Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: Nghiên cứu, thiết kế và tích hợp hệ thống điều khiển truyền động cho máy in 3D 3 Trục

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:80

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Nghiên cứu, thiết kế và tích hợp hệ thống điều khiển truyền động cho máy in 3D 3 Trục" được hoàn thành với mục tiêu nhằm tìm hiểu và xây dựng phương trình động của Robot Delta; Thiết kế, chế tạo Robot Delta; Mô phỏng chuyển động quá trình hoạt động của Robot Delta bằng phần mềm MATLAB/Simulink; Tìm hiểu cách kết nối máy tính với bộ điều khiển DMC – 2163 và cách điều khiển nó với tệp lệnh từ tài liệu của hãng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: Nghiên cứu, thiết kế và tích hợp hệ thống điều khiển truyền động cho máy in 3D 3 Trục

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khuất Duy Huy NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG CHO MÁY IN 3D 3 TRỤC LUẬN VĂN THẠC SỸ Ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử HÀ NỘI - 2021
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khuất Duy Huy NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG CHO MÁY IN 3D 3 TRỤC LUẬN VĂN THẠC SỸ Ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Nguyễn Ngọc Linh Cán bộ hướng dẫn phụ: TS. Đỗ Trần Thắng HÀ NỘI – 2021
LỜI CẢM ƠN Trước tiên, Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu trường Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN cùng các thầy cô của khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa đã quan tâm, tạo điều kiện để em nghiên cứu nhiều kiến thức cũng như kỹ năng phát triển định hướng nghiên cứu khoa học trong suốt thời gian đào tạo chương trình thạc sỹ chuyên ngành công nghệ kỹ thuật cơ điện tử để em có thể hoàn thiện về bản thân, các phương pháp luận nghiên cứu cũng như những kĩ năng cần thiết phục vụ cho công việc của một nghiên cứu viên tại Viện nghiên cứu nhà nước Em cũng xin gửi lời cảm ơn trân thành đến các thầy(cô) hướng dẫn gồm TS. Nguyễn Ngọc Linh hiện đang làm việc nghiên cứu tại Khoa Cơ học Kỹ Thuật & Tự động hóa thuộc Trường Đại Học Công Nghệ, ĐHQG Hà Nội; TS. Đỗ Trần Thắng, Viện Cơ Học, Viện HL KH & CN Việt Nam đã dành nhiều thời gian quý báu để hướng hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn này. Lời cuối cùng, em xin kính chúc các thầy(cô) nhiều sức khỏe, công tác tốt và hạnh phúc trong cuộc sống. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Khuất Duy Huy i
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu, thiết kế và tích hợp hệ thống điều khiển truyền động cho máy in 3D 3 Trục” là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Ngọc Linh- Trường Đại Học Công Nghệ, ĐHQG Hà Nội cùng TS. Đỗ Trần Thắng- Viện Cơ Học, Viện HL KH&CN Việt Nam. Những phần sử dụng tài liệu tham khảo trong khóa luận đã được nêu rõ trong phần Tài liệu tham khảo. Các số liệu, kết quả trình bày trong khóa luận là hoàn toàn trung thực, nếu sai sót tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi kỉ luật của khoa và nhà trường đề ra Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Khuất Duy Huy ii
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG CHO MÁY IN 3D 3 TRỤC Khuất Duy Huy Tóm tắt: Luận văn tập trung nghiên cứu, tích hợp hệ thống điều khiển truyền động cho tay máy cấu trúc song song (Robot Delta) dạng 3R2S2S với nhằm mục tiêu ứng dụng cho máy in 3D . Hệ thống điều khiển có thể gửi các tín hiệu điều khiển như bật, tắt, đặt vận tốc, gia tốc của từng động cơ xuống mạch điều khiển DMC – 2163. Áp dụng các kiến thức về động học tay máy vào trong hệ thống điều khiển để có thể điều khiển tay máy đến các vị trí mong muốn khác nhau trong không gian. Ngoài kiến thức về động học tay máy hệ thống điều khiển còn được áp dụng của kiến thức về nội suy quỹ đạo để có thể điều khiển tay máy theo những quỹ đạo nhất định mà mình mong muốn (quỹ đạo hình vuông, hình chữ nhật, hình tròn, hình tam giác). Từ khóa: Máy in 3D, Robot Delta, cấu trúc 3R2S2S.. iii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ......................................................................................................................iv Danh mục hình ảnh .........................................................................................................vi Danh mục bảng ................................................................................................................x Mở đầu .............................................................................................................................1 Chương 1. Tổng quan ................................................................................................3 1.1. Công nghệ in 3D ................................................................................................3 1.1.1. Lịch sử hình thành và quá trình phát triển [19] ..........................................3 1.1.2. Ưu điểm của công nghệ in 3D [20] ............................................................4 1.1.3. Ứng dụng của công nghệ in 3D [20] ..........................................................5 1.2. Các cấu trúc truyền động trong máy in 3D [29] ..............................................10 1.2.1. Cấu trúc tuyến tính (Cartesian) ................................................................10 1.2.2. Cấu trúc trên hệ toạ độ cực (Polar)...........................................................10 1.2.3. Cấu trúc song song (Delta) .......................................................................11 1.3. Cấu trúc song song (Robot Delta) ....................................................................11 1.3.1. Giới thiệu ..................................................................................................11 1.3.2. Phân loại ...................................................................................................11 1.3.3. Ưu, nhược điểm ........................................................................................13 Chương 2. Phân tích động học cấu trúc song song kiểu 3-R2S2S ..........................14 2.1. Tổng quan về cơ cấu 3 – R2S2S ......................................................................14 2.2. Phân tích động học [8] .....................................................................................17 2.2.1. Bài toán động học nghịch .........................................................................18 2.2.2. Bài toán động học thuận ...........................................................................19 2.2.3. Bài toán điểm kì dị ...................................................................................22 2.2.4. Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot Delta .......................................22 2.2.5. Vùng làm việc của robot ..........................................................................25 2.3. Mô hình hóa và mô phỏng ...............................................................................26 iv
2.3.1. MATLAB/Simulink .................................................................................26 2.3.2. Xây dựng mô hình ....................................................................................27 2.3.3. Mô phỏng chuyển động ............................................................................28 Chương 3. Tích hợp hệ thống điều khiển ................................................................30 3.1. Tổng quan hệ thống .........................................................................................30 3.2. Cấu hình phần cứng [4][5] ...............................................................................33 3.2.1. Bo mạch điều khiển DMC-2163 [4] .........................................................33 3.2.2. Bộ khuếch đại công suất AMP-20540 [5] ................................................34 3.2.3. Bộ chuyển đổi nguồn TIS 300 – 124 [15] ................................................35 3.2.4. Máy tính ...................................................................................................36 3.2.5. Động cơ và encoder [16][17] ...................................................................36 3.3. Phần mềm điều khiển và giám sát....................................................................37 3.3.1. Visual Studio 2019 [9] .............................................................................37 3.3.2. Khung giao diện người dùng (Windows Form) [12][18] .........................37 3.3.3. Thiết kế giao diện [6][7][14] ....................................................................38 Chương 4. Mô phỏng và thử nghiệm .......................................................................48 4.1. Mô phỏng và thử nghiệm .................................................................................48 4.1.1. Mô hình mô phỏng ...................................................................................48 4.1.2. Kết quả mô phỏng ....................................................................................49 4.1.3. Kết quả thực nghiệm ................................................................................55 KẾT LUẬN ...................................................................................................................66 Tài liệu tham khảo .........................................................................................................67 v
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. In 3D trái tim nhân tạo [21] .......................................................................6 Hình 1.2. Tên lửa Orbex Prime được trang bị động cơ in 3D [22] ............................6 Hình 1.3. Chiếc xe đầu tiên được thiết kế bằng in 3D [23] .......................................7 Hình 1.4. Ứng dụng in 3D làm đồ trang sức [24] ......................................................7 Hình 1.5. Ứng dụng in 3D trong nghệ thuật, thiết kế, điêu khắc [25] .......................8 Hình 1.6. In 3D mô hình kiến trúc [26] .....................................................................9 Hình 1.7. In 3D những vật dùng cần thiết trong đời sống [25]..................................9 Hình 1.8. Sơ đồ và nguyên lý robot tuyến tính ........................................................10 Hình 1.9. Sơ đồ và nguyên lý robot toạ độ trụ .........................................................10 Hình 1.10. Hình dạng và nguyên lý robot song song ..............................................11 Hình 1.11. Cấu trúc Robot Delta kiểu 3-PRPaR......................................................11 Hình 1.12. Cấu trúc Robot Delta kiểu 3-RRPaR .....................................................12 Hình 1.13. Cấu trúc Robot Delta kiểu 3-P2S2S.......................................................12 Hình 1.14. Cấu trúc Delta kiểu 3-R2S2S .................................................................12 Hình 2.1. Robot Delta 3-R2S2S thực tế ...................................................................14 Hình 2.2. Liên kết giữa ba cánh tay và đế cố định [8] .............................................14 Hình 2.3. Mô hình hình học đơn giản của Robot Delta [8] .....................................16 Hình 2.4. Mô hình đơn giản của mặt phẳng đế cố định [8] .....................................16 Hình 2.5. Mô hình đơn giản của mặt phẳng bệ động [8] .........................................16 Hình 2.6. Sơ đồ đơn giản Robot Delta có đường AiAiv [8] .....................................19 Hình 2.7 : Quỹ đạo hàm vận tốc và gia tốc ..............................................................22 Hình 2.8: Các thông số hình học của một cánh tay .................................................25 Hình 2.9: Ba dạng hình xuyến .................................................................................25 Hình 2.10. Mô hình Robot Delta trong mô phỏng ...................................................27 Hình 2.11. Đồ thị di chuyển điểm đến điểm theo quỹ đạo đường thẳng .................28 Hình 2.12. Đồ thị di chuyển theo quỹ đạo bất kì .....................................................28 Hình 2.13. Toạ độ yêu cầu robot di chuyển theo thời gian để quỹ đạo có dạng hình vuông trong mô phỏng...................................................................................................29 Hình 2.14. Dữ liệu cần thiết cho robot di chuyển theo thời gian để quỹ đạo có dạng hình tròn trong mô phỏng ..............................................................................................29 Hình 3.1. Cấu trúc hệ thống .....................................................................................30 Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống có phản hồi vị trí ...............................................30 vi
Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống không có phản hồi toạ độ điểm P ......................31 Hình 3.4. Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ ..........................................................32 Hình 3.5. Sơ đồ khối đơn giản điều khiển PID một động cơ ...................................32 Hình 3.6. Chi tiết phần cứng ....................................................................................33 Hình 3.7. Bộ khuếch đại công suất AMP - 20540 ...................................................34 Hình 3.8. Động cơ và encoder .................................................................................36 Hình 3.9. Windows Form trong Visual Studio 2019 ................................................37 Hình 3.10. Tạo dự án với Visual Studio ...................................................................38 Hình 3.11. Chọn loại dự án......................................................................................38 Hình 3.12. Đặt tên dự án và vị trí lưu ......................................................................39 Hình 3.13. Thêm Windows Form vào dự án ............................................................39 Hình 3.14. Sau khi thêm Windows Form vào dự án ................................................40 Hình 3.15. Hệ thống điều khiển tay robot cơ cấu delta ...........................................40 Hình 3.16. Các nút điều khiển .................................................................................41 Hình 3.17. Điều khiển robot theo góc quay của động cơ ........................................42 Hình 3.18. Điều khiển robot theo toạ độ điểm P .....................................................43 Hình 3.19. Điều khiển robot theo quỹ đạo hình vuông ............................................43 Hình 3.20. Điều khiển robot theo quỹ đạo hình chữ nhật........................................44 Hình 3.21. Điều khiển robot theo quỹ đạo hình tròn ...............................................44 Hình 3.22. Điều khiển robot theo quỹ đạo hình tam giác ........................................45 Hình 3.23. Điều chỉnh các tham số chuyển động ....................................................45 Hình 3.24. Điều chỉnh các thông số bộ điều khiển PID ..........................................46 Hình 3.25. Điều chỉnh các tham số phần cứng ........................................................46 Hình 3.26. Gửi lệnh cho DMC-2163 và hiển thị giá trị phản hồi ...........................47 Hình 4.1. Mô hình hệ thống điều khiển Robot Delta trong mô phỏng ....................48 Hình 4.2. Mô hình động cơ trong mô phỏng ...........................................................48 Hình 4.3. Khối điều khiển PID vị trí cho động cơ ...................................................48 Hình 4.4. Toạ độ yêu cầu robot di chuyển theo thời gian để quỹ đạo có dạng hình tròn trong mô phỏng ......................................................................................................49 Hình 4.5. Đồ thị mô phỏng quỹ đạo hình vuông cạnh 30mm..................................49 Hình 4.6. Đồ thị giá trị trục hoành (trục X) so với giá trị đặt ..................................50 Hình 4.7. Đồ thị sai số của trục X ............................................................................50 vii
Hình 4.8. Đồ thị giá trị trục tung (trục Y) so với giá trị đặt .....................................51 Hình 4.9. Đồ thị sai số của trục Y ............................................................................51 Hình 4.10. Đồ thị góc quay của khớp 1 so với giá trị đặt ........................................51 Hình 4.11. Đồ thị góc quay của khớp 2 so với giá trị đặt ........................................51 Hình 4.12. Đồ thị góc quay của khớp 3 so với giá trị đặt ........................................52 Hình 4.13. Đồ thị mô phỏng quỹ đạo hình tròn đường kính 40mm ........................52 Hình 4.14. Đồ thị bán kính hình tròn .......................................................................53 Hình 4.15. Đồ thị giá trị trục hoành (trục X) so với giá trị đặt ................................53 Hình 4.16. Đồ thị sai số của trục X ..........................................................................53 Hình 4.17. Đồ thị giá trị trục hoành (trục Y) so với giá trị đặt ................................54 Hình 4.18. Đồ thị sai số của trục Y ..........................................................................54 Hình 4.19. Đồ thị góc quay của khớp 1 so với giá trị đặt ........................................54 Hình 4.20. Đồ thị góc quay của khớp 2 so với giá trị đặt ........................................55 Hình 4.21. Đồ thị góc quay của khớp 3 so với giá trị đặt ........................................55 Hình 4.22. Thông số di chuyển theo góc quay của khớp quay (30o, 30o, 30o) ........55 Hình 4.23. Kết quả di chuyển theo góc quay của khớp quay (30o, 30o, 30o) ...........56 Hình 4.24. Thông số di chuyển theo góc quay của khớp quay (60o, 60o, 60o) ........56 Hình 4.25. Kết quả di chuyển theo góc quay của khớp quay (60o, 60o, 60o) ...........57 Hình 4.26. Thông số di chuyển theo toạ độ đến điểm P(-40, 40, -454) ...................57 Hình 4.27. Kết quả di chuyển theo toạ độ đến điểm P(-40, 40, -454) .....................58 Hình 4.28. Thông số di chuyển theo toạ độ đến điểm P(0, 0, -454) ........................58 Hình 4.29. Kết quả di chuyển theo toạ độ đến điểm P(0, 0, -454) ..........................59 Hình 4.30. Thông số di chuyển theo toạ độ đến điểm P(40, 40, -454) ....................59 Hình 4.31. Kết quả di chuyển theo toạ độ đến điểm P(40, 40, -454) ......................60 Hình 4.32. Thông số vẽ theo quỹ đạo hình vuông cạnh 40mm trên phần mềm ......60 Hình 4.33. Kết quả vẽ theo quỹ đạo hình vuông cạnh 40mm..................................61 Hình 4.34. Thông số vẽ theo quỹ đạo hình chữ nhật cạnh 40x60mm trên phần mềm .......................................................................................................................................61 Hình 4.35. Kết quả vẽ theo quỹ đạo hình chữ nhật cạnh 40x60mm ........................61 Hình 4.36. Thông số vẽ theo quỹ đạo hình tròn đường kính 40mm trên phần mềm .......................................................................................................................................62 Hình 4.37. Kết quả vẽ theo quỹ đạo hình tròn đường kính 40mm ..........................62 Hình 4.38. Thông số vẽ theo quỹ đạo hình tam giác trên phần mềm ......................63 viii
Hình 4.39. Kết quả vẽ theo quỹ đạo hình tam giác ..................................................63 Hình 4.40. Kết quả vẽ chữ “HSRL”.........................................................................64 Hình 4.41. Kết quả vẽ quỹ đạo của một hình vuông và hai hình chữ nhật ..............64 Hình 4.42. Kết quả vẽ quỹ đạo năm hình vuông và một hình tròn ..........................65 Hình 4.43. Kết quả vẽ chữ “HSRL”.........................................................................65 ix
DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Bảng ký hiệu các tham số của Robot Delta .............................................15 Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật điện của bộ khuếch đại công suất AMP – 20540 ......35 Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật bộ chuyển đổi nguồn TIS 300 - 124 ..........................35 Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật của động cơ ................................................................36 Bảng 3.4. Thông số kỹ thuật encoder ......................................................................36 Bảng 3.5. Công dụng các nút bấm của chức năng điều khiển theo góc ..................41 Bảng 3.6. Công dụng các nút bấm trong chế độ điều khiển theo toạ độ .................42 Bảng 3.7. Ký hiệu các tham số phần cứng ...............................................................46 x
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Trong xã hội ngày nay in 3D đã trở nên rất quan trọng trong rất nhiều lĩnh vực. Nó đã giúp xã hội phát triển hơn rất nhiều. Để có thể in 3D chúng ta cần có một cơ cấu di chuyển được trong không gian dưới sự điều khiển của con người. Cánh tay robot đã khá phổ biến để làm đối tượng di chuyển đầu in 3D tạo hình theo mong muốn. Với ưu điểm nhỏ nhẹ, linh hoạt của Robot song song (Robot Delta) nên nó đã được ứng dụng rất nhiều trong dây chuyền sản xuất, phân loại của các nhà máy và đương nhiên nó cũng rất hay được ứng dụng làm cơ cấu truyền động trong máy in 3D. Để điều khiển được Robot Delta cần xây dựng được phương trình động học của robot và một chương trình trung gian vừa nhận được tín hiệu điều khiển từ con người vừa có thể gửi những yêu cầu điều khiển xuống mạch điều khiển của robot. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Từ nhu cầu và lợi ích của việc sử dụng Robot Delta trong thực tế, tìm hiểu và xây dựng cách điều khiển robot giúp ta hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phương trình động học của Robot Delta. Sử dụng phần mềm Inventor giúp ta nhanh chóng thiết kế ra mô hình 3D của robot và cũng có thể dễ dàng để sử dụng mô hình này để mô phỏng chuyển động. Sự có mặt của MATLAB/Simulink giúp ta có thể dễ dàng mô phỏng quá trình hoạt động của robot giảm thiểu thời gian kiểm thử của robot. Việc sử dụng Window Form của phần mềm Visual Studio giúp giảm thiểu được thời gian xây dựng phần mềm và biết được các xây dựng một phần mềm, sử dụng được ngôn ngữ lập trình C++. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Robot Delta và mạch điều khiển DMC – 2163. Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phần mềm Inventor để ra được bản thiết kế 3D của robot. Từ đó đưa mô hình 3D này vào phần mềm MATLAB/Simulink để mô phỏng động lực học cũng như kiểm chứng quá trình di chuyển và hoạt động của robot. Dựa trên mô hình của Robot Delta và một số nguồn tài liệu tham khảo để xây dựng lên phương trình động học vị trí. Đưa phương trình động học vị trí vào mô phỏng để mô phỏng robot chuyển động theo quỹ đạo. 1
Dựa trên các lệnh của mạch điều khiển trong tài liệu tham khảo, nắm bắt được cách sử dụng và kết hợp các lệnh để có thể điều khiển được các động cơ hoạt động theo ý muốn. Tham khảo tài liệu trên mạng để biết cách sử dụng và xây dựng được phần mềm có thể điều khiển được bo mạch chủ DMC – 2163. Dựa trên phương trình động học vị trí và kết hợp các công cụ trong Visual Studio để xây dựng nên chương trình điều khiển. Nội dung nghiên cứu Tìm hiểu và xây dựng phương trình động của Robot Delta. Thiết kế, chế tạo Robot Delta. Mô phỏng chuyển động quá trình hoạt động của Robot Delta bằng phần mềm MATLAB/Simulink. Tìm hiểu cách kết nối máy tính với bộ điều khiển DMC – 2163 và cách điều khiển nó với tệp lệnh từ tài liệu của hãng. Xây dựng chương trình điều khiển bằng Window Form trong Visual Studio. Tích hợp các tính năng như điều khiển theo vị trí, điều khiển theo quỹ đạo,… vào phần mềm điều khiển. Cấu trúc Khóa luận tốt nghiệp: Khóa luận này bao gồm: Phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận, trong đó nội dung chính của từng chương được trình bày ngắn gọn như sau: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Phân tích động học cấu trúc song song kiểu 3-R2S2S Chương 3: Tích hợp hệ thống điều khiển Chương 4: Mô phỏng và thử nghiệm 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Công nghệ in 3D Công nghệ in 3D là một sự đổi mới và đã nổi lên như một công nghệ đa năng. Nó mở ra những cơ hội mới và mang lại hy vọng về nhiều khả năng cho các công ty đang tìm cách nâng cao hiệu quả trong sản xuất. Hiện nay có rất nhiều nguyên liệu có thể được sử dụng trong in 3D như: nhựa, kim loại, xi măng,… Công nghệ in 3D có tiềm năng cách mạng hoá các ngành công nghiệp và thay đổi dây truyền sản xuất. Việc áp dụng công nghệ in 3D sẽ làm tăng tốc sản xuất đồng thời giảm chi phí. Đặc biệt nó có thể đáp ứng được nhiều nhu cầu của khách hàng hơn, nó cho phép ta thay đổi kích thước sản phẩm để phù hợp với người tiêu dùng mà không cần bỏ ra bất kì chi phí nào để thay đổi khuôn mẫu. Đồng thời các cơ sở in 3D có thể đặt gần hơn với người tiêu dùng như vậy sẽ làm giảm chi phí vận chuyển. 1.1.1. Lịch sử hình thành và quá trình phát triển [19] Năm 1981, Hideo Kodama tại Viện Nghiên cứu Công nghiệp thành phố Nagoya (Nhật Bản) công bố bài báo đầu tiên mô tả cách thức vật liệu photopolymer (polymer cảm quang) cứng lại khi tiếp xúc với tia cực tím (tia UV). Quá trình này có thể dùng để tạo hình các vật thể rắn một cách nhanh chóng. Bài báo của Kodama đặt nền móng cho công nghệ in 3D sau này, nhưng ông không phải là người đầu tiên chế tạo ra máy in 3D. Dựa trên kết quả nghiên cứu của Kodama, kỹ sư người mỹ Chuck Hull đã thiết kế và tạo ra máy in 3D đầu tiên trên thế giới vào năm 1984 khi đang tìm cách sử dụng đen UV để tạo ra lớp phủ bền chắc, hợp thời trang cho những chiếc bàn. Nguyên lý hoạt động của máy in 3D này dựa trên kỹ thuật gọi là Stereolithography (SLA). Hull dùng tia UV làm đông cứng lớp photopolymer lỏng chứa trong bồn, từng lớp từng lớp để tạo nên vật thể 3D. Năm 1986, Charles Hull được cấp bằng sáng chế kỹ thuật in 3D Stereolithography. Sau đó, ông thành lập công ty 3D System và phát triển máy in 3D thương mại đầu tiên với tên gọi Stereolithography Apparatus. Hiện nay, 3D System là một trong những công ty lớn nhất trong lĩnh vực in 3D. Năm 1989, Carl Deckard, một sinh viên tốt nghiệp Đại học Texas (Mỹ), đã được cấp bằng sáng chế cho một phương pháp in 3D mới gọi là thiêu kết laser chọn lọc (selective laser sintering – SLS). Đây là công nghệ in 3D sử dụng con lăn để dát mỏng nguyên liệu dạng bột thành từng lớp, sau đó xếp chồng và dính chặt các lớp lại với nhau bằng cách chiếu tia laser vào. Các biến thể khác của công nghệ SLS là thiêu kết laser kim loại trực tiếp (direct metal laser sintering - DMLS) và nấu chảy bằng laser có chọn lọc (selective laser melting - SLM) thường được sử dụng để chế tạo các vật bằng kim loại. 3
Năm 1989, Crump được cấp bằng sáng chế cho công nghệ in 3D FDM. Công nghệ FDM sử dụng nguyên liệu đầu vào là sợi nhựa nung nóng chảy. Khi được giải phóng qua vòi phun, nhựa nóng chảy sẽ cứng lại ngay lập tức thành từng lớp trên một bệ đỡ. Các lớp sẽ xếp chồng lên nhau để tạo ra vật thể 3D. Ông cùng vợ thành lập công ty Stratasys chuyên sản xuất máy in 3D để bán ra thị trường. Stratasys bán chiếc máy FDM đầu tiên “3D Modeler” năm 1992. Trong những năm 2000, ngoài polyme và kim loại, nhiều loại vật liệu khác đã được sử dụng để in 3D như sáp, giấy, vật liệu tương hợp sinh học (biocompatible material), tế bào…Kể từ đó, nhiều phương pháp in 3D khác nhau đã được sáng chế. Năm 2005, Z Corporation giới thiệu dòng máy in 3D Spectrum Z510 có khả năng tạo ra những sản phẩm nhiều màu sắc chất lượng cao. Năm 2006, tiến sĩ Adrian Bowyer tại Đại học Bath (Anh) khởi động dự án máy in 3D mã nguồn mở với tên gọi Reprap. Dự án sử dụng công nghệ FDM nhằm mục đích tạo ra những máy in 3D có thể sao chép chính bản thân nó. Bạn có thể điều chỉnh hay sửa đổi mã nguồn tùy ý nhưng phải tuân theo điều luật GNU (General Public Licence). Năm 2008, phiên bản đầu tiên của Reprap được phát hành. Nó có thể sản xuất được 50% các bộ phận của chính mình. Năm 2008, công ty Objet Geometries đã tạo ra cuộc cách mạng trong công nghệ tạo mẫu nhanh khi giới thiệu Connex500™. Đây là chiếc máy đầu tiên trên thế giới có thể tạo ra sản phẩm in 3D với nhiều loại vật liệu khác nhau trong cùng một thời điểm. Năm 2010, Urbee - chiếc xe hơi nguyên mẫu in 3D đầu tiên được giới thiệu. Đây là chiếc xe đầu tiên trên thế giới mà toàn bộ phần vỏ, kính chắn gió được tạo ra từ máy in 3D Fortus khổ lớn của công ty Stratasys. Năm 2010, công ty Organovo chế tạo thành công mạch máu nhân tạo bằng công nghệ in 3D. Hiên nay, các ứng dụng của công nghệ in 3D ngày càng trở nên phổ biến. Nó thâm nhập sâu từ các lĩnh vực công nghiệp như hàng không, vũ trụ, quốc phòng, điện tử,…cho đến các ngành cơ bản như y tế, giáo dục, xây dựng và thậm chí cả ẩm thực, nghệ thuật, thời trang. 1.1.2. Ưu điểm của công nghệ in 3D [20] 1.1.2.1. Tính tuỳ chỉnh Quá trình in 3D cho phép tuỳ biến hàng loạt – khả năng cá nhân hoá các sản phẩm theo nhu cầu và yêu cầu của từng cá nhân. Ngay cả trong cùng một buồng in, công nghệ in 3D có thể sản xuất được nhiều sản phẩm cùng một lúc theo yêu cầu của người dùng mà không tốn thêm chi phí phát sinh. - Tính phức tạp 4
Nhờ có phát minh của công nghệ in 3D, thế giới đã chứng kiến sự gia tăng của các sản phẩm (được thiết kế trong môi trường số hoá), có mức độ phức tạp cao, nhẹ hơn và chịu lực tương đối tốt. 1.1.2.2. Không cần công cụ Đối với sản xuất công nghiệp, một trong những giai đoạn tốn kém, mất thời gian và công sức nhất trong quá trình phát triển sản phẩm là sản xuất các công cụ. Đối với các ứng dụng cần sản xuất một khối lượng vừa phải, công nghiệp in 3D hoặc sản xuất phụ gia giúp loại bỏ việc sản xuất dụng cụ, do đó chi phí, thời gian và nhân công liên quan đến nó cũng được cắt giảm. Đây là một sự lựa chọn rất hấp dẫn, mà có ngày càng nhiều các nhà sản xuất đang tận dụng lợi thế. Hơn nữa, nhờ có lợi thế có thể tạo ra chi tiết phức tạp, các sản phẩm có hình khối và các tính năng phức tạp có thể được thiết kế đặc biệt để tránh các yêu cầu cần lắp ráp, vì vậy sẽ loại bỏ lao động và chi phí liên quan đến quá trình lắp ráp 1.1.2.3. Tính bền và thân thiện với môi trường In 3D cũng đang nổi lên như là một công nghệ tiết kiệm năng lượng; có thể mang lại hiệu quả về mặt môi trường ngay trong quy trình sản xuất, sử dụng tới 90% vật liệu chuẩn, và do đó tạo ra ít phế thải hơn; thêm vào đó, trong suốt quá trình sử dụng sản phẩm được in bằng công nghệ 3D, bởi có thiết kế nhẹ hơn và khoẻ hơn mà sẽ giảm lượng khí thải carbon so với việc sử dụng các sản phẩm được sản xuất truyền thống. Hơn nữa, in 3D mang lại nhiều hứa hẹn trong việc hoàn thành mô hình sản xuất ngay tại địa phương, sản phẩm sẽ được sản xuất theo nhu cầu ở chính nơi thiết kế – loại yếu tô kho bãi và vận chuyển. 1.1.3. Ứng dụng của công nghệ in 3D [20] Sự phát triển và cải tiến của quá trình in và các nguyên liệu, kể từ khi công nghệ in 3D mới ra đời cho việc tạo mẫu, cho thấy các quy trình đang được áp dụng cho các ứng dụng tiếp theo trong chuỗi quy trình phát triển sản phẩm. Công nghệ in 3D đã được phát triển và sử dụng trong ứng dụng sản xuất dụng cụ và trong một vài công đoạn của quá trình đúc. Một lần nữa, các ứng dụng này ngày càng được sử dụng và áp dụng trong các ngành công nghiệp. 1.1.3.1. Y khoa và nha khoa Công nghệ in 3D đang được sử dụng cho một loạt các ứng dụng khác nhau. Ngoài các nguyên mẫu để hỗ trợ phát triển sản phẩm mới cho ngành y tế và nha khoa, các công nghệ này cũng được sử dụng để làm khuôn mẫu cho việc đúc kim loại cho mão và cầu răng hoặc trong việc sản xuất các dụng cụ nhựa để hình thành các bộ khung để tạo các bộ chỉnh răng. Công nghệ này cũng được tận dụng trực tiếp để sản xuất cả mặt hàng cần sẵn, chẳng hạn như hông và đầu gối cần cấy ghép, và các sản phẩm cụ thể cho bệnh 5
nhân, như máy trợ thính, đế lót đệm cho giày dép, chi giả và các mô cấy một lần cho bệnh nhân mắc các bệnh như viêm xương khớp, loãng xương và ung thư, cũng như nạn nhân bị tai nạn và chấn thương. Các dẫn hướng phẫu thuật 3D được in cho từng ca phẫu thuật cụ thể cũng là một ứng dụng mới nổi giúp các bác sĩ phẫu thuật thuận lợi hơn và bệnh nhân hồi phục tốt hơn. Công nghệ cũng đang được phát triển để in 3D các sản phẩm da, xương, mô, dược phẩm và thậm chí các cơ quan của con người. Tuy nhiên, những công nghệ này vẫn còn mất nhiều thập niên nữa để được đưa vào thực tế. Hình 1.1. In 3D trái tim nhân tạo [21] 1.1.3.2. Hàng không vũ trụ Giống như ngành y tế, lĩnh vực hàng không vũ trụ đã sớm đưa công nghệ in 3D vào phát triển sản phẩm và tạo mẫu. Các công ty này, thường làm việc cùng với các học viện và viện nghiên cứu, tham gia vào các công việc mũi nhọn và đẩy mạnh ranh giới của công nghệ in 3D cho các ứng dụng sản xuất. Những nhà sản xuất danh tiếng đã sử dụng công nghệ in 3D bao gồm GE/ Morris Technologies, Airbus/ EADS, Rolls-Royce, BAE Systems và Boeing. Trong khi hầu hết các công ty này thực hiện một cách tiếp cận thực tế về những gì họ đang làm, và hầu hết là trong nghiên cứu R & D, một số khách hàng rất lạc quan về tương lai. Hình 1.2. Tên lửa Orbex Prime được trang bị động cơ in 3D [22] 6
1.1.3.3. Ô tô Một ngành sử dụng đầu tiên về công nghệ tạo mẫu nhanh – ứng dụng tiêu biểu, hiện thân của công nghệ in 3D – là ngành ô tô. Nhiều công ty ô tô – đặc biệt là xe đua thể thao và công thức F1 – đã đi theo quỹ đạo tương tự như các công ty hàng không. Đầu tiên (và vẫn còn) sử dụng công nghệ in 3D cho tạo mẫu, nhưng phát triển và thích nghi ứng dụng in 3D trong quy trình sản xuất của họ để kết hợp các lợi ích của vật liệu cải tiến và kết quả tốt cuối cùng cho các bộ phận của ô tô. Nhiều công ty ô tô hiện đang xem xét tiềm năng của công nghệ in 3D để hoàn thành các chức năng sau bán hàng về sản xuất phụ tùng thay thế, theo yêu cầu chứ không cần thiết phải là trữ một lượng hàng tồn kho khổng lồ. Hình 1.3. Chiếc xe đầu tiên được thiết kế bằng in 3D [23] 1.1.3.4. Đồ kim hoàn Đối với ngành đồ trang sức, in 3D tỏ ra đặc biệt gây rối. Có rất nhiều lợi ích – và sự tiếp nhận – dựa trên cách in ấn 3D có thể và sẽ góp phần vào sự phát triển của ngành công nghiệp này. Từ những thiết kế mới được tự do sáng bởi CAD 3D và in 3D, cho tới việc cải tiến các quy trình truyền thống cho sản xuất đồ trang sức và đó là sản xuất in 3D trực tiếp, loại bỏ nhiều bước truyền thống, in ấn 3D đã và đang tiếp tục có một tác động to lớn trong ngành trang sức này. Hình 1.4. Ứng dụng in 3D làm đồ trang sức [24] 7
1.1.3.5. Nghệ thuật, thiết kế và điêu khắc Nguyên lý của việc quét 3D cùng với việc in 3D cũng mang lại một chiều hướng mới cho thế giới nghệ thuật, trong đó các nghệ sỹ và sinh viên hiện nay có một phương pháp đã được kiểm chứng để tái tạo lại tác phẩm của các bậc thầy trong quá khứ và tạo ra các bản sao chính xác của các tác phẩm cổ đại (và gần đây hơn) các tác phẩm điêu khắc để có thể nghiên cứu kỹ lưỡng – những tác phẩm nghệ thuật mà nếu họ không thể tương tác với tác giả được nữa. Có rất nhiều nghệ sĩ đã làm nên tên tuổi cho mình bằng cách làm việc với mô hình 3D, công nghệ quét 3D và công nghệ in 3D: Joshua Harker; Dizingof; Jessica Rosenkrantz at Nervous System; Pia Hinze; Nick Ervinck; Lionel Dean and nhiều nghệ nhân khác.. Hình 1.5. Ứng dụng in 3D trong nghệ thuật, thiết kế, điêu khắc [25] 1.1.3.6. Kiến trúc Các mô hình kiến trúc từ lâu đã là một ứng dụng chủ yếu của công nghệ in 3D, để tạo ra các mô hình mẫu chính xác về ý tưởng của kiến trúc sư. In 3D cung cấp phương pháp tương đối nhanh, dễ dàng và tiết kiệm về mặt kinh tế để sản xuất mô hình chi tiết trực tiếp từ 3D CAD, BIM hoặc các dữ liệu số khác mà kiến trúc sư sử dụng. Nhiều công ty kiến trúc thành công hiện nay thường sử dụng in 3D (ngay tại khu thiết kế hoặc thuê dịch vụ) như là một phần quan trọng trong quy trình công việc của họ để tăng cường sự đổi mới và cải thiện truyền thông. Gần đây, một số kiến trúc sư có tầm nhìn xa trông chờ vào việc in 3D như một phương pháp xây dựng nhà trực tiếp. Nghiên cứu đang được tiến hành tại một số tổ chức có nghiên cứu về kiến trúc, đáng chú ý nhất là Đại học Loughborough, Contour Crafting and Universe Architecture. 8