Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Thiết kế máy in 3d tạo hình các sản phẩm nhựa gỗ tre...

Tài liệu Thiết kế máy in 3d tạo hình các sản phẩm nhựa gỗ tre

.PDF
178
120
130

Mô tả:

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
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan