Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy in bánh 3D

Nội dung text: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy in bánh 3D

1. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN BÁNH 3D ALGORITHM CONTROLS 3D CAKE PRINTER Trần Trung Hướng Trường đại học sư phạm kĩ thuật.TPHCM Tóm tắt Trong bài báo này tác giả thiết kế lập tương đương và giá thành rất thấp so với máy trình và chế tạo thành công máy in bánh 3D. in nước ngoài. Hoạt động bằng cách bơm các máy hoạt động với chip STM32, dựa trên lớp nhiên liệu cần tạo liên tiếp cho tới khi vật phương pháp công nghệ in FDM, xuất Gcode thể hoàn tất. Khó khăn khi làm bằng nguyên thông qua việc nhận dữ liệu từ hầu hết những liệu chocolate cần sức nóng vừa phải và phải có phần mềm thiết kế CAD thông dụng như chu kỳ làm lạnh. Solidworks, CATIA, Inventer, AutoCAD và giao diện sử dụng thân thiện được thiết kế theo công nghiệp để cho ra các mẫu bánh 3D đẹp mắt sinh động mà phương pháp truyền thống không làm được hơn nữa có tính năng an toàn cao, bảo trì dễ dàng phù hợp với không gian gia đình, khách sạn và luôn đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, nguyên liệu chính sử dụng Hình 1.1: Máy in 3D chocolate chocolate. 1.1. Mục tiêu Từ khóa: Máy in bánh 3D Thiết kế máy in bánh 3D máy có khả năng: Abstract: In this paper, the author designed, programmed and make a cake 3D printer. The - In các mẫu bánh 2D và 3D. machine is powered by STM32 chip, basedon - Tạo ra các mẫu bánh có hình dạng theo ý methodprintingtechnology FDM, Export Gcode muốn đẹp mắt và sinh động. through receiving data from most of the popular pieces of software like SolidWorks, 1.2. Phương pháp nghiên cứu: CATIA, Inventer, AutoCAD and the interface is Tham khảo mẫu máy hiện nay trên thế giới: used friendly, designed according to industry to produce 3D piecesspectacular, vivid which - SLA (Stereolithography) – in nổi. traditional methodcan not do, Furthermore, it - SLS (Selective Laser Sintering) – thêu kết is highly safe, easy to maintain and suitable for laser. home and hotel use It also guarantee hygiene - FDM (Fused Deposition Modeling) – phun and food safety. Its main ingredient is vật liệu lỏng. chocolate. Keyword: 3D cake printer. 1. GIỚI THIỆU Máy in 3D là một công cụ hộ trợ đắc lực trong việc sản xuất, thiết kế và chế tạo thiết bị linh kiện tại Việt Nam. Thế nhưng giá thành là một trong những trở ngại khiến cho cách doanh nghiệp khó khăn tiếp cận công nghệ này, nắm bắt nhu cầu thực tế này tác giả đã tiến hành nghiên cứu, thiết kế, lập trình, kĩ thuật cơ khí điện tử dựa trên dự án phần mềm cơ bản nguồn Hình 1.2 : Cấu trúc và phương pháp in SLA mở cung cấp cho người sử dụng để chế tạo thành công máy in bánh 3D có chức năng
2. Hình 3.3: Xuất Gcode từ mô hình 2D Hình 1.3: Cấu trúc và phương pháp in FDM Trong các phương pháp in trên có 2 công Hình 3.4: Xuất Gcode từ mô hình 3D nghệ được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất tuy nhiên phương pháp in FDM có những ưu điểm như: Sử dụng nguyên vật liệu có sẵn có thể tái sử dụng, ít ô nhiễm môi trường, có thể sử dụng trong văn phòng và gia đình, khách sạn, giá thành thấp an toàn cao cho người sử dụng. Là cơ sở lý thuyết chính để xây dựng máy in bánh 3D. 2. NỘI DUNG 2.2. Thiết kế phần cứng Phần cứng bao gồm màn hình điều khiển Hình 3.5: Giao diện hình 2D LCD, thẻ SD, cảm biến nhiệt, cảm biến hành trình, main boad kết nối với máy tính để điều khiển các động cơ hoạt động. Hình 3.6: Giao diện hình 3D Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển 2.4. Giải thuật điều khiển Hình 3.2: Board điều khiển máy Hình 3.7: Thuật toán tổng quát 2.3. Thiết kế phần mềm
3. Từ các cơ sở lý thuyết và kết cấu của Hình 3.10: Thuật toán thực thi nội suy máy ta lập ra thuật toán để điều khiển toàn bộ 2.5. Tìm tham số BLU máy. Bao gồm hai chế độ chính là giao tiếp với máy tính hoặc giao tiếp với thẻ nhớ USD để lấy BLU là bước dịch chuyển nhỏ nhất của mẫu bánh khi người dùng yêu cầu. Sau đó sử lý bàn máy. Từ kết cấu cơ khí và phần cứng điện lệnh Gcode. ta tính được giá trị BLU để đưa vào thuật toán điều khiển. Ta có các thông số sau: Để máy hiểu được các lệnh từ thư viện 0 bánh trước khi điều khiển cơ cấu chấp hành - Góc bước động cơ bước 1.8 suy ra động cơ phải giải mã từng dòng lệnh chính xác. Hình 360 quay một vòng 3600 cần 200 (bước). 3.8 dưới đây trình bày thuật toán chung của 1.8 việc giải mã lệnh G. - Driver ta thiết lập ở chế độ điều khiển vi 1 bước suy ra để điều khiển động cơ quay 32 360 hết 1 vòng ta cần 6400 xung . 32.1.8 Đối với trục X và trục Y dùng bộ truyền đai răng có tỉ số truyền từ động cơ đến bàn máy là 1:1. - Bánh đai dẫn có đường kính 21mm suy ra chu vi của bánh đai C = 21x3.14 = 66 (mm). - Từ đó ta có BLU = = Hình 3.8: Thuật toán xử lý lệnh G = 0.0103125 (mm) vậy BLU của trục X và trục Y bằng 0.0103125mm. - Đối với trục Z dùng bộ truyền đai kết hợp với vitme, tỉ số truyền của bộ truyền đai từ động cơ đến visme là 1:1 BLU của trục Z được xác định như sau: - Bước ren của visme p =5 (mm). - Số đầu mối k =1. - Bước xoắn L =k.p = 5 (mm). L 5 BLU 0.00078125 (mm) N 6400 Vậy BLU của trục Z = 0.00078125 (mm). Hình 3.9: Thuật toán tính toán nội suy 3.5. Cài đặt tốc độ cho động cơ T Hình 3.11: Chu kỳ xung vuông cấp cho driver động cơ bước - Ta có tần số ngắt. k F f BLU (3.1)
4. - Trong đó k = 2 ngắt 2 lần để tạo xung toàn - Động cơ trục Z: 0.00078125x50000 kỳ T, F là tốc độ chuyển động của đầu công F 2 tác đổi sang đơn vị (mm/phút). Sau khi có tần số ngắt cần ta cài đặt giá trị vào thanh = 195,75(mm/s) = 1178(mm/p). Sau khi thử nghiệm thực tế tốc độ lớn của ghi đếm tràn (mỗi lần tràn là xảy ra ngắt) bàn máy sau khi lắp đầu phun có khối lượng của bộ Timer phù hợp ta sẽ được tốc độ gần 1.5kg. bằng với tốc độ lệnh đầu vào. - Trục X,Y: 9000 (mm/p). - Ví dụ: ta có F = 500 (mm/phut) = - Trục Z: 750 (mm/p ). 8.33(mm/giây), bộ Timer có tần số xung 4.1 . Sản phẩm máy in 3D clock 72MHz, lấy ví dụ 2 trục X,Y có BLU = 0.0103125(mm) như vậy ta có tần số ngắt : 8.33 f 2. = 1616 (Hz). 0.0103125 72000000 Số lần tràn trong timer 44550 ta có 1616 giá trị điền vào 2 thanh ghi của timer là PSC (bộ chia) và ARR (thanh ghi nạp lại giá trị tràn) là tích số của 44550. Hình 3.12: Sản phẩm sau khi thi công 3. KẾT LUẬN Thông số Kích thước Sau thời gian tham khảo các nguồn tài 520 (W) x 520 (D) x Kích thước máy liệu, dựa trên những thuật toán nội suy tuyến 508 (H) mm tính kinh điển tôi đã hoàn thiện xây dựng giải thuật để điều khiển toàn bộ hệ thống máy in 200 (W) x 200 (D) x Kích thước in bánh 3D. Kết hợp với kết cấu phần cứng cơ 150 (H) mm khí sau khi thử nghiệm đã cho ra kết quả với cấp chính xác theo xuất đơn vị bàn máy (BLU), Kích thước đầu phun 0.7mm, 1.2mm với hệ trục X,Y cấp chính xác 0.0103125mm, Tốc độ trục X, Y 0 – 7000 mm/ phút với trục Z có 0.00078125mm. Tốc độ trục Z 300 mm/ phút Như vậy đáp ứng được yêu cầu đặt ra ban đầu Tốc độ trục S (in) 200 vòng/ phút có cấp chính xác là 0.5mm. Từ công thức ta có: Vật liệu in Chocolate BLU f F[mm/phút] Khung sườn máy Inox 304 k (3.2) Yêu cầu đặt ra là điều khiển động cơ bước có Mica, Polycarbonate Vỏ máy tần số đáp ứng 50KHz ta tính ra tốc độ dài lớn sheet nhất của các trục. Màn hình điều khiển LCD - Động cơ trục X,Y: Hỗ trợ giao tiếp Thẻ SD, COM 0.0103125 x50000 F = 257,81(mm/s) SolidWorks, Autocad 2 Phần mềm vẽ 3D = 15468(mm/p). 3D
5. 4.2. Quy trình tạo mẫu bánh Hình 3.11: Quy trình tạo mẫu bánh Theo phương án này máy có một kết cấu cơ khí đơn giản, đảm bảo sự di chuyển linh Hình 4.2: Quy trình pha chế nguyên liệu hoạt, không gian làm việc lớn và không tạo rung lắc mạnh, dễ vận hành. Để tăng thêm độ Dưới đây là một số sản phẩm so với hình gốc vững chắc, thiết kế máy thành khối hộp và mà máy in bánh 3D đã in được sau khi áp dụng được bọc vỏ máy bên ngoài để đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm. Hình 3.11 mô tả quy trình thuật toán trong bài báo này. thực hiện tạo sản phẩm đầu tiên lấy chocolate đem cất thủy, sau 10 phút dịch chocolate được rót trực tiếp vào ống chứa và đưa vào máy in. Cùng lúc ta chọn mẫu bánh sẵn có trên giao diện nạp vào máy thông qua thẻ SD hoặc truyền trực tiếp từ máy tính qua máy in nhờ cổng COM. Thao tác điều khiển về tọa độ gốc, chọn chương trình và quá trình tạo sản phẩm bắt đầu. Hình 4.3: Sản phẩm được in từ mẫu in 2D có 4. NGUYÊN LIỆU kích thước khổ 50x50 (mm), với lỗ kim phun Nguyên liệu sử dụng là chocolate để tạo các đường kính 0.7mm. mẫu bánh có hình dáng đẹp mắt. Hình 4.4: Sản phẩm được in từ mẫu in 3D có kích thước khổ 60x60 (mm), với lỗ kim phun Hình 4.1: Nguyên liệu Chocolate đường kính 1.2mm.
6. 4. Nhiệt độ Kiểm soát và đối lưu nhiệt độ trong không gian kín. 5. Bàng máy Cân bằng 100% bằng cơ cấu CAM, tự động gia nhiệt để phù hợp với từng vật liệu in. 5. Hệ thống lọc Hình 4.5: Sản phẩm 3D được in với đầu phun Hệ thống lọc mùi khử trùng triệt để đảm bảo an 1.2mm trong thời gian 6 phút toàn vệ sinh thực phẩm. 6. Độ an toàn. An toàn cho người sử dụng 7. Giá thành Giá thành thấp, chi phí bảo hành thấp. Hình 4.6: Một số sản phẩm hình 2D và 3D khác 5. CÁC TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ MÁY IN BÁNH 3D 1. Thiết kế máy in Thiết kế gọn nhẹ, thẩm mỹ cao, thân thiện với người sử dụng phù hợp quá trình sản xuất. Theo kiểu dáng công nghiệp dễ dàng sử dung. Cảm biến nhiệt và cảm biến hành trình có chức năng theo dõi lượng nhiệt và phát hiện lỗi sản phẩm. 2.Tính năng in ấn Rút ngắn thời gian và tăng độ chính xác, độ phân giải, độ mịn cao và giao diện thân thiện với người sử dụng 3.Cụm đầu đùn Đầu in tháo lắp dễ dàng mà không ảnh hưởng đến quá trình in và chất lượng sản phẩm
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO thống. NXB Đà Năng tháng 8 năm 2001.Ths. Đặng Kiên Cường, Ks. Nguyễn Tiếng việt Minh Phúc. Lập trình ứng dụng giao tiếp [1] Luận văn tốt nghiệp thiết kế máy tạo mẫu với C# - nhanh FDM FUSED DEPOSITION MODLING trường ĐHCN. TPHCM. [10] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2006), “Lý thuyết điều khiển phi tuyến”, [2] Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu và chế tạo Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật - Hà máy tạo mẫu nhanh bằng phương pháp Nội. 3D printing. Trường ĐH SPKT. TPHCM khoa cơ khí chế tạo máy . [11] Nguyễn Phùng Quang (2006), “Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự [3] Đồ án tốt nghiệp ứng dụng công nghệ tạo động”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ mẫu nhanh để tạo ra mô hình máy bay. thuật - Hà Nội. Trường ĐHKTCN. TPHCM khoa cơ khí tự động – Robot. [12] Nguyễn Doãn Phước (2006), “Hệ mờ mạng neural ứng dụng”, Nhà xuất bản [4] Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu công nghệ khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. thiết kế ngược và ứng dụng vào quá trình tạo mẫu nhanh Trường ĐH GTVT. [13] Nguyễn Văn Nhờ (2005),“Giáo trình điện tử công suất”, nhà xuất bản Đại học TPHCM . Quốc gia TP HCM. [5] Ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh chi tiết cấy ghép sọ não. Bùi Anh Quốc, Tiếng Anh Đặng Văn Nghìn, Lê Tâm Phước, Trần [14] Đại Nguyên, Huỳnh Hữu Nghị, Võ Văn [15] Nho, Lê Điển Nhi, Nguyễn Ngọc Thiện hershey-3d-systems-unveil-new-cutting- Trường Đai học Bách Khoa, ĐHQG- edge-chocolate-3d-printer-ces/26/11/2015. HCM. [16] [6] Công nghệ CN – GS.TS Trần Văn Địch. aphic-how-3d-printing works-industry- NXB Khoa học và Kĩ thuật trang 123. growth-stocks-and-more/ 27/11/2015. [7] Đỗ Văn Dũng. Điện động cơ và điều [17] khiển động cơ. NXB Đại học Quốc gia, /how-to-prepare-stl-files/27/6/2015 2013, trang. 166. [18] [8] Tạ Duy Liêm Hệ thống điều khiển số cho code24/11/2015. máy công cụ - NXB Đại học Quốc gia, [19] 2013, trang. 98. 22/1/2015. [20] Nguyen Vu Quynh, Le Phuong Truong [9] Phan Huy Khánh. Phân tích thiết kế hệ and Tran Hanh (2011), “Based on Fuzzy,
8. SVPWM and FPGA Technology to Control Speed of PMSM without Sensor”, Proceedings of International Workshop on Agricultural and Bio-Systems Engineering (IWABE), pp 181-188. [21] Nguyen Vu Quynh, Tran Hanh, Trinh Tran Thanh Tam and Le Phuong Truong (2011), “Application of FPGA to Control Speed of Permanent Magnet Synchronous Motor without Sensor”, Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Công nghệ thông tin, Đồng Nai, 2011, pp 273-280. [22] Nguyen Vu Quynh, Tran Hanh, Trinh Tran Thanh Tam and Le Phuong Truong (2011), “FPGA Based on Adaptive Fuzzy and Space Vector Pulse Width Modulation to Control Speed of PMSM”, Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Công nghệ thông tin, Đồng Nai, 2011, pp 281-292. [23] Ying-Shieh Kung, Nguyen Trung Hieu, Nguyen Vu Quynh, Chung-Chun Huang and Liang-Chiao Huang (2011), “Design of Speed Control IC for PMSM Drive from Simulink/Modelsim Co-Simulation th to FPGA Implementation”, The 10 Taiwan Power Electronics Conference & Exhibition, pp 932-937. Học viên thực hiện Xác nhận của Giảng viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) (Ký & ghi rõ họ tên)
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.