơ kéo sợi nhựa, cơ cấu định vị/dẫn hướng, bộ gia nhiệt, kim phun và quạt làm mát.
  • Thiết lập thông số điều khiển trên mã nguồn nạp cho Arduino: định danh máy "3D SPKT", cấu hình số đầu đùn, giới hạn nhiệt độ tối thiểu/tối đa, thiết lập thuật toán điều khiển nhiệt độ PID (nhiệt độ kích hoạt, hệ số tỷ lệ $P$, tích phân $I$, vi phân $D$), thiết lập tín hiệu đảo chiều công tắc hành trình Endstop, xác định chiều dịch chuyển về gốc Home, cài đặt thông số kích thước bàn in và tỷ số truyền động.
  • Quy trình vận hành máy hoàn chỉnh: Thiết kế mẫu 3D trên Creo 3.0 $\rightarrow$ Xuất file .STL $\rightarrow$ Cài đặt thông số trên phần mềm Cura $\rightarrow$ Xuất mã G-code vào thẻ nhớ SD $\rightarrow$ Điều khiển thủ công, kiểm tra nhiệt độ trên màn hình LCD $\rightarrow$ Thực hiện lệnh "Print from SD".

CHƯƠNG 6: TỔNG KẾT

Chương 6 tổng kết các hạng mục công việc đã hoàn thành:

  • Đánh giá tình trạng hoàn thiện của hệ thống cơ khí, phần điện và tủ điện điều khiển.
  • Công bố kết quả in thử nghiệm các chi tiết mẫu thực tế (như mô hình Cúp Thế giới).
  • Đưa ra đánh giá về độ chính xác gia công, độ ổn định hệ thống cùng các đề xuất cải tiến kỹ thuật cho các giai đoạn phát triển tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật và số liệu thực nghiệm

Đồ án đã chế tạo thành công một máy in 3D FDM khổ lớn hoàn chỉnh với các thông số kỹ thuật được kiểm chứng qua thực nghiệm:

  • Kích thước bao máy: $800 \times 800 \times 960\text{ mm}$.
  • Hành trình in hiệu dụng: $550 \times 450 \times 400\text{ mm}$.
  • Độ chính xác và dung sai: Máy có khả năng gia công các chi tiết từ nhỏ đến trung bình, biên dạng hình học ổn định, sai số kích thước chi tiết in đạt mức $0,5\text{ mm}$.
  • Vận hành hệ thống: Hệ thống điều khiển nhiệt độ đầu đùn hoạt động ổn định nhờ giải thuật PID; máy có khả năng vận hành độc lập thông qua đọc file G-code từ thẻ nhớ SD và giao tiếp trực tiếp qua màn hình LCD.
  • Sản phẩm in mẫu: Chế tạo thành công các mẫu vật thực tế có độ phức tạp cao, tiêu biểu là mô hình Cúp Thế giới (World Cup Trophy).

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  1. Làm chủ quy trình thiết kế và chế tạo máy in 3D khổ lớn: Tự chủ tính toán kết cấu cơ khí, lựa chọn linh kiện dẫn hướng công nghiệp (thanh trượt bi THK, vít me bi) và kiểm nghiệm độ bền bằng mô phỏng biến dạng, giúp hạ giá thành chế tạo so với các dòng máy thương mại cùng khổ in.
  2. Tích hợp thành công hệ thống điều khiển mã nguồn mở: Ứng dụng hiệu quả nền tảng vi điều khiển Arduino Mega 2560 kết hợp mạch công suất A4988/DRV8825, thiết lập cấu hình firmware chuyên biệt ("3D SPKT") cho máy in 3D FDM.
  3. Tổng hợp cơ sở dữ liệu vật liệu FDM: Phân tích và hệ thống hóa điều kiện in (nhiệt độ đầu phun, nhiệt độ bàn, tốc độ) cho nhiều loại vật liệu tiên tiến như ABS, PLA, PETG, HIPS và CF-PLA.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được tác giả ghi nhận

  • Thẩm mỹ mối ghép cơ khí: Các mối ghép và kết cấu khung gia công cơ khí thực tế chưa đạt độ thẩm mỹ cao.
  • Chất lượng đầu phun: Cụm đầu phun nhựa (hotend/nozzle) chế tạo thử nghiệm còn một số hạn chế về chất lượng gia công, ảnh hưởng đến độ mịn bề mặt của sản phẩm ở một số vị trí in phức tạp.

Hướng phát triển đề xuất

  • Cải tiến và tối ưu hóa các mối liên kết cơ khí nhằm nâng cao độ thẩm mỹ và độ cứng vững của khung vỏ.
  • Nâng cấp cụm đầu đùn - phun nhựa bằng các vật liệu và linh kiện chuyên dụng chất lượng cao hơn (như đầu phun kim loại nguyên khối all-metal hotend) để tăng độ ổn định dòng chảy nhựa và cải thiện độ nhẵn bề mặt chi tiết in.
  • Mở rộng nghiên cứu và thử nghiệm in thực tế trên các dòng vật liệu kỹ thuật cao như CF-PLA và PETG trên máy đã hoàn thiện.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Chế tạo máy và Tự động hóa: Tham khảo quy trình thiết kế hoàn chỉnh một thiết bị CNC/máy in 3D từ khâu lên ý tưởng, tính toán động lực học, chọn động cơ bước, thiết kế bộ truyền vít me bi, đai răng đến mô phỏng sức bền kết cấu.
  • Người nghiên cứu và phát triển máy in 3D tự chế (DIY 3D Printer): Cung cấp tài liệu hướng dẫn trực quan về phương pháp đấu nối tủ điện điều khiển, lựa chọn module lái động cơ bước A4988/DRV8825, cấu hình thông số firmware trên bo mạch Arduino Mega 2560 và hiệu chỉnh giải thuật nhiệt độ PID.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Chương IV (Tính toán bền và lựa chọn thanh trượt bi THK, vít me bi, động cơ bước) và Chương 5 (Cấu hình chi tiết các thông số trong mã nguồn điều khiển máy in 3D).

Câu hỏi thường gặp

1. Máy in 3D được chế tạo trong đồ án có thông số kích thước và không gian in thực tế là bao nhiêu?

Kích thước bao tổng thể của máy là $800 \times 800 \times 960\text{ mm}$. Hành trình gia công tối đa (khổ in hiệu dụng) đạt $550 \times 450 \times 400\text{ mm}$ trên ba trục $X, Y, Z$, cho phép in các chi tiết kích thước nhỏ và trung bình.

2. Hệ thống dẫn hướng và truyền động trên các trục tọa độ của máy được thiết kế như thế nào?

Trục $X$ và $Y$ sử dụng hệ thống thanh trượt bi dẫn hướng THK SHS15V2UU+700LP-II kết hợp bộ truyền đai răng để đạt tốc độ di chuyển nhanh. Trục $Z$ sử dụng bộ truyền vít me - đai ốc bi kết hợp các gối đỡ cố định để nâng hạ bàn in chính xác và chịu tải trọng tốt.

3. Hệ thống điều khiển của máy sử dụng bo mạch và linh kiện điện tử nào?

Hệ thống sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 (ATmega2560), mạch lái động cơ bước A4988 (cho động cơ bước Size 42 công suất $1 - 1,7\text{A}$) và DRV8825 (cho động cơ bước Size 57 công suất tới $3\text{A}$), bộ nguồn $24\text{VDC}$, màn hình hiển thị LCD, công tắc hành trình Endstop và cảm biến nhiệt độ đầu đùn.

4. Quy trình phần mềm từ bản vẽ thiết kế đến khi in ra sản phẩm hoàn chỉnh gồm những bước nào?

Quy trình gồm 4 bước chính: (1) Thiết kế mô hình 3D trên phần mềm CAD Creo 3.0; (2) Xuất file định dạng trung gian .STL; (3) Sử dụng phần mềm cắt lớp Slic3r hoặc Cura để thiết lập thông số công nghệ và xuất mã lệnh G-code vào thẻ nhớ SD; (4) Cắm thẻ nhớ vào máy in, thiết lập nhiệt độ đầu đùn qua màn hình LCD và kích hoạt lệnh in độc lập "Print from SD".

5. Độ chính xác gia công thực nghiệm của máy đạt mức nào và còn những nhược điểm gì?

Chi tiết in thực tế đạt sai số kích thước ở mức $0,5\text{ mm}$ và tái tạo tốt biên dạng các mô hình phức tạp (như mô hình Cúp Thế giới). Tuy nhiên, máy vẫn còn nhược điểm là các mối ghép cơ khí chưa đạt độ thẩm mỹ cao và chất lượng cụm đầu phun nhựa còn hạn chế.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu và chế tạo máy in 3D" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu từ tính toán lý thuyết, thiết kế kết cấu đến chế tạo thực nghiệm hệ thống máy in 3D FDM khổ lớn $550 \times 450 \times 400\text{ mm}$. Hệ thống được tích hợp đồng bộ giữa kết cấu cơ khí chính xác (thanh trượt bi THK, vít me bi) và mạch điều khiển Arduino Mega 2560 ứng dụng giải thuật PID kiểm soát nhiệt độ. Mặc dù còn một số điểm cần cải thiện về độ thẩm mỹ mối ghép và chất lượng cụm đầu đùn, công trình đã khẳng định khả năng tự chủ thiết kế và làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị tạo mẫu nhanh phục vụ hiệu quả cho đào tạo và ứng dụng kỹ thuật.