TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D
Công nghệ in 3D là gì?
Công nghệ in 3D, hay còn gọi là công nghệ bồi đắp vật liệu, là quy trình kết hợp nhiều bước khác nhau nhằm tạo ra các vật thể ba chiều.
Trong in 3D, các lớp vật liệu được xếp chồng lên nhau dưới sự điều khiển của máy tính để tạo ra các vật thể có hình dạng đa dạng Những đối tượng này được hình thành từ mô hình 3D hoặc các nguồn dữ liệu điện tử khác, cho thấy rằng máy in 3D thực chất là một loại robot công nghiệp.
Máy in 3D sử dụng nhiều công nghệ khác nhau, bao gồm in li-tô lập thể (STL) và mô hình hoá lắng đọng nóng chảy (FDM) Khác với quy trình gia công loại bỏ vật liệu truyền thống, in 3D tạo ra các đối tượng ba chiều bằng cách xây dựng từng lớp từ mô hình thiết kế được hỗ trợ bởi phần mềm máy tính như AutoCAD hoặc các tập tin AMF.
Hình 1.1 : Máy in 3D – in màu
Lịch sử phát triển
Công nghệ in 3D, được biết đến từ cuối những năm 1980 với tên gọi Rapid Prototyping (RP), đã trở thành một phương pháp nhanh chóng và tiết kiệm chi phí để tạo mẫu sản phẩm trong ngành công nghiệp Người đầu tiên xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ RP này là DR Kodama, một nhà khoa học người Nhật Bản, vào tháng 5 năm 1980.
DR Kodama không nộp tài liệu sáng chế đầy đủ đúng hạn một năm sau khi nộp đơn, và điều đáng tiếc là người duyệt đơn lại là một luật sư sáng chế Tuy nhiên, nguồn gốc của in ấn 3D có thể được truy nguyên từ năm 1986, khi bằng sáng chế đầu tiên cho thiết bị tạo khối (SLA) được cấp cho Charles (Chuck) Hull, người đã phát minh ra máy SLA vào năm 1983 Hull cũng là đồng sáng lập của Tổng Công ty Hệ thống 3D, một trong những tổ chức lớn nhất và giàu có nhất trong ngành in 3D hiện nay.
In recent years, various 3D printing technologies and processes have emerged, including Ballistic Particle Manufacturing (BPM), patented by William Masters, and Laminated Object Manufacturing (LOM), originally patented by Michael Feygin Additionally, Solid Ground Curing (SGC) was developed by Itzchak Pomerantz and others, while the 'three-dimensional printing' (3DP) technology was initially patented by Emanuel Sachs and his team The early 1990s witnessed a surge in the number of companies competing in the Rapid Prototyping (RP) market; however, only three original companies remain today: 3D Systems, EOS, and Stratasys.
Đến năm 2010, công nghệ in 3D đã trở nên phổ biến nhờ vào sự hỗ trợ từ chính phủ Mỹ và các gói tài trợ khởi nghiệp, thúc đẩy việc đưa công nghệ này đến tay người tiêu dùng.
Hình 1.2: Máy in 3D của Hoa Kì năm 2010
Trong những năm gần đây, ngành in 3D đã bắt đầu đa dạng hóa với hai lĩnh vực trọng tâm rõ ràng Đầu tiên, in 3D đã đạt được kết quả cao, mặc dù hệ thống vẫn còn đắt đỏ, chủ yếu phục vụ cho các ngành yêu cầu giá trị lớn như hàng không, ô tô, y tế và đồ trang sức, nhờ vào nhiều năm nghiên cứu và phát triển Mặc dù có những khoản kinh phí lớn chưa được công bố, nhưng tiến bộ trong ứng dụng sản xuất đang dần rõ ràng Ở phía đối diện, một số nhà sản xuất hệ thống in 3D đã phát triển các "khái niệm người mô hình", tập trung vào cải thiện phát triển khái niệm và tạo mẫu chức năng với các hệ thống thân thiện và tiết kiệm chi phí, dẫn đến sự ra đời của các máy in 3D để bàn Tuy nhiên, những hệ thống này vẫn chưa đủ cho các ứng dụng công nghiệp.
Hình 1.3: Dây truyền máy in 3D
Trên thế giới hiện có 4 công nghệ in 3D phổ biến nhất
2.2.Phương pháp thêu kết laser chọn lọc SLS
Hình 1.4 Phương pháp thêu kết laser chọn lọc SLS
Công nghệ SLS (Selective Laser Sintering) là phương pháp tạo mẫu 3D sử dụng vật liệu dạng bột Bằng cách sử dụng tia laser, SLS kết hợp các loại bột khác nhau để nung kết chúng lại, tạo ra các mẫu rắn có độ chính xác cao.
Trong quá trình chế tạo, các phần vật liệu không nằm trong đường bao mặt cắt sẽ được loại bỏ sau khi hoàn thiện chi tiết, đóng vai trò như bộ phận phụ trợ cho lớp mới được xây dựng Phương pháp này có thể giúp giảm thời gian chế tạo chi tiết hiệu quả.
Các chi tiết được chế tạo có bề mặt tương đối nhám và có những lỗ hổng nhỏ, vì vậy cần tiến hành xử lý tinh sau khi chế tạo để đảm bảo chất lượng Vật liệu sử dụng cho quá trình này cũng rất quan trọng.
Polycacbonate (PC), nylon, sáp, bột kim loại (copper polyamide, rapid steel), bột gốm (ceramic), glass filled nylon, vật liệu đàn hồi (elastomer) c Ưu điểm:
• Số lượng vật liệu đưa vào quá trình cao (Higt Through-put) giúp cho quá trình tạo mẫu nhanh chóng
• Vât liệu an toàn, đa dạng, chi phí rẻ
• Không cần cơ cấu hỗ trợ (Non – Support)
• Giảm sự bóp méo do ứng suất
• Giảm các giai đoạn của quá trình hậu xử lý (như chỉ cần phun cát,…)
• Không cần xử lý tinh (Post-curing)
• Chế tạo cùng lúc nhiều chi tiết d Nhược điểm:
• Độ bóng bề mặt thô
• Lớp đầu tiên có thể đòi hỏi một đế tựa để giảm ảnh hưởng nhiệt (như uốn quăn,…)
• Mật độ chi tiết không đồng nhất
• Thay đổi vật liệu cần phải làm sạch máy kỹ càng
2.2 Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA
Hình 1.6 Phương pháp tạo mẫu lập thể SL
Công nghệ SLA sử dụng tia UV để làm cứng nhựa cảm quang, tạo ra các mẫu vững chắc theo từng lớp với độ chính xác cao Quá trình in 3D này đơn giản nhưng hiệu quả, cho phép tạo ra các lớp mỏng tới 0,06mm Để tăng độ cứng cho chi tiết in và ngăn ngừa tình trạng chìm hoặc trôi nổi trong chất lỏng, cần bổ sung các kết cấu trợ giúp.
Nhựa lỏng có khả năng đông đặc khi tiếp xúc với tia tử ngoại như tia gamma, tia cực tím, tia X, tia electron và phóng xạ từ trường điện từ, bao gồm các loại như epoxy và acrylates Ưu điểm của loại nhựa này là tính linh hoạt và khả năng chịu nhiệt tốt, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng công nghiệp.
• Hệ thống cứng vững và hoàn toàn tự động, độ chính xác kích thước cao (0.1mm)
• Độ bóng bề mặt cao, độ phân giải cao phù hợp với các chi tiết phức tạp c Nhược điểm:
• Sản phẩm bị rổ khí, lớp sản phẩm in cuối cùng dễ bị lỗi
• Phải qua giai đoạn hậu xử lý, chi phí vận hành và bảo trì cao
2.3 Phuơng pháp tạo mẫu FDM
Hình 1 7 Phương pháp tạo mẫu FDM a Giới thiệu:
Công nghệ xây dựng này sử dụng quy trình kéo dài nhựa nóng chảy và hóa rắn từng lớp để tạo ra cấu trúc chi tiết đặc Vật liệu xây dựng được dẫn từ một cuộn đến đầu chuyển động điều khiển bằng động cơ Khi sợi nhựa đến đầu dò, nó sẽ được nung chảy bằng nhiệt độ và sau đó được đẩy ra qua vòi phun lên bề mặt phẳng của chi tiết.
Khi vật liệu nóng chảy được đẩy ra, vòi phun sẽ san bằng chúng với độ rộng đường trải thay đổi từ 0,0076 đến 0,038 inch (0,193mm đến 0,965mm), được xác định bởi kích thước miệng phun Miệng phun không thay đổi trong quá trình tạo mẫu, do đó việc phân tích mô hình cần được lựa chọn trước Kim loại nóng chảy sẽ nguội nhanh chóng trong khoảng 1/10 giây và đông cứng lại sau khi được san đều Khi một lớp phủ hoàn thành, mặt phẳng giá đỡ sẽ di chuyển xuống dưới một lớp mỏng từ 0,178mm đến 0,356mm và quá trình này sẽ được lặp lại.
Vật liệu cho công nghệ in FDM: nhựa ABS, PLA, Polycarbonate, c Ưu điểm:
• Là công nghệ in 3D giá rẻ, thường sử dụng trong các sản phẩm chịu lực
• Tốc độ tạo hình 3D nhanh d Nhược điểm:
• Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao
• Chỉ có thể dùng cho các vật liệu có dạng sợi
Cách thức hoạt động Vật liệu
SLA Sử dụng tia động đăch polime nhựa quang Polime nhựa quang
SLS Sử dụng tia laser để thêu kết vật liệu Bột kim loại, thạch cao FDM Vật liệu được đùn qua đầu phun gia nhiệt Nhựa ABS,PLA,…
Bảng 1 1 Bảng tóm tắt các công nghệ in 3D
Công nghệ in 3D đang được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các mô hình sinh học, bao gồm các bộ phận con người như xương, răng và tai giả Ngoài ra, công nghệ này còn hỗ trợ trong việc thử nghiệm các phương pháp và công nghệ y tế mới, từ đó nâng cao chất lượng nghiên cứu y khoa, giảng dạy và đào tạo đội ngũ y bác sĩ.
Giáo dục 3D mang lại nhiều ứng dụng thiết thực, đặc biệt trong các môn khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học Sinh viên có thể thiết kế và sản xuất sản phẩm ngay trong lớp học, đồng thời thử nghiệm ý tưởng qua việc sử dụng máy in 3D Phương pháp này không chỉ tăng cường hứng thú học tập mà còn khuyến khích làm việc nhóm và tương tác giữa các sinh viên.
11 trong lớp học cũng như hỗ trợ khả năng sáng tạo, kỹ năng máy tính, và khả năng tư duy ba chiều của sinh viên
Kiến trúc và xây dựng đang trải qua giai đoạn đầu tiên với nhiều nỗ lực thành công trong việc xây dựng các toà nhà bằng máy in 3D khổng lồ Các vật liệu phổ biến cho in xây dựng bao gồm nhựa, bê tông và cát Phương pháp in 3D trong xây dựng không chỉ cải thiện chất lượng và tốc độ mà còn giảm chi phí, đặc biệt là chi phí lao động Ngoài ra, nó còn nâng cao tính linh hoạt, đảm bảo an toàn trong xây dựng và giảm thiểu tác động đến môi trường.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ
Chọn công nghệ in
Dựa trên công nghệ in 3D đã nghiên cứu và kiến thức đã tích lũy, nhóm chúng em đã quyết định chọn máy in 3D cỡ nhỏ, phù hợp với khả năng tiếp cận của sinh viên.
Lựa chọn thiết kế máy in 3D dạng Cartesian theo công nghệ FDM, sử dụng vật liệu in ABS, PLA… trên cơ sở sau:
• Công nghệ đơn giản hơn các phương pháp khác (SLA, SLS, LOM…) phù hợp với khả năng tiếp cận của sinh viên
• Phần mềm điều khiển mở dễ dàng tiếp cận với đối tượng sinh viên Cộng đồng in3D đông đảo dễ dàng trao đổi kinh nghiệm
• Giá thành thấp, vận hành đơn giản, linh kiện sẵn vận hành tại chỗ (cả phần cơ khí và điều khiển)
Dựa trên khảo sát các loại máy in 3D mini hiện có, bài viết đề xuất thiết kế khung máy lắp ghép từ nhôm tấm, kết hợp với các phụ kiện như con ốc và ke góc có sẵn trên thị trường Việc lựa chọn này dựa vào cấu trúc của các mẫu máy và các điều kiện vật liệu cùng khả năng công nghệ chế tạo hiện có.
Máy in 3D Cartesian hoạt động với ba trục chuyển động theo phương ngang, dọc và thẳng đứng, tương ứng với hệ tọa độ xyz của Descartes Hệ thống chuyển động trên các trục này cho phép đầu in di chuyển chính xác theo các lệnh được lập trình từ phần mềm hỗ trợ.
Lựa chọn laser
Công nghệ scan laser là ứng dụng nổi bật của đo không tiếp xúc, sử dụng chùm ánh sáng laser chiếu vào bề mặt chi tiết cần đo Ánh sáng phản xạ từ bề mặt được cảm ứng thu lại và chuyển đổi qua bộ phận biến đổi của máy đo Nhờ sự hỗ trợ của máy tính và phần mềm điều khiển, kết quả đo được hiển thị dưới dạng đám mây điểm.
Nguyên lý số hóa dữ liệu quét 3D áp dụng công nghệ điện toán đám mây điểm để thu thập thông tin Tiếp theo, các phần mềm được sử dụng để làm mượt bề mặt, minh họa cho sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống quét laser.
Hình 2.1 Nguyên lý hoạt động của quét laser trong máy in 3D
Nguyên lý của quét laser tương tự như chụp ảnh thông thường, nhưng quét laser ghi lại hình ảnh 3 chiều của vật thể, trong khi chụp ảnh thông thường chỉ tạo ra hình ảnh 2D Quá trình này sử dụng cảm biến laser kết hợp với hệ thống máy đo được định vị và điều khiển bằng máy tính Các máy đo trong quét laser có thể là máy CNC từ 3 đến 5 trục với kích thước lớn và cấu trúc vững chắc, hoặc là mô hình máy xách tay nhỏ gọn.
Tính toán động cơ và truyền động
3.1 Bộ truyền đai trục X và trục Y
Truyền chuyển động của hai trục X Y về co bản là như nhau, thế nên, ta chỉ xét một trường hợp dùng chung cho cả hai bộ truyền
Động cơ NEMA17 sử dụng các loại đai GT2 và MXL, là những chuẩn đai phổ biến đi kèm với puly tiêu chuẩn, dễ dàng tìm mua Chúng ta chọn đai GT2 do khả năng chống phản ứng mạnh mẽ hơn của puly GT2 Quy trình tính toán bộ truyền đai là bước quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Công suất bộ truyền : [kw]
Xác định modun theo công thức : 35 3 L
= N Trong đó: P L : Công suất bánh đai chủ động [kw]
d : Số vòng quay bánh chủ động [rpm/min] m : Mô đun [mm]
Tính chiều dài đai l [mm] và khối lượng đai M R [kg]:
- Tính số răng : Chọn theo tiêu chuẩn
- Đường kính vòng chia: D = mz = p z
Tính toán thông số bộ truyền:
Sau khi có modun bộ truyền, tiến hành tính thông số :
- Số răng bánh bị động : Z 2 =iZ 1
- Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh đai nhỏ: 0 1 1
Góc 1 góc ôm trên bánh đai nhỏ tính theo công thức
• Kiểm nghiệm lực, đánh giá khả năng tải của bộ truyền đai:
[N] m : khối lượng t tải m : khối lượng l đai sơ bộ
C 1 : hệ số ăn khớp bánh răng
C : hệ số tăng tốc 3 e: khoảng cách trục [mm]
: hệ số ma sát z : số răng puley.(khi 2 bánh
F Ureq : lực kéo yêu cầu
F : lực do sự lựa chọn B đai quyết định [N]
F : lực căng cho phép per trên một thành phần tải trọng [N] m r : khối lượng đai sau khi đã tính toán
' m : khối lượng r trên một đơn vị dài của đai [kg/m] bằng nhau) z 1 : số răng bánh nhỏ z 2 : số răng bánh lớn d 0 : đường kính ngoài b 0 : bề rộng đai [mm] tooth
S : hệ số ăn khớp cơ bản đai
S tm : hệ số bảo dưỡng thành phần lực căng
Bảng 2 1 Kí hiệu sử dụng
• Tính lực kéo cần thiết:
• Tính hệ số ăn khớp bánh răng nhỏ C 1 :
Z : số răng bánh lớn 2 e : khoảng cách giữa hai trục t : bước đai
Lực kéo cực đại : F U max = F C U ( 2 + C 3 )
Bảng 2 2 Giá trị hệ số tăng tốc của C3 và C2
3.2 Kết quả tính toán chọn trục X,Y
Sơ đồ thời gian tăng tốc của hệ thống
Hình 2.2 Sơ đồ tăng tốc của hệ thống
Chọn thông số sơ bộ
Quãng đường chuyển động: S v %0mm
Khối lượng đai sơ bộ: m = 0.01 kg
Chọn sơ bộ đường kính bánh đai: D = 12 mm
Tốc độ quay bánh chủ động: N = 200 rmp ph /
= Tham khảo catolog của hãng SDP/SI chọn p=2mm
= = = Tham khảo catolog của hãng SDP/SI chọn b=6mm
Chiều dài đai sẽ được tùy chỉnh sao cho phù hợp với hành trình của từng trục
Trong đó: D t được lấy sau khi chọn puley
Căn cứ theo thông số SDP/SI
Hình 2.3 Chọn dây đai theo SDP/SI
- Bước pulley = bước đai = 2mm
Theo như sơ bộ: Ta chọn Dmm Bước puley p=2mm nên ta tính được số răng sơ bộ z răng
Suy ra ta chọn z theo tiêu chuẩn mà hãng SPD/SI đã thiết kế
- Tính lại đường kính vòng chia:
3.3 Bộ truyền đai trục Z a, Chọn kiểu lắp vitme
Máy in 3D có tốc độ quay của vít me và tốc độ dịch chuyển của bàn máy không lớn, nhưng yêu cầu về độ chính xác cao trong hệ thống dẫn hướng là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm Do đó, việc lựa chọn kiểu lắp ổ đỡ cho vít me, bao gồm 1 đầu đỡ và 1 đầu tựa, cần phải được xem xét kỹ lưỡng, vì hệ số phụ thuộc vào phương thức lắp đặt vít me.
Cho nên ta chọn f = 15.1 và = 3.92 b, Điều kiện làm việc :
Di chuyển khi khụng tải f x = à ì G xmax = 0.1 ì 1 = 0.1kG
Di chuyển khi cú tải f = à ì (Gxmax + Pmax) = 0.1 ì (1+ 0.1) = 0.11kG
Tốc độ quay cao nhất của động cơ : l ≥ V max n max = 16000
2000 = 8mm Trong đó n = 2000(rpm) c, Tính toán lực dọc trục
Thông số đã chọn μ: hệ số ma sát : μ = 0.1 m: tổng khối lượng lên vít me mx = Pmax + Gxmax = 1+0.1 = 1.1kg
22 a: gia tốc, a= Vmax/Δt = 4 m/s 2 f : lực không tải f= f x = 0.1kG = 1N
Biểu thức lực dọc trục
Trong quá trình chuyển động, các lực tác động lên vật thể được phân loại theo trạng thái chuyển động Khi tăng tốc lên, lực tổng quát được tính bằng Fa1 = μmg + ma + f, trong khi tốc độ không đổi là Fa2 = μmg + f và công suất làm việc là Fa3 = μmg + f Ngược lại, khi giảm tốc lên, lực được biểu diễn qua Fa4 = mg – ma + f Đối với chuyển động xuống, khi tăng tốc, lực được xác định bằng Fa5 = - (μmg + ma + f), tốc độ không đổi là Fa6 = - (μmg + f), và công suất làm việc là Fa7 = - (μmg + f) Cuối cùng, khi giảm tốc xuống, lực được tính bằng Fa8 = - (μmg – ma + f) Lực lớn nhất khi không gia công cũng cần được xem xét trong các tình huống này.
Famax = max (Fa1, Fa2, Fa4, Fa5, Fa6, Fa8) = 6.478N Lực lớn nhất khi gia công:
Quy trình “ chạy nhanh” : Axial load F1 = 6.478 Tốc độ 1600 Thời gian 30%
Quy trình “ gia công ” : Axial load F2 = 2.078 Tốc độ 80 Thời gian 70%
Fa max : lực dọc trục lớn nhất
➢ F am là lực dọc trục n tốc độ quay thực: n = n 1 × 0.7t + n 2 × 0.3t
Tốc độ quay của động cơ khi gia công: n 2 = V 2 l = 80
8 = 10r/min Tốc độ quay của động cơ khi không gia công: n 1 = V 1 l = 1600
8 = 200 r/min f s hệ số bền tĩnh, f s = 1.5 ÷ 3 , select f s = 2.5 f w hệ số bền động, được tính theo bảng sau:
Hình 2.5 Thông số kiểu lắp
L t tuổi thọ (Tổng thời gian hoạt động)
- Tốc độ quay thực: n = n 1 × 0.7t + n 2 × 0.3t = 200 × 0.7 + 10 × 0.3 = 143 rpm
Từ đó ta có kết quả:
Fam(kG) n(rpm) C0(kG) Ca(kG)
Lực tải trọng động phải Ca 5.65kG
Ta chọn loại đai ốc vít me thường với đường kính 8mm (dễ mua và dễ gia công)
- Tổng chiều dài trục L = 350mm
- Đường kính trục Chọn loại đỡ tựa: f = 15.1 dr ≥ n × L 2 f × 10 7 = 143 × 850 2
15.1 × 10 7 = 0.7mm Chúng ta chọn trục có đường kính là 8mm
• Tốc độ quay cho phép
Chọn loại cố định – tựa : f = 15.1 n = f ×dr
3.4 Tính chọn động cơ a,Tính toán chọn động cơ trục X Y
Kết cấu trục X, Y là tương đương nên trong phần này ta chỉ tính toán của trục X
• Khối lượng tải sơ bộ:m=3kg
• Hệ số ma sỏt cụm trục: à=0.05
• Chọn sơ bộ bước góc động cơ s = 1.8 o
• Đường kính ngoài pulley: D.7mm
• Quãng đường dịch chuyển: Sv%0mm
• Thời gian làm việc hết một chu trình: t0=0.067s
• Khối lượng riêng của vật liệu làm pulley ρ=8.0×10 3 [kg/m3]
Vị trí tương đối chuyển động của kết cấu khi động cơ đi được bước :
Tốc độ hoạt động của đông cơ:
Tính mô men yêu cầu:
- Tính mô men quán tính của: Đai (bỏ qua)
- Mô men yêu cầu TM:
T = = + + J = + J b,Chọn đọng cơ trục X,Y theo hãng
Theo kết quả vừa tính và bảng thông số datasheet đã tham khảo Ta chọn động cơ thoả mãn
Động cơ Step Nema là lựa chọn phổ biến trên thị trường nhờ vào giá cả hợp lý và độ bền cao.
3.5 Hiệu chỉnh số bước/mm động cơ
Hệ thống có sử dọng động cơ bước được khái quát theo sơ đồ sau
Sơ đồ hệ thống sử dụng động cơ bước cho phép động cơ quay từng góc nhỏ theo tín hiệu điều khiển từ mô đun Để di chuyển cụm kết cấu một khoảng cách 1mm theo trục, cần cung cấp tín hiệu cho động cơ bước Do đó, số bước/mm sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
Góc quay mỗi bước của động cơ : A ( 1.8 hoặc 0.9 độ)
• Chế độ điều khiển của môđun điều khiển: B (thường B = 1/16 với A4988 hoặc 1/32 với DRV8825)
Tỉ số truyền của hệ truyền động từ trục động cơ bước đến cơ cấu di chuyển được tính bằng độ/mm và bao gồm các yếu tố như khoảng cách đỉnh răng (C - mm), số răng của puli dẫn động (D), tỉ số truyền của cặp bánh răng dẫn động (E), bước ren của vít me/trục ren (F), và đường kính puli/bulông tời nhựa (G) Để đạt được độ chính xác tối ưu, việc hiệu chỉnh thực tế trên máy in 3D là cần thiết.
Các bước làm như sau:
Lý thuyết bước/mm: LT= 𝟑𝟔𝟎𝑩
Với dây đai GT2, C = 2mm
• Số bước/mm lý thuyết đối với trục vít me:
Lý thuyết bước/mm: LT= 𝟑𝟔𝟎𝑩
Với trục vít me, F = 8mm
• Số bước/mm lý thuyết đối với bộ đùn nhựa:
Lý thuyết bước/mm: LT= 𝟑𝟔𝟎𝑩𝑬
G: đường kính puli/bulông tời nhựa
• Hiệu chỉnh số bước/mm:
Sau khi nhập số bước/mm vào chương trình điều khiển và nạp vào mạch, bạn cần cho máy hoạt động theo các trục X, Y, Z hoặc tời nhựa in Tiếp theo, hãy hiệu chỉnh lại số bước/mm để đảm bảo độ chính xác trong quá trình vận hành.
✓ Điều khiển máy di chuyển theo trục (sợi nhựa) cần hiệu chỉnh một đoạn H
(khoảng 40mm trở lên, càng dài càng tốt)
Sau khi di chuyển, hãy sử dụng thước kẹp để đo quãng đường dịch chuyển thực tế I trên trục tương ứng, tránh sử dụng thước dây hay thước kẻ vì chúng không đủ chính xác.
✓ Tính lại số bước/mm thực tế: TT= 𝐋𝐓 𝐇
✓ Nhập lại số bước/mm TT vào chương trình điều khiển và thử lại vài lần tới khi đạt yêu cầu
3.6.Thiết kế chi tiết cơ khí
Các chi tiết cơ khí lắp ghép
Chi tiết cơ khí Số lượng
1 Vòng bi LM8UU 8 chiếc
2 Puli 20 răng GT-2 trục 8 5 chiếc
3 Puli 20 răng GT-2 trục 5 3 chiếc
4 Dây culoa loại răng GT-2 2m
5 Ống nhựa PTFE có sẵn 2 đầu giữ ống 1 chiếc
6 Trục trơn đường kính 8mm 2 x 320mm
7 Trục trơn đường kính 10mm 2 x 320mm
8 Trục trơn đường kính 12mm 2 x 320mm
9 Vòng bi PK8UU 2 chiếc
11 Bạc đạn đỡ trục KFL 08 4 chiếc
12 Gối đỡ trục KL08 2 chiếc
13 Bộ đầu phun E3D V5 có sẵn đầu đốt và cảm biến 1 bộ
14 Trục vitme đường kính 8mm bước ren 4 mm 2x300mm
15 Trục vitme đường kính 8mm bước ren 4 mm 1x400mm
3.6.1 Các chi tiết nhựa in 3D
Các chi tiết dùng để cố định các chi tiết cơ khí – Linh kiện được thiết kế trên phần mềm solidworks
Hình 2.6 Hệ thống truyền động trục 3.6.4 Hệ thống trục Z
Mô hình máy inh hoàn chỉnh
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Phần mềm điều khiển
Firmware Marlin là phần mềm được phát triển trên nền tảng Arduino, dành cho các mạch điều khiển máy in 3D Reprap sử dụng vi điều khiển AVR của Atmel Ngoài ra, Marlin cũng đã được tùy chỉnh để hoạt động trên các máy CNC mini Hiện nay, Marlin là một trong những firmware mã nguồn mở phổ biến nhất trong lĩnh vực này.
Các đặc điểm nổi bật của Marlin đối với các máy in 3D Reprap gồm có:
• Hỗ trợ tự động bù thăng bằng bàn nhiệt trước khi in bằng đầu dò (thể sử dụng cả động cơ servo cho cơ cấu đầu dò)
• Hỗ trợ người dùng khi bù thăng bằng bàn nhiệt thủ công
• Có tính năng rút ngược nhựa in khi gia công (người dùng có thể chọn rút ngược nhựa in bằng firmware hay bằng slicer)
• Tính năng ngăn chặn sự cố nhiệt độ (quá nhiệt) thông minh
• Tính năng sao lưu, cập nhật eeprom của vi điều khiển
• Hỗ trợ đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt điện trở hoặc cặp nhiệt ngẫu
• Điều khiển máy in hoàn toàn bằng màn hình LCD và thẻ nhớ SD
• Hỗ trợ các dạng máy in 3D Cartesian (prusa i3, ), Delta Polar và SCARA
• Giao tiếp với máy tính thông qua cổng USB (COM ảo)
• Hỗ trợ tối đa 4 bộ đùn nhựa
Marlin được sử dụng để điều khiển máy in 3D hoạt động theo công nghệ FDM
Trong quá trình in 3D, đầu phun được nung nóng và điều khiển bởi máy tính, cho phép nhựa nóng chảy được đùn ra Khi nhựa tiếp xúc với bàn in, nó lập tức đông đặc, tạo thành từng lớp của vật thể Nguyên lý này giúp hình thành nên hình dáng cuối cùng của sản phẩm in.
Máy in 3D có thể được điều khiển qua phần mềm trên máy tính thông qua cáp kết nối, hoặc hoạt động độc lập bằng cách nạp file STL vào thẻ SD Khi thẻ nhớ được cắm vào khe cắm của máy, phần mềm Marlin sẽ chuyển đổi file STL thành G-Code để thực hiện quy trình in.
• Để điều khiển hoạt động của máy in 3D thông qua Marlin, Arduino Mega 2560 sẽ gắn kèm theo mạch điều khiển máy in Ramps 1.4
Người dùng có thể tùy chỉnh Marlin cho máy in 3D của mình thông qua Arduino IDE, bao gồm việc thiết lập nhiệt độ đầu phun và bàn nhiệt, điều chỉnh tốc độ bước động cơ mỗi giây, xác định phương chiều chuyển động của động cơ, cũng như vùng in tối đa mà máy có thể hoạt động.
Phần mềm sẽ phân chia mô hình 3D đã thiết kế thành các lớp lát mỏng, từ đó tạo ra mã G (gcode) giúp máy in hiểu cách tái tạo mô hình một cách chính xác.
Các phần mềm cắt lát phổ biến nhất dựa trên sự đánh giá của người dùng:
Phần mềm cắt lớp Giá
Bảng 3 1 Các phần mềm cắt lớp phổ biến
Simplify3D được coi là phần mềm in 3D hàng đầu hiện nay, nhưng chi phí bản quyền của nó khá cao Ngược lại, repeiterhost, phát triển bởi Slicer, là lựa chọn tối ưu vì hoàn toàn miễn phí Sử dụng repeiterhost, người dùng có thể điều chỉnh tốc độ in và đạt được kết quả in ấn chính xác, đồng thời hỗ trợ tốt trong việc tăng tốc quá trình in.
Do đó, nhóm đã chọn Curaengine là phần mềm cắt lớp
LỰA CHỌN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hình 3.1: Sơ đồ nối các bộ phận máy in với RAMPS
Mạch Arduino có thể được ứng dụng với mã nguồn mở để làm mạch điều khiển, và hiện nay, các module này đang được sử dụng phổ biến trong các loại máy in 3D.
+ Bộ điều khiển, hiển thị LCD 2004 hoặc bộ điều khiển, hiển thị LCD 128*64
+ Modun điều khiển động cơ bước 4988
Hình 3.3: Bo mạch Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 là một bo mạch được thiết kế với vi điều khiển AVR ATMega2560 làm bộ xử lý trung tâm Cấu trúc chính của Arduino Mega 2560 bao gồm nhiều thành phần quan trọng.
Cổng USB là giao tiếp quan trọng giúp upload mã từ máy tính lên vi điều khiển, đồng thời cũng cho phép truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính thông qua giao tiếp serial.
Jack nguồn cho Arduino chỉ có thể nhận điện từ cổng USB, nhưng không phải lúc nào cũng có thể kết nối với máy tính Trong trường hợp này, cần sử dụng nguồn từ 9V đến 12V để đảm bảo hoạt động ổn định cho thiết bị.
Có 54 chân digital (trong đó có 15 chân có thể sử dụng như những chân PWM là từ chân số 2 đến 13 và chân 44, 45, 46)
Có 6 ngắt ngoài: chân 2 (interrupt 0), chân 3 (interrupt 1), chân 18 (interrupt 5), chân 19 (interrupt 4), chân 20 (interrupt 3), và chân 21 (interrupt 2)
Có 16 chân vào analog (từ A0 đến A15)
Có 4 cổng serial giao tiếp với phần cứng:
Cổng Serial Chân RX Chân TX
Vi điều khiển AVR là bộ xử lý trung tâm của toàn bộ bo mạch Arduino, và mỗi loại Arduino sử dụng một chip khác nhau Cụ thể, Arduino Mega 2560 sử dụng chip ATMega2560.
Các thông số của Arduino Mega 2560:
Vi xử lí: 5V Điện áp hoạt động: 7-12V Điện áp đầu vào: 6-20V
Chân vào/ra (I/O) số: 54 chân (15 chân là đầu ra PWM)
Dòng điện trong mỗi chân I/O: 40mA
Dòng điện chân nguồn 3.3V: 50mA
Bo mạch Mega 2560 được trang bị 16 đầu vào tương tự, mỗi đầu vào có độ phân giải 10 bit, cho phép đo 1024 giá trị khác nhau Mặc định, các đầu vào này đo trong khoảng từ 0 đến 5 Volts, nhưng có thể điều chỉnh phần trên của phạm vi bằng cách sử dụng chân Aref và hàm analogReference.
Arduino Mega 2560 sở hữu 256KB bộ nhớ flash để lưu trữ mã, trong đó 8KB được sử dụng cho bộ nạp khởi động, 8KB SRAM và 4KB EEPROM Với bộ nhớ lớn và số chân đa dạng, Arduino Mega 2560 trở thành công cụ lý tưởng cho các dự án phức tạp như xử lý thông tin đa luồng, điều khiển nhiều động cơ, xe điều khiển từ xa, LED cube, và mở rộng khả năng kết nối với thế giới IoT.
RAMPS 1.4 là board mở rộng cắm trên Arduino Mega 2560 và dùng để điều khiển các máy in 3D Reaprap cũng như các ứng dụng khác RAMPS 1.4 có 5 khay dung để lắp module điều khiển động cơ bước A4988, các mạch công suất điều khiển các đầu đùn, bàn nhiệt,… của máy in 3D do được thiết kế theo các module, các máy in 3D dung RAMPS 1.4 luôn dễ dàng bảo trì, thay thế, sửa chữa và nâng cấp với chi phí thấp
• Các tính năng nổi bật:
+ Dùng để điều khiển máy in 3D và các dạng robot 3 trục tịnh tiến
+ Có thể mở rộng cho các phụ kiện điện tử khác
+ Có 3 mạch công suất cho các đầu sấy và quạt, các mạch xử lí tín hiệu nhiệt điện trở
+ Có thể tích hợp thẻ nhớ
+ Hiển thị trạng thái hoạt động bằng led
+ Hỗ trợ tới 2 động cơ trục Z
+ 6 ngõ digital được dung cho cảm biến đầu cuối của mỗi trục
+ Cầu trì tự phục hồi 5A bảo vệ các phần tử trong mạch
+ Thêm các chân ngõ ra: PWM, ngõ ra số, nối tiếp, SPI, I2C và các ngõ ra analog
1.3 Mạch driver điều khiển động cơ bước a4988
A4988 là một driver điều khiển động cơ bước nhỏ gọn, hỗ trợ nhiều chế độ làm việc và cho phép điều chỉnh dòng ra cho động cơ Nó tự động ngắt điện khi quá nhiệt, đảm bảo an toàn cho thiết bị A4988 hỗ trợ các chế độ hoạt động của động cơ bước lưỡng cực như Full, Half, 1/4, 1/8 và 1/16, mang lại sự linh hoạt trong ứng dụng.
+ Công suất ngõ ra lên tới 35V, dòng đỉnh 2A
+ Có 5 chế độ: full bước, 1/2 bước, 1/4 bước, 1/8 bước, 1/16 bước
+ Điều chỉnh dòng ra bằng chiết áp, nằm bên trên Current Limit=VREFx2.5 + Tự động ngắt điện khi quá nhiệt
1.4 Bộ điều khiển, hiển thi LCD
Màn hình LCD 2004 được thiết kế sử dụng với board RAMPS, có chức năng làm bảng hiển thị và điều khiển máy in 3D
Mạch tích hợp cho phép cắm thẻ nhớ SD, điều khiển rotary encoder và sử dụng nút bấm, cùng với màn hình LCD 2004 Tính năng này hỗ trợ việc cân chỉnh thông qua di chuyển các trục và nạp G-code trực tiếp từ thẻ SD.
