Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Công nghệ in 3D xuất hiện từ năm 1984 và liên tục mở rộng về quy mô, công nghệ cũng như hệ thống vật liệu. Tại Việt Nam, công nghệ in 3D đã phát triển nhờ cộng đồng mã nguồn mở và nguồn linh kiện dồi dào, cho phép người dùng tự chế tạo và lắp ráp máy in. Tuy nhiên, việc phổ biến công nghệ này vào thực tiễn sản xuất và đời sống vẫn còn nhiều rào cản về kỹ thuật và khả năng làm chủ thiết bị. Song song đó, công nghệ scan 3D đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu không gian, tái tạo mô hình số hóa cho các ngành kỹ thuật, xây dựng, y tế và tạo mẫu công nghiệp, nhưng mức độ ứng dụng trong nước thời điểm thực hiện đề tài còn hạn chế, chủ yếu dừng ở đo đạc và tạo khuôn cơ bản.
Nhằm làm chủ quy trình thiết kế, chế tạo thiết bị phần cứng và cấu hình phần mềm điều khiển, đề tài "Nghiên cứu và thi công máy in, scan 3D" được thực hiện bởi sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 02/2016 đến tháng 07/2016.
Mục tiêu nghiên cứu:
- Hiểu được nguyên lý hoạt động của từng công nghệ in 3D.
- Hoàn thành mô hình máy in 3D hoàn chỉnh, đạt yêu cầu về kỹ thuật.
- In được các sản phẩm có độ chính xác về hình dạng, kích cỡ, đủ độ bền và thẩm mỹ.
- Hoàn thành máy scan 3D với các thành phần cơ khí được in trực tiếp từ máy in 3D đã chế tạo.
- Hiểu được nguyên lý hoạt động của máy scan 3D.
- Scan được một số vật phẩm đơn giản với độ chính xác tương đối.
Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Tìm hiểu các dạng máy in 3D và các công nghệ in 3D thương mại.
- Sử dụng, thiết lập và làm chủ firmware và software điều khiển máy in 3D.
- Phân tích nguyên nhân và khắc phục các sự cố thường gặp trong quá trình in 3D.
- Tìm hiểu các dạng và công nghệ scan 3D.
- Nghiên cứu nguyên lý hoạt động và thông số kỹ thuật của các linh kiện điện tử, cơ khí cấu thành hệ thống.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng điều khiển nhúng gồm Board Arduino Mega 2560, Board Arduino Nano, Board mở rộng RAMPS 1.4, IC điều khiển động cơ bước A4988, vi mạch đệm ULN2003; các công nghệ tạo mẫu nhanh FDM, SLS, SLA, Polyjet và công nghệ quét 3D tiếp xúc/không tiếp xúc.
- Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế và chế tạo thực nghiệm mô hình máy in 3D công nghệ FDM dạng tọa độ Đề-các (Cartesian) và mô hình máy scan 3D laser bàn xoay không tiếp xúc; cấu hình firmware Marlin và phần mềm cắt lớp/điều khiển Repetier-Host.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng
Đồ án phân loại và phân tích cấu trúc hoạt động của các hệ thống in 3D và scan 3D trên thị trường:
- Các dạng động học máy in 3D:
- Cartesian: Chuyển động độc lập theo 3 trục $X, Y, Z$ trong không gian Đề-các. Ưu điểm là dễ lắp ráp, căn chỉnh, cộng đồng hỗ trợ lớn; nhược điểm là khối lượng cơ cấu chuyển động lớn gây rung và hạn chế tốc độ in.
- Delta (Robot song song): Sử dụng 3 cánh tay đòn di chuyển đầu in, bàn in cố định. Hoạt động êm, tốc độ cao, chiều cao in lớn nhưng việc căn chỉnh và cấu hình toán học phức tạp.
- Polar: Chuyển động dựa trên hệ tọa độ cực (quay bàn in kết hợp trục đứng và bán kính). Kích thước gọn nhưng quán tính bàn in lớn, tốc độ chậm.
- SCARA: Cánh tay robot khớp quay mô phỏng chuyển động sinh học, tốc độ cao nhưng động học phức tạp và chi phí cao.
- Các công nghệ in 3D thương mại:
- FDM (Fused Deposition Modeling): Làm nóng chảy sợi nhựa nhiệt dẻo (PLA, ABS) và đùn ép qua đầu phun siêu nhỏ theo từng lớp. Giá thành thấp, tốc độ tạo hình nhanh, độ bền cơ học định hướng tốt theo mặt phẳng $X-Y$.
- SLS (Selective Laser Sintering): Dùng tia laser thiêu kết bột vật liệu (Nylon 11, Nylon 12, PEEK). In được chi tiết thành mỏng, độ mịn cao, không cần cấu trúc nâng đỡ (support) nhưng chi phí thiết bị và vật liệu rất đắt.
- SLA (Stereolithography): Dùng tia laser/UV làm đông cứng từng lớp nhựa polymer dạng lỏng (Photopolymer). Độ chính xác và chi tiết rất cao nhưng vật liệu đắt và dễ bị biến tính dưới ánh sáng mặt trời.
- Polyjet: Phun các hạt photopolymer lỏng và làm khô ngay bằng đèn UV, cho phép phối trộn nhiều màu sắc/vật liệu trên cùng một mẫu in.
- Các công nghệ scan 3D:
- Scan tiếp xúc (CMM - Coordinate Measuring Machine): Đầu dò tiếp xúc trực tiếp lên bề mặt vật thể để ghi nhận tọa độ $(x, y, z)$. Độ chính xác rất cao, kiểm tra được độ song song, độ phẳng nhưng tốc độ đo chậm.
- Scan không tiếp xúc dạng Time-of-Flight: Phát xung laser và tính khoảng cách dựa trên vận tốc ánh sáng $c$ và thời gian phản hồi $t$ qua công thức $d = \frac{c \cdot t}{2}$. Phù hợp quét công trình, địa hình cự ly xa.
- Scan không tiếp xúc dạng Triangulation (Tam giác lượng): Chiếu nguồn laser thẳng lên vật thể và thu nhận tín hiệu qua cảm biến quang học/PSD (Position Sensitive Device) để tính tọa độ góc và khoảng cách.
- Giải thuật điều khiển PID: Ứng dụng giải thuật điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân (Proportional - Integral - Derivative) để tự động hóa quá trình ổn định nhiệt độ tại đầu gia nhiệt (hotend) của máy in 3D.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Khảo cứu tài liệu kỹ thuật về các vi điều khiển họ AVR (ATmega2560, ATmega328P), chuẩn giao tiếp (UART, SPI, I2C), tập lệnh mã G-code, nguyên lý chuyển động bước và các giải thuật nội suy quỹ đạo.
- Phương pháp thực nghiệm - thi công: Gia công khung cơ khí, kết nối phần cứng mạch điện tử, nạp firmware, thiết lập thông số phần mềm cắt lớp, tiến hành in thử nghiệm các mẫu vật từ cơ bản đến phức tạp.
- Phương pháp phân tích - khắc phục lỗi: Quan sát trực quan và đo kiểm các khuyết tật trên sản phẩm in/scan thực tế, suy luận nguyên nhân từ thông số cơ nhiệt và hiệu chỉnh lặp lại.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống bao gồm hai phân hệ phần cứng độc lập: máy in 3D Cartesian FDM và máy scan 3D bàn xoay kết hợp laser.
1. Kiến trúc phần cứng máy in 3D
| Thành phần | Thông số kỹ thuật chi tiết từ đồ án |
|---|---|
| Khối xử lý trung tâm | Board Arduino Mega 2560 R3 (vi điều khiển ATmega2560, xung nhịp 16 MHz, 54 chân Digital với 15 chân PWM, 16 chân Analog, 256 KB Flash, 8 KB SRAM, 4 KB EEPROM). |
| Board công suất mở rộng | RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield), tích hợp 5 khe cắm driver động cơ bước, cấp nguồn logic 5V từ Arduino và nguồn động lực 8–35V DC cho động cơ/đầu nung. |
| Driver điều khiển động cơ | 04 Module A4988 Step Driver, hỗ trợ dòng ra $\pm 2\text{A}$, điện áp động cơ 8–35V DC, tự ngắt khi quá nhiệt, thiết lập chế độ vi bước (Microstepping) qua các chân MS1, MS2, MS3. |
| Động cơ bước truyền động | Động cơ bước 2 pha KH42JM2B194A (loại Uni-Polar, góc bước $1.8^\circ$, điện áp định mức 2.52V, dòng định mức 0.9A, điện trở $5.0,\Omega/\text{Phase}$, mô-men giữ $362\text{ mN}\cdot\text{m}$, đường kính trục 5 mm). |
| Đầu đùn nhựa (Hotend) | Đầu phun đường kính $0.4\text{ mm}$, chiều dài thân $89\text{ mm}$, chất liệu nhôm, khối lượng $80\text{g}$, điện áp 12V DC, tích hợp cảm biến nhiệt độ thermistor chịu nhiệt đến $300^\circ\text{C}$, tương thích sợi nhựa PLA/ABS $1.75\text{ mm}$ hoặc $3\text{ mm}$. |
| Cảm biến hành trình (Endstop) | Công tắc hành trình cơ học KW12-2c (thông số 3A 250VAC, 5A 125VAC, khối lượng 4g) đặt tại vị trí gốc tọa độ của các trục $X, Y, Z$. |
| Hệ thống cơ khí | Khung nhôm định hình $20\times 20\text{ mm}$, thanh trượt tròn 8 mm kết hợp vòng bi trượt $8\times 15\times 24\text{ mm}$, gối đỡ SK8, vitme ren M5 và khớp nối mềm $5\times 5\text{ mm}$ cho trục $Z$, puly 20 răng và dây đai curoa bản rộng 6 mm cho trục $X, Y$. Bàn in mica/kính. |
Bảng thiết lập chế độ vi bước trên driver A4988 qua chân Jumper RAMPS 1.4:
- MS1 = Low, MS2 = Low, MS3 = Low -> Full step (1/1)
- MS1 = High, MS2 = Low, MS3 = Low -> Half step (1/2)
- MS1 = Low, MS2 = High, MS3 = Low -> 1/4 step
- MS1 = High, MS2 = High, MS3 = Low -> 1/8 step
- MS1 = High, MS2 = High, MS3 = High -> 1/16 step (chế độ được chọn để tối ưu độ mịn)
2. Kiến trúc phần cứng máy scan 3D
| Thành phần | Thông số kỹ thuật trích xuất |
|---|---|
| Khối xử lý trung tâm | Board Arduino Nano (vi điều khiển ATmega328, xung nhịp 16 MHz, 14 chân Digital, 8 chân Analog, 32 KB Flash, 2 KB SRAM, 1 KB EEPROM). |
| Cơ cấu định vị quang học | Đèn phát laser đường thẳng (bước sóng $650\text{ nm}$, nguồn $3\text{--}5\text{V}$, công suất $2\text{--}5\text{mW}$, dòng tiêu thụ tối đa $40\text{ mA}$, khối lượng $13.5\text{g}$). |
| Cơ cấu quay bàn quét | Động cơ bước giảm tốc 28BYJ-48 (5 dây 4 pha) kết hợp module đệm công suất ULN2003 (chứa 7 cặp transistor Darlington cực góp hở, dòng liên tục $500\text{ mA/kênh}$, áp đánh thủng $50\text{V}$, diode bảo vệ triệt tiêu tia lửa điện do tải cảm). |
| Khung giá đỡ | Toàn bộ chi tiết gá lắp động cơ, trục xoay và chân đế laser được in trực tiếp từ máy in 3D. |
3. Cấu hình Firmware Marlin và Phần mềm Repetier-Host
- Cấu hình mã nguồn mở Marlin:
- Thiết lập tốc độ truyền thông UART (
BAUDRATE 250000hoặc115200). - Khai báo loại bo mạch điều khiển (
MOTHERBOARD BOARD_RAMPS_14_EFB). - Khai báo cảm biến nhiệt độ đầu đùn (
TEMP_SENSOR_0 1cho thermistor $100\text{k}\Omega$). - Kích hoạt và nạp bộ thông số PID cho đầu đùn thông qua chu trình tự dò (
PID_AUTOTUNE). - Thiết lập tính năng an toàn
PREVENT_COLD_EXTRUSION(nhiệt độ tối thiểu $170^\circ\text{C}$ mới cho phép động cơ đùn nhựa di chuyển). - Cấu hình logic kích hoạt công tắc hành trình (
X_MIN_ENDSTOP_INVERTING,Y_MIN_ENDSTOP_INVERTING,Z_MIN_ENDSTOP_INVERTING). - Thiết lập kích thước giới hạn vùng in ($X_{\max}, Y_{\max}, Z_{\max}$) và tính toán số bước động cơ trên mỗi mm di chuyển (
DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT).
- Thiết lập tốc độ truyền thông UART (
- Cấu hình phần mềm cắt lớp Repetier-Host (tích hợp bộ xử lý Slic3r):
- Layers and Perimeters: Thiết lập độ dày lớp in (Layer height), số lượng đường bao ngoài (Perimeters) và số lớp đặc ở đáy/đỉnh (Solid layers).
- Infill (Cấu trúc ruột): Mật độ điền đầy (Fill density) và các thuật toán tạo mẫu ruột: Honeycomb (Tổ ong), Line (Đường thẳng), Hilbert Curve, Archimedean Chords, Octagram Spiral.
- Skirt and Brim: Thiết lập vòng đùn mồi (Skirt) và viền giữ bám dính đáy (Brim).
- Support material: Bật tính năng tạo giá đỡ cho các phần nhô ra ngoài không gian với góc nghiêng mẫu đan $45^\circ$.
- Speed & Cooling: Cấu hình tốc độ in chi tiết, tốc độ di chuyển không in, và tốc độ quạt tản nhiệt làm mát nhựa theo từng lớp.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: TỔNG QUAN
Chương 1 trình bày lịch sử hình thành của công nghệ in 3D từ năm 1984 và sự phát triển của công nghệ quét 3D. Nhóm tác giả khẳng định tính cấp thiết của đề tài trong việc nghiên cứu chế tạo thiết bị giá thành thấp nhưng đảm bảo độ chính xác kỹ thuật. Chương này công bố 6 mục tiêu nghiên cứu, 5 nhiệm vụ trọng tâm, xác định đối tượng nghiên cứu xoay quanh hệ sinh thái Arduino (Mega 2560, Nano, RAMPS 1.4) và nêu rõ bố cục 5 chương của toàn bộ đồ án.
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 2 phân tích chuyên sâu về lý thuyết thiết bị và công nghệ:
- So sánh 4 cấu trúc động học máy in 3D: Cartesian, Delta, Polar, SCARA.
- Đánh giá 4 công nghệ in thương mại: FDM, SLS, SLA, Polyjet cùng các vật liệu tương ứng (PLA, ABS, Nylon, PEEK, Photopolymer).
- Trình bày cấu tạo chi tiết linh kiện máy in: Board Arduino Mega 2560, shield RAMPS 1.4, động cơ bước KH42JM2B194A ($1.8^\circ$), driver vi bước A4988, đầu phun $0.4\text{ mm}$, công tắc hành trình KW12-2c, quạt tản nhiệt 12V, khung nhôm định hình $20\times 20\text{ mm}$, ray trượt và vitme M5.
- Trình bày công nghệ scan 3D tiếp xúc (CMM) và không tiếp xúc (Time-of-Flight, Triangulation).
- Giới thiệu linh kiện máy scan: Arduino Nano, diode laser đường thẳng $650\text{ nm}$, module vi mạch đệm ULN2003 và động cơ bước 28BYJ-48.
- Khái quát cấu trúc lý thuyết bộ điều khiển PID gồm khâu tỉ lệ ($P$), tích phân ($I$) và vi phân ($D$).
Chương 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG
Chương 3 trình bày sơ đồ khối hệ thống máy in và máy scan 3D. Tác giả tính toán phần cứng, kết nối dây dẫn cho hệ thống RAMPS 1.4 kết hợp Arduino Mega 2560 và Arduino Nano. Trọng tâm của chương là quy trình hiệu chỉnh chi tiết firmware Marlin: tốc độ baud, cảm biến nhiệt độ, thuật toán ổn định nhiệt PID, khóa an toàn nhiệt độ đùn tối thiểu, đảo chiều trục động cơ, vị trí Home và công thức tính bước động cơ trên từng trục. Đồng thời, chương 3 hướng dẫn chi tiết các thông số trên phần mềm Repetier-Host từ độ cao lớp in, hoa văn điền đầy (Honeycomb, Hilbert Curve, Archimedean Chords), cấu trúc nâng đỡ góc $45^\circ$, đến quản lý tốc độ và G-code.
Chương 4: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT
Chương 4 công bố hình ảnh thực tế của mô hình máy in 3D và máy scan 3D hoàn chỉnh sau khi lắp ráp. Tác giả trình bày các sản phẩm in 3D từ dạng khối cơ bản đến các chi tiết gá lắp phức tạp, cùng kết quả quét đám mây điểm 3D của vật mẫu đơn giản. Điểm nổi bật của chương là bảng tổng hợp chẩn đoán lỗi in thực tế:
- Hiện tượng tách lớp khỏi bàn in (Warping) và cách xử lý bằng bàn nhiệt/keo dán.
- Hiện tượng lệch lớp (Layer shifting) do trượt bước động cơ hoặc chùng dây curoa.
- Các lớp in không thẳng hàng do lỏng ốc khung hoặc rơ thanh trượt.
- Hiện tượng mất lớp in hoặc hở lớp nhựa trên cùng (Top layer gaps) do thiếu số lớp Solid layers hoặc sai nhiệt độ đầu đùn.
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Chương 5 đúc kết các mục tiêu đã đạt được: chế tạo thành công máy in 3D FDM hoạt động ổn định và chế tạo máy scan 3D sử dụng chính các chi tiết cơ khí do máy in 3D tạo ra. Tác giả đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật cho hệ thống trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
1. Kết quả kỹ thuật đạt được
- Chế tạo thành công máy in 3D Cartesian FDM:
- Kết nối và điều khiển đồng bộ 4 trục chuyển động thông qua board Arduino Mega 2560 R3 kết hợp shield RAMPS 1.4 và 4 driver A4988 ở chế độ vi bước $1/16$.
- Kiểm soát chính xác nhiệt độ đầu đùn thông qua cảm biến thermistor và thuật toán điều khiển PID.
- Thiết lập cơ chế khóa an toàn ngăn chặn đùn nguội dưới $170^\circ\text{C}$.
- Tạo ra các sản phẩm in 3D hoàn chỉnh, biên dạng chính xác, kết cấu liên kết giữa các lớp nhựa chắc chắn.
- Chế tạo thành công máy scan 3D laser bàn xoay:
- Ứng dụng Arduino Nano điều khiển động cơ bước giảm tốc 28BYJ-48 thông qua vi mạch đệm công suất ULN2003 để xoay bàn quét với góc bước chính xác.
- Đồng bộ nguồn quét laser đường thẳng $650\text{ nm}$ ($2\text{--}5\text{mW}$) để thu thập dữ liệu biên dạng vật thể không tiếp xúc.
- Toàn bộ khung gá cơ khí của máy scan được sản xuất trực tiếp từ máy in 3D đã chế tạo.
2. Tổng hợp xử lý lỗi in 3D thực nghiệm
| Sự cố in 3D | Nguyên nhân kỹ thuật phát hiện | Giải pháp khắc phục đã thực hiện |
|---|---|---|
| Tách lớp khỏi bàn in (Warping) | Nhiệt độ bàn in không đủ, độ bám dính lớp đầu tiên kém, nhựa co ngót khi nguội nhanh. | Gia nhiệt bàn in (đối với nhựa ABS), quét keo/băng dính nhiệt lên mặt kính, bật viền Brim. |
| Dịch lớp (Layer Shifting) | Động cơ bước bị mất bước do quá tải, dòng cấp driver A4988 quá thấp/quá nhiệt, dây curoa bị chùng. | Tinh chỉnh biến trở dòng trên driver A4988, căng lại dây curoa 6 mm, giảm tốc độ in trong Repetier-Host. |
| Lớp in không thẳng hàng | Khung nhôm $20\times 20$ bị lỏng góc ke, vòng bi trượt $8\text{ mm}$ bị rơ lắc trên ray dẫn hướng. | Siết chặt góc ke $20\times 20\text{ mm}$, cố định lại gối đỡ SK8 và căn chỉnh độ song song của trục dẫn hướng. |
| Hở lớp nhựa trên cùng (Pillowing/Gaps) | Số lượng lớp đặc ở đỉnh (Solid Layers) quá ít, mật độ ruột (Fill density) quá thưa hoặc thiếu làm mát. |
Tăng số lớp Top Solid Layers trong phần mềm Slic3r, tăng công suất quạt tản nhiệt $12\text{V}$. |
3. Đóng góp của đề tài
- Chứng minh tính khả thi của mô hình tự nhân bản một phần (RepRap): sử dụng máy in 3D tự chế tạo để in các chi tiết cơ khí cấu thành nên một thiết bị kỹ thuật khác (máy scan 3D).
- Hệ thống hóa toàn bộ quy trình thiết lập, tính toán thông số động học trong firmware Marlin và kinh nghiệm xử lý lỗi in thực tế cho hệ thống in 3D mã nguồn mở.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế được ghi nhận
- Về máy in 3D: Cấu trúc chuyển động dạng Cartesian có khối lượng cụm đầu in và bàn in lớn, dẫn đến hiện tượng rung lắc khi tăng tốc độ in, làm giới hạn năng suất tạo mẫu. Quá trình cân chỉnh bàn in vẫn phải thực hiện thủ công qua vít lò xo tại 4 góc.
- Về máy scan 3D: Độ phân giải và độ chính xác của đám mây điểm thu được chỉ ở mức tương đối; tốc độ quét còn phụ thuộc vào tỷ số truyền của động cơ bước 28BYJ-48 và chỉ phù hợp với các vật thể có cấu trúc hình học đơn giản.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Nghiên cứu tích hợp cảm biến tự động cân bằng bàn in (Auto Bed Leveling) cho máy in 3D để triệt tiêu sai số căn chỉnh thủ công.
- Tối ưu hóa thuật toán xử lý ảnh và thuật toán tam giác lượng cho máy scan 3D nhằm nâng cao độ phân giải quét trên các bề mặt phức tạp hoặc vật thể có màu sắc tương phản cao.
- Nâng cấp cơ cấu cơ khí và nghiên cứu công nghệ in nhiều đầu đùn (Dual/Multiple Extruders) để in đồng thời vật liệu tạo mẫu và vật liệu nâng đỡ tan trong nước.
Giá trị tham khảo
Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo ứng dụng thực tế cho:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử, Cơ điện tử, Tự động hóa, Viễn thông: Làm tài liệu học tập về thiết kế hệ thống nhúng điều khiển chuyển động nhiều trục, giao tiếp công suất qua shield RAMPS 1.4/ULN2003 và lập trình vi điều khiển họ AVR.
- Người nghiên cứu và phát triển máy in 3D mã nguồn mở: Cung cấp thông số cấu hình chuẩn xác cho firmware Marlin (bước động cơ, thông số PID, cấu hình chân endstop) và cẩm nang xử lý các khuyết tật in FDM thực nghiệm.
- Phần đáng tham khảo nhất: Mục 3.6 (Thiết lập chi tiết Firmware Marlin), Mục 3.7 (Các thông số tối ưu trên Repetier-Host/Slic3r) và Mục 4.3 (Phân tích nguyên nhân và giải pháp cho 5 lỗi in 3D thực tế).
Câu hỏi thường gặp
1. Khóa luận sử dụng loại vi điều khiển nào cho máy in 3D và máy scan 3D?
Máy in 3D sử dụng board Arduino Mega 2560 R3 (vi điều khiển ATmega2560, xung nhịp 16 MHz, bộ nhớ Flash 256 KB) kết hợp shield RAMPS 1.4. Máy scan 3D sử dụng board Arduino Nano (vi điều khiển ATmega328, xung nhịp 16 MHz, bộ nhớ Flash 32 KB).
2. Động cơ bước chính trên các trục của máy in 3D có thông số kỹ thuật như thế nào?
Động cơ sử dụng là loại bước 2 pha mã hiệu KH42JM2B194A, góc bước $1.8^\circ$ (200 bước/vòng ở chế độ Full-step), điện áp định mức 2.52V DC, dòng điện định mức 0.9A, điện trở cuộn dây $5.0,\Omega/\text{Phase}$, mô-men xoắn giữ $362\text{ mN}\cdot\text{m}$, đường kính trục 5 mm.
3. Để kích hoạt chế độ vi bước 1/16 trên driver A4988 cắm trên RAMPS 1.4, các chân jumper MS1, MS2, MS3 được thiết lập ra sao?
Theo bảng tra cứu trong đồ án, để thiết lập chế độ vi bước $1/16$ (Microstep), cả ba chân jumper MS1, MS2 và MS3 trên board RAMPS 1.4 đều phải được nối ở mức logic cao (High - High - High).
4. Module công suất nào được dùng để kéo động cơ bước trên máy scan 3D?
Máy scan 3D sử dụng module vi mạch đệm ULN2003 chứa 7 cặp transistor Darlington cực góp hở, có khả năng chịu dòng liên tục $500\text{ mA}$ mỗi kênh và điện áp cực góp tối đa $50\text{V}$, kết nối trực tiếp với động cơ bước 5 dây 4 pha 28BYJ-48.
5. Firmware Marlin thiết lập tính năng an toàn nhiệt độ đầu đùn như thế nào?
Firmware Marlin được cấu hình chức năng PREVENT_COLD_EXTRUSION với ngưỡng nhiệt độ tối thiểu là $170^\circ\text{C}$. Nếu nhiệt độ khối nung dưới mức này, firmware sẽ khóa lệnh điều khiển động cơ đùn nhằm tránh gãy sợi nhựa hoặc nghẹt đầu phun.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu và thi công máy in, scan 3D" đã hoàn thành toàn diện việc thiết kế, chế tạo phần cứng và làm chủ phần mềm cho hệ thống tạo mẫu nhanh FDM dạng Cartesian cùng thiết bị scan 3D quang học bàn xoay. Công trình đã làm rõ mối liên hệ giữa các thông số cơ điện tử (driver vi bước A4988, giải thuật nhiệt PID, cấu hình Marlin) với chất lượng tạo hình sản phẩm thực tế. Kết quả của đề tài khẳng định tính khả thi của giải pháp công nghệ mã nguồn mở chi phí thấp trong việc tự chế tạo thiết bị kỹ thuật phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.