Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping) nói chung và công nghệ in 3D nói riêng ra đời từ những năm 1980, làm biến đổi phương thức chế tạo truyền thống trong các lĩnh vực kiến trúc, y học, may mặc và sản xuất công nghiệp. Tại thời điểm nghiên cứu (giai đoạn cuối năm 2015 - đầu năm 2016), thị trường in 3D tại Việt Nam mới ở giai đoạn sơ khởi, máy in nhập khẩu thương mại có giá thành rất cao, gây cản trở cho khả năng tiếp cận công nghệ của sinh viên và người dùng cá nhân. Trước thực trạng đó, đề tài đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, thi công mô hình máy in 3D dùng kit Arduino" được thực hiện nhằm nghiên cứu làm chủ kỹ thuật chế tạo một máy in 3D giá thành thấp, dễ vận hành, dựa trên cấu trúc cơ khí nguồn mở và các linh kiện điện tử - cơ khí sẵn có trên thị trường.

Mục đích và mục tiêu của đề tài được tác giả xác định cụ thể như sau:

  • Mục đích tổng quát: Tiếp cận công nghệ in 3D; chế tạo được máy in 3D giá thành rẻ, dễ sử dụng.
  • Mục tiêu cụ thể:
    1. Chế tạo hoàn chỉnh máy in 3D dạng Prusa i3.
    2. In được vật thể với kích thước tối đa 200 x 200 x 200 mm, đảm bảo sai số kích thước cho phép dưới 0,2 mm.

Về nhiệm vụ nghiên cứu, đề tài được triển khai qua 4 nhiệm vụ cụ thể:

  • Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu lý thuyết về công nghệ in 3D, tham khảo tài liệu, đồ án liên quan tới máy in 3D.
  • Nhiệm vụ 2: Thiết kế, thi công phần cứng, tìm kiếm giải pháp tối ưu khi thực hiện.
  • Nhiệm vụ 3: Tiến hành lập trình cho hệ thống.
  • Nhiệm vụ 4: Chạy thử nghiệm, kiểm tra sản phẩm, khắc phục lỗi và viết báo cáo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình máy in 3D RepRap dạng Prusa i3 sử dụng công nghệ đùn ép sợi nhựa nóng chảy (FDM); hệ thống điều khiển chuyển động đa trục bằng vi điều khiển và phần mềm mã nguồn mở.
  • Phạm vi không gian: Đồ án được nghiên cứu và thực hiện tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài tiến hành trong khoảng thời gian từ ngày 01/10/2015 đến ngày 22/01/2016.
  • Giới hạn kỹ thuật: Nghiên cứu cấu trúc máy in 3D RepRap dạng Prusa i3; điều khiển hệ thống dựa trên nền tảng phần cứng Arduino Mega 2560, bo mạch mở rộng RAMPS 1.4, firmware Marlin và phần mềm cắt lớp Cura; vật liệu in thử nghiệm là sợi nhựa PLA và ABS đường kính 1,75 mm hoặc 3 mm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, tác giả xây dựng đề tài dựa trên nguyên lý tạo hình đắp lớp (Additive Manufacturing) của công nghệ in 3D. Khi hoạt động, sợi vật liệu nhựa đầu vào đi qua đầu đùn (print head), được nung chảy trong ống nhiệt và đùn qua đầu kim in thành các đường sợi có kích thước 0,1 mm để xếp chồng từng lớp theo mô hình số hóa. Đề tài khảo sát hai loại vật liệu in chính:

  • Nhựa ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene): Loại nhựa có gốc hóa học, hoạt hóa ở nhiệt độ cao, độ bền cơ học tốt, thường dùng sản xuất đồ chơi Lego.
  • Nhựa PLA (Polylactic Acid): Loại nhựa có nguồn gốc sinh học tự nhiên (chiết xuất từ ngô, mía), có độ cứng và độ bóng cao hơn ABS, khả năng phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường.

Về cơ học chuyển động, hệ thống hoạt động trong không gian 3 chiều theo hệ tọa độ Descartes (X, Y, Z):

  • Trục X: Cụm đầu in chuyển động ngang tịnh tiến nhờ 1 động cơ bước đặt nằm ngang thông qua dây đai răng GT2.
  • Trục Y: Bàn in chuyển động tịnh tiến tới - lui nhờ 1 động cơ bước đặt ngang kéo dây đai răng GT2 dọc theo thanh trượt.
  • Trục Z: Cụm đầu in dịch chuyển tịnh tiến thẳng đứng (lên - xuống) nhờ 2 động cơ bước trục đứng điều khiển đồng bộ 2 trục vít me (ti ren).

Cơ sở lý thuyết về động cơ bước được phân tích chi tiết gồm động cơ đơn cực, lưỡng cực và động cơ bước kiểu lai (hybrid stepper motor). Tác giả lựa chọn động cơ bước kiểu lai lưỡng cực NEMA 17 có góc bước 1,8°/bước (tương ứng 200 bước/vòng). Bốn chế độ điều khiển động cơ bước được xem xét gồm:

  • Dạng sóng (Wave drive): Kích hoạt tuần tự 1 cuộn dây tại một thời điểm, moment thấp do chỉ tận dụng 25% đến 50% dây quấn.
  • Bước nguyên (Full step drive): Kích hoạt đồng thời 2 pha, moment cao hơn Wave drive.
  • Nửa bước (Half step drive): Kết hợp xen kẽ giữa Wave drive và Full step drive, góc quay dịch chuyển nửa bước.
  • Vi bước (Microstepping): Điều chế điện áp trên các mấu cuộn dây theo dạng sóng sin lệch pha để chia nhỏ góc bước, giúp động cơ chuyển động mịn màng và giảm hiện tượng rung giật.

Phương pháp nghiên cứu được tác giả ứng dụng:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu kỹ thuật về kiến trúc máy in 3D mã nguồn mở RepRap Prusa i3 Rework; cấu trúc vi điều khiển AVR ATmega2560; giao tiếp bo RAMPS 1.4; nguyên lý hoạt động của chip điều khiển động cơ bước A4988 và các tập lệnh G-code.
  • Phương pháp thiết kế module hóa: Tách hệ thống máy in thành các khối độc lập (khối xử lý trung tâm, khối cảm biến, khối hiển thị/điều khiển, khối nguồn và khối tải/chấp hành) để thuận tiện trong thi công và kiểm tra tín hiệu.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo cơ khí, đấu nối mạch điện tử, nạp firmware, hiệu chỉnh tham số phần mềm cắt lớp và in mẫu thực tế để đo đạc sai số cơ học.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án:

  • Bản vẽ thiết kế khung máy và linh kiện định vị theo giấy phép mã nguồn mở GPL của dự án Prusa Mendel i3.
  • Bảng thông số kỹ thuật của nhà sản xuất đối với vi điều khiển ATmega2560, driver Allegro A4988, bộ nguồn MeanWell NES-350-12 và đầu đùn J-Head All Metal E3D.
  • Dữ liệu thực nghiệm đo đạc từ các sản phẩm mẫu in được trên mô hình sau khi hoàn thiện.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Mô hình máy in 3D Prusa i3 được thiết kế tích hợp giữa kết cấu cơ khí chính xác, phần cứng điện tử điều khiển và hệ thống phần mềm nhúng.

Thiết kế phần cứng và sơ đồ khối

Hệ thống điều khiển máy in 3D được phân chia thành 5 khối chức năng chính:

  1. Khối cảm biến:
    • Cảm biến nhiệt độ: Sử dụng nhiệt điện trở (Thermistor) NTC 100k đo nhiệt độ tại đầu đùn và bàn gia nhiệt. Thermistor kết hợp với điện trở 4,7 kΩ trên bo mạch tạo thành cầu chia áp, cung cấp tín hiệu điện áp analog biến thiên theo nhiệt độ về chân T0, T1, T2 của vi điều khiển.
    • Công tắc hành trình (End-stop): Dùng để xác định tọa độ gốc ban đầu (vị trí Home/tọa độ 0) cho 3 trục X, Y, Z. Tác giả sử dụng loại công tắc cơ khí 3 chân, đấu nối qua chân chung Common (C) và chân thường đóng (NC). Khi trục chuyển động chạm công tắc, mạch hở/đóng tạo xung báo hiệu cho bộ điều khiển dừng trục.
  2. Khối xử lý trung tâm:
    • Bo mạch Arduino Mega 2560: Sử dụng vi điều khiển AVR ATmega2560 (tần số thạch anh 16 MHz, điện áp hoạt động 5V, bộ nhớ Flash 256 KB, SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB, 54 chân I/O số với 12 chân PWM, 16 chân ngõ vào analog).
    • Bo mạch mở rộng RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield): Gắn trực tiếp lên bo Arduino Mega 2560, tích hợp 5 khe cắm driver bước A4988, các ngõ ra điều khiển công suất bằng MOSFET (D8 cấp nguồn bàn nhiệt, D9 cấp nguồn quạt làm mát, D10 cấp nguồn đầu đùn), các hàng chân cắm tín hiệu end-stop, thermistor và nút nhấn Reset.
  3. Khối hiển thị và điều khiển:
    • Sử dụng bo điều khiển RAMPS LCD Controller, gồm màn hình LCD ký tự 20x4 hiển thị tọa độ X, Y, Z, nhiệt độ đầu in và trạng thái in; núm xoay encoder tích hợp nút bấm để cấu hình thông số; khe cắm thẻ nhớ SD cho phép in trực tiếp từ tệp G-code không cần kết nối máy tính.
  4. Khối nguồn:
    • Bộ nguồn MeanWell Model NES-350-12, công suất định mức 350 W, điện áp ngõ ra 12 V DC, dòng điện tối đa 29 A, cung cấp năng lượng cho toàn bộ bo RAMPS 1.4, động cơ bước, đầu đùn và bàn gia nhiệt.
  5. Khối tải (Chấp hành):
    • 5 động cơ bước NEMA 17 (2 động cơ cho trục Z, 1 động cơ trục X, 1 động cơ trục Y, 1 động cơ đùn nhựa).
    • Module điều khiển động cơ bước A4988: Hoạt động với điện áp cấp cho động cơ lên đến 35 V, dòng tải cực đại ±2 A, có tích hợp mạch bảo vệ quá nhiệt tự động ngắt khi nhiệt độ vượt quá 165 °C.
Tên chân Driver A4988 Chức năng chính
ENABLE Bật/tắt driver (Mức LOW: Bật; Mức HIGH: Tắt)
MS1, MS2, MS3 Các chân thiết lập cấu hình chế độ vi bước của động cơ
RESET Đặt lại trạng thái ban đầu của driver (Mức LOW: Tích cực)
SLEEP Chế độ tạm dừng nhằm tiết kiệm công suất (Mức LOW: Tích cực)
STEP Tín hiệu xung điều khiển bước (mỗi xung tương ứng 1 bước hoặc vi bước)
DIR Tín hiệu điều khiển chiều quay động cơ (HIGH/LOW)
VMOT, GND Ngõ vào cấp nguồn cho động cơ (8 - 35 V)
1A, 1B, 2A, 2B Ngõ ra nối các cuộn dây pha của động cơ bước
VDD, GND Ngõ vào cấp nguồn cho mạch logic nội (3 - 5,5 V)

Chế độ vi bước của driver A4988 được cấu hình thông qua mức logic trên các chân MS1, MS2, MS3 nhờ các jumper cắm dưới đế bo RAMPS 1.4:

Trạng thái MS1 Trạng thái MS2 Trạng thái MS3 Chế độ bước động cơ
L L L Bước nguyên (Full step)
H L L Nửa bước (Half step)
L H L Một phần tư bước (Quarter step)
H H L Một phần tám bước (Eighth step)
H H H Một phần mười sáu bước (Sixteenth step)

Kết cấu thi công cơ khí

Cơ khí của máy được gia công và lắp ghép theo các thành phần:

  • Khung máy: Gia công từ vật liệu mica cắt bằng máy phay CNC theo mẫu thiết kế chuẩn Prusa i3 Rework.
  • Bàn in: Kích thước 200 x 200 mm, gắn tấm kính dày 3 mm phủ băng keo vàng chịu nhiệt cao, trang bị cơ cấu lò xo cân chỉnh 4 góc để điều chỉnh chiều cao và độ thăng bằng.
  • Đầu đùn vật liệu: Sử dụng đầu phun kim loại J-Head All Metal E3D, đường kính lỗ phun 0,4 mm, gắn kèm quạt làm mát kích thước 40 x 40 mm (điện áp 12 V, công suất 1 W), bánh răng kéo nhựa khía rãnh (hobbed bolt), lò xo nén ép lực đường kính 1 mm dài 2 cm và vòng bi trượt.
  • Hệ thống thanh dẫn hướng và truyền động:
Loại linh kiện cơ khí Quy cách, kích thước chi tiết Số lượng
Ti thép trơn tròn Ø8mm Chiều dài 320 mm (trục X) 2
Ti thép trơn tròn Ø8mm Chiều dài 350 mm (trục Y) 2
Ti thép trơn tròn Ø8mm Chiều dài 370 mm (trục Z) 2
Ti ren M5 Chiều dài 300 mm (trục vít nâng trục Z) 2
Ti ren M10 Chiều dài 210 mm (thanh giằng khung) 4
Ti ren M10 Chiều dài 380 mm (thanh giằng khung) 2
Bạc đạn trượt tuyến tính Loại LM8UU dẫn hướng ti tròn Ø8mm 11
Vòng bi đỡ Loại 608ZZ (4 cái) và 624ZZ (1 cái) 5
Dây curoa đai răng Chuẩn GT2, chiều dài 760 mm và 900 mm 2
Bánh răng đai răng Buly (pulley) chuẩn GT2 Tương ứng
Khớp nối mềm (Coupling) Đường kính lỗ hai đầu 5 mm nối trục động cơ Z 2
Chi tiết gá nhựa Bộ phận in 3D định vị đầu phun, ổ bi và đệm nylon 1 bộ

Lập trình điều khiển và phần mềm cắt lớp

Quy trình vận hành phần mềm gồm hai giai đoạn:

  1. Firmware Marlin và Arduino IDE:
    • Mã nguồn mở firmware Marlin được hiệu chỉnh trong tệp Configuration.h để tương thích phần cứng: khai báo bo mạch chủ BOARD_RAMPS_14_EFB, loại cảm biến nhiệt độ thermistor 100k (mã loại 1), giới hạn tọa độ hành trình tối đa 200 x 200 x 200 mm, số xung điều khiển trên mỗi đơn vị milimet (DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT) cho các trục X, Y, Z và bộ đùn E.
    • Chương trình được biên dịch và nạp vào vi điều khiển ATmega2560 qua cổng USB bằng môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE.
  2. Thiết lập thông số in trên Cura:
    • Phần mềm Cura (Ultimaker) thực hiện nhập tệp thiết kế 3D định dạng .STL, xử lý cắt lớp (slicing) và xuất mã G-code. Tác giả cấu hình các tham số cụ thể:
Nhóm thông số Tên tham số trong Cura Ý nghĩa và giá trị cấu hình
Thông số cơ bản (Basic) Layer height (mm) Bề dày của mỗi lớp in
Shell thickness (mm) Độ dày thành bên ngoài của vật thể
Bottom/Top thickness Độ dày lớp đáy và lớp đỉnh vật thể
Fill Density (%) Mật độ đan kết đặc bên trong vật thể
Print speed (mm/s) Tốc độ dịch chuyển của đầu đùn khi in
Support type Cấu hình cấu trúc in hỗ trợ cho các góc nghiêng
Platform adhesion type Phương pháp in lớp đế tăng độ dính bàn in
Diameter / Nozzle size Đường kính sợi nhựa / Kích thước lỗ kim (0.4 mm)
Thông số nâng cao (Advanced) Speed / Distance (mm) Tốc độ đùn nhựa và chiều dài rút nhựa (retraction)
Initial layer thickness Độ dày in lớp đầu tiên
Travel speed (mm/s) Tốc độ di chuyển không đùn nhựa của đầu phun
Infill / Shell speed Tốc độ in riêng cho ruột trong và vỏ ngoài
Minimal layer time (s) Thời gian tối thiểu cần thiết để làm nguội mỗi lớp

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh ra đời của công nghệ in 3D vào đầu thế kỷ 21 và xu hướng ứng dụng trong kiến trúc, y học, thời trang và sản xuất công nghiệp. Tác giả khẳng định in 3D giúp nâng cao tính khả thi của việc tạo mẫu sản phẩm từ ý tưởng thiết kế và rút ngắn thời gian sản xuất. Nội dung chương công bố mục đích nghiên cứu nhằm tạo ra máy in 3D giá rẻ, dễ sử dụng dựa trên nền tảng nguồn mở; xác định mục tiêu in kích thước 200 x 200 x 200 mm với sai số cho phép 0,2 mm. Các nội dung thi công phần cứng, phần điện, lắp ráp và lập trình vi điều khiển Arduino Mega 2560 cũng như giới hạn phạm vi nghiên cứu được xác định rõ ràng.

Chương 2: Khảo sát sơ đồ khối

Chương 2 tập trung xây dựng cơ sở lý thuyết kỹ thuật về máy in 3D FDM. Tác giả phân tích tính chất vật lý của hai loại vật liệu nhựa ABS và PLA; đồng thời dẫn chứng mức giá sợi nhựa thương mại của hãng MakerBot thời điểm đó là 48 USD cho cuộn 2,2 pound (khoảng 990 gram, có thể in được 392 quân cờ vua). Chương này làm rõ cơ cấu động học 3 trục tọa độ Descartes và nguyên lý đùn sợi 0,1 mm qua ống nhiệt.

Toàn bộ 5 khối chức năng của hệ thống được khảo sát chi tiết: khối cảm biến (nhiệt điện trở NTC và công tắc hành trình tiếp điểm NC/C); khối xử lý trung tâm (vi điều khiển ATmega2560 và bo RAMPS 1.4); khối hiển thị (RAMPS LCD controller 20x4); khối nguồn (MeanWell NES-350-12); khối tải (động cơ bước NEMA 17, driver A4988, đầu phun J-Head All Metal E3D). Các phân loại động cơ bước (từ trở, nam châm vĩnh cửu, lai; đơn cực và lưỡng cực), chế độ kích từ (Wave, Full, Half, Microstepping) và bảng chức năng chân, bảng cấu hình bước của A4988 được lập bảng cụ thể. Cuối chương, lưu đồ thuật toán điều khiển in 3D được mô tả tuần tự từ bước gia nhiệt đầu in, kéo các trục về gốc home, thực hiện in xếp chồng từng lớp đến khi hoàn tất và đưa đầu phun về vị trí mặc định; đi kèm giới thiệu tệp cấu hình Configuration.h của firmware Marlin.

Chương 3: Thi công

Chương 3 ghi nhận quy trình chế tạo thực tế của đề tài. Về phần điện, tác giả cung cấp sơ đồ kết nối tổng thể giữa bo RAMPS 1.4 với nguồn MeanWell, 5 động cơ bước NEMA 17, các công tắc hành trình end-stop, cảm biến nhiệt độ, đầu gia nhiệt và màn hình LCD. Về phần cơ khí, tác giả công bố bản vẽ chế tạo khung máy mica cắt CNC, bản vẽ đế đỡ bàn in di động kích thước 200 x 200 mm; tổng hợp danh mục các chi tiết nhựa in 3D dùng lắp ráp đầu phun (gá J-Head, bánh răng hobbed bolt, quạt 40x40 mm 12V 1W, lò xo nén); danh mục chi tiết cơ khí gồm 6 thanh ti trượt tròn Ø8mm, 8 thanh ti ren M5 và M10, 11 bạc đạn trượt LM8UU, 5 vòng bi đỡ, đai curoa GT2 và 2 khớp nối mềm 5mm. Bộ đùn nhựa được chế tạo từ 3 chi tiết chính gồm buly khoét rãnh, lò xo ép lực và vòng bi trượt.

Cuối chương, tác giả trình bày hướng dẫn cài đặt môi trường lập trình Arduino IDE để nạp mã nguồn cho chip ATmega2560 qua cổng COM; đồng thời hướng dẫn chi tiết cách thiết lập thông số in trên giao diện phần mềm Cura (chọn khổ máy 200 x 200 x 200 mm, kích thước đầu phun 0,4 mm, thiết lập nhóm thông số Basic và Advanced) để xuất file G-code.

Chương 4: Kết quả

Chương 4 công bố sản phẩm thực tế là mô hình máy in 3D dạng Prusa i3 sau khi chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh. Tác giả tiến hành in thử nghiệm các mô hình vật thể thực tế, bao gồm mẫu kiểm tra kích thước hình học và một sản phẩm hoàn chỉnh là một chiếc chén nhỏ. Kết quả đánh giá cho thấy mô hình hoạt động ổn định, các chi tiết in bám sát bản vẽ thiết kế trên máy tính, kích thước thực tế sai lệch rất ít so với thiết kế, chứng minh tính khả thi và khả năng ứng dụng thực tế của mô hình tự chế tạo.

Kết quả và đóng góp

Về mặt kết quả kỹ thuật, đồ án đã hoàn thành các chỉ tiêu kỹ thuật chính:

  • Chế tạo thành công mô hình máy in 3D RepRap dạng Prusa i3 hoạt động hoàn chỉnh, kết hợp đồng bộ giữa khung mica cắt CNC, hệ thống cơ khí ti trượt - ti ren và mạch điện tử điều khiển.
  • Khổ in thực tế của máy đạt kích thước tạo mẫu tối đa 200 x 200 x 200 mm.
  • Độ chính xác vị trí chuyển động của các trục đạt mức sai số vị trí: ± 1 mm.
  • Sai số kích thước của sản phẩm in thực tế so với bản vẽ thiết kế đạt mức 0,1%, đáp ứng vượt chỉ tiêu sai số cho phép đặt ra ban đầu của đồ án là 0,2 mm.
  • Khối điều khiển hoạt động ổn định với vi điều khiển ATmega2560 và RAMPS 1.4, nhận dạng chính xác mã lệnh G-code từ thẻ nhớ SD và hiển thị đầy đủ thông số nhiệt độ, tọa độ trên màn hình LCD 20x4 mà không cần kết nối cố định với máy tính trong suốt thời gian in.
  • In thành công các sản phẩm mẫu có độ kết dính lớp tốt, định hình rõ nét, bao gồm chi tiết khối đo kích thước và sản phẩm thực tế là chiếc chén nhỏ.

Về mặt giải pháp và đóng góp:

  • Xây dựng thành công giải pháp chế tạo máy in 3D giá thành thấp thông qua việc kết hợp các linh kiện điện tử, cơ khí phổ thông (bo mạch Arduino, shield RAMPS 1.4, driver A4988, động cơ NEMA 17, bạc đạn LM8UU) với khung mica gia công CNC.
  • Làm chủ quy trình kỹ thuật tích hợp: từ thiết kế cơ khí, cấu hình phần cứng, hiệu chỉnh firmware mã nguồn mở Marlin cho đến thiết lập các thông số cắt lớp chi tiết trên phần mềm Cura.
  • Cung cấp tài liệu kỹ thuật có tính hệ thống về sơ đồ đấu nối, cấu hình vi bước động cơ và quy trình cân chỉnh phần cứng cho sinh viên và người nghiên cứu chế tạo mô hình in 3D FDM.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về hạn chế:

  • Văn bản đồ án ghi nhận những khó khăn gặp phải trong quá trình thực hiện, nổi bật là khâu cân chỉnh cơ khí thủ công bàn in và các trục chuyển động. Việc cân bằng độ phẳng của bàn in bằng tay thông qua 4 vít lò xo đòi hỏi nhiều thời gian và dễ phát sinh sai lệch độ bám dính ở lớp in đầu tiên.
  • Kết cấu khung mica cắt CNC tuy dễ gia công và giá thành rẻ nhưng độ cứng vững chưa cao bằng khung kim loại, có thể gây rung động nhẹ khi máy tăng tốc độ in.
  • Cơ cấu nâng trục Z sử dụng ti ren thông thường M5 có độ rơ nhất định, đòi hỏi phải bôi trơn và bảo dưỡng định kỳ để duy trì độ chính xác.
  • Máy chỉ trang bị một đầu đùn J-Head đơn, do đó chỉ có thể in đơn sắc (1 màu nhựa) tại một thời điểm, chưa hỗ trợ in kết hợp nhiều màu hoặc in vật liệu hỗ trợ hòa tan.

Về hướng nghiên cứu tiếp được tác giả định hướng:

  • Cải tiến phần cứng cơ khí: Thay thế khung máy bằng vật liệu nhôm định hình hoặc thép cắt laser để tăng độ cứng vững và độ bền cơ học cho hệ thống khi hoạt động ở tốc độ cao.
  • Nâng cấp hệ thống điều khiển: Nghiên cứu tích hợp cảm biến cân bàn tự động (Auto Bed Leveling) để tự động bù trừ độ nghiêng của bàn nhiệt, giảm thiểu thao tác cân chỉnh thủ công của người dùng.
  • Mở rộng chức năng đầu in: Nghiên cứu lắp đặt cơ cấu đa đầu phun (Dual Extruder) để in được đồng thời nhiều màu sắc hoặc phối hợp các loại vật liệu khác nhau trên cùng một sản phẩm.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị thực tiễn đối với:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Sư phạm Kỹ thuật Điện - Điện tử, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa: Đồ án là tài liệu trực quan phục vụ các môn học về hệ thống nhúng, điều khiển chuyển động nhiều trục, thiết kế đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp về hệ thống CNC và máy in 3D.
  • Các kỹ sư, người nghiên cứu phần cứng tự do (cộng đồng Maker): Hữu ích cho những ai có nhu cầu tự đóng ráp một máy in 3D FDM cá nhân với chi phí tiết kiệm dựa trên linh kiện thương mại phổ thông.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu gồm:

  • Bản vẽ chi tiết và bảng danh mục linh kiện cơ khí chuẩn cho dòng máy Prusa i3 Rework (các quy cách ti trượt Ø8mm, ti ren M5, M10, bạc đạn LM8UU, vòng bi 608ZZ/624ZZ, khớp nối mềm 5mm).
  • Sơ đồ đấu nối hoàn chỉnh giữa Arduino Mega 2560, shield RAMPS 1.4, driver A4988, công tắc hành trình và cảm biến nhiệt độ Thermistor.
  • Bảng hướng dẫn cấu hình vi bước (Microstepping) thông qua các chân MS1, MS2, MS3 của driver A4988.
  • Bảng tham số thiết lập cắt lớp in 3D trong phần mềm Cura (cả phần thông số cơ bản và nâng cao), giúp người đọc nắm bắt được ảnh hưởng của từng thông số đến chất lượng bề mặt vật thể.

Câu hỏi thường gặp

1. Bo mạch xử lý trung tâm và cấu trúc mở rộng của máy in 3D trong đề tài sử dụng loại nào và có thông số kỹ thuật ra sao?

Hệ thống sử dụng bo mạch Arduino Mega 2560 tích hợp vi điều khiển AVR ATmega2560 (xung nhịp 16 MHz, bộ nhớ Flash 256 KB, SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB, 54 chân I/O số trong đó có 12 chân PWM, 16 ngõ vào analog, điện áp hoạt động 5V). Bo mạch này được kết hợp trực tiếp với shield mở rộng RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield), cung cấp 5 khe cắm driver động cơ bước A4988, 3 ngõ điều khiển công suất bằng xung PWM qua MOSFET (kênh D8, D9, D10 cho bàn nhiệt, quạt và đầu đùn) và các cổng cắm tín hiệu cảm biến nhiệt điện trở, công tắc hành trình.

2. Các trục chuyển động X, Y, Z của máy in 3D Prusa i3 được dẫn động bằng những cơ cấu cơ khí nào?

Hệ thống dẫn động được phân bố trên 3 trục tọa độ:

  • Trục X: Sử dụng 1 động cơ bước NEMA 17 đặt ngang, kéo cụm đầu in chuyển động tịnh tiến qua dây đai răng GT2 dọc theo 2 ti thép trơn Ø8mm dài 320 mm.
  • Trục Y: Sử dụng 1 động cơ bước NEMA 17 đặt ngang, kéo bàn in chuyển động tịnh tiến tới - lui qua dây đai răng GT2 dọc theo 2 ti thép trơn Ø8mm dài 350 mm.
  • Trục Z: Sử dụng 2 động cơ bước NEMA 17 đặt trục thẳng đứng, kết nối qua 2 khớp nối mềm 5mm để xoay 2 trục vít me ti ren M5 dài 300 mm, giúp nâng - hạ cụm trục X dọc theo 2 ti thép trơn Ø8mm dài 370 mm.

3. Driver A4988 điều khiển động cơ bước hỗ trợ những chế độ bước nào và được cấu hình như thế nào?

Driver A4988 hỗ trợ 5 chế độ điều khiển bước bao gồm: Bước nguyên (Full step), Nửa bước (Half step), 1/4 bước (Quarter step), 1/8 bước (Eighth step) và 1/16 bước (Sixteenth step). Việc cấu hình chế độ được thực hiện bằng cách đặt mức logic (LOW/HIGH) trên 3 chân MS1, MS2, MS3 thông qua các jumper cắm trên bo RAMPS 1.4. Khi cả ba chân đều ở mức LOW, driver chạy ở chế độ Full step; khi cả ba chân đều ở mức HIGH, driver hoạt động ở chế độ vi bước tối đa 1/16 bước.

4. Nguồn điện cấp cho hệ thống là loại nào và công suất bao nhiêu?

Toàn bộ hệ thống máy in 3D được cấp nguồn bởi bộ nguồn tổ ong MeanWell Model NES-350-12. Nguồn có công suất định mức 350 W, điện áp ngõ ra một chiều 12 V DC và cung cấp dòng điện định mức lên đến 29 A, đảm bảo đủ công suất cấp cho bo RAMPS 1.4, 5 động cơ bước, quạt tản nhiệt, điện trở sấy đầu đùn và bàn gia nhiệt.

5. Độ chính xác và sai số kích thước sản phẩm thực tế của máy in đạt được là bao nhiêu?

Theo công bố của nhóm tác giả, hệ thống máy in 3D sau khi chế tạo di chuyển với độ chính xác vị trí đạt mức sai số ± 1 mm. Khi tiến hành in thử nghiệm sản phẩm thực tế (như chi tiết đo kích thước và chiếc chén nhỏ), sai số kích thước của vật thể in so với bản vẽ thiết kế trên máy tính đạt mức 0,1%, đáp ứng tốt mục tiêu sai số cho phép dưới 0,2 mm được đề ra trong nhiệm vụ đồ án.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, thi công mô hình máy in 3D dùng kit Arduino" của sinh viên Nguyễn Phi Long và Nguyễn Vĩnh Hưng đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thành công một máy in 3D dạng Prusa i3 hoạt động hoàn chỉnh với khổ in 200 x 200 x 200 mm. Hệ thống chứng minh tính khả thi của giải pháp kết hợp linh kiện cơ - điện tử phổ thông (Arduino Mega 2560, RAMPS 1.4, driver A4988, động cơ NEMA 17) cùng các nền tảng mã nguồn mở (firmware Marlin, phần mềm Cura) để tạo ra thiết bị tạo mẫu nhanh có chi phí thấp. Sản phẩm in thử nghiệm đạt sai số kích thước thực tế ở mức 0,1%, khẳng định khả năng vận hành ổn định và giá trị tham khảo rõ ràng trong công tác học tập, nghiên cứu kỹ thuật cơ điện tử.