Đề tài NCKH: Nghiên cứu, thiết kế máy in 3D và ứng dụng tạo mẫu cho phương pháp đúc

Toàn văn đề tài nghiên cứu chi tiết về thiết kế, chế tạo máy in 3D và ứng dụng tạo mẫu nhanh cho phương pháp đúc, kèm tính toán và quy trình cụ thể.

• Tác giả: Phạm Ngọc Hiếu
• Người hướng dẫn: Thạc Sĩ Nguyễn Thanh Tân
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo máy in 3D và ứng dụng tạo mẫu cho phương pháp đúc
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học của sinh viên
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về công nghệ máy in 3D

Máy in 3D là một trong những công nghệ tiên tiến nhất hiện nay, cho phép chế tạo các vật thể ba chiều từ các tệp kỹ thuật số. Công nghệ này đã cách mạng hóa quá trình sản xuất, đặc biệt trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh. Có ba công nghệ in 3D chính được sử dụng rộng rãi: công nghệ SLA (Stereolithography) sử dụng laser để cứng hóa nhựa lỏng, công nghệ 3DP (3D Printing) phun keo lên bột, và công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) đúc chảy vật liệu. Mỗi công nghệ có những ưu điểm riêng và phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Máy in 3D dạng Cartesian, Delta và Polar là ba kiểu cấu trúc phổ biến, mỗi loại có đặc tính khác nhau về tốc độ, độ chính xác và phạm vi hoạt động.

1.1. Các công nghệ in 3D hiện nay

Công nghệ SLA cung cấp độ chính xác cao nhất với độ phân giải vi mô. Công nghệ 3DP tương đối nhanh và chi phí thấp. Công nghệ FDM phổ biến nhất, dễ sử dụng và giá thành hợp lý. Mỗi công nghệ có ứng dụng riêng trong sản xuất mẫu thử nghiệm và tạo mẫu cho đúc.

1.2. Các loại máy in 3D theo cấu trúc

Máy in 3D Cartesian có cấu trúc đơn giản với ba trục X, Y, Z vuông góc nhau. Máy in Delta có hình dáng đặc biệt với ba cánh tay song song, cho phép in nhanh hơn. Máy in Polar sử dụng hệ tọa độ cực, phù hợp cho những ứng dụng chuyên biệt.

II. Thiết kế và chế tạo máy in 3D

Thiết kế máy in 3D yêu cầu tính toán kỹ lưỡng các thành phần cơ khí, điện tử và điều khiển. Khung máy phải có độ cứng cao để đảm bảo độ chính xác, sử dụng truyền động vitme-đai ốc hoặc truyền động đai để chuyển động trục. Động cơ bước được lựa chọn để kiểm soát chuyển động chính xác, thường là động cơ NEMA 17 hoặc NEMA 23. Hệ thống điều khiển sử dụng Arduino Mega 2560 kết hợp với mạch RAMPS 1.4 và driver A4988 để điều khiển động cơ bước. Đầu phun gia nhiệt duy trì nhiệt độ tối ưu, trong khi cảm biến nhiệt độ theo dõi nhiệt độ thực tế của đầu in và bàn nhiệt. Firmware Marlin được nạp để quản lý toàn bộ hoạt động của máy.

2.1. Tính toán thiết kế cơ khí

Trục X, Y, Z được tính toán dựa trên yêu cầu chuyển động và tải trọng. Vitme bi cung cấp hiệu suất cao, giảm ma sát. Ray trượt dẫn hướng đảm bảo chuyển động mượt mà. Động cơ bước lựa chọn dựa trên mô-men xoắn cần thiết và tốc độ mong muốn. Công suất được tính toán để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

2.2. Hệ thống điều khiển và firmware

Mạch Arduino Mega 2560 là bộ vi xử lý chính quản lý tất cả các hoạt động. Mạch RAMPS 1.4 cung cấp các cổng kết nối cho driver A4988. Firmware Marlin được cấu hình để tối ưu hóa chuyển động và quản lý nhiệt độ. Cảm biến nhiệt độ cung cấp phản hồi cho hệ thống PID điều khiển nhiệt.

III. Ứng dụng tạo mẫu nhanh cho ngành đúc

Tạo mẫu nhanh bằng máy in 3D đã mang lại t革新 cho ngành đúc. Thay vì gia công mẫu vật đúc bằng phương pháp truyền thống như tiện, phay, in 3D cho phép chế tạo vật mẫu phức tạp trong thời gian ngắn hơn. Quy trình đúc bao gồm: thiết kế khuôn đúc, in vật mẫu từ máy in 3D, tạo khuôn cát, rót kim loại nóng chảy vào khuôn. Vật mẫu in 3D có đặc tính: dễ loại bỏ khỏi khuôn cát, cho phép tạo các chi tiết phức tạp không thể gia công truyền thống. Vật liệu in được lựa chọn sao cho có tính chất cơ học phù hợp và dễ loại bỏ. Tính chính xác của sản phẩm đúc phụ thuộc vào độ chính xác của mẫu in 3D. Lượng dư gia công được tính toán theo tiêu chuẩn đúc để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

3.1. Quy trình chế tạo mẫu nhanh bằng đúc

Quy trình đúc bắt đầu từ thiết kế vật mẫu trên máy tính, in từ máy in 3D, tạo khuôn cát xung quanh vật mẫu. Khuôn đúc được lắp ráp với phễu rót và đậu hơi. Kim loại nóng chảy được rót vào khuôn, sau đó làm nguội. Cuối cùng, khuôn cát được phá để lấy sản phẩm đúc. Phương pháp này rút ngắn thời gian chế tạo mẫu so với gia công truyền thống.

3.2. Tính toán và kiểm soát chất lượng sản phẩm đúc

Lượng dư gia công được xác định theo cấp chính xác đúc. Sai lệch cho phép kích thước được tính toán dựa trên tiêu chuẩn ISO. Vật mẫu in 3D phải đạt độ chính xác cao để sản phẩm đúc cuối cùng có thể sử dụng được sau gia công. Kiểm tra mẫu in trước đúc giúp phát hiện sai sót sớm.

IV. Kết quả thực tiễn và ứng dụng công nghiệp

Đề tài nghiên cứu thiết kế máy in 3D đã đạt được những kết quả đáng kể trong thực tiễn. Máy in 3D được chế tạo hoạt động ổn định với độ chính xác cao, có khả năng in vật mẫu phục vụ cho ngành đúc. Các sản phẩm đúc được tạo từ mẫu in 3D đạt tiêu chuẩn chất lượng, chứng minh tính khả thi của phương pháp này. Ứng dụng của máy in 3D tạo mẫu không chỉ trong đúc mà còn trong các lĩnh vực khác như prototyping, mô phỏng y tế, kiến trúc. Thời gian chế tạo mẫu giảm từ vài tuần xuống còn vài ngày. Chi phí sản xuất mẫu thử nghiệm cũng giảm đáng kể. Công nghệ này mở ra cơ hội phát triển công nghiệp sản xuất hiện đại ở Việt Nam. Các doanh nghiệp đúc có thể nâng cao hiệu suất sản xuất và cạnh tranh trên thị trường toàn cầu.

4.1. Thành quả chế tạo máy in 3D

Máy in 3D được chế tạo thành công với đầy đủ các thành phần cơ khí, điều khiển, và hệ thống nhiệt. Độ chính xác đạt ±0,2mm cho các chi tiết nhỏ. Vật mẫu in có bề mặt mượt mà, kích thước chính xác. Máy hoạt động ổn định trong thời gian dài, đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tiễn.

4.2. Triển vọng phát triển và ứng dụng tương lai

Công nghệ máy in 3D tạo mẫu có tiềm năng lớn trong công nghiệp sản xuất Việt Nam. Doanh nghiệp đúc có thể áp dụng để nâng cao tính cạnh tranh. Ngoài đúc, công nghệ còn ứng dụng trong y tế, kiến trúc, điện tử. Tương lai sẽ thấy máy in 3D trở thành công cụ thiết yếu trong các xưởng sản xuất hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Công nghệ in 3D đang là một trong những xu hướng phát triển mới của khoa học và kỹ thuật hiện đại. Hiện nay trên thế giới, công nghệ in 3D đã được ứng dụng trong việc tạo sản phẩm phục vụ đời sống-xã hội. Một số sản phẩm được tạo bằng công nghệ in 3D trong một số lĩnh vực như thiết kế thời trang, linh kiện thay thế, thực phẩm, công nghiệp, xây dựng và y học. Trong các ứng dụng đó thì việc tạo mô hình 3D trực quan để phục vụ đào tạo, tạo mẫu thiết kế được chú trọng, một số mô hình 3D được tạo bằng máy in 3D dùng để phục vụ đào tạo được thể hiện như in các chi tiết hình hộp giảm tốc (hình 2-1).1 Chi tiết hộp giảm tốc Công nghệ in 3D là một công nghệ tạo mẫu tiên tiến.

Các sản phẩm máy in thương mại được sản xuất không những bởi các công ty, tập đoàn như 3D system, Stratasys, Z Corporation mà còn bởi các trường đại học như Đại học Cardiff ở nước Anh. Tại Phòng thí nghiệm sản xuất phụ trợ, Đại học Cardiff, các nghiên cứu về máy in cho các sản phẩm bằng nhựa và kim loại đã được nghiên cứu từ những năm 90 của thế kỷ XX. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về tạo mẫu để ứng dụng trong công nghiệp đã được chú trọng, nhiều tác giả, cơ sở sản xuất đã đề xuất nghiên cứu chế tạo máy in 3D như nhóm nghiên cứu thuộc Bộ môn Cơ khí chính xác và quang học (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) đã thiết kế chế tạo thử nghiệm thành công máy in chi tiết nhựa 3D. Máy in 3D 3DMaker® GEM do Công ty cổ phần 3Dmaker (TP Hồ Chí Minh) thiết kế và chế tạo dựa theo công nghệ in 3D-DLP.

Công nghệ in 3D 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 3 loạt. Các công nghệ in 3D 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 in 3D 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. Đặc điểm của công nghệ in 3D là: - Thực hiện tạo mẫu trong thời gian ngắn, đây chính là điểm mạnh của phương pháp này. - Sản phẩm của quá trình in 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.

Một số công nghệ in 3D 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 [1].2 Công nghệ 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.

Công nghệ 3DP Công nghệ in chiều được phát triển ở khoa kỹ thuật cơ khí viện công nghệ MIT.3 Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu 3DP Đầu phun sẽ phun dung dịch keo kế dính trên bề mặt lớp nền bột vật liệu chế tạo. Bột sẽ kết dính với nhau ở những vị trí có keo dính. Sau khi lớp đầu tiên hoàn thành piston chế tạo sẽ đi xuống một khoảng bằng bề dày một lớp. Piston phân phối bột đi lên, con lăn chạy qua đẩy bột cung cấp tiếp tục cho quá trình.

Quá trình được lặp lại cho đến khi toàn bộ vật thể được chế tạo xong trong nền bột. Công nghệ FDM Công nghệ in FDM được sử dụng khá nhiều trong các loại máy in hiện nay với kết cấu đơn giản, vật liệu dễ tìm [3]. Công nghệ in FDM Nguyên lý hoạt động: Ở vị trí ban đầu bàn in cách đầu phun nhiệt một khoảng bằng chiều dày lớp in. Sợi nhựa được đưa vào kim phun nhờ hệ thồng tời nhựa bằng cặp bánh răng một cách liên tục.

Tại đầu phun nhựa, nhựa được nung nóng tới khoảng nhiệt độ thích hợp bởi bộ phận gia nhiệt. Nhựa nóng chảy được đùn ra theo biên dạng dịch chuyển của đầu phun. Sau khi lớp thứ nhất hoàn thành bàn máy dịch xuống một khoảng bằng chiều dày một lớp. Quá trình tiếp tục cho đến khi hoàn thành chi tiết.

Giới thiệu một số mẫu máy in 3D 2. Máy in 3D theo dạng Cartesian Hình 2. Máy in 3D dạng Cartesian 7 Là các máy in 3D di chuyển đầu đùn nhựa nhờ các chuyển động theo phương X, Y, Z trong hệ tọa độ Cartesian. Đại diện tiêu biểu dòng máy in 3D mã nguồn mở loại Cartesian chính là Prusa i3 hay Mendel [4].

Cho đến nay, máy in 3D Cartesian bao gồm phần lớn máy in 3D FDM để bàn và thương mại được sử dụng rộng rãi. Phương án thiết kế máy in này dựa trên hệ tọa độ Cartesian, đây là một trong những hệ tọa độ cơ bản nhất được sử dụng trong một loạt các ứng dụng công nghiệp và học thuật. Hệ tọa độ Cartesian sử dụng ba số để xác định vị trí của một điểm trong không gian X, Y và Z. Trình tự của những con số này rất quan trọng, vì chúng là một tiêu chuẩn công nghiệp.

Nói một cách đơn giản, số X và Y xác định vị trí bên và dọc của một điểm, trong khi số Z xác định độ cao của nó. Trong máy in 3D Cartesian tiêu chuẩn, mỗi lớp được in bằng tọa độ X và Y của mỗi điểm trước khi đầu in di chuyển lên theo chiều cao một lớp. Sau đó, nó tiến hành in lớp tiếp theo tương ứng với tọa độ Z của chiều cao hiện tại của đầu in. Hầu hết những nỗ lực của ngành in 3D đã đi vào việc tạo ra các máy in 3D Cartesian sáng tạo và thân thiện hơn với người dùng.

Ngày nay, máy in 3D Cartesian có thể được mua trong bộ dụng cụ lắp ráp hoàn chỉnh, sẵn sàng sử dụng. Với thiết lập tối thiểu, chúng ta có thể in bằng máy in 3D Cartesian trong vài phút. Máy in 3D theo dạng Delta Hình 2. Máy in 3D dạng Delta 8 Là các máy in 3D di chuyển đầu đùn nhựa theo nguyên lý của robot delta (robot song song).

Đại diện tiêu biểu cho dòng máy in mã nguồn mở dạng Delta là Delta robot 3D printer [4]. Máy in Delta 3D rất dễ nhận biết chỉ bằng sự xuất hiện của chúng. Trong máy in 3D Delta, máy đùn được treo không phải từ phía trên, mà bởi vị trí ba cánh tay trong cấu hình hình tam giác. Ba cánh tay đẩy và kéo vào máy đùn để định vị nó theo mô hình được in.

Mặc dù cấu hình khác thường của máy in Delta 3D, nó vẫn xây dựng các bản in theo hệ thống tọa độ của Cartesian. Thay vì định vị đầu in theo các vị trí x, y và z, mỗi ba cánh tay sẽ thay đổi góc của nó để định vị đầu in trên nền tảng xây dựng theo mô hình. Đánh vào vị trí chính xác được thực hiện bởi một loạt các hàm lượng giác xem xét góc của tất cả các nhánh định vị. Do cấu trúc hình tam giác, Máy in Delta 3D thường có nền tảng xây dựng hình tròn giúp chúng phù hợp hơn cho bản in tròn.

Máy in 3D theo dạng Polar Hình 2.7 Máy in 3D dạng Polar Loại máy in 3D này mới và ít phổ biến hơn hai loại trên. Đầu đùn nhựa di chuyển theo nguyên lý của tọa độ cực. Đây vẫn được coi là một thiết kế mới nổi, nhưng ngày càng nhiều chuyên gia in 3D bắt đầu nhận ra lợi thế của nó có thể như thế nào. Thay vì sử dụng hệ tọa độ Descartes, Máy in 3D Polar sử dụng hệ tọa độ cực.

Trong hệ thống 9 này, các điểm được xác định chỉ sử dụng hai số: một góc trong không gian 3D và khoảng cách (hoặc bán kính) từ một trung tâm được xác định trước [5]. Các cơ chế di chuyển rất khác so với những gì chúng ta thường thấy trong Máy in 3D của Cartesian. Thay vì nền tảng xây dựng cố định, giường in của máy in 3D Polar có thể xoay, di chuyển sang trái và phải hoặc di chuyển qua lại. Điều này làm cho nó có thể có một chiếc giường in gần như đứng yên - nó chỉ di chuyển lên và xuống khi chuyển sang lớp khác.

Thiết kế rất khéo léo này cho phép máy in 3D Polar tạo ra khối lượng xây dựng lớn bằng cách sử dụng một không gian nhỏ hơn nhiều. Việc thực hiện dự án máy in 3D lần này nhóm tác giả nghiên cứu vận dụng tổng hợp lý thuyết về đặc điểm của các loại vật liệu chế tạo máy, các phương pháp gia công, chế tạo phôi được học trong môn học Kỹ thuật chế tạo trong kỳ này. Đồng thời kết hợp với kiến thức tổng hợp về phần điện tử, vi mạch được học ở các kỳ trước cùng với việc tự nghiên cứu của nhóm để tạo ra được một chiếc máy in 3D hoàn chỉnh đáp ứng được yêu cầu về tính linh hoạt cũng như về chi phí mà nhóm đã đề ra lúc đầu. Ngoài ra nhóm còn vận dụng kiến thức về việc bố trí và sắp xếp các linh kiện trong chiếc máy in 3D để phù hợp không gian học tập của các bạn sinh viên để mang lại hiệu quả tối ưu nhất cho hệ thống.

Kết luận Ta có bảng thống kê ưu nhược điểm của cả 3 phương án thiết kế như sau [4]: Phương pháp STT Ưu điểm Nhược điểm thiết kế Lắp ráp, căn chỉnh và Khối lượng các cơ bảo dưỡng dễ dàng. cấu đi động lớn, Cộng đồng mã nguồn nên tốc độ in không mở lớn. cao và gây ồn. Phù hợp với người bắt Khi hoạt động máy 1 Cartesian đầu làm quen với công thường bị rung và nghệ in 3D, đặc biệt là do vậy làm giảm độ sinh viên khối ngành kỹ chính xác.