thiết kế máy in 3d tạo hình các sản phẩm nhựa gỗ tre

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Chuyên nghành: Thiết Kế Máy
TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MÁY IN 3D TẠO HÌNH CÁC
SẢN PHẨM NHỰA GỖ TRE

SVTN: Nguyễn Đăng Quang
MSSV: 1413087
GVHD: GS.TS. Nguyễn Thanh Nam

TP. HCM, tháng 6 năm 2019


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM

MỤC LỤC
DANH SÁCH CÁC HÌNH .............................................................................................. 9
DANH SÁCH CÁC BẢNG ........................................................................................... 14
DANH MỤC CÁC TỰ VIẾT TẮT ............................................................................... 15
TÓM TẮT ...................................................................................................................... 16
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ 17
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 18
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D ................................................ 19
1.1 Công nghệ bồi đắp vật liệu....................................................................................... 19
Công nghệ in 3D là gì?................................................................................................... 19
1.1.1 Phân loại các công nghệ bồi đắp vật liệu .............................................................. 22

1.1.2 Các phương pháp đặc trưng của công nghệ bồi đắp vật liệu ................................ 22
Phương pháp SLA (System’ stereo Lithography Apparatus) ........................................ 22
Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering) ............................................................... 24
Phương pháp FDM (Fused Deposition Modeling) ........................................................ 25
Phương pháp LOM ( Laminated Object Manufacturing) .............................................. 27
1.1.3 VẬT LIỆU TẠO MẪU. ........................................................................................ 28
1.1.3.1 Nhựa ABS (acrylonitrile butadiene styrene ) ..................................................... 29
1.1.3.2 Nhựa PLA .......................................................................................................... 29
1.1.3.3 Nhựa Resin ......................................................................................................... 29
1.1.3.4 Nhựa gỗ .............................................................................................................. 30
Lý do dùng nhựa gỗ tre .................................................................................................. 30
1.1.4 Ứng dụng của công nghệ bồi đắp vật liệu ............................................................. 31
Công nghiệp sản xuất chế tạo: ....................................................................................... 31
Hàng không, vũ trụ ......................................................................................................... 33
Quốc phòng .................................................................................................................... 34
Ngành thực phẩm ........................................................................................................... 34
Y tế - Chăm sóc sức khỏe .............................................................................................. 35
Giáo dục ......................................................................................................................... 37
Kiến trúc và xây dựng .................................................................................................... 38
Trong gia đình ................................................................................................................ 39
1.2 Công nghệ bồi đắp vật liệu ở Việt Nam ................................................................... 41

SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

2


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM

1.2.1 Các thiết bị bồi đắp vật liệu tại thị trường Việt Nam ............................................ 41
Thiết bị giá rẻ ................................................................................................................. 41
b) Thiết bị mini............................................................................................................... 42
c) Thiết bị Reprap........................................................................................................... 42
Thiết bị công nghiệp....................................................................................................... 43
1.2.2 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu tại Việt Nam.............................................. 44
Trong công nghiệp ......................................................................................................... 44
Trong giáo dục ............................................................................................................... 44
Trong y tế ....................................................................................................................... 45
1.2.3 Nhu cầu của công nghệ bồi đắp vật liệu ............................................................... 45
1.3 Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................... 45
1.4 Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................... 46
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY IN 3D TẠO
HÌNH CÁC SẢN PHẨM NHỰA GỖ THEO MODUN................................................ 47
Khái quát chung về máy in 3D ....................................................................................... 47
2.1 Nguyên lý làm việc của máy in 3D công nghệ FDM............................................... 47
2.2 Các thành phần, kết cấu thiết bị ............................................................................... 47
Cụm khung ..................................................................................................................... 47
Cụm truyền động ............................................................................................................ 48
Bộ đùn nhựa ................................................................................................................... 48
Bàn thiết bị ..................................................................................................................... 49
Bộ điều khiển ................................................................................................................. 49
2.2 Phương pháp thiết kế theo mô đun........................................................................... 50
2.2.1 Phân tích sản phẩm................................................................................................ 53
2.2.2 Phân tích sản phẩm theo cấu trúc .......................................................................... 54
2.2.3 Phân tích sản phẩm theo chức năng ...................................................................... 55
2.2.3.1 Xác định thông số kỹ thuật cấp hệ thống (System – Level Specification SLS) 57
2.2.3.2 Xác định tác động của các đặc tính kỹ thuật (SLS) đến yêu cầu thực hiện chức
năng chung (GFR) .......................................................................................................... 58

2.2.3.3 Chỉ số tương đồng .............................................................................................. 59
2.3.1 Nhóm các chi tiết thành cụm (mô đun) ................................................................. 60
2.3.2 Các thuật toán nhóm đối tượng thủ công .............................................................. 60

SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

3


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM

2.3.2.1. Thuật toán nhóm đối tượng thứ bậc (Rank Order Clustering (ROC) Algorithm)
[1] ................................................................................................................................... 60
2.3.2.2. Thuật toán “năng lượng liên kết” (Bond Energy Algorithm – BEA) .............. 62
2.3.2.3. Thuật toán nhận dạng cụm (Cluster Indentification Algorithm – CIA)............ 64
2.3.3.4. Thuật toán phân cụm dựa trên hệ số tương đồng .............................................. 66
2.4.1 Một số giải thuật nhóm đối tượng dựa trên lập trình toán .................................... 68
2.4.1.1. Mô hình P – Median .......................................................................................... 68
2.4.2 Kết luận ................................................................................................................. 70
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHO MÁY
IN 3D NHỰA GỖ TRE.................................................................................................. 72
3.1 Phân tích, lựa chọn kết cấu chuyển động cơ học ..................................................... 72
3.1.1 Kết cấu truyền động Catersian .............................................................................. 72
3.1.2 Kết cấu truyền động Delta..................................................................................... 75
3.1.3 Kết cấu truyền động Scara .................................................................................... 76
3.1.4 Kết cấu truyền động Polar ..................................................................................... 76
3.1.5 Phân tích lựa chọn phương án kết cấu truyền động .............................................. 77
3.1.6 Phương án thiết kế truyền động Cartesian ........................................................... 79

Phương án 1: Truyền động Cartesian - XY.................................................................... 79
Phương án 2: Truyền động Cartesian - XZ .................................................................... 79
3.2 Phân modun cho máy in 3D nhựa gỗ tre .................................................................. 80
3.2.1 Phân tích yêu cầu sản phẩm .................................................................................. 80
3.2.2 Phân tích sản phẩm................................................................................................ 81
Xác định mức độ ảnh hưởng của SLS đến GFR (Bảng 3.12): ....................................... 86
3.3 Tổng hợp sản phẩm .................................................................................................. 88
Kết luận .......................................................................................................................... 91
3.4 Phân tích, lựa chọn các cụm thiết bị ....................................................................... 91
3.4.1 Lựa chọn cụm truyền động ................................................................................... 91
3.4.2 Lựa chọn cụm dẫn động ........................................................................................ 93
3.4.3 Lựa chọn cụm khung thiết bị ................................................................................ 94
3.4.4 Lựa chọn cụm XY ................................................................................................. 96
3.4.5 Lựa chọn cụm trục Z ........................................................................................... 101
3.5 Thiết kế chi tiết....................................................................................................... 102
3.5.1 Arduino Mega 2560 R3 ....................................................................................... 103
SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

4


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM

3.5.2 RAMPS 1.4 ......................................................................................................... 105
3.5.3 Động cơ bước ...................................................................................................... 106
3.5.4 A4988 Step Driver .............................................................................................. 107
3.5.5 Đầu phun ............................................................................................................. 109
3.5.6 Endstop ................................................................................................................ 110

3.5.7 Quạt tản nhiệt ...................................................................................................... 110
3.5.8 Linh kiện cơ khí .................................................................................................. 111
- Rây trượt và con trượt trên rây: ................................................................................. 111
- Góc ke 30x30mm: ...................................................................................................... 111
- Tấm đỡ rây trượt gia công cnc: .................................................................................. 111
- Gối đỡ có bạc trượt KP08 và KFL08:........................................................................ 112
- Puli 20 răng: ............................................................................................................... 112
- Dây curoa 6mm: ......................................................................................................... 112
- Puli Gt2 20 răng có bạc trượt bên trong: ................................................................... 113
- Mica, kiếng: ............................................................................................................... 113
- Chi tiết nhựa máy in 3D: ............................................................................................ 114
- Nhựa in: ..................................................................................................................... 114
Tổng kết chương 3 ....................................................................................................... 115
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC CỤM THIẾT BỊ ................................. 116
4.1.2 Tính toán lựa chọn động cơ trục Z ...................................................................... 118
4.1.3 Lựa chọn visme đai ốc ........................................................................................ 119
4.1.4 Lựa chọn nối trục cho trục Z ............................................................................... 120
4.1.5 Tính toán, lựa chọn trục dẫn hướng cho trục Z ................................................... 121
4.2 Tính toán và thiết kế cụm XY ................................................................................ 123
4.2.1 Lựa chọn ray dẫn hướng cho trục XY ................................................................. 123
4.2.2 Tính toán chọn động cơ ....................................................................................... 124
4.2.3 Tính toán chọn đai ............................................................................................... 126
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ ..................... 129
5.1 Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................................... 129
5.1.1 Yêu cầu của hệ thống .......................................................................................... 129
5.1.2 Sơ đồ và chức năng mỗi khối .............................................................................. 129
a. Máy in 3D ................................................................................................................. 129
SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

5

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM

5.2 Hoạt động của hệ thống.......................................................................................... 130
5.2.1 Hoạt động của máy in 3D.................................................................................... 130
5.3 Thiết kế, tính toán hệ thống.................................................................................... 130
5.3.1 Máy in 3D ........................................................................................................... 130
a. Khối xử lý trung tâm ................................................................................................ 130
b. Khối chấp hành ........................................................................................................ 132
c. Khối nguồn ............................................................................................................... 132
5.4 Kết nối hệ thống ..................................................................................................... 133
5.4.1 Máy in 3D ........................................................................................................... 133
5.5 Lưu đồ giải thuật .................................................................................................... 134
5.5.1 Máy in 3D ........................................................................................................... 134
5.6 Thiết lập Firmware Marlin ..................................................................................... 136
5.6.1 Tốc độ truyền dữ liệu .......................................................................................... 137
5.6.2 Board điều khiển ................................................................................................. 137
5.6.3 Số đầu đùn ........................................................................................................... 138
5.6.4 Cảm biến nhiệt độ ............................................................................................... 138
5.6.5 Nhiệt độ ............................................................................................................... 138
5.6.6 Kiểm tra ổn định nhiệt độ đầu đùn ...................................................................... 138
5.6.7 Thiết lập PID cho đầu nung ................................................................................ 139
5.6.8 Nhiệt độ tối thiểu trước khi di chuyển đầu đùn .................................................. 139
5.6.9 Kiểm tra sự cố cảm biến nhiệt độ........................................................................ 140
5.6.10 Tín hiệu kích hoạt Endstop ............................................................................... 140
5.6.11 Kích thước in (mm) ........................................................................................... 140
5.6.12 Đảo hướng các trục tọa độ ................................................................................ 140

5.6.13 Vị trí Home ....................................................................................................... 141
5.6.14 Số trục máy in ................................................................................................... 141
5.6.15 Số bước động cơ trên mỗi trục .......................................................................... 141
a. Trục X và Y .............................................................................................................. 142
b. Trục Z ....................................................................................................................... 142
c. Đùn nhựa .................................................................................................................. 142
5.7 Thiết lập Repetier Host .......................................................................................... 142
5.7.1 Print Settings ....................................................................................................... 144
SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

6


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM

a. Layers and perimeters .............................................................................................. 144
b. Infill .......................................................................................................................... 146
c. Skirt and brim ........................................................................................................... 150
d. Support material ....................................................................................................... 151
e. Speed ........................................................................................................................ 153
f. Multiple Extruders .................................................................................................... 155
g. Advanced.................................................................................................................. 155
h. Output option ........................................................................................................... 156
i.Notes .......................................................................................................................... 157
5.7.2 Filament Settings ................................................................................................. 157
a. Filament .................................................................................................................... 157
b. Cooling ..................................................................................................................... 158
5.7.3 Printer Settings .................................................................................................... 159

a. General ..................................................................................................................... 159
b. Custom G-code......................................................................................................... 160
c. Extruder 1 ................................................................................................................. 161
Tổng kết chương 5 ....................................................................................................... 162
CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO, LẮP RÁP ............................................................................ 163
6.1 Chế tạo.................................................................................................................... 163
6.2 Lắp ráp.................................................................................................................... 164
Một số hình ảnh trong quá trình lắp ráp: ...................................................................... 166
6.3 Thiết lập ban đầu cho thiết bị ................................................................................. 168
Nạp firmware cho thiết bị ............................................................................................ 168
Thiết lập vùng làm việc cho thiết bị ............................................................................. 169
Cân chỉnh bàn, đầu đùn của thiết bị ............................................................................. 169
Lắp vật liệu nhựa cho thiết bị ....................................................................................... 169
CHƯƠNG 7 : VẬN HÀNH, THỬ NGHIỆM .............................................................. 170
7.1 Quy trình in sản phẩm 3D ...................................................................................... 170
Thiết kế mô hình hình 3D cho sản phẩm: .................................................................... 170
Thiết lập thông số gia công sản phẩm: ......................................................................... 171
Gia công trên thiết bị FDM: ......................................................................................... 171
Hậu xử lý: ..................................................................................................................... 171
SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

7


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM

Kết quả một số sản phẩm sau gia công: ....................................................................... 172
CHƯƠNG 8: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ ĐỀ XUẤT ............................................... 173

8.1 Kết quả đạt được .................................................................................................... 173
8.2 Đề xuất ................................................................................................................... 173
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 174
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 176
1. Chuyển động của đầu phun ...................................................................................... 176
2. Quá trình chuyển G-code sang lệnh điều khiển động cơ ......................................... 176

SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

8


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM
DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1 Công nghệ in 3D với kích thước nano................................................................ 20
Hình 1.2 Charles Hull với máy in 3D ................................................................................ 21
Hình 1.3 Nguyên lý phương pháp SLA ............................................................................ 23
Hình 1.4 Máy in 3D SLA ................................................................................................. 23
Hình 1.5 Nguyên lý phương pháp SLS ............................................................................ 24
Hình 1.6 Máy in 3D SLS ................................................................................................... 25
Hình 1.7 Nguyên lý phương pháp FDM ........................................................................... 26
Hình 1.8 Máy in 3D FDM ................................................................................................. 26
Hình 1.9 Nguyên lý phương pháp LOM ........................................................................... 27
Hình 1.10 So sánh các đặc điểm tre với gỗ ....................................................................... 31
Hình 1.11 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu sản xuất giày của công ty Adidas......... 32
Hình 1.12 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu trong công nghiệp - Wohlers Associates,
tháng 5/2014 ...................................................................................................................... 33

Hình 1.13 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu trong động cơ máy bay......................... 33
Hình 1.14 Một số bộ phận súng được sản xuất từ công nghệ bồi đắp vật liệu ................. 34
Hình 1.15 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu sử dụng vật liệu chocolate.................... 35
Hình 1.16 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu chế tạo chân giả .................................... 36
Hình 1.17 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu chế tạo xương nhân tạo ........................ 37
Hình 1.18 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu vào giáo dục ......................................... 38
Hình 1.19 Mô hình công trình xây dựng ........................................................................... 39
Hình 1.20 Căn nhà tại Sơn Đông, Trung Quốc được làm từ công nghệ bồi đắp vật liệu . 39
Hình 1.21 Bàn ghế được chế tạo từ công nghê bồi đắp vật liệu ........................................ 40
Hình 1.22 Sản phẩm đồ chơi từ công nghệ bồi đắp vật liệu. ............................................ 40
Hình 1.23 Thiết bị FDM giá rẻ .......................................................................................... 41
Hình 1.24 Thiết bị FDM mini ............................................................................................ 42
Hình 1.25 Thiết bị FDM RepRap ..................................................................................... 43
Hình 1.26 Thiết bị FDM công nghiệp ............................................................................... 43
Hình 1.27 Mẫu sáp từ công công nghệ bồi đắp vật liệu .................................................... 44
Hình 1.28 Ứng dụng thiết bị FDM trong giáo dục ........................................................... 45
Hình 2.1 Nguyên lý máy in 3D công nghệ FDM ............................................................. 47
Hình 2.1 Các giai đoạn của quá trình phát triển sản phẩm theo mô đun .......................... 51
Hình 2.2 Thiết kế theo mô đun .......................................................................................... 52
Hình 2.3 Sơ đồ quá trình thiết kế theo mô đun.................................................................. 53
Hình 2.4 Sơ đồ chức năng – cấu trúc ................................................................................ 54
Hình 2.5 Phân tích máy vi tính theo cấu trúc ................................................................... 55
SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

9


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM

Hình 2.6 Sơ đồ dòng chảy chức năng chung. .................................................................... 55
Hình 2.7 Sơ đồ phân tích chức năng................................................................................. 56
Hình 2. 8 Sơ đồ dòng chảy chức năng cơ bản .................................................................. 56
Hình 2.9 Cấu trúc thứ bậc của mô hình khai triển đặc tính hệ kỹ thuật ........................... 58
Hình 2.10 Ma trân tương đồng ......................................................................................... 59
Hình 2.11 Gán trọng số nhị phân cho cột .......................................................................... 61
Hình 2.12 Tính đẳng trị thập phân cho hàng ..................................................................... 61
Hình 2.13 Sắp xếp đẳng trị thập phân giảm dần................................................................ 61
Hình 2.14 Trong số nhị phân cho hàng ............................................................................. 62
Hình 2.15 Đẳng trị thập phân cho cột và sắp xếp giảm dần ............................................. 62
Hình 2.16 Hình thành 2 nhóm chi tiết riêng biệt .............................................................. 62
Hình 2.17 Ma trận cho ví dụ 2 ........................................................................................... 63
Hình 2.18 Bước 1, 2 – VD2 ............................................................................................... 63
Hình 2.19 Kết quả của thuật toán “năng lượng liên kết” .................................................. 64
Hình 2.20 Ma trận sử dụng cho ví dụ 3 ............................................................................. 64
Hình 2.21 Bước 1, 2 – VD3 ............................................................................................... 65
Hình 2.22 Bước 3 – VD3 ................................................................................................... 65
Hình 2.23 Bước 4 – VD3 .................................................................................................. 65
Hình 2.24 Lặp lại bước 1 – 4 với các chi tiết còn lại ........................................................ 66
Hình 2.25 Ma trận chéo khối với các cụm riêng biệt ........................................................ 66
Hình 2.26 Phương pháp nhóm đối tượng dựa trên hệ số tương đồng ............................... 67
Hình 2.27 Bước 1 – VD4 ................................................................................................... 67
Hình 2.28 Bước 3 – VD4 ................................................................................................... 68
Hình 2.29 Bước 4 – VD4 ................................................................................................... 68
Hình 2.30 Ma trận sử dụng cho ví dụ 5 ............................................................................. 69
Hình 2.31 Chỉ số tương đồng tính theo công thức 2.46 .................................................... 69
Hình 2.32 (hình 2.2) Thiết kế theo mô đun ....................................................................... 71
Hình 2.33 Quá trình thiết kế theo mô đun ......................................................................... 71
Hình 3.1 Các loại kết cấu thiết bị FDM............................................................................. 72

Hình 3.2 Máy in 3D Cartesian ........................................................................................... 72
Hình 3.3 Một thiết bị có kết cấu bàn di chuyển trục Z, đầu đùn di chuyển trục XY ........ 73
Hình 3.4 Một thiết bị có kết cấu bàn di chuyển trục Y, đầu đùn di chuyển trục XZ ........ 74
Hình 3.5 Máy in 3D Delta ................................................................................................. 75
Hình 3.6 Máy in 3D Scara ................................................................................................. 76
Hình 3.7 Máy in 3D Polar ................................................................................................. 77
Hình 3.8 Sơ đồ phân tích hệ thống theo cấu trúc .............................................................. 81
SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

10


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM

Hình 3.9 Sơ đồ dòng chảy chức năng ............................................................................... 82
Hình 3.10 Sơ đồ thứ bậc đặc tính hệ thống ...................................................................... 83
Hình 3.11 Thuật toán CIA cho ma trận tương đồng về chức năng ................................... 90
Hình 3.12 Ma trận mô đun về chức năng .......................................................................... 90
Hình 3.13 Ma trận mô đun về cấu trúc vật lý .................................................................... 90
Hình 3.14 Ma trận mô đun tổng thể .................................................................................. 91
Hình 3.15 Cơ cấu XY độc lập ........................................................................................... 96
Hình 3.16 Sơ đồ, kết cấu cơ cấu Core XY ........................................................................ 97
Hình 3.17 Sơ đồ, kết cấu cơ cấu H-Bot ............................................................................ 98
Hình 3.18 Cơ cấu D-Bot ................................................................................................... 99
Hình 3.19 Máy in 3D dạng Cartesian .............................................................................. 102
Hình 3.20 Board Arduino Mega 2560 R3 ...................................................................... 104
Hình 3.21 GSM/GPRS/GPS Shield ................................................................................. 105
Hình 3.22 L293DMotor Shield ....................................................................................... 105

Hình 3.23 RAMPS 1.4 .................................................................................................... 105
Hình 3.24 Động cơ bước KH42JM2B194A ................................................................... 106
Hình 3.25 A4988 Step Driver ......................................................................................... 107
Hình 3.26 Sơ đồ nguyên lý A4988 Step Driver .............................................................. 108
Hình 3.27 Đầu phun........................................................................................................ 109
Hình 3.28 Endstop .......................................................................................................... 110
Hình 3.29 Quạt tản nhiệt.................................................................................................. 110
Hình 3.30 Rây trượt và con trượt trên rây ....................................................................... 111
Hình 3.31 Góc ke 30x30mm .......................................................................................... 111
Hình 3.32 Tấm đỡ rây trượt gia công cnc ....................................................................... 111
Hình 3.33 Gối đỡ có bạc trượt Kp08 và KFL08.............................................................. 112
Hình 3.34 Bánh răng motor ............................................................................................. 112
Hình 3.35 Dây curoa 6mm .............................................................................................. 112
Hình 3.36 Puli Gt2 20 răng có bạc trượt bên trong ......................................................... 113
Hình 3.37 Mica, kiếng cho máy in 3D ........................................................................... 113
Hình 3.38 Chi tiết nhựa máy in 3D ................................................................................. 114
Hình 3.39 Nhựa máy in 3D ............................................................................................ 114
Hình 4.1 Sơ đồ cụm trục Z .............................................................................................. 117
Hình 4.2 Sơ đồ chịu tải bàn thiết bị ................................................................................. 117
Hình 4.3 Thông số nối trục lựa chọn ............................................................................... 120
Hình 4.4 Sơ đồ trục Z ...................................................................................................... 121
Hình 4.5 Thông số con trượt dẫn hướng LMK12LUU ................................................... 122
SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

11


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM

Hình 4.6 Thông số kỹ thuật ray và con trượt 1................................................................ 123
Hình 4.7 Thông số kỹ thuật ray và con trượt 2................................................................ 124
Hình 4.8 Cấu tạo và thông số mặt cắt của đai răng được dùng ....................................... 127
Hình 5.1 Sơ đồ khối máy in 3D ....................................................................................... 129
Hình 5.2 MKS Base V1.2 (ATmega 2560) ..................................................................... 130
Hình 5.3 SainSmart Melzi (ATmega 1284p) .................................................................. 131
Hình 5.4 Shanhai® Gt2560 (ATmega 2560) .................................................................. 131
Hình 5.5 BAM shield....................................................................................................... 131
Hình 5.6 Bộ nguồn 12V 5A ............................................................................................. 132
Hình 5.7 Sơ đồ kết nối các thiết bị máy in 3D ................................................................ 133
Hình 5.8 Lưu đồ giải thuật máy in 3D ............................................................................. 134
Hình 5.9 Lưu đồ giải thuật máy in 3D (tt) ....................................................................... 135
Hình 5.10 Sơ đồ nối dây thiết bị điện .............................................................................. 136
Hình 5.11 Thiết lập firmware Marlin .............................................................................. 137
Hình 5.12 Giao diện phần mềm Repetier Host................................................................ 143
Hinh 5.13 Thiết lập cho Repetier Host ............................................................................ 144
Hình 5.14 Thiết lập Layers, perimeters ........................................................................... 145
Hình 5.14 Spiral vase....................................................................................................... 145
Hình 5.16 Sản phẩm thiếu Solid layers ở đỉnh ................................................................ 145
Hình 5.17 Overhang ........................................................................................................ 146
Hình 5.18 Thiết lập Infill ................................................................................................. 146
Hình 5.19 Ví dụ về thông số Fill density......................................................................... 147
Hình 5.20 Line Infill ........................................................................................................ 147
Hình 5.21 Rectilinear Infill.............................................................................................. 147
Hình 5.22 Concentric Infill.............................................................................................. 148
Hình 5.23 Honeycomb Infill............................................................................................ 148
Hình 5.24 Hilbert Curve Infill ......................................................................................... 148
Hình 5.25 Archimedean Chords Infill ............................................................................. 148
Hình 5.26 Octagram Spiral Infill ..................................................................................... 149

Hình 5.27 Honeycomb Infill và Line Infill với cùng một chi tiết ................................... 149
Hình 5.28 Thiết lập Skirt, brim ....................................................................................... 150
Hình 5.29 Skirt ................................................................................................................ 150
Hình 5.30 Brim ................................................................................................................ 151
Hình 5.31 Sản phẩm in với Support material .................................................................. 151
Hình 5.32 Thiết lập Support ............................................................................................ 152
Hình 5.33 Raft layers ....................................................................................................... 152
SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

12


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM

Hình 5.34 Ví dụ Pattern angle có giá trị 45 ..................................................................... 153
Hình 5.35 Thiết lập Speed ............................................................................................... 153
Hình 5.36 Thiết lập Speed (tt) ......................................................................................... 154
Hình 5.37 Thiết lập Multiple Extruders .......................................................................... 155
Hình 5.38 Thiết lập nâng cao .......................................................................................... 155
Hình 5.39 Thiết lập Output .............................................................................................. 156
Hình 5.40 Thiết lập Extruder clearance ........................................................................... 156
Hình 5.41 Notes ............................................................................................................... 157
Hình 5.42 Thiết lập nhựa in ............................................................................................. 157
Hình 5.43 Thiết lập quạt tản nhiệt ................................................................................... 158
Hình 5.44 Bridges ............................................................................................................ 159
Hình 5.45 Thiết lập chung cho máy in ............................................................................ 159
Hình 5.46 Thiết lập hình dạng, kích cỡ bàn in ................................................................ 159
Hình 5.47 Thiết lập G-code ............................................................................................. 160

Hình 5.48 Thiết lập đầu phun .......................................................................................... 161
Hình 6.1 Chế tạo giá gắn đầu đùn ................................................................................... 163
Hình 6.2 Chế tạo pas kẹt chặt khung thiết bị ................................................................... 164
Hình 6.3 Lắp 4 thanh nhôm và bàn thiết bị ..................................................................... 166
Hình 6.4 Lắp cụm XY ..................................................................................................... 167
Hình 6.5 Hoàn thành lắp cụm XY, bàn thiết bị và động cơ ............................................ 167
Hình 6.4 Kiểm tra lỗi firmware ....................................................................................... 168
Hình 6.5 Nạp firmware .................................................................................................... 169
Hình 7.1 Quy trình in sản phẩm trên thiết bị FDM ......................................................... 170
Hình 7.2 Sản phẩm sau khi gia công 1 ............................................................................ 172
Hình 7.3 Sản phẩm sau khi gia công 2 ............................................................................ 172

SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

13


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM
DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2. 1. Ví dụ về tác động của SLS lên GFR ................................................................ 59
Bảng 3.1 Điểm đánh giá các phương án kết cấu thiết bị FDM ......................................... 78
Bảng 3.2 Các thành phần trong máy 3D FDM .................................................................. 82
Bảng 3.3 Mối quan hệ giữa Động cơ Z (DCZ ) và các thành phần................................... 83
Bảng 3.4 Mối quan hệ giữa khớp nối (KN) và các thành phần ........................................ 84
Bảng 3.5 Mối quan hệ giữa Vít me (VM) và các thành phần .......................................... 84
Bảng 3.6 Mối quan hệ giữa Dẫn hướng (DH) và các thành phần ..................................... 85
Bảng 3.7 Mối quan hệ giữa Bi (BI) và các thành phần .................................................... 85

Bảng 3.8 Mối quan hệ giữa Động cơ X (DCX) và các thành phần .................................. 85
Bảng 3.9 Mối quan hệ giữa Dẫn hướng X (DHX) và các thành phần .............................. 86
Bảng 3.10 Mối quan hệ giữa Động cơ Y (DCY) và các thành phần ................................. 86
Bảng 3.11 Mối quan hệ giữa Động cơ đầu đùn (DCDD) và các thành phần ................... 86
Bảng 3.12 Tác động của SLS đến GFR ............................................................................. 87
Bảng 3.13 Ma trận tương đồng về chức năng .................................................................. 88
Bảng 3.14 Ma trận tương đồng về cấu trúc vật lý ............................................................ 89
Bảng 3.15 Ma trận tương đồng tổng thể ........................................................................... 89
Bảng 3.16 Bảng đánh giá các phương án truyền động ...................................................... 91
Bảng 3.17 Bảng đánh giá các phương án dẫn động .......................................................... 93
Bảng 3.18 Bảng đánh giá khung thiết bị ........................................................................... 94
Bảng 3.19 Điểm đánh giá các phương án thiết kế cụm XY của thiết bị FDM................ 100
Bảng 3.20 So sánh các phương án thiết kế cụm trục z ................................................... 101
Bảng 3.21 Các chi tiết lựa chọn ....................................................................................... 102
Bảng 3.22 Các chi tiết chế tạo ......................................................................................... 103
Bảng 3.23 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 ......................................................... 104
Bảng 3.24 Thông số kỹ thuật động cơ bước KH42JM2B194A ...................................... 106
Bảng 3.25 Lựa chọn chế độ điều khiển cho driver A4988 .............................................. 109
Bảng 4.1 Bộ thông số thiết kế ......................................................................................... 116
Bảng 4.2 Thông số đầu vào thiết bị ................................................................................. 116
Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật động cơ bước KH42JM2B194A ........................................ 119
Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật của động cơ trục X, Y trên cataloge................................... 125
Bảng 5.1 Jumper trên RAMPS 1.4 .................................................................................. 133
Bảng PL1 Chi phí chế tạo ................................................................................................ 178

SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

14

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM
DANH MỤC CÁC TỰ VIẾT TẮT

FDM : Fused Deposition Modeling
AM : Additive Manufacturing
SLA :System’ stereo Lithography Apparatus
DLP :Digital Light Processing
J-P :Jetted Photopolymer
SLS :Selective Laser Sintering
B-J :Binder Jetting
CAD :Computer Adided Design
CAM :Computerized Adided Manufacturing
3DP :Three Dimensional Printing
LOM :Laminated Object Manufacturing
PJ :PolyJ

SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

15


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM
TÓM TẮT

Được nghiên cứu từ những năm 80 của thế kỷ XX và chính thức có bản thương mại 10
năm sau đó, công nghệ Additive Manufacturing (AM) hay còn gọi là công nghệ bồi đắp

vật liệu với hơn 30 năm hình thành và phát triển đang thực sự mở ra một lối đi mới đầy
tiềm năng cho các nhà thiết kế trong việc hiện thực hóa ý tưởng của mình. Trong số các
phương pháp của công nghệ bồi đắp vật liệu, thì phương pháp FDM (Fused Deposition
Modeling) được biết đến như là một trong những phương pháp ra đời sớm nhất và phát
triển nhất. Nguyên lý đơn giản, chất lượng sản phẩm tạo ra ngày càng nâng cao giúp cho
phương pháp FDM đang thực sự phổ biến. Với những ưu điểm vượt trội, phương pháp
FDM góp mặt trong nhiều lĩnh vực khác nhau như cơ khí chế tạo (khuôn đúc, chi tiết
máy…), y tế (thiết bị trợ thính, răng giả, chi giả, mô hình sinh học…), giáo dục (dụng cụ
học tập, sách nổi cho người mù, mô hình giảng dạy…), kiến trúc và xây dựng, công nghệ
thực phẩm và thậm chí cả ngành hàng không vũ trụ…
Tại Việt Nam, mặc dù phương pháp FDM được biết đến khá sớm và hiện nay là rất phổ
biến, tuy nhiên trong số đó chiếm hơn 90% thiết bị chỉ có một đầu đùn, tức là tại một sản
phẩm nó chỉ có thể sử dụng được duy nhất một loại vật liệu. Điều này gây khó khăn đối
với những chi tiết phức tạp cần vật liệu đỡ. Đối với thiết bị chỉ có một đầu đùn thì vật
liệu đỡ được tạo ra cùng với vật liệu tạo sản phẩm, vì thế sau khi chế tạo hoàn tất rất khó
làm sạch vật liệu đỡ và để lại những vết sần trên bề mặt sản phẩm. Vì vậy ý tưởng thiết
kế một thiết bị FDM có thể sử dụng hai vật liệu cùng một lúc, để vật liệu phần đỡ và vật
liệu chế tạo sản phẩm khác nhau. Vật liệu đỡ là vật kém bền và có thể gỡ bỏ dễ dàng sau
khi chế tạo hoàn tất. Do đó việc nghiên cứu về vấn đề này là rất cần thiết.
Nội dung chính của luận văn là nghiên cứu các thiết bị FDM đã được thương mại hóa,
đồng thời kết hợp phân tích các ảnh hưởng của các yêu tố đến sai số của chi tiết tạo sản
phẩm, từ đó đưa ra các phương án và lựa chọn phương án phù hợp cho việc thiết kế thiết
bị máy in 3D tạo hình các sản phẩm nhựa gỗ theo modun (FDM).

SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

16


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM
LỜI CẢM ƠN

Để có được thành quả như ngày hôm nay, đó là một quá trình phấn đấu học hỏi
và trau dồi kiến thức không ngừng của bản thân em. Bên cạnh sự thành công đó, em
không bao giờ quên được công lao to lớn của các thầy cô đã dậy dỗ. Em xin gửi đến các
thầy cô trong bộ môn Thiết Kế Máy nói riêng và các thầy cô trong trường đại học Bách
Khoa nói chung một lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất.
Tiếp theo em xin cám ơn thầy Nguyễn Thanh Nam đã tận tình hướng dẫn em
trong suốt quá trình để em có thể hoàn thành luận văn này.
Lời tiếp theo em xin cám ơn gia đình, bạn bè, đã giúp đỡ tạo mọi điều kiện và cho em
những lời động viên, góp ý chân thành. Mặc dù luận văn đã hoàn thành với tất cả sự cố
gắng, nổ lực của bản thân, nhưng với thời gian hạn chế và phần kiến thức còn nhiều hạn
hẹp nên nội dung luận văn chắc chắn khó tránh khỏi những thiếu sót.
Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của Quý thầy cô để em được củng cố
lại kiến thức và rút ra được những kinh nghiệm thiết thực và hoàn thiện hơn.
Một lần nữa em xin chân thành cám ơn!

SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

17


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM
MỞ ĐẦU

Trong nước ta hiện hay có rất nhiều nơi có máy tạo mẫu nhanh nhưng phục vụ trong

đào tạo như trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên, Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại
học Bách khoa TP.HCM… hoặc trong sản xuất như công ty VietCAD, công ty giày
Adidas… Tuy nhiên những nơi này chủ yếu là khai thác thiết bị phục vụ cho sản xuất và
nghiên cứu ứng dụng là chính.
Ở Việt Nam, máy in 3D và sản phẩm in 3D đang được nghiên cứu và từng bước áp
dựng trong nhiều lĩnh vực. Trong các trường đại học, việc sử dụng máy in 3D để chế tạo
các mô hình học tập, chế tạo nhanh các mẫu từ các thiết kế để kiểm tra kích thước, hình
dáng, sản xuất nhanh một số sản phẩm, … đang là nhu cầu cấp bách. Do đó, việc nghiên
cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo máy in 3D ở Việt Nam là một vấn đề cấp thiết.
Từ thực tế trên, chúng em lựa chọn đề xuất đề tài: “Thiết kế máy in 3D tạo hình các
sản phẩm nhựa gỗ tre” làm luận văn tốt nghiệp.
Luận văn này sẽ đề cập về công nghệ in 3D hiện nay và chủ yếu là dựa theo công
nghệ in FDM (Fused Deposition Modeling) .Mục đích của đề tài là nghiên cứu, tính toán,
thiết kế, chế tạo 01 thiết bị tạo mẫu nhanh ứng dụng trong đào tạo về công nghệ RE/RP,
chế tạo nhanh các sản phẩm mẫu hoặc sản xuất nhanh ra các sản phẩm từ các thiết kế 3D
trên máy tính. Nhiệm vụ cụ thể của luận văn như sau:
Nghiên cứu tổng quan (thiết kế máy in 3D tạo hình các sản phẩm nhựa gỗ, thiết kế
theo mô đun, nghiên cứu trong & ngoài nước, sự cần thiết, nhiệm vụ thiết kế).
- Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế máy in 3D tạo hình các sản phẩm nhựa gỗ
- Phân tích chức năng, đưa ra, lựa chọn phương án thiết kế máy in 3D tạo hình các
sản phẩm nhựa gỗ
- Thiết kế hệ thống & thiết kế các mô đun cho máy in 3D tạo hình các sản phẩm
nhựa gỗ
- Tính toán động học & động lực học cho máy in 3D tạo hình các sản phẩm nhựa
gỗ
- Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí và điều khiển
- Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm và hiệu chỉnh

SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

18


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D

Chương này giới thiệu về công nghệ bồi đắp vật liệu (Additive Manufacturing-AM) với
một cái nhìn tổng quan, nắm được nguyên lý tạo sản phẩm, các đặc điểm, khả năng ứng
dụng của các công nghệ đặc trưng trên thế giới. Cùng với đó là tình hình nghiên cứu và
phát triển công nghệ bồi đắp vật liệu tại Việt Nam, cụ thể là phương pháp FDM.Từ đó,
đưa ra tính cấp thiết của đề tài, đề ra các yêu cầu thiết kế và chế tạo thiết bị theo phương
pháp này.

1.1 Công nghệ bồi đắp vật liệu
Công nghệ bồi đắp vật liệu (Additive Manufacturing-AM) là một thuật ngữ chính thức để
gọi cho các tên gọi khác như công nghệ tạo mẫu nhanh, công nghệ đắp dần, công nghệ
chế tạo trực tiếp hay tên gọi được sử dụng rộng rãi là công nghệ in 3D.
Công nghệ bồi đắp vật liệu là một công nghệ sản xuất tiên tiến được sử dụng để chế tạo
sản phẩm trực tiếp từ dữ liệu thiết kế 3D (CAD). Với nguyên lý chế tạo bằng cách đắp
dần vật liệu theo từng lớp để tạo thành một sản phẩm vật lý ba chiều (3D), công nghệ này
cho phép tạo ra các sản phẩm có độ phức tạp cao, giá thành thấp so với các phương pháp
gia công truyền thống. Công nghệ bồi đắp vật liệu được sử dụng rộng rãi theo yêu cầu
của khách hàng, các mô hình chức năng, các mô hình trước khi mổ….
Công nghệ in 3D là gì?
In 3D là in ấn ra một vật thể 3D mà ta có thể cầm nắm, quan sát hay sử dụng nó như: mô
hình xe hơi, ốc vít, mẫu chai nước ngọt, lọ hoa, giày, quần áo,…thậm chí là một ngôi
nhà, đôi giày, cái chụp đèn ngủ… Đối với in 3D, cảm hứng sáng tạo là vô tận, tất cả

những gì bạn cần là một ý tưởng tuyệt vời.
Ngày nay công nghệ in 3D phát triển rất đa dạng, với mỗi sản phẩm 3D có thể được in ra
với nhiều loại vật liệu khác nhau, vật liệu dạng khối, dạng lỏng, dạng bột bụi. Với mỗi
loại vật liệu cũng có nhiều phương thức để in như sử dụng tia laser, dụng cụ cắt, đùn ép
nhựa,… Cách thức in thì có in từ dưới lên, in từ đỉnh xuống.

SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

19


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM

Hình 1.1 Công nghệ in 3D với kích thước nano
Quá trình này trái ngược với quá trình cắt gọt hay còn gọi là phương pháp gia công mài
giũa vật liệu nguyên khối-bằng cách loại bỏ hoặc cắt gọt đi một phần vật liệu, nhằm có
được sản phẩm cuối cùng. Trong nhiều ứng dụng, quá trình thiết kế và sản xuất truyền
thống mang rất nhiều những hạn chế khó chấp nhận, bao gồm việc cần các dụng cụ đắt
tiền, các đồ gá, và đôi khi cả việc lắp ghép (đối với các chi tiết phức tạp). Thêm vào đó,
quá trình gia công cắt gọt như tiện, phay, bào… có thể gây ra hao phí lên đến hơn 90%
khối vật liệu gốc.
Còn với sản xuất bồi đắp vật liệu, ta có thể coi nó là công nghệ tạo hình như đúc hay ép
khuôn, từ những nguyên liệu riêng lẻ để bồi đắp vật liệu thành sản phẩm cuối cùng. Công
nghệ khá “linh hoạt”, khuyến khích và thúc đẩy sáng tạo với một sự tự do chưa từng có
trong thiết kế. 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 có thể được tạo ra mà không cần thêm chi
phí nào. Ngoài ra công nghệ bồi đắp vật liệu cũng nổi lên là một công nghệ tiết kiệm
năng lượng và thân thiện với môi trường trong cả quá trình gia công.

 Lịch sử máy in 3D
Công nghệ in 3D được biết đến vào cuối những năm 1980 với tên gọi là Rapid
Prototyping (RP). Vì các quy trình ban đầu hình thành như một phương pháp nhanh
chóng và hiệu quả về chi phí tạo nguyên mẫu để phát triển các sản phẩm.
Năm 1986, Charles Hull sáng tạo ra môt quá trình gọi là Stereolihography - sản xuất vật
thể từ nhựa lỏng và làm cứng nhờ laser. Sau đó, Hull thành lập công ty 3DSystems, một
trong những nhà cung cấp công nghệ lớn nhất hiện nay trong lĩnh vực in 3D.
SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

20


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM

Hình 1.2 Charles Hull với máy in 3D
Vào năm 1989 , Carl Deckard, làm việc tại đại học Texas, đã được cấp bằng sáng chế cho
quá trình gia công bằng laser thêu kết(Selective Laser Sintering (SLS)) sau đó được mua
lại bởi 3 systems, đây cũng là năm Scott Crump đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho
Fused Deposition Modeling (FDM).
Các công nghệ và quy trình in 3D khác cũng nổi lên trong những năm này, một trong số
đó là quy trình sản xuất bằng hạt Ballistic (BPM) đã được cấp bằng sáng chế bởi William
Masters vì thế đầu những năm chín mươi chứng kiến sự gia tăng vượt bậc của những
công ty trong lĩnh vực in 3D.
Từ những năm 1990 đến 2000 nhiều công nghệ in 3D đã được liên tiếp giới thiệu và tập
trung chủ yếu vào các ứng dụng công nghiệp nên dần dần xuất hiện những thuật ngữ mới
như chạy dao nhanh (RT), là khuôn nhanh và sản suất nhanh (RM). Tuy vậy những máy
in 3D được tạo ra hoặc những sản phẩm của chúng nhìn chung có chi phí rất cao.
Nhìn chung từ năm 1986 đến 2007 công nghệ này chỉ có những bước đi nhỏ và chậm,

đây gọi là giai đoạn xâm nhập, bước nền cho công nghệ tạo mẫu nhanh.Tuy nhiên đến
năm 2009 , đã có một biến động lớn trên thị trường, nhiều bằng sáng chế và công nghệ
đã hết hạn bảo vệ bản quyền, trong đó có bằng sở hữu FDM. Qúa trình Fuse Deposition
Modelling (FDM) tạo hình sản phẩm nhờ nấu chảy vật liệu rồi xếp đặt chồng lớp, vốn
được sở hữu bởi hãng Stratasys.Khi bằng sáng chế về FDM hết giá trị, công nghệ này đã
thu hút nhiều nhà sản xuất tham gia làm cho giá thành sản xuất giảm và FDM trở thành
nền tảng công nghệ cho các máy in 3Dđược tiêu thụ trên thị trường hiện nay mở ra một
thời kỳ phát triển mạnh mẽ cho công nghiệp in 3D trong tương lai.
SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

21


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM

Năm 2013, ngành công nghiệp in 3D đạt giá trị khoảng 3.1 tỷ USD/năm, tăng 35 % so
với năm 2012. Dự đoán trong vòng 6 năm tới tốc độ tăng trưởng trung bình khá cao
khoảng 32 %/Năm và đạt mức 21 tỷ USD vào năm 2020.
1.1.1 Phân loại các công nghệ bồi đắp vật liệu
Hiện nay, trên thế giới có nhiều phương pháp ra đời dựa trên nguyên lý chung của công
nghệ bồi đắp vật liệu, một cách tổng quát ta có thể phân loại các phương pháp này theo
dạng vật liệu sử dụng:
Các phương pháp sử dụng vật liệu lỏng: Quá trình tạo sản phẩm là một quá trình lưu
hóa, vật liệu chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Sau đây là một số phương
pháp bồi đắp vật liệu dựa trên cơ sở vật liệu dạng lỏng:
Phương pháp SLA (System’ stereo Lithography Apparatus).
Phương pháp DLP (Digital Light Processing).
Phương pháp J-P (Jetted Photopolymer).

Các phương pháp sử dụng vật liệu bột: Quá trình tạo sản phẩm là quá trình kết dính
vật liệu bột thành khối. Các phương pháp bồi đắp vật liệu từ vật liệu dạng bột:
Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering).
Phương pháp B-J (Binder Jetting).
Các phương pháp sử dụng vật liệu khối: Ngoại trừ các vật liệu dạng bột, các phương
pháp với vật liệu cơ bản dạng khối có liên quan đến tất cả các hình thức vật liệu dạng
khối bao gồm các dạng: dây, cuộn, dát mỏng và dạng viên. Từ các khối vật liệu sử dụng
các phương pháp thay đổi trạng thái hoặc sử dụng chất phụ trợ để thêu kết vật liệu thành
sản phẩm. Một số phương pháp bồi đắp vật liệu dựa trên vật liệu dạng khối:
Phương pháp LOM (Laminated Object Manufacturing).
Phương pháp FDM (Fused Deposition Modeling).
Phương P-J(PolyJet).

1.1.2 Các phương pháp đặc trưng của công nghệ bồi đắp vật liệu
Phương pháp SLA (System’ stereo Lithography Apparatus)
Nguyên lý:
Phương pháp SLA dùng tia Lazer để đông cứng vật liệu lỏng. Hệ thống bao gồm nguồn
tia Lazer được điều chỉnh qua hệ thống thấu kính, nhằm di chuyển tia Lazer theo biên
dạng từng lớp của sản phẩm. Tia Lazer làm đông đặc vật liệu lỏng chứa trong bàn thiết bị
SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

22


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM

theo từng lớp. Sau mỗi lớp quét, bàn thiết bị hạ xuống và phủ lớp vật liệu lỏng mới từ bể
chứa vật liệu lỏng. Hệ thống tiếp tục điều khiển tia Lazer và quy trình cứ lặp lại cho đến

khi hoàn thành sản phẩm.

Hình 1.3 Nguyên lý phương pháp SLA

Hình 1.4 Máy in 3D SLA
Ưu điểm:
Có thể tạo được hình dáng phức tạp và các lỗ có kích thước nhỏ.
Quá trình được tự động hóa hoàn toàn.
Độ chính xác cao.
Sản phẩm có chất lượng bề mặt tốt.
SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

23


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM

Nhược điểm:
Vật liệu sử dụng không đa dạng.
Cần quá trình hậu xử lý.
Có thể xảy ra cong vênh, co rút ở một số loại nhựa.
Vật liệu và nguồn Lazer khá đắt.

Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering)
Nguyên lý:
Phương pháp SLS tương tự như phương pháp SLA khi cũng sử dụng tia Lazer để thiêu
kết vật liệu. Trong phương pháp SLS, vật liệu được sử dụng ở dạng bột, bộ phận cấp vật
liệu là các bánh lăn có nhiệm vụ rải đều từng lớp bột lên bàn thiết bị độ dày được điều

chỉnh. Tia lazer được điều khiển di chuyển theo biên dạng sản phẩm qua hệ thống thấu
kính nhằm chiếu cho nóng chảy vật liệu bột tạo thành sản phẩm.

Hình 1.5 Nguyên lý phương pháp SLS

SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

24


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: GS.TS.NGUYỄN THANH NAM

Hình 1.6 Máy in 3D SLS
Ưu điểm:
Hệ thống đơn giản.
Không cần vật liệu hỗ trợ, thích hợp với các sản phẩm có phần rỗng dưới đáy.
Quá trình làm sạch sản phẩm dễ dàng.

Nhược điểm:
Các sản phẩm kín có phần rỗng bên trong tốn lượng vật liệu khá lớn.
Nguồn Lazer khá đắt.

Phương pháp FDM (Fused Deposition Modeling)
Nguyên lý
Phương pháp FDM đùn vật liệu dạng sợi để tạo thành mặt cắt của sản phẩm. Vật liệu sợi
được cấp vào đầu đùn có bộ phận gia nhiệt thông qua động cơ cuốn, khi đạt nhiệt độ
thích hợp vật liệu nóng chảy và đùn ra ngoài hình thành sản phẩm. Đầu đùn được điều
khiển theo 2 phương kết hợp với bàn thiết bị sẽ dịch chuyển theo phương còn lại để tạo

thành từng lớp mặt cắt của sản phẩm. Sau khi vật liệu ra khỏi vòi phun cần một khoảng
thời gian ngắn để vật liệu đông đặc lại. Tùy theo từng loại vật liệu mà thời gian đông đặc
là khác nhau.

SVTH: Nguyễn Đăng Quang -1413087

25