Xem mẫu
- CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH
I. GIỚI THIỆU
Ngày nay trên thị trường hàng hoá cạnh tranh thay đổi mẫu mã luôn đòi hỏi phải
rút ngắn quá trình thiết kế, chế tạo sản phẩm. Vì vậy công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid
Prototyping Technology - RPT) trở thành vấn đề thời sự. Có thể tạo ra sản phẩm nhanh
bằng 3 cách: gia công nhanh, tạo ra khuôn nhanh và tạo mẫu nhanh.
Gia công nhanh hay là gia công cao tốc (High Speed Machining - HSM) phải dùng
đến các máy công cụ với tốc độ dao cắt có thể lên đến vài chục nghìn vòng/phút.
Tạo “khuôn nhanh” (Rapid tooling) hoặc “mẫu nhanh” (Rapid prototyping) đều là
bước phát triển mới của CAD (Computer Aided Design). Nếu có thiết bị tạo mẫu nhanh
(thiết bị RPT) nối ghép với máy tính thì từ những hình thể 3D được thiết kế và mô tả
trên màn hình có thể nhanh chóng tạo ra vật thể 3 chiều thực, sờ thấy được, trên thiết bị
RPT. Cho nên người ta còn gọi thiết bị RPT là “máy in 3 chiều” (Three dimension
printer).
Đặc điểm của phần lớn các phương pháp PRT là chế tạo ra các mẫu bằng cách
đắp thêm vật liệu theo từng lớp. Muốn vậy phải cắt mô hình 3D đã thiết kế bằng CAD
ra thành các lớp có chiều dày xác định. Để cho thuận tiện, trước khi cắt lớp, người ta
chuyển mô hình 3D sang dạng tệp đặc biệt, ví dụ tệp STL.
Cho đến nay có hàng chục phương pháp RPT phụ thuộc vào khả năng tạo lớp của
vật liệu được sử dụng. Dưới đây trình bày sơ lược về bản chất của một số phương
pháp thông dụng.
Phương pháp SLA (Stereo lithography apparatus) tạo ra các mẫu từ vật liệu cao su
bắt sáng (photocurable resin) lỏng. Khi nguồn laser, được điều khiển theo tín hiệu của
máy tính, quét phủ mặt cắt ngang của mô hình 3D làm hoá cứng một lớp. Sau đó thùng
đựng cao su lỏng hạ xuống một nấc và cứ thế dần dần sẽ hình thành mẫu theo từng lớp
một
Phương pháp SGC (Solid Ground Curing) cũng là phương pháp làm khô cứng từng
lớp. Khác với SLA, ở đây không sử dụng nguồn laser điểm mà dùng chùm ánh sáng cực
tím chiếu lên toàn bề mặt, đã được che chắn qua một mặt nạ (mask). Phần vật liệu hở
sáng sẽ đông cứng thành một lớp. Mặt nạ là một tấm phim âm bản của tiết diện được
cắt.
Phương pháp LOM (Laminated Object Manufacturing) dùng vật liệu dạng tấm có
phủ keo dính (chủ yếu là giấy nhưng cũng có thể dùng tấm nhựa, tấm kim loại v.v.).
Nguồn Laser tạo ra từng lớp mặt cắt bằng cách cắt tấm vật liệu theo đường biên c ủa
mặt cắt vật thể. Các lớp mặt cắt được dán lần lượt chồng lên nhau nhờ hệ thống con
lăn gia nhiệt
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 1
- Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering) là phương pháp thiêu kết bằng tia
Laser. Sau khi con lăn trải ra trên mặt bàn công tác một lớp bột với chiều dày đã đ ịnh
trước, nguồn Laser sẽ quét phủ trên bề mặt cần tạo lớp. ở vùng đó các hạt vật liệu sẽ
dính kết vào nhau tạo thành một lớp. Mỗi bước di chuyển thẳng đ ứng của hệ thống
thiết bị sẽ hình thành ra lớp tiếp theo
Phương pháp 3D Printing hoạt động theo nguyên tắc in “phun mực”. Một loại mực
keo đặc biệt được phun lên lớp bột nhựa đã được trải phẳng và hoá cứng. Như thế là
chúng đã tạo ra một lớp và từng lớp dần dần tạo ra vật thể.
Phương pháp FDM (Fused Deposition Manufacturing) dùng vật liệu dạng dây dễ
chảy, ví dụ nhựa ABS. Như mô tả trên hình 4, sợi dây qua đầu gia nhiệt s ẽ hoá d ẻo và
được trải lên mặt nền theo đúng biên dạng mặt cắt của mẫu, theo từng l ớp có chi ều
dày bằng chiều dày lớp cắt. Nhựa dẻo sẽ liên kết theo từng lớp cho đến khi tạo xong
mẫu
1.Lịch sử phát triển
Việc chế tạo máy tính, nổi bậc là máy tính cá nhân (PC) và máy tính mini đã làm
thay đổi các phương thức làm việc ở xí nghiệp. Đặc biệt là máy tính đã đ ược ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực như: thiết kế (CAD – Computer Aided Design), chế tạo
(CAM – Computer Aided Manufacturing), gia công điều khiển số nhờ máy tính (CNC –
Computer Numerical Control). Và hệ thống tạo mẫu nhanh ra đời với sự tạo mẫu trên
môi trường CAD. Bảng 1.1 chỉ ra lịch sử phát triển của nhiều công nghệ khác nhau từ
việc đánh giá bắt đầu các giai đoạn.
Bảng 1.1. Lịch sử phát triển của tạo mẫu nhanh và các công nghệ liên quan.
Công nghệ
Năm
Cơ giới hóa
1770
Máy tính đầu tiên
1946
Máy gia công điều khiển kỹ thuật số tự
1952
động
1960
Đầu tiên thương mại hóa thiết bị laser
1961
Đầu tiên thương mại hóa robot
1963
Hệ thống sơ đồ tác động tự động
1988
Hệ thống tạo mẫu nhanh tự động
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 2
- 2.Khái niệm
Khi phát triển một sản phẩm mới, lúc nào cũng vậy, có một nhu cầu là ch ế t ạo
một mẫu đầu tiên (prototype) của bộ phận hay hệ thống được thiết kế trước khi cấp
một lượng vốn lớn cho các phương tiện sản xuất hoặc dây chuyền lắp ráp. Lý do chính
cho nhu cầu này là chi phí quá cao và tốn nhiều thời gian chuẩn bị công cụ sản xuất. Vì
vậy, việc tạo mẫu là cần thiết để xử lý sự cố và đánh giá thiết kế trước khi một hệ
thống phức tạp sẵn sàng sản xuất và tung ra thị trường.
Việc nghiên cứu thế hệ mẫu đầu tiên sẽ giúp người thiết kế phát hiện lỗi, hoặc
tìm ra phương pháp thiết kế hiệu quả hơn, tốt hơn. Tuy nhiên, vấn đề chính của sự tiếp
cận này là sự tạo mẫu có thể tốn rất nhiều thời gian : việc chuẩn bị dụng cụ máy móc
tốn nhiều tháng, khó chế tạo các mẫu phức tạp, bằng các phương pháp truyền thống
rất khó khăn. Trong khi chờ đợi tạo ra mẫu đầu tiên, vẫn phải trả công cho nhân viên và
chi phí khấu hao máy móc thiết bị.
Vậy tạo mẫu nhanh là gì?
Tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP) là công nghệ thiết kế mẫu tự động
nhờ quá trình CAD (thiết kế với sự giúp đỡ của máy tính). Với những “máy in ba
chiều”, cho phép người thiết kế nhanh chóng tạo ra những mẫu hữu hình, truyền ý
tưởng thiết kế của họ đến công nhân hoặc khách hàng, ngoài ra tạo mẫu nhanh còn
được sử dụng để thiết thử những sản phẩm mới.
Tất nhiên “nhanh” là một thời hạn tương đối. Thông thường, thời gian để tạo ra
một mẫu mới mất khoảng từ 3 – 72 giờ phụ thuộc vào kích thước và đ ộ phức tạp của
mẫu. Khoảng thời gian này có vẻ chậm, nhưng so với việc tạo mẫu bằng máy truyền
thống thường mất từ nhiều tuần đến nhiều tháng, thì nó nhanh hơn rất nhiều. Do mất ít
thời gian nên RP giúp cho nhà sản xuất nhanh chóng đưa sản phẩm ra thị trường và
giảm chi phí sản xuất. Đó cũng là ưu điểm nổi bậc của quá trình tạo mẫu nhanh.
3.Ba thời kỳ của quá trình tạo mẫu.
Tạo mẫu hay làm mẫu là công nghệ có từ thời xa xưa. Mục đích của công nghệ
là mô hình hóa các ý tưởng thiết kế. Như vậy mẫu thường được làm theo yêu cầu
ban đầu của người thiết kế trước khi bắt đầu quá trình sản xuất thực. Mẫu đ ược
tạo với nhiều hình thức khác nhau như: hớt vật liệu, gia công cắt gọt, tạo mẫu
khuôn, … với nhiều loại vật liệu như là: kẽm, urethanes, … Do đó, trong phạm vi thí
nghiệm thì tạo mẫu nhanh là thích hợp nhất.
Bảng 1.2. Các thời kỳ tạo mẫu và tạo mô hình.
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 3
- Mô hình hình học Quá trình tạo mẫu
1. Thời kỳ đầu tiên: khung tạo độ 2D 1. Thời kỳ đầu tiên: tạo mẫu thô sơ.
• Bắt đầu giữa thập niên 60. • Thực hiện cách đây nhiều thế kỷ.
• Một vài khuynh hướng có thể đưa • Thực hiện tạo mẫu được xem như
một nghề khéo léo:
ra:
- Sơ đồ mạch được đưa ra trong Mẫu được làm theo
-
các bo mạch. truyền thống và làm bằng tay.
- Quan sát kế hoạch cho từng Dùng vật liệu truyền
-
thành phần kỹ thuật. thống để tạo mẫu.
• Kỹ thuật tạo mẫu có trong tự • Công nghệ tạo mẫu rất tự nhiên
nhiên.
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 4
- 2. Thời kỳ thứ hai: Mô hình mặt và 2. Thời kỳ thứ hai: Phần mềm hay quá
đường cong 3D. trình tạo mẫu ảo.
• Giữa thập niên 70. • Giữa thập niên 70.
• Gia tăng mức độ phức tạp.
• Gia tăng mức độ phức tạp. • Phần mềm có thể cung cấp cho
• Thể hiện nhiều thông tin cấp độ biết ứng suất, có thể mô phỏng và kiểm
chính xác về tạo dáng, kích thước và tra với các thiết bị chính xác và các tính
chất đặc trưng khác.
đường viền bề mặt của từng chi tiết.
3. Thời kỳ thứ ba: Mô hình dạng khối. 3. Thời kỳ thứ ba: Tạo mẫu nhanh.
• Từ những năm đầu của thập niên • Bắt đầu từ giữa thập niên 80.
• Lợi ích của việc tạo mẫu nhanh là
80
• Các góc, bề mặt, lỗ được liên kết thực hiện việc tạo mẫu trong thời gian
với nhau tạo thành chi tiết. rất ngắn, đây chính là điểm mạnh của
phương pháp này.
• Từ bên ngoài máy tính có thể tính
• Sản phẩm của tạo mẫu nhanh là
chính xác các bộ phận bên trong của
chi tiết. Tuy nhiên vấn đề là nó không có thể dùng để kiểm tra các mẫu được
còn dấu vết trên bề mặt và các phần sản xuất bằng các phương pháp khác.
giao của bề mặt và gốc. • Thiết bị có thể trợ giúp mẫu trong
• Mô hình vẫn chưa được rõ ràng quá trình sản xuất.
nhưng có độ chính xác cao.
Quá trình tạo mẫu được phân ra làm ba thời kỳ , từng thời kỳ được tóm lược trong
bảng 6.2. Hai thời kỳ sau chỉ mới ra đời trong gần 20 năm trở lại đây. Tương tự như quá
trình tạo mẫu trên máy vi tính, tính chất vật lý của mẫu chỉ được nghiên cứu phát triển
trong thời kỳ thứ ba.
a.Thời kỳ đầu: tạo mẫu bằng tay.
Thời kỳ đầu tiên ra đời cách đây vài thế kỷ. Trong thời kỳ này, các mẫu
điển hình không có độ phức tạp cao và chế tạo một mẫu trung bình mất khoảng 4
tuần. Phương pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề và thực hiện công việc một cách
cực kỳ nặng nhọc.
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 5
- b.Thời kỳ thứ hai: phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo.
Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển rất sớm, khoảng đầu thập niên 70.
Thời kỳ này đã có phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo. Việc ứng dụng
CAD/CAE/CAM đã trở nên rất phổ biến. Phần mềm tạo mẫu sẽ phát họa trên máy
vi tính những suy tưởng, ý tưởng mới. Các mẫu này như là một mô hình vật lý: được
kiểm tra, phân tích cũng như đo ứng suất và sẽ được hiệu chỉnh cho phù nếu chúng
chưa đạt yêu cầu. Thí dụ như phân tích ứng suất và sức căng bề mặt chất l ỏng có
thể dự đoán chính xác được bởi vì có thể xác định chính xác các thuộc tính và tính
chất của vật liệu.
Hơn nữa, các mẫu trong thời kỳ này trở nên phức tạp hơn nhiều so với
thời kỳ đầu, khoảng trên hai lần. Vì thế, thời gian yêu cầu cho việc tạo mẫu có
khuynh hướng tăng lên khoảng 16 tuần, tính chất vật lý của mẫu vẫn còn phụ thuộc
các phương pháp tạo mẫu cơ bản trước. Tuy nhiên, việc vận dụng tốt hơn các máy
gia công chính xác đã cải thiện tốt hơn các tính chất vật lý của mẫu.
Cùng với sự tiến bộ trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh trong thời kỳ thứ ba, có
sự trợ giúp rất lớn của quá trình tạo mẫu ảo. Tuy nhiên vẫn còn những giới hạn tồn
tại so với công nghệ tạo mẫu nhanh. Các vấn đề này bao gồm:
- Sự giới hạn về vật liệu (bởi vì các chi phí và cách sử dụng cho
từng vật liệu không giống nhau để tạo chi tiết).
Không có khả năng thực hiện quá trình như những gì ghi trên bản
-
thảo.
Có thể độ tin cậy dữ liệu thấp hay không có.
-
Những vấn đề này được tập hợp từ qui trình công nghệ tạo mẫu nhanh
đến quá trình phân tích giới hạn các bộ phận cấu tạo. Đặc biệt là trong ứng d ụng
phân tích động học và động lực học, phần mềm sẽ phân tích các tính chất vật lý của
nhiều loại vật liệu khác nhau như là thép, nước đá, nhựa, đất sét hay một số vật liệu
truyền thống khác. Phần mềm sẽ tính toán như là trên một mô hình thật sự, điều này
có ý nghĩa rất lớn cho quá trình sản xuất - hạn chế phế phẩm.
c.Thời kỳ thứ ba: quá trình tạo mẫu nhanh.
Tính chất vật lý từng phần của sản phẩm trong quá trình tạo mẫu nhanh
cũng được biết đến. Quá trình tạo mẫu rỗng thích hợp cho việc sản xuất trên bàn
nâng hay công nghệ sản xuất lớp. Công nghệ này thể hiện quá trình phát triển tạo
mẫu trong thời kỳ thứ ba. Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh là một phát
minh quan trọng. Những phát minh này đã đáp ứng được yêu cầu của giới kinh doanh
trong thời kỳ này: giảm thời gian sản xuất, độ phức tạp của mẫu tăng, giảm chi phí.
Ở thời điển này người tiêu dùng yêu cầu các sản phẩm cả về chất lượng lẫn mẫu
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 6
- mã, nên mức độ phức tạp của chi tiết cũng tăng lên, gấp ba lần mức độ phức tạp mà
các chi tiết đã được làm vào những năm của thập niên 70. Nhưng nhờ vào công nghệ
tạo mẫu nhanh nên thời gian trung bình để tạo thành một chi tiết chỉ còn lại 3 tuần so
với 16 tuần ở thời kỳ thứ hai. Năm 1988, hơn 20 công nghệ tạo mẫu nhanh đã đ ược
đưa vào sử dụng.
4.Nền tảng của quá trình tạo mẫu nhanh.
Thông thường, tất cả các phương pháp tạo mẫu nhanh khác nhau nhưng thường có
chung một nền tảng cơ sở mà có thể diễn đạt như sau:
Mẫu hay một bộ phận chi tiết được thiết kế trên những phần mềm CAD và gia
công bằng kỹ thuật số. Mẫu phải thể hiện đầy đủ lý tính để có thể sản xuất và phải
thể hiện như một mặt kín với kích thức giới hạn rõ ràng. Đó là các dữ liệu, đặc biệt là
các dữ liệu bên trong, bên ngoài và cả phạm vi giới hạn của mẫu. Yêu cầu này thực sự
không cần thiết nếu công nghệ tạo mẫu được dùng là công nghệ tạo mẫu dạng khối.
Mô hình dạng khối sẽ tự động giới hạn thể tích. Yêu cầu này bảo đảo rằng tất cả các
mặt cắt ngang đều là những đường cong kín để tạo ra khối vật thể.
Mô hình dạng khối hay mô hình bề mặt dùng để tạo ra lớp kế tiếp có thể thay
đổi được ở file kích thước có tên “. STL” mà các file này khởi đầu các hệ thống 3D. File
kích thước . Stl có kích thước gần đúng các bề mặt của mô hình đa giác. Các mặt cong
bậc cao phải dùng rất nhiều đa giác, điều này có nghĩa là các file .Stl dùng cho các chi
tiết mặt cong phải có dung lượng rất lớn. Tuy nhiên có một vài hệ thống tạo mẫu
nhanh chỉ chấp nhận các dữ liệu IGES để cung cấp chính xác các đặc tính.
Máy tính phân tích file .Stl để xác định rõ ràng mô hình cho sản xuất và các lớp
mỏng trên mặt cắt ngang. Bề mặt cắt ngang được tạo ra theo phương pháp hạ dần
xuống trong suốt quá trình hóa cứng của chất lỏng hay bột và sau đó kết hợp thành mẫu
3D. Một khả năng khác là bề mặt cắt ngang có thể là những lớp mỏng hay ở dạng khối,
những lớp mỏng có thể được liên kết với nhau để hình thành nên một mẫu 3D. Các
phương pháp tạo mẫu tương tự khác cũng có thể dùng cho công việc tạo mẫu.
Nói một cách khác, sự phát triển của quá trình tạo mẫu nhanh được thể hiện qua
bốn vấn đề quan trọng: cung cấp dữ liệu, các phương pháp, vật liệu và các ứng dụng.
a.Cung cấp dữ liệu.
Dữ liệu 3D cung cấp được chuyển đến bằng các tín hiệu điện tử theo yêu
cầu để mô tả các vấn đề có liên quan đến vật thể. Có hai vấn đề quan trọng – mô
hình trên máy hay một mô hình vật thể. Hệ thống CAD đã tạo ra mô hình trên máy
tính, mô hình này có thể ở dạng mặt phẳng hay dạng khối. Ở một khía cạnh khác
không phải tất cả các mô hình vật thể đều đơn giản. Nó yêu cầu thu thập dữ liệu để
đưa ra một phương pháp đối lập. Trong công nghệ đối lập này được trang bị đầy đủ
như thiết bị đo tọa độ (CMM) và bộ mã hóa laser.
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 7
- b.Các phương pháp.
Hiện nay đã có hơn 20 nhà sản xuất hệ thống tạo mẫu nhanh, tùy từng
phương pháp xử lý của nhà sản xuất mà ta có thể phân tích thành một số cấp bậc: xử
lý quang hóa, gia công và dán/ liên kết, sự nung nóng và sự hóa rắn/ sự hóa lỏng và sự
liên kết sự bó buộc. Việc xử lý quang hóa còn có thể phân tích thành từng nhóm nhỏ:
chùm laser đơn, chùm laser đôi và đèn mạ.
c.Vật liệu.
Tùy thuộc vào những nét đặc trưng của vật liệu ta có thể lựa chọn vật
liệu: dạng khối, dạng lỏng hay bột bụi. Ở dạng khối có thể có các hình thức khác
nhau như là: viên, dây hay phiến mỏng. Một số vật liệu hiện đang được sử dụng như
là: giấy, nilon, nhựa, sáp, kim loại và đất sét.
d.Các ứng dụng.
Hầu hết tất cả các chi tiết tạo mẫu nhanh đã hoàn chỉnh hay đã đ ược s ửa
chữa trước khi đem đi sử dụng để đảm bảo cho các sử dụng. Các ứng dụng có thể phân
thành từng nhóm: (1) thiết kế, (2) công nghệ, phân tích và lập kế hoạch, (3) gia công cắt
gọt và sản xuất. Tạo mẫu nhanh đã đem lợi nhuận khổng lồ trong các lĩnh vực như: vũ
trụ không gian, tự động hóa, y-sinh học, điện-điện tử, sản phẩm tiêu dùng.
5.Lợi thế của công nghệ tạo mẫu nhanh.
Các hệ thống tạo mẫu nhanh ngày nay đều là tự động, không gia công, không cần
khuôn mẫu mà vẫn có thể chế tạo trực tiếp các chi tiết trong khả năng chất lượng giới
hạn. Các chi tiết được chế tạo từ phương pháp này có độ chính xác cao nhưng chất
lượng bề mặt rất kém vì các chi tiết không được gia công đến nguyên công cuối. Vì thế
các sản phẩm tạo mẫu nhanh thường được gia công tinh lại bằng các phương pháp gia
công khác. Tuy nhiên, thời gian chế tạo một chi tiết rất ngắn và các dữ liệu thiết kế chi
tiết vẫn còn có thể sử dụng lại, nên công nghệ tạo mẫu nhanh đã đem lại lợi nhuận
khổng lồ và chúng có thể được phân tích thành lợi nhuận trực tiếp và lợi nhuận gián
tiếp.
a.Lợi nhuận trực tiếp.
Đối với các công ty tạo mẫu nhanh lợi nhuận tới từ rất nhiều phía. Công
ty có khả năng thực hiện các thí nghiệm tạo mẫu có mức độ phức tạp khác nhau
trong thời gian ngắn nhất, sản phẩm đưa ra thị trường có độ phức tạp cao cả về hình
dáng và chất lượng. Hầu hết các mối quan tâm và chỉ trích đều tập trung vào vấn đề
thời gian để chế tạo mẫu. Khi mới bắt đầu vào những năm 70, một mẫu được tạo ra
trong thời gian khoảng 4 tuần, nhưng đến đầu năm 1980 thì thời gian này đã tăng lên
16 tuần. Tuy nhiên, với việc sử dụng công nghệ CAD/CAM và CNC cùng với sự tiến
bộ của công nghệ tạo mẫu nhanh thì thời gian này chỉ còn lại 3 tuần vào năm 1995.
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 8
- Tùy đặc tính riêng của từng công ty mà lợi nhuận có thể đến từ các lĩnh
vực khác nhau và cho hiệu quả khác nhau.
• Lợi nhuận đến từ người thiết kế chế tạo.
Những người thiết kế chế tạo có khả năng làm gia tăng mức độ phức tạp
mà ít ảnh hưởng đến thời gian và chi phí, chức năng tạo dáng nghệ thuật và khả năng
thẩm mỹ có thể được điều chỉnh. Họ có thể thiết kế tối ưu hóa mẫu theo yêu cầu
của khách hàng mà ít bị hạn chế cho quá trình sản xuất. Có thể loại bỏ một số thiết
bị mà trước đây vẫn tồn tại do thiếu công cụ, giảm việc gia công cơ và tránh lãng
phí. Với một số thiết bị chuyên dùng có thể giảm thời gian phân tích, lựa chọn kẹp
chặt, thiết kế chi tiết, khoan lỗ và bản vẽ lắp.
Có vài khống chế trong việc thiết kế chi tiết. Các thiết bị gia công cơ
không dễ dàng gia công một lần, độ chính xác cao, không thể gia công các lớp dày để
giảm số lần gia công và lãng phí. Nhưng bây giờ với các hệ thống thiết bị tạo mẫu
nhanh Thì các vấn đề trên đã được giải quyết một cách đáng kể. Người thiết kế có
khả năng tiết kiệm vật liệu và tối ưu hóa hệ số cứng vững/ trọng lượng mà không
chú ý đến chi phí gia công. Cuối cùng là thị trường tiêu thụ đã chấp nhận thời gian
chế tạo và chất lượng sản xuất.
• Lợi nhuận từ máy thiết kế gia công và kỹ sư chế tạo.
Vấn đề chính là phải tiết kiệm các chi phí, người kỹ sư có thể tối ưu hóa
các thiết kế, việc chế tạo và kiểm tra gia công cắt gọt. Những chi phí cố đ ịnh đ ược
giảm xuống, do đó có thể giảm các bộ phận đếm, bộ phận lắp ráp, kiểm tra tức l ợi
hàng năm và phí tổn.
Nhà sản xuất có thể giảm số lượng nhân lực bởi vì các chi tiết có cấu trúc
và việc thiết lập lại chương trình đã được thực hiện một cách dễ dàng, giảm bớt
công việc gia công cơ và đúc, do đó giảm một cách đáng kể chi phí kiểm tra và chi
phí lắp ráp. Giảm sự lãng phí vật liệu, chi phí vận chuyển và kiểm tra lượng dư
nguyên vật liệu và từ đó giảm chi phí chế tạo chi tiết. Loại bỏ chi phí kiểm tra do sự
thay đổi mẫu thiết kế hay những chi tiết không được ưa chuộng trên thị trường.
Thêm vào đó các nhà sản xuất có thể đơn giản hóa các mối lợi nhuận bởi
vì hầu hết các đơn vị giá cả đều phụ thuộc vào số lượng được yêu cầu thực hi ện
trong thời gian ngắn hạn. Lợi nhuận hằng năm của thiết bị vạn năng l ớn hơn nhi ều
so với thiết bị chuyên dùng, vấn đề quan trọng là phải giản chi phí trang thiết bị và
bảo trì. Vì lý do đó mà cần phải có một số kỹ sư vận hành tay nghề cao và được qua
huấn luyện. Nhờ vậy có thể giảm bớt các công việc kiểm tra các phế phẩm vì yêu
cầu dung sai chính xác cao và việc yêu cầu kẹp chặt cũng không cần phải đòi hỏi.
Các kích thước trong thiết kế có thể thay đổi nhanh chóng mà vẫn gi ữ đ ược cấp đ ộ
chính xác cao và sự lập lại việc sản xuất các chi tiết có tỉ lệ thành công cao bởi vì
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 9
- không có sự hao mòn dụng cụ. Cuối cùng đối với các loại thiết bị này có thể giảm
các bộ phận phụ không cần thiết.
b.Lợi nhuận gián tiếp.
Ngoài lợi nhuận từ việc thiết kế và phân xưởng sản xuất thì công nghệ
tạo mẫu nhanh còn đem lại lợi nhuận gián tiếp.
• Lợi nhuận đến từ bộ phận tiếp thị.
Trên thị trường thiết bị được giới thiệu với các khả năng công nghệ mới
và có thêm nhiều cơ hội mới, do vậy có thể giảm một cách đáng kể thời gian tiếp thị.
Phải giới thiệu các chức năng ẩn, có khả năng tạo sản phẩm có giá thành thấp nhưng
cho năng suất cao của công nghệ này.
Nhà tiếp thị có khả năng yêu cầu gia tăng tính đa dạng của thiết bị và theo
yêu cầu của thị trường hiện đại, dễ dàng mở rộng thị trường phân phối và nhanh
chóng đưa sản phẩm vào thị trường.
• Lợi nhuận đến từ khách hàng.
Khách hàng chỉ mua những sản phẩm mà họ đã biết đến các đặc tính cần
thiết như mong muốn. Hơn thế nữa khách hàng chỉ mua các thiết bị có giá thành thấp
bởi khấu hao sản xuất nhanh chóng được lấy lại.
II. PHÂN LOẠI TẠO MẪU NHANH.
Do có nhiều phương diện sản xuất nên hình thành nhiều loại hệ thống tạo
mẫu nhanh trên thị trường, để phân loại một cách bao quát các hệ thống tạo mẫu
nhanh là dựa trên cơ sở vật liệu sản xuất. Ở kiểu phân loại này tất cả các hệ thống
tạo mẫu nhanh có thể dễ dàng phân thành ba loại:
- Dựa trên cơ sở chất lỏng.
- Dựa trên cơ sở dạng khối.
- Dựa trên cơ sở dạng bột.
1. Dựa trên cơ sở chất lỏng.
Các hệ thống tạo mẫu nhanh dựa trên cơ sở nền tảng chất lỏng bắt đ ầu với
vật liệu ở trạng thái lỏng. Quá trình tạo mẫu là một quá trình lưu hóa, vật liệu
chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Sau đây là một số phương pháp tạo
mẫu nhanh dựa trên cơ sở chất lỏng:
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 10
- • Thiết bị tạo mẫu lập thể SLA.
• Thiết bị xử lý dạng khối Cubital (SGC).
• Thiết bị tạo mẫu dạng khối Sony (SCS).
• Thiết bị Laser – tử ngoại tạo vật thể dạng khối Misuibishi (SOUP).
• Thiết bị tạo ảnh nổi của EOS.
• Thiết bị tạo ảnh khối của Teijin Seikils.
• Thiết bị tạo mẫu nhanh của Meiko cho ngành công nghiệp đồ trang sức.
• SLP của Denken.
• COLAMM của Misui.
• LMS của Fockele và Schwarze.
• Thiết bị điêu khắc bằng ánh sáng.
• Thiết bị hai chùm tia laser.
2.Dựa trên cơ sở dạng khối.
Ngoại trừ các vật liệu dạng bột, các hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu cơ
bản dạng khối có liên quan đến tất cả các hình thức vật liệu dạng khối bao gốm các
dạng: dây, cuộn, dát mỏng và dạng viên. Sau đây là một số phương pháp t ạo mẫu
nhanh tượng trưng cho phương pháp này:
• Thiết bị chế tạo vật thể từng lớp mỏng (LOM).
• Thiết bị mẫu làm nóng chảy của Stratasy (FDM).
• Thiết bị dập nóng và chọc chất kết dính của KiRa.
• Thiết bị tạo mẫu nhanh của Kenergy.
• Thiết bị tạo mẫu 3D của Multi-Jet.
• Thiết bị tạo mẫu nhanh của IBM.
• Thiết bị tạo mẫu cát của công ty Model Maker MM-6B.
• Sparx AB’s Hot Plot.
• Tạo mẫu không gian giới hạn của Laser CAMM.
3.Dựa trên cơ sở dạng bột.
Trong khả năng được giới hạn, dạng trạng thái bột vẫn còn được xem như
dạng trạng thái khối. Tuy nhiên, nó được tạo ra trên ý định là một loại thiết bị không
phụ thuộc vào hệ thống thiết bị tạo mẫu nhanh vật liệu trạng thái khối cơ sở. Sau
đây là một số phương pháp tạo mẫu nhanh tượng trưng cho phương pháp này:
• Thiết bị in laser của DTM (SLS).
• Thiết bị sản xuất khuôn đúc trực tiếp của Soligen (DSPC).
• Thiết bị xử lý hóa cứng nhiều giai đoạn của Fraunhofer (MJS).
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 11
- • Hệ thống các thiết bị EOSINT của EOS.
• Thiết bị sản xuất công nghệ đường đạn đạo (BPM).
• Thiết bị sản xuất in 3D của MIT (3DP).
Phương pháp này không có tính đồng nhất trong các hệ thống, thể hiện bằng việc
một số sử dụng tia laser, trong khi đó một số khác lại sử dụng chất kết dính/ keo để đạt
được mức độ liên kết.
III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ PHƯƠNG
PHÁP TẠO MẪU NHANH.
Phương pháp tạo mẫu lập thể (SLA).
A.
1. Nguyên lý hoạt động.
Phương pháp SLA dựa vào nguyên tắc đông cứng vật liệu lỏng photopolymer
thành một hình dạng rõ ràng khi nó được chiếu bởi một chùm tia Laser cường độ cao.
Có thể sử dụng Laser He-Cd với bước sóng 325nm hoặc Laser rắn Nd:YVO4 với
bước sóng 354,7nm. Một thùng chứa đầy dung dịch lỏng photopolymer. Trong thùng có
một bệ đỡ (bàn gá) có thể nâng hạ được (như một cái thang máy). Chất lỏng là hỗn
hợp của các monome acrylic, các oligome và một photoinitiator.
Trên hình 3.1, khi bệ đỡ ở vị trí cao nhất (ở độ sâu a) thì trên tấm là một lớp chất
lỏng cạn. Máy phát Laser phát ra chùm tia cực tím tập trung trên một diện tích của dung
dịch photopolymer và di chuyển theo hướng X-Y. Chùm tia cực tím làm đông hết phần
dung dịch được chiếu sáng và hình thành nên một khối đặc. Bệ đỡ được hạ xuống một
lượng vừa đủ để một lượng chất lỏng phủ lên phần polyme đã đông đặc và quá trình
được lặp lại.
Quá trình tiếp diễn cho đến khi đạt được mức b. Lúc này ta đã tạo nên một chi tiết
hình trụ có bề dày không đổi.
Chú ý rằng lúc này bệ đỡ đã di chuyển theo phương thẳng đứng một lượng ab.
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 12
- Hình 3.1. Nguyên lý quá trình SLA
Tại mức b, chuyển động theo phương X-Y của chùm tia rộng hơn, vì thế ta tạo
được một mặt bằng phẳng như mặt bích bên trên phần đã tạo từ trước. Sau khi đ ạt
được bề dày thích hợp, quá trình được tiếp tục để tạo nên phần hình trụ giữa mức b và
c.
Chú ý rằng phần dung dịch xung quanh vẫn đang ở trạng thái lỏng vì nó không b ị
đông kết bởi tia cực tím và chi tiết được tạo thành từ đáy lên trên theo t ừng " lát" riêng
biệt có chiều dày từ 0,05 : 0,2mm. Các lát này liên kết lại với nhau thành khối.
Phần chất lỏng không bị đông kết có thể được sử dụng lại để tạo chi tiết khác
trong quá trình tạo mẫu khác.
Bởi vì chi tiết được tạo thành trong môi trường chất lỏng và bên trong vật thể còn
chứa chất lỏng polyme, do đó cần phải thêm các kết cấu trợ giúp (supports) để tăng độ
cứng chi tiết và để tránh cho phần chi tiết đã được tạo thành chìm trong chất lỏng
không bị nổi lên hoặc không bị trôi nổi tự do ở trong thùng.
Thời gian quét chùm tia Laser phụ thuộc vào hình dạng hình học của những đường
viền, mẫu vạch, tốc độ của tia Laser và thời gian bao phủ (thời gian đ ể một lớp c ủa
polymer sao chụp rắn lại và thời gian để lớp cuối cùng rắn lại).
Quá trình tạo mẫu nói trên được thực hiện qua các giai đoạn trên hình 3.2.
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 13
- Hình 3.2. Các giai đoạn tạo mẫu bằng phương pháp SLA
khi lấy chi tiết ra khỏi hệ thống SLA, chi tiết phải trải qua một loạt các quá trình
hậu xử lý (post-processing).
Đầu tiên, những chất polymer dư ra được làm sạch hết. Những chi tiết được làm
sạch bằng những phương pháp chuẩn để bỏ đi những chất nhựa dư với : Tri-propylene
Glycol Monomethyl Ether, rửa bằng nước, sau cùng rửa bằng iso-propyl alcohol, và chi
tiết được làm khô trong không khí.
Do tia Laser không cung cấp đủ năng lượng để xử lý hoàn toàn chi tiết, nên ở quá
trình xử lý tinh chi tiết được thực hiện bằng thiết bị xử lý tinh PCA ( Post-Curing
Apparatus). PCA là một buồng với một bàn quay và những bóng đèn chiếu tia tử ngoại.
Thông thường, người ta đặt chi tiết trong PCA khoảng từ 30 phút đến một giờ.
Chi tiết sẵn sàng để lấy ra khỏi cơ cấu phụ trợ và để xử lý bề mặt như : đánh bóng,
mạ phủ,... nếu có yêu cầu.
2. Hệ thống thiết bị
Các bộ phận chính của hệ thống SLA là máy tính điều khiển, panel điều khiển,
nguồn Laser, hệ thống quang học và buồng xử lý.
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 14
- Các máy của 3D Systems rất đa dạng cả về kích thước và chủng loại. Có một vài
kiểu máy có sẵn và thường được sử dụng như là : SLA-190, SLA-250, SLA-350, SLA-
500.
Hình 3.4a. Máy tạo mẫu nhanh SLA 250.
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 15
- Hình 3.4b.
Máy tạo mẫu nhanh SLA 190
3. Hệ thống thiết bị v thơng số kỹ thuật tạo hình lập thể 3D.
• Công ty: Nhà doanh nghiệp Raymond - S - Freed là những người đầu tiên phát
minh ra hệ thống tạo mẫu lập thể 3D vào năm 1986. Hầu hết các hệ thống tạo mẫu
nhanh đều có ý nghĩa thương mại và được gọi là thiết tạo mẫu lập thể hay phương tạo
mẫu nhanh SLA.
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 16
- Khả năng đa dạng của hệ thống 3D có thể cung cấp nhiều chi tiết có kích
thước khác nhau và cho năng suất cao. Có một vài kiểu máy thường được sử dụng
như là: SLA-190, SLA -250, SLA-350, SLA- 500.
Công nghệ của máy SLA – 190 là công nghệ đầu tiên của phương pháp tạo mẫu
nhanh và sử dụng tia laser He-Cd. Máy công nghệ SLA – 250 là loại máy được sử
dụng rộng rãi trên thế giới.
Máy công nghệ SLA – 350 là thế hệ mới của công nghệ SLA, tạo sản phẩm
dạng khối Nd: YV4 laser và cho năng suất cao hơn 35% so với máy SLA – 250 khi
cùng tạo một chi tiết.
Máy SLA – 500 là đỉnh cao của thiết bị sản xuất 3D, nó sử dụng tia laser Argon
rất mạnh. Các tính năng kỹ thuật của các thế hệ máy được tóm lược trong bảng 3.3:
Bảng 3.3. Các đặc tính kỹ thuật của hệ thống SLA.
Thiết bị SLA- SLA- SLA- SLA-
190 250 350 500
Loại laser YVO4
He-Cd He-Cd Argon
Cường độ laser (mW) 7,5 16 160 132-
264
Đường kính tia laser 0,2-0,29 0,2-0,29 0,25 0,2-
(mm) 0,25
Độ phân giải theo 0,0025 0,0025 0,0018 0,0018
đường thẳng đứng của
máy nâng (mm)
Thể tích chứa (lít) - 29,5 99,3 253,6
Không gian làm việc, 190.190. 250.250. 350.35 508.50
XYZ (mm.mm.mm) 250 250 0.400 8.580
Khối lượng lớn nhất _ 9,1 56,8 68,04
của chi tiết (kg)
Bề dày lớp nhỏ nhất 0,1 0,1 0,05 0,1
(mm)
Kích thước từng đơn vị 0,7x1,2x 0,7x1,2x 1,0x1,0 1,8x1,2
(m.m.m) 1,6 1,6 x2,0 x2,0
Đơn vị điều khiển dữ PC PC PC PC
liệu
Nguồn năng lượng cung 115 VAC 115 VAC 200- 200-
cấp 15A 15A 240 240VAC
220 VAC 220 VAC VAC 3 pha,
8A 8A 16 A 100A/p
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 17
- ha
Tốc độ quét trên trục X- 0,762 0,762 5 5
Y
Giá cả (US$) 70.000 100.000 380.00 490.00
-170.00 0 0
Tất cả các thiết bị đều sử dụng chung một loại vật liệu sản xuất là loại nhựa
lỏng có khả năng đông đặc dưới tác dụng của các tia tử ngoại như : tia gama, tia cực
tím, tia x, tia electron, phóng xạ của trường điện từ, … như : expoxy, actylates, …
Nét đặc trưng của chi tiết phù hợp cho từng loại nhựa được dùng cho sản xuất.
Một chức năng chính khác của thiết bị là dung môi làm sạch phần nhựa dư của chi
tiết sau khi chi tiết được sản xuất hoàn tất trên máy.
4. Phần mềm được sử dụng trong các hệ thống SLA là Meastro bao gồm
một số module sau :
• Module kiểm tra (3D verify- Module) :
- Module này cho phép đọc file định dạng .STL và chỉnh sửa trực tiếp mà
không cần phải trở về phần mềm thiết kế CAD 3D ban đầu.
• Module quan sát (View- Module) :
- Module có thể hiển thị file .STL và file .SLI (Slice File) dưới dạng đồ hoạ.
- Chức năng quan sát được dùng để kiểm tra trực quan và định hướng các
dữ liệu này sao cho tối ưu hoá quá trình tạo mẫu.
• Module kết hợp (Merge- Module) :
- Module này kết hợp tất cả các files .SLI thành một file thống nhất chuẩn
bị cho quá trình tạo mẫu.
• Module hỗ trợ (Vista- Module) :
- Module này công cụ mạnh của phần mềm.
- Nó tự động thiết kế thêm các kết cấu hỗ trợ ( supports) sản phẩm khi sản
phẩm ở trạng thái lơ lửng trong khối chất lỏng trong suốt quá trình tạo
mẫu.
• Module quản lý sản phẩm (Part Manager-Module) :
- Đây giai đoạn đầu tiên của quá trình chuẩn bị tạo mẫu.
- Môđun này chuyển các file .STL sang dạng bảng (spreadsheet).
• Module tạo lớp (Slice- Module) :
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 18
- - Đây giai đoạn thứ hai của quá trình chuẩn bị tạo mẫu.
- Nó chuyển đổi các thông tin dưới dạng bảng từ Part Manager Module
sang dạng mô hình là những lớp mỏng.
• Module tạo mẫu (Converge- Module) :
- Đây giai đoạn thứ ba và cuối cùng của quá trình chuẩn bị tạo mẫu.
- Module này tạo ra file dữ liệu cuối cùng và được sử dụng bởi các thiết bị
tạo mẫu SLA.
5 . Đặc điểm
Ưu điểm :
Hệ thống cứng, vững và hoàn toàn tự động.
Độ chính xác kích thước cao. Dung sai kích thước điển hình khoảng
0,0125mm.
Độ bóng bề mặt tốt.
Độ phân giải cao phù hợp với các chi tiết phức tạp.
Với sự hỗ trợ của phần mềm QuickCastTM cho phép tạo mẫu cho
quá trình đúc khuôn kim loại nhanh chóng và chính xác.
Nhược điểm :
Sản phẩm bị cong vênh.
Giá thành hơi cao.
Vật liệu sử dụng bị hạn chế.
Phải qua giai đoạn hậu xử lý.
Chi phí vận hành và bảo trì cao.
6. Ứng dụng
a. Các lĩnh vực ứng dụng của phương pháp SLA
Tạo mô hình từ ý tưởng.
Tạo mô hình chính xác.
Tạo công cụ mẫu.
Tạo mẫu phục vụ cho quá trình đúc khuôn kim loại, khuôn
cát và tạo khuôn.
Hình 3.5. Mẫu tạo thành từ silicon.
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 19
- Hình 3.5. Sản phẩm và khuôn làm bằng phương pháp SLA.
b.Hướng nghiên cứu và phát triển
3D Systems và Ciba-Geigy đang hợp tác nghiên cứu những loại vật liệu
mới với các đặc tính về cơ học tốt hơn, quá trình xử lý nhanh hơn và dễ dàng hơn.
Đồng thời có khả năng chịu được nhiệt độ cao hơn.
Một lĩnh vực quan trọng được quan tâm nghiên cứu là tạo công cụ nhanh RT
(Rapid Tooling). Trong lĩnh vực này, 3D Systems đã và đang hợp tác với 15 công ty và
trường đại học nhằm tạo ra những công cụ nhanh cả bằng vật liệu cứng và vật liệu
mềm.
GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 20
nguon tai.lieu . vn
