Nghiên cứu sai số tạo mẫu nhanh xây dựng phương pháp giảm sai số và tăng năng suất của máy tạo mẫu nhanh spectrum z510

Các nghiên cứu về RP trên thế giới có thể chia thành 3 nhóm chính nh sau: Nhóm các nghiên cứu về công nghệ của quá trình sản xuất chế tạo theokiểu xếp lớp gồm có: Mô hình hoá và tối u q

Phần mở đầu

1 Lý do chọn đề tài.

Để đảm bảo cạnh tranh trong thị trờng hội nhập, đòi hỏi phải đáp ứng nhanhnhu cầu của thị trờng và phải tạo ra đợc những sản phẩm có chất lợng cao trongthời gian ngắn, giá thành rẻ Do mẫu mã hàng hoá thay đổi nhanh, liên tục, vìvậy nhu cầu hiện đại hoá nền công nghiệp là một tất yếu khách quan

Công nghệ tạo mẫu nhanh là công nghệ của thế kỷ thứ 21, tích hợp nhữngthành tựu của công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu, tự động hoá, kỹ thuậtlaser và cơ khí hiện đại Thiết bị tạo mẫu nhanh đó cú nhiều tại Việt Nam vàbước đầu đó đưa vào sản xuất, nhưng độ chớnh xỏc của cỏc thiết bị chưa được

đề cập khi chuyển giao cụng nghệ, đặc biệt với những chi tiết cú kớch thước,hỡnh dỏng hỡnh học phức tạp Việc xỏc định sai số và xõy dựng phương phỏpgiảm sai số sẽ gúp phần làm tăng độ chớnh xỏc của chi tiết mỏy, đặc biệt cú ýnghĩa với cỏc chi tiết cú độ chớnh xỏc cao, nõng cao khả năng cạnh tranh củaphương phỏp tạo mẫu nhanh

Từ thực tế đú, em đợc PGS-TS Nguyễn Phú Hoa giao đề tài: “Nghiên cứusai số tạo mẫu nhanh; Xây dựng phơng pháp giảm sai số và tăng năng suấtcủa máy tạo mẫu nhanh Spectrum Z510” Nhằm mục đớch xỏc định và đưa raphưong phỏp bự sai số và tối ưu quỏ trỡnh chế tạo sản phẩm trờn mỏy tạo mẫunhanh SPECTRUM Z510 cú tại Trung tõm thớ nghiệm, Trường Đại học Kỹthuõt Cụng nghiệp Thỏi Nguyờn

2 Tình hình nghiên cứu ở nớc ngoài.

Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về công nghệ tạo mẫu nhanh

đ-ợc trình bày trong khoảng 30 cuốn sách chuyên về công nghệ tạo mẫu nhanh.Tạo mẫu nhanh là lĩnh vực khoa học liên ngành, do đó để áp dụng nhanhvào sản xuất ngoài việc nghiên cứu độc lập, nhiều viện nghiên cứu, trờng đạihọc, cơ sở sản xuất và các bệnh viện đã hợp tác nhau nghiên cứu Điển hình là

dự án RAPTEC gồm 10 thành viên thuộc các ngành công nghiệp và trờng đạihọc của Châu Âu, hay dự án PHIDIAS gồm 39 thành viên gồm các trờng đạihọc, viện nghiên cứu của Châu Âu Đã có tạp chí chuyên ngành mang tênRapid Prototyping in Medicine xuất bản từ tháng 12 năm 1998 đến nay

Các nghiên cứu về RP trên thế giới có thể chia thành 3 nhóm chính nh sau:

 Nhóm các nghiên cứu về công nghệ của quá trình sản xuất chế tạo theokiểu xếp lớp gồm có: Mô hình hoá và tối u quá trình, phát triển quá trình, tối -

u hoá vật liệu,phát triển vật liệu…

 Nhóm các nghiên cứu về dữ liệu, công nghệ thông tin gồm có: Trao đổidữ liệu giữa các gói phần mềm CAD và thiết bị RP, đo kiểm soát chất lợngsản phẩm, kỹ thuật ngợc (RE)…

 Nhóm các nghiên cứu về quản lý, ứng dụng công nghệ gồm có: pháttriển các th viện với việc mô tả các nguyên lý và thuộc tính của các quá trình

RP đã có thể tạo ra các mô hình thực;tích hợp RP với quá trình phát triển sảnphẩm;đánh giá về giá thành, hiệu quả sử dụng RP trong quá trình phát triểnsản phẩm

Dới đây là tóm tắt một số công trình nghiên cứu gần đây trên thế giới:

+ Nghiên cứu các thuật toán hình học và biểu diễn dữ liệu cho sản xuấtcác khối rắn có bề mặt cong tự do- luận văn tiến sĩ của tác giả Sara AnneMcMains thực hịên tại trờng Đại học CALIFORMIA,BERKELEY, công bốnăm 2000 Trong luận văn này tác giả đã nghiên cứu phát triển một định dạngdữ liệu mới SIF (Solid Interchange Format) dùng làm định dạng dữ liệu đầuvào cho các thiết bị tạo mẫu nhanh Định dạng này cho phép khắc phụcnhững nhợc điểm của định dạng STL nh thông tin d thừa, các lỗi kết nối…+ Phát triển một phơng pháp cắt lát mới để cải thiện chất lợng chế tạo sảnphẩm theo kiểu tạo lớp - Luận văn tiến sĩ của tác giả Pieter Joost DE JAGERthực hiện tại Delft University of Techonogy(1998) Trong luận văn này tác giả

đã đa ra giải pháp trong quá trình RP tạo ra các lớp với bề mặt biên là các bềmặt kẻ Nh vậy sẽ giảm đợc hiệu ứng bậc thang, dẫn đến làm giảm độ nhấpnhô, nâng cao độ bóng bề mặt chế tạo.Giải pháp này cho phép có thể chế tạomẫu với các lớp có chiều dày lớn, dẫn đến giảm số lớp mà vẫn đảm bảo chất l-ợng bề mặt

+ Tạo mẫu nhanh & chế tạo - Những vấn đề cơ bản của công nghệ SLAtác giả Paul F.Jacobs xuất bản 1992 Trong tác phẩm này tác giả trình bàynhững vấn đề cơ bản nhất của công nghệ tạo mẫu nhanh, cơ sở lý hoá của quátrình polyme hoá trong phơng pháp SLA, độ chính xác của phơng pháp này, Ngoài ra tác giả cũng giới thiệu một số phơng pháp tạo mẫu nhanh thông dụngkhác nh SLS, FDM,

+ ứng dụng công nghệ SLA trong chế tạo khuôn ép phun - Nghiên cứucủa các tác giả Sadegh Rahmati and Philip Dicken đăng trong tạp chí Rapidprototyping journal Trong nghiên cứu này các tác giả đã tiến hành chế tạokhuôn theo phơng pháp tạo khuôn nhanh trực tiếp Các lòng khuôn với vật liệubằng EPOXY và ZENECA đợc chế tạo trực tiếp bằng phơng pháp SLA Thôngqua các thực nghiệm đo nhiệt, áp suất trên các khuôn này các tác giả đã rút ramột số kết luận so sánh về tuổi thọ, chất lợng của 2 loại vật liệu làm khuôntrên, đồng thời nêu ra một số giải pháp công nghệ nhằm nâng cao hiệu quảcủa loại khuôn này.

+ Tối u hoá đa mục tiêu định hớng chế tạo trong công nghệ SLA của cáctác giả W Cheng, J.Y.H.Fuh, A.Y.C Nee, Y.S.Wong, H.T.Loh, T.Miyazawatrình bày nghiên cứu về phơng pháp xác định hớng chế tạo tối u của côngnghệ SLA với các hàm mục tiêu ở đây là độ chính xác của mẫu chế tạo và thờigian chế tạo.Các tác giả đã phân tích, xác định nguồn gây sai số của côngnghệ SLA bao gồm:

- Quá trình tam giác hoá khi chuyển đổi mô hình CDA sang định dạng STL

- ảnh hởng của hiệu ứng bậc thang trên các bề mặt nghiêng

- Mất mát chi tiết của mẫu chế tạo do chiều dày lát cắt là không đổi

- Lu hoá quá mức xảy ra ở các vùng công xon

- Biến dạng và co ngót liên quan đến thuộc tính vật liệu và đặc trng hìnhhọc của mô hình

- Hiệu ứng bao chứa gây ra căng kéo bề mặt xung quanh thể tích bẫy.Mô hình CAD khảo sát giả thiết ở đây là đợc tạo ra từ các bề mặt cơ bản

nh mặt phẳng, mặt trụ cùng với pháp tuyến định hớng của chúng đã xác định.Các trọng số xác định ảnh hởng của dạng bề mặt đó và nguồn gây sai số đến

độ chính xác của mô hình giả thiết đã đợc xác định trớc Với các hàm mục tiêu vàdữ kiện đầu vào nh trên cá tác giả xây dựng thuật toán và cài đặt phần mềm xác

định hớng tối u của công nghệ SLA trong môi trờng Pro/ Engieering

Các công bố kết quả nghiên cứu về công nghệ tạo khuôn nhanh còn kháhạn chế, có thể do nguyên nhân đây là công nghệ mới nên các hãng giữ bí mậtcông nghệ

Song các nghiên cứu về nâng cao độ chính xác của phơng pháp tạo mẫunhanh vẫn cha nhiều, chủ yếu là nghiên cứu tối u lớp cắt, giải quyết sai số

trong quá trình số hoá dữ liệu đầu vào và trong quá trình chuyển đổi dữ liệu từmáy tính sang dữ liệu của máy tạo mẫu nhanh

3 Tình hình nghiên cứu trong nớc.

Công nghệ tạo mẫu nhanh đã đợc đa vào Việt Nam và nghiên cứu bớc

đầu vào những năm gần đây Đầu tiên phải kể đến là Đề tài cấp nhà nớc giai

đoạn 2001 - 2005, thuộc chơng trình KC.05 do Khoa cơ khí Trờng Đại họcBách khoa thành phố Hồ Chí Minh chủ trị thực hiện và đã mua thiế bị, phầnmềm sử dụng, đồng thời kết hợp với bệnh viện chợ Rẫy chế tạo mẫu một sốvật phẩm y tế

Viện máy và dụng cụ công nghiệp (IMI) cũng là một trong các đơn vị

đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu về công nghệ này Năm 2003 Viện chủ trì Đềtài cấp Thành phố Hà Nội về ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh vào việcthiết kế, chế tạo trong ngành sản xuất các sản phẩm chất dẻo và ngành dagiày Đề tài đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật ngợc, các phần mềmCAD/CAM nh CATIA, SolidWorks để xây dựng mô hình CAD 3 chiều chocác sản phẩm trong ngành da giày và sản phẩm nhựa, tạo ra các dữ liệu hìnhhọc đầu vào phù hợp với thiết bị tạo mẫu nhanh Các sản phẩm này đợc lấymẫu (quét trên đầu quét Renishaw với sự trợ giúp của phần mềm TraceCut)

Sử dụng dữ liệu quét này để dựng lại mô hình CAD 3D ở dạng solid trênCATIA, SolidWorks và chuyển sang định dạng STL làm dữ liệu đầu vào chothiết bị tạo mẫu nhanh Z310

Các mẫu sản phẩm form giày, sản phẩm nhựa, sản phẩm đế giày đợc chếtạo ra làm cơ sở ban đầu cho xây dựng một th viện các mẫu của ngành da giày

Năm 2005 Viện thực hiện đề tài Nghiên cứu ảnh hởng của các thông số công nghệ đến độ chính xác của sản phẩm chế tạo bằng phơng pháp 3D- Printing Các nghiên cứu thực nghiệm đợc tiến hành trên thiết bị Z310 của

hãng Zcorporation Đề tài đã tiến hành các thí nghiệm với các thông số côngnghệ khác nhau và đa ra các biểu đồ và đồ thị mô tả sự ảnh hởng của các yếu

tố công nghệ đến các sai số hình học của mẫu đợc thể hiện bằng sai số kíchthớc

Năm 2007 Viện thực hiện đề tài cấp Bộ - Nghiên cứu phơng pháp tạo khuôn nhanh bằng công nghệ ghép tấm Đề tài nghiên cứu chế tạo thành công

khuôn dập theo công nghệ xếp lớp

Đại học bách khoa Hà Nội, Đại học Công nghiệp Thái Nguyên cũng đãnhập và tiếp nhận chuyển giao công nghệ tạo mẫu nhanh Hiện nay các nhóm

đề tài nghiên cứu tại các trờng trên cũng đang nghiên cứu triển khai các đề tàiứng dụng Tạo mẫu nhanh

Một số cơ sở sản xuất nh công ty Nhựa Hà Nội, Công ty An Lạc Phát…cũng có nhập thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM nhằm phục vụ chothiết kế mới các mẫu mã, phát triển sản phẩm

Ngoài các đề tài và dự án trên, tại Việt Nam cũng đã có một số học việncao học, NCS thực hiện nghiên cứu về lĩnh vực này, ví dụ nh:

+ Luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu và mô phỏng công nghệ tạo mẫu nhanh”gồm 2 phần Phần thứ nhất trình bày lý thuyết cơ bản công nghệ tạo mẫunhanh, các phơng pháp tạo mẫu nhanh cơ bản, trong đó tập trung vào côngnghệ SLA Phần tiếp theo trình bày các thuật toán cắp lát và chơng trình môphỏng quá trình tạo mẫu nhanh viết bằng AutoLisp Chơng trình mô phỏng đa

ra kết quả sai số bậc tham mô hình chế tạo RP một cách trực quan

+ Luận văn thạc sỹ “ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong chế tạokhuôn mẫu trình bày tổng hợp các vấn đề lý thuyết cơ bản của công nghệ tạomẫu nhanh, ứng dụng trong chế tạo khuôn mẫu, thuật toán và chơng trình cắtlát mô hình STL bằng MATLAB Kết quả chơng trình này cho dữ liệu lớp cắt

ở dạng tọa độ các điểm trên đờng biên Dữ liệu này sau đó có thể đợc sửa đổicho phù hợp với từng hệ thống RP

+ Luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu công nghệ tạo mẫu nhanh để chế tạomẫu chảy ứng dụng trong công nghệ Đúc” nhằm giải quyết vấn đề khó khăncủa Đúc mẫu chảy là chế tạo mẫu chảy

Nhìn chung số lợng các công trình nghiên cứu về công nghệ tạo mẫunhanh ở Việt Nam còn hạn chế Chủ yếu là các báo cáo của một số đề tài cấpNhà nớc, cấp Bộ, cấp Thành Phố… và một số luận văn tiến sỹ, thạc sỹ nh đãtrình bày ở trên Vì vậy kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần giải quyếtnhững hạn chế của công nghệ này

4 Nhiệm vụ nghiên cứu.

 Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh

 Nghiờn cứu Cơ sở lý thuyết sai số trong phương phỏp tạo mẫu nhanh

 Nghiờn cứu biện phỏp giảm sai số; nõng cao năng suất của phươngphỏp tạo mẫu nhanh trờn mỏy Spectrum Z510.

 Áp dụng kết quả nghiờn cứu để trong việc chế tạo chi tiết

5 Bố cục của luận văn.

Chơng 1 Tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh

Chơng 2 Cơ sở lý thuyết về sai số trong phương phỏp tạo mẫu nhanh.Chơng 3 Mỏy tạo mẫu nhanh Spectrum Z510 ; Phơng pháp nâng cao độchính xác và tăng năng suất chế tạo sản phẩm

Chơng 4 áp dụng phơng pháp chia vật thể thích nghi với chi tiết vỏ đạnsúng phóng lựu trên máy tạo mẫu nhanh Spectrum Z510

Trong quá trình làm luận văn, do điều kiện thiết bị và tài liệu còn hạn chếnên bản luận văn không thể tránh khỏi thiếu sót Kính mong các thầy, các

đồng nghiệp góp ý, chỉ bảo để bản luận văn hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo PGS –TSNguyễn Phú Hoa đã giúp đỡ em hoàn thành bản luận văn này

chơng 1 tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh

1.1 tổng quan về tạo mẫu nhanh.

1.1.1 Giới thiệu kỹ thuật tạo mẫu nhanh.

Kỹ thuật tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP) là kỹ thuật in hình ảnhnổi khuôn mẫu Là khái niệm mới trong lĩnh vực chế tạo máy hiện nay Phơngpháp này có thể tạo ra vật thể không gian 3 chiều trực tiếp từ dữ liệu khônggian 3 chiều của mô hình CAD với thời gian rất ngắn Kỹ thuật này góp phầngiảm đáng kể thời gian, chi phí trong quá trình thiết kế cơ khí So với phơngpháp gia công cổ điển kỹ thuật này có u điểm nh sau: Không cần chuẩn bịdụng cụ cắt gọt Không tốn đồ gá, giảm thời gian sửa đổi, thiết kế lại chi tiết,

có thể thiết kế những chi tiết phức tạp mà khi gia công trên những máy công

cụ số dễ bị phế phẩm hoặc không gia công đợc

Ra đời vào năm 1987, kỹ thuật tạo mẫu nhanh đang tồn tại hơn 30 côngnghệ khác nhau nh : SLA, LOM, SLS, … Với nguyên tắc chung là bồi đắp vậtliệu hoặc tách vật liệu theo lớp Với mỗi phơng pháp, mỗi loại vật liệu khácnhau thì độ chính xác cũng khác nhau

* Ưu nhợc điểm của công nghệ tạo mẫu nhanh

Tạo mẫu nhanh có những u điểm sau đây:

 Tăng khả năng quan sát trong quá trình thiết kế

 Tạo đợc mẫu có độ phức tạp cao

 Giảm chi phí, thời gian thiết kế và chế tạo

Đầu vào

(INPUT)

Vật liệu (Material)

ứng dụng (Applications

Hình 1-1: Sơ đồ công nghệ tạo mẫu nhanh

 Cho phép giảm chu kỳ chế tạo sản phẩm để mang sản phẩm ra thị trờngnhanh hơn.

Tuy nhiên, công nghệ tạo mẫu nhanh cũng có những nhợc điểm sau đây:

 Độ bền của mẫu phụ thuộc vào vật liệu và công nghệ sử dụng

 Độ chính xác của sản phẩm không cao vì nguyên tắc gia công đắp vậtliệu theo từng lớp

 Giá thành của sản phẩm còn cao do chi phí đầu t và bảo trì thiết bị lớn

1.1.2 ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong sản xuất, chế tạo.

Các mẫu RP có thể đợc sử dụng để nghiên cứu khả năng chế tạo một sảnphẩm nào đó Nhờ có các mẫu thực ngay trong giai đoạn đầu của thiết kế,ta cóthể đẩy nhanh tốc độ lập kế hoạch công nghệ cũng nh thiết kế dụng cụ Hơnnữa, nhờ có các mẫu thực mô tả hình học chính xác có thể giảm tối đa cácnhầm lẫn trong quá trình chế tạo.RP cũng cho phép chế tạo đợc những chi tiếtphức tạp mà với những phơng pháp khác thờng không chế tạo đợc, hoặc khóchế tạo

Một ứng dụng quan trọng của RP trong kỹ thuật cơ khí là chế tạo cáckhuôn mẫu, các lõi thao đúc Trên cơ sở phát triển các ứng dụng của RP trongsản xuất chế tạo các khuôn mẫu, dụng cụ, một công nghệ mới ra đời: Côngnghệ tạo khuôn mẫu nhanh - Rapid Tooling(RT) RT có các u điểm so với côngnghệ tạo khuôn truyền thống (khuôn kim loại) ở chỗ thời gian và chi phí tạokhuôn thấp hơn nhiều lần Tuỳ thuộc vào kích cỡ và độ phức tạp của khuôn màthời gian có thể chỉ mất dới 1/5 và chi phí có thể dới 5 % chi phí tạo khuôn theophơng pháp thông thờng Tuy nhiên RT cũng có một số các nhợc điểm nh: độbền, độ chính xác, tuổi thọ của khuôn thấp hơn so với khuôn thông thờng RTmới đợc nghiên cứu phát triển trên thế giới trong những năm gần đây, chủ yếu

để chế tạo các khuôn có tuổi thọ thấp (vài chục đến vài trăm sản phẩm), cáckhuôn chế tạo sản phẩm không có yêu cầu độ chính xác cao Có thể phân loại

RT thành 2 nhóm chính: Tạo khuôn nhanh trực tiếp và tạo khuôn nhanh giántiếp.Tạo khuôn nhanh trực tiếp là một qúa trình chế tạo khuôn (dụng cụ) trựctiếp từ các file dữ liệu CAD với một chuỗi các nguyên công là ít nhất Tạokhuôn nhanh gián tiếp là sử dụng các mẫu đã có sẵn, mẫu đợc chế tạo bằng RThay bằng một công nghệ nào đó để làm mẫu tạo lòng khuôn Trong mỗi nhómnày lại có nhiều phơng pháp RT khác nhau

Ngoài các ứng dụng trong nghành cơ khí, hiện nay RP cũng bớc đầu đợcứng dụng vào một số lĩnh vực khác trong cuộc sống nh: Y học, sinh học, côngnghiệp da giày, thời trang, kim hoàn, …

1.1.3 Các bớc công nghệ trong tạo mẫu nhanh

Quá trình tạo mẫu nhanh của mỗi công nghệ có những điểm khác nhau,nhng chúng đều có các bớc sau

1.1.3.1 Mô hình hoá CAD.

Đây là bớc đầu tiên trong quá trình tạo mẫu nhanh, áp dụng cho tất cả các

hệ thống tạo mẫu nhanh khác nhau, nó gắn liền với việc tạo mô hình 3D củavật thể thiết kế bằng máy tính

Để tạo ra mô hình vật thể thiết kế, ngời thiết kế có thể xây dựng mô hìnhnhờ các phần mềm CAD, Scaner hoặc tạo dựng vật thể theo toạ độ mà máy đotoạ độ cung cấp

Đây là bớc quan trọng nhất và quyết định đến chất lợng và độ chính xáccủa sản phẩm

1.1.3.2 Xuất sang dạng file.stl

Thông thờng một file CAD cần chuyển đến bộ dịch của máy tạo mẫunhanh Bớc này đảm bảo dữ liệu CAD đa vào máy tạo mẫu nhanh đợc địnhdạng STL, dạng mô hình biểu diễn mặt biên gồm nhiều mảnh tam giác rấtnhỏ Đây là định dạng tiêu chuẩn của máy tạo mẫu nhanh

Xây dựng mô hình

CAD File STL

Các Tham số

1.1.3.3 Tạo các chân đỡ sản phẩm.

Bớc này nhằm tạo chân đỡ và đợc lu trong 1 file CAD riêng Các nhà thiết kếCAD có thể trực tiếp thực hiện nhiệm vụ này hoặc bằng các phần mềm chuyêndụng của tạo mẫu nhanh Đây là công việc bắt buộc đối với các phơng pháp tạomẫu nhanh trên vật liệu dạng lỏng Việc thiết kế chân đế nhằm:

 Đảm bảo các lỡi phủ không bị va vào bàn đặt chi tiết

 Đảm bảo bất cứ biên dạng nhỏ nào của bàn đặt chi tiết cũng không ảnhhởng đến quá trình chế tạo chi tiết

 Cung cấp phơng thức đơn giản nhất cho việc lấy sản phẩm ra khỏi tấm

đế khi chế tạo xong

1.1.3.4 Cắt lát.

Cả chi tiết và chân đỡ đều phải cắt lát Chi tiết đợc cắt lát toán học bằngmáy tính thành 1 chuỗi các mặt phẳng song song với nhau Cũng trong bớcnày cần phải lựa chọn các thông số nh chiều dày lớp cắt, kiểu chế tạo dự tính,chiều sâu lu hoá, khoảng cách các bớc quét cần thiết, …

Để quá trình chế tạo đợc tốt thì phải định hớng chế tạo Một quá trình

định hớng chế tạo hợp lý có thể nâng cao đợc độ chính xác chi tiết và giảmthời gian chế tạo chi tiết do đó giảm đợc giá thành sản phẩm Định hớng chếtạo phụ thuộc vào mục tiêu lựa chọn, có nhiều mục tiêu nh: Chiều cao chế tạo,chất lợng bề mặt, việc chế tạo các phần nâng đỡ sản phẩm, …

và điều khiển bằng máy tính

1.1.3.6 Loại bỏ vật liệu thừa, hoàn thiện và làm sạch vật thể chế tạo.

Sau khi kết thúc quá trình chế tạo, vật liệu thừa (bột thừa trong phơngpháp thiêu kết, nhựa lỏng thừa, các lớp vật liệu đã đợc cắt bỏ trong phơngpháp LOM … ợc lấy đi khỏi vùng gia công Vật thể sau khi chế tạo đợc lấy) đ

ra khỏi vùng gia công và đợc làm sạch bằng các phơng pháp nh phun khí, rửa,sửa và làm sạch bằng phơng pháp cơ khí

1.1.3.7 Xử lý sau chế tạo

Trong một số công nghệ tạo mẫu nhanh, vật thể sau chế tạo mới chỉ đợcthiêu kết hay polyme hoá một phần nên cha đạt đợc các chỉ tiêu cao nhất vềcác tính chất cơ lý hoá… nên cần phải có các bớc xử lý tiếp theo tuỳ theo ph-

ơng pháp chế tạo Vật thể sau khi đợc tạo hình có thể đợc thiêu kết hoàn thiệnhoặc nhúng vào nhựa hay cao su để tiến hành polyme hoá hay lu hoá để đạtyêu cầu đặt ra

1.1.3.8 Hoàn thiện chi tiết.

Tuỳ theo mục đích sử dụng, có thể dùng nhiều mức hoàn thiện chi tiếtnhằm mô hình hoá quan sát và mô hình hoá khái niệm, chỉ cần loại bỏ các chân

đỡ là đợc Để linh hoạt và tối u hơn có nhiều phơng pháp hoàn thiện nh bằngtay, phun các hạt có kích thớc nhỏ, hay biện pháp tích hợp cả hai phơng pháptrên Các chi tiết cũng có thể đợc đánh bóng, sơn hay phủ kim loại

1.2 Các phơng pháp tạo mẫu nhanh cơ bản:

Do cú nhiều phương diện sản xuất nờn hỡnh thành nhiều loại hệ thống tạo mẫu nhanh trờn thị trường, để phõn loại một cỏch bao quỏt cỏc hệ thống tạo mẫu nhanh là dựa trờn cơ sở vật liệu sản xuất Ở kiểu phõn loại này tất cả cỏc

hệ thống tạo mẫu nhanh cú thể dễ dàng phõn thành ba loại:

- Dựa trờn cơ sở vật liệu dạng lỏng

- Dựa trờn cơ sở vật liệu dạng khối

- Dựa trờn cơ sở vật liệu dạng bột

* Dựa trờn cơ sở vật liệu dạng lỏng: Cỏc hệ thống tạo mẫu nhanh dựa

trờn cơ sở chất lỏng bắt đầu với vật liệu ở trạng thỏi lỏng Quỏ trỡnh tạo mẫu

là một quỏ trỡnh lưu húa, vật liệu chuyển đổi từ trạng thỏi lỏng sang trạng thỏi rắn Cú 12 phương phỏp điển hỡnh:

1 Thiết bị tạo mẫu lập thể SLA của 3D Systems

2 Thiết bị xử lý dạng khối SGC của Cubital

3 Thiết bị tạo mẫu dạng khối SCS của Sony

4 Thiết bị in sử dụng tia tử ngoại tạo vật thể dạng khối SOUP

5 Thiết bị tạo ảnh nổi của EOS

6 Thiết bị tạo ảnh khối của Teijin Seiki

7 Thiết bị tạo mẫu nhanh của Meiko cho công nghiệp đồ trang sức

8 Thiết bị tạo mẫu nhanh SLP của Denken

9 Thiết bị tạo mẫu nhanh COLAMM của Mitsui

10 Thiết bị tạo mẫu nhanh LMS của Fockele và Schwarze

11 Thiết bị điêu khắc bằng ánh sáng

12 Thiết bị hai chùm tia laser

* Dựa trên cơ sở vật liệu 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 gồm các dạng: dây, cuộn, dát mỏng và dạng viên có 9 phương pháp điển hình

1 Thiết bị tạo lớp mỏng LOM của Helisys

2 Thiết bị phun nhiều lớp FDM của Stratasys

3 Thiết bị dập nóng có sử dụng chất liên kết SAHP (của KiRa)

4 Thiết bị tạo mẫu nhanh của Kinergy

5 Thiết bị tạo mẫu nhiều đầu phun MJM của 3D System

6 Hệ thống tạo mẫu nhanh RPS của IBM

7 Thiết bị tạo mẫu MM-6B của công ty Sanders Prototype

8 Thiết bị tạo mẫu nhanh Hot Plot của Sparx AB’s

9 Thiết bị tạo mẫu nhanh Laser CAMM của Scale Model Unlimited

* Dựa trên cơ sở vật liệu dạng bột: Trong khả năng được giới hạn, dạng

trạng thái bột vẫn còn được xem như dạng trạng thái khối Có 7 phương pháp:

1 Thiết bị thiờu kết bằng laser SLS của DTM

2 Thiết bị đỳc khuụn vỏ mỏng trực tiếp DSPC của Soligen

3 Thiết bị định hỡnh nhiều giai đoạn hoỏ cứng MJS của Fraunhofer

4 Hệ thống cỏc thiết bị EOSINT của EOS

5 Thiết bị in phun (Ink-Jet) hay cũn gọi là BPM của BPM Technology

6 Thiết bị in ba chiều 3DP của MIT

7 Thiết bị tạo mẫu nhanh Z - Printer của hãng Z - Corp

Trong phạm vi đề tài tác giả chọn giới thiệu 6 phơng pháp công nghệ cơbản nhất là: SLA, SLS, LOM, FDM, SGC, Z-Printer, và Thermojet

1.2.1 Phơng pháp SLA

Phơng pháp SLA là Công nghệ tạo mẫu nhanh đầu tiên trên thế giới

Trong số những phơng pháp tạo mẫu nhanh thì SLA đợc sử dụng nhiềunhất, chiếm 30% thị phần hệ thống tạo mẫu nhanh trên thế giới

Các loại máy SLA gồm: SLA190, SLA250, Viper Si2, SLA350, SLA500,SLA700, SLA3500, SLA5000, SLA7000,

Bản chất của quá trình SLA là dới tác dụng của chùm tia laser, vật liệunhựa quang hoá sẽ đông cứng lại Vật liệu sử dụng ở đây là các loại nhựaquang hoá SL5170, SL5190

Hệ thống gồm có một thùng (Vat) chứa dung dịch quang hoá (LiquidPhotopolymer) trong suốt, một tấm đế (platform) nhúng trong bể có khả năngnâng lên và hạ xuống nhờ một thiết bị điều khiển đợc (Elevator) một hệ thống

Hệ thấu kính Nguồn laser HeCd

cung cấp nguồn laser (HeCd Laser), cùng với hệ thấu kính (Lenses) và gơngphản xạ (Mirror), dùng làm đông cứng nhựa lỏng và một gơng để kiểm tramức nhựa trong thùng, một hệ thống dao gạt (Sweeper) dùng gạt nhựa trêntấm đế để tạo ra một lớp nhựa đồng đều

Quá trình tạo mẫu xẩy ra nh sau:

Dới tác dụng của chùm tia laser đợc chiếu từ hệ thống thấu kính và

g-ơng phản xạ (đợc điều khiển từ máy tính), một lớp nhựa lỏng đầu tiên sẽ bị

đông cứng lại

Khi tạo xong lớp đầu tiên, tấm đế sẽ hạ xuống một nấc cho nhựa lỏngtràn lên, sau đó nâng lên một lợng sao cho lớp trớc nằm cách mặt nhựakhoảng 0,1 - 0,5 mm tuỳ theo yêu cầu

Tiếp theo chùm tia laser sẽ quét lên bề mặt lớp nhựa lỏng (theo tiết diệnlớp cắt của mô hình 3D) để làm đông cứng lớp thứ hai Lớp này đợc đôngcứng và dính kết với lớp trớc đó

Quá trình cứ tiếp tục lặp lại cho đến khi tạo xong lớp cuối cùng của mẫu

u điểm :

 Tự động hoá cao: hệ thống này đợc tự động hoá hoàn toàn mà không

đòi hỏi bất kỳ sự tham gia nào trong suốt quá trình vận hành

 Độ chính xác cao

 Thể hiện rõ ràng: Công nghệ SLA hỗ trợ quá trình thiết kế dễ dàng

 Độ bóng bề mặt cao: Chi tiết có một bề mặt rất trơn láng

Nh ợc điểm :

 Dễ h hỏng: mẫu có thể bị mềm ra ở nhiệt độ cao

 Vật liệu bị hạn chế: phơng pháp này mới chỉ sử dụng đợc vật liệu nhựaquang hoá

 Các gân hỗ trợ: Các gân hỗ trợ luôn cần thiết trong quá trình tạo mẫu

1.2.2 Phơng pháp SLS.

Phơng pháp thiêu kết bằng tia laser SLS đợc sáng chế ở trờng Đại họcTexas, Mỹ và đợc thơng mại hoá bởi công ty DTM Sản phẩm của Công tyDTM là hệ thống SYSTEM Station 2000 Sơ đồ nguyên lý làm việc của phơngpháp SLS đợc thể hiện qua hình 1-4

Hệ thống này bao gồm một xy lanh tạo mẫu ở giữa và hai xy lanh cấp bột

ở hai bên

Đầu tiên vật liệu từ xy lanh cập bột nâng lên cao khỏi mặt bàn và đợc conlăn gạt bột sang xy lanh tạo mẫu với bề dày khoảng 0,05 - 0,38mm ở đây vậtliệu đợc nung nóng và thiêu kết bởi chùm tia laser CO2 qua các hệ thấu kính

và gơng phản xạ Bớc tiếp theo xy lanh tạo mẫu sẽ hạ xuống một lớp với bềdày tơng ứng với bề dày của lớp bột đã đợc thiêu kết Chu kỳ của quá trình đ-

ợc thực hiện lại tơng tự nh trên Tại bàn tạo mẫu lớp vật liệu thứ hai đợc nungnóng, thiêu kết và kết dính vào lớp thứ nhất Quá trình cứ tiếp tục nh vậy cho

đến khi tạo đợc mẫu hoàn chỉnh

Vật liệu bột ở đây có thể sử dụng nhựa nhiệt dẻo, ABS, PVC, nylon, sáp,gốm và bột kim loại

Ưu điểm:

 Phơng pháp SLS có khả năng tạo mẫu từ nhiều loại vật liệu khác nhauhoặc từ những vật liệu tổ hợp nói trên

 Không cần hậu lu hoá do các mẫu SLS hình thành từ bột

 Không cần gân hỗ trợ khi tạo mẫu

2

Con lăn dải bột

Hình 1-4 Sơ đồ nguyên lý SLS

Máy LOM-1015 và LOM-2030 có cấu trúc tơng tự nhau: phần cứng vàphần mềm của máy tính, nguồn laser, hệ thống quang học, thiết bị điều chỉnhtheo trục XY, đáy và cơ cấu nâng hạ theo phơng đứng, hệ thống dát mỏng, hệthống cứng cấp vật liệu và cuốn vật liệu.

Hệ thống nói trên bao gồm 2 rulô, trong đó có một rulô cung cấp vật liệu,rulô còn lại cuốn vật liệu Mẫu đợc hình thành trên một bàn máy (tấm đế)

Đầu tiên vật liệu tấm đợc con lăn gia nhiệt cán dính vào tấm đế Chùm tialaser đợc điều khiển bằng máy tính sẽ cắt lớp vật liệu đó theo profile cần thiếtcủa mặt cắt Phần vật liệu còn lại sẽ bị cắt thành những hình vuông nhỏ, vàtrong quá trình hình thành mẫu chúng có tác dụng đỡ Sau khi mẫu đợc hìnhthành cần phải loại bỏ chúng đi Tiếp theo rulô sẽ cuốn vật liệu tấm theo mộtbớc nhất định Quá trình này đợc lặp đi lặp lại cho đến khi mẫu đợc hìnhthành

Công nghệ này có thể sử dụng các vật liệu khác nhau nh: giấy, gỗ, chấtdẻo, kim loại, ở dạng tấm

Học viên: Nguyễn Thanh Tú Lớp CH K10

Nguồn laser

Con lăn

G ơng phản xạ Thấu kính

Bàn mẫu Con lăn cấp liệu

Con lăn thu liệu

Quá trình tạo mẫu theo công nghệ này gồm các bớc sau:

Mô hình của sản phẩm đợc tạo ra bởi phần mềm CAD sử dụng fileJGES hoặc file STL

File CAD đợc cắt thành từng lớp, sau đó đợc xử lý bởi phần mềmQuickslide và SupportworkTM Cấu trúc đỡ chi tiết đợc tự động tạo ra nếucần thiết

Vật liệu cung cấp sau khi qua đầu phun đợc gia nhiệt sẽ nóng chảy và đùn

ra tấm đế theo đờng dẫn bởi Quickslide tạo ra lớp đầu tiên Chiều rộng củavật liệu thoát ra có thể thay đổi trong khoảng 0,254 mm - 2,54 mm Khi mộtlớp vật liệu hoàn thành, đầu phun của máy FDM sẽ di chuyển theo phơng Z

để tạo ra lớp kế tiếp Lớp vật liệu vừa đùn ra sẽ liên kết với lớp vật liệu tr ớc

đó Quá trình lặp lại cho đến khi mẫu đợc tạo ra hoàn chỉnh

Ưu điểm:

 Dễ sử dụng

 Vật liệu không độc, có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau

 Máy làm việc trong môi trờng bình thờng

Nhợc điểm:

 Khó tạo ra mẫu có độ phức tạp cao

 Cần phải có hai loại vật liệu khác nhau cho chi tiết và cho cấu trúc đỡ

đỡ Sơ đồ nguyên lý của phơng pháp này đợc trình bày trên hình 1- 5

Nguyên lý của phơng pháp này nh sau:

Hình 1 – 6: Sơ đồ nguyên lý FDM

Mẫu đợc tạo theo từng lớp Nhựa lỏng quang hoá sẽ bị lu hoá khi chiếusáng dới ánh sáng tử ngoại UV Quá trình này tơng tự quá trình in chụp khô(xerography) sử dụng máy photocopy và máy in laser Mặt nạ đợc tạo ra từ dữliệu CAD nhập vào và in trên nền trong suốt ảnh mặt nạ đợc định dạng bởiviệc lắng đọng bột đen bám chặt vào nền lới điện tích Sau khi chiếu sáng bột

đen đợc loại khỏi nền để dừng lại và chi tiết đợc tiếp tục cho lớp kế tiếp tơng

tự nh in trên nền

Trong quá trình tạo mẫu, một lớp mỏng nhựa quang hoá đợc trải trên bềmặt làm việc của mặt nạ thuỷ tinh đặt ở vị trí gần sát trên phần làm việc và h-ớng trực chuẩn với đèn UV Đèn UV mở trong vài giây, phần diện tích nhựa

đợc chiếu sáng dới ánh sáng tử ngoại UV rắn lại

Phần nhựa không hoá cứng sẽ bị loại khỏi chi tiết bởi thiết bị hút chânkhông Sau đó sáp nóng chảy sẽ đợc điền đầy vào khoảng trống sau khi đã rútnhựa lỏng d Cuối cùng nó đợc cán để đạt độ dày chính xác Lớp kế tiếp đợc l-

u hoá trên lớp trớc cho đến khi hoàn thành mẫu

Cán nhiệt

Phóng điện tích

Phát triển mặt nạ Polyme lỏng

Đế

 Máy có kết cấu rất phức tạp.

1.2.6 Phơng pháp THERMOJET.

Phơng pháp Thermojet hay còn gọi là phơng pháp tạo hình nhiều vòi phun(Multi-et Modeling) do công ty 3D system thơng mại hoá vào năm 1995 Sảnphẩm của công ty là Thermojet Printer và từ năm 1998 đợc đổi tên là Actua-2100

Trên hình 1.6 là đầu phun của máy Actua-2100 Nguyên lý làm việc củamáy này là dùng kỹ thuật in phun đợc ứng dụng cho kích thớc 3 chiều Đầu ingồm có 96 vòi phun độc lập, vật liệu nhiệt dẻo nóng chảy đợc phun riêng rẽ từ

96 lỗ để hình thành lớp bề mặt của mẫu

Vật liệu đợc sử dụng ở đây là nhựa nhiệt dẻo nh Thermojet 88, Thermojet

2000 Quá trình tạo mẫu theo phơng pháp này gồm các bớc cơ bản sau:Phần mềm Allegro (Kèm theo máy Actua-2100) làm nhiệm vụ giao tiếpgiữa phần mềm CAD với máy Actua-2100 để chuẩn bị dữ liệu thiết kế

Quá trình tạo hình nh sau: Các đầu phun có vị trí xác định ở phía trên tấm

đế để chuẩn bị tạo mô hình Đầu phun sẽ tạo lớp vật liệu đầu tiên bằng cáchdịch chuyển theo phơng X

Nếu chiều rộng của chi tiết lớn hơn kích thớc của đầu phun thì tấm đế sẽdịch chuyển theo phơng Y

Sau khi một lớp đã hoàn tất thì tấm đế sẽ hạ xuống dới theo phơng Z vàquá trình tạo mẫu lớp kế tiếp sẽ lặp lại cho đến khi mẫu đợc hoàn tất

Hình 1-8: Đầu phun của máy

Actua-2100

Thiết bị in màu 3D Zprinter 810

Thanh gạt cuốn bột

Đầu phun mực màu

Lớp đ ợc in

Vùng in

Rửa

đầu in

Chi tiết hình thành

Pittông in

Hình 1-9: Sơ đồ nguyên lý Zprinter

So s¸nh c¸c ph¬ng ph¸p t¹o mÉu nhanh.

§Æc trng cña c¸c ph¬ng ph¸p t¹o mÉu nhanh cã thÓ minh ho¹ trªn b¶ngsau ®©y:

§Æc trng SLA250 SLS2000-1 LOM1015 FDM1600 SGC4600

PhÇn mÒm Maestro/JR Projectary LOM slice SuppWork

Quickslide DFE Allegro

HeCd Laser CO2

Laser

CO 2

56,52- 149,11 111,48 161,02

thấp nhất, cao nhất là phơng pháp SLS trên cùng một số chỉ tiêu và thông số

kỹ thuật đặt ra

Nhng nhìn chung ta có thể thấy rằng nếu tính đến chi phí đầu t cũng nhcác công dụng và u nhợc điểm thì công nghệ SLA có nhiều u điểm và đợcdùng phổ biến và 2115 thiết bị chiếm 31% trên thế giới

1.3 dữ liệu của hệ thống tạo mẫu nhanh

Để biểu diễn các vật thể trên máy tính, việc đầu tiên là phải mô hình toánhọc đợc vật thể đó Sau đó sử dụng kỹ thuật đồ họa máy tính để hiển thị vậtthể trên màn hìn CAD/CAM dựa vào toán học và kỹ thuật đồ họa máy tính đểbiểu diễn các vật thể trong không gian thiết kế gọi là các mô hình học(Geometric modeling)

Các hệ CAD/CAM có khả năng biểu diễn các đối tợng đồ họa trongkhông gian 2D; 21/2; và 3D Lịch sử phát triển mô hình 3D bắt đầu từ việc tạomô hình 21/2 chiều, sau đó là các dạng mô hình khung dây (wireframe), môhình bề mặt (surface) và cuối cùng là mô hình khối rắn (solid)

1.3.1 các mô hình hình học của hệ thống tạo mẫu nhanh 1.3.1.1 Mô hình 2 chiều (2D)

Các hệ thống CAD đầu tiên chỉ có khả năng biểu diễn 2D, đây là một nhợc

điểm rất lớn vì nó gây ra nhiều lỗi trong quá trình sản xuất do khả năng quan sáthình ảnh kém và lợng thông tin không đầy đủ Các bản vẽ 2D nói chung sử dụnghơn hai hình chiếu, ví dụ hình chiếu đứng, hình chiếu bằng và chiếu cạnh Bộphận sản xuất lấy thông tin để chế tạo sản phẩm dựa và các hình chiếu đó nên họphải tởng tợng ra sản phẩm thật trong không gian, điều này gây ra những khókhăn nhất định vì không phải ai cũng có khả năng tởng tợng tốt

1.3.1.4 Mô hình bề mặt

Mô hình bề mặt thông qua kỹ thuật biểu diễn tham số cho phép mô tảchính xác bề mặt của vật thể Nó biểu diễn đối tợng tốt hơn mô hình khungdây vì các cạnh của mô hình tạo các mặt (faces) Nó cho phép mô hình hóacác chi tiết phức tạp Mô hình mặt có thể tích nhng không có khối lợng… tuynhiên, có một nhợc điểm chung của các hệ thống mô phỏng bề mặt là chúngkhông cung cấp các thông tin bên trong vật thể, không có khả năng giải quyếtvấn đề Topo Chẳng hạn nh nếu ta có một chuỗi các mảnh bề mặt ghép vớinhau tạo thành một mô hình thể tích bao kín và khi “khoan một lỗ” vào môhình ta sẽ xuyên qua một bề mặt mỏng không xác định vào một khoảng trốngkhông có những thông tin cần thiết: Chiều sâu, điểm kết thúc…

Vậy mô hình bề mặt thờng đợc sử dụng để miêu tả hình dáng vật thể.Một số đặc điểm khác nhau giữa mô hình bề mặt và mô hình khối rắn cơ sở đó

là không có dữ liệu hình học liên kết để liên kết các bề mặt, mô hình bề mặtcũng không có khả năng biểu diễn bên trong của vật thể

1.3.1.5 Mô hình khối rắn

Mô hình khối rắn là mô hình biểu diễn vật thể 3 chiều hoàn chỉnh nhất.Mô hình này bao gồm các cạnh, mặt và đặc điểm bên trong mô hình Mô hìnhnày có thể tích và những đặc tính về khối lợng Mô hình khối rắn là mô hìnhthật của chi tiết, nó chứa đựng cả thông tin bên trong và bề mặt chi tiết Có hai

xu hớng nghiên cứu mô hình khối rắn, đó là: Mô phỏng hình học khối rắn cócấu trức (CSG) và mô phỏng biểu diễn bên (B-rep)

+ Hình học khối rắn cơ bản (Constructive Solid Geometry-CSG) Phơngpháp này sử dụng các khối rắn cơ bản nh: Lập phơng, trụ, cầu, chóp để xâydựng mô hình Mô hình loại này đòi hỏi một khối lợng tính toán lớn nhng yêucầu ít không gian lu trữ dữ liệu

+ Biểu diễn biên (Boundary reprsesentation B-rep) Mô hình này sử dụngtất cả các đờng bao để biểu diễn chi tiết, nó cho phép biểu diễn đợc các chi tiết

có bề mặt rất phức tạp Mô hình B-rep cần một không gian lu trữ dữ liệu lớnnhng sự tính toán lại ít hơn mô hình CSG

Xu thế hiện nay trong các phần mềm CAD/CAM là kết hợp cả 2 phơngpháp biểu diễn CSG và B-rep để sử dụng các điểm mạnh của mỗi phơng phápbiểu diễn Với mỗi cách biểu diễn bằng khung dây hay khối rắn các phầnmềm đang phát triển mạnh mẽ theo phơng pháp biểu diễn mô hình tham sốhóa, các đặc điểm toán học của mô hình nh tọa độ, độ cong, các vec tơ tiếp

tuyến, pháp tuyến… ợc gắn với các tham số đợc hiển thị động khi kích chuột đ

và cho phép thay đổi trực tiếp các đặc điểm này ngay trong quá trình thiết kế

1.3.2 Yêu cầu dữ liệu CAD của hệ thống RP

Khi thực hiện công nghệ tạo mẫu nhanh, chất lợng và độ chính xác dữliệu đầu vào đặc biệt quan trọng Các hệ thống RP và M phụ thuộc rất nhiềuvào việc nhập cơ sở dữ liệu của chúng Các hệ thống này nhập dữ liệu mô tả

hệ vật thể ba chiều ở dạng xung điện tử và tái tạo lại vật thể ở dạng solid Dovậy, nếu dữ liệu đầu vào mô tả vật thể không thích hợp, khiếm khuyết sẽ dấn

đến kết quả là vật thể tạo ra sẽ bị khuyết tật, không đạt yêu cầu

Các mô tả hình học vật thể chế tạo là một trong những dữ liệu đầu vàoqan trọng nhất của thiết bị tạo mẫu nhanh đợc cung cấp bởi hệ thống CADthích hợp Một hệ thống RP phụ thuộc nhiều vào dữ liệu đầu vào của nó, vì nóbiến đổi các mô tả dữ liệu trực tiếp thành các đối tợng vật rắn Do vậy dữ liệu

đầu vào của hệ thống RP phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

+ Mô tả hình học vật thể phải rõ ràng

+ Một bộ dữ liệu mô tả chi tiết biểu diễn cho một vật thể duy nhất

+ Mỗi mặt của mô hình đều phải có định hớng pháp tuyến Pháp tuyến

đ-ợc xác định sao cho các điểm của nó hớng ra xa phần đặc của vật thể

+ Dễ dàng cắt lát (slicing), tạo ra các đờng bao kín (closed contour),phân biệt rõ ràng giữa phần bên trong và phần bên ngoài vật thể, giữa vùng

kỳ nh mặt NURBS Các thông tin về sự liên hệ lẫn nhau thờng không có trongmô hình bề mặt Nhà thiết kế phải xác định sự nối nhau giữa các vùng bề mặtdọc theo các cạnh chung, nếu không mô hình sẽ tồn tại các khoảng trống cácdạng sai sót này hay tồn tại ở các mô hình thiết kế khuôn mẫu trong thực tếsản xuất.

Một dạng đặc biệt của loại mô hình bề mặt là dạng biểu diễn bằng lới các

đa giác phẳng Mô hình bề mặt đợc biểu bằng lới các tam giác là dạng thôngdụng nhất trong công nghệ RP

b Mô hình khối rắn

Mô hình khối rắn mô tả đối tợng có thể tích và khối lợng Các dạng cơ sởhiện nay của cách biểu diễn này là phơng pháp biểu diễn theo biên dạng(boundary representation - Brep), dạng khối rắn có cấu trúc (ConstructiveSolid Geometry - CSG) và dạng liệt kê không gian Các hệ thống CAD thờngtạo ra các mô hình khối rắn dạng Brep Dạng này tơng tự nh các mô hình bềmặt nhng có 3 điểm khác quan trọng Thứ nhất là mô hình Brep kín; thứ hai,mô hình dạng này có các thông tin về sự liên hệ lẫn nhau giữa các bề mặt,thông tin này chỉ ra các bề mặt này nối với nhau nh thế nào để tạo thành bềmặt của vật thể; điểm khác thứ ba là các hệ thống mô hình hóa khối rắn đợcthiết kế để tạo ra mô hình có sự tích hợp của thông tin về các yếu tố hình học

và sự liên quan của các yếu tố hình học, sự đóng kín của các vùng thuộc vậtthể v.v Do đó mô hình khối rắn về nguyên lý sẽ phù hợp với tất cả các phơngpháp hậu xử lý Giống nh mô hình bề mặt, mô hình khối rắn có các bề mặtcong hoặc các đa giác phẳng Bên cạnh việc biểu diễn biên dạng của một đốitợng, mô hình khối rắn có thể kết hợp cả các thông tin về thuộc tính bên trong

nh mật độ hoặc các tính chất về vật liệu khác Hơn nữa các chi tiết trên một bềmặt của một mô hình có thể đợc nhóm với nhau để tạo ra các đặc điểm nhất

định Thông tin này có thể có ích khi dùng phần mềm thiết kế quy trình chếtạo để xử lý mô hình

Phơng pháp biểu diễn bề mặt bằng tam giác có thể đợc tạo ra dễ dàng từbất cứ dạng mô hình khối rắn nào bằng cách xấp xỉ các vùng bề mặt của đối t-ợng bằng các tam giác Quá trình tam giác hóa bề mặt tơng tự cũng thờng đợcdùng trong lới hóa bề mặt trong phân tích phần tử hữu hạn Trong quá trìnhnày, khoảng cách lớn nhất giữa

biên dạng thực của vật thể và tam

đợc hạn chế trong một khoảng

lệch tuyệt đối lớn nhất của mọi

bề mặt thật

lới đa giác, khả năng suy biến

tăng mạnh khi số cạnh của đa giác tăng lên Khi đó, việc điều khiển độ chínhxác của mô hình lới trở lên khó khăn hơn Một vấn đề nữa là việc đảm bảotính phẳng của đa giác sẽ khó hơn, trong khi với trờng hợp tam giác vấn đềunày không tồn tại Do đó thuật toán tam giác hóa mô hình nhanh, hiệu quả và

ổn định hơn

c Dữ liệu dạng điểm

Dạng dữ liệu này có thể đợc sử dụng khi cần phải tạo ra mô hình giống

nh chi tiết đã có Chi tiết này đợc tái tạo bằng máy CMM hoặc máy quét laze.Tọa độ của các điểm nhất định trên bề mặt chi tiết đợc xác định và đợc tậphợp thành đám mây điểm Thông qua quá trình tái tạo mô hình bề mặt của chitiết đợc tạo ra và chuyển sang máy RP để tạo hình

Dữ liệu dạng hình ảnh nhận đợc từ máy chụp cắt lớp, máy chụp cộnghởng từ đợc dùng rộng rãi trong y tế, trong địa chất hoặc trong địa lý Các dữliệu dạng hình ảnh có thể mô tả các chi tiết bên ngoài và bên trong đối tợng,

do đó có thể mang các thông tin bên trong nh mật độ tại một vùng nào đótrong vật thể Dữ liệu dạng này cần đợc xử lý bằng phần mềm chuyên dùng,

để chuyển sang mô hình bề mặt hoặc khối rắn Nếu khoảng cách giữa hai hình

ảnh đủ gần, dữ liệu này có thể dùng để tạo ra dữ liệu lớp cho một số hệ thống

RP dùng trực tiếp

f Dữ liệu lớp cắt

Một vật thể có thể biểu diễn bằng một chuỗi các lớp hoặc mặt cắt Dữliệu lớp cắt khác dữ liệu hình ảnh ở chỗ nó đợc tạo bởi một hay nhiều đờngbiên (đa giác hoặc đờng cong) trong khi dữ liệu hình ảnh tạo bởi tập hợp điểm

ảnh Nếu dữ liệu lớp cắt phù hợp về độ dày, hớng tạo hình… thì các bớc địnhhớng gia công và cắt lát vật thể không cần phải thực hiện Nếu không, dữ liệunày cần chuyển thành dạng mô hình bề mặt hoặc khối rắn để tiến hành định h-ớng và cắt lát trớc khi chế tạo bằng công nghệ RP Dới đây là một định dạngdữ liệu lớp cắt thông dụng

Định dạng này mô tả đờng biên và độ dày của lớp cắt và có những đặc

điểm sau:

- Định dạng file SCP là định dạng file dạng văn bản ASCII

- Các ghi chú có thể đợc đa vào trong định dạng với ký hiệu "#" ở đầu vàcuối dòng

- Đơn vị là mm hoặc inch

Ví dụ về định dạng SCP, trong đó các chữ in hoa giữ nguyên trong file và cácchữ nghiêng đợc thay bằng giá trị tơng ứng

FILE(tên file) # tên file có thể bao gồm đờng dẫn đầy đủ

Z z dz # z = giá trị tuyệt đối z của lớp, dz = chiều dày lớp

x y # Các giá trị này biểu diễn tọa độ của các điểm góc

x y # dọc theo các đờng biên Điểm đầu tiên của đờng biên không

đợc

x y # liệt kê 2 lần Không có giới hạn về số lợng điểm trong một ờng biên

đ- đ- đ- đ- đ- đ- đ- đ- đ- đ-

x y #

C # Một đờng biên đợc ký hiệu kết thúc bằng ký tự "C"

x y # Đờng biên thứ 2 trong một lát cắt đợc bắt đầu

x y # bằng tọa độ đầu tiên của đờng biên thứ 2

END # All following lines are ignored

Dới đây là trích đoạn một file biểu diễn thông tin lớp cắt của một khối hộp lậpphơng

1.4 xác định hớng nghiên cứu của đề tài

Mặc dù là một công nghệ mới hình thành từ cuối thập niên tám mơi củathế kỷ trớc, hiện nay công nghệ tạo mãu nhanh đã đợc phát triển và ứng dụngtrên thế giới với trên 30 phơng pháp, trong đó có các phơng pháp điển hình

nh SLA, SLS, FDM, LOM, 3D-Printing,… Các phơng pháp này đều đợc thựchiện theo nguyên lý chung là nguyên lý tạo hình theo kiểu xếp lớp và đềuchấp nhận định dạng dữ liệu vào tiêu chuẩn là file STL Tuy nhiên mỗi phơngpháp lại có quá trình công nghệ riêng, vật liệu riêng, đặc tính kỹ thuật riêng

đặc thù

Do vậy, ngày nay công nghệ tạo mẫu nhanh không chỉ đợc ứng dụngtrong thiết kế, trong chế tạo các mô hình chức năng, tiếp thị mà còn đợcnghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong sản xuất chế tạo, đặc biệt là trong côngnghệ tạo khuôn nhanh Việc ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh để chế tạocác khuôn mẫu là một hớng nghiên cứu ứng dụng mới có nhiều tiềm năng,cho phép chế tạo các khuôn mẫu với chi phí thời gian là ít nhất và giảm giáthành chế tạo

Tuy vậy, công nghệ tạo mẫu nhanh có một hạn chế là độ chính xác củasản phẩm cha cao Nguyên nhân có thể tổng hợp thành 6 nguồn sai số trong cảquá trình, từ khi xây dựng mô hình CAD của mẫu cho đến khi có đợc mẫu chếtạo hoàn thiện Nghiên cứu nguyên nhân hình thành các nguồn sai số này là cơ

sở để xây dựng mô hình toán học xác định sai số của mẫu chế tạo Từ đó đề racác giải pháp hạn chế, kiểm soát sai số đảm bảo mẫu chế tạo đạt yêu cầu theochỉ tiêu kỹ thuật định trớc

Nhìn chung các nghiên cứu trong và ngoài nớc về công nghệ tạo mẫunhanh tập trung ở một số hớng cơ bản nh nghiên cứu về dữ liệu, vật liệu, quá

trình công nghệ hay ứng dụng Các nghiên cứu này cha đợc công bố rộng rãi.Các sách tham khảo, tài liệu hay giáo trình còn rất ít Chủ yếu là các luận văntiến sĩ, thạc sĩ, các bài báo hay báo cáo công bố rộng rãi Các sách tham khảo,tài liệu hay giáo trình còn rất ít Chủ yếu là các luận văn tiến sĩ, thạc sĩ, cácbài báo hay báo cáo công bố trên các tạp chí chuyên ngành Nghiên cứu trongnớc còn rất hạn chế.

Qua nghiên cứu tổng hợp các nội dung cơ bản trên, cũng nh xuất phát từyêu cầu thực tế có thể thấy rằng hiện nay vẫn còn tồn tại một số vấn đề cầnnghiên cứu tiếp tục hoàn thiện nh:

- Xây dựng phơng án tạo dữ liệu đầu vào bằng CMM cho các thiết bị RP

- Nghiên cứu chất lợng bề mặt của các mẫu chế tạo bằng công nghệ RP

- Nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết quá trình tạo khuôn nhanh

- Nghiên cứu nhằm nâng cao độ chính xác chế tạo bằng công nghệ RP

- Nghiên cứu nâng cao năng suất quá trình chế tạo bằng công nghệ RP Các vấn đề trên cần đợc nghiên cứu giải quyết đồng thời cả về phơngdiện lý thuyết và thực nghiệm kiểm chứng, đặc biệt là ở Việt Nam, trong bốicảnh việc khai thác sử dụng các thiết bị RP còn khá hạn chế

chơng 2 cơ sở lý thuyết về sai số trong phơng pháp tạo mẫu nhanh

2.1 Các nguyên nhân gây sai số trong quá trình tạo mẫu nhanh.

Độ chính xác là một trong những hạn chế của các công nghệ tạo mẫunhanh Độ chính xác kích thớc và độ bóng bề mặt của chi tiết chế tạo theo cáccông nghệ tạo mẫu nhanh cha thể so sánh đợc với độ chính xác gia công chitiết theo phơng pháp cắt gọt Do đặc điểm của phơng pháp đắp lớp, trên bềmặt các chi tiết đợc tạo ra theo công nghệ tạo mẫu nhanh có các vết dạng bậcthang ảnh hởng đến độ bóng bề mặt của sản phẩm.Các chi tiết đợc chế tạo từvật liệu bột có độ bóng bề mặt thấp Độ bóng bề mặt có thể đạt đợc bằng cách

sử dụng các phơng pháp đánh bóng khác nhau, song điều đó lại đòi hỏi chi phíthời gian lớn Độ bóng bề mặt cuả các chi tiết gia công theo công nghệ tạomẫu nhanh (2.5 - 15 m) thấp hơn khoảng ba đến 5 lần so với các chi tiết giacông theo phơng pháp cắt gọt (0.5 - 5m) còn độ chính xác thấp hơn khoảng 5

đến 10 lần ( 0.125 - 0.75mm so với 0.0125 - 0.125mm)

Để nâng cao độ chính xác của quá trình tạo mẫu nhanh, ta cần nghiêncứu đến các nguyên nhân sinh ra sai số trong công nghệ tạo mẫu nhanh nh:

2.1.1 Sai số sinh ra trong quá trình thiết kế hoặc lấy mẫu:

Trong quá trình thiết kế mẫu có ứng dụng công nghệ ngợc (ReverseEngineering), việc lấy mẫu từ một chi tiết có sẵn và dựng lại mẫu trên phầnmềm CAD cũng là một trong những yếu tố gây nên sai số hình học Đặc điểmcủa công nghệ này là sử dụng các dữ liệu điểm đo trên máy đo hoặc dữ liệuquét trên máy quét hoặc các dữ liệu 2 chiều chụp trên máy chụp cắt lớp CT

Do vậy sai số trong công đoạn lấy dữ liệu trên các thiết bị đo nói trên sẽ ảnhhởng đến kích thớc hình học của vật mẫu ngay khi còn trong quá trình thiết kếdới dạng các dữ liệu số của file CAD Vì vậy khi tạo nên mẫu thật trên thiết bịtạo mẫu nhanh thì sai số hình học là không tránh khỏi Để khắc phục, ngờithiết kế phải sửa trực tiếp mô hình CAD để có đợc một mẫu gần giống vớimẫu thật.Kết quả sẽ tạo đợc mẫu với sai số trong phạm vi cho phép

Phơng pháp sửa mẫu trong tệp thiết kế CAD là sửa các đờng đặc tính tạonên mẫu Các đờng cong cơ sở của mẫu đợc dựng trên cơ sở các điểm dữ liệu đã

đợc lọc Các đờng đặc tính đợc dựng lại dựa trên cơ sở các đờng cong cơ sở nhng

đã đợc làm tròn trên mặt cắt theo nguyên tắc đờng Spline hoặc đờng NURBS, dovậy chính phơng pháp tạo đờng này sẽ làm cho đờng dặc tính không thể trùngkhớp với các đờng cong cơ sở gây ra sai số hình học

Hơn nữa khi dựng các mặt cong từ các đờng đặc tính, các bề mặt đợc làmtrơn một lần nữa, tức là thay đổi các tham số kiểm soát nh tiếp tuyến tiếp xúctại các đờng đặc tính hoặc một số điểm kiểm soát (Control Points).Đây cũng

là nguyên nhân gây ra sai số hình học bề mặt 3 chiều của mẫu 3D

2.1.2 Sai số sinh ra khi chuyển sang định dạng STL.

Cho đến nay, hầu hết các hệ thống tạo mẫu nhanh đều sử dụng dữ liệu choquá trình tạo mẫu là dữ liệu hình học theo định dạng chuẩn STL Bản chất STL

là dữ liệu xấp xỉ mô hình mặt cong bằng đa diện lới tam giác Sai số phủ lớicủa bề mặt phụ thuộc vào số tam giác

Định dạng STL là kiểu định dạng ghép vô số các mặt phẳng tam giác mộtcách liên tục, giống nh cấu tạo bề mặt của "tinh thể kim cơng" Trong trờnghợp vật mẫu có bề cong thì kiểu định dạng này sẽ khiến cho bề mặt vật mẫukhông thể đạt đợc đến mặt cong hoàn hảo vì các tệp STL dùng các thành phầndạng 2 chiều tạo nên độ nhám bề mặt nên không đạt đợc độ nhẵn bề mặt cao

nh các phơng pháp gia công chính xác khác, hay nói cách khác là điều đó ảnhhởng đến độ chính xác hình học của vật mẫu trong tạo mẫu nhanh Khoảngcách giữa mặt cong của mô hình và mặt tam giác chắn mặt cong đó (ký hiệu làf) là một thông số cho phép xác định sai số khi chuyển đổi (Hình 2-1) Khithông số f càng nhỏ, số lợng tam giác càng lớn, sai số giữa tệp định dạng STLvới bề mặt mẫu càng nhỏ Vì vậy có thể khắc phục dạng sai số này bằng cáchtăng số lợng các mặt phẳng tam giác lên, tức là giảm giá trị f để đạt đợc mộtmặt cong gần đến mặt cong hoàn hảo, nhng điều này sẽ tạo nên một tệp lớnhơn.Với một tệp quá lớn sẽ làm tăng thời gian và phức tạp hoá quá trình tạomẫu Do vậy ngời thiết kế cần phải cân đối giữa độ chính xác mẫu và khảnăng quản lý tệp để tạo ra một tệp STL phù hợp

Học viên: Nguyễn Thanh Tú Lớp CH K10 36

Bề mặt mô hình STL

f

Độ phân giải của file.STL có thể đợc điều khiển trong suốt quá trình tạo ra

nó trong hệ thống CAD-3D thông qua các thông số phủ lới Ví dụ trong phầnmềm Proengineer quá trình tạo ra STL có thể đợc điều khiển bởi thông sốchiều cao cung và góc điều khiển 

 Chiều cao cung (Hình 2-2): Đây là thông số đợc xác định bằng khoảng cáchlớn nhất giữa cung và bề mặt Sự lệch hớng của bề mặt thực càng nhỏ thì chiều caocung càng nhỏ Giới hạn dới của chiều dài cung phụ thuộc vào độ chính xác của môhình CAD, giới hạn trên thì phụ thuộc vào kích thớc của mô hình

 Góc điều khiển (Hình 2-3) Thông số kỹ thuật này là cần thiết, nó xác

định mức độ cong của bề mặt với bán kính nhỏ Đặc biệt nó đợc định nghĩa lànhững đơn vị đờng cong bán kính ro mà nó ở dới đờng cong cần phủ lới:

r < ro =

10

tiết chi

th ớc Kích

r - chiều cao cung (2.2)

Trong đó, kích thớc chi tiết đợc định nghĩa là đờng chéo của hình hộp ởng tợng bao quanh mẫu và  là giá trị góc điều khiển Giá trị  = 0 có nghĩa

t-là không có sự cải thiện cho những đờng cong với bán kính nhỏ

Để đạt đợc độ chính xác tạo mẫu cao hơn, cần xem xét các sai số trongquá trình chia lới tam giác Thí dụ, đối với mẫu có kích thớc lớn, khi đó cácbán kính nhỏ sẽ phủ lới kém Giả sử mô hình với kích thớc bao là 250  250

 250 mm có một góc bán kính 1 mm, kết quả chia lới tam giác với giá trịchiều cao cung bằng 0,5 và 0,05mm (Hình 2-4) Tuy nhiên, việc tăng thông sốchiều cao cung không chỉ làm cho bề mặt mịn hơn mà còn làm cho file dữ liệu

Bề mặt chi tiết

Bề mặt sấp xỉ

Chiều cao dây cung

Hình 2-2 Chiều cao cung

lớn hơn Do đó cần chọn giá trị này một cách hợp lý cho chiều cao cung để đạt

đợc sự tối u giữa độ chính xác chia lới và dung lợng dữ liệu

2.1.3 Sai số do đặc tính không đẳng hớng

Độ không đẳng hớng xuất hiện do sự biến đổi theo toạ độ từ điểm này

đến điểm khác trong công nghệ tạo mẫu nhanh Đặc tính này tạo nên sai sốkhác nhau theo các trục X, Y, Z Để khắc phục hiện tợng này trong mỗi côngnghệ tạo mẫu nhanh ngời ta xác định mức độ không đẳng hớng và đa ra các hệ

số bù để mẫu sau khi chế tạo có kích thớc nh yêu cầu

Tạo nên sự đẳng hớng rất quan trọng vì một số lý do sau đây: thứ nhất:Các đặc tính của tạo mẫu nhanh thay đổi theo toạ độ điểm này đến điểm khác,thí dụ thờng độ chính xác theo trục Z không đạt đợc nh trên trục X và Y.Hơnnữa việc xác định độ đẳng hớng theo nhiều trục dẫn đến việc tăng thời giantạo mẫu Do vậy, đặt mẫu với kích thớc nhỏ nhất theo phơng Zsẽ giảm đợcthời gian tạo mẫu Phần mềm cắt các tệp STL cắt mẫu thành các lớp có chiềudầy từ 0,01 mm đến 0,7 mm,tuỳ thuộc vào công nghệ áp dụng.Phần mềmcũng có thể tạo ra các cấu trúc phụ trợ để đỡ mẫu khi chế tạo

2.1.4 Sai số sinh ra do nguyên lý cắt lát.

Cắt lát (Slicing) bằng máy tính là một quá trình thiết yếu của kỹ thuật tạomẫu nhanh Đầu vào của quá trình cắt lát thờng là một mô hình khối cắt có

định dạng STL Đầu ra của quá trình là một mô hình các dải xếp chồng lênnhau, xấp xỉ với mô hình gốc (Hình 2-5):

Hình 2-4 Phủ l ới tam giác a) h

Mô hình các dải xếp chồng R’(R’ ~ R)

Hình 2-5: Đầu vào (Input) & Đầu ra (Output) của quá trình cắt lát.

Đây là sai số do bản chất công nghệ gây nên Nguyên lý chung của tất cảcác quá trình công nghệ tạo mẫu nhanh là tạo nên các lớp mỏng dạng 2D chồnglên nhau liên tục để tạo thành mẫu đợc gọi là nguyên lý tạo lớp Chính nguyên lýtạo lớp gây nên "hiện tợng bậc thang" là nguyên nhân gây nên sai số hình họccho mọi công nghệ tạo mẫu nhanh Hình 2-6 là một minh họa cụ thể về hiệu ứngtạo bậc theo nguyên lý tạo lớp của công nghệ tạo mẫu nhanh Các lớp tạo nên vậtmẫu là các lớp vật liệu dạng 2D do vậy tạo nên hiện tợng "bậc thang" trên bề mặtcủa vật mẫu Vì vậy bề mặt vật mẫu không đạt đợc độ nhẵn, đồng thời gây nênsai số về kích thớc hình học Chỉ có thể khắc phục hiện tợng này bằng cách tạonên các lớp có chiều dày nhỏ nhất có thể Nhng điều đó phụ thuộc vào yếu tố rấtnhiều nh phần mềm cắt lớp , đặc tính vật liệu, đặc tính thiết bị,… Hơn nữa, nếugiảm chiều dày lớp sẽ làm tăng số lợng lớp, tức là tăng thời gian chế tạo trên thiết

bị RP

Thông thờng, mô hình vật thể đợc cắt thành các lát cắt cách đều nhau mộtkhoảng gọi là bớc cắt lát Hình 2-7 mô tả sơ đồ cắt lát một khối cầu Các mặtphẳng cắt giao với khối cầu tạo ra các đờng giao tuyến Thông thờng các giaotuyến đợc kéo lên (extrude) các vùng mặt cắt có giao tuyến Thông thờng cácgiao tuyến đợc kéo lên phía trên tạo ra các dải Vì lát cắt sát đáy đợc kéo lênnên phần đáy không đợc chê tạo Hiện nay, có 3 cách xấp xỉ mô hình gốc Rthành mô hình các dải xếp chồng R':

Mô hình CAD 3D Mô hình RP

Hình 2-6: Hiện t ợng bậc thang

Hình 2-7: cắt lát khối cầu

Cách 1: R và R' giao nhau Trong trờng hợp này vật liệu thừa cần đợc lấy

đi và bổ sung vật liệu vào phần thiếu của mẫu tạo ra, ở đây rất khó xác địnhphần nào cần lấy đi và phần nào cần bổ sung để tạo ra chính xác mô hình gốc(hình 2-8a)

Cách 2: R' bao R (R R') Trong trờng hợp này vật liệu thừa cần đợc lấy

đi từ vật mẫu tạo ra để có đợc hình dạng và kích thớc chính xác đúng nh môhình gốc khởi thuỷ (hình 2-8c)

Hình 2-8: Các cách xấp xỉ mô hình

Với các phơng pháp cắt lát này, máy tính sẽ thực hiện quá trình cắtlát tạo ra các dữ liệu lát cắt 2D Các dữ liệu này sẽ đ ợc cung cấp cho bộtạo đờng dẫn (tool path) tạo ra các file NC điều khiển quá trình RP Quátrình này sẽ thực hiện gia công tạo hình theo kiểu xếp lớp Các lớp vớichiều dày nh nhau và bằng bớc cắt lát đợc tạo ra kế tiếp nhau, xếp chồnglên nhau và gắn kết với nhau với nguyên lý tạo hình nh vậy bề mặt tạo ra

sẽ có hiện tợng bậc thang ở những vùng có độ cong và những vùng bề mặtnghiêng Sai số bậc thang này phụ thuộc vào chiều dày lớp Chiều dày lớphay bớc cắt lát càng lớn thì sai số này càng lớn Để giảm sai số do hiệuứng bậc thang cần thực hiện cắt lát với bớc cắt lát càng nhỏ càng tốt Tuynhiên khi đó chi phí về về thời gian cắt lát, dung l ợng bộ nhớ, thời gianchế tạo sẽ tăng đáng kể Để khắc phục hạn chế này một số nhà nghiên cứu

đã đa ra một số phơng pháp cắt lát thích nghi nh sau:

- Phơng pháp cắt lát thích nghi cục bộ Tr ớc tiên định nghĩa các vùngriêng với những đặc trng hình học riêng Sau đó cắt lát từng phần độc lậpvới bớc cắt lát khác nhau phù hợp với yêu cầu của từng vùng.

Phơng pháp cắt lát thích nghi trực tiếp trên mô hình CAD Các đ ờng cong kín phẳng nhận đợc khi cho một mặt phẳng ngang giao với môhình CAD trong quá trình cắt lát Các đờng biên này có thể tạo ra bằngmột mô hình CAD 3D, bằng kỹ thuật tái tạo ngợc, bằng máy đo toạ độhay bằng computer tomography (chụp cắt lát CT) Cắt lớp trực tiếp có u

-điểm trong xử lý các mô hình có trục đối xứng có dạng cầu Ph ơng phápnày giảm kích thớc file, độ chính xác của mô hình lớn hơn nhiều, giảmthời gian dành cho hậu xử lý và loại bỏ việc phải xử dụng thêm phần mềmsửa chữa Tuy nhiên phơng pháp này có nhợc điểm sau: khó áp dụng ch-

ơng trình bổ sung các cấu trúc đỡ, khó định hớng vật thể vì mô hình CAD

đợc xây dựng ở dạng các bề mặt

Hình 2-9: Cắt lát với vùng ngoài có bớc cắt lát nhỏ và vùng trong có bớc

cắt lát lớn.

biên trên các slab đỉnh và đáy đợc đồng dạng hoá hớng vào trong (Hình 2-9)trên bề mặt ngang để tạo ra một tập hợp các đờng biên mới tách các vùng bêntrong và bên ngoài của slab Hai tập hợp các vùng đợc tạo hình theo chu trìnhsau: Đầu tiên các vùng bên ngoài đợc tạo hình với các lớp mỏng và sau đó cácvùng bên trong đợc điền đầy bằng các lớp dày hơn để hoàn thành quá trìnhchế tạo chi tiết

Các phơng pháp cắt lát thích nghi mới chỉ đợc nghiên cứu gần đây, các kếtquả đa ra mới chỉ là bớc đầu Hầu hết các thiết bị tạo mẫu nhanh thơng mại

Lớp ngoài mỏng để đảm bảo độ chính xác bề mặt

Lớp trong dày để đảm bảo tốc độ chế tạo

hiện nay vẫn sử dụng nguyên lý cắt lát truyền thống Do vậy ngoài việc nghiêncứu sâu hơn, phát triển thuật toán cắt lát thích nghi, áp dụng nguyên lý cắt látthích nghi cho các thiết bị RP cụ thể, thì vấn đề đặt ra với ngời sử dụng thiết bị

RP là chấp nhận nguyên lý cắt lát truyền thống và tìm ra các giải pháp côngnghệ thích hợp để kiểm soát đợc sai số do hiệu ứng bậc thang gây ra

Các phơng pháp tạo mẫu nhanh đều gặp vấn đề biên dạng bậc thang do quátrình tạo hình theo lớp Kết quả là biên dạng mô hình CAD theo phơng Z đợc xấp

xỉ bằng đờng bậc thang Sơ đồ sai số trong quá trình chia lớp nh hình 2-10

Trong đó:  - chiều cao điểm lùi r - bán kính,

a- chiều dày lớp  - góc đối của cungSai số do thay cung tròn bằng đờng bậc thang đợc tính nh sau:

đờng cong khác, chiều cao lớn nhất tại những điểm tiếp tuyến có phơng gần

nh nằm ngang

Hình 2-10 Sai số do xấp xỉ cung tròn bằng đ ờng bậc thang





Đờng bậc thang có ảnh hởng lớn tới biên dạng có độ nghiêng nhỏ và ảnhhởng chính đến sự nhấp nhô bề mặt Có thể giảm bớt sự nhấp nhô này bằngcách giảm bề dày lớp Tuy nhiên, không thể giảm bề dày tới giá trị quá nhỏ

mà phải chọn giá trị thích hợp để đáp ứng năng suất tạo mẫu yêu cầu Có thểkhắc phục vấn đề này bằng cách sử dụng những lớp thích nghi, có bề dày khácnhau theo độ nghiêng của biên dạng mẫu nh hình 2-11

Việc chia lớp làm xuất hiện hai loại sai số khác nhau

 Sai số do vị trí chia lớp theo chiều cao không phù hợp với biên dạngcong của chi tiết;

 Sai số do sự thay thế hình nhiều cạnh bằng đờng bậc thang

Các đờng gấp khúc đợc tạo ra tại vị trí lớp, không đi qua các điểm đáycũng nh đỉnh đờng tròn, vì vậy có thể tính sai số không phù hợp nh sau: