Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in 3d kim loại

..

ĐỒN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH
BAN CHẤP HÀNH TP. HỒ CHÍ MINH
----------------------

CƠNG TRÌNH DỰ THI

GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA
LẦN THỨ XX NĂM 2018

TÊN CÔNG TRÌNH:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY
IN 3D KIM LOẠI

LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: Kỹ thuật công nghệ
CHUYÊN NGÀNH: Cơ khí -Tự động hố

Mã số cơng trình: …………………………….
(Phần này do BTC Giải thưởng ghi)


i

MỤC LỤC
MỤC LỤC ....................................................................................................................i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...........................................................................iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... v
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH .................................vi
TĨM TẮT ĐỀ TÀI ..................................................................................................... x

ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................. 1
1. Lí do chọn đề tài .................................................................................................. 1
2. Nhiệm vụ của đề tài ............................................................................................. 4
3. Nội dung đề tài ..................................................................................................... 4
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D KIM LOẠI ............................................ 5
1.1. Sơ lược công nghệ in 3D ................................................................................ 5
1.2. Ứng dụng trong các lĩnh vực ........................................................................... 9
1.3. Tình hình ứng dụng........................................................................................ 11
Chương 2: MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI ..................................................................... 13
2.1. Mục tiêu ......................................................................................................... 13
2.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 13
Chương 3: NỘI DUNG THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU
................................................................................................................................... 14
3.1. u cầu cần thiết khi thiết kế ........................................................................ 14
3.2. Thiết kế phần khung ...................................................................................... 14
3.3. Chất liệu khung và bản lề .............................................................................. 15
3.4. Khớp nối, giá đỡ và con trượt trên các trục. ................................................. 17
3.4.1. Khớp nối, giá đỡ trục X, Z ....................................................................... 17
3.4.2. Giá đỡ trục Z ........................................................................................... 19
3.4.3. Giá đỡ motor X,Y .................................................................................... 20


ii

3.4.4. Thanh trượt – con trượt vng tuyến tính MGN12C ............................... 21
3.4.5. Con trượt trịn kín SCS và thanh ty trượt tròn.......................................... 22
3.4.6. Gối đỡ trục SK12...................................................................................... 24
3.4.7. Gối đỡ trục KP08...................................................................................... 24
3.5. Truyền động vít me – đai ốc .......................................................................... 26
3.5.1. Khớp đỡ vít me KFL000 .......................................................................... 26

3.5.2. Cơ cấu vít me – đai ốc trượt .................................................................... 26
3.6. Truyền động đai – bộ truyền đai răng ............................................................ 29
3.7. Đô ̣ng cơ bước STEP ...................................................................................... 31
3.7.1. Sơ lược về động cơ bước .......................................................................... 31
3.7.2. Khớp nối ................................................................................................... 32
3.8. Máy hàn MIG – MAG ................................................................................... 33
3.8.1 Giới thiệu công nghệ hàn MIG & MAG ................................................... 33
3.8.2. Đặc điểm công nghệ và quá trình hàn MIG – MAG ................................ 35
3.8.3. Các phương thức chuyển dịch kim loại GMAW điển hình ..................... 36
3.8.4. Ưu và nhược điểm máy hàn MIG - MAG ................................................ 39
3.8.5. Chế độ trong hàn MIG - MAG ................................................................. 40
3.8.6. Máy hàn điện tử HK MIG200Y ............................................................... 43
3.8.6. Dây hàn GM-70S...................................................................................... 45
3.8.7. Cấu tạo mỏ hàn MIG – MAG ................................................................... 47
3.8.8. Cơng tắc hành trình V165 - 1A5 trong mỏ hàn máy HK MIG 200Y ...... 48
3.8.9. Khí bảo vệ - Khí CO2 ............................................................................... 49
3.9. Phần board mạch và linh kiện điều khiển ...................................................... 50
3.9.1. Board điều khiển chính – MKS gen v1.4 ................................................. 50
3.9.2. Board driver cho động cơ bước ................................................................ 52


iii

3.9.3. Màn hình LCD Touch Screen TFT 28 ..................................................... 54
3.9.4. Relay công suất 12VDC ........................................................................... 54
3.10. Bộ nguồn ...................................................................................................... 55
3.11. Các linh kiện và chi tiết khác ....................................................................... 56
3.11.1. Cụm bàn Z .............................................................................................. 56
3.11.2. Các linh kiện khác .................................................................................. 57
3.12. Kết quả thiết kế và thi cơng mơ hình ........................................................... 57

3.12.1. Thiết kế và thi cơng cơ khí. .................................................................... 57
3.12.2. Thi cơng cơ khí ....................................................................................... 59
3.12.3. Lập trình điều khiển ............................................................................... 62
3.12.4. Firmware ................................................................................................ 62
3.12.5. Phần mềm điề u khiể n in 3D kim loại Repetier ...................................... 67
3.12.6. Thiết lập kết nối wifi với điện thoại ....................................................... 73
3.12.7. Kết quả q trình in 3D gia cơng sản phẩm mẫu ................................... 78
Chương 4. KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ......................................................................... 80
4.1. Kết luận ........................................................................................................... 80
4.2. Đề nghị ............................................................................................................ 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 82


iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CAD

Computer Aided Design

CAM

Computerized Aided Manufacturing

CV

Constant Voltage

FDM

Fused Deposition Modeling

GMAW

Gas Metal Arc Belding

MAG

Metal Active Gas

MIG

Metal Inert Gas

SLA

Stereo Lithography Apparatus


v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật con trượt vuông MGN12C..........................................21
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật con trượt trịn SCS ......................................................23
Bảng 3.3. Thơng số kỹ thuật khớp đỡ vít me KFL000 .............................................26
Bảng 3.4. Phân biệt giữa hàn MIG và hàn MAG ......................................................34
Bảng 3.5. Thông số kỹ thuật máy HK MIG200Y .....................................................44
Bảng 3.6. Quy cách đóng gói dây hàn ......................................................................46
Bảng 3.7. Cơ tính mối hàn ........................................................................................46
Bảng 3.8. Thành phần hóa học của dây hàn ..............................................................46

Bảng 3.9. Bảng thơng số theo đường kính dây hàn ..................................................47
Bảng 3.10. Một số linh kiện điện ..............................................................................55


vi

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Sản phẩm máy in 3D vật liệu in bằng kim loại ...........................................1
Hình 1.2. Sản phẩm tạo mẫu nhanh ............................................................................2
Hình 1.3. Máy in 3D sản xuất tại Việt Nam ...............................................................3
Hình 1.4. Các ứng dụng của máy in 3D kim loại........................................................3
Hình 1.5. Cơng Nghệ SLA ..........................................................................................6
Hình 1.6. Cơng nghệ FDM ..........................................................................................7
Hình 1.7. Ngun lý hoạt động cơng nghệ LOM........................................................7
Hình 1.8. Mơ tả cơng nghệ 3DP ..................................................................................8
Hình 1.9. Cơng nghệ SLS ...........................................................................................9
Hình 1.10. Các mơ hình từ in 3D ..............................................................................10
Hình 1.11. Mơ hình thiết kế và sản phẩm in 3D .......................................................11
Hình 1.12. Máy in thức ăn của Essential Dynamics có giá $2,995 ..........................11
Hình 1.13. MaketBot bán trên thị trường với giá 1,999$..........................................12
Hình 3.1. Bản thiết kế phần khung hồn chỉnh .........................................................15
Hình 3.2. Nhơm định hình V-rail 20X20 ..................................................................15
Hình 3.3. Nhơm định hình V-rail vẽ trên solid works ..............................................16
Hình 3.4. Thành phần hóa học hợp kim nhơm ..........................................................17
Hình 3.5. Bản vẽ má trái cụm trụm X .......................................................................18
Hình 3.6. Bản vẽ má phải cụm trụm X .....................................................................18
Hình 3.7. Bản vẽ tấm đỡ trên cụm Z .........................................................................19
Hình 3.8. Bản vẽ tấm đỡ dưới cụm Z ........................................................................19
Hình 3.9. Bản vẽ giá đỡ motor X ..............................................................................20
Hình 3.10. Bản vẽ giá đỡ motor Y ............................................................................20

Hình 3.11. Con trượt vng MGN12C .....................................................................21
Hình 3.12. Sơ đồ cấu trúc thanh trượt vng tuyến tính MGN12C ..........................22
Hình 3.13. Kết cấu con trượt trịn SCS .....................................................................23
Hình 3.14. Thanh ty trượt trịn ..................................................................................23


vii

Hình 3.15. Gối đỡ trục đứng SK12 ...........................................................................24
Hình 3.16. Gối đỡ trục KP08 ....................................................................................25
Hình 3.17. Khớp đỡ vít me KFL000 .........................................................................26
Hình 3.18. Vít me ......................................................................................................27
Hình 3.19. Kết cấu đai ốc 2 nửa ................................................................................28
Hình 3.20. Truyền động đai ......................................................................................29
Hình 3.21. Biên dạng đai răng ..................................................................................30
Hình 3.22. Đai GT2 và pulley ...................................................................................30
Hình 3.23. Động cơ bước ..........................................................................................31
Hình 3.24. Bên trong của động cơ bước ...................................................................31
Hình 3.25. Cấu tạo động cơ bước và cách điều khiển ..............................................32
Hình 3.26. Thơng số kích thước khớp nối ................................................................33
Hình 3.27. Cơng nghệ hàn Mig - Mag ......................................................................33
Hình 3.28. Sơ đồ lắp thiết bị hàn (GMAW tổng quát) MIG – MAG điển hình .......34
Hình 3.29. Đặc điểm hàn MIG – MAG ....................................................................35
Hình 3.30. Đặc trưng chuyển dịch kim loại khi hàn MIG - MAG............................36
Hình 3.31. Dịng tới hạn để có chuyển dịch phun (dây 1.6 – Ar + 1% O2) ..............37
Hình 3.32. Chuyển dịch cầu ......................................................................................38
Hình 3.33. Biến thiên dòng điện và điện áp hàn khi chuyển dịch ngắn mạch ..........38
Hình 3.34. Các giai đoạn chuyển dịch xung .............................................................39
Hình 3.35. Đồ thị quan hệ giữa tốc độ đẩy dây hàn và dịng điện hàn .....................40
Hình 3.36. Đồ thị quan hệ giữa dịng điện hàn và hình dạng mối hàn......................41

Hình 3.37. Quan hệ giữa điện áp hồ quang và hình dạng mối hàn ...........................41
Hình 3.38. Đồ thị quan hệ giữa tốc độ hàn và hình dạng mối hàn............................42
Hình 3.39. Hướng hàn (hàn trái) ...............................................................................42
Hình 3.40. Chi tiết mối hàn .......................................................................................42
Hình 3.41. Khoảng cách giữa miệng phun và kim loại hàn ......................................43
Hình 3.42. Máy hàn Mig HK MIG 200Y .................................................................44
Hình 3.43. Phân loại dây hàn ....................................................................................45


viii

Hình 3.44. Cuộn dây hàn GM-70S ...........................................................................45
Hình 3.45. Dây hàn GM-70S Ø 1.0mm ....................................................................47
Hình 3.46. Cấu tạo mỏ hàn MIG - MAG ..................................................................47
Hình 3.47. Cấu tạo mỏ hàn máy hàn HK MIG200Y ................................................48
Hình 3.48. Cơng tắc hành trình V165 – 1A5 ............................................................49
Hình 3.49. Bình khí CO2 ...........................................................................................50
Hình 3.50. Sơ đồ mạch in MKS Gen v1.4 ................................................................51
Hình 3.51. Sơ đồ mạch điện MKS Gen v1.4 ............................................................51
Hình 3.52. Sơ đồ kết nối linh kiện mạch MKS-Gen v1.4 .........................................52
Hình 3.53. Board A4988 ...........................................................................................52
Hình 3.54. Mạch nguyên lý Driver Step Motor ........................................................53
Hình 3.55. Module LCD Touch Screen TFT 28 và chân kết nối..............................54
Hình 3.56. Màn hình hiển thị trong LCD Touch Screen TFT 28 .............................54
Hình 3.57. Module điều khiển relay 12VDC ............................................................55
Hình 3.58. Nguồn tổ ong…. ......................................................................................55
Hình 3.59. Nguồn LITEON ......................................................................................55
Hình 3.60. Cụm Z......................................................................................................56
Hình 3.61. Bu lơng, ke góc, con trượt .......................................................................57
Hình 3.62. Chân đế cao su ........................................................................................57

Hình 3.63. Bản thiết kế phần khung hồn chỉnh .......................................................58
Hình 3.64. Cụm truyền động trục X..........................................................................58
Hình 3.65. Cụm truyền động trục Y..........................................................................59
Hình 3.66. Cụm truyền động trục Z ..........................................................................59
Hình 3.67. Mơ hình thực tế cụm trục X ....................................................................60
Hình 3.68. Mơ hình thực tế cụm trục Y ....................................................................60
Hình 3.69. Mơ hình thực tế cụm trục Z.....................................................................61
Hình 3.70. Gắn sơ bộ đầu hàn lên máy .....................................................................61
Hình 3.71. Arduino IDE ............................................................................................62
Hình 3.72. Giao diện cơ bản Arduino IDE ...............................................................62


ix

Hình 3.73. Nội dung Configuration.h .......................................................................63
Hình 3.74. Giao diện của Repetier – Host trên Windows .........................................67
Hình 3.75. Giao diện chính của phần mềm ...............................................................68
Hình 3.76. Bước 1 chọn file và chỉnh sửa chất lượng vật thể in ...............................68
Hình 3.77. Bước 2 chọn file và chỉnh sửa chất lượng vật thể in ...............................69
Hình 3.78. Bước 3 chọn file và chỉnh sửa chất lượng vật thể in ...............................69
Hình 3.79. Bước 1 quá trình cài đặt thơng số phần mềm..........................................70
Hình 3.80. Bước 2 q trình cài đặt thơng số phần mềm..........................................70
Hình 3.81. Bước 3 q trình cài đặt thơng số phần mềm..........................................71
Hình 3.82. Cơng cụ chỉnh đối tượng in .....................................................................71
Hình 3.83. Màn hình điều khiển máy in thơng qua máy tính ...................................72
Hình 3.84. Các file liên quan kết nối wifi .................................................................73
Hình 3.85. Bước 1 wifi..............................................................................................75
Hình 3.86. Bước 2 wifi..............................................................................................75
Hình 3.87. Bước 3 wifi..............................................................................................75
Hình 3.88. Hiển thị menu ..........................................................................................77

Hình 3.89. Test wifi kết nối mạch .............................................................................78
Hình 3.90. Quá trình tạo mẫu kim loại .....................................................................79
Hình 3.91. Quá trình tạo mẫu thử kim loại chạy kiểm tra ........................................79
Hình 3.92. Mẫu kim loại sau khi gia cơng 3D và làm bóng .....................................79


x

TĨM TẮT ĐỀ TÀI
Nghiên cứu trình bày việc thiết kế và chế tạo mơ hình máy in 3D kim loại chi
phí thấp. Về phần cơ khí được thiết kế dựa vào nguyên lý máy tạo mẫu nhanh mã
nguồn mở RepRap vật liệu nhựa Polymer từ đầu đùn nhựa. Tuy nhiên, để tạo hình
khối kim loại thì phần đùn nhựa Polymer này thay thế bằng máy hàn MIG giá rẻ để
thay thế phương pháp tạo hình kim loại đắc tiền. Các ứng dụng của máy in kim loại
3D hiện nay được thương mại hóa chỉ giới hạn trong việc tạo mẫu nhanh các sản
phẩm đắt tiền. Việc ứng dụng tạo mẫu nhanh bằng phương pháp này giúp các cho các
doanh nghiệp vừa và nhỏ.


1

ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Lí do chọn đề tài
Hiện nay trên thế giới các ngành công nghiê ̣p sản xuấ t đã và đang rấ t phát triể n
với trình độ ngày càng tiên tiến. Lươ ̣ng hàng hóa sản xuấ t ngày mô ̣t tăng cao theo
nhu cầ u thi ̣ trường, các sản phẩ m không ngừng thay đổ i mẫu mã và đươ ̣c sản xuấ t
hàng loa ̣t. Điề u này kéo theo mô ̣t yếu tố quan trọng không kém trong sản xuấ t hàng
hóa công nghiê ̣p hiê ̣n đa ̣i chính là ta ̣o mẫu nhanh. Viê ̣c ta ̣o mẫu nhanh để nhanh
chóng chuyể n từ ý tưởng thiế t kế ra vâ ̣t thể thâ ̣t là rấ t quan tro ̣ng. Hiê ̣n ta ̣i có rấ t nhiề u
công nghê ̣ ta ̣o mẫu nhanh khác nhau mỗi công nghê ̣ đề u có những ưu nhươ ̣c điể m

riêng.
Máy in 3D là 1 trong những phưng pháp tạo mẫu nhanh, có thể tạo ra những sản
phẩm phức tạp và tinh xảo.

Hình 1.1. Sản phẩm máy in 3D vật liệu in bằng kim loại
Công nghệ tạo mẫu nhanh đã ra đời từ rất lâu do các nhà tạo mẫu công nghiệp
Mỹ khởi nguồn. Từ đó cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ kỹ thuật
điện tử, công nghệ tạo mẫu nhanh đã có những bước đột phá rõ rệt. Công nghệ tạo
mẫu nhanh đang phát triển mạnh ở các nước Mỹ, Đức, Canada… ứng dụng nhiều
công nghệ tiên tiến như SLA, SLS, 3DP, LOM, FDM,… Không chỉ ngưng ở việc tạo


2

mẫu cho các chi tiết cơ khí đơn thuần, ngày nay cơng nghệ tạo mẫu nhanh với độ
chính xác cao, cấu tạo nhỏ gọn dễ sử dụng, thân thiện với người dùng đang ngày trở
nên phổ biến và hiện thực hóa mọi ý tưởng ra thực tế một cách nhanh chóng và chính
xác nhất. Tuy nhiên, hiện nay giá thành các loại máy tạo mẫu nhanh cịn rất cao.

Hình 1.2. Sản phẩm tạo mẫu nhanh
Ở Việt Nam, công nghê ̣ in 3D vẫn là mô ̣t phát triển khá mới mẻ và chưa phổ
biến. Hiện nay, các doanh nghiệp nhập khẩu các thiết bị công nghệ tạo mẫu nhanh
phục vụ thị trường trong nước có giá thành rất cao. Chi phí đầu tư một máy in 3D
cơng nghệ SLA có giá từ 8.000 USD trở lên, vật liệu phục vụ công nghệ in 3D cũng
phải nhập khẩu và giá thành rất cao. Do vậy nhu cầu làm chủ công nghệ in 3D trong
nước là rất cần thiết và cần đẩy mạnh nghiên cứu hơn để phục vụ nhu cầu sản xuất,
giảm giá thành dịch vụ tạo mẫu nhanh.
Năm vừa qua, Trung tâm Thiết kế chế tạo Thiết bị mới thuộc Sở Khoa học và
Cơng nghệ Thành phố Hồ Chí Minh cũng đã nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công
máy in 3D quy mơ phịng thí nghiệm. Các nghiên cứu chế tạo mẫu nhanh cơng nghệ

LOM tại phịng thí nghiệm trọng điểm của Đại học Bách Khoa (Đại học Quốc gia Tp.
HCM). Hiện tại, nhóm chúng em đang nghiên cứu Công nghệ in 3D ứng dụng công
nghệ SLA, phục vụ chế tạo chi tiết cơ khí, phục vụ giảng dạy, tạo mẫu nhanh v.v…
bước đầu đã được thu nhiều kết quả thành công tốt đẹp.


3

Hình 1.3. Máy in 3D sản xuất tại Việt Nam
Các ứng dụng đã giải quyết nhanh nhu cầu thiết kế chế tạo của sinh viên kỹ
thuật của Khoa để chế tạo chi tiết, mơ hình máy móc mà trước đây tốn rất nhiều thời
gian, chi phí gia cơng cơ khí trên máy gia công cơ. Hỗ trợ sinh viên ngành của trường
sẽ chủ động và sáng tạo hơn khi thực hiện mơ hình đồ án, cơng trình… phục vụ các
ngành mỹ thuật cơng nghiệp hiện thực hóa các ý tưởng sáng tạo của mình. v.v… bằng
máy in 3D.

Hình 1.4. Các ứng dụng của máy in 3D kim loại
Từ những thực tiễn khả quan đó, nhóm nghiên cứu chọn đề tài :“ THIẾT KẾ
VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D KIM LOẠI”


4

2. Nhiệm vụ của đề tài
-

Tìm hiểu nguyên lý điều khiển, các cơ cấu động học.

-

Thi cơng cơ khí, chế tạo và lắp ráp hồn thiện mơ hình máy in 3D kim
loại.

-

Tìm hiểu và điều khiển hệ thống mạch điện, board mạch đệm nối từ máy
tính xuống hệ thống Driver điều khiển các động cơ trục cơng tắc hành
trình.

-

Thiết kế thi cơng hệ thống điện, cử hành trình an tồn khi vận hành,…

-

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là máy in 3D điều khiển bằng chương
trình số dựa trên G-code.

-

Người nghiên cứu tập trung nghiên cứu thiết kế, thi cơng hệ thống cơ
khí, tìm hiểu và hoạt động, hệ thống điều khiển cho máy in 3D.

-

Tận dụng các phần mềm cắt lớp sẵn có như Solidwork, Cura…để xuất
mã G-code cho máy in hoạt động điều khiển quá trình in 3D kim loại.

3. Nội dung đề tài
Đề tài được xây dựng gồm các nội dung sau:

-

Chương 1: Tổng quan về máy in 3D kim loại

-

Chương 2: Mục đích của đề tài

-

Chương 3: Nội dung thực hiện và kết quả công trình nghiên cứu

-

Chương 4: Kết luận – Đề xuất


5

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D KIM LOẠI
1.1. Sơ lược công nghệ in 3D
- Công nghệ in 3D khơng phải là cơng nghệ mới. Nó đã được phát triển từ cuối
những năm 1980 và đã được sử dụng rộng rãi để tạo ra các nguyên mẫu sản phẩm
một cách nhanh chóng. Cái mới của cơng nghệ này là nó khơng cịn chỉ được các
cơng ty lớn sử dụng để tạo ra các nguyên mẫu sản phẩm, mà trong những năm gần
đây, công nghệ in 3D đã thực sự bước vào thị trường tiêu dùng. Nhiều nhà khoa học
và chuyên gia từng đặt câu hỏi liệu công nghệ in 3D có thực sự là một cơng nghệ sẽ
làm nên sự biến đổi lớn cho cả thế giới
- Có rất nhiều công nghệ tạo mẫu nhanh trên thế giới SLA, SLS, 3DP, LOM,
FDM,… Không chỉ ngưng ở việc tạo mẫu cho các chi tiết cơ khí đơn thuần, ngày nay

cơng nghệ tạo mẫu nhanh với độ chính xác cao, cấu tạo nhỏ gọn dễ sử dụng, thân
thiện với người dùng đang ngày trở nên phổ biến và hiện thực hóa mọi ý tưởng ra
thực tế một cách nhanh chóng và chính xác nhất.
- Cơng nghệ SLA (Stereolithography Apparatus): là cơng nghệ sử dụng tia
sáng (tia laser, tia UV hoặc tia sáng bình thường) làm đơng cứng lớp photopolymer
lỏng (polymer quang hóa - polymer đóng rắn khi có ánh sáng chiếu vào) được chứa
trong bồn, từng lớp từng lớp để hình thành nên vật thể 3D. Đây là công nghệ đầu tiên
và cũng là công nghệ đem lại độ dày layer nhỏ nhất hiện nay (độ chi tiết tốt nhất).
+ Ưu điểm: Cơng nghệ SLA có khả năng tạo ra các mơ hình có độ chi tiết cao,
sắc nét và chính xác.
+ Nhược điểm: Vật liệu in 3D khá đắt, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền khi để
lâu dưới ánh sáng mặt trời.
Cân nhắc: Cơng nghệ SLA có nhiều nét tương đồng với Plolyjet, tổng hòa các
yếu tố so sánh thì “kẻ tám lạng người nửa cân”.


6

Hình 1.5. Cơng Nghệ SLA
- Cơng nghệ J-P (Jetted Photopolymer): thật ra công nghệ này cũng giống
như công nghệ SLA nhưng thay vì nguyên liệu được chứa trong bồn thì nguyên liệu
được phun giống như máy in phun, đi kèm với đầu phun là đèn chiếu UV làm đông
cứng lớp photopolymer vừa phun ra. Vì vậy, cơng nghệ cho phép in nhiều loại vật
liệu trên cùng một vật thể in, mỗi bình mực in là 1 loại vật liệu.
- Cơng nghệ FDM (Fused Deposition Modeling): sử dụng nguyên liệu đầu
vào là sợi nhựa, sau đó được nung nóng chảy ra và đầu phun kéo các sợi nhựa chảy
này theo biên dạng của mặt cắt từng layer, và đắp từng lớp layer chồng lên nhau để
tạo ra sản phẩm 3D.
+ Ưu điểm: Là công nghệ in 3D giá rẻ. Thường sử dụng trong các sản phẩm
cần chịu lực. Tốc độ tạo hình 3D nhanh.

+ Nhược điểm: Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác khơng cao. Khả
năng chịu lực không đồng nhất (chiều X-Y cứng lớn hơn chiều trục Z).
Cân nhắc: Nếu cần độ cứng cao, FDM là lựa chọn phù hợp. Nếu bạn cần chất
lượng bề mặt mịn và chính xác, cơng nghệ SLS hoặc Polyjet (Ink Jetting) sẽ là lựa
chọn tối ưu


7

Hình 1.6. Cơng nghệ FDM
- Cơng nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing): sử dụng nguyên liệu
đầu vào là các vật liệu có thể dát mỏng như giấy, gỗ … dạng cuộn hay tờ, mỗi layer
chính là mỗi tờ giấy hay lát gỗ, biên dạng layer được cắt ra bằng laser hay dụng cụ
cắt rồi dán chồng lên nhau tạo nên vật thể 3D.

Hình 1.7. Ngun lý hoạt động cơng nghệ LOM
- Công nghệ 3DP (3D printing) : Công nghệ này sử dụng nguyên lý tạo lớp
layer giống như công nghệ SLS ở trên, còn phần liên kết các layer với nhau thì giống
với cơng nghệ máy in phun 2D bình thường. Mực in lúc này vừa là màu sắc, vừa là
keo liên kết các hạt bột với nhau. Công nghệ này có thể in được màu sắc cho vật thể
giống như máy in phun màu.


8

Hình 1.8. Mơ tả cơng nghệ 3DP
- Cơng nghệ SLS (Selective Laser Sintering): sử dụng nguyên liệu dạng bột
được chứa trong các bồn, các layer được xếp chồng lên nhau bằng các bánh lăn
(roller), vừa cuộn vừa kéo san phẳng vật liệu ra thành lớp mỏng. Biên dạng layer
được hình thành bằng cách dùng tia laser chiếu cho nóng chảy bột để bột lớp layer

trên liên kết với layer dưới.
+ Ưu điểm: Thích hợp để in các mơ hình có thành mỏng, các chi tiết cần độ
dẽo. 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, SLS cho chất lượng cao hơn FDM bởi vì
rất khó để phân biệt các lớp in bằng mắt thường.
+ Nhược điểm: Gía thiết bị và vật liệu khá đắt. Các mơ hình kín và có phần rỗng
bên trong vẫn phải tiêu tốn một lượng vật liệu khá lớn.
Cân nhắc: Nếu cần tạo các mơ hình có phần rỗng bên trong thì nên chọn FDM.
SLS khơng thể đạt độ mịn bề mặt như Polyjet hoặc SLA.


9

Hình 1.9. Cơng nghệ SLS
Hiện nay, ngày càng có nhiều sự quan tâm đến vấn đề in 3D kim loại, khi mà
khả năng ứng dụng cơng nghiệp của nó rất sáng sủa và đáng được mong đợi.
Thực ra máy in 3D kim loại đã được nghiên cứu và chế tạo thành công, bên
cạnh những máy in 3D khác về thực phẩm, vật chất sinh học hay thậm chí là cả vàng,
thế nhưng chi phí dành cho nó hiện nay là quá đắt. Giờ đây một dự án mới của chúng
em hy vọng sẽ giảm chi phí liên quan đến in ấn 3D về kim loại, với một thiết bị in sử
dụng laser công suất cao.
Khác với máy in 3D nhựa, hoạt động bằng cách đẩy ra một lượng lớn sợi nhựa
để tạo hình đối tượng, những chiếc máy in 3D kim loại sẽ rải một lớp bột kim loại
mỏng lên "tấm xây dựng", sau đó sử dụng tia laser để làm tan bột cùng lớp ở dưới nó.
Bằng cách đó, máy có thể chế tạo một cách chính xác loại vật liệu kim loại khác nhau.
Do chi phí dành cho các sensor (cảm biến) và sức mạnh tính tốn được giảm
thiểu đáng kể, chiếc máy in 3D kim loại được xây dựng để cung cấp các sản phẩm
với cường độ thấp hơn các sản phẩm hiện nay, nhưng bù lại, lại có giá cả dễ chịu hơn
rất nhiều.

1.2. Ứng dụng trong các lĩnh vực
* Giáo dục:


10

Hình 1.10. Các mơ hình từ in 3D
In 3D tạo ra nhiều mơ hình thật cho các học sinh, sinh viên dễ dàng nắm bắt
kiến thức trong giờ học và có thể tiếp xúc với mơ hình thật trong học tập để có thêm
kinh nghiệm thực tiễn.
* Sản xuất xây dựng:
Máy in 3D giúp tạo mẫu nhanh chống, ngay cả với những bộ phận phức tạp của
cơng trình với chi phí và thời gian khá thấp. Tạo ra các mơ hình thay thế cho các vật
liệu thơ sơ như: tre, nứa, các mẫu xốp,… Và đặt biệt là các chi tiết của máy in 3D rất
dễ lắp ghép và thay thế, tính thẫm mỹ lại khá cao.


11

Hình 1.11. Mơ hình thiết kế và sản phẩm in 3D

1.3. Tình hình ứng dụng
Trên thế giới:
Cơng nghệ tạo mẫu nhanh đã và đang phát triển không ngừng trên thế giới với
hàng loạt các sản phẩm được nâng cấp và cải tiến từng ngày. Không chỉ phục phụ cho
nhiều lĩnh vực cơ bản như khoa học, giáo dục mà hiện nay nó cịn góp mặt trong giải
trí với hang loạt sản phẩm mang tính tạo hình cao.

Hình 1.12. Máy in thức ăn của Essential Dynamics có giá $2,995

12

Hình 1.13. MaketBot bán trên thị trường với giá 1,999$
Trong nước :
Thực tế cho thấ y ta ̣o mẫu nhanh công nghiê ̣p vẫn chưa phát triể n trong nước và
đây là sản phẩm mới trong khuôn khổ đề tài khoa học, công nghệ cấp nhà nước về
phát triển công nghệ phục vụ công nghiệp. Đa phầ n ta ̣o mẫu từ các máy gia công cơ
hoă ̣c chỉ la bản mẫu 3D trên máy tính thông qua các phầ n mề m vẽ 3D. Hiện nay, một
số nghiên cứu phát triển tại các trường Đại học trong nước cũng đang bắt đầu ứng
dụng in 3D bằng nhiều vật liệu đa dạng hơn, nhưng giá thành nghiên cứu chế tạo máy
in 3D cơng nghệ này chi phí cũng khá đắt, do vậy việc ứng dụng máy in 3D này vẫn
chưa phát triển.


13

Chương 2: MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
2.1. Mục tiêu
Đề tài có các mục đích sau:
-

Chế tạo mơ hình máy in 3D có thể in ra vật thể bằng kim loại (hỗn hợp
kim loại) hầu như tất cả các bản thiết kế trên các phần mềm vẽ, các hoa
văn phức tạp hay các hình trên dữ liệu CAD.

-

Độ chính xác có thể đạt từ 1-1.5mm.

-

Tạo hình được các chi tiết kích thước từ dài x rộng x cao trong khoảng
từ 250x250x200 mm.

2.2. Phương pháp nghiên cứu
-

Tìm hiểu các tài liệu và thiết kế hiện có ở trong và ngồi nước.

-

Thiết kế, gia cơng trục vít tải.

-

Tìm hiểu tỉ lệ pha trộn nguyên liệu ( bột kim loại ).

-

Nghiên cứu lập trình và ứng dụng kho mã nguồn mở Arduino và Marlin,
xây dựng và phát triển hệ thống điều khiển chính xác thời gian cho máy
in 3D.

-

Tiến hành thực nghiệm, đo đạc, phân tích và hiệu chỉnh cân bằng.

-

Thiết kế mơ hình và tính tốn các thơng số của khung máy bằng
Solidworks.

-

Giám sát từ máy tính sử dụng các phần mềm cắt lớp sẵn có như Creation
Workshop, CURA, Pronterface…


14

Chương 3: NỘI DUNG THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ CÔNG TRÌNH
NGHIÊN CỨU
3.1. Yêu cầu cần thiết khi thiết kế
Cơ khí máy phải có kić h thước vừa phải. Không cầ n thiế t quá lớn. Bản thiết kế
phần khung hoàn chỉnh, và cũng không đươ ̣c quá nhỏ. Sao cho sản phẩ m mẫu phải
trực quan thể hiện đươ ̣c như bản thiế t kế.
Phầ n mề m phải đảm bảo có thể truyề n tải tấ t cả các đinh
̣ da ̣ng sản phẩ m 3D từ
các file hình vẽ 3D.
Phầ n điê ̣n tử phải đảm bảo chấ t lươ ̣ng ổ n đinh
̣ cao, nhằ m duy trì máy hoa ̣t đô ̣ng
với công suấ t tố t nhấ t và bề n lâu.
Dễ dàng di chuyển cũng như vận chuyển đi xa.

Các thông số yêu cầ u :
Kić h thước vùng gia công: 250x250x200 mm
Tố c đô ̣ các tru ̣c XYZ tố i đa: 2000mm/ph.
Gia tố c tru ̣c XYZ tố i đa: 200mm/s2.

3.2. Thiết kế phần khung
Phần khung máy là thành phần quan trọng nhất phải được lưu ý thiết kế tính
tốn sao cho hợp lý và mang tính cân đối. Đây là bộ phận có tác dụng như khung
xương liên kết các thành phần dẫn, truyền động, mạch điều khiển cũng như chứa vùng
gia công.
Yêu cầu chung của phần khung là phải cứng vững và đảm bảo chống rung động
khi gia công, chịu va đập tốt và dễ lắ p ráp. Yêu cầu tiếp theo là khung cơ khí phải
đảm bảo chịu được khối lượng vịi phun và mạch điện tử.
Ngồi ra, phần khung máy còn phải đảm bảo các lỗ bắt các trục dẫn động phải
thật sự đồng tâm để tránh gây ra sai số so với mơ hình đã tính tốn.
Các khớp nối yêu cầu phải có độ cững vững và chịu rung động va đập tốt để
giảm thiểu tối đa khả năng gây ra sai số khi gia công.