Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Công nghệ in 3D (tạo mẫu nhanh) ra đời từ thập niên 1980 và liên tục phát triển qua nhiều thế hệ máy với các công nghệ khác nhau như SLA, FDM, SLS, LOM, 3DP. Tính đến thời điểm thực hiện đồ án (2016), các dòng máy in 3D phổ biến trên thị trường Việt Nam chủ yếu là Prusa I3 và Delta Kossel — đều thuộc nhóm kết cấu Cartesian truyền thống hoặc robot delta — với những hạn chế được tác giả nhận diện rõ: độ bóng bề mặt thấp, tốc độ in chưa cao, quán tính các cơ cấu di động lớn gây rung động và sai lệch mẫu in.
Từ thực tiễn trên, đồ án đặt vấn đề: liệu có thể thay đổi thiết kế cơ khí và hệ thống chuyển động so với các máy in 3D truyền thống, áp dụng cấu trúc tay máy dạng Scara vốn được sử dụng trong robot công nghiệp, để mở rộng không gian in, nâng cao tốc độ và chất lượng mẫu in, đồng thời làm tiền đề phát triển máy in 3D theo tiêu chuẩn công nghiệp?
Mục tiêu nghiên cứu:
- Nghiên cứu nguyên lý hoạt động và các công nghệ in 3D hiện có.
- Nghiên cứu vật liệu in 3D phù hợp.
- Thiết kế hệ thống truyền động cơ khí cho máy in 3D dạng Scara.
- Thiết kế hệ thống điều khiển điện — điện tử.
- Thi công, chế tạo và kiểm nghiệm máy in 3D thực tế.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng: Máy in 3D dạng Scara — bao gồm cơ cấu truyền động, hệ thống điều khiển và phần mềm giao tiếp.
- Phạm vi không gian: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.
- Phạm vi thời gian: Thực hiện từ tháng 3/2016 đến tháng 8/2016.
- Phạm vi kỹ thuật: Kích thước vật in mục tiêu 300 × 300 × 300 mm; sản phẩm thực tế đạt 300 × 300 × 200 mm.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và khái niệm kỹ thuật
Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết từ các nhóm kiến thức sau:
- Công nghệ tạo mẫu nhanh: Năm công nghệ cốt lõi được phân tích — SLA (Stereo Lithography Apparatus, phát minh 1983–1984, Mỹ), FDM (Fused Deposition Modeling), SLS (Selective Laser Sintering), LOM (Laminated Object Manufacturing) và 3DP (Three Dimensional Printing, phát triển tại MIT). Mỗi công nghệ được khảo sát về nguyên lý tạo lớp, vật liệu, ưu và nhược điểm.
- Vật liệu in 3D: ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene), PLA (PolyLactic Axit), PETG (Polyethylene Terephthalate Glycol), HIPS (High Impact Polystyrene) và CF-PLA (PLA pha 15–20% tinh thể carbon). Mỗi loại được phân tích về đặc tính cơ học, nhiệt độ đầu phun, tốc độ in và phạm vi ứng dụng.
- Cơ cấu truyền động cơ khí: Vít me–đai ốc trượt, vít me–đai ốc bi (hiệu suất 90–95%), bộ truyền đai (các loại đai thang, đai dẹt, đai răng GT2).
- Động cơ bước (stepper motor): Ba loại — nam châm vĩnh cửu, biến từ trở, hỗn hợp (lai). Bốn phương pháp điều khiển: dạng sóng (Wave), bước đủ (Full step), nửa bước (Half step) và vi bước (Microstep).
- Hệ thống điều khiển: Vi điều khiển Arduino Mega 2560, board mở rộng RAMPS 1.4, driver động cơ A4988 và DRV8825, phần mềm Cura, Slic3r, Simplify, Repetier Host và Pronterface. Ngôn ngữ điều khiển máy sử dụng G-code (G0, G1, G2/G3, G28, M104, M140...).
Phương pháp nghiên cứu
Đồ án kết hợp hai phương pháp:
- Lý thuyết: Tổng hợp tài liệu về công nghệ in 3D, lý thuyết tạo mẫu nhanh; tính toán và thiết kế cơ cấu truyền động đảm bảo độ chính xác và tối ưu hóa chuyển động; nghiên cứu thuật toán điều khiển tay máy Scara và đường chạy đầu phun.
- Thực nghiệm: Chế tạo mô hình máy in 3D dạng Scara thực tế; kiểm tra lại các lý thuyết đã tính toán; thử nghiệm các kiểu đường chạy nhựa để tối ưu hóa mẫu in.
Nguồn dữ liệu
Tài liệu kỹ thuật về máy in 3D, catalog linh kiện (vít me, động cơ bước, board mạch), các mẫu máy thương mại trên thị trường (Prusa I3, Delta Kossel, Ember của Autodesk, máy in 3D Scara do Sean, người Anh, phát minh) và đề tài nghiên cứu trước đây.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Giới thiệu
Chương này xác lập tính cấp thiết của đề tài từ thực trạng công nghệ in 3D — vừa có ưu điểm nổi bật (vật liệu dễ tìm, không độc hại, kết cấu đơn giản, chi phí thấp) vừa tồn tại nhược điểm (độ bóng thấp, tốc độ chưa cao). Tác giả trình bày ý nghĩa khoa học và thực tiễn của việc thiết kế máy in 3D dạng Scara phục vụ nghiên cứu và giảng dạy tại trường, đồng thời nêu rõ mục tiêu, đối tượng, phạm vi, cơ sở phương luận và kết cấu năm chương của đồ án.
Chương 2: Tổng quan về công nghệ in 3D
Chương này khảo sát toàn diện bối cảnh công nghệ. Quy trình tạo mẫu nhanh được mô tả gồm bốn bước: tạo mô hình CAD 3D → tiền xử lý (chuyển đổi sang định dạng .STL, cắt lớp, xuất G-code) → tạo mẫu tự động → hậu xử lý (tháo support, xử lý bề mặt).
Năm công nghệ tạo mẫu (SLA, FDM, SLS, LOM, 3DP) được phân tích nguyên lý, sau đó tác giả so sánh bốn dòng máy cụ thể:
| Dòng máy |
Công nghệ |
Tốc độ in |
Không gian in |
Giá thành |
| Prusa I3 |
FDM |
Không cao |
Không ghi |
4–6 triệu VND |
| Delta Kossel |
FDM |
320 mm/s |
Ø170 × cao 240 mm |
600 USD |
| Ember (Autodesk, 2015) |
SLA |
18 mm/h |
64 × 40 × 134 mm |
7.495 USD |
| Scara (Sean, Anh) |
FDM |
Cao |
Ngang lớn |
Đắt hơn truyền thống |
Phần vật liệu trình bày đặc tính của ABS, PLA, PETG (đầu phun 240–260°C, tốc độ 30–40 mm/s), HIPS (đầu phun 240–260°C, bàn nhiệt 60–80°C, tốc độ 30–60 mm/s) và CF-PLA (đầu phun 220–240°C, bàn nhiệt 60°C, tốc độ 30–50 mm/s, đầu phun ≥ 0,5 mm).
Chương 3: Cơ sở lý thuyết nguyên lý máy in 3D
Chương này xây dựng nền tảng lý thuyết kỹ thuật cho thiết kế. Cấu trúc tổng quan của máy in 3D được phân tích gồm ba khối: phần cơ khí (truyền động các trục bằng vít me–đai ốc hoặc đai), phần điện (khối điều khiển: vi điều khiển, board kết nối, driver; khối chấp hành: động cơ bước, cảm biến nhiệt) và phần mềm (CAD/CAM và điều khiển).
Lý thuyết động cơ bước được trình bày chi tiết cho ba loại (nam châm vĩnh cửu, biến từ trở, hỗn hợp) kèm công thức tính góc bước:
- Động cơ nam châm vĩnh cửu: $S_{đc} = \frac{360}{Z_s}$
- Động cơ biến từ trở: $S = \frac{360}{N_p \cdot Z_r}$
- Động cơ hỗn hợp: $S = \frac{S_r}{Z_s}$
Lý thuyết truyền động vít me–đai ốc bi được phân tích với hiệu suất đạt 90–95%, và bộ truyền đai được khảo sát theo các loại đai GT2, đai thang, đai dẹt, kèm bảng so sánh thông số đai GT2. Chương cũng trình bày bảng G-code thường dùng cho máy in 3D gồm các lệnh G0, G1, G2/G3, G28, M104, M140, M190 và nhiều lệnh khác.
Chương 4: Tính toán, thiết kế và chế tạo máy in 3D
Đây là chương trọng tâm của đồ án. Tác giả mở đầu bằng bộ thông số kỹ thuật mục tiêu: không gian in tối đa 300 × 300 × 200 mm, độ phân giải lớp ≥ 0,4 mm, dung sai ±0,1 mm, tốc độ in 90–130 mm/s, tốc độ tối đa 300 mm/s.
So sánh bốn phương án kết cấu:
| Phương án |
Kết cấu |
Ưu điểm chính |
Nhược điểm chính |
| 1 |
Cartesian XZ + đai (XY) + vít me (Z) |
Đơn giản, chi phí thấp |
Quán tính lớn, dễ rung, sai lệch mẫu |
| 2 |
Robot delta + đai |
Quán tính nhỏ, in vật cao |
Khổ máy lớn, khó căn chỉnh, giá cao |
| 3 |
Cartesian XY (CoreXY) + đai (XY) + vít me (Z) |
Tốc độ và độ chính xác cao |
Khó căn chỉnh bàn in |
| 4 |
Tay máy Scara + hộp số giảm tốc (XY) + vít me–đai ốc bi (Z) |
Không chiếm không gian, êm, độ chính xác cao |
Phức tạp, đòi hỏi chính xác cơ khí cao, thiết lập điều khiển khó |
Phương án 4 được lựa chọn. Thiết kế bàn máy sử dụng thép hộp vuông 30 × 30 mm, liên kết bằng hàn hồ quang, chân đế cao su giảm rung. Trục Z dùng vít me–đai ốc bi với kiểu lắp cụ thể và thông số tính toán: khối lượng bàn in m = 1 kg, vận tốc in V₁ = 5 mm/s, vận tốc di chuyển tối đa V₂ = 20 mm/s, gia tốc a = 2 mm/s², tốc độ vòng quay động cơ N = 1.000 vòng/phút, thời gian làm việc T = 21.900 giờ (5 năm, 12 giờ/ngày). Trục XY dùng bộ truyền hộp số động cơ Scara, với bạc dẫn hướng LHFRDM16.
Phần điện được thiết kế theo sơ đồ khối gồm: nguồn tổ ong, Arduino Mega 2560, board RAMPS 1.4, driver A4988 và DRV8825, công tắc hành trình, cảm biến nhiệt, điện trở gia nhiệt, màn hình LCD. Tác giả lập bảng so sánh driver A4988 và DRV8825 và trình bày sơ đồ kết nối tổng quát.
Phần mềm sử dụng Cura làm phần mềm CAM chính. Các thông số chế độ in được thiết lập và minh họa bao gồm: Layer height, Shell thickness, Bottom/Top thickness, Fill density, Support type, Platform adhesion type và các thông số Advanced. Bộ đùn nhựa gồm cụm tời nhựa (bánh răng kéo sợi nhựa) và đầu phun gia nhiệt.
Chương 5: Kết quả
Chương trình bày mô hình thiết kế và mô hình thực tế của máy in 3D dạng Scara, sơ đồ khối quá trình in, các chức năng điều khiển và sơ đồ cây thư mục phần mềm. Bảng thông số kỹ thuật tổng hợp (Bảng 5.1) tổng kết các thông số máy đã chế tạo.
Thiết kế và triển khai
(Mục bổ sung do đồ án thuộc loại xây dựng hệ thống kỹ thuật/thiết bị)
Kiến trúc hệ thống
Máy in 3D dạng Scara được tổ chức thành ba tầng:
- Tầng cơ khí: Khung thép hộp vuông 30 × 30 mm (hàn hồ quang), tay máy Scara với truyền động hộp số giảm tốc cho hai trục XY, vít me–đai ốc bi với bạc dẫn hướng LHFRDM16 cho trục Z, bộ đùn nhựa kiểu Direct gồm tời nhựa bánh răng và đầu phun gia nhiệt.
- Tầng điều khiển: Arduino Mega 2560 làm vi xử lý trung tâm, board RAMPS 1.4 kết nối ngoại vi, driver A4988/DRV8825 điều khiển động cơ bước theo phương pháp vi bước (Microstep), cảm biến nhiệt và điện trở gia nhiệt cho đầu phun, công tắc hành trình (endstop) xác định điểm gốc tọa độ.
- Tầng phần mềm: Phần mềm Cura thực hiện slicing và xuất G-code, Repetier Host hoặc Pronterface giao tiếp máy tính–máy in, firmware Marlin (giao thức G-code) nạp vào Arduino Mega 2560. Máy hỗ trợ nạp G-code qua kết nối USB hoặc thẻ nhớ qua LCD.
Các công nghệ và linh kiện sử dụng
| Thành phần |
Chi tiết |
| Vi điều khiển |
Arduino Mega 2560 |
| Board mở rộng |
RAMPS 1.4 |
| Driver động cơ |
A4988, DRV8825 |
| Đai truyền động |
GT2 |
| Bạc dẫn hướng |
LHFRDM16 |
| Phần mềm CAM |
Cura |
| Phần mềm điều khiển |
Repetier Host, Pronterface |
| Ngôn ngữ G-code |
Tương thích chuẩn CNC, bổ sung lệnh riêng máy in 3D |
Kiểm thử
Máy được kiểm nghiệm thực tế bằng cách in thử và đối chiếu với các thông số thiết kế. Kết quả đạt không gian in 300 × 300 × 200 mm (đạt mục tiêu về diện tích XY, chiều cao Z giảm 100 mm so với yêu cầu ban đầu 300 mm). Các kiểu đường chạy nhựa được thử nghiệm để tối ưu hóa chất lượng mẫu in.
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính
- Thiết kế và chế tạo thành công máy in 3D dạng Scara hoạt động được, với không gian in thực tế đạt 300 × 300 × 200 mm.
- Tốc độ in: 90–130 mm/s khi in, tốc độ di chuyển tối đa 300 mm/s.
- Độ phân giải lớp in: từ 0,4 mm, dung sai cho phép ±0,1 mm.
- Hệ thống điều khiển hoạt động ổn định với các thông số thiết lập Basic và Advanced trên phần mềm Cura.
Giải pháp và kiến nghị tác giả đề xuất
- Áp dụng phương án tay máy Scara với hộp số giảm tốc thay cho kết cấu Cartesian truyền thống, giúp máy hoạt động êm hơn, không chiếm diện tích không gian bàn in, cơ cấu di động có quán tính nhỏ hơn.
- Sử dụng vít me–đai ốc bi cho trục Z để tăng hiệu suất truyền động (90–95%) và giảm hiện tượng trượt.
- Chọn vật liệu CF-PLA cho các chi tiết chịu lực trong thân máy.
- Sử dụng bộ điều khiển vi bước (Microstep) để tăng độ chính xác chuyển động và giảm rung động.
Đóng góp so với nghiên cứu trước
Theo tác giả, đóng góp chính là thay đổi thiết kế cơ khí và hệ thống chuyển động từ kết cấu Cartesian/Delta truyền thống sang kết cấu tay máy Scara — hướng tiếp cận mang nguyên lý robot công nghiệp vào máy in 3D — tạo tiền đề để phát triển máy in 3D theo tiêu chuẩn công nghiệp. Đây là sản phẩm phục vụ trực tiếp công tác nghiên cứu và giảng dạy tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp năm 2016, một số hạn chế có thể nhận thấy từ phạm vi thực hiện:
- Chiều cao in thực tế (200 mm) thấp hơn mục tiêu đề ra (300 mm), cho thấy kết cấu trục Z và tay máy Scara gặp ràng buộc về độ vươn đứng.
- Kết cấu tay máy Scara đòi hỏi chính xác cơ khí cao và thiết lập bộ điều khiển phức tạp; đồ án chưa trình bày thuật toán động học ngược (inverse kinematics) đầy đủ.
- Đường chạy nhựa đã được khảo sát nhưng chưa có kết quả kiểm thử định lượng (thời gian in so sánh, độ bóng bề mặt đo đạc).
- Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm: nâng cao chiều cao in, cải thiện bộ điều khiển động học Scara, tích hợp cảm biến phản hồi vị trí (vòng kín), thử nghiệm với nhiều loại vật liệu in, và thu nhỏ kết cấu máy để tăng tính di động.
Giá trị tham khảo
Đồ án này phù hợp để tham khảo với các đối tượng sau:
- Sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo Máy, Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí đang thực hiện đề tài liên quan đến thiết kế máy CNC, robot công nghiệp hoặc máy in 3D — đặc biệt phần so sánh bốn phương án kết cấu (Chương 4) và quy trình lựa chọn vít me.
- Sinh viên ngành Điện tử, Tự động hóa có thể tham khảo phần thiết kế hệ thống điện – điều khiển (Chương 4), sơ đồ kết nối Arduino Mega 2560 – RAMPS 1.4 – driver A4988/DRV8825, và bảng G-code.
- Người nghiên cứu về công nghệ in 3D FDM có thể tham khảo Chương 2 (so sánh năm công nghệ tạo mẫu nhanh và bốn dòng máy thương mại) và Chương 3 (lý thuyết động cơ bước, truyền động vít me–đai ốc bi).
- Sinh viên làm đề tài tự chế máy in 3D chi phí thấp nên đọc bảng thông số vật liệu in (ABS, PLA, PETG, HIPS, CF-PLA), bảng G-code thường dùng và hướng dẫn thiết lập thông số phần mềm Cura.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao tác giả chọn phương án tay máy Scara thay vì robot delta vốn đã có tốc độ và độ chính xác cao?
Theo phân tích trong đồ án, robot delta (phương án 2) có nhược điểm là khổ máy lớn, cồng kềnh, khó căn chỉnh bàn máy và giá thành cao. Tay máy Scara (phương án 4) được chọn vì ưu điểm không chiếm diện tích không gian, kết cấu cứng vững, độ chính xác cao và hoạt động êm. Ngoài ra, quyết định được đưa ra có sự tư vấn của ThS. Đoàn Tất Linh.
2. Vít me–đai ốc bi trục Z được tính toán dựa trên những thông số tải trọng nào?
Thông số thiết kế trục Z gồm: khối lượng bàn in m = 1 kg, vận tốc in V₁ = 5 mm/s, vận tốc di chuyển tối đa V₂ = 20 mm/s, gia tốc a = 2 mm/s², tốc độ vòng quay động cơ N = 1.000 vòng/phút và tuổi thọ thiết kế T = 21.900 giờ (tương đương 5 năm, 12 giờ/ngày).
3. Vật liệu CF-PLA khác PLA thông thường như thế nào và được sử dụng để làm gì trong đồ án?
CF-PLA là PLA được pha thêm 15–20% tinh thể carbon, giúp cấu trúc vật thể in có độ cứng và độ bền cơ học cao hơn nhiều lần so với PLA nguyên chất. Loại vật liệu này thích hợp cho các chi tiết chịu lực và gá đỡ. Để in CF-PLA cần nhiệt độ đầu phun 220–240°C, bàn nhiệt 60°C, tốc độ 30–50 mm/s và đầu phun ≥ 0,5 mm do vật liệu có hạt carbon li ti.
4. Bo mạch điều khiển sử dụng là gì và các driver nào được dùng để điều khiển động cơ bước?
Hệ thống điều khiển dùng Arduino Mega 2560 làm vi xử lý trung tâm, board RAMPS 1.4 làm board mở rộng kết nối ngoại vi. Driver điều khiển động cơ bước gồm hai loại A4988 và DRV8825, được so sánh trong Bảng 4.8 của đồ án. Phần mềm CAM chính là Cura; phần mềm giao tiếp máy tính–máy in là Repetier Host hoặc Pronterface.
5. Tại sao không gian in thực tế chỉ đạt 300 × 300 × 200 mm thay vì 300 × 300 × 300 mm như yêu cầu ban đầu?
Nhiệm vụ đồ án đặt mục tiêu ban đầu là kích thước vật in 300 × 300 × 300 mm; tuy nhiên sản phẩm thực tế chỉ đạt chiều cao 200 mm. Đây là hạn chế được ghi nhận trong tờ nhiệm vụ đồ án, cho thấy kết cấu tay máy Scara gặp ràng buộc về tầm với theo trục đứng trong phạm vi thiết kế cơ khí của đề tài.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế Chế tạo Máy in 3D dạng Scara" của sinh viên Liêu Chí Thắng (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, 2016) trình bày đầy đủ quá trình từ khảo sát lý thuyết công nghệ in 3D, phân tích và lựa chọn kết cấu, đến tính toán thiết kế cơ khí, hệ thống điện – điều khiển và chế tạo thực tế máy in 3D ứng dụng cấu trúc tay máy Scara. Sản phẩm đạt không gian in 300 × 300 × 200 mm với dung sai ±0,1 mm và tốc độ in 90–130 mm/s, phục vụ mục tiêu nghiên cứu và giảng dạy tại trường. Đây là một trong những đồ án sớm áp dụng nguyên lý robot Scara vào thiết kế máy in 3D trong bối cảnh giáo dục kỹ thuật tại Việt Nam, đặt nền móng cho hướng phát triển máy in 3D tiệm cận tiêu chuẩn robot công nghiệp.
