LUẬN VĂN THIẾT KẾ MÁY IN 3D TẠO HÌNH CÁC SẢN PHẨM NHỰA GỖ TRE ĐH Bách Khoa HCM

MỤC LỤC LUẬN VĂN THIẾT KẾ MÁY IN 3D TẠO HÌNH CÁC SẢN PHẨM NHỰA GỖ TRE ĐH Bách Khoa HCM 

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

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

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 ..............................................................................7

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

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

1.  Máy in 3D.................................................................................................................129

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

1.  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

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

DANH SÁCH CÁC HÌNH LUẬN VĂN THIẾT KẾ MÁY IN 3D TẠO HÌNH CÁC SẢN PHẨM NHỰA GỖ TRE ĐH Bách Khoa HCM 

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

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

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

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

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

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

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

TÓM TẮT LUẬN VĂN THIẾT KẾ MÁY IN 3D TẠO HÌNH CÁC SẢN PHẨM NHỰA GỖ TRE ĐH Bách Khoa HCM 

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).

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!

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

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.

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.

v 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.

Hình 1.2 Charles Hull với máy in 3D

Vào năm 1989 , Carl Deckard, làm việc tại đại học Texas, đã được cấp bằng sáng chế cho quá trình gia công bằng laser thêu kết(Selective Laser Sintering (SLS)) sau đó được mua lại bởi 3 systems, đây cũng là năm Scott  Crump đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho Fused Deposition Modeling (FDM).

Các công nghệ và quy trình in 3D khác cũng nổi lên trong những năm này, một trong số đó là quy trình sản xuất bằng hạt Ballistic (BPM) đã được cấp bằng sáng chế bởi William Masters vì thế đầu những năm chín mươi chứng kiến sự gia tăng vượt bậc của những công ty trong lĩnh vực in 3D.

Từ những năm 1990 đến 2000 nhiều công nghệ in 3D đã được liên tiếp giới thiệu và tập trung chủ yếu vào các ứng dụng công nghiệp nên dần dần xuất hiện những thuật ngữ mới như chạy dao nhanh (RT), là khuôn nhanh và sản suất nhanh (RM). Tuy vậy những máy in 3D được tạo ra hoặc những sản phẩm của chúng nhìn chung có chi phí rất cao.

Nhìn chung từ năm 1986 đến 2007 công nghệ này chỉ có những bước đi nhỏ và chậm, đây gọi là giai đoạn xâm nhập, bước nền cho công nghệ tạo mẫu nhanh.Tuy nhiên đến năm  2009 , đã có một biến động lớn trên thị trường, nhiều bằng sáng chế và công nghệ đã hết hạn bảo vệ bản quyền, trong đó có bằng sở hữu FDM. Qúa trình Fuse Deposition Modelling (FDM) tạo hình sản phẩm nhờ nấu chảy vật liệu rồi xếp đặt chồng lớp, vốn được sở hữu bởi hãng Stratasys.Khi bằng sáng chế về FDM hết giá trị, công nghệ này đã thu hút nhiều nhà sản xuất tham gia làm cho giá thành sản xuất giảm và FDM trở thành nền tảng công nghệ cho các máy in 3D được tiêu thụ trên thị trường hiện nay mở ra một thời kỳ phát triển mạnh mẽ cho công nghiệp in 3D trong tương lai.

Năm 2013, ngành công nghiệp in 3D đạt giá trị khoảng 3.1 tỷ USD/năm, tăng 35 % so với năm 2012. Dự đoán trong vòng 6 năm tới tốc độ tăng trưởng trung bình khá cao khoảng 32 %/Năm và đạt mức 21 tỷ USD vào năm 2020.

1.1.1 Phân loại các công nghệ bồi đắp vật liệu

Hiện nay, trên thế giới có nhiều phương pháp ra đời dựa trên nguyên lý chung của công nghệ bồi đắp vật liệu, một cách tổng quát ta có thể phân loại các phương pháp này theo dạng vật liệu sử dụng:

Các phương pháp sử dụng vật liệu lỏng: Quá trình tạo sản phẩm là một quá trình lưu hóa, vật liệu chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Sau đây là một số phương pháp bồi đắp vật liệu dựa trên cơ sở vật liệu dạng lỏng:

Phương pháp SLA (System’ stereo Lithography Apparatus). Phương pháp DLP (Digital Light Processing).

Phương pháp J-P (Jetted Photopolymer).

Các phương pháp sử dụng vật liệu bột: Quá trình tạo sản phẩm là quá trình kết dính

vật liệu bột thành khối. Các phương pháp bồi đắp vật liệu từ vật liệu dạng bột:

Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering). Phương pháp B-J (Binder Jetting).

Các phương pháp sử dụng vật liệu khối: Ngoại trừ các vật liệu dạng bột, các phương pháp với vật liệu cơ bản dạng khối có liên quan đến tất cả các hình thức vật liệu dạng khối bao gồm các dạng: dây, cuộn, dát mỏng và dạng viên. Từ các khối vật liệu sử dụng các phương pháp thay đổi trạng thái hoặc sử dụng chất phụ trợ để thêu kết vật liệu thành sản phẩm. Một số phương pháp bồi đắp vật liệu dựa trên vật liệu dạng khối:

Phương pháp LOM (Laminated Object Manufacturing). Phương pháp FDM (Fused Deposition Modeling). Phương P-J(PolyJet).

1.1.2 Các phương pháp đặc trưng của công nghệ bồi đắp vật liệu

Phương pháp SLA (System’ stereo Lithography Apparatus) Nguyên lý:

Phương pháp SLA dùng tia Lazer để đông cứng vật liệu lỏng. Hệ thống bao gồm nguồn tia Lazer được điều chỉnh qua hệ thống thấu kính, nhằm di chuyển tia Lazer theo biên dạng từng lớp của sản phẩm. Tia Lazer làm đông đặc vật liệu lỏng chứa trong bàn thiết bị

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

Hình 1.3 Nguyên lý phương pháp SLA

Ưu điểm:

Hình 1.4 Máy in 3D SLA

Có thể tạo được hình dáng phức tạp và các lỗ có kích thước nhỏ.

Quá trình được tự động hóa hoàn toàn. Độ chính xác cao.

Sản phẩm có chất lượng bề mặt tốt.

Nhược điểm:

Vật liệu sử dụng không đa dạng. Cần quá trình hậu xử lý.

Có thể xảy ra cong vênh, co rút ở một số loại nhựa. Vật liệu và nguồn Lazer khá đắt.

Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering) Nguyên lý:

Phương pháp SLS tương tự như phương pháp SLA khi cũng sử dụng tia Lazer để thiêu kết vật liệu. Trong phương pháp SLS, vật liệu được sử dụng ở dạng bột, bộ phận cấp vật liệu là các bánh lăn có nhiệm vụ rải đều từng lớp bột lên bàn thiết bị độ dày được điều chỉnh. Tia lazer được điều khiển di chuyển theo biên dạng sản phẩm qua hệ thống thấu kính nhằm chiếu cho nóng chảy vật liệu bột tạo thành sản phẩm.

Hình 1.5 Nguyên lý phương pháp SLS

Ưu điểm:

Hệ thống đơn giản.

Hình 1.6 Máy in 3D SLS

Không cần vật liệu hỗ trợ, thích hợp với các sản phẩm có phần rỗng dưới đáy. Quá trình làm sạch sản phẩm dễ dàng.

Nhược điểm:

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

Phương pháp FDM (Fused Deposition Modeling) Nguyên lý

Phương pháp FDM đùn vật liệu dạng sợi để tạo thành mặt cắt của sản phẩm. Vật liệu sợi được cấp vào đầu đùn có bộ phận gia nhiệt thông qua động cơ cuốn, khi đạt nhiệt độ thích hợp vật liệu nóng chảy và đùn ra ngoài hình thành sản phẩm. Đầu đùn được điều khiển theo 2 phương kết hợp với bàn thiết bị sẽ dịch chuyển theo phương còn lại để tạo thành từng lớp mặt cắt của sản phẩm. Sau khi vật liệu ra khỏi vòi phun cần một khoảng thời gian ngắn để vật liệu đông đặc lại. Tùy theo từng loại vật liệu mà thời gian đông đặc là khác nhau.

Hình 1.7 Nguyên lý phương pháp FDM

Hình 1.8 Máy in 3D FDM

Ưu điểm:

Vật liệu dễ kiếm.

Dễ thay vật liệu, có thể thay vật liệu chất dẻo.

Giá bảo trì thấp.

Những vật liệu mỏng làm ra rất nhanh.

Không cần phải giám sát.

Vật liệu không độc.

Nhanh và rẻ.

Kích thước nhỏ gọn.

Nhược điểm:

Giữa các lớp có vết gãy.

Đầu đùn phải di chuyển liên tục, nếu không vật liệu sẽ đùn lên. Cần phải có vật liệu hỗ trợ các sản phẩm có phần rỗng dưới đáy. Độ chính xác bị giới hạn do hình dạng của vật liệu sử dụng.

Kém cứng vững theo phương vuông góc với trục tạo sản phẩm. Diện tích mặt cắt càng lớn thì thời gian tạo mẫu càng lâu.

Phương pháp LOM ( Laminated Object Manufacturing) Nguyên lý:

Phương pháp LOM dùng vật liệu dạng tấm kết hợp với tia Lazer để hình thành sản phẩm. Tấm vật liệu nằm trên vùng làm việc và được kéo căng nhờ hệ thống con lăn cung cấp vật liệu và con lăn cuộn. Tiếp theo con lăn gia nhiệt sẽ di chuyển để dán lớp vạt liệu mới với các lớp vật liệu cũ. Sau đó tia Lazer được điều khiển thông qua hệ thống thấu kính để cắt tấm vật liệu mới liên kết theo biên dạng của sản phẩm cần chế tạo. Tiếp tục lặp lại cho đến khi hoàn thành sản phẩm.

Hình 1.9 Nguyên lý phương pháp LOM

Ưu điểm:

Vật liệu đa dạng, rẻ tiền. Về nguyên tắc có thể sử dụng các loại vật liệu: giấy, chất dẻo, kim loại…

Tốc độ gia công cao hơn các phương pháp khác. Không cần kết cấu hỗ trợ.

Không có sự biến đổi pha trong quá trình chế sản phẩm nên tránh được sự co

rút vật liệu.

Có thể tạo được vật thể khá lớn do không có quá trình tác động hóa học.

Có đặc tính giống như gỗ. Dễ làm sạch bằng tay.

Không độc hại và ô nhiểm môi trường.

Nhược điểm:

Không thu hồi được vật liệu dư.

Khó khăn cho lấy phần thừa ra khỏi sản phẩm.

Độ bóng bề mặt không cao.

1.1.3 VẬT LIỆU TẠO MẪU.

Yêu cầu đối với vật liệu tạo mẫu trong công nghệ in 3D:

-    Khả năng hóa dẻo: là khả năng biến đổi trạng thái từ dạng rắn sang dạng chảy dẻo dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Khả năng này giúp dễ dàng định hình vật kiệu và điều phối thể tích theo ý muốn. Điều này mang tính quyết định trong việc hình thành chiều dày lớp tạo hình.

-    Thời gian đông cứng: sau khi gia nhiệt và định hình theo ý muốn thì vật liệu sẽ tiếp xúc với môi trường không khí ở nhiệt độ phòng, khi đó vật liệu phải đông cứng trở lại. Thời gian đông cứng của vật liệu phải thật nhanh, thường phải thấp hơn 10s. Tính đông cứng này giúp vật liệu có độ cứng vững cần thiết sau mỗi lớp mỏng tạo hình cho đối tượng tạo mẫu, điều này có ý nghĩa quan trọng về độ chính xác hình dáng hình học sau cùng của đối tượng tạo mẫu.

-    Khả năng liên kết: Chính là khả năng kết dính bề mặt của 2 lớp vật liệu mỏng liền kề nhau trong quá trình tạo mẫu, 2 lớp vật liệu này có thể ở 2 nhiệt độ khác nhau,

2 trạng thái vật lí khác nhau. Tính chất này mang ý nghĩa quan trọng đối với cơ tính, độ cứng vững của sản phẩm tạo hình khi hoàn thành.

-    Độ nhớt của vật liệu: độ nhớt của vật liệu sẽ quyết định khả năng di chuyển của dòng vật liệu khi ở trạng thái chảy dẻo dưới tác dụng của nhiệt độ. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định mức độ lực cần thiết để đẩy dòng vật liệu với vận tốc xác định trước, do đó nó sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc và kích thước cụm đùn vật liệu của máy.

1.1.3.1 Nhựa ABS (acrylonitrile butadiene styrene )

•       Sợi nhựa ABS là vật liệu tổng hợp có nguồn gốc từ dầu mỏ và được sử dụng nhiều nhất cho máy in 3D FDM sơ cấp. Đặc tính của nhựa ABS là có độ bền cao, chiu lực tốt , chịu được nhiệt độ cao, linh hoạt.

•       Các sản phẩm tạo ra từ vật liệu in 3D là nhựa ABS được ứng dụng trong công

nghiệp: sản xuất ống cống, ống chất thải, linh kiện ô tô, dụng cụ nhà bếp…

•       Nhiệt độ in của nhựa ABS khá cao từ 2300C trở lên.

1.1.3.2 Nhựa PLA

•       Nhựa PLA là nhựa nhiệt dẻo phân ban đầu huỷ sinh học. Nhựa có nguồn gốc từ các nguồn tái tạo như bột ngô, mía, củ sắn.Bản chất của PLA có màu trong suốt nên nó có thể dễ dàng nhuộm thành bất cứ màu gì hay bất cứ sắc độ đậm nhạt nào cũng được và có khả năng phát sáng trong buổi tối.

•       Khi chọn vật liệu in 3D là nhựa PLA thì sẽ không bền và dẻo như nhựa ABS nhưng nhựa PLA cứng và khỏe hơn ABS nên đôi khi khó chế tác gia công đối với những chi tiết ở những bộ phận phải lồng ghép vào nhau như khớp nối chẳng hạn.

•       Trong điều kiện nhiệt độ in thông thường PLA không có mùi lạ. Nhiệt độ in của

PLA cũng tương đối thấp 1900C – 2100C.

1.1.3.3 Nhựa Resin

•       Nhựa resin là một loại nhựa tổng hợp thường được dùng trong công nghệ in SLA

nhiều hơn thay vì ABS và PLA vốn hay dùng với công nghệ FDM.

•       Resin có rất nhiều loại, chủ yếu sử dụng được là những loại có thể ngưng kết dưới tác động của tia UV, tức là bao gồm những chất như acrylics, epoxies, urethanes, polyesters, silicones…

1.1.3.4 Nhựa gỗ

•     Nhựa gỗ in 3D hay còn gọi là Wood Filament 3D Printing là loại vật liệu kết hợp

40% gỗ tái sinh và  nhựa polymer giúp dễ dàng trên công nghệ RepRap. Với loại vật liệu gỗ mới này ta có thể in các vật thể tương tự và có mùi như gỗ thực, cho phép sáng tạo các mô hình như gỗ thật.

•     Nhiệt độ nóng chảy của sợi gỗ in 3D tương đương hoặc cao hơn  PLA và có thể in ở khoảng 185-250°C. Vật thể khi hoàn thành sẽ trong giống như gỗ thật, có mùi gỗ và có thể được xử lý như gỗ thật. Sau khi in ta có thể cắt, mài, và sơn tác phẩm của bạn như có thể làm với các vật thể bằng gỗ khác.

•     Tuỳ thuộc vào nhiệt độ được in mà vật thể có màu sắc khác nhau. Điều đó có nghĩa bằng cách thay đổi nhiệt độ, ta có thể mô phỏng hiệu ứng vòng tăng trưởng của cây. Ở 180°C vật liệu wood in ra sẽ có màu sáng hơn là ở 245°C vật thể in sẽ tối hơn. Nên sử dụng đầu phun 0.4mm để hạn chế việc tắc nghẽn ở đầu phun.

Đặc tính của sợi gỗ in 3D:

•     40% gỗ tái sinh.

•     Không bị cong vênh.

•     Mùi như gỗ thật.

•     Linh hoạt.

•     Không cần bàn nhiệt vẫn bám dính vô bàn in.

•     Thay đổi độ sáng của vật liệu in bằng các thay đổi nhiệt độ đùn khác nhau (đề

xuất từ khoảng 185 –250°C).

Lý do dùng nhựa gỗ tre

Sở thích sử dụng vật liệu gỗ tự nhiên vốn đã xuất hiện từ rất lâu, nhờ vào vẻ đẹp sang trọng, quý phái mà nó mang lại cho không gian nội thất. Sự bền bỉ với thời gian và khả năng tạo nên sự ấm cúng cho không gian đã biến gỗ là thành một vật liệu không thể thiếu trong nội thất. Thế nhưng nguồn nguyên liệu gỗ là hữu hạn, mà nhu cầu thì ngày càng tăng cao, khiến cho nguồn tài nguyên rừng bị đi dọa nghiêm trọng.

Vấn đề bảo vệ môi trường đang được rất nhiều người quan tâm, đặc biệt là những kiến trúc sư. Để giảm thiểu nạn tàn phá rừng nhiều kiến trúc sư đã lên những thiết kế xanh từ vật liệu tre. Cây tre cũng được cộng động quốc tế đánh giá cao, và được chọn là vật liệu xanh có thể thay thế gỗ trong tương lai.Nhiều người tỏ ra chuộng vật liệu tre hơn cả, họ ưa thích cây tre như bởi nét đẹp cuốn hút từ các đường vân của tre, bởi nét đẹp văn hóa vốn đã ăn sâu vào tâm trí của người Việt Nam. Hơn thế nữa, nội thất bằng gỗ tre còn nhắc nhớ thế hệ trẻ về những câu chuyện lịch sử.

Không chỉ sử dụng cây tre là vật liệu sinh thái với tốc độ tái sinh nhanh, các vật liệu và phụ gia khác dùng làm sàn tre cũng được lựa chọn và đáp ứng các tiêu chuẩn về an toàn sử dụng và thân thiện môi trường.

Hình 1.10 So sánh các đặc điểm tre với gỗ

Chất kháng khuẩn tự nhiên: Để kiểm tra tính kháng khuẩn có trong cây tre hay không? Các nhà khoa học đã tiến hành một thí nghiệm so sánh giữa sợi tre và sợi bông trong vòng 24 giờ, kết quả là cây tre đã diêt hầu hết các loại vi khuẩn, còn sợi bông thì không có tác động tới vi khuẩn. Điều này cho thấy tre có tính kháng khuẩn rất tốt. Chính vì vậy, tre rất được ưa chuộng sử dụng làm vật liệu may mặc.

Chất khử mùi tự nhiên: Trong sợi tre chứa chất diệp lục và đồng natri có tác dụng khử mùi, ngăn ngừa nấm mốc và vi khuẩn hiệu quả. Vì thế tre được sử dụng làm chất liệu sản xuất các sản phẩm khử mùi cực tốt.

Người Việt Nam vẫn có câu nói “Tre già bằng bà Lim”. Cây tre đủ 3 đến 5 năm tuổi, không bị cộc hoặc gãy ngọn, không bị sâu bệnh là nguyên liệu tốt dùng làm ván sàn. Sàn tre được kiểm định đạt các tiêu chuẩn cơ lý tương tự gỗ nhóm 1 như Đinh, Lim, Sến, Táu… Tre còn được ví như “thép xanh”, không những bền mà sàn tre còn có độ ổn định cao và ít bị trầy xước.

1.1.4 Ứng dụng của công nghệ bồi đắp vật liệu

Công nghiệp sản xuất chế tạo:

Các ngành công nghiệp sản xuất đã trở thành đối tượng sử dụng công nghệ bồi đắp vật liệu nhiều nhất. Lý do chính khiến công nghệ sản xuất bồi đắp vật liệu được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp là do nó cho phép sản xuất các chi tiết với số lượng ít, chi tiết có hình dạng phức tạp, cắt giảm phế liệu, tạo nhanh sản phẩm thử nghiệm, sản xuất

theo yêu cầu. Một lý do khác để sử dụng công nghệ bồi đắp vật liệu là giúp giảm độ phức tạp trong quản lý chuỗi cung ứng, cho phép sản xuất các bộ phận tại chỗ thay vì phải sản xuất ở nơi khác mang đến. Vì vậy, công nghệ bồi đắp vật liệu mở ra tiềm năng về lợi thế chi phí sản xuất, cải tiến quy trình và cả sản phẩm cho các nhà cung cấp trong một số trường hợp cụ thể.

Công nghiệp điện tử cũng là một trong những ngành ứng dụng đầu tiên của công nghệ bồi đắp vật liệu. Thiết bị công nghệ bồi đắp vật liệu đã được sử dụng để chế tạo các chi tiết phức tạp đặc biệt từ các chất liệu khác nhau và đã mở ra một trào lưu mới của ngành công nghiệp này. Bên cạnh đó, công nghệ bồi đắp vật liệu còn hoàn toàn phù hợp với ngành công nghiệp thời trang, nơi mà cá tính đóng vai trò vô cùng quan trọng. Trang sức và trang phục thiết kế theo yêu cầu cá nhân được sản xuất bằng công nghệ bồi đắp vật liệu hiện nay đã trở nên phổ biến trên thế giới.

Hình 1.11 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu sản xuất giày của công ty Adidas

Hình 1.12 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu trong công nghiệp - Wohlers Associates,

tháng 5/2014

Hàng không, vũ trụ

Một đối tượng nổi bật khác của công nghệ sản xuất bồi đắp vật liệu là ngành hàng không vũ trụ. Con người đã ứng dụng công nghệ sản xuất bồi đắp vật liệu trong việc sản xuất các bộ phận thiết bị bay, đặc biệt là các bộ phận có hình dạng phức tạp. Công nghệ tiên tiến này hữu ích trong sản xuất công cụ, kiểm tra, bảo trì, lắp ráp và hạn chế số lượng hàng tồn kho. Hơn nữa, công nghệ bồi đắp vật liệu cho phép cải tiến hiệu suất, như tiết kiệm nhiên liệu nhờ giảm trọng lượng các bộ phận từ các nguyên liệu tiên tiến hơn.

Hình 1.13 Ứng dụng công nghệ bồi đắp vật liệu trong động cơ máy bay

Quốc phòng

Tương tự, ngành công nghiệp quốc phòng sử dụng công nghệ bồi đắp vật liệu cho các mục đích sản xuất đặc biệt và tiết kiệm chi phí. Ngoài sản xuất theo yêu cầu phức tạp, sản xuất với số lượng nhỏ, công nghệ bồi đắp vật liệu có lợi thế khác biệt trong sản xuất quốc phòng - đó là sản xuất và thay thế nhanh chóng khi có nhu cầu, và trực tiếp trên chiến trường. Sau việc sử dụng nhựa để sản xuất, thiết bị bồi đắp vật liệu kim loại chế tạo súng đã ra đời bởi một công ty con của tập đoàn Stratasys kể trên. Bên cạnh đó, cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) sử dụng công nghệ bồi đắp vật liệu để sản xuất một số bộ phận đặc biệt cho tàu vũ trụ. Hơn thế, NASA đã thực hiện việc chế tạo này ngay trong không gian vũ trụ.