TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP
.......................***........................

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY)
Đề tài:
CHẾ TẠO MÁY IN 3D THEO CÔNG NGHỆ FDM TRÊN
CƠ SỞ SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ARDUINO MEGA 2560
Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Sơn Tùng

Mã số sinh viên:

20136762

Lớp:

CN ĐK-TĐH 02

Khóa:

K58

Giảng viên hướng dẫn:

PGS.TS. Hoàng Sỹ Hồng

Hà Nội - 2018

1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

--***--

-----------------

NHIỆM VỤ
THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
Họ và tên: Nguyễn Sơn Tùng
Khóa:

K58

Viện:

Điện

Ngành:

Mã số sinh viên: 20136762


Điều khiển và tự động hóa

1. Đầu đề thiết kế/Tên đề tài
“Chế tạo máy in 3D theo công nghệ FDM trên cơ sở sử dụng bộ điều khiển Arduino
Mega 2560”
2. Các số liệu ban đầu
 Sử dụng mạch Arduino.
 Kích thước in 200x200x250.
 Vật liệu in: PLA, ABS, PETG
3. Các nội dung tính toán, thiết kế
 Tìm hiểu về công nghệ in FDM.
 Tìm hiểu về các loại vật liệu in.
 Chế tạo cơ cấu cơ khí, kết nối phần mạch điện.
 Cài đặt và thực hiện căn chỉnh.
4. Cán bộ hướng dẫn
PGS. TS. Hoàng Sỹ Hồng
5. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 01/02/2018
6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

01/06/2018

Ngày...... tháng...... năm......
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)


SINH VIÊN THỰC HIỆN
(Ký, ghi rõ họ tên)

1


MỤC LỤC

MỤC LỤC .................................................................................................................................. 1
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................. 3
DANH MỤC VIẾT TẮT............................................................................................................ 4
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................................ 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU...................................................................................................... 10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D......................................................................... 11
1.1 Tổng quan một số công nghệ in 3D thông dụng ........................................................ 11
1.1.1 Công nghệ in FDM[1] .............................................................................................. 11
1.1.2 Công nghệ in SLA/DLP [3]...................................................................................... 14
1.1.3 Công nghệ in SLS/SLM[6]....................................................................................... 16
1.2 Một số loại vật liệu in 3D cho máy in FDM thông dụng ........................................... 16
1.3 Một số loại cơ cấu cơ khí của máy in 3D theo công nghệ FDM ............................... 18
1.3.1 Cơ cấu Cartesion ..................................................................................................... 18
1.3.2 Cơ cấu Delta ........................................................................................................... 19
1.3.3 Cơ cấu SCARA ....................................................................................................... 19
1.4 Một số loại máy in 3D thông dụng[13] ......................................................................... 20
1.5 Mục tiêu của đề tài ....................................................................................................... 21
CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO MÁY IN 3D ..................................................................................... 23
2.1 Mô phỏng 3D và trình tự thiết kế chế tạo máy in 3D................................................ 23
2.2 Thiết kế, lựa chọn phần cơ khí .................................................................................... 24
2.2.1 Thiết kế, lựa chọn khung cơ khí ............................................................................. 24
2.2.2 Thiết kế các chi tiết bộ gá ....................................................................................... 28

2.2.3 Thiết kế, lựa chọn bộ đùn nhựa .............................................................................. 33
2.2.4 Lựa chọn các linh kiện cơ khí khác ........................................................................ 37
2.3 Thiết kế, lựa chọn phần điện ....................................................................................... 38
2.3.1 Lựa chọn bộ điều khiển........................................................................................... 38
2.3.2 Thiết kế cổng công suất .......................................................................................... 42
2.3.3 Lựa chọn các linh kiện phần điện khác................................................................... 43
2.4 Xây dựng và lắp ráp máy in 3D theo công nghệ FDM.............................................. 50
2.4.1 Chuẩn bị, sắp xếp linh kiện ..................................................................................... 50

1


2.4.2 Lắp ráp máy in 3D theo công nghệ FDM ............................................................... 52
CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT MÁY IN 3D THEO CÔNG NGHỆ FDM VÀ KẾT QUẢ THỬ
NGHIỆM ................................................................................................................................. 63
3.1 Cài đặt firmware cho máy in 3D (Marlin 1.1.8) ........................................................ 63
3.1.1 Tải firmware và phần mềm biên dịch (Arduino IDE) ............................................ 63
3.1.2 Thiết lập firmware[52][53].......................................................................................... 63
3.2 Phần mềm tạo mã Gcode cho máy in 3D ................................................................... 72
3.2.1 Tổng quan về phần mềm Simplify 3D .................................................................... 72
3.2.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm Simplify 3D .......................................................... 72
3.2.3 Một số mã G-Code thông dụng [55] ......................................................................... 81
3.3 Các chức năng bảo vệ của máy in ............................................................................... 82
3.4 Căn chỉnh[56][57] ............................................................................................................. 83
3.5 Kịch bản thử nghiệm.................................................................................................... 86
3.5.1 Kiểm nghiệm về kích thước .................................................................................... 86
3.5.2 Kiểm nghiệm về độ cứng ........................................................................................ 87
3.5.3 Kiểm nghiệm ngoại quan[62] ................................................................................... 89
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN......................................................... 95
4.1 Kết luận ......................................................................................................................... 95

4.2 Phương hướng phát triển ............................................................................................ 95
4.2.1 Máy in đa màu, đa vật liệu ...................................................................................... 95
4.2.2 Phát hiện trượt bước.............................................................................................. 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 101
PHỤ LỤC ............................................................................................................................... 103

2


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này, em đã nhận được rất nhiều lời động viên
của rất nhiều người trong đó có gia đình, thầy cô giáo, người yêu cũng như bạn bè.
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn tới bố mẹ và anh trai của em đã tạo điều kiện hết sức để
giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án cả về mặt tinh thần lẫn vật chất, khích lệ tinh thần và cả
giúp đỡ để em có thể hoàn thành được đồ án tốt nhất.
Em cảm ơn người con gái em yêu, đã là nguồn động viên tinh thần lớn cho em, đã động
viên cũng như kiềm chế em những lúc căng thẳng, mệt mỏi, đã là mục tiêu và cũng là lý do để
em có thể bước tiếp lên trong cuộc đời.
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng, người thầy giáo hướng dẫn em trong
suốt nhiều năm qua, cho dù những lúc em làm chưa tốt, thầy cũng đã tận tình chỉ bảo em từng
bước từng bước để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Em xin cảm ơn những thành viên, bạn bè thân thiết của em ở gia đình SEE English Club,
đã đem lại cho em những niềm vui, những kĩ năng và còn nhiều hơn thế trong suốt 3 năm tham
gia câu lạc bộ, với hơn 2 năm giữ chức phó chủ tịch của câu lạc bộ.
Em xin gửi lời cảm ơn tới các anh, chị, các bạn và các em trong Lab ManDevices đã giúp
đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án này
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa Hà Nội,
Viện Điện, Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi giúp em
hoàn thiện đồ án này.
TÁC GIẢ ĐỒ ÁN

Nguyễn Sơn Tùng

3


DANH MỤC VIẾT TẮT
Từ

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

FDM

Fused Deposition Modeling

SLA

Stereolithography

DLP

Digital Light Processing

SLS

Selective laser sintering

SLM


Selective laser melting

GTT

Glass Transistion Temperture

Nhiệt độ chuyển thể

PT

Printing Temperture

Nhiệt độ in

HBT

Heated Bed Temperture

Nhiệt độ bàn in

DPI

Dot Per Inch

Điểm ảnh trên một inch

HF

Hotend Fan


Quạt tản nhiệt đầu đùn

LF

Layer Fan

Quản thổi nguội vật in

HE

Hotend

Bộ gia nhiệt

Ex

Extruder

Bộ đẩy nhựa

SS

Stainless steel

Thép không rỉ, Inox

HSS

Hardened Stainless Steel


Thép không rỉ được tôi luyện

OD

Outside Diameter

Đường kính ngoài

ID

Interior Diameter

Đường kính ngoài

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo chung của máy in 3D theo công nghệ FDM ...................................... 11
Hình 1.2 Nhựa in dành cho máy in 3D theo công nghệ FDM [2]............................................. 12
Hình 1.3 Lưu đồ công nghệ của máy in 3D theo công nghệ FDM ......................................... 13
Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo chung của máy in 3D theo công nghệ SLA/DLP............................... 14
Hình 1.5 Vật in được in trên máy SLA [5] .............................................................................. 15
Hình 1.6 Sơ đồ cấu tạo chung của máy in 3D theo công nghệ SLS/SLM .............................. 16
Hình 1.7 Máy in 3D của hãng Prusa[9]..................................................................................... 18
Hình 1.8 Đi dây đai cho máy in theo cơ cấu CoreXY[10] ........................................................ 18
Hình 1.9 Máy in theo cơ cấu DELTA[11] ................................................................................. 19
Hình 1.10 Máy in theo cơ cấu SCARA[12]............................................................................... 19
Hình 1.11 Máy Original Prusa I3 Mk3 .................................................................................... 20
Hình 1.12 Máy Tevo Tarantula ............................................................................................... 20

Hình 1.13 Máy Creality3D CR10S.......................................................................................... 20
Hình 1.14 Máy Wanhao Duplicator I3 .................................................................................... 20
Hình 1.15 Máy Ultimaker 3 ..................................................................................................... 21
Hình 1.16 Wanhao Duplicator 7 .............................................................................................. 21
Hình 1.17 Máy Tevo Little Monster ........................................................................................ 21
Hình 2.1 Mô phỏng máy in 3D bằng SolidWork 2016 ........................................................... 23
Hình 2.2 Quy trình chế tạo máy in 3D theo công nghệ FDM ................................................. 24
Hình 2.3 Máy in 3D nhìn từ phía trước ................................................................................... 24
Hình 2.4 Vùng truyền động XY của máy ................................................................................ 25
Hình 2.5 Vùng in của máy in 3D ............................................................................................. 25
Hình 2.6 Vùng gầm của máy in 3D ......................................................................................... 25
Hình 2.7 Trục X của máy in 3D .............................................................................................. 25
Hình 2.8 Cơ cấu ghép của khung nhôm .................................................................................. 26
Hình 2.9 Trục Y của máy in 3D .............................................................................................. 26
Hình 2.10 Cơ cấu khung trục X ............................................................................................... 26
Hình 2.11 Cơ cấu khung trục Y ............................................................................................... 27
Hình 2.12 Cơ cấu khung trục Z ............................................................................................... 28
Hình 2.13 Gá đỡ động cơ trục XY .......................................................................................... 28

5


Hình 2.14 Gá đỡ động cơ trục Z .............................................................................................. 29
Hình 2.15 Gá đỡ trục trượt cho trục Y .................................................................................... 29
Hình 2.16 Bộ gá giữ Endstop .................................................................................................. 29
Hình 2.17 Bộ gá giữ trục trượt cho trục X............................................................................... 30
Hình 2.18 Bộ gá đỡ trục trượt Z .............................................................................................. 30
Hình 2.19 Bộ gá căng đai ........................................................................................................ 30
Hình 2.20 Bộ gá đầu đùn ......................................................................................................... 31
Hình 2.21 Tác dụng của Layer Fan[20] ..................................................................................... 31

Hình 2.22 Bộ gá trượt bàn in ................................................................................................... 32
Hình 2.23 Ốc đồng vít me ....................................................................................................... 32
Hình 2.24 Bộ gá gắn bàn nhiệt ................................................................................................ 32
Hình 2.25 Bộ gá phần điện ...................................................................................................... 33
Hình 2.26 Bộ đùn nhựa đã lắp đầy đủ linh kiện ...................................................................... 33
Hình 2.27 Cấu tạo bộ gia nhiệt E3D V[23] ............................................................................. 34
Hình 2.28 Các loại họng chặn nhiệt (Heat Break) cho bộ gia nhiệt E3D V6[24] ................... 34
Hình 2.29 Kim phun bằng đồng thau[26] .................................................................................. 35
Hình 2.30 Kim phun bằng thép SS[27] ..................................................................................... 35
Hình 2.31 Kim phun bằng thép HSS[28]................................................................................... 36
Hình 2.32 Kim phun bằng đồng có lắp đầu Ruby[29] ............................................................... 36
Hình 2.33 Các vùng nhiệt độ trong bộ gia nhiệt ...................................................................... 36
Hình 2.34 Sơ đồ mắc nối dây đai theo cơ cấu COREXY........................................................ 37
Hình 2.35 Hình ảnh thực tế của mạch Arduino Mega 2560 .................................................... 38
Hình 2.36 Hình ảnh thực tế của mạch RAMPS1.4[32] ............................................................. 38
Hình 2.37 Sơ đồ nguyên lý của mạch RAMPS1.4[33] .............................................................. 39
Hình 2.38 Sơ đồ nguyên lý khối Heater & Fan ....................................................................... 39
Hình 2.39 Sơ đồ nguyên lý khối Endstops .............................................................................. 40
Hình 2.40 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến nhiệt độ ................................................................ 40
Hình 2.41 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ................................................................................... 40
Hình 2.42 Sơ đồ nguyên lý khối driver động cơ bước ............................................................ 41
Hình 2.43 Sơ đồ nguyên lý khối Servos .................................................................................. 42
Hình 2.44 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp ngoại vi ................................................................. 42

6


Hình 2.45 Mạch mở rộng công suất ........................................................................................ 42
Hình 2.46 Bàn nhiệt nhôm MK3[39] ......................................................................................... 44
Hình 2.47 Nhiệt trở NCT cho máy in 3D ................................................................................ 44

Hình 2.48 Động cơ 17pm-ka39b ............................................................................................. 45
Hình 2.49 Module A4988 ........................................................................................................ 47
Hình 2.50 Module DRV8825 .................................................................................................. 47
Hình 2.51 Module TMC2100 .................................................................................................. 48
Hình 2.52 Hình ảnh thực tế của cảm biến tiệm cận từ[46] ........................................................ 49
Hình 2.53 Hình ảnh thực tế của BL Touch[47] ......................................................................... 49
Hình 2.54 Hình ảnh thực tế của một máy in lắp ráp Probe bằng Servo + Nút nhấn ............... 50
Hình 2.55 Hình ảnh thực tế của cảm biến tiện cận dạng điện dung[48] .................................... 50
Hình 2.56 Hình ảnh thực tế của một máy in lắp ráp Probe dạng tiếp điểm kim phun[49] ........ 50
Hình 2.57 Cạnh bên máy in ..................................................................................................... 52
Hình 2.58 Kết nối bốn thanh cạnh ........................................................................................... 52
Hình 2.59 Bốn thanh cạnh dưới của máy ................................................................................ 52
Hình 2.60 Giá đỡ trục Z........................................................................................................... 53
Hình 2.61 Máy đã lên khung cơ bản ....................................................................................... 53
Hình 2.62 Các thanh nhôm cho bộ đỡ bàn .............................................................................. 53
Hình 2.63 Ghép hai thanh đỡ dài vào khung trượt .................................................................. 54
Hình 2.64 Mặt dưới bàn nhiệt MK3 ........................................................................................ 54
Hình 2.65 Mặt trên (Hình trên) và mặt dưới (Hình dưới) của bàn nhiệt ................................. 54
Hình 2.66 Lắp thanh trượt Y vào gá đỡ ................................................................................... 55
Hình 2.67 Bộ gá trục trượt cho trục X ..................................................................................... 55
Hình 2.68 Gắn động cơ vào gá đỡ ........................................................................................... 55
Hình 2.69 Endstop trục Y ........................................................................................................ 56
Hình 2.70 Block gia nhiệt gắn kim phun ................................................................................. 56
Hình 2.71 Gắn họng chặn nhiệt vào block gia nhiệt ............................................................... 56
Hình 2.72 Gắn ống tản nhiệt vào họng .................................................................................... 56
Hình 2.73 Ráp nhiệt trở và cảm biến ....................................................................................... 57
Hình 2.74 Bọc đầu silicon cách nhiệt ...................................................................................... 57
Hình 2.75 Gắn Hotend vào bộ gá ............................................................................................ 57

7



Hình 2.76 Gắn quạt vào gá ...................................................................................................... 57
Hình 2.77 Lắp ráp bộ đẩy nhựa ............................................................................................... 58
Hình 2.78 Gắn cảm biến tiệm cận từ ....................................................................................... 58
Hình 2.79 Hoàn thành lắp ráp bộ đùn nhựa ............................................................................. 58
Hình 2.80 Gắn bộ đùn nhựa vào khung ................................................................................... 58
Hình 2.81 Bộ dây đai của cơ cấu CoreXY .............................................................................. 59
Hình 2.82 Gắn bộ gá phần điện vào khung ............................................................................. 59
Hình 2.83 Gắn mạch Arduino Mega 2560 .............................................................................. 59
Hình 2.84 Gắn mạch RAMPS 1.4 ........................................................................................... 59
Hình 2.85 Nguồn và mạch mở rộng công suất ........................................................................ 60
Hình 2.86 Sơ đồ đấu dây của máy in 3D ................................................................................. 60
Hình 2.87 Sơ đồ đấu nối endstop cho trục Z[50]....................................................................... 61
Hình 2.88 Module màn hình LCD Graphic 12864 dành cho máy in 3D[51] ............................ 61
Hình 2.89 Máy in 3D sau khi lắp ráp hoàn chỉnh .................................................................... 62
Hình 3.1 Sơ đồ gốc tọa độ của bàn in ...................................................................................... 69
Hình 3.2 Module LCD Graphic 12864 và LCD dùng cho máy in 3D .................................... 71
Hình 3.3 Phần mềm Simplify 3D ............................................................................................ 72
Hình 3.4 Giao diện ngoài cùng của Simplify3D ..................................................................... 72
Hình 3.5 Giao diện khung Process .......................................................................................... 73
Hình 3.6 Hình thực tế của các chỉ số infill khác nhau (đã bỏ lớp mặt trên và dưới)[54] .......... 73
Hình 3.7 Tab Extruder ............................................................................................................. 74
Hình 3.8 Tác dụng của việc sử dụng Retraction đúng thông số. ............................................. 74
Hình 3.9 Tab Layer.................................................................................................................. 75
Hình 3.10 Tab Additions ......................................................................................................... 75
Hình 3.11 Skirt, Brim và Raft ................................................................................................. 76
Hình 3.12 Tab Infill ................................................................................................................. 76
Hình 3.13 Tab Support ............................................................................................................ 77
Hình 3.14 Tab Temperature .................................................................................................... 78

Hình 3.15 Tab Cooling ............................................................................................................ 78
Hình 3.16 Tab Gcode .............................................................................................................. 79
Hình 3.17 Tab Scrips ............................................................................................................... 80

8


Hình 3.18 Tab Speeds .............................................................................................................. 80
Hình 3.19 Tab Advanced ......................................................................................................... 81
Hình 3.20 Ngoại quan xác định Z Offset [58] ........................................................................... 83
Hình 3.21 Xác định thông số để chỉnh vuông góc .................................................................. 85
Hình 3.22 Kiểm tra độ vuông góc ........................................................................................... 85
Hình 3.23 Mẫu vật in kiểm tra XZ .......................................................................................... 85
Hình 3.24 Mẫu vật in kiểm tra vuông góc YZ......................................................................... 85
Hình 3.25 Mẫu vật in kiểm tra kích thước lỗ và kích thước dài .............................................. 86
Hình 3.26 Các kích thước đo đạc để kiểm tra ......................................................................... 86
Hình 3.27 Vật in kiểm tra độ dài ............................................................................................. 86
Hình 3.28 Mẫu vật kiểm tra độ cứng vật thể ........................................................................... 87
Hình 3.29 Hệ thống kiểm tra độ cứng vật thể ......................................................................... 88
Hình 3.30 Mẫu in tàu Benchy.................................................................................................. 89
Hình 3.31 Sản phảm tàu Benchy ............................................................................................. 90
Hình 3.32 Mẫu vật in Spiral Cube ........................................................................................... 91
Hình 3.33 Sản phẩm in Spiral Cube ........................................................................................ 91
Hình 3.34 Vật in Lattice Cube ................................................................................................. 92
Hình 3.35 Mẫu vật in Lattice Cube ......................................................................................... 92
Hình 3.36 Vật in Wheel Ring .................................................................................................. 93
Hình 3.37 Mẫu vật in Wheel Ring........................................................................................... 93
Hình 4.1 Máy in sử dụng 2 đầu đùn di chuyển cùng nhau (Dual Nozzle) .............................. 95
Hình 4.2 Máy in nhiều đầu phun di chuyển độc lập (Dual Gantry) ........................................ 96
Hình 4.3 Máy Original Prusa I3 MK2 MMU sử dụng ống ghép nhựa ................................... 97

Hình 4.4 Ông ghép nhựa ở máy Originals Prusa I3 MK2 ....................................................... 98
Hình 4.5 Khối Prime Pillar cùng vật thể in chính. ................................................................. 98
Hình 4.6 Máy in sử dụng kim phun trộn màu Diamond 3 đầu vào ......................................... 99
Hình 4.7 Một số sản phẩm in từ máy sử dụng kim trộn màu. ................................................. 99

9


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Bảng các vật liệu in 3D FDM[7][8] ............................................................................. 16
Bảng 2.1 Bảng lựa chọn vi bước cho A4988, DRV8825[34] ..................................................... 41
Bảng 2.2 Cài đặt các chế độ cho TMC2100 sử dụng các chân CFG1 và CFG2 ...................... 48
Bảng 2.3 Danh sách các chi tiết cho máy in 3D ....................................................................... 50
Bảng 3.1 Kết quả kiểm nghiệm kích thước lỗ của PLA in ở 230oC ......................................... 87
Bảng 3.2 Kết quả kiểm nghiệm độ dài của PLA in ở 230C ..................................................... 87
Bảng 3.3 Kết quả kiểm nghiệm độ cứng của vật thể in ............................................................ 88

10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY IN 3D
1.1 Tổng quan một số công nghệ in 3D thông dụng
Ngày nay, công nghệ in 3D đã phát triển mạnh mẽ, được đưa vào ứng dụng trong nhiều
lĩnh vựa khác nhau như cơ khí, hàng không, thể thao, thời trang, sinh học và đồ gia dụng …
Với độ chính xác cũng như giá thành ngày càng được cải tiến, máy in 3D đang dần được đưa
vào đời sống như một đồ gia dụng, được ứng dụng để gia công những vật thể với tốc độ cao và
độ chính xác cao. Công nghệ in 3D sinh học (Bio-3DPrinting) phát triển ứng dụng nhiều trong
việc tạo ra các bộ phận cho con người, đẩy nhanh quá trình chữa bệnh.
Với giá thành rẻ và mức độ ứng dụng cao, em xin chọn đề tài máy in 3D theo công nghệ
FDM làm đồ án tốt nghiệp của mình.

1.1.1 Công nghệ in FDM[1]
FDM (Fused Deposition Modeling) là công nghệ in 3D sử dụng nhựa (filament) được đun
nóng và đùn qua đầu phun thành từng lớp chồng lên nhau, dần dần tạo thành vật thể 3D hoàn
chỉnh. Ở công nghệ FDM, sợi nhựa (1) được dẫn đùn bởi đầu đùn (2) để đùn lên vật thể in (4),
đầu đùn (3) di chuyển theo mặt phẳng ngang (theo trục X, Y) so với bàn in (6) để điều khiển vị
trí mà nhựa sẽ đùn ra. Bàn in (6) sẽ di chuyển lên xuống theo trục Z để đầu đùn (3) in các lớp
in tiếp theo. Đối với những vị trí in đặc biệt (in không có vật liệu sẵn bên dưới), thì phải in thêm
phần in hỗ trợ (Support) (5) để có thể in được những vị trí đặc biệt này. Phần in Support được
thiết kế để dễ dàng bóc tách khỏi vật thể in khi vật thể in xong.
Công nghệ in 3D FDM hiện là công nghệ in 3D giá thành rẻ nhất hiện nay, cho ra vật thể
in bằng nhựa, chi phí nguyên vật liệu rẻ, đa dạng. Nhược điểm của công nghệ in này là tốc độ
chậm, độ chính xác không bằng các công nghệ in khác, độ chi tiết của vật thể thấp, dẫn tới bề
mặt vật thể khá thô, không mịn.

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo chung của máy in 3D theo công nghệ FDM

11


Máy in 3D theo công nghệ FDM có cấu tạo như hình 1.1. Khi bắt đầu quá trình in, máy
in sẽ gia nhiệt ở kim phun (2) và bàn in (6) lên nhiệt độ thích hợp để có thể in, nhiệt ở kim phun
sẽ được gia nhiệt lên đến tầm 200oC (nhiệt độ in của nhựa PLA) và bàn in được gia nhiệt đến
60oC (Nhiệt độ chuyển thể của PLA), sau khi quá trình gia nhiệt hoàn tất, đầu phun sẽ di chuyển
về vị trí gốc 0 (Home) rồi bắt đầu thực hiện quá trình cân bàn in (Bed Leveling), là quá trình
đảm bảo cho mặt phẳng chứa bàn in nằm song song với mặt phẳng mà kim phun di chuyển. Sau
khi quá trình cân bàn in hoàn tất, kim phun sẽ di chuyển xuống gần sát bàn in, thông thường là
90% độ cao của lớp in bình thường, để nhựa in ra được ép chặt xuống bàn in đảm bảo vật in sẽ
dính chặt vào bàn in trong quá trình in, đồng thời khi vật in được bóc ra khỏi bàn in sẽ có lớp
mặt in đẹp.
Đối với vật liệu in cho máy in 3D (Hình 1.2) theo công nghệ FDM in nhựa, sẽ có 3 giá trị

nhiệt độ mà ở đó ta cần quan tâm, đó là nhiệt độ in, nhiệt độ bàn in và nhiệt độ chuyển thể.
Nhiệt độ in là khoảng nhiệt độ mà ta gia nhiệt kim phun (3) lên để máy có thể thực hiện quá
trình in, đối với PLA nhiệt độ in là từ 195 oC đến 230oC, ở nhiệt độ này, nhựa in chuyển sang
trạng thái lỏng. Nhiệt độ bàn in là nhiệt độ mà ta gia nhiệt cho bàn nhiệt của máy in lên đến giá
trị nhiệt độ đó, thường trong khoảng nhiệt độ chuyển thể của vật liệu đó. Nhiệt độ bàn in thường
không cao quá nhiệt độ chuyển thể vì nếu để nhiệt độ bàn in quá cao sẽ dẫn đến vật in không
nguội kịp, làm cho lớp nhựa tiếp theo chồng lên sẽ không đúng chỗ, dẫn tới vật in sẽ không
đảm bảo độ cứng cũng như ngoại quan. Giá trị nhiệt độ chuyển thể là nhiệt độ mà ở đó vật in
bắt đầu chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng, làm cho vật in tồn tại mềm dẻo. Giá trị
nhiệt độ chuyển thể này là giá trị cực kì quan trọng để người dùng có thể chọn loại nhựa thích
hợp cho nhu cầu của họ, ví dụ đối với những vật trang trí hoặc giá đỡ, người dùng có thể chọn
vật liệu in PLA do vật trang trí thường không cần chịu nhiệt độ cao (Nhiệt độ chuyển thể của
PLA vào khoảng 55oC đến 60oC), hoặc đối với những vật cần chịu nhiệt cao như vật để ngoài trời hoặc
chụp đèn … thì thường chọn ABS vì nhiệt độ chuyển thể của PLA vào khoảng 110oC.

Hình 1.2 Nhựa in dành cho máy in 3D theo công nghệ FDM [2]

12


Lưu đồ thuật toán của máy in 3D theo công nghệ FDM (Hình 1.3):

Hình 1.3 Lưu đồ công nghệ của máy in 3D theo công nghệ FDM

13


1.1.2 Công nghệ in SLA/DLP [3]

Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo chung của máy in 3D theo công nghệ SLA/DLP


SLA (Stereolithography) hoặc DLP (Digital Light Processing) (Hình 1.4) là công nghệ in
3D dựa trên nền tảng chất cảm quang (Resin). Công nghệ này sử dụng chất cảm quang làm vật
liệu in, đóng rắn bằng ánh sáng, công nghệ in này cũng đóng rắn theo lớp giống công nghệ
FDM. Đối với công nghệ SLA, ánh sáng sử dụng để đóng rắn bằng tia laser, còn đối với công
nghệ DLP, ánh sáng này sử dụng ánh sáng từ máy chiếu. Chất cảm quang (Resin) (1) được chứa
trong một buồng chứa (2) gắn cố định, tia laser (3) được chiếu từ nguồn phát (4) (Đối với DLP,
nguồn phát (4) này sẽ là máy chiếu DLP), laser chiếu vào Resin (1) sẽ đóng rắn Resin này, bám
vào vật thể in (5).
Ở công nghệ in SLA hoặc PLP, do vật liệu in là chất cảm quang được đóng rắn bằng ánh
sáng, do đó không cần phải gia nhiệt bất cứ bộ phận nào, mà sẽ sử dụng tia laser hoặc đèn chiếu.
Đối với công nghệ SLA, tia laser được phát ra từ nguồn phát, sẽ được điều hướng thông qua
các lăng kính được gắn động cơ để điều khiển vị trí mà tia laser được chiếu tới. Đồng thời tia
laser sử dụng ở máy SLA được hội tụ tại bề mặt chất cảm quang có đường kính rất nhỏ, khoảng
tầm 1  2um[4], đo đó máy in SLA có thể in ra vật in có độ chi tiết rất cao so với máy FDM
(Hình 1.5).

14


Hình 1.5 Vật in được in trên máy SLA [5]

Tương tự như công nghệ SLA, công nghệ DLP sử dụng màn hình LCD hoặc máy chiếu
thay cho tia laser. Ưu điểm của máy in DLP so với SLA là dễ điều khiển, độ chính xác cao, tốc
độ nhanh, ngoài ra máy DLP còn có một ưu điểm lớn là thời gian in phụ thuộc vào chiều cao
của khối vật in, không phụ thuộc vào thể tích, còn thời gian in của SLA thì phụ thuộc vào thể
tích, có nghĩa là, nếu máy DLP in một vật thể trong 10 phút, thì nó có thể in 10 cái sắp xếp trên
cùng 1 mặt phẳng cũng trong 10 phút. Tuy nhiên máy DLP lại có nhược điểm lớn về mặt kích
thước, do máy in sử dụng màn LCD để đóng rắn chất cảm quang, do đó độ phân giải của vật in
ra hoàn toàn phụ thuộc vào độ phân giải của màn hình LCD, nếu với cùng độ phân giải màn

hình mà thể tích in lớn (DPI lớn), thì vật in ra sẽ thô hơn so với thể tích nhỏ (DPI nhỏ), SLA
không bị hạn chế về mặt này, đó là lý do vì sao máy DLP thường chế tạo có kích thước theo 2
trục X, Y rất nhỏ để tăng chỉ số DPI, vật in ra độ mịn rất cao.
Dòng máy in SLA/DLP có ưu điểm so với FDM là vật in ra có độ mịn lớn, vật in đẹp, tuy
nhiên chất cảm quang sử dụng cho máy in có giá thành rất đắt (650 nghìn đồng cho 500g) so
với nhựa in của máy FDM (250 nghìn đồng cho 1kg).

15


1.1.3 Công nghệ in SLS/SLM[6]

Hình 1.6 Sơ đồ cấu tạo chung của máy in 3D theo công nghệ SLS/SLM

SLS/SLM (Hình 1.6) (Selective Laser Sintering/ Selective Laser Melting) là công nghệ in
3D sử dụng tia laser làm chảy vật liệu in (Bột mịn), vật liệu in nóng chảy được kết dính theo
từng lớp hình thành vật thể 3D. Tia laser công suất cao từ nguồn phát sẽ được chiếu vào máy
quét (Scanner System), máy quét làm nhiệm vụ lái tia laser này đến vị trí chính xác cần nung
chảy.
Máy in SLS/SLM gồm 2 buồng chứa vật liệu in (Bột in), buồng bên phải là nơi mà vật in
được tạo thành, tia laser chiếu vào mặt trên của buồng, làm chảy vật liệu in, bám vào vật đang
được in (Object being fabricated). Sau khi một lớp in được hoành thành, bàn in của buồng bên
phải sẽ dịch xuống một khoảng cách bằng độ cao 1 lớp in, tương tự buồng bên trái sẽ dịch lên
cũng một khoảng cách như vậy, con lăn (Roller) sẽ gạt bột in từ buồng bên phải qua buồng bên
trái, tạo một bề mặt in mới, và lớp in mới lại bắt đầu. Sau khi quá trình in hoàn thành, vật in ở
buồng bên trái sẽ được lấy ra thổi sạch bụi còn bám lại trên bề mặt vật in. In 3D sử dụng công
nghệ SLS/SLM thường được dùng để in những loại vật liệu như bột thủy tinh, gốm, bột kim
loại như nhôm, sắt, titan, đồng …
1.2 Một số loại vật liệu in 3D cho máy in FDM thông dụng
Bảng 1.1 Bảng các vật liệu in 3D FDM[7][8]

NO
.

Filament

Glass Transition Printing
Temperature
Temperature

Heatbed
Temperature

Đặc điểm

01

Nhựa PLA

55oC đến 60oC

0-60oC

Chịu nhiệt kém,
dễ in, khi in ra bề
mặt đẹp, độ cứng
thấp

195-230oC

16



02

Nhựa ABS

110oC

220-250oC

80-110oC

Chịu nhiệt tốt,
khó in, sản phẩm
in ra bề mặt khá gồ
ghề, độ cứng cao

03

Nhựa
PET/PETG

88oC

235-255oC

40-70oC

Chịu nhiệt tốt, dễ
in ấn, bám dính rất

tốt, bề mặt in đẹp,
độ cứng cao

04

Nhựa TPE

100oC

210-230

35-65

Nhựa dẻo

05

Nhựa TPU

-53.5 đến -28oC

240-260oC

40-60

Nhựa đàn hồi

06

Nhựa gỗ


55oC đến 60oC

190-250oC

20-40

Tồn tại tầm 510% bột gỗ

07

Nhựa kim loại

55oC đến 60oC

220-250oC

40-60

Tồn tại tầm 510% bột kim loại

08

Carbon
Fiber

Nền
PLA

55oC đến 60oC


195-220oC

0-60oC

Nền
PETG

88oC

235-255oC

40-70oC

Sợi nhựa có thêm
sợi carbon làm
tăng độ bền vật
liệu

09

Nhựa ASA

110oC

240-260

80-110

10


Nhựa PP

100oC

235-265

100-120

Sử dụng đối với
các ứng dụng về
chứa đựng thực
phẩm

11

Nhưa
phát
quang

Nền
PLA

55oC đến 60oC

195-220oC

0-60oC

Phát quang trong

bóng tối

Nền
PETG

88oC

235-255oC

40-70oC

Nền
TPU

100oC

240-260oC

40-60

12

Nylon

47oC

240-270

60-80


13

Nhựa PC

147oC

270-310

115-145

Chịu nhiệt cao, độ
cứng tốt, thường
sử dụng làm vật
liệu cơ khí

14

Nhựa
Glass

230-260

50-70

Độ
bền
tốt,
thường sử dụng để
hỗ trợ tăng cường
độ bền cho vật in


Fiber

17


15

Nhựa dẫn điện

16

Nhựa PVA

17

Nhựa HIPS

55oC đến 60oC

100oC

210-230

40-60

Có thể dẫn điện,
tuy nhiên chỉ ứng
dụng với tải nhỏ


220-240

45-65

Có thể hòa tan
trong
nước,
thường được sử
dụng làm vật đỡ
trong quá trình in

220-240

40-60

1.3 Một số loại cơ cấu cơ khí của máy in 3D theo công nghệ FDM
1.3.1 Cơ cấu Cartesion
1.3.1.1 Cơ cấu Prusa
Cơ cấu Prusa (hình 1.7) sử dụng 3 đến 4 động cơ cho 3
trục X, Y, Z, trong đó: Đầu đùn được di chuyển theo trục X,
và được điều khiển bởi 1 động cơ bước. Toàn bộ trục X được
di chuyển theo trục Z (di chuyển lên xuống) và được điều
khiển bởi 1 hoặc 2 động cơ bước đồng bộ với nhau (Dual Z).
Bàn in được gắn liền với trục Y và được điều khiển bởi 1 động
cơ bước.
Ưu điểm:
 Kích thước nhỏ gọn.
 Chi phí xây dựng rẻ.
 Dễ xử lí lỗi về mặt cơ khí.


Hình 1.7 Máy in 3D của
hãng Prusa[9]

Nhược điểm:
 Gia tốc chậm do trục Y là bàn in nặng, nếu gia tốc nhanh dễ dẫn đến trượt bước.
 Khó đóng hộp làm buồng kín nhiệt.
1.3.1.2 Cơ cấu CoreXY
Cơ cấu CoreXY (Hình 1.8) sử dụng 3 đến 4
động cơ cho 3 trục X, Y, Z trong đó đầu đùn được
gắn trên trục X, cả toàn bộ trục X được di chuyển
theo trục Y. Cơ cấu CoreXY sử dụng hệ dây đai như
hình 1.7, từ đó 2 động cơ phối hợp với nhau điều
khiển đầu đùn theo 2 trục X và Y, Khi 2 động cơ
quay cùng chiều, cùng tốc độ, đầu đùn di chuyển

Hình 1.8 Đi dây đai cho máy in theo cơ cấu
CoreXY[10]

18


theo trục Y, khi 2 động cơ quay ngược chiều, cùng tốc độ, đầu đùn sẽ di chuyển theo trục X.
Bàn in được gắn với trục Z, chỉ di chuyển lên xuống.
Ưu điểm:
 Gia tốc in lớn do trục X, và Y khá nhẹ.
 Dễ đóng hộp làm buồng kín nhiệt (Ưu điểm khi in những vật liệu dễ co như ABS).
Nhược điểm:
 Chi phí xây dựng cao hơn.
 Kích thước cồng kềnh, tuy nhiên lại được lợi hơn về mặt cơ khí đối với những máy in
khổ lớn.

1.3.1.3 Cơ cấu HBot
Cơ cấu H-Bot có cấu tạo tương tự như CoreXY, tuy nhiên kiểu căng đai truyền động của
H-Bot có nhược điểm là 1 đoạn dây căng đai đi qua 2 động cơ XY, do đó nếu động cơ bước có
sự sai lệch do chế tạo hoặc do cài đặt, dễ dẫn tới sự trượt bước do dây đai bị kéo dãn.
1.3.2 Cơ cấu Delta
Cơ cấu Delta (Hình 1.9) sử dụng 3 động cơ bước cho 3 trục
XYZ, không giống với cơ cấu Cartesion, cơ cấu Delta có hành trình
in hình trụ (bàn hình tròn). 3 động cơ bước của máy Delta hoạt động
phối hợp với nhau điều khiển đầu đùn theo 3 trục XYZ.
Ưu điểm:
- Tốc độ in cực nhanh.
- Giá thành gia công rẻ.
Nhược điểm:
- Khó căn chỉnh.
- Khó xử lý lỗi.

Hình 1.9 Máy in theo cơ
cấu DELTA[11]

- Không được lợi về chiều cao.
1.3.3 Cơ cấu SCARA
Cơ cấu SCARA (Hình 1.10) là cơ cấu sử dụng cánh tay robot để
điều khiển đầu đùn đến tọa độ thích hợp. Cơ cấu này sử dụng 1 động
cơ để hoặc di chuyển bàn in hoặc di chuyển toàn bộ trục XY theo
phương trục Z. 2 động cơ sẽ phối hợp với nhau điều khiển đầu đùn
theo 2 phương X và Y.
Hình 1.10 Máy in theo
cơ cấu SCARA[12]

19



1.4 Một số loại máy in 3D thông dụng[13]
 Original Prusa I3 Mk3[9] (Hình 1.11)
Công nghệ in: FDM
Khổ in: 250*210*200mm
Vật liệu in: PLA, ABS, PET, HIPS, Flex, Carbon Fiber,
PC, …
Kết nối Wifi
Hỗ trợ LCD và thẻ nhớ
Hình 1.11 Máy Original
Prusa I3 Mk3

 Tevo Tarantula[14] (Hình 1.12)
Công nghệ in: FDM
Khổ in 200x200x200mm
Vật liệu in: PLA, ABS, PETG, PVA, Wood, Flex
Hỗ trợ LCD và thẻ nhớ

Hình 1.12 Máy Tevo Tarantula

 Creality3D CR10S[15] (Hình 1.13)
Công nghệ in: FDM
Khổ in 400x400x400mm
Vật liệu in: PLA, ABS, PETG, PVA, Wood, Flex
Hỗ trợ LCD và thẻ nhớ

Hình 1.13 Máy Creality3D CR10S

 Wanhao Duplicator I3[16] (Hình 1.14)

Công nghệ in: FDM
Khổ in 200x200x180mm
Vật liệu in: PLA, ABS, PETG, PVA, Wood
Hỗ trợ LCD và thẻ nhớ
Hình 1.14 Máy Wanhao Duplicator I3

20


 Ultimaker 3[17] (Hình 1.15)
Công nghệ in: FDM
Khổ in 215x215x200mm
2 đầu đùn
Vật liệu in: PLA, ABS, PETG, PVA, Wood, CPE, PC, TPU,
PP, PVA
, Nylon
Hỗ trợ LCD, USB, LAN, Wifi
Hình 1.15 Máy Ultimaker 3

 Wanhao Duplicator 7[18] (Hình 1.16)
Công nghệ in: DLP
Khổ in 120x68x200mm
Vật liệu in: Resin
Hỗ trợ LCD, SD Card

Hình 1.16 Wanhao Duplicator 7

 Tevo Little Monster[19] (Hình 1.17)
Công nghệ in: FDM
Khổ in 340x340x500mm

Vật liệu in: PLA, ABS, Flexible PLA, HIPS, WOOD, PVA,
Nylon
Hỗ trợ LCD, USB, SD Card

Hình 1.17 Máy Tevo Little Monster

1.5 Mục tiêu của đề tài
Sau khi thực hiện khảo sát qua các dòng máy trên thị trường, kết hợp với ưu điểm, nhược
điểm của các dòng máy in và một số các cơ cấu máy in, em đưa ra lựa chọn mục tiêu cho đề tài
của em. Em xin đặt ra một số mục tiêu cho máy in được chế tạo như sau:
-

Máy sử dụng khung nhôm định hình
Máy sử dụng công nghệ in FDM
Cơ cấu khung máy CoreXY
Khổ in: 200x200x250mm.
Kim phun mặc định: 0.4mm.

- Bàn nhiệt kích thước lớn hơn 200x200mm, gia nhiệt lên 120oC trong 4 phút.

21


-

Hỗ trợ GLCD và thẻ nhớ.
Vật liệu in: PLA, TPU, TPE, Carbon Fiber, PETG.
Tốc độ di chuyển: 100mm/s.
Tốc độ in: 20-80mm/s.
Gia tốc in 50mm/s2.


22


CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO MÁY IN 3D
2.1 Mô phỏng 3D và trình tự thiết kế chế tạo máy in 3D
Quá trình thiết kế chế tạo máy in 3D được vẽ và mô phỏng 3D trên phần mềm SolidWorks
2016 SP2. Mô phỏng 3D của máy in 3D theo công nghệ FDM với cơ cấu CoreXY như hình
2.1. Các chi tiết máy in 3D trên hình 2.1:

Hình 2.1 Mô phỏng máy in 3D bằng SolidWork 2016

Phần điện (Màu xanh)

Phần cơ khí (Màu đỏ)













Động cơ trục X và Y (1)
Động cơ đùn nhựa (2)

Động cơ trục Z (3)
Bộ gia nhiệt (4)
Bàn nhiệt (5)

Khung nhôm định hình (1)
Bộ dây đai (2)
Bộ gá động cơ trục X và Y (3)
Bộ gá động cơ trục Z (4)
Bộ gá đỡ trục trượt cho trục Y (5)

23