DESIGN AND MANUFACTURING THE 3D PRINTER
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D CÔNG NGHỆ FDM
DESIGN AND MANUFACTURING THE 3D PRINTER MACHINE WITH FDM TECHNIQUE
Nguyễn Cảnh Hà1), Trần Văn Lân, Nguyễn Trọng Kha, ThS. Trần Minh Thế Uyên2)
1)
canhha94@gmail.com, 2)uyentmt@hcmute.edu.vn
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
TÓM TẮT
Hiện nay, máy in 3D với công nghệ FDM (Fused Deposition Molding) được nghiên cứu và
phát triển rất nhanh bởi những ưu điểm như vật liệu thông dụng, không gây độc hại, đ ộ
chính xác cao, kết cấu máy đơn giản và chi phí thấp. Chính vì vậy, nhóm tác gi ả ch ọn đ ề
tài nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in 3D với công nghệ FDM. N ội dung chính là
nghiên cứu thiết kế truyền động cho máy in 3D, tối ưu hóa đường di chuyển đầu phun để
có thể tối ưu hóa chất lượng mẫu in và thời gian in, sau đó, máy in 3D được chế tạo hoàn
chỉnh với hành trình dịch chuyển theo trục X và Y là 220 mm.
Từ khóa: Thiết kế, máy in 3D, FDM.
ABSTRACT
Currently, the 3D printer machine with FDM (Fused Deposition Molding) technique is
researching and developing very fast with due to many advantages such as common materials,
non-toxic, high precision, simple machine structure and low cost. Therefore, authors selected
the research project as design and manufacturing the 3D printer machine with FDM
technique. The main contents are the design of kinematic for 3D printer, optimizing nozzle
moving, in order to optimize the model quality and printing time. Then, the 3D printer
machine is manufactured with X and Y axes of 220 mm.
Key word: Design, 3D printer machine, FDM.
I. GIỚI THIỆU
Công nghệ tạo mẫu nhanh, từ khi ra đời đến nay đã được cải tiến và phát triển rất
nhiều. Hàng loạt phương pháp và công nghệ tạo mẫu ra đời, mỗi công nghệ tạo mẫu có
những ưu điểm riêng của nó. Hiện nay, một trong những phương pháp tạo mẫu được s ử
dụng phổ biến nhất là công nghệ FDM, với những ưu điểm như đơn giản, dễ thiết kế, vật
liệu dễ tìm, không gây độc hại. Bên cạnh những ưu điểm đó thì nhược điểm là độ bóng bề
mặt thấp và tốc độ in chưa cao [1].
Từ những ưu điểm và nhược điểm đó, quyết định thiết kế chế tạo mẫu máy in 3D
có thể phát huy được những ưu điểm của công nghệ này, đồng thời, nâng cao tốc độ và
chất lượng mẫu in.
II. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D
2.1 Thiết kế khung máy [2-4]
1
Khung máy là bộ phận quan trọng của máy in 3D, là nơi chịu l ực c ủa máy. Đ ộ c ứng
vững của máy phụ thuộc nhiều vào độ cứng vững của khung máy. Đối với kết cấu khung
máy dành cho máy in 3D, do không chịu tải trọng l ớn nên nhóm tác gi ả quy ết đ ịnh thi ết k ế
khung máy bằng nhôm định hình nhằm tiết kiệm về giá cả, dễ tháo lắp và sửa chữa trong
quá trình lắp máy như Hình 1 và 2.
Hình 1: Khung máy
2.2 Thiết kế cụm trục Z
Hình 2: Nhôm định hình
Trục Z là trục ít di chuyển nhất trong quá trình làm việc. Tuy nhiên, tr ục Z ảnh h ưởng
đến chất lượng sản phẩm rất lớn vì liên quan đến thông s ố chiều dày m ột l ớp in, thông s ố
này ảnh hưởng đến độ bóng cũng như dung sai kích thước về chiều cao của chi tiết.
Truyền động Vitme – đai ốc bi được nhóm quyết định sử dụng trên trục Z do truy ền
động có hiệu suất cao, ít gây ra hiện tượng trượt, vận hành êm. Đ ồng th ời, h ệ th ống d ẫn
hướng đối với trục Z sử dụng bạc dẫn hướng và ti trượt (Hình 3 và 4).
Thông số trục Z như sau:
-
Khối lượng bàn in: m = 1 kg.
-
Vận tốc di chuyển tối đa: V1 = 10 mm/s.
-
Vận tốc di chuyển khi in: V1 = 5 mm/s.
-
Gia tốc tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 2 mm/s2.
-
Tốc độ vòng quay của động cơ: N = 1000 vòng/phút.
-
Thời gian làm việc: Tl = 21900 giờ (5 năm, 12 giờ/ngày).
Hình 3: Sơ đồ truyền động trục Z
Hìn
h 4: Bàn in
2
2.3 Thiết kế cụm trục X và Y
Thông số cụm trục X và Y như sau:
-
Khối lượng trục Y: m = 5 kg
-
Khối lượng trục X: m = 1 kg
-
Hành trình làm việc: Sx = 220 mm; Sy = 220 mm
-
Vận tốc tối đa: Vmax = 150 mm/s
-
Vận tốc khi in: V1 = 100 mm/s
-
Thời gian hoạt động: Tl = 21900 giờ (5 năm, 12 giờ/ngày)
-
Tốc độ động cơ: N=1500 (vòng/phút)
Trục X và Y là trục đảm nhiệm hầu hết quá trình chuyển động trong quá trình in, quy ết
định độ chính xác và chất lượng mẫu in. Kết cấu truyền động cho 2 trục X và Y được lựa
chọn là truyền động CoreXY (Hình 5).
Truyền động CoreXY là dạng truyền động khá phù hợp với những máy in 3D, cơ cấu
này có khá nhiều ưu điểm. Do bộ phận truyền động chính là 2 động cơ cố định, cơ cấu
gọn nhẹ, do đó, cho phép truyền động với gia tốc lớn. Mặt khác, với việc 2 động cơ ph ối
hợp truyền động nên truyền được momen xoắn lớn mà không cần phải dùng đến động cơ
quá lớn, do đó, sẽ giảm được khối lượng máy. Tuy nhiên, đây cũng là một nhược điểm cần
phải được khắc phục của truyền động này, do cả 2 động cơ cùng hoạt đ ộng nên s ẽ có ảnh
hưởng từ sai số tích lũy của 2 động cơ và hiện tượng nhiễu.
Hình 5: Sơ đồ nguyên lý truyền động CoreXY
Phương trình truyền động:
1
1
∆ X = ( ∆ A+ ∆ B ) , ∆ Y = ( ∆ A−∆ B )
2
2
(1)
∆ A=∆ X + ∆ Y , ∆ B=∆ X −∆ Y
(2)
3
Truyền động sử dụng trong trục X và Y là truyền động đai, do ưu đi ểm c ủa truy ền
động đai là kết cấu bộ truyền đơn giản, hoạt động êm, có tính giảm chấn, dễ thay thế.
Cơ cấu dẫn hướng cho trục X và Y sử dụng sống trượt dẫn hướng (Hình 6 và 7) [6,
7].
Hình 6: Cụm trục Y
2.4 Thiết kế hệ thống điện [5]
Hình 7: Cụm trục X và Y
Sơ đồ khối hệ thống điện như Hình 8.
Hình 8: Sơ đồ khối hệ thống điện
Khối nguồn là bộ phận cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống điện trong máy. Đối
với máy in 3D cần phải hoạt động ổn định nên nguồn cấp phải đảm bảo về điện áp và
dòng điện luôn ổn định. Để thuận lợi cho việc nâng cấp hệ thống điện sau này và đảm bảo
hệ thống điện hoạt động tốt nhất nên lựa chọn nguồn tổ ong 12V - 30A.
Board điều khiển sử dụng là board Arduino Mega 2560 (Hình 10), do board mạch dễ sử
dụng ngay cả với những người không chuyên, sự phổ biến dễ tìm kiếm, ngôn ngữ lập
trình dễ hiểu và phần cứng được kết nối dễ dàng.
Board kết nối là board mạch trung gian nhằm kết nối vi điều khiển v ới driver và các
thiết bị phần cứng khác. Sử dụng board RAMPS là borad mạch được s ử dụng khá nhi ều
trong các dự án in 3D (Hình 9).
4
Driver là một mạch phân phối xung cho động cơ, làm nhiệm vụ cấp đi ện cho đ ộng c ơ
bước hoạt động. Driver được sử dụng trong mô hình là driver A4988
Công tắc hành trình là thiết bị phản hồi nhằm giới hạn hành trình chuyển động của máy.
Cảm biến nhiệt cho phép biết được giá trị nhiệt độ của đầu phun nhựa, bàn nhiệt (nếu
có), từ đó, quản lý và điểu khiển được giá trị nhiệt độ này trước cũng như trong quá trình
in.
Điện trở gia nhiệt có tác dụng đốt nóng gia nhiệt cho cục nóng giúp cho nhựa nóng chảy.
Hình 9: Board mạch RAMPS
2.5 Mô hình máy in 3D
Hình 10: Board mạch Arduino Mega 2560
Trên cơ sơ thiết kế như Hình 11, máy in 3D được chế tạo như Hình 12.
Hình 11: Mô hình thiết kế
Hình 12: Mô hình máy in 3D
III. MỘT SỐ KIỂU DỊCH CHUYỂN ĐẦU PHUN NHỰA
Sau khi thực nghiệm trên mô hình máy và kiểm tra các mẫu in có được các k ết quả nh ư:
Kiểu honeycomb, archimedeanchords, 3dhoneycomb là các kiểu chạy nhựa tượng đối phù
hợp với lớp ở phía trong khi với những kiểu chạy nhựa này có thể in với tốc đ ộ cao h ơn.
Kiểu rectilinear, linear, concentric thường dùng cho những lớp đáy và lớp phía trên của mẫu
in do đạt được thẩm mĩ cao hơn mặt khác, những lớp này không yêu cầu chạy tốc đ ộ cao
nên có thể sử dụng được những kiểu này.
5
Hình 13: Kiểu rectilinear.
Hình 14: Kiểu line.
Hình 15: Kiểu concentric
Hình 16: Kiểu honeycomb
Hình 17: Kiểu hibertcurve
Hình 18: Kiểu
archimedeanchords
Hình 18: Kiểu octagramspirals
IV. KẾT LUẬN
Hình 19: Kiểu 3dhoneycomb
Sau thời gian nghiên cứu, các nhiệm vụ đã được thực hiện như sau:
- Tìm hiểu quy trình in 3D bằng công nghệ FDM.
- Thiết kế và chế tạo thành công máy in 3D FDM.
- Tìm hiểu các kiểu di chuyển đầu phun nhựa.
- Thử nghiệm in 3D với nhiều sản phẩm khác nhau như Hình 19.
6
Hình 19: Một số sản phẩm từ máy
Tài liệu tham khảo
[1] http://www.stratasys.com/3d-printers.
[2] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí t ập 1, t ập 2, NXB
Giáo dục Việt Nam, 2010.
[3] Trần Quốc Hùng, Thiết kế máy cắt kim loại, Đại học S ư ph ạm K ỹ thu ật Tp. H ồ Chí
Minh, 2007.
[4] Trần Quốc Hùng, Giáo trình dung sai kỹ thuật đo, NXB Đại học qu ốc gia Tp. H ồ Chí
Minh, 2013.
[5] PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn, Giáo trình trang bị - điện đi ện t ử trong máy công nghi ệp,
NXB Đại học quốc gia Tp. Hồ Chí Minh, 2013.
[6] Ball screw catalouge, PMI, link www.pmi-amt.com/en/support
[7] HIWIN Linear guideway catalouge, link www.hiwin.com/downloads.html
7
DESIGN AND MANUFACTURING THE 3D PRINTER MACHINE WITH FDM TECHNIQUE
Nguyễn Cảnh Hà1), Trần Văn Lân, Nguyễn Trọng Kha, ThS. Trần Minh Thế Uyên2)
1)
canhha94@gmail.com, 2)uyentmt@hcmute.edu.vn
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
TÓM TẮT
Hiện nay, máy in 3D với công nghệ FDM (Fused Deposition Molding) được nghiên cứu và
phát triển rất nhanh bởi những ưu điểm như vật liệu thông dụng, không gây độc hại, đ ộ
chính xác cao, kết cấu máy đơn giản và chi phí thấp. Chính vì vậy, nhóm tác gi ả ch ọn đ ề
tài nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in 3D với công nghệ FDM. N ội dung chính là
nghiên cứu thiết kế truyền động cho máy in 3D, tối ưu hóa đường di chuyển đầu phun để
có thể tối ưu hóa chất lượng mẫu in và thời gian in, sau đó, máy in 3D được chế tạo hoàn
chỉnh với hành trình dịch chuyển theo trục X và Y là 220 mm.
Từ khóa: Thiết kế, máy in 3D, FDM.
ABSTRACT
Currently, the 3D printer machine with FDM (Fused Deposition Molding) technique is
researching and developing very fast with due to many advantages such as common materials,
non-toxic, high precision, simple machine structure and low cost. Therefore, authors selected
the research project as design and manufacturing the 3D printer machine with FDM
technique. The main contents are the design of kinematic for 3D printer, optimizing nozzle
moving, in order to optimize the model quality and printing time. Then, the 3D printer
machine is manufactured with X and Y axes of 220 mm.
Key word: Design, 3D printer machine, FDM.
I. GIỚI THIỆU
Công nghệ tạo mẫu nhanh, từ khi ra đời đến nay đã được cải tiến và phát triển rất
nhiều. Hàng loạt phương pháp và công nghệ tạo mẫu ra đời, mỗi công nghệ tạo mẫu có
những ưu điểm riêng của nó. Hiện nay, một trong những phương pháp tạo mẫu được s ử
dụng phổ biến nhất là công nghệ FDM, với những ưu điểm như đơn giản, dễ thiết kế, vật
liệu dễ tìm, không gây độc hại. Bên cạnh những ưu điểm đó thì nhược điểm là độ bóng bề
mặt thấp và tốc độ in chưa cao [1].
Từ những ưu điểm và nhược điểm đó, quyết định thiết kế chế tạo mẫu máy in 3D
có thể phát huy được những ưu điểm của công nghệ này, đồng thời, nâng cao tốc độ và
chất lượng mẫu in.
II. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D
2.1 Thiết kế khung máy [2-4]
1
Khung máy là bộ phận quan trọng của máy in 3D, là nơi chịu l ực c ủa máy. Đ ộ c ứng
vững của máy phụ thuộc nhiều vào độ cứng vững của khung máy. Đối với kết cấu khung
máy dành cho máy in 3D, do không chịu tải trọng l ớn nên nhóm tác gi ả quy ết đ ịnh thi ết k ế
khung máy bằng nhôm định hình nhằm tiết kiệm về giá cả, dễ tháo lắp và sửa chữa trong
quá trình lắp máy như Hình 1 và 2.
Hình 1: Khung máy
2.2 Thiết kế cụm trục Z
Hình 2: Nhôm định hình
Trục Z là trục ít di chuyển nhất trong quá trình làm việc. Tuy nhiên, tr ục Z ảnh h ưởng
đến chất lượng sản phẩm rất lớn vì liên quan đến thông s ố chiều dày m ột l ớp in, thông s ố
này ảnh hưởng đến độ bóng cũng như dung sai kích thước về chiều cao của chi tiết.
Truyền động Vitme – đai ốc bi được nhóm quyết định sử dụng trên trục Z do truy ền
động có hiệu suất cao, ít gây ra hiện tượng trượt, vận hành êm. Đ ồng th ời, h ệ th ống d ẫn
hướng đối với trục Z sử dụng bạc dẫn hướng và ti trượt (Hình 3 và 4).
Thông số trục Z như sau:
-
Khối lượng bàn in: m = 1 kg.
-
Vận tốc di chuyển tối đa: V1 = 10 mm/s.
-
Vận tốc di chuyển khi in: V1 = 5 mm/s.
-
Gia tốc tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 2 mm/s2.
-
Tốc độ vòng quay của động cơ: N = 1000 vòng/phút.
-
Thời gian làm việc: Tl = 21900 giờ (5 năm, 12 giờ/ngày).
Hình 3: Sơ đồ truyền động trục Z
Hìn
h 4: Bàn in
2
2.3 Thiết kế cụm trục X và Y
Thông số cụm trục X và Y như sau:
-
Khối lượng trục Y: m = 5 kg
-
Khối lượng trục X: m = 1 kg
-
Hành trình làm việc: Sx = 220 mm; Sy = 220 mm
-
Vận tốc tối đa: Vmax = 150 mm/s
-
Vận tốc khi in: V1 = 100 mm/s
-
Thời gian hoạt động: Tl = 21900 giờ (5 năm, 12 giờ/ngày)
-
Tốc độ động cơ: N=1500 (vòng/phút)
Trục X và Y là trục đảm nhiệm hầu hết quá trình chuyển động trong quá trình in, quy ết
định độ chính xác và chất lượng mẫu in. Kết cấu truyền động cho 2 trục X và Y được lựa
chọn là truyền động CoreXY (Hình 5).
Truyền động CoreXY là dạng truyền động khá phù hợp với những máy in 3D, cơ cấu
này có khá nhiều ưu điểm. Do bộ phận truyền động chính là 2 động cơ cố định, cơ cấu
gọn nhẹ, do đó, cho phép truyền động với gia tốc lớn. Mặt khác, với việc 2 động cơ ph ối
hợp truyền động nên truyền được momen xoắn lớn mà không cần phải dùng đến động cơ
quá lớn, do đó, sẽ giảm được khối lượng máy. Tuy nhiên, đây cũng là một nhược điểm cần
phải được khắc phục của truyền động này, do cả 2 động cơ cùng hoạt đ ộng nên s ẽ có ảnh
hưởng từ sai số tích lũy của 2 động cơ và hiện tượng nhiễu.
Hình 5: Sơ đồ nguyên lý truyền động CoreXY
Phương trình truyền động:
1
1
∆ X = ( ∆ A+ ∆ B ) , ∆ Y = ( ∆ A−∆ B )
2
2
(1)
∆ A=∆ X + ∆ Y , ∆ B=∆ X −∆ Y
(2)
3
Truyền động sử dụng trong trục X và Y là truyền động đai, do ưu đi ểm c ủa truy ền
động đai là kết cấu bộ truyền đơn giản, hoạt động êm, có tính giảm chấn, dễ thay thế.
Cơ cấu dẫn hướng cho trục X và Y sử dụng sống trượt dẫn hướng (Hình 6 và 7) [6,
7].
Hình 6: Cụm trục Y
2.4 Thiết kế hệ thống điện [5]
Hình 7: Cụm trục X và Y
Sơ đồ khối hệ thống điện như Hình 8.
Hình 8: Sơ đồ khối hệ thống điện
Khối nguồn là bộ phận cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống điện trong máy. Đối
với máy in 3D cần phải hoạt động ổn định nên nguồn cấp phải đảm bảo về điện áp và
dòng điện luôn ổn định. Để thuận lợi cho việc nâng cấp hệ thống điện sau này và đảm bảo
hệ thống điện hoạt động tốt nhất nên lựa chọn nguồn tổ ong 12V - 30A.
Board điều khiển sử dụng là board Arduino Mega 2560 (Hình 10), do board mạch dễ sử
dụng ngay cả với những người không chuyên, sự phổ biến dễ tìm kiếm, ngôn ngữ lập
trình dễ hiểu và phần cứng được kết nối dễ dàng.
Board kết nối là board mạch trung gian nhằm kết nối vi điều khiển v ới driver và các
thiết bị phần cứng khác. Sử dụng board RAMPS là borad mạch được s ử dụng khá nhi ều
trong các dự án in 3D (Hình 9).
4
Driver là một mạch phân phối xung cho động cơ, làm nhiệm vụ cấp đi ện cho đ ộng c ơ
bước hoạt động. Driver được sử dụng trong mô hình là driver A4988
Công tắc hành trình là thiết bị phản hồi nhằm giới hạn hành trình chuyển động của máy.
Cảm biến nhiệt cho phép biết được giá trị nhiệt độ của đầu phun nhựa, bàn nhiệt (nếu
có), từ đó, quản lý và điểu khiển được giá trị nhiệt độ này trước cũng như trong quá trình
in.
Điện trở gia nhiệt có tác dụng đốt nóng gia nhiệt cho cục nóng giúp cho nhựa nóng chảy.
Hình 9: Board mạch RAMPS
2.5 Mô hình máy in 3D
Hình 10: Board mạch Arduino Mega 2560
Trên cơ sơ thiết kế như Hình 11, máy in 3D được chế tạo như Hình 12.
Hình 11: Mô hình thiết kế
Hình 12: Mô hình máy in 3D
III. MỘT SỐ KIỂU DỊCH CHUYỂN ĐẦU PHUN NHỰA
Sau khi thực nghiệm trên mô hình máy và kiểm tra các mẫu in có được các k ết quả nh ư:
Kiểu honeycomb, archimedeanchords, 3dhoneycomb là các kiểu chạy nhựa tượng đối phù
hợp với lớp ở phía trong khi với những kiểu chạy nhựa này có thể in với tốc đ ộ cao h ơn.
Kiểu rectilinear, linear, concentric thường dùng cho những lớp đáy và lớp phía trên của mẫu
in do đạt được thẩm mĩ cao hơn mặt khác, những lớp này không yêu cầu chạy tốc đ ộ cao
nên có thể sử dụng được những kiểu này.
5
Hình 13: Kiểu rectilinear.
Hình 14: Kiểu line.
Hình 15: Kiểu concentric
Hình 16: Kiểu honeycomb
Hình 17: Kiểu hibertcurve
Hình 18: Kiểu
archimedeanchords
Hình 18: Kiểu octagramspirals
IV. KẾT LUẬN
Hình 19: Kiểu 3dhoneycomb
Sau thời gian nghiên cứu, các nhiệm vụ đã được thực hiện như sau:
- Tìm hiểu quy trình in 3D bằng công nghệ FDM.
- Thiết kế và chế tạo thành công máy in 3D FDM.
- Tìm hiểu các kiểu di chuyển đầu phun nhựa.
- Thử nghiệm in 3D với nhiều sản phẩm khác nhau như Hình 19.
6
Hình 19: Một số sản phẩm từ máy
Tài liệu tham khảo
[1] http://www.stratasys.com/3d-printers.
[2] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí t ập 1, t ập 2, NXB
Giáo dục Việt Nam, 2010.
[3] Trần Quốc Hùng, Thiết kế máy cắt kim loại, Đại học S ư ph ạm K ỹ thu ật Tp. H ồ Chí
Minh, 2007.
[4] Trần Quốc Hùng, Giáo trình dung sai kỹ thuật đo, NXB Đại học qu ốc gia Tp. H ồ Chí
Minh, 2013.
[5] PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn, Giáo trình trang bị - điện đi ện t ử trong máy công nghi ệp,
NXB Đại học quốc gia Tp. Hồ Chí Minh, 2013.
[6] Ball screw catalouge, PMI, link www.pmi-amt.com/en/support
[7] HIWIN Linear guideway catalouge, link www.hiwin.com/downloads.html
7