Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu, chế tạo và điều khiển máy in 3d dạng bột (powder bed 3d printer)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU...............................................................................................................7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D HỆN NAY ..........................................8
ĐẶT VẤN ĐỀ ........................................................................................................8
1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D VÀ MỘT SỐ MÁY IN 3D HIỆN NAY 8
1.3 CÁC CÔNG NGHỆ IN 3D...................................................................................10

1.3.1 Nguyên lý chung của công nghệ in 3D ............................................ 10
1.3.2 Công nghệ Tạo hình nhờ tia laser (SLA) ......................................... 11
1.3.3 Công nghệ Thiêu kết lazer chọn lọc (SLS) ...................................... 12
1.3.4 Công nghệ Mô hình hóa bằng phương pháp nóng chảy lắng đọng
(FDM) .......... ……………………………………………………….14
1.3.5 Công nghệ in 3D dán nhiều lớp (LOM) ........................................... 16
1.3.6 Công nghệ Laser kim loại thiêu kết trực tiếp (DMLS) .................... 17
1.3.7 Công nghệ in phun sinh học (Inkjet-bioprinting) ............................ 17
1.4 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IN 3D .....................................................................17
1.5 YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI MÁY IN 3D DẠNG BỘT ............................19
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ MÔ HÌNH MÁY IN 3D DẠNG BỘT (POWDER
BED 3D PRINTER) ...........................................................................................22
CHỌN KẾT CẤU CHO MÔ HÌNH .....................................................................22
2.2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, LỰA CHỌN CÁC CHI TIẾT TRÊN MÔ HÌNH .....23

2.2.1 Các loại cơ cấu truyền động ............................................................. 23
2.2.2 Tính toán, thiết kế cơ cấu truyền động............................................. 27
2.2.3 Tính toán sơ bộ chọn động cơ cho 2 bộ truyền của mô hình ........... 40

2.2.4 Các chi tiết khác trong mô hình ....................................................... 44
2.2.4 Kết Luận ........................................................................................... 47
2.3 LẮP RÁP HỆ THỐNG CƠ KHÍ ..........................................................................48

2.3.1 Khái niệm về lắp ráp hệ thống cơ khí .............................................. 48
2.3.2 Kỹ thuật lắp ráp ................................................................................ 49
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH MÁY IN 3D .......52
MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY ..............................................52

3.1.1 Mô hình hệ thống điều khiển ........................................................... 52
Trang 1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

3.1.2 Sơ đồ đấu dây ................................................................................... 53
3.2 LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .....................................53

3.2.1 Module điều khiển động cơ bước A4988......................................... 53
3.2.2 Shield Ramps 1.4 Controller ............................................................ 55
3.2.3 Arduino Atmega 2560 ...................................................................... 57
3.2.4 Lazer và Module điều khiển Lazer.................................................. 59
3.2.5 Nguyên liệu sử dụng bột nhựa PVC ................................................ 64
3.3 ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC..................................66

3.3.1 Động cơ bước ................................................................................... 66
3.3.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước .......................................... 69

3.3.3 Ghép nối máy tính ............................................................................ 71
CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN MÁY .......................................................72
PHẦN MỀM ARDUINO IDE ..............................................................................72
4.2 PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN REPETIER .............................................................74
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM BỀN BẰNG PHẦN MỀM NX ..........79
5.1 TỔNG QUAN VỀ CAE .......................................................................................79
5.2 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM NX- NASTRAN ......................................................81

5.2.1 Giới thiệu phần mềm NX ................................................................. 81
5.2.2 Giới thiệu Module Simulation/ NASTRAN .................................... 83
5.3 PHÂN TÍCH KIỂM NGHIỆM BỀN CHI TIẾT TRỤC DẪN HƯỚNG (TRỤC
X) ........................................................................................................................83
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................87
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................88

Trang 2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Nguyên lý chung của công nghệ in 3D ..............................................10
Hình 1.2. Mô hình cấu tạo của SLA ...................................................................12
Hình 1.3. sản phẩm được tạo ra từ công nghệ SLA ...........................................12
Hình 1.4. Mô hình Công nghệ SLS ....................................................................13
Hình 1.5. Một số dạng sản phẩm của công nghệ SLS ........................................14
Hình 1.6. Công nghệ in 3D FDM .......................................................................15

Hình 1.7. Sản phẩm công nghệ in 3D (FDM) ....................................................15
Hình 1.8. Máy in 3D công nghệ LOM và một số sản phẩm ..............................16
Hình 1.9. Công nghệ in phun sinh học ...............................................................17
Hình 1.10. Vỏ động cơ ô tô được in bằng công nghệ in 3D vật liệu bền SLS ...18
Hình 1.11. Tấm lót dày hãng ADIDAS được làm bằng công nghệ in 3D .........19
Hình 1.12. Mảnh xương sọ in 3D để cấy ghép ...................................................19
Hình 2.1. Mô hình máy in 3D .............................................................................22
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lí hoạt động của máy ...................................................23
Hình 2.3 Bộ truyền động đai răng ......................................................................24
Hình 2.4. Truyền động vít me đai ốc ..................................................................25
Hình 2.5. Cấu tạo vít me bi .................................................................................26
Hình 2.6. Cấu tạo vít me – đai ốc bi ...................................................................30
Hình 2.7. Bố trí ổ bi ...........................................................................................31
Hình 2.8. Chọn kiểu vít me bi cho trục Z. .........................................................32
Hình 2.9 Dẫn hướng dạng trụ .............................................................................35
Hình 2.10 Chi tiết sống dẫn ma sát lăn hình trụ .................................................36
Hình 2.11. Sơ đồ lực tác dụng lên ray dẫn hướng trục X ...................................37
Hình 2.12. Catalog chọn con trượt trục X ..........................................................37
Hình 2.13. Sơ đồ lực tác dụng lên ray dẫn hướng trục Y ..................................38
Hình 2.14. Catalog chọn con trượt trục Y ..........................................................39
Hình 2.15. Động cơ bước ..................................................................................40
Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý động cơ servo DC hồi tiếp .....................................41
Hình 2.17. Động cơ xoay chiều .........................................................................42
Hình 2.18. Thông số của động cơ ......................................................................43

Trang 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

Hình 2.19. Tấm đỡ cụm LAZER ........................................................................44
Hình 2.20. Gối đỡ thanh dẫn hướng ..................................................................45
Hình 2.21. Thanh dẫn hướng .............................................................................45
Hình 2.22. Cụm dẫn hướng ................................................................................46
Hình 2.23. Trục vít me.......................................................................................46
Hình 2.24. Vít me đai ốc.....................................................................................46
Hình 2.25. Nhôm định hình trên máy. ...............................................................47
Hình 2.26. Ke góc và bu lông ............................................................................47
Hình 2.27. Mô hình máy in 3D dạng bột ............................................................48
Hình 3.1. Mô hình hệ thống điều khiển ..............................................................52
Hình 3.2. Sơ đồ đấu dây hệ thống điều khiển.....................................................53
Hình 3.3. Driver động cơ A4988 ........................................................................53
Hình 3.4. Sơ đồ mạch điện driver động cơ A4988 .............................................54
Hình 3.5. Các chế độ điều khiển .........................................................................55
Hình 3.6. Ramps 1.4 ...........................................................................................56
Hình 3.7. Sơ đồ nối chân RAMPS 1.4 ................................................................57
Hình 3.8. Adruino ATmega 2560 .......................................................................57
Hình 3.9. Giới thiệu về Lazer .............................................................................59
Hình 3.10. Sơ đồ cấu tạo của thiết bị phát lazer ruby.........................................60
Hình 3.11. Nguyên lý cấu tạo của lazer CO2 ......................................................61
Hình 3.12. Biểu đồ dải năng lượng cho bán dẫn P&N .......................................61
Hình 3.13. Sự tạo thành tiếp giáp P&N ..............................................................62
Hình 3.14. Nguồn nuôi của lazer diode ..............................................................62
Hình 3.15. Ảnh lazer diode .................................................................................63
Hình 3.16. Nguyên liệu bột nhựa PVC ...............................................................64
Hình 3.17. Ứng dụng của bột nhựa PVC ............................................................64
Hình 3.18. Cấu tạo động cơ bước vĩnh cửu ........................................................67

Hình 3.19. Cấu tạo động cơ bước có từ trở thay đổi ..........................................68
Hình 3.20. Động cơ bước 3 tầng từ trở thay đổi.................................................69
Hình 3.21. Động cơ bước từ trở thay đổi ...........................................................70
Hình 4.1. Giao diện phần mềm Arduino IDE .....................................................72
Hình 4.2. Chọn phần cứng Arduino ...................................................................73
Hình 4.3. Chọn loại cổng kết nối ........................................................................73
Trang 4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

Hình 4.4. Nạp chương trình vào mạch ...............................................................74
Hình 4.5. Dao diện phần mềm điều khiển ..........................................................75
Hình 4.6. Bản vẽ trong phần mềm Solidworks ..................................................75
Hình 4.7. Giao diện Repetier-Firmware khi máy chạy ......................................76
Hình 4.8. Cấu hình chi tiết máy ..........................................................................76
Hình 4.9. Chỉnh sửa G-code sau khi xuất ...........................................................77
Hình 4.10. Set gốc máy ......................................................................................77
Hình 4.11. G-code chạy máy ..............................................................................78
Hình 4.12. Sản phẩm sau khi chạy máy .............................................................78
Hình 5.1. Phân tích cấu trúc bằng CAE ..............................................................80
Hình 5.2. Phân tích truyền nhiệt bằng CAE .......................................................81
Hình 5.3. Phân tích va chạm bằng CAE .............................................................81
Hình 5.4. Module Model trên NX 11.0 ..............................................................82
Hình 5.5. Module Drawing trên NX 11.0 ...........................................................82
Hình 5.6. Module simulation trên NX 11.0 ........................................................82
Hình 5.7. Khởi động phần mềm và vào môi trường thiết kế ..............................83

Hình 5.9. Chia lưới cho chi tiết ..........................................................................85
Hình 5.10. Chuyển vị theo phương z ..................................................................86

Trang 5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Các thông số hình học của bộ truyền đai ............................................24
Bảng 2.2. Mô đun và chiều rộng đai tiêu chuẩn .................................................28
Bảng 2.3 Hệ số tải trọng cảu con trượt ...............................................................39
Bảng 2.4. Các phương pháp ghép nối.................................................................49
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của Adruino ..........................................................58

Trang 6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật trên thế giới đang phát triển với tốc
độ như vũ bão, không ngừng vươn tới những đỉnh cao mới, trong đó có những thành
tựu về tự động hóa sản xuất.

Khẳng định vai trò quan trọng của công nghệ tự động trong chiến lược công
nghiệp hóa và hiện đại hóa nền kinh tế nước ta là một việc hết sức có ý nghĩa, tạo ra
khả năng phát triển nền kinh tế với tốc độ cao, vững chắc và lâu dài.
Ở các nước có nền công nghiệp tiên tiến việc tự động hóa các nghành kinh tế, kỹ
thuật trong đó có cơ khí chế tạo đã thực hiện từ nhiều thập kỉ. Máy in 3d được đưa vào
sản xuất trong các quy trình gia công tạo mẫu nhanh, tạo ra các chi tiết có biên dạng
phức tạp,.. Ở Việt Nam, nhiều công ty tư nhân cũng đang bắt đầu ứng dụng đưa vào
công việc sản xuất.
Hiện nay, nhu cầu gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp với tốc độ và độ
chính xác cao hơn. Với những chi tiết dạng này các phương pháp truyền thống khó có
thể gia công hoặc nếu gia công thì cũng mất nhiều thời gian và công sức. Chính vì vậy
mà công nghệ in 3d đang ngày càng phổ biến không chỉ ở lĩnh vực công nghiệp máy
móc mà còn hiện hữu đa dạng trong các lĩnh vực khác như y tế, giáo dục,… Công nghệ
in 3d đã đánh dấu bước mở đầu cho cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ 4 tạo ra ảnh
hưởng to lớn trên nhiều lĩnh vực. Ở Việt Nam hiện nay công nghệ in 3d đang dần được
đưa vào ứng dụng trong quá trình sản xuất với các loại máy in 3d đa chủng loại và
nguồn gốc như máy in của Nga, Tây Ban Nha, Ba Lan,..
Với những lý do trên, nhóm sinh viên Cử nhân Cơ điện tử K59 Đại Học Bách
Khoa Hà Nội chúng em được giao nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp như sau: “Nghiên cứu,
chế tạo và điều khiển máy in 3d dạng bột (powder bed 3d printer)” bao gồm những
nhiệm vụ sau đây:
+ Nghiên cứu, tìm hiểu về lịch sử phát triển của máy in 3d.
+ Nghiên cứu, thiết kế tổng thể máy in 3d về kết cấu cơ khí, hệ thống điều khiển
và lập trình điều khiển máy.
+ Chế tạo được một mô hình máy in 3d thu nhỏ dựa theo những điều kiện có sẵn.
Trong quá trình nghiên cứu và chế tạo, chúng em đã gặp nhiều khó khăn, do đề
tài mới mẻ, thời gian và kiến Sau một thời gian nghiên cứu, thiết kế và chế tạo, chúng
em đã hoàn thành được thức còn hạn chế. Tuy nhiên nhờ sự cố gắng của bản thân và
đặc biệt là sự chỉ dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn là T.S Nguyễn Kiên Trung,
cùng bộ môn Công Nghệ Chế Tạo Máy đến nay chúng em đã hoàn thành được các

nhiệm vụ của đồ án tốt nghiệp.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Kiên Trung cùng Bộ môn công
nghệ chế tạo máy đã tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em trong suốt thời gian vừa qua.
Một lần nữa chúng em xin cảm ơn!

Trang 7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D HỆN NAY
ĐẶT VẤN ĐỀ
Yêu cầu xã hội
Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping – RP) là công nghệ sản xuất tiên
tiến, bên cạnh việc lập trình gia công trên máy CNC để gia công chế tạo sản phẩm
người ta xây dựng mô hình CAD 3D trên máy tính và gia công theo cách thực hiện
trực tiếp từ những dữ liệu của mô hình
Với các vật liệu dạng bột, các phương pháp truyền thống như tiện, phay, bào
không thể gia công tạo sản phẩm. Thay vào đó ta sử dụng phương pháp in 3d để thêu
kết vật liệu dạng này thông qua tác dụng nhiệt của đầu đốt laser hoặc thêu kết bằng
đầu phun nước,…
Từ đó các kĩ sư đã thiết kế và chế tạo máy in 3d có độ chính xác cao hơn, in được
trên các vật liệu khác nhau, giảm thời gian tạo ra sản phẩm và yêu cầu sản xuất in ra
mô hình phức tạp mà các phương pháp truyền thống khó chế tạo.
Tại Việt Nam các máy in 3d công nghiệp cũng đã có mặt trên thị trường trong
nhiều năm và phần lớn được cung cấp bởi các công ty hoạt động thương mại. Máy in
3d tạo bước phát triển lớn trong nghành công nghiệp tạo mẫu nhanh.

Đa phần các máy in 3d tại Việt Nam được các công ty sản xuất hàng loạt với
công nghệ tiên tiến nhưng bù lại lại có chi phí cao, không linh hoạt trong cuộc sống và
được phục vụ vào mục đích tạo ra các sản phẩm hàng loạt.
Kết luận
Trong xu thế đó nhằm mục đích chế tạo một máy công cụ chính xác có thể linh
hoạt trong cuộc sống thực hiện được tại gia đình và chi phí thấp nhằm phục vụ trong
in các chi tiết, đồ dùng, quà lưu niệm,… Nhóm đã nghiên cứu, chế tạo và điều khiển
máy in 3d dạng bột

1.2

GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D VÀ MỘT SỐ MÁY
IN 3D HIỆN NAY
Định nghĩa và khái niệm

In 3D là một dạng công nghệ được gọi là sản xuất đắp dần/đắp lớp (Additive
Manufacturing). Các quá trình đắp dần tạo ra các đối tượng theo từng lớp, khác với các
kỹ thuật đúc hoặc cắt gọt (như gia công).
Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ (American Society for Testing Materials
- ASTM) đã đưa ra một khái niệm rõ ràng về công nghệ sản xuất đắp dần: “Công nghệ
sản xuất đắp dần là một quá trình sử dụng các nguyên liệu để chế tạo nên mô hình 3D,
thường là chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau, và quá trình này trái ngược với quá
trình cắt gọt vẫn thường dùng để chế tạo xưa nay”. Có thể thấy đây là một phương
pháp sản xuất hoàn toàn trái ngược so với các phương pháp 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. Còn với sản xuất đắp dần, ta
Trang 8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

có thể coi nó là công nghệ tạo hình như đúc hay ép khuôn, nhưng từ những nguyên
liệu riêng lẻ để đắp dần thành sản phẩm cuối cùng.
Có nhiều thuật ngữ khác cũng được dùng để chỉ công nghệ in 3D như công nghệ
tạo mẫu nhanh, công nghệ chế tạo nhanh và công nghệ chế tạo trực tiếp. Như vậy, hầu
hết các thuật ngữ này đều ra đời dựa trên cơ chế hay tính chất của công nghệ.
Lịch sử công nghệ in 3D
Công nghệ in 3D ra đời đã được hơn 30 năm nay. Thiết bị và vật liệu sản xuất đắp
dần đã được phát triển trong những năm 1980. Năm 1981, Hideo Kodama của Viện
Nghiên cứu Công nghiệp thành phố Nagoya (Nhật Bản) đã sáng tạo ra phương pháp
tạo một mô hình bằng nhựa ba chiều với hình ảnh cứng polymer, nơi diện tích tiếp xúc
với tia cực tím được kiểm soát bởi một mô hình lớp hay phát quang quét. Sau đó, vào
năm 1984, nhà sáng chế người Mỹ Charles Hull của Công ty Hệ thống 3D (3Dsystems)
đã phát triển một hệ thống nguyên mẫu dựa trên quá trình này được gọi là
Stereolithography, trong đó các lớp được bổ sung bằng cách chữa giấy nến với ánh
sáng cực tím laser. Hull định nghĩa quá trình như một "hệ thống để tạo ra các đối tượng
3D bằng cách tạo ra một mô hình mặt cắt của các đối tượng được hình thành," nhưng
điều này đã được phát minh bởi Kodama. Đóng góp của Hull là việc thiết kế các định
dạng tập tin STL (STereoLithography) được ứng dụng rộng rãi trong các phần mềm in
3D.
Năm 1986, Charles Hull đã sáng tạo ra quy trình Stereolithography – sản xuất vật
thể từ nhựa lỏng và làm cứng lại nhờ laser. Sau đó ông đăng ký bản quyền cho công
nghệ in 3D “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering - SLS) có sử dụng file
định dạng STL (Standard Tessellation Language). Hull cũng thành lập công ty
3Dsystems và đến nay nó là một trong những công ty cung cấp công nghệ lớn nhất
hiện nay trong lĩnh vực in 3D.
Ưu, nhược điểm của công nghệ in 3D

Công nghệ in 3D có những ưu điểm chính: Tốc độ hình thành sản phẩm rất nhanh
so với công nghệ khác; Chi phi đầu tư sở hữu thấp nhất trong lĩnh vực công nghệ tạo
mẫu nhanh; Chi phí nguyên vật liệu và chi phí sản xuất thấp; Đa dạng về vật liệu chế
tạo và các ứng dụng; Có thể in các vật có cấu tạo hình học phức tạp mà không cần giá
đỡ; Dễ dàng chuẩn bị, sử dụng và bảo dưỡng; Là công nghệ tạo mẫu có đầy đủ màu
sắc lên đến hàng triệu màu; Cho phép chế tạo các sản phẩm đa dạng từ các vật liệu
khác nhau, màu sắc khác nhau, khối lượng và kích thước với các tỷ lệ khác nhau so
với chi tiết hoặc sản phẩm thật.
Về các hạn chế hiện tại của in 3D, khác nhau tùy theo kỹ thuật in, bao gồm tốc độ
in hiện tại chưa thực sự tương xứng với tiềm năng, kích thước đối tượng được in hạn
chế, chi tiết hoặc độ phân giải của đối tượng còn giới hạn, chi phí vật liệu còn cao, và
trong một số trường hợp, độ bền chắc của sản phẩm được in cũng hạn chế. Tuy nhiên,
trong những năm gần đây đã có những tiến bộ nhanh chóng trong việc giảm các hạn
chế này.

Trang 9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

1.3

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

Các công nghệ in 3D

1.3.1 Nguyên lý chung của công nghệ in 3D

Hình 1.1. Nguyên lý chung của công nghệ in 3D

Để bắt đầu in 3D, người ta cần một bản thiết kế vật thể 3D trên phần mềm CAD,
một phần mềm quen thuộc hỗ trợ thiết kế trên máy tính. Mô hình của vật thể hoặc được
thiết kế trực tiếp trên phần mềm này hoặc được đưa vào phần mềm thông qua việc sử
dụng thiết bị quét laser. Sau khi bản thiết kế được hoàn thành, ta cần tạo ra tài liệu STL
- Standard Tessellation Language, một dạng tài liệu quen thuộc với công nghệ sản xuất
đắp dần. Làm tesselate theo ngôn ngữ Tesselation chuẩn là chia một vật thể thành
những đa giác nhỏ hơn, để mô phỏng cho cấu trúc bên ngoài và cả bên trong của vật
thể. Đây là phần rất quan trọng trong sản xuất đắp dần. Khi tài liệu đã được hoàn thiện,
hệ thống sẽ chia nhỏ thiết kế mẫu thành nhiều lớp khác nhau và chuyển thông tin đến
Trang 10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

thiết bị sản xuất đắp dần. Sau đó, hệ thống sản xuất đắp dần sẽ tự chế tạo vật thể theo
từng lớp một cho đến khi vật thể cần sản xuất được hoàn thiện. Để sản xuất các vật thể,
các hệ thống máy in 3D sử dụng kết hợp nhiều công nghệ khác nhau. Các công nghệ
này được phân loại dựa vào bản chất vật liệu. In 3D hay sản xuất đắp dần có thể làm
việc với vật liệu rắn (nhựa, kim loại, polymer), vật liệu lỏng (nhựa lỏng đông cứng lại
nhờ tác động của laser hay ánh sáng điện tử), hay vật liệu dạng bột (bột kim loại, bột
gốm kết dính với nhau tạo thành sản phẩm…).
Sau quá trình này thường có thêm một vài khâu hoàn thiện sau sản xuất. Có thể là
loại bỏ bụi bẩn hoặc các chất liệu khác bám trên sản phẩm. Ngoài ra, đôi khi chúng ta
cần thêm quá trình thêu kết để có thể phủ kín các lỗ hổng trên sản phẩm. Hoặc sử dụng
một vài quá trình thẩm thấu để phủ kín sản phẩm bằng các vật liệu khác.
Ngày nay một loạt các công nghệ in được sử dụng, mỗi loại đều có những ưu điểm
và hạn chế riêng. Các công nghệ chính bao gồm: “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective

laser sintering - SLS), “Thiêu kết lazer chọn lọc trực tiếp” (Direct metal laser sintering
- DMLS), “Mô hình hóa bằng phương pháp nóng chảy lắng đọng” (Fused deposition
modeling - FDM), “Tạo hình nhờ tia laser” (Stereolithography) và “In phun sinh học”
(Inkjet bioprinting).

1.3.2 Công nghệ Tạo hình nhờ tia laser (SLA)
Đây là công nghệ in 3D xuất hiện đầu tiên và cũng là công nghệ in 3D chi tiết
chuẩn xác nhất, có sai số thấp nhất trong các công nghệ in 3D khác. Hiện 3D Systems
là hãng nắm bản quyền thương mại công nghệ in 3D này. Công nghệ in 3D SLA là
một công nghệ in 3D vẫn hoạt động theo nguyên tắc “đắp lớp” có đặc điểm khác biệt
với các công nghệ khác là dùng tia UV làm cứng từng lớp vật liệu in (chủ yếu là nhựa
lỏng).
Tương tự công nghệ SLS, các máy in 3D sử dụng công nghệ SLA sử dụng chùm
tia laser/UV hoặc một nguồn năng lượng mạnh tương đương để làm “đông cứng” các
lớp vật liệu in 3D là nhựa dạng lỏng, nhiều rất nhiều lớp như vậy sẽ tạo nên vật thể in
3D SLA. Lớp in SLA có thể đạt từ 0.06, 0.08, 0.1,… mm.
Công nghệ này được sử dụng để chế tạo ra các vật phẩm 3D chỉ từ những hình ảnh
trên máy tính và công nghệ này cho phép người dùng kiểm tra các mẫu thiết kế một
cách nhanh chóng, chính xác trước khi quyết định đầu tư sản xuất hàng loạt.
Về nguyên lý hoạt động: Sau khi tập tin 3D CAD được kết nối dưới ngôn ngữ
STL (Tessellation language) thì quá trình in được bắt đầu: Lớp nhựa lỏng đắp lên mẫu
3D thiết kế sẵn tia UV làm cứng lớp nhựa này, sau đó nhiều lớp được đắp lên nhau cho
đến khi đạt chỉ số kỹ thuật của vật thể đã định sẵn. Các lớp in 3D SLA có thể đạt từ
0.06mm, 0.08mm, 0.1mm tùy vào nhu cầu in

Trang 11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

Hình 1.2. Mô hình cấu tạo của SLA
Ưu điểm:
Công nghệ SLA có khả năng tạo ra các mô hình có độ chi tiết cao, sắc nét và chính
xác. Về các công nghệ in 3D sử dụng vật liệu nhựa, thì đây là công nghệ tạo ra sản
phẩm in 3D là nhựa tốt nhất, có thể sử dụng ngay, độ phân giải, độ mịn cao, có thể nói
là cao nhất hiện nay.
Nhược điểm:
Vật liệu in 3D khá đắt, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền khi để lâu dưới ánh sáng
mặt trời.

Hình 1.3. sản phẩm được tạo ra từ công nghệ SLA

1.3.3 Công nghệ Thiêu kết lazer chọn lọc (SLS)
Công nghệ này này cũng dựa trên quá trình chế tạo từng lớp nhưng chất polymer
lỏng được thay bằng vật liệu bột.

Trang 12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

Hình 1.4. Mô hình Công nghệ SLS
Công nghệ SLS vận hành tương tự SLA nhưng vật liệu ở dạng bột gốm sứ, thép,
titan, nhôm, bạc, thủy tinh,… Tia laser giúp liên kết các hạt bột với nhau. Đặc biệt, bột

thừa sau quy trình có thể tái chế nên rất tiết kiệm. Có thể tạo lớp bằng vật liệu phụ trợ
là keo chuyên dụng (có khi kèm màu sắc nếu in 3D đa sắc màu), hoặc tia laser, tia
UV,….
Nhìn chung, SLS là công nghệ tạo mẫu dựa trên vật liệu dạng bột. Sử dụng tia
laser, công nghệ SLS nung kết các loại vật liệu dạng bột khác nhau với nhau để tạo ra
mẫu dạng rắn. Công nghệ in 3D SLS là chìa khóa để các máy in 3D tạo ra những sản
phẩm đa dạng, đặc biệt là in 3D bằng chất liệu kim loại/gốm.
Nguyên lý hoạt động
Phương pháp SLS sử dụng tính chất của vật liệu bột là có thể hóa rắn dưới tác
dụng của nhiệt (như nylon, elastomer, kim loại). Một lớp mỏng của bột nguyên liệu
được trải trên bề mặt của xy lanh công tác bằng một trống định mức. Sau đó, tia laser
10 hóa rắn (kết tinh) phần bột nằm trong đường biên của mặt cắt không thực sự làm
chảy chất bột), làm cho chúng dính chặt ở những chỗ có bề mặt tiếp xúc. Trong một số
trường hợp, quá trình nung chảy hoàn toàn hạt bột vật liệu được áp dụng. Quá trình kết
tinh có thể được điều khiển tương tự như quá trình polymer hoá trong phương pháp tạo
hình lập thể SLA. Sau đó xy lanh hạ xuống một khoảng cách bằng độ dày lớp kế tiếp,
bột nguyên liệu được đưa vào và quá trình được lặp lại cho đến khi chi tiết được hoàn
thành.
Ưu điểm:
Khả năng tạo mẫu bằng các loại vật liệu dạng bột khác nhau như nhựa, kim loại,
thủy tinh, gốm. Tạo mẫu đa dạng về màu sắc, có thể tạo ra các mẫu hình dạng phức
tạp, không cần sử dụng vật liệu hỗ trợ, không cần cấu trúc hỗ trợ. SLS đã được sử dụng
chủ yếu để tạo nguyên mẫu, nhưng gần đây đã được ứng dụng cho sản xuất theo từng
yêu cầu cụ thể. Ví dụ, General Electric đã mua một công ty công nghệ SLS để chế tạo
các bộ phận cho động cơ phản lực thương mại. Công nghệ SLS thích hợp để in các mô
hình có thành mỏng, các chi tiết cần độ dẻo. Đặc biệt, SLS là lựa chọn tuyệt vời khi
cần in những mô hình lớn hoặc có phần rỗng phía dưới đáy. Xét về độ mịn bề mặt,
Trang 13

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

công nghệ SLS cho chất lượng cao hơn công nghệ FDM, tuy nhiên rất khó để phân
biệt độ mịn các lớp in bằng mắt thường.
Nhược điểm:
Phức tạp, chi phí đầu tư cao, chi phí vận hành cao do hao tổn vật liệu lớn. Các mô
hình kín và có phần rỗng bên trong vẫn phải tiêu tốn một lượng vật liệu khá lớn.

Hình 1.5. Một số dạng sản phẩm của công nghệ SLS

1.3.4 Công nghệ Mô hình hóa bằng phương pháp nóng chảy lắng đọng
(FDM)
Nguyên lý hoạt động của máy in 3D công nghệ FDM: Máy in 3D dùng công nghệ
FDM xây dựng mẫu bằng cách đùn nhựa nóng chảy rồi hoá rắn từng lớp tạo nên cấu
trúc chi tiết dạng khối. Vật liệu sử dụng ở dạng sợi có đường kính từ 1.75 – 3mm, được
dẫn từ một cuộn tới đầu đùn mà chuyển động điều khiển bằng động cơ servo. Khi sợi
được cấp tới đầu đùn nó được làm nóng sau đó nó được đẩy ra qua vòi đùn lên mặt
phẳng đế.
Trong máy in 3D (FDM) vật liệu nóng chảy được đẩy ra, đầu đùn sẽ di chuyển
một biên dạng 2D. Độ rộng của đường đùn có thể thay đổi trong khoảng từ (từ
0,193mm đến 0,965mm) và được xác định bằng kích thước của miệng đùn. Miệng của
vòi đùn không thể thay đổi trong quá trình tạo mẫu, vì thế cần phân tích các mô hình
tạo mẫu trước khi chọn vòi đùn thích hợp.

Trang 14

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

Hình 1.6. Công nghệ in 3D FDM
Vì giá thành máy và vật liệu in 3D rẻ, nên công nghệ này đang là công nghệ in 3D
phát triển mạnh nhất, phổ biến nhất hiện nay
Ưu điểm: Là công nghệ in 3D giá rẻ, dễ sửa chữa và thay thế chi tiết máy móc, in
với số lượng lớn, ít tốn nguyên liệu. Thường sử dụng trong các sản phẩm cần chịu lực.
Tốc độ tạo hình 3D nhanh. Quá trình tạo mẫu nhanh của FDM không giống như công
nghệ SLA, LOM, SLS phải sử dụng tia laser để tạo hình sản phẩm mà công nghệ tạo
mẫu nhanh FDM đơn giản hơn rất nhiều, độ tin cậy cao, bảo dưỡng dễ dàng. Công
nghệ tạo mẫu nhanh FDM sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo không độc, không mùi, và
do đó sẽ không gây ô nhiễm môi trường xung quanh. Thiết bị hoạt động tạo ra ít tiếng
ồn.
Nhược điểm: Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao. Khả năng chịu
lực không đồng nhất .

Hình 1.7. Sản phẩm công nghệ in 3D (FDM)
Trang 15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

1.3.5 Công nghệ in 3D dán nhiều lớp (LOM)
Các đối tượng 3D được tạo ra từng lớp, mỗi lớp sẽ được cắt bằng tia laser hoặc

dụng cụ cắt chuyên dụng (cắt theo đường biên dạng với tốc độ khoảng 15 inch/giây)
sau đó được dán chặt từng lớp, từng lớp vào với nhau tạo ra sản phẩm. Sau khi vật liệu
dư thừa được cắt bỏ, đối tượng có thể được đánh giấy ráp hoặc được sơn. Mặc dù độ
chuẩn xác của các loại máy in 3D công nghệ này là hơi thấp hơn so với các công nghệ
SLA hay SLS, nhưng LOM là một trong những công nghệ in ấn giá cả phải chăng nhất
và 3D nhanh nhất để tạo các bộ phận tương đối lớn. Nó cũng cho phép tạo nhiều màu
sắc 3D in các đối tượng.
Ưu điểm: Vật liệu đa dạng, rẻ tiền. Về nguyên tắc có thể sử dụng các loại vật liệu:
giấy, chất dẻo, kim loại, composites và gốm; Độ chính xác cao đạt được tốt hơn 0,25
mm. Bằng việc cắt vật liệu thay vì hóa rắn nó, hệ thống có thể bảo vệ được những đặc
tính ban đầu của vật liệu; Không cần thiết kết cấu hỗ trợ; Tốc độ cao, nhanh hơn các
phương pháp tạo lớp khác bởi vì tia laser không cắt toàn bộ diện tích mà chỉ quét theo
chu vi bên ngoài. Do đó, vật liệu dày và mỏng có tốc độ cắt bằng nhau; Không có sự
thay đổi pha trong quá trình chế tạo chi tiết nên tránh được độ co rút của vật liệu;
Không độc hại và ô nhiễm môi trường.
Nhược điểm: Không thu hồi được vật liệu dư. Sự cong vênh của chi tiết thường là
vấn đề chính của phương pháp LOM; Lấy sản phẩm ra khỏi kết cấu hỗ trợ khó khăn;
Độ bóng bề mặt không cao.

Hình 1.8. Máy in 3D công nghệ LOM và một số sản phẩm

Trang 16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

1.3.6 Công nghệ Laser kim loại thiêu kết trực tiếp (DMLS)

Công nghệ DMLS là một trong những công nghệ đầu tiên sản xuất nhiều bộ phận
kim loại trong một quy trình. Với DMLS, kim loại bột (đường kính khoảng 20 micron),
không chứa chất kết dính hoặc chất dẫn xuất, bị tan chảy hoàn toàn khi quét chùm tia
laser công suất cao để chuyển thành một dạng vật liệu mới với các tính chất của vật
liệu ban đầu. Lợi thế của công nghệ DMLS so với công nghệ SLS là độ phân giải cao
hơn do sử dụng các lớp mỏng hơn, được tạo nên bởi các hạt có đường kính nhỏ hơn.
Khả năng này cho phép tạo ra một phần hình dạng phức tạp hơn. Các lựa chọn vật liệu
hiện đang được cung cấp bao gồm thép hợp kim, thép không rỉ, nhôm, đồng, cobaltchrome, và titan. Tuy nhiên, hầu như bất cứ kim loại hợp kim nào cũng có thể được sử
dụng trong công nghệ này.
Ưu điểm: của công nghệ DMLS so với những công nghệ tạo mẫu nhanh khác là
có thể tạo ra những sản phẩm bằng kim loại với mật độ đạt trên 95% (công nghệ SLS
chỉ đạt 70%) với độ chính xác và chi tiết cao do mỗi lớp tạo hình chỉ dày 20 µm.

1.3.7 Công nghệ in phun sinh học (Inkjet-bioprinting)
Công nghệ in phun sinh học Bioprinting sử dụng một kỹ thuật tương tự như các
máy in phun, trong đó một vòi phun định vị chính xác đặt một chấm nhỏ mực in để tạo
thành hình dạng. Trong in phun sinh học, vật liệu được sử dụng là các tế bào của con
người chứ không phải là mực. Đối tượng in được tạo ra bằng cách phun một hỗn hợp
“vật liệu giàn giáo” (như hydrogel có chứa đường) và các tế bào sống được nuôi cấy
từ các mô của bệnh nhân. Sau khi in, mô được đặt trong một buồng với nhiệt độ và
điều kiện ôxy thích hợp để tạo điều kiện cho tế bào tăng trưởng. Khi các tế bào đã được
kết hợp, “vật liệu giàn giáo” được lấy ra và mô đã sẵn sàng để được cấy ghép.

Hình 1.9. Công nghệ in phun sinh học
Ưu điểm: của máy in sinh học 3D là mô hoặc cơ quan có thể được tạo ra theo từng
lớp một để đạt được hình học giải phẫu chính xác. In sinh học 3D có thể thu được bằng
in bằng laser hỗ trợ sinh học (LaBP) hoặc in phun (IBP).

1.4

Ứng dụng công nghệ in 3D
Trang 17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

Công nghệ in 3D đang ngày càng phát triển, không chỉ giúp cho việc chế tạo khuôn
mẫu được chính xác và dễ dàng hơn mà còn tìm được nhiều ứng dụng trong thực tế
cuộc sống. Công nghệ in 3D đang được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp
sản xuất chế tạo, y khoa, kiến trúc, xây dựng… Dưới đây là những lĩnh vực chính được
ứng dụng công nghệ in 3D.
Các loại máy in 3D không chỉ phục vụ các sinh viên kiến trúc, đồ họa, cơ khí mà
còn có thể áp dụng cho những nhà nghiên cứu, kĩ sư, giảng viên hay bất kỳ cá nhân
nào có nhu cầu in tạo mẫu 3D
Từ sản xuất công nghiệp đến y học, thẩm mỹ làm đẹp, máy in 3D hoàn toàn có thể
khẳng định vai trò chủ đạo của mình. Công nghệ 3D giúp các bác sĩ tạo mô hình bộ
phận cơ thể để rút ngắn thời gian hội chẩn và phẫu thuật chính xác hơn, đồng thời còn
in ra các cơ quan thay thế: tay, chân, xương hàm, tương thích mức độ cao với cơ thể
bệnh nhân. Những chiếc máy in 3D còn giúp ngành nữ trang tạo nhanh và chính xác
các thiết kế, bỏ qua những công đoạn truyền thống trước đây và đưa ra sản phẩm cuối
cùng

Hình 1.10. Vỏ động cơ ô tô được in bằng công nghệ in 3D vật liệu bền SLS

Trang 18

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

Hình 1.11. Tấm lót dày hãng ADIDAS được làm bằng công nghệ in 3D

Hình 1.12. Mảnh xương sọ in 3D để cấy ghép

1.5

Yêu cầu kỹ thuật đối với máy in 3D dạng bột

+ Máy phải hoạt động ổn định, chạy êm, không xảy ra lỗi trong qua trình gia công.
Trang 19


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

+ Máy lắp ráp phải có tính công nghệ cao nghĩa là dễ tháo lắp, thay thế, bảo dưỡng.
+ Máy sử dụng những chi tiết tiêu chuẩn hóa như bulông, vòng bi, vítme bi nên dễ
dàng thay thế và giá thành của máy cũng thấp đi.
+ Sản phẩm được làm ra với thiết kế đẹp mắt, chi phí sản xuất và bảo trì thấp so với
sản phẩm cùng loại của nước ngoài, do đó phù hợp với túi tiền của người dùng.
Sản phẩm có các phần mềm hỗ trợ trực quan, dễ hiểu nên mọi người đều có thể sử
dụng một cách dễ dàng sau vài giờ tìm hiểu, do đó có khả năng đưa ra sử dụng
rộng rãi, phổ biến.

+ Phần mềm giao tiếp giữa máy laser với máy tính là ARDUINO, nó có thể hoạt
động trên mọi hệ điều hành của Windows, thẩm chí cả laptop thay vì máy tính để
bàn như các phần mềm khác.
+ Tính an toàn của máy: nguồn laser có hại cho mắt của chúng ta nên khi sử dụng
máy cần đeo kính chuyên dùng bảo vệ cho cặp mắt của chúng ta.
+ Tính thuận tiện của máy: máy khá dễ điều khiển và hiểu chỉnh.
+ Tính thẩm mỹ: máy có thiết kế khá dễ nhìn.
+ Tính môi trường: Máy không làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh, không
ồn ào, và đặt biệt không gây ô nhiễm môi trường.

Nguyên lí làm việc của máy
Máy laser hoạt động theo nguyên lý chi tiết đứng im và đầu laser di chuyển, laser
được đóng, ngắt tự động nhờ relay. Dự liệu được đưa vào máy tính có thể là tự thiết kế
hoặc lấy trên mạng, và được đưa vào phần mềm Repetier để xử lý và xuất G-code. Ta
có thể chỉnh sửa G-code ngay trên giao diện phần mềm Repetier. G-code chạy theo
như ý muốn thì đem đi gia công và không đúng thì loại bỏ và thiết kế lại. G-code đạt
yêu cầu đem đi gia công với phần mềm điều khiển Grbl Controller tương thích
với ARDUINO. Tại đây mạch ARDUINO sẽ xử lý tín hiệu từ Grbl Controller xuất ra
và xuất xung tín hiệu cho các cơ cấu chấp hành (2 driver TB6560, 1 relay).
• Driver TB6560 sẽ điều khiển động cơ bước quay theo tín hiệu xung nhận được
từ ARDUINO, động cơ bước xoay làm đai răng di chuyển và kéo theo laser, 2 động cơ
bước tạo thành hệ mặt phẳng XOY.
• RELAY sẽ đóng ngắt laser một cách tự động dựa vào tín hiệu từ ARDUINO xuất
ra
(M03 bật laser, M05 tắt laser).

Kết luận
Máy laser là loại máy gia công cơ khí rất phổ biến hiện nay, sự ra đời và phát triển
của nó đã thúc đẩy sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo đóng góp to lớn vào việc tạo
ra của cải cho xã hội. Sự ra đời của máy laser làm cho các sản phẩm cơ khí chế tạo có

chất lượng tốt hơn, độ chính xác cao hơn và đặc biệt có thể sản xuất hàng loạt. Máy
Trang 20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

laser có nhiều chủng loại khác nhau tùy thuộc vào công suất và cơ cấu khác nhau.Tuy
nhiên xét tổng thể về nguyên lý thì các máy laser đều có cấu trúc và hệ điều khiển
tương tự nhau. Cấu trúc của tất cả các loại máy laser đều bao gồm: Phần xử lý trung
tâm (Giao diện người máy và thực hiện nội suy), phần điều khiển stepper motor, động
cơ Stepper motor. Tuy nhiên trong thực tế nghiên cứu của sinh viên thì việc nghiên
cứu chế tạo một máy laser với đầy đủ chức năng và bộ phận của một máy laser tiêu
chuẩn là rất khó. Vì giá thành động cơ steper motor và hệ thống dẫn động vít me bi rất
đắt và điều kiện nhà xưởng còn hạn chế nên việc chế tạo một máy laser đối với sinh
viên là rất khó.
Trong đồ án này chúng em tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu các phần tử
trong máy laser tiêu chuẩn. Từ đó bắt tay vào chế tạo một mô hình máy in 3d cỡ vừa.
Mục tiêc của em trong đồ án này là chế tạo được mô hình máy in 3d hoạt động tốt và
có thể gia công được bột nhựa, bột thạch cao, bột xi măng. Máy có thể nhận file Gcode và có thể chỉnh sửa bằng tay trên phần mềm điều khiển.

Trang 21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ MÔ HÌNH MÁY IN 3D
DẠNG BỘT (POWDER BED 3D PRINTER)
CHỌN KẾT CẤU CHO MÔ HÌNH
Nguyên lí hoạt động của máy in 3D
Về cơ bản, mô hình máy in 3d của chúng em thể hiện nguyên lí hoạt động của một
máy in 3D được điều khiển bằng phần mềm chuyên dụng được dùng trong thực tế.
Gồm 3 trục X, Y và Z. Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian và kinh tế, mô hình máy của
chúng em vẫn còn một số điều bị hạn chế.

Hình 2.1. Mô hình máy in 3D
Nguyên lí hoạt động:
Động cơ ở các trục X, Y và Z được kết nối với mạch điều khiển, phần mạch điều
khiển này được kết nối với máy tính. Phần mềm điều khiển thông tính toán điều khiển
và cấp xung cho động cơ, làm động cơ quay. Máy sử dụng truyền động đai răng và vít
me, Truyền mômen từ động cơ tới các trục làm cụm dẫn động ba trục chuyển động
tịnh tiến trên các trục dẫn hướng. Chuyển động của các cụm điều khiển ba trục phụ
thuộc vào phần mềm điều khiển nội suy biên dạng chi tiết cần in. Ta chỉ cần thiết kế
mô hình chi tiết, và xuất file từ máy tính nạp vào phần mềm điều khiển.

Trang 22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lí hoạt động của máy

2.2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, LỰA CHỌN CÁC CHI TIẾT
TRÊN MÔ HÌNH
2.2.1 Các loại cơ cấu truyền động
Yêu cầu của cơ cấu truyền động trong máy in 3D là phải biến chuyển động quay
của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của đầu Laser. Việc lựa chọn cơ cấu truyền
động dựa vào điều kiện làm việc của máy và yêu cầu điều khiển, trên thực tế có nhiều
cơ cấu truyền động để biến chuyển động quay thành tịnh tiến như bánh răng-thanh
răng, vít me- đai ốc, và truyền động đai ( chi tiết gắn trên đai)….. vì các yêu cầu kỹ
thuật như gọn nhẹ, giá thành hợp lý, dễ dàng lựa chọn và sử dụng nhóm đã chọn đai
và vít me -đai ốc làm cơ cấu truyền động cho các trục
+ Truyền động đai răng: trục X, Y
+ Truyền động vít me – đai ốc: trục Z
+ và lựa chọn các cơ cấu dẫn hướng trên các trục X, Y, Z

2.2.1.1 Truyền động đai răng
Trang 23


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

Hình 2.3 Bộ truyền động đai răng
Đai răng là loại đai dẹt được chế tạo thành vòng kín, có răng ở mặt trong. Khi vào
tiếp xúc với các bánh đai các răng của đai sẽ ăn khớp với các răng trên bánh đai. Do
truyền lực bằng ăn khớp truyền động đai có những ưu điểm: không có trượt, tỉ số truyền
lớn, hiệu suất cao, không cần lực căng đai quá lớn, lực tác dụng lên trục và lên ổ nhỏ.
Đai răng được chế tạo từ cao su trộn với nhựa nairit hoặc được đúc từ cao su
pouliuretan. Lớp chịu tải chủ yếu là dây thép, sợi thuỷ tinh hoặc sợi poliamit.

Bảng 2.1 Các thông số hình học của bộ truyền đai

 Ưu điểm: Việc truyền lực có tính đàn hồi; chạy êm và ít ồn, chịu sốc; khoảng
cách trục có thể lớn; không cần phải bôi trơn; phí bảo dưỡng thấp.
 Nhược điểm: Bị trượt qua sự giãn nở của dây đai qua đó không có tỷ lệ truyền
chính xác; nhiệt độ ứng dụng bị giới hạn; thêm tải trọng lên ổ trục do lực căng
cần thiết của dây đai.
Trang 24


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: TS. Nguyễn Kiên Trung

2.2.1.2 Truyền động bánh ma sát
Truyền động bánh ma sát được thực hiện nhở sự chuyển động của bánh xe trên
sống trượt được làm phẳng. Dùng để biến chuyển động quay của bánh xe thành chuyển
động tịnh tiến.
Ưu điểm:
+ Chế tạo đơn giản.
+ Kích thước tương đối nhỏ gọn.
+ Chạy êm, ít gây tiếng ồn.
Nhược điểm:
+ Độ chính xác không cao.
+ Dễ trượt bánh nếu lực ép không tốt.
+ Dễ mòn bánh.

Dựa vào yêu cầu chung của đồ án ta có thể thấy hệ thống truyền động cần thoả mãn
những điều kiện sau:

+ Thực hiện được các chuyển động cần chính xác cao.
+ Có khả năng truyền động trong trạng thái lực lớn.
+ Cấu tạo gọn nhẹ.

2.2.1.3 Truyền động Vít me
Vít me là một hệ thống truyền động ,được gia công chính xác để biến đổi chuyển
động quay thành chuyển động tịnh tiến theo cơ chế con vít - bulon (đai vít , hay đai
ốc). Để chuyền động một cách trơn tru và chính xác , hoạt động liên tục bền bỉ trong
thời gian dài ta phải có biện pháp bôi trơn hợp lý.
Khi trục vít xoay làm cho đai ốc chuyển động tịnh tiến, trục vít quay được một
vòng thì đai ốc sẽ chuyển động tịnh tiến được một đoạn bằng bước vít.

Hình 2.4. Truyền động vít me đai ốc
Ưu điểm:

Trang 25