TẬP ĐOÀN DỆT MAY VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ TP HCM KHOA CƠ ĐIỆN Tài liệu giảng dạy CÔNG NGHỆ IN 3D TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 09 NĂM 2021 TẬP ĐOÀN DỆT MAY VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ TP HCM.
TẬP ĐỒN DỆT MAY VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHỆ TP HCM KHOA CƠ ĐIỆN Tài liệu giảng dạy CƠNG NGHỆ IN 3D TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 09 NĂM 2021 TẬP ĐOÀN DỆT MAY VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ TP HCM KHOA CƠ ĐIỆN Tài liệu giảng dạy CƠNG NGHỆ IN 3D TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 09 NĂM 2021 LƯU HÀNH NỘI BỘ i MỤC LỤC Mục lục Lời nói đầu Bài Giới thiệu tổng quan công nghệ in 3D I Tổng quan lịch sử hình thành cơng nghệ in 3D Thuật ngữ cơng nghệ Lịch sử hình thành Khái niệm Các quy trình thiết kế sản phẩm in 3D II Các công nghệ in 3D ứng dụng liên quan Công nghệ SLS Công nghệ SLM Công nghệ FDM III Các phận máy in 3D Bộ phận khí Bộ phận chuyển động Bộ phận điện-điện tử Bài Nguyên tắc chung thiết kế - chế tạo mẫu 3D I Các nguyên tắc thành lập vẽ in 3D Nguyên tắc Định dạng file dành cho in 3D Chuẩn bị mơ hình in 3D II Các yêu cầu thiết kế mẫu in 3D Sản phẩm lắp ghép sẵn sản phẩm có hình dáng phức tạp Hình dáng hình học sản phẩm Lượng vật liệu đỡ thích hợp Tổng kết lưu ý thành lập vẽ in 3D III Mơ hình lát cắt mẫu in 3D Cắt mặt phẳng đơn giản Meshmixer Cắt nâng cao Meshmixer Bài Quy trình in 3D I Q trình liên kết vật liệu cơng nghệ in 3D Liên kết vật liệu quy trình gia cơng FDM Trang i iii 1 4 10 20 28 29 30 31 34 34 35 36 48 48 49 51 56 57 59 59 63 63 ii Liên kết vật liệu quy trình gia cơng bồi đắp Vat Polymerization (Bồn chứa polime hóa) Liên kết vật liệu quy trình gia cơng bồi đắp PBF – Powder Bed Fusion (thiêu kết hợp bột) Liên kết vật liệu quy trình gia cơng bồi đắp Material Jetting (Phun vật liệu) Liên kết vật liệu quy trình gia cơng bồi đắp Binder Jetting (Phun chất kết dính) Liên kết vật liệu quy trình gia công bồi đắp LOM-Laminated Object Manufacturing (gia công mỏng) Liên kết vật liệu quy trình gia cơng bồi đắp DMD-Direct Metal Deposition (bồi đắp kim loại trực tiếp) II Q trình hình thành mẫu cơng nghệ in 3D FDM Thao tác phần mềm Nhập file in 3D Sử dụng nút chức giao diện In nhanh mơ hình III Thực hành lấy mẫu liên kết vật liệu Thực hành với mơ hình bu lơng đai ốc Thực hành với mơ hình nẹp cổ tay Bài Công nghệ in 3D ứng dụng I Các ứng dụng in 3D thực tiễn II Ứng dụng in 3D ngành ngành thời trang In mẫu giày cao gót In mẫu mũ lưỡi trai In mẫu vòng đeo tay III Ứng dụng in 3D ngành khí Ứng dụng in đồ gá Ứng dụng in đồ gá Ứng dụng in đồ gá IV Ứng dụng in 3D ngành Robot V Ứng dụng in 3D ngành nghệ thuật Phụ lục Tài liệu tham khảo 64 66 68 70 72 73 74 74 75 76 77 78 78 87 93 94 94 96 97 98 98 99 99 100 103 107 111 iii LỜI NÓI ĐẦU Tài liệu giảng dạy Công nghệ in 3D biên soạn cho sinh viên cao đẳng ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí ngành Cơng nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử Tài liệu trang bị kiến thức lý thuyết, thực hành để sinh viên thiết kế, thi công số sản phẩm in 3D lĩnh vực như: Cơ khí, thời trang, nghệ thuật, điện – điện tử, Robot, … Tài liệu gồm bài: Bài Giới thiệu tổng quan công nghệ in 3D Bài Nguyên tắc chung thiết kế - chế tạo mẫu 3D Bài Quy trình in 3D Bài Công nghệ in 3D ứng dụng Rất mong phản hồi quý báu từ bạn đọc để tài liệu ngày hoàn thiện Bài 1.Giới thiệu tổng quan công nghệ in 3D Bài GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D I Tổng quan lịch sử hình thành công nghệ in 3D Thuật ngữ công nghệ Công nghệ mô tả tài liệu gọi công nghệ bồi đắp vật liệu (Additive Manufacturing – AM) công nghệ chế tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping – PR) hay gọi với tên phổ biến công nghệ in 3D (3D Printing 3DP) Công nghệ bồi đắp vật liệu sử dụng ngành công nghiệp để tạo “mẫu” hay “sản phẩm” trước đưa vào sản xuất đại trà tiến hành thương mại hóa Các nhà quản lý sản xuất, kỹ sư thiết kế sử dụng công nghệ để phục vụ công việc kết hợp với việc cho phép khách hàng họ thử nghiệm ý tưởng cung cấp thơng tin phản hồi q trình phát triển sản phẩm Thuật ngữ để công nghệ “công nghệ chế tạo mẫu nhanh” Tuy nhiên, theo q trình phát triển cơng nghệ, người sử dụng nhận thuật ngữ chưa đủ đặc biệt không hiệu mô tả ứng dụng gần Nhờ cải tiến liên tục việc nâng cao chất lượng đầu ra, công nghệ chế tạo mẫu nhanh tiến gần đến sản phẩm hồn thiện khơng cịn đơn mẫu Nhiều sản phẩm, thực tế sản xuất trực tiếp từ cơng nghệ này, công nghệ đổi tên thành “công nghệ in 3D” Gần đây, Ủy ban Kỹ thuật ASTM Quốc tế đồng ý với đề xuất thuật ngữ công nghệ in 3D Lịch sử hình thành Cơng nghệ in 3D đời 30 năm nay, thiết bị vật liệu sản xuất đắp dần phát triển năm 1980 Năm 1981, Hideo Kodama Viện Nghiên Cứu Công Nghiệp thành phố Nagoya (Nhật Bản) sáng tạo phương pháp tạo mơ hình nhựa ba chiều với hình ảnh cứng polymer, nơi diện tích tiếp xúc với tia cực tím kiểm sốt mơ hình lớp hay phát quang qt Sau đó, vào năm 1984, nhà sáng chế người Mỹ Charles Hull công ty hệ thống 3D (3Dsystem) phát triển hệ thống nguyên mẫu dựa trình gọi Stereolithography, lớp bổ sung cách chữa giấy nến với ánh sáng cực tím laser Hull định nghĩa q trình “Hệ thống để tạo đối tượng 3D cách tạo mơ hình mặt cắt đối tượng hình thành” điêu phát minh Kodama Đóng góp Hull việc thiết kế định dạng tập tin STL (StereoLithography) ứng dụng rộng rãi phần mềm in 3D Năm 1986, Charles Hull sáng tạo quy trình Stereolithography – sản xuất vật thể từ nhựa lỏng làm cứng lại nhờ laser Sau ơng đăng ký quyền cho công nghệ in 3D “Thiêu kết laser chọn lọc” (Selective laser sintering – SLS) có sử dụng file định dạng STL (Standard Tessellation Language) Hull thành lập công ty Bài 1.Giới thiệu tổng quan cơng nghệ in 3D 3Dsystems đến công ty cung cấp công nghệ lớn lĩnh vực in 3D Nếu lập biểu thời gian thấy cơng nghệ phát triển theo biêu đồ logarit Từ 1986 đến 2007, 20 năm đầu tiên, công nghệ có bước nhỏ, gọi giai đoạn xâm nhập, bước cho công nghệ tạo mẫu nhanh Tuy nhiên, đến năm 2009 có biến động lớn thị trường, nhiều sáng chế công nghệ hết hạn bảo hộ quyền, có sở hữu cơng nghệ “Mơ hình hóa phương pháp nóng chảy lắng đọng” (FDM) Quy trình FDM tạo hình sản phẩm nhờ nấu chảy vật liệu xếp đặt chồng lớp, vốn sở hữu hãng Stratasys, đối thủ cạnh tranh hàng đầu lĩnh vực in 3D Khi sáng chế FDM hết giá trị, công nghệ thu hút nhiều nhà sản xuất tham gia Giá thành sản xuất giảm FDM trở thành chìa khóa cơng nghệ máy sản xuất đắp dần tiêu thụ thị trường Những mốc quan trọng lịch sử công nghệ in 3D: Năm 1984: Quy trình sản xuất đắp dần phát triển Charles Hull Năm 1986: Charles Hull đăng ký quyền xe máy tạo vật thể 3D công nghệ SLS từ file định dạng STL Charles Hull đặt tên cho cơng nghệ Stereolithography, thành lặp cơng ty 3Dsystem phát triển máy in 3D thương mại gọi Stereolithography Apparatus (SLA) Năm 1987: 3Dsystem phát triển dòng sản phẩm SLA-250, phiên máy in 3D giới thiệu công chúng Năm 1988: Hãng Stratasys công ty 3Dsystem lần đầu công bố máy sản xuất đắp dần Năm 1989: Ra đời công nghệ SLS (Selective Laser Sintering), công nghệ in 3D sử dụng lăn để dát mỏng nguyên liệu thành lớp, sau xếp chồng dính chặt lớp lại với cách chiếu tia laser vào Năm 1990: Công ty Stratasys thương mại hóa cơng nghệ “Mơ hình hóa phương pháp nóng chảy lắng đọng” (Fused deposition modeling – FDM) phát triển Scott Crump vào cuối năm 1980 Stratasys bán máy FDM đầu tiên: “3D Modeler” năm 1992 Năm 1991: Ra đời công nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing), công nghệ in 3D sử dụng vật liệu dễ dàng dát mỏng giấy, gỗ, nhựa Năm 1993: công ty Solidscape thành lập để chế tạo dòng máy in 3D dựa cơng nghệ in phun, máy tạo sản phẩm nhỏ với chất lượng bề mặt cao Cũng năm này, Viện Công Nghệ Massachusetts Institute of Technology (MIT) đăng ký bảo hộ công nghệ “3 Dimensional Printing Techniques (3DP)” Bài 1.Giới thiệu tổng quan công nghệ in 3D Năm 1995: Công ty Z Corporation mua lại giấy phép độc quyền từ MIT để sử dụng công nghệ 3DP bắt đầu sản xuất máy in 3D Năm 1996: Stratasys giới thiệu dòng máy in 3D “Genisys” Cùng năm này, Z Corporation giới thiệu dòng “Z402” 3Dsystem giới thiệu dịng máy “Actua 2100” Tới lúc cụm từ “Máy in 3D” sử dụng lần để máy tạo mẫu nhanh Năm 2005: Z Corporation giới thiệu dòng máy Spectrum Z510 Đây dòng máy in 3D tạo sản phẩm có nhiều màu sắc chất lượng cao Năm 2006: Dự án máy in 3D mã nguồn mở khởi động – Reprap – mục đích tạo máy in 3D chép thân Người ta điều chỉnh hay sửa đổi tùy ý, phải tuân theo điều luật GNU (General Public Licence) Năm 2008: Phiên Reprap phát hành, sản xuất 50% phận Năm 2008: Objet Geometries Ltd tạo cách mạng ngành tạo mẫu nhanh giới thiệu Connex500, máy giới tạo sản phẩm 3D với nhiều loại vật liệu khác thời điểm Năm 2009: Bản quyền cơng nghệ “Mơ hình hóa phương pháp nóng chảy lắng đọng” (FDM) hết hạn bảo hộ máy in 3D mã nguồn mở đời Năm 2010: Urbee – xe nguyên mẫu giới thiệu, xe giới mà toàn phần vỏ in từ máy in 3D Tất phận bên ngồi, kể kính gió tạo từ máy in 3D Fortus khổ lớn Stratasys Năm 2010: Organovo Inc, công ty y học học tái tạo nghiên cứu lĩnh vực in 3D sinh học cơng bố việc chế tạo hồn chỉnh mạch máu hồn tồn cơng nghệ in 3D Năm 2012: Thương mai hóa máy in 3D cá nhân Năm 2014: Các sáng chế cho công nghệ “Thiêu kết laser chọn lọc” (Selective laser sintering – SLS), bắt đầu hết hạn bảo hộ, tạo hội cho sáng chế phát triển ngành sản xuất đắp dần, mở đường cho thời kỳ phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp tương lai gần Khái niệm Tạp chí The Engineer Anh định nghĩa: In 3D chuỗi công đoạn khác kết hợp để tạo vật thể ba chiều Trong in ấn 3D, lớp vật liệu đắp chồng lên định dạng kiểm sốt máy tính để tạo vật thể Các đối tượng có hình dạng bất kỳ, sản xuất từ mơ hình 3D nguồn liệu điện tử khác Máy in 3D loại robot công nghiệp Hiệp hội vật liệu thử nghiệm Hoa Kỳ (American Society for Testing Materials – ASTM) đưa khái niệm rõ ràng công nghệ sản xuất đắp dần: “Công nghệ Bài 1.Giới thiệu tổng quan công nghệ in 3D sản xuất đắp dần trình sử dụng nguyên liệu để chế tạo nên mơ hình 3D, thường chồng lớp nguyên liệu lên nhau, trình trái ngược với trình cắt gọt thường dùng để chế tạo xưa nay” Có thể thấy phương pháp sản xuất hoàn toàn trái ngược so với phương pháp cắt gọt – hay gọi phương pháp gia công, mài giũa vật liệu nguyên khối – cách loại bỏ cắt gọt phần vật liệu, nhằm có sản phẩm cuối Cịn với sản xuất đắp dần, ta coi cơng nghệ tạo đúc hay ép khn, từ nguyên liệu riêng lẻ để đắp dần thành sản phẩm cuối “In 3D” việc sử dụng “máy in phun” với “đầu mực” di chuyển để chế tạo sản phẩm hoàn thiện Trên thực tế cơng nghệ sản xuất đắp dần hoạt động tương tự vậy, cịn có q trình, kỹ thuật tiến In 3D gốc thuật ngữ có ý nghĩa liên quan đến q trình vật liệu tích lũy môi trường bột với đầu máy in phun Hiện nay, ý nghĩa thuật ngữ mở rộng để bao gồm đa dạng kỹ thuật quy trình dự phun thiêu kết Các quy trình thiết kế sản phẩm in 3D - Quy trình thuận: thiết kế sản phẩm mẫu phần mềm thiết kế vật thể 3D, sau chuyển file thành file in để nhập vào máy in 3D máy chạy sản xuất vật thể 3D Các vật thể 3D quy trình thuận sản phẩm hồn tồn - Quy trình ngược: sử dụng máy quét 3D để quét vật thể thật ngồi thực tế, sau file qt 3D xử lý chuyển file cung cấp cho máy in 3D, máy in 3D sản xuất sản phẩm (vật thể 3D) giống hoàn toàn 100% với vật thể quét Công nghệ dùng để tái tạo vật thể cần bảo tồn nhân như: tượng, chi tiết nhà cửa, chi tiết công cụ, máy móc, đồ quý giá bị sức mẻ phần,… II Các công nghệ in 3D ứng dụng liên quan Các cơng nghệ in 3D bao gồm: “Thiêu kết laser chọn lọc” (Selective laser sintering – SLS), “Thiêu kết laser chọn lọc trực tiếp” (Direct metal laser sintering – DMLS), “Mơ hình hóa phương pháp nóng chảy lắng đọng” (Fused deposition modeling – FDM), “Tạo hình nhờ tia laser” (Stereolithography – SLA) “In phun sinh học” (Inkjet bioprinting) Trong trường hợp, đối tượng tạo thành từ lớp thời điểm lớp cuối đối tượng hồn thành Với số cơng nghệ thực cách nóng chảy vật liệu lắng đọng vật liệu lớp, công nghệ khác kiên cố hóa vật liệu lớp cách sử dụng laser Trong trường hợp in phun sinh học, kết hợp vật liệu khung đỡ tế bào sống phun Bài 1.Giới thiệu tổng quan công nghệ in 3D Hình 1.1 Máy in 3D Delta, máy in 3D Mini, máy in 3D NANO Ngày nay, in 3D tạo đồ vật từ nhiều loại vật liệu, bao gồm nhựa, kim loại, gốm sứ, thủy tinh, giấy, chí tế bào sống Các vật liệu dạng bột, dây tóc, chất lỏng Với số kỹ thuật, vật đơn giản in nhiều vật liệu màu sắc, tác vụ in đơn lẻ chí tạo phận chuyển động kết nối (như lề, liên kết chuỗi lưới) Công nghệ SLS SLS (Selective Laser Sintering) công nghệ dùng tia laser cơng suất cao để nung nóng vật liệu bột (thủy tinh, gốm sứ, thạch cao, kim loại,…) đến nhiệt độ nóng chảy nhằm thiêu kết hợp hạt bột vật liệu lại với nhau, tạo thành khối rắn dạng xốp Ngồi cịn có cơng nghệ SLM tương tự SLS sử dụng nguồn laser có cường độ mạnh để làm nóng chảy hồn tồn bột kim loại kết dính chúng lại với thành khối rắn đồng ... ĐẲNG CƠNG NGHỆ TP HCM KHOA CƠ ĐIỆN Tài liệu giảng dạy CƠNG NGHỆ IN 3D TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 09 NĂM 2021 LƯU HÀNH NỘI BỘ i MỤC LỤC Mục lục Lời nói đầu Bài Giới thiệu tổng quan công nghệ in 3D I Tổng... ngữ công nghệ Công nghệ mô tả tài liệu gọi công nghệ bồi đắp vật liệu (Additive Manufacturing – AM) công nghệ chế tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping – PR) hay gọi với tên phổ biến công nghệ in 3D. .. thành cơng nghệ in 3D Thuật ngữ cơng nghệ Lịch sử hình thành Khái niệm Các quy trình thiết kế sản phẩm in 3D II Các công nghệ in 3D ứng dụng liên quan Công nghệ SLS Công nghệ SLM Công nghệ FDM