ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ Nghiên cứu, thiết kế máy in nhựa 3D

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ

---

---

ĐỒ ÁN MƠN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ
Nghiên cứu, thiết kế máy in nhựa 3D

Giáo viên hướng dẫn

:

Sinh viên thực hiện

:

Nhóm - Khóa

:

Hà Nội - 2022

Hà Nội: 2020


Hà Nội: 2020

Hà Nội: 2020

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, máy in 3D được xem làHà
thiết
mới lại của nhân loại và đã khơng cịn
Nội:kế
2020
q xa lạ với giới chun mơn và người sử dụng trên toàn thế giới. Máy in 3D được
ứng dụng trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực như sản xuất mẫu công nghiệp, thiết
Hà Nội: 2020

kế nội thất, sản xuất tiêu dùng, giáo dục, thời trang… kể cả những lĩnh vực tưởng
chừng như không thể như y học, thẩm mỹ, công nghệ hàng không vũ trụ, quân sự.
Hà Nội: 2020

Trong thực tế, nhu cầu tiêu dùng của xã hội ngày càng cao, các sản phẩm ngày
càng được cải tiến về mẫu mã và chất lượng. Yêu cầu đó địi hỏi sự sáng tạo và cơng
Nội:
2020thử giúp việc chế tạo ít xảy ra sai sót
nghệ tiên tiến. Trong đó việc thiết kế vàHàlàm
mẫu

nâng cao chất lượng sản phẩm. Khi thiết kế sản phẩm, người thiết kế không thể lường
hết khả năng và tính ứng dụng của sảnHàphẩm
nếu khơng có mẫu thật để thử nghiệm.
Nội: 2020
Tuy nhiên bằng công nghệ in mẫu nhanh của máy in 3D cho phép chúng ta tạo được
sản phẩm thật bằng nhiều vật liệu chi phí thấp từ đó có thể khắc phục sai sót trước khi
Hà Nội: 2020

sản xuất hàng loạt.
Chính vì sựu hữu ích của máy in 3D mà việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo mơ
Hà Nội: 2020

hình máy in 3D để úng dụng vào học tập nghiên cứu là vô cùng cần thiết. Từ đó để
phát triển thêm nhóm quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế mô hình máy
Nội: 2020
in 3D tích hợp chạy tự động đa chươngHà
trình”.

Nhóm đề tài xin cảm ơn Th.S Trần Ngọc Tiến đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn
trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp
Hàvừa
Nội:qua.
2020Nhóm rất mong nhận được những ý
kiến đóng góp của thầy, cơ giáo và các bạn để hoàn thiện và phát triển thêm đề tà
Y

Hà Nội: 2020

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................................................1
Hà Nội: 2020

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG.........................................................................................4
1.1 Lịch sử nghiên cứu............................................................................................................4
Hà Nội: 2020
1.1.1 Định nghĩa..................................................................................................................4
1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển.................................................................................4
1.1.3 Phân loại cơng nghệ tạo mẫu nhanh...........................................................................5

Hà Nội: 2020

1.2 Các vấn đề đặt ra...............................................................................................................7
1.3 Đối tượng nghiên cứu........................................................................................................7
Hà Nội: 2020
1.4 Phương pháp thực hiện......................................................................................................8
1
Hà Nội: 2020


Hà Nội: 2020

Hà Nội: 2020

1.5 Dự kiến kết quả đạt được..................................................................................................8
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT...........................................................................................9
Hà Nội: 2020

2.1 Các yêu cầu đối với máy in 3D.........................................................................................9
2.2 Cấu tạo của máy in 3D......................................................................................................9
Hà Nội: 2020
2.2.1 Sơ đồ khối cấu tạo chung máy in 3D.............................................................................9
2.2.2 Phần cơ khí...............................................................................................................11
2.2.3 Phần điện..................................................................................................................14
Hà Nội: 2020
2.2.3 Phần mềm.................................................................................................................21

CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG................................23
3.1 Xây dựng mơ hình hệ thống cơ khí.................................................................................23
Hà Nội: 2020

3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống cơ khí.......................................................................................23
3.1.2 Tính tốn trục Z........................................................................................................25
3.1.3 Tính tốn trục Y........................................................................................................31
Hà Nội: 2020
3.1.4 Tính tốn trục X........................................................................................................34
3.2 Xây dựng mơ hình hệ thống điện điều khiển..................................................................37
3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển................................................................................37
Hà Nội: 2020
3.2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển....................................................................................39
3.3 Xây dựng giao diện, chương trình điều khiển.................................................................43
Hà Nội: 2020

Hà Nội: 2020
CHƯƠNG 1:
GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Lịch sử nghiên cứu
1.1.1 Định nghĩa

Hà Nội: 2020

Hà Nội: 2020

Hà Nội: 2020

Hình 1.1: Cơng nghệ in 3D

2

In 3D hay công nghệ tạo mẫu nhanh là một chuỗi các công đoạn khác nhau để
tạo ra một vật thể ba chiều. Trong in 3D, các lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau và
được định dạng dưới sự kiểm sốt của máy tính để tạo ra vật thể. Các đối tượng này có
thể có hình dạng bất kỳ và được tạo ra từ mơ hình 3D hoặc các nguồn dữ liệu điện tử
khác. Máy in 3D thật ra là một loại robot cơng nghiệp. Nó có nhiều cơng đoạn khác
nhau như in li-to lập thể (STL) hay mô hình hóa lắng đọng nóng chảy (FDM). Do đó
khơng giống một quy trình gia cơng loại bỏ vật liệu thơng thường, in 3D sản xuất đắp
dần một đối tượng ba chiều từ mơ hình thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính hoặc các tập
tin AFM, thường bằng cách thêm vật liệu theo từng lớp.
1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển
Năm 1981, Hideo Kodama của Viện nghiên cứu Công nghiệp thành phố Nagoya
đã phát minh ra phương pháp chế tạo mơ hình nhựa ba chiều. Sau đó, vào năm 1984,
Chuck Hull của Công ty Cổ phần Hệ thống 3D đã phát triển một hệ thống nguyên mẫu
dựa trên q trình này gọi là stereolithography trong đó các lớp được bổ sung bằng
cách lưu hóa giấy nến với ánh sáng cực tím laser. Hull định nghĩa q trình như một hệ
thống để tạo ra các đối tượng ba chiều bằng cách tạo ra một mơ hình mặt cắt của các
đối tượng được hình thành. Năm 1986, Hull và cơng ty của ông được cấp bằng sáng
chế và thương mại hóa chiếc máy in đầu tiên gọi là SLA-1.

3


Hình 1.2: Máy in 3D đầu tiên SLA-1
Năm 1988, cơng nghệ sử dụng mơ hình lắng đọng một ứng dụng đặc biệt của
phép đùn nhựa được phát triển bởi Scott Crump và được thương mại hóa bởi cơng ty
Stratasys của ông, đưa ra thị trường máy in FDM đầu tiên năm 1992. Đây cũng là công
nghệ được sử dụng cho hầu hết các máy in ngày nay [1].
Năm 1989: Dr. Carl Deckard phát triển và sản xuất máy in đầu tiên dùng công
nghệ SLS.
Năm 1991: Helisys bán chiếc máy đầu tiên dùng công nghệ LOM.

1.1.3 Phân loại công nghệ tạo mẫu nhanh
a, SLA (Stereolithography)
- Là kỹ thuật dụng tia laser làm đông cứng nguyên liệu lỏng để tạo lớp nối tiếp
cho đến khi sản phẩm hoàn tất, độ dày mỗi lớp nhỏ nhất có thể đạt đến 0,06 mm nên
rất chính xác.
4


Hình 1.3: Máy in 3D SLA
- Ưu điểm: Tạo mẫu có độ chính xác cao, bề mặt nhẵn có thể tạo ra các mẫu hình
phức tạp và kích thước lớn, sử dụng vật liệu nhựa dạng đục.
- Nhược điểm: máy móc dử dụng cơng nghệ này cồng kềnh hơn và đắt hơn so
với các công nghệ in 3D khác. Khi sử dụng cơng nghệ này để tạo mẫu địi hỏi một số
yêu cầu như cần phải bảo quản mẫu trong phòng tối để tránh ánh sáng mặt trời làm
cong vật liệu nhựa cảm quang tạo mẫu, yêu cầu sự bảo dưỡng và cần xử lý mẫu sau
khi in, ngoài ra mẫu có thể chứa một lượng nhựa độc hại trong một thời gian hữu hạn.
b, SLS (Select Laser Sintering)

Hình 1.4: Máy in 3D SLS
- Tương tự như SLA nhưng vật liệu ở dạng bột như bột thủy tinh, bột gốm sứ,
thép, titan, nhôm, bạc … Tia laser giúp liên kết các dạng bột với nhau. Đặc bệt bột
thừa sau quy trình có thể tái chế nên rất tiết kiệm.
- Ưu điểm: tạo mẫu đa dạng về màu sắc có thể tạo ra các mẫu hình dạng phức tạp
khơng cần sử dụng vật liệu hỗ trợ.
- Nhược điểm: phức tạp, chi phí đầu tư, chi phí vận hành cao.
5


c, FDM (Fused Deposition Manufacturing)

Hình 1.5: Máy in 3D FDM
- FDM dùng vật liệu dễ chảy như nhựa nhiệt dẻo. Đầu vịi phun gia nhiệt hóa dẻo
vật liệu sau đó phun lên bệ đỡ theo hình mặt cắt của vật mẫu theo từng lớp.
- Ưu điểm: Chi phí bảo dưỡng thấp, vật liệu in không độc hại, không cần sự giám
sát trong q trình in, các mẫu in có độ bền tốt có khả năng chịu nhiệt, chịu va đập lớn.
- Nhược điểm: độ chính xác khơng cao.
1.2 Các vấn đề đặt ra
Với mục tiêu là nghiên cứu, thiết kế mơ hình máy in 3D sử dụng cơng nghệ FDM
nên cần giải quyết các vấn đề sau:
Hệ thống cơ khí: thiết kế mơ hình cơ khí cần tối ưu phù hợp với mục đích và
cơng dụng. Dựa trên những mơ hình có sẵn trong thực tế để thiết kế tính toán sao cho
đạt được hiệu quả tốt nhất, dễ dàng lắp đặt khi thi công.
Hệ thống điều khiển: chọn lựa bo mạch điều khiển phù hợp với mơ hình thiết kế,
giá thành phù hợp với khả năng tài chính.
Tìm hiểu về phần mềm điều khiển máy in 3D: tìm hiểu các chức năng, thông số
cài đặt, thiết lập phần mềm để máy chạy ổn định tạo ra sản phẩm in tốt nhất.
1.3 Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu mơ hình máy in 3D ứng dụng công nghệ FDM là công nghệ tạo mẫu
bằng cách đùn nhựa nóng chảy rồi hóa rắn từng lớp tạo nên chi tiết dạng khối.

6


Đề tài được thực hiện trong phạm vi:
- Tính tốn hệ thống cơ khí.
- Sử dụng phần mềm Solidwork thiết kế hệ thống cơ khí.
- Thiết kế hệ thống điện điều khiển.
- Lưu đồ thuật toán điều khiển.
1.4 Phương pháp thực hiện
- Đề tài kết hợp nghiên cứu giữa lý thuyết và thực nghiệm trên mơ hình cụ thể.

- Nghiên cứu lý thuyết: tìm kiếm và tổng hợp các tài liệu liên quan đến đề tài.
Nghiên cứu lý thuyết tạo mẫu nhanh với công nghệ FDM. Tổng hợp tài liệu tính tốn
thiết kế cơ cấu truyền đọng đảm bảo độ chính xác, tối ưu hóa chuyển động.
- Thực nghiệm: thiết kế phần cơ khí, phần điện. Nạp chương trình điều khiển cho
hệ thống rồi hiệu chỉnh đưa ra đánh giá các thông số ổn định để làm việc.
1.5 Dự kiến kết quả đạt được
- Xây dựng bản vẽ hệ thống cơ khí và hệ thống điều khiển.
- Xây dựng hệ thống mơ hình điều khiển trên phần mềm.
- Xây dựng chương trình điều khiển đáp ứng được yêu cầu của đề tài.

7


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Các yêu cầu đối với máy in 3D
- Máy có kết cấu nhỏ gọn, vững chắc.
- Máy hoạt động ổn định, bền bỉ và chính xác
- Có thể phát huy tối đa sức sáng tạo trên nhiều loại nhựa khác nhau.
- Tiện lợi cho người sử dụng, dễ dàng điều khiển thiết lập thông số cho máy.
- Hệ thống điện – điện tử hoạt động ổn định và an tồn, điều khiển chính xác.

Hình 2.6: Máy in 3D
2.2 Cấu tạo của máy in 3D
2.2.1 Sơ đồ khối cấu tạo chung máy in 3D

8


Hình 2.7: Sơ đồ khối cấu tạo chung máy in 3D

9


2.2.2 Phần cơ khí
Bao gồm khung máy, bàn máy, cơ cấu truyền động của các trục và bộ đùn nhựa.
Bộ truyền là bộ truyền vitme – đai ốc và bộ truyền đai.
Đặc điểm truyền động trên các trục của máy in 3D là tải trọng tác dụng lên không
đáng kể nên việc thiết kế tương đối đơn giản, kết cấu các trục gọn nhẹ, các chi tiết lắp
ráp khơng địi hỏi khả năng chịu lực cao.
a, Khung máy
Khung máy của máy in 3D yêu cầu chắc chắn, không rung lắc khi gia công. Phần
khung của máy in được chia làm hai loại chính khung đơn và khung kiểu hộp. Tùy vào
từng loại khung chất liệu cấu thành cũng được thay đổi để đảm bảo máy có được độ
bền nhất định, vững chắc trong quá trình sử dụng.
Với khung đơn: Khung được lắp từ các tấm kim loại (thường là hợp kim nhôm)
hoặc gỗ được cắt từ máy laser hoặc máy cắt dây CNC, các tấm này thường có độ dày
từ 6 mm trở lên. Với khung kiểu hộp: kết cấu kiểu hộp được nhiều người sử dụng nhờ
rẻ tiền và tiện lợi.

Hình 2.8: Khung máy in 3D
b, Hệ thống truyền động cơ khí
Máy in 3D có ngun tắc chuyển động giống như một máy CNC 3 trục thông
thường với các chuyển động như sau:

10


Chuyển đông trục X di chuyển đầu phun nhựa di chuyển theo chiều ngang của
máy, chuyển động này đảm bảo kích thước theo chiều rộng của vật thể.
Chuyển động trục Y di chuyển bàn nhiệt tịnh tiến dọc theo máy chuyển động này

đảm bảo kích thước theo chiều dài của vật thể.
Chuyển động trục Z là chuyển động tịnh tiến lên xuống của đầu phun đảm bảo
kích thước theo chiều cao của vật thể.
 Truyền động vít me – đai ốc
Vít me – đai ốc là cơ cấu truyền động biến chuyển động quay thành chuyển động
tịnh tiến. Truyền động theo dạng này có hai loại là vít me – đai ốc và vít me – đai ốc
bi.

Hình 2.9: Vít me – đai ốc
Cơ cấu vít me – đai ốc có những đặc điểm sau:
- Độ chính xác truyền động tương đối, tỷ số truyền lớn.
- Truyền động êm, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn.
- Có thể truyển động nhanh với vít me có bước ren hoặc số vịng quay lớn.
- Hiệu suất truyền động thấp nên ít dùng để thực hiện những truyền động chính.
Kết cấu vít me – đai ốc:
- Ổ đỡ vit me: đảm bảo cho trục chuyển động với độ đảo hướng trục nhỏ, tránh
rung lắc.

11


- Đai ốc vit me: đai ốc dùng trong cơ cấu có chế độ làm việc ít, khơng u cầu độ
chính xác cao, giữa các ren có thể có độ hở nhất định. Ưu điểm của đai ốc liền là
đơn giản, giá thành thấp, có thể tự hãm ở mức độ nhất định.
Để giảm biến dạng của vít me có thể dùng những phương pháp sau:
- Khơng bố trí vít me ở ngồi thân máy mà bố trí ở trong nhằm giảm momen lật
của bàn máy.
- Sử dụng ổ đỡ để cố định vị trí của vít me và tránh rung lắc.
- Dùng gối đỡ treo phụ cho những vít me quá dài và nặng.
 Bộ truyền động đai

Bộ truyền đai là bộ truyền cơ khí được sử dụng sớm nhất và hiện nay vẫn được
sử dụng rơng rãi, có nhiều loại đai như đai thang, đai dẹt, đai răng ….

Hình 2.10: Truyền động đai
Bộ truyền đai có những ưu điểm sau:
- Kết cấu và vận hành đơn giản, dễ lắp đặt, thay thế khi có sự cố.
- Truyền động giữa 2 trục có khoảng cách xa.
- Làm việc êm và độ ồn thấp do độ bền và dẻo của đai do đó có thể truyền động
với vận tốc cao.
- Tránh cho cơ cấu khơng có sự dao động nhờ vào sự trượt trơn của đai khi quá
tải.
Tuy nhiên nó cũng tồn tại những nhược điểm như:
- Tuổi thọ đai thấp so với các bộ truyền khác.
- Hiệu suất bộ truyền thấp.
- Tải trọng tác dụng lên trục lớn do phải căng đai ban đầu.
Tỷ số truyền thay đổi do sự trượt đàn hồi giữa bánh đai và đai
c, Bộ đùn nhựa
12


Bộ đùn nhựa là một trong những phần quan trọng nhất trong máy. Bộ phận này
thực hiện 2 chức năng trong máy: Bộ tời nhựa cung cấp nhựa chạy liên tục, đầu phun
nhựa thực hiện chức năng nung chảy nhựa và đùn nhựa tạo nên mẫu in.

Hình 2.11: Bộ đùn nhựa
2.2.3 Phần điện
a, Hệ thống điều khiển
 Bộ xử lý trung tâm: Arduino Mega 2560
Các máy in 3D mini ngày này thường sử dụng bo mạch Arduino Mega 2560 để
điều khiển hoạt động, giúp cho người dùng thêm khả năng viết những chương trình

phức tạp. Do đó nhóm sử dụng bo mạch này làm bộ xử lý trung tâm.

Hình 2.12: Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 là một bo mạch thiết kế với bộ xử lí trung tâm là vi điều
khiển AVR ATMega2560. Cấu tạo chính của Arduino Mega 2560 bao gồm các phần
sau:

13


Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển.
Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để chuyển giữ liệu giữa vi điều khiển và máy
tính.
Jack nguồn: Để chạy Arduino chỉ có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưng
khơng phải lúc nào cũng có thể cắm từ máy tính. Lúc đó ta cần nguồn từ 9V đến 12V.
Có 54 chân digital (trong đó có 15 chân có thể sử dụng như những chân PWM là
từ chân số 2 đến 13 và chân 44, 45, 46).
Có 16 đầu vào tương tự analog (từ A0 đến A15), mỗi ngõ vào tương tự đều có độ
phân giải 10 bit (tức là 1024 giá trị khác nhau). Theo mặc định đo từ 0 đến 5 Volts.
Có 6 ngắt ngồi : chân 2 (interrupt 0), chân 3 (interrupt 1), chân 18 (interrupt 5),
chân 19 (interrupt 4), chân 20 (interrupt 3), và chân 21 (interrupt 2).
Các Mega 2560 có 256KB bộ nhớ flash để lưu trữ mã (trong đó có 8KB được sử
dụng cho bộ nạp khởi động), 8KB SRAM và 4KB EEPROM.
Vi điều khiển :
Đây là bộ xử lí trung tâm của tồn bo mạch. Với mỗi mấu Arduino khác nhau thì
con chip là khác nhau. Ở con Arduino Mega 2560 này thì sử dụng ATMega2560.
Bảng 2.1:Các thông số của Arduino Mega 2560
Vi xử lí:

5V

Điện áp hoạt động:

7-12V

Điện áp đầu vào:

6-20V

Chân vào/ra (I/O) số:

54 chân (15 chân là đầu ra PWM)

Chân vào tương tự:

16

Dòng điện trong mỗi chân
I/O:

40mA

Dòng điện chân nguồn 3.3V:

50mA

Bộ nhớ trong:

256KB

SRAM:

8KB

EEPROM:

4KB

Xung nhịp:

16MHz
14


 Board RAMPS 1.4:
RAMPS 1.4 là board mở rộng cắm trên Arduino Mega 2560 và dùng để điều
khiển các máy in 3D Reaprap cũng như các ứng dụng khác. RAMPS 1.4 có 5 khay
dung để lắp module điều khiển động cơ bước A4988, các mạch công suất điều khiển
các đầu đùn, bàn nhiệt,… của máy in 3D. Do được thiết kế theo các module, các máy
in 3D dung RAMPS 1.4 ln dễ dàng bảo trì, thay thế, sửa chữa và nâng cấp với chi
phí thấp.

Hình 2.13: Mạch RAMPS
1.4
Các tính năng nổi bật:
+ Dùng để điều khiển máy in 3D và các dạng robot 3 trục tịnh tiến.
+ Có thể mở rộng cho các phụ kiện điện tử khác.
+ Có 3 mạch công suất cho các đầu sấy, quạt, các mạch xử lí tín hiệu nhiệt điện trở
+ Có thể tích hợp thẻ nhớ.
+ Điều khiển bàn nhiệt.

+ Hiển thị trạng thái hoạt động bằng led.
+ Hỗ trợ tới 2 động cơ trục Z.
+ 6 ngõ digital được dung cho cảm biến đầu cuối của mỗi trục.
+ Cầu trì tự phục hồi 5A bảo vệ các phần tử trong mạch.
+ Các chân ngõ ra: PWM, ngõ ra số, nối tiếp, SPI, I2C và các ngõ ra analog.
 Driver điều khiển động cơ bước A4988
A4988 là driver điều khiển động cơ bước cực kỳ nhỏ gọn, hổ trợ nhiều chế độ
làm việc, điều chỉnh được dòng ra cho động cơ, tự động ngắt điện khi quá nóng.
A4988 hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động của động cơ bước lưỡng cực. Có nghĩa là có thể
điều khiển động cơ bước chỉ với 2 chân từ bộ điều khiển: một chân điều khiển hướng
15


quay và một chân điều khiển các bước. Các chế độ điều khiển bước: Đủ bước, nửa
bước, 1/4, 1/8 và 1/16 bước.

Hình 2.14: Driver A4988
Thơng số kĩ thuật:
+ Cơng suất ngõ ra lên tới 35V, dịng đỉnh 2A.
+ Có 5 chế độ: full bước, 1/2 bước, 1/4 bước, 1/8 bước, 1/16 bước.
+ Điều chỉnh dòng ra bằng chiết áp
+ Tự động ngắt điện khi quá nhiệt.
Sử dụng:
+ Bật tắt động cơ thông qua chân ENABLE, mức LOW là bật module, HIGH là tắt.
+ Điều khiển chiều quay của động cơ thông qua pin DIR.
+ Điều khiển bước của động cơ thông qua pin STEP, mỗi xung tương ứng với 1
bước hoặc vi bước.
 Bộ điều khiển, hiển thị LCD
Module LCD12864 Ramps 1.4 được thiết kế sử dụng với board RAMPS, có chức
năng làm bảng hiển thị và điều khiển máy in 3D.

Mạch có tích hợp khi cắm thẻ nhớ SD, điều khiển rotary encoder với nút bấm,
màn hình LCD cho phép cân chỉnh từ việc di chuyển các trục và nạp G-code trực tiếp
từ khi cắm thẻ SD.
Theo dõi nhiệt độ của bàn máy, đầu đùn, tốc độ quạt trên máy in 3D, hiệu chỉnh
máy in chạy ổn định.

16


Hình 2.15: Màn hình LCD
b, Bộ phận chấp hành
 Động cơ bước
Động cơ bước (stepper motor), thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến
đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các
chuyển động góc quay.

Hình 2.16: Động cơ bước Nema 17
Về cấu tạo động cơ bước gồm có các bộ phận là stato, roto là nam châm vĩnh cửu
hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở là những khối răng làm bằng vật liệu
nhẹ có từ tính, được điều khiển bởi bộ điều khiển bên ngồi. Động cơ bước và bộ điều
khiển được thiết kế sao cho động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng
như quay đến một vị trí bất kỳ nào.
Động cơ bước có thể sử dụng trong hệ thống điều khiển vịng hở đơn giản, hoặc
vịng kín, tuy nhiên khi sử dụng động cơ bước trong hệ điều khiển vòng hở khi quá tải,
tất cá các giá trị của động cơ đều bị mất và hệ thống cần nhận diện lại.
Một số đặc điểm của động cơ bước:
+ Động cơ bước hoạt động dưới tác dụng của các xung rời rạc và kế tiếp nhau. Khi
có dịng điện hay điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của động cơ bước làm cho roto
của động cơ quay một góc nhất định gọi là bước của động cơ.

17


+ Góc bước là góc quay của trục động cơ tương ứng với một xung điều khiển. Góc
bước được xác định dựa vào cấu trúc của động cơ bước và phương pháp điều khiển
động cơ bước.
+ Tính năng mở máy của động cơ được đặc trưng bởi tần số xung cực đại có thể
mở máy mà khơng làm cho roto mất đồng bộ.
Chiều quay động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ thuộc
vào thứ tự cấp xung cho các cuộn dây
 Đầu phun
Đầu phun có tác dụng nung nóng sợi nhựa đến nhiệt độ đủ để đùn nhựa tạo ra sản
phẩm. Các bộ phận ở đầu phun 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 nhiệm vụ giảm nhiệt độ ở vùng phía trên đầu phun nhằm hạn
chế nhựa bị chảy lỏng trước khi được phun ra làm tắc đầu phun nhựa. Bên trong khối
tản nhiệt có lõi dẫn nhựa giúp định hướng đường đi của sợi nhựa vào đúng đầu phun.
Lõi dẫn nhựa làm bằng nhựa teflon dùng để dẫn hướng và cách nhiệt cho sợi nhựa.
+ Cục nóng là khối nhơm tản nhiệt có lắp điện trở gốm có tác dụng gia nhiệt, cảm
biến nhiệt độ để báo nhiệt độ nung nóng nhựa. Đây là bộ phận nóng nhất trên đầu
phun có thể gây bỏng, do đó cần tránh tiếp xúc trực tiếp với bộ phận này.
+ Đầu phun là bộ phận quan trọng nhất trong cụm đùn nhựa, nơi định hình kích
thước của nhựa lỏng khi được phun ra. Trên thị trường, có loại đầu đùn với kích thước
từ 0,1 mm đến 0,5 mm. Với mỗi đầu phun khác nhau thì kích thước của mỗi lớp in
cũng khác nhau. Với đầu phun đường kính nhỏ thì sản phẩm tạo ra sẽ càng chính xác
tuy nhiên sẽ dễ xảy ra hiện tượng tắc nhựa và tốn nhiều thời gian, làm kém hiệu quả
kinh tế.

Hình 2.17: Đầu phun J Head

18


c, Cảm biến
 Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ là thành phần quan trọng trong máy in 3D. Các cảm biến giúp
điều khiển theo dõi nhiệt độ đầu đùn cũng như nhiệt độ bàn nhiệt. Cảm biến nhanh và
chính xác đảm bảo rằng nhiệt độ sẽ được kiểm soát tốt, giữ cho nhựa chảy trơn tru và
để tránh rủi ro. Nếu một trong hai nhiệt độ trên không được đo chính xác thì q trình
in sẽ khơng được như ý muốn, chất lượng sản phẩm in sẽ giảm, thậm chí khơng in
được.
Hiện nay các máy in 3D thường sử dụng giải pháp cảm biến nhiệt độ bằng các
nhiệt điện trở. Giải pháp này có ưu điểm giá thành rẻ trong khi đó nhiệt điện trở có độ
bền cao.
 Cơng tắc hành trình
Cơng tắc hành trình hay cịn gọi cơng tắc giới hạn hành trình là dạng cơng tắc
dùng để giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động. Nó có cấu tạo như cơng tắc
điện bình thường nhưng có thêm cần tác động để cho các bộ phận chuyển động tác
động vào làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm bên trong nó. Cơng tắc hành trình là
loại khơng duy trì trạng thái, khi khơng cịn tác động sẽ trở về vị trí ban đầu.
Để phù hợp với mục đích sử dụng và giá thành nên sử dụng cơng tắc hành trình
V-156-1C25 15A 250V

Hình 2.18: Cơng tắc hành trình
Cơng tắc hành trình có cấu tạo vơ cùng đơn giản. Bao gồm có: cần tác động, chân
COM, chân thường đóng (NC), chân thường hở (NO). Ở điều kiện bình thường, tiếp
điểm giữa chân COM và chân NC sẽ được đấu với nhau. Khi có lực tác động lên cần
tác động thì tiếp điểm giữa chân COM và chân NC sẽ hở và chuyển qua chân COM và
chân NO.
19

2.2.3 Phần mềm
a, Phần mềm CAD/CAM
 Solidworks
Phần mềm cung cấp cho người dùng những tính năng tuyệt vời nhất về thiết kế
các chi tiết các khối 3D, lắp ráp các chi tiết đó để hình thành những bộ phận của máy
móc, xuất bản vẽ 2D các chi tiết đó là những tính năng phổ biến của phần mềm
Solidworks, ngồi ra cịn có các tính năng khác nữa như: phân tích động học, phân tích
động lực học. Bên cạnh đó phần mềm cịn tích hợp modul Solidcam để phục vụ cho
việc gia cơng.

Hình 2.19: Phần mềm Solidworks
Việc tích hợp nhiều tính năng và modul giúp cho người sử dụng chuyên môn hóa
trên phần mềm hơn. Và khơng cần phải sử dụng nhiều phần mềm để thực hiện nhiều
công việc khác nhau
 Repertier host
Các phần mềm CAM được sử dụng phổ biến cho máy in 3D là Cura, Slic3r,
Simplify,…. Một số phần mềm sẽ tích hợp các module CAM và module điều khiển
trong một, giúp công việc xử lý mẫu in nhanh hơn và đạt hiệu quả hơn như phần mềm
Repetier host. Phần mềm này tích hợp các cơng cụ CAM là Slic3r, Cura. Nhóm đề tài
sử dụng cả hai module để so sánh từ đó lựa chọn module tốt hơn cho từng kiểu mẫu in
khác nhau.

20


Hình 2.20: Phần mềm Repetier Host
Các phần mềm CAM là các phần mềm thực hiện các chức năng cắt lớp vật thể do
công nghệ in 3D là in theo từng lớp, lớp cắt càng có kích thước nhỏ thì chất lượng

mẫu in càng tốt tuy nhiên thời gian in sẽ tăng lên và ngược lại, lớp in càng lớn thì chất
lượng giảm và thời gian hoàn thành sản phẩm nhanh.
Để máy hoạt động ta phải nạp Gcode cho máy. Có thể nạp Gcode thơng qua phần
mềm trên máy tính hoặc nạp qua thẻ nhớ trên màn hình LCD điều khiển. Phần mềm
giao diện điều khiển được sử dụng là Repetier host.
b, Phần mềm lập trình Arduino IDE
Arduio IDE là một ứng dụng nền tảng được viết bằng JAVA và từ IDE này sẽ
được sử dụng cho ngơn ngữ lập trình xử lý và project wiring. Nó được thiết kế giành
cho những người mới tập làm quen với lĩnh vực phát triển phần mềm. Nó bao gồm
một chương trình code editor với các chức năng như đánh dấu cú pháp, tự động căn lề
cũng như biên dịch, upload chương trình lên mạch chỉ với một cú nhấp chuột.
Các chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++. Arduno IDE đi kèm với
một thư viện gọi là “wiring” có thể giúp các thao tác input/outputtrở nên rõ ràng hơn.

21


CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG
3.1 Xây dựng mơ hình hệ thống cơ khí
3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống cơ khí

1: Gá cuộn dây

11: Động cơ

2: Cuộn dây

12: Puly

3: Gá trục Z

13: Gá đỡ thanh trượt trục X

4: Vít me

14: Gá đỡ bàn nhiệt

5: Ổ bi trượt trục Z

15: Động cơ

6: Gá vít me

16: Gá động cơ trục Y

7: Khớp nối

17: Bàn nhiệt

8: Chân

18: Đầu in

9: Thanh trượt
22


10: Ổ bi trượt trục Y

19: Gá ty trượt trục Y

20: Gá ty trượt trục X

Thông số máy in 3D
- Kích thước khung máy: 300x400x370mm.
- Khơng gian làm việc: 190x190x150mm.
- Sai số: 0,1mm.
Kết cấu máy in 3D bao gồm:
a. Khung máy
Yêu cầu máy hoạt động ổn định, không rung lắc để đảm bảo sản phẩm in đạt độ
chính xác cao, nhóm đề tài sử dụng khung nhơm 20x20mm và sử dụng 4 đế cao su
dưới chân máy để máy không bị trượt khi gia cơng.

Hình 3.21: Nhơm định hình
b. Bàn máy
- Nhóm sử dụng bàn trượt nhơm để để cố định bàn gia nhiệt và sử dụng ốc cân
bàn để điều chỉnh vị trí bàn nhiệt chính xác.
c. Dẫn hướng
- Cụm dẫn hướng trục X, Y: Sử dụng 2 thanh trượt tròn 8mm, bạc trượt LM8UU
để dẫn hướng và puli GT2 20 răng với đai răng GT2 để truyền động 2 trục này.
23


- Cụm dẫn hướng trục Z: Nhóm đề tài sử dụng 2 vitme – đai ốc T8 bước 8mm để
truyền động trục Z.

Hình 3.22: Thanh trượt

d. Chi tiết gá
Vì chi tiết gá có kết cấu đặc biệt, khó gia cơng bằng kim loại nên nhóm đề tài
tham khảo và thiết kế bộ chi tiết gá bằng phương pháp in 3D với các ưu điểm: Giá

thành rẻ, độ cứng cao (có thể tăng độ cứng bằng cách tăng tỉ lệ đặc rỗng của chi tiết),
gia cơng được chi tiết có độ phức tạp.
 Bản vẽ các chi tiết cơ khí

24