Nghiên cứu dữ liệu hình học, độ chính xác sản phẩm của công nghệ tạo mẫu nhanh và ứng dụng trong khuôn tạo mẫu307

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI NGỌC TUYÊN NGHIÊN CỨU DỮ LIỆU HÌNH HỌC, ĐỘ CHÍNH XÁC SẢN PHẨM CỦA CƠNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO KHUÔN Chuyên ngành: Kỹ thuật máy công cụ Mã số: 62.52.04.15 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS TSKH BÀNH TIẾN LONG PGS TS TRẦN THẾ LỤC Hà nội 2009 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình riêng tơi Các kết nghiên cứu số liệu trình bày luận án tơi thực q trình làm luận án, không chép tài liệu Tác giả Bùi Ngọc Tuyên i MỤC LỤC Trang PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Nội dung luận án Phương pháp nghiên cứu luận án Chương TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH (RAPID PROTOTYPING – RP) 1.1 Các đặc điểm cơng nghệ tạo mẫu nhanh 1.2 Ngun lý chung bước cơng nghệ trình RP 10 1.2.1 Nguyên lý chung 10 1.2.2 Các bước cơng nghệ q trình tạo mẫu nhanh 11 1.3 Một số cơng nghệ RP điển hình 12 1.3.1 StereoLithography Apparatus (SLA) 13 1.3.2 Laminated Object Manufacturing (LOM) 14 1.3.3 Selective Laser Sintering (SLS) 15 1.3.4 Fused Deposition Modeling (FDM) 17 1.3.5 3D- Printing (3DP) 18 1.4 Độ xác nguồn gây sai số ảnh hưởng đến mẫu chế tạo RP 19 1.4.1 Sai số trình thiết kế (lấy mẫu) 20 1.4.2 Sai số chuyển sang định dạng STL 20 1.4.3 Sai số đặc tính khơng đẳng hướng 21 1.4.4 Sai số nguyên lý cắt lát 22 1.4.5 Sai số trình chế tạo 22 1.4 Sai số sau xử lý mẫu 23 1.5 Ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh sản xuất, chế tạo 1.6 Tình hình nghiên cứu ngồi nước cơng nghệ tạo mẫu nhanh 24 25 ii 1.6.1 Tình hình nghiên cứu giới 25 1.6.1.1 Giới thiệu 25 1.6.1.2 Một số nghiên cứu liên quan đến vấn đề nghiên cứu luận án 28 1.6.2 Tình hình nghiên cứu nước 32 1.7 Tóm tắt nội dung chương hướng nghiên cứu đề tài 34 Chương CƠ SỞ DỮ LIỆU HÌNH HỌC CƠNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH 2.1 Các mơ hình hình học CAD/CAM 36 2.2 Yêu cầu liệu CAD hệ thống RP 38 2.2.1 Định dạng liệu hình học đầu vào RP 38 2.2.1.1 Định dạng tiêu chuẩn STL 39 2.2.1.2 Ưu nhược điểm biểu diễn biên dạng vật thể định dạng STL 42 2.2.2 Xuất file STL từ mơ hình solid số phần mềm CAD thông 46 dụng 2.3 Nguyên lý cắt lát 47 2.4 Kết luận 50 Chương PHƯƠNG PHÁP ỨNG DỤNG MÁY ĐO TOẠ ĐỘ CHIỀU XÂY DỰNG DỮ LIỆU HÌNH HỌC ĐẦU VÀO CHO CÁC THIẾT BỊ TẠO MẪU NHANH 3.1 Giới thiệu máy đo toạ độ 51 3.1.1 Nguyên lý làm việc máy đo toạ độ Global Status 544 với phần mềm 52 PC-DMIS 3.1.2 Một số chức số hoá bề mặt máy đo toạ độ Brown &Sharpe 53 3.2 Các phương pháp tạo file STL truyền thống 56 3.3 Phương pháp tạo file STL trực tiếp từ liệu số hoá CMM 57 3.3.1 Nội dung phương pháp 57 3.3.2 Đặc điểm phạm vi ứng dụng phương pháp 60 3.4 Các thuật toán sử dụng phương pháp 60 3.4.1 Thuật toán giai đoạn I 60 3.4.2 Thuật toán giai đoạn II 65 iii 3.4.2.1 Cơ sở lý thuyết 65 3.4.2.2.Thuật toán tam giác hoá vùng điểm 67 3.4.2.3 Thuật toán xác định đường biên 70 3.4.2.4 Thuật toán tối ưu hoá tam giác 72 3.4.2.5.Thuật toán vá vùng 72 3.4.2.6 Thuật toán hợp vùng điểm 73 3.5 Thí nghiệm kiểm chứng phương pháp 75 3.6 Sử dụng phần mềm nước để kiểm tra mơ hình STL 78 3.7 Kết luận 79 Chương NGHIÊN CỨU ĐỘ CHÍNH XÁC HÌNH HỌC BỀ MẶT MẪU CHẾ TẠO BẰNG CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH 4.1 Sai số hình học bề măt mẫu RP hiệu ứng bậc thang gây nên (Stair- case 81 effect) 4.1.1 Mẫu chế tạo có dạng khối đa diện 81 4.1.2 Mẫu chế tạo có dạng vật thể cong 82 4.2 Mơ hình tốn học xác định ảnh hưởng định hướng chế tạo đến sai số 84 hình học bề mặt mẫu chế tạo 4.3 Phần mềm xác định sai số hình học bề mặt mẫu RP 87 4.3.1 Các chức phần mềm 87 4.3.1.1 Chức tính tốn 88 4.3.1.2 Chức mơ đồ hoạ 88 4.3.2 Một số thuật tốn 90 4.3.2.1 Thuật giải tính sai số cho phương 90 4.3.2.2 Thuật giải tìm phương có sai số chế tạo nhỏ 92 4.3.2.3 Thuật giải tìm phương có số lớp chế tạo 93 4.3.2.4 Thuật giải quay đồ hoạ định hướng mô hình STL 93 iv 4.3.2.5 Thuật giải phân vùng bề mặt 94 4.3.3 Kiểm chứng thuật toán phần mềm 94 4.3.4 Một số kết ứng dụng phần mềm 97 4.4 Nghiên cứu thực nghiệm độ nhám bề mặt mẫu chế tạo phương pháp tạo 98 mẫu nhanh 3DP 4.4.1 Cơ sở lý thuyết 98 4.4.2 Nội dung thí nghiệm 100 4.4.3 Xử lý số liệu thực nghiệm 102 4.4.3.1 Hàm hồi quy thực nghiệm trường hợp mặt phẳng nghiêng 102 4.4.3.2 Hàm hồi quy thực nghiệm trường hợp mặt phẳng thẳng đứng 106 mặt phẳng ngang 4.5 Kiểm nghiệm kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm 107 4.6 Kết luận 113 Chương NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH TRONG CHẾ TẠO KHUÔN ÉP NHỰA 5.1 Các nguồn sai số khuôn chế tạo theo công nghệ tạo khuôn nhanh 115 5.1.1 Sai số chế tạo mẫu nhanh RP 115 5.1.2 Sai số kích thước đánh bóng 118 5.1.3 Sai số độ co ngót vật liệu 120 5.1.3.1.Cơ sở lý thuyết co ngót vật liệu 121 5.1.3.2 Giả thuyết Jacob độ co ngót 122 5.2 Tính tốn sai số sản phẩm khuôn tạo nhanh 124 5.2.1 Bài toán thuận 125 5.2.2 Bài toán nghịch 129 5.3 Thực nghiệm tạo khn nhanh 131 5.3.1 Thí nghiệm xác định độ co ngót vật liệu làm khn RT 131 5.3.1.1 Giới thiệu vật liệu làm khuôn RT 132 v 5.3.1.2 Thí nghiệm xác định độ co ngót nhựa Epoxy điền nhôm 132 5.3.2 Một nghiên cứu thực nghiệm khuôn tạo nhanh 135 5.3.2.1 Thiết kế sản phẩm, khuôn tạo nhanh theo phương pháp gián tiếp 135 5.3.2.2 Quy trình chế tạo khn thí nghiệm 136 5.3.2.3 Xác định sai số bước chế tạo khn thí nghiệm 138 5.4 Kết luận 145 KẾT LUẬN CHUNG 146 PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 147 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 148 TÀI LIỆU THAM KHẢO 149 PHỤ LỤC 157 PHỤ LỤC 166 PHỤ LỤC 170 PHỤ LỤC 177 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT CAD: Computer Aided Design CAM: Computer Aided Manufacturing CMM: Coordinate Measuring Machine CNC: Computer Numerical Control RP: Rapid Prototyping = Công nghệ tạo mẫu nhanh RE: Reverse Engineering = Kỹ thuật ngược RT: Rapid Tooling = Công nghệ tạo khuôn nhanh CAFE: Composite Aluminum-Flled Epoxy CSDL: Cơ sở liệu JJG N : Vec tơ pháp tuyến bề mặt JG Z : Vec tơ định hướng chế tạo JG R : Vec tơ tham chiếu θ: Góc hướng chế tạo góc hợp véc tơ pháp tuyến bề mặt hướng chế tạo T: chiều dày lớp (chiều dày cắt lát) S: Tập điểm R: Bán kính cong đường quét ρ: Bán kính cong bề mặt E: Sai số tổng e: Sai số thành phần K: Độ cong u, v: Các tham số biểu diễn đường mặt pi: Điểm số hoá thứ i ti : Vec tơ tiếp tuyến điểm pi h: Chiều cao nhấp nhô bề mặt mẫu SU , Sv: Bước quét theo hướng u hướng v Mẫu RP: Mẫu chế tạo phương pháp tạo mẫu nhanh Khuôn RT: Khuôn chế tạo công nghệ tạo khuôn nhanh STL: STereo Lithography SLA: StereoLithography Apparatus SLS: Selective Laser Sintering vii FDM: Fused Deposition Modeling LOM: Laminated Object Manufacturing 3DP: 3D Printing Slicing: cắt lát Slab: lớp chế tạo Manual: Kiểu quét số hoá bề mặt vật mẫu theo chế độ điều khiển tay Linear Open: Kiểu quét số hoá bề mặt vật mẫu theo đường hở Linear Close: Kiểu qt số hố bề mặt vật mẫu theo đường kín Patch: Kiểu quét số hoá bề mặt vật mẫu theo vùng bề mặt Δl , σ : Sai số trung bình độ lệch tiêu chuẩn sai số kích thước mẫu RP sau chế tạo Δx, Δy, Δz : Các sai số chế tạo mẫu RP theo phương x, y, z σ 2x , σ2y , σ 2z : Độ lệch tiêu chuẩn sai số Δx, Δy, Δz Δd , σ sai số trung bình độ lệch tiêu chuẩn sai số kích thước mẫu RP sau đánh bóng Δdx, Δdy, Δdz sai số đánh bóng mẫu RP theo phương x, y, z σ 3x , σ3y , σ 3z : Độ lệch tiêu chuẩn sai số Δdx, Δdy, Δdz Sh : Độ co ngót vật liệu S4 : Độ co ngót vật liệu làm khn S5 : Độ co ngót vật liệu nhựa ép d1 : kích thước mơ hình CAD d2 : kích thước đo mẫu RP d3 : kích thước đo mẫu RP sau đánh bóng d4 : kích thước đo khn d5: kích thước sản phẩm σ s4: Sai lệch tiêu chuẩn độ co ngót vật liệu làm khn σ s5: Sai lệch tiêu chuẩn độ co ngót vật liệu nhựa ép K4 : Hằng số tỷ lệ độ co ngót trung bình sai lệch tiêu chuẩn độ co ngót vật liệu làm khn L viii K5 : Hằng số tỷ lệ độ co ngót trung bình sai lệch tiêu chuẩn độ co ngót vật liệu nhựa ép t: Dung sai kích thước sản phẩm k1: Hệ số bù kích thước chế tạo mẫu RP k2: Hệ số bù kích thước cho đánh bóng mẫu RP DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: Phân loại phương pháp tạo mẫu nhanh 13 Bảng 3.1: Số liệu đo kiểm tra mẫu 77 Bảng 3.2: So sánh độ xác mẫu chế tạo 78 Bảng 4.1: Sai số bậc thang mô hình khối đa diện 82 Bảng 4.2: Sai số bậc thang mơ hình gồm bề mặt cong 83 Bảng 4.3: Kết xác định sai số tính toán lý thuyết chạy phần 96 mềm Bảng 4.4 Kết chạy phần mềm mơ hình mẫu giày 97 Bảng 4.5 Kết chạy phần mềm mơ hình mẫu chuột 97 Bảng 4.6: Bộ số liệu thực nghiệm 102 Bảng 4.7: Bộ số liệu thực nghiệm lô ga rit hoá 102 Bảng 4.8: Kết chạy phần mềm với hướng chế tạo khác 108 Bảng 4.9: Kết đo độ nhám mặt phẳng mẫu chế tạo 112 Bảng 5.1: Kích thước đường kính Di (mm) mẫu thay đổi thay 134 đổi tỷ lệ % khôi lượng Al thành phần Bảng 5.2: Độ co ngót riêng S i(%) mẫu phụ thuộc thay đổi 134 tỷ lệ bột nhơm Bảng 5.3: Kích thước mẫu RP trước đánh bóng 140 Bảng 5.4: Kích thước mẫu RP sau đánh bóng 140 Bảng 5.5 Tính tốn độ co ngót vật liệu làm khn 141 170 PHỤ LỤC MỘT SỐ HÀM PHẦN MỀM SaiSoRP /******************************************************************* * Phuong thuc: tinhsaiso(double cdlop,double ) * * Muc dich: Tinh sai so cho mot phuong che tao, tra ve cac sai so can thiet * *******************************************************************/ double CErrorLayered::tinhsaiso(double cdlop,double dx,double dy,double dz,double *E1,double *E2,double *Edb,double *himax) { double tongsaiso=0,ssdb=0,ccmax=0; double tichnd,a[13]; double saisothua=0,saisokhuyet=0; double dtnX,dtnY,dtnZ;//toa diem thap nhat //goi phuong thuc tim diem thap nhat diemthapnhat(dx,dy,dz,&dtnX,&dtnY,&dtnZ);//De tinh sai so dac biet voi nhung be mat co n.d=1 p=pdau; while(p!=NULL) { p->getgt(a); //Xu ly tinh toan tren mang a[13] da lay du lieu tu mot doi tuong tam giac tichnd=lamtron(((a[0]*dx)+(a[1]*dy)+(a[2]*dz)),5); if ((tichnd==1)||(tichnd==-1)) { ssdb=ssdb+(saisodacbiet(a,dtnX,dtnY,dtnZ,dx,dy,dz,cdlop)*(fabs(tichnd))*a[12])/2 ; } else { if (tichnd>0) { saisothua=saisothua+(cdlop*(fabs(tichnd))*a[12])/2; } tongsaiso=tongsaiso+(cdlop*(fabs(tichnd))*a[12])/2; //Tinh chieu cao nhap nho lon nhat if (ccmaxnextto(); } //End while if (tongsaiso!=0) 171 { *E1=lamtron((saisothua*100/tongsaiso),2); *E2=lamtron((tongsaiso-saisothua)*100/tongsaiso,2); } else { *E1=0; *E2=0; } *Edb=lamtron(ssdb,5); *himax=lamtron(ccmax,5); return lamtron(tongsaiso,5); } /************************************************************************ * Phuong thuc: saisonhonhat(double cdlop,double ) * * Muc dich: - Tim phuong che tao co sai so che tao nho nhat, tra ve cac gia tri * * can tinh: phuong che tao, cac loai sai so * * - tim phuong che tao co so lop che tao nho nhat >tgian che tao * * se nho nhat * ************************************************************************/ double CErrorLayered::saisonhonhat(double cdlop,double pdo,double *dx,double *dy,double *dz,double *E1,double *E2,double *Edb,double *hima,double *dx_tg,double *dy_tg,double *dz_tg,double *E_tg,double *E1_tg,double *E2_tg,double *Edb_tg,double *hima_tg,CProgressCtrl* progc) { double pi=3.14159265359; double saiso,saisonn,ssthua,ssthuann,sskhuyet,sskhuyetnn,ssdb,ssdbnn,himax,himaxnn; double saisotgnn,ssthuatgnn,sskhuyettgnn,ssdbtgnn,himaxtgnn,dxtgnn,dytgnn,dztgnn; double ccao=0,ccaonn=0; double a=0,b=0; //toa cau cua vec to d double xx=0,yy=0,zz=1,minx=0,miny=0,minz=1; //minx, miny, minz de luu cac gia tri toa vec to phap tuyen ung voi sai so nho nhat //Khai bao bien de dieu khien qua trinh cua Dialog thong qua bien progc thuoc kieu CProgressCtrl int progress_int=0; double progess_double=0; double buoc; buoc = (1000/((360/pdo)*(90/pdo))); saisonn=tinhsaiso(cdlop,xx,yy,zz,&ssthuann,&sskhuyetnn,&ssdbnn,&himaxnn);//G an gia tri sai so nho nhat cho phuong doc theo truc z ccaonn=tinhchieucao(xx,yy,zz); saisotgnn=saisonn; ssthuatgnn=ssthuann; sskhuyettgnn=sskhuyetnn; ssdbtgnn=ssdbnn; 172 himaxtgnn=himaxnn; dxtgnn=xx; dytgnn=yy; dztgnn=zz; a=pdo; //Vi moi phuong co b bien doi ma a=0 thi deu chi la mot ma thoi { b=0; { //chuyen toa cau (a,b) sang toa decac(x,y,z) xx=lamtron((sin(a*pi/180)*cos(b*pi/180)),5); //Lam tron di yy=lamtron((sin(a*pi/180)*sin(b*pi/180)),5); zz=lamtron(cos(a*pi/180),5); //tinh sai so de so sanh chon sai so nho nhat saiso=tinhsaiso(cdlop,xx,yy,zz,&ssthua,&sskhuyet,&ssdb,&himax); if (saisoccao) { ccaonn=ccao; saisotgnn=saiso; ssthuatgnn=ssthua; sskhuyettgnn=sskhuyet; ssdbtgnn=ssdb; himaxtgnn=himax; dxtgnn=xx; dytgnn=yy; dztgnn=zz; } b=b+(double)(pdo); progess_double = progess_double + buoc; progress_int = (int)(progess_double); progc->SetPos(progress_int); } while(b