Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong bối cảnh sản xuất hiện đại, công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RAP) đóng vai trò nền tảng giúp rút ngắn chu kỳ thiết kế, chế tạo mẫu thử và tối ưu hóa chi phí trước khi tiến hành sản xuất hàng loạt. Ứng dụng của RAP mở rộng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, kiến trúc, y tế và giáo dục. Trong các phương pháp RAP, công nghệ in 3D lắng đọng vật liệu nóng chảy (Fused Deposition Manufacturing - FDM) được ứng dụng rộng rãi nhờ chi phí đầu tư thấp, cấu trúc linh hoạt và nguồn vật liệu đa dạng. Tuy nhiên, phần lớn máy in 3D FDM mã nguồn mở truyền thống chỉ hỗ trợ in đơn sắc hoặc yêu cầu can thiệp thủ công khi thay đổi sợi nhựa (filament), làm hạn chế tính trực quan và thẩm mỹ của mô hình mẫu.
Để giải quyết vấn đề in đa màu sắc tự động, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) được thực hiện với đề tài: "Thiết kế và triển khai máy in 3D đa màu sắc" (Design and implementation of a multicolor 3D printer).
Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm:
- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh và các nguyên lý in 3D lắng đọng nóng chảy FDM.
- Thiết kế bản vẽ mô hình 3D trên phần mềm Solidworks và gia công, lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống cơ khí máy in 3D.
- Xây dựng hệ thống điều khiển điện - điện tử và lập trình firmware điều khiển phối màu tự động.
- Thực nghiệm in các sản phẩm đa màu, phân tích đánh giá chất lượng bề mặt, độ chính xác hình học và xác định các nguyên nhân gây lỗi (đặc biệt là hiện tượng kẹt sợi nhựa - filament jam) nhằm đưa ra giải pháp khắc phục.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Máy in 3D cấu trúc Cartesian (mô hình Prusa i3), công nghệ FDM sử dụng sợi nhựa PLA/ABS kết hợp đầu phun trộn màu Diamond Hotend (3 đầu vào sợi nhựa, 1 đầu ra).
- Phạm vi không gian: Phòng thực hành Cơ điện tử và xưởng in 3D tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
- Phạm vi thời gian: Quá trình nghiên cứu và thực nghiệm triển khai từ ngày 20/02/2017 đến ngày 23/07/2017.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án dựa trên nền tảng lý thuyết về tạo mẫu nhanh và cơ chế biến dạng dẻo của vật liệu polymer khi gia nhiệt:
- Tổng quan công nghệ tạo mẫu nhanh: Phân tích và so sánh 5 công nghệ chính gồm SLA (Stereo Lithography Apparatus), SGC (Solid Ground Curing), LOM (Laminated Object Manufacturing), SLS (Selective Laser Sintering) và FDM (Fused Deposition Manufacturing). Công nghệ FDM được lựa chọn làm cơ sở triển khai nhờ chi phí chế tạo hợp lý, không sử dụng nguồn laser phức tạp, vật liệu thân thiện và dễ bảo dưỡng.
- Các giải pháp in đa màu sắc: Khảo sát 4 hướng tiếp cận kỹ thuật trên thị trường:
- Sử dụng nhiều đầu phun (Multi nozzle/Dual nozzle): Gây giảm không gian in hiệu dụng, làm tăng khối lượng cụm đầu đùn, khó cân chỉnh sai số trục Z/X-Y và dễ bị rò rỉ nhựa thừa (oozing).
- Hệ thống Palette (Mosaic Manufacturing): Thiết bị ngoại vi cắt và nối sợi nhựa theo tỉ lệ trước khi cấp vào đầu đùn, giữ nhẹ cụm đầu in nhưng đòi hỏi các sợi nhựa phải có tính chất nhiệt - cơ tương đương nhau.
- Sử dụng cuộn nhựa đa màu (Multicolor filament - UniCoFil): Các đoạn màu bố trí nối tiếp sẵn trên cuộn sợi, không thể lập trình chủ động vùng màu theo thiết kế CAD và giá thành cao.
- Đầu phun Diamond Hotend (RepRap): Tích hợp 3 buồng gia nhiệt dẫn chung về một lỗ phun duy nhất có buồng trộn nhỏ, loại bỏ hoàn toàn sai số cân chỉnh nhiều vòi và cho phép phối màu linh hoạt.
| Giải pháp in đa màu |
Ưu điểm chính |
Nhược điểm chính |
Đánh giá lựa chọn |
| Nhiều vòi phun (Multi nozzle) |
In được các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy khác nhau |
Tăng tải trọng cụm đùn, khó cân bằng độ cao Z, vùng in bị thu hẹp |
Không chọn |
| Bộ ghép sợi Palette |
Tích hợp vào hệ thống có sẵn, đầu in nhẹ |
Đắt tiền, yêu cầu vật liệu đồng nhất, phụ thuộc phần cứng rời |
Không chọn |
| Sợi nhựa đa màu (UniCoFil) |
Không cần sửa đổi phần cứng máy in |
Không chủ động kiểm soát vị trí màu, chi phí vật liệu cao |
Không chọn |
| Đầu đùn Diamond Hotend |
Một vòi phun duy nhất, không lệch trục, cho phép hòa trộn tỉ lệ |
Dễ kẹt nhựa nếu tản nhiệt kém, xuất hiện sọc màu khi trộn |
Được chọn triển khai |
- Hiện tượng truyền nhiệt và kẹt nhựa: Phân tích phân bố nhiệt độ tại đầu đùn. Nếu tản nhiệt không đủ, vùng chuyển tiếp nhiệt độ giữa khối gia nhiệt (213°C - 240°C) và khối tản nhiệt (196°C - 200°C) sẽ làm sợi nhựa giãn nở sớm, tăng ma sát dẫn đến kẹt vật liệu. Giải pháp lý thuyết là sử dụng ống lót PTFE (Teflon tube) cách nhiệt và giảm ma sát tại vùng tiếp giáp.
- Phương pháp nghiên cứu thực tế: Áp dụng phương pháp tiếp cận từ trên xuống (Top-down method), kết hợp tính toán động lực học cơ cấu truyền động, lập trình nhúng phần cứng và thực nghiệm cắt lớp (slicing) đa kênh.
Thiết kế và triển khai
1. Thiết kế cơ khí và tính toán truyền động
Nhóm tác giả lựa chọn cấu trúc tọa độ Descartes (Cartesian structure) theo mô hình Prusa i3 do kết cấu khung vững chắc, dễ lắp ráp, căn chỉnh và bảo trì. Mô hình được thiết kế chi tiết trên phần mềm Solidworks.
Hệ thống sử dụng động cơ bước (Stepper motor) lưỡng cực 2 pha, góc bước $A = 1.8^\circ$ ($200\text{ bước/vòng}$), hoạt động ở chế độ vi bước $B = 1/16\text{ step}$. Công thức tính toán số bước trên mỗi milimét (Steps/mm) cho từng trục chuyển động được xác lập như sau:
-
Trục X và trục Y (Dẫn động đai răng GT2):
$$\text{Steps/mm} = \frac{\frac{360^\circ}{A \cdot B}}{C \cdot D} = \frac{\frac{360}{1.8 \cdot \frac{1}{16}}}{2 \cdot 16} = 100\text{ steps/mm}$$
(Trong đó bước đai $C = 2\text{ mm}$, số răng puly $D = 16\text{ răng}$)
-
Trục Z (Dẫn động vít me bước xoắn Leadscrew):
$$\text{Steps/mm} = \frac{\frac{360^\circ}{A \cdot B}}{F} = \frac{\frac{360}{1.8 \cdot \frac{1}{16}}}{8} = 400\text{ steps/mm}$$
(Trong đó bước xoắn trục vít $F = 8\text{ mm}$)
-
Đầu đùn vật liệu (Extruder):
$$\text{Steps/mm} = \frac{\frac{360^\circ}{A \cdot B} \cdot E}{\pi \cdot G} = \frac{3200 \cdot 1}{\pi \cdot 5} \approx 100\text{ steps/mm}$$
(Trong đó tỉ số truyền bánh răng $E = 1$, đường kính bánh xe kẹp nhựa $G = 5\text{ mm}$)
2. Thiết kế hệ thống điện và điều khiển
- Khối xử lý trung tâm: Sử dụng bo mạch Arduino Mega 2560 (vi điều khiển ATmega2560, tần số $16\text{ MHz}$, bộ nhớ Flash $256\text{ KB}$), chịu trách nhiệm điều chế độ rộng xung (PWM) kiểm soát nhiệt độ, quản lý Timer tạo xung nhịp cho động cơ bước, đọc tín hiệu cảm biến nhiệt điện trở RTD 100k qua bộ chuyển đổi ADC 10-bit, đọc thẻ nhớ qua chuẩn SPI và nhận lệnh G-code từ máy tính qua cổng nối tiếp bất đồng bộ USART.
- Mạch công suất mở rộng (RAMPS 1.4): Chịu mức điện áp $12\text{V} - 35\text{V}$, dòng định mức $16\text{A}$. Sử dụng 4 MOSFET công suất STP55NF06L để đóng ngắt các tải nhiệt trở bàn in, điện trở nhiệt đầu đùn và quạt tản nhiệt.
- Module điều khiển động cơ (DRV8825): Thay thế cho A4988, hỗ trợ dòng tải cực đại lên đến $2.5\text{A}$ tại $24\text{V}$, tích hợp 6 chế độ vi bước (từ full-step đến $1/32\text{ step}$) cùng các cơ chế bảo vệ quá dòng, quá nhiệt và sụt áp.
3. Giải thuật điều khiển nhiệt độ và quy trình phần mềm
- Điều khiển nhiệt độ PID: Hệ thống chuyển đổi từ phương pháp quản lý nhiệt DeadTime sang thuật toán PID khép kín trên Firmware Marlin/Repetier. Các tham số $K_p$, $K_i$, $K_d$ trong tệp mã nguồn
configuration.h được tinh chỉnh thông qua lệnh tự dò PID (PID Autotune) nhằm triệt tiêu hiện tượng vọt lố (overshoot) và dao động nhiệt độ.
- Quy trình xử lý dữ liệu in đa màu:
- Mô hình 3D được phân tách thành các tệp STL riêng biệt cho từng vùng màu thông qua tính năng "Plane cut" trên phần mềm Autodesk Meshmixer hoặc xuất trực tiếp dưới dạng tệp
.AMF.
- Tích hợp các tệp thành phần vào phần mềm Repetier-Host.
- Sử dụng phần mềm Slic3r để phân bổ cấu hình đầu đùn đa kênh và Cura để thiết lập tháp lau nhựa ("Wipe and prime tower") nhằm làm sạch vật liệu tồn đọng trong buồng trộn khi đổi màu.
- Biên dịch thành tập lệnh G-code chứa các lệnh điều khiển tỉ lệ trộn màu chuyên dụng (như lệnh
M163 cài đặt trọng số màu và M164 lưu cấu hình trộn màu trên firmware Marlin).
Nội dung chính theo từng chương
CHAPTER 1: OVERVIEW
Chương 1 trình bày tính cấp thiết của công nghệ tạo mẫu nhanh trong việc hỗ trợ các kỹ sư trực quan hóa thiết kế cơ khí phức tạp (như cánh quạt động cơ máy bay, các khớp nối, khuôn mẫu đúc). Tác giả khái quát 3 giai đoạn phát triển của kỹ thuật tạo mẫu: giai đoạn lấy mẫu thủ công kéo dài trung bình 4 tuần; giai đoạn mô hình hóa ảo trên máy tính (CAD/CAE/CAM) giữa thập niên 1970 kéo dài 16 tuần do độ phức tạp tăng cao; và giai đoạn tạo mẫu nhanh RAP từ năm 1988 giúp rút ngắn thời gian tạo chi tiết xuống còn khoảng 3 tuần. Chương này xác định rõ mục tiêu chế tạo máy in 3D FDM đa màu sắc kích thước $200 \times 200 \times 150\text{ mm}$, độ chính xác mục tiêu $0.3\text{ mm}$, có thể in phối hợp tới 10 màu.
CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW
Chương này đánh giá chi tiết các nguyên lý tạo mẫu nhanh hiện đại (SLA, SGC, LOM, SLS, FDM), nêu rõ ưu nhược điểm của từng phương pháp về độ chính xác, vật liệu và chi phí bảo dưỡng. Tác giả đi sâu phân tích công nghệ FDM, đặc tính đông đặc của dòng nhựa sau khi ép qua đầu đùn (bề rộng đường đùn biến thiên từ $0.965\text{ mm}$, chiều dày lớp tiêu chuẩn khoảng $0.356\text{ mm}$). Phân tích 4 giải pháp in đa màu trên thế giới, tập trung làm rõ cấu tạo của Diamond Hotend với 3 kênh dẫn nhựa hội tụ tại một buồng nhiệt duy nhất. Chương 2 cũng trình bày cơ chế phân bố nhiệt độ tại đầu in và phân tích sự cố biến dạng phình to của sợi nhựa ở vùng chuyển tiếp nhiệt độ nếu thiếu lớp lót PTFE tản nhiệt.
CHAPTER 3: DESIGN AND ANALYSIS
Chương 3 tập trung vào toàn bộ quá trình tính toán thiết kế kỹ thuật. Nội dung bao gồm việc so sánh 3 cấu trúc máy in 3D (Cartesian, Delta, Polar) để chọn cấu trúc Cartesian Prusa i3; so sánh động cơ bước với động cơ DC và Servo; trình bày chi tiết công thức tính số xung $100\text{ steps/mm}$ cho trục X/Y, $400\text{ steps/mm}$ cho trục Z và $100\text{ steps/mm}$ cho đầu đùn; quy trình kiểm tra độ phẳng bàn in bằng thước thủy nivo (bubble level) và kiểm tra độ song song của 2 trục Z. Về điều khiển, chương 3 làm rõ sơ đồ khối Arduino Mega 2560 kết hợp RAMPS 1.4, module DRV8825, thuật toán PID nhiệt độ và lưu đồ giải thuật phân tách/cắt lớp mô hình 3D (CAD $\rightarrow$ STL/AMF $\rightarrow$ Meshmixer $\rightarrow$ Slicing $\rightarrow$ Repetier-Host $\rightarrow$ G-code).
CHAPTER 4: EXPERIMENTS AND RESULTS
Chương 4 ghi nhận quá trình vận hành thực nghiệm trên máy in tự chế tạo qua các chế độ: in đơn sắc (đỏ, xanh lơ, vàng), in hòa trộn dải màu liên tục và in đa sắc độc lập có sử dụng tháp làm sạch "Wipe and prime tower". Chương này cung cấp các bảng dữ liệu đo kiểm sai số cơ khí (Bảng 4.1 đến Bảng 4.4 về độ chính xác chạy điểm, sai số góc và kích thước mẫu thử) cùng danh mục vật tư chế tạo (Bill of materials). Đồng thời, chương 4 phân tích các dạng khuyết tật thực tế: lỗi kẹt sợi nhựa trong ống dẫn Teflon (Teflon tube), hiện tượng biến dạng bề mặt khi in phối 5 màu, và hiện tượng nhựa nóng chảy tràn dính xung quanh vòi phun.
CHAPTER 5: CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS
Tổng kết toàn bộ kết quả chế tạo và thử nghiệm của đề tài sau 3 tháng triển khai; đánh giá mức độ hoàn thành so với các chỉ tiêu ban đầu và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm khắc phục các điểm hạn chế của hệ thống.
Kết quả và đóng góp
1. Kết quả thực nghiệm cụ thể
- Khung máy và không gian in: Chế tạo hoàn chỉnh máy in 3D cấu trúc Cartesian hoạt động ổn định, không gian in thực tế đạt $200 \times 200 \times 100\text{ mm}$ (so với thiết kế $200 \times 200 \times 150\text{ mm}$).
- Vận tốc và độ chính xác: Hệ thống vận hành mượt mà với tốc độ in trung bình từ $40\text{ mm/s}$ đến $60\text{ mm/s}$. Độ sai lệch kích thước in thực tế đạt mức thấp (dao động quanh ngưỡng sai số $0.3\text{ mm}$).
- Chất lượng in màu:
- In đơn màu (Red, Cyan, Yellow): Bề mặt nhẵn bóng, biên dạng chi tiết đồng đều.
- In từ 1 đến 4 màu độc lập: Sản phẩm in đạt chất lượng tốt, ranh giới giữa các mảng màu rõ nét khi áp dụng kỹ thuật tháp lau nhựa.
- In 5 màu: Chất lượng sản phẩm suy giảm, xuất hiện hiện tượng biến dạng bề mặt do dòng nhựa đùn không đều và phát sinh lỗi kẹt nhựa.
2. Đóng góp kỹ thuật của đề tài
- Triển khai ứng dụng thành công đầu phun tích hợp Diamond Hotend 3 đầu vào trên nền tảng cơ khí Prusa i3 chi phí thấp.
- Xây dựng hoàn chỉnh chuỗi quy trình xử lý dữ liệu in đa màu sắc từ khâu cắt mô hình CAD (Meshmixer), phân bổ mã lệnh trộn màu (Repetier-Host, Marlin G-code) đến tối ưu hóa giải thuật nhiệt độ PID, làm tài liệu kỹ thuật thực tế cho việc nghiên cứu máy in 3D FDM đa vật liệu tại HCMUTE.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
1. Hạn chế
- Hiện tượng kẹt nhựa (Filament jam): Đầu đùn Diamond Hotend dễ bị kẹt sợi nhựa bên trong ống dẫn Teflon, đặc biệt khi vận hành liên tục nhiều kênh đùn hoặc khi in sản phẩm từ 5 màu trở lên.
- Hòa trộn màu sắc: Do buồng trộn của Diamond Hotend có kích thước nhỏ và không có cánh khuấy cơ học, khi hòa trộn đồng thời nhiều kênh nhựa, dòng vật liệu đùn ra có hiện tượng sọc màu theo hướng các cổng vào (hiệu ứng "stripy toothpaste").
- Kích thước chiều cao in: Không gian in thực nghiệm theo trục Z mới đạt $100\text{ mm}$, chưa đạt mức thiết kế ban đầu ($150\text{ mm}$).
- Tương thích phần mềm: Phần mềm Cura chưa hỗ trợ cắt lớp trực tiếp cho đầu phun Diamond Hotend trên 2 màu, bắt buộc phải phối hợp trung gian qua Slic3r và Repetier-Host.
2. Hướng nghiên cứu tiếp
- Cải tiến kết cấu tản nhiệt chủ động quanh khối Diamond Hotend và tối ưu hóa chất lượng ống dẫn PTFE để triệt tiêu ma sát gây kẹt nhựa.
- Nghiên cứu cơ chế khuấy trộn cơ học hoặc thiết kế lại hình học buồng trộn nóng chảy nhằm tăng độ đồng nhất khi phối màu liên tục.
- Phát triển thuật toán tối ưu hóa đường chạy dao và thể tích tháp lau nhựa ("Wipe and prime tower") nhằm giảm thiểu lượng vật liệu nhựa tiêu hao trong quá trình chuyển màu.
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp là tài liệu kỹ thuật hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa:
- Cơ sở tính toán cơ khí: Cung cấp phương pháp tính toán chuẩn xác thông số bước xung ($steps/mm$) cho hệ dẫn động đai răng GT2 và vít me trục Z.
- Tích hợp phần cứng điều khiển: Cung cấp sơ đồ phối ghép hoàn chỉnh giữa vi điều khiển ATmega2560, bo mạch công suất RAMPS 1.4 và module driver DRV8825.
- Kỹ thuật cắt lớp đa màu: Hướng dẫn quy trình xử lý tệp 3D đa thành phần bằng Meshmixer, Slic3r và cấu hình lệnh điều khiển màu G-code (
M163, M164) trên firmware Marlin.
Câu hỏi thường gặp
1. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn đầu đùn Diamond Hotend thay vì hệ thống nhiều vòi phun độc lập?
Việc dùng nhiều vòi phun riêng biệt làm tăng đáng kể tải trọng trên trục chuyển động, thu hẹp không gian in hiệu dụng và gặp khó khăn lớn trong việc cân chỉnh độ cao trục Z cũng như độ đồng phẳng X-Y giữa các đầu phun. Diamond Hotend tích hợp 3 đường dẫn vào chung 1 lỗ đùn duy nhất, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ va quẹt bàn in do lệch độ cao đầu phun và cho phép hòa trộn tỉ lệ nhựa.
2. Động cơ bước trục X, Y và trục Z được cấu hình bao nhiêu Steps/mm trong firmware?
Với động cơ bước góc bước $1.8^\circ$ chạy vi bước $1/16$, trục X và Y sử dụng đai GT2 ($C = 2\text{ mm}$, $D = 16\text{ răng}$) được cấu hình là $100\text{ steps/mm}$. Trục Z sử dụng vít me bước xoắn $F = 8\text{ mm}$ được cấu hình là $400\text{ steps/mm}$.
3. Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng kẹt nhựa (filament jam) tại đầu in là gì?
Nguyên nhân chủ yếu do sự truyền nhiệt ngược từ khối gia nhiệt ($213^\circ\text{C} - 240^\circ\text{C}$) lên vùng tản nhiệt phía trên ($196^\circ\text{C} - 200^\circ\text{C}$). Sự gia nhiệt sớm này khiến sợi nhựa bị mềm và phình to ra tại vùng tiếp giáp trước khi vào buồng nung, tạo ra lực ma sát lớn bên trong ống dẫn.
4. Khi in các sản phẩm có 2 đến 3 màu độc lập, nhóm tác giả đã áp dụng giải pháp kỹ thuật nào để ngăn lẫn màu?
Nhóm tác giả kích hoạt tính năng tạo tháp lau nhựa ("Wipe and prime tower") trong phần mềm cắt lớp. Trước khi chuyển sang in lớp vật liệu mang màu mới trên sản phẩm, đầu in sẽ di chuyển sang tháp lau để đùn hết lượng nhựa thừa của màu trước đó còn lưu lại trong buồng trộn.
5. Kết quả thực nghiệm in ấn thực tế của máy đạt được như thế nào?
Máy in vận hành ổn định trong không gian kích thước $200 \times 200 \times 100\text{ mm}$ ở dải tốc độ $40 - 60\text{ mm/s}$. Chất lượng in từ 1 đến 4 màu đạt độ mịn và độ chính xác tốt, nhưng khi in 5 màu bề mặt bị biến dạng và dễ kẹt nhựa.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và triển khai máy in 3D đa màu sắc" của nhóm sinh viên ngành Cơ điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã hoàn thành việc tính toán, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình máy in 3D FDM Cartesian Prusa i3 tích hợp đầu đùn Diamond Hotend. Hệ thống làm chủ được quy trình điều khiển nhiệt độ PID, thiết lập thông số truyền động vi bước và chuỗi công cụ phần mềm cắt lớp đa màu sắc. Mặc dù vẫn còn hạn chế về hiện tượng kẹt nhựa khi in 5 màu và hiệu ứng sọc màu trong buồng trộn, công trình đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu in tự động 1 đến 4 màu với độ chính xác cao và cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm giá trị cho các nghiên cứu phát triển thiết bị tạo mẫu nhanh tiếp theo.
