GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Vai trò của công nghệ tạo mẫu nhanh trong việc phát triển nhanh sản phẩm 7
Tạo mẫu là bước quan trọng trong quá trình thiết kế, giúp mô hình hóa ý tưởng trước khi sản xuất hàng loạt Trong thế kỷ 21, nhu cầu thị trường thay đổi nhanh chóng và toàn cầu hóa khiến việc phát triển sản phẩm cần linh hoạt hơn để đáp ứng yêu cầu của khách hàng Các sản phẩm hiện nay phải có nhiều phiên bản phù hợp với từng đối tượng như nam, nữ, trẻ em và người lớn, đồng thời phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau như kinh doanh và giải trí Ngoài ra, tuổi thọ sản phẩm ngày càng ngắn, trong khi chức năng và thiết kế ngày càng phức tạp, đòi hỏi thời gian sản xuất phải được rút ngắn tối đa.
Phát triển nhanh sản phẩm là quá trình đưa sản phẩm mới ra thị trường một cách nhanh chóng, giúp các công ty tạo lợi thế cạnh tranh Để đáp ứng nhanh chóng nhu cầu khách hàng, các doanh nghiệp cần áp dụng nhiều phương pháp khác nhau, như tự động hóa sản xuất và sản xuất tinh gọn Một yếu tố quan trọng trong thành công của phát triển nhanh sản phẩm là ứng dụng hiệu quả công nghệ tạo mẫu nhanh trong quy trình sản xuất.
Công nghệ tạo mẫu nhanh giúp rút ngắn đáng kể quá trình chuẩn bị sản xuất và sản xuất so với các phương pháp truyền thống Bên cạnh đó, nó tăng cường độ linh hoạt và khả năng phức tạp của sản phẩm, đặc biệt là các sản phẩm nhỏ Mục đích chính của tạo mẫu nhanh hiện nay là phục vụ cho việc chào hàng, quảng cáo tiếp thị sản phẩm mới, cũng như nghiên cứu và phân tích tính phù hợp của sản phẩm.
Qui trình sản xuất truyền thống Qui trình sản xuất sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh
Hình 1.1: So sánh giữa quy trình sản xuất truyền thống và qui trình sản xuất sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh
Các hệ thống tạo mẫu nhanh hiện nay hoàn toàn tự động và không cần khuôn mẫu, cho phép chế tạo trực tiếp các chi tiết với độ chính xác nhất định, mặc dù chất lượng bề mặt có thể kém do không được gia công tinh trong công đoạn cuối Do đó, các sản phẩm thường cần được gia công lại bằng phương pháp khác Công nghệ này giúp rút ngắn thời gian chế tạo đáng kể, và dữ liệu thiết kế có thể được sử dụng lại, mang lại lợi nhuận khổng lồ từ cả lợi nhuận trực tiếp và gián tiếp Lợi nhuận trực tiếp đến từ các nhà thiết kế, máy gia công và kỹ sư, trong khi lợi nhuận gián tiếp đến từ bộ phận tiếp thị và khách hàng.
Sản xuất Kiểm tra và chỉnh sửa
Tạo mẫu thử Làm khuôn Chế tạo mẫu bằng tay
Thiết kế nhờ máy tính (CAD)
Sơ Lược về Công nghệ tạo mẫu nhanh
1.2.1 Khái Niện Tạo Mẫu Nhanh
Theo Terry Wohler, Chủ tịch Hiệp hội tạo mẫu nhanh thế giới, trong báo cáo năm 2001, tạo mẫu nhanh được định nghĩa là quá trình sản xuất các mẫu vật hoặc sản phẩm từ dữ liệu kỹ thuật số thông qua các công nghệ in 3D, giúp giảm thời gian và chi phí trong thiết kế và sản xuất.
Tạo mẫu nhanh là công nghệ chế tạo mô hình vật lý hoặc mẫu sản phẩm dựa trên dữ liệu thiết kế 3D từ máy tính, hoặc từ dữ liệu chụp cắt lớp điện toán CT, cộng hưởng từ MRI, và thông tin từ các thiết bị số hóa 3 chiều.
Theo định nghĩa này, tạo mẫu nhanh là công nghệ chế tạo mô hình vật lý hoặc mẫu sản phẩm từ những dữ liệu sau đây:
+ Thiết kế ba chiều trên máy tính
+ Dữ liệu chụp cắt lớp điện toán CT hoặc cộng hưởng từ MRI
+ Dữ liệu từ các thiết bị số hóa ba chiều như các máy đo tọa độ CMM, máy quét ba chiều (3D scanner)
1.2.2 Sự Ra đời và Phát Triển của Công Nghệ Tạo Mẫu Nhanh
Công nghệ tạo mẫu nhanh bắt đầu với sáng chế của Hull vào năm 1984 về thiết bị tạo hình lập thể (SLA), được công nhận vào năm 1986 và thương mại hóa bởi công ty 3D System vào năm 1987 Sau khi ra mắt, đến năm 1998, đã có 34 hệ thống SLA được cung cấp ra thị trường.
Công nghệ tạo mẫu nhanh, mặc dù chỉ mới ra đời từ năm 1998, đã trở thành một mục tiêu nghiên cứu quan trọng trong ngành cơ khí công nghệ cao Công nghệ này cho phép sản xuất nhanh chóng các sản phẩm công nghiệp như khuôn nhanh, sử dụng đa dạng vật liệu như nhựa, kim loại, và gỗ Đặc biệt, nó được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất đế giày, tượng mỹ nghệ trong ngành kim hoàn, cũng như khuôn mẫu cho ngành nhựa với nhiều kích thước khác nhau Công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực chế tạo ô tô, xe máy, điện dân dụng, máy điều hòa nhiệt độ, vỏ ti vi và máy nông nghiệp, mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể.
Trong lĩnh vực y học, công nghệ tạo mẫu nhanh đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo mô hình y học, các bộ phận cấy ghép thay thế xương và các công cụ hỗ trợ phẫu thuật.
- Theo báo cáo của Wohlers (2006) thì khả năng phạm vi ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh: [6]
Hình 1.2 : Phạm vi ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh
Người ta chia sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh thành ba giai đoạn lớn
Giai đoạn 1: Từ những năm đầu của thập kỷ 80 của thế kỷ 20 đến năm 1994
Công nghệ tạo mẫu nhanh ra đời nhờ bằng sáng chế của Hull về thiết bị tạo hình lập thể, được thương mại hóa lần đầu vào năm 1987 bởi công ty 3D Systems.
Giai đoạn 2: Từ 1994 – 1998 Thiết bị kỹ thuật và công nghệ tạo mẫu nhanh phát triển theo hướng hoàn thiện
Giai đoạn 3: Từ 1997 đến nay Triển khai ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh ở nhiều nước trên thế giới
Hiện nay, đã có hơn 30 công nghệ tạo mẫu nhanh được phát triển với nhiều ứng dụng đa dạng Trong số đó, một số công nghệ đã trở nên phổ biến và được thương mại hóa, như công nghệ SLA (Stereo Lithography Apparatus) và 3D Printing của 3D Systems, LOM (Laminated Object Manufacturing) của Helisy, SLS (Selective Laser Sintering) và FDM (Fused Deposition Modeling) của Stratasys Đặc biệt, công nghệ 3D printing thuộc nhóm công nghệ in ba chiều (3D printer) nổi bật với khả năng ứng dụng cao, cho phép tạo ra sản phẩm đa màu sắc và có tốc độ gia công chi tiết vượt trội.
Mục tiêu của đề tài
Nắm vững công nghệ tạo mẫu nhanh theo phương pháp 3D printing
Thiết kế hệ thống cấp bột cho máy tạo mẫu nhanh theo phương pháp 3D printing.
Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan công nghệ tạo mẫu nhanh in ba chiều, đặc biệt là công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printing
Nghiên cứu tổng quan cấu trúc của hệ thống tạo mẫu nhanh theo công nghệ in ba chiều 3D printing
Thiết kế kết cấu hệ thống cấp bột cho máy tạo mẫu nhanh theo công nghệ in ba chiều 3D printing.
CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH 3D PRINTER
2.1 Thời gian hình thành và tốc độ phát triển của công nghệ 3D printer
Công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printer, phát triển từ kỹ thuật in phun, sử dụng sự thay đổi trạng thái của vật liệu để tạo ra các sản phẩm 3D bằng cách phun nguyên liệu thành các lớp mỏng và làm đông đặc chúng Đây là công nghệ có tốc độ tạo ra sản phẩm nhanh nhất, nhanh gấp 40 lần so với các công nghệ tạo mẫu nhanh khác, cho phép tạo ra sản phẩm với màu sắc thực tế hơn Nguyên liệu sử dụng rất đa dạng, bao gồm gốm, nhựa nhiệt dẻo-kim loại, photopolymer và nhựa tổng hợp.
Công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printing đã ra đời và phát triển, đánh dấu sự xuất hiện của nhiều loại công nghệ tạo mẫu nhanh khác.
Tên công nghệ Ký hiệu Năm phát triển đầu tiên
Công nghệ in 3D đã phát triển mạnh mẽ và tạo ra sự cạnh tranh đáng kể so với các công nghệ tạo mẫu nhanh khác nhờ vào tốc độ, giá thành máy và khả năng ứng dụng sản phẩm Theo báo cáo của Wholers năm 2008, số lượng máy in 3D được bán ra đã gia tăng nhanh chóng, cho thấy tiềm năng phát triển của công nghệ này trong ngành công nghiệp tạo mẫu.
Hình 2.1: Tốc độ bán máy tạo mẫu nhanh 3D printer tính đến năm 2007
2.2 Tạo mẫu nhanh theo công nghệ 3D printer
Từ đầu những năm 1990, công nghệ in 3D đã phát triển mạnh mẽ với nhiều phương pháp như FDM, PolyJet và 3D Printing, được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp Tất cả các công nghệ này đều sử dụng đầu phun vật liệu để tạo lớp mỏng trong quá trình gia công chi tiết Dựa vào phương pháp phun, chúng có thể được phân loại thành các loại như Drop-on-Drop deposition, Drop-on-Powder deposition và Continuous deposition.
Quá trình phun Kỹ thuật
Drop-on-Drop deposition ( Phun trực tiếp) 3D Plotting
Drop-on-Powder deposition ( Phun gián tiếp) 3D Printing
Metal 3DP Continuous deposition ( Phun liên tục) FDM
Hình 2.2 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động
2.2.1 Quá trình phun trực tiếp (Drop-on-Drop)
Công nghệ 3D plotting có nguồn gốc từ công ty Sanders Prototype, bây giờ được biết đến với tên là
Solidscape sử dụng công nghệ 3D plotting với hai đầu phun: một đầu phun nhựa nhiệt dẻo để tạo chi tiết và một đầu phun sáp để tạo hệ thống đỡ Sáp được phun và đông đặc đồng thời với nhựa, trong khi nhựa được gia nhiệt để trở thành lỏng và phun ra với áp suất, đông đặc khi tiếp xúc với lớp trước Sau mỗi lớp, lưỡi dao gạt bỏ 0,025mm để tạo bề mặt nhẵn cho lớp tiếp theo, trong khi mặt đế hạ thấp theo chiều Z để chuẩn bị cho quá trình phun lớp mới Quá trình này lặp lại cho đến khi hoàn tất chi tiết, kết hợp phương pháp FDM và 3D printing, được Solidscape gọi là 3D plotting.
M ộ t s ố ch ủ ng lo ại máy đ ã được thương mạ i hóa
Công nghệ PolyJet sử dụng polyme cảm quang và đầu phun rộng để phun cả nguyên liệu chính và nguyên liệu bổ sung cho giàn đỡ Các lớp nguyên liệu này được nung chảy và sau đó được chiếu ánh sáng tia cực tím ngay khi phun ra, giúp chúng đông đặc lại và tạo thành lớp cho chi tiết Hiện nay, công nghệ PolyJet đang được phát triển bởi công ty Objet Geometries.
Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động công nghệ tạo mẫu nhanh in ba chiều PolyJet
- Hệ thống đầu phun có thể di chuyển theo 2 phương X và Y
- Khay bàn máy có thể di chuyển tịnh tiến theo phương Z
Hệ thống đầu phun được trang bị khoảng 1536 miệng phun nhỏ, kèm theo hai đèn tia cực tím ở hai bên hông, tạo ra hai dãy chiếu sáng nhằm cung cấp năng lượng đông đặc nguyên liệu ngay sau khi được phun ra Vật liệu sử dụng bao gồm cả vật liệu cảm quang chính và vật liệu hỗ trợ, với chiều dày mỗi lớp đạt tới 16 μm Sau khi gia công, chiều dày của các thành chi tiết có thể lên tới 0,6 mm.
H ệ th ống đầ u phun theo công ngh ệ t ạ o m ẫ u nhanh PolyJet : Theo Patent số US
Hình 2.4b Nguyên lý hoạt động
Sau khi nhận file ".STL" từ mô hình máy tính, máy sẽ tiến hành chia lớp cho mô hình Đầu phun di chuyển và phun một lớp vật liệu mỏng lên khay bàn máy, trong khi đèn cực tím quét qua lớp vật liệu để làm đông đặc ngay lập tức Tiếp theo, khay bàn máy sẽ di chuyển xuống theo chiều dọc.
Quá trình gia công diễn ra từng lớp một, bắt đầu bằng việc đầu phun di chuyển và phun lớp vật liệu thứ hai, trong khi đèn tia cực tím quét lên lớp vật liệu này để đông đặc ngay lập tức Bàn máy tiếp tục di chuyển xuống dưới một khoảng cách bằng chiều dày của lớp gia công, cho đến khi hình dạng chi tiết hoàn thành Sau khi hoàn tất gia công, sản phẩm sẽ trải qua quá trình hậu xử lý bằng cách phun nước để loại bỏ vật liệu tạo giàn đỡ, nhằm đạt được sản phẩm cuối cùng mong muốn.
Qui trình thực hiện Ưu nhược điể m Ưu điểm:
Linh hoạt : có thể thay đổi các loại vật liệu có các cơ tính khác nhau và màu khác nhau
Chất lượng bề mặt cao: độ phân giải cao
Độ chính xác cao: Các lớp cộng vật liệu khoảng 600μm hoặc nhỏ hơn phụ thuộc vào vật liệu
Tốc độ gia công nhanh, công nghệ có thể in nhiều chi tiết cùng một lúc
Quá trình hậu sử lý dễ dàng
Vật liệu tạo mẫu đắt
Giá thành máy,giá đầu phun, chi phí bảo trì còn cao
Inport file STL vào khay
Chia lớp, tính toán khối lượng nguyên liệu, chạy thử mô hình
Kiểm tra hiệu chỉnh file STL bằng phần mền chuyên dùng
Quá trình hậu sử lý
Thiết kế mô hình 3D bằng các phần mềm
CAD sau đó lưu thành file STL
Các ch ủ ng lo ại máy đ ã được thương mạ i hóa
Eden TM 260 Eden TM 330 Eden TM 350
2.2.2 Qúa trình phun liên tục (Continuous Deposition)
Công nghệ in 3 chiều FDM, do Công ty Stratasys phát triển từ năm 1989, là một phương pháp tạo mẫu nhanh tiên tiến Được sáng tạo bởi Ông Scott Crump, FDM đã trở thành một công nghệ quan trọng trong lĩnh vực in 3D, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và thiết kế Stratasys tập trung vào nghiên cứu và phát triển để nâng cao hiệu quả của phương pháp này.
Công nghệ FDM, được cấp bằng sáng chế vào năm 1988 và nhận giải thưởng cao tại Mỹ năm 1992, xây dựng chi tiết bằng cách đùn vật liệu qua đầu phun Máy FDM đầu tiên, 3D modeler®, ra mắt vào năm 1992 Hiện nay, FDM là hệ thống sản xuất thương mại đứng thứ hai trên thế giới.
Nguyên lý ho ạt độ ng c ủ a Công Ngh ệ t ạ o m ẫ u nhanh FDM
Hình 2.5 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động công nghệ tạo mẫu nhanh FDM
Vật liệu chính và vật liệu hỗ trợ để tạo chi tiết đều ở dạng dây Đầu phun được lắp đặt trên một hệ thống di chuyển, cho phép di chuyển trên mặt phẳng song song với đế, tức là mặt phẳng XY của hệ trục tọa độ trên máy.
Bánh xe vận chuyển vật liệu chính và hỗ trợ vào ống gia nhiệt, nơi vật liệu chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng và được phun qua miệng phun để tạo lớp trên khay bàn máy Sau khi một lớp hoàn thành, đế sẽ di chuyển xuống theo phương thẳng đứng (trục Z), trong khi đầu phun tiếp tục phun vật liệu để tạo lớp kế tiếp Lớp vật liệu mới sẽ liên kết với lớp trước đó nhờ đặc tính của vật liệu mà không cần sử dụng chất kết dính Quá trình này diễn ra liên tục cho đến khi chi tiết gia công hoàn tất.
M ộ t s ố h ệ th ống đầ u phun theo công ngh ệ t ạ o m ẫ u nhanh FDM
Hình 2.6a Theo Patent số 5764521 ngày 09/06/1998 [14]
Hình 2.6c Ưu điểm và nhược điể m c ủ a công ngh ệ t ạ o m ẫ u nhanh FDM Ưu điểm
Với vật liệu ABS và phương pháp FDM, có thể tạo ra các sản phẩm thực tế với độ bền đạt 85% so với sản phẩm được sản xuất bằng phương pháp đúc truyền thống.
Thiết kế mô hình bằng phần mềm
CAD sau đó lưu thành file
Inport file vào máy FDM
Dùng phần mền chuyên dùng chia lớp (theo chiều ngang)
Quá trình hậu sử lý
Phương pháp FDM giúp giảm thiểu lãng phí tối đa bằng cách sử dụng nhựa nhiệt dẻo, cho phép đùn vật liệu trực tiếp qua đầu phun để xây dựng các chi tiết chính xác.
PHÂN TÍCH SO SÁNH LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP BỘT
C ụ m c ấ p b ộ t Thùng chứa bột Cơ cấu định lượng bột Động cơ vận hành cơ cấu đinh lượng
C ụ m nâng h ạ thùng chính Thùng chế tạo Cơ cấu chuyển truyền truyển động Động cơ dẫn động
C ụ m cán b ộ t Con lăn Cơ cấu dẫn động Động cơ dẫn động
B ả ng 3.1 : Các cụm chính trong hệ thống cấp bột theo công nghệ 3D printing
3.2 Hệ thống cấp bột theo công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printting
Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống cấp bột từ dưới lên 1 bên
Hình 3.3 : Sơ đồ hệ thống cấp bột 1 bên từ trên xuống
3.2.1 Các Thông số ảnh hưởng đến hệ thống cấp bột theo công nghệ tạo mẫu nhanh
3.2.1.1 Tốc độ gia công sản phẩm
Công nghệ in 3D tạo mẫu nhanh bao gồm bốn bước chính ảnh hưởng đến tốc độ gia công của máy Đầu tiên là tốc độ tạo lớp bột trên bàn máy, tiếp theo là tốc độ phun vật liệu kết dính Sau đó, tốc độ thẩm thấu của vật liệu kết dính vào bột cũng đóng vai trò quan trọng, và cuối cùng là tốc độ khô của vật liệu kết dính.
Thời gian xấy khô vật liệu bột cố định, cho phép tạo lớp bột trên bàn gia công nhanh chóng, khoảng 0.1 đến 1 giây mỗi lớp Nếu cần cung cấp thêm nhiệt cho vật liệu bột trước khi phun vật liệu kết dính, thời gian này dao động từ 0.1 đến 10 giây, tùy thuộc vào đặc tính của vật liệu bột và kết dính, cũng như khả năng liên kết giữa chúng Tốc độ phun đạt khoảng 10m/s với kích thước hạt khoảng 15μm và tần số khoảng 1MHz.
Tốc độ liên kết giữa vật liệu bột và chất kết dính phụ thuộc vào các thông số vật lý của chất kết dính cũng như vận tốc của giọt chất kết dính khi tiếp xúc với vật liệu bột Vận tốc này có thể được tính toán bằng công thức cụ thể.
Sức căng mặt ngoài của chất kết dính được ký hiệu là , trong khi độ nhớt của chất kết dính được ký hiệu là μ Bán kính trụ giọt vật liệu, ký hiệu là r, xấp xỉ bằng đường kính trong của miệng phun.
Góc α là góc tạo thành giữa mặt ngoài giọt vật liệu và đường sinh của đường kính trong của miệng phun, trong khi h đại diện cho khoảng cách từ miệng phun đến lớp bột đang gia công.
Tốc độ thẩm thấu của vật liệu kết dính vào vật liệu bột, cùng với tốc độ khô của chúng, có vai trò quan trọng trong việc xác định độ bền và chất lượng bề mặt sản phẩm cuối cùng Thời gian thẩm thấu này thường dao động từ 0.1 giây đến 1 giây, tùy thuộc vào khả năng liên kết giữa vật liệu bột và vật liệu kết dính được sử dụng trong quá trình gia công Ngoài ra, vận tốc phun cũng ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng gia công sản phẩm.
Công nghệ in 3D sử dụng đầu phun để tạo ra chuỗi giọt vật liệu kết dính, với đường kính miệng phun khoảng 50μm, cho phép sản xuất khoảng 60.000 giọt vật liệu mỗi giây Mỗi giọt khi tiếp xúc với vật liệu bột sẽ tạo ra liên kết giữa các hạt bột, giúp hình thành cấu trúc vững chắc.
Những giọt vật liệu kết dính được phun tới lớp bột với tốc độ từ 10m/s đến 15m/s, tốc độ này phụ thuộc vào tốc độ dòng vật liệu và kích thước miệng phun Khi tốc độ dòng vật liệu tăng, lượng vật liệu kết dính phun ra cũng tăng theo, giúp nâng cao hiệu quả gia công Kích thước miệng phun nhỏ hơn sẽ tạo ra những giọt vật liệu kết dính nhỏ hơn, điều này cần thiết để đạt được tốc độ gia công cao và cải thiện chất lượng sản phẩm Những giọt vật liệu có tốc độ cao sẽ tiếp cận lớp bột nhanh chóng, giảm thiểu sự mất cân bằng do di chuyển trong không khí, từ đó nâng cao độ chính xác trong việc phun vật liệu.
Khi tốc độ phun của giọt vật liệu tăng, nó gây ra nhiều vấn đề, trong đó có sự va chạm mạnh giữa giọt vật liệu kết dính và lớp vật liệu bột Sự va chạm này dẫn đến biến dạng của lớp bột, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng chi tiết gia công, bao gồm chất lượng bề mặt, độ chính xác kích thước và hình dáng hình học.
Công thức sau được sử dụng để đánh giá sự va chạm giữa vật liệu kết dính và vật liệu bột: [33]
Trong đó: d: đường kính giọt vật liệu kết dính
We : hệ số Weber (được tính theo công thức 2.5) Re: hệ số Reynolds (được tính theo công thức 2.7)
∗ :Đường kính của giọt vật liệu sau khi thẩm thấu hoàn toàn với lớp vật liệu bột
Để điều khiển sự va chạm giữa vật liệu kết dính và vật liệu bột, có thể điều chỉnh các thông số như độ nhớt của vật liệu kết dính, vận tốc phun, trọng lượng giọt vật liệu, sức căng bề mặt của giọt, và đường kính trong của miệng phun, vì đường kính miệng phun ảnh hưởng đến kích thước giọt vật liệu.
Richard K.Holman [33] : Tiến hành thực nghiệm xem xét khả năng liên kết giữa vật liệu kết dính với các kích thước hạt bột khác nhau
Richard tiến hành thực nghiệm với:
Vật liệu kết dính polyacrylic acid có các thông số kỹ thuật quan trọng như vận tốc phun 9 m/s, sức căng mặt ngoài 0,072 N/m, và độ nhớt 0,0025 Pa.s Trọng lượng riêng của vật liệu là 1010 kg/m³, với đường kính giọt vật liệu đạt 80 μm Hệ số Re được xác định là 291, trong khi hệ số Weber là 91.
vật liệu bột Al2O 3 : có kích thước hạt từ 0,3 μm đến 2 μm
Kết quả thí nghiệm được trình bày trong Hình 3.4, trong đó trục đứng thể hiện mức độ thẩm thấu của vật liệu kết dính vào bột, còn trục ngang thể hiện kích thước hạt bột.
Kết quả thực nghiệm với hai kiểu phun là:
Kiểu phun liên tục (CJ) đường liền và đường đứt nằm phía trên
Kiểu phun gián đoạn (DoD) đường liền và đường đứt nằm phía dưới
Các yêu c ầ u đố i v ớ i h ệ th ố ng c ấ p b ộ t: Đảm bảo độ chính xác của chi tiết được chế tạo theo yêu cầu
Quá trình cấp bột phải nhanh Đảm bảo chính xác lượng bột cung cấp
Hoạt động êm, ổn định
Dễ chế tạo và lắp ráp
Thiết bị được tiêu chuẩn hóa để thuận lợi cho công tác bảo trì
An toàn cho người vận hành máy
Cụm cấp liệu có chức năng cung cấp lượng bột cần thiết cho quá trình tạo lớp chi tiết, với mức độ dư thừa từ 10% đến 15% Lượng bột cấp phù hợp được xác định dựa trên độ dày của từng lớp vật liệu và diện tích mặt cắt ngang của thùng chính.
Các phương án cấp bột
Cấp bột một bên và từ trên xuống
Cấp bột một bên và cấp từ dưới lên
Cấp bột hai bên, cấp bột từ trên xuống
Cấp bột hai bên và cấp từ trên xuống có thêm cơ cấu rải bột
Cấp bột một bên, từ trên xuống có thêm cơ cấu gạt bột
Cấp bột hai bên và cấp từ dưới lên
Sơ đồ cấp bột một bên và cấp từ trên xuống mô tả nguyên lý hoạt động của con lăn trong quá trình cán bột Ban đầu, con lăn ở vị trí cố định, sau đó bắt đầu quay và di chuyển sang bên trái để tạo thành lớp bột mỏng Khi con lăn cán đến thùng hồi bột, phần bột dư sẽ rơi vào đó, sau đó con lăn nhấc lên và quay về vị trí ban đầu Đầu phun nguyên liệu kết dính sẽ hoạt động để phun nguyên liệu và hình thành lớp chi tiết gia công Sau khi hoàn thành lớp đầu tiên, bề mặt làm việc của thùng chính hạ xuống bằng chiều dày của lớp bột, và bột từ thùng cấp liệu được nhả xuống để tiếp tục quá trình cán cho đến khi chi tiết hoàn tất.
Những ưu điểm của phương án:
Thùng làm vi ệ c (Thùng chính)
Thùng c ấ p li ệ u Đườ ng đi củ a con lăn Con lăn
Tuy nhiên phương án này cũng có những nhược điểm
Tốn nhiều thời gian do hành trình cấp bột có năng suất không cao
Điều khiển con lăn sẽ khó khăn hơn
Phương án II: Cấp bột hai bên và cấp từ trên xuống
Sơ đồ cấp bột hai bên và cấp từ trên xuống cho thấy nguyên lý hoạt động của con lăn Khi con lăn ở vị trí ban đầu, thùng cấp liệu bên phải bắt đầu cấp bột, con lăn quay và di chuyển sang bên trái đến vị trí cố định, qua thùng cấp liệu bên trái, để bột dư rơi vào thùng hồi liệu Sau đó, con lăn dừng lại và đầu phun vật liệu chất kết dính hoạt động, phun chất kết dính để hình thành lớp chi tiết gia công Khi lớp chi tiết được hình thành, bề mặt làm việc của thùng chính hạ xuống đúng bằng chiều dày của lớp đó.
Thùng cấp liệu bột bột
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP BỘT
Con lăn (vị trí 1-2) Đầu phun
Bảng 4.1: Trình tự hoạt động của một chu kỳ cấp bột 4.1 Thông số kỹ thuật thiết kế hệ thống cấp bột
Vật liệu bột Canxi sunfua
Công thức phân tử CaSO 4 2H 2 O
Kích thước hạt trung bình (μm) 1050
B ảng 4 2: Thông số kỹ thuật vật liệu bột
B ả ng 4.3 : Thông số kỹ thuật vật liệu kết dính Thông s ố k ỹ thu ậ t yêu c ầ u h ệ th ố ng c ấ p b ộ t :
M ứ c nâng m ỗ i l ần đố i v ớ i b ộ nâng bu ồ ng làm vi ệ c (mm) 0.076 0.254
Kích thướ c thùng chính (mm) 320 x320 x320
Hành trình c ủ a b ộ nâng h ạ buông làm vi ệ c là (mm) 150
Kích thướ c chi ti ế t t ối đa (mm) 200x200x150
Th ể tích lượ ng b ộ t c ấ p b ằ ng 1.5 l ầ n th ể tích làm vi ệ c c ủ a thùng chính
Th ể tích lượ ng b ộ t c ấ p cho m ỗ i l ầ n t ạ o l ớ p l ớ n hơn 10% thể tích c ủ a m ộ t l ớ p b ộ t
B ả ng 4.4 : Thông số kỹ thuật hệ thống cấp bột
4.2 Tính toán thiết kế cho cụm nâng hạ thùng chính
Cụm nâng hạ sử dụng bộ vitme đai ốc bi, trong đó trục vít me quay và giữ cố định, giúp đai ốc di chuyển tịnh tiến lên xuống Quá trình này đẩy các trục trượt dẫn hướng, mang theo bàn làm việc.
Hình 4.2 Sơ đồ động và lực tác dụng lên cụm nâng hạ bột
Mô hình tính toán c ụ m nâng h ạ :
Hình 4.3: Sơ đồ động cơ cấu nâng hạ bột
Động cơ chuyển động truyền năng lượng qua bộ truyền puly với tỷ số truyền 12/40 Trục vít me quay, tạo ra chuyển động tịnh tiến lên xuống, giúp bàn nâng hạ di chuyển tương ứng Bốn trục dẫn hướng được lắp cố định với bàn nâng hạ nhằm đảm bảo sự ổn định Tấm ron cao su được lắp giữa khe hở của bàn nâng hạ (piston) và thành thùng chính (cylinder) để ngăn chặn rò rỉ và tăng hiệu suất hoạt động.
Bộ truyền đai Đai ốc Trục vít
Trục dẫn hướng Trục dẫn hướng ổ trượt
Tr ụ c vít me Tr ụ c d ẫn hướ ng
T ấm đế thùng chính (l ắ p c ố đị nh)
Bàn nâng h ạ (piston) Ron cao su
Trục vitme được đặt ở tâm piston nâng bột, do đó không tạo ra moment uốn tác dụng lên trục Hoạt động của vitme diễn ra chậm và rời rạc, với khoảng cách nâng hoặc hạ chỉ từ 0.076mm đến 0.254mm, sau đó dừng lại một thời gian trước khi tiếp tục Vì vậy, có thể coi đây là một bài toán tĩnh.
Trọng lượng vật liệu bột: 32.0 * 32.0 * 15 * 2.31 = 35481g = 35.48 kg
Trọng lượng vật liệu kết dính: 20*20*15*1.45 = 8700g = 8.7 kg
Trọng lượng trục vitme : 3 kg
Trọng lượng trục trượt : 4*3.36 = 13.44 kg o Đường kích trục: 30 o Chiều dài trục: 520
Trọng lượng mặt piston : 6.9 kg o Vật liệu: thép DK9 o Kích thước 320 x320 x10 mm
Khối lượng tổng cộng : 67.52 kg
Tải trọng cần nâng hạ : P = 67.52* g = 662 N
Xác đ ịnh sơ bộ d ườ ng kính trong d 1 c ủ a vitm e : [34]
Vật liệu của vítme là A7075(7075Aluminum-ENAW-7075_AlZn5,5MgCu) có giới hạn chảy [σ ch ] = 228Mpa
Hệ số an toàn là s = 3 Đường kính trong d 1 được xác định theo công thức 8.19,
Thay vào công thức (3.1) ta được:
Tính toán thông số bộ truyền vitme bi Đường kính bi: d b = 3,175 mm
Bán kính rãnh lăn lớn h ơn bán kính bi 3 5% r = 1,62 ÷ 1,68 mm
Khoản g cách từ tâm rãnh lăn đến tâm bi : c = r − cosβ= 1,62− , cos 45 ° = 0,023 mm (4.5)
Với góc tiếp xúc β = 45 0 Đường kính vòng tròn qua các tâm bi :
D = d + 2(r −c) = 13 + 2(1,62−0,023) 2mm (4.6) Đường kính tron g của đai ốc :
D = D + 2(r −c) = 19,4mm Chiều sâu của pro file ren : h 1 = (0,3 0 ,35)d b = (0,3 0,35).3,1 75 = 0,95 1,11 (mm) Đường kính ngoài của vít : d = d 1 + 2h 1 = 13 + 2h 1 = 14,9 15,22 (mm)
Vậy chọn d = 15 mm Đường kính ngoài của đ ai ốc :
Số b i trên các vòng ren làm việc :
Khe hở h ướng tâm : Δ = 0,1 (mm) Khe hở tươn g đối : χ= ∆
Góc ma sát lăn thay thế : = tan ∗
Với: f t =0,005 là hệ số ma sát lăn thay thế
Hiệu suất của bộ truyền :
Chọn vítme th eo ca talogue [35]
Với các tác động trên ta chọn vit me có các thông số:
Hình 4.3 Bản vẽ trục vít me đai ốc
Theo thiết kế, chiều dài hành trình dẫn hướng của vítme cần phải lớn hơn hành trình làm việc theo trục Z Dựa trên catalogue của hãng MISUMI, chúng ta lựa chọn vítme BSX15 với chiều dài cắt ren là 450 mm và chiều dài toàn bộ là 540 mm, sử dụng đường truyền đai răng.
Hướng ren Hướng phải Đường kính (mm) 15
Bước ren (mm) 5 Đường kớnh bi (mm) ỉ3,175
Số vòng ren làm việc 2,5x1 Tải trọng động C (KN) 4.34 Tải trọng tĩnh C0 (KN) 6,25
B ả ng 4.3 Thông số bộ truyền vitme đai ốc bi BXS15
Lực ma sát với cyline (thùng bột)
Hệ thống sử dụng vòng ron cao su giữa piston và cylinder, do đó lực ma sát chủ yếu phát sinh từ lực đàn hồi của cao su Ban đầu, chúng tôi đã chọn vòng ron cao su với độ hở 2mm so với kích thước của cylinder, và khi xem xét trên một đơn vị diện tích, điều này ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Khi đó dễ dàng tính được hệ số đàn hồi của cao su trong trường hợp này qua công thức :
E : module đàn hồi Young của cao su (E = 0,1 GPa) : chiều dài ban đầu
Từ đó ta có được lực đàn hồi trên một đơn vị diện tích đang xét :
Tổng lực đàn hồi mà ron cao su tác động lên bề mặt piston được tính bằng công thức: đ = 25 0,32 4 = 32 Do đó, lực ma sát giữa piston và cyline cũng cần được xem xét.
Tính toán lực quán tính của hệ thống nâng hạ
Do quãng đường nâng hạ rất nhỏ (từ 0,076 đến 0,254), gia tốc di chuyển cũng chỉ khoảng dưới 0,2 mm/s Lực quán tính được tính toán là khoảng 0,01, cho thấy lực này quá nhỏ Vì vậy, trong các tính toán tiếp theo, tác động của lực quán tính sẽ được bỏ qua.
Lực dọc trục tổng cộng tác dụng lên vitme là :
Ki ể m tra thông s ố c ủ a vít me [35]
Tần số quay cho phép (Dm * N)
Dm = + A value = 15,8 mm (A value tương ứng với đường kính bi 3,175 là 0.8mm)
N : là số vòng quay tối đa / phút , giả sử N = 3000v/phút
Tải trọng tới hạn rút ra từ phương trình chuyển động của Euler
Với I = ∗ = 2.5 * 10 n : hệ số xác định theo các lắp đặt vitme đai ốc Ở đây là kiểu fixed – free =>n = 0,25
Lực dọc trục giới hạn tính theo
= ∗ = 2526,225 > 686 N Với = 0,5 là hệ số an toàn
Dễ dàng nhận thấy lực dọc trục nhỏ khoảng 3,6 lần so với lực dọc trục giới hạn
4.2.2 Tính toán momen và ch ọn động cơ nâng hạ cho c ụ m thùng chính
Momen c ầ n thi ết để d ẫn độ ng h ệ th ố ng là :
2 0,99 = 0,532 Trong đó : p : bước vít η : hiệu suất dẫn động
Xét tr ạ ng thái không t ả i
Với k là hệ số ma sát trong: = 0,05∗(tan ) ⁄ β: góc ren với : ≈
D : đường kích ngoài của trục ren p : bước ren của trục vitme
Momen quay ở tốc độ cố định
là hiệu suất cơ khí của vitme ( = 0,99)
: số răng của pulley gắn với vitme (z 2 = 40) Thế các giá trị tương ứng ta có:
Momen quay khi có gia tốc
Với : : gia tốc góc : momen quán tính tổng quát
: momen quán tinh của động cơ và puly gắn với động cơ
= 0,5∗0,022 + 0,14∗10 : momen quán tín của hệ quay
Vậy tổng momen tác động lên trục ngoài motor là
=> Vậy ta sẽ chọn 1 động cơ có thể thắng được momen T đ/c Chọn động cơ bước DST86EM61A 1.8° /step và có momen giữ là
= 4,312 Nm ( > 2T) (Chọn theo sản phẩm của Teco electro devices CO., LTO.)
4.2.3 Ch ọ n l ớ p chi ề u dày l ớ p v ậ t li ệ u gia công:
- 1.8 0 1/200 vòng 3/2000 vòng trục vít (chuyển động từ động cơ thông qua tỉ số truyền bộ truyền đai răng 12/40)
- 1 vòng trục vít 0,005 mm (1 bước ren)
Để thuận tiện trong việc điều khiển, nên chọn số bước điều khiển là số chẵn Điều này giúp đảm bảo rằng chiều dày lớp nằm trong khoảng từ 0,076mm đến 0,254mm Chiều dày lớp được chọn là 0,15mm.
4.2 Tính toán thiết kế cho cụm cấp bột
Thể tích thùng cấp bột lớn hơn thùng bột chính là 1,5 lần
Thể tích thùng chính V 1 = 320 x320 x150= 15360000 mm 3 = 15,36dm 3
Vậy thể tích thùng cấp bột là V =1.5V1 = 23 dm 3
Thể tích 1 thùng bột cấp là : V2 = V/2 = 11,5 dm 3
Chọn : Thùng chứa bột có dạng hình phễu, diện tích mặt cắt ngang là một tam giác cân
4.2.2 Cơ cấu định lượ ng : a b
Hình 4 4 : Kích thước thùng chứa bột có Ф19x320mm) làm bằng nhôm, có sẻ rãnh 1 mm, trên các rãnh trên trục được gắn các tấm nhựa (hình 4.5)
Hình 4.5 : Trục định lượng bột
Xác đị nh s ố rãnh trên tr ụ c (a) :
- Do ta chọn động cơ là động cơ bước để điều khiển chuyển động quay của cơ cấu định lượng, mỗi bước của động cơ sẽ quay được là 1.8 0
Vậy 1 vòng 200 bước Để thuận tiện cho việc điều khiển ta chọn rãnh trên trục là bội số của 200; ta chọn 20 rãnh
Xác định kích thước rãnh
Thể tích lớp bột chứa trong 1 rãnh của cơ cấu định lượng là: Ф 31 Ф 19
Thể tích một lớp bột cho 1 lần gia công (v1) : v 1 = 320 x 320 x 0.15 = 15360 mm 3
Số rãnh cần thiết để chứa hết thể tích của một lớp bột là:
= 25,477 Thể tích lớp bột cần thiết cho một lần cấp bột: v2
Ta cần cấp bột dư 10% ta cần phải chọn v 2 lớn v 1
Vậy ta chọn số rãnh cần cấp cho cho một lớp bột 28 rãnh
Kiểm nghiệm lại ta được :
Thể tích bột của 28 rãnh: v 2 = 28∗602.88 = 16880,64mm
K ế t lu ậ n : Để thực hiện được một lớp bột thì cơ cấu định lượng cần quay là:
Vậy ta chọn được cơ cấu định lượng:
Hình 4.5: Cơ cấu định lượng bột
Động cơ bước dẫn động trực tiếp cơ cấu định lượng cấp bột thông qua khớp nối trục, trong đó khối lượng bột tạo ra lực gây ra mômen tự quay Để đảm bảo độ chính xác của cơ cấu định lượng, cần chọn động cơ có khả năng thắng được mômen này.
Chúng tôi đã phát triển một mô hình toán học cho cơ cấu định lượng như được minh họa trong Hình 4.7, với một phần lượng bột tác động lên cơ cấu này Các thành phần lực df do trọng lượng của bột gây ra và chúng tác động lên một phần trục của cơ cấu định lượng.
Hình 4.7 : Mô hình toán lực tác dụng lên cơ cấu định lượng
Trong đó: = 2.31 g/cm 3 = 2310 kg/m 3 h= 200 mm =0,2 m l= 320 mm = 0,32 m g = 9,8 m/s 2
Lực phân bố df = 1448,832dr (N)
Ta có được mô men tính toán do khối lượng của bột sinh ra là :
Do sự khác biệt giữa mô hình thực tế và mô hình toán, trong đó thực tế không chỉ có một phần lượng bột tác dụng lên có cấu định lượng, mô men thực tế tác dụng lên có cấu định lượng được tính toán như sau:
Với T ct : mômen cần thiết
[s] : hệ số an toàn ( chọn [s] = 3)
=> Vậy ta sẽ chọn 1 động cơ có thể thắng được momen này
Chọn động cơ bước DST86EM61A 1.8° /step và có momen giữ là 4.312 Nm (Chọn theo sản phẩm của Teco electro devices CO., LTO.)
THIẾT KẾ KẾT CẤU
Yêu cầu đối với thùng chính là:
- Độ kết cấu gọn nhẹ
- Không rung động trong quá trình làm việc
- Làm việc với độ chính cao
Kích thước của thùng chính : 320x320x320 mm
Kích thước của thùng hồi bột 320x100x320
Thùng làm vi ệc đượ c b ố trí như sau:
Hình 5.1 : Sơ đồ bố trí thùng làm việc và thùng hồi bột
Thùng chính được cấu tạo từ bốn tấm thép dày từ 10mm đến 15mm, được kết nối qua mối ghép ren Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là tiêu tốn nhiều nguyên liệu và thời gian gia công.
Thùng chính được chế tạo từ các tấm Inox dày 5 mm, sử dụng phương pháp dập, mang lại hiệu quả kinh tế cao nhờ thời gian sản xuất nhanh và giảm thiểu lãng phí vật liệu.
Hình 5.2 : Thùng cấp bột dập từ một tấm
Để đảm bảo kết cấu gọn nhẹ và ổn định trong quá trình hoạt động, chúng ta lựa chọn phương pháp dập từ các tấm inox Để giảm thiểu sai số do quá trình chế tạo gây ra, một tấm ron cao su được sử dụng giữa tấm đế và thành của thùng chính.
Thùng chính được thiết kế với bốn tai hàn có độ dày 5 mm, bao gồm hai tai trên để kết nối với tấm làm việc và hai tai dưới có lỗ khoan để gắn bốn bulông vào tấm đế Thiết kế này giúp dễ dàng điều chỉnh và tháo lắp thùng chính.
Hình 5.3 : Kết cáu giao tiếp của thùng chính 5.1.1 Thùng h ồ i b ộ t
Thùng hồi bột có chức năng hứng và lưu trữ bột dư sau quá trình phân phối Khi thùng đầy, nó sẽ được tháo ra khỏi máy để thu hồi bột Vì vậy, việc thiết kế thùng hồi bột cần đảm bảo khả năng lắp ráp nhanh chóng và gọn nhẹ, đồng thời tạo sự kết nối hiệu quả với các bộ phận khác.
Thùng hồi bột được thiết kế với kết cấu chịu lực nhẹ, với lượng bột cấp khoảng 15%, nên phương án dập trực tiếp từ tấm Inox là hợp lý Kích thước thùng hồi bột bao gồm chiều rộng khoảng 100mm, chiều dài bằng 320mm (tương đương chiều dài của thùng cấp bột) và chiều cao khoảng 320mm Để thuận tiện cho việc lắp đặt và tháo rời, phương án hàn bốn tai được áp dụng, trong đó hai tai trên kết nối với tấm làm việc và hai tai dưới dùng để lắp bulông với tấm đế của thùng hồi bột.
Hình 5.4 5.1.2 C ụ m thi ế t b ị nâng h ạ thùng chính
Cụm nâng hạ thùng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống cấp bột, với khả năng hạ bàn làm việc của thùng chính xuống 0.15mm sau khi gia công xong một lớp bột Độ chính xác của cụm này ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm, vì vậy cấu trúc của nó cần có độ cứng vững và độ chính xác cao Bộ truyền động vít me đai ốc được chọn với hiệu suất lên tới 0.995, kết hợp với động cơ bước có độ phân giải mỗi bước là 1.8 độ, đảm bảo hoạt động hiệu quả Giao tiếp giữa động cơ và bộ truyền là bộ truyền đai răng với tỉ số truyền 12/40, và để dẫn hướng cho bộ truyền vít me, bốn trục dẫn hướng loại POMB với đường kính 30mm được sử dụng Trục vít me cố định với piston và đai ốc bi được gắn với trục nối đai ốc bi 5, trong khi puly 10 cũng được gắn cố định với trục này để tạo mô men xoắn Mặt bích 12 kết nối trục nối đai ốc bi với tấm đế thùng chính và lắp hai ổ bi đỡ Sơ đồ kết cấu của cụm nâng hạ thùng chính được thể hiện rõ ở Hình 5.5.
Tai dưới Thùng hồi bột
Hình 5.5 : Sơ đồ cơ cấu nâng hạ thùng chính
5 Trục nối đai ốc bi
12 Mặt bích ( giao tiếp vít me- đai ốc với bàn nâng hạ)
Cụm cán bột có chức năng cán bột thành lớp mỏng với độ dày từ 0.089mm đến 0.105mm, đảm bảo độ chính xác cao về kích thước và độ phẳng bề mặt Điều này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của sản phẩm cuối cùng.
Khi thiết kế cụm con lăn, cần đảm bảo các yêu cầu như kết cấu bền vững và linh hoạt, hoạt động ổn định, dễ chế tạo, lắp ráp và thay thế thiết bị, đồng thời tiết kiệm chi phí.
Theo phương án đã chon: Con lăn có kết cấu như sau:
Hình 5.6 Sơ đồ bố trí con lăn Động cơ
Hệ thống con lăn bột được thiết kế để quay con lăn trong quá trình cấp bột, với cả hai giá đỡ động cơ 16 và 20 được trang bị bộ căng đai nhằm đảm bảo độ chính xác trong lắp ráp Khớp nối mềm 38 giúp duy trì sự quay đồng tâm giữa hai trục 18 và 34.
Nhôm định hình HFSB8-4080 có kích thước 40 x 80 mm với quán tính lớn được lựa chọn làm khung đỡ cho con lăn 22 Hai bulong 39 và 40 thể hiện sự kết nối các chi tiết với nhôm định hình thông qua các chi tiết đặc trưng.
Để đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình cấp bột, con lăn 6 cần đạt độ song song với mặt phẳng làm việc 5 Hệ thống được trang bị bulong 45 để điều chỉnh độ vênh của con lăn trong quá trình lắp ráp Để thực hiện điều chỉnh, cần nới lỏng bulong 36 và sau đó điều chỉnh bulong 45 đến độ vênh mong muốn Bulong 37 và 40 giữ chặt các giá đỡ 30 và 33 vào thanh nhôm 22, trong khi giá đỡ 29 có thể dịch chuyển lên xuống để điều chỉnh độ vênh của con lăn 6.
Để đảm bảo bột không bám lên con lăn, cần thiết kế bề mặt con lăn có độ nhám đáng kể hoặc có các khía Điều này giúp duy trì độ bằng phẳng của lớp bột Hai lưỡi gạt 32 được thiết kế hai bên hỗ trợ cho quá trình cấp bột theo hai chiều.
Kết cấu chuyển động thẳng của con lăn được điều khiển bởi bộ truyền động bao gồm pulley và dây đai với tỷ số truyền n = 1, sử dụng động cơ 15 Hai thanh trượt và bốn con trượt 13 được gắn trên tấm kim loại 14, có nhiệm vụ dẫn hướng cho giá đỡ và con lăn.
Hình 5.8 : Kết cấu chuyển động thẳng của con lăn
Hình 5.9 : Sơ đồ kết cấu cụm cấp bột
Cụm cấp bột hoạt động như một thiết bị trộn dạng trục cánh quạt trong phễu hình nón, với các bánh xe dạng cánh 49 được điều khiển bởi động cơ bước có góc quay 1.8 độ Trục quay kết nối trực tiếp với động cơ qua khớp nối trục mềm 47 Trục bánh xe dạng cánh 48 làm từ vật liệu nhôm, trong khi các bánh xe dạng cánh 49 được chế tạo từ nhựa không dính, giúp hạn chế ăn mòn và nhiễm bẩn Các cánh nhựa không dính được gắn cố định với trục quay nhờ lực ma sát, tạo thành cơ cấu định lượng cho cụm cấp bột Kích thước chi tiết của trục bánh xe dạng cánh có thể tham khảo trong phụ lục.
Thùng cấp bột được xây dựng từ các tấm nhôm có chiều dày từ 4mm đến 5mm
KẾT LUẬN
Công nghệ tạo mẫu nhanh in ba chiều là một công cụ hiệu quả trong việc sản xuất chi tiết mẫu, kết hợp giữa cơ khí, vật liệu, tự động hóa và công nghệ thông tin Từ khi ra đời, công nghệ này đã không ngừng phát triển, cùng với sự tiến bộ của ngành khoa học vật liệu, cho phép tạo ra nhiều sản phẩm với các loại vật liệu khác nhau, sử dụng như chi tiết thật Tốc độ gia công sản phẩm cũng ngày càng được cải thiện So với các công nghệ tạo mẫu nhanh 3D khác như FDM, PolyJet, và 3D plotting, công nghệ in 3D có khả năng ứng dụng cao nhất dựa trên sự đa dạng vật liệu và tốc độ gia công.
Qua phân tích và đánh giá các phương án thiết kế, phương án thiết kế cấp bột hai bên từ trên xuống được lựa chọn là tối ưu nhất Phương án này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn tăng tốc độ gia công sản phẩm, đồng thời phù hợp với điều kiện chế tạo hiện tại ở Việt Nam.
Quá trình thiết kế kết cấu bắt đầu từ thùng chính và phát triển ra các bộ phận liên quan, với hệ thống cấp bột đơn giản và độ cứng vững cao Hầu hết các chi tiết lắp ráp đều là tiêu chuẩn, dễ dàng tìm mua trên thị trường, tạo thuận lợi cho bảo trì, thay thế và sửa chữa.
Quá trình xây dựng mô hình là bước cụ thể hóa ý tưởng thiết kế, giúp đánh giá và kiểm định lại các chỉ tiêu đã đề ra Sau khi hoàn thiện mô hình, có thể điều chỉnh những cơ cấu không phù hợp để tối ưu hóa thiết kế.
Sau khi hoàn thành thiết kế và xây dựng, mô hình CAD 3D của hệ thống cấp bột đã được hình thành Dựa trên kết quả này, chúng ta có thể tiến hành chế tạo thử nghiệm mô hình thực tế, hướng tới sản xuất máy tạo mẫu nhanh bằng công nghệ in 3D ngay tại Việt Nam.
Công nghệ in ba chiều (3D printing) là một phương pháp tạo mẫu nhanh, kết hợp giữa cơ khí, vật liệu, công nghệ tự động và công nghệ thông tin Để phát triển một hệ thống máy hoàn chỉnh, cần có sự phối hợp nghiên cứu giữa các lĩnh vực này.
Dựa trên kết quả của luận văn, việc phát triển một hệ thống đầu phun theo công nghệ in 3D sẽ là bước tiến quan trọng tiếp theo, hướng tới việc hoàn thiện hệ thống máy tạo mẫu nhanh dựa trên công nghệ này.
[1] Chua C.K.,LEONG K.F and LIM C.S, “Rapid Prototyping Technology principles and Application”, 2003
[2] R Bastiaens, J Detand & B Grimonprez “Efficient use of rapid prototyping in the design process”,2008
[3] B.Vaupotic, M.Brezocnik, J.Balic, Use Of Polyjet Technology In Manufacture
Of New Product, Joural Of Achievement In Materials And Manufacturing
[4] Steven Ashley, Rapid Prototyping is Coming of Age, 1995
[5] E.Sachs, M.Cima, J.Cornie, Three-Dimensional Printing: Rapid Tooling and
Prototypes Directly from a CAD Model,1990
[6] T T Wohlers, “ Wohlers Report 2006” Annual Worldwide Progress Report
[7] T T Wohlers, "Wohlers Report 2008, Rapid Prototyping, Tooling and
Manufacturing: State of the Industry", Annual Worldwide Progress Report
[9] Frank W Liou - Rapid prototyping and engineering applications, 2002
[10] Prof D Dimitrov, Dr K Schreve, N de Beer, Advances in Three
Dimensional Printing – State of the Art and Future Perspectives,2004
[12] David Eshed; Moshe Levi, Eliahu M.Kritchman; Hanan Gothait; Igal Zeytoun; Dror Danai “ Rapid Prototyping Apparatus” Patent US 7,500,846 B2,
[13] Stephen C Danforth; Mukesh Agarwala; Amit Bandyopadghyay; Noshir Langrana; Vikram R.Jamalabad; Ahmad Safari; Remco van Weeren; William
[14] John Samuel Batchelder; Robert R Jackson “ Method and apparatus for solid prototyping” Patent 5,764,521 Ngày 09/06/1998
[15] S.Scott Crump; James W Comb; William R Priedeman, Jr.; Robert L Zinniel “Process of support Remove for Fused Deposition Modeling” Patent
[17] MultiJet Modelling product specifications: http://www.3dsystems.com/techsupport/thermojet/index.asp?nav=products_multijet _thermojet
[18] Product information from Z Corporation: http://www.zcorp.com
[19] Product information from Extrude Hone (ProMetal): http://www.prometal- rt.com
[20] Product range from Solidscape: http://www.solid-scape.com/index.html
[21] Willams Paul “ Three Dimensional Printing: A New Process To Fabricate Prototypes Directly From CAD Models ” MIT, Master’s thesis, 1990
[22] Amir Alam, James F Bredt, Nanette Clark, Mary Flynn, Jean Sprauer, Derek X Williams “ Three-Dimensional Printing Material System With Inproved
Color, Articale Performance, And Ease Of Use” Patent US 2008/0187711 A1, 07/08/2008
[23] Christopher Jame Schufor “ Development Of A Reliable Electrostatic MultiJet Printhead For Three Demensional Printing ” MIT, Master of science,
[24] Peter Hein, Frank Mueller “ Device And Method For Manufacturing A Threee Dimensional Object By Means Of An Application Device For Building Material In Powder From” US 2009/0206522 A1, 20/08/2009
Rapid Prototyping Technologies with a Focus on 3D Printing”, Master's Thesis,
[26] Dong Soo Kim, Taik Min Lee, Won Hee Lee, Hyun Eui Lim, Byung Oh Choi, “ Three- Dimensional Printing Prototyping System”, US 2006/0099287 A1,
[27] Beth L Pruitt “ The Design Of Power Deposition Systems For A Three-
Dimensional Printing Machine” MIT, bachelor of science, 1991
[28] Tailin Fan “Droplet- Power impact interaction in three dimensional printing” MIT, doctor of philosophy in machanical engineering, 1995
[30] Sawyer Buckminster FullerA “Fast Flexible Ink-Jet Printing Method for
Patterning Networks of Neurons in Culture” MIT, Master of science in mechanical engineering, 2000
[31] Detlef Kochan , Chua Chee Kai, Du Zhaohui, “Rapid prototyping issues in the 21st century”, Computers in Industry 39, 1999
[32] Anne Stuart Kohnen, “ Drop-on-demand ink jet printing for three dimensional printer application.” MIT, Bachelor of science in mechanical engineering, 1995
[33] Richard K Holman, “Effects of The Polymeric Binder System in Slyrry-
Based Three dimensional Printing of Ceramics” MIT, doctor of philosophy,2001
[34] PGS.TS.Trịnh Chất – TS.Lê Văn Uyển, “Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí ”, nhà xuất bản giáo dục, tập một, 2006
[35] MISUMI Mechanical Standard Components for Factory Automation, 2009 Sea edition
Họ Tên chữ ký Ngày Đ.X Phong
MẶT BÍCH GẮN TRỤC DẪN HƯỚNG VỚI PISTON
Họ Tên chữ ký Ngày Đ.X Phong
MẶT BÍCH GẮN TRỤC DẪN VITME VỚI PISTON
Họ Tên chữ ký Ngày Đ.X Phong
MẶT BÍCH NỐI TRỤC VỚI BÀN NÂNG HẠ ỉ130
Họ Tên chữ ký Ngày Đ.X Phong TẤM BÊN HÔNG THÙNG CẤP BỘT
Họ Tên chữ ký Ngày Đ.X Phong TẤM ĐỠ CƠ CẤU ĐỊNH LƯỢNG BỘT
Họ Tên chữ ký Ngày Đ.X Phong
TẤN GÁ ĐỘNG CƠ CẤP BỘT
Họ Tên chữ ký Ngày Đ.X Phong
TẤN GÁ ĐỘNG CƠ THÙNG CHÍNH
Họ Tên chữ ký Ngày Đ.X Phong
TẤM ĐỠ ĐỘNG CƠ TRƯỢT CON LĂN
Họ Tên chữ ký Ngày Đ.X Phong TẤN ĐỠ PULY CON LĂN
Họ Tên chữ ký Ngày Đ.X Phong TẤM ĐỠ THÙNG CHÍNH ỉ90 4xỉ10
Họ Tên chữ ký Ngày Đ.X Phong TẤM ĐỠ THÙNG HỒI BỘT
Họ Tên chữ ký Ngày Đ.X Phong TẤN ĐỠ TRỤC NỐI CON LĂN
H ọ Tê n chữ ký N gà y Đ X P ho ng Lớ p : C H C K M 2009 K hoa : C ơ K hí Trư ờng : Đ H B K T P.H C M 1: 4 T Ấ M Đ Ỡ C Ơ T R Ụ C Q U A Y C Ơ C Ấ U Đ ỊN H L ƯỢ N G 3.2 (±0
Họ Tên chữ ký Ngày Đ.X Phong TÁM GÁ ĐỠ CON LĂN
Họ Tên chữ ký Ngày Đ.X Phong
TẤN GÁ ĐỘNG CƠ CẤP BỘT
Họ Tên chữ ký Ngày Đ.X Phong
TẤM GÁ GIỮ BÀN TRƯỢT CON LĂN
H ọ Tê n ch ữ k ý N gà y Đ X P hong Lớ p : C H C K M 20 09 K ho a : C ơ K hí Trư ờn g : Đ H B K TP H C M T Ấ M L À M V IỆ C 11 60
H ọ T ên ch ữ k ý N gà y Đ X P ho ng Lớ p : C H C K M 20 09 K ho a : C ơ K hí Trư ờn g : Đ H B K T P.H C M T R Ụ C C O N L Ă N 255 0.8(±
Họ Tên chữ ký Ngày Đ.X Phong TRỤC NỐI ĐAI ỐC BI
H ọ T ờn ch ữ k ý N gà y Đ X P ho ng Lớp : C H C K M 20 09 K ho a : C ơ K hớ Trư ờn g : Đ H B K T P.H C M TR Ụ C Q U A Y C Ủ A C Ơ C Ấ U Đ ỊN H L ƯƠ N 400 320 ỉ 12
Sơ đồnguyên lý hoạt động của đầu phun
Hệ thống đầu phun 14 bao gồm một buồng trống 30 với hai lỗ 32 và 34, giúp định hướng vật liệu dạng dây vào buồng và đầu phun 36 Vật liệu dạng dây 10 di chuyển dọc theo đường dẫn 38 và được phun ra qua miệng phun 40, nơi có đường kính trong ở trạng thái dẻo lỏng.
Chi tiết 42, làm từ vật liệu cách điện và cách nhiệt, quấn quanh đầu phun, trong khi sợi dây gia nhiệt 41 cũng được quấn quanh đầu phun để gia nhiệt cho đầu phun Nhiệt độ của sợi dây gia nhiệt này được điều khiển bởi hệ thống điều khiển nhiệt độ, nhằm cung cấp nhiệt cho phần vật liệu dạng dây 10 chạy dọc theo đường dẫn 38 của đầu phun 36 Nhiệt độ được điều chỉnh để nằm trên nhiệt nóng chảy của vật liệu, giúp dòng vật liệu phun ra gặp môi trường có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh, nhanh chóng trở về trạng thái rắn dẻo trước khi tới bàn làm việc Cảm biến nhiệt độ 43 gắn ở cuối đầu phun đo nhiệt tại miệng phun, và thông số nhiệt độ này được truyền về bộ điều khiển nhiệt độ để điều chỉnh nhiệt độ của sợi dây gia nhiệt 42.
Vật liệu dạng dây 10 được đưa vào hệ thống đầu phun 14 qua các con lăn dẫn động 44, được liên kết chuyển động thông qua dây curoa hoặc dây xích 46 Chuyển động của các con lăn dẫn động 44 được cung cấp bởi động cơ 48, thường là động cơ bước, thông qua dây coroa hoặc dây xích 50 Khoảng cách giữa các con lăn 52 và con lăn 44 được điều chỉnh bằng vít điều chỉnh 51 để tạo ra ma sát lăn giữa các rãnh của con lăn và vật liệu dạng dây 10 Việc điều khiển động cơ 48 ảnh hưởng đến tốc độ đưa vật liệu dạng dây 10 vào đầu phun, từ đó tác động đến tốc độ phun của vật liệu lên bàn làm việc.
Nói tóm lại: Động cơ 48 truyền chuyển động tới các con lăn, đưa vật dạng dây
Đầu phun 36 được gia nhiệt bởi thiết bị gia nhiệt 41, cho phép vật liệu dạng dây ở trạng thái rắn đi qua môi trường có nhiệt độ cao Quá trình này chuyển đổi vật liệu từ trạng thái rắn sang trạng thái dẻo lỏng Tốc độ của vật liệu dạng dây được điều khiển bởi động cơ 48, trong khi phần vật liệu chưa vào đầu phun vẫn hoạt động như một pit tông, đẩy vật liệu ra khỏi chi tiết.
Vật liệu dạng dây trong đầu phun được làm từ nhựa nhiệt dẻo có đường kính 1,778 mm (0,07 inch), được đẩy qua hệ thống chuyển động 302 Hệ thống này bao gồm các đai răng 304, puly 306, tấm tạo lực ép 308, động cơ 301 và bộ mã hóa encoder 312, ghi nhận chuyển động của động cơ thông qua các puly Động cơ 310 truyền động đến đai răng 304 qua puly 306, trong khi khoảng cách của các đai răng được điều chỉnh bằng cách thay đổi vị trí các puly và lực ép của tấm 308, tạo ra ma sát với vật liệu dạng dây 314.
Giai đoạn tạo áp suất phun đầu tiên của hệ thống đầu phun diễn ra trong bộ phận hình chữ nhật 316 Tại đây, vật liệu ở trạng thái lỏng được gia nhiệt trong bộ phận 318 và chảy qua vùng 320 Cảm biến áp suất 326 đo áp suất thông qua bộ phận giao tiếp 322, và thông số áp suất này được truyền về bộ điều khiển để điều chỉnh áp suất bằng cách kiểm soát chuyển động của động cơ.
Vật liệu dạng lỏng được chuyển đến chi tiết dạng cánh quạt 332, nơi nó kết nối với chi tiết ống 334 thông qua vòng đệm quay 324 Quá trình này được điều khiển bởi động cơ 336, thực hiện chuyển động quay trong chi tiết ống.
334 có đường kính trong dạng phễu, để đưa vật liệu tới đầu phun 338 (đầu phun
Chi tiết 338 được lắp ghép ren với ống 334 và có khả năng tháo rời, đánh dấu giai đoạn tạo áp suất lần hai trong hệ thống đầu phun Vật liệu lỏng dưới áp suất cao được phun ra ngoài qua miệng phun 340, hoàn thành quá trình phun của đầu phun.
