898 KỸ THUẬT IN 3D VÀ SỰ ẢNH HƯỞNG TRỰC TIẾP ĐỐI VỚI KHỐI NGÀNH KỸ THUẬT Lưu Lê Thanh Bảo, Đào Duy Đạt Viện Công nghệ Việt Nhật, Trường Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh GVHD TS Hà Minh Tuấn TÓM TẮT Cá[.]
KỸ THUẬT IN 3D VÀ SỰ ẢNH HƯỞNG TRỰC TIẾP ĐỐI VỚI KHỐI NGÀNH KỸ THUẬT Lưu Lê Thanh Bảo, Đào Duy Đạt Viện Công nghệ Việt-Nhật, Trường Đại học Cơng nghệ TP.Hồ Chí Minh GVHD: TS Hà Minh Tuấn TĨM TẮT Các phương pháp chế tạo khí nay: Gia công dao, gia công tia laser, gia công tia nước v.v Các phương pháp gia công chế tạo linh kiện điện tử: phương pháp khắc li tô, phương pháp li tô quang v.v Các phương pháp có chung điểm chế tạo theo phương thức từ xuống Phương pháp tồn 1một số nhược điểm tương lai gần nhược điểm gây cản trở cho phát triển ngành kỹ thuật, khó để tạo linh kiện điện tử nhỏ nguyên tử chế tạo chi tiết phức tạp Nhưng điều phương pháp in 3D làm tương lai Những lợi ích phương pháp chế tạo mang lại thay đổi hồn tồn ngành kỹ thuật TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ IN 3D Công nghệ in 3D bao gồm loạt q trình cơng nghệ cung cấp đầy đủ khả để sản xuất chi tiết sản phẩm từ loại vật liệu khác Về bản, tất quy trình cơng nghệ có điểm chung cách thức thực sản xuất, trình điền đầy lớp chất phụ gia, trái ngược hồn tồn với quy trình sản xuất truyền thống làm khuôn Công nghệ in 3D q trình tạo mơ hình vật lý (mẫu thực) từ mơ hình số hóa (file thiết kế 3D máy tính) cách tự động thơng qua máy in 3D Về bản, để phân biệt nguyên lý phía sau cơng nghệ in 3D q trình sản xuất chất phụ gia Và điều thực chìa khóa in 3D phương pháp hồn tồn khác dựa cơng nghệ tiên tiến xây đắp, xếp chồng lớp vật liệu để tạo mơ hình sản phẩm Đối với nhiều ứng dụng trình thiết kế truyền thống trình sản xuất có hạn chế chưa thể khắc phục như, việc bao gồm chi phí đắt tiền để mua dụng cụ cắt, máy móc thiết bị, đồ gá dẫn tới 90% vật liệu ban đầu sử dụng bị lãng phí Ngược lại, cơng nghệ in 3D trình tạo đối tượng cách trực tiếp, cách xếp tầng lớp vật liệu theo cách khác tùy thuộc vào công nghệ sử dụng in 3D Cách hiểu đơn giản công nghệ in 3D cho cố gắng để hiểu khái niệm cơng nghệ in 3D giống việc xây dựng số thứ với khối Lego cách tự động 898 NHỮNG LOẠI MÁY IN 3D TÁC ĐỘNG TRỰC TIẾP VÀO NGÀNH KỸ THUẬT 2.1 Fused Deposition Modeling (FDM) Hình 1: Mơ hình hoạt động máy in 3D FDM FDM trình bồi đắp vật liệu cách nung nhựa sợi nóng chảy dẻo tạo lớp theo mặt cắt 2D sau lớp trục Z nâng lên độ cao độ cao lớp in để dần tạo nên cấu trúc chi tiết Vật liệu in sợi nhựa dẻo (PLA, ABS…) dẫn từ cuộn tới đầu chuyển động điều khiển động hệ thống Khi sợi nhựa tới đầu đùn nung chảy nhiệt độ sau đùn theo vòi đầu đùn in biến dạng theo mặt cắt chi tiết Vật liệu in: Sợi nhựa PLA, ABS… Ưu điểm: Là công nghệ in 3D giá rẻ, chi phí cho thiết bị vật liệu thấp Thường sử dụng sản phẩm cần chịu lực, sản phẩm có độ cứng cao Tốc độ tạo hình 3D nhanh Nhược điểm: Ít dùng lắp ghép độ xác khơng cao, sai số đường kính sợi nhựa Khả chịu lực khơng đồng 2.2 Stereolithography (SLA) Hình 2: Mơ hình hoạt động máy in 3D SLA 899 SLA kỹ thuật dùng tia laser làm đông cứng nguyên liệu lỏng để tạo lớp mặt cắt sản phẩm hoàn tất Có thể hình dung kỹ thuật sau: đặt bệ đỡ thùng chứa nguyên liệu lỏng, chùm tia laser di chuyển lên mặt nguyên liệu lỏng theo hình mặt cắt ngang sản phẩm làm lớp nguyên liệu cứng lại Bệ đỡ chứa lớp nguyên liệu cứng hạ xuống để tạo lớp mới, lớp thực tiếp tục đến sản phẩm hoàn tất Vật liệu: Nhựa lỏng Resin Ưu điểm: Cơng nghệ SLA có khả tạo mơ hình có độ phân giải cao, sắc nét xác Sử dụng nguồn laser nên tốc độ in nhanh công nghệ FDM Tiết kiệm nguyên liệu so với phương pháp gia công truyền thống, nhựa lỏng thừa in xong chi tiết dùng để tái sử dụng lần in Nhược điểm: Chi phí cho thiết bị vật liệu in 3D đắt, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền để lâu ánh sáng mặt trời 2.3 Digital Light Processing (DLP) Hình 3: Mơ hình hoạt động máy in 3D DLP Cơ công nghệ gần giống với SLA, sử dụng ánh sáng để gia công sản phẩm, vật liệu in nhựa lỏng quang hóa (Resin) Sau tiếp xúc với ánh sáng, nhựa lỏng đông kết hình thành lớp rắn mỏng xếp lớp lên để tạo vật thể rắn hồn chỉnh DLP thay sử dụng đầu phát laser đơng kết điểm bàn in dùng hình máy chiếu kỹ thuật số, pixel hình đóng vai trị đầu phát ánh sáng có hai trạng thái tắt mở (0 1), với hình hồn tồn in lớp Resin thay in điểm công nghệ SLA Về thời gian in: cơng nghệ DLP có thời gian in ngắn nhiều so với SLA, chúng có khả kết tinh đồng loạt lớp resin Về chất lượng sản phẩm: cơng nghệ SLA có ổn định cao DLP 900 2.4 Selective Laser Sintering (SLS) Hình 4: Mơ hình máy in SLS Vật liệu: Kim loại bột, hợp kim dạng bột Ưu điểm: Có thể in mơ hình có thành mỏng, chi tiết độ dẻo, vật liệu kim loại, hợp kim, hay mô hình lớn có phần rỗng phía đáy, khơng cần hệ thống support Nhược điểm: Chi phí đầu tư cho thiết bị vật liệu cao, lượng vật liệu tiêu tốn lớn QUY TRÌNH IN 3D ĐỂ TẠO RA MỘT SẢN PHẨM Bước 1: Tạo mô hình 3D (CAD Model Creation): Trước tiên, đối tượng mơ hình hóa cách sử dụng thiết kế với trợ giúp máy tính, lập mơ hình khối 3D phần mềm như: Solidworks, ProE, Các nhà thiết kế sử dụng tập tin CAD có từ trước tạo theo mục đích tạo mẫu Bước 2: Chuyển đổi sang định dạng STL (Conversion to STL format): Các phần mềm 3D khác sử dụng thuật toán khác để thể vật thể 3D (Solid part), để thiết lập tính thống – định dạng STL (stereolithography) áp dụng tiêu chuẩn ngành công nghiệp tạo mẫu nhanh Định dạng quỹ tích mặt tam giác liên kết liên tục với nhau, thể bề mặt vật thể không gian ba chiều Do định dạng STL sử dụng yếu tố mặt phẳng (planar triangles) nên khơng thể bề mặt cong cách xác Tăng số lượng mặt tam giác cải thiện độ mịn bề mặt cong làm dung lượng file tăng Các chi tiết lớn, phức tạp cần nhiều thời gian cho khâu tiền xử lý xây dựng định dạng STL Bước 3: Cắt file STL (Slice the STL file): Trong bước này, chương trình tiền xử lý file STL xây dựng, số chương trình có sẵn hầu hết cho phép người dùng điều chỉnh kích thước, vị trí hướng mơ hình Bước 4: Xác định hướng đặt quan trọng với nhiều lý do: – Tính chất mẫu tạo thành thay đổi tương đồng với phương hướng gá đặt Ví dụ: Mẫu yếu xác khơng cao theo phương Z so với phương XY 901 – Hướng đặt mô hình định thời gian in mơ hình Vì nên đặt phương ngắn vật thể theo hướng Z thiết bị để giảm số lượng lớp rút ngắn thời gian in Bước 5: Xây dựng mơ hình (Layer by layer): Đây bước chủ đạo quy trình tạo mẫu nhanh, sử dụng kỹ thuật khác (RP techniques) Hệ thống xây dựng lớp vật liệu từ: polymer, dung dịch nhựa lỏng, giấy, bột kim loại… Hầu hết tự động, có can thiệp người Bước 6: Làm kết thúc: Đây bước cuối quy trình, bước liên quan đến việc loại bỏ phần tử phụ trợ (có đề cập bước số 3) ỨNG DỤNG In 3D có nhiều ứng dụng Trong sản xuất, y học, kiến trúc, nghệ thuật thiết kế tùy biến Một số người sử dụng máy in 3D để tạo thêm máy in 3D Hiện nay, phương pháp in 3D sử dụng lĩnh vực sản xuất, y tế, cơng nghiệp văn hóa xã hội, tạo điều kiện cho in 3D trở thành công nghệ thương mại v.v Sản xuất đắp dần dựa đám mây: Sản xuất đắp dần kết hợp với cơng nghệ điện tốn đám mây cho phép sản xuất phân tán địa lý Chỉ cần gửi file mẫu từ xa đến cho công ty sở hữu máy in Tùy biến hàng loạt: Các công ty tạo dịch vụ mà người tiêu dùng tùy biến đối tượng cách sử dụng phần mềm tùy biến dựa web đơn giản đặt hàng sản phẩm đối tượng độc đáo in 3D Sản xuất nhanh: Những tiến công nghệ RP giới thiệu vật liệu thích hợp cho việc sản xuất cuối cùng, giới thiệu khả sản xuất trực tiếp phận hoàn thiện Một lợi việc in 3D để sản xuất nhanh nằm việc sản xuất tương đối rẻ số lượng nhỏ phận Tạo mẫu nhanh: Máy in 3D công nghiệp tồn từ đầu năm 1980 sử dụng rộng rãi để tạo mẫu nhanh nghiên cứu Đây thường máy lớn sử dụng kim loại bột độc quyền, phương tiện đúc (ví dụ: cát), nhựa, giấy hộp mực sử dụng để tạo mẫu nhanh chóng Trường Đại học công ty thương mại Nghiên cứu: In 3D đặc biệt hữu ích phịng thí nghiệm nghiên cứu khả tạo dạng hình học chuyên biệt, riêng biệt Năm 2012, dự án chứng minh khái niệm Đại học Glasgow, Vương quốc Anh, cho thấy sử dụng kỹ thuật in 3D để hỗ trợ sản xuất hợp chất hóa học Thực phẩm: Sản xuất đắp dần thực phẩm phát triển cách ép thực phẩm thành vật thể ba chiều lớp Một lượng lớn loại thực phẩm thích hợp 902 KẾT LUẬN Trong vài thập kỷ tới công nghệ in 3D đạt đến mức hồn thiện thay đổi hồn tồn cách ngành kỹ thuật Đối với khí phần thiết kế khn mẫu khơng cịn tồn nữa, sinh viên học cách lập trình điều khiển số hóa máy in 3D Các kỹ sư ngành thiết kế máy tự suy nghĩ thiết kế mà không cần phải suy nghĩ đến việc khó khăn gia cơng với cơng nghệ in 3D gia cơng tất chi tiết gây khó khăn phương pháp Những máy tính mỏng tờ giấy tốc độ xử lý nhanh gấp chục chí trăm lần linh kiện điện tử thu nhỏ nhiều lần so với tại, khái niệm máy tính lượng tử, AI, Big data trở nên phổ biến thơng dụng Sự hồn thiện cơng nghệ in 3D gây Cách mạng Công nghiệp 4.0 cấu việc làm thay đổi, nhiều công việc có nhiều cơng việc sinh u cầu người cần phải hoàn thiện thân thêm để không bị thay thế, đào thải TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Công nghệ in 3D đột phá vào ngành nghề, PGS Nguyễn Xuân Chánh (2016) Tr 108130, 230-311, 340-370 [2] Vật liệu thiết bị NANO, TS Trương Văn Tân (2016) Tr… 212-307 903 ...2 NHỮNG LOẠI MÁY IN 3D TÁC ĐỘNG TRỰC TIẾP VÀO NGÀNH KỸ THUẬT 2.1 Fused Deposition Modeling (FDM) Hình 1: Mơ hình hoạt động máy in 3D FDM FDM trình bồi đắp vật liệu cách... số 3) ỨNG DỤNG In 3D có nhiều ứng dụng Trong sản xuất, y học, kiến trúc, nghệ thuật thiết kế tùy biến Một số người sử dụng máy in 3D để tạo thêm máy in 3D Hiện nay, phương pháp in 3D sử dụng lĩnh... hợp 902 KẾT LUẬN Trong vài thập kỷ tới công nghệ in 3D đạt đến mức hồn thiện thay đổi hồn tồn cách ngành kỹ thuật Đối với khí phần thiết kế khn mẫu khơng cịn tồn nữa, sinh viên học cách lập trình