1
Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài này nhằm nghiên cứu và phát triển máy in 3D dạng Scara, với mục tiêu cải tiến thiết kế và chuyển động so với các dòng máy in 3D truyền thống Qua đó, đề tài hướng đến việc mở rộng không gian in, nâng cao chất lượng và tốc độ in mẫu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy in 3D dạng Scara
- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ in 3D
- Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu truyền động của máy
- Nghiên cứu tính toán phần điện
- Nghiên cứu phần mềm giao tiếp, hỗ trợ lập trình in 3D.
Cơ sở phương pháp luận
Dựa trên tài liệu và các nghiên cứu trước đây, cũng như việc tham khảo các mẫu máy hiện có trên thị trường, chúng tôi phân tích những ưu điểm và nhược điểm của từng mẫu Qua đó, chúng tôi có cơ sở vững chắc để lựa chọn thiết kế mẫu máy tối ưu hơn.
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu kết hợp giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình cụ thể như sau:
- Tìm kiếm, tổng hợp các tài liệu liên quan đến đề tài
- Nghiên cứu về lý thuyết tạo mẫu nhanh với công nghệ in 3D
- Tổng hợp tài liệu tính toán, thiết kế cơ cấu truyền động đảm bảo độ chính xác, tối ưu hóa chuyển động
- Tìm hiểu về thuật toán điều khiển và phương pháp chuyển động cánh tay và đường chạy của đầu phun
- Chế tạo mô hình máy in 3D dạng Scara, từ đó kiểm tra lại các lý thuyết trước đó đã nghiên cứu
- Nghiên cứu các kiểu đường chạy nhựa có thể sử dụng đối với các mẫu in để tối ưu mẫu in.
Kết cấu đề tài
Chương 2: Tổng quan về công nghệ in 3D
Chương 3: Cơ sở lý thuyết nguyên lý máy in 3D
Chương 4: Tính toán, thiết kế và chế tạo máy in 3D
3
Các bước của quá trình tạo mẫu nhanh
Quá trình tạo mẫu nhanh được thể hiện qua sơ đồ sau:
Tạo mẫu tự động Hậu xử lý
Bước 1: Tạo mô hình 3D dạng mặt hay khối
- Chuyển đổi định dạng file CAD 3D sang định dạng file stl xấp xỉ bề mặt dưới dạng tam giác
- Sử dụng các phần mềm thiết kế các kết cấu hỗ trợ (support), kiểm tra file stl và chỉnh sửa, cắt lớp chi tiết
- Xuất file Gcode tạo đường chuyển động
Bước 3: Tạo mẫu tự động
Tháo các bộ phận support, xử lý bề mặt,…
Một số công nghệ tạo mẫu nhanh
Các công nghệ in 3D tạo mẫu nhanh chủ yếu bao gồm SLA, SLS, LOM, 3DP và FDM Mặc dù còn nhiều công nghệ khác, nhưng hầu hết đều dựa trên năm loại công nghệ chính này.
Công nghệ SLA, được phát minh tại Mỹ vào năm 1984, sử dụng tia Laser để đông cứng vật liệu lỏng photopolymer thành hình dạng rõ ràng Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên tắc chiếu chùm tia Laser cường độ cao, với các loại Laser như He-Cd (bước sóng 325nm) hoặc Nd:YVO4 (bước sóng 354,7nm) để tạo mẫu lập thể.
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu SLA Hình 2.6: Sơ đồ quá trình tạo mẫu
Tại vị trí bệ đỡ cao nhất, trên bề mặt có một lớp chất lỏng cạn Máy phát laser phát ra chùm tia cực tím, tập trung vào một diện tích của lớp chất lỏng và di chuyển theo hướng X - Y.
Chùm tia cực tím chiếu sáng làm đông đặc lớp dung dịch, tạo ra một khối đặc, trong đó bệ đỡ được hạ xuống bằng chiều dày của một lớp và quy trình này được lặp lại Quá trình này tiếp tục cho đến khi đạt kích thước mong muốn của chi tiết Phần dung dịch xung quanh không bị đông kết và có thể được tái sử dụng cho lần tiếp theo.
Công nghệ in 3DP, phát triển tại khoa kỹ thuật cơ khí Viện Công nghệ MIT, sử dụng đầu phun để phun dung dịch keo kết dính lên bề mặt lớp bột vật liệu Bột sẽ kết dính tại các vị trí tiếp xúc với keo, và sau khi hoàn thành lớp đầu tiên, piston sẽ hạ xuống để phân phối bột mới Quá trình này được lặp lại cho đến khi toàn bộ vật thể được chế tạo hoàn chỉnh trong nền bột.
Công nghệ in FDM được sử dụng khá nhiều trong các loại máy in hiện nay với kết cấu đơn giản, vật liệu dễ tìm
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu 3DP
Ở vị trí ban đầu, bàn in cách đầu phun nhiệt một khoảng bằng chiều dày lớp in Sợi nhựa được đưa vào kim phun liên tục thông qua hệ thống tời nhựa bằng cặp bánh răng Tại đầu phun, nhựa được nung nóng đến nhiệt độ thích hợp nhờ bộ phận gia nhiệt Nhựa nóng chảy được đùn ra theo biên dạng dịch chuyển của đầu phun Sau khi hoàn thành lớp thứ nhất, bàn máy dịch xuống một khoảng bằng chiều dày một lớp, và quá trình này tiếp tục cho đến khi hoàn thành chi tiết.
Công nghệ SLS (Selective Laser Sintering) sử dụng bột nguyên liệu được chứa trong các bồn, nơi các lớp vật liệu được xếp chồng lên nhau bằng bánh lăn Quá trình này vừa cuộn vừa kéo phẳng vật liệu để tạo thành lớp mỏng Biên dạng của mỗi lớp được hình thành nhờ tia laser, làm nóng chảy bột để liên kết lớp trên với lớp dưới.
Bánh răng tời nhựa Đầu phun nhựa
Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu
Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu SLS
Công nghệ LOM (Layered Object Manufacturing) sử dụng các vật liệu có thể dát mỏng như giấy và gỗ, dưới dạng cuộn hoặc tờ Mỗi lớp (layer) được tạo ra từ một tờ giấy hoặc lát gỗ, sau đó được cắt bằng laser hoặc dụng cụ cắt và dán chồng lên nhau để hình thành vật thể 3D Công nghệ này cho phép tạo ra các vật thể với màu sắc chính xác theo thiết kế.
Giới thiệu một số mẫu máy in 3D
Máy in 3D Prusa I3, được phát triển bởi Josef Prusa vào năm 2010, là một trong những mẫu máy công nghệ FDM phổ biến nhất hiện nay Giá của máy dao động từ 4 triệu đến 6 triệu đồng, với ưu điểm nổi bật là cấu trúc đơn giản và dễ lắp ráp Tuy nhiên, máy có độ chính xác không cao và bề mặt in có độ bóng thấp.
Lắp ráp và bảo trì máy in 3D rất dễ dàng, cùng với việc căn chỉnh đơn giản, giúp người dùng mới nhanh chóng làm quen với công nghệ này Hơn nữa, cộng đồng mã nguồn mở lớn mạnh hỗ trợ người mới, tạo điều kiện thuận lợi cho việc học hỏi và phát triển kỹ năng trong lĩnh vực in 3D.
Máy in có nhược điểm là khối lượng các cơ cấu di động lớn, dẫn đến tốc độ in không cao và gây ra tiếng ồn Trong quá trình hoạt động, máy thường bị rung, làm giảm độ chính xác của bản in Ngoài ra, kích thước ngang lớn của máy cũng thường hạn chế chiều cao của vật in.
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu LOM
2.5.2 Máy Delta Kossel Được tạo ra bởi Johann tại Seatle, Mỹ vào năm 2012 Dòng máy này sử dụng cơ cấu delta, công nghệ in FDM, loại nhựa thường được sử dụng là nhựa ABS, PLA
Hình 2.13: Máy in 3D Delta Kossel
Máy in có nhiều ưu điểm nổi bật như hoạt động êm ái, ít rung và đạt tốc độ cùng độ chính xác cao, cho phép in những vật thể có chiều cao lớn Cấu trúc của máy có độ cứng vững cao, trong khi bàn nhiệt giữ cố định vị trí trong suốt quá trình in, giúp vật in được giữ chắc chắn hơn.
- Nhược điểm: Khổ máy lớn, cồng kềnh, kết cấu phức tạp, khó căn chỉnh, giá thành đắt hơn so với dòng máy Prusa
Máy Ember được tạo bởi công ty Autodesk năm 2015, đây là dòng máy in sử dụng công nghệ SLA, sử dụng vật liệu là loại nhựa lỏng
Tốc độ in 320 mm/s Độ phân giải động cơ 100 step/mm
Không gian in Đường kính in 170 mm, chiều cao 240 mm Độ phân giải mỗi lớp in 0.2 mm
Giá 600USD Độ phân giải trục XY 50 micron Độ phân giải trục Z 10 - 100 micron
Loại nhựa Acrylate photosensitive resin
Giá thành 7495USD bao gồm nhựa lỏng
Hình 2.14: Máy in 3D Ember Bảng 2.1: Thông số máy in 3D Delta
Bảng 2.2: Thông số máy in 3D Ember
Máy in 3D có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm độ phân giải và độ chính xác cao, kích thước nhỏ gọn, cùng với chi tiết in có độ cứng và độ bóng bề mặt cao.
- Nhược điểm: Giá thành cao, tốc độ in thấp, momen quán tính của bàn nhiệt lớn, lắp ráp và căn chỉnh máy khó
Máy in 3D Scara, được phát minh bởi Sean người Anh, đã mang đến một bước tiến mới cho công nghệ in 3D nhờ vào nguyên lý hoạt động của cánh tay và chuyển động của các trục.
Máy in này nổi bật với khả năng hoạt động êm ái, tốc độ nhanh và độ chính xác cao, cho phép in các vật thể có chiều ngang lớn Đặc biệt, kích thước máy nhỏ gọn không chiếm nhiều diện tích trên bàn in, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.
- Nhược điểm: Căn chỉnh máy khó, không in được vật có kích thước cao, giá thành đắt so với những máy in truyền thống.
Kết luận
Chương này trình bày các công nghệ in 3D phổ biến và những mẫu máy in 3D được ưa chuộng trên thị trường hiện nay, từ đó cung cấp nền tảng cho việc lựa chọn cấu trúc và công nghệ in phù hợp trong đồ án.
14
Động cơ bước
Động cơ bước (stepper motor) là loại động cơ đồng bộ, có khả năng chuyển đổi các tín hiệu điều khiển thành chuyển động góc quay thông qua các xung điện rời rạc.
Động cơ bước bao gồm các bộ phận chính như stato và roto, với roto thường là nam châm vĩnh cửu hoặc các khối răng từ tính làm bằng vật liệu nhẹ trong động cơ biến từ trở Động cơ này được điều khiển bởi bộ điều khiển bên ngoài, cho phép giữ vị trí cố định hoặc quay đến vị trí mong muốn Động cơ bước có thể được sử dụng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản hoặc vòng kín Tuy nhiên, khi hoạt động trong hệ điều khiển vòng hở, nếu gặp quá tải, tất cả các giá trị của động cơ sẽ bị mất và hệ thống cần phải nhận diện lại.
Động cơ bước hoạt động dựa trên các xung điện liên tiếp, cho phép nó di chuyển một cách chính xác Khi có dòng điện hoặc điện áp được cung cấp cho cuộn dây, động cơ sẽ thực hiện các bước di chuyển nhất định, tạo ra chuyển động chính xác và có kiểm soát.
18 ứng của động cơ bước làm cho roto của động cơ quay một góc nhất định gọi là bước của động cơ
Góc bước là góc quay của trục động cơ liên quan đến một xung điều khiển Nó được xác định dựa trên cấu trúc của động cơ bước và phương pháp điều khiển được áp dụng cho động cơ này.
Tính năng mở máy của động cơ được đặc trưng bởi tần số xung cực đại có thể mở máy mà không làm cho roto mất đồng bộ
Chiều quay của động cơ bước không bị ảnh hưởng bởi chiều dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp xung cho các cuộn dây Động cơ bước được phân loại thành ba loại chính.
- Động cơ bước biến từ trở
- Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
- Động cơ bước hỗn hợp/lai
3.2.1 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có roto là nam châm vĩnh cửu, stato có nhiều răng trên mỗi răng có quấn các vòng dây Các cuộn dây pha có cực tính khác nhau
Nguyên lý hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có 2 cặp cuộn pha được trình bày ở hình
Ban đầu, stato và roto ở vị trí phase A Khi cấp điện cho cuộn dây pha B và D, sẽ xuất hiện cực tính Do cực tính của cuộn dây pha và roto ngược nhau, roto chuyển động đến vị trí phase B on Khi cuộn dây pha B và D ngắt điện, cuộn dây A và B được cấp điện, roto lại chuyển động đến vị trí phase C on.
Hình 3.3: Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Gọi số răng trên stato là Zs, góc bước của động cơ là Sđc, góc bước của động cơ này được tính theo công thức sau:
3.2.2 Động cơ bước biến từ trở Động cơ bước biến từ trở có cấu tạo giống với động cơ bước nam châm vĩnh cửu Cấu tạo của stato cũng có các cuộn pha đối xứng nhau, nhưng các cuộn pha đối xứng có cùng cực tính khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu Góc bước của stato là Ss
Roto của động cơ bước biến từ trở được làm từ thép non có khả năng dẫn từ tốt, cho phép nó tiếp tục quay tự do ngay cả khi mất điện trước khi dừng hẳn Nguyên lý hoạt động của động cơ này được minh họa trong hình ảnh đi kèm.
Hình 3.4: Nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Hình 3.5: Nguyên lý hoạt động động cơ bước biến từ trở
Khi cấp điện cho pha A, các cuộn dây A được bố trí đối xứng với cùng cực tính là nam (S) và bắc (N), tạo thành các vòng từ đối xứng.
Khi cấp điện cho pha B, từ trở trong động cơ tăng lên, tạo ra momen từ tác động lên trục roto, khiến roto quay theo chiều giảm từ trở Roto tiếp tục quay cho đến khi từ trở đạt giá trị nhỏ nhất; khi momen bằng không, trục động cơ dừng lại, và roto đạt đến vị trí cân bằng mới.
Khi cấp điện cho pha C, động cơ hoạt động theo nguyên tắc đã nêu và roto sẽ ở vị trí như hình c Quá trình này lặp lại, khiến động cơ quay liên tục theo thứ tự pha A, B, C Để thay đổi hướng quay của động cơ, chỉ cần cấp điện cho các pha theo thứ tự ngược lại.
Gọi số pha của động cơ là Np, ổ răng trên roto là Zr, góc bước của động cơ bước biến từ trở là S ta tính được công thức sau:
3.2.3 Động cơ bước hỗn hợp Động cơ bước hỗn hợp (còn gọi là động cơ bước lai) có đặc trưng cấu trúc của động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước biến từ Stato và roto có cấu tạo tương tự động cơ bước biến từ trở nhưng số răng của stato và roto không bằng nhau Roto của động cơ bước thường có 2 phần: phần trong là nam châm vĩnh cửu được gắn chặt lên trục động cơ, phần ngoài là 2 đoạn roto được chế tạo từ lá thép non và răng của 2 đoạn roto được đặt lệch nhau
Hình 3.6: Cấu tạo động cơ bước hỗn hợp
Góc bước của động cơ bước hỗn hợp được tính theo công thức:
Động cơ bước hỗn hợp kết hợp ưu điểm của động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước biến từ trở, với các thông số quan trọng như góc bước (S), góc giữa hai răng kề nhau (Sr) và số cặp cực trên stato (Zs) Sự kết hợp này giúp động cơ bước hỗn hợp trở thành lựa chọn phổ biến trong nhiều ứng dụng.
Hiện nay, động cơ bước 2 pha đang trở nên phổ biến với cấu trúc tương tự như động cơ bước hỗn hợp và động cơ bước nam châm vĩnh cửu.
Truyền động vít me - đai ốc
Vít me - đai ốc là cơ cấu truyền động chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Có hai loại hệ thống vít me - đai ốc: vít me - đai ốc trượt và vít me - đai ốc bi.
Hình 3.8: Phương pháp điều khiển động cơ bước
3.3.1 Cơ cấu vít me - đai ốc trượt Đặc điểm:
- Độ chính xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn
- Truyền động êm, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn
- Có thể truyền động nhanh với vít me có bước ren hoặc số vòng quay lớn
- Hiệu suất truyền động thấp nên ít dùng để thực hiện những chuyển động chính
- Dạng ren: Vít me thường có 2 dạng ren chủ yếu là:
Ren hình thang với góc 30 độ mang lại nhiều ưu điểm như gia công đơn giản và khả năng phay hoặc mài dễ dàng Sử dụng đai ốc bổ đôi giúp việc đóng mở ren trở nên thuận tiện hơn.
+ Ren có hình dạng vuông chỉ dùng ở những máy cắt ren chính xác và máy tiện hớt lưng
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu và kéo dài tuổi thọ của vít me, nên thiết kế với hai cổ trục giống nhau Điều này cho phép người dùng có thể lắp đảo ngược vít me sau một thời gian sử dụng, giúp bề mặt làm việc của vít me mòn đều ở cả hai bên.
- Ổ đỡ vít me: ổ đỡ vít me có tác dụng đảm bảo cho trục chuyển động với độ đảo hướng trục và độ hướng kính nhỏ
Đai ốc liền là thành phần quan trọng trong cơ cấu vít me, thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác không cao và có thể chấp nhận độ hở giữa các ren Với ưu điểm nổi bật như thiết kế đơn giản, chi phí thấp và khả năng tự hãm ở mức độ nhất định, đai ốc liền là lựa chọn hợp lý cho nhiều ứng dụng kỹ thuật.
+ Đai ốc 2 nửa: sử dụng để đóng, tách đai ốc khỏi vít me khi tiện vít me trên máy tiện vạn năng
Hình 3.9: Vít me đai ốc trượt
Hình 3.10: Kết cấu đai ốc 2 nửa
24 Để giảm độ biến dạng của vít me có thể dùng những phương pháp sau:
- Nâng cao cứng vững của gối đỡ bằng cách dùng bạc với tỷ lệ l/d lớn (với l là chiều dài và d là đường kính trong của gối đỡ)
- Không bố trí vít me ở ngoài thân máy mà bố trí phía trong máy nhằm giảm momen lật của bàn máy
- Dùng gối đỡ treo phụ cho những vít me quá dài và nặng
3.3.2 Cơ cấu vít me đai ốc bi Đặc điểm:
- Tổn thất ma sát ít nên có hiệu suất cao, có thể đạt từ 90 - 95%
- Lực ma sát gần như không phụ thuộc vào tốc độ chuyển động nên đảm bảo chuyển động ở những vận tốc nhỏ
- Hầu như không có khe hở trong mối ghép và có thể tạo ra lực căng ban đầu, đảm bảo độ cứng vững hướng trục cao
Vít me đai ốc bi được ưa chuộng trong các máy cần truyền động thẳng chính xác, như máy khoan và các thiết bị điều khiển chương trình số, nhờ vào những ưu điểm vượt trội của chúng.
Giữa các rãnh của đai ốc và vít me, các viên bi được đặt để chuyển đổi ma sát trượt thành ma sát lăn, giúp chúng di chuyển liên tục Máng nghiêng giúp dẫn các viên bi từ rãnh cuối về rãnh đầu một cách hiệu quả.
Rãnh của vít me - đai ốc bi được chế tạo dạng cung nửa vòng tròn hoặc rãnh vòm
Hình 3.11: Vít me đai ốc bi
Hình 3.12: Kết cấu vít me đai ốc bi
Để điều chỉnh khe hở giữa vít me và đai ốc bi, sử dụng đai ốc kép Đặt vòng căng giữa hai đai ốc Khi xiết chặt vít, các rãnh của đai ốc sẽ tiếp xúc với bề mặt bi, giúp khử khe hở và tạo lực căng ban đầu hiệu quả.
Truyền động đai
Bộ truyền đai là một trong những hệ thống truyền động cơ khí lâu đời và phổ biến nhất hiện nay, với nhiều loại đai khác nhau như đai thang, đai dẹt và đai răng Ưu điểm của bộ truyền đai bao gồm khả năng truyền động hiệu quả, dễ dàng thay thế và bảo trì, cũng như khả năng hoạt động trong nhiều điều kiện khác nhau.
- Truyền động giữa các trục xa nhau
- Làm việc êm và không ồn do độ bền và dẻo của đai, do đó có thể truyền động với vận tốc cao
- Tránh cho cơ cấu không có sự dao động nhờ vào sự trượt trơn của đai khi quá tải
- Kết cấu và vận hành đơn giản
- Hiệu suất bộ truyền thấp
Hình 3.13: Cơ cấu điều chỉnh khe hở vít me - đai ốc bi
- Tỷ số truyền thay đổi do sự trượt đàn hồi giữa bánh đai và đai
- Kích thước bộ truyền lớn
- Tải trọng tác dụng lên trục lớn do phải căng đai ban đầu.
Kết luận
Chương này trình bày những lý thuyết cơ bản về các thành phần trong kết cấu máy, từ đó tạo nền tảng cho việc lựa chọn và thiết kế máy trong các dự án sau này.
27
Các phương án thiết kế kết cấu máy
4.2.1 Phương án 1: Truyền động Cartesian – XZ
- Trong kết cấu này bàn in sẽ dịch chuyển theo phương Y, đầu phun sẽ dịch chuyển theo phương XZ
- 2 trục XY sử dụng bộ truyền đai, trục Z sử dụng bộ truyền vít me - đai ốc Ưu điểm của kết cấu này là:
- Kết cấu đơn giản, dễ thi công
- Chi phí rẻ, độ cứng vững tương đối cao
Nhược điểm của nó là:
- Độ chính xác của mẫu in không cao
- Do bàn in di chuyển nên dễ làm cho những lớp in đầu tiên dễ bị dịch chuyển làm sai lệch mẫu in
- Do khối lượng các cơ cấu di động lớn nên quán tính lớn, dễ rung động
4.2.2 Phương án 2: Sử dụng kết cấu robot delta, dùng truyền động đai Ưu điểm của kết cấu này là:
- Các kết cấu di động nhỏ nên quán tính máy nhỏ, di chuyển êm
- Độ cứng cứng khá cao, có thể in được vật có chiều cao lớn
- Độ chính xác và thời gian in nhanh hơn kết cấu Cartesian – XZ
Nhược điểm của nó là:
- Khổ máy lớn, gây khó khăn cho quá trình di chuyển
- Khó căn chỉnh bàn máy
- Giá thành cao hơn mẫu máy sử dụng kết cấu Cartesin – XZ
4.2.3 Phương án 3: Truyền động Cartesian – XY
- Trong kết cấu này bàn in sẽ dịch chuyển theo phương Z, đầu phun nhựa dịch chuyển theo phương XY
- 2 trục XY sử dụng bộ truyền đai theo cơ cấu CoreXY, trục Z sử dụng bộ truyền vít me đai ốc
28 Ưu điểm của kết cấu này:
- Kết cấu đơn giản, dễ lắp đặt
- Có thể in với tốc độ cao hơn so với kết cấu Cartesian – XZ và tương đương với kết cấu delta
- Các kết cấu di động nhỏ nên quán tính nhỏ, máy hoạt động êm hơn
- Độ chính xác tương đương hoặc cao hơn máy delta
Nhược điểm của kết cấu này:
- Khó căn chỉnh bàn in
- Kích thước máy có thể hơi lớn và cồng kềnh
4.2.4 Phương án 4: Sử dụng tay máy Scara, dùng truyền động hộp số của động cơ
- XY Ưu điểm của kết cấu này:
- Không chiếm diện tích không gian
- Kết cấu máy vững chắc, đảm bảo độ cứng vững cao
Nhược điểm của kết cấu này:
- Kết cấu máy phức tạp
- Đòi hỏi cần phải có độ chính xác cơ khí cao
- Thiết lập bộ điều khiển cho máy phức tạp
- Giá thành hơi đắt so với những máy truyền thống
Dựa trên những ưu và nhược điểm của các kết cấu đã phân tích cùng với ý kiến của Thầy Đoàn Tất Linh, tôi đã quyết định lựa chọn phương án 4, sử dụng tay máy dạng Scara với hệ thống truyền động hộp số giảm tốc cho động cơ - XY.
- Tính toán thiết kế truyền động cho cánh tay Scara
- Tính toán thiết kế truyền động vít me - đai ốc cho trục Z
- Thiết kế, gia công các chi tiết máy
- Lựa chọn, tính toán phần điện
4.5 Thiết kế bàn máy Đối với kết cấu bàn máy dành cho máy in 3D dạng Scara, do không chịu tải trọng lớn nên bàn máy được thiết kế bằng Vuông 3 nhằm tiết kiệm về giá cả và dễ dàng thi công
Bàn máy là bộ phận quan trọng, chịu lực lớn nhất và đảm bảo độ chính xác của máy nên yêu cầu độ chính xác khi gia công cao
Yêu cầu phải đảm bảo về kích thước của các thanh vuông, độ vuông góc khi lắp ghép
Thép vuông định hình được cắt bằng máy cắt sắt với dung sai 1 - 2mm Các thanh vuông được nối với nhau bằng phương pháp hàn hồ quang
Chân máy được lắp thêm 4 chân đế cao su nhằm làm giảm rung động khi máy hoạt động
Hình 4.2: Bản vẽ khung máy
4.6 Thiết kế cụm cơ khí trục Z
Trục Z là trục di chuyển ít nhất trong quá trình làm việc, nhưng lại đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm Yếu tố này liên quan đến thông số chiều dày của lớp in, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bóng và dung sai kích thước chiều cao của chi tiết.
Thông thường đối với trục Z ta có thể sử dụng truyền động vít me - đai ốc, vít me - đai ốc bi, truyền động đai
- Truyền động đai có ưu điểm là kết cấu nhỏ gọn, hoạt động êm, dễ thiết kế nhưng trục Z chuyển động lên xuống sẽ dễ gây trượt đai
- Truyền động vít me - đai ốc bi được sử dụng trên trục Z do truyền động có hiệu suất cao, ít gây ra hiện tượng trượt, vận hành êm
Từ đó ta chọn cụm cơ khí truyền động trục Z bằng Vít me - Đai ốc bi kết hợp truyền động đai
4.6.1 Tính toán truyền động vít me - đai ốc bi trục Z
- Khối lượng bàn in: m = 1 kg
- Vận tốc di chuyển tối đa: V2 = 20 mm/s
- Vận tốc di chuyển khi in: V1 = 5 mm/s
- Gia tốc tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 2 mm/s 2
- Tốc độ vòng quay của động cơ: N = 1000 vòng/phút
- Thời gian làm việc: Tl = 21900 h (5 năm, 12h mỗi ngày)
Lựa chọn kiểu lắp trục vít: Có 3 kiểu lắp trục vít thường được sử dụng là kiểu fixed - fixed, fixed - support, fixed - free
Hình 4.4: Chân đế cao su Hình 4.3: Hàn hồ quang
Kiểu fixed – fixed hai đầu vít me được thiết kế để đảm bảo độ cứng vững cao và khả năng chịu tải trọng lớn, giúp giảm thiểu rung động của trục Z Tuy nhiên, kiểu lắp này có kết cấu phức tạp và khó khăn trong quá trình lắp đặt.
Kiểu lắp fixed - support với một đầu vít me gắn ổ bi có độ cứng vững thấp hơn so với kiểu fixed - fixed, đồng thời cho khả năng chịu tải ở mức trung bình.
Kiểu lắp đặt fixed - free một đầu vitme cho phép tự do di chuyển, có kết cấu đơn giản và dễ dàng lắp đặt Tuy nhiên, kiểu này chỉ chịu tải trọng thấp tương đương với kiểu fixed - support, đồng thời độ cứng vững cũng thấp hơn so với kiểu fixed - fixed.
Hình 4.5: Kiểu lắp vít me fixed - fixed
Hình 4.6: Kiểu lắp vít me fixed - support
Hình 4.7: Kiểu lắp vít me fixed - free
Kết luận: Đối với kết cấu máy in dạng Scara trục Z không chịu tải lớn nên ta chọn trục vít me - đai ốc bi dạng fixed - free
Quy trình tính toán lựa chọn vít me có thể thể hiện qua sơ đồ sau:
Chọn kiểu lắp vít me
Chọn kiểu lắp vít me
Tính toán vít me - đai ốc
Tính toán vít me - đai ốc
Tính sơ bộ bước vít me
Tính sơ bộ bước vít me
Tính lực và tải trọng
Tính lực và tải trọng
Tính chiều dài - bán kính vít me
Tính chiều dài - bán kính vít me
Lực dọc trục Lực dọc trục
Tải trọng tĩnh Tải trọng tĩnh
Tải trọng động Tải trọng động
Lựa chọn vít me - đai ốc
Lựa chọn vít me - đai ốc
Tuổi thọ vít me Tuổi thọ vít me
Tốc độ quay cho phép
Tốc độ quay cho phép Độ dịch do thay đổi nhiệt độ Độ dịch do thay đổi nhiệt độ
Khi lựa chọn trục vít me, độ chính xác của vít me là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng làm việc Để xác định cấp độ chính xác, có thể tham khảo trong catalog của nhà sản xuất Mô hình này sử dụng vít me bi của hãng PMI, với yêu cầu độ chính xác ±0,1/300mm, cấp chính xác C7 là lựa chọn phù hợp để đáp ứng yêu cầu.
Tính toán bước vít dựa vào công thức:
𝑁 𝑚𝑎𝑥 Trong đó: Vmax là vận tốc lớn nhất (mm/s); Nmax là tốc độ vòng quay lớn nhất (vòng/s)
Ta chọn bước ren : 𝑃 𝐵 = 10 𝑚𝑚 Điều kiện làm việc và các thông số được tính chọn
Hình 4.8: Quy trình lựa chọn vít me
𝐹 𝑎 = 𝜇 𝑊 𝑦 = 0,1.10.1 = 1𝑁 Tính toán lực dọc trục:
Lực dọc trục trung bình: 𝐹 𝑚𝑎𝑥 = 𝐹 𝑎1 = 12𝑁
𝑓 𝑠 là hệ số bền tĩnh, đối với máy thông thường 𝑓 𝑠 = 1,2~2 chon 𝑓 𝑠 = 2
Fmax lực lớn nhất tác dụng lên vít me
Với bước ren 𝑃 𝐵 = 10 𝑚𝑚, số vòng quay danh nghĩa là:
𝑓 𝑤 là hệ số tải, trục z di chuyển với tốc độ v < 15 (m/phút) nên lấy 𝑓 𝑤 = 1,2 Tải trọng động tính được:
Chọn đường kính trục vít:
Tổng chiều dài trục vít = khoảng dịch chuyển + chiều dài đai ốc + khoảng thoát
Kiểu lắp là fixed - free 𝑓 = 1,8
Chọn vít me có đường kính 16mm
10 6 1 60.1000= 23337,15ℎ Tốc độ quay cho phép:
270 2 10 7 = 988 (𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡) Độ dịch do thay đổi nhiệt độ
𝜌 là hệ số dãn nở khi thay đổi nhiệt độ (12𝜇𝑚/𝑚℃)
𝜃 là nhiêt độ thay đổi của trục vít
L là chiều dài trục vít
Như vậy thời gian hoạt động và số vòng quay đều đạt yêu cầu
4.6.2 Chọn động cơ trục Z Để lựa chọn động cơ bước phù hợp cần căn cứ vào: momen tải quy đổi, momen quán tính, số vòng quay tối đa
Ta có các thông số ban đầu:
- Khối lượng của đầu in: m = 1kg
- Hệ số ma sát của thiết bị dẫn hướng: 𝜇 = 0.05
- Đường kính của trục vít: D = 16mm
- Tổng chiều dài của trục vít L = 270mm
- Hiệu suất, đối với vítme bi có hiệu suất là 95%
- Vật liệu : Thép không gỉ
- Góc nghiêng của cơ cấu: 𝛼 = 90°
Nđm > Nmax: tốc độ định mức của động cơ lớn hơn tốc độ yêu cầu của vit me
Tđm > T: momen định mức động cơ lớn hơn momen cần thiết
𝐽 𝑚 ≥ 2: trong đó Jm là momen quán tính định mức của động cơ
Xác định công xuất động cơ: t ct
Pct: công suất cần thiết (kW)
Pt: công suất tính toán (kW) η: hiệu suất truyền động
Trường hợp tải trọng không đổi:
Plv: công suất làm việc (kW) V: vận tốc tải (m/s)
FK: lực kéo (N) Với F K F ms
Tổng khối lượng vật nặng cần tải: 𝑚 = 1 𝑘𝑔
Chọn hệ số an toàn: 1,75 s 4.9.0, 2 3
Trong đó: f : tần số dịch chuyển bước 2800 ɵ : góc bước
Tính được tốc độ quay của động cơ: 𝑛 = 𝑓.𝜃
Để chọn động cơ bước phù hợp, ta cần xem xét các tiêu chí như giá cả và độ chính xác của motor Động cơ bước mã 42H47HM - 0504A - 18 là một lựa chọn lý tưởng với thông số kỹ thuật đáng chú ý.
- Momen quán tính: Jm = 72.10 -4 (g.cm 2 )
- Thông số kích thước của motor:
Lựa chọn bạc dẫn hướng LHFRDM16 do chiều dài của bạc độ tuyến tính cao hơn, giảm độ rung lắc khi di chuyển
Hình 4.9: Bản vẽ động cơ bước
Hình 4.10: Bạc dẫn hướng LHFRDM16
Hình 4.11: Thông số kích thước bạc dẫn hướng
4.6.4 Lựa chọn bộ truyền Đối với truyền động trục XY ta lựa chọn bộ truyền đai răng do kết cấu bộ truyền đơn giản, hoạt động êm, có tính giảm chấn, dễ thay thế
Một số kiểu đai thường được sử dụng trong máy in 3D như đai T2,5, T5, MXL, … Đai gờ hình thang Đai gờ hình tròn
Ký hiệu Bước đai p, mm Ký hiệu Bước đai p, mm
Chất lượng in của các loại đai này phụ thuộc vào khả năng điều chỉnh căng đai Hơn nữa, những loại đai này được thiết kế chủ yếu để truyền chuyển động quay, không tối ưu cho truyền động tuyến tính trong máy in 3D, do đó không tính toán đến hiện tượng khe hở khi động cơ đảo chiều.
Bảng 4.1: Một số loại đai
Hình 4.12: Biên dạng đai răng
Để cải thiện hiệu suất truyền động tuyến tính, chúng ta nên chọn đai GT2, được thiết kế đặc biệt cho mục đích này Đai GT2 cùng với bánh đai được chế tạo đồng bộ, giúp hạn chế hiện tượng khe hở và đảm bảo chất lượng truyền động Mặc dù có thể sử dụng đai GT3, nhưng loại đai này thường khó tìm trên thị trường Việt Nam.
Lựa chọn pulley GT2 – 20 răng
4.7 Thiết kế cơ khí cụm trục XY
Thông số cụm trục XY:
- Chiều dài làm việc: Sx = 225 mm, Sy = 125 mm
- Vận tốc tối đa: V2 = 150 mm/s
- Vận tốc khi in: V1 = 100 mm/s
- Thời gian hoạt động: Tl!900 h (5 năm, 12h mỗi ngày)
- Tốc độ động cơ: N = 1500 (vòng/phút)
4.7.1 Kết cấu truyền động trục XY
Kết cấu truyền động của Scara này thực chất là một biến thể của truyền động theo tọa độ Dercasrte
4.7.2 Tính toán lựa chọn động cơ cụm trục XY
Xác định công xuất động cơ: t ct
Pct: công suất cần thiết (kW)
Pt: công suất tính toán (kW)
Hình 4.13: Đai GT2 và pulley Hình 4.14: Thông số đai GT2
Trường hợp tải trọng không đổi:
Plv: công suất làm việc (kW)
Tổng khối lượng vật nặng cần tải: 𝑚 = 15𝑘𝑔
Chọn hệ số an toàn: 1,75 s 73,5.0, 2 3
Ta chọn động cơ có chỉ số: 57BYGH 311-01
Trong đó: f : tần số dịch chuyển bước 2800 ɵ : góc bước
Tính được tốc độ quay của động cơ: 𝑛 = 𝑓.𝜃
4.8 Thiết kế và gia công các chi tiết
4.8.1 Danh sách các chi tiết gia công
STT Tên chi tiết Số lượng
Bảng 4.2: Các chi tiết gia công
4.8.2 Danh sách các Bulong lắp ráp
STT Tên Bulong Số lượng Vật liệu
Bảng 4.3: Các bulong lắp ráp
4.8.3 Danh sách các cụm lắp ráp, phân rã
STT Tên cụm Hình ảnh lắp Hình ảnh phân rã
Bảng 4.4: Các cụm lắp ráp
4.9.1 Cụm tời nhựa Để nhựa được cung cấp liên tục cần phải có 1 cơ cấu để kéo sợi nhựa một cách liên tục Bộ tời nhựa được điều khiển bởi một động cơ bước Động cơ bước quay làm quay bánh răng gắn trên động cơ sẽ đẩy sợi nhựa xuống bộ phận gia nhiệt
4.9.2 Đầu phun gia nhiệt Đầu phun là nơi nung nóng sợi nhựa và đùn nhựa ra tạo mẫu in Hầu hết các bộ phận ở đầu phun đều được chế tạo bằng hợp kim nhôm để đảm bảo tính tản nhiệt tốt Đầu phun gồm có các bộ phận:
Khối tản nhiệt có vai trò quan trọng trong việc giảm nhiệt độ ở vùng đầu phun, giúp ngăn chặn tình trạng nhựa bị chảy lỏng trước khi được phun ra Điều này không chỉ hạn chế việc tắc nghẽn đầu phun mà còn bảo đảm chất lượng sản phẩm nhựa.
Lõi dẫn nhựa đóng vai trò quan trọng trong việc định hướng sợi nhựa vào đầu phun một cách chính xác Thường được chế tạo từ nhôm, lõi này có lớp lót bằng nhựa teflon nhằm dẫn hướng và cách nhiệt hiệu quả cho sợi nhựa.
Thiết kế bàn máy
Bàn máy cho máy in 3D dạng Scara được thiết kế bằng Vuông 3, giúp tiết kiệm chi phí và dễ dàng thi công do không phải chịu tải trọng lớn.
Bàn máy là bộ phận quan trọng, chịu lực lớn nhất và đảm bảo độ chính xác của máy nên yêu cầu độ chính xác khi gia công cao
Yêu cầu phải đảm bảo về kích thước của các thanh vuông, độ vuông góc khi lắp ghép
Thép vuông định hình được cắt bằng máy cắt sắt với dung sai 1 - 2mm Các thanh vuông được nối với nhau bằng phương pháp hàn hồ quang
Chân máy được lắp thêm 4 chân đế cao su nhằm làm giảm rung động khi máy hoạt động
Hình 4.2: Bản vẽ khung máy
Thiết kế cụm cơ khí trục Z
Trục Z là trục di chuyển ít nhất trong quá trình làm việc, nhưng lại có vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm Nó ảnh hưởng trực tiếp đến thông số chiều dày của lớp in, từ đó tác động đến độ bóng và dung sai kích thước chiều cao của chi tiết.
Thông thường đối với trục Z ta có thể sử dụng truyền động vít me - đai ốc, vít me - đai ốc bi, truyền động đai
- Truyền động đai có ưu điểm là kết cấu nhỏ gọn, hoạt động êm, dễ thiết kế nhưng trục Z chuyển động lên xuống sẽ dễ gây trượt đai
- Truyền động vít me - đai ốc bi được sử dụng trên trục Z do truyền động có hiệu suất cao, ít gây ra hiện tượng trượt, vận hành êm
Từ đó ta chọn cụm cơ khí truyền động trục Z bằng Vít me - Đai ốc bi kết hợp truyền động đai
4.6.1 Tính toán truyền động vít me - đai ốc bi trục Z
- Khối lượng bàn in: m = 1 kg
- Vận tốc di chuyển tối đa: V2 = 20 mm/s
- Vận tốc di chuyển khi in: V1 = 5 mm/s
- Gia tốc tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 2 mm/s 2
- Tốc độ vòng quay của động cơ: N = 1000 vòng/phút
- Thời gian làm việc: Tl = 21900 h (5 năm, 12h mỗi ngày)
Lựa chọn kiểu lắp trục vít: Có 3 kiểu lắp trục vít thường được sử dụng là kiểu fixed - fixed, fixed - support, fixed - free
Hình 4.4: Chân đế cao su Hình 4.3: Hàn hồ quang
Kiểu fixed – fixed hai đầu vitme được cố định mang lại độ cứng vững cao và khả năng chịu tải trọng lớn, giúp giảm rung động của trục Z Tuy nhiên, kiểu lắp này có kết cấu phức tạp và khó khăn trong quá trình lắp đặt.
Kiểu fixed - support một đầu vít me được gắn ổ bi có độ cứng vững thấp hơn so với kiểu fixed - fixed, đồng thời khả năng chịu tải của nó ở mức trung bình.
Kiểu lắp đặt fixed - free một đầu vít me cho phép tự do di chuyển, có kết cấu đơn giản và dễ dàng lắp đặt Tuy nhiên, kiểu này chỉ chịu được tải trọng thấp, tương tự như kiểu fixed - support, và độ cứng vững của nó thấp hơn so với kiểu fixed - fixed.
Hình 4.5: Kiểu lắp vít me fixed - fixed
Hình 4.6: Kiểu lắp vít me fixed - support
Hình 4.7: Kiểu lắp vít me fixed - free
Kết luận: Đối với kết cấu máy in dạng Scara trục Z không chịu tải lớn nên ta chọn trục vít me - đai ốc bi dạng fixed - free
Quy trình tính toán lựa chọn vít me có thể thể hiện qua sơ đồ sau:
Chọn kiểu lắp vít me
Chọn kiểu lắp vít me
Tính toán vít me - đai ốc
Tính toán vít me - đai ốc
Tính sơ bộ bước vít me
Tính sơ bộ bước vít me
Tính lực và tải trọng
Tính lực và tải trọng
Tính chiều dài - bán kính vít me
Tính chiều dài - bán kính vít me
Lực dọc trục Lực dọc trục
Tải trọng tĩnh Tải trọng tĩnh
Tải trọng động Tải trọng động
Lựa chọn vít me - đai ốc
Lựa chọn vít me - đai ốc
Tuổi thọ vít me Tuổi thọ vít me
Tốc độ quay cho phép
Tốc độ quay cho phép Độ dịch do thay đổi nhiệt độ Độ dịch do thay đổi nhiệt độ
Khi lựa chọn trục vít me, độ chính xác của vít me là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng làm việc Để xác định cấp độ chính xác, bạn có thể tham khảo trong catalogue của nhà sản xuất Đối với mô hình này, vít me bi của hãng PMI được sử dụng, và với yêu cầu độ chính xác ±0,1/300mm, cấp chính xác C7 là lựa chọn phù hợp để đáp ứng yêu cầu.
Tính toán bước vít dựa vào công thức:
𝑁 𝑚𝑎𝑥 Trong đó: Vmax là vận tốc lớn nhất (mm/s); Nmax là tốc độ vòng quay lớn nhất (vòng/s)
Ta chọn bước ren : 𝑃 𝐵 = 10 𝑚𝑚 Điều kiện làm việc và các thông số được tính chọn
Hình 4.8: Quy trình lựa chọn vít me
𝐹 𝑎 = 𝜇 𝑊 𝑦 = 0,1.10.1 = 1𝑁 Tính toán lực dọc trục:
Lực dọc trục trung bình: 𝐹 𝑚𝑎𝑥 = 𝐹 𝑎1 = 12𝑁
𝑓 𝑠 là hệ số bền tĩnh, đối với máy thông thường 𝑓 𝑠 = 1,2~2 chon 𝑓 𝑠 = 2
Fmax lực lớn nhất tác dụng lên vít me
Với bước ren 𝑃 𝐵 = 10 𝑚𝑚, số vòng quay danh nghĩa là:
𝑓 𝑤 là hệ số tải, trục z di chuyển với tốc độ v < 15 (m/phút) nên lấy 𝑓 𝑤 = 1,2 Tải trọng động tính được:
Chọn đường kính trục vít:
Tổng chiều dài trục vít = khoảng dịch chuyển + chiều dài đai ốc + khoảng thoát
Kiểu lắp là fixed - free 𝑓 = 1,8
Chọn vít me có đường kính 16mm
10 6 1 60.1000= 23337,15ℎ Tốc độ quay cho phép:
270 2 10 7 = 988 (𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡) Độ dịch do thay đổi nhiệt độ
𝜌 là hệ số dãn nở khi thay đổi nhiệt độ (12𝜇𝑚/𝑚℃)
𝜃 là nhiêt độ thay đổi của trục vít
L là chiều dài trục vít
Như vậy thời gian hoạt động và số vòng quay đều đạt yêu cầu
4.6.2 Chọn động cơ trục Z Để lựa chọn động cơ bước phù hợp cần căn cứ vào: momen tải quy đổi, momen quán tính, số vòng quay tối đa
Ta có các thông số ban đầu:
- Khối lượng của đầu in: m = 1kg
- Hệ số ma sát của thiết bị dẫn hướng: 𝜇 = 0.05
- Đường kính của trục vít: D = 16mm
- Tổng chiều dài của trục vít L = 270mm
- Hiệu suất, đối với vítme bi có hiệu suất là 95%
- Vật liệu : Thép không gỉ
- Góc nghiêng của cơ cấu: 𝛼 = 90°
Nđm > Nmax: tốc độ định mức của động cơ lớn hơn tốc độ yêu cầu của vit me
Tđm > T: momen định mức động cơ lớn hơn momen cần thiết
𝐽 𝑚 ≥ 2: trong đó Jm là momen quán tính định mức của động cơ
Xác định công xuất động cơ: t ct
Pct: công suất cần thiết (kW)
Pt: công suất tính toán (kW) η: hiệu suất truyền động
Trường hợp tải trọng không đổi:
Plv: công suất làm việc (kW) V: vận tốc tải (m/s)
FK: lực kéo (N) Với F K F ms
Tổng khối lượng vật nặng cần tải: 𝑚 = 1 𝑘𝑔
Chọn hệ số an toàn: 1,75 s 4.9.0, 2 3
Trong đó: f : tần số dịch chuyển bước 2800 ɵ : góc bước
Tính được tốc độ quay của động cơ: 𝑛 = 𝑓.𝜃
Khi lựa chọn động cơ bước, cần xem xét các tiêu chí như giá cả và độ chính xác Động cơ bước mã 42H47HM - 0504A - 18 là một lựa chọn phù hợp dựa trên những tiêu chí này Động cơ này có thông số kỹ thuật 60 = 84 (vòng/phút), đáp ứng nhu cầu sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau.
- Momen quán tính: Jm = 72.10 -4 (g.cm 2 )
- Thông số kích thước của motor:
Lựa chọn bạc dẫn hướng LHFRDM16 do chiều dài của bạc độ tuyến tính cao hơn, giảm độ rung lắc khi di chuyển
Hình 4.9: Bản vẽ động cơ bước
Hình 4.10: Bạc dẫn hướng LHFRDM16
Hình 4.11: Thông số kích thước bạc dẫn hướng
4.6.4 Lựa chọn bộ truyền Đối với truyền động trục XY ta lựa chọn bộ truyền đai răng do kết cấu bộ truyền đơn giản, hoạt động êm, có tính giảm chấn, dễ thay thế
Một số kiểu đai thường được sử dụng trong máy in 3D như đai T2,5, T5, MXL, … Đai gờ hình thang Đai gờ hình tròn
Ký hiệu Bước đai p, mm Ký hiệu Bước đai p, mm
Chất lượng in của các loại đai này phụ thuộc vào khả năng điều chỉnh căng đai Ngoài ra, những loại đai này được thiết kế chủ yếu để truyền chuyển động quay, không phải để tối ưu cho truyền động tuyến tính trong máy in 3D, do đó không tính đến hiện tượng khe hở khi động cơ đảo chiều.
Bảng 4.1: Một số loại đai
Hình 4.12: Biên dạng đai răng
Để khắc phục vấn đề truyền động tuyến tính, nên lựa chọn đai GT2, được thiết kế và chế tạo đồng bộ, giúp hạn chế khe hở và đảm bảo chất lượng truyền động Mặc dù có thể sử dụng đai GT3, nhưng loại đai này khó tìm trên thị trường Việt Nam.
Lựa chọn pulley GT2 – 20 răng.
Thiết kế cơ khí cụm trục XY
Thông số cụm trục XY:
- Chiều dài làm việc: Sx = 225 mm, Sy = 125 mm
- Vận tốc tối đa: V2 = 150 mm/s
- Vận tốc khi in: V1 = 100 mm/s
- Thời gian hoạt động: Tl!900 h (5 năm, 12h mỗi ngày)
- Tốc độ động cơ: N = 1500 (vòng/phút)
4.7.1 Kết cấu truyền động trục XY
Kết cấu truyền động của Scara này thực chất là một biến thể của truyền động theo tọa độ Dercasrte
4.7.2 Tính toán lựa chọn động cơ cụm trục XY
Xác định công xuất động cơ: t ct
Pct: công suất cần thiết (kW)
Pt: công suất tính toán (kW)
Hình 4.13: Đai GT2 và pulley Hình 4.14: Thông số đai GT2
Trường hợp tải trọng không đổi:
Plv: công suất làm việc (kW)
Tổng khối lượng vật nặng cần tải: 𝑚 = 15𝑘𝑔
Chọn hệ số an toàn: 1,75 s 73,5.0, 2 3
Ta chọn động cơ có chỉ số: 57BYGH 311-01
Trong đó: f : tần số dịch chuyển bước 2800 ɵ : góc bước
Tính được tốc độ quay của động cơ: 𝑛 = 𝑓.𝜃
Thiết kế và gia công các chi tiết
4.8.1 Danh sách các chi tiết gia công
STT Tên chi tiết Số lượng
Bảng 4.2: Các chi tiết gia công
4.8.2 Danh sách các Bulong lắp ráp
STT Tên Bulong Số lượng Vật liệu
Bảng 4.3: Các bulong lắp ráp
4.8.3 Danh sách các cụm lắp ráp, phân rã
STT Tên cụm Hình ảnh lắp Hình ảnh phân rã
Bảng 4.4: Các cụm lắp ráp
Bộ phận đùn nhựa
4.9.1 Cụm tời nhựa Để nhựa được cung cấp liên tục cần phải có 1 cơ cấu để kéo sợi nhựa một cách liên tục Bộ tời nhựa được điều khiển bởi một động cơ bước Động cơ bước quay làm quay bánh răng gắn trên động cơ sẽ đẩy sợi nhựa xuống bộ phận gia nhiệt
4.9.2 Đầu phun gia nhiệt Đầu phun là nơi nung nóng sợi nhựa và đùn nhựa ra tạo mẫu in Hầu hết các bộ phận ở đầu phun đều được chế tạo bằng hợp kim nhôm để đảm bảo tính tản nhiệt tốt Đầu phun gồm có các bộ phận:
Khối tản nhiệt có vai trò quan trọng trong việc giảm nhiệt độ tại khu vực đầu phun, giúp ngăn chặn tình trạng nhựa bị chảy lỏng trước khi phun Điều này không chỉ hạn chế tắc nghẽn đầu phun mà còn bảo vệ chất lượng sản phẩm nhựa, tránh hiện tượng tràn nhựa gây ảnh hưởng tiêu cực.
Lõi dẫn nhựa có vai trò quan trọng trong việc định hướng sợi nhựa vào đầu phun một cách chính xác Thường được chế tạo từ nhôm, lõi dẫn này còn được lót bằng ống nhựa teflon, giúp dẫn hướng hiệu quả và cách nhiệt cho sợi nhựa.
Cục nóng trong máy in 3D bao gồm điện trở gốm và cảm biến nhiệt độ, có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh nhiệt độ nóng chảy của nhựa Đây là bộ phận có nhiệt độ cao nhất, vì vậy cần thực hiện các biện pháp an toàn để tránh tiếp xúc trực tiếp Để tăng hiệu quả quá trình nung chảy nhựa, cục nóng thường được bọc bằng lớp băng keo cách nhiệt nhằm ngăn chặn sự thoát nhiệt ra ngoài.
Đầu phun là yếu tố quyết định kích thước của nhựa lỏng khi phun ra, với kích thước từ 0,1 mm đến 0,5 mm Kích thước đầu phun ảnh hưởng đến độ dày của lớp in, với đầu phun nhỏ cho phép lớp in mỏng hơn Tuy nhiên, đầu phun nhỏ cũng dễ bị tắc nghẽn hoặc tràn nhựa nếu chất lượng không đảm bảo.
Cục nóng gia nhiệt
Khối tản nhiệt Sợi nhựa
Hình 4.16: Kết cấu đầu phun nhựa
Vật liệu chính sử dụng trong máy in 3D là sợi nhựa nguyên chất, không pha tạp, vì sợi nhựa tái chế thường chứa tạp chất như cát, sạn và bụi bẩn, dễ gây tắc nghẽn đầu phun và ảnh hưởng đến chất lượng mẫu in Sợi nhựa tiêu chuẩn có hai đường kính chính là 1,75 mm và 3 mm, với dung sai khoảng ± 0,05 mm Đường kính sợi nhựa cần phải đồng đều, vì nếu có chỗ thu hẹp hoặc lớn bất thường, sẽ gây khó khăn cho đầu phun trong việc kéo sợi nhựa vào, dẫn đến tắc nghẽn và giảm hiệu suất in.
Có 2 loại vật liệu thường được sử dụng trong các máy in 3D FDM hiện nay là nhựa ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) và nhựa PLA (Polylactic Acid)
Nhựa ABS là loại nhựa nhiệt dẻo có cơ tính tốt và nhiệt độ in cao, thường lớn hơn 230°C Tuy nhiên, việc in ở nhiệt độ cao có thể gây cong vênh và gãy sản phẩm, do đó cần thiết kế hệ thống hỗ trợ để giảm thiểu hiện tượng này Một nhược điểm khác là các lớp đầu tiên thường không kết dính tốt với bàn in do nguội quá nhanh Ngược lại, nhựa PLA, có nguồn gốc tự nhiên, thân thiện và không độc hại, nhưng lại giòn và dễ gãy trong quá trình in Nhiệt độ in của nhựa PLA thấp, chỉ từ 190°C.
210 0 C nên quá trình in dễ dàng hơn so với nhựa ABS.
Tính toán thiết kế phần điện
Để máy in hoạt động hiệu quả, cần có hệ thống điện cung cấp nguồn năng lượng và bộ phận điều khiển để gửi lệnh thực hiện cho các thiết bị như động cơ bước, cụm tời nhựa và đầu phun nhựa.
Khối nguồn Phần điều khiển
Các cơ cấu chấp hành
Khối nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống máy in 3D Để đảm bảo máy in hoạt động ổn định, nguồn cấp điện cần phải duy trì mức điện áp và dòng điện ổn định.
Hình 4.17: Sơ đồ hệ thống điện - điều khiển
Khi chọn bộ nguồn cho máy in 3D, bạn có hai lựa chọn: nguồn tổ ong hoặc nguồn LITEON Để đảm bảo sự phù hợp, cần xem xét các thiết bị trong mạch điện và thông số về điện áp cũng như dòng điện yêu cầu của các linh kiện Việc này giúp bạn chọn được nguồn nuôi thích hợp cho máy in 3D của mình.
Dưới đây là một số linh kiện điện tử và điện áp yêu cầu của các linh kiện đó:
Linh kiện Số lượng Thông số
Để đảm bảo cung cấp đủ điện áp và dòng cho động cơ cùng các thiết bị khác trong máy, chúng ta cần chọn bộ nguồn 12V - 5A, phù hợp với dải điện áp hoạt động từ 6V - 24V của các thiết bị điện.
Khi so sánh nguồn tổ ong và nguồn LITEON, nguồn tổ ong cung cấp điện áp 12V và cường độ dòng điện 30A, trong khi nguồn LITEON chỉ có điện áp 12V và cường độ dòng điện 7,5A Mặc dù bộ nguồn tổ ong có hiệu suất cao hơn, nhưng giá thành của nó lại cao hơn so với bộ nguồn LITEON Do đó, lựa chọn hợp lý hơn là sử dụng nguồn LITEON 12V - 7,5A.
Phần điều khiển có những nhiệm vụ là :
- Cấp xung, điều khiển chuyển động của động cơ bước các cánh tay và trục Z
- Điều khiển nhiệt độ đầu phun nhựa
Hình 4.18: Nguồn tổ ong Hình 4.19: Nguồn LITEON
Bảng 4.5: Một số linh kiện điện
- Điều khiển bộ tời nhựa
- Điều khiển quạt làm mát đầu phun, quạt làm mát sản phẩm
Board điều khiển máy in 3D Scara sử dụng Arduino Mega 2560 vì tính dễ sử dụng, phù hợp cho cả người không chuyên Board này phổ biến và dễ tìm kiếm, với ngôn ngữ lập trình dễ hiểu và phần cứng kết nối thuận tiện.
Driver Công tắc hành trình Động cơ bước Đầu phun nhựa
Hình 4.20: Sơ đồ khối các linh kiện điện tử
Board mạch Arduino Mega 2560 là một vi xử lý mạnh mẽ, lý tưởng cho việc phát triển các ứng dụng tương tác Được xây dựng trên nền tảng vi xử lý ATmega 2560 8bit, board mạch này sở hữu 54 chân digital I/O và 16 chân analog input, cùng với bộ tạo dao động 16MHz, mang lại khả năng kết nối và xử lý tín hiệu hiệu quả.
Có thể sử dụng nguồn thông qua cổng USB hoặc nguồn DC từ 6 đến 20V
Thông số kỹ thuật của Board mạch Arduino mega 2560:
Vi xử lý Atmega 2560 Điện áp hoạt động 5V Điện áp vào (khuyên dùng) 7 - 12V Điện áp vào (tối đa) 6 - 20V
Dòng điện trên các chân I/O 20mA
Bộ nhớ Flash 256 KB (8 KB cho bootloader)
Vi điều khiển Arduino Mega 2560 cho phép lập trình và flash code dễ dàng thông qua phần mềm Arduino IDE, sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++ Ngôn ngữ lập trình này tương đối đơn giản và dễ hiểu, ngay cả với những người không chuyên về vi điều khiển Phần mềm Arduino IDE có giao diện trực quan, thân thiện với người dùng, cùng với hệ thống thư viện và mã nguồn phong phú, giúp quá trình sử dụng trở nên thuận tiện hơn.
Bảng 4.6: Thông số board Arduino Mega 25
Để kết nối các thiết bị ngoại vi như driver và công tắc hành trình, ta có thể nối dây trực tiếp vào board vi điều khiển Tuy nhiên, với số lượng driver và dây nối nhiều, dễ xảy ra sai sót trong kết nối, dẫn đến mạch điện không hoạt động và có nguy cơ cháy board Arduino Hơn nữa, việc có quá nhiều dây nối cũng ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ của hệ thống.
Một giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề kết nối giữa board vi điều khiển và các thiết bị khác là sử dụng board giao tiếp trung gian Các board trung gian phổ biến bao gồm RAMPS, Melzi và Generation, giúp tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu và nâng cao hiệu suất hoạt động.
Hình 4.22: Giao diện phần mềm Arduino IDE
Hình 4.23: Board MKS Hình 4.24: Board RAMPS
Mỗi loại board mạch đều có những ưu điểm riêng, vì vậy việc lựa chọn board mạch phù hợp cần xem xét các yếu tố như giá thành, khả năng hỗ trợ, khả năng mở rộng, tính tiện lợi khi lắp đặt và độ phổ biến Kết hợp các yếu tố này sẽ giúp bạn chọn được board mạch phù hợp cho máy Trong số các board kết nối phổ biến, board RAMPS nổi bật với khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu trên.
RAMPS là một board mạch nhỏ gọn và giá rẻ, được thiết kế để kết nối các thiết bị điện cho máy in 3D Board này có các plug-in tương thích với driver cho động cơ bước, cho phép mở rộng dễ dàng Linh kiện trên board có thể thay thế dễ dàng khi gặp hư hỏng RAMPS giao tiếp với board Arduino Mega 2560, mang lại nền tảng mạnh mẽ và khả năng mở rộng tốt Thiết kế của board mạch giúp việc kết nối và lắp đặt với các thiết bị khác trở nên thuận tiện.
Thông số kỹ thuật của Board mạch RAMPS 1.4:
Tương thích với máy in 3D theo tọa độ Dercartes
Có khả năng mở rộng với các thiết bị ngoại vi khác
Có 3 mosfet cho quạt tản nhiệt và bộ gia nhiệt, 3 mạch điều khiển nhiệt độ
Cấp dòng cho bàn nhiệt 11A
Hỗ trợ điều khiển trục Z 2 trục
Hỗ trợ LCD SD Card Báo tín hiệu bằng LED khi gia nhiệt
Hỗ trợ kết nối servo với các chân I2C và SPI giúp mở rộng board mạch một cách dễ dàng Tất cả các chân mosfet được kết nối với chân PWM, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Hỗ trợ kết nối USB chuẩn B
Bảng 4.7: Thông số board RAMPS 1.4
Driver là một bộ phận thiết yếu trong việc điều khiển động cơ bước, hoạt động như một mạch phân phối xung và cung cấp điện cho động cơ Trong các máy in 3D hiện nay, hai loại driver phổ biến được sử dụng là A4988 và DRV8825.
Hình 4.25: Sơ đồ nguyên lý board RAMPS
Hình 4.26: Driver DRV8825 Hình 4.27: Driver A4988
So sánh giữa A4988 và DRV8825:
Sự phổ biến Phổ biến rộng Phổ biến
Giá thành 6,8 USD/5PCS 10 USD/5PCS
Màu PCB Đỏ/xanh Tím
Biến trở Gần chân Dir Gần chân En
Giá trị trở Rs 0.05 Ohm
Bảo vệ quá nhiêt Có Có
Sau khi lặp bản so sánh và kinh nghiệm người đi trước thì Driver A4988 là phù hợp do driver này phổ biến và giá thành rẻ hơn
- Driver A4988 có giải điện áp hoạt động từ 8V - 35V
- Dòng trung bình (RMS): 1A, dòng đỉnh: 2A
- Có 5 độ phân giải khác nhau: đủ bước, nửa bước, 1/4, 1/8, 1/16
Bảng 4.8: So sánh driver A4988 và DRV882
Driver A4988 có chế độ lựa chọn vi bước khác nhau tùy vào 3 chân MS1, MS2,
MS3 Tùy vào kiểu số chân MS nối với VCC khác nhau ta có thể điều khiển với các vi bước khác nhau
MS1 MS2 MS3 Vi bước
Không nối Không nối Không nối Đủ bước
VCC Không nối Không nối Nửa bước
Không nối VCC Không nối 1/4
Để kết nối các chân MS với VCC trên board RAMPS, bạn cần cắm các jumper theo hình vẽ Để sử dụng chế độ vi bước lớn nhất 1/16, hãy kết nối 3 jumper vào board mạch.
Bảng 4.9: Thiết lập các chế độ điều khiển khiển
Hình 4.29: Vị trí kết nối driver
Hình 4.30: Công tắc hành trình
Phần mềm điều khiển
Phần mềm điều khiển máy in cho phép người dùng vận hành máy mà không cần màn hình LCD, đồng thời mang lại sự thuận tiện trong các thao tác vận hành thủ công.
Phần mềm điều khiển mang lại sự tiện lợi trong việc vận hành máy, cho phép thực hiện các thao tác đơn giản hơn so với việc sử dụng LCD Trong khi LCD chỉ có khả năng điều khiển di chuyển các trục và gia nhiệt, phần mềm điều khiển không chỉ thực hiện những thao tác này mà còn cho phép người dùng nhập thủ công các lệnh Gcode, phục vụ cho các quy trình như kiểm tra máy và căn chỉnh bàn in.
Có nhiều phần mềm điều khiển máy in 3D như Cura, Repertier Host, Pronterface … Trong đồ án, sử dụng phần mềm Cura
Phần mềm pronterface là phần mềm miễn phí có ưu điểm là dung lượng phần mềm nhỏ, giao diện trực quan, dễ sử dụng
Hình 4.38: Giao diện phần mềm Cura
Phần mềm CAM là công cụ quan trọng trong việc cắt lớp mẫu 3D và tạo đường chạy nhựa, sau đó xuất ra file Gcode Trong số các phần mềm CAM phổ biến cho máy in 3D, Cura được sử dụng rộng rãi nhờ vào nhiều thông số thiết lập và khả năng tối ưu hóa đường chạy nhựa, từ đó nâng cao chất lượng mẫu in.
4.12.1 Các thông số cơ bản khi thiết lập Basic chế độ in
Hình 4.39: Giao diện phần mềm Cura
Hình 4.40: Thiết lập Layer height
Layer height là độ cao của mỗi lớp lên chi tiết cho đến khi hoàn thành Tùy theo cách thiết lập layer height thường có ba mức 0.1, 0.2 và 0.3
Layer height càng nhỏ thì chi tiết in càng đẹp
Shell thickness: Bề dầy thành của chi tiết, tùy theo hiệu chỉnh mà thiết lập 0.4,
0.8, 1.2 … Chú ý tùy theo mỗi kim phun mà thiết lập sẽ khác nhau
Khi sử dụng kim phun có đường kính 0.4, chỉ có thể thiết lập các giá trị như 0.4, 0.8, v.v Nếu đường kính kim phun giảm xuống còn 0.35, thì sell thickness sẽ được điều chỉnh tương ứng với các giá trị như 0.35, 0.7, 10.5, và nhiều hơn nữa.
Hình 4.41: Minh họa thiết lập Layer height
Hình 4.42: Thiết lập Shell thickness
Bottom thickness: Số lớp của của mặt đáy chi tiết, như trong hình mỗi lớp lên là 0.2 mà bottom thickness 1 vì vậy số lớp của mặt đáy là 5 lớp
Top thickness: Số lớp của của mặt trên chi tiết, như trong hình mỗi lớp lên là
0.2 mà top thickness 1 vì vậy số lớp của mặt trên là 5 lớp
Hình 4.43: Minh họa thiết lập Shell thickness
Hình 4.44: Thiết lập Bottom thickness/ Top thickness
Fill density: Là phần trăm điền đầy của chi tiết, phần trăm càng lớn thì bên trong điền đầy càng nhiều
Hình 4.45: Minh họa thiết lập Bottom thickness/ Top thickness
Hình 4.46: Thiết lập Fill density
Hình 4.47: Minh họa thiết lập Fill density
Hình 4.48: Thiết lập các thông số in
Hình 4.49: Minh họa thiết lập Support type
Hình 4.50: Minh họa thiết lập Platfom adhesion type
4.12.2 Các thông số cơ bản khi thiết lập Advanced chế độ in
Các kiểu chạy nhựa
Cura cung cấp khá nhiều đường chạy nhựa khác nhau để có thể lựa chọn đường chạy nhựa tối ưu cho từng loại mẫu in khác nhau
Một số kiểu đường chạy đầu phun nhựa:
Hình 4.52: Kiểu rectilinear Hình 4.53: Kiểu line
Hình 4.55: Kiểu honeycomb Hình 4.54: Kiểu concentric
Mỗi kiểu chạy nhựa đều có ưu điểm và nhược điểm riêng
Kiểu rectilinear và kiểu line có sự tương đồng trong cách chạy, nhưng kiểu line cho phép các đường chạy nhựa liên kết với nhau, giúp giảm thời gian di chuyển Ngược lại, kiểu rectilinear không có sự liên kết giữa các đường chạy, dẫn đến việc tốn thêm thời gian cho khoảng chạy không in.
Kiểu hilbertcure cho các đường chạy nhựa có nhiều khúc gấp, do đó không nên vận hành với tốc độ cao Bởi vì quán tính và gia tốc tại những vị trí này khá lớn, điều này có thể ảnh hưởng đến máy móc và chất lượng mẫu in.
Các kiểu honeycomb, archimedeanchords và 3dhoneycomb là những thiết kế chạy nhựa tối ưu cho lớp bên trong, cho phép in ấn với tốc độ cao hơn.
Kiểu rectilinear, linear và concentric thường được ưa chuộng cho các lớp đáy và lớp phía trên của mẫu in nhờ vào tính thẩm mỹ cao Bên cạnh đó, những kiểu này không yêu cầu tốc độ in cao, do đó rất phù hợp để sử dụng.
Hình 4.57: Kiểu archimedeanchords Hình 4.56: Kiểu hibertcurve
Hình 4.58: Kiểu octagramspirals Hình 4.59: Kiểu 3dhoneycomb
