GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, việc tạo hình nhanh và ứng dụng của nó đang trở thành nền tảng quan trọng cho sự phát triển của máy in 3D Công nghệ này có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất mô hình sản phẩm, y tế, giáo dục và kiến trúc.
Công nghệ in 3D đang phát triển mạnh mẽ, giúp rút ngắn thời gian sản xuất và thiết kế sản phẩm Việc chuyển đổi ý tưởng thành hiện thực trở nên dễ dàng hơn, tạo điều kiện cho các nhà thiết kế linh hoạt và sáng tạo hơn trong việc phát triển ý tưởng mà không phải lo lắng về quá trình sản xuất và thời gian thực hiện Do đó, in 3D được xem là công cụ tối ưu cho ngành thiết kế và sản xuất.
Ý nghĩa khoa học và thực tiển đề tài
Nhằm mục đích học tập và nghiên cứu lĩnh vực in 3D nhóm đã chọn đề tài “Thiết
Kế và Chế Tạo máy in 3D cơ cấu song song” với các mục tiêu:
- Tham gia nghiên cứu và tìm hiểu công nghệ TMN in 3D
- Ứng dụng in 3D trong thực tế
- Nghiên cứu sản phẩm đáp ứng nhu cầu thương mại.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Tìm hiểu và tính toán động học của máy (robot song song)
- Thiết kế bản vẽ và chế tạo phần cứng của máy
- Phát triển máy in 3D dựa trên cơ cấu robot song song theo phương pháp in 3D FDM
- Tìm hiểu một số lỗi in của phương pháp in 3D và đưa ra giải pháp khắc phục dựa trên thực nghiệm.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Robot song song cấu trúc tịnh tiến
Phương pháp in 3D FDM (Fused Deposition Manufacturing), sử dụng dạng sợi nhựa PLA để tạo ra mẫu
Nghiên cứu và chế tạo đƣợc máy in 3D cấu trúc song song
In được các vật mẫu có kích thước lớn nhất với đường kính là 150mm và chiều cao là 220mm
Vật liệu in là sợi nhựa PLA và ABS.
Phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Cơ sở phương pháp luận
Chọn phương pháp phân tích và tổng kết kinh nghiệm là rất quan trọng, bên cạnh đó, cần áp dụng phương pháp nghiên cứu thực tiễn và nghiên cứu tài liệu để đảm bảo đưa ra kết quả chính xác.
1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
* Thƣ̣c hiê ̣n: tƣ̀ thƣ̣c tiễn nghiên cƣ́u và tìm hiểu đƣa ra nhƣ̃ng cách thƣ́c thiết kế chế tạo, sƣ̉a chƣ̃a của hê ̣ thống
- Bước 1: Tìm hiểu các phương pháp TMN trên mạng internet, sách báo
- Bước 2: Phân tích lựa chọn phương pháp TMN khả thi và tiến hành thiết kế qua việc so sánh các ưu nhược điểm của các phương pháp tạo mẫu
- Bước 3: Tìm hiểu quy trình TMN và viết thuật toán điều khiển máy in 3D
Kết cấu của ĐATN
Hình 1-1: Kết cấu thực tế máy in 3D
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Giới thiệu về công nghệ TMN
TMN, hay còn gọi là chế tạo mô hình nhanh (rapid prototyping), là một phương pháp sản xuất mô hình sản phẩm từ dữ liệu 3D bằng cách xây dựng theo từng lớp dưới sự kiểm soát của máy tính Phương pháp này cũng được biết đến với tên gọi sản xuất theo lớp (layered manufacturing), giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế và phát triển sản phẩm.
Manuafacturing), công nghệ bồi đắp vật liệu (Additive Manuafacturing) hoặc in 3D (3D Printing) [1]
Công nghệ TMN (in English: 3D Printing Technology) là một phương pháp tiên tiến cho phép tạo ra vật thể ba chiều chỉ qua một nguyên công và trong thời gian ngắn Công nghệ này sử dụng các phần mềm CAD để thiết kế mô hình vật thể, từ đó cung cấp dữ liệu cho máy TMN Vật liệu sử dụng để tạo ra mô hình phụ thuộc vào phương pháp của máy TMN, cho phép linh hoạt trong việc sản xuất các sản phẩm đa dạng.
In 3D là một phương pháp trong công nghệ sản xuất, cho phép tạo ra vật thể 3D bằng cách xếp chồng từng lớp vật chất mỏng lên nhau Mỗi lớp được đặt nằm ngang, góp phần hoàn thiện hình dạng của vật thể.
Vật liệu được bồi đắp và liên kết với nhau để hình thành mẫu, không giống như các phương pháp gia công truyền thống cắt gọt Quy trình này tạo ra mẫu theo từng lớp, với lớp sau được hình thành dựa trên lớp trước.
Cho phép tạo mẫu các vật thể có hình dạng phức tạp mà không thể gia công bằng các phương pháp gia công cắt gọt thông thường
Giảm đáng kể thời gian gia công
Tạo hình trực tiếp từ dữ liệu CAD
Cho phép tạo mẫu các vật thể có hình dạng phức tạp.
Sự ra đời và phát triển của phương pháp TMN
Quá trình tạo mẫu được chia thành ba giai đoạn, trong đó hai giai đoạn gần đây chỉ mới xuất hiện trong khoảng 20 năm qua Tương tự như việc tạo mẫu trên máy vi tính, nghiên cứu và phát triển tính chất vật lý của mẫu chỉ được thực hiện trong giai đoạn thứ ba.
2.2.1 Thời kỳ đầu: tạo mẫu bằng tay
Thời kỳ đầu tiên của sự ra đời diễn ra cách đây vài thế kỷ, khi các mẫu điển hình có độ phức tạp thấp Thời gian chế tạo một mẫu trung bình trong giai đoạn này khoảng 4 tuần.
Trang 16 pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề và thực hiện công việc một cách cực kỳ nặng nhọc Cho đến ngày nay phương pháp tạo mẫu thủ công này vẫn còn sử dụng khá phổ biến, trong các trường ĐH về mỹ thuật có ngành Tạo Dáng, thì vẫn sử dụng phương pháp này
2.2.2 Thời kỳ thứ hai: phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo
Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu bắt đầu vào giữa thập niên 70, đánh dấu sự xuất hiện của phần mềm tạo mẫu ảo và việc ứng dụng CAD/CAE/CAM trở nên phổ biến Phần mềm này cho phép phác họa ý tưởng trên máy tính, tạo ra các mô hình vật lý để kiểm tra và phân tích Các mẫu này sẽ được đo ứng suất và hiệu chỉnh nếu cần thiết, giúp dự đoán chính xác các thuộc tính của vật liệu, như phân tích ứng suất và sức căng bề mặt chất lỏng.
Trong thời kỳ này, các mẫu trở nên phức tạp hơn gấp đôi so với giai đoạn đầu, dẫn đến thời gian tạo mẫu tăng lên khoảng 16 tuần Mặc dù các tính chất vật lý của mẫu vẫn phụ thuộc vào các phương pháp tạo mẫu cơ bản, việc sử dụng máy gia công chính xác đã cải thiện đáng kể các tính chất này.
Trong thời kỳ thứ ba của công nghệ sản xuất tiên tiến (TMN), sự phát triển mạnh mẽ của quá trình tạo mẫu ảo đã đóng vai trò quan trọng Tuy nhiên, vẫn tồn tại những tranh cãi về giới hạn của công nghệ TMN, đặc biệt là liên quan đến sự hạn chế về vật liệu, do chi phí cao hoặc sự khác biệt trong cách sử dụng các loại vật liệu để tạo ra các chi tiết.
2.2.3 Thời kỳ thứ ba: quá trình TMN
Trong quá trình sản xuất, tính chất vật lý từng phần của sản phẩm được chú trọng, đặc biệt là trong công nghệ tạo mẫu rỗng, phù hợp với sản xuất trên bàn nâng hoặc công nghệ sản xuất lớp Sự phát minh các thiết bị TMN đã đáp ứng yêu cầu giảm thời gian sản xuất, tăng độ phức tạp mẫu và giảm chi phí, trong bối cảnh người tiêu dùng ngày càng đòi hỏi cao về chất lượng và mẫu mã sản phẩm Độ phức tạp của chi tiết đã tăng gấp ba lần so với những năm 70, nhưng nhờ công nghệ TMN, thời gian tạo thành một chi tiết giảm xuống chỉ còn 3 tuần, so với 16 tuần ở giai đoạn trước Tính đến năm 1988, hơn 20 công nghệ TMN đã được nghiên cứu, cho thấy nhu cầu tạo mẫu sản phẩm ban đầu là thiết yếu trong quy trình sản xuất, nhằm kiểm tra tính khả thi trước khi tiến hành sản xuất hàng loạt.
Mẫu sản phẩm càng chính xác và nhanh chóng sẽ giúp giảm thiểu lỗi trong quá trình sản xuất, từ đó tiết kiệm chi phí hiệu quả Công nghệ TMN mang lại độ chính xác cao và thời gian thực hiện nhanh chóng, góp phần tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Ứng dụng của TMN
2.3.1 Phát triển sản phẩm mới Đây là ứng dụng quan trọng nhất của TMN, trong quá trình phát triển sản phẩm mới, nó cho ta thấy đƣợc hiện tƣợng vật lí của các mẫu thiết kế mà ta không thể quan sát trên mô hình máy tính, bao gồm các khía cạnh thiết kế, giúp cho các nhà thiết kế đánh giá được sản phẩm một cách tốt nhất trước khi đưa vào thiết kế hàng loạt
2.3.2 Kiểm tra chức năng làm việc của sản phẩm
Mô hình 3D khó đảm bảo rằng sản phẩm sản xuất đáp ứng yêu cầu thao tác và lắp ghép, đặc biệt với các chi tiết như bánh răng, hộp số, cam, trục lệch tâm và khớp nối Công nghệ TMN sẽ hỗ trợ kỹ sư và nhà thiết kế giải quyết những vấn đề này Hiện nay, công nghệ TMN có khả năng "in 3D" các chi tiết lắp ghép với nhiều màu sắc khác nhau.
Hình 2-1: Một hộp số động cơ xe được in bằng máy in 3D
Hình 2-2: Một động cơ máy bay được in 3D để kiểm tra lỗi
2.3.3 Tạo khuôn nhanh ( Rapid Tooling)
TMN đƣợc ứng dụng rất mạnh mẽ trong việc chế tạo các chi tiết làm khuôn đúc silicon, composite, tạo hình chân không…
Quá trình sản xuất khuôn truyền thống phức tạp và tốn kém, kéo dài thời gian từ thiết kế đến sản xuất Việc ứng dụng công nghệ TMN trong lĩnh vực này sẽ thúc đẩy sự phát triển của công nghệ tạo khuôn, mang lại hiệu quả kinh tế cao cho ngành công nghiệp.
Hình 2-3: Tạo khuôn bằng công nghệ in 3D
Trong y học, công nghệ TMN đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất các mô hình y học, chế tạo bộ phận cấy ghép thay thế xương và phát triển các công cụ hỗ trợ phẫu thuật.
Xương nhân tạo đóng vai trò quan trọng trong việc phục hồi các phần xương bị vỡ do tai nạn mà không thể hồi phục tự nhiên Để tái tạo chính xác phần xương cần thiết cho cấy ghép, kỹ thuật ngược được áp dụng Ngoài ra, công nghệ TMN cũng được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực nha khoa, góp phần nâng cao hiệu quả điều trị.
Hình 2-4: Các khớp xương được tạo từ máy in 3D để thay thế cho các bệnh nhân thoái hóa khớp
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Một số phương pháp tạo mẫu nhanh
3.1.1 Phương pháp SLA (Stereo lithographyapparatus)
Kỹ thuật sử dụng tia laser để đông cứng nguyên liệu lỏng tạo ra các lớp nối tiếp với độ dày tối thiểu chỉ 0.06mm, mang lại độ chính xác cao Quá trình bắt đầu bằng cách đặt một bệ đỡ trong thùng chứa nguyên liệu lỏng, sau đó chùm tia laser di chuyển theo thiết kế để làm cứng lớp nguyên liệu trên cùng Sau khi lớp này đông cứng, bệ đỡ sẽ hạ xuống để tạo ra lớp mới, và tiếp tục lặp lại quy trình cho đến khi sản phẩm hoàn thiện.
Hình 3-1: Nguyên lí phương pháp tạo mẫu SLA
- Hệ thống cứng vững và hoàn toàn tự động
- Độ chính xác kích thước cao Dung sai kích thước điển hình khoảng 0.0125mm
- Độ bóng bề mặt tốt
- Độ phân giải cao phù hợp với các chi tiết phức tạp
- Với sự hỗ trợ của phần mềm QuickCastTM cho phép tạo mẫu cho quá trình đúc khuôn kim loại nhanh chóng và chính xác
- Sản phẩm bị cong vênh
- Vật liệu sử dụng bị hạn chế
- Phải qua giai đoạn hậu xử lý
- Chi phí vận hành và bảo trì cao
3.1.2 Phương pháp SGC (Solid Ground Curing)
Phương pháp làm khô cứng từng lớp này khác với SLA, vì không sử dụng nguồn laser điểm mà thay vào đó là chùm ánh sáng cực tím chiếu lên toàn bộ bề mặt đã được che chắn qua một mặt nạ (mask) Khi ánh sáng chiếu vào, phần vật liệu hở sáng sẽ đông cứng thành một lớp, trong khi mặt nạ là một tấm phim âm bản của tiết diện được cắt.
Hình 3-2: Nguyên lí phương pháp tạo mẫu SGC
Hệ thống xử lý song song cho phép quá trình tạo mẫu và xử lý tinh diễn ra đồng thời, giúp tiết kiệm thời gian từ 25-50% Điều này không chỉ giảm ứng suất bên trong mà còn hạn chế độ cong vênh của sản phẩm.
- Đặc tính sản phẩm đồng nhất
- Có thể chế tạo cùng lúc nhiều sản phẩm
- Giá thành hơi cao, thiết bị làm việc hơi ồn
- Vật liệu sử dụng bị hạn chế
- Phải qua giai đoạn hậu xử lý
- Chi phí vận hành và bảo trì cao
- Phải lấy sáp ra khỏi sản phẩm khi chế tạo xong
3.1.3 Phương pháp LOM (Laminated Object Manufacturing)
Sử dụng vật liệu dạng tấm có phủ keo dính, chủ yếu là giấy, nhưng cũng có thể là tấm nhựa hoặc kim loại Nguồn Laser cắt từng lớp mặt cắt bằng cách theo đường biên của vật thể Các lớp mặt cắt được dán chồng lên nhau nhờ hệ thống con lăn gia nhiệt.
Hình 3-3: Nguyên lí phương pháp tạo mẫu LOM
- Vật liệu đa dạng, rẻ tiền Về nguyên tắc có thể sử dụng các loại vật liệu: giấy, chất dẻo, kim loại, composites và gốm
Hệ thống cắt vật liệu đạt độ chính xác cao hơn 0.25 mm, bảo vệ tốt các đặc tính ban đầu của vật liệu nhờ vào việc cắt thay vì hóa rắn.
- Không cần thiết kết cấu hỗ trợ
Công nghệ cắt laser cho phép tốc độ cắt cao hơn so với các phương pháp tạo lớp khác, vì tia laser chỉ quét theo chu vi bên ngoài thay vì cắt toàn bộ diện tích Nhờ đó, cả vật liệu dày và mỏng đều có tốc độ cắt tương đương.
- Không có sự thay đổi pha trong quá trình chế tạo chi tiết nên tránh đƣợc độ co rút của vật liệu
- Không độc hại và ô nhiễm môi trường
- Không thu hồi được vật liệu dư Sự cong vênh của chi tiết thường là vấn đề chính của phương pháp LOM
- Lấy sản phẩm ra khỏi kết cấu hỗ trợ khó khăn
- Độ bóng bề mặt không cao
3.1.4 Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering)
Phương pháp thiêu kết bằng tia Laser là quy trình tạo lớp vật liệu bằng cách quét Laser lên bề mặt lớp bột đã được trải đều Khi Laser chiếu vào, các hạt vật liệu sẽ kết dính với nhau, hình thành một lớp vững chắc Mỗi lần thiết bị di chuyển lên trên sẽ tạo ra một lớp mới, tiếp tục quá trình thiêu kết.
Phương pháp in 3D hoạt động dựa trên nguyên tắc phun mực, trong đó một loại mực keo đặc biệt được phun lên lớp bột nhựa đã được trải phẳng và hóa cứng Quá trình này diễn ra từng lớp một, dần dần hình thành nên vật thể hoàn chỉnh.
Hình 3-4: Nguyên lí phương pháp tạo mẫu SLS
- Số lƣợng vật liệu đƣa vào quá trình cao (Hight Through-put) giúp cho quá trình TMN chóng
- Vật liệu đa dạng, không đắt tiền
- Không cần cơ cấu hỗ trợ (Support)
- Giảm sự bóp méo do ứng suất
- Giảm các giai đoạn của quá trình hậu xử lý nhƣ chỉ cần phun cắt
- Không cần xử lý tinh (Post-curing)
- Chế tạo cùng lúc nhiều chi tiết
- Độ bóng bề mặt thô
- Chi tiết ở trạng thái rỗ
- 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
3.1.5 Phương pháp in 3D FDM (Fused Deposition Manufacturing)
Sử dụng vật liệu dạng dây dễ chảy như nhựa in 3D ABS hoặc PLA, quá trình in 3D diễn ra khi sợi dây được đưa qua đầu gia nhiệt, làm cho nhựa dẻo hóa và được trải lên bề mặt theo đúng biên dạng mặt cắt của mẫu Mỗi lớp được in với độ dày tương ứng với chiều dày lớp cắt, và nhựa dẻo sẽ liên kết chặt chẽ theo từng lớp cho đến khi hoàn thành mẫu in.
Hình 3-5: Nguyên lí phương pháp tạo mẫu FDM
- Vật liệu đa dạng, rẻ tiền Về nguyên tắc có thể sử dụng các loại vật liệu: chất dẻo, kim loại, composites và gốm
Độ chính xác của hệ thống đạt tốt hơn 0.25 mm nhờ vào việc đắp từng lớp vật liệu chồng lên nhau và sau đó hóa rắn Phương pháp này giúp bảo vệ các đặc tính ban đầu của vật liệu một cách hiệu quả.
- Tiết kiệm được khá nhiều vật liệu so với các phương pháp gia công truyền thống, do đây là phương pháp gia công không phoi
- Không cần thiết kết cấu hỗ trợ
Tia laser cắt lớp với tốc độ cao, nhanh hơn so với các phương pháp tạo lớp khác, vì nó chỉ quét theo chu vi bên ngoài mà không cắt toàn bộ diện tích Điều này giúp cho cả vật liệu dày và mỏng đều có tốc độ cắt tương đương.
- Không có sự thay đổi pha trong quá trình chế tạo chi tiết nên tránh đƣợc độ co rút của vật liệu
- Không độc hại và ô nhiễm môi trường
- Sự cong vênh của chi tiết thường là vấn đề chính của phương pháp LOM
- Độ bóng bề mặt không cao
- Có đường gân giữa các lớp
- Có thể cần cơ cấu đỡ (support)
Nhiệt độ không ổn định trong quá trình sản xuất có thể gây ra sự liên kết kém giữa các lớp, dẫn đến độ bền theo phương z giảm và tốc độ gia công bị hạn chế.
Bài viết giới thiệu một số phương pháp điển hình trong công nghệ in 3D sử dụng các dạng vật liệu khác nhau như lỏng, bột, tấm, và dây, với các đặc tính riêng biệt Tất cả các phương pháp này đều tiến hành xử lý qua từng lớp một, và các công đoạn cắt lớp, tạo lớp, cũng như đo lớp đều ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của quá trình tạo hình Do đó, thiết bị cần có độ chính xác cao, dẫn đến chi phí đầu tư lớn Bên cạnh đó, cần có phần mềm mạnh mẽ để xử lý thông tin cập nhật về độ dày của lớp vật liệu trong quá trình tạo hình, cũng như kiểm tra định kỳ độ cao của sản phẩm sau khi hoàn thành.
Phân loại Phương pháp gia công nhanh dựa trên vật liệu in
Trên thị trường hiện nay, sự đa dạng trong sản xuất đã dẫn đến sự hình thành nhiều loại hệ thống TMN Để phân loại các hệ thống này một cách tổng quát, chúng ta có thể dựa vào cơ sở vật liệu sản xuất Theo cách phân loại này, tất cả các hệ thống TMN có thể được chia thành ba loại chính.
Các hệ thống TMN dựa trên cơ sở nền tảng chất lỏng bắt đầu với vật liệu ở trạng thái lỏng Quá trình tạo mẫu là một quá trình lưu hóa, vật liệu chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn
Ngoại trừ các vật liệu dạng bột, các hệ thống TMN với vật liệu cơ bản dạng khối có liên quan đến tất cả các hình thức vật liệu dạng khối bao gốm các dạng: dây, cuộn, dát mỏng và dạng viên
Trong khả năng đƣợc giới hạn, dạng trạng thái bột vẫn còn đƣợc xem nhƣ dạng trạng thái khối Tuy nhiên, nó đƣợc tạo ra trên ý định là một loại thiết bị không phụ thuộc vào hệ thống thiết bị TMN vật liệu trạng thái khối cơ sở.
Phân tích phương pháp in 3D FDM
3.3.1 Lý do để lựa chọn FDM
Các máy FDM có những ƣu điểm bao gồm sử dụng vật liệu đa dạng, dễ dàng thay đổi vật liệu, cấu tạo đơn giản, giá thành thấp so với các máy sử dụng phương pháp Stereolithography và Lazer Sinterin, dễ sửa chữa, có khả năng sản xuất những chi tiết mỏng và kích thước lớn, không dùng nguồn laser, sử dụng được nhiều vật liệu và không có vật liệu độc hại Để tạo ra các mẫu nhanh nhƣng lại không tốn nhiều kinh phí cho việc thực hiện tạo mẫu, thì phương pháp TMN FDM có thể cung cấp một sự lựa chọn tốt nhất So sánh với phương pháp Stereolithography và Lazer Sintering thì phương pháp FDM rõ ràng là khả thi để chế tạo một máy TMN giá rẻ nhƣng vẫn đủ yêu cầu đáp ứng TMN
FDM (Fused Deposition Modeling) là một công nghệ in 3D sử dụng nhựa nóng chảy để tạo ra các chi tiết đặc Quá trình bắt đầu bằng việc kéo dài sợi nhựa từ cuộn tới đầu in, nơi nó được nung chảy và đẩy ra qua vòi phun Nhựa nóng chảy sau đó được xếp lớp và hóa rắn, hình thành cấu trúc chi tiết một cách chính xác Công nghệ này cho phép tạo ra các sản phẩm với độ bền cao và tính linh hoạt trong thiết kế.
Khi vật liệu nóng chảy được đẩy ra, nó được trải đều bằng vòi phun giống như cách thợ hàn hay họa sĩ sử dụng mũi ống Độ rộng của đường trải có thể thay đổi từ 0.193 đến 0.965mm, phụ thuộc vào kích thước của miệng phun Miệng phun không thể thay đổi trong quá trình tạo mẫu, do đó việc phân tích mô hình cần được lựa chọn trước.
Khi kim loại nóng chảy được chuyển sang khuôn, nó nguội nhanh chóng trong khoảng 1/10 giây và đông cứng lại Sau khi một lớp hoàn thành, mặt phẳng giá đỡ sẽ di chuyển xuống để tạo ra một lớp mỏng mới, thường từ 0.178 đến 0.356mm, và quá trình này sẽ được lặp lại Tương tự như phương pháp Stereolithography và Lazer Sintering, hệ thống FDM sử dụng file STL theo chuẩn đầu vào của các phương pháp in 3D File STL chứa một lưới tam giác kín được tạo ra từ mô hình CAD, và phần mềm trong hệ thống FDM sẽ cắt file STL thành chuỗi các mặt cắt ngang, sau đó được tái hiện bởi đầu phun vật liệu.
Trang 27 Để tạo ra chi tiết chính xác, nó điều khiển nhiệt độ tới hạn của buồng và quá trình hình thành chi tiết Nhiệt độ của buồng phải đƣợc giữ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của vật liệu vì thế chỉ cần một lƣợng nhiệt nhỏ cũng đủ nung chảy sợi tóc đẩy ra và hình thành chi tiết không bị lún xuống hoặc biến dạng Chi tiết phải đƣợc giữ đủ lạnh để vật liệu nóng chảy hoá cứng và liên kết lại với nhau
Trong quá trình xây dựng các chi tiết FDM, phần nhô ra hoặc phần cách ly cần sự trợ giúp trung gian Máy FDM sử dụng một miệng phun thứ hai để phun vật liệu phụ trợ cần thiết Stratasys cung cấp hai loại vật liệu phụ trợ: loại sáp cho máy giá thấp và loại tan trong nước cho máy giá cao hơn Vật liệu sáp có thể bị phá hỏng từ chi tiết nhưng khó gỡ bỏ từ các rãnh bên trong hoặc chi tiết nhỏ Ngược lại, vật liệu tan trong nước có thể được hòa tan trong bể khuấy Các phụ trợ khác đều được loại bỏ, giúp chi tiết FDM không cần khâu hậu xử lý.
3.3.4 Độ chính xác và chất lƣợng bề mặt
Hệ thống FDM của Stratasys đạt độ chính xác trong khoảng +/- 0,005 inch ( +/- 0,127 mm) Mặc dù độ nhám bề mặt của chi tiết FDM không bằng chi tiết sản xuất từ phương pháp Stereolithography, nhưng lại cao hơn so với các chi tiết được chế tạo bằng Lazer Sintering Tuy nhiên, các chi tiết sử dụng phương pháp chiếu lại có kết cấu mịn hơn Chi tiết FDM thường xuất hiện gân do sự lặp lại của các lớp ngang và đường dịch chuyển.
Trong những năm qua, Stratasys đã phát triển nhiều loại vật liệu bột nhựa cho hệ thống FDM, nổi bật là ABS, giúp sản xuất chi tiết có chất lượng cao Ngoài ra, công ty còn cung cấp các vật liệu khác như sáp cho khuôn, polycarbonate cho các chi tiết bền và polyphenyl sulfones cho ứng dụng chịu nhiệt Các chi tiết FDM được tạo ra từ vật liệu đã qua quá trình nóng chảy và đông đặc, cho thấy đặc tính vật lý vượt trội so với các chi tiết làm từ vật liệu tương tự bằng phương pháp khác.
Hệ thống FDM tạo ra chi tiết bằng cách kéo dài và thu hẹp các hạt vật liệu, do đó, các chi tiết rộng, khối hoặc có thành dày thường mất nhiều thời gian để hoàn thành Ngược lại, những chi tiết nhỏ hoặc có thành mỏng có thể được sản xuất nhanh chóng Thời gian chế tạo phụ thuộc vào tốc độ đông đặc của hệ thống FDM.
Trang 28 kích thước của vòi phun), chiều cao của chi tiết ( số lượng lớp ) kích thước chiều ngang của chi tiết ( thời gian cần thiết để đông đặc mỗi lớp), số lƣợng và độ phức tạp của phụ gia đòi hỏi ( phụ gia cho mỗi lớp tạo thành một bước riêng biệt)
Các chi tiết FDM cứng và bền hơn so với chi tiết sản xuất bằng stereolithography, mặc dù chất lượng bề mặt kém hơn và không sắc cạnh Vật liệu như ASB, polycacbonate và polyphenyl sulfone có khả năng chịu nhiệt, cơ học và ẩm, cho phép chi tiết FDM được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau Một ưu điểm nổi bật của FDM là không bị rỗ và không cần thấm tôi lần hai Khác với stereolithography và Lazer sintering, máy FDM có thể hoạt động trong môi trường văn phòng mà không cần nhiều xử lý đặc biệt Hơn nữa, nhiều hệ thống FDM có giá thành rẻ hơn so với các công nghệ khác, làm cho FDM trở thành lựa chọn tốt cho các công ty muốn sản xuất mẫu bền và chính xác.
Kích thước chi tiết là yếu tố quan trọng trong quá trình sản xuất Chi tiết có thể được tạo ra từ một phôi đơn giản nhờ vào máy móc hiện đại Đối với các chi tiết lớn, việc sử dụng nhiều phôi và gắn kết chúng lại với nhau là cần thiết, tuy nhiên, phương pháp này tốn nhiều thời gian và có thể làm giảm độ chính xác của sản phẩm.
Để loại bỏ phụ trợ trong quá trình sản xuất, cần sử dụng phụ trợ hòa tan trong nước, vì có nhiều khu vực trên chi tiết mà phụ trợ không thể xâm nhập Kích thước của các bộ phận cũng rất quan trọng, đặc biệt là độ dày trong quá trình hình thành Hệ thống FDM có khả năng tạo ra các bộ phận với kích thước rất nhỏ.
Chiều dày lớp ảnh hưởng đến thời gian xử lý cuối; các lớp mỏng có thể tiết kiệm thời gian nhưng lại tốn nhiều chi phí cho máy Tăng kích thước hạt và chiều dày lớp có thể cải thiện tốc độ, nhưng chỉ nên áp dụng cho một phần chi tiết cụ thể.
Cấu trúc Robot song song ứng dụng trong đề tài
3.9.1 Giới thiệu chung về robot song song
Sự phát triển đa dạng và phong phú của các cơ cấu Robot xuất phát từ nhu cầu linh hoạt trong sản xuất Trong những thập niên gần đây, Robot cấu trúc song song đã được nghiên cứu bởi Gough và Whitehall vào năm 1962, và sự ứng dụng của nó đã được khởi động bởi Stewart vào năm 1965, người đã phát triển một buồng tập lái máy bay dựa trên cơ cấu này Hiện nay, cơ cấu song song được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Robot song song điển hình bao gồm một bàn máy động được kết nối với giá cố định, với nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân, thường tương đương với số bậc tự do Các robot này được điều khiển bởi nguồn phát động gắn trên giá cố định hoặc ngay trên chân, do đó chúng thường được gọi là robot có bệ Với cơ cấu tác động điều khiển tải ngoài, robot song song có khả năng chịu tải lớn, mang lại hiệu suất cao trong nhiều ứng dụng.
Robot song song ngày càng thu hút sự chú ý của các nhà khoa học nhờ vào những tính năng ưu việt của chúng Sự phát triển này không chỉ thúc đẩy nghiên cứu mà còn mở rộng ứng dụng của robot song song trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
+ Ngành Vật lý: Giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị đo chính xác
+ Ngành Cơ khí: Máy gia công cơ khí chính xác, máy công cụ
+ Ngành Bưu chính viễn thông: Giá đỡ Ăngten, vệ tinh địa tĩnh
+ Ngành chế tạo ôtô: Hệ thống thử tải lốp ôtô, buồng tập lái ôtô
Ngành quân sự hiện nay ứng dụng robot song song làm bệ đỡ ổn định cho nhiều thiết bị quan trọng Chúng được lắp đặt trên tàu thủy, công trình thủy, xe cộ, máy bay, chiến xa và tàu ngầm để duy trì sự cân bằng cho ăng ten, camera theo dõi mục tiêu, radar, thiết bị đo laser, cũng như bệ ổn định cho pháo và tên lửa Ngoài ra, robot song song còn hỗ trợ trong việc tạo ra buồng tập lái cho máy bay, xe tăng và tàu chiến, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động quân sự.
Robot song song là một loại Robot có cấu trúc vòng kín, tương tự như các Robot thông thường, trong đó các khâu dạng thanh được liên kết với nhau thông qua các khớp động.
Sơ đồ động cơ của tay máy thông thường là chuỗi nối tiếp các khâu động, bắt đầu từ khâu ra thực hiện thao tác công nghệ đến giá cố định Ngược lại, trong Robot song song, khâu cuối được kết nối với giá cố định thông qua các mạch động học, cho phép chúng hoạt động song song Sự khác biệt trong sơ đồ động này dẫn đến nhiều đặc điểm khác nhau về động học và động lực học của hai loại robot.
Việc lựa chọn robot song song cho máy in 3D mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với robot 3 trục nối thông thường Robot song song có tốc độ di chuyển nhanh hơn, không bị giới hạn bởi tốc độ thấp của trục Z, nhờ vào hệ thống chuyển động tuyến tính cao và khả năng di động của ổ bi trượt Điều này cho phép xử lý khối lượng lớn với nhiều đầu in một cách nhanh chóng Hơn nữa, với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục của các cụm cơ cấu chân riêng lẻ, giúp giảm thiểu sai số tích lũy so với robot nối tiếp.
3.9.3 Một số ƣu nhƣợc điểm của Robot song song
+ Khả năng chịu tải cao: các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối lƣợng của các thành phần cũng nhỏ hơn
+ Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng
+ Tất cả các lực tác động đồng thời đƣợc chia sẻ cho tất cả các chân
Cấu trúc động học đặc biệt của các khớp liên kết cho phép chuyển đổi tất cả các lực tác dụng thành các lực kéo và nén của các chân.
+ Có thể thực hiện đƣợc các thao tác phức tạp và họat động với độ chính xác cao + Có thể thiết kế ở các kích thước khác nhau
Đơn giản hóa cấu trúc máy móc và giảm thiểu số lượng các thành phần bằng cách sử dụng các chân và khớp nối được thiết kế sẵn, chuyển đổi chúng thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn.
+ Cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có khối lƣợng và kích thước nhỏ gọn
+ Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền
Robot cơ cấu song song có tầm hoạt động rộng, từ lắp ráp các chi tiết nhỏ đến thực hiện các chuyển động phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao trong các chức năng như phay, khoan, tiện, hàn và lắp ráp.
Robot cơ cấu song song có khả năng làm việc mà không cần bệ đỡ, cho phép chúng di chuyển linh hoạt trong mọi không gian sản xuất Chúng có thể hoạt động hiệu quả ngay cả trên thuyền hoặc ở những vị trí khó tiếp cận như treo trên trần và tường.
+ Giá thành của các Robot song song ứng dụng trong gia công cơ khí ít hơn so với máy CNC có tính năng tương đương
Tuy nhiên các Robot song song cũng có những nhƣợc điểm nhất định khi so sánh với các Robot chuỗi nhƣ:
+ Khoảng không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế
+ Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp
+ Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian làm việc
PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ
Phân tích một số yếu tố cần thiết của một máy in 3D
Đầu in di chuyển linh hoạt trong không gian 3 chiều
Bàn in cần được đặt vuông góc với đầu in, với sai số tối đa trong khoảng 0.2-0.3mm Điều này giúp đảm bảo rằng nhựa in không bị chảy dẻo trước khi đến đầu in, từ đó ngăn chặn tình trạng nghẹt nhựa khi đùn xuống đầu in.
Cơ cấu cánh tay máy cần đảm bảo độ cứng vững để tránh rung động trong quá trình in, nhằm giảm thiểu sai số vị trí in Động cơ bước cần được làm mát vì phải hoạt động liên tục và đảo chiều Đồng thời, cần đảm bảo đầu in hoạt động trong phạm vi cho phép để không làm hỏng cấu trúc của tay máy, theo đúng mã điều khiển.
Đưa ra phương án thiết kế từ những yêu cầu đưa ra
Để đầu in di chuyển trong không gian 3 chiều, cần sử dụng cơ cấu có ít nhất 3 bậc tự do Để giảm thiểu độ phức tạp trong lập trình, nên hạn chế số lượng bậc tự do cho máy, nhưng vẫn phải đảm bảo đáp ứng yêu cầu công việc Do đó, lựa chọn 3 bậc tự do cho mỗi cánh tay máy là hợp lý.
Hệ thống sử dụng 3 tay máy cấu trúc song song với 12 cặp khớp cầu để điều khiển đầu in, mỗi cánh tay có 4 khớp cầu liên kết với đầu in và ổ bi trượt thẳng đứng, tạo thành cơ cấu song song hình bình hành Cấu trúc này không chỉ đảm bảo độ cứng vững cho hệ thống mà còn tạo ra hai bậc tự do: một bậc tự do thừa từ mỗi khớp cầu cho phép quả cầu quay quanh trục, và bậc tự do còn lại cho phép di chuyển tịnh tiến lên xuống của ổ bi trượt.
Hình 4-1: Cấu hình Robot song song cấu trúc tịnh tiến
Để giảm sai số đầu in, việc gia công chính xác CNC cho phần đầu gia nhiệt gắn với đầu in là rất quan trọng, nhằm tạo ra độ vuông góc tối ưu giữa đầu in và bàn in, từ đó giảm thiểu sai số đến mức tối thiểu.
Trong quá trình thiết kế, việc lựa chọn đầu in là yếu tố quyết định chất lượng sản phẩm in ấn, với tiêu chuẩn đầu in 0.75 mm Khi đầu in được gia nhiệt, nhiệt độ sẽ làm cho nhựa in hóa dẻo, dẫn đến việc nhựa không thể đùn xuống dưới dạng sợi Để khắc phục tình trạng này, cần thiết phải có bộ phận làm mát phía trên đầu in, giúp tản nhiệt và giữ cho nhựa in ở trạng thái rắn trước khi đi xuống đầu in.
Hình 4-2: Phần nhôm dạng lá giúp phần trên đầu in tản nhiệt tốt hơn
Buồng làm mát được thiết kế với nhôm tản nhiệt chất lượng cao, gia công thành lá mỏng, giúp tăng diện tích tiếp xúc với không khí Điều này góp phần làm giảm nhiệt độ phần đầu in nhanh chóng và hiệu quả.
Trong quá trình tạo mẫu, đầu in di chuyển liên tục để sản xuất sản phẩm, dẫn đến việc rung động là điều không thể tránh khỏi Do đó, việc thiết kế tối ưu nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của rung động trong quá trình làm việc là rất cần thiết.
+ Sử dụng ổ bi trƣợt tốt để tránh rơ, giảm ma sát bằng việc bôi trơn bằng mỡ bò
+ Sử dụng động cơ bước và điều khiển bằng chế độ micro step để giảm bước răng thay đổi đột ngột, giảm rung
Các khớp cầu cần được siết chặt với tay máy để đảm bảo quá trình làm việc không bị xê dịch, từ đó tránh làm sai kích thước cấu hình của máy trong quá trình lập trình đặt trước.
Trong quá trình vận hành động cơ, việc đảo chiều liên tục trong thời gian dài có thể gây hư hỏng cho động cơ Do đó, việc lắp đặt quạt tản nhiệt là cần thiết để làm nguội động cơ trong thời gian dài Đặc biệt, đối với động cơ đùn nhựa, khi nhiệt độ tăng cao, nhiệt sẽ truyền đến bánh răng đùn nhựa, khiến nhựa bị chảy dẻo và không thể tiếp tục quá trình đùn.
Để đảm bảo đầu in hoạt động hiệu quả trong phạm vi cho phép, việc lắp đặt cảm biến hành trình ở vị trí thích hợp là rất quan trọng Điều này giúp ngăn chặn tình trạng đầu in vượt quá vùng làm việc, tránh gây hư hại cho cấu trúc máy trong quá trình tạo mẫu Kiểm soát tốt vấn đề này sẽ bảo vệ các cơ cấu máy khỏi hư hỏng.
Phân tích lựa chọn thiết kế khung giàn
Sử dụng nhôm định hình để thiết kế khung máy
Các thanh nhôm định hình đƣợc ghép nối với nhau bằng bulong-đai ốc
Ƣu điểm: kết cấu cứng cáp, gọn
Nhƣợc điểm: chi phí cao, gia công lỗ để ghép nối khá phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao, khối lƣợng máy lớn
Sử dụng mica và ti sắt để thiết kế khung máy
Các tấm mica đƣợc liên kết với nhau bằng bulong-đai ốc
Mica có nhiều Ƣu điểm nổi bật, bao gồm khả năng gia công dễ dàng nhờ máy cắt laze, giúp cắt theo ý muốn Chi phí gia công mica thấp hơn so với nhôm định hình, đồng thời mang lại sự chủ động trong thiết kế Việc lắp ráp cũng trở nên đơn giản hơn nhờ các lỗ lắp ghép được cắt chính xác bằng máy laze Hơn nữa, khối lượng của máy cắt mica nhỏ hơn so với phương án sử dụng nhôm, tạo thuận lợi trong quá trình sử dụng.
Nhƣợc điểm: mica có độ giòn nên khi bị va chạm mạnh dễ bị gẫy
Lựa chọn phương án thiết kế khung giàn
Phương án 2 là lựa chọn tối ưu cho việc thiết kế máy TMN với chi phí thấp và dễ dàng thực hiện hơn so với phương án 1, đồng thời vẫn đảm bảo đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về hiệu suất làm việc.
Phân tích lựa chọn hệ thống truyền động
Sử dụng bộ truyền vít me-đai ốc với mục đích truyển động quay thành chuyển động tịnh tiến:
+ Cấu tạo đơn giản, thắng lực lớn, thực hiện đƣợc dịch chuyển chậm
+ Kích thước nhỏ, chịu được lực lớn
+ Thực hiện đƣợc các dịch chuyển chính xác cao
+ Hiệu suất thấp do ma sát trên ren
Sử dụng bộ truyền đai răng
+ Kích thước bộ truyền nhỏ
+ Không có hiện tƣợng trƣợt đai
+ Tỉ số truyền lớn (đến 20)
+ Lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ
+ Công suất truyền đến 200Kw
+ Độ chính xác bị giảm nếu lực tác dụng lớn, do khả năng co dãn của dây đai + Sai số giữa tiếp xúc đai răng và bánh răng
Sử dụng bộ truyền đai trơn
+ Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau
+ Làm việc êm, không gây ồn nhờ vào độ dẻo của đai nên có thể truyền động với vận tốc lớn
+ Nhờ vào tính chất đàn hồi của đai nên tránh đƣợc dao động sinh ra do tải trọng thay đổi tác dụng lên cơ cấu
+ Nhờ vào sự trƣợt trơn của đai nên đề phòng sự quá tải xảy ra trên động cơ + Kết cấu và vận hành đơn giản
+ Tải trọng tác dụng lên trục và ổ lớn, do phải có lực căng đai ban đầu (tạo áp lực pháp tuyến lên đai tạo lực ma sát)
+ Tuổi thọ của bộ truyền thấp
+ Tỉ số truyền thay đổi do hiện tƣợng trƣợt trơn giữa đai và bánh đai
Lựa chọn bộ truyền động
Khi máy in hoạt động, tay máy cần chuyển động linh hoạt và liên tục để đảm bảo quá trình in diễn ra nhanh chóng Do tải trọng của tay máy tương đối nhỏ, việc sử dụng bộ truyền vít me-đai ốc không đáp ứng đủ yêu cầu và không cần thiết, vì chi phí của nó khá cao.
Việc sử dụng bộ truyền đai đáp ứng yêu cầu của máy, tuy nhiên, đai răng mang lại ưu điểm vượt trội với khả năng không bị trượt do quán tính và lực kéo từ động cơ.
Trang 36 ra tốt hơn so với sử dụng đai trơn Nên việc sử dụng bộ truyền đai răng để chế tạo máy in 3D cấu trúc song song là phù hợp.
Phân tích lựa chọn vật liệu in
Máy in 3D trên thế giới chủ yếu sử dụng công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling), phương pháp này tạo hình sản phẩm bằng cách phủ vật liệu từng lớp Các loại vật liệu in phổ biến cho máy in 3D FDM bao gồm PLA, ABS, Nylon, Flexible, PVA, và Wood với nhiều màu sắc khác nhau, phục vụ cho nhu cầu sáng tạo và mỹ thuật của người dùng Tại Việt Nam, người sử dụng thường so sánh hai loại vật liệu ABS và PLA, nhưng PLA với kích thước sợi nhựa 1.75mm đang trở thành lựa chọn phổ biến nhất cho việc tạo mẫu Prototype trong các doanh nghiệp.
Sợi nhựa ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) là vật liệu tổng hợp bền, linh hoạt và chịu lực tốt, được sản xuất từ dầu mỏ Với khả năng chịu nhiệt cao, ABS là lựa chọn lý tưởng cho máy in 3D, nơi nhựa được làm tan chảy qua các vòi phun ở nhiệt độ khoảng 210-250°C.
ABS được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp hiện nay, bao gồm sản xuất ống cống, ống chất thải, linh kiện ô tô, lắp ráp điện tử, bảo vệ vật đội đầu nhờ khả năng hấp thụ va chạm tốt, và các dụng cụ nhà bếp.
Sợi nhựa PLA (Polylactic Axit) là một loại nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học, được sản xuất từ các nguồn tái tạo như bột ngô, mía, củ sắn và tinh bột khoai tây Đây là giải pháp thân thiện với môi trường nhất trong lĩnh vực in ấn 3D, vượt trội so với các sản phẩm nhựa hóa dầu như ABS và PVA PLA trở thành lựa chọn phổ biến trong cộng đồng in ấn 3D nhờ vào tính độc hại thấp và khả năng phân hủy sinh học Với nguồn nguyên liệu tái tạo, PLA không chỉ dễ dàng tiếp cận mà còn có thể chiếm ưu thế hơn ABS Sợi PLA có sẵn trong nhiều màu sắc, bao gồm cả các phiên bản phát sáng trong bóng tối, mang đến sự đa dạng cho người sử dụng.
So sánh Sợi nhựa ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene ) và sợi nhựa
ABS có khả năng chịu nhiệt tốt hơn PLA, điều này được minh chứng khi cùng một sản phẩm in được phơi nắng Sau khoảng 30 phút phơi nắng, sản phẩm in bằng PLA bị cong, trong khi sản phẩm in bằng ABS vẫn giữ nguyên hình dạng ban đầu.
Sau khi nguội, ABS co rút nhiều hơn PLA, điều này dẫn đến việc sản phẩm in từ nhựa ABS dễ bị nứt hơn Đặc biệt, kích thước sản phẩm càng lớn thì mức độ ảnh hưởng của hiện tượng co rút này càng rõ rệt.
Nên nếu in các sản phẩm có kích thước lớn, PLA sẽ là lựa chọn tốt hơn, sản phẩm khi in ra ít bị nứt hơn
Sản phẩm in 3D thường xuất hiện các đường vân sau khi in, và có hai phương pháp phổ biến để khắc phục tình trạng này: sử dụng giấy nhám để mài mịn bề mặt hoặc áp dụng hóa chất đánh bóng để làm cho sản phẩm trở nên bóng bẩy hơn.
Mài bằng giấy nhám là phương pháp có thể áp dụng cho nhựa PLA và ABS, nhưng không hoàn hảo vì khó loại bỏ hoàn toàn các đường vân Sau khi mài, sản phẩm thường xuất hiện vết xước và cần phải sơn phủ lại để đạt được bề mặt mịn màng hơn.
Với cách xử lý bằng hóa chất, hiện tại chỉ có nhựa ABS có thể xử lý bằng
Acetone (dùng nước rửa móng tay) PLA vẫn chưa tìm được hóa chất an toàn để xử lý
Nhƣ vậy tùy thuộc vào tính chất của sản phẩm in mà ta có thể lựa chon nhựa in cho phù hợp
Khi chọn nhựa in 3D, đường kính sợi nhựa không đồng đều có thể gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng cho bộ đùn nhựa Nếu sợi nhựa quá nhỏ, bánh răng trong bộ đùn không thể tạo đủ áp lực, dẫn đến việc sợi nhựa bị ngắt quãng và sản phẩm in bị lỗi Đối với máy in 3D FDM, phần mềm sẽ tính toán các thông số dựa trên đường kính sợi nhựa, kích thước đầu phun và tốc độ in Nếu đường kính sợi không đạt tiêu chuẩn, thể tích nhựa được đùn ra sẽ thay đổi, khiến phần mềm không thể điều chỉnh tốc độ kéo nhựa hoặc chiều dài sợi nhựa, dẫn đến sự sai lệch trong lượng nhựa đắp lên mô hình và tạo ra khuyết tật trong sản phẩm in.
Trang 38 thông số mặc định cho các sợi nhựa bạn thường thấy là 1.75mm và 3mm Tuy nhiên, thực tế thì đường kính sợi nhựa thành phẩm có khoảng dung sai nhất định Công nghệ sản xuất càng đƣợc tối ƣu bao nhiêu thì độ chính xác càng cao Con số cho phép thường là ±0.05mm Một ví dụ khác, khi đường kính sợi nhựa quá lớn một cách bất thường, bộ đùn nhựa không đủ áp lực để ép và kéo nhựa xuống đầu in 3D dẫn tới kẹt nhựa Độ tròn của sợi nhựa cũng quyết định đến chất lƣợng của sản phẩm in không phải sợi nhựa nào cũng đem in đƣợc Nó có tiêu chuẩn rất rõ ràng Một trong những tiêu chuẩn đó là độ tròn của sợi nhựa Vì vậy, trong quá trình in 3D, sợi nhựa in luôn chịu áp lực từ bánh xe bộ đùn Nếu sợi nhựa không tròn đều, đặc biệt một số đoạn có mặt cắt ngang không phải tròn mà là ovan thì dẫn tới hoặc là bộ đùn kéo nhiều nhựa hơn hoặc ít hơn lƣợng vật liệu mà phần mềm đã tính toán Đây là một tiêu chí quan trọng mà ta cần phải lưu ý tới Một điều ít ai quan tâm đó là kích thước lõi cuộn nhựa Một số loại nhựa xuất xứ trung quốc vì để giảm giá thành chi phí xuống thấp nhất họ đã cắt giảm kích thước lõi cuộn nhựa Đây thực sự là một điều không tốt Khi làm vậy, chúng tôi phát hiện ra sự khó khăn khi kéo sợi nhựa vào máy in 3D Nguyên nhân là sợi nhựa đƣợc cuốn quá chặt ( với lõi z 2 : trong thực tế không xảy ra trường hợp này vì khớp nối phải mỡ rộng để đảm bảo tồn tại chiều dài l cho mỗi chân
Vì bàn gá cơ cấu chấp hành luôn nằm ngang nên ta tịnh tiến các chân 1 khoảng up , tọa độ vecter Aiv:
Giải hệ phương trình (I): x dz e y Dz E ; ;
Thay x, y vào (II): Az 2 Bz C 0
Thuật toán cắt lớp mô hình 3D (*.stl)[3]
File STL là định dạng mô tả bề mặt của một vật thể 3D, được chia thành các tam giác hợp lý Định dạng này được hỗ trợ bởi nhiều phần mềm và phổ biến trong các hệ thống tạo mẫu nhanh cũng như các hệ thống CAD khác Tập tin STL có hai dạng mã là ASCII và binary.
5.5.2 Định dạng và thông số kỹ thuật
Một file STL chứa danh sách dữ liệu các tam giác, mỗi tam giác được định hình bởi một mặt phẳng vuông góc với chiều dài 1 và ba đỉnh, trong đó các đỉnh cung cấp thông tin tọa độ.
Hình 5-14: Tam giác trong file STL chứa thông tin 3 đỉnh và vector chỉ phương
Quy tắc mỗi đỉnh tam giác vừa là đỉnh của tam giác khác, do đó không có đỉnh tam giác này nằm trên cạnh của tam giác kia
Hình 5-15: Quy tắc đỉnh tam giác
Hình bên trái vi phạm quy tắc Hình bên phải đúng quy tắc
Hình 5-16: Chất lượng của chi tiết phụ thuộc vào độ mịn của file STL
Cú pháp cho một tập tin STL ASCII nhƣ sau:
Trong định dạng STL, từ khóa quan trọng là {tam giác}, trong đó dấu + chỉ ra rằng phần này được lặp lại Các tham số _n_ đại diện cho đỉnh của véctơ vuông góc với tam giác, trong khi _v_ là tọa độ của các đỉnh tam giác Các đỉnh này được sắp xếp từ phải sang trái, đảm bảo tính nhất quán trong cấu trúc dữ liệu.
Tập tin ASCII stl kết thúc bằng endsolid name đây là phần bắt buộc
Định dạng STL nhị phân
Các định dạng nhị phân sử dụng IEEE số nguyên và dấu chấm động số đại diện
Cú pháp cho một tập tin STL nhị phân nhƣ sau:
Ký hiệu "{ } + "có nghĩa là nội dung của khung cú đúp có thể đƣợc lặp đi lặp lại một hoặc nhiều lần
5.5.3 Thuật toán cắt lớp file *.stl
Cắt lớp vật thể 3D từ file định dạng *.stl liên quan đến việc xác định các giao điểm của các tam giác với mặt phẳng cắt Các tam giác này giao với mặt phẳng tạo thành các đoạn thẳng, và tổng hợp các đoạn thẳng này sẽ hình thành một đường viền Để hoàn thiện bề mặt, cần thực hiện bước quét bề mặt.
Hình 5-17: Cắt lớp đuôi mẫu đuôi *.stl
Phần mềm cắt lớp cần xác định các tam giác và mặt phẳng song song với trục z Có bốn trường hợp xảy ra giữa tam giác và mặt phẳng: không cắt nhau, cắt nhau tại một điểm ở đỉnh tam giác, cắt nhau tại hai điểm, hoặc cắt nhau qua toàn bộ tam giác.
Hình 5-18: Các trường hợp sảy ra tam giác và mặt phẳng
Vì file STL chứa thông tin các đỉnh tam giác nên ta quan tâm tới tọa độ các đỉnh tam giác
Trên hình vẽ biểu diễn tam giác nằm trên mặt phẳng:
Trường hợp 1: xác định 3 đỉnh tam giác cùng nằm trên mặt phẳng đó
Trường hợp 2: hai đỉnh tam giác nằm trên mặt phẳng giao của tam giác và mặt phẳng
Trang 58 chính là đoạn thẳng nối hai đỉnh đó
Trong trường hợp 3, có một đỉnh nằm trên mặt phẳng, một đỉnh cao hơn và một đỉnh thấp hơn Giao điểm của mặt phẳng trong tình huống này là đường thẳng nối đỉnh của tam giác với giao điểm của đường thẳng nối hai đỉnh còn lại và mặt phẳng.
Trong trường hợp 4, khi có một đỉnh nằm dưới và hai đỉnh nằm trên mặt phẳng, giao điểm giữa tam giác và mặt phẳng sẽ là đoạn thẳng nối hai giao điểm của hai cạnh với mặt phẳng Còn trong trường hợp 5, giao điểm của tam giác với mặt phẳng chỉ có một đỉnh.
Lưu đồ chương trình tìm giao của vật thể 3D STL với mặt phẳng được biểu diễn như hình dưới:
Hình 5-19: Lưu đồ cắt lớp file *.stl
Hệ thống diều khiển
Phương trình tọa độ giao điểm của đoạn thẳng đi qua mặt phẳng:
Hình 5-20: Tọa độ cắt lớp
5.6.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển
Hình 5-21: Sơ đồ khối bộ điều khiển
Sử dụng board điều khiển Arduino Atmega 2560 làm bộ điều khiển và xử lý cho máy
Hình 5-22: Board điều khiển Arduino Atmega 2560
- Cấu tạo của board Arduino 2560:
+ Dòng điện trên mỗi chân: 400mA
+ Bộ nhớ Flash: 256Kb, với 8Kb dùng cho bootloader
+ Tần số hoạt động 16MHz
- Chức năng của board Arduino 2560:
+ Với số lƣợng I/O lớn Arduino 2560 có thể điều khiển ứng dụng nhiều trong các hệ thống điều khiển phức tạp
Chíp xử lý có thể:
+ Giao tiếp với các modul mở rộng, Driver thông qua các chuẩn giao tiếp nhƣ: SPI, I2C, USART
+ Điều khiển các Driver động cơ DC hay động cơ bước nhờ có PWM, Timer ngắt sự kiện
+ Đọc các loại cảm biến Analog với độ phân giải ADC 8bit hoặc 10bit
+ Chuyển đổi Digital sang Analog
- Kết luận: máy in 3D dùng board Arduino 2560 dùng để:
+ Sử dụng modul PWM điều khiển nhiệt độ đầu nung nhựa
Sử dụng Timer để định thời thực hiện các công việc như xuất tín hiệu điều khiển quỹ đạo máy in thông qua động cơ bước và lấy mẫu nhiệt độ nhằm điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp PID.
+ Sử dụng chuẩn giao tiếp SPI để đọc dữ liệu từ thẻ nhớ
+ Dùng chuẩn giao tiếp không đồng bộ nối tiếp USART để giao tiếp và nhận điều khiển từ máy tính
+ Dùng ADC 10bit để đọc cảm biến nhiệt độ RTD 100k
+ Sử dụng ngắt ngoài để đọc 3 cảm biến hành trình
Mạch công suất, mạch RAMPS
Board công xuất RAMPS có chức năng nhận tín hiệu điều khiển từ board
Arduino để điều khiển các máy in
+ Board có cấu tạo đơn giản, sử dụng 4 MOSFET STP55NF06L để đóng mở công suất cho quạt, đầu đốt để nung nhựa
+ Có LED báo hiệu nhiệt độ, quạt,…
+ Có các header để cắm Driver điều khiển động cơ bước, LCD
+ Hoạt đông với điện áp 12V-35V, dòng từ 16Ampe
+ Xuất dòng cho động cơ bước hoạt động
+ Tạo điện áp cho đầu nung đốt nóng
+ Hiển thị LCD, cắm thẻ nhớ
+ Cắm cảm biến nhiệt độ, công tắc hành trình
Hình 5-24: Sơ đồ nguyên lý Driver động cơ bước A4988
Hình 5-25: Driver điều khiển động cơ bước
- Cấu tạo, chức năng Driver A4988:
+ Sử dụng chip A4988, là một IC driver tích hợp dùng điều khiển động cơ bước + Driver hoạt động với các chế độ: Full step, haft step, 1/4, 1/8, 1/16
+ Điện áp hoạt động 3V- 12V, dòng điện có thể lên 2A nếu tản nhiệt tốt, có thể điều khiển dòng ra động cơ qua biến trở
+ Nhận tín hiệu xung và chiều từ vi điều khiển và xuất dòng điện cho động cơ hoạt động
Hình 5-26: Sơ đồ nguyên lý
Thuật toán nội suy
5.7.1 Nội suy đoạn thẳng AB
Các thông số nội suy:
Giá trị tọa độ trên 1 đơn vị milimet là axis_per_unit
Độ dịch chuyển của A, B theo phương X là dx =x’-x, Y là dy =y’-y, Z là dz
x x y z d mm d / axis _ per _ unit d mm d / axis _ per _ unit d mm d / axis _ per _ unit y z
; ; x y z x y z x y z s d mm d mm d mm t s f d mm d mm d mm v v v t t t
Số bước trên 1 đơn vị milimet là step _ per _ mm step
Tính thời gian đến vị trí yêu cầu theo vận tốc hình thang
Các thông số cần để nội suy đường tròn:
Vị trí bắt đầu nội suy A (x,y)
Điểm kết thúc nội suy (x’,y’)
Tâm đường tròn so với vị trí bắt đầu nội suy so với điểm bắt dầu nội suy C(i,j) so với gốc tọa độ tuyệt đối sẽ là C (x0,y0) ;
Số đoạn thẳng nội suy đường tròn, với độ phân giải mỗi cạnh là seg_mm:
Góc của cung tròn ứng với mỗi đoạn thẳng chắn cung seg
Nhân ma trận quay os -sin sin cos
Để xác định tọa độ các điểm cuối của đoạn thẳng nội suy đường tròn thứ nhất với tọa độ điểm C là [i, j], cần sử dụng góc quay θ = *socanh để nội suy hết cung tròn.
Khi đó tọa độ điểm cuối của mỗi cạnh cung tròn so với gốc tạo độ là:
Hình 5-27: Nội suy đường tròn
5.7.3 Giản đồ vận tốc hình thang
Mục đích của việc điều khiển vận tốc theo giản đồ hình thang là nhằm giảm rung động trong quá trình vận hành máy, đồng thời cải thiện khả năng đáp ứng cho việc điều khiển vị trí thông qua thuật toán PID Công thức liên quan đến điều khiển vận tốc theo giản đồ hình thang rất quan trọng để đạt được hiệu quả tối ưu trong quá trình này.
Hình 5-28: Giản đồ vận tốc hình thang với gia tốc thay đổi đột ngột
Hình 5-29: Giản đồ vận tốc chữ S( gia tốc ít thay đổi)
Giả thuyết cho rằng một chiếc xe bắt đầu với vận tốc v0 và sau thời gian t đạt vận tốc v, với gia tốc ban đầu là a0 và gia tốc ổn định là a Gia tốc a được tính theo công thức (1) và jerk theo công thức (2) Theo giản đồ Hình 5.4.3.a, jerk đạt giá trị lớn nhất, do đó để giảm độ giật, chúng ta áp dụng giản đồ Hình 5.4.3.b, trong đó tăng gia tốc trong thời gian t/2 và giảm gia tốc trong khoảng thời gian t/2 còn lại Nhờ đó, việc điều khiển xe đạt vận tốc mong muốn sẽ không còn tình trạng rung giật.
Giải thuật điều khiển
5.8.1 Chuyển đổi dữ liệu từ CAD sang Gcode
Hình 5-30: Sơ đồ chuyển định dạng dữ liệu cho máy in có thể hiểu
Từ bản vẽ CAD 3D, quá trình chuyển đổi sang định dạng STL được thực hiện, trong đó file STL mô tả bề mặt của khối 3D bằng các vector theo một quy luật nhất định Sau đó, file STL sẽ được chuyển đổi thành Gcode thông qua phần mềm KISSLICER.
Sau khi có file Gcode, thực hiện đƣa file vào máy in thông qua giao tiếp thẻ nhớ hay USART ( máy tính kết nối với máy in)
Thực hiện đọc Gcode chạy từng lệnh thông qua bộ xử lý trung tâm của máy in và điều khiển các động cơ, đầu nung
Cấu trúc của file Gcode:
+ File Gcode gồm các lệnh bắt đầu bằng ký hiệu chữ G, M, F …, tiếp sau đó là giá trị số
+ Mỗi câu lệnh đƣợc viết trên một hàng
Phần đầu của Gcode chứa các lệnh khởi động máy, bao gồm việc tăng nhiệt độ, khởi động bộ đếm thời gian, xóa bộ nhớ, khởi động động cơ, nhận tín hiệu cảm biến và đưa cơ cấu chấp hành về vị trí home, nhằm đưa máy vào trạng thái sẵn sàng hoạt động.
+ Kết thúc file Gcode là các lệnh tắt động cơ, tắt nhiệt, báo việc in hoàn tất Một số lệnh:
+ G1: di chuyển đầu in theo tọa độ X Y Z
+ G2, G3: di chuyển theo đường tròn cùng và ngược chiều kim đồng hồ
+ G90, G91: dùng tọa độ tuyệt đối, tương đối
5.8.2 Đọc và xử lý dữ liệu Gcode
Hình 5-31: Lưu đồ đọc, xử lý dữ liệu
Việc đọc dữ liệu từ bus dữ liệu được thực hiện liên tục cho đến khi có lệnh kết thúc Lưu dữ liệu vào bộ đệm trước khi thực hiện giúp tránh mất mát và gián đoạn trong quá trình ghi và đọc Mã lệnh G điều khiển vị trí của máy, trong khi mã lệnh M bao gồm các lệnh phụ mà không ảnh hưởng đến tọa độ của máy Sau mỗi lệnh, máy thực hiện trong một khoảng thời gian nhất định trước khi tiếp tục với lệnh tiếp theo Tuy nhiên, trong một số trường hợp, các lệnh trong chương trình ngắt sẽ được ghi vào bộ đệm thay vì thực thi ngay lập tức.
Góc tọa độ máy O(0,0,0) đặt tại tâm bàn máy
Chiều dài của 3 cánh tay máy là l
Bán kính làm việc của đầu in là R Điều khiển động cơ di chuyển từ vị trí A (x’ , y’ , z’) ; B ( x , y , z)
Tọa độ làm việc xa nhất tại mỗi trục tịnh tiến mỗi tay máy lệch nhau 120 độ:
Tay máy 1: delta1X =-Sin(60)*R; delta1Y =-Cos(60)*R;
Tay máy 2: delta2X = Sin(60)*R; delta2Y = -Cos(60)*R;
Tay máy 3: delta3X = 0.0; delta3Y = R; khi di chuyển từ góc O tới A và B, 3 khớp tịnh tiến cả 3 tay máy sẽ tịnh tiến một đoạn là d’1 , d2’ ,d3’ và d1 , d2 , d3:
3' 3 ' 3 ' ' d l delta X x delta Y y z d l delta X x delta Y y z d l delta X x delta Y y z d l delta X x delta Y y z d l delta X x delta Y y z d l delta X x delta Y y z
Từ việc tính đƣợc khoảng tịnh tiến của mỗi khớp, thực hiện lập trình điều khiển vị trí động cơ tới đúng khoảng tịnh tiến đã tính
MF58 là một nhiệt điện trở NTC được sản xuất từ sự kết hợp giữa gốm sứ và kỹ thuật bán dẫn Sản phẩm này được đóng gói đồng trục và bao bọc bằng thủy tinh tinh khiết, đảm bảo độ bền và hiệu suất cao.
Mã hàng: M58F-104J3990GA vớ các thông số: R(25 o
NTC 100k hình thức đóng gói thủy tinh đồng trục
Ổn định, độ tin cậy cao
Phạm vi trở kháng rộng: 0.1 ~ 5000KΩ
Trở kháng và giá trị B có độ chính xác cao
Đóng gói Thủy tinh, có thể hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao và độ ẩm
Kích thước nhỏ, vững chắc, thuận tiện cho việc lắp ráp tự động
Cảm ứng nhiệt nhanh, độ nhạy cao
Mối liên hệ giữa nhiệt độ và điện trở của chất bán dẫn
R: điện trở chất bán dẫn (Ohm)
A, B, C là hệ số Steinhart–Hart
5.8.5 Thực hiện thí nghiệm và điều khiển nhiệt độ theo thuật toán PID
Tính toán mối quan hệ giữa nhiệt độ và chất bán dẫn theo công thức Steinhart– Hart: a1 = log (r1); a2 = log (r2); a3 = log (r3); z = a1 - a2; y = a1 - a3; x = 1.0/t1 - 1.0/t2; w = 1.0/t1 - 1.0/t3; v = pow (a1,3) – pow (a2,3); u = pow (a1,3) – pow (a3,3); c3 = (x-z*w/y) / (v-z*u/y);
Giải thuật PID: pid_Kp=Kp,pid_Ki=Ki,pid_Kd=Kd; pid_input=T_val; pid_setpoint=T_setpoint;
Up = pid_Kp * pid_error; pid_error = pid_setpoint - pid_input; pid_sumerr+=pid_error; pid_sumerr = constrain (pid_sumerr, 0, 200);
Ui=pid_Ki*pid_sumerr;
Ud=pid_Kd*(pid_input-pid_error_p)*K2 + K1 *Ud; pid_output=constrain (Up+Ui-Ud,OUTPUT_MIN,OUTPUT_MAX); pid_error_p=pid_input;
Chọn hệ số PID : Kp.2, Ki=0.8; Kd40;
Hình 5-32: Đồ thị điều khiển PID nhiệt độ
5.9 Phần mềm KISSLICER (xuất G - CODE cho 3D PRINTING DELTA ROBOT)
KISSlicer là một chương trình dễ sử dụng, dựa trên nền tảng file 3D (STL) và tạo đường dẫn thông tin (G-code) cho một máy in 3D
Trang 73 Hình 5-33: Giao diện điều khiển
Hinh5-34: Giao diện điều khiển PRINTER INTERFACE
