Hcmute nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in 3d delta

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D DELTA

MÃ SỐ:SV2019-21

SKC 0 0 6 8 3 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06/2019

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D DELTA
SV2019-21

Thuộc nhóm ngành khoa học:

TP. Hồ Chí Minh, Tháng 6 Năm 2019

Luan van

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D DELTA
SV2019-21

Thuộc nhóm ngành khoa học:
SV thực hiện: Nguyễn Danh Cát
Nam, Nữ: Nam
Dân tộc: Kinh
Lớp, khoa: Cơ Khí Chế Tạo Máy
Năm thứ: 4
/Số năm đào tạo:4
Ngành học: Công Nghệ Chế Tạo Máy
Người hướng dẫn: Th.S Đặng Minh Phụng

TP. Hồ Chí Minh, Tháng 6 Năm 2019

Luan van


LỜI CẢM ƠN
------------Lời đầu tiên, em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến BGH Trường Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, các giảng viên, Thầy Đặng Minh Phụng; giáo viên hướng
dẫn đồ án của chúng em; đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em

học tập, hướng dẫn cho chúng em để có thể hoàn thành được đề tài nghiên cứu khoa
học này. Và mọi người xung quanh luôn ủng hộ, giúp đỡ trong việc xây dựng ý tưởng,
thiết kế và hoàn thiện máy đi đến sản phẩm tốt nhất.
Em khơng biết nói gì hơn, xin gửi lời cảm ơn chân thành cùng lời chúc sức khỏe
chân thành nhất, sâu sắc nhất đến quý Thầy(Cô), các Bạn những người đã chia sẽ
những kiến thức và giúp đỡ cho chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Trong quá trình thực hiện đề tài này, chúng em đã cố gắng nỗ lực hết sức để hồn
thành tuy nhiên thời gian và kiến thức có hạn khơng thể tránh khỏi nhiều thiếu sót,
kính mong thầy cơ và các bạn giúp đỡ góp ý kiến để chúng em hoàn thành đề tài này
tốt hơn.
Mọi ý kiến đóng góp xin liên hệ với địa chỉ sau:
Nguyễn Danh Cát
Trần Lê Xuyên

Email:
Email:
Xin chân thành cảm ơn!

i

Luan van


TÓM TẮT ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D DELTA
Để học tập hay làm việc dễ dàng hơn cần có những mơ hình cụ thể, các cơ cấu
giống với thực tế nhất để nghiên cứu hay tìm ra các lỗi sai trong các sản phẩm dựa trên
mơ hình 3d.
Trong học tập: Các mơn như cơng nghệ chế tạo máy thì cần mơ hình đồ gá…
Trong xây dựng: Có thể tạo in ra tịa nhà thu nhỏ giống với thực tế để kiểm tra

sai sót về cơ cấu.
Chính vì vậy, nhóm em quyết định nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in 3D
với giá thành thấp để tạo ra các sản phẩm có tính ứng dụng cao trong học tập và
làm việc.
Máy in gồm 2 phần: Phần cơ khí và phần điều khiển.
Kết quả: Nhóm em đã hoàn thành máy in 3d delta, máy in ra sản phẩm đẹp, đảm
bảo dung sai hay độ bóng và độ nhám.
RESEARCHING DESIGN AND MANUFACTURING OF A 3D DELTA
PRINTING MACHINE
To study or work more easily requires specific models, the most realistic
mechanisms for studying or finding errors in products based on 3D models
In education: Subjects such as machine manufacturing technology needs jig
models...
In construction: We can print out a miniature building that looks like reality to
check up errors.
So, my group decided to research, design and manufacture 3D printing machine
with low cost in order to create products with high applicability served in education
and pro to type.
The printing machine consists of two parts: mechanical part and control system.
Results: my group completed the 3d delta printing machine which printed out the
high quality products.

ii

Luan van


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
TÓM TẮT ĐỀ TÀI ................................................................................................... ii

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT .........................................................................vi
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................... vii
DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ ........................................................................... viii
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ...................................................................................... 2
1.Máy in 3d là gì? ........................................................................................................ 2
2.[3]Công nghệ in 3D trên thế giới .............................................................................. 2
3.[2] Công nghệ in 3D tại Việt Nam ............................................................................ 3
4.Công nghệ in 3D trong tương lai ............................................................................... 4
CHƯƠNG II: CÁC BƯỚC PHÁT TRIỂN CỦA TẠO MẪU VÀ CÁC CÔNG
NGHỆ IN 3D .............................................................................................................. 5
2.1 Công nghệ tạo mẫu nhanh ...................................................................................... 5
2.1.1 Khái niệm: .......................................................................................................... 5
2.1.2 Ba thời kì của quá trình tạo mẫu .......................................................................... 5
2.1.3 Lịch sử hình thành và phát triển cơng nghệ tạo mẫu nhanh..................................8
2.1.4 Quá trình tạo mẫu nhanh ................................................................................... 11
2.1.5 Phân loại: .......................................................................................................... 11
2.1.6 [4]Một số loại công nghệ in 3D ........................................................................ 12
2.1.7 Tầm quan trọng và ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh: ................................... 13
2.2 Phương pháp tạo mẫu nhanh FDM (Fused Deposition Modeling ) ....................... 16
2.2.1 Khái niệm và nguyên lý hoạt động: ................................................................... 16
2.2.2 Vật liệu dùng trong FDM .................................................................................. 17
2.2.3 Ưu – nhược điểm của phương pháp FDM ......................................................... 19
CHƯƠNG III: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ....................................... 21
3.1.[5] Lựa chọn kết cấu máy in: ............................................................................... 21
3.1.1 . Máy in 3D loại Cartesian................................................................................. 21
3.1.2 Máy in 3D loại Delta ......................................................................................... 22
3.1.3. Máy in 3D loại Polar ........................................................................................ 23
3.2 Lựa chọn truyền động trên mặt phẳng Oxyz ......................................................... 24
3.2.1 Truyền động cánh tay tính tiến .......................................................................... 24
3.2.2 Truyền động đai kết hợp thanh dẫn hướng ........................................................... 25

3.3 Các loại bộ truyền đai .......................................................................................... 26
3.3.1 Đai dẹt............................................................................................................... 26
3.3.2 Đai thang .......................................................................................................... 26
3.3.3 Đai hình lược .................................................................................................... 26
3.3.4 Đai răng ............................................................................................................ 26

iii

Luan van


3.5 Lựa chọn bộ điều khiển ........................................................................................ 27
3.5.1 Hệ thống các relay – timer – contactor: ............................................................. 27
3.5.2 PLC .................................................................................................................. 27
3.5.3 Vi điều khiển..................................................................................................... 27
3.6 Lựa chọn động cơ ................................................................................................ 28
3.6.2 Động cơ DC servo............................................................................................. 29
CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ ............................................... 30
4.1. Mơ hình động học của máy in 3D cơ cấu delta thực ............................................ 30
4.2. Lựa chọn bộ truyền đai ....................................................................................... 31
4.3 Bộ phận đùn nhựa ................................................................................................ 33
4.3.1. Cụm tời nhựa ................................................................................................... 33
4.3.2 Đầu phun gia nhiệt ............................................................................................ 35
4.4 Tính tốn thiết kế phần điện ................................................................................. 35
CHƯƠNG V: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ............................................................. 43
5.1. Sơ đồ hệ thông điều khiển ................................................................................... 43
5.2. Các linh kiện cần thiết cho hệ thống điểu khiển................................................... 43
5.3. Vi điều khiển ...................................................................................................... 44
5.4. Board kết nối ...................................................................................................... 46
5.5. Driver ................................................................................................................. 47

5.6 Cơng tắc hành trình .............................................................................................. 50
5.7 Màn hình LCD ..................................................................................................... 50
CHƯƠNG VI: THIẾT LẬP THÔNG SỐ PHẦN CỨNG ...................................... 52
6.1 Thiết lập thông số phần cứng của máy ................................................................. 52
6.1.1 [6]Thiết lập firmware và nạp chương trình........................................................ 52
6.1.2 Phần mềm điều khiển. ....................................................................................... 53
6.2 Danh sách các phần mềm điểu khiển máy in ........................................................ 54
6.2.1 Phần mềm in 3D Cura ....................................................................................... 55
6.2.2 Phần mềm in 3D CraftWare .............................................................................. 56
6.2.3 Phần mềm in 3D cắt lớp GCode chuyên nghiệp Simplify3D ............................. 56
6.2.4 Phần mềm điều khiển in 3D Repetier ................................................................ 57
6.2.5 Phần mềm phân tích chỉnh sửa file STL Netfabb Basic ..................................... 58
CHƯƠNG VII: CÁCH VẬN HÀNH MÁY IN ....................................................... 59
7.1 cài đặt thông số phần mềm cura ........................................................................... 59
7.1.1 Cài đặt máy in trong Cura ................................................................................. 59
7.1.2 Thao tác chuột trên Cura ................................................................................... 59
7.1.3 [7] Cài đặt thông số in 3D trong Cura .............................................................. 60
7.2. Xuất dữ liệu in (gcode) ....................................................................................... 64
CHƯƠNG VIII: KẾT QUẢ VÀ CÁCH KHẮC PHỤC LỖI KHI IN....................... 66
8.1 Tổng quan về máy................................................................................................ 66
iv

Luan van


Một số sản phẩm ........................................................................................................ 68
8.2 Các lỗi khi in và cách khắc phục .......................................................................... 70
8.2.1 Thiếu nhựa khi bắt đầu in .................................................................................. 70
8.2.2 Vật in khơng dính vào bàn in ............................................................................ 70
8.2.3 Nhựa in ra không đủ .......................................................................................... 71

8.2.4 Mặt trên sản phẩm khơng khít, có khe hở .......................................................... 72
8.2.5 Bề mặt dưới chi tiết bị cong vênh ...................................................................... 73
8.2.6. tắc nhựa khi in.................................................................................................. 74
8.3 Một số lưu ý khi in ............................................................................................... 74
8.4. Kết quả in ........................................................................................................... 75
CHƯƠNG IX: KẾT LUẬN ..................................................................................... 76
I. Hướng phát triển..................................................................................................... 76
II. Khuyến nghị .......................................................................................................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 78

v

Luan van


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
CAD
CAM
CNC
LAM
SLA
SLS
LOM
3DP
FDM
PLA
ABS

: Computer Aided Design
: Computer Aided Manufacturing

: Computer Numerical Control
: Laser Additive Manufacturing
: Stereolithography
: Selective Laser Sintering
: Laminated Object Manufacturing
: Three Dimensional Printing
: Fused Deposition Modeling
: Polylactic Axit
: Acrylonitrile Butadiene Styrene

vi

Luan van


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 4.1. Quan hệ giữa các khớp............................................................................... 30
Bảng 4.2. Quan hệ tọa độ trên trục A,B,C .................................................................. 31
Bảng 4.3: Một số loại đai ........................................................................................... 31
Bảng 4.4: Bảng kê các chi tiết của cụm đầu đùn ........................................................ 34
Bảng 4.5: Một số linh kiện điện ................................................................................. 36
Bảng 5.1: Thông số arduino mega 2560 ..................................................................... 45
Bảng 6.1: Danh sách các phần mềm điểu khiển máy in .............................................. 55

vii

Luan van

DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ
Trang
Hình 2.1: Thời kỳ tạo mẫu bằng tay ............................................................................. 6
Hình 2.2: Phần mềm tạo mẫu nhanh hay tạo mẫu ảo .................................................... 7
Hình 2.3: Tạo mẫu bằng cơng nghệ tạo mẫu nhanh. ..................................................... 7
Hình 2.4: Máy in đầu tiền ra đời .................................................................................. 8
Hình 2.5: Kỹ sư Charles Hull - cha đẻ của công nghệ in 3D......................................... 9
Hình 2.6: Tạo mẫu nhanh cơng nghệ SLA ................................................................... 9
Hình 2.7: Tạo mẫu nhanh cơng nghệ SLS .................................................................. 10
Hình 2.8: Các loại cơng nghệ tạo mẫu nhanh ............................................................. 12
Hình 2.9 Cơng nghệ SLA........................................................................................... 13
Hình 2.10: Ứng dụng chế tạo sản phẩm ..................................................................... 13
Hình 2.11: Ứng dụng truyền đạt thiết kế .................................................................... 14
Hình 2.12: Ứng dụng tiếp thị sản phẩm ...................................................................... 14
Hình 2.13: Ứng dụng kiểm tra sản phẩm .................................................................... 15
Hình 2.14: Ứng dụng tạo khn ................................................................................. 15
Hình 2.15: Ứng dụng làm xương nhân tạo ................................................................. 16
Hình 2.16: Ứng dụng tạo mơ hình triển lãm ............................................................... 16
Hình 2.17: Ngun lý in 3D theo cơng nghệ FDM ..................................................... 17
Hình 3.1: Máy in 3D loại Cartesian ........................................................................... 21
Hình 3.2: Máy in 3D Prusa i3 .................................................................................... 22
Hình 3.3: Máy in 3D Mendel ..................................................................................... 22
Hình 3.4: Máy in 3D loại Delta .................................................................................. 23
Hình 3.5: Máy in 3D loại Polar .................................................................................. 24
Hình 3.6: Truyền động bằng 3 cánh tay chuyển động tịnh tiến ................................... 25
Hình 3.7: Truyền động bằng đai kết hợp thanh dẫn hướng ......................................... 25
Hình 3.8: Thơng số đai thang ..................................................................................... 26
Hình 3.9: Arduino Mega 2560 ................................................................................... 28
Hình 3.10: Động cơ bước........................................................................................... 28
Hình 3.11: Động cơ DC servo .................................................................................... 29

viii

Luan van


Hình 4.1. a) Tọa độ của 3 trục máy in 3D; b) Tọa độ các điểm ở vị trí đầu phun máy in
3D;c) Tọa độ khoảng cách các vị trí của cơ cấu truyền động ...................................... 30
Hình 4.1: Biên dạng đai răng ..................................................................................... 32
Hình 4.2: Đai GT2 và pulley ...................................................................................... 32
Hình 4.3: Thơng số đai GT2 ...................................................................................... 32
Hình 4.4: Động cơ bước nema 17 .............................................................................. 33
Hình 4.5: Bộ tời nhựa ................................................................................................ 34
Hình 4.6: Kết cấu đầu phun nhựa ............................................................................... 35
Hình 4.7: Sơ đồ khối hệ thống điện. ........................................................................... 36
Hình 4.8: Nguồn tổ ong ............................................................................................. 36
Hình 4.9: Nguồn LITEON ......................................................................................... 36
Hình 4.10: Bàn in ...................................................................................................... 37
Hình 4.11: Bánh xe dẫn dây nhựa qua đầu nóng ........................................................ 38
Hình 4.12: Đầu in ...................................................................................................... 38
Hình 4.13: Cảm biến nhiệt độ .................................................................................... 39
Hình 4.14: Đầu phun nhựa ......................................................................................... 39
Hình 4.15: Quạt giải nhiệt .......................................................................................... 40
Hình 4.16: Động cơ bước........................................................................................... 40
Hình 4.17: Nhơm định hình ....................................................................................... 40
Hình 4.18: Sóng trượt dẫn hướng ............................................................................... 41
Hình 4.19: Puly.......................................................................................................... 41
Hình 4.20: Chuẩn bị các vật liệu ................................................................................ 41
Hình 4.21: Khung máy............................................................................................... 42
Hình 4.22: Cánh tay ................................................................................................... 42

Hình 5.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển .......................................................................... 43
Hình 5.2: Các linh kiện trong hệ thống điều khiển ..................................................... 43
Hình 5.3: Board Arduino Mega 2560. ........................................................................ 44
Hình 5.4: Giao diện phần mềm Arduino IDE. ............................................................ 45
Hình 5.5: Board RAMPS ........................................................................................... 46
Hình 5.6: Board MKS ................................................................................................ 46
Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý board RAMPS. ................................................................ 47
ix

Luan van


Hình 5.8: Driver A4988. ............................................................................................ 48
Hình 5.9: Driver DRV8825. ....................................................................................... 48
Hình 5.10: Vị trí kết nối driver. .................................................................................. 49
Hình 5.11: Hệ thống các chân của driver DRV8825 ................................................... 49
Hình 5.12: Cách gắn driver DRV8825 lên ramps 1.4 . ............................................... 49
Hình 5.13: Vị trí kết nối cơng tắc hành trình. ............................................................. 50
Hình 5.14: Module LCD 2004 ................................................................................... 51
Hình 5.15: Vị trí kết nối LCD .................................................................................... 51
Hình 5.16: Sơ đồ kết nối tổng quát. ............................................................................ 51
Hình 6.1: Giao diện phần mềm Pronterface ............................................................... 54
Hình 6.2: Giao diện phần mềm .................................................................................. 55
Hình 6.3: Giao diện phần mềm 3D CraftWare ........................................................... 56
Hình 6.4: Giao diện phần mềm Simplify3D ............................................................... 56
Hình 6.5: Giao diện phần mềm Repetier .................................................................... 57
Hình 6.6: Giao diện phần mềm Netfabb ..................................................................... 58
Hình 7.1: Thơng số của máy in .................................................................................. 59
Hình 7.2: Tùy chọn loại nhựa .................................................................................... 60
Hình 7.3: Các thơng số cơ bản ................................................................................... 61

Hình 7.4: Thơng số máy ............................................................................................ 62
Hình 7.5: Mặt cắt vật thể............................................................................................ 63
Hình 7.6: Chọn file cần in .......................................................................................... 64
Hình 7.7: Khi nạp vào hồn tất máy in sẽ báo 3D printer ready ................................. 64
Hình 7.8: Chọn print from SD để lấy file ìn tử thẻ nhớ ra .......................................... 65
Hình 7.9: Chọn file in ................................................................................................ 65
Hình 8.1: Khung máy in 3D hồn chỉnh ..................................................................... 66
Hình 8.2: Máy in trên thiết kế và máy in thực tế ........................................................ 67
Hình 8.3: Sản phẩm in bình hoa và tượng .................................................................. 68
Hình 8.4: Sản phẩm đồ gá in từ máy .......................................................................... 69
Hình 8.5: Thiếu nhựa khi in ....................................................................................... 70
Hình 8.6: Vật in khơng dính vào bàn in ..................................................................... 70

x

Luan van


Hình 8.7: Nhựa in ra khơng đủ ................................................................................... 71
Hình 8.8: Chất lượng bề mặt khơng tốt ...................................................................... 72
Hình 8.9: Sản phẩm bị cong vênh .............................................................................. 73
Hình 8.10: Tắc nhựa khi in ........................................................................................ 74
Hình 8.11: Ren in với layer 0.2 .................................................................................. 75
Hình 8.12: Ren in với layer 0.12 ................................................................................ 75

xi

Luan van

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in 3D delta
- SV thực hiện: Nguyễn Danh Cát
Mã số SV: 15143104
Trần Lê Xuyên
15143332
- Lớp: 151433C
Khoa: CKM
Năm thứ: 4
Số năm đào tạo:
4
- Người hướng dẫn: Th.S Đặng Minh Phụng
2. Mục tiêu đề tài: Giúp chúng em tìm hiểu sâu hơn về hệ thống tự động, nguyên lí
hoạt động cũng như cấu tạo của hệ thống máy in 3D. Nắm được tinh hình sản xuất
thực tế của máy in 3D, tăng tối đa năng xuất của máy cũng như tạo ra lợi nhuận tốt
nhất có thể.
3. Tính mới và sáng tạo: Vận hành theo cơ cấu delta giúp đầu in di chuyển linh hoạt
tốc độ in nhanh hơn so với các loại máy in khác.
4. Kết quả nghiên cứu: Đã hoàn thành máy in 3D delta, máy tạo ra sản phẩm có bề
mặt đẹp, kích thước chính xác và hoạt động ổn định.
5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và
khả năng áp dụng của đề tài: Tạo ra mẫu thực tế phục vụ cho việc học tập và giảng
dạy của bộ môn công nghệ chế tạo máy.
6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài:
Ngày 9 tháng 6 năm 2019
SV chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài

(kí, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề
tài:
Xác nhận của Trường
(kí tên và đóng dấu)

Ngày
tháng
năm
Người hướng dẫn
(kí, họ và tên)

1

Luan van


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1. Máy in 3d là gì?
Máy in 3D là một thiết bị tạo ra đối tượng 3 chiều. Giống như những máy in
truyền thống khác, máy in 3D nhận dữ liệu dạng số từ máy tính làm đầu vào. Tuy
nhiên thay vì in ra giấy, máy in 3D xây dựng tạo mơ hình ba chiều theo vật liệu tùy
chỉnh. Q trình in mơ hình 3D sẽ khác nhau tùy thuộc vào chất liệu sử dụng để tạo ra
các đối tượng.
In 3D đã có từ những năm 1980, nó được sử dụng chủ yếu cho mục đích cơng
nghiệp quy mô lớn. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, máy in 3D đã rẻ hơn nhiều
và được thương mại hóa có trên thị trường. Khi cơng nghệ trở nên tiên tiến hơn, máy
in 3D có thể trở thành một công cụ hiệu quả được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác
nhau.

Công nghệ in 3D là xu hướng của tương lai với các ưu điểm:
– Ưu điểm đầu tiên: Công nghệ tạo mẫu nhanh, cơng nghệ này có sự vượt trội về
thời gian chế tạo một sản phẩm hoàn thiện, thông thường để tạo ra một sản phẩm mới
cũng mất từ 3-72 giờ phụ thuộc vào kích thước và độ phức tạp của sản phẩm. Chính vì
cần ít thời gian để tạo ra sản phẩm nên các công ty sản xuất tiết kiệm được chi phí,
nhanh chóng đưa ra thị trường những sản phẩm mới.
– Ưu điểm thứ hai là cơng nghệ in 3D có thể tạo ra một vật thể với đầy đủ các bô
phận cả bên trong lẩn bên ngoài một cách chi tiết chỉ trong một lần thực hiện mà các
phương pháp gia công truyền thống không thể chế tạo được…

Hình 1.1: Máy in 3D
2. [3]Cơng nghệ in 3D trên thế giới
Công nghệ in 3D đang là một xu hướng phát triển mới của khoa học kỹ thuật.

2

Luan van


Nhờ cơng nghệ in 3D, ta có thể tạo ra những đồ vật với giá thành rẻ hơn và thời
gian nhanh hơn rất nhiều.
Ứng dụng của công nghệ in 3D rất rộng rãi từ xây dựng, thời trang, y học đến các
ngành công nghiệp sản xuất như ô tô, máy bay…
Ví dụ: MX3D cơng ty ở Hà Lan đã xây thành cơng cầu đi bộ bằng cơng nghệ
phun thép nóng chảy trong khơng khí với kết cấu vơ cùng phức tạp, từ nhiều góc độ
nhờ cánh tay robot đa trục. Việc xây dựng cây cầu bằng công nghệ in 3D là sản phẩm
chứng minh cho khả năng vô tận của kỹ thuật này.

Hình 1.2: Tịa nhà được làm bằng cơng nghệ in 3D tại dubai
3. [2] Công nghệ in 3D tại Việt Nam

Công nghệ in 3D tại Việt Nam đã có mặt khoảng năm 2003, tuy nhiên do giá
thành cịn cao nên vẩn chưa được ứng dụng nhiều, chủ yếu trong công tác nghiên cứu.
Hiện nay, công nghệ in 3D đã được ứng dụng rộng rãi phổ biến hơn trong nhiều lĩnh
vực.
Một ứng dụng cụ thể, nổi bật của công nghệ in 3D tại Việt Nam là đã vá
được đầu người. Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện, sản phẩm cuối cùng là mảnh
sọ nhân tạo bằng vật liệu methyl methacrylate được vá vào chổ vở của sọ bệnh nhân.
Sau thời gian theo dõi, đến nay bệnh viện khẳng định miếng ghép rất tốt, bệnh nhân đã
bình phục. Phẩu thuật bằng phương pháp này đánh dấu một bước ngoặt của công nghệ
in 3D với thị trường công nghệ tại Việt Nam. Rút ngắn thời gian phẩu thuật và điểu
trị, độ thẩm mỹ cao, đặc biệt giảm đáng kể chi phí ca mổ.

3

Luan van


Hình 1.3: Ứng dụng in 3D vào y tế tại Việt Nam
4. Công nghệ in 3D trong tương lai
Hàng ngàn ngành công nghiệp từ xe hơi và không gian vũ trụ đến công nghiệp da
giày và nữ trang, đã ứng dụng công nghệ in 3D để tạo ra các sản phẩm.
Trong tương lai trong ngành y tế sẽ được ứng dụng rộng rãi để sản xuất ra các cơ
quan, bộ phận thay thế, hoặc sản xuất các loại thuốc. Công nghệ này rất hiệu quả khi
sử dụng để sản xuất các loại hàng hóa có số lượng ít nhưng cơng dụng cao như linh
kiến máy bay các bộ phận trên cơ thể con người.
Công nghệ in 3D đang phát triển với đầy triển vọng, đó là cơng nghệ của tương
lai, biến tất cả ý tưởng của con người thành hiện thực.

4

Luan van


CHƯƠNG II: CÁC BƯỚC PHÁT TRIỂN CỦA
TẠO MẪU VÀ CÁC CƠNG NGHỆ IN 3D
2.1 Cơng nghệ tạo mẫu nhanh
2.1.1 Khái niệm:
Tạo mẫu nhanh (Rapid Prototying Technology - RPT) là phương pháp chế tạo vật
thể thật một cách tự động từ nguồn dữ liệu được thiết kế trên máy tính bằng phương
pháp đắp dần vật liệu theo từng lớp, với tốc độ nhanh hơn nhiều so với các phương pháp
gia công chế tạo thông thường. Những chiếc máy in 3 chiều này cho phép người thiết
kế có thể nhanh chóng tạo ra một thực thể chi tiết hay mơ hình đúng như thiết kế của
họ. Sự phát triển của tạo mẫu nhanh có quan hệ mật thiết với sự phát triển ứng dụng của
máy tính trong cơng nghiệp. Việc gia tăng sử dụng máy tính đã thúc đẩy sự tiến bộ trong
nhiều lĩnh vực liên quan đến máy tính bao gồm:
– Thiết kế (CAD – Computer Aided Design)
– Chế tạo (CAM– Computer Aided Manufacturing).
– Điều khiển số nhờ máy tính (CNC – Computer Numerical Control).
*Một số khái niệm về tạo mẫu nhanh được đưa ra từ các giáo sư trên thế giới:
– Fritz Kloeke – Giáo sư đại học Aechen: Tạo mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu
theo từng lớp trực tiếp từ dữ liệu thiết kế 3D và là quá trình tạo mẫu khơng cần dùng
khn và dụng cụ.
– Chris Zhang – Giáo sư đại học Saskatchewan: Tạo mẫu nhanh là quá trình tạo
mẫu theo nguyên tắc bồi đắp vật liệu.
– Tery Wohler – Chủ tịch hiệp hội tạo mẫu nhanh thế giới: Tạo mẫu nhanh là
công nghệ chế tạo mơ hình vật lý hoặc mẫu sản phẩm từ dữ liệu thiết kế 3D trên máy
tính hoặc từ dữ liệu chụp cắt lớp điện toán CT, cộng hưởng từ MRI hoặc từ dữ liệu của
các thiết bị số hóa 3D.
2.1.2 Ba thời kì của quá trình tạo mẫu
Quá trình tạo mẫu được phân ra làm ba thời kì. Hai thời kì sau chỉ mời ra đời

trong khoảng 20 năm trở lại đây. Tương tự quá trình tạo mẫu trên máy vi tính, tính chất
vật lý của mẫu chỉ được nghiên cứu phát triển trong thời kì thứ ba.
*Thời kì đầu: Tạo mẫu bằng tay:
Thời kỳ đầu tiên ra đời cách đây vài thế kỷ. Trong thời kỳ này, các mẫu điển
hình khơng có độ phức tạp cao và chế tạo một mẫu trung bình mất khoảng 4 tuần.
Phương pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề và thực hiện công việc một cách cực kỳ
nặng nhọc.

5

Luan van


Hình 2.1: Thời kỳ tạo mẫu bằng tay
**Thời kì thứ hai: Sử dụng phần mềm tạo mẫu (tạo mẫu ảo).
Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển rất sớm, khoảng giữa thập niên 70. Thời kỳ
này đã có phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo. Việc ứng dụng CAD/CAE/CAM đã trở
nên rất phổ biến. Phần mềm tạo mẫu sẽ phác họa trên máy vi tính những suy nghĩ, ý
tưởng mới.
Các mẫu này như là một mơ hình vật lý: Được kiểm tra, phân tích cũng như đo
ứng suất và sẽ được hiệu chỉnh cho phù ho nếu chúng chưa đạt yêu cầu. Thí dụ như
phân tích ứng suất và sức căng bề mặt chất lỏng có thể dự đốn chính xác được bởi vì
có thể xác định chính xác các thuộc tính và tính chất của vật liệu. Hơn nữa, các mẫu
trong thời kỳ này trở nên phức tạp hơn nhiều so với thời kỳ đầu. Vì thế, thời gian yêu
cầu cho việc tạo mẫu có khuynh hướng tăng lên, tính chất vật lý của mẫu vẫn cịn phụ
thuộc vào các phương pháp tạo mẫu cơ bản trước. Tuy nhiên, việc vận dụng các máy
gia cơng chính xác đã cải thiện tốt hơn các tính chất vật lý của mẫu. Cùng với sự tiến
bộ trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh trong thời kỳ thứ ba, có sự trợ giúp rất lớn của quá
trình tạo mẫu ảo. Tuy nhiên, vẫn cịn tranh cãi về những giới hạn của cơng nghệ tạo
mẫu nhanh như: Sự giới hạn về vật liệu (hoặc bởi vì chi phí cao hoặc cách sử dụng cho

từng vật liệu không giống nhau để tạo chi tiết), tính chất vật lý từng phần của sản phẩm
trong quá trình tạo mẫu nhanh cũng được tính đến.

6

Luan van


Hình 2.2: Phần mềm tạo mẫu nhanh hay tạo mẫu ảo
***Thời kì thứ ba: cơng nghệ tạo mẫu nhanh.
Q trình tạo mẫu rỗng thích hợp cho việc sản xuất trên bàn nâng hay công nghệ
sản xuất lớp. Công nghệ này thể hiện quá trình phát triển tạo mẫu trong thời kỳ thứ ba.
Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh là một phát minh quan trọng. Thời kỳ thứ
ba cũng là thời kỳ bùng nổ mạnh mẽ của công nghệ và kinh tế thế giới. Vào thời điểm
này số lượng các nhà sản xuất, công ty, doanh nghiệp tăng lên không ngừng, tạo ra
môi trường cạnh tranh vô cùng quyết liệt. Việc đưa ra một sản phẩm mới ra thị trường
nhanh hơn các đối thủ đã trở nên quan trọng nếu khơng nói đó là vấn đề sống cịn. Khi
một sản phẩm mới ra đời nó phải trải qua rất nhiều công đoạn bao gồm thiết kế, chế
tạo, kiểm tra và tiếp thị. Để đưa sản phẩm ra thị trường nhanh chóng thì thời gian và
chi phí cho từng giai đoạn phải được rút ngắn triệt để. Năm 1988, hơn 20 công nghệ
tạo mẫu nhanh đã được nghiên cứu.

Hình 2.3: Tạo mẫu bằng cơng nghệ tạo mẫu nhanh.

7

Luan van


2.1.3 Lịch sử hình thành và phát triển cơng nghệ tạo mẫu nhanh

– Thập niên 1980s: Khái niệm về in 3D được nhen nhóm bắt đầu từ năm 1976,
thời điểm máy in phun được phát minh. Bởi vì đến năm 1984, các cải tiến và tiến bộ
mới đối với đầu in phun đã giúp đưa công nghệ từ chỗ chỉ in được mực đến in được cả
các chất liệu khác. Trong những thập kỷ sau đó, các ứng dụng của công nghệ in 3D đã
không ngừng phát triển thông qua các ngành cơng nghiệp khác nhau, từ cơ khí, ơ tô,
hàng không, y học, sản xuất đến thiết kế trang sức.
– Năm 1984 đánh dấu sự ra đời chính thức của công nghệ in 3D mà cha đẻ là kỹ
sư Charles Hull, người sẽ trở thành đồng sáng lập công ty 3D Systems sau này, người
phát minh ra công nghệ Stereolithography huyền thoại, cho phép in những vật thể 3D
phức tạp với độ chính xác cao từ dữ liệu số.

Hình 2.4: Máy in đầu tiền ra đời

8

Luan van


Hình 2.5: Kỹ sư Charles Hull - cha đẻ của công nghệ in 3D
– Năm 1984: Charles Hull phát minh ra công nghệ stereolithography, được cấp
bằng sáng chế năm 1987.
– Năm 1991: Stratasys sản xuất máy in sử dụng công nghệ FDM đầu tiên trên
thế giới.
– Năm 1992: Công ty 3d systems của Charles Hull sản xuất chiếc máy in 3D
đầu tiên dùng cơng nghệ SLA.

Hình 2.6: Tạo mẫu nhanh công nghệ SLA

9

Luan van


– Năm 1993: DTM sản xuất máy in đầu tiên dùng cơng nghệ SLS.

Hình 2.7: Tạo mẫu nhanh cơng nghệ SLS
– Năm 1994: Máy in từ sáp của Model Maker ra đời.
– Năm 1997: Công ty Aeromet phát minh ra công nghệ LAM (laser additive
manufacturing)
– Năm 1999: Các nhà khoa học đã cấy thành công nội tạng từ tế bào của bệnh
nhân và dùng thanh đỡ in từ máy in 3D để chống đỡ các bộ phận này.
– Năm 2000: Máy in phun 3D đầu tiên ra đời tại công ty Object Geometries.
Cùng năm này Zcorp phát minh ra máy in 3D màu multicolor.
– Năm 2001: Solidimension tạo ra chiếc desktop 3D printer đầu tiên.
– Năm 2002: Các nhà khoa học dự định tạo ra cơ quan nội tạng bằng kích cỡ thật
và có thể hoạt động được. Một quả thận từ máy in 3D đã ra đời.
– Năm 2005: Dr Adrian Bowyer ở trường đại học Bath thành lập Reprap project
để phổ cập công nghệ in 3D.
– Năm 2008: Reprap Darwin là chiếc máy đầu tiên có thể tự in ra các bộ phận
của chính nó. Cùng năm Stratasys sản xuất thành cơng vật liệu in FDM có tính tương
hợp sinh học (biocompatible). Một website điện tử dành cho thị trường model in 3D
mang tên Shapeways ra đời. Makerbot không hề thua kém cho ra mắt trang Thingverse
để chia sẻ các model miễn phí dành cho việc in 3D.
– Năm 2009: Makerbot bắt tay sản xuất bộ kit cải tiến máy Reprap cho đối tượng
người dùng lớn hơn. Bên Organovo cũng in thành công mạch máu đầu tiên.
– Năm 2011: Chiếc ô tô đầu tiên in bằng công nghệ 3D ra đời.
– Năm 2012: LayerWise in thành công bộ xương hàm ở Hà Lan.
Qua sự hình thành và ra đời của các công nghệ tạo mẫu nhanh ta thấy có 5 cơng
nghệ tạo mẫu nhanh chính là SLA, SLS, LOM, 3DP, FDM. Ngồi ra có nhiều cơng
nghệ khác nhưng chủ yếu vẫn dựa cơ bản trên 5 loại công nghệ trên.

10

Luan van


2.1.4 Quá trình tạo mẫu nhanh
Hầu hết tất cả các quá trình tạo mẫu nhanh đều thường bao gồm 5 bước cơ bản:
– Bước 1: Mẫu hay một bộ phận chi tiết được thiết kế trên hệ thống CAD
(Computer Aided Design). Mẫu phải thể hiện đầy đủ tính chất vật lý như sản phẩm thật
thể hiện bằng những mặt cong khép kín với kích thước giới hạn rõ ràng. Mẫu có thể
được tạo bởi các phần mềm CAD bất kỳ như: Solidworks, Inventor, Pro/Engineer, …
– Bước 2: Mơ hình dạng khối hay mơ hình bề mặt sẽ được chuyển sang file định
dạng “.STL” (Stereo Lithography). Những phần mềm CAD khác nhau sử dụng những
thuật toán khác nhau để đặc trưng cho vật thể. Vì thế định dạng .STL ra đời để thiết lập
một sự đồng nhất và tạo một chuẩn riêng cho ngành công nghiệp tạo mẫu nhanh. Trong
định dạng .STL, vật thể được đặc trưng dưới dạng các mặt tam giác, một file .STL sẽ
bao gồm tọa độ các định hướng của các tam giác. Do file .STL sử dụng các phần tử mặt
phẳng để định nghĩa vật thể nên khơng thể hình thành các đường cong chính xác. Do đó
số lượng các tam giác càng nhiều sẽ khiến tăng độ chuẩn xác so với vật thể thiết kế,
nhưng đồng thời cũng làm tăng kích thước file .STL và tăng thời gian xử lí cắt lớp và
tạo hình vật thể. Từ khi ra đời, định dạng file .STL đã tạo thành một chuẩn chung cho tất
cả các công nghệ ứng dụng trong ngành công nghiệp tạo mẫu nhanh.
– Bước 3: Cắt lớp file .STL theo độ dày thích hợp: Ở bước này, phần lớn các
phần mềm cắt lớp đều yêu cầu phải định dạng chính xác vị trí, kích thước và hướng
quay của vật thể cần tạo hình. Hướng quay là một yếu tố cực kì quan trọng trong q
trình cắt lớp vì nó sẽ quyết định tính chất của vật thể được tạo thành. Do đặc trưng đắp
dần các lớp vật liệu nên thường phương Z là phương chịu lực chủ yếu nhất của vật thể
tạo thành từ công nghệ tạo mẫu nhanh nên cần xác định rõ chức năng của chi tiết để có
thể xác lập hướng quay của chi tiết một cách hợp lý nhất. Hơn nữa để tiết kiệm thời
gian cắt lớp cũng như tạo hình chi tiết người ta thường chọn hướng quay sao cho số lớp

mặt cắt là ít nhất. Thường thì các phần mềm cắt lớp cắt vật thể thành các lớp có độ dày
từ 0.01 đến 0.7mm, phụ thuộc vào cơng nghệ tạo mẫu sử dụng. Do đó, mỗi cơng nghệ
tạo mẫu nhanh thường có phần mềm cắt lớp riêng biệt.
– Bước 4: Xây dựng mơ hình từng lớp liên tiếp xếp chồng lên nhau để tạo hình
vật thể. Đây là quá trình điều khiển các trục để tạo hình cho từng lớp vật liệu. Hầu hết
các máy tạo mẫu nhanh đều thực hiện q trình này một cách hồn tồn tự động, rất ít
sự can thiệp của con người.
– Bước 5: Làm sạch và hoàn chỉnh sản phẩm:
Vật thể tạo thành được lấy ra khỏi máy và đưa vào công đoạn hậu xử lí để tăng
tính thẩm mỹ cũng như độ bền của sản phẩm.
2.1.5 Phân loại:
Do có nhiều phương diện sản xuất nên hình thành nhiều loại hệ thống tạo mẫu
nhanh trên thị trường, để phân loại một cách bao quát các hệ thống tạo mẫu nhanh là

11

Luan van