Thiết kế và xây dựng bộ phối màu trong máy in 3d thông minh

LỜI CẢM ƠN
Được sự đồng ý của nhà trường, khoa Công Nghệ Tự Động Hóa và
thầy giáo Th.s Lê Văn Chung đã phê duyệt cho em làm đồ án: “Thiết kế và xây
dựng bộ phối màu trong máy in 3D thông minh”. Trong suốt quá trình nghiên cứu
và thực hiện đồ án, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của các thầy
cô giáo.
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô khoa
Công Nghệ Tự Động Hóa – Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin Và Truyền
Thông đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu, tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn
thành đồ án.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.s Lê Văn Chung đã tận tâm
hướng dẫn em đến từng chi tiết nhỏ nhất. Nếu không có những lời hướng dẫn,
dạy bảo của thầy thì em nghĩ bài báo cáo đồ án của em rất khó có thể hoàn thiện
được. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy.
Do kiến thức lý thuyết và kỹ năng làm thực tế còn hạn chế nên không
tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của
thầy cô để kiến thức của em được hoàn thiện hơn.
Sau cùng, em xin kính chúc các thầy cô trong khoa Công Nghệ Tự Động
Hóa dồi dào sức khỏe, niềm tin để thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền
đạt kiến thức và chắp cánh ước mơ cho thế hệ mai sau.

Thái Nguyên, ngày 1 tháng 6 năm 2017.
Sinh viên thực hiện

1


LỜI CAM ĐOAN
Toàn bộ nội dung của đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và xây dựng bộ phối màu
trong máy in 3D thông minh” do em tự học tập trong các bài giảng của thầy cô,
nghiên cứu trên internet, sách báo và các tài liệu trong và ngoài nước có liên

quan. Không sao chép hay sử dụng bài làm của bất kỳ ai.
Em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan của mình trước thầy
cô và nhà trường.
Thái Nguyên, ngày 1 tháng 6 năm
2017.
Sinh viên thực hiện

2


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................2
MỤC LỤC............................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH..............................................................................................6
LỜI NÓI ĐẦU......................................................................................................8
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D.......................................................9
1.1. Khái quát chung........................................................................................9
1.1.1 Định nghĩa...........................................................................................9
1.1.2. Lịch sử phát triển..............................................................................10
1.1.3. Công nghệ in 3D hướng phát triển tương lai...................................14
1.2. Các thành phần cơ bản cấu tạo nên máy in 3D Reprap.........................15
1.2.1. Hệ khung đỡ......................................................................................15
1.2.2. Hệ truyền động..................................................................................16
1.2.3. Bộ đùn nhựa in.................................................................................17
1.2.4. Bàn in (bệ đỡ mô hình).....................................................................18
1.2.5. Bộ kit điều khiển...............................................................................19
1.2.6. Phần mềm điều khiển máy in 3D......................................................19
1.3. Những vật liệu in 3D cơ bản...................................................................19
1.3.1. Nhựa ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)..................................20

1.3.2. Nhựa PLA (Polylactic Acid)..............................................................21
1.3.3. Nhựa Resin........................................................................................22
1.3.4. Sợi Nylon Polyamide.........................................................................22
1.4. Nguyên lý hoạt động của máy in 3D.......................................................24
1.4.1. Đầu vào là sợi nhựa, đầu ra là nhựa kết dính.................................24
1.4.2. Nguyên tắc in của máy in 3D............................................................25
1.4.3. Nguyên liệu đặc biệt khác của máy in 3D........................................26
1.5. Ứng dụng của máy in 3D........................................................................26
1.5.1. Ứng dụng của máy in 3D trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe.
..................................................................................................................... 27

3


1.5.2. Ứng dụng của máy in 3D trong năng lượng....................................29
1.5.3. Ứng dụng của máy in 3D trong lĩnh vực xây dựng..........................30
1.5.4. Ứng dụng của máy in 3D trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học......31
1.5.5. Ứng dụng của máy in 3D trong thời trang.......................................32
1.5.6. Ứng dụng của máy in 3D tạo mô hình côn trùng............................32
CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ PHA MÀU VÀ ÁP DỤNG TRONG PHỐI MÀU
NHỰA MÁY IN 3D MINI..................................................................................35
2.1. Nguồn gốc của màu sắc...........................................................................35
2.2. Nguyên lý pha màu cơ bản......................................................................37
2.2.1. Màu quang phổ.................................................................................37
2.2.2. Màu hữu cơ.......................................................................................38
2.3. Quy luật màu sắc.....................................................................................42
2.3.1. Quy luật cộng màu............................................................................42
2.3.2. Quy luật trừ màu...............................................................................43
2.4. Ứng dụng những tính chất và nguyên lý pha màu trong máy in 3D.....44
2.5. Phòng chống cong vênh khi in................................................................50

2.5.1. Sử dụng bệ gia nhiệt HPB (Heated Build Platform)........................50
2.5.2. In lớp lót (raft)...................................................................................51
2.5.3. Chỉnh độ cao của vòi phun (độ cao theo trục z)...............................51
2.5.4. Chọn lựa bề mặt in............................................................................51
2.5.5. Lau dọn bệ in sạch sẽ........................................................................52
2.5.6. Tốc độ in............................................................................................52
2.3.7. Nhiệt độ in.........................................................................................52
2.5.8. Cố định các góc của vật thể in..........................................................52
2.5.9. Giảm thể tích nhựa khi in.................................................................52
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHỐI MÀU TRONG MÁY IN
3D THÔNG MINH.............................................................................................54
3.1. Các linh kiện trong bộ phun nhựa (đầu đùn).........................................54
3.1.1. Đầu phun J Head All Metal E3D.....................................................54

4


3.1.2. Cảm biến nhiệt cho đầu phun máy in 3D – 100 kΩ NTC Thermistor.
..................................................................................................................... 54
3.1.3. Băng dính chịu nhiệt Kapton Tape...................................................55
3.1.4. Kim phun E3D M6............................................................................56
3.1.5. Bánh răng dẫn nhựa MK8................................................................56
3.1.6. Đầu nóng E3D..................................................................................57
3.2. Thiết kế bộ phối màu trong máy in 3D....................................................57
3.2.1. Thiết kế bộ phun nhựa của máy in 3D.............................................57
3.2.2. Cấu tạo súng phun sơn Airbush.......................................................58
3.3. Tính khối lượng nhựa cần dùng để in mẫu vật......................................61
3.4. Điều khiển nhiệt độ cảm biến nhiệt 100KΩ NTC Thermistor................63
3.5. Các sự cố thường gặp trên bộ đùn máy in 3D........................................64
KẾT LUẬN.........................................................................................................66

TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................67

5


DANH MỤC HÌNH
HÌNH 1.1. CHARLES HULL NGƯỜI PHÁT MINH RA CÔNG NGHỆ IN 3D.
............................................................................................................................ 10
HÌNH 1.2. MÁY IN 3D THÔ SƠ........................................................................13
HÌNH 1.3. MÁY IN 3D PHỤC VỤ GIÁO DỤC................................................13
HÌNH 1.4. MÁY IN 3D CỠ LỚN.......................................................................14
HÌNH 1.5. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỘP SỌ CỦA NGƯỜI..............................15
HÌNH 1.6. HÌNH ẢNH KẾT CẤU HỆ KHUNG ĐỠ MÁY IN 3D...................15
HÌNH 1.7. HỆ TRUYỀN ĐỘNG TRỤC Y DÙNG DÂY ĐAI VÀ ĐỘNG CƠ
BƯỚC.................................................................................................................16
HÌNH 1.8. HỆ TRUYỀN ĐỘNG TRỤC Z DÙNG VISME...............................17
HÌNH 1.9. BỘ ĐÙN NHỰA MÁY IN 3D..........................................................18
HÌNH 1.10. HÌNH ẢNH TẤM GIA NHIỆT MẶT BÀN MÁY IN 3D...............18
HÌNH 1.11. BO MẠCH ARDUINO KẾT NỐI DRIVER A4988 ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ BƯỚC..............................................................................................19
HÌNH 1.12. NHỰA ABS (ACRYLONITRILE BUTADIENE STYRENE)........20
HÌNH 1.13. NHỰA PLA (POLYLACTIC ACID)...............................................22
HÌNH 1.14. SỢI NYLON POLYAMIDE............................................................23
HÌNH 1.15. VẬT THỂ ĐƯỢC IN BẰNG SỢI NYLON....................................23
HÌNH 1.16. BỘ PHUN NHỰA MÁY IN 3D......................................................24
HÌNH 1.17. QUÁ TRÌNH IN CỦA MÁY IN 3D................................................25
HÌNH 1.18. SẢN PHẨM ĐIÊU KHẮC ĐẦU RỒNG........................................26
HÌNH 1.19. THIẾT BỊ OSTEOID PHÁT HIỆN GÃY XƯƠNG VÀ THÚC ĐẨY
LIỀN XƯƠNG................................................................................................... 28
HÌNH 1.20. TRÁI TIM CÓ ĐƯỜNG KÍNH 0,25 MM.......................................29

HÌNH 1.21. ĐỘNG CƠ HOẠT ĐỘNG BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
CHẾ TẠO TỪ MÁY IN 3D................................................................................29
HÌNH 1.22. MÁY IN 3D KAMERMAKER.......................................................30
HÌNH 1.23. ĐỘNG CƠ MÁY BAY ĐƯỢC SẢN XUẤT TỪ CÔNG NGHỆ IN
3D....................................................................................................................... 32

6


HÌNH 1.24. MÔ HÌNH CÔN TRÙNG TỪ MÁY IN 3D....................................32
HÌNH 2.1. MÀU QUANG PHỔ.........................................................................38
HÌNH 2.2. BẢNG HÒA MÀU CƠ BẢN............................................................39
HÌNH 2.3. BẢNG PHÂN BỐ SẮC ĐỘ CỦA MÀU...........................................40
HÌNH 2.4. TỶ LỆ PHA TRỘN CỦA MỘT SỐ MÀU........................................40
HÌNH 2.5. PHA MÀU GERMAN YELLOW.....................................................41
HÌNH 2.6. PHA MÀU RUSSIAN GREEN.........................................................41
HÌNH 2.7. QUY LUẬT MÀU CỘNG................................................................42
HÌNH 2.8. QUY LUẬT MÀU TRỪ....................................................................43
HÌNH 2.9. BỆ GIA NHIỆT HPB (HEATED BUILD PLATFORM)...................50
HÌNH 2.10. RAFT PRINTING...........................................................................51
HÌNH 2.11. CÁC MỨC ĐỘ IN RỖNG..............................................................53
HÌNH 3.1. ĐẦU PHUN J HEAD ALL METAL E3D.........................................54
HÌNH 3.2. 100 KΩ NTC THERMISTOR...........................................................55
HÌNH 3.3. BĂNG DÍNH CHỊU NHIỆT KAPTON TAPE..................................55
HÌNH 3.4. KIM PHUN E3D M6.........................................................................56
HÌNH 3.5. BÁNH RĂNG DẪN NHỰA MK8....................................................56
HÌNH 3.6. ĐẦU NÓNG E3D.............................................................................57
HÌNH 3.7. BẢN VẼ 2D CỦA KIM PHUN E3D M6..........................................57
HÌNH 3.8. BẢN THIẾT KẾ 2D CỦA CẢM BIẾN NHIỆT 100 KΩ NTC
THERMISTOR...................................................................................................58

HÌNH 3.9. CẤU TẠO CỦA SÚNG PHUN MÀU AIRBUSH.............................58
Hình 3.10. Hình ảnh cảm biến nhiệt 100KΩ NTC Thermistor............................63

7


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, đất nước ta bước vào thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hóa, để
quá trình này phát triển nhanh chúng ta cần tập trung đầu tư vào các dây chuyền
sản xuất tự động hóa, nhằm mục đích giảm chi phí sản xuất, nâng cao năng suất
lao động và cho ra sản phẩm có chất lượng cao. Hiện nay có rất nhiều ứng dụng
đã được ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày cũng như trong xây dựng, công
nghiệp sản xuất và quân sự…Đặc biệt trong công nghiệp, khoa học kỹ thuật ngày
càng được phát triển mạnh mẽ như: Hệ thống cảm biến, hệ thống chuyển động
linh hoạt, hệ thống điều khiển thông minh… Áp dụng những kiến thức đã được
học và tìm hiểu từ các tài liệu liên quan, đồ án tốt nghiệp đại học em chọn hướng
tìm hiểu về máy in 3D. Tên đề tài: “Thiết kế và xây dựng bộ phối màu trong
máy in 3D thông minh”.
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này em xin chân thành cảm ơn thầy giáo
Lê Văn Chung đã hết lòng hướng dẫn, cùng các thầy cô giáo trong Khoa Công
nghệ tự động hóa – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông đã tạo mọi
điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án.
Đồ án được thực hiện bằng các kiến thức đã học, một số sách tham khảo
và một số nguồn tài liệu khác. Mặc dù có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện
nhưng đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự góp ý, đóng
góp của các thầy cô và các bạn để đề tài có thể áp dụng rộng rãi vào thực tế một
cách thiết thực nhất.
Thái Nguyên, ngày 29 tháng 5 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Lê Minh Thu

8


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D
1.1. Khái quát chung.
1.1.1 Định nghĩa.
Máy in 3D là một nhánh nhỏ của công nghệ tạo mẫu nhanh, được phát
minh từ những năm 1980. In 3D là công đoạn tạo mô hình vật lý (mẫu thật) từ
mô hình số (file thiết kế 3D trên máy vi tính) một cách tự động thông qua các
máy in 3D. Công nghệ in 3D là một quá trình tạo ra vật thể trực tiếp, bằng cách
thêm từng lớp vật liệu chồng lên nhau theo nhiều cách khác nhau, phụ thuộc vào
loại công nghệ sử dụng. Để đơn giản hóa cách tư duy nằm đằng sau công nghệ
này, dành cho những ai vẫn đang cố gắng để hiểu khái niệm cơ bản, bạn có thể
coi quá trình đó như việc xây dựng một thứ gì đó bằng các mảnh, nhưng hoàn
toàn tự động.
Công nghệ in 3D là công nghệ khá “linh hoạt”, khuyến khích và thúc đẩy
sáng tạo với một sự tự do chưa từng có trong thiết kế, dù vẫn đảm bảo yêu cầu ít
dụng cụ, qua đó khống chế không để chi phí và thời gian gia công bị đẩy lên quá
cao. Các thành phần có thể được thiết kế đặc biệt để tránh việc phải lắp ghép sau
khi hoàn thiện, các biên dạng phức tạp và tính chất rắc rối có thể được tạo ra mà
không cần thêm chi phí nào. Ngoài ra công nghệ in 3D cũng nổi lên là một công
nghệ tiết kiệm năng lượng, và thân thiện với môi trường trong cả quá trình gia
công (sử dụng đến hơn 90% vật liệu theo tiêu chuẩn), và cả dòng đời của sản
phẩm nhờ việc thiết kế gọn và bền hơn.
Những năm gần đây, công nghệ in 3D đã vượt qua cái bóng là một công
nghệ gia công, sản xuất nguyên mẫu công nghiệp cấp tốc. Hiện tại công nghệ này
có thể dễ dàng được tiếp cận bởi doanh nghiệp nhỏ và các cá nhân. Trong các tập
đoàn lớn, đa quốc gia, tùy vào tầm vóc và tính kinh tế khi sở hữu máy in 3D, mà

những máy in 3D cỡ nhỏ (với ít tính năng hơn) có thể được trang bị với giá chỉ
dưới 1000$.
Điều này đã giúp công nghệ in 3D tiếp cận được nhiều đối tượng khách
hàng hơn, với tốc độ theo cấp số nhân trên mọi mặt trận. Ngày càng nhiều các hệ
thống, vật liệu, ứng dụng, dịch vụ được giới thiệu đến với mọi người.

9


1.1.2. Lịch sử phát triển.
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 khi những thập kỷ sau đó, các ứng dụng của công nghệ in
3D đã không ngừng phát triển thông qua các nghành công nghiệp khác nhau, từ
cơ khí, ô 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 cap từ dữ liệu số.

Hình 1.1. Charles Hull người phát minh ra công nghệ in 3D.
Muốn hiểu được thế giới 3D, ta phải hiểu được bản chất của
Stereolithography vì đây là phương pháp xử lý in 3D đầu tiên trên thế giới.
Stereolithography hay Stereolithography apparatus thường được gọi tắt là SLA
là một kỹ thuật sử dụng tia laser để làm đông cứng nguyên liệu lỏng trong một bể
chứa lớn để tạo thành các lớp liên tiếp chồng lên nhau, kích cỡ một lớp (layer) có
thể đạt 0,06mm nên độ chính xác của phương pháp này rất lớn. Công nghệ in 3D
ngoài SLA còn có công nghệ SLS (Selective Laser Sintering) và FDM (Fused
Deposition Manufacturing).

Công nghệ SLS (Selective Laser Sintering) sử dụng tia laser để nung kết
vật liệu dạng bột như bột thép, sứ, titan…thành vật thể rắn theo từng lớp.
10


Công nghệ FDM (Fused Deposition Manufacturing) do Stratasys phát
minh những năm 1980. Công nghệ này nung chảy sợi nguyên liệu thành dạng
bán lỏng (chưa hóa lỏng hoàn toàn, vẫn còn giữ được dạng sợi), đồng thời sử dụng
một đầu vòi phun sợi nguyên liệu bán lỏng vừa chuyển động theo 3 trục X, Y, Z để
tạo từng lớp layer chồng lên nhau theo biên dạng mặt cắt của bản thiết kế. Do tính
chất “bán lỏng” nên khi sợi nguyên liệu đông kết lại đã kịp kết dính với lớp layer
trước nó. Quá trình này lặp lại cho đến khi vật thể được in hoàn chỉnh.
Máy in 3D trong những giai đoạn đầu phát triển có kích thước cồng kềnh
và giá thành rất cao, chủ yếu sử dụng trong công nghiệp nhà xưởng lớn. Nhưng
gần đây kích thước của máy in 3D ngày càng nhỏ gọn hơn, giá thành cũng rẻ
hơn. Người ta đã bắt đầu chế tạo những máy in 3D dành cho gia đình, cá nhân
(personal 3D printer), trong đó ứng dụng công nghệ FDM. Công nghệ FDM được
coi là sự lựa chọn của người tiêu dùng, do tính tiết kiệm và thân thiện với người
dùng của nó. Thứ nhất bằng sáng chế của công nghệ này do Stratasys nắm giữ đã
hết hạn, sự phát triển của các dự án máy in mã nguồn mở, sự can thiệp của các
nhà sản xuất độc lập như Makerbot đã khiến FDM ngày càng phổ biến và giá
thành hạ. Thứ hai, công nghệ này sử dụng cũng rất đơn giản, chỉ gồm hai thao tác
chính là cắm điện và bấm nút in nên càng khiến người dùng phổ thông ưa
chuộng. Tất nhiên chất lượng sản phẩm in của nó về mức độ chuyên nghiệp
không thể so với các sản phẩm từ công nghệ như SLA, SLS, SFF, Polyjet,
DMLS, SHS, EBM hoặc máy FDM ở mức chuyên nghiệp.
● Một số thành tựu của máy in 3D:
Năm 1984: Charles Hull phát minh ra công nghệ Stereolithography, được
cấp bằng sáng chế đến 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 công nghệ SLA.
Năm 1993: DTM sản xuất máy in đầu tiên dùng công nghệ SLS.

11


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 đề 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 công vật liệu in FDM có tính
tương đương hợp sinh học (biocompatible). Một trang wedsite điện tử dành cho thị
trường model in 3D mang tên Shapeways ra đời. Makerbot không hề thua kém cho
ra mắt trang Thingiverse để chia sẻ các model miễn phí dành cho việc in 3D.
Năm 2009: Makerbot bắt tay sản xuất bộ kit cải tiến máy Rerap 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. Áp dụng in
3D trên vàng và bạc.
Năm 2012: LayerWise in thành công bộ xương hàm ở Hà Lan.

Năm 2013: In các bộ phận trên cơ thể người với chi phí thấp như mũi, tai,
hộp sọ, tế bào võng mạc, bút in 3D sinh học giúp các bác sỹ cấy ghép bằng cách
vẽ, máy in ra thức ăn.
Năm 2014: Là năm phát triển thần kỳ của in 3D. Sử dụng máy in 3D xây
nhà hoàn toàn bằng nhựa. In bảng mạch điện tử. Hãng AutoDesk tung ra thị
trường máy in 3D, mẫu máy in 3D này sẽ được tích hợp với Spark và giúp phô
12


diễn những lợi thế của Spark. Sử dụng công nghệ in 3d SLA thay vì công nghệ in
đùn như FDM. Cả hai sản phẩm này kết hợp với nhau sẽ giúp cho người dùng
trải nghiệm và khám phá những giới hạn mới của in 3D.
Năm 2015: Hứa hẹn sẽ mang đến nhiều ý tưởng độc đáo hơn nữa của máy
in 3D trong tất cả các lĩnh vực khoa học và đời sống.
Sản phẩm của máy in 3D không trừu tượng như trên mô hình thiết kế, bạn
có thể cầm nắm, thậm chí sử dụng được như một sản phẩm bình thường.
Máy in 3D có nhiều hình dáng khác nhau, từ thô sơ đến phức tạp.

Hình 1.2. Máy in 3D thô sơ.

Hình 1.3. Máy in 3D phục vụ giáo dục.

13


Hình 1.4. Máy in 3D cỡ lớn.
1.1.3. Công nghệ in 3D hướng phát triển tương lai.
Những ưu điểm khiến công nghệ in 3D được các chuyên gia hàng đầu trên
thế giới đánh giá là xu hướng phát triển hàng đầu trong tương lai.
Ưu điểm đầu tiên đúng như tên gọi của nó : công nghệ tạo mẫu nhanh,

công nghệ này có sự vượt trội về thời gian chế tạo một sản phẩm hoàn thiện.
“Nhanh” ở đây cũng chỉ là một giới hạn tương đối. Thông thường, để tạo ra một
sản phẩm mới mất khoảng từ 3 – 72 giờ, phụ thuộc vào kích thước và độ phức
tạp của sản phẩm. Có thể bạn cho rằng khoảng thời gian này có vẻ chậm, nhưng
so với thời gian mà các công nghệ chế tạo truyền thống thường mất từ nhiều tuần
đến nhiều tháng để tạo ra một sản phẩm thì nó nhanh hơn rất nhiều. Chính vì cần
ít thời gian hơn 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 đặc biệt thứ hai : Ta có thể chế tạo được tất cả các bộ phận trong
cơ thể người cả bên trong lẫn bên ngoài một cách chi tiết chỉ trong một lần thực
hiện mà các phương pháp truyền thống không thể chế tạo được.

14


.
Hình 1.5. Mô hình mô phỏng hộp sọ của người.
1.2. Các thành phần cơ bản cấu tạo nên máy in 3D Reprap.
- Hệ khung đỡ
- Hệ truyền động
- Bộ đùn nhựa
- Bộ điều khiển
- Phần mềm điều khiển
- Lập trình tạo mẫu.
1.2.1. Hệ khung đỡ.
Hệ khung đỡ của máy in 3D làm theo kết cấu dạng phôi di chuyển, khung
đỡ được làm bằng vật liệu nhôm, bao gồm 3 trục tịnh tiến.

Hình 1.6. Hình ảnh kết cấu hệ khung đỡ máy in 3D.
15

- Trục X: Là trục dịch chuyển theo phương X của hệ trục tạo độ OXYZ
- Trục Y: Là trục dịch chuyển theo phương Y của hệ trục tạo độ OXYZ
- Trục Z: Là trục dịch chuyển theo phương Z của hệ trục tạo độ OXYZ
Khung máy: Tùy theo các mẫu thiết kế mà máy Reprap có bộ khung với
chất liệu và hình dáng khác nhau: gỗ ép, mica, thép không rỉ…Ở đồ án này em
lựa chọn chất liệu nhôm.
Khớp nối: Những bộ phận nối giữa khung cơ khí thường làm bằng nhựa
ABS để tăng tính chịu lực và chúng được in ra từ các máy Reprap khác.
1.2.2. Hệ truyền động.
Các thanh dẫn hướng chuyển động x, y, z bao gồm: Thanh trượt-bạc trượt,
trục vít me-đai ốc…dây đai răng (cu-loa) để truyền cơ năng từ động cơ sang các
cơ cấu chuyển động.
Động cơ: Thường dùng động cơ bước (Stepper motor). Sử dụng 5 động cơ
bước: 3V, 0.8A – 1.2A.

Hình 1.7. Hệ truyền động trục Y dùng dây đai và động cơ bước.

16


Hình 1.8. Hệ truyền động trục Z dùng visme
1.2.3. Bộ đùn nhựa in.
Đầu in 3D (đầu phun nhựa): Thường dùng các loại JHead hoặc Buda
Nozzle…Đầu Jhead giá rẻ hơn nhưng độ bền và ổn định không cao bằng Buda
Nozzle. Trong đồ án này em sử dụng bộ đùn nhựa loại JHead.
Cơ cấu kéo sợi nhựa: Ở đây có hai bánh răng dùng để truyền động và kéo
sợi nhựa in (ABS, PLA). Chọn đường kính sợi nhựa in 3D 1.75mm hoặc 3mm
tùy theo đầu phun đang dùng. Đầu phun J Head kích thước lỗ đùn: 0.2mm,

0.3mm, 0.4mm nên chọn đường kính nhựa in 3D 1.75mm.
Ở nhiệt độ phù hợp khi nhựa được động cơ bước đẩy vào bộ đùn thì nhiệt
độ ở bộ đùn sẽ làm nóng chảy nhựa. Tạo thành từng lớp kết dính thành vật thể 3D.

17


Hình 1.9. Bộ đùn nhựa máy in 3D.
1.2.4. Bàn in (bệ đỡ mô hình).
Hay còn gọi là bệ đỡ mô hình, có thể chế các bàn in theo ý thích. Nhưng
cần phải cân chỉnh độ bằng phẳng, cơ cấu giảm sốc và nhất là đảm bảo đủ độ
“ma sát” để mô hình không bị xê dịch trong quá trình tạo mẫu. Bàn in có tác
dụng nung nong lớp nhựa thứ nhất khi in để nó cố định trên mặt bàn để in các lớp
tiếp theo không bị đổ.

Hình 1.10. Hình ảnh tấm gia nhiệt mặt bàn máy in 3D.

18


1.2.5. Bộ kit điều khiển.
Bộ điều khiển máy in 3D bao gồm:


Bo mạch Arduino 2560 R3 (mạch điều khiển chính)



Bo mạch RAMPS 1.4 (mạch giao tiếp)



Driver A4988 (mạch điều khiển động cơ bước)

Hình 1.11. Bo mạch Arduino kết nối driver A4988 điều khiển động cơ bước.
1.2.6. Phần mềm điều khiển máy in 3D.
Phần mềm điều khiển máy in 3D được chia làm 2 thành phần:
- Phần mềm lập trình cho mạch điều khiển: phần mềm lập trình Arduino
1.5.5 phần mềm phát triển bởi nhà sản xuất với phần mềm ta có thể lập trình thay
đổi các tính năng có trên phần cứng Adruino. Module Adruino dùng để điều
khiển động cơ bước sẽ được nạp một mã lệnh (firm ware) để kết nối và điều
khiển máy in 3D.
- Phần mềm điều khiển máy in 3D.
Phần mềm điều khiển máy in 3D được sử dụng là pronterface, phần mềm
có nhiệm vụ nhận bản vẽ dạng 3D sau đó chuyển đổi thành tập lệnh Gcode và
chuyển qua máy in 3D sử lý.
1.3. Những vật liệu in 3D cơ bản.
Cùng với sự phát triển với công nghệ và các máy in 3D, sự phát triển về
phương diện vật liệu dành cho in 3D cũng không hề kém cạnh. Vật liệu in thuở
ban đầu chủ yếu là nhựa dẻo, bột kim loại hay bột sứ, nhưng với sự tìm hiểu
19


nghiên cứu không ngừng nghỉ của con người, các vật liệu in ngày càng đa dạng,
dù là nhựa, là sợi nylon, đủ các loại kim loại đồng, chì, vàng, bạc, thép, titan, cho
đến các các loại nhựa thân thiện với môi trường, an toàn cho thực phẩm, thậm chí
là các chất liệu hữu cơ có thể ăn được như socola, đường kính….. Ngay đến
NASA còn muốn in được cả pizza. Những vật liệu in 3D nổi trội được sử dụng
hiện nay.
1.3.1. Nhựa ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)

Có thể nói nhựa ABS là loại vật liệu được ưa chuộng nhất trong các vật
liệu in hiện nay, đặc biệt với dòng desktop printer. Đặc tính của nhựa ABS là có
độ bền cao, chiu lực tốt, đổi lại là tương đối khó phân hủy, khó xử lý do được chế
tạo từ nhiên liệu hóa thạch. Khi bị nóng chảy nhựa ABS sẽ tỏa ra mùi nhựa cháy
khá đặc trưng, với một số người thì không vấn đề nhưng với một số người mẫn
cảm khác lại khá rắc rối. Tốt nhất bạn nên đặt máy in ở nơi thoáng khí khi sử
dụng loại nhựa này.

Hình 1.12. Nhựa ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene).
Về độ chính xác khi in, nhược điểm lớn nhất của nhựa ABS là phần tiếp
xúc của nó với bệ in rất dễ bị cong vênh trong quá trình in. Để giải quyết vấn đề
này người ta thường phải kết hợp một số biện pháp, như là làm nóng bệ in trước,
đảm bảo bệ in trơn nhẵn sạch sẽ, ngoài ra có thể xịt qua một lớp dung dịch hỗn
hợp ABS/Acetone hay một ít keo xịt tóc cũng được ( nhưng theo kinh nghiệm

20


của cá nhân em thì lấy băng dính 2 mặt dán lên bệ, phía trên lớp băng dính xanh
cũng giải quyết được vấn đề này).
Đổi lại ABS có thể tan trong Acetone nên chỉ cần một 2 giọt dung dịch
này bạn có thể dễ dàng gắn kết các bộ phận in rời rạc với nhau, ngoài ra nếu bạn
nhúng cả vật thể in nhựa ABS vào chậu dung dịch Acetone và dùng bàn chải chải
là có thể khiến nó trơn nhẵn và sáng bóng lên.
1.3.2. Nhựa PLA (Polylactic Acid).
Sự ra đời của nhựa PLA (nhựa sinh học, làm từ ngô, mía…) là một nỗ lực
của nhân loại để giảm thiểu sự phụ thuộc của con người vào các nguyên liệu hóa
thạch, đồng thời giúp bảo vệ sức khỏe con người và môi trường (tuy nhiên loại
nhựa này cũng không có khả năng phân hủy tự nhiên khi chôn dưới đất). Nhựa
PLA có phản ứng khác nhau đối với độ ẩm của môi trường, khi nó tiếp xúc với

nước ở nhiệt độ cao có thể thấy nó bị nhạt màu, thậm chí có thể bị phân hủy
thành phần polymer. Tất nhiên ta có thể làm khô PLA bằng các loại thuốc hút ẩm
dùng trong công nghệ thực phẩm nhưng hành động này có thể ảnh hưởng đến cấu
trúc tinh thể bên trong PLA một chút.
PLA khi bị đốt sẽ tỏa ra mùi từa tựa như dầu ăn do được sản xuất từ vật
liệu hữu cơ có chứa đường. Xét về độ chính xác, PLA gặp nhiệt sẽ ít bị cong
vênh hơn, nhờ đó khi in sẽ không nhất thiết phải làm nóng bệ in lên trước. Thời
gian và mức độ hóa lỏng của PLA lớn hơn ABS nên thành phẩm có chi tiết sắc
nét hơn, các góc nhọn ít có nguy cơ gãy nứt hay cong vênh, các layer cũng kết
dính tốt hơn nên kết cấu vật thể hết sức vững chắc.
Bản chất ban đầu của PLA có màu trong suốt nên nó có thể dễ dàng
nhuộm thành bất cứ màu gì hay bất cứ sắc độ đậm nhạt nào cũng được. Nhựa
PLA cứng và khỏe hơn ABS nên đôi khi khó chế tác gia công đối với những chi
tiết ở những bộ phận phải lồng ghép vào nhau như khớp nối chẳng hạn. Tuy rằng
thành phẩm của PLA có độ bóng nhẵn hơn so với ABS, nhưng nó lại không phản
ứng mấy với acetone nên không thể dùng acetone để mài bóng thành phẩm PLA
một cách bình thường. Dẫu vậy ngưỡng nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp của

21


nó lại khiến PLA không phù hợp với những môi trường có nhiệt độ cao như gầm
ô tô chẳng hạn.

Hình 1.13. Nhựa PLA (Polylactic Acid).
1.3.3. Nhựa Resin.
Nhựa resin là một loại nhựa tổng hợp thường được dùng trong công nghệ
in SLA nhiều hơn thay vì ABS và PLA vốn hay dùng với công nghệ FDM. Công
nghệ SLA ( stereolithography) là công nghệ in đắp bồi từng lớp vật liệu bằng
cách sử dụng tia laser UV hay một nguồn năng lượng tương tự để ngưng kết

nhựa resin ( dạng lỏng) theo từng lớp chồng đè lên nhau.
Resin có rất nhiều loại, chủ yếu sử dụng được là những loại có thể ngưng
kết dưới tác động của tia UV, tức là bao gồm những chất như acrylics, epoxies,
urethanes, polyesters, silicones….Rất nhiều loại resin có chứa thành phần là
những chất dễ bay hơi, gọi tắt là VOC ( volatile organic components). Bạn nên
tránh sửa dụng những loại resin có nhiều VOC, hoặc khi sử dụng cũng phải ở
môi trường thông thoáng. Tuyệt đối không để bản thân và gia đình trực tiếp tiếp
xúc với những chất hóa học độc hại này, trừ trường hợp bạn có hệ thống lọc khí
tốt hoặc có đủ lưới lọc cabon trong nhà.
1.3.4. Sợi Nylon Polyamide.
Sợi in Nylon có tất cả đặc tính của Nylon ( Polyamide), là một trong
những vật liệu bền chắc nhất trong các cật liệu in, đặc biệt là với công nghệ
FDM. Nói cụ thể hơn thì một số loại nylon có khả năng kéo dãn gấp 1-3 lần, độ
22


chịu mỏi và chống chịu ăn mòn hóa học cũng ưu việt hơn hẳn các vật liệu dùng
để in chồng lớp khác.

Hình 1.14. Sợi Nylon Polyamide.
Nylon bao gồm đông đảo họ các chất plastic dùng trong sản xuất cơ
khí, nó chịu mài mòn, chịu UV tốt, chịu nhiệt cao, có độ thẩm thấu thấp, rất tiện
dụng để gia công chế tác. Tất nhiên không phải chất hóa học nào nylon cũng
chống chịu được, độ kháng của nó với Acids hòa tan chỉ ở mức khiêm tốn, còn
với phenol, kiềm và iodine càng thấp. Nhược điểm của nó là dễ bị co rút, hút ẩm
nhiều dẫn tới suy giảm các đặc tính về cơ và điện. Nó dễ bị oxy hóa, không
kháng được axit và kiềm mạnh.

Hình 1.15. Vật thể được in bằng sợi nylon.

23


1.4. Nguyên lý hoạt động của máy in 3D.
Từng lớp từng lớp, máy in 3D tạo ra vật thể từ vật liệu nhựa kết dính. Đó
là nguyên lý cơ bản của máy in 3D. Máy hoạt động dựa trên nguyên lý cuả hệ
trục tọa đồ OXYZ, bao gồm 3 trục tịnh tiến X, Y, Z tịnh tiến trong không gian toa
độ OXYZ, khi các trục của máy in 3D hoạt động thì đồng thời bộ đùn nhựa được
nung nóng và đùn ra tạo thành các vật thể dạng khối 3D. Vật thể cần in được
thiết kế bằng phần mềm thiết kế 3D như ArtCam, Auto Cad… Sau khi thiết kế
xong bản vẽ sẽ được lưu ở định dạng file .OBJ và gửi qua phần mềm xử lý bản
vẽ chuyển nó thành mã lệnh Gcode và điều khiển máy in tạo ra vật thể.
1.4.1. Đầu vào là sợi nhựa, đầu ra là nhựa kết dính.
Người sử dụng máy in 3D sẽ lựa chọn 2 loại vật liệu đầu
vào: Acrylonitrile Butadiene Styrene (nhựa ABS) và Polylactic Acid (nhựa
PLA). Các vật liệu nhựa đầu vào này có dạng sợi, chiều rộng 1,75mm hoặc 3mm.
Khi đã có sợi nhựa, bạn đưa vào máy in 3D qua một bộ phận gọi là đầu in
(print head). Đầu in có hình dáng như một chiếc hộp với một vòi phun. Một cơ
cấu truyền động sẽ đẩy từng phần nhựa xuống đầu in. Trước khi nhựa bị đùn ra
từ đầu kim in, sợi nhựa phải đi qua một ống nhiệt và hóa lỏng. Nhựa qua đầu kim
in là những đường chỉ siêu mảnh chỉ 0,1 milimet. Ngay khi ra ngoài không khí,
nhựa khô cứng rất nhanh, gắn lại với nhau tạo thành các lớp. Nhựa ABS cần
được in ở một bề mặt nóng, điều này cũng đồng nghĩa với lớp nhựa đáy sẽ hơi
cuộn lại. Còn nhựa PLA có thể in ở bề mặt không cần nhiệt lượng.

Hình 1.16. bộ phun nhựa máy in 3D.

24

1.4.2. Nguyên tắc in của máy in 3D.
In 3D là một công nghệ in theo lớp. Bề mặt in (thường gọi là giường in)
và đầu in sẽ phối hợp với nhau để thực hiện in 3 chiều. Ở mẫu máy in Replicator
2, đầu in được giữ bởi một hệ thống treo (hình minh họa bên dưới). 2 thanh kim
loại nằm ngang giúp cho đầu in chuyển động tiến và lùi theo chiều ngang. Ở đầu
2 thanh kim loại này lại gắn với 2 thanh khác theo chiều dọc, giúp cho đầu in
chuyển động tiến và lùi theo chiều dọc. Nhờ hệ thống treo, đầu in còn có thể
chuyển động lên xuống tạo ra vật thể 3 chiều.

Hình 1.17. Quá trình in của máy in 3D.
Một mẫu máy in có tên là RepRaps lại có cách in 3D tương đối khác so
với Replicator 2. Giường in của RepRaps chuyển động lên xuống, tiến lùi, trong
khi đầu in chỉ chuyển động ngang. Mẫu máy in DeltaMaker có đầu in chuyển
động cả 3 chiều.
Quá trình in 3D có thể diễn ra trong vài phút, vài giờ hoặc thậm chí nhiều
ngày phụ thuộc vào kích thước và khối lượng của sản phẩm. Ví dụ gần đây một
số nghệ sĩ đã sử dụng máy in Type A Machines để in tác phẩm điêu khắc đầu
rồng có kích thước 3 x 3 x 2,4m. Họ đã phải mất tới 2 tháng để hoàn thành tác
phẩm trên.

25