Thiết kế chết tạo máy in 3d sử dụng vật liệu đất sét

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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY IN 3D
SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐẤT SÉT

GVHD: TS. NGUYỄN LÊ TƯỜNG
SVTH: LÊ MINH TRÍ
BÙI ĐỨC TÙNG
TỐNG BẢO LÂN

S K L 0 1 1 1 0 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2023


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯
BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY IN 3D
SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐẤT SÉT
Sinh viên thực hiện:

Giảng viên hướng dẫn:

Lê Minh Trí

19146038

Bùi Đức Tùng

19146300

Tống Bảo Lân

19146348

ThS. Nguyễn Lê Tường

TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2023


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Học kỳ …2… / năm học 2022 - 2023
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Lê Tường ............................
Sinh viên thực hiện: Lê Minh Trí ...........MSSV: 19146038 ...Điện thoại: 0358189155.

Sinh viên thực hiện: Tống Bảo Lân........MSSV: 19146348 ...Điện thoại: 0906773302.
Sinh viên thực hiện: Bùi Đức Tùng........MSSV: 19146300 ...Điện thoại: 0961503108.

1. Đề tài tốt nghiệp:
- Mã số đề tài: 22223DT135
- Tên đề tài: Thiết kế chế tạo máy in 3D sử dụng vật liệu đất sét
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
…………….………..……….………………………………………………………
…………….………..……….………………………………………………………
…………….………..……….………………………………………………………
…………….………..……….………………………………………………………
3. Nội dung chính của đồ án:
…………….………..……….………………………………………………………
…………….………..……….………………………………………………………
…………….………..……….………………………………………………………
…………….………..……….………………………………………………………
4. Các sản phẩm dự kiến
…………….………..……….………………………………………………………
…………….………..……….………………………………………………………
…………….………..……….………………………………………………………
5. Ngày giao đồ án:
6. Ngày nộp đồ án:
7. Ngơn ngữ trình bày:

Bản báo cáo:
Trình bày bảo vệ:

Tiếng Anh 
Tiếng Anh 

Tiếng Việt 
Tiếng Việt 

TRƯỞNG BỘ MÔN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

 Được phép bảo vệ

……………………………………………
(GVHD ký, ghi rõ họ tên)


LỜI CAM KẾT

- Tên đề tài:
- GVHD:
- Họ tên sinh viên:
- MSSV: Lớp:
- Địa chỉ sinh viên:
- Số điện thoại liên lạc: Email:
- Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN):
- Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) này là cơng trình do chính
tơi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được cơng bố
mà khơng trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn
trách nhiệm”.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày .... tháng .... năm ....
Ký tên


LỜI CẢM ƠN
Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ba mẹ và quý thầy cô trường Đại
học Sư phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, cũng như các giáo viên khoa Đào tạo Chất lượng
Cao và bộ môn Cơ Điện Tử. Sự tận tâm và truyền đạt kiến thức của quý thầy cô đã giúp chúng
em có những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong quá trình học tập.
Chúng em xin đặc biệt gửi lời cảm ơn đến thầy Bùi Hà Đức, người đã tận tình hướng
dẫn và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình làm đồ án. Thầy khơng chỉ truyền đạt kiến thức
mà cịn khuyến khích chúng em phát triển tinh thần làm việc, nghiên cứu khoa học và đưa ra
những góp ý quý báu cho sản phẩm của chúng em. Đây là những điều cần thiết và quý giá
cho quá trình học tập và sự nghiệp trong tương lai.
Trong quá trình hoàn thành đồ án và bài báo cáo trong một thời gian ngắn, chúng em
xin lưu ý rằng có thể cịn thiếu sót và chưa hồn thiện. Chúng em rất mong được sự thông
cảm từ các thầy cô. Đồng thời, do trình độ lý luận và kinh nghiệm cịn hạn chế, bài báo cáo
cũng khơng tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em mong nhận được ý kiến đóng góp từ q
thầy cơ để tiếp tục học hỏi và tích lũy kinh nghiệm cho con đường phát triển trong tương lai.
Sinh viên thực hiện:

LÊ MINH TRÍ

Sinh viên thực hiện:

BÙI ĐỨC TÙNG

Sinh viên thực hiện:

TỐNG BẢO LÂN

TÓM TẮT
Đề tài máy in 3D đất sét này nghiên cứu tập trung vào quy trình tạo hình và hệ thống
sấy khô vật liệu. Cấu trúc đồ án bao gồm: khảo sát và phân tích sản phẩm gốm hiện tại, nghiên
cứu về quy trình thiết kế chế tạo gốm, và tiêu chuẩn đánh giá sản phẩm gốm. Với khảo sát đã
nghiên cứu có thể đưa ra các phương pháp thiết kế và thuật toán cho chế tạo gốm, nhằm cải
thiện chất lượng sản phẩm rút ngắn thời gian tạo hình và sấy khô, tiết kiệm tối đa lượng đất
sét hao hụt trong q trình tạo hình.
Nội dung chính của đề tài bao gồm:
Khảo sát và phân tích sản phẩm gốm hiện tại:
- Nhằm nghiên cứu chế tạo trước tiên phải khảo sát sản phẩm gốm đang được sử dụng
trong và ngoài nước, cũng như tiêu chuẩn đánh giá và phân loại sản phẩm gốm.
- Xây dựng phương pháp và thuật tốn: Dựa trên khảo sát và phân tích, nghiên cứu và
phát triển phương pháp và thuật toán để chế tạo sản phẩm gốm với chất lượng cao
hơn và thời gian sản xuất ngắn hơn.
- Thiết kế và chế tạo máy in 3D: Tiến hành thiết kế và chế tạo máy in 3D dựa trên
phương án, thuật toán được đưa ra và chọn lọc.
Kết quả đạt được từ đề tài bao gồm:
- Thành công trong xây dựng máy in 3D để sản xuất gốm, sử dụng phương pháp FDM
(in dạng sợi) và thuật toán cắt lớp mẫu 3D để áp dụng vào mơ hình tạo thành phẩm.
- Đạt được chất lượng tương đối ổn định và tốc độ sản xuất liên tục
- Tạo hình nghệ thuật dạng sợi sâu chuỗi là một góc nhìn nghệ thuật mới cho bên thiết
kế hội họa sản phẩm gốm truyền thống.
- Mở rộng ứng dụng công nghệ in 3D vào sản xuất gốm.
Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế:
- Cần tiếp tục nghiên cứu và tối ưu hóa phương pháp ép đùn, cấp liệu và thuật toán để
nâng cao hiệu suất và chất lượng sản xuất gốm.

ABSTRACT
This research on 3D clay pottery focuses on the shaping process and the material drying
system. The project structure includes: survey and analysis of current ceramic products, study
of ceramic design and manufacturing processes, and evaluation standards for ceramic
products. The survey and analysis will provide insights into design methods and algorithms
for ceramic manufacturing, with the aim of improving product quality, shortening shaping
and drying time, and minimizing clay wastage during the shaping process.
The main content of the project includes:
-

Survey and analysis of current ceramic products: to investigate the first step of
manufacturing, a survey of ceramic products currently used both domestically and
internationally will be conducted, along with evaluation standards and classification of
ceramic products.

-

Development of methods and algorithms: based on the survey and analysis, methods
and algorithms will be researched and developed to create ceramic products with
higher quality and shorter production time.

-

Design and construction of 3D printers: the design and construction of a 3D printer
will be carried out according to the proposed methods and algorithms.

The achieved results from this project are as follows:
-

Successful construction of a 3D printer for pottery production, using the Fused

Deposition Modeling (FDM) method and 3D slicing algorithm for the final product
model.

-

Relatively stable product quality and continuous production speed.

-

Introduction of artistic shaping using filament-based 3D printing, providing a new
perspective for traditional ceramic product design.

-

Broadening the application of 3D printing technology in pottery manufacturing.

However, there are still some limitations that need to be addressed:
-

Further research and optimization of extrusion methods, material supply, and
algorithms are required to enhance the efficiency and quality of ceramic production.


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI ....................................................................... 1
1.1 Giới thiệu về công nghệ chế tạo nhanh: ......................................................................................... 1
1.2 Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................................................. 1
1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài ............................................................................................................. 1
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài ........................................................................................ 2
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu .............................................................................................................. 2

1.4.2 Phân tích ưu nhược điểm phương pháp tạo hình làm gốm truyền thống ................................ 5
1.4.3 Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................................. 6
1.5 Phương pháp tiếp cận ..................................................................................................................... 6
1.5.1 Cách tiếp cận ........................................................................................................................... 6
1.5.2 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................................... 6
1.5.3 Phương pháp phân tích thực nghiệm ....................................................................................... 7
1.6 Kết cấu đồ án tốt nghiệp ................................................................................................................. 7
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................................... 8
2.1 Phương án thiết kế .......................................................................................................................... 8
2.1.1 Phương pháp in 3D (tạo mẫu nhanh):...................................................................................... 8
2.1.2 Phương pháp truyền động ...................................................................................................... 10
2.2 Nguyên lý thiết kế ........................................................................................................................ 11
2.3 Khái quát chung về máy in 3D:.................................................................................................... 11
2.4 Máy in hệ core XY: ...................................................................................................................... 12
2.5 Động cơ Servo:............................................................................................................................. 13
2.5.1 Cấu tạo của động cơ bước: .................................................................................................... 14
2.5.2 Cách hoạt động: ..................................................................................................................... 14
2.5.3 Ưu nhược điểm của động cơ bước: ....................................................................................... 15
2.5.4 Ứng dụng của động cơ bước: ................................................................................................ 15
2.6 Truyền động vít me – đai ốc: ....................................................................................................... 15
2.6.1 Cơ cấu vít me – đai ốc trượt: ................................................................................................. 15
2.6.2 Cơ cấu vít me đai ốc bi: ......................................................................................................... 16
2.7 Ray trượt dẫn hướng: ................................................................................................................... 18
2.8 Truyền động đai: .......................................................................................................................... 19
2.9 Kết luận: ....................................................................................................................................... 19
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ............................................ 21
3.1 Nguyên lý hoạt động .................................................................................................................... 21
3.1.1 Đưa ra các phương án thiết kế truyền động cho việc thiết kế máy........................................ 22

3.1.2 Đưa ra các phương án thiết kế bộ cấp liệu máy in 3D........................................................... 25
3.2 Các chi tiết gia công chính ........................................................................................................... 29
3.2.1 Cụm cấp vật liệu .................................................................................................................... 29
3.2.2 Cụm chuyển động trên trục x, trục y ,trục z .......................................................................... 29
3.2.3 Bố trí các cụm thiết kế trên máy ............................................................................................ 30
3.3 Một số tính tốn lựa chọn nhỏ cho bộ khung sau các khảo sát trên thị trường: ........................... 30
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN CƠ KHÍ ................................................................................................. 33
4.1 Tính tốn cụm cấp liệu và ép đùn ................................................................................................ 33
4.1.1 Tính chọn động cơ cấp liệu ................................................................................................... 33
4.1.2 Tính tốn bộ truyền động....................................................................................................... 35
4.2 Thông số điều khiển động cơ ....................................................................................................... 36
4.2.1 Động cơ cấp liệu .................................................................................................................... 36
4.2.2 Động cơ ép đùn...................................................................................................................... 37
4.3 Tính tốn truyền động các trục X, Y, Z ....................................................................................... 40
4.3.1 Tính tốn trục X..................................................................................................................... 40
4.3.2 Tính tốn trục Y ................................................................................................................... 41
4.3.3 Tính tốn trục Z .................................................................................................................... 41
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MẠCH DIỆN VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN..................................... 43
5.1 Linh kiện chính: ........................................................................................................................... 43
5.2 Giới thiệu 1 số linh kiện chính ..................................................................................................... 44
5.2.1 Board MKS gen L v2.1 ........................................................................................................ 44
5.2.2 Driver điều khiển động cơ ................................................................................................... 46
5.2.3 Động cơ bước size 42 .......................................................................................................... 47
5.2.4 Bộ nguồn ............................................................................................................................... 48
5.2.5 LCD hiển thị ......................................................................................................................... 49
5.2.6 Cơng tắc hành trình .............................................................................................................. 50
5.2.7 Quạt sấy khô ......................................................................................................................... 51
5.3 Sơ đồ kết nối................................................................................................................................. 52
5.3.1 Kết nối nguồn ........................................................................................................................ 53
5.3.2 Kết nối lên board ................................................................................................................... 54

5.3.3 Kết nối động cơ step .............................................................................................................. 55
5.3.4 Kết nối công tắc hành trình.................................................................................................... 56
5.4 Lập trình điều khiển: .................................................................................................................... 57
5.4.1 Marlin Firmware:................................................................................................................... 57
5.4.2 Phần mềm Cura: .................................................................................................................... 64
5.4.3 Phần mềm Pronterface:.......................................................................................................... 72


CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ...................................................................................................................... 73
6.1 Các thông số ảnh hưởng đến q trình in:.................................................................................... 73
6.2 So sánh thơng số giữa mẫu mô phỏng và mẫu thực tế ................................................................. 74
6.2.1 Các sản phẩm thực tế (tỉ lệ pha trộn 500:70) ......................................................................... 74
6.2.2 Thông số thực tế của một số mẫu in ...................................................................................... 79
6.3 Nhận xét ....................................................................................................................................... 80
CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................. 82
7.1 Kết luận ........................................................................................................................................ 82
7.2 Hướng phát triển .......................................................................................................................... 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................... 83


MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Đất sét .......................................................................................................................... 2
Hình 1.2: Quá trình thấu đất ........................................................................................................ 4
Hình 1.3: Tạo hình trên bàn xoay ................................................................................................ 4
Hình 1.4: Tạo hình bằng khn ................................................................................................... 5
Hình 1.5: Nặn đất bằng tay .......................................................................................................... 5
Hình 2.1: Cơng nghệ SLA ........................................................................................................... 8
Hình 2.2: Cơng nghệ FDM .......................................................................................................... 9
Hình 2.3: Cơng nghệ SLS ............................................................................................................ 9
Hình 2.4: Cấu trúc của máy in 3D ............................................................................................. 11

Hình 2.5: Hệ coreXY trong máy in 3D ..................................................................................... 13
Hình 2.6: Động cơ bước ............................................................................................................ 14
Hình 2.7: Cấu tạo của động cơ bước ......................................................................................... 14
Hình 2.8: Vít me đai ốc ............................................................................................................. 16
Hình 2.9: Vít me đai ốc bi ......................................................................................................... 17
Hình 2.10: Ray trượt dẫn hướng ................................................................................................ 18
Hình 2.11: Truyền động đai....................................................................................................... 19
Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động máy in FDM............................................................................ 21
Hình 3.2: Cấu trúc máy in FDM ................................................................................................ 22
Hình 3.3: Cấu trúc máy in máy delta ......................................................................................... 23
Hình 3.4: Cấu trúc ép đùn bằng khí nén .................................................................................... 25
Hình 3.5: Cấu trúc ép đùn bằng động cơ ................................................................................... 26
Hình 3.6: Cụm cấp vật liệu mơ phỏng 3D ................................................................................. 28
Hình 3.7: Cụm chuyển động trên trục x, y, z ............................................................................ 29
Hình 3.8: Cụm cấp vật liệu và cụm đùn trên máy ..................................................................... 30
Hình 3.9: Cụm trục Z................................................................................................................. 30
Hình 3.10: Cụm trục Y .............................................................................................................. 31
Hình 3.11: Cụm trục X .............................................................................................................. 31
Hình 3.12: Cụm khung .............................................................................................................. 31
Hình 3.13: Cụm tay hỗ trợ khung .............................................................................................. 32
Hình 3.14: Khơng gian làm việc................................................................................................ 32
Hình 4.1: Động cơ cấp liệu ........................................................................................................ 34
Hình 4.2: Cụm cấp liệu được phân rã ........................................................................................ 36
Hình 4.3: Cụm dẫn cấp liệu được phân rã ................................................................................. 38
Hình 4.4: Vị trí lắp ráp bộ cấp liệu và cụm dẫn cấp liệu ........................................................... 39
Hình 4.5: Truyền động Core XY .............................................................................................. 41
Hình 4.6: Cụm truyền động trục Z ............................................................................................ 42
Hình 5.1: Ảnh liệt kê danh sách các linh kiện sử dụng cho bộ điều khiển ............................... 43
Hình 5.2: Board MKS GenL V2.1............................................................................................. 45
Hình 5.3: Driver TMC2209 ....................................................................................................... 46

Hình 5.4: Động cơ bước size 42 ................................................................................................ 47
Hình 5.5: Sơ đồ nối dây động cơ ............................................................................................... 48
Hình 5.6: Nguồn 24V DC .......................................................................................................... 49


Hình 5.7: Màn hình hiển thị LCD ............................................................................................. 49
Hình 5.8: Màn hình hiển thị LCD ............................................................................................. 50
Hình 5.9: Sơ đồ ngun lý cơng tắc hành trình ......................................................................... 50
Hình 5.10: Quạt sấy khơ 24V .................................................................................................... 51
Hình 5.11: Pinout MKS Gen L V1.2 ......................................................................................... 52
Hình 5.12: Sơ đồ kết nối bộ nguồn ............................................................................................ 53
Hình 5.13: Sơ đồ kết nối lên board ............................................................................................ 54
Hình 5.14: Sơ đồ kết nối động cơ step ...................................................................................... 55
Hình 5.15: Sơ đồ kết nối cơng tắc hành trình ............................................................................ 56
Hình 5.16: Trang web chính của Marlin ................................................................................... 57
Hình 5.17: Lưu đồ thiết lập thông số cho máy in ...................................................................... 63
Hình 5.18: Machine settings trong Cura.................................................................................... 64
Hình 5.19: Setting bộ đùn trong Cura ....................................................................................... 66
Hình 5.20: Giao diện chính trong Cura .................................................................................... 66
Hình 5.21: Vùng thiết lập thơng số cho sản phẩm in ................................................................ 67
Hình 5.22: Nút cắt lớp cho sản phẩm ........................................................................................ 67
Hình 5.23: Sản phẩm sau cắt lớp ............................................................................................... 70
Hình 5.24: Lưu đồ thiết lập thơng số cho sản phẩm trên Cura.................................................. 71
Hình 5.25: Giao diện chính của Pronterface ............................................................................. 72


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
1.1 Giới thiệu về công nghệ chế tạo nhanh:
Công nghệ tạo mẫu nhanh ra đời vào những thập kỷ 1980 và đã bắt đầu được áp dụng
rộng rãi ở nhiều quốc gia từ năm 1997. Cơng nghệ này, cịn được gọi là Rapid Prototyping

Engineering, đóng vai trị quan trọng trong việc hỗ trợ các nhà thiết kế và nhà sản xuất kiểm
tra các chi tiết hoặc hệ thống trước khi đầu tư vào sản xuất hàng loạt.
Phương pháp sản xuất bồi đắp dựa trên thiết kế 3D đã trở thành một công nghệ quan
trọng và đột phá trong tạo mẫu nhanh. Ban đầu, thiết kế 3D được chuyển thành dữ liệu điều
khiển (Gcode) thông qua phần mềm cắt lớp (Slicer). Dữ liệu này được sử dụng để tạo hình
sản phẩm với độ chính xác và chi tiết cao trên máy in 3D.
Việc áp dụng cơng nghệ in 3D trong q trình sản xuất mang lại nhiều lợi ích. Nó tăng
tốc độ sản xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Đồng thời, công nghệ này giúp tiết kiệm
chi phí và giảm lượng rác thải. Quan trọng hơn, nó tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiếp cận
và sử dụng, đồng thời khuyến khích sự sáng tạo và tùy biến trong thiết kế sản phẩm.
1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, cơng nghệ in 3D đang dần được áp dụng vào thị trường Việt Nam và mang
lại nhiều sản phẩm chất lượng cho người tiêu dùng. Mặc dù việc sử dụng vật liệu nhựa trong
sản xuất khơng cịn xa lạ, nhưng đất sét vẫn có vai trị truyền thống quan trọng trong nghề
gốm của Việt Nam. Việc tạo ra các tác phẩm từ các loại vật liệu khác cần phải trải qua nhiều
giai đoạn phức tạp và tuân theo truyền thống.
Nhằm khai thác tiềm năng của ngành gốm Việt Nam, nhóm nghiên cứu quyết định phát
triển một máy in 3D đất sét. Máy in này nhằm giúp các xưởng gốm tiết kiệm thời gian và chi
phí trong q trình tạo hình sản phẩm từ đất sét. Đồng thời, máy in cũng giúp tối ưu hóa việc
sử dụng vật liệu, đảm bảo hiệu suất tạo hình cao và giảm thiểu lãng phí. Điều này sẽ giúp các
nghệ nhân điêu khắc trong ngành gốm có thể tạo ra các sản phẩm một cách nhanh chóng và
hiệu quả.
1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài
Trước tiên, việc tham khảo một số ý tưởng từ các nghiên cứu trong nước cũng như quốc
tế là cần thiết để từ đó q trình thiết kế và chế tạo gốm sẽ được tiến hành. Sau đó nghiên
1


cứu thiện máy in 3D đất sét, những cuộc thử nghiệm cần phải được thực hiện để cho ra các
thông số phù hợp cho máy in. Đồng thời, tìm ra các khuyết điểm để kịp thời sửa chữa để đảm

bảo máy in hoạt động ở mức tối ưu.
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu
Đất sét, được gọi là sét, là thuật ngữ dùng để miêu tả một nhóm khống vật phyllosilicat
nhơm có khả năng hấp thụ nước. Các hạt đất sét thường có kích thước nhỏ hơn 2 μm
(micromét). Cấu trúc của đất sét bao gồm các khống chất phyllosilicat giàu ơxít và hiđrơxít
của silic và nhơm, cùng với sự có mặt lượng nước đáng kể. Đất sét được hình thành chủ yếu
thơng qua q trình phong hóa hóa học của các loại đá chứa silicat dưới tác động của axit
cacbonic, tuy nhiên cũng có những loại đất sét hình thành do hoạt động thủy nhiệt. Đặc trưng
của đất sét là khả năng hút nước cao và tính đàn hồi, cùng với khả năng tạo hình thành các
cấu trúc như bơng hay lớp.

Hình 1.1: Đất sét

Trong nhiều nguồn tài liệu khác nhau, đất sét được phân thành ba hoặc bốn nhóm chính
gồm kaolinit, montmorillonit-smectit, illit và chlorit (nhóm này có thể được xem như một
phần riêng biệt của đất sét trong phạm vi phyllosilicat). Có khoảng 30 loại đất sét nguyên
chất khác nhau thuộc các nhóm này. Tuy nhiên, hầu hết đất sét tự nhiên là sự kết hợp của các
loại khoáng chất này cùng với các khống chất phong hóa khác.

2


Tất cả đất sét đều có thể được sử dụng để in 3D nhưng một số loại đất sét in tốt hơn
những loại khác. Thứ chúng ta cần tìm kiếm là một loại đất sét khơng q dính, có kết cấu
mịn và khơ nhanh. Nếu sử dụng máy in có đầu in vít loại đất sét sử dụng phải có tính mềm
dẻo, khơng q thơ ráp, nếu khơng sẽ làm mịn vít trong đầu in. Sử dụng đất sét để ép đùn in
3D khơng khác biệt về quy trình so với các cách in truyền thống khi làm việc với đất sét.
Trong máy in, đất sét mềm và dễ uốn được tạo hình bằng cách tạo thành các lớp bằng đất sét,
tương tự như một trong những kỹ thuật làm gốm lâu đời nhất và cơ bản nhất, tạo cuộn dây.

Xây dựng cuộn dây được hướng dẫn bằng máy tính gần như có thể là một mơ tả tốt hơn so
với in 3D. Sau đó, theo quy ước khi làm việc với đất sét, vật thể được làm khơ hồn tồn và
nung mạnh trong một lị nung. Nếu muốn có một lớp tráng men, việc tráng men sau lần nung
đầu tiên này là bình thường và đối tượng trải qua quá trình nung men thứ hai.
Các loại đất sét:
Đất sét đỏ ngun chất thường dính và nếu bạn có một máy in nơi đất sét được đưa vào
trong một thời gian dài ống mỏng đó sẽ khơng chảy tốt lắm. Nếu bạn có bản in bị dừng và
bắt đầu nhiều thì đất sét bị dính trở nên rất lộn xộn. Đất sét đỏ mịn cũng khô chậm. Đất sét
đỏ cát hoặc đất sét đỏ pha trộn với các loại đất sét khác sẽ hoạt động tốt hơn.
Đất sét kem với một lượng tốt 0,2 mm grog/chamotte (15 - 30%) dường như hoạt động
tốt. (Grog/chamote là một loại bột/sạn gốm đã được nung và nghiền nhỏ) Grog tạo ra đất sét
ít dính hơn và hỗn hợp di chuyển qua hệ thống tốt hơn. Nó cung cấp thêm một chút cấu trúc
cho hỗn hợp để giúp các biểu mẫu được in nổi bật. Đất sét nén cũng khô đều hơn và nhanh
hơn. Nhiều nhà cung cấp cho biết trên nhãn gói có bao nhiêu grog trong đất sét. Đồ sành làm
từ đất sét nén mịn là một điểm khởi đầu tốt.
Kết cấu đất sét:
Đất sét để ép đùn in 3D cần đủ mềm để đưa qua máy nhưng bạn khơng muốn nó q
mềm đến nỗi nó sẽ khơng tự hỗ trợ khi nó hình thành. Khơng có biện pháp đơn giản cho sự
nhất quán này nên là gì nhưng một cái gì đó trơng giống như kem đánh răng là một hướng
dẫn tốt. Bề mặt đất sét sẽ trông chỉ ẩm nhưng khơng ướt bão hịa.
Đất sét có tính chất mềm dẻo khi ẩm, điều này có nghĩa là dễ dàng tạo hình bằng tay.
Khi đất sét khơ, nó trở nên cứng và có độ bền cao hơn. Để làm cho đất sét cứng và bền vững
một cách vĩnh cửu, người ta có thể nung nó bằng nhiệt độ cao. Điều này giúp đất sét trở thành
3


một chất liệu lý tưởng để sản xuất các sản phẩm gốm sứ, được sử dụng cả trong các mục đích
thực tế và trang trí. Với sự kết hợp giữa đất sét khác nhau và điều kiện nung khác nhau, ta có
thể tạo ra các sản phẩm đất nung, gốm và sứ.Để từ đất sét thô đến khi ra được sản phầm là
vật liệu gốm sứ thì đất sét được xử lý qua 5 giai đoạn chính:

- Khâu làm đất (thấu đất): Đất sét khi khai thác, thường bị rắn nên phải tưới nước cho
no rồi dùng mai thái mỏng. Loại bỏ tạp chất; dùng chân nhào thật kỹ rồi đắp thành từng đống
lớn; lặp lại liên tục tạo nên đất có độ mịn, dẻo.

Hình 1.2: Q trình thấu đất
- Tạo hình sản phẩm gốm (chuốt gốm): Có 3 phương pháp tạo hình chính là: tạo hình
trên bàn xoay; tạo hình bằng khn và nặn đắp bằng tay. Cũng có những sản phẩm được tạo
bởi sự kết hợp của cả 3 phương pháp trên.

Hình 1.3: Tạo hình trên bàn xoay

4


Hình 1.4: Tạo hình bằng khn

Hình 1.5: Nặn đất bằng tay

1.4.2 Phân tích ưu nhược điểm phương pháp tạo hình làm gốm truyền thống
Với các phương pháp truyền thống từ các khảo sát trên quy trình tạo hình là quy trình
quan trọng nhất. Với quy trình phương pháp tạo hình truyền thống có các ưu và nhược điểm
như sao:
Ưu điểm:
- Tạo đơn giản dễ dàng tạo nhiều họa tiết phức tạp
- Dễ dàng tạo hình theo ý người thợ thủ công mong muốn
Nhược điểm

5

- Mất khá nhiều thời gian trong quy trình làm mẫu tạo thành phẩm.
- Tạo mẫu đôi khi tùy theo ý người thợ không ổn định cho các sản phẩm số lượng lớn.
- Người tạo mẫu phải là người có kinh nghiệm tiếp xúc thời gian dài.
1.4.3 Phạm vi nghiên cứu
Đối với quá trình sản xuất các sản phẩm từ đất sét, nhóm cần nghiên cứu về các cách
chế tạo mẫu nhanh phù hợp với đặc tính của đất sét do kết cấu của đất sét là khác nhau theo
từng loại. Ngoài ra, việc nghiên cứu về những phương thức pha trộn đất sét cần phải thực
hiện để có thể đảm bảo được nguyên liệu nạp vào sẽ phù hợp với các kết cấu của máy. Trong
đó việc ứng dụng đất sét có ở Việt Nam cũng là một phương án để đặt tính khả thi đề tài.
1.5 Phương pháp tiếp cận
1.5.1 Cách tiếp cận
- Khảo sát về quy trình chế tạo gốm tại các khu vực có các nhược điểm gì những phương
pháp thủ cơng.
- Nghiên cứu tìm hiểu các mơ hình máy ín 3D hiện có, và được sử dụng nhiều trên thị
trường hiện tại để cải thiện cho phương pháp làm thủ cơng.
- Tìm hiểu tính chất vật liệu đất sét, yêu cầu quan trọng khi làm thành gốm.
- Tiến hành đánh giá phân tích các phương án phù hợp, các phương pháp ít sai số và
đem lại hiệu quả cao nhất.
1.5.2 Phương pháp nghiên cứu
- Từ các khảo sát từ nơi sản xuất và làm ra vật liệu gốm ở địa phương. Đưa ra lựa chọn
vật liệu phù hợp nhất với đề tài.
- Khảo sát các thiết kế chế tạo máy có trên thị trường, lựa chọn ứng dụng vào nghiên
cứu đề tài có tính khả thi nhất.
- Từ các khảo sát về máy và vật liệu đưa ra các giải pháp kết hợp cho bộ chế tạo máy
in tạo ra sản phẩm ổn định nhất.
- Tham khảo thêm các nguồn tài liệu sách giáo khoa, liên hệ thực tiễn, thử nghiệm đưa
ra sản phẩm đến tay người dùng, sản phẩm đến tay các thợ làm gốm thủ cơng, đánh giá tính
khả thi phương pháp nghiên cứu.
- Tránh phương án tổng hợp nghiên cứu mà chưa thực nghiệm để việc mất thời gian
chế tạo ra cơ cấu in ổn định nhất.

6


1.5.3 Phương pháp phân tích thực nghiệm
Dựa trên các kết quả thử nghiệm liên tục từ cơ cấu chế tạo in 3d và các sản phẩm thực
nghiệm để đánh gia thay đổi các thông số đưa ra các sản phẩm mẫu ổn định và hiệu quả nhất.
1.6 Kết cấu đồ án tốt nghiệp
Chương 1:Tổng quan nghiên cứu đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3:Phân tích lựa chọn phương án thiết kế
Chương 4:Tính tốn thiết kế cơ khí
Chương 5:Thiết kế bộ truyền động
Chương 6:Kết Quả

7


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Phương án thiết kế
2.1.1 Phương pháp in 3D (tạo mẫu nhanh):
Hiện nay với sự phát triển của cơng nghệ chế tạo mẫu nhanh thì có nhiều phương
pháp in 3D ra đời.
- Cơng nghệ SLA:
Phương pháp SLA (Stereo lithography apparatus) được phát minh tại Mỹ vào năm
1984. Phương pháp này sử dụng vật liệu cao su bắt sáng lỏng (photocurable resin) để tạo ra
các mẫu. Quá trình SLA bắt đầu bằng việc điều khiển nguồn laser theo tín hiệu từ máy tính
để quét và cứng hố một lớp của mơ hình 3D. Sau đó, bàn gia công được hạ xuống một độ
cao nhất định và quá trình tiếp tục lặp lại, từng bước một, để hình thành mẫu theo từng lớp.

Hình 2.1: Cơng nghệ SLA

- Công nghệ in FDM:
Công nghệ in FDM là một phương pháp in 3D đơn giản, hiệu quả và phổ biến. Máy in
FDM có thiết kế đơn giản và dễ vận hành, làm cho nó trở thành một lựa chọn phổ biến cho
người dùng cá nhân và doanh nghiệp. Phương pháp này sử dụng filament nhựa để tạo ra các
sản phẩm 3D bằng cách nung và ép lớp vật liệu. Sự đa dạng của filament nhựa cung cấp sự
linh hoạt trong việc lựa chọn vật liệu phù hợp cho từng ứng dụng. Công nghệ in FDM cũng

8


cho phép người dùng tạo ra các mơ hình và sản phẩm tùy chỉnh, từ việc điều chỉnh kích thước
và tỉ lệ đến việc thêm chi tiết và cấu trúc phức tạp.

Hình 2.2: Cơng nghệ FDM
Ở vị trí ban đầu, đầu phun và bàn in được cách nhau một khoảng cách tương đương với
độ dày của lớp in. Sợi nhựa được đưa vào hệ thống tời thông qua cặp bánh răng hoạt động
liên tục. Tại vị trí của đầu phun, nhựa được nung nóng đến nhiệt độ thích hợp bằng một bộ
phận gia nhiệt. Nhựa lỏng được đều trải qua quá trình di chuyển của đầu phun. Khi một lớp
in hoàn thành, đầu phun di chuyển lên một khoảng bằng với độ dày của lớp in, và quá trình
được lặp lại cho đến khi cơng việc hồn thành.
Cơng nghệ SLS:
Cơng nghệ SLS (Selective Laser Sintering) hoạt động tương tự như công nghệ SLA,
tuy nhiên, vật liệu được sử dụng trong quá trình SLS là dạng bột như thủy tinh và các vật

Hình 2.3: Cơng nghệ SLS
9


liệu khác. Q trình tạo lớp được thực hiện thơng qua việc sử dụng keo đặc biệt (có thể có

màu sắc CMYK, RGB nếu in 3D đa sắc màu) hoặc tia laser, tia UV, và các công nghệ tương
tự. Máy in 3D SLS yêu cầu sử dụng laser công suất lớn và có chi phí cao. Do đó, giá thành
của máy in 3D SLS cũng khá cao đối với người tiêu dùng thông thường.
Với yêu cầu đầu vào là vật liệu đất sét thì ta sẽ ứng dụng cơng nghệ in FDM là khả thi
với tính chất của vật liệu, tuy nhiên cần điều chỉnh các chi tiết cơ khí để phù hợp cho quá
trình đùn thành các sợi đất sét.
2.1.2 Phương pháp truyền động
Sử dụng động cơ bước
Ưu điểm: điều khiển tốc độ, ví trí chính, và khả năng cung cấp mô men xoắn cực lớn,
đặc biệt là ở dải vận tốc thấp và vận tốc trung bình. khá bền, giá thành sản phẩm cũng tương
đối thấp.
Nhược điểm: xảy ra các hiện tượng khó chịu, chẳng hạn như bị trượt bước, động cơ
Step Motor thường gây ra tiếng ồn ào khó chịu và có hiện tượng động cơ bị nóng dần lên.
Khơng dùng cho máy móc có tốc độ cao.
Sử dụng bộ đai truyền
Ưu điểm: Chi phí thấp, bộ truyền nhẹ, truyền động đơn giản, êm, có khả năng phịng
q tải, cắt rung động, tuổi thọ thấp.
Nhược điểm: Khó có thể nối chính xác được độ dài cần thiết, độ bền thấp, dễ bị dãn,
đứt
trong quá trình sử dụng, tỉ số truyền không ổn định
Bộ truyền bánh răng
Ưu điểm: Kích thước nhỏ nhưng tải lớn, tỉ số truyền cố định, hiệu suất cao, tuổi thọ, độ
tin cậy cao
Nhược điểm: Chế tạo phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao, gây ồn ở vận tốc cao.
Sử dụng bộ truyền xích

10


Ưu điểm: Dế lắp nối và canh chỉnh độ dài tùy ý, độ bền cao, không bị hiện tượng trượt

trong quá trình truyền động. Hoạt động dựa trên nguyên lý ăn khớp nên có thể sử dùng
cùng lúc nhiều bánh bị động, khơng bị ảnh hưởng nhiều về góc ơm.
Nhược điểm: Giá thành cao, ồn trong quá trình hoạt động, có va đập trong q trình
truyền động.
Cơ cấu của máy in 3D yêu cầu một tải trọng động không quá lớn và địi hỏi sự di chuyển
mượt mà, khơng gây va đập. Để đáp ứng yêu cầu này, việc sử dụng bộ truyền đai là một lựa
chọn phù hợp cho hệ thống truyền động của máy. Bằng cách sử dụng đai, có thể đạt được
khoảng cách trục tương đối xa và đảm bảo sự di chuyển êm nhẹ. Để tăng độ bền và kéo vật
nặng trong thời gian dài, việc sử dụng đai lõi thép là một giải pháp hiệu quả. Điều này giúp
giảm tỷ lệ đứt đai trong quá trình căng và hạn chế ma sát quá nhiều.
2.2 Nguyên lý thiết kế
Sau khi nhận tiến hiệu từ lập trình điều khiển thì ở bộ phận cấp liệu, vật liệu đất sét sẽ
được đựng trong xy lanh. Động cơ giảm tốc ép tải trực tiếp qua trục vít và trục vít me sẽ làm
pittong đi xuống đẩy vật liệu qua bộ phận ép đùn. Tại đây vật liệu sẽ được đùn ra dựa vào
trục vít được gắn cùng động cơ. Trong quá trình đùn, các động cơ ở các trục x, y, z sẽ hoạt
động giúp cho đầu công tác đến được các vị trí điểm chỉ định 1 cách chính xác.
2.3 Khái qt chung về máy in 3D:
Cơng nghệ in 3D được xem là một trong những tiến bộ hàng đầu đóng góp cho sự phát
triển của cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Mặc dù đã tồn tại hơn 30 năm, cơng nghệ in 3D
vẫn đóng vai trị quan trọng trong nền sản xuất hiện đại, cho phép các nhà thiết kế chế tạo
các sản phẩm phức tạp với chi phí thấp. Máy in 3D đều có kết cấu cơ khí tương tự, tập trung
vào các phần chính như phần mềm điều khiển, phần điện, phần cơ khí và bộ đùn nhựa. Công
nghệ in 3D đã mang lại nhiều lợi ích trong việc chế tạo sản phẩm đa dạng và phức tạp, đồng
thời giúp tiết kiệm chi phí sản xuất. Sự tiến bộ của công nghệ này đã làm cho việc tạo ra các
sản phẩm tùy chỉnh và sáng tạo dễ dàng hơn, đóng góp vào sự phát triển của ngành công
nghiệp hiện đại.

11

Phần
mềm

Phần mềm CAD/CAM
Phần mềm điều khiển

Đai
MÁY
IN 3D

Phần
cơ khí

Truyền động các trục
Bộ đùn nhựa
Bộ phận điều khiển

Phần
điện

Vít me đai ốc

Vi điều khiển
Động cơ bước

Bộ phận chấp hành

Đầu phun
nhựa
Cảm biến

nhiệt

Hình 2.4: Cấu trúc của máy in 3D
Cấu trúc cơ khí của máy in 3D tương đồng với các máy CNC khác, với các trục chịu
trách nhiệm truyền động. Có thể sử dụng bộ truyền vít me hoặc đai ốc, hoặc bộ truyền đai
trong máy in 3D. Đặc điểm của hệ thống truyền động cơ khí trong máy in 3D là tải trọng tác
dụng lên không đáng kể, cho phép thiết kế đơn giản hơn. Các trục có kết cấu gọn nhẹ và các
chi tiết lắp ráp không yêu cầu khả năng chịu lực cao, điều này cho phép sử dụng các chi tiết
in 3D từ các máy khác để lắp ráp. Điều này cũng là một trong những ưu điểm của máy in 3D.
Trong một số dòng máy in 3D, khoảng 80% các chi tiết có thể được lắp ráp bằng cách sử
dụng máy in 3D sẵn có.
2.4 Máy in hệ core XY:
CoreXY là một kỹ thuật được sử dụng để di chuyển đầu in của máy in 3D hoặc đầu
công cụ trong máy CNC theo mặt phẳng ngang. Ưu điểm của kỹ thuật này là hai động cơ
được sử dụng để thực hiện chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang là cố định và khơng
phải tự chuyển động, điều này có thể dẫn đến khối lượng chuyển động ít hơn. Thay vào đó,
các đai truyền động được sử dụng được kết nối theo cách phức tạp để cung cấp chuyển động
trong hệ tọa độ Descartes.

12


Hình 2.5: Hệ coreXY trong máy in 3D

Để di chuyển dọc theo trục x, cả hai động cơ phải quay cùng hướng. Để chuyển động
dọc theo trục y, các động cơ phải quay ngược chiều nhau. Nếu chỉ có một động cơ quay,
chuyển động sẽ là đường chéo.
Chuyển động có thể được mơ tả bằng tốn học như sau. Nếu như A là chuyển động
của động cơ thứ nhất và B chuyển động của động cơ thứ hai, chuyển động theo hướng x và
y được cho bởi:

∆𝑥 =

1

∆𝑦 =

1

2

2

(∆𝐴 + ∆𝐵)
(∆𝐴 − ∆𝐵)

2.5 Động cơ Servo:
Động cơ bước, hay còn gọi là Step Motor, là một loại động cơ điện có tính năng đặc
biệt so với các loại động cơ thơng thường. Nó chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành chuyển
động góc hoặc chuyển động của rotor. Động cơ bước hoạt động bằng cách chia vòng quay
thành các bước nhỏ và giữ rotor ở các vị trí cố định trong mỗi bước. Điều này đảm bảo độ
chính xác và độ tin cậy trong các ứng dụng yêu cầu định vị và điều khiển vị trí chính xác.

13