THIẾT kế máy tạo mẫu NHANH THEO CÔNG NGHỆ DLP

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

THIẾT KẾ MÁY TẠO MẪU NHANH THEO CÔNG NGHỆ DLP
DESIGN OF 3D RAPID PROTOTYPING MACHINE USING DIGITAL LIGHT
PROCESSING TECHNOLOGY
Đặng Văn Nghìn1a, Nguyễn Đình Trọng2, Trần Hồng Anh2,
Ngô Diệu Thạch2, Gia Xuân Long 1b
1
Viện Cơ học và Tin học ứng dụng TP HCM
2
PTN Quốc gia Điều khiển số và Kỹ thuật hệ thống
a
,
TÓM TẮT
Bài báo này giới thiệu các đặc điểm, lịch sử phát triển, tầm quan trọng và phạm vi ứng
dụng của việc tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP. Nội chung chính của bài báo trình bày
nguyên lý hoạt động, cấu trúc và phân tích lựa chọn các phương án thiết kế trên cơ sở các cụm
chức năng của một máy in 3D theo công nghệ DLP. Đồng thời trình bày kết quả thiết kế các
cụm chức năng cũng như kết quả chế tạo của một máy tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP.
Từ khóa: DLP, xử lý ánh sáng kỹ thuật số, mặt nạ chiếu, stereolithography, phân tích,
thiết kế hệ thống, tạo mẫu nhanh
ABSTRACT
In this paper, a literature review concerning some aspects of the Digital Light
Processing technology such as the brief introduction, development history, some advantages
and practical applications in various fields is presented. The main content of this paper is that
we present the principle, construction as well as analysing and choose the bestdesign for a 3D
Rapid Prototyping machine using Digital Light Processing technology. We also implement
some results of designed parts as well as manufactured machine.
Keywords: DLP, Digital Light Processing, mask projection, stereolithography, system
design, system analysis, rapid prototyping
1. GIỚI THIỆU

Ngày nay nhu cầu tạo nên mẫu sản phẩm ban đầu là một nhu cầu thiết yếu trong quá
trình sản xuất, trước khi sản xuất hàng loạt một sản phẩm nào cũng phải cần tạo mẫu sản
phẩm trước để kiểm tra tính hiện thực và khả thi. Ngoài kỹ thuật cơ khí, công nghệ này còn
được ứng dụng nhiều trong công nghệ y sinh, và đặc biệt hơn nữa là công nghệ kim hoàn và
ngành hàng không vũ trụ.Trong đó, phương pháp in 3D sử dụng công nghệ xử lý ánh sáng kỹ
thuật số DLP (Digital Light Processing) nổi bật là một công nghệ in 3D phát triển từ công
nghệ in 3D SLA với nhiều cải thiện đáng kể trên sản phẩm cũng như thời gian in.
Sự phát triển công nghệ in 3D theo công nghệ DLP và sự xuất bản các bằng sáng chế
liên quan đến việc tạo mẫu nhanh ứng dụng công nghệ DLP bắt đầu xuất hiện từ cuối năm
2001 với sự gia tăng rõ rệt trong các hoạt động xung quanh công nghệ này trong vòng 15 năm
qua[1]. Với nhiều đặc tính ưu việt về chất lượng mẫu in, in 3D theo công nghệ DLP đã và
đang được ứng dụng rộng rãi. Do đó, việc thiết kế chế tạo một máy tạo mẫu nhanh theo công
nghệ DLP rất được quan tâm hiện nay.

172


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
2.1. Nguyên lý hoạt động
Tương tự như công nghệ SLA, nhờ vào tính nhiệt hóa rắn của các polymer cảm quang
dưới tác dụng của ánh sáng tia UV. Đầu tiên, người ta đặt thiết bị nâng cách bề mặt chất lỏng
một khoảng bằng với độ dày của lớp vật liệu đầu tiên (tức là lớp nằm dưới cùng). Sau đó,
chùm tia sáng được điều khiển bằng máy tính thông qua hệ thống quét bằng quang học sẽ quét
lên bề mặt theo những tiết diện của từng mặt cắt. Vật liệu lỏng khi bị tác động của chùm tia
cực tím sẽ bị đông đặc lại. Sau đó, cơ cấu nâng được dịch chuyển lên phía trên một đoạn đúng
bằng chiều dày của một lớp và quá trình được lặp lại. Các lớp liên kết lại với nhau thành khối
cho đến khi hoàn thành sản phẩm.

Hình 1. Nguyên lý hoạt động của công nghệ tạo mẫu nhanh DLP

2.2. Cấu trúc thành phần máy
Cấu trúc của máy tạo mẫu nhanh DLP gồm có các cụm sau: cụm khung máy, cụm cung
cấp nguồn sáng, cụm nâng hạ theo trục Z và tấm đỡ mẫu, cụm di chuyển qua lại theo trục X,
cụm chứa dung dịch nhựa lỏng, cụm điều khiển.

Hình 2. Cấu trúc máy
173


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2.3. Phân tích, lựa chọn phương án
Trong các năm gần đây các dòng máy in 3D theo công nghệ DLP đang được nghiên cứu
và phát triển trên thế giới với một số dòng máy điển hình với các phương án thiết kế được thể
hiện theo bảng ma trận các phương án lựa chọn như bảng 1:
Bảng 1. Ma trận các phương án thiết kế máy tạo mẫu nhanh DLP

Sau khi phân tích ma trận QFD theo các dòng máy trên thế giới, nhóm tác giả chọn
phương án thiết kế như sau: Khung nhôm dạng hộp – Cụm cấp nguồn sáng từ dưới lên - Cụm
di chuyển qua lại theo trục X được truyền động bằng cơ cấu culit – Cụm đựng nhựa lỏng sử
dụng màng phủ FEP chống dính.
3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
3.1. Khung máy
Yêu cầu kĩ thuật: đảm bảo độ cứng vững cho máy, tránh cong vênh hay dao động trong
quá trình vận hành máy. Đảm bảo độ vuông góc, song song tạo điều kiện lắp ráp các bộ phận
khác dễ dàng.
Sau khi đã phân tích lựa chọn, để đơn giản, dễ dàng láp ráp và chỉnh sửa cũng như việc
mở rộng máy sau này ta chọn khung nhôm định hình để thiết kế khung máy.

Hình 3. Khung máy hoàn chỉnh
3.2. Cụm cấp nguồn sáng

Yêu cầu kĩ thuật: quang phổ nguồn sáng phải có bước sóng phù hợp để làm hóa rắn
nhựa cảm quang, cường độ ánh sáng ở bước sóng đó phải đáp ứng thời gian chiếu yêu cầu [6].
Chọn máy chiếu nhãn hiệu Viewsonic PJD 7822HDL của hãng ViewSonic đáp ứng các
yêu cầu kỹ thuật cũng như chi phí thấp. Bên cạnh đó, cũng chọn hướng bố trí nguồn sáng
chiếu từ dưới lên và lựa chọn cách chiếu trực tiếp không thông qua hệ thống quang học để
đơn giản hóa cũng như dễ điều khiển quá trình in mẫu [7].
174


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3.3. Cụm nâng hạ trục Z
Yêu cầu kĩ thuật: khoảng cách dịch chuyển nhỏ nhất của cụm trục Z phải nhỏ hơn chiều
dày của lớp vật liệu đông đặc [4] được chọn ở đây là 0,05 - 0,15 mm. Bên cạnh đó, cần đảm
bảo được độ chính xác về độ vuông góc, song song của kết cấu giúp hoạt động dễ dàng và
đảm bảo được độ chính xác yêu cầu của vật mẫu tạo được.
Thông số kích thước vật mẫu được tạo bởi máy tạo mẫu nhanh DLP:
- Kích thước vật theo 3 phương xyz: bị giới hạn do màn chiếu động và hệ thống thấu
kính [6], chọn là 115x65x250 (mm).
- Độ dày lớp tốt nhất: bị ảnh hưởng bởi phương pháp tái phủ, độ phân giải truyền
động, đặc tính vật liệu và hướng chiếu [6], chọn là 0,025mm.
Tính toán kiểm nghiệm
Kiểm nghiệm momen tĩnh tác động lên cụm trục Z:
Sơ đồ các momen lực cụm trục Z chịu tác dụng theo ba phương X,Y,Z:

Hình 4. Sơ đồ chịu lựa uốn của máy của cụm trục Z
Sơ đồ tác dụng lực trên máy tạo mẫu nhanh của cụm trục Z:

Hình 5. Sơ đồ chịu moment tĩnh của cụm trục Z
Moment chịu tải trọng tĩnh của cụm trục Z:
Ma = (P1 + P2).d = (5,24 + 27,2453).117.10-3 = 3,801 (N.m) < MA = 166 N.m

Trong đó:
- Trọng lực do tấm đỡ mẫu gây ra: P1 = m1.g = 0,5346.9,81= 5,24 (N)
- Trọng lực do kích thước mẫu tạo thành lớn nhất gây ra:
P2 = m2.g = 2,7773x9,81 = 27,2453 (N) → Thỏa mãn điều kiện bền.
175


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Kiểm nghiệm tải trọng động cho phép:
Tải động tính toán của trục vít me đai ốc bi là:
1

3

𝐶𝑑 = 𝑄. 𝐿3 = 41,203 × √1684,342 = 490,236 (𝑁) < 𝐶𝑜 = 1370 (𝑁)

Trong đó:
Tải trọng tương đương:𝑄 = 𝐹𝑎 × 𝑓𝑤 = 37,457 × 1,1 = 41,203 (𝑁) [5]
Với: fw: hệ số tải trọng, fw = 1 - 1,2 [5]
Lực dọc trục: 𝐹𝑎 = 𝐹𝑚 + 𝐹𝑞𝑡 = 4,968 + 32,489 = 37,457 (𝑁)
10

3,67×10 ×10
Tuổi thọ của cụm trục Z: 𝐿ℎ = 2×𝑙𝐿×𝑃𝑠
=
= 1684,342 (ℎ)
×𝑛×60
2×308,8×5880×60
𝑠

Với:Lh: tuổi thọ của cụm trục Z (h); PS = 10mm - bước của vít me (mm); ls = 308,8mmchiều dài hành trình làm việc (mm); n = 5880 số vòng quay (vòng/phút)
Thời gian hoạt động trên lý thuyết của cụm trục Z:
𝐿=(

3
𝐶𝑎 3
1370
) × 106 = (
) × 106 = 3,67 × 1010 (ℎ)
𝑓𝑤 𝐹𝑎
1,1 × 37,457

Số vòng quay cần thiết tối đa của trục:
n

60v 60  0,98 1000

 5880(v / ph)
pz z
10 1

→ Thỏa điều kiện tải trọng động.
3.4. Cụm di chuyển qua lại theo trục X
Cụm trục X với chức năng di chuyển qua lại để làm đều dung dịch nhựa lỏng, hạn chế
hiện tượng dính giữa bể và tấm giữ mẫu. Đồng thời cụm trục X còn có chức năng đỡ bể đựng
dung dịch nhựa lỏng. Vì vậy cụm trục X bao gồm các bộ phận: ray trượt, con trượt, tay quay
culit và 2 tấm đế.
Cụm di chuyển qua lại theo trục X không yêu cầu độ chính xác cao nên có rất nhiều
phương án để thiết kế cụm di chuyển qua lại, nhưng người ta thường dùng hai cơ cấu là:
truyền động bằng culit kết hợp ray trượt và động cơ bước hoặc truyền động bằng đai răng kết

hợp với con trượt dẫn hướng và động cơ bước.

Hình 6. Các bộ phận của cụm trục X
Trọng lượng của tấm đế trên: P1 = m1.g = 0,815.9,8 = 7,987 N
Trong đó: Khối lượng của tấm đế trên: m1 = D1.V1 = 2,7.18,3.33.0,5 = 815,265 (g) =
0,815 (kg)
176


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Trọng lượng của bể dựng dung dịch: P2 = m2.g = 0,909.9,8 = 8,908 N
Trong đó: Khối lượng của bể dựng dung dịch: m2 = D2.V2 = 417x2,180 = 909,06 (g) =
0,909 (kg)

Hình 7. Sơ đồ tác dụng lực lên cơ cấu culit
Như hình 7 ta thấy lực tác dụng chủ yếu ảnh hưởng đến cơ cấu culit là 4 lực ma sát trên
4 con trượt trên thanh ray trượt.
→ Fms1 = Fms2 = Fms3 = Fms4 = (P1 + P2).fc /4= (7,987 + 8,908).0,66/4 = 2,788N
Trong đó:
P1 = 7,987N – trọng lượng của tấm đế trên
P2 = 8,908 N – trọng lượng của bể đựng dung dịch
fc = 0,66 – hệ số ma sát trong con trượt và ray trượt (tra theo catalog của hãng THK)
Trên hình 7, có 4 vị trí cơ cấu culit tác dụng nhiều nhất là A, B, C, D, những lực gây ra
moment quay cho cơ cấu culit là các lực tiếp tuyến FAn, FBn, FCn, FDn, còn những lực đi qua
tâm quay không gây moment quay cho culit như FAt,FBt, FCt, FDt. Mặt khác từ bốn điểm ta
thấy điểm B là điểm có tác dụng lực lớn nhất ảnh hưởng đến cơ cấu culit.
→FBn = Fms1 + Fms2 + Fms3 + Fms4 = 2,788 + 2,788 + 2,788 + 2,788 = 11,152N
Để cơ cấu culit có thể quay được thì moment quay phải lớn hơn moment do lực ma sát
gây ra:
Mquay> M = FBn.l =11,152. 0,065 = 0,725 (N/m)

→ Để cơ cấu culit có thể quay được thì moment gây ra của động cơ phải lớn hơn M.
4. KẾT QUẢ
Chúng tôi đã tính toán, thiết kế và chế tạo thành công máy in 3D DLP với các thông số
kỹ thuật chính như sau:
- Khả năng tạo mẫu tối đa: 115x65x250mm
- Độ chính xác theo phương Z: 25µm
- Độ chính xác mẫu theo phương XY: 50-100 µm

177


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 8. Những hình ảnh về kết quả chế tạo

Hình 9: Mẫu nhân vật được in bởi máy
5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Trên đây chúng tôi đã trình bày tổng quan về lịch sử, tầm quan trọng, đồng thời trình bày
đường lối tính toán thiết kế một máy in 3D theo công nghệ DLP. Và cuối cùng là đưa ra kết quả
tính toán thiết kế và một vài mẫu được in bởi máy. Cần tiếp tục các nghiên cứu chuyên sâu như:
sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng mẫu in về kích thước và độ bền mẫu
trên các loại vật liệu khác nhau, nghiên cứu nâng cao độ chính xác mẫu in,…
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Terry Wohlers. History of additive manufacturing, 2014.
[2] Paulo Jorge Bártolo, Stereolithography Materials Processes and Applications, Springer,
2011.
[3] Philip Mark Hackney. An Investigation into the Characteristics of Material and
Processes, for the Production of Accurate Direct Parts and Tools using 3D Rapid
Prototying Technologies. University of Northumbria, 2007.
[4] Lê Văn Uyển, Vũ Lê Huy. Phương pháp tính toán thiết kế và lựa chọn truyền động vitmebi. Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc tần thứ VIII - Hà Nội, 12/2007.

[5] PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc. Cơ Sở Thiết Kế Máy. NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí
Minh, 2008.
[6] Design Considerations for Mask Projection Microstereolithography Systems.
[7] Reinout Holtrup. Design and construction of a multi-material 3D DLP printer. University
of Twente, 2015.

178