1. Thiết kế tổng thể................................................................................................................ 33
2. Thiết kế tổng thể phần cơ khí.......................................................................................... 33
3. Thiết kế tổng thể hệ thống điểu khiển............................................................................ 34
4. Mô tả hoạt động của thiết bị............................................................................................ 35
5. Một số yêu cầu đối với thiết bị........................................................................................ 35
6. Thiết kế chi tiết.................................................................................................................. 37
7. Thiết kế chi tiết phần cơ khí............................................................................................ 37
8. Tính toán lựa chọn các thành phần của máy.................................................................. 41
9. Tổ hợp bộ điều khiển........................................................................................................ 44
10. Nguyên lý của bộ điều khiển......................................................................................... 44
11. Mạch điều khiển.............................................................................................................. 45
12. Mạch công suất................................................................................................................ 45
CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM......................................................................... 48
1. Chế tạo, lắp ráp các thành phần của thiết bị.................................................................. 48
1.1. Chế tạo…………………………………………………………………………..……..……48
1.2. Lắp ráp……………………………………………………………….………………………48
2. Kết nối các thành phần của thiết bị................................................................................ 53
3. Kết nối phần cứng............................................................................................................. 53
4. Thiết lập các thông số phần mềm.................................................................................... 54
5. Thử nghiệm thiết bị........................................................................................................... 58
KẾT LUẬN............................................................................................................................. 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................................65
GIỚI THIỆU
1. Đặt vấn đề
Trên thế giới, công nghệ tạo mẫu nhanh đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Các thiết bị tạo mẫu nhanh thường được gọi là máy in 3D (3D printer). Máy in 3D được chế tạo theo nhiều phương pháp khác nhau như: SLA (Stereolithgraphy), SLS (Selective Laser Sintering), FDM (Fused Deposition Modelling).
Ở Việt Nam, máy in 3D và sản phẩm in 3D đang được nghiên cứu và từng bước áp dựng trong nhiều lĩnh vực. Trong các trường đại học, việc sử dụng máy in 3D để chế tạo các mô hình học tập, chế tạo nhanh các mẫu từ các thiết kế để kiểm tra kích thước, hình dáng, sản xuất nhanh một số sản phẩm, … đang là nhu cầu cấp bách. Do đó, việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo máy in 3D ở Việt Nam là 1 vấn đề cấp thiết.
Từ thực tế trên, chúng em lựa chọn đề xuất đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP/SLA” làm đồ án tốt nghiệp. Phương pháp DLP/SLA là phương pháp tạo mẫu nhanh với tốc độ cao và độ chính xác cao.
2. Mục đích của đề tài
Mục đích của đề tài là nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo 01 thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP/SLA ứng dụng trong đào tạo về công nghệ RE/RP, chế tạo nhanh các sản phẩm mẫu hoặc sản xuất nhanh ra các sản phẩm từ các thiết kế 3D trên máy tính.
3. Bố cục đề tài
Thuyết minh đề tài gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh.
Chương 2: Thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP/SLA. Chương 3: Tính toán, thiết kế thiết bị.
Chương 4: Chế tạo và thử nghiệm.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH
1. Khái niệm và ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh
1.1. Khái niệm chung
Tạo mẫu nhanh (còn gọi là in 3D) là công nghệ tạo trực tiếp vật thể (mẫu, khuôn, sản phẩm) từ mô hình 3D trên máy tính. Vật thể 3D được tạo bằng cách xếp chồng từng lớp vật liệu tương ứng với các lớp cắt cách đều nhau. Hình dạng của mỗi lớp được xác định trực tiếp từ mô hình CAD 3D.
Sản phẩm tạo mẫu nhanh được dùng với nhiều mục đích khác nhau như: sử dụng làm mẫu thử nghiệm, quảng cáo (Rapid Prototyping); sử dụng làm khuôn, lõi (Rapid Tooling) hoặc là chi tiết dùng ngay (Rapid Manufacturing).
1.2. Ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh
Các máy tạo mẫu nhanh còn gọi là máy in 3D sử dụng phổ biến trong nhiều lịch vực của đời sống xã hội. Dưới dây là 1 số ứng dụng nổi bật của máy in 3D.
2. Phân loại công nghệ và thiết bị tạo mẫu nhanh
2.1. Quy trình công nghệ chung
Quá trình tạo mẫu nhanh một chi tiết trải qua 5 bước cơ bản. Trong đó, 3 bước đầu là chung cho tất cả các công nghệ tạo mẫu nhanh.
Bước 1: Tạo mô hình CAD 3D (trực tiếp từ CAD hoặc RE). Bước 2: Chuyển dữ liệu CAD thành dạng dữ liệu *STL.
Bước 3: Cắt dữ liệu STL thành từng lớp với chiều dày xác định, tạo các lớp cắt.
Bước 4: Tạo hình (điền vật liệu) theo từng lớp tương ứng (về hình dạng, chiều dày) với các lớp trong mô hình.
Bước 5: Hậu xử lý: bỏ xương đỡ (nếu có), làm sạch, làm chắc (nếu cần).
2.2. Một số công nghệ điển hình
Hiện nay có nhiều công nghệ tạo mẫu khác nhau, trong đó có 1 số công nghệ điển hình:
1- Stereolithography (STL, SLA): công nghệ đông đặc vật liệu lỏng.
2- Selective Laser Sintering (SLS): công nghệ thiêu kết bằng laser.
3- Fused Deposition Modeling (FDM): công nghệ nung chảy vật liệu rắn thành dạng lỏng và phun vật liệu lỏng.
4- Three-Dimensional Printing (3-DP): công nghệ in 3 chiều.
5- Laminated Object Manufacturing (LOM): công nghệ tạo hình từ vật liệu dạng tấm.
CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ TẠO MẪU NHANH THEO CÔNG NGHỆ DLP/SLA
1. Nguyên lý hoạt động của thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP/SLA
1.2. Thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ SLA
a) Thiết bị
Thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ SLA bao gồm:
1) Thùng chứa vật liệu. Vật liệu sử dụng là các chất lỏng cảm quang (photopolymer resin).
2) Bàn đỡ: Được ngâm trong thùng chứa, cách bề mặt chất lỏng 1 lớp mỏng tạo thành màng chất lỏng trên bề mạt tấm đỡ.
3) Nguồn sáng (Laser, UV) làm đông cứng vật liệu ở vị trí chiếu.
4) Hệ thống quét X-Y: Điều khiển chùm sáng chiếu đến toàn bộ biên dạng của lớp cắt.
c) Khả năng công nghệ
- Độ chính xác cao so với các phương pháp tạo mẫu nhanh khác.
- Sản phẩm tạo ra có tính chất dẻo, chịu nhiệt kém, cơ tính không cao, thường dùng làm vật mẫu.
- Vật liệu đắt tiền hơn so với vật liệu cho thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM, một số vật liệu chưa đông cứng có thể độc hại với môi trường.
- Quá trình in cần xương đỡ cho chi tiết.
1.2. Công nghệ xử lý hình ảnh kỹ thuật số DLP
Máy chiếu nói chung có thể phân loại theo hai công nghệ, DLP (Digital Light Processing) hay LCD (Liquid Crystal Display). Công nghệ này liên quan đến cơ chế hoạt động bên trong mà máy chiếu sử dụng để hiển thị hình ảnh.
Công nghệ DLP (Digital Light Processing) là giải pháp hiển thị kỹ thuật số. Công nghệ DLP sử dụng một vi mạch bán dẫn quang học, gọi là Digital Micromirror Device (DMD) để tái tạo dữ liệu nguồn.
3.Tìm hiểu về vật liệu tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP/SLA
3.1. Nguyên lý đông đặc của vật liệu
Vật liệu được sử dụng cho thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP/SLA là các vật liệu cảm quang (photopolymer).
Vật liệu cảm quang là một vật là một loại polyme có khả năng thay đổi thuộc tính của khi tiếp xúc với ánh sáng, tia Laser. Những thay đổi này thường được biểu hiện về mặt cấu trúc, ví dụ vật liệu lỏng hóa cứng khi tiếp xúc với ánh sáng. Hình 2.6 là một ví dụ về việc thay đổi cấu trúc của vật liệu dưới tác dụng của tia UV. Ở trạng thái bình thường, các phân tử trong vật liệu dạng lỏng không liên lết với nhau. Dưới tác dụng của tia UV, quá trình polyme hóa diễn ra làm thay đổi trạng thái của vật liệu.
3.2. Một số vật liệu thường dùng
a) Vật liệu MakerJuice G+
G + là một loại vật liệu cảm quang thông dụng. G+ có thời gian đông cứng nhanh, độ nhớt thấp, độ cứng của chi tiết in cao. G+ được đông cứng dưới ánh sáng tia UVA, UVB, UVC với bước sóng lên tới 420nm. Nó có thể được đông cứng bởi một máy chiếu DLP, một nguồn UV laser hoặc UV LED.
b) Vật liệu Spot – E
Spot - E là vật liệu cảm quang sử dụng trong các thiết bị tạo mẫu nhanh DLP/SLA. Vật liệu này có đổ dẻo cao. Vật liệu này được đông cứng dưới ánh sáng UVA, UVB, UVC. Nó có thể được đông cứng bởi một máy chiếu DLP, một nguồn UV laser hoặc UV LED.
4. Một số phần mềm hỗ trợ
4.1. Phần mềm Creation Workshop
Phần mềm Creation Workshop (gọi tắt là phần mềm CW) là một phần mềm hỗ trợ thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP/SLA. Phần mềm có một số tính năng cơ bản sau:
- Xử lý mô hình CAD 3D.
- Cắt lớp mô hình CAD 3D.
- Tạo vật liệu đỡ cho đối tượng in.
- Kết nối và điều khiển máy chiếu qua cổng RS232.
- Kết nối với mạch điều khiển để điều khiển động cơ qua cổng USB.
- Hỗ trợ cho máy in theo công nghệ DLP/SLA.
4.2. Phần mềm Kudo 3D Titan
Phần mềm Kudo 3D Titan là một phần mềm hỗ trợ thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP/SLA. Phần mềm có khả năng nhận dữ liệu cắt lớp dạng hình ảnh và chương trình NC từ các phần mềm cắt lớp (ví dụ phần mềm CW) và điều khiển quá trình in.
Phần mềm Kudo 3D Titan có 2 chế chính là: “Control” và “Print”.
- Control: Cho phép thiết lập phương thức kết nối giữa máy tính giữa máy tính và máy chiếu, máy tính và mạch điều khiển và cho phép điều khiển thủ công máy tính và máy chiếu.
- Printing: Cho phép thiết lập một số thông số cho quá trình in và quan sát quá trình in.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ
1. Thiết kế tổng thể
1.1. Thiết kế tổng thể phần cơ khí
Thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP/SLA được thiết kế bao gồm các thành phần chính như sau:
1- Khung máy:
2- Tấm gá máy chiếu và bộ điều khiển:
3- Máy chiếu DLP.
4- Thùng chứa vật liệu.
5- Trục chuyển động tịnh tiến (trục Z).
6- Động cơ dẫn động trục Z.
7- Bàn đỡ. 8 - Bàn in.
1.3. Mô tả hoạt động của thiết bị
Gọi chiều dày mỗi lớp cắt là Dlc (mm).
Gọi thời gian để đông cứng 1 lớp cắt là Tđc (s).
a.Tại vị trí ban đầu
- Mặt phẳng phía dưới của bàn in áp sát mặt trên của đáy thùng chứa vật liệu. Ví trí này được đặt là vị trí 0.
- Vật liệu in được đổ vào trong thùng chứa vật liệu. Máy chiếu đang ở chế độ tắt màn hình.
b. Bắt đầu hoạt động
- Máy tính sẽ gửi 1 lệnh thông qua cổng RS-232 đến máy chiếu để bật màn hình máy chiếu. Đồng thời, máy tính sẽ truyền hình ảnh của lớp cắt đầu tiên thông qua cổng HDMI sang màn hình máy chiếu. Hình ảnh của lớp cắt đầu tiên được chiếu lên đáy của thùng chứa vật liệu trong khoảng thời gian Tđc (s). Dưới tác dụng của tia UV, 1 lớp vật liệu sẽ bị đông cứng. Sau khoảng thời gian Tđc (s), máy tính sẽ gửi lệnh tắt màn hình máy chiếu.
- Sau khi tắt màn hình máy chiếu, máy tính gửi lệnh điểu khiển bàn in dịch chuyển lên một khoảng Dl (mm), rồi lại dịch chuyển xuống dưới một khoảng Dx (mm), sao cho hiệu khoảng cách của 2 lần dịch chuyển bằng chiều dày mỗi lớp cắt: Dl - Dx = Dđc
2. Thiết kế chi tiết
2.1. Thiết kế chi tiết phần cơ khí
a) Khung máy
Khung máy được thiết kế gồm 3 bộ phận chính
1- Các thanh nhôm định hình: có tiết diện 20 x 20 (mm).Thanh nhôm phối hợp với khớp nối tạo thành khung máy.
3- Tấm gá máy chiếu và bộ điều khiển: Dùng để gá đặt máy chiếu DLP và mạch điều khiển thiết bị.
b) Trục Z
Để đạt độ chính xác cao, trục Z sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc thường, được thiết kế bao gồm các bộ phận sau:
1- Tấm gá: để gá cố định trục Z vào khung máy. 2- Trục dẫn hướng:
3- Con trượt.
4- Trục vít me. 5- Đai ốc.
6- Động cơ dẫn động
7 - Khớp nối trục.
d) Bàn in
Bàn in là một tấm kim loại phẳng, một được gia công với độ bóng cao đảm bảo khả năng bám dính vật liệu, một mặt được khoan các lỗ để liên kết với bàn đỡ.
2.2. Tính toán lựa chọn các thành phần của máy
a) Chọn động cơ trục Z
Trong các máy in 3D, người ta thường sử dụng 2 loại động cơ là: động cơ bước và động cơ DC servo. Ưu điểm và nhược điểm của 2 loại động cơ được trình bày trong bảng 6.
b) Tính chọn công suất động cơ
Đối với thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP/SLA. Công suất động cơ được tính dựa vào khối lượng lớn nhất tác dụng lên cơ cấu dẫn động. Khối lượng lớn nhất tác động lên cơ cấu dẫn động (gọi là m) bằng tổng khối lượng của bệ đỡ, bàn in, …. Từ thiết kế kết cấu máy in, tính được khối lượng m = 3kg.
Thay số vào (4) được: TL = 36,3 mN.m
+ Như vậy, cần chọn động cơ có Tđc ≥ TL =36,3 mN.m
Từ kết quả tính toán, qua tìm hiểu các loại động cơ bước phổ biến trên thị trường, trong đề tài sử dụng động cơ bước Nema 17 42H40HM.
3. Tổ hợp bộ điều khiển
3.1. Nguyên lý của bộ điều khiển
Căn cứ vào thiết kế tổng thể hệ thống, xây dựng bộ điều khiển cho thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP/SLA .
3.2. Mạch điều khiển
a) Phần cứng
Sử dụng mạch ARDUINO MEGA 2560 R3.
b) Chương trình cho mạch điều khiển trung tâm
Chương trình cho mạch được viết trên phần mềm Arduino và được nạp cho mạch Mega 2560.
CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
1. Chế tạo, lắp ráp các thành phần của thiết bị
1.1. Chế tạo
Các chi tiết tiêu chuẩn được chọn theo bản thiết kế bao gồm:
- Thanh nhôm định hình: được cắt theo kích thước thiết kế.
- Ke vuông, bu lông, đai ốc. Các bộ phận được chế tạo:
- Các tấm gá trục Z.
- Vỏ máy.
1.2. Lắp ráp
Tiến hành lắp ráp theo các bước:
Bước 1: Lắp ráp phần khung máy.
Bước 2: Lắp đế cụm trục Z .
Bước 3: Lắp ráp cụm trục Z vào phần khung máy.
Bước 4: Lắp ráp cụm bàn đỡ và bàn in.
2. Kết nối các thành phần của thiết bị
2.1. Kết nối phần cứng
Các thiết bị được kết nối với nhau bởi các cáp kết nối theo sơ đồ
Sau khi kết nối theo sơ đồ trên, máy tính sẽ nhận 02 thiết bị giao tiếp qua cổng COM như hình 4.10. Trong đó, có 01 thiết bị kết nối với máy chiếu qua cổng RS-232 và 01 thiết bị kết nối với mạch điều khiển.
2.2. Thiết lập các thông số phần mềm
a) Thiết lập thông số cho phần mềm CW
Trong đồ án này, sử dụng phần mềm CW để cắt lớp mô hình CAD 3D, tạo chương trình NC để điều khiển động cơ trục Z và điều khiển quá trình in.
Trong thẻ Configure, chọn chế độ Configure Machine để thiết lập thông số cho máy chiếu.
a) Thiết lập thông số cho phần mềm Kudo 3D Titan
Phần mềm Kudo 3D có thể sử dụng dữ liệu cắt lớp từ các phần mềm cắt lớp (như phần mềm CW) để điều khiển quá trình in.
Để kết nối phần mềm Kudo 3D Titan với thiết bị, trong thẻ Control của phần mềm, lựa chọn các cổng COM kết nối với máy chiếu và máy tính. Sau khi kết nối, có thể sử dụng các nút bấm trên màn hình để điều khiển thiết bị.
Trong thẻ Print của phần mềm, chọn File> Load Model để tải các hình ảnh đã cắt lớp vào phần mềm. Các thông số cho quá trình in được thay đổi trên giao diện của phần mềm.
3. Thử nghiệm thiết bị
Tiến hành thử nghiệm thiết bị theo các bước sau.
Bước 1: Xây dựng mô hình CAD 3D. Mô hình CAD 3D của sản phẩm phẩm được xây dựng trên phần mềm thiết kế 3D hoặc sử dụng máy quét 3D để số hóa đối tượng.
Bước 3: Tải tập hình ảnh các lớp cắt vào phần mềm Kudo 3D Titan và thiết lập các thông số cho quá trình in.
Bước 5: Chỉnh cân bằng bàn in và máy chiếu, đưa bàn in về vị trí 0.
Bước 6: Đổ vật liệu in vào thùng chứa vật liệu.
Bước 8: Gỡ bỏ vật liệu hỗ trợ, làm sạch sản phẩm.
KẾT LUẬN
Sau hơn 3 tháng thực hiện đồ án, được sự hướng dẫn tận tình của các thầy tại Bộ môn Công nghệ thiết bị và Hàng không vũ trụ, đặc biệt là thầy giáo :………….. đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án đúng thời gian quy định. Kết quả đạt được của đồ án gồm:
1. Đã hoàn thành được nhiệm vụ đặt ra: Đó là thiết kế, chế tạo thành công 01 thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP/SLA đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.
2. Các nội dung cụ thể đã đạt được trong đề tài là:
- Tìm hiểu các phương pháp tạo mẫu nhanh, tập trung tìm hiểu cụ thể phương pháp và thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP/SLA.
- Thiết kế phần cơ khí thiết bị tạo mẫu nhanh DLP/SLA.
- Tổ hợp bộ điều khiển cho thiết bị
- Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm thiết bị. Thiết bị chạy đúng theo nguyên lý.
3. Hạn chế:
- Do chế tạo cơ khí chưa chính xác dẫn đến cơ cấu dẫn động trục Z bị dơ.
- Vật liệu in bị dính vào thùng chứa vật liệu, chưa dính được vào bàn in nên chưa in ra được sản phẩm hoàn thiện.
- Bàn in bị phản quang dẫn đến kết quả in không như mong muốn.
4. Phương án khắc phục:
- Thay bộ truyền động cho trục Z bằng bộ truyền vít me- đai ốc bi.
- Tìm vật liệu chế tạo thùng chưa vật liệu và bàn in phù hợp để vật liệu khi đông đặc dính vào được bàn in.
- Chế tạo bàn in có khả năng hấp thu ánh sáng để đạt được kết quả như mong muốn.
5. Kiến nghị: Đề tài thực sự đã mang lại cho chúng em kiến thức và kinh nghiệm quý báu. Thông qua đề tài, chúng em học được nhiều điều mới mẻ, có được cái nhìn tổng quan và sâu sắc hơn nhàng Cơ điện tử. Đây là cơ sở quan trọng trong công tác nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng CAD/CAM/CNC/RE/RP vào sản xuất hiện nay.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Chee Kai Chua, Kah Fai Leong; 3D Printing and Additive Manufacturing: Principles and Applications; World Scientific Publishing Company; 4 Pap/Cdr edition (October 13, 2014)
[2]. https://www.kudo3d.com/
[3]. http://www.envisionlabs.net/
[4]. https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560
[5]. http://reprap.org/wiki/Marlin
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"