KiMe - Tác phẩm điêu khắc kinetic in 3D hoàn toàn

01. Giới thiệu

Dự án này bắt đầu cách đây hai năm với mục tiêu tạo bất ngờ cho bạn gái mình vào dịp sinh nhật. Cô ấy rất thích mấy kiểu tượng động như vầy, còn mình thì mê 3d printing, nên mình nghĩ đây đúng là “cặp đôi hoàn hảo”. Sau quá nhiều lần thử đi thử lại và cũng không ít lần thất bại, cuối cùng mình cũng vui mừng chia sẻ thiết kế hoàn chỉnh này cho tất cả mọi người cũng yêu thích những món đồ cơ khí chuyển động.

Trước khi bắt đầu: Mẫu này được lấy cảm hứng rất nhiều từ tác phẩm của David C. Roy (xin ghi công cho anh ấy ở đây) và mình đặt mục tiêu làm sao để có thể 3d printable tối đa. Sau vài lần thử, mình nhận ra việc in trục (shaft) và cả vòng bi (bearings) cho các phần chuyển động bằng PLA là không ổn vì độ cứng thấp và ma sát tạo ra quá nhiều. Vì vậy, hiện tại mình vẫn chưa thể thay trục kim loại và ball bearings bằng đồ in 3D được. Tuy nhiên, thiết kế này không cần lò xo xoắn kim loại bên ngoài để tích năng lượng, cũng không cần nam châm neodymium để nhả năng lượng đúng cách. Toàn bộ cơ cấu (mechanism) là 3d printable, khác với các thiết kế có sẵn, nên việc lắp ráp sẽ “dễ tiếp cận” hơn cho nhiều người.

Thông số:

• Kích thước:                          ~830x830x100mm (cao x rộng x sâu)
• Số lượng chi tiết:                  93
• Thời gian in:                    ~135h (trên 1 máy Prusa Mini với profile mặc định 0.2mm SPEED)
• Thời gian chạy:                     8-12 phút (tùy mức tăng tốc lúc quay & chất lượng bearings)
• Khối lượng:                       ~2kg (riêng phần cánh ~1.35-1.5kg)
• Độ hút mắt:                      10/10

Video:

02. Linh kiện & In ấn

Tất cả chi tiết đều được thiết kế để vừa và có thể in trên Prusa Mini mà không cần support. Do dung sai (tolerance) của mẫu khá sát và mình đã chỉnh để “khớp” đúng với máy của mình, nên có thể với máy của bạn sẽ bị quá chặt hoặc quá lỏng (mình không có máy thứ hai để kiểm chứng). Trường hợp đó, cách sửa đơn giản là scale từng chi tiết lên hoặc xuống khoảng 0.01% trong Prusa Slicer trước khi slice. Làm vậy thì bạn gần như luôn đảm bảo được độ khớp.

Danh sách chi tiết

Tất cả các chi tiết bên dưới được in bằng PLA với thiết lập mặc định trên Prusa Mini với layer height 0.2mm. Chỉ có vài chỉnh sửa:

• 3 perimeters thay vì 2 (vì nhiều chi tiết chịu lực cắt/shear)
• 10% infill

Bản của mình dùng Pulox Wood PLA cho phần cánh và Amazon Basics PLA cho các chi tiết còn lại. Tổng cộng bạn sẽ cần khoảng 2kg filament; riêng phần cánh đã cần tầm 1.5kg (khoảng 1.5 cuộn) rồi. Vậy nên nhớ để dành/đặt 2 cuộn cùng màu chỉ cho phần cánh.

a. Tổng quan

  b. Chi tiết in 3D

Số lượng

Tên chi tiết

Mô tả

1x

01-Rotary_disc_back

đĩa sau, là phần “housing” chứa gear và giao tiếp với các cánh

1x

02-Rotary_disc_front

đĩa trước, nơi gắn các cánh vào

1x

03-Release_disc

đĩa nằm giữa đĩa trước và đĩa sau, thỉnh thoảng nhả năng lượng đã tích

1x

04-Lever_back

cần gạt gắn lên đĩa sau, ngăn không cho release disc quay

1x

05-Lever_front

cần gạt gắn lên đĩa trước, kích hoạt việc nhả năng lượng

12x

06-Spring_gear_type_1

lò xo dùng để tích năng lượng trong hệ thống bằng cách vặn theo chiều kim đồng hồ

12x

07-Spring_gear_type_2

lò xo dùng để tích năng lượng trong hệ thống bằng cách vặn ngược chiều kim đồng hồ

3x

08-Spring_gear_clip

kẹp cố định cụm spring-gear-stack vào đĩa sau

1x

09-Disc_endcap

nắp ở đầu thanh ren trên một con ê-cu, giữ mọi thứ cố định

30x

10-Wing_Part_1

phần trong của cánh, gắn vào các đĩa

30x

11-Wing_Part_2

phần ngoài của cánh, nối với part 1

  c. Linh kiện ngoài

Số lượng

Tên linh kiện

Mô tả

3x

608 ball bearing (8x22x7mm)

nhớ mua loại ma sát thấp (không bôi trơn hoặc dạng open housing)

1x

M8x110mm threaded rod

loại 120mm cũng được tùy độ sâu lỗ bắt

3x

M8 (self-locking) nut

ít nhất 1/3 số ê-cu nên là self-locking (DIN 985, cao 8mm), 2 cái còn lại có thể là thường

1x

thứ gì đó để gắn thanh M8 vào

insert bắt vít, drive-in nut, v.v.

d. (tùy chọn) Cách lắp/mount

Nếu muốn một lựa chọn treo tường khác, omgwtflolbbq có thiết kế riêng một bộ giúp việc treo dễ hơn.

Nếu bạn không thể hoặc không muốn treo lên tường, xem thêm . 

03. Lắp ráp

a. Lắp đủ 30 cái cánh bằng cách nối part 1 với part 2. Để qua một bên dùng sau.

b. Lấy một spring gear type 1 và nối nó bằng chốt giữa vào mặt sau của spring gear type 2 (xem hình giữa). Lặp lại thêm 11 lần.

c. Lấy một cụm gear vừa lắp và chồng lên một cụm khác. Lặp lại thêm 2 lần cho tới khi bạn có một “gear-tower” gồm tổng cộng 8 gear (xem hình bên phải). Làm tương tự để lắp 2 tower còn lại.

d. Lấy back rotary disc và ép 2 ball bearings vào, một cái từ mặt trước và một cái từ mặt sau.

e. Lấy 15 cánh trong đống cánh đã lắp ở bước a., gắn từng cái vào back rotary disc bằng cách trượt vào các khe. Nhớ để đầu hẹp của cánh quay đúng hướng như hình dưới.

f. Đặt 3 gear-towers từ bước c. vào back rotary disc. Đảm bảo các chốt phía sau thẳng hàng với gear dưới cùng để khi thử xoay từ bên ngoài thì nó không quay được nữa.

g. Dùng 3 spring gear clips để cố định các gear như hình dưới.

h. Ép ball bearing cuối cùng vào front rotary disc.

i. Lắp front lever ở mặt trong của front rotary disc sao cho đầu nhọn chìa ra ngoài (xem hình).

j. Lấy 15 cánh còn lại và gắn vào đĩa tương tự bước e. Đảm bảo hướng cánh đúng như hình bên dưới.

k. Chuẩn bị vị trí bạn muốn gắn tượng (tường hoặc ) bằng cách khoan lỗ và đóng một drive-in nut (ví dụ). Vặn threaded rod vào khoảng 10mm và cố định bằng cách siết một ê-cu M8 ép sát vào tường/stand.

l. Trượt back rotary disc vào thanh ren và đẩy vào hết cỡ.

m. Gắn release disc vào thanh ren và vào trong back rotary disc. Cố định bằng self-locking nut nhưng nhớ chừa một chút để nó vẫn quay trơn. Siết quá chặt sẽ làm hiệu năng tổng thể tệ đi do ma sát tăng.

n. Lắp back lever lên back rotary disc sao cho mặt nhô lên hướng về phía bạn. Xoay release disc nhẹ để nó tì vào lever như hình dưới.

o. Trượt front rotary disc vào thanh ren và đẩy xuyên vào cho tới khi chạm vào self-locking nut. 

p. Chuẩn bị endcap bằng cách nhét một ê-cu M8 vào phần khoét như hình dưới.

q. Vặn endcap vào thanh ren và siết chặt sát front rotary disc. Giờ mọi thứ đã cố định và tượng của bạn sẵn sàng quay lần đầu (nhớ đọc mục 04 trước nha)!

04. Khởi động

Trong lúc giữ cẩn thận một cánh của back rotary disc, tay còn lại bạn xoay front rotary disc theo chiều kim đồng hồ. Ngay khi front lever trượt xuống dưới back lever, nó sẽ móc vào release disc và bắt đầu lên cót (winding) cho lò xo. Đếm số lần bạn nghe tiếng “click” do back lever trượt qua release disc và dừng việc lên cót trễ nhất ở tiếng click thứ 20 (tương đương 5 vòng quay của front rotary disc; mình thường chỉ làm 4.5 vòng cho an toàn). Lên cót nhiều hơn lúc này có thể làm hư hoặc làm biến dạng lò xo vĩnh viễn. Giờ bạn chỉ cần đẩy nhẹ hai cái đĩa (đĩa sau theo chiều kim đồng hồ và đĩa trước ngược chiều kim đồng hồ), rồi ngả người ra và tận hưởng chuyển động của tác phẩm.

Để dễ hình dung, bạn xem gif ở bên phải.

05. Lỗi thường gặp và cách xử lý

a. Release disc không quay mượt.

• Cách xử lý: Cho nó quay vài lần bằng cách lên cót lò xo rồi nhả ra bằng cách nhấc lever lên. Nhưng cẩn thận đừng thò tay vào release disc lúc đang quay nha! Nếu vẫn không hết, thử nới self-locking nut ra một chút.

b. Front lever cạ vào back lever. 

• Cách xử lý: Khả năng cao là lắp chưa đúng. Đẩy chúng vào hết cỡ trên chốt lắp và đảm bảo chúng quay song song với nhau. Nếu vẫn không được, kiểm tra lại xem back disc và front disc có thẳng hàng chưa. 

c. Front lever bị rung (resonate) khi trượt qua back lever.

• Cách xử lý: Dù lỗi này đáng ra không còn nữa, bạn chỉ cần bẻ front lever hơi hướng ra ngoài một chút. Nhưng đừng bẻ quá tay, không là gãy luôn đó.

d. Back disc bị ma sát quá lớn, quay chậm lại quá nhanh hoặc bị kẹt.

• Cách xử lý: Kiểm tra ball bearings có quay trơn khi dùng tay xoay thử không. Nếu ổn mà vẫn bị, nới self-locking nut ra một chút để giảm ma sát ở release disc.
• Để biết hệ của bạn đang “ngon” tới đâu, bạn có thể dùng mốc tham chiếu dưới đây: Tháo front rotary disc ra và canh chốt gắn back lever (ô đỏ) sao cho nó ở vị trí đối ngược với điểm nghỉ bình thường (mốc 0°). Bỏ tay ra, để nó tự do quay về bên trái và quan sát nó đi được bao xa trước khi chạm điểm đảo chiều. Tới vạch vàng (270°) là chấp nhận được, còn qua vạch xanh là lý tưởng. Ít hơn mức đó thì cần cân chỉnh lại (nới ê-cu, thay hoặc vệ sinh bearings). 

06. Lưu ý

Cuối cùng, có vài điểm bạn nên để ý:

1. Đừng lên cót quá mức: Như đã nói ở mục 04., xoay front rotary disc không quá 5 vòng khi lên cót. Không là có thể gãy hoặc bị biến dạng.
2. Đừng thò tay vào phần đang chuyển động: Đừng chụp vào cả hai đĩa đang quay cùng lúc, và đặc biệt đừng đưa tay vào release disc khi lò xo đã được nạp đầy và bạn gạt lever ra bằng tay. Nó có thể quay khá nhanh nên đập trúng tay là đau lắm.
3. Bearings tốt là yếu tố quyết định: Ball bearings càng tự quay trơn thì về sau khi tượng chạy càng ít hao năng lượng do ma sát. Nhờ vậy thời gian chạy lâu hơn, coi đã hơn!

Mong sớm được thấy thành phẩm của mọi người. Chúc bạn làm vui!

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

Changelog

15.10.2022 - Thêm file .step và ước tính lượng filament cần dùng dựa trên trải nghiệm của mình

20.10.2022 - Thêm chamfer cho spring gears để in đẹp hơn & lắp dễ hơn

25.10.2022 - Tinh chỉnh rotary disc front bằng cách bỏ các vách mỏng ở phần khoét bearing phía trước

26.02.2023 - Thêm tham chiếu tới .

02.03.2023 - Thêm vào manual thiết kế của omgwtflolbbq “”