Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid protptyping RP) được xem là giải pháp công nghệ mới, ra đời và phát triển vào những năm 1980, khi những thiết bị đầu tiên về tạo mẫu nhanh được đưa ra thị trường; đáp ứng nhu cầu cung cấp nhanh đến người tiêu dùng các sản phẩm mới. Đánh dấu cho sự phát triển đó là sáng chế của Charles Hull (năm 1984) về thiết bị tạo hình lập thể (Stereolithography Apparatus SLA), được công nhận sáng chế vào năm 1986, được thương mại hóa bởi công ty 3D System vào năm 1988. Đến nay, công nghệ tạo mẫu nhanh theo nguyên lý đắp dần vật liệu đang được xem là một trong những công nghệ cốt lõi có quan hệ quyết định với các công nghệ khác trong cuộc cách mạng công nghệ 4.0 nhờ phát huy tác dụng đáp ứng nhanh, đúng lúc nhu cầu của khách hàng tiêu thụ.
Trang 1In 500 tờ A3 giây Couche 180; can mo 1 mat
Trang 3BIÊN MỤC TRƯỚC XUẤT BẢN THỰC HIỆN BỞI
TRUNG TAM HOC LIEU TRUONG DAI HOC CAN THO
Nguyễn, Văn Cương
Giáo trình tạo mẫu nhanh / Nguyễn văn Cương (Chủ biên), Đặng Văn Nghìn.- Cần Thơ :
Nxb Đại học Cần Thơ, 2020
170 tr : minh họa ; 24 cm
Sách có danh mục tài liệu tham khảo
ISBN: 9786049652745
1.Mechanical engineering 2 Kỹ thuật cơ khí 3 Công nghệ tạo mẫu
L Nhan đề II Đặng, Văn Nghìn
671.2- DDC 23 MEN 237651
Trang 4LỜI GIỚI THIỆU
Nhằm góp phần làm phong phú nguồn tư liệu phục vụ nghiên cứu,
học tập cho bạn đọc, sinh viên, học viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật
cơ khí Nhà xuất bản Đại học Cần Thơ ấn hành và giới thiệu cùng bạn đọc
giáo trình “Tạo mẫu nhanh” do TS Nguyễn Văn Cương và PGS TS Đặng
Văn Nghìn biên soạn
Nội dung giáo trình giới thiệu tông quan về tạo mẫu nhanh; các ứng dụng của tạo mâu nhanh, các hệ thống tạo mẫu nhanh sử dụng vật liệu lỏng, vật liệu bột và vật liệu rắn Giáo trình là tài liệu học tập có giá trị liên quan đến tạo mẫu nhanh
Nhà xuất bản Đại học Cần Thơ chân thành cảm ơn các tác giả và sự
đóng góp ý kiến của quý thầy ‹ cô trong Hội đồng thâm định Trường Đại học Cần Thơ để giáo trình “Tạo mẫu nhanh” được ra mắt bạn đọc
Nhà xuất bản Đại học Cần Thơ trân trọng giới thiệu đến học viên, sinh viên, giảng viên và bạn đọc giáo trình này
Trang 6LOI NOI DAU
Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid protptyping- RP) được xem là giải
pháp công nghệ mới, ra đời và phát triển vào những năm 1980, khi những
thiết bi đầu tiên về tạo mẫu nhanh được đưa ra thị trường: đáp ứng nhu cầu
cung cấp nhanh đến người tiêu dùng các sản phẩm mới Đánh dấu cho sự
phát triển đó là sáng chế của Charles Hull (năm 1984) về thiết bị tạo hình
lập thể (Stereolithography Apparatus —- SLA), được công nhận sáng chế vào năm 1986, được thương mại hóa bởi công ty 3D System vào năm I988 Đến nay, công nghệ tạo mẫu nhanh theo nguyên lý đắp dần vật liệu đang được xem là một trong những công nghệ cốt lõi có quan hệ quyết định với các công nghệ khác trong cuộc cách mạng công nghệ 4.0 nhờ phát huy tác
dụng đáp ứng nhanh, đúng lúc nhu cầu của khách hàng tiêu thụ
Giáo trình Tạo Mẫu Nhanh bao gồm 7 chương, nhằm cung cấp kiến thức cơ bản đến bạn đọc những nội dung liên quan đến công nghệ tạo mẫu
nhanh; cấu tạo - nguyên lý hoạt động, ứng dụng của các phương pháp tạo mẫu nhanh sử dụng vật liệu lỏng - bột - rắn phố biến -hiện nay; các dạng dữ liệu trong tạo mâu nhanh; các ứng dụng của tạo mẫu nhanh; kỹ thuật ngược trong tạo mẫu nhanh Các nội dung được tác giả lựa chọn, sàng lọc, tổng hợp từ các ấn phẩm, sách, tài liệu tham khảo trong và ngoài nước,
các công trình nghiên cứu của chính nhóm tác giả, các sô liệu được công bố
trên các website liên quan đến tạo mẫu nhanh của các công ty, doanh nghiệp trong và ngoài nước Khi biên soạn, tác giả đã bám sát các yêu cầu đặt ra trong lĩnh vực tạo mau nhanh của ngành Kỹ thuật Cơ khí Quyền sách này có thể được sử dụng đề làm tài liệu giảng đạy, học tập trong các ngành kỹ
thuật liên quan ở bậc Đại học, Cao học của các Trường
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, quý đồng nghiệp
đã đóng góp ý kiến để hoàn thiện nội dung tài liệu này Đặc biệt, chúng tôi
xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học là tác giả của các tài liệu tham khảo được trích dẫn, đây là nguồn tài liệu vô cùng bổ ích giúp chúng tơi hồn thành giáo trình này
Giáo trình này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất
mong nhận được ý kiên đóng góp của quý bạn đọc đê có thê hoàn thiện
trong lân tái bản sau
Trang 8MUC LUC
Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1.1 Công nghệ tạo mẫu
1.1.2 Tạo mẫu nhanh là gì?
1.2 LICH SU PHAT TRIEN CUA CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH
1.3 BA GIAI DOAN PHAT TRIEN DAN DEN TAO MAU NHANH
1.3.1 Thời kỳ đầu: tạo mẫu bằng tay
1.3.2 Thời kỳ thứ hai: tạo mẫu ảo
1.3.3 Thời kỳ thứ ba: tạo mẫu nhanh
1.4 NGUYEN TAC CO BAN CUA TẠO MẪU NHANH
1.4.1 Dữ liệu vào
1.4.2 Phương pháp tạo mẫu nhanh
1.4.3 Vật liệu
1.4.4 Các ứng dụng
1.5 CAC UU DIEM CUA TẠO MẪU NHANH 1.6 CÁC QUÁ TRÌNH CHÉ TẠO MẪU CƠ BẢN
1.7 QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CỦA TẠO MẪU NHANH
1.7.1 Tạo mô hình 3D
1.7.2 Chuyển đổi và truyền dữ liệu
1.7.3 Kiểm tra và chuẩn bị 1.7.4 Chế tạo mẫu
1.7.5 Gia công tinh
1.8 PHAN LOAI HE THONG TAO MẪU NHANH 1.8.1 Hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu lỏng
1.8.2 Hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu rắn
1.8.3 Hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu bột
CÂU HỎI ÔN TẬP
Chương 2 HỆ THÓNG TẠO MẪU NHANH SỬ DỤNG VẬT LIỆU LỎNG
Trang 92.1.6 Ưu nhược điểm
2.2 PHUONG PHAP XU LY NEN TANG RAN - SGC
2.2.1 Giới thiệu
2.2.2 Quá trình 2.2.3 Nguyên lý
2.2.4 Ứng dụng của SGC
2.2.5 Ưu nhược điểm
2.3 PHƯƠNG PHÁP LƯU HÓA TẠO VẬT THÊ RĂN - SCS
2.3.1 Giới thiệu
2.3.2 Quá trình 2.3.3 Nguyên lý
2.3.4 Ứng dụng
2.3.5 Ưu nhược điểm
2.4 PHƯƠNG PHÁP TẠO MẪU BẰNG MÁY IN LASER TỬ NGOẠI - SOUP 2.4.1 Giới thiệu
2.4.2 Quá trình
2.4.3 Nguyên lý
2.4.4 Ứng dụng
2.4.5 Ưu nhược điểm
2.5 HỆ THÓNG TẠO HÌNH KHÓI CỦA CÔNG TY TELIN SEIKI 2.5.1 Giới thiệu
2.5.2 Quá trình
2.5.3 Nguyên lý 2.5.4 Ứng dụng
2.5.5 Ưu nhược điểm
2.6 HỆ THÓNG TẠO MẪU NHANH CỦA CÔNG TY MEIKO 2.6.1 Giới thiệu
2.6.2 Quá trình 2.6.3 Nguyên lý 2.6.4 Ứng dụng
2.6.5 Ưu nhược điểm
2.7 HỆ THÓNG TẠO MẪU NHANH BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẠNH ĐÔNG 2.7.1 Giới thiệu
2.7.2 Quá trình
2.7.3 Khả năng ứng dụng 2.7.4 Ưu nhược điểm
Trang 10Chuong 3 HE THONG TAO MAU NHANH SU DUNG VAT LIEU RAN 3.1 PHƯƠNG PHÁP DÁN NHIÊU LỚP - LOM 3.1.1 Thiết bị 3.1.2 Quá trình 3.1.3 Câu tạo hệ thống LOM 3.1.4 Nguyên lý làm việc 3.1.5 Ưu nhược điểm 3.1.6 Ứng dụng của LOM 3.2 PHƯƠNG PHÁP TAN CHẢY LẮNG ĐỌNG - FDM 3.2.1 Giới thiệu 3.2.2 Sản phẩm FDM 3.2.3 Đặc điểm của quá trình FDM 3.2.4 Quá trình FDM
3.2.5 Nguyên lý hoạt động của FDM
3.2.6 Ưu nhược điểm 3.2.7 Ứng dụng 3.3 PHUONG PHAP DAN EP TUNG LOP — PLT 3.3.1 Giới thiệu 3.3.2 Quá trình hoạt động 3.3.3 Nguyên lý 3.3.4 Ưu nhược điểm 3.3.5 Ứng dụng 3.4 PHƯƠNG PHÁP TẠO MẪU NHIÊU ĐẦU PHUN - MIM 3.4.1 Giới thiệu 3.4.2 Quá trình làm việc 3.4.3 Nguyên lý hoạt động 3.4.4 Đặc điểm kỹ thuật
3.4.5 Ưu nhược điểm
3.5 PHUONG PHAP CHE TAO VAT THE TUNG LGP (SSM) 3.5.1 Giới thiệu
3.5.2 Quá trình
3.5.3 Nguyên tắc
3.5.4 Ưu nhược điểm
Trang 113
3.6.4 Ưu nhược điểm
HE THONG TAO MẪU NHANH ĐA CHỨC NĂNG - M-RPM CÂU HỎI ÔN TẬP
Trang 124.5.5 Ứng dụng của DSPC 4.6 PHUONG PHAP HOA RAN NHIEU PHA - MJS 4.6.1 Giới thiệu 4.6.2 Quá trình 4.6.3 Nguyên lý làm việc 4.6.4 Ứng dụng 4.7 PHƯƠNG PHÁP TAN CHẢY BẰNG TIA ĐIỆN TỬ - EBM 4.7.1 Giới thiệu 4.7.2 Quá trình 4.7.3 Nguyên lý làm việc 4.7.4 Ứng dụng 4.8 CÔNG NGHỆ LASFORM 4.8.1 Giới thiệu 4.8.2 Quá trình 4.8.3 Nguyên lý làm việc 4.8.4 Ưu nhược điểm 4.8.5 Ứng dụng 4.9 HE THONG TAO MẪU NHANH GENERIS.(GS) 4.9.1 Giới thiệu 4.9.2 Nguyên lý làm việc 4.9.3 Ứng dụng 4.10 CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH THERIFORM 4.10.1 Giới thiệu 4.10.2 Quá trình 4.10.3 Nguyên lý 4.10.4 Ứng dụng 4.11 CÔNG NGHỆ IN 3D CỦA PROMETALTM 4.11.1 Giới thiệu 4.11.2 Qua trinh 4.11.3 Nguyên lý hoạt động 4.114 Ưu nhược điểm 4.11.5 Ứng dụng
CÂU HỎI ÔN TẬP
Trang 1353
5.4
5D
5.2.1 Lỗi thiếu mặt hay 16 hong 5.2.2 Mặt phăng bị hư hại
5.2.3 Mặt phẳng chồng, lấp nhau
5.2.4 Điều kiện không đa dạng (non-manifold condition)
KÉT QUẢ CHÉ TẠO MƠ HÌNH ĐƯỢC PHÂN TÍCH
5.3.1 Mơ hình hợp lý
5.3.2 Mô hình không hợp lý CHỈNH SỬA TẬP TIN *.STL
5.4.1 Thuật toán chung
5.4.2 Giải quyết vấn đề thiếu mặt
5.4.3 Vấn đề các mặt bị định hướng sai
Một Số Định Dạng Khác
5.5.1 Dinh dang IGES (file IGES) 5.5.2 Dinh dang HP/GL (file HP/GL)
5.5.3 Dt ligu CT (Computerized Tomography) 5.5.4 Dinh dang SLC (file SLC)
5.5.5 Dinh dang CLI (file CLI)
5.5.6 Dinh dang RPI (file RPI)
5.5.7 Dinh dang LEAF (file LEAF)
CAU HOI ON TAP
Chương 6 MỘT SÓ ỨNG DỤNG CỦA TẠO MẪU NHANH
6.1
6.2 UNG DUNG TAO MẪU NHANH TRONG LĨNH VỰC CƠ KHÍ
6.3
6.4 ỨNG DỤNG TẠO MẪU NHANH TRONG KHẢO CÔ HỌC
6.5 ỨNG DỤNG TẠO MẪU NHANH TRONG CÔNG NGHIỆP ĐIỆN,
6.6 ỨNG DỰNG TẠO MẪU NHANH TRONG LĨNH VỰC KIM HOÀN ỨNG DỤNG CỦA RP TRONG CÔNG NGHIỆP Ô TÔ
CHE TAO
UNG DUNG TAO MAU NHANH TRONG Y HOC
DIEN TU CAU HOI ON TAP
Chương 7 KỸ THUẬT NGƯỢC TRONG TẠO MẪU NHANH 7.1 2 73 7.4 QUY TRÌNH MƠ HÌNH HÓA SẢN PHẨM BẰNG KỸ THUẬT NGƯỢC vi
GIGI THIEU VE KY THUAT NGUGC
UU NHUGOC DIEM CUA KỸ THUAT NGƯỢC
QUY TRÌNH THIẾT KÉ NGƯỢC
Trang 147.4.3 Thiết kế lại sản phẩm dựa trên cơ sở dữ liệu số hóa 143
7.4.4 Chế tạo mẫu, gia công chỉ tiết 143
7.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT NGƯỢC 143
CÂU HỎI ÔN TẬP 146
TÀI LIỆU THAM KHẢO 147
Trang 15Hinh 1.1 Hinh 1.2 Hinh 1.3 Hinh 1.4 Hinh 1.5 Hinh 1.6 Hinh 1.7 Hinh 2.1 Hinh 2.2 Hinh 2.3 Hinh 2.4 Hinh 2.5 Hinh 2.6 Hinh 2.7 Hinh 2.8 Hinh 2.9 Hinh 2.10 Hinh 2.11 Hinh 2.12 Hinh 2.13 Hinh 2.14 Hinh 2.15 Hinh 2.16 Hinh 2.17 Hinh 2.18 Hinh 2.19 Hinh 2.20 Hinh 2.21 Hinh 2.22 Hinh 2.23 Hình 2.24 Hình 2.25 viii
DANH MUC HiNH
Mô hình mẫu của máy bay siêu âm
Bánh xe 4 yếu tố chính của tạo mẫu nhanh
So sánh công nghệ tạo mẫu nhanh với công nghệ truyền thống
Thời gian chế tạo và độ phức tạp của sản phẩm trong 25 năm tính đên 1995
Các quá trình chế tạo cơ bản Quy trình tạo mẫu nhanh
Chuỗi quá trình của tạo mẫu nhanh Quá trình nguyên lý SUA
Nguyên ly lam viéc cua SLA
Sơ đồ quá trình trùng hợp quang hóa tạo các gốc tự do
Quá trình SGC
Sơ đồ khối của thiết bị Solider
Nguyên lý làm việc của SGC
Nguyên lý làm việc của SGC tạo nhiều chỉ tiết đồng thời
Một số sản phẩm tạo ra từ ứng dụng của SGC
Thiết bị SCS
Nguyên lý làm việc của hệ thống tạo mẫu SCS
Loại máy in SOUP II GS 600 (Courtesy CMET Inc.)
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống SOUP
Hệ thống thiết bị Solidform 250B (Công ty Teijin Seiki Ltd.) Tạo mẫu bằng khuôn phun nhựa (Công ty Teijin Seiki)
Tạo chỉ tiết mẫu bằng phun nhựa trực tiếp SOLIFORM
Khuôn và chỉ tiết trong quá trình chế tạo điện thoại cầm tay
Hệ thống thiét bi tao mau LC-510 (Meiko’s Company)
Quá trình tạo mẫu trang sức bằng hệ théng JCAD3/Takumi va Meiko
Mô hình bằng nhựa, mô hình nhẫn được đúc bằng kim loại
(Công ty Courtesy Meiko)
Hệ thống thí nghiệm RFP
Nguyên lý chế tạo của thiết bị REP
Sơ đồ hệ thống điều khiển
Hai phương pháp ép phun vật liệu
Chế tạo chỉ tiết với đường viền xung quanh
Trang 16Hinh 2.26 Hinh 3.1 Hinh 3.2 Hinh 3.3 Hinh 3.4 Hinh 3.5 Hinh 3.6 Hinh 3.7 Hinh 3.8 Hinh 3.9 Hinh 3.10 Hinh 3.11 Hinh 3.12 Hinh 3.13 Hinh 4.1 Hinh 4.2 Hinh 4.3 Hinh 4.4 Hinh 4.5 Hinh 4.6 Hinh 4.7 Hinh 4.8 Hinh 4.9 Hinh 4.10 Hinh 4.11 Hinh 4.12 Hinh 4.13 Hinh 4.14 Hinh 4.15 Hinh 4.16 Hinh 4.17 Hinh 4.18 Hinh 4.19 Hinh 4.20 Hinh 4.21 Hinh 4.22 Hinh 4.23
Ché tao chi tiét kim loai bang phương pháp đúc với mẫu nước đá
Qui trình chế tạo của LOM
Quá trình tách vật chế tạo từ LOM
Quá trình làm việc LOM
Thiết bị FDM
Sơ đồ nguyên lí FDM
Sơ đồ quá trình PLT
Thiết bị ThermoJet®
Nguyên lý làm việc của MJM
Cấu tạo và nguyên lý làm việc của MIM
Cấu tạo và nguyên lý của máy SSM
Mô hình máy MEM
Sơ đồ nguyên lý của phương pháp MEM
Một số sản phẩm được chế tạo từ SSM, MEM và M-RPM
Máy Sinterstation theo nguyên lý SLS
Nguyên lý hoạt động của SLS
Một số sản phẩm của SLS Quá trình chế tạo mẫu của 3DP
Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy in 3DP Quá trình chế tạo sản phẩm của máy in 3DP Một số sản phâm của máy in 3DP
Một số sản phẩm làm ra từ công nghệ EOSINT Nguyên lý hoạt động của LENS
Chế tạo chỉ tiết bằng công nghệ LENS
Ứng dụng LENS trong y học để ghép bộ phận giả Quá trình DSPC của Soligen
Thiết bị DSPC 300 của Soligen
Một số sản phẩm kim loại đúc từ DSPC Nguyên lý làm việc của MJS
Thiết bị MJS
Thiét bi Arcam EBM S12
Trang 17Hinh 4.24 Qua trinh ProMetal™ 104
Hình 4.25 Chỉ tiết kim loại được chế tạo bằng công nghệ ProMetalTM 105
Hình 5.I Dữ liệu trong tập tin *.STL 107 Hình 5.2 Sự trùng lặp các đỉnh và cạnh tam giác trong dữ liệu *.STL 108
Hình 5.3 Lỗ hồng tạo ra do thiếu bề mặt 108
Hình 5.4 Sự hư hại (thoái hóa) và tạo bề mặt mới 109
Hình 5.5 Sự chồng lấp các mặt 109
Hình 5.6 Sự không đa dạng cạnh 110 Hình 5.7 Sự không đa dạng điểm (trái) và mặt (phải) 110
Hinh 5.8 Kết quả xử lý mô hình hợp lý 111
Hinh 5.9 Kết qua xử lý mô hình không hợp lý 111
Hình 5.10 Kiểm tra các đỉnh, mặt liền kề của mô hình 113
Hình 5.11 Phát hiện các lỗ hỗng trong mô hình 113 Hình 5.12 Đường bao của lỗ hồng được sắp xếp thành vòng khép kín 114 Hình 5.13 Thứ tự tạo mặt của mô hình 114 Hình 5.14 Quá trình tạo mặt của mô hình với số cạnh lẻ và số cạnh chẵn 115 Hình 5.15 Quá trình chỉnh sửa định hướng sai các mặt 115 Hình 5.16 Hai lỗ hỗng cùng có I đỉnh chung 116 Hình 5.17 Hai lỗ hồng cùng có 1 đỉnh chung ở 2 bước thay thé 117 Hình 5.1§ Hai mặt có cùng I cạnh chung 117 Hinh 5.19 Các mặt chồng lấp và miền tương đương 118 Hình 5.20 Mặt chồng lấp và giải pháp hợp nhất đỉnh 118
Hinh 6.1 Các ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh 122
Hình 6.2 Ung dung RP ché tao bộ tăng áp - khối động cơ, toàn bộ xe Urbee 124 Hình 6.3 Ống xả ô tô bằng titan trên siêu xe Koenigsegg One được làm
bằng in 3D 124
Hình 6.4 Các bộ phận khung xe, hệ thống treo (hãng Divergent) được in
từ 3DP 125
Hình 6.5 Ô tô Strati được giới thiệu bởi IMTS trong năm 2014 126 Hinh 6.6 Đường ray dẫn hướng cửa số cho BMW i8 Roadster được chế tạo
bởi in 3D 126
Hình 6.7 Quy trình chế tạo chỉ tiết cơ khí bằng RP 127
Hinh 6.8 Mô hình truyền động cơ khí được chế tao bang RP 127
Hinh 6.9 Bộ phận cơ khí được chế tao bang LOM 128
Hình 6.10 Bộ phận cơ khí được chế tạo bằng PP đúc dựa trên RP 128
Hinh 6.11 Chỉ tiết cơ khí được chế tạo bằng công nghệ SLS 128
Trang 18Hinh 6.13 Hinh 6.14 Hinh 6.15 Hinh 6.16 Hinh 6.17 Hinh 6.18 Hinh 6.19 Hinh 6.20 Hinh 6.21 Hinh 6.22 Hinh 6.23 Hinh 7.1 Hinh 7.2 Hinh 7.3 Hinh 7.4 Hinh 7.5 Hinh 7.6 Hinh 7.7 Cac mô hình trong y học (xương, đốt sống, mạch, ) được chế tạo băng RP
Các mô hình giáo dục, tai giả, xương hàm được chế tạo bằng RP Các mô hình xương sống, lồng ngực được chế tạo bằng RP Các mô hình xương sọ được chế tạo bằng RP
Các dụng cụ y tế được chế tạo bằng RP
Mô hình tim (trái) và van tim (phải) được chế tao bing RP
Phục hồi các cổ vật bằng công nghệ tạo mẫu nhanh Sử dụng kỹ thuật ngược để phục chế các mẫu vật
Các thiết bị điện, điện tử được chế tạo bằng RP
Hệ thống thiết bị tạo mẫu LC510 cúa Công ty Meiko
Mô hình trang sức bằng nhựa, kim loại quý được chế tạo băng RP (Meiko)
Quy trình tái tạo mô hình CAD của sản phẩm sử dụng RE Quy trình thiết kế thuận và quy trình thiết kế ngược
Máy đo CMM dùng trong phương pháp đo tiếp xúc
Một số dạng đầu đo của CMM
Trang 19Bang 1.1 Bang 1.2 Bang 1.3 Bang 5.1 Bang 5.2 xi DANH MỤC BẢNG
Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh 4 Phát triển song song giữa mô hình hóa hình học và quá trình tạo mẫu 4 Những công việc xử lý tỉnh với một số hệ thống tạo mẫu nhanh 14
Kiểm tra mô hình chứa các đỉnh không có mặt liền kề 114
Trang 20CAD CAE CAM CMM CNC FDM LOM RE SCS SGC SLA SLS SOUP STL 3DP
DANH MUC TU VIET TAT
Computer Aided Design Computer Aided Engineering Computer Aided Manufacturing Coordinate measuring machine Computer Numerical Control
Fused Deposition Modeling
Laminated Object Manufacturing Reverse Engineering
Rapid Freeze Prototyping Rapid prototyping:
Rapid prototyping Technology
Solid Creation System Solid Ground Curing
Stereolithography Apparatus Selective Laser Sintering
Solid Object Ultraviolet-laser Printer StereoLithography
Three Dimension Printing
Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính Kỹ thuật với sự trợ giúp của máy tính Chế tạo với sự trợ giúp của máy tính
Máy đo tọa độ
Gia công điều khiển số nhờ
vào máy tính
Phương pháp tan chảy lắng đọng Phương pháp tạo mẫu dán lớp Kỹ thuật ngược
Tạo mẫu bằng phương pháp
lạnh đông
Tạo mẫu nhanh
Công nghệ tạo mẫu nhanh
Hệ thống tạo vật thể rắn Xử lý nền táng rắn
Trang 22Chương 1
GIỚI THIỆU CHUNG
Trong bối cảnh tất cả các nền kinh tế đều phải chịu sự cạnh tranh gay
gắt với nhu cầu cung cấp nhanh đến người tiêu dùng các sản phẩm mới,
các ngành công nghiệp phải có những giải pháp công nghệ mới Đó cũng là lý do công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid protptyping- RP) được ra đời và
phát triển
Công nghệ tạo mẫu nhanh được phát triển vào những năm 80, khi
những thiết bị đầu tiên về tạo mẫu nhanh được đưa ra thị trường Đánh dấu
cho sự phát triển đó là sáng chế của Charles Hull (năm 1984) về thiết bị tạo
hình lập thể (Stereolithography Apparatus — SLA), được công nhận sáng chế
vào năm 1986, được thương mại hóa bởi công ty 3D System vào năm 1988 Sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh có liên quan mật thiết đến sự phát triển và ứng dụng của máy tính trong công nghiệp Việc gia tăng sử
dụng máy tính đã thúc đây sự tiễn bộ trong nhiều lĩnh vực liên quan, bao
gồm: quá trình thiết kế có sự trợ giúp của máy tính (CAD — Computer Aided Design), quá trình chế tạo có sự trợ giúp của máy tính (CAM — Computer
Aided Manufacturing), gia công điều khiển số nhờ vào may tinh (CNC -
Computer Numerical Control) Ngoai ra, những nghiên cứu về các hệ thống
tạo mầu nhanh cho thấy còn có nhiều hệ thống công nghệ và kỹ thuật tiên tiến khác có tính quyết định đến sự phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh như:
kỹ thuật laser, điều khiển tự động, kỹ thuật nhiệt, kỹ thuật y sinh, và một số
kỹ thuật khác
1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1.1 Công nghệ tạo mẫu
1.1.1.1 Định nghĩa về mẫu
Mẫu là một mô hình đầu tiên hay phiên bản gốc của vật nào đó, mà đã
hoặc sẽ được sao chép, hoặc được phát triển Mẫu là một phần quan trọng
và sống động của quá trình phát triển sản phẩm Trong quá trình thiết kế, mẫu thường không khác xa với chỉ tiết thật mà nhà thiết kế sẽ phát triển
Trang 23Hình 1.1 Mô hình mẫu của máy bay siêu âm
1.1.1.2 Vai tro của mẫu
Mẫu có một số vai trò trong quá trình phát triển sản phẩm, cụ thé
như sau:
(1) Thí nghiệm và học tập: mẫu thường được sử dụng như một mô
hình trong phòng thí nghiệm, dùng cho giảng dạy và học tập từ ở câp phô
thong dén cap dai hoc
(2) Nghiên cứu và kiểm chứng: mẫu được sử dụng đề giúp nhà nghiên
cứu có khái niệm, lập kế hoạch, thí nghiệm trong khi thiết kế sản phẩm
Những câu hỏi, thắc mắc liên quan đến thiết kế chi tiết có thể được trả lời qua việc nghiên cứu và chế tạo mẫu Mẫu có thể được sử dụng để giao tiếp, kiểm tra, kiểm nghiệm và giải thích ý tưởng liên quan đến việc phát triển sản phẩm
(3) Giao tiếp và tác động lẫn nhau trong phát triển sản phẩm: Mẫu được sử dụng không chỉ trong nhóm phát triển sản phẩm, mà còn trong việc quản lý và giao tiếp khách hàng Không có điều gì để giải thích ý tưởng rõ ràng hơn một mô hình sản phẩm thực tế; khách hàng có thé xem, cham va cảm nhận về sản phẩm đó một cách rõ ràng nhất Vì thế, một mô hình sản
phẩm 3D luôn tốt hơn mô hình 2D trong bản vẽ Từ đó, khách hàng sẽ cung
cập những thông tin phan hồi quý báu cho nhóm nghiên cứu đề phát triển
sản phẩm
(4) Tổng hợp và phân tích sản phẩm: bằng việc liên kết tất cả những
bộ phận, cụm chỉ tiết khác nhau, để đảm bảo khả năng làm việc của cụm
Trang 24(5) Lap kế hoạch và tạo hình sản phẩm: việc này thường được xem như là môc kết thúc và bắt đầu của những giai đoạn phát triên sản phẩm
Mỗi mẫu đánh dấu sự hoàn thành một giai đoạn phát triển nào đó Trong
nhiều công ty, nghiên cứu phát triển sản phẩm là then chốt dé thành công trong việc thúc đây và phát triển công ty với sản phẩm đó
Những mẫu được tạo ra từ công nghệ tạo mẫu nhanh thường có độ chính
xác cao, được chế tạo trong thời gian rất ngắn so với các công nghệ khác
1.1.2 Tạo mẫu nhanh là gì?
Tạo mẫu nhanh là công nghệ dùng để chế tạo những mô hình mẫu của
vật thể một cách tự động từ nguôn đữ liệu thiết kế 3D trên máy tính (CAD),
bằng phương pháp đắp dân vật liệu từng lớp, với tốc độ nhanh hơn rất
nhiễu so với phương pháp chế tạo truyền thống
Đặc điểm nỗi bật của công nghệ tạo mẫu nhanh là đắp dân vật liệu
từng lớp để tạo nên sản phẩm, trong khi các phương pháp truyền thống
thường là lấy vật liệu ra khỏi phôi ban đầu Điều này cho phép công nghệ
tạo mẫu nhanh có thể chế tạo được những chi tiết có độ phức tạp cao, mà
các công nghệ truyền thống khác không thể chế tạo được
Quá trình tạo mẫu nhanh giúp cho nhà sản xuất quan sát, đánh giá nhanh chóng sản phẩm cuối cùng Quá trình này được thực hiện nhờ sự trợ giúp của các thiết bị tạo mẫu nhanh (RP) và phần mềm thiết kế CAD-3D
Dữ liệu được thiết kế từ mô hình CAD-3D sẽ được chuyên thành những
mẫu thực một cách nhanh chóng Tùy thuộc vào kích thước và độ phức tạp
của sản phẩm, mà thời gian chế tạo mẫu mất khoảng từ 3 giờ đến 72 giờ,
thậm chí ít hơn Như vậy so VỚI ViỆc tạo mâu bang phương pháp truyền thống, công nghệ tạo mâu nhanh sẽ nhanh hơn rât nhiều; giúp nhà sản xuất đưa sản phẩm ra thị trường một cách nhanh chóng, giảm chỉ phí sản xuất Đây chính là ưu điểm nổi bật của công nghệ tạo mẫu nhanh
1.2 LICH SU PHAT TRIEN CUA CONG NGHE TAO MAU NHANH
- Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh gắn liền với sự phát triên ứng dụng máy tính trong công nghiệp
Công nghệ máy tính phát triển đã thúc đầy sự tiến bộ trong nhiều lĩnh vực liên quan như: thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD), chế tạo với sự trợ giúp của máy tính (CAM), gia công điều khiển số nhờ máy tính (CNC) Đặc biệt, CAD-3D đã tác động rất lớn đến sự phát triển công nghệ tạo mâu nhanh Ngoài ra, sự phát triển của tạo mẫu nhanh còn chịu sự tác động từ nhiều công nghệ và sự tiến bộ trong các lĩnh vực khác như: kỹ thuật
Trang 25Bang 1.1 Lich sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh Năm Phát triển Công nghệ 1770 Cơ khí hóa
1946 Máy tính đầu tiên xuất hiện
1952 Máy công cụ điều khiển số (NC) đầu tiên ra đời
1960 Tia Laser đầu tiên được thương mại
1961 Người máy/Robot đầu tiên được thương mại
1963 Hệ thống phần mềm thiết kế hình ảnh đầu tiên (CAD) ra đời
1988 Hệ thống tạo mẫu nhanh đầu tiên được thương mại
1.3 BA GIAI DOAN PHAT TRIEN DAN DEN TẠO MẪU NHANH
Bang 1.2 Phát triển song song giữa mô hình hóa hình học và quá trình tạo mẫu Mô hình hóa hình học Tạo mẫu Giai đoạn 1: mơ hình 2D ® Bắt đầu giữa thập kỷ 1960 ® Đường thắng trên màn hình có thể là: - Đường chu vi của chỉ tiết - Nhìn phẳng của chỉ tiết/thành phần cơ khí
® Kỹ thuật phát thảo tự nhiên
Giai đoạn 1: tao mẫu thô sơ
® Hình thành từ nhiều thế kỷ
® Tạo mẫu xem như một nghề: - Truyền thông và làm băng tay Vật liệu truyền thông tạo mâu
® Kỹ thuật tạo mẫu tự nhiên Giai đoạn 2: Đường cong 3D và mô hình hóa bê mặt e Giữa thập kỷ 1970 ® Tăng độ phức tạp e Thể hiện được nhiều thông tin như hình dáng chính xác, kích thước, đường viên bê mặt chỉ tiết
Giai đoạn 2: Tạo mau do va mém ® Giữa thập kỷ 1970 ® Tăng độ phức tạp © Mau ảo có thể được kiểm tra, mô phỏng với những đặc tính cơ học và các đặc tính khác một cách chính xác Giai đoạn 3: Mô hình khối 3D e Đầu thập kỷ 1980 ® Góc cạnh, bề mặt và lỗ được liên kết lại với nhau đề tạo nên I khơi thơng nhat
® Máy tính có thể xác định bên trong
vật thê Có thê vẽ mặt cắt ngang và đọc được các góc, và mặt giao nhau
® Đạt độ chính xác Giai đoạn 3: Tạo mẫu nhanh
e Giữa thập kỷ 1980
® Thuận lợi, điểm mạnh là tạo mẫu thật
trong 1 thời gian ngăn
® Mẫu thật có thể được sử dụng cho
việc đánh giá, kiêm tra
° Mẫu có thể giúp cho việc chế tạo sản phâm
Trang 26Quá trình tạo mẫu là một công việc có từ lâu đời, nhằm mục đích thực tế hóa một ý tưởng thiết kế Do đó, một mẫu thường được yeu | cầu có trước
khi bắt đầu việc sản xuất sản phẩm Việc gia công chế tạo mẫu được thực hiện với nhiều hình thức như: lấy bớt vật liệu bằng gia công cắt gọt; đắp
thêm vật liệu; tạo hình vật liệu bằng khuôn (đúc, dập, nặn mẫu) với nhiều
loại vật liệu khác nhau như nhôm, kẽm, gỗ, sáp
Quá trình tạo mẫu trải qua 3 giai đoạn phát triển, trong đó 2 giai đoạn sau mới được phát triển trong hơn hai mươi năm Giống như quá trình mô hình hóa trên máy tính, quá trình tạo mẫu đang phát triển ở giai đoạn 3
(Bảng 1.2)
1.3.1 Thời kỳ đầu: tạo mẫu bằng tay
Quá trình tạo mẫu xuất hiện đầu tiên cách nay hàng chục thế kỷ, khi con người bắt đầu phát triển các công cụ giúp cải thiện cuộc sống Ở thời kỳ
đầu ra đời của tạo mẫu, các mẫu thường là sản phẩm đơn giản, không có độ phức tạp cao Thời gian chế tạo một mẫu trung bình khoảng 4 tuần Phương
pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề, quá trình thực hiện công việc cực kỳ
nặng nhọc
1.3.2 Thời kỳ thứ hai: tạo mẫu ảo
Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển vào những năm thập niên 70 của thế ky 19, khi xuất hiện các phần mềm thiết kế trên máy tính để tạo mẫu
ảo Ngày nay, việc ứng dụng CAD/CAE/CAM đã trở nên rất phô biến Với
các phần mém tao mau, _Tgười thiết kế sẽ phát họa trên máy tính những ý tưởng mới, trước khi mâu được chế tạo Sau đó, các mô hình mẫu được
kiểm tra, phân tích, và được hiệu chỉnh cho phù hợp theo yêu cầu đặt ra
Độ phức tạp của các mẫu trong thời kỳ này tăng gấp đôi so với thời kỳ đầu Vì thế, thời gian yêu cầu cho việc tạo mầu có khuynh hướng tăng lên khoảng l6 tuần, tính chất vật lý của mẫu vẫn còn phụ thuộc vào các phương pháp tạo mẫu cơ bản trước đó Tuy nhiên, các máy gia công chính xác đã giúp cải thiện tốt hơn các tính chất vật lý của mẫu
Tuy nhiên, những hạn chế của công nghệ tạo mẫu lúc này là: vật liệu chế tạo chỉ tiết, khả năng chế tạo liên tục, khả năng phân tích động lực học
Nhược điểm của mẫu ảo là không thể kiểm tra các hiện tượng liên quan đến
chỉ tiết mà máy tính không thực hiện được 1.3.3 Thời kỳ thứ ba: tạo mẫu nhanh
Trong thời kỳ thứ ba, công nghệ tạo mẫu nhanh thé hiện vai trò trong
quá trình phát triển sản phẩm Tính chất vật lý từng chỉ tiết của sản phẩm
Trang 27rỗng, độ phức tạp cao, tương ứng cho việc sản xuất, dùng công nghệ chế tao
từng lớp
Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra trong thời kỳ này: giảm thời gian sản xuất, tăng độ phức tạp của mẫu, giảm chỉ phí sản xuất, sản phẩm có chất lượng cao Thời kỳ này, độ phức tạp của chỉ tiết tăng gẤp ba lần so với độ phức tạp của chỉ tiết ở thập niên 70 Nhờ công nghệ tạo mẫu nhanh, thời gian trung bình đề chế tạo chỉ tiết chỉ
còn lại khoảng 3 tuần, so với 16 tuần ở thời kỳ thứ hai
Từ khi công nghệ tạo mẫu nhanh được thương mại hóa, tính đến nay có trên 30 phương pháp tạo mâu nhanh khác nhau được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực tạo mẫu khác nhau trên giới
1.4 NGUYEN TAC CO BAN CUA TẠO MẪU NHANH
Những phương pháp tạo mẫu nhanh có đặc điểm chung giống nhau là
dựa trên nguyên tắc: đắp thêm dần từng lớp vật liệu, liên kết những lớp vật
liệu lại với nhau để tạo nên vật thể Nhìn chung, công nghệ tạo mâu nhanh có thê được diễn tả qua các bước sau:
(1) Mẫu (bộ phận, chỉ tiết) được thiết kế trên hệ thống máy tính CAD:
Mẫu phải thé hiện đầy đủ tính chất vật lý giống như sản phẩm thật, những
mặt bao khép kín với kích thước giới hạn rõ ràng Nghĩa là mẫu phải được
xác định các dữ liệu bên trong, bên ngoài và đường giới hạn Yêu cầu này
thực sự không cần thiết đối với mô hình dạng khối do tính tự động giới hạn thể tích của khối Điều này nhằm đảm bảo cho tất cả các mặt cắt ngang của
mẫu đều có những đường bao khép kín để tạo ra lớp của khối vật thé
(2) Mô hình 3D (khối) đã được thiết kế sẽ được chuyền sang tệp (file)
định dạng “*.STL” (StereoLithography) Tệp định dang “*.STL” quan ly
các bề mặt của mô hình bởi các đa giác Các mặt cong bậc cao phải dùng rất
nhiều đa giác, điều này có nghĩa là các tệp *.STL dùng cho các chỉ tiết mặt
cong có dung lượng rất lớn Tuy nhiên, cũng có một số hệ thống tạo mẫu nhanh chấp nhận các dữ liệu ở định dạng “*.IGES” (Initial Graphics Exchange Specification)
(3) Chương trình may tinh phan tich tép *.STL, dé xac dinh rõ mô hình cho việc chế tạo và mô hình các mặt cắt ngang được tạo thành Các lớp
mặt cắt ngang của chỉ tiết được chế tạo một cách có hệ thống bằng phương
pháp hóa rắn (hoặc kết dính) của vật liệu: lỏng, rắn hay bột; liên kết các lợp
lại để tạo thành mẫu chỉ tiết 3D Những phương pháp tương tự khác cũng
Trang 28
Hình 1.2: Bánh xe 4 yếu tố chính của tạo mẫu nhanh
_ Một cách tổng quát, Quá trình tạo mẫu nhanh được thể hiện qua bốn yêu tô cơ bản như trong bánh xe tạo mâu nhanh (Hình 1.2), gôm: dữ liệu vào, phương pháp tạo mâu, vật liệu sử dụng và ứng dụng
1.4.1 Dữ liệu vào
_— Dữ liệu vào là những thông tin miêu tả các vân đề liên quan đến vật thể 3D Có hai đạng mô hình: mô hình ảo trên máy tính hoặc mô hình thật từ thực tế Hệ thống CAD tạo ra mô hình trên máy tính ở dạng mặt hay dạng khối Ngồi ra, đơi khi dữ liệu 3D từ mô hình thật không phải luôn hoàn hảo; do dữ liệu này thu được bằng phương pháp kỹ thuật ngược Trong kỹ thuật ngược, các thiết bị được sử dụng để xác định vật thể như: máy đo tọa độ CMM (Coordinate measuring machine), bút vẽ bằng laser, camera quét
hình đám mây điểm của mô hình thật, sau đó xử lý lại bằng CAD
1.4.2 Phương pháp tạo mẫu nhanh
Phương pháp tạo mẫu nhanh phụ thuộc vào nhà sản xuất, có thể chia
thành một số dạng như: xử lý quang hóa/cắt ảnh (photo-curing), cat và dán
Trang 29(melting and solidifying/fusing) Việc xử lý quang hóa vật liệu có thê được
phân thành các dạng qua việc sử dụng: tia laser đơn, chùm laser đôi, đèn
laser (tử ngoại) được che chăn bởi lớp mặt nạ quang học
1.4.3 Vật liệu
Vật liệu sử dụng trong tạo mẫu nhanh có thể ở dạng rắn, dạng lỏng hay dạng bột Vật liệu dạng răn có thể có các hình dạng khác nhau như: viên, dây hay tam mỏng Các loại vật liệu hiện đang được sử dụng rộng rãi
trong tạo mẫu nhanh là: giấy, nilon, nhựa, sáp, kim loại và gốm
1.4.4 Các ứng dụng
Hầu hết các sản phẩm được chế tạo bằng phương pháp tạo mẫu nhanh
cần phải được chỉnh sửa, gia công tỉnh lại trước khi đưa vào sử dụng
Những ứng dụng công nghệ này có thể phân thành từng nhóm như: (1) thiết kế, (2) phân tích kỹ thuật và lập kế hoạch, (3) gia công và chế tạo Tạo mẫu
nhanh đã đem lợi ích rất lớn trong các lĩnh vực công nghiệp ở các ngành
như: hàng không, ô-tô, y sinh học, điện, điện tử, sản phẩm tiêu dùng,
và nhiều lĩnh vực khác
1.5 CAC UU DIEM CỦA TẠO MẪU NHANH
Thực tế công nghệ tạo mẫu nhanh không thê thay thế được hồn tồn cơng nghệ gia công truyền thống như máy NC, CNC và máy phay tốc độ
cao, ngay cả những thiết bị cầm tay Nói cách khác, công nghệ tạo mẫu
nhanh được xem như là một công nghệ mới đề có thêm sự lựa chọn tốt hơn
khi chế tạo chỉ tiết Đồ thị ở Hình 1.3 cho thấy sự so sánh giữa công nghệ tạo mẫu nhanh với các công nghệ khác từ máy phay tốc độ cao, máy NC, về chỉ phí và thời gian dé chế tạo ra một chỉ tiết theo độ phức tạp tăng dan
Chỉ phí
Độ phức tạp Phay NC
—————- Phay tốc độ cao Tạo mẫu nhanh
Trang 30Một số ưu điểm chính của công nghệ tạo mẫu nhanh là tốc độ nhanh,
chỉ phí thấp và độ linh hoạt tốt Cụ thê, công nghệ tạo mẫu nhanh có thể giúp: - Tăng khả năng quan sát chỉ tiết: người thiết kế có thể thiết kế chỉ tiết
trên máy tính, sau đó có được mô hình chỉ tiết 3D thật chỉ trong vài giờ, mà không cần phải qua quy trình chế tạo mẫu phức tạp theo phương pháp truyền thống Nên khả năng quan sát chỉ tiết tốt hơn, hiệu quả hơn
- Chế tạo được những chỉ tiết có độ phức tạp cao: nhờ vào kỹ thuật
chế tạo bằng cách đắp vật liệu từng lớp theo mặt cắt ngang, công nghệ tạo
mẫu nhanh có thể chế tạo được các chỉ tiết có độ phức tạp cao, ngay cả bên
trong chỉ tiết
- Cho phép nhà thiết kế và chế tạo mang sản phẩm đến thị trường
nhanh hơn
-Giảm đáng kể chỉ phí và thời gian thiết kế, chế tạo chỉ tiết Các chỉ
tiết có thê được điêu chỉnh ngay trong giai đoạn thiệt kê Ngoài ra, giảm
được chỉ phí lao động trong chê tạo, giảm chỉ phí vật liệu do vật liệu thừa
thành phê liệu ít
- Kiém tra được tính chính xác cua chi tiết, tăng khả năng tối ưu hóa và phát triên sản phâm
- Tạo nên một kênh thông tin hiệu quả giữa các nhà thiết kế với nhau;
giữa nhà thiệt kê, nhà chê tạo và người tiêu dùng; đáp ứng nhu câu đòi hỏi
của thị trường
- Khách hàng có thé mua được sản phẩm với chỉ phí thấp, nhưng đáp
ứng được yêu câu một cách tôt nhât
Trang 31
Hiện nay, công nghệ tạo mẫu nhanh đang hoạt động như một cầu nối giúp các nhà thiết kế, các nhà chế tạo, các nhân viên bán hàng cung cấp
hàng hóa đúng lúc đến khách hàng
1.6 CÁC QUÁ TRÌNH CHÉ TẠO MẪU CƠ BẢN
Có 3 kỹ thuật chế tạo mẫu cơ bản được sử dụng trong quá trình tạo mầu (Hình 1.5) Do là quá trình lây bớt vật liệu ra từ phôi băng các phương pháp căt gọt, quá trình thêm vật liệu vào, và quá trình tạo hình sản phâm “A a x"” Km Nà a [ES] Lấy bớt vật liệu Đắp thêm vật liệu Tạo hình
Hình 1.5 Các quá trình chế tạo cơ bản
Quá trình lây bớt vật liệu: phôi ban đầu có kích thước lớn hơn kích thước mong muôn của sản phẩm, vật liệu được lay bot di bang cac phuong pháp gia công cắt gọt cho đến khi đạt được hình dáng và kích thước mong muôn của sản phẩm Các phương pháp gia công cắt gọt được sử dụng phô biến gồm các máy ƠNC, các loại khác như máy mài, máy tiện, khoan, cắt
dây, EDM, cắt laser, cắt bằng tia nước
Quá trình thêm vật liệu: ngược lại với quá trình lẫy bớt vật liệu; trong
quá trình thêm vật liệu vào để tạo mẫu, hình dạng và kích thước của sản
phẩm lớn hơn rất nhiều so với khối vật liệu nền ban đầu Vật liệu được thêm
vào và được gắn kết với nhau dé tạo ra hình đáng và kích thước sản phẩm mong muốn Hầu hết những quá trình tạo mẫu nhanh như: tạo mẫu lập thé
SLA, két tinh laser có chon loc SLS, LOM déu thuộc vào nhóm quá trình
chế tạo bằng cách thêm vật liệu vào; nhưng từ một mô hình ảo trên máy tính
và không có phôi ban đầu
Quá trình tạo hình: là quá trình tạo hình dùng những lực cơ học, hoặc hình dạng khuôn sẵn có để tạo ra những sản phẩm mẫu có hình dạng cho trước Các quá trình tạo hình gồm các quá trình gia công như: uốn, dập, ép, khuôn đúc và một số dạng khác Trong thực tế, đôi khi có thể sử dụng kết hợp hai hay nhiều phương pháp trên để tạo nên sản phẩm Ví dụ như dập, khoan, tạo hình sản phẩm
Trang 321.7 QUY TRINH CONG NGHE CUA TAO MAU NHANH
Nhìn chung, tất cả các công nghệ tao mẫu nhanh (RP) đều làm việc
theo nguyên lý và quy trình cơ bản giông nhau Quy trình này được thể hiện
một cách tổng thé qua quy trình 5 bước ở Hình 1.6 và mô hình ở Hình 1.7
s Thiết kế/ tạo mô hình 3 chiều
» Chuyển đổi và truyền dữ liệu 3D s Kiểm tra và chuân bị gia công
Ũ s Chế tạo mâu/ chỉ tiết * Xử lí và gia công tinh
Hình 1.6 Quy trình tạo mẫu nhanh
Xử lý và gia công tinh Tia tử ngoại, hóa chất, các thiết bị chuyên đụng, Mô hình 3D Chuyên đôi & Truyên đữ liệu Tạo mẫu “kiêm tra & Chuân bị
Máy tính của thiết bị tạo mẫu nhanh
Hình 1.7 Chuỗi quá trình của tạo mẫu nhanh
Thiết bị tạo mẫu nhanh (SLA, SLS, FDM,
Tùy thuộc vào chất lượng của vật mẫu và chỉ tiết, các bước 3 và 5 sẽ
được lặp lại đến khi vật thê được hoàn thành Ngoài ra, tùy theo phương
pháp công nghệ tạo mẫu nhanh, có thể một trong năm bước của quy trình
trên sẽ không được thực hiện
Trang 331.7.1 Tạo mô hình 3D
Việc tạo mô hình thiết kế 3D là một điều kiện tiên quyết và quan trọng trong quá trình tạo mẫu nhanh, quyết định đến chất lượng của sản phẩm Thông thường, công việc này chiếm phần lớn thời gian trong toàn bộ quy
trình Sau khi thiết kế, mô hình 3D được chuyển đến toàn bộ đội ngũ thiết kế với các mục đích khác nhau: phân tích thiết kế chỉ tiết, phân tích ứng
suất, phân tích FEM, lập kế hoạch và lập mô hình sản xuất Hiện nay, có
nhiều phần mềm CAD/CAM có thể sử dụng để thiết kế mô hình 3D như:
Inventor, SolidWorks, Pro-Engineer, Creo, Visi
Co 2 quan điểm trong số những người sử dụng tạo mẫu nhanh: (1) không giông như lập trình NC, trong tạo mẫu nhanh yêu cầu vật thể phải
có một thể tích kín dù chỉ tiết dựa trên mặt hay khối Sự hiểu nhằm này xuất
hiện do người sử dụng đã quen sử dụng lập trình NC; (2) những gì thấy được trên mô hình trên máy tính, sẽ là những gì thu được trên sản phẩm,
điều này khơng hồn tồn đúng Hai quan điểm này thường ảnh hưởng đến
việc chọn những thông số kỹ thuật của máy tạo mâu nhanh, hậu quả là
không tối ưu hóa được hệ thống tạo mẫu nhanh, chỉ tiết có hình dạng không đạt yêu cầu
1.7.2 Chuyến đối và truyền dữ liệu
Sau khi mô hình 3D dạng mặt hoặc khối đã được hồn thiện, mơ hình
sẽ được xuất từ dạng tệp CAD 3D sang tệp *.STL Tệp *.STL là dạng định
dạng có nguồn gốc từ công ty 3D System - công ty sáng lập ra hệ thống tạo
hình lập thé SLA (StereoLithography) Tép dinh dang *.STL quản lý bề mặt
dưới dạng các tam giác Các mặt cong bậc cao cần sử dụng nhiều tam giác hơn, điều đó có nghĩa là kích thước tệp *.STL sẽ lớn hơn
Hiện nay, hầu hết các nhà cung cấp phần mềm CAD/CAM đều xây dựng được giao diện chuyển đổi sang định dạng *.STL trong hệ thống phần mem Qua trình này có thé xem là bước chuyên đổi đơn giản và ngắn nhất trong chuỗi quá trình tạo mẫu nhanh Tuy nhiên, đối với những mô hình
phức tạp, máy tính có tính năng thấp; quá trình chuyền đối có thể mắt đến
vài giờ Ngược lại, chỉ cần vài phút là có thể hoàn thành sự chuyển đổi này
Đối với hệ thống mạng internet, quá trình truyền đữ liệu cũng khá đơn giản Quá trình truyền đữ liệu sẽ được truyền từ trạm làm việc (workstation) đến máy tính của thiết bị tạo mẫu nhanh Thông thường, trạm làm việc và hệ
thống thiết bị tạo mẫu nhanh đặt ở hai vị trí khác nhau Trạm làm việc
thường dùng là công cụ thiết kế và được đặt ở phòng t thiết kế; ngược lại hệ thống tạo mẫu nhanh là một máy (thiết bị) sản xuất mẫu, thường được đặt ở khu vực chế tạo Quá trình truyền dữ liệu có thể sử dụng đĩa mém, thư điện tử (email) hoặc hệ thống mạng nội bộ (LAN)
Trang 341.7.3 Kiếm tra và chuẩn bị
Đây là một bước quan trọng trong quá trình tạo mẫu nhanh Nhiều nhà thiết kế, nhà sử dụng bị thất bại ở bước hay do không thé phát hiện lỗi trong tệp *.STL Tuy nhiên, phần lớn các lỗi của mô hình CAD và những yếu
điểm của CAD khi chuyển đổi đữ liệu sang *.STL được kiểm tra ở công đoạn này
Trong khi tệp *.STL được kiểm tra, phần mềm trên máy tính của hệ
thống tạo mẫu nhanh phân tích tệp tin này, để xác định mô hình được chế
tạo, tạo từng lớp chỉ tiết theo những mặt cắt ngang Những mặt cắt ngang này được chế tạo từng lớp một cách hệ “thống, bằng quá trình hóa rắn chất
lỏng, hoặc liên kết bột, hoặc tan chảy chất rắn đề tạo nên vật thê 3D vật lý
Thí dụ: Với thiết bị SLA, mỗi tệp *.STL xuất ra có bề dày lớp từ
0,12 mm đến 0,50 mm Thông thường, mô hình được chia lớp với độ dày
nhỏ nhất (0,12 mm), để chỉ tiết có độ chính xác cao Những bộ phận hỗ trợ, cơ cầu đỡ cũng được tạo ra để đỡ các phần của chỉ tiết trong quá trình chế tạo,
giúp định hình chính xác chỉ tiết dưới tác động của tia laser tử ngoại (UV) Việc chuẩn bị các thông số chế tạo để định vị và chế tao lớp có thé
gặp khó khăn, nếu không nắm vững các thông tin và kiến thức cân thiết,
bao gồm: việc xác định vật thể hình học, hướng chế tạo ch tiết, sắp xếp chỉ tiết trong không gian chế tạo, những bộ phan do chi tiét, bé dày một
lớp Ngoài ra, cần phải biết xác định các thông số kỹ thuật của thiết bị phù hợp như: độ sâu lưu hóa, cường độ năng lượng laser, các thông số vật ly
khác trong thiết bị
Hiện nay công việc chế tạo đơn giản hơn, với những thông số mặc
định có thê thay đôi giá trị nhanh chóng, dê dàng khôi phục đê sử dụng cho những mô hình khác nhau Hâu hệt các phân mêm đêu cho phép người sử dụng điêu chỉnh, định hướng chê tạo chi tiết, và hướng di chuyên toàn bộ mô hình chi tiệt theo chiêu dương của thiệt bi
Hướng chế tạo chỉ tiết rất quan trọng trong quá trình tạo mẫu nhanh,
với những lý do:
„ * Hướng chế tạo chỉ tiết ảnh hưởng đến thời gian chế tạo chỉ tiết
Nêu đặt kích thước ngăn nhât theo trục z của máy thì sô lớp chê tạo giảm,
giảm được thời gian chê tạo
*⁄ Đặc tính của chỉ tiết thay đôi theo hướng chế tạo từ trục này so với
trục khác Chi tiệt thường yêu hơn và ít chính xác hơn theo trục thăng đứng
0z so với phương trong mặt phăng oxy
Trang 351.7.4 Chế tạo mẫu
Sau khi hiệu chỉnh, kiểm tra, cài đặt thông số chế tạo, bề dày lớp, hướng chế tạo, quá trình chế tạo chỉ tiết được thực hiện Đối với hầu hết
các hệ thống tạo mẫu nhanh, cơng đoạn này hồn tồn tự động sau khi thiết
bị được vận hành và lập trình theo chế độ, thông số yêu cầu Quá trình chế
tạo mẫu có thể mắt đến vài giờ, tùy thuộc vào kích thước và sô lượng của chỉ tiết Số chi tiết được chế tạo tùy thuộc vào kích thước tổng thê của
buông chế tạo được giới hạn bởi không gian, thê tích buồng chế tạo của thiết
bị tạo mẫu nhanh
1.7.5 Gia công tỉnh
Sau khi chỉ tiết được chế tạo xong trên thiết bị tạo mẫu nhanh, công
việc cuối cùng của quy trình tạo mẫu nhanh là xử lí và gia công tinh chỉ tiết Chỉ tiết được mang ra khỏi buồng chế tạo, tháo bỏ các bộ phận đỡ; sau đó
được xử lý với thiết bị chuyên dùng hoặc bằng tay Trong công đoạn này, việc hư hại sản phẩm rất đễ xảy ra Do đó, các nhà chế tạo mẫu xem công
đoạn này có ý nghĩa lớn để có được sản phẩm hoàn chỉnh Những công việc
xử lý tỉnh cần thiết đối với một số hệ thống tạo mẫu nhanh chủ yêu được thê hiện ở Bảng 1.3 Bảng 1.3 Những công việc xử lý tinh với một số hệ thống tạo mẫu nhanh Công việc xử lý Những công nghệ tạo mẫu nhanh SLS SLA FDM LOM 1 Làm sạch 4 4 2 4 2 Lưu hóa chất đẻo - 4 - - 3 Đánh bóng 4 A 4 4
Sau khi hoàn thành việc chế tạo, chỉ tiết được tháo ra khỏi máy, tách
bỏ các bộ phận đỡ, làm sạch mẫu và loại bỏ phần vật liệu không cần thiết Kế tiếp, chỉ tiết được tiếp tục xử lý lưu hóa chất dẻo nhằm tăng khả năng kết
dính của vật liệu và tạo độ đồng nhất của sản phẩm Cuối cùng, việc đánh
bóng và sơn sản phẩm nhằm cải thiện hình đáng và chất lượng bề mặt chi
tiết được thực hiện Ngoài ra, có thê sử dụng những công đoạn khác như: khoan, tạo ren và đánh bóng đối với những bộ phận cần thiết của chỉ tiết
Quá trình xử lý tỉnh thường thực hiện bằng tay và nhờ vào sự hỗ trợ của
những công cụ chuyên dùng
1.8 PHAN LOAI HE THONG TẠO MẪU NHANH
Hiện nay có nhiều loại hệ thống thiết bị tạo mẫu nhanh trên thị trường
Các hệ thông tạo mâu nhanh được phân loại dựa trên cơ sở vật liệu chê tạo
Trang 36mẫu của hệ thống Theo cách phân loại này, có 3 loại hệ thống tạo mẫu
nhanh dựa trên cơ sở vật liệu lỏng, vật liệu răn và vật liệu bột
1.8.1 Hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu lồng
Vật liệu lỏng được sử dụng đề chế tạo mẫu trong các hệ thống tạo mẫu
nhanh Quá trình tạo mẫu là quá trình lưu hóa, làm cho vật liệu chuyên đổi
từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn Các phương pháp tạo mẫu nhanh chủ
yếu dùng vật liệu lỏng gồm:
Thiết bị tạo mẫu lập thể SLA của công ty 3D Systems
Thiết bị xử lý dạng khối SGC của công ty Cubital Thiết bị tạo mẫu dạng khối SCS của công ty Sony
Thiết bị in sử dụng tia tử ngoại tạo vật thể khối SOUP của công ty
Misuibishi
Thiết bị tạo ảnh nỗi của EOS
Thiết bị tạo ảnh khối của công ty Teijin Seiki
Thiết bị tạo mẫu nhanh của công ty Meiko dùng cho lĩnh vực kim
hoàn, trang sức
Thiết bị tạo mẫu nhanh SLP của công ty Denken
Thiết bị tạo mẫu nhanh COLAMM của công ty Mitsui
Thiết bị tao mau nhanh LMS cia Fockele va Schwarze
1.8.2 Hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu rắn
Ngoại trừ các vật liệu dạng bột, các hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu rắn có liên quan đến tất cả các dạng vật liệu ran gồm dạng dây, cuộn, tắm mỏng và dạng viên Một số phương pháp tạo mẫu nhanh đặc trưng sử
dụng vật liệu răn gôm:
Thiết bị tạo lớp mỏng LOM của công ty Helisys Thiết bị phun nhiều lớp FDM của công ty Stratasys
Trang 371.8.3 Hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu bột
Vật liệu bột trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh được xem như đạng trạng thái khối gần giống vật liệu rắn Tuy nhiên, hệ thống này được xem là các
thi iét bi độc lập với hệ thống thiết bị tạo mẫu dùng vật liệu rắn Một số
phương pháp tạo mẫu nhanh dạng bột điển hình gồm:
Thiết bị in ba chiều (3DP) của công ty MIT
Thiết bị thiêu kết bằng laser SLS của của công ty DTM
Thiết bị đúc khuôn vỏ mỏng trực tiếp DSPC của công ty Soligen
Thiết bị hoá rắn định hình MJS của công ty Fraunhofer
Hệ thống các thiết bị EOSINT của công ty EOS
Thiết bị in phun (Ink-Jet) hay còn gọi là BPM của BPM Technology
CÂU HỎI ÔN TẬP
1; Định nghĩa thế nào là mẫu? nêu vai trò của mẫu trong quá trình phát
triên sản phâm
2 Tạo mẫu nhanh là gi? Cho biết ưu điểm nồi trội của công nghệ tạo mẫu nhanh so với phương pháp tạo mâu truyên thông?
Trình bày những nguyên tắc cơ bản của tạo mẫu nhanh?
4 Các yếu tổ chính của công nghệ tạo mẫu nhanh trong bánh xe tạo mẫu nhanh? 5 Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh và các công nghệ liên quan khác? 6 Cho biết các ưu điểm của tạo mẫu nhanh so với phương pháp gia công truyền thông?
7 Cơ sở của việc phân loại các hệ thống tạo mẫu nhanh?
8 Néu tén 3 hệ thống tạo mẫu nhanh điền hình dùng vật liệu lỏng? 9 Nêu tên 3 hệ thống tạo mẫu nhanh điển hình dùng vật liệu rắn?
10 Nêu tên 3 hệ thống tạo mẫu nhanh điển hình dùng vật liệu bột?
11 Cho biết 3 quá trình tạo mẫu cơ bán?
12 Nêu 5 bước trong chuỗi quy trình công nghệ tạo mẫu nhanh? Trình bày
16
Trang 3813 14 15: 16 Phân biệt việc làm sạch, lưu hóa chất dẻo, đánh bóng trong công đoạn xử lý tính? Y nghĩa của công đoạn kiểm tra và chuẩn bị trong chuỗi quy trình tạo mẫu nhanh?
Hướng chế tạo chỉ tiết có ý nghĩa như thế nào đến quá trình tạo mẫu nhanh? Công đoạn nào kết thúc quá trình tạo mẫu nhanh? Trình bày quan điểm
của anh chị vê ý nghĩa của công đoạn này?
Trang 39Chương 2
HỆ THÓNG TẠO MẪU NHANH SỬ DỤNG VẬT LIỆU LỎNG
Trong các hệ thống tạo mẫu nhanh dùng vật liệu lỏng, chỉ tiết được chế tạo trong một bể chứa, chất lỏng được lưu hóa và hóa rắn dưới tác dụng của tỉa laser, thường trong dãy UV Tia laser lưu hóa lớp nhựa gần trên bề mặt và hóa răn tạo nên một lớp chi tiết Khi một lớp chỉ tiết được chế tạo
xong, bệ đỡ sẽ được hạ xuống nhờ vào một hệ thống nâng hạ, cho phép lớp
nhựa tiếp theo được tạo thành mặt cắt kế tiếp, tạo ra lớp chỉ tiết phía trên lớp vừa tạo Quá trình tiếp tục lặp lại cho đến khi chỉ tiết được chế tạo xong Có một số khác biệt về kỹ thuật đối với các hệ thống tạo mẫu nhanh đo: các thiết bị được tạo bởi các nhà sản xuất khác nhau, phụ thuộc vào loại tia laser, phương pháp quét và phơi sáng, loại vật liệu nhựa lỏng, dạng cơ cấu
nâng hạ và hệ thống quang học được sử dụng
2.1 PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH LẬP THỂ - SLA
2.1.1 Giới thiệu
Phương pháp tạo hình lập thể (StereoLithography Apparatus - SLA) được phát minh vào 1986 Charles W Hull; sau đó được tập đoàn 3D System phát triển và thương mại hóa đến nay Tập đoàn 3D System được sáng lập năm 1986 bởi Charles W Hull va nha doanh nghiệp Raymond S Freed, đây là công ty cung cấp thiết bị tạo mẫu nhanh và các phụ kiện liên quan hàng đầu trên thế giới Trong số những hệ thống tạo mẫu nhanh đã được thương mại hóa, SLA xuât hiện trên thị trường vào năm 1988
2.1.2 Đặc điểm
Tất cả các thiết bị tạo hình lập thể SLA đều có chung một nguyên lý
cấu tạo, vật liệu sử dụng chế tạo mẫu là nhựa lỏng cảm quang Các loại nhựa có thể mua từ các nhà phân phối, loại nhựa sử dụng phụ thuộc vào tia laser được sử dụng trong thiết bị, yêu cầu cơ lý tính của sản phẩm Ngồi ra, dung mơi còn được sử dụng đề làm sạch và loại bỏ phần nhựa còn sót lại
trên chỉ tiết, sau khi hoàn thành việc chế tạo sản phẩm
2.1.3 Quá trình chế tạo
Hệ thống SLA tạo ra chi tiết 3D bằng nhựa, với dữ liệu CAD được
thiết kế trực tiếp trên máy tính Quá trình chế tạo bắt đầu với bể chứa đầy
nhựa lỏng cảm quang, với bộ phận nâng hạ gắn liền bệ đỡ chỉ tiết dưới bề mặt nhựa lỏng (Hình 2.I)
Trang 40
Bệ đỡ
Hình 2.1 Quá trình nguyên lý SUA
Mô hình 3D của chỉ tiết được thiết kế bằng phần mém CAD, sau dé
tệp CAD được chuyển đổi thành tệp có đuôi là *.STL và chuyển đến hệ
thống tạo mẫu nhanh Phần mềm của thiết bị tạo mẫu nhanh sé kiém tra, định dạng lớp cắt, xây dựng bộ phận phụ trợ để gia cố, đỡ chỉ tiết trong quá trình chế tạo; với mặt cắt thường có chiều dày từ 0,025 mm đến 0,5 mm Hệ thống quét quang học được điều khiển bằng máy tính, hướng tiêu điểm của chùm tỉa laser đến bề mặt chất lỏng Chất lỏng sẽ được hóa rắn với lớp mặt cắt ngang của chỉ tiết theo 2 chiều tương ứng, độ sâu hóa rắn tương ứng với
bề dày lớp, một lớp chỉ tiết được tạo thành Kế tiếp, bệ đỡ chỉ tiết sẽ được
điều khiển hạ xuống trong bê chứa vật liệu đủ để nhựa lỏng trải phủ lên lớp vật liệu vừa hóa rắn một lớp nhựa lỏng mới Thanh gạt di chuyển dọc bể mặt chất lỏng để san phẳng lớp nhựa lỏng, tia laser quét qua mặt cắt và hóa rắn lớp nhựa lỏng, một lớp chi tiết tiếp theo được tạo thành Quá trình này được lặp lại cho đến chỉ tiết được chế tạo xong Sau đó, chỉ tiết được lấy ra khỏi thùng chứa và được làm sạch phần nhựa lỏng chưa lưu hóa
Cấu tạo chung của hệ thống SLA gồm: máy tính, bảng điều khiến, nguồn phát laser, hệ thống quang học, buồng chế tạo chỉ tiết Một trong những phần mềm được sử dụng ở trạm làm việc (workstation) cho hệ thống
thiết bị SUA là MaestroTM gồm có những mô đun chính sau đây:
(1) M6 dun 3D-verify™: M6 dun nay c6 thé duge truy nhap dé xac
định tính trung thực và cung cấp khả năng hiệu chỉnh tệp tin *.STL trước khi chỉ tiết được chế tạo, không cần phải trả về phần mềm CAD thiết kế ban đầu Những lỗ hỗng giữa những tam giác, những tam giác chồng chéo và dư
thừa, hướng chỉ tiết không đúng là những sai sót thường thấy và cần được
xác định để sửa chửa, hiệu chỉnh