Microsoft Word do an tot nghiẹp (ban chinh sua)1 docx TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY IN 3D PHỤC VỤ CHUYÊN NGÀNH Ô TÔ SVTH NGUYỄN VĂN HỒ MSSV 14145386 SVTH NGUYỄN ĐỨC THIỆU MSSV 14145387 Khoá 2014 Ngành CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ GVHD TH S NGUYỄN TRUNG HIẾU Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU T.
Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay
Công nghệ in 3D đã bắt đầu phát triển từ năm 1984 và đã mở rộng về quy mô cũng như công nghệ in, với sự đa dạng về vật liệu in trên toàn thế giới.
In 3D đã trở thành một phần quen thuộc tại Việt Nam, nhờ vào cộng đồng mã nguồn mở lớn và sự sẵn có của nhiều linh kiện Mỗi cá nhân có thể tự lắp ráp máy in 3D cho riêng mình Tuy nhiên, công nghệ in 3D vẫn còn hạn chế và chưa được áp dụng rộng rãi trong đời sống và sản xuất.
Trong các garage ô tô lớn trên toàn thế giới, máy in 3D đã trở thành công cụ quan trọng, cho phép thiết kế và sản xuất các bộ phận nhựa độc quyền cho xe Việc in 3D giúp tạo ra những sản phẩm thay thế chất lượng, chỉ cần xử lý bề mặt là có thể sử dụng ngay, mang lại hiệu quả cao trong việc tối ưu hóa và nâng cấp xe.
Hiện nay, công nghệ in 3D đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y khoa, hàng không vũ trụ, ô tô, trang sức, kiến trúc, thời trang, thực phẩm, nghệ thuật và xây dựng Sự phát triển này cho thấy tiềm năng to lớn của in 3D trong việc cải thiện quy trình sản xuất và sáng tạo trong nhiều ngành nghề khác nhau.
Y khoa hiện nay đang ứng dụng mạnh mẽ công nghệ in 3D, đặc biệt là công nghệ in 3D DLP, để tạo ra các bộ phận cơ thể nhân tạo Những bộ phận này bao gồm tim, đốt sống, răng và nhiều thành phần khác, giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân.
Hình 1.1 Mô hình sống lưng in 3D
Hình 1.2 Dụng cụ y tế in 3D
Hình 1.3 Xương hàm titan in 3D
Hình 1.4 Mảnh xương sọ in 3D
Hình 1.5 Mô hình tim nhân tạo
Hàng không vũ trụ đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ in 3D, với các tập đoàn lớn như NASA, Airbus và Boeing tích cực nghiên cứu và ứng dụng trong sản xuất máy bay NASA đã sử dụng in 3D kim trong quy trình sản xuất, trong khi Airbus và Boeing áp dụng công nghệ này để cải thiện quy trình sản xuất máy bay dân dụng.
Máy bay không người lái được thử nghiệm tại Đức, sử dụng công nghệ in 3D, đang mở ra nhiều cơ hội mới trong sản xuất Trong ngành trang sức, công nghệ in 3D DLP đang được ứng dụng rộng rãi nhờ vào độ chính xác cao và khả năng in rõ nét các chi tiết nhỏ Điều này giúp các nhà thiết kế nhanh chóng tạo mẫu và khuôn, nâng cao hiệu quả sản xuất.
Hình 1.8 Trang sức từ in 3D + Kiến trúc: máy in 3d được ứng dụng tạo nhanh ra nhưng mô hình kiến trúc nhanh, làm mẫu hoặc khảo sát bản vẽ,
In 3D thực phẩm là công nghệ in 3D sử dụng vật liệu thực phẩm, cho phép tạo hình nhanh chóng và có thể sử dụng ngay sau khi in Điều này tương tự như các loại in 3D thông thường, nhưng với mục đích tạo ra các sản phẩm thực phẩm có hình dạng độc đáo và hấp dẫn.
Hình 1.10 Một chiếc bánh được in 3D
+ Thời trang: in 3d được ứng dụng trong cả thời trang, tạo ra sự sáng tạo trong thiết kế thời trang hiện
Hình 1.11 Một số trang phục được thiết kế từ in 3D
+ Xây Dựng: in 3d được ứng dụng trong cả xây dựng giúp tiết kiệm thời gian, nhân công,
Hình 1.12 Một ngôi nhà đang được xây dựng từ in 3D
Ngoài ra còn nhiều nghành nghề khác ứng dụng công nghệ in 3D, giúp tiết kiệm chi phí thời gian,
Ứng dụng in 3d trong ô tô trên thế giới
Ngành ô tô đã nhanh chóng tiếp cận công nghệ in 3D, trở thành một trong những lĩnh vực đầu tiên ứng dụng công nghệ này trong quá trình sản xuất và thiết kế.
Những garage lớn trên thế giới sử dụng máy in 3D để thiết kế và ứng dụng nhanh chóng trong việc thay thế các bộ phận xe hoặc làm mẫu thử Công nghệ này giúp tiết kiệm thời gian trong quá trình thử nghiệm thiết kế, đồng thời được coi là tiềm năng phát triển mạnh mẽ, hỗ trợ hiệu quả cho ngành công nghiệp ô tô và nhiều lĩnh vực khác.
Bên cạnh in 3D công cụ scan 3D cũng được ứng dụng mạnh trong thiết kế ô tô từ trước khi in 3D được ứng dụng
BMW đã ứng dụng công nghệ in 3D để phục hồi chiếc BMW 507 năm 1958 hiếm có của Elvis Presley Họ sử dụng máy in 3D để tạo ra các bộ phận nội thất của xe, mặc dù chưa tiết lộ chi tiết về bộ phận cụ thể nào Trước đó, BMW cũng đã sử dụng công nghệ này để sản xuất tay nắm cửa và cần gạt nước cho chiếc xe đặc biệt này.
Ford, bên cạnh BMW, tin rằng việc sử dụng máy in 3D trong sản xuất ô tô không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn tạo ra những chiếc xe nhẹ và mạnh mẽ hơn Công ty đang nỗ lực tích hợp công nghệ in 3D vào quy trình sản xuất, điển hình là mẫu xe Lincoln Navigator và Ford Expedition SUV mới, qua đó tăng sản lượng xe lên 25% Tại nhà máy sản xuất xe tải Kentucky, Ford áp dụng in 3D để chế tạo các bộ phận xe cho khách hàng riêng lẻ, giúp rút ngắn thời gian sản xuất từ 8-16 tuần xuống chỉ còn vài giờ hoặc vài ngày, đồng thời giảm chi phí từ 250.000 đô la xuống mức tối thiểu.
Hình 1.14 Một máy in 3D được Ford dầu tư
Hình 1.15 Một số bộ phận được Ford dùng máy in 3D sản xuất
Hình 1.16 Một số bộ phận được Ford dùng máy in 3D sản xuất
Hình 1.17 Nhân viên Ford đang vận hành máy in 3D
Porsche tiếp tục ứng dụng công nghệ in 3D vào việc sản xuất phụ tùng cho các mẫu xe cổ của họ, đặc biệt là dòng Porsche classic, với quy trình sản xuất khác biệt Họ nhận thấy rằng in 3D là giải pháp lý tưởng để sản xuất số lượng ít các bộ phận, như cần số ly hợp của chiếc Porsche 959 Sau khi thử nghiệm, Porsche phát hiện rằng sản phẩm in 3D không chỉ đáp ứng mà còn vượt qua nhiều tiêu chí chất lượng ban đầu Hiện tại, họ đang xem xét việc áp dụng công nghệ này cho 8 bộ phận khác của chiếc Porsche 959 và đánh giá khả năng sử dụng in 3D cho 20 bộ phận khác cần phục hồi.
Công nghệ in 3D không chỉ được ứng dụng trong sản xuất xe dân dụng mà còn trong lĩnh vực xe đua, đặc biệt là trong việc chế tạo linh kiện và phụ tùng Công ty 3D Immensa Technology Labs tại Dubai là một trong những đơn vị tiên phong cung cấp các bộ phận in 3D cho chiếc xe đua TOYOTA GT86.
Hình 1.18 Một chiếc toyota gt86
Local Motors là công ty tiên phong trong lĩnh vực ô tô điện, sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất Xe có tốc độ tối đa 64 km/h, khả năng di chuyển lên đến 190 km và chỉ mất 45 giờ để hoàn thành quy trình sản xuất.
Local Motors đang phát triển một chiếc ô tô điện được in 3D với mục tiêu hoàn thành trong 24 giờ Giá thành của chiếc xe này dao động từ 18.000 đến 30.000 đô la, tương đương khoảng 400.000.000 đến 650.000.000 VNĐ.
Hình 1.19 Ô tô điện sử dụng công nghệ in 3D của Local Motors
Công ty LSEV từ Trung Quốc đã thành công trong việc sản xuất ô tô điện bằng công nghệ in 3D, chỉ mất 3 ngày để hoàn thành một chiếc xe Giá bán của xe điện này khoảng 170.000.000 VNĐ.
Hình 1.20 Mẫu xe điện LSEV
Công nghệ in 3D, mặc dù mới xuất hiện, đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới, mang lại nhiều lợi ích kinh tế cho các ngành nghề Tại Việt Nam, một quốc gia đang phát triển với nền khoa học kỹ thuật còn hạn chế, nhu cầu ứng dụng công nghệ in 3D đang trở thành một vấn đề quan trọng cần được xem xét và phát triển.
Ứng dụng in 3D tại Việt Nam
Việt Nam hiện nay chưa khai thác hiệu quả công nghệ in 3D trong lĩnh vực ô tô, do các garage chưa có điều kiện tiếp cận công nghệ này Họ vẫn quen với phương pháp làm việc truyền thống và gặp khó khăn khi sử dụng máy móc hiện đại Điều này dẫn đến sự chậm trễ trong việc ứng dụng công nghệ in 3D không chỉ trong ngành ô tô mà còn trong nhiều lĩnh vực khác tại Việt Nam.
Công nghệ in 3D ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ tạo mẫu thử nghiệm đến sản phẩm mẫu, nhờ vào khả năng rút ngắn thời gian và sản xuất các bộ phận khó tìm Tính đa năng của công nghệ cho phép nhà sản xuất lựa chọn vật liệu phù hợp với nhu cầu từng ngành nghề Hiện nay, các cơ sở đúc đồng sử dụng công nghệ in 3D (SLA) để tạo phôi mẫu bằng sáp cho khuôn đúc đồng, trong khi công nghệ in kim loại (SLDM) được áp dụng trong lĩnh vực cơ khí Công nghệ FDM phục vụ cho đồ gia dụng và phụ tùng máy móc, còn SLS được sử dụng cho các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao trong lĩnh vực điện tử Đặc biệt, trong ngành ô tô, quy trình in 3D cho phép dễ dàng tạo ra các bộ phận từ file kỹ thuật số, giúp sản xuất nhanh chóng và cung cấp phụ tùng cho những chiếc xe cổ mà thị trường không còn.
Tại Việt Nam, công nghệ in 3D đã xuất hiện từ năm 2010 và nhanh chóng phát triển cho đến nay Tuy nhiên, sự phát triển chủ yếu diễn ra theo mô hình nhỏ lẻ, với các máy in reprap có kích thước gọn nhẹ, giá thành rẻ nhưng độ bền không cao Công nghệ này chủ yếu được ứng dụng trong lĩnh vực điện tử và tạo ra các mô hình nhân vật.
Tại Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ in 3D trong ngành ô tô còn hạn chế Dựa trên kinh nghiệm 3 năm trong lĩnh vực gia công sản phẩm in 3D, hiện nay tại quận 9, TP Hồ Chí Minh, một số garage đã bắt đầu sử dụng công nghệ này để sản xuất các bộ phận bằng nhựa cho xe Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ in 3D trong ngành ô tô vẫn chưa được phổ biến và mạnh mẽ.
Hình 1.22 Một bộ phận được mô phỏng 3D
Hình 1.23 Sản phẩm được in 3D
Những Khó khăn ứng dụng công nghệ in 3D trông ô tô
1.4.1 Giá thành máy in 3D cao chưa đáp ứng được nhu cầu người dùng
Kể từ năm 2012, máy in 3D đã trở thành một công nghệ phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu và ngày càng được nhiều nhà thiết kế ưa chuộng Tuy nhiên, số lượng máy in 3D được bán ra vẫn rất hạn chế, đặc biệt là tại TP.HCM và các tỉnh lân cận như Đồng Nai, Bình Dương, nơi chỉ có từ 5 đến 10 dịch vụ in 3D chuyên biệt, và số lượng garage áp dụng công nghệ in 3D trong ngành ô tô còn rất ít Một trong những nguyên nhân chính là giá thành cao của máy in 3D, với máy có kích thước nhỏ khoảng 200x200x200mm có giá trên 20 triệu đồng, và máy công nghiệp phục vụ sản xuất hàng loạt lên đến hàng chục tỷ đồng Điều này khiến cho việc ứng dụng công nghệ in 3D trong ô tô trở nên khó khăn và làm giảm tính hấp dẫn cho các garage nhỏ trong việc thử nghiệm công nghệ mới này.
1.4.2 Trình độ ứng dụng công nghệ tin học còn thấp
Trước khi có công nghệ in 3D, việc sản xuất các bộ phận ô tô chủ yếu dựa vào đặt hàng từ các hãng hoặc làm thủ công Sự ra đời của in 3D đã mở ra cơ hội cho các garage tự sản xuất nhanh chóng các bộ phận nhựa cho xe, nhưng kỹ năng sử dụng phần mềm thiết kế 3D vẫn còn hạn chế Kỹ năng này rất quan trọng để thiết kế hoặc tái tạo các bộ phận ô tô, giúp ngành ô tô tận dụng công nghệ in 3D để rút ngắn thời gian sản xuất và giảm chi phí Tuy nhiên, nhiều garage ở Việt Nam gặp khó khăn do thiếu khả năng thiết kế 3D, vì vậy cần có đội ngũ chuyên gia hướng dẫn về các phần mềm như CAD và SolidWorks, giúp họ có đủ kiến thức để ứng dụng hiệu quả công nghệ in 3D trong ngành ô tô.
1.4.3 Chưa sản xuất được vật liệu in trong nước
Vật liệu in 3D đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất, vì nếu thiếu vật liệu, máy in sẽ không hoạt động hiệu quả Mặc dù Việt Nam đã lắp ráp được máy in 3D, nhưng hiện tại chưa có nhà sản xuất nào cung cấp vật liệu in trên thị trường Hầu hết các dịch vụ in 3D đều phải nhập khẩu vật liệu từ Trung Quốc và một số quốc gia khác Điều này tạo ra khó khăn trong việc khai thác lợi ích kinh tế từ công nghệ in 3D, nếu không chủ động được nguồn nguyên vật liệu.
Đề Xuất giải pháp ứng dụng công nghệ in 3D trông ô tô
1.5.1 Quy trình ứng dụng công nghệ in 3D trong ô tô
- Kỹ thuật tạo hình trên phần mềm 3D
+ Dùng một phần mềm 3D bất kỳ
• Đo đạc và mô phỏng vật đó trên phân mềm
• Xuất file theo chuẩn cho chiếc máy in 3D
• Sử dụng 1 loại máy scan 3D
• Scan sản phẩm và tạo được một file 3D trên máy tính
• Chỉnh sửa bề mặt và chi tiết vừa scan được
• Xuất file theo chuẩn in 3D
Kỹ thuật xuất file in 3D là bước quan trọng cuối cùng để chuyển đổi mô hình kỹ thuật số thành mô hình vật lý trong không gian thực Quy trình này quyết định sự thành công hay thất bại của mẫu in Mỗi công nghệ in 3D đều đi kèm với phần mềm xuất file riêng, chẳng hạn như công nghệ FDM sử dụng GCODE, trong khi công nghệ SLA sử dụng NUTART Tuy nhiên, tất cả các công nghệ này đều dựa trên nguyên lý cắt lớp, nơi phần mềm chuyên dụng tính toán và cắt mô hình kỹ thuật số theo phương ngang.
Máy in 3D hoạt động theo nguyên lý xây dựng mô hình từng lớp với độ dày lớp là Z, do đó còn được gọi là công nghệ đắp dần Dưới đây là những kỹ thuật cơ bản nhất khi xuất file in 3D.
1 Điều chỉnh lượng polygon trên mô hình phù hợp với từng phần mềm xuất file
2 Chọn kích thước in (size) Phụ thuộc vào nhu cầu mục đích sử dụng
3 Thiết lập độ cao lớp in (hight layer) Độ cao, thấp của lớp in quyết định bề mặt mịn hay thô của mẫu in Thông thường trong các máy in có độ cao lớp in từ 0.06mm đến 0.8mm Lớp in càng nhỏ bề mặt in mịn, thời gian in cao, và ngược lại.
Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ in 3D đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật, công nghiệp, sản xuất và y tế nhờ vào những ưu điểm nổi bật như vật liệu in đa dạng (nhựa, kim loại, vàng, thực phẩm), thời gian in nhanh, độ bền và độ chính xác cao, cùng khả năng tiết kiệm chi phí tạo khuôn Trong tương lai, công nghệ này có thể thay thế các phương pháp tạo mẫu truyền thống.
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, đẹp.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu các dạng máy in 3D, các công nghệ in 3D
- Sử dụng, thiết lập được firmware và software về máy in 3D
- Khắc phục các sự cố khi in 3D
- Nguyên lý, thông số kỹ thuật các linh kiện điện tử, cơ khí
- Ứng dụng in 3D vào phạm vi nghành ô tô.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Driver động cơ bước A4988, ULN2003
- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của máy in 3D từ thực tiễn
- In các mẫu từ cỡ bản đến phức tạp để lựa chon được các thông số phù hợp cho máy in
- Từ kết quả sản phẩm, dự đoán nguyên nhân và khắc phục
- Tham khảo các tài liệu liên quan về máy in 3D.
Bố cục của Đồ án
Đồ án gồm 5 chương với các nội dung như sau:
In 3D là công nghệ đang trở nên ngày càng quan trọng và có nhiều ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Trong ngành ô tô, in 3D không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn nâng cao khả năng thiết kế và chế tạo các bộ phận phức tạp Tại Việt Nam, việc áp dụng công nghệ này có thể mang lại giải pháp phát triển bền vững, thúc đẩy đổi mới sáng tạo và cạnh tranh trong ngành công nghiệp.
Các dạng máy in 3D trên thị trường
Công nghệ in 3D FDM (Fused Deposition Modeling) là công nghệ phổ biến nhất tại Việt Nam, dựa vào chuyển động của đầu phun trong không gian để tạo ra các hình dạng khác nhau Từ công nghệ này, đã phát triển nhiều loại máy in 3D như Cartesian, Delta, Polar và SCARA.
In 3D, dù có nhiều hình dạng, kích thước, công nghệ và vật liệu khác nhau, quy trình cơ bản vẫn là in từng lớp một để tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh.
Là các máy in 3D di chuyển đầu đùn nhựa nhờ các chuyển động theo phương X,
Y, Z trong hệ tọa độ Cartesian (hệ tọa độ Đề-các) Đại diện tiêu biểu dòng máy in 3D mã nguồn mở loại Cartesian chính là Prusa i3 hay Mendel
- Ưu điểm chung của loại máy in 3D Cartesian:
+ Lắp ráp, căn chỉnh và bảo dưỡng dễ dàng
+ Cộng đồng mã nguồn mở lớn
+ Phù hợp với người mới bắt đầu làm quen công nghệ in 3D
Khối lượng lớn của các cơ cấu đi động dẫn đến tốc độ in thấp và tạo ra tiếng ồn Hơn nữa, trong quá trình hoạt động, máy thường bị rung, điều này ảnh hưởng tiêu cực đến độ chính xác của quá trình in.
+ Kích thước ngang lớn, thường bị hạn chế chiều cao vật in
Máy in 3D Delta, hay còn gọi là robot song song, hoạt động dựa trên nguyên lý di chuyển đầu đùn nhựa Một trong những đại diện tiêu biểu cho dòng máy in mã nguồn mở dạng Delta là máy in 3D Kossel.
- Ưu điểm chung của loại máy in 3D Delta:
+ Khối lượng các cơ cấu di động nhỏ
+ Hoạt động êm, ít rung, tốc độ cao và chính xác
+ Có thể in được vật in có chiều cao lớn
+ Bàn nhiệt không di chuyển trong suốt quá trình in nên vật được giữ chắc chắn
+ Lắp ráp, căn chỉnh máy hơi phức tạp
+ Chiều cao của máy lớn (thường tới 60 - 70 cm)
+ Thường đắt hơn so với máy Cartesian
Mới và ít phổ biến hơn 2 loại trên, đầu đùn nhựa được di chuyển theo nguyên lý của tọa độ cực (Polar)
- Ưu điểm chung của loại máy in 3DPolar:
+ Hoạt động ít bị rung lắc như dạng Cartesian
+ Máy có kích thước vừa, gọn
+ Momen quán tính của bàn in lớn
+ Tốc độ in không cao, kích thước in nhỏ
+ Lắp ráp và căn chỉnh máy khó
2.1.4 SCARA (Selective Compliance Assembly Robotic Arm)
SCARA là một trong những robot phổ biến trong công nghiệp nhờ vào cơ chế động học phỏng sinh trục đứng, cho phép hoạt động với tốc độ nhanh và hiệu quả hơn so với robot Cartesian (robot tuyến tính) Robot SCARA cũng được ứng dụng trong các cơ cấu chuyển động của máy in 3D, mang lại nhiều lợi ích cho quy trình sản xuất.
- Ưu điểm chung của loại máy in 3D SCARA:
+ Không phức tạp trong căn chỉnh bàn in
+ Tốc độ in tương đối cao
+ Động học phức tạp hơn so với các máy khác
Một số công nghệ in 3D thương mại
Giá cả, kích thước, độ chính xác và tốc độ của máy in 3D chủ yếu phụ thuộc vào công nghệ in 3D được áp dụng.
FDM là công nghệ in 3D phổ biến nhất hiện nay, điển hình là các dòng máy in 3D Reprap hoặc máy in 3D giá rẻ (Makerbot, Printerbot, Flashforge,…)
- Ưu điểm: Là công nghệ in 3D giá rẻ Thường sử dụng trong các sản phẩm cần chịu lực Tốc độ tạo hình 3D nhanh
- Nhược điểm: Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao Khả năng chịu lực không đồng nhất (chiều X-Y cứng lớn hơn chiều trục Z)
- Vật liệu in: Nhựa PLA, ABS
Hình 2.5 Công nghệ in 3D FDM
Công nghệ in 3D SLS là chìa khóa để các máy in 3D tạo ra những sản phẩm đa dạng, thường dùng trong kỹ thuật
SLS (Selective Laser Sintering) là công nghệ in 3D lý tưởng cho các mô hình có thành mỏng và chi tiết cần độ dẻo, đặc biệt là những mô hình lớn hoặc có phần rỗng ở đáy So với FDM (Fused Deposition Modeling), SLS mang lại độ mịn bề mặt cao hơn, khiến việc phân biệt các lớp in bằng mắt thường trở nên khó khăn.
Một trong những nhược điểm của thiết bị và vật liệu là giá thành khá cao Các mô hình kín, cùng với phần rỗng bên trong, vẫn cần tiêu tốn một lượng vật liệu lớn, dẫn đến chi phí tăng cao.
- Vật liệu in: Bột nylon11, nylon12, PEEK (Polyetheretherketone, polymer hữu cơ dùng trong kỹ thuật),…
Hình 2.6 Công nghệ in 3D SLS
Máy in 3D sử dụng công nghệ SLA tương tự như SLS, với việc áp dụng chùm tia laser hoặc nguồn năng lượng UV mạnh để "đông cứng" các lớp vật liệu.
Công nghệ in 3D này nổi bật với khả năng tạo ra các mô hình chi tiết, sắc nét và chính xác, đồng thời là một trong những phương pháp in 3D với kích thước lớp in nhỏ nhất.
- Nhược điểm: Vật liệu in 3D khá đắt, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền khi để lâu dưới ánh sáng mặt trời
- Vật liệu in: Photopolymer lỏng
Hình 2.8 Công nghệ in 3D SLA
Công nghệ in này cho phép in nhiều vật liệu và màu sắc trên cùng một sản phẩm, mang lại độ phân giải cao và thời gian in tối ưu Vì vậy, nó được xem là một sự cạnh tranh đáng kể với công nghệ in SLA.
- Nhược điểm: Các máy in 3D dùng công nghệ Ployjet thường có giá rất đắt, vật liệu support (đỡ mô hình) khá yếu ớt
- Vật liệu in: Photopolymer lỏng
Hình 2.10 Công nghệ in 3D Polyjet
Hình 2.11 Phối màu in lên sản phẩm
Ý Tưởng
Nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu về máy in 3D và kinh phí để tùy biến một mẫu máy in Prusa, nhằm đáp ứng tốt hơn nhu cầu và ứng dụng trong ngành ô tô Việc cải tiến này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn mang lại nhiều lợi ích cho việc chế tạo linh kiện ô tô.
- Thiết kế dạng module độc lập với phần điện
- Đầu phun kép độc lập, in được 2 sản phẩm cùng lúc
- Chi phí tốt hơn so với máy cùng loại
- Trục được thiết kế đồng bộ cao cho ra sản phẩm độ chính xác cao
- Máy sử dụng toàn bộ rây trượt của THK giúp tăng độ chính xác và vận hành êm ái hơn
- Sử dụng arduino mega 2560 có thể dụng tốt vào những mà nguồn khác
- Khung máy chưa cứng cáp
- Còn sử dụng mạch arduino tính công nghiệp chưa cao
- Một số chi tiết còn dùng nhựa in 3D.
Sơ đồ khối hệ thống
3.2.1 Yêu cầu của hệ thống
+ Kết nối với phần mềm Repetier Host trên máy tính thông qua cổng USB + In được các vật từ đơn giản đến phức tạp
+ Chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu: Đúng kích thước, đủ độ cứng, hạn chế tối đa các lỗi
3.2.2 Sơ đồ và chức năng mỗi khối
Hình 3.1 Sơ đồ khối máy in 3D
- Khối nguồn: Chuyển đổi điện áp từ 220V AC sang 12V DC cung cấp cho khối chấp hành
- Khối chấp hành: Gồm động cơ bước, quạt, cơ cấu gia nhiệt tại đầu phun Hoạt động dựa trên tín hiệu điều khiển của khối xử lý trung tâm
- Khối xử lý trung tâm: Được cấp nguồn 5V DC từ máy tính, nhận tín hiệu từ các Endstop, cảm biến, phần mềm Repetier Host trên máy tính.
Hoạt động của hệ thống
3.3.1 Hoạt động của máy in 3D
Tệp tin định dạng stl (StereoLithography) sẽ được phần mềm Repetier Host trên máy tính cắt thành nhiều lớp và tạo ra mã G-code Mã G-code này được gửi đến khối xử lý trung tâm, nơi nó kết hợp với tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ và endstop để điều khiển cơ cấu gia nhiệt tại đầu phun và các động cơ bước.
Tại đầu phun, nhựa được nóng chảy và di chuyển để tạo ra các lớp in 3D từ dưới lên, hoàn thiện sản phẩm Việc in 3D có thể thực hiện qua thẻ nhớ hoặc máy tính bằng phần mềm Repetier Host, và đồ án này hỗ trợ cả hai phương pháp in.
Thiết kế, tính toán hệ thống
Khối xử lý trung tâm
Hình 3.2 Hình chiều 3D của máy in 3D
Hình 3.3 Hình chiếu 3D của máy in 3D
Hình 3.4 Hình chiếu 3D của máy in 3D
Hình 3.5 Hình chiếu 1 mặt của máy in 3D
Hình 3.6 Hình chiếu mặt cắt đứng của máy in 3D
Hình 3.7 Hình chiếu mặt cắt đứng của máy in 3D (tt)
Hình 3.8 Hình chiếu mặt bên của máy in 3D
Hình 3.9 Hình chiếu của hộp điện máy in 3D
Những khó khăn trong quá trình thiết kế:
- Sử dụng phần mêm mô phỏng in 3D cũng là một khó khăn đối với nhóm vì ít khi được tiếp cận
- Khó khăn trong quá trình chọn linh kiện vì một số linh kiện không có săn trên thị trường
Chuyển từ bản vẽ sang thực tế gặp nhiều thách thức, đặc biệt là khi một số sản phẩm không có sẵn trên thị trường Việc phải đặt gia công bên ngoài không chỉ làm tăng chi phí mà còn tạo ra khó khăn lớn cho nhóm.
Một số hình ảnh trong quá trình lắp máy:
Hình 3.10 Mạch điện máy in 3D
Hình 3.11 Khung máy in 3D bằng nhôm 3030
Hình 3.13 Bộ đầu phun MK8
- Khối xử lý trung tâm
Trên thị trường hiện nay, có nhiều mạch điều khiển cho máy in 3D như MKS Base V1.2, SainSmart Melzi và Shanhai® Gt2560 Những mạch này được thiết kế với chip ATmega tích hợp sẵn, cùng với các linh kiện ngoại vi và driver điều khiển động cơ bước, giúp nâng cao hiệu suất và tính năng của máy in 3D.
Có thể sử dụng board Arduino Mega2560 kết hợp với các board mở rộng như RAMPS 1.4 và BAM (Beta Arduino Mega) để điều khiển động cơ bước hiệu quả.
Khi lựa chọn linh kiện cho máy in 3D, board Arduino Mega 2560 và RAMPS 1.4 là sự lựa chọn tối ưu nhờ tính đơn giản, phổ biến và giá cả hợp lý Ngoài ra, Arduino Mega 2560 còn có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác, không chỉ giới hạn ở máy in 3D.
Khi chọn động cơ cho máy in 3D, cần xem xét kích thước máy và lực kéo của động cơ đối với các cơ cấu chuyển động Trên thị trường hiện có nhiều loại động cơ, nhưng loại phổ biến nhất là động cơ 6 dây, góc quay 1.8º, điển hình là động cơ KH42JM2B194A, được giới thiệu trong mục 2.3.3.
Khối nguồn của máy in 3D có thể sử dụng nguồn từ máy tính qua cổng USB với điện áp 5V DC nhờ vào phần mềm Repetier Host Đối với khối chấp hành, bao gồm động cơ bước, quạt và cơ cấu gia nhiệt, yêu cầu điện áp là 12V DC Mỗi động cơ tiêu thụ dòng 0.9A, và với tối đa 5 động cơ, nguồn điện 12V, 5A là đủ để đáp ứng nhu cầu hoạt động.
Kết nối hệ thống
3.5.1 Sơ đồ mạch điện máy in 3D
Hình 3.19 Sơ đồ kết nối các thiết bị máy in 3D
Một số lưu ý về các Jumper trên RAMPS 1.4 như sau (từ trái sang):
Step size Jumper 1 Jumper 2 Jumper 3
No No No Full step
Yes No No Half step
Kích thước bước của động cơ bước phụ thuộc vào driver điều khiển, ví dụ như driver A4988 Khi driver A4988 hoạt động ở chế độ 1/16 và cả 3 jumper được cắm, kích thước bước vẫn duy trì ở mức 1/16.
Nếu không sử dụng bàn nhiệt thì không cần cấp nguồn tại Main power supply
(1), không cần cảm biến (T1) và đầu nhiệt (D8).
Lưu đồ giải thuật
Hình 3.20 Lưu đồ giải thuật máy in 3D
Hình 3.21 Lưu đồ giải thuật máy in 3D (tt)
Thiết lập Firmware Marlin
Firmware Marlin là phần mềm mã nguồn mở được phát triển trên nền tảng Arduino, dành cho các bo mạch điều khiển máy in 3D sử dụng vi điều khiển AVR của Atmel Ngoài việc hỗ trợ máy in 3D, Marlin còn có thể được tùy chỉnh cho các máy CNC mini, góp phần làm cho nó trở thành một trong những firmware phổ biến nhất trong cộng đồng mã nguồn mở hiện nay.
Sử dụng Arduino IDE để chỉnh sửa các tập tin configuration.h như hình 3.22
Hình 3.22 Thiết lập firmware Marlin 3.7.2 Tốc độ truyền dữ liệu
#define BAUDRATE 250000 Đây là tốc độ truyền thông giữa board và máy tính Có hai tốc độ thường được sử dụng trong in 3D là 250000 và 115200
Máy in sử dụng RAMPS 1.4, 1 đầu phun nên định nghĩa board như sau:
Để xác định số đầu đùn của máy in, bạn có thể sử dụng lệnh #define EXTRUDERS 1, với mặc định là 1 đầu đùn Số đầu đùn tối đa có thể thiết lập là 4, nhưng khi sử dụng RAMPS 1.4, nên giới hạn tối đa là 2 đầu đùn.
Vì máy in chỉ sử dụng một cảm biến nhiệt độ tại đầu phun và không dùng bàn nhiệt nên ta thiết lập như sau:
Nhiệt độ tối thiểu được thiết lập như sau (máy chỉ cấp nguồn tới các đầu nung khi nhiệt độ nằm trên mức tối thiểu):
#define BED_MINTEMP 5 Tương tự với nhiệt độ tối đa:
3.7.7 Kiểm tra ổn định nhiệt độ đầu đùn
#define TEMP_RESIDENCY_TIME 10 //sec
Khi nhiệt độ đạt đến mức cài đặt ± TEMP_WINDOW, máy sẽ bắt đầu đếm thời gian TEMP_RESIDENCY_TIME Trong thời gian này, nếu nhiệt độ không dao động quá ± TEMP_HYSTERESIS, nhiệt độ sẽ được coi là ổn định và máy sẽ bắt đầu in.
Khi nhiệt độ cài đặt là 190ºC, máy sẽ kiểm tra trong 10 giây khi đạt từ 189 đến 191ºC Nếu nhiệt độ duy trì trong khoảng 187 đến 193ºC, quá trình in mới bắt đầu.
3.7.8 Thiết lập PID cho đầu nung
Giá trị nhiệt độ kích hoạt PID:
Máy chỉ điều khiển bằng phương pháp PID khi giá trị nhiệt độ đo được nằm trong khoảng mức cài đặt ± PID_FUNCTIONAL_RANGE
Khi PID_FUNCTIONAL_RANGE được đặt quá lớn, thời gian để nhiệt độ đầu đùn đạt giá trị yêu cầu sẽ kéo dài Ngược lại, nếu PID_FUNCTIONAL_RANGE quá nhỏ, nhiệt độ đầu đùn có thể dao động vượt mức yêu cầu.
Các giá trị Kp, Ki, Kd thưởng để mặc định như sau:
#define DEFAULT_Kd 114 Hoặc có thể chọn các hệ số Kp, Ki, Kd theo các bước như sau:
- Đặt Ki =0, Kd =0, Kp thấp
Tăng dần giá trị Kp cho đến khi đạt được tốc độ tăng nhiệt độ chấp nhận được, đồng thời đảm bảo nhiệt độ dao động quanh giá trị yêu cầu với biên độ ổn định Ghi lại giá trị Kp tại thời điểm này và đặt tên cho nó.
Ku Đo thời gian (chu kỳ) dao động của nhiệt độ lúc này là Tu
- Kp = Ku*0.6, Ki = 2*Kp/Tu, Kd = Kp*Tu/8
Để tối ưu hóa quá trình điều khiển nhiệt độ, cần điều chỉnh giá trị Ki và Kd một cách từ từ nhằm đạt được tốc độ điều khiển nhanh và giảm thiểu dao động Việc tăng Ki giúp nhiệt độ đầu đùn nhanh chóng đạt giá trị yêu cầu, nhưng thời gian ổn định sẽ kéo dài Ngược lại, nếu tăng Kd, nhiệt độ đầu đùn sẽ tăng chậm hơn, tuy nhiên độ ổn định của hệ thống sẽ được cải thiện.
3.7.9 Nhiệt độ tối thiểu trước khi di chuyển đầu đùn
#define EXTRUDE_MINTEMP 170 Khi nhiệt độ đầu đùn thấp hơn giá trị EXTRUDE_MINTEMP, máy sẽ không cho phép di chuyển đầu đùn hoặc đùn nhựa in
Trong trường hợp muốn kiểm tra hoạt động của các động cơ bước, có thể tắt tính năng này
3.7.10 Kiểm tra sự cố cảm biến nhiệt độ
#define THERMAL_RUNAWAY_PROTECTION_PERIOD 40 //sec
#define THERMAL_RUNAWAY_PROTECTION_HYSTERESIS 4 //degC Trong trường hợp này, nếu quá thời gian 40s mà nhiệt độ không tăng đến (mức cài đặt – 4)°C, máy sẽ dừng hoàn toàn
3.7.11 Tín hiệu kích hoạt Endstop const bool X_MIN_ENDSTOP_INVERTING = true; const bool Y_MIN_ENDSTOP_INVERTING = true; const bool Z_MIN_ENDSTOP_INVERTING = true; const bool X_MAX_ENDSTOP_INVERTING = true; const bool Y_MAX_ENDSTOP_INVERTING = true; const bool Z_MAX_ENDSTOP_INVERTING = true;
Mỗi trục mặc định có 2 Endstop max và min, tuy nhiên ta chỉ cần sử dụng 3 Endstop max hoặc min
Endstop thường được kích hoạt khi nhấn, tuy nhiên nếu trong quá trình hoạt động, Endstop lại kích hoạt ngược (khi nhả do mắc sai dây hoặc do loại Endstop khác nhau), cần thay đổi giá trị từ ‘true’ thành ‘false’.
Giá trị Z_MIN_POS được định nghĩa là 0, trong khi các giá trị max thường được thiết lập nhỏ hơn kích thước in tối đa của máy, tức là độ dài tối đa mà đầu phun có thể di chuyển trên các trục.
5.3.3 Đảo hướng các trục tọa độ
Để điều chỉnh hướng các trục trong firmware, người dùng có thể thay đổi giá trị của INVERT_E2_DIR từ 'false' sang 'true' hoặc ngược lại Mặc định, gốc tọa độ nằm ở góc trái phía trước bàn nhiệt, với các trục hướng ra xa gốc tọa độ theo hướng đầu phun Việc thay đổi này giúp phù hợp với cách bố trí và lắp đặt động cơ trong quá trình lắp máy.
3.7.13 Vị trí Home Để đầu phun di chuyển về Home trùng với gốc tọa độ, ta thiết lập như sau:
Để di chuyển đầu phun về vị trí Home, tương ứng với vị trí xa nhất tùy thuộc vào kích thước in đã thiết lập, bạn cần thay đổi giá trị ‘-1’ thành ‘1’.
Máy có 3 trục X, Y, Z và sử dụng một đầu đùn E, do đó ta thiết lập như sau:
#define NUM_AXIS 4 Nếu sử dụng 2 đầu đùn thì tăng giá trị ‘4’ thành ‘5’
3.7.15 Số bước động cơ trên mỗi trục
#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT {X, Y, Z, E}
Trong hệ thống điều khiển, các thông số X, Y, Z đại diện cho số bước mà động cơ cần thực hiện trên các trục tương ứng để đầu phun di chuyển 1 mm Đồng thời, E là số bước động cơ cần thực hiện để đùn ra 1 mm nhựa.
Từ các thông số đã biết:
- Góc quay mỗi bước của động cơ: A = 1.8 độ
- Chế độ điều khiển của A4988: B = 1/16
- Khoảng cách mỗi răng của dây đai: D = 2mm
- Bước ren của vitme: E = 8 (vitme quay đủ 1 vòng thì tịnh tiến được 8mm)
- Đường kính puli đùn nhựa: F = 6.5 mm
Ta tính toán như sau: a Trục X và Y
Với cơ cấu truyền động dây đai trên trục X, Y, số bước cần thiết lập:
Với cơ cấu truyền động vitme trên trục Z, số bước cần tính:
Chu vi của puli đùn nhựa chính là độ dài nhựa được đùn ra khi puli quay được
Kết quả thực tế
Một số hình ảnh vê máy in 3D của nhóm đã thiết kế và lắp ráp
Hình 4.1 Mô hình máy in 3D
Hình 4.2 Mô hình máy in 3D (tt)
Hình 4.3 Đầu phun bên phải
Hình 4.4 Đầu phun bên trái
Hình 4.6 Hộp điện máy in
Hình 4.7 Một sản phẩm đang được in từ máy in 3D
Hình 4.8 Sản phẩm in hoàn thành
Hình 4.10 Gương chiếu hậu ô tô được in 3D
Hình 4.11 Gương đã qua xử lý mattit
Nhận xét kết quả
Các chi tiết cơ khí được lắp đặt đúng vị trí và hoạt động hiệu quả Tuy nhiên, khớp nối giữa các khung nhôm vẫn chưa đảm bảo độ chắc chắn, dẫn đến việc máy in cần phải được cân chỉnh lại sau khi vận chuyển.
Sản phẩm in 3D đã thỏa mãn các yêu cầu đặt ra như:
- Kích thước ứng với file mẫu
- Độ cứng đạt yêu cầu
- Các lớp in nhỏ, mịn
Bên cạnh đó, sản phẩm vẫn còn một số khiếm khuyết như thời gian in chưa nhanh, trục Z chưa thẳng.
Kết luận
Hệ thống máy in 3D có những ưu và nhược điểm sau:
+ Dễ lắp ráp, các nguyên liệu phổ biến trên thị trường
+ Cấu trúc máy đơn giản
+ Các khớp, giá đỡ nhựa là sản phẩm từ in 3D nên có thể thay thế
+ Sản phẩm có tính ứng dụng cao trên mọi lĩnh vực
+ Phát ra tiếng ồn khi chạy máy
+ Cơ khí chưa chính xác hoàn toàn.
Hướng phát triển và một số hạn chế
5.2.1 Hướng phát triển trong tương lai
Trong quá trình thực hiện đồ án, máy in 3D đã cho thấy tính ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực Điều này mở ra nhiều hướng phát triển tiềm năng cho công nghệ này.
+ In 3D từ các file lưu trên thẻ nhớ
+ Lưu được vị trí in khi mất điện
+ Kết hợp máy in 3D với máy CNC, máy cắt laser
+ Thay đổi cơ cấu máy in 3D từ dạng Cartesian sang Delta
+ Chuyển từ in đơn màu sang in đa màu
Trong quá trình thực hiện đồ án, nhóm chúng em đã gặp phải một số sơ sót về kỹ thuật và kiến thức chuyên môn Áp lực thời gian cũng đã ảnh hưởng đến sự hoàn thiện của dự án Chúng em rất mong quý thầy cô thông cảm và bỏ qua những thiếu sót này.
