Máy In 3D Nhựa: Đồ Án Tốt Nghiệp

Đồ án tập trung vào thiết kế và chế tạo máy in 3D sử dụng công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) do những ưu điểm vượt trội của nó: vật liệu dễ tìm, chi phí thấp, kết cấu máy đơn giản và không gây độc hại. Mục tiêu chính là nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền động, tối ưu hóa đường đi của đầu phun để cân bằng giữa chất lượng mẫu in và thời gian in. Đồ án cũng đề cập đến công nghệ SLA (Stereolithography) để làm điểm so sánh, nhấn mạnh vào sự khác biệt về nguyên lý hoạt động và ứng dụng của hai công nghệ này. Công nghệ tạo mẫu nhanh nói chung được đánh giá cao vì khả năng hỗ trợ người thiết kế kiểm tra sản phẩm trước khi sản xuất hàng loạt, giảm thiểu rủi ro và sai sót trong quá trình thiết kế và sản xuất. Việc lựa chọn FDM dựa trên sự cân nhắc về hiệu quả kinh tế và tính khả thi trong điều kiện thực tế, phù hợp với mục tiêu của đồ án là xây dựng một máy in 3D đơn giản nhưng hiệu quả.

Đoạn này so sánh hai công nghệ in 3D chính: FDM và SLA. Công nghệ SLA, được phát minh tại Mỹ năm 1984, sử dụng tia laser cường độ cao để đông cứng vật liệu lỏng photopolymer thành hình dạng mong muốn. Quá trình này bao gồm việc chiếu tia laser lên bề mặt vật liệu lỏng, làm đông cứng từng lớp một. Laser He-Cd (bước sóng 325nm) hoặc Laser Nd:YVO4 (bước sóng 354.7nm) có thể được sử dụng. Ngược lại, công nghệ FDM (mô tả chi tiết trong phần sau) sử dụng nguyên lý đùn nhựa nóng chảy từng lớp để tạo hình. Sự khác biệt này ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, độ chính xác, vật liệu sử dụng, và chi phí sản xuất. SLA thường tạo ra các sản phẩm có độ chính xác cao và bề mặt mịn hơn, nhưng chi phí cao hơn và phức tạp hơn về mặt thiết kế và vận hành so với FDM. Việc so sánh này giúp làm rõ lý do chọn FDM cho đồ án tốt nghiệp.

Phần này giải thích chi tiết nguyên lý hoạt động của máy in 3D FDM. Quá trình bắt đầu bằng việc đặt bàn in ở một khoảng cách nhất định so với đầu phun. Sợi nhựa được đưa vào đầu phun nhờ hệ thống tời nhựa, sau đó được làm nóng chảy ở nhiệt độ thích hợp. Nhựa nóng chảy được đùn ra theo đường đi được lập trình sẵn, tạo thành từng lớp vật liệu. Sau khi hoàn thành một lớp, bàn in sẽ di chuyển xuống một khoảng cách bằng độ dày của lớp in đó. Quá trình này được lặp lại cho đến khi hoàn thành toàn bộ chi tiết. Một ví dụ về máy in 3D FDM phổ biến là máy in 3D Prusa i3, được phát triển từ năm 2010, với ưu điểm là cấu trúc đơn giản, dễ lắp ráp nhưng nhược điểm là độ chính xác và độ bóng bề mặt không cao. Giá thành của máy in Prusa i3 dao động từ 4 đến 6 triệu đồng, phản ánh mức giá phổ biến trên thị trường hiện nay cho dòng máy này.

Phần này giới thiệu khái quát về máy in 3D, bắt đầu từ sự ra đời của những máy in 3D SLA đầu tiên vào những năm 80. Tất cả các máy in 3D đều có cấu trúc cơ khí tương tự nhau, chỉ khác nhau ở bộ phận tạo mẫu. Máy in 3D FDM, trọng tâm của đồ án, được mô tả có cấu trúc gồm 3 phần chính: phần mềm điều khiển, phần điện, và phần cơ khí, cùng với bộ đùn nhựa. Bộ đùn nhựa là một phần quan trọng, bao gồm bộ tời nhựa cung cấp nhựa liên tục và đầu phun nhựa có chức năng làm nóng chảy và đùn nhựa để tạo mẫu. Sự ra đời của máy in 3D đánh dấu một bước tiến quan trọng trong công nghệ sản xuất, giúp cho việc tạo mẫu nhanh và kiểm tra sản phẩm trở nên dễ dàng hơn, tiết kiệm chi phí và thời gian. Việc hiểu rõ cấu trúc máy là nền tảng cho việc thiết kế và chế tạo máy in 3D hiệu quả.

Phần mềm điều khiển máy in 3D được chia thành hai phần chính: phần mềm CAD/CAM và phần mềm điều khiển. Phần mềm CAD, như Solidworks, Creo, hay Sketchup, được dùng để tạo ra mô hình 3D. Mô hình 3D này sau đó được chuyển đổi sang định dạng STL và xử lý bởi phần mềm CAM. Phần mềm CAM thực hiện chức năng cắt lớp vật thể, tạo ra các lớp cắt với độ dày khác nhau ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và thời gian in. Độ dày lớp cắt càng nhỏ thì chất lượng mẫu in càng cao nhưng thời gian in càng lâu, và ngược lại. Việc lựa chọn thông số in hợp lý là rất quan trọng để tối ưu hóa giữa chất lượng và tốc độ. Sau khi cắt lớp, phần mềm CAM sẽ tạo ra mã lệnh Gcode, hầu hết tương tự như Gcode trên máy CNC nhưng có một số mã lệnh riêng cho máy in 3D. Phần mềm Repertier host tích hợp các công cụ CAM như Slic3r, Cura, Skeinforge giúp người dùng so sánh và lựa chọn module phù hợp với từng kiểu mẫu in.

Động cơ bước và bộ điều khiển là thành phần quan trọng trong hệ thống truyền động của máy in 3D. Động cơ bước được thiết kế để giữ nguyên vị trí cố định hoặc quay đến một vị trí bất kỳ. Nó có thể được sử dụng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản hoặc vòng kín. Tuy nhiên, trong hệ điều khiển vòng hở, khi quá tải, tất cả các giá trị của động cơ bị mất và hệ thống cần phải nhận diện lại. Hai phương pháp điều khiển động cơ bước được đề cập là điều khiển bước đủ và điều khiển vi bước (Microstep). Điều khiển vi bước là phương pháp mới cho phép động cơ dừng và định vị tại vị trí nửa bước giữa hai bước đủ, mang lại độ chính xác cao hơn, hoạt động êm hơn và hạn chế cộng hưởng. Hiểu rõ nguyên lý hoạt động của động cơ bước là cần thiết để thiết kế và vận hành máy in 3D hiệu quả. Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác và độ ổn định của máy.

Phần này tập trung vào việc lựa chọn và tính toán các thông số của vít me, một thành phần quan trọng trong hệ thống truyền động của máy in 3D. Độ chính xác của vít me ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hoạt động của máy. Đồ án sử dụng vít me bi của hãng PMI, với yêu cầu độ chính xác ±0,1/300mm, đạt được cấp chính xác C7. Quá trình lựa chọn vít me được mô tả qua một quy trình cụ thể, bao gồm các bước tính toán và tra cứu thông số trong catalogue của nhà sản xuất. Việc lựa chọn vít me phù hợp đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình in, góp phần tạo ra các sản phẩm chất lượng. Các yếu tố như độ bền, khả năng chịu tải và tuổi thọ của vít me cũng được xem xét để đảm bảo hiệu quả kinh tế lâu dài.

Đồ án sử dụng cơ cấu truyền động CoreXY, nổi bật với thiết kế đơn giản, dễ lắp đặt và chi phí thấp. Cơ cấu này sử dụng các tấm đỡ và cụm bạc đạn để dẫn hướng đai, giúp đai dịch chuyển chính xác trong không gian làm việc. Việc lựa chọn đai GT2, được thiết kế riêng cho truyền động tuyến tính, giúp hạn chế hiện tượng backlash và đảm bảo chất lượng truyền động. So sánh với đai GT3, đai GT2 dễ tìm hơn trên thị trường Việt Nam. Thiết kế cơ cấu CoreXY giúp giảm lực quán tính của các bộ phận di động, cho phép máy in hoạt động ở tốc độ cao hơn. 8 cụm bạc đạn 624zz được sử dụng, với đường kính ngoài 13mm khớp với đường kính ngoài pulley, giúp đơn giản hóa thiết kế và tính toán.

Phần này tập trung vào việc lựa chọn và tính toán các thông số của thanh trượt dẫn hướng, ảnh hưởng đến độ chính xác, độ cứng vững và tuổi thọ của máy in 3D. Đồ án sử dụng thanh trượt dẫn hướng của hãng HIWIN, một hãng nổi tiếng trong lĩnh vực truyền động, được lựa chọn vì sự phổ biến và giá thành hợp lý trên thị trường Việt Nam. Việc lựa chọn dựa trên nhiều yếu tố, trong đó khả năng chịu tải và tuổi thọ được ưu tiên hàng đầu. Đối với dòng series MGN của HIWIN, sức căng ban đầu kiểu Z0 được chọn dựa trên catalogue, phù hợp với tải trọng và yêu cầu độ chính xác của máy. Quá trình lựa chọn được minh họa bằng một quy trình tính toán cụ thể, bao gồm các bước xác định tải trọng, lựa chọn loại thanh trượt và xác định sức căng ban đầu. Việc lựa chọn chính xác thanh trượt đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác của máy in 3D.

Do các chi tiết máy không chịu tải trọng lớn và không yêu cầu dung sai quá cao, vật liệu chính được chọn là nhựa POM, dễ mua và tiết kiệm chi phí. Phương pháp gia công chủ yếu là phay. Các chi tiết quan trọng như khối tản nhiệt (giảm nhiệt độ đầu phun), lõi dẫn nhựa (định hướng và cách nhiệt sợi nhựa), cục nóng (bao gồm điện trở gốm và cảm biến nhiệt độ), và đầu phun (định hình kích thước nhựa lỏng, đường kính từ 0.1mm đến 0.5mm) được mô tả chi tiết. Thiết kế của các bộ phận này tập trung vào chức năng và độ tin cậy, đảm bảo quá trình in diễn ra suôn sẻ. Vật liệu nhựa POM được lựa chọn vì tính dễ gia công và chi phí thấp. Việc sử dụng phương pháp phay đơn giản hóa quá trình sản xuất.

Phần này trình bày về việc lựa chọn nguồn điện và vi điều khiển cho máy in 3D. Các thiết bị điện trong máy hoạt động trong dải điện áp 6V – 24V, vì vậy một bộ nguồn 12V – 5A ban đầu được xem xét để đảm bảo cung cấp đủ điện áp và dòng điện cho động cơ và các thiết bị khác. Tuy nhiên, sau khi so sánh giữa nguồn tổ ong (12V-30A) và nguồn Liteon (12V-7.5A), nguồn tổ ong được lựa chọn vì khả năng cung cấp dòng điện lớn hơn, đáp ứng tốt hơn cho các nâng cấp hệ thống điện trong tương lai. Vi điều khiển Arduino Mega 2560 được sử dụng, nổi bật với khả năng lập trình và flash code dễ dàng bằng phần mềm Arduino IDE, hỗ trợ ngôn ngữ lập trình C/C++, giúp cho việc lập trình và điều khiển máy trở nên đơn giản và dễ hiểu, ngay cả đối với những người không chuyên về vi điều khiển. Phần mềm Arduino IDE có giao diện trực quan, dễ sử dụng, hỗ trợ tối đa cho quá trình lập trình và cài đặt firmware.

Việc lựa chọn board mạch điều khiển phù hợp là rất quan trọng. Đồ án so sánh các loại board mạch phổ biến, cân nhắc các yếu tố như giá thành, khả năng hỗ trợ, khả năng mở rộng, sự tiện lợi khi lắp đặt và tính phổ biến. Kết quả, board RAMPS 1.4 được lựa chọn vì đáp ứng tốt các yêu cầu trên. RAMPS 1.4 có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ, thiết kế với các plug-in dễ dàng kết nối với driver động cơ bước và khả năng mở rộng tốt. Các linh kiện trên board dễ dàng thay thế khi hư hỏng. Việc kết nối trực tiếp các thiết bị ngoại vi như driver và công tắc hành trình vào board vi điều khiển có thể dẫn đến rủi ro như kết nối sai dây, gây cháy board hoặc ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ. RAMPS 1.4 giải quyết vấn đề này nhờ thiết kế plug-in.

Driver động cơ bước là thành phần không thể thiếu để điều khiển động cơ bước, phân phối xung và cấp điện cho động cơ hoạt động. Hai loại driver phổ biến là A4988 và DRV8825 được xem xét. Công tắc hành trình, sử dụng loại kiểu nhấn, đóng hoặc mở tiếp điểm khi các bộ phận di động của máy đạt đến một vị trí nhất định. Cảm biến nhiệt giúp theo dõi nhiệt độ của đầu phun và bàn nhiệt (nếu có), cho phép quản lý và điều khiển nhiệt độ một cách chính xác. Board RAMPS 1.4 hỗ trợ 3 khe cắm cảm biến nhiệt (T0, T1, T2), cho phép kết nối với đầu phun và bàn nhiệt. Việc sử dụng các cảm biến nhiệt này đảm bảo quá trình in diễn ra ở nhiệt độ chính xác, tránh hiện tượng chảy nhựa không đều hoặc tắc đầu phun. Sự kết hợp của các thành phần này đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác của máy in 3D.

Để máy in 3D hoạt động, firmware Marlin được sử dụng. Marlin là firmware phổ biến, dễ tùy biến để phù hợp với cấu hình phần cứng của các loại máy in 3D khác nhau. Các thông số cần thiết lập trong firmware bao gồm thông số board mạch, cảm biến nhiệt, thông số động cơ bước, bộ đùn nhựa, đầu dò (nếu có), và thông số PID điều khiển tốc độ động cơ. Phần mềm điều khiển giúp người dùng vận hành máy một cách dễ dàng hơn so với việc chỉ sử dụng màn hình LCD. Phần mềm cho phép thực hiện các thao tác như di chuyển trục, gia nhiệt, và nhập thủ công các lệnh Gcode để test máy hoặc căn chỉnh bàn in. Việc lựa chọn và cài đặt firmware phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của máy in 3D.

Đồ án đề cập đến hai loại vật liệu in 3D phổ biến là nhựa ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) và nhựa PLA (Polylactic Acid). Nhựa ABS là loại nhựa nhiệt dẻo có cơ tính tốt và nhiệt độ in cao (trên 230°C). Tuy nhiên, nhược điểm của ABS là dễ bị cong vênh, gãy trong quá trình in do nhiệt độ cao, đòi hỏi hệ thống support để hỗ trợ. Các lớp in đầu tiên cũng khó bám dính vào bàn in do nguội nhanh. Sản phẩm in từ nhựa ABS có thể được làm mịn bằng Acetol (xăng thơm). Ngược lại, nhựa PLA là loại nhựa nhiệt dẻo có nguồn gốc tự nhiên, thân thiện với môi trường và không độc hại. Nhựa PLA dễ bị giòn và gãy, dễ gây tắc đầu phun. Nhiệt độ in của PLA thấp hơn (190-210°C), giúp quá trình in dễ dàng hơn và giá thành rẻ hơn ABS (khoảng 100.000-200.000 VNĐ).

Phần này đề cập đến các thông số in ảnh hưởng đến chất lượng mẫu in. Layer height (chiều dày một lớp) ảnh hưởng trực tiếp đến độ mịn của chi tiết. Lớp in mỏng giúp hạn chế khuyết tật nhưng làm chậm thời gian in, ngược lại lớp in dày làm tăng tốc độ nhưng giảm chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước. First layer height (chiều dày lớp in đầu tiên) cần được lựa chọn phù hợp để đảm bảo vật liệu bám chắc trên bàn in mà không gây lãng phí vật liệu. Solid layers (số lớp in đáy và đỉnh) cần được cân nhắc, đặc biệt đối với chi tiết có độ rỗng cao để tránh chảy nhựa. Small perimeters (tốc độ in chi tiết nhỏ) nên thấp để vật liệu hóa rắn kịp thời. Infill (tốc độ in lớp trong) có thể cao hơn. Các kiểu chạy nhựa khác nhau như Hilbertcure, honeycomb, archimedean chords, 3dhoneycomb cũng ảnh hưởng đến tốc độ và chất lượng in. Trước khi in, nên bôi keo lên bàn in để tăng độ bám dính.