Nghiên Cứu Tính Toán Thiết Kế Chế Tạo Máy In 3D Và Ứng Dụng Tạo Mẫu Cho Phương Pháp Đúc.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM K THUT
THNH PH H CH MINH

CễNG TRèNH 1*+,ầ1&8.+2$+&&$6,1+9,ầ1

1*+,ầ1&87ậ1+72ẩ17+,7.&+72
0ẩ<,1'9ơ1*'1*7208&+2
3+1*3+ẩ3ề&
S

K

C

0

0

3

9

5

9

M S:69

S KC 0 0 7 5 9 1

Tp. Hồ Chí Minh, WKiQJ


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 TÍNH TỐN THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY IN 3D VÀ
ỨNG DỤNG TẠO MẪU CHO PHƯƠNG PHÁP ĐÚC

Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa học vật liệu, cơng nghệ cơ khí

SV thực hiện: Phạm Ngọc Hiếu

Nam, Nữ: Nam

Dân tộc: Kinh
Lớp, khoa: 181462A, khoa Cơ khí chế tạo máy
Năm thứ: 3 /Số năm đào tạo: 4
Ngành học: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử

Người hướng dẫn: Thạc sĩ Nguyễn Thanh Tân

TP Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2021

1


MỤC LỤC

MỤC LỤC ...............................................................................................................i
DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................v
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................... vii
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ..........................................................................................1
1.1. Giới thiệu .....................................................................................................1
1.2. Lý do chọn đề tài nghiên cứu ......................................................................1
1.3. Phương pháp nghiên cứu đề tài ...................................................................2
1.4. Mục tiêu của đề tài .......................................................................................2
1.5. Mục đích của báo cáo ..................................................................................2
1.6. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài nghiên cứu .......................2
1.7. Cấu trúc của báo cáo ....................................................................................2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ DỰ ÁN .............................................................. 3
2.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................3
2.2. Một số công nghệ in 3D...............................................................................4
2.2.1. Công nghệ SLA ....................................................................................4
2.2.2. Công nghệ 3DP .....................................................................................5
2.2.3. Công nghệ FDM ...................................................................................6
2.3. Giới thiệu một số mẫu máy in 3D................................................................ 7
2.3.1. Máy in 3D theo dạng Cartesian ............................................................7
2.3.2. Máy in 3D theo dạng Delta ...................................................................8
2.3.3. Máy in 3D theo dạng Polar ...................................................................9
2.4. Kết luận ......................................................................................................10
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .....................................................................12
3.1. Khái quát chung về máy in 3D ..................................................................12
3.2. Động cơ bước............................................................................................. 13
i


3.2.1. Động cơ bước biến trở từ ....................................................................14
3.2.2. Động cơ bước hỗn hợp .......................................................................15

3.2.3. Động cơ bước 2 pha ............................................................................16
3.3. Truyền động vitme – đai ốc .......................................................................16
3.3.1. Cơ cấu vitme – đai ốc trượt ................................................................ 17
3.3.2. Cơ cấu vitme – đai ốc bi .....................................................................18
3.4. Ray trượt dẫn hướng ..................................................................................18
3.5. Truyền động đai .........................................................................................19
3.6. Kết luận ......................................................................................................20
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ GIẢI PHÁP ............................................21
4.1. Thông số máy............................................................................................. 21
4.2. Các phương án thiết kế kết cấu máy ..........................................................23
4.2.1. Phương án 1 ........................................................................................23
4.2.2. Phương án 2 ........................................................................................23
4.2.3. Phương án 3 ........................................................................................24
4.3. Lựa chọn phương án ..................................................................................24
4.4. Trình tự thực hiện ......................................................................................24
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY .....................................................25
5.1. Thiết kế khung máy ...................................................................................25
5.2. Thiết kế cơ khí ...........................................................................................26
5.3. Lựa chọn tính tốn động cơ .......................................................................27
5.3.1. Lựa chọn động cơ ...............................................................................27
5.3.2. Tính tốn trục X ..................................................................................28
5.3.3. Tính tốn trục Y ..................................................................................29
5.3.4. Tính tốn trục Z ..................................................................................30
5.3.5. Tính tốn cơng suất động cơ ............................................................... 30
ii


5.4. Lựa chọn hệ thống điều khiển....................................................................32
5.4.1. Mạch Arduino Mega 2560 ..................................................................33
5.4.2. Mạch Ramps 1.4 .................................................................................35

5.4.3. Mạch Driver điều khiển động cơ bước A4988 ...................................36
5.4.4. Bộ điều khiển, hiển thị LCD ............................................................... 36
5.4.5. Đầu phun gia nhiệt ..............................................................................37
5.4.6. Cảm biến nhiệt độ đầu in và bàn nhiệt ...............................................38
5.4.7. Nguồn tổ ong ......................................................................................39
5.4.8. Bàn nhiệt ............................................................................................. 40
CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM ............................................................ 42
6.1. Lắp đặt hệ thống điều khiển.......................................................................42
6.2. Thiết kế gia công các chi tiết gá đỡ ...........................................................44
6.3. Lắp ráp .......................................................................................................46
6.4. Mơ hình thực tế ..........................................................................................47
6.5. Thiết lập nạp code điều khiển cho máy in 3D ...........................................47
6.5.1. Thiết lập Firmware .............................................................................47
6.5.2. Các thông số cài đặt Firmware cho máy in ........................................50
6.6. Một số sản phẩn in được từ máy................................................................ 52
CHƯƠNG 7: ỨNG DỤNG IN 3D TẠO MẪU NHANH ....................................54
7.1. Cơ sở lý thuyết về qui trình chế tạo mẫu nhanh bằng phương pháp đúc ..54
7.1.1. Quy trình đúc ......................................................................................54
7.1.2. Đúc trong khn cát............................................................................54
7.2. Thực tế quy trình chế tạo vật mẫu theo phương pháp đúc ........................58
7.2.1. Tính tốn thiết kế đúc .........................................................................58
7.2.2. Tiến hành quy trình đúc thực tế ..........................................................62
CHƯƠNG 8: KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ, CẢI TIẾN ............................................69
iii


CHƯƠNG 9: KẾT LUẬN ....................................................................................72

iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Chi tiết hộp giảm tốc ........................................................................................ 3
Hình 2.2 Cơng nghệ SLA ................................................................................................ 5
Hình 2.3 Sơ đồ ngun lý tạo mẫu 3DP .......................................................................... 6
Hình 2.4. Cơng nghệ in FDM .......................................................................................... 7
Hình 2.5. Máy in 3D dạng Cartesian ............................................................................... 7
Hình 2.6. Máy in 3D dạng Delta ..................................................................................... 8
Hình 2.7 Máy in 3D dạng Polar ...................................................................................... 9
Hình 3.1. Động cơ bước ................................................................................................ 13
Hình 3.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước biến trở từ ...................................... 14
Hình 3.3. Cấu tạo của động cơ bước hỗn hợp ............................................................... 15
Hình 3.4. Cấu tạo động cơ bước 2 pha .......................................................................... 16
Hình 4.1. Hình chiếu đứng của khung máy in 3D ......................................................... 21
Hình 4.2. Hình chiếu cạnh của khung máy in 3D ......................................................... 21
Hình 4.3. Bản vẽ 2D và hình chiếu trục đo của máy in 3D........................................... 23
Hình 5.1. Khung máy .................................................................................................... 25
Hình 5.2. Thành phần trục X ......................................................................................... 26
Hình 5.3. Thành phần trục Y và bàn nhiệt .................................................................... 27
Hình 5.4. Thành phần trục Z ......................................................................................... 27
Hình 5.5. Động cơ bước NEMA 17 .............................................................................. 32
Hình 5.6. Đầu phun gia nhiệt ........................................................................................ 38
Hình 5.7. Dây cảm biến nhiệt độ ................................................................................... 39
Hình 5.8. Nguồn tổ ong ................................................................................................. 40
Hình 5.9. Bàn nhiệt ........................................................................................................ 41
Hình 6.1. RAMPS 1.4 đặt trên mega 2560 .................................................................... 42
Hình 6.2. Sơ đồ nối A4988 với mạch RAMPS 1.4 ....................................................... 42
Hình 6.3. Giao diện chính marlin .................................................................................. 48
Hình 6.4. Chọn mạch điều khiển ................................................................................... 49
Hình 6.5. Nạp chương trình cho bộ điều khiển ............................................................. 50

Hình 6.6. Nạp chương trình thành cơng ........................................................................ 50
Hình 6.7. Hình chóp ...................................................................................................... 52
v


Hình 6.8. Hình khối ....................................................................................................... 53
Hình 7.1. Quy trình chung của phương pháp đúc ......................................................... 54
Hình 7.2. Quy trình chi tiết đối với phương pháp đúc bằng khuôn cát ......................... 55
Hình 7.3. Các bộ phận của khn đúc ........................................................................... 56
Hình 7.4. Bản vẽ lồng phơi thiết kế đúc ........................................................................ 61
Hình 7.5. Bản vẽ khn đúc .......................................................................................... 61
Hình 7.6 Mẫu được in 3D phục vụ đúc ......................................................................... 62
Hình 7.8. Vật mẫu được in từ máy in 3D phục vụ ngành đúc....................................... 62
Hình 7.9. Quy trình làm khn cát ................................................................................ 63
Hình 7.10. Quy trình tạo phễu rót, đậu ngót, đậu hơi ................................................... 63
Hình 7.11. Quy trình lấy vật mẫu ra khỏi khn ........................................................... 64
Hình 7.12. Quy trình rót kim loại vào khn ................................................................ 64
Hình 7.13. Quy trình tháo khn lấy chi tiết ................................................................. 65
Hình 7.14. Chi tiết sau khi được lấy ra khỏi khn cát ................................................. 65
Hình 7.15. Chi tiết sau khi gia cơng nguội .................................................................... 66
Hình 7.16. Sản phẩm đúc từ vật mẫu in 3D .................................................................. 66
Hình 8.1. Máy in 3D in vật mẫu phục vụ đúc ............................................................... 70
Hình 8.2. Sản phẩm được in từ máy in 3D .................................................................... 70

vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 7.1. Lượng dư gia công của vật đúc cấp chính xác cấp 3 .................................... 60
Bảng 7.2. Sai lệch cho phép kích thước của vật đúc cấp chính xác cấp 3 .................... 60

vii


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thơng tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu tính tốn thiết kế chế tạo máy in 3D và ứng dụng tạo mẫu
cho phương pháp đúc
- Chủ nhiệm đề tài:

Phạm Ngọc Hiếu

- Lớp: 181462A

Khoa:

Mã số SV: 18146299

Cơ khí chế tạo máy

- Thành viên đề tài: Võ Hoàng Tuấn
Stt

Họ và tên

MSSV

Lớp

Khoa

1

Phạm Ngọc Hiếu

18146299

181462A

CKM

2

Võ Hoàng Tuấn

18143175

18143CL3A

ĐT CLC

- Người hướng dẫn: Thạc sĩ Nguyễn Thanh Tân
2. Mục tiêu đề tài:
Dự kiến đến ngày 30 tháng 5 năm 2021 sẽ cơ bản hoàn thành máy in 3D hoạt động
ổn định, có độ chính xác cao và có thể sử dụng để tạo mẫu vật đúc nhanh.
3. Tính mới và sáng tạo:
Trong quy trình đúc hiện nay thì mẫu vật đúc được gia cơng bằng phương pháp truyền
thống như tiện, phay. Tuy nhiên, ở đề tài này nhóm tác giả vận dụng tính ưu việt của

máy in 3D để in các mẫu vật đúc phục vụ cho ngành đúc. Đây là tính mới và cũng là
tính sáng tạo của đề tài lần này.
4. Kết quả nghiên cứu:
Sau khi chế tạo thành công máy in 3D, cùng với đó là in một số vật mẫu để phục vụ
cho ngành đúc, nhóm tác giả đánh giá cao phương pháp chế tạo vật đúc theo phương
thức mới này, vật đúc được từ vật mẫu này cho thấy độ hoàn thiện cao, đáp ứng với nhu
cầu đặt ra của những sản phẩm đúc ban đầu.
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:
viii


Đây là đề tài mang tính ứng dụng cao, vừa áp dụng được những kiến thức được học
ở giảng đường đại học vào các dự án phục vụ công việc học tập và nghiên cứu của sinh
viên, đồng thời đem lại lợi ích kinh tế nếu như sản phẩm này được nhân bản rộng rãi
ngoài thị trường.
Ngày 10 tháng 6 năm 2021
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 (phần này do người hướng dẫn ghi):

Ngày

tháng

năm

Người hướng dẫn
(kí, họ và tên)

ix


CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. Giới thiệu
Sống trong thời đại hiện nay, nền công nghiệp 4.0 đang phát triển mạnh mẽ không
ngừng. Hàng ngày, hàng giờ, thế giới đều cho ra đời những sáng kiến, những phát mình
khiến cuộc sống của mỗi con người chúng ta trở nên tốt đẹp, đầy đủ hơn.
Nhóm tác giả cũng muốn đóng góp một phần nhỏ vào nền công nghệ của nước nhà,
với mong muốn có thể áp dụng được những gì đã học từ trường lớp vào một dự án thực
tế, mang lại giá trị đến cho chính bản thân của những người thực hiện dự án và những
mọi người quanh.
Xuất phát từ kinh nghiệm thực tế trong q trình gia cơng chế tạo có một số chi tiết
có hình dạng phức tạp, gia cơng cơ khí gặp nhiều khó khăn và có một số trường hợp
khơng thể gia cơng được, chi phí gia công cơ sẽ rất đắt nếu chỉ sản xuất theo loại hình
đơn chiếc. Đồng thời trong quá trình học tập nhóm tác giả tự nhận thấy trên thị trường
cũng có một số loại máy in 3D chi phí đắt, đơi khi có một số loại có độ chính xác khơng
cao. Trước tình hình thực tế đó, nhóm đã quyết định thực hiện nghiên cứu và chế tạo
máy in 3D, với mục đích nhằm khắc phục được những hạn chế từ các loại máy in đã có
trước đó, đồng thời giúp cho nhóm có thêm cơng cụ để phục vụ cho công việc nghiên
cứu sau này.
1.2. Lý do chọn đề tài nghiên cứu
Trong thời gian gần đây, có thể nhận thấy rằng việc sở hữu một chiếc máy in 3D là
một cơng cụ hỗ trợ đắc lực trong q trình nghiên cứu và phát triển một số dự án sáng
tạo khác phục vụ cho công việc học tập và kể cả trong lĩnh vực đời sống. Xét thấy nhu
cầu sử dụng máy in 3D trong sinh viên ngành kĩ thuật chúng ta ngày càng lớn, máy in
3D tự chế giá rẻ sẽ là một sản phẩm được sinh viên khối ngành kỹ thuật ưa chuộng rất

rộng rãi.
Có thể nói rằng, cơng nghệ in 3D khơng hề có giới hạn, ta có thể in bất kỳ đồ vật,
chi tiết, vật thể nào mà ta có thể nghĩ ra. Nó chứng minh một điều rằng, in 3D sẽ là một
xu hướng của thế giới tương lai. Những kĩ sư trong tương lai như nhóm tác giả cần phải
nắm bắt được cơng nghệ của việc chế tạo máy in 3D. Vì vậy, nhóm tác giả quyết định
chọn đề tài “Nghiên cứu và chế tạo máy in 3D và ứng dụng tạo mẫu cho phương
pháp đúc”.
1


1.3. Phương pháp nghiên cứu đề tài
Nhóm tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu để tìm hiểu rõ các loại vật
liệu, phương pháp chế tạo phôi và phương pháp gia cơng phù hợp. Sau đó ứng dụng
phương pháp thực nghiệm để thử nghiệm thực tế, rút ra kết luận, từng bước triển khai
và hoàn thiện dự án trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu và đúc kết.
1.4. Mục tiêu của đề tài
Dự kiến đến ngày 30 tháng 5 năm 2021 sẽ cơ bản hoàn thành máy in 3D hoạt động
ổn định, có độ chính xác cao và có thể sử dụng để tạo mẫu vật đúc nhanh.
1.5. Mục đích của báo cáo
Báo cáo này được viết nhằm mục đích mang đến cho người đọc hiểu rõ hơn về quy
trình thực hiện dự án của nhóm. Đồng thời có được một số kiến thức lý thuyết về các
phương pháp chọn vật liệu, phương pháp chế tạo phôi và phương pháp gia công được
sử dụng trong hệ thống cũng như cách thức vận hành hệ thống, hướng phát triển hệ
thống trong tương lai.
1.6. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Ý nghĩa khoa học: Đề tài góp phần vào việc xây dựng cơ sở cho việc nghiên cứu,
phát triển các máy in 3D in vật mẫu đúc nhanh.
Giá trị thực tiễn: Đây là đề tài mang tính thực tiễn cao, kết quả của việc phát triển
đề tài có thể được ứng dụng thực tế trong việc sử dụng để gia công các linh kiện có cấu
tạo phức tạp, phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu của sinh viên hiện nay.

1.7. Cấu trúc của báo cáo
Cấu trúc của báo cáo gồm có sáu phần chính cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Phương hướng và giải pháp
Chương 4: Tính tốn thiết kế máy
Chương 5: Chế tạo thử nghiệm
Chương 6: Ứng dụng in 3D tạo mẫu nhanh
Chương 7: Kiểm tra, đánh giá, cải tiến

2


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ DỰ ÁN
2.1. Đặt vấn đề
Công nghệ in 3D đang là một trong những xu hướng phát triển mới của khoa học và
kỹ thuật hiện đại. Hiện nay trên thế giới, công nghệ in 3D đã được ứng dụng trong việc
tạo sản phẩm phục vụ đời sống-xã hội. Một số sản phẩm được tạo bằng công nghệ in 3D
trong một số lĩnh vực như thiết kế thời trang, linh kiện thay thế, thực phẩm, công nghiệp,
xây dựng và y học.
Trong các ứng dụng đó thì việc tạo mơ hình 3D trực quan để phục vụ đào tạo, tạo
mẫu thiết kế được chú trọng, một số mô hình 3D được tạo bằng máy in 3D dùng để phục
vụ đào tạo được thể hiện như in các chi tiết hình hộp giảm tốc (hình 2-1).

Hình 2.1 Chi tiết hộp giảm tốc
Công nghệ in 3D là một công nghệ tạo mẫu tiên tiến. Các sản phẩm máy in thương
mại được sản xuất không những bởi các công ty, tập đồn như 3D system, Stratasys, Z
Corporation mà cịn bởi các trường đại học như Đại học Cardiff ở nước Anh. Tại Phịng
thí nghiệm sản xuất phụ trợ, Đại học Cardiff, các nghiên cứu về máy in cho các sản
phẩm bằng nhựa và kim loại đã được nghiên cứu từ những năm 90 của thế kỷ XX.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về tạo mẫu để ứng dụng trong công nghiệp đã được
chú trọng, nhiều tác giả, cơ sở sản xuất đã đề xuất nghiên cứu chế tạo máy in 3D như
nhóm nghiên cứu thuộc Bộ mơn Cơ khí chính xác và quang học (Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội) đã thiết kế chế tạo thử nghiệm thành công máy in chi tiết nhựa 3D. Máy
in 3D 3DMaker® GEM do Cơng ty cổ phần 3Dmaker (TP Hồ Chí Minh) thiết kế và chế
tạo dựa theo công nghệ in 3D-DLP.
Công nghệ in 3D hỗ trợ rất nhiều cho người thiết kế và những nhà sản xuất có thể
kiểm tra các chi tiết hay hệ thống được thiết kế trước khi được cấp vốn để sản xuất hàng
3


loạt. Các công nghệ in 3D đã giúp các nhà sản xuất đẩy mạnh việc thiết kế sản phẩm,
hạn chế các sai sót khơng đáng có trong q trình thiết kế và sản xuất.
Về cơ bản công nghệ in 3D là quá trình tạo mẫu sản phẩm giúp người sản xuất quan
sát nhanh sản phẩm cuối cùng. Quá trình tạo mẫu được hỗ trợ bởi các phần mềm CAD
giúp thiết kế nhanh sản phẩm, các phần mềm cắt lớp. Tạo đường chuyển động.
Đặc điểm của công nghệ in 3D là:
- Thực hiện tạo mẫu trong thời gian ngắn, đây chính là điểm mạnh của phương pháp
này.
- Sản phẩm của quá trình in có thể dùng để kiểm tra các mẫu được sản xuất bằng các
phương pháp khác.
- Mẫu tạo ra có thể dùng hỗ trợ cho q trình sản xuất.
2.2. Một số công nghệ in 3D
2.2.1. Công nghệ SLA
Công nghệ SLA được phát minh ở Mỹ vào năm 1984. Phương pháp tạo mẫu lập thể
SLA dựa vào nguyên tắc đông cứng vật liệu lỏng photopolymer thành hình dạng rõ ràng
khi nó được chiếu bởi một chùm tia laser cường độ cao. Có thể sử dụng Laser He-Cd
với bước sóng 325nm hoặc Laser dạng rắn [1].

4

Hình 2.2 Cơng nghệ SLA
Tại vị trí bệ đỡ cao nhất thì trên tấm là một lớp chất lỏng cạn. Máy phát laser phát ra
chùm tia cực tím tập trung trên 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 nên một khối đặc, bệ đỡ
được hạ xuống một khoảng bằng chiều dày 1 lớp và quá trình được lặp lại.
Quá trình được tiếp diễn cho đến khi đạt được kích thước của chi tiết. Phần dung dịch
xung quanh không bị đông kết và có thể được sử dụng cho lần kế tiếp.
2.2.2. Công nghệ 3DP
Công nghệ in chiều được phát triển ở khoa kỹ thuật cơ khí viện cơng nghệ MIT.

5


Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý tạo mẫu 3DP
Đầu phun sẽ phun dung dịch keo kế dính trên bề mặt lớp nền bột vật liệu chế tạo. Bột
sẽ kết dính với nhau ở những vị trí có keo dính. Sau khi lớp đầu tiên hoàn thành piston
chế tạo sẽ đi xuống một khoảng bằng bề dày một lớp. Piston phân phối bột đi lên, con
lăn chạy qua đẩy bột cung cấp tiếp tục cho quá trình. Quá trình được lặp lại cho đến khi
toàn bộ vật thể được chế tạo xong trong nền bột.
2.2.3. Công nghệ FDM
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 [3].

6


Hình 2.4. Cơng nghệ in FDM

Ngun lý hoạt động:
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 nhờ hệ thồng tời nhựa bằng cặp bánh răng một cách liên
tục. Tại đầu phun nhựa, nhựa được nung nóng tới khoảng nhiệt độ thích hợp bởi bộ phận
gia nhiệt. Nhựa nóng chảy được đùn ra theo biên dạng dịch chuyển của đầu phun. Sau
khi lớp thứ nhất hoàn thành bàn máy dịch xuống một khoảng bằng chiều dày một lớp.
Q trình tiếp tục cho đến khi hồn thành chi tiết.
2.3. Giới thiệu một số mẫu máy in 3D
2.3.1. Máy in 3D theo dạng Cartesian

Hình 2.5. Máy in 3D dạng Cartesian
7


Là các máy in 3D di chuyển đầu đùn nhựa nhờ các chuyển động theo phương X, Y,
Z trong hệ tọa độ Cartesian. Đại diện tiêu biểu dòng máy in 3D mã nguồn mở loại
Cartesian chính là Prusa i3 hay Mendel [4].
Cho đến nay, máy in 3D Cartesian bao gồm phần lớn máy in 3D FDM để bàn và
thương mại được sử dụng rộng rãi. Phương án thiết kế máy in này dựa trên hệ tọa độ
Cartesian, đây là một trong những hệ tọa độ cơ bản nhất được sử dụng trong một loạt
các ứng dụng công nghiệp và học thuật. Hệ tọa độ Cartesian sử dụng ba số để xác định
vị trí của một điểm trong khơng gian X, Y và Z. Trình tự của những con số này rất quan
trọng, vì chúng là một tiêu chuẩn cơng nghiệp.
Nói một cách đơn giản, số X và Y xác định vị trí bên và dọc của một điểm, trong khi
số Z xác định độ cao của nó. Trong máy in 3D Cartesian tiêu chuẩn, mỗi lớp được in
bằng tọa độ X và Y của mỗi điểm trước khi đầu in di chuyển lên theo chiều cao một lớp.
Sau đó, nó tiến hành in lớp tiếp theo tương ứng với tọa độ Z của chiều cao hiện tại của
đầu in.
Hầu hết những nỗ lực của ngành in 3D đã đi vào việc tạo ra các máy in 3D Cartesian
sáng tạo và thân thiện hơn với người dùng. Ngày nay, máy in 3D Cartesian có thể được

mua trong bộ dụng cụ lắp ráp hoàn chỉnh, sẵn sàng sử dụng. Với thiết lập tối thiểu, chúng
ta có thể in bằng máy in 3D Cartesian trong vài phút.
2.3.2. Máy in 3D theo dạng Delta

Hình 2.6. Máy in 3D dạng Delta

8


Là các máy in 3D di chuyển đầu đùn nhựa theo nguyên lý của robot delta (robot song
song). Đại diện tiêu biểu cho dòng máy in mã nguồn mở dạng Delta là Delta robot 3D
printer [4].
Máy in Delta 3D rất dễ nhận biết chỉ bằng sự xuất hiện của chúng. Trong máy in 3D
Delta, máy đùn được treo không phải từ phía trên, mà bởi vị trí ba cánh tay trong cấu
hình hình tam giác. Ba cánh tay đẩy và kéo vào máy đùn để định vị nó theo mơ hình
được in.
Mặc dù cấu hình khác thường của máy in Delta 3D, nó vẫn xây dựng các bản in theo
hệ thống tọa độ của Cartesian. Thay vì định vị đầu in theo các vị trí x, y và z, mỗi ba
cánh tay sẽ thay đổi góc của nó để định vị đầu in trên nền tảng xây dựng theo mô hình.
Đánh vào vị trí chính xác được thực hiện bởi một loạt các hàm lượng giác xem xét góc
của tất cả các nhánh định vị. Do cấu trúc hình tam giác, Máy in Delta 3D thường có nền
tảng xây dựng hình trịn giúp chúng phù hợp hơn cho bản in trịn.
2.3.3. Máy in 3D theo dạng Polar

Hình 2.7 Máy in 3D dạng Polar
Loại máy in 3D này mới và ít phổ biến hơn hai loại trên. Đầu đùn nhựa di chuyển
theo nguyên lý của tọa độ cực. Đây vẫn được coi là một thiết kế mới nổi, nhưng ngày
càng nhiều chuyên gia in 3D bắt đầu nhận ra lợi thế của nó có thể như thế nào. Thay vì
sử dụng hệ tọa độ Descartes, Máy in 3D Polar sử dụng hệ tọa độ cực. Trong hệ thống
9

này, các điểm được xác định chỉ sử dụng hai số: một góc trong khơng gian 3D và khoảng
cách (hoặc bán kính) từ một trung tâm được xác định trước [5].
Các cơ chế di chuyển rất khác so với những gì chúng ta thường thấy trong Máy in 3D
của Cartesian. Thay vì nền tảng xây dựng cố định, giường in của máy in 3D Polar có thể
xoay, di chuyển sang trái và phải hoặc di chuyển qua lại. Điều này làm cho nó có thể có
một chiếc giường in gần như đứng yên - nó chỉ di chuyển lên và xuống khi chuyển sang
lớp khác. Thiết kế rất khéo léo này cho phép máy in 3D Polar tạo ra khối lượng xây
dựng lớn bằng cách sử dụng một không gian nhỏ hơn nhiều.
Việc thực hiện dự án máy in 3D lần này nhóm tác giả nghiên cứu vận dụng tổng hợp
lý thuyết về đặc điểm của các loại vật liệu chế tạo máy, các phương pháp gia công, chế
tạo phôi được học trong môn học Kỹ thuật chế tạo trong kỳ này. Đồng thời kết hợp với
kiến thức tổng hợp về phần điện tử, vi mạch được học ở các kỳ trước cùng với việc tự
nghiên cứu của nhóm để tạo ra được một chiếc máy in 3D hoàn chỉnh đáp ứng được yêu
cầu về tính linh hoạt cũng như về chi phí mà nhóm đã đề ra lúc đầu.
Ngồi ra nhóm cịn vận dụng kiến thức về việc bố trí và sắp xếp các linh kiện trong
chiếc máy in 3D để phù hợp không gian học tập của các bạn sinh viên để mang lại hiệu
quả tối ưu nhất cho hệ thống.
2.4. Kết luận
Ta có bảng thống kê ưu nhược điểm của cả 3 phương án thiết kế như sau [4]:
STT

1

Phương pháp
thiết kế

Cartesian

Ưu điểm

Nhược điểm

Lắp ráp, căn chỉnh và

Khối lượng các cơ

bảo dưỡng dễ dàng.

cấu đi động lớn,

Cộng đồng mã nguồn

nên tốc độ in không

mở lớn.

cao và gây ồn.

Phù hợp với người bắt

Khi hoạt động máy

đầu làm quen với công

thường bị rung và

nghệ in 3D, đặc biệt là

do vậy làm giảm độ

sinh viên khối ngành kỹ

chính xác.

thuật có mong muốn

Kích thước ngang

nghiên cứu về các loại

lớn, thường bị hạn

10


2

Delta

máy in 3D trong công

chế chiều cao vật

nghiệp.

in.

Khối lượng các cơ cấu

Lắp ráp, căn chỉnh

di động nhỏ và một

máy hơi phức tạp,

phần di chuyển theo các

cần người lắp ráp

trục thẳng đứng.

có kinh nghiệm về

Hoạt động êm, ít rung,

máy in 3D chun

tốc độ cao và chính xác.

sâu.

Có thể in được vật in có

Chiều cao của máy

chiều cao lớn.

lớn (thường tới 60-

Bàn nhiệt (nơi đặt vật

70 cm).

in) không di chuyển

Thường đắt hơn so

trong suốt quá trình in

với

nên vật in được giữ chắc

Cartesian.

máy

dạng

chắn hơn.
Khung bệ chắc chắn

3

Polar

Kiểu dáng mới.

Momen quán tính

Máy hoạt động ít rung

của bàn nhiệt lớn.

lắc.

Tốc độ in không

Kích thước vật in có thể

cao.

lớn.

Lắp ráp và căn
chỉnh máy khó.
Giá thành cao.

Trước sự phân tích ưu nhược điểm của các phương án thiết kế máy in 3D, nhóm tác
giả nhận thấy ưu điểm của phương án thiết kế dạng Cartesian, điển hình là loại Prusa có
nhiều ưu điểm nổi bật. Và đặc biệt chính là ưu điểm về mã nguồn mở, thích hợp với
người bắt đầu nghiên cứu về các loại máy in 3D, đặc biệt là nhóm sinh viên như nhóm
tác giả đang nghiên cứu phát triển đề tài.
Do đó, với sự thống nhất của nhóm, sau khi đã cân nhắc về nguồn lực, thời gian, nhân
sự cũng như về kinh phí thì nhóm tác giả quyết định chọn phương án thiết kế dạng
Cartesian.
11

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1. Khái quát chung về máy in 3D
Máy in 3D đầu tiên ra đời vào những năm 80 là những dòng máy in 3D SLA đầu
tiên trên thế giới. Về cơ bản mọi máy in 3D đều có kết cấu cơ khí gần giống nhau, chỉ
khác nhau về bộ phận tạo mẫu. Xét về tổng quan các máy in 3D FDM có kết cấu gồm 3
phần chính: phần mềm điều khiển, phần điện, phần cơ khí, bộ đùn nhựa [6].
Cấu trúc cơ khí của một máy in 3D gần giống với các loại máy CNC với truyền
động của các trục. Bộ truyền có thể là bộ truyền vít me – đai ốc hoặc bộ truyền đai. Đặc
điểm của truyền động cơ khí trong máy in 3D là tải trọng tác dụng lên không đáng kể
do đó việc thiết kế tương đối đơn giản, kết cấu các trục tương đối gọn nhẹ, các chi tiết
lắp ráp khơng địi hỏi về khả năng chịu lực khơng cao do đó có thể sử dụng các chi tiết
in được bằng các máy khác để lắp ráp. Đó cũng là một ưu điểm của các máy in 3D. Một
số dòng máy in 3D có khoảng 80% các chi tiết lắp ráp là được in bằng các máy in 3D
sẵn có.
Phần điện của máy in 3D có thể chia thành 2 khối: khối điều khiển và khối chấp
hành. Khối điều khiển gồm các thành phần như: Vi điều khiển, Board kết nối, LCD,
Driver
Khối chấp hành gồm các thành phần như: động cơ bước, các cảm biến nhiệt độ,
động cơ servo (nếu có), tản nhiệt
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. Phần mềm được
chia làm 2 thành phần: phần mềm CAD/CAM, phần mềm điều khiển. Phần mềm CAD
là các phần mềm có chức năng tạo mẫu 3D, đây là các mơ hình sẽ được in trên máy in
3D. Các phần mềm CAD được sử dụng có thể là Inventor, Solidwork, Creo, Sketchup.
Các mơ hình 3D sau khi được tạo ra phải được chuyển đổi sang định dạng STL từ đó có
thể đưa sang các phần mềm CAM để xử lý tiếp theo. 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 tốc độ in tăng lên. Để tối ưu hóa
giữa chất lượng in và tốc độ in thì phải có cài đặt các thơng số in hợp lý.
12


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 sử lý mẫu in nhanh hơn và đạt hiệu quả hơn như phần mềm Repertier
host. Phần mềm này tích hợp các cơng cụ CAM là Slic3r, Cura, Skeinforge, có thể lựa
chọn sử dụng một trong ba module để so sánh từ đó lựa chọn module tốt hơn cho từng
kiểu mẫu in khác nhau.
3.2. 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 [7].

Hình 3.1. Động cơ bước
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. Động cơ bước được điều khiển bởi bộ điều khiển bên ngoài. 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
13

động cơ quay một góc nhất định gọi là bước của động cơ. 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.
Động cơ bước được chia thành 3 loại chính là:
Động cơ bước biến từ trở.
Động cơ bước nam châm.
Động cơ bước hỗn hợp/lai.
3.2.1. Động cơ bước biến trở từ
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 [7].
Roto của động cơ bước biến từ trở được cấu tạo từ thép non có khả năng dẫn từ cao,
do đó khi động cơ mất điện roto vẫn tiếp tục quay tự do rồi mới dừng hẳn.
Nguyên lý hoạt động của động cơ bước biến từ được thể hiện như hình:

Hình 3.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước biến trở từ
14