Máy phay CNC nhỏ gọn tự in 3D (PCB-CNC)

Đây là một chiếc máy phay CNC để bàn nhỏ gọn, được in 3D chủ yếu dành cho bất kỳ ai muốn thử sức xem liệu mình có hợp với việc vận hành máy CNC hoặc máy khắc hay không. Sẽ rất lý tưởng nếu bạn đã có sẵn một vài linh kiện cần thiết như động cơ bước, bộ nguồn,... để tận dụng.

Tôi đã muốn tự xây dựng một chiếc máy phay hoặc máy khắc CNC từ lâu. Đơn thuần vì tò mò về kỹ thuật, tôi không nghĩ ra ứng dụng thực tế nào khác ngoài việc khắc mạch in (PCB). Vì vậy, tôi muốn nó phải thật tiết kiệm chi phí nhưng vẫn sở hữu những tính năng tốt nhất có thể. Từ đó, tôi nảy ra ý tưởng thiết kế một chiếc máy CNC với càng nhiều bộ phận in 3D càng tốt để giảm giá thành. Tất cả các chi tiết đều vừa vặn với bàn in (220mm x 220mm) trên chiếc máy in 3D của tôi.

Kết quả là một chiếc máy với thông số như sau:

• Vùng làm việc (xyz): 120 x 120 x 60 mm
• Khung máy (xyz): 275 x 275 x 320 mm
• Động cơ: DC motor, 24V, 200W, đường kính 52mm
• Spindle: 10000rpm
• Trục: 3 x NEMA17
• Bộ điều khiển: Arduino Uno kèm GRBL shield
• Firmware: GRBL 1.1
• Tính năng đặc biệt: cơ chế chống rơ (backlash), công tắc hành trình (end stop), quản lý dây cáp
• Vật liệu hỗ trợ: Acrylic, gỗ, nhựa PVC, mạch PCB và có thể là một số kim loại mềm

Chi phí nếu bạn phải mua mới hoàn toàn: khoảng 160$ - 200$.

Kết cấu

Phiên bản hiện tại khá cứng cáp, tôi sử dụng nhựa PLA cho khung vì đây là loại nhựa cứng và ổn định. Tác động nhiệt lên các thành phần này rất thấp, vì vậy PLA rất phù hợp và cũng là loại vật liệu rẻ tiền. Các thanh dẫn hướng đường kính 10mm ở trục X và Y cùng với chiều dài ngắn cũng góp phần tạo nên sự ổn định. Ngoài ra, tôi cũng đã cung cấp các file tương ứng cho những ai đã có sẵn thanh dẫn hướng 8mm.

Với phiên bản đầu tiên, tôi quyết định vặn vít trực tiếp vào nhựa mà không dùng tán chìm nhiệt (heatset inserts). Với các loại vít nhỏ, bạn có thể vặn thẳng vào nhựa mà không cần taro trước. Vì ốc vít sẽ nóng lên khá nhiều khi vặn lần đầu, tôi khuyên bạn nên đợi một chút cho nguội bớt trước khi siết chặt. Các lỗ ren M5 thì nên được taro trước.

Tính năng

Tôi lắp các công tắc hành trình (tùy chọn) bằng tấm đệm adapter, giúp việc thiết lập điểm kích hoạt khá dễ dàng. Nếu dùng loại công tắc khác, bạn có thể chỉnh sửa các tấm adapter này một cách đơn giản. Thực tế cho thấy dây cáp của công tắc hành trình rất dễ bị nhiễu. Tôi đã khắc phục bằng cách sử dụng cáp âm thanh có bọc chống nhiễu và cách ly tín hiệu bằng optocoupler theo hướng dẫn 'Wiring Limit Switches' trong wiki của GRBL.

Việc sử dụng đai ốc chống rơ cũng là tùy chọn. Nếu dùng loại này, tôi thấy lò xo đi kèm khá yếu. Tốt nhất là bạn nên thay bằng lò xo cứng hơn cùng kích thước.

Việc quản lý dây cáp được thực hiện bằng xích nhựa trên trục X và các lỗ xỏ dây rút trên tấm hông máy.

Bộ điều khiển

Tôi sử dụng Arduino Uno kèm GRBL shield và driver điều khiển động cơ bước A4988. Tôi sẽ không hướng dẫn chi tiết về phần đấu nối ở đây. Tôi tin rằng bất cứ ai xây dựng máy kiểu này đều đã biết mình đang làm gì hoặc có khả năng tự tìm hiểu các hướng dẫn có sẵn trên Internet.

Các bộ phận in 3D

Với các bộ phận chịu lực, bạn nên đảm bảo độ dày thành (perimeter) từ 1.6mm - 2mm trở lên. Đừng quên các lớp ngang (horizontal layers) cũng cần độ dày tương tự. Các bộ phận chịu lực bao gồm: Base-Frame, SidePanel_Left, SidePanel_Right, RearStrut, Y-Sled, X-Sled, Z-Sled, X-Sled_BottomPlate và X-Sled_TopPlate. Bạn có thể dùng PLA cho hầu hết các bộ phận để đạt độ cứng cần thiết. Riêng các thanh trượt X, Y và Z tôi in bằng PETG vì đây là nơi xảy ra nhiều rung chấn nhất và vật liệu này hấp thụ rung động tốt hơn.

Tệp tin

Tất cả các bộ phận in 3D đều có sẵn dưới dạng file STL và STEP. File STL đã được xoay sẵn để in. Ngoài ra còn có danh sách vật tư (BOM.txt) và bản lắp ráp định dạng STEP với đầy đủ ốc vít, giúp bạn có cái nhìn tổng quan về dự án. Bạn cũng có thể thoải mái sử dụng các file STEP để tùy biến theo ý thích.