Đồ Án: Thiết Kế và Chế Tạo Máy In 3D Công Nghệ FDM - Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Đà Nẵng

Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế & chế tạo máy in 3D FDM. Tìm hiểu quy trình, cấu tạo máy in 3D FDM. Tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên kỹ thuật.

• Tác giả: Trần Văn Mới
• Người hướng dẫn: ThS. Dương Quang Thiện
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật - Đại Học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Máy In 3D Công Nghệ FDM
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• TÓM TẮT
• LỜI NÓI ĐẦU
• CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Giới thiệu về công nghệ in FDM và nhựa PLA:
• 1.1.1. Công nghệ in FDM:
• 1.2. Một số công nghệ và loại nhựa khác:
• 1.2.1. Công nghệ in SLA:
• 1.2.2. Công nghệ in SLM:
• 1.2.3. Công nghệ in SLS:
• 1.3. Giới thiệu một số máy in 3D:
• 1.4. Tính cấp thiết của đề tài:
• 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu:
• 2. CHƯƠNG 2: BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH
• 2.1. Quy trình công nghệ:
• 2.2. Tổng quát cấu trúc máy in 3D:
• 2.3. Bộ điều khiển:
• 2.3.1. Board Arduino Mega 2560 R3 CH340:
• 2.3.2. Board điều khiển Ramps 1.3 Driver stepper motor A4988 và DRV8825:
• 2.4. Động cơ bước Servo KH42KM2R015D:
• 2.5. Bộ đùn nhựa:
• 2.6. Bộ màn hình LCD 12864:
• 2.7. Công tắc hành trình:
• 2.8. Truyền động Vít me – Đai ốc:
• 2.8.1. Truyền động Vít me – Đai ốc trượt:
• 2.8.2. Truyền động Vít me – Đai ốc bi:
• 2.9. Truyền động đai:
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
• 3.1. Thông số máy chi tiết:
• 3.2. Các phương án thiết kế kết cấu máy:
• 3.2.1. Phương án truyền động Cartesian – XZ:
• 3.2.2. Phương án kết cấu Robot Delta:
• 3.2.3. Phương án truyền động Cartesian – XY:
• 3.3. Thiết kế khung máy:
• 3.4. Tính toán – thiết kế cụm cơ khí trục Z:
• 3.4.1. Tính toán truyền động vít me – đai ốc bi trục Z:
• 3.4.2. Tính toán chọn động cơ trục Z:
• 3.5. Thiết kế - tính toán cụm cơ khí trục X và Y:
• 3.5.1. Thông số cụm trục X và Y:
• 3.5.2. Lựa chọn bộ truyền:
• 3.5.3. Thiết kế sơ bộ trục X và Y:
• 3.5.4. Tính toán động cơ trục X và Y:
• 3.6. Tính toán – thiết kế phần điện:
• 3.6.1. Sơ đồ điện tổng quát:
• 3.6.1.1. Lưu đồ thuật toán tổng quát:
• 3.6.1.2. Lưu đồ thuật toán nhiệt độ:
• 3.6.1.3. Lưu đồ thuật toán tốc độ quạt:
• 3.6.1.4. Lưu đồ thuật toán các chế độ:
• 3.6.1.5. Lưu đồ thuật toán di chuyển các trục:
• 4. CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ
• 4.1. Thiết lập thông số phần cứng:
• 4.2. Phần mềm tạo mẫu 3D:
• 4.2.1. Giới thiệu phần mềm Autocad:
• 4.2.2. Một vài lệnh tạo mẫu nhanh trên Autocad:
• 4.3. Phần mềm điều chỉnh các thông số in:
• 4.3.1. Giới thiệu phần mềm Ultimaker Cura:
• 4.3.2. Các thông số cơ bản cần hiệu chỉnh:
• 4.3.3. Các kiểu chạy nhựa:
• 4.3.4. Các bước hoàn thành sản phẩm in cơ bản:
• 4.3.5. Nâng cấp chức năng cần thiết cho máy in 3D:
• 4.4. Những kết quả đạt được:
• 4.4.1. Về mặt mô hình:
• 4.4.2. Về mặt lý thuyết – chương trình điều khiển:
• 4.4.3. Kinh nghiệm và kiến thức thực tế:
• 4.5. Những thách thức của đề tài:
• 4.5.1. Những hạn chế của đề tài:
• 4.5.2. Những khó khăn gặp phải khi thực hiện:
• 4.6. Hướng phát triển đề tài:
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Hướng Dẫn Toàn Diện Đồ Án Tốt Nghiệp Máy In 3D FDM

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy in 3D công nghệ FDM là một đề tài mang tính ứng dụng cao, tổng hợp kiến thức từ nhiều lĩnh vực như cơ khí, điện tử và lập trình điều khiển. Công nghệ in 3D, hay còn gọi là sản xuất bồi đắp, đang trở thành một phần quan trọng của cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0. Nó thay đổi phương thức sản xuất truyền thống, cho phép tạo ra các sản phẩm phức tạp từ mô hình kỹ thuật số mà không cần khuôn mẫu. Trong số các công nghệ in 3D, công nghệ FDM (Mô hình hoá sự lắng đọng hợp nhất) là phổ biến nhất nhờ chi phí thấp và vận hành đơn giản. Công nghệ này được S. Scott Crump phát triển vào cuối những năm 1980, hoạt động bằng cách đùn nhựa nhiệt dẻo nóng chảy (như nhựa PLA) qua một đầu phun, sau đó bồi đắp từng lớp để tạo thành vật thể ba chiều. Đề tài này không chỉ là cơ hội để sinh viên vận dụng lý thuyết vào thực tiễn mà còn giúp giải quyết bài toán tạo mẫu nhanh trong sản xuất, giảm chi phí và thời gian đưa sản phẩm ra thị trường. Việc tự tay thiết kế và chế tạo máy in 3D FDM giúp sinh viên hiểu sâu sắc về cấu trúc cơ khí, hệ thống điều khiển, thuật toán vận hành và quy trình tối ưu hóa sản phẩm. Đây là nền tảng vững chắc cho công việc trong lĩnh vực tự động hóa và sản xuất thông minh trong tương lai.

1.1. Giới thiệu tổng quan về công nghệ in 3D FDM hiện đại

Công nghệ in 3D FDM (Fused Deposition Modeling) là phương pháp tạo mẫu nhanh bằng cách đùn vật liệu nhựa nhiệt dẻo nóng chảy qua một vòi phun di động để xây dựng đối tượng theo từng lớp. Nguyên lý hoạt động cơ bản là sợi nhựa, phổ biến là nhựa PLA hoặc ABS, được kéo từ cuộn vào một bộ phận gọi là đầu đùn nhựa. Tại đây, nhựa được nung nóng đến nhiệt độ nóng chảy (thường khoảng 190°C – 220°C đối với PLA) và được đẩy qua một vòi phun có đường kính nhỏ. Đầu phun này di chuyển theo các trục X và Y để vẽ nên mặt cắt của lớp đầu tiên trên một bàn in. Sau khi hoàn thành một lớp, bàn in sẽ di chuyển xuống (hoặc đầu in di chuyển lên) một khoảng cách bằng đúng độ dày của lớp in, và quá trình tiếp tục cho đến khi vật thể hoàn chỉnh. Ưu điểm chính của FDM là chi phí đầu tư thấp, vật liệu đa dạng và dễ tìm, tốc độ in tương đối nhanh cho các mẫu thử nghiệm. Do đó, FDM được ứng dụng rộng rãi từ giáo dục, nghiên cứu đến sản xuất các sản phẩm tiêu dùng và linh kiện chuyên dụng.

1.2. Tầm quan trọng của đồ án thiết kế máy in 3D thực tế

Việc thực hiện đồ án tốt nghiệp máy in 3D có ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn. Về mặt khoa học, đồ án đòi hỏi sinh viên phải nghiên cứu sâu về các nguyên lý cơ học, hệ thống điều khiển số (CNC), và các thuật toán nội suy đường đi. Sinh viên phải tự tính toán, lựa chọn linh kiện từ bộ điều khiển Arduino Mega 2560, driver A4988 cho đến các cơ cấu chấp hành như động cơ bước và hệ truyền động. Về mặt thực tiễn, một chiếc máy in 3D tự chế tạo có thể phục vụ trực tiếp cho nhu cầu tạo mẫu nhanh, sản xuất các chi tiết máy, đồ dùng học tập hoặc các sản phẩm sáng tạo khác với chi phí rẻ. Quá trình này giúp sinh viên tích lũy kinh nghiệm làm việc nhóm, quản lý dự án và kỹ năng giải quyết vấn đề. Theo báo cáo của nhóm thực hiện đề tài, việc hoàn thành mô hình giúp "tích lũy được những kiến thức, hiểu cơ bản về các thuật toán điều khiển", một kỹ năng cốt lõi trong ngành tự động hóa.

II. Phân Tích Các Thách Thức Khi Chế Tạo Máy In 3D FDM

Quá trình thiết kế và chế tạo máy in 3D FDM đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật, đòi hỏi sự chính xác và kiên nhẫn. Thách thức lớn nhất nằm ở việc đảm bảo độ chính xác cơ khí. Bất kỳ sai lệch nhỏ nào trong lắp ráp khung máy, độ song song của các thanh trượt, hay độ rơ của truyền động vít me – đai ốc đều ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm cuối cùng. Sản phẩm có thể bị lệch lớp, sai kích thước hoặc biến dạng. Một thách thức khác là sự đồng bộ hóa giữa phần cứng và phần mềm. Việc cấu hình firmware (ví dụ: Marlin) trên board Arduino Mega 2560 phải khớp chính xác với các thông số cơ khí của máy, như số bước trên mỗi milimét của động cơ, giới hạn hành trình, và tốc độ tối đa. Sai sót trong cấu hình có thể dẫn đến việc máy hoạt động sai, di chuyển không đúng tọa độ hoặc thậm chí gây hỏng hóc linh kiện. Ngoài ra, việc hiệu chỉnh các thông số in trong phần mềm cắt lớp như Ultimaker Cura cũng là một bài toán tối ưu phức tạp. Các yếu tố như nhiệt độ đầu đùn, tốc độ in, chiều cao lớp in, và tốc độ quạt làm mát đều tương tác với nhau và ảnh hưởng đến kết quả. Việc tìm ra bộ thông số tối ưu cho từng loại vật liệu và mô hình cụ thể đòi hỏi nhiều lần thử nghiệm và kinh nghiệm thực tế.

2.1. Yêu cầu về độ chính xác trong cơ cấu truyền động cơ khí

Độ chính xác của sản phẩm in phụ thuộc phần lớn vào sự ổn định của cơ cấu truyền động cơ khí. Trong một máy in 3D FDM, các trục X, Y, Z phải di chuyển mượt mà, không rung động và có độ lặp lại vị trí cao. Đối với truyền động đai, dây đai phải được căng đúng mức; quá chùng sẽ gây ra hiện tượng "backlash" (độ rơ), trong khi quá căng sẽ làm tăng tải trọng lên động cơ bước và vòng bi, gây mòn nhanh. Đối với truyền động vít me – đai ốc, đặc biệt là ở trục Z, việc lựa chọn loại vít me (trượt hay bi) và lắp đặt đồng tâm với trục động cơ là cực kỳ quan trọng để tránh hiện tượng "Z-wobble" (lượn sóng trên bề mặt sản phẩm theo trục Z). Khung máy phải được lắp ráp từ nhôm định hình hoặc thép để đảm bảo độ cứng vững, giảm thiểu rung động khi đầu in di chuyển với tốc độ cao. Nhóm thực hiện đồ án đã nhấn mạnh rằng những truyền động này "cần độ chính xác cao", là một trong những lo lắng ban đầu khi bắt tay vào dự án.

2.2. Vấn đề đồng bộ hóa giữa phần cứng và phần mềm điều khiển

Sự tương thích và đồng bộ giữa phần cứng và phần mềm là chìa khóa để máy in hoạt động ổn định. Hệ thống điều khiển, bao gồm board Arduino Mega 2560 và shield Ramps 1.4, đóng vai trò là bộ não của máy. Nó nhận lệnh G-code từ thẻ nhớ hoặc máy tính và chuyển thành các xung điện để điều khiển driver A4988. Mỗi driver sẽ cấp dòng cho động cơ bước tương ứng, tạo ra chuyển động tịnh tiến. Vấn đề phát sinh khi các thông số trong firmware không phản ánh đúng cấu hình phần cứng. Ví dụ, nếu số vi bước (microstepping) trên driver được thiết lập là 1/16 nhưng trong firmware lại khai báo là 1/8, máy sẽ di chuyển với khoảng cách gấp đôi so với yêu cầu, làm hỏng toàn bộ sản phẩm. Tương tự, việc đọc tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ và điều khiển nhiệt độ đầu đùn đòi hỏi thuật toán PID (Proportional-Integral-Derivative) được hiệu chỉnh đúng để nhiệt độ ổn định, tránh tình trạng nhựa bị tắc hoặc chảy không đều.

III. Phương Pháp Thiết Kế Cơ Khí Cho Máy In 3D FDM Tối Ưu

Để xây dựng một chiếc máy in 3D FDM hoạt động hiệu quả, việc lựa chọn phương án thiết kế cơ khí là bước đầu tiên và quan trọng nhất. Có nhiều kết cấu máy in 3D phổ biến, mỗi loại có ưu và nhược điểm riêng. Đồ án này đã xem xét các phương án như kết cấu Cartesian (với các biến thể CoreXY, H-Bot, và XZ-Head/Y-Bed) và kết cấu Robot Delta. Kết cấu Cartesian là lựa chọn phổ biến nhất do sự đơn giản trong thiết kế và lập trình. Trong đó, phương án bàn in di chuyển theo trục Y và đầu in di chuyển theo mặt phẳng XZ được nhiều máy như Prusa i3 áp dụng. Phương án này dễ thi công và chi phí thấp. Tuy nhiên, việc bàn in di chuyển có thể gây rung động cho mẫu in, đặc biệt với các vật thể cao và mỏng. Một phương án khác là CoreXY, nơi bàn in chỉ di chuyển theo trục Z, còn đầu in di chuyển trên mặt phẳng XY. Kết cấu này cho phép tốc độ in cao hơn và ổn định hơn nhưng cơ cấu truyền động đai phức tạp hơn. Sau khi phân tích, nhóm sinh viên đã lựa chọn một kết cấu Cartesian phù hợp với mục tiêu của đồ án, tập trung vào sự ổn định và dễ chế tạo. Khung máy được thiết kế từ nhôm định hình, đảm bảo độ cứng vững và dễ dàng lắp ráp, điều chỉnh.

3.1. Lựa chọn giữa truyền động vít me đai ốc và truyền động đai

Việc lựa chọn hệ thống truyền động cho các trục là quyết định quan trọng trong thiết kế máy in 3D FDM. Truyền động đai, thường là đai GT2, được ưu tiên sử dụng cho các trục X và Y. Lý do là đai có thể hoạt động ở tốc độ cao với gia tốc lớn, ít gây tiếng ồn và chi phí thấp. Nó phù hợp cho các chuyển động nhanh và liên tục của đầu in. Ngược lại, truyền động vít me – đai ốc thường được dùng cho trục Z. Cơ cấu này cung cấp độ chính xác vị trí rất cao và khả năng tự hãm tốt, nghĩa là trục Z sẽ không bị trôi xuống dưới tác dụng của trọng lực khi động cơ không được cấp điện. Có hai loại chính là vít me trượt (lead screw) và vít me bi (ball screw). Vít me bi có hiệu suất cao hơn và ma sát thấp hơn nhưng giá thành đắt hơn đáng kể. Đối với hầu hết các máy in 3D phổ thông, vít me trượt là lựa chọn cân bằng giữa chi phí và hiệu năng.

3.2. So sánh các phương án kết cấu máy in 3D phổ biến

Trong đồ án, các phương án thiết kế chính đã được đưa ra so sánh. Phương án truyền động Cartesian – XZ (đầu in di chuyển theo X và Z, bàn in di chuyển theo Y) có ưu điểm là kết cấu đơn giản, dễ thi công, chi phí thấp và cộng đồng hỗ trợ lớn. Tuy nhiên, nhược điểm là quán tính của bàn in di động có thể gây rung lắc ở tốc độ cao. Phương án kết cấu Robot Delta sử dụng ba cánh tay song song để di chuyển đầu in, cho phép tốc độ in rất nhanh và có thể tạo ra các vật thể cao. Tuy nhiên, việc hiệu chỉnh (calibration) cho robot delta rất phức tạp và không gian in hiệu quả thường nhỏ hơn so với kích thước tổng thể của máy. Cuối cùng, phương án truyền động Cartesian – XY (CoreXY) giữ bàn in cố định hoặc chỉ di chuyển theo trục Z, giúp giảm rung động và tăng chất lượng bề mặt sản phẩm. Dựa trên mục tiêu của đồ án là chế tạo một máy in ổn định và dễ kiểm soát, kết cấu Cartesian truyền thống được xem là lựa chọn tối ưu.

IV. Cách Lựa Chọn Bộ Điều Khiển Cơ Cấu Chấp Hành Hiệu Quả

Hệ thống điện tử là trái tim của máy in 3D FDM, quyết định khả năng vận hành chính xác và ổn định. Việc lựa chọn bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành phải dựa trên các tiêu chí về hiệu năng, giá thành và sự phổ biến để dễ dàng tìm kiếm hỗ trợ. Đối với bộ điều khiển trung tâm, sự kết hợp giữa board Arduino Mega 2560 và shield mở rộng Ramps 1.4 là một lựa chọn kinh điển và đáng tin cậy cho các dự án DIY. Arduino Mega 2560 cung cấp đủ số chân I/O và bộ nhớ để xử lý các tác vụ phức tạp, trong khi Ramps 1.4 là một board mạch được thiết kế chuyên dụng, tích hợp sẵn các socket cắm driver động cơ bước, các ngõ vào cho công tắc hành trình, cảm biến nhiệt, và các ngõ ra công suất lớn cho đầu đùn và bàn nhiệt. Driver động cơ bước A4988 và DRV8825 là hai loại phổ biến nhất. Đồ án này sử dụng driver A4988 vì giá thành rẻ, phổ biến và đáp ứng đủ yêu cầu của máy. Các cơ cấu chấp hành chính bao gồm động cơ bước (thường là loại NEMA 17) cho các trục XYZ và bộ đùn, đầu đốt để nung chảy nhựa, và quạt tản nhiệt. Việc lựa chọn động cơ có mô-men xoắn phù hợp là cần thiết để đảm bảo máy không bị mất bước khi vận hành.

4.1. Vai trò của board Arduino Mega 2560 và Ramps 1.4

Sự kết hợp giữa Arduino Mega 2560 và Ramps 1.4 tạo thành một hệ thống điều khiển mạnh mẽ và linh hoạt. Arduino Mega 2560, với vi điều khiển ATmega2560, chịu trách nhiệm chạy firmware điều khiển chính (như Marlin hoặc Repetier). Firmware này sẽ diễn dịch các dòng lệnh G-code, thực hiện các phép tính toán chuyển động và gửi tín hiệu điều khiển. Ramps 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield) hoạt động như một bo mạch giao tiếp trung gian, giúp kết nối Arduino với tất cả các thành phần khác của máy in một cách gọn gàng. Nó cung cấp 5 khe cắm cho driver động cơ, 3 ngõ ra Mosfet cho các thiết bị công suất cao, 6 ngõ vào cho công tắc hành trình (endstop), và các cổng kết nối màn hình LCD, đầu đọc thẻ SD. Thiết kế module này cho phép dễ dàng thay thế các linh kiện bị hỏng, ví dụ như một driver A4988, mà không cần thay cả bo mạch.

4.2. Phân tích driver A4988 và bộ đùn nhựa trong hệ thống

Driver A4988 là một mạch tích hợp vi bước, nhận tín hiệu STEP và DIR từ vi điều khiển để quay động cơ bước. Nó có khả năng chia một bước đầy đủ của động cơ thành các vi bước nhỏ hơn (lên đến 1/16), giúp chuyển động mượt mà hơn và giảm tiếng ồn. Mỗi driver có một biến trở nhỏ để điều chỉnh dòng điện cấp cho động cơ, một bước quan trọng để tránh động cơ quá nóng hoặc quá yếu (mất bước). Bộ đùn nhựa là một trong những bộ phận quan trọng nhất, có hai loại chính: trực tiếp (direct drive) và gián tiếp (Bowden). Trong đồ án này, nhóm đã lựa chọn bộ đùn gián tiếp. Động cơ đùn được gắn cố định trên khung máy và đẩy sợi nhựa qua một ống PTFE dài đến đầu nóng. Ưu điểm của thiết kế này là làm giảm khối lượng di chuyển trên đầu in, cho phép máy in đạt tốc độ và gia tốc cao hơn, giảm rung động và cải thiện chất lượng in.

V. Quy Trình Vận Hành Và Tối Ưu Hóa Kết Quả In 3D FDM

Sau khi hoàn tất thiết kế và chế tạo máy in 3D FDM, quy trình vận hành và tối ưu hóa là giai đoạn quyết định chất lượng sản phẩm. Quy trình này bắt đầu từ việc chuẩn bị mô hình 3D. Các mô hình được thiết kế bằng phần mềm CAD như AutoCAD, SolidWorks, sau đó được xuất ra định dạng file STL. File STL này sau đó được nhập vào một phần mềm cắt lớp (slicer) như Ultimaker Cura hoặc Slic3r. Tại đây, người dùng phải thiết lập hàng loạt các thông số in quan trọng. Các thông số này bao gồm chiều cao lớp in (layer height), độ dày vỏ (wall thickness), mật độ vật liệu lấp đầy (infill density), nhiệt độ đầu đùn, nhiệt độ bàn in (nếu có), tốc độ in và cấu trúc hỗ trợ (support). Mỗi thông số đều có tác động lớn đến thời gian in, độ bền và chất lượng bề mặt của sản phẩm. Sau khi thiết lập, phần mềm sẽ cắt mô hình thành hàng trăm hoặc hàng nghìn lớp mỏng và tạo ra một file G-code. File này chứa các chỉ dẫn chi tiết cho máy in về tọa độ di chuyển, lượng nhựa cần đùn, và các lệnh điều khiển khác. Cuối cùng, file G-code được nạp vào máy in qua thẻ SD hoặc kết nối USB để bắt đầu quá trình in.

5.1. Hướng dẫn sử dụng phần mềm Ultimaker Cura để tạo G code

Ultimaker Cura là một trong những phần mềm cắt lớp phổ biến và mạnh mẽ nhất hiện nay. Giao diện của nó trực quan và cung cấp cả chế độ cơ bản lẫn nâng cao. Quy trình tạo G-code trên Cura bao gồm các bước: (1) Nhập file STL vào không gian làm việc. (2) Chọn cấu hình máy in và vật liệu (nhựa PLA). (3) Thiết lập các thông số in cơ bản như chất lượng (chiều cao lớp in), mật độ infill và có cần support hay không. (4) Tinh chỉnh các thông số nâng cao như tốc độ di chuyển, chế độ làm mát, và kiểu bám dính bàn in (skirt, brim, hoặc raft). Một tính năng quan trọng là khả năng xem trước (preview) quá trình in từng lớp, giúp người dùng kiểm tra các đường chạy của đầu phun và phát hiện các vấn đề tiềm ẩn trước khi in thật. Việc thử nghiệm và lưu lại các bộ thông số (profile) hiệu quả cho từng loại vật liệu là bí quyết để tối ưu hóa chất lượng in.

5.2. Đánh giá chất lượng sản phẩm và độ chính xác của máy in

Kết quả thực nghiệm là thước đo thành công của một đồ án tốt nghiệp máy in 3D. Theo báo cáo, chiếc máy in được chế tạo đã hoạt động ổn định, các cơ cấu truyền động trơn tru. Sản phẩm tạo ra đạt độ chính xác trên 95% so với mẫu thiết kế gốc, một con số rất ấn tượng đối với một dự án sinh viên. Chất lượng sản phẩm được đánh giá dựa trên nhiều yếu tố: độ mịn bề mặt, độ bám dính giữa các lớp, không có hiện tượng cong vênh (warping) hoặc lệch lớp (layer shifting), và kích thước hình học chính xác. Việc đạt được kết quả này cho thấy quá trình tính toán, thiết kế cơ khí, lựa chọn linh kiện và hiệu chỉnh phần mềm đã được thực hiện một cách cẩn thận. Những lỗi không đáng có đã được hạn chế tối đa, chứng tỏ sự thành công trong việc áp dụng lý thuyết vào mô hình thực tế.

VI. Tổng Kết Đồ Án Máy In 3D FDM Và Hướng Phát Triển Mới

Đồ án Thiết kế và chế tạo máy in 3D công nghệ FDM đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra. Sản phẩm cuối cùng là một chiếc máy in 3D hoạt động ổn định, có khả năng tạo ra các mẫu vật với độ chính xác cao, đáp ứng yêu cầu của một đồ án tốt nghiệp kỹ thuật. Quá trình thực hiện đã giúp nhóm sinh viên không chỉ củng cố kiến thức lý thuyết đã học mà còn tích lũy được vô số kinh nghiệm thực tiễn quý báu. Từ việc đọc bản vẽ kỹ thuật, lựa chọn linh kiện, lắp ráp cơ khí, đi dây điện cho đến cấu hình firmware và tối ưu thông số in, mỗi công đoạn đều mang lại những bài học giá trị. Đồ án cũng cho thấy tiềm năng to lớn của công nghệ in 3D trong giáo dục và sản xuất quy mô nhỏ. Mặc dù đã đạt được những thành công nhất định, mô hình vẫn còn những hạn chế và không gian để phát triển. Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc nâng cao tốc độ in, cải thiện độ phân giải, tích hợp các tính năng thông minh như tự động cân bàn, cảm biến hết nhựa, hoặc khả năng in với nhiều loại vật liệu khác nhau. Những cải tiến này sẽ giúp chiếc máy trở nên tiện dụng và hiệu quả hơn, tiếp tục là một công cụ học tập và nghiên cứu hữu ích.

6.1. Những kinh nghiệm thực tiễn rút ra từ quá trình chế tạo

Quá trình thực hiện đồ án đã mang lại nhiều kinh nghiệm thực tiễn không thể có được từ sách vở. Sinh viên đã học được cách làm việc nhóm hiệu quả, phân chia công việc hợp lý và phối hợp giải quyết các vấn đề kỹ thuật phát sinh. Kinh nghiệm về lựa chọn và đặt hàng linh kiện, xử lý các sai số trong gia công cơ khí, và kỹ năng khắc phục sự cố (troubleshooting) là những tài sản quý giá. Ví dụ, việc xác định nguyên nhân gây ra hiện tượng kẹt nhựa, lệch lớp hay bề mặt in không mịn đòi hỏi sự quan sát tỉ mỉ và tư duy logic. Thông qua đồ án, sinh viên đã hiểu rõ rằng để một hệ thống tự động hoạt động trơn tru, sự chính xác và đồng bộ từ khâu nhỏ nhất là vô cùng quan trọng. Đây chính là tinh thần của một kỹ sư tự động hóa.

6.2. Tiềm năng nâng cấp và cải tiến cho mô hình máy in 3D

Mô hình máy in 3D FDM hiện tại là một nền tảng vững chắc để tiếp tục nghiên cứu và phát triển. Một trong những hướng cải tiến quan trọng là nâng cấp bộ điều khiển lên các bo mạch 32-bit (như SKR hoặc Duet) để xử lý các chuyển động phức tạp mượt mà hơn và cho phép tốc độ in cao hơn. Thêm vào đó, việc tích hợp cảm biến cân bàn tự động (như BLTouch) sẽ giúp loại bỏ bước cân bàn thủ công tốn thời gian và dễ sai sót, đảm bảo lớp in đầu tiên luôn hoàn hảo. Một hướng phát triển khác là thiết kế đầu đùn nhựa có khả năng thay đổi vòi phun nhanh hoặc đầu đùn kép để có thể in hai màu hoặc kết hợp vật liệu in chính với vật liệu hỗ trợ hòa tan. Ngoài ra, việc bổ sung một bộ nguồn dự phòng, như đề xuất trong tài liệu, cũng là một tính năng hữu ích để máy có thể tiếp tục in sau khi mất điện đột ngột, tránh lãng phí thời gian và vật liệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Giới thiệu về công nghệ in FDM và nhựa PLA: 1. Công nghệ in FDM: Công nghệ in 3D FDM được phát triển bởi S. Scott Crump vào cuối những năm 1980.

Hãng Stratasys bán chiếc máy sử dụng công nghệ FDM đầu tiên có tên “3D Modeler” năm 1992. Máy in 3D dùng công nghệ FDM xây dựng mẫu bằng cách đùn nhựa nóng chảy rồi hoá rắn từng lớp tạo nên cấu trúc chi tiết dạng khối. Phương pháp này được thương mại hóa bởi công ty Stratasys vào năm 1989. Công nghệ FDM của Stratasys đến nay đã trở thành một công nghệ ở tầm cỡ công nghiệp.

Công nghệ tạo mẫu nhanh hỗ trợ rất nhiều cho người thiết kế và những nhà sản xuất có thể kiểm tra các chi tiết hay hệ thống được thiết kế trước khi được cấp vốn để sản xuất hàng loạt. Các công nghệ tạo mẫu nhanh đã giúp các nhà sản xuất đẩy mạnh việc thiết kế sản phẩm, hạn chế các sai sót không đáng có trong quá trình thiết kế và sản xuất. Về cơ bản công nghệ tao mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu sản phẩm giúp người sản xuất quan sát nhanh sản phẩm cuối cùng. Quá trình tạo mẫu được hỗ trợ bởi các phần mềm CAD giúp thiết kế nhanh sản phẩm, các phần mềm cắt lớp, tạo đường chuyển động.

Thời gian in phụ thuộc vào kích thước và độ phức tạp của một đối tượng in. Các đồ vật nhỏ có thể in tương đối nhanh chóng trong khi các bộ phận phức tạp đòi hỏi nhiều thời gian hơn. Vì giá thành máy và vật liệu in 3D rẻ, nên công nghệ này đang là công nghệ in 3D phát triển mạnh nhất, phổ biến nhất hiện nay. Đặc điểm của công nghệ tạo mẫu nhanh là: - Thực hiện tạo mẫu trong thời gian ngắn, đây chính là điểm mạnh của phương pháp này.

- Sản phẩm của quá trình tạo mẫu nhanh có thể dùng để kiểm tra các mẫu được sản xuất bằng các phương pháp khác. - Mẫu tạo ra có thể dùng hỗ trợ cho quá trình sản xuất. Sinh viên thực hiện: Trần Văn Mới Người hướng dẫn: ThS. Dương Quang Thiện 2 Phan Thế Nhân Thiết kế và chế tạo máy in 3D công nghệ FDM Hình 1.1: Nguyên lý công nghệ FDM 1.

Nhựa PLA: Nhựa PLA là tên viết tắt của “Polylactic Acid”. Đây là một loại nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học có nguồn gốc từ các nguồn tái tạo. Thành phần của nhựa này gồm nhiều phụ gia như bột ngô, mía, củ sắn hoặc thậm chí tinh bột khoai tây. Nhựa in PLA là một trong những nhựa in 3D FDM phổ biến trên thị trường.

Loại nhựa này có giá thành khá thấp, dễ in và có nhiều màu sắc rực rỡ. Nhựa PLA được sản xuất bằng phương pháp trùng ngưng axit lactic. tiêu tốn ít hơn 68% tài nguyên nhiên liệu so với sản xuất nhựa truyền thống. Ở điều kiện thích hợp, sản phẩm được làm từ PLA sau khi sử dụng có thể hoàn toàn bị phân hủy bởi các vi sinh vật trong tự nhiên, cuối cùng tạo ra cacbon dioxide và nước, không gây ô nhiễm, thuận lợi cho việc bảo vệ môi trường.

Tính chất cơ học và vật lý của PLA: − PLA là một loại nhựa nhiệt dẻo. Vì vậy nó có nhiệt độ nóng chảy trong khoảng 190oC – 220oC − Cũng giống với các loại nhựa in khác. PLA có khả năng sử dụng tốt cho mọi loại máy in. − Vật liệu in 3D này cũng có độ đàn hồi khá tốt.

Ngoài ra nó còn có tính mềm, dẻo vượt trội. − Màu sắc in của vật liệu này đa dạng. Khách hàng có thể tùy ý lựa chọn sao cho phù hợp. − Đặc biệt là khả năng lặp lại nhiều lần quá trình chảy mềm dưới tác dụng nhiệt và trở nên rắn khi được làm nguội.

Trong quá trình tác động nhiệt, nó chỉ thay đổi tính chất vật lý và không bị thay đổi tính chất hóa học. Do đặc tính như vậy nên là nó có khả năng tái sinh nhiều lần. Vì vậy những phế phẩm phát sinh trong quá trình sản xuất đều có khả năng tái chế được. Sinh viên thực hiện: Trần Văn Mới Người hướng dẫn: ThS.

Dương Quang Thiện 3 Phan Thế Nhân Thiết kế và chế tạo máy in 3D công nghệ FDM Ưu điểm: − PLA được sản xuất từ các thành phần có nguồn gốc từ nguyên liệu tái tạo tự nhiên. Ví dụ như là tinh bột ngô, củ sắn, mía và cả tinh bột khoai tây… Nó rất thân thiện với môi trường, an toàn cho người sử dụng. Vì vậy PLA rất thích hợp để sản xuất ra các đồ dùng hàng ngày. Các sản phẩm trong lĩnh vực y tế.

− Vì là loại nguyên liệu tái sinh. Do đó sau quá trình sử dụng thì các sản phẩm tạo thành từ hạt PLA sẽ được các vi sinh vật phân hủy thành các sinh khối. Sau đó từ các nơi xử lý rác thải chúng được dùng như là phân bón vi sinh trên cây − Loại PLA chuyển hóa thành phân bón sinh học sau khi được xử lý phân hủy sinh học công nghiệp. Bề mặt nó thẩm thấu tốt giúp cho vi sinh vật dễ xâm nhập để thúc đẩy quá trình phân hủy tự nhiên.

Ở điều kiện thích hợp, dưới tác động của các loại vi sinh vật. PLA có thể phân hủy thành Carbon Dioxide (CO2), nước và mùn sinh học. Các chất này rất tốt cho cây và đặc biệt là không gây ô nhiễm môi trường. − Loại nhựa này không tạo ra các chất bay hơi độc hại khi đốt.

Các loại nhựa truyền thống thường có mùi khó chịu và gây ô nhiễm môi trường. − PLA có thời gian phân hủy ngắn, có thể chỉ vài tháng hoặc là vài năm. Trong khi đó thời gian phân hủy của nhựa truyền thống có thể lên đến hàng trăm năm, có thể là hàng nghìn năm. Những hạn chế: − Việc sản xuất phụ thuộc vào những cánh đồng bắp lớn.

− Vì nhựa bắp được sản xuất từ những cánh đồng bắp, do đó ngành sản xuất này có thể sẽ cạnh tranh với việc sử dụng bắp như một nguồn thực phẩm. Tuy nhiên, ngành công nghiệp nhựa sinh học vẫn còn non trẻ. Trong tương lai gần, chúng ta hoàn toàn có thể tạo ra nhựa PLA từ những phế thải nông nghiệp như thân và rễ cây bắp. Sinh viên thực hiện: Trần Văn Mới Người hướng dẫn: ThS.

Dương Quang Thiện 4 Phan Thế Nhân Thiết kế và chế tạo máy in 3D công nghệ FDM Hình 1.2: Nhựa PLA đa màu sắc 1. Một số công nghệ và loại nhựa khác: 1. Công nghệ in SLA: Công nghệ in 3D SLA sử dụng tia UV để làm đông đặc những lớp in từ vật liệu nhựa lỏng với các lớp in có thể đạt mức 0. Công nghệ này dùng để tạo các sản phẩm yêu cầu về độ chính xác cao, độ mịn bề mặt và tính thẩm mỹ cao như lĩnh vực về y tế nha khoa, trang sức và mỹ nghệ.

SLA là công nghệ in 3D giúp người dùng kiểm tra nhanh các mẫu thiết kế, đảm bảo độ chính xác cao trước khi bước vào công đoạn sản xuất hàng loạt. SLA được ứng dụng nhiều trong các nhà máy sản xuất giày dép gia công cho những thương hiệu nổi tiếng như Nike, Adidas để thực hiện công đoạn in 3D khuôn giày và tạo mẫu nhanh đế giày.3: Cấu trúc công nghệ in SLA 1. Công nghệ in SLM: Công nghệ in 3D kim loại SLM sử dụng các vật liệu như bột titan, bột đồng, bột nhôm, bột thép để làm vật liệu in 3D sản phẩm. Công nghệ SLM sử dụng tia UV, tia laser cường độ lớn để thêu kết từng lớp vật liệu để thiết kế sản phẩm.

SLM là công nghệ được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không vũ trụ hay ngành công nghiệp năng lượng bởi những hạn chế của phương pháp truyền thống. Sinh viên thực hiện: Trần Văn Mới Người hướng dẫn: ThS. Dương Quang Thiện 5 Phan Thế Nhân Thiết kế và chế tạo máy in 3D công nghệ FDM Công nghệ in 3D SLM được dùng tạo ra các chi tiết có cấu trúc phức tạp với thành mỏng, kết cấu ẩn hay có rãnh trống. Mặc dùng có hiệu quả tạo mẫu nhanh và đáp ứng được yêu cầu cao, tuy nhiên công nghệ SLM có giá thành cao nên hiện tại chỉ mới áp dụng vào lĩnh vực nha khoa thẩm mỹ tại Việt Nam.

Về cơ bản nguyên lý hoạt động của SLM khá tương tự với công nghệ in SLS, chỉ khác vật liệu là kim loại dạng bột và có thêm bộ khung sản phẩm được thêm vào để tránh sản phẩm bị cong vênh do chế tạo ở nhiệt độ cao.4: Cấu tạo công nghệ in SLM 1. Công nghệ in SLS: SLS (Selective Laser Sintering) là một kỹ thuật của công nghệ in 3D sử dụng tia laser năng lượng cao để thiêu kết vật liệu polymer dạng bột, vật liệu liên kết với nhau theo nguyên lý đắp lớp để tạo nên một kết cấu 3D vững chắc. Phương pháp SLS sử dụng tính chất của vật liệu bột là có thể hóa rắn dưới tác dụng của nhiệt (như nylon, elastomer, kim loại). Một lớp mỏng của bột nguyên liệu được trải trên bề mặt của xy lanh công tác bằng một trống định mức.

Sau đó, tia laser hóa rắn (kết tinh) phần bột nằm trong đường biên của mặt cắt (không thực sự làm chảy chất bột), làm cho chúng dính chặt ở những chỗ có bề mặt tiếp xúc. Trong một số trường hợp, quá trình nung chảy hoàn toàn hạt bột vật liệu được áp dụng. Quá trình kết tinh có thể được điều khiển tương tự như quá trình polymer hoá trong phương pháp tạo hình lập thể SLA. Sau đó xy lanh hạ xuống một khoảng cách bằng độ dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu được đưa vào và quá trình được lặp lại cho đến khi chi tiết được hoàn thành.

Sinh viên thực hiện: Trần Văn Mới Người hướng dẫn: ThS. Dương Quang Thiện 6 Phan Thế Nhân Thiết kế và chế tạo máy in 3D công nghệ FDM Trong quá trình chế tạo, những phần vật liệu không nằm trong đường bao mặt cắt sẽ được lấy ra sau khi hoàn thành chi tiết, và được xem như bộ phận phụ trợ để cho lớp mới được xây dựng. Điều này có thể làm giảm thời gian chế tạo chi tiết khi dùng phương pháp này. Phương pháp SLS có thể được áp dụng với nhiều loại vật liệu khác nhau: Policabonate, PVC, ABS, nylon, sáp… Những chi tiết được chế tạo bằng phương pháp SLS tương đối nhám và có những lỗ hỗng nhỏ trên bề mặt nên cần phải xử lý sau khi chế tạo (xử lý tinh).5: Cấu tạo công nghệ in SLS 1.

Giới thiệu một số máy in 3D: 1.