Các nội dung nghiện cứu của đ tài th c hiện: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan Chương 2: Nghiên cứu các yếu t ảnh hưởng đến quá tr nh tạo mẫu Chương 3: Cơ sở lý thuyết, ứng d ng phân t ch m
iới thiệu tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh
Từ khi ra đời cho đến nay, có khá nhi u khái niệm v tạo mẫu nhanh Một s nhà khoa học đƣa ra khái niệm: tạo mẫu nhanh là quá tr nh tạo mẫu vật lý từ những thiết kế ba chi u trên máy t nh Quá tr nh thiết kế này đƣợc gọi là quá tr nh thiết kế thuận [1]
Hiện nay trên thế giới có nhi u hệ th ng tạo mẫu nhanh đ được thương mại hoá toàn cầu, mà đi n h nh là một s c ng nghệ phổ biến nhƣ:
Thiết bị tạo mẫu lập th SLA (Stereo Lithography Apparatus) của 3D Systems
Thiết bị tạo lớp mỏng LOM (Laminate Object Manufacturing ) của
Thiết bị phun nhi u lớp FDM (Fused Deposition Modeling) của
Thiết bị thiêu kết b ng laser SLS (Selective Laser Sintering) của DTM.
ình hình nghiên cứu ngo i n ớc
S tăng trưởng của phương pháp tạo mẫu nhanh được th hiện qua đồ thị (h nh 1.2) Từ giữa năm 2003 s hệ th ng tạo mẫu nhanh đƣợc tiêu th tăng rất nhanh, th hiện s th ch ứng của phương pháp này với các ngành c ng nghiệp trên thế giới
Các c ng nghệ tạo mẫu nhanh khác nhau, với các t nh chất đ c trƣng đ và đang đƣợc ứng d ng, ph c v hiệu quả cho hầu hết các ngành c ng nghiệp, hiệu quả nhất là lĩnh v c thiết kế t (31,7%), tạo dáng c ng nghiệp, tạo mẫu th nghiệm (17%)
Có th hi u tạo mẫu nhanh là quá tr nh tạo mẫu sản ph m gi p cho nhà sản xuất quan sát nhanh chóng sản ph m cu i cùng Quá tr nh này nhờ các thiết bị tạo mẫu nhanh như những máy in ba chi u cho phép người thiết kế chuy n những dữ liệu CAD file định dạng 3D thành những mẫu th c trong thời gian nhanh hơn phương pháp truy n th ng Tùy thuộc vào k ch thước và độ phức tạp của mẫu mà thời gian đ tạo ra một mẫu mới mất khoảng từ 3 – 72 giờ ho c có th t hơn Nhƣ vậy so với việc tạo mẫu b ng phương pháp truy n th ng thường mất từ nhi u tuần đến nhi u tháng th việc tạo mẫu b ng thiết bị tạo mẫu nhanh hơn nhi u Do mất t thời gian nên tạo mẫu nhanh gi p cho nhà sản xuất nhanh chóng đƣa sản ph m ra thị trường và giảm chi ph sản xuất Đó c ng là ưu đi m nổi bật của quá tr nh tạo mẫu nhanh mà các nhà nghiên cứu thiết kế phát tri n sản ph m mong mu n có đƣợc nh m r t ngắn thời gian hiệu chỉnh thiết kế
S phát tri n của tạo mẫu nhanh có quan hệ mật thiết với s phát tri n ứng d ng của máy t nh trong c ng nghiệp Việc giảm giá thành của các loại máy t nh, đ c biệt là máy t nh cá nhân và máy t nh mini đ làm thay đổi phương thức làm việc ở các phân xưởng của các nhà máy Việc gia tăng sử d ng máy t nh đ th c đ y s tiến bộ trong nhi u lĩnh v c liên quan đến máy t nh bao gồm thiết kế (CAD–
Computer Aided Design), chế tạo (CAM–Computer Aided Manufacturing), gia c ng đi u khi n s nhờ máy t nh (CNC – Computer Numerical Control) C th , s nổi lên của hệ th ng tạo mẫu nhanh kh ng th thiếu s hiện diện của CAD Ngoài ra, nhi u c ng nghệ khác nhƣ các hệ th ng chế tạo và vật liệu c ng mang nhi u t nh quyết định đến s phát tri n của hệ th ng tạo mẫu nhanh
Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh đ đáp ứng đƣợc yêu cầu của giới kinh doanh: giảm thời gian sản xuất, tăng khả năng tạo mẫu có độ phức tạp cao, giảm chi ph Ở thời đi m này người tiêu dùng yêu cầu các sản ph m cả v chất lƣợng lẫn mẫu m , nên mức độ phức tạp của chi tiết c ng tăng lên, gấp ba lần mức độ phức tạp mà các chi tiết đ đƣợc làm vào những năm của thập niên 70 Nhƣng nhờ vào c ng nghệ tạo mẫu nhanh nên thời gian trung b nh đ tạo thành một chi tiết chỉ còn lại 3 tuần so với 16 tuần ở ở các phương pháp tạo mẫu khác
Lịch sử của c ng nghệ tạo mẫu nhanh đƣợc đánh dấu b ng sáng chế của Hull vào năm 1984 v Thiết bị tạo h nh lập th (StereoLithography Aparatus – SLA), được c ng nhận vào năm 1986 và thương mại hóa bởi c ng ty 3D System vào năm 1988 Sau khi được thương mại hóa vào năm 1988, 34 hệ th ng đ được cung cấp vào năm 1988 và theo báo cáo tổng kết của Hiệp hội Tạo mẫu nhanh thế giới do Wohler làm chủ tịch, t nh đến năm 2001, đ có khoảng 8000 hệ th ng tạo mẫu nhanh được trang bị cho 53 nước trên thế giới Từ một phương pháp tạo h nh lập th SLA, chỉ sau gần hai ch c năm, đ có khoảng 30 phương pháp tạo mẫu nhanh khác nhau
Tạo mẫu nhanh là một c ng c hỗ trợ thiết kế, c ng nhƣ là cánh tay đắc l c trong c ng nghệ thiết kế ngƣợc Tạo mẫu nhanh gồm nhi u c ng nghệ và mỗi c ng nghệ đại diện cho một hay các cách thức sản xuất, thiết kế sản ph m khác nhau Đ có th hi u rõ nguyên tắc hoạt động của các loại thiết bị này ch ng ta có th tham khảo bảng 1.1 tổng hợp và th c hiện so sánh các c ng nghệ tạo mẫu nhanh th ng d ng
Công nghệ Nguyên lý Vật liệu ơ đồ nguyên lý
Sử d ng tia laser làm đ ng đ c polymer nhạy quang
Sử d ng tia laser đ thiêu kết vật liệu B t m o , t t o,
Laminated Object Manufactur ing (LOM)
D ng c cắt các tấm cứng theo biên dạng , sau đó dán từng lớp với nhau
Vật liệu đƣợc đùn qua đầu đùn gia nhiệt,sau đó đ ng đ c tạo h nh
Tuy nhiên, với c ng nghệ đơn giản, kết cấu kh ng phức tạp, khả năng tạo mẫu với vật liệu nh a và kim loại bột, giá thành hệ th ng máy tương đ i thấp, đồng thời khả năng tạo ra các mẫu với th t ch lớn, tạo mẫu nhanh theo c ng nghệ laser thiêu kết nhanh sẽ là một trong 10 c ng nghệ được hướng đến vào năm 2020
Trên thị trường nước ngoài hiện nay có một s dòng máy tạo mẫu nhanh được sử d ng rộng nhất là hệ th ng Sinterstation có xuất xứ từ tập đoàn DTM và hiện nay đƣợc hãng 3D Systems phát tri n với các dòng máy nhƣ Sinterstation® Pro, Sinterstation® HiQ™, là phiên bản nâng cấp của dòng máy Sinterstation®
2500plus HiQ – High Quality Sau đây là một s tham khảo v các dòng máy tạo mẫu nhanh trên thị trường thế giới: ệ thống interstation iQ của 3D ystems
Th ng s k thuật của hệ th ng:
HiQ: 30W Laser CO 2 , t c độ quét t i đa 5m/s
HiQ +HS: 50W CO 2 , t c độ quét t i đa 10m/s
- Không gian gia công: W381 x D330 x H457 mm (57L)
- Phần m m đi u khi n: Proprietary SLS system - Hệ đi u hành: Windows XP
380 VAC 12.5 kVA, 50/60 Hz, 3 pha - Nhiệt độ làm việc: 16-27 °C
Hình 1 2 Máy Sinterstation HiQ Sinterstation® Pro DM100 SLM System
Th ng s k thuật của máy
- Không gian gia công: 500 x 500 x 400 mm
- Vật liệu: bột PS, bột gang, bột thép
- Độ dày lớp: 0.08~0.3mm, độ ch nh xác chi tiết: 200mm+/-0.2mm ho c +/-0.1%
- Độ ch nh xác của tia laser: 0.02mm
- Phần m m ứng d ng đ đi u khi n hệ th ng SLS RP: Power RP 2005
Máy Sinterstation® Pro DM100 n số t u t m :
- Nguồn laser: 50/100/200W Laser CO 2 , t c độ quét t i đa 10m/s
- T c độ gia c ng: t i đa 30cm 3 / giờ
- Đường k nh tia laser: 30 - 200 micron
- Khụng gian gia cụng: ỉ125mm x 80 mm
- Hệ đi u hành: Windows XP - Tập tin nguồn: STL
- Nguồn điện: 208V, 3 pha, 50/60Hz, 16 A,12.5 kVA - K ch thước: 900 x 800 x 2500 mm
Hình 1 4 Máy Sinterstation® Pro DM100 M FDM 200 ớ ố :
-Kích thước sản ph m: (203 x 203 x 305)mm -Độ ch nh xác: 0.127mm
-K ch thước máy: (686 x 864 x1041)mm -Kh i lƣợng: (128- 160)kg
-B dày lớp đùn: (0.178-0.254) mm Đây c ng là hệ th ng máy tạo mẫu nhanh dạng FDM duy nhất ở Việt Nam đang có tại Đại học Sƣ phạm k thuật Tp Hồ ch Minh.
Nghiên cứu các c ng tr nh khoa học liên quan đến các giải pháp k thuật qua patent v máy tạo mẫu nhanh đƣợc tổng hợp nhƣ sau:
Phương pháp và thiết bị đ lưu hóa có chọn lọc lớp bột nh m tạo ra một chi tiết nhi u lớp Thiết bị bao gồm một máy t nh đi u khi n một tia laser hướng tr c tiếp vào trong bột đ tạo ra một kh i bột được lưu hóa Máy t nh được lập tr nh với biên dạng m t cắt ngang của chi tiết đ tia laser chỉ làm lưu hóa những phần bột bên trong biên dạng của m t cắt ngang Bột được tiếp t c đắp vào và được lưu hóa cho đến khi tạo thành chi tiết hoàn chỉnh Bột có th là nh a, kim loại, g m sứ ho c là những chất polymer Với nhiệm v nhƣ trên, tia laser sẽ quét liên t c đ h nh thành nên biên dạng riêng biệt cho từng m t cắt
Hình 1 6 Patent US 4,863,538 atent số 5,658,412, [4]:
Trong phương pháp tạo ra vật th ba chi u, từng lớp sẽ được h nh thành b ng cách đắp những lớp vật liệu có th bị hóa rắn bởi tác động của ánh sáng và bức xạ điện từ và hóa rắn một cách liên t c mỗi lớp tại đi m nhiệt độ tùy thuộc vào loại vật liệu
Hình 1 7 t nt số 5,658,412 atent số 6,215,093 [5]:
Phương pháp tạo ra một mẫu nh a d a vào dữ liệu CAD 3D của mẫu nh a đó, b ng cách đắp những lớp bột kim loại, nhi u lớp bột tiếp theo đƣợc đắp lên trên những lớp bột trước đó, ch ng được nung đến một nhiệt độ xác định, đi u này có nghĩa là hệ th ng laser phải th c hiện thêm chức năng nung trước khi th c hiện tiếp lớp kế Chùm tia laser đƣợc chiếu vào những lớp bột theo biên dạng m t cắt ngang của m h nh CAD theo một cách đ cho ch ng gắn li n với lớp dưới nó Năng lƣợng của nguồn tia laser đƣợc l a chọn sao cho nó có th làm nóng chảy vật liệu
Hình 1 8 t nt số 6,215,093 atent số 6,554,600, [6]:
V nguyên tắc thiết bị này c ng gi ng các loại trên Tuy nhiên, hệ th ng có thiết bị chứa này có một bên thành có th duỗi ra theo hướng thẳng đứng và những thiết bị hỗ trợ cho phép đ chi tiết di chuy n đƣợc
Hình 1 9 t nt số 6,554,600 atent số 5,430,666 [7]:
ình hình nghiên cứu trong n ớc
Do nhu cầu trong đào tạo và nghiên cứu nên trong thời gian qua đ có nhi u trường đại học và viện nghiên cứu và các doanh nghiệp đ trang bị các máy tạo mẫu nhanh nhƣ:
- Đại học Bách Khoa TPHCM có máy SLA và đ ứng d ng đ th c hiện đ tài KC05 „Nghiên cứu c ng nghệ tạo mẫu nhanh đ gia c ng các b m t phức tạp‟ do PGS.TS Đ ng Văn Ngh n làm chủ nhiệm Sau đó, đ nghiên cứu tạo mẫu sản ph m cho doanh nghiệp sản xuất c ng nghiệp, đồng thời liên kết với các bệnh viện th c hiện tạo mẫu nhanh các chi tiết y học cho 25 bệnh nhân và đ cấy ghép thành c ng
- Các công ty giầy nhƣ Nike, Adidas, Puma, Pouyen sử d ng máy 3D printers
- Đại học Bách Khoa Hà Nội có máy Polyjet tại trung tâm c ng nghệ cao
- Phòng th nghiệm trọng đi m qu c gia Đi u khi n s và K thuật hệ th ng có máy SLS và Polyjet
- Đại học Thái Nguyên đ đầu tƣ máy in 3 chi u (3D Printing)
- Viện Máy và d ng c (IMI) có máy LOM
- Đại học Sƣ Phạm K Thuật TPHCM đ đầu tƣ máy FDM tại Trung tâm c ng nghệ cao
- Từ đầu năm 2011 nhóm nghiên cứu tại phòng th nghiệm trọng đi m qu c gia Đi u khi n s và K thuật hệ th ng đ tri n khai th c hiện đ tài nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy tạo mẫu nhanh theo c ng nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing)
Ngoài ra, c ng nghệ tạo mẫu nhanh dùng laser thiêu kết (Selective Laser Sintering) là k thuật đ được phát tri n và cấp b ng sáng chế tại trường đại học Texas, Austin Với s cung cấp tài ch nh từ c ng ty BFGoodrich, tập đoàn DTM (1987) đ nghiên cứu thương mại hóa k thuật, thiết bị tạo mẫu nhanh đầu tiên của tập đoàn DTM đ được thương mại hóa vào năm 1992 Phương pháp th c hiện tạo mẫu nhanh này d a trên quá tr nh tạo h nh từng lớp những chất b ng vật liệu bột sau đó dùng laser thiêu kết lại thành từng lớp cứng, th c hiện liên t c quá tr nh tạo h nh cho các lớp sẽ h nh thành nên h nh dáng của sản ph m Độ ch nh xác của sản ph m sẽ ph thuộc một phần vào b dày các lớp đƣợc cắt ra Ngày nay, thiết bị tạo mẫu nhanh loại này đ và đang đƣợc sản xuất bởi một s các c ng ty trên thế giới và trong nước hiện nay chủ yếu nhập kh u những hệ th ng tạo mẫu nhanh dạng này
Theo nghiên cứu v lịch sử và quá tr nh phát tri n sản ph m cho thấy việc tạo mẫu là m h nh hoá ý tưởng của người thiết kế Trước đây, trước khi sản xuất hàng loạt một sản ph m nào đó, bao giờ người ta c ng tạo mẫu trước đ nghiên cứu, xem xét, phân t ch s phù hợp của mẫu so với những yêu cầu của sản ph m th c
Ngày nay, cùng với s phát tri n của loài người, các sản ph m có yêu cầu cao v độ phức tạp c ng nhƣ độ ch nh xác càng nhi u th việc tạo mẫu thử nghiệm trở thành c ng đoạn c c kỳ quan trọng trong việc phát tri n sản ph m mới a) Qui tr nh sản xuất truy n th ng b) Qui tr nh sản xuất sử d ng c ng nghệ tạo mẫu nhanh
Ngày nay, thiết bị tạo mẫu nhanh SLS đ và đang đƣợc sản xuất bởi nhi u công ty trên thế giới Tương t phương pháp SLA, phương pháp này c ng d a trên quá tr nh chế tạo từng lớp nhƣng chất polymer lỏng đƣợc thay b ng vật liệu bột nh a (hay có th phát tri n là bột hợp kim, kim loại, vật liệu g m )
Các sản ph m tạo từ các thiết bị tạo mẫu nhanh rất đa dạng có th ứng d ng trong các lĩnh v c khác nhau: ản xuất iểm tra v chỉnh sửa úc mẫu thử Làm khuôn Chế tạo mẫu bằng tay hiết kế sản phẩm suất Sản
Thiết kế nhờ máy tính (CAD)
Hệ th ng ng góp Thiết kế mẫu giày – dép Thiết kế đồ chơi điện tử
Tạo m h nh y học từ dữ liệu CT Multi Scaner
Hiện nay, t nh h nh nghiên cứu trong nước đ làm chủ c ng nghệ còn t, chủ yếu là khai thác c ng nghệ và thiết bị nhập từ nước ngoài, trong tương lai c ng nghệ tạo mẫu nhanh sẽ phát tri n mạnh nên cần có những bước th c hiện nghiên cứu ti n khả thi tạo n n tảng phát tri n tương xứng với nhu cầu v máy và thiết bị sản xuất trong nước
Do đó, việc nghiên cứu chế tạo máy tạo mẫu nhanh, trong đó có máy tạo mẫu nhanh theo c ng nghệ SLS sử d ng laser dùng đ tạo h nh sản ph m là cần thiết Đ tài xây d ng những cơ sở đ thiết kế theo mô-đun ph c v cho quá tr nh chế tạo máy tạo mẫu nhanh c ng nghệ SLS với các th ng s k thuật của máy d kiến là:
- Th t ch làm việc: 100 x 100 x 100mm - T c độ di chuy n của tr c x, y: 90 mm/ph t;
- Hệ th ng Laser: C ng suất th ch hợp dùng cho các vật liệu dạng bột;
- Vật liệu: nh a bột PS;
- Độ ch nh xác chi tiết: 100mm+/-0.5mm ho c +/-0.5%;
ục tiêu nghiên cứu của đề t i
Thị trường của sản ph m này rất rộng lớn v phạm vi áp d ng của c ng nghệ tạo mẫu nhanh rộng nhƣ trong các ngành c ng nghiệp nh a, khu n mẫu, t , xe máy, ti vi, tủ lạnh, máy t nh, điện thoại… và những doanh nghiệp có nhu cầu phát tri n sản ph m mới là rất cao Đây là một thị trường rất ti m năng nhưng các máy tạo mẫu nhanh hầu hết nhập ngoại với giá thành rất cao cho nên m c tiêu nghiên cứu của luận văn là:
- Xây d ng các m -đun chức năng ch nh có t nh tương t cao cho đa dạng các dòng máy tạo mẫu sử d ng laser thiêu kết tạo h nh sản ph m
- H nh thành đƣợc các m -đun chức năng đ ph c v cho quá tr nh phát tri n hoàn thiện sản xuất máy tạo mẫu nhanh ph c v m c tiêu thương mại hóa
Ngành công nghiệp nh a Tp.HCM là ngành có t c độ phát tri n nhanh chóng và ổn định chiếm t trọng khoảng trên 80% sản ph m của cả nước T nh h nh nghiên cứu trong nước đang dừng ở mức độ khai thác thiết bị mà chưa nghiên cứu hoàn thiện thiết kế cho nên vấn đ chế tạo thiết bị tạo mẫu nhanh khó đạt đƣợc các tiêu chu n nhƣ mong mu n Trên th c tế, đ thiết kế th rất mất nhi u c ng sức cho nên cần các nghiên cứu v phương pháp thiết kế theo m -đun sẽ r t ngắn thời gian, tiết kiệm c ng sức trong quá tr nh th c hiện chế tạo máy tạo mẫu nhanh thiêu kết laser là nội dung mang t nh cấp thiết của nghiên cứu
Ch nh v lẽ đó, m c tiêu nghiên cứu của đ tài là làm chủ việc thiết kế m -đun theo hướng ph c v chế tạo lắp ráp thiết bị tạo mẫu nhanh sử d ng laser đ th c hiện thiêu kết và các hệ th ng tạo mẫu nhanh có th lắp lẫn cho nhau r t ngắn đ th c hiện tạo h nh sản ph m Khả năng chủ động trong các c ng đoạn thiết kế, chế tạo và bảo tr máy sẽ đƣợc nâng cao từ đó cho thấy đƣợc các đóng góp của đ tài giải quyết bài toán nhập thiết bị cho nhu cầu v máy trong tương lại của nước ta
N n kinh tế nước ta nói riêng và n n kinh tế thế giới nói chung đang trong giai đoạn cạnh tranh kh c liệt trước xu hướng toàn cầu hóa Do đó xu hướng nội địa hóa các thiết bị máy móc trên thị trường là một nhu cầu cấp thiết đ tăng t nh cạnh tranh của các doanh nghiệp trong nước
Máy tạo mẫu nhanh đ xuất hiện trên thị trường nước ta và đang có một thị phần rộng lớn trên cả nước Các ứng d ng của máy rất phong ph và đa dạng, bao gồm các ngành dịch v , in m h nh, quảng cáo ho c sử d ng nhƣ một máy tạo mẫu nhanh ph c v cho c ng ty, x nghiệp Có th nói, máy tạo mẫu nhanh hiện nay là một thiết bị máy móc kh ng th thiếu trong đời s ng x hội và nhu cầu này tiếp t c tăng nhanh
Tuy nhu cầu v mảng thiết bị này rất lớn, nhƣng đ đầu tƣ chi ph cho một máy tạo mẫu nhanh hiện nay khá cao và các thiết bị máy móc hầu hết đ u nhập kh u từ nước ngoài cho nên chi ph tăng cao và việc bảo tr thay thế c ng khó khăn phải ph thuộc nhi u vào các chuyên gia nước ngoài Đ tài „„ -
‟‟ , nh m ph c v m c đ ch ph c v cho việc phát tri n và làm chủ c ng nghệ tạo mẫu nhanh sử d ng laser ở Việt Nam v thiết bị và giảm giá thành đầu tư thiết bị tương đương từ nước ngoài, gi p doanh nghiệp chủ động trong việc sản xuất từ đó có th nâng cao khả năng cạnh tranh trong nội bộ ngành.
ết cấu của luận văn Ch ơng 1: ghiên cứu tổng quan
Tổng hợp lý thuyết v tạo mẫu nhanh thiêu kết b ng laser; Phân t ch đ c t nh k thuật của mẫu máy nghiên cứu thiết kế theo m đun; Xác định yêu cầu k thuật trong bài toán thiết kế
Ch ơng 2: ghiên cứu c c yếu tố ảnh h ng đến qu trình tạo mẫu
Nghiên cứu các t nh chất của vật liệu bột nhữa PS dùng trong quá tr nh thiêu kết, nghiên cứu xác định các yếu t ảnh hưởng trong quá tr nh tạo mẫu nhanh với vật liệu bột; đánh giá nhận xét và tổng hợp các yếu t làm cơ sở nghiên ph v quá tr nh thiết kế máy
Ch ơng 3: Cơ s lý thuyết, ph n tích mô-đun
Nghiên cứu v lý thuyết thiết kế theo phân t ch m -đun và phân t ch nhóm; xây d ng quy tr nh thiết kế theo m -đun th c hiện thiết kế hệ th ng, h nh thành các m -đun cho máy tạo mẫu nhanh thiêu kết laser
Ch ơng 4: ính to n thiết kế chi tiết
T nh toán thiết kế tổng th ; T nh toán thiết kế các c m
Ch ơng 5: hực tế chế tạo một số sản phẩm
Khảo sát quá tr nh kết d nh sau thiêu kết laser; th c hiện chạy các mẫu sản ph m đánh giá khả năng c ng nghệ; nhận xét đánh giá kết quả đ định hướng phát tri n đ tài ết luận v kiến nghị
Trong chương này đ tr nh bày các nội dung liên quan v tổng quan nghiên cứu nh m ph c v cho quá tr nh thiết kế theo hướng m -đun cho máy tạo mẫu nhanh thiêu kết laser Th ng qua đó nhận thấy được các hướng phát tri n thiết kế cho máy tạo mẫu nhanh thiêu kết laser theo m -đun là phù hợp và có t nh khả thi khi tri n khai th c hiện chế tạo sẽ mang lại một hiệu quả nhất định
Trong quá tr nh tạo mẫu nhanh theo c ng nghệ thiêu kết lasr th các yếu t ảnh hưởng tới khả năng tạo mẫu có vai trò quan trọng và quyết định khả năng thành c ng của c ng nghệ Do đó, việc nghiên cứu những yếu t này là rất cần thiết, các yếu t ảnh hưởng bao gồm: tổng thời gian gia c ng tạo h nh, chất lượng b m t sau khi gia công và độ ch nh xác của sản ph m Ch nh v thế, các yếu t này cần đƣợc làm rõ ph c v cho quá tr nh thiết kế máy theo yêu cầu chức năng.
Vật liệu sử dụng trong công nghệ sử dụng laser thiêu kết
C ng nghệ tạo mẫu nhanh c ng nhƣ hệ th ng Sinterstation 2000 kh ng bị giới hạn bởi loại vật liệu Trong quá tr nh nghiên cứu th giới hạn một s loại vật liệu dùng trong quá tr nh tạo mẫu nhanh dùng cho nghiên cứu phát tri n sản ph m nhƣ: nh a dẻo nóng, composite, g m và kim loại Nội dung th c hiện nghiên cứu của đ tài giới hạn các nghiên cứu sẽ tập trung trên quá tr nh thiêu kết vật liệu bột nh a v hiện nay dạng vật liệu này được sử d ng rộng và có nguồn ổn định trong nước
Vật liệu đàn hồi nhiệt dẻo có những liên kết ngang chuy n hóa thuận nghịch theo nhiệt độ, có th đƣợc gia c ng nhƣ nh a nhiệt dẻo và ch ng c ng th hiện t nh đàn hồi nhƣ vật liệu đàn hồi truy n th ng Hầu hết các vật liệu đàn hồi nhiệt dẻo là các hệ phân tách pha, ngoại trừ một s trường hợp ngoại lệ, một pha lu n là cứng và rắn ở nhiệt độ m i trường trong khi pha còn lại có t nh đàn hồi Th ng thường các pha đƣợc liên kết hóa học bởi quá tr nh Block ho c Graft polyme hóa Pha cứng tạo nên độ b n cho vật liệu đàn hồi nhiệt dẻo và các liên kết ngang vật lý sau quá tr nh thiêu kết
Ngƣợc lại pha đàn hồi tạo nên t nh u n dẻo và t nh đàn hồi cho vật liệu đàn hồi nhiệt dẻo Khi pha cứng đƣợc nung nóng chảy ho c hòa tan trong dung m i, vật liệu có th chảy và có th th c hiện gia c ng b ng các phương pháp gia c ng th ng thường Khi làm nguội ho c bay hơi dung m i, pha cứng đóng rắn và vật liệu lấy lại độ b n và t nh đàn hồi của nó và l c này th sản ph m đ đƣợc h nh thành trong vùng chứa sản ph m
Các polyme riêng biệt sẽ cấu thành nên các pha tương ứng V vậy, mỗi pha này th hiện nhiệt độ nóng chảy riêng của tinh th là (T g ) ho c nhiệt độ nóng chảy tinh th (Tm) đ c trƣng cho vật liệu Các vùng thiêu kết vật liệu đƣợc phân chia nhƣ sau:
- Vùng 1: ở nhiệt độ rất thấp, dưới s chuy n thủy tinh của pha đàn hồi, cả hai pha đ u cứng v vậy vật liệu cứng và giòn
- Vùng 2: trên nhiệt độ T g của pha đàn hồi nên pha đàn hồi m m và vật liệu có t nh đàn hồi, gi ng như cao su lưu hóa truy n th ng
- Vùng 3: khi nhiệt độ tăng, m -đun của vật liệu tương đ i ổn định (vùng này đƣợc gọi là vùng b ng phẳng cao su) cho tới đi m mà pha cứng m m ho c nóng chảy Tại đi m này vật liệu trở thành lưu chất nhớt
Th ng qua đó, nghiên cứu cho thấy đƣợc d y nhiệt độ sử d ng th c tế của vật liệu đàn hồi nhiệt dẻo n m giữa hai nhiệt độ T g của pha đàn hồi (nhiệt sử d ng th c tế ở mức thấp) và T g ho c T m của pha cứng (nhiệt độ sử d ng th c tế ở mức cao)
Theo nhƣ các kết quả nghiên cứu th có th tham khảo một s đ c đi m và th ng s cho bột dùng thiêu kết trong bảng 2.1 [15]
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn vật liệu sử d ng là vật liệu bột nh a PS (Polystyrene), Nh a bột PS (polystiren) là một loại nh a nhiệt dẻo, tạo thành từ phản ứng trùng hợp stiren Nh a PS là loại nh a cứng trong su t, kh ng có mùi, khi cháy có ngọn lửa kh ng ổn định
Trong nghiên cứu của đ tài vấn đ th ng s hạt nh a là rất quan trọng và có th k đến nhƣ sau:
T nh chất: Nh a PS kh ng màu nên d tạo màu, h nh thức đẹp, d gia c ng b ng phương pháp ép và ép phun (gia c ng ở nhiệt độ 180 o C -200 o C) Ứng d ng: Nh a PS đƣợc sử d ng rộng rải trong cuộc s ng, dùng sản xuất các khay đ ng thức ăn, hộp d ng bánh kẹo, khay trong các t i bánh quy, làm văn phòng ph m, đồ chơi, làm chi tiết trong các ngành c ng nghiệp
TT Vật liệu Bề d y (mm) ốc độ (m/ph) ăng l ợng (W)
Nghiên cứu v vật liệu kim loại và hợp kim trở thành một trong s t c ng nghệ tạo mẫu nhanh có th trở thành c ng nghệ sản xuất mới thay thế cho quá tr nh gia c ng tạo mẫu truy n th ng trên các máy CNC Với vật liệu là kim loại và hợp kim, sản ph m sau tạo mẫu có th được lưu hoá đ tăng mật độ kết d nh bột vật liệu, tạo cho sản ph m có độ cứng cao và hoàn toàn có th sử d ng là một sản ph m th c Một s sản ph m nhƣ: máy bơm, cánh quạt… sử d ng trong c ng nghiệp, các khớp n i y tế, các d ng c cắt và gia c ng khác (EDM, dập…) có tuổi thọ ngắn và trung bình
Vật liệu phi kim có th là sáp, g m… thường dùng làm lõi cho c ng nghệ đ c c ng đƣợc gia c ng trên máy tạo mẫu nhanh [16]
C c yếu tố ảnh h ng đến qu trình thiêu kết trên bột
Những th ng s ảnh hưởng đến s th c hiện chức năng của quá tr nh tạo mẫu là tính chất của vật liệu bột, đ c t nh kết cấu sau khi thiêu kết, s ch nh xác của chùm tia laser, vận t c quét chi tiết, nguồn laser tổng hợp sẽ h nh thành nên chất lƣợng, độ ch nh xác tạo h nh
Trong thiết kế và t nh chọn nguồn laser th vấn đ cần nghiên cứu đó là cấu tạo Laser CO 2 , đây là loại nguồn phát laser sử d ng hỗn hợp kh trong đó kh chủ yếu là
CO 2 (CO 2 + He + N 2 có th thêm một t H 2 , hơi nước có ho c kh ng có Xenon là m i trường k ch hoạt laser) Nguồn cung cấp năng lượng k ch th ch các điện tử trong hỗn hợp kh ở đây là nguồn AC có tần s cao biến thiên Trong quá tr nh k ch th ch th các phân tử Nitơ trong hỗn hợp kh sẽ nhận năng lượng của điện trường dao động sang các phân tử CO 2 khi ch ng va chạm với nhau Các phân tử CO 2 khi nhận đƣợc năng lƣợng dao động t ch l y đến một mức nào đó sẽ phát ra các bức xạ năng lượng Laser CO 2 sử d ng trong nghiờn cứu cú bước súng trong khoản 10,6àm và cú th phỏt ra cỏc tia cú bước súng từ 9 ~ 11àm tựy theo yờu cầu đi u khi n
Năng lƣợng của các nguồn phát laser CO 2 dùng trong nghiên cứu từ một vài ch c
Watt đến hàng ngàn KW, hiệu suất sử d ng năng lƣợng trên 10% cao hơn so với các thiết bị laser th rắn nên trong đa phần các nghiên cứu tham khảo [17] thường dùng dạng laser này đ th c hiện việc thiêu kết cho các máy tạo mẫu nhanh
Với những ƣu đi m của thiết bị laser CO 2 nêu trên cùng với các yêu cầu k thuật v nguồn laser sử d ng cho m c tiêu thiêu kết và các chỉ tiêu v kinh tế c ng như khả năng mua được thiết bị trong nước sẽ là lợi thế của quá tr nh t nh toán thiết kế, bảng 2.2 tr nh bày tổng hợp một s th ng s k thuật của một s nguồn laser có th dùng cho các dạng máy tạo mẫu nhanh sử d ng c ng nghệ thiêu kết laser
TT Laser B ớc sóng (nm) u điểm Khuyết điểm
Chi ph thấp, tác d ng t t với hầu hết vật liệu và thường có sẵn trên thị trường Việt Nam
Bước sóng quang học dài yêu cầu loại k nh đ c biệt, đi m tập trung lớn và khó khăn hơn đ ki m soát năng lƣợng
2 Nd:YAG 1.064 Tác d ng t t với kim loại; thường có sẵn
Chi ph cao, không tác d ng t t với hầu hết nh a, chất lƣợng chùm tia thấp
Ki m soát năng lƣợng d dàng, sử d ng năng lƣợng hiệu quả
Chất lƣợng chùm tia phân kỳ
Ki m soát năng lƣợng d dàng; d dàng đ mở rộng quy mô, chất lƣợng hội t chùm tia t t
5 MIR SS/OPO 3-5 Kết hợp lợi thế của khí
CO 2 và Nd: YAG laser
Năng lƣợng đầu ra thấp, đang đƣợc phát tri n
Việc gia nhiệt trước cho bột là một c ng đoạn thưc s rất cần thiết Theo lý thuyết tạo mẫu nhanh b ng c ng nghệ laser thiêu kết, vật liệu đàn hồi nhiệt dẻo sẽ đƣợc tia laser thiêu kết làm cho ch ng đạt đến nhiệt độ mà ở đó ch ng chuy n từ th rắn sang dẻo, sau khi tia laser đi qua các mảng vật liệu sẽ hóa cứng trở lại và liên kết với nhau tạo thành các lớp mà ch ng ta mong mu n Khi lớp trước được th c hiện xong th lớp tiếp theo c ng đƣợc th c hiện, l c này bột đƣợc thiêu kết kh ng chỉ kết d nh với bột trong cùng một lớp mà còn liên kết với bột ở lớp trước đó Cứ nhƣ thế th c hiện từng lớp cho đến khi hoàn thành sản ph m [18]
Tuy nhiên, việc này chỉ có th th c hiện trong đi u kiện lý tưởng khi mà trong quá tr nh tạo mẫu kh ng xuất hiện ứng suất sinh ra do nhiệt độ Từ quá tr nh nghiên cứu và chứng minh b ng th c nghiệm cho thấy r ng việc tăng nhiệt độ đột ngột từ nhiệt độ m i trường đến nhiệt độ hóa dẻo lu n tạo ra hiện tượng ứng suất nhiệt do biên độ dao động của nhiệt là khá lớn Ứng xuất sinh ra do nhiệt độ dẫn tới những lỗi rất d dàng nhận thấy ở sản ph m tạo thành Thứ nhất là ở lớp đầu tiên ta thấy r ng mép tiếp x c của sản ph m và m t bàn nâng xuất hiện những chỗ bị vênh do việc chuy n pha vật liệu đột ngột
Thứ hai là giữa các lớp vật liệu với nhau c ng xảy ra hiện tượng tương t Đ khắc ph c hiện tƣợng này ta phải tiến hành gia nhiệt cho bột đến một nhiệt độ nhất định trước khi tạo mẫu Việc gia nhiệt cho bột như vậy có tác d ng làm cho khoảng dao động nhiệt độ từ trạng thái rắn sang trạng thái dẻo nhỏ và ngƣợc lại Từ đó, biện pháp này sẽ làm giảm ứng suất nhiệt xuất hiện trong quá tr nh tạo mẫu sản ph m Tùy theo từng loại bột khác nhau mà ta phải gia nhiệt trước cho ch ng đến nhiệt độ trung gian đó
Hơn nữa việc gia nhiệt trước cho bột như thế ngoài tác d ng làm giảm ứng suất do nhiệt gây ra th biện pháp này còn có thêm một c ng d ng khác nữa Đó là, do được gia nhiệt trước nên thời gian cần thiết đ thiêu kết vật liệu sẽ giảm một cách đáng k từ đó sẽ làm giảm tổng thời gian tạo mẫu cho sản ph m
Năng lƣợng sử d ng t nh toán nguồn nhiệt di động đƣợc tổng hợp bởi nhi u yếu t , trong đó các yếu t ph c v t nh toán chọn bao gồm: c ng suất, t c độ quét, b rộng đường quét, độ dày lớp vật liệu… M i quan hệ giữa t c độ cắt vc và công suất tổng cộng của bức xạ laser [19]: hv c b(c. T nc + L nc ) =ƞP laser (2 1) Trong đó: h – độ dày lớp vật liệu v c – t c độ quét b – độ rộng vết quét T nc – nhiệt độ nóng chảy vật liệu L nc – nhiệt lƣợng nóng chảy riêng của vật liệu Ƞ – hiệu suất quá tr nh
P laser – C ng suất laser Khi chiếu tia laser trên b m t của vật liệu đàn hồi nhiệt dẻo th dưới ảnh hưởng của nhiệt lượng được tia laser tạo ra bột ở khu v c mong mu n tạo mẫu sẽ biến dạng và tạo thành lớp cần quét Tuy nhiên, kh ng chỉ bột ở khu v c cần thiêu kết bị biến dạng mà cả bột ở khu v c xung quanh c ng chịu tác động theo, nhƣng mức độ biến dạng của ch ng sẽ t hơn là ở khu v c ch nh Mức độ ảnh hưởng này thay đổi tùy thuộc vào lƣợng nhiệt mà tia laser tạo ra và thời gian quét laser
T c độ quét càng chậm th thời gian quét càng lâu, nhiệt lƣợng do tia laser tỏa ra càng lớn, càng nhi u vật liệu xung quanh tia laser bị ảnh hưởng biến dạng làm cho sản ph m sau khi hoàn thành có chất lượng b m t kh ng t t Trong trường hợp tia laser quá chậm sẽ làm ảnh hưởng tới chất lượng của lớp đ h nh thành trước đó
Do đó, t c độ quét laser sẽ quyết định xem lượng bột chịu ảnh hưởng kh ng mong mu n đó sẽ ở mức độ nào
Nếu t c độ quét của tia laser là quá nhanh th thời gian thiêu kết đ i với vật liệu bột là chƣa đủ đ đƣa vật liệu tới nhiệt độ mà ở đó vật liệu bột đạt tới trạng thái dẻo Khi đó vật liệu bột sẽ kh ng th liên kết với nhau thành một lớp theo nhƣ mong mu n và c ng kh ng th liên kết với lớp trước đó
B dày vật liệu h là một trong các tham s của hàm v c ng suất bức xạ laser
B dày lớp vật liệu bột t lệ với c ng suất bức xạ laser khi b rộng vết quét kh ng đổi, b dày lớp vật liệu bột càng lớn th c ng suất bức xạ laser c ng tăng theo sẽ ảnh hướng tới độ ch nh xác và chất lượng b m t của m h nh được tạo ra Do đó b dày của mỗi lớp vật liệu bột càng nhỏ th m h nh càng ch nh xác và b m t của ch ng càng có độ nhám nhỏ
TT Thuộc tính Tầm quan trọng đối với qua trình thiêu kết
1 Phân b k ch thước hạt (trung b nh) Khả năng thiêu kết
2 Hình dạng hạt Kết dính hiệu quả
3 Mật độ Kết dính hiệu quả
4 Độ linh động Th ng nhất khi san phẳng lớp bột
5 Nhiệt độ nóng chảy Th hiện năng lƣợng cần thiết
Tạo đi u kiện xử lý thành phần trước khi xử lý nhiệt (debinding, thiêu kết, xâm nhập)
7 Burnout Nhiệt độ phân hủy và hàm lƣợng tro của chất kết dính 8 Nhiệt dung riêng, dẫn nhiệt Truy n nhiệt trên giường bột
9 Tỉ lệ khoảng tr ng Độ x p còn lại trong mẫu
Tuy nhiên b dày của lớp vật liệu càng mỏng th thời gian tạo mẫu càng lâu
Nhƣng nếu tăng b dày lớp bột lên th b m t sản ph m sẽ có dạng bậc thang độ ch nh xác giảm xu ng, tăng thời gian, chi ph , c ng sức cho việc hậu xử lý mẫu
1 Công nghệ thiêu kết của vật liệu
guyên lý l m việc của thiết bị
Phương pháp th c hiện thiêu kết b ng laser tạo h nh sản ph m nhờ vào việc sử d ng t nh chất của vật liệu bột là có th hóa rắn dưới tác d ng của nhiệt từ tia lser (nhƣ nylon, elastomer, kim loại c th ở đây là bột nh a PS) Một lớp mỏng của bột nguyên liệu đƣợc trải trên b m t của xy lanh c ng tác b ng một tr ng định mức Sau đó, tia laser hóa rắn phần bột n m trong đường biên của m t cắt, làm cho chúng dính ch t ở những chỗ có b m t tiếp x c Sau đó xy lanh hạ xu ng một khoảng cách b ng độ dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu đƣợc đƣa vào và quá tr nh đƣợc l p lại cho đến khi chi tiết đƣợc hoàn thành
Nguyên lý làm việc của quá tr nh tạo mẫu nhanh thiêu kết laser đƣợc th hiện trên hình 3.1 Sản ph m đƣợc chia thành các lát cắt từ file định dạng STL tạo một lớp b ng cách trải các lớp bột, thiêu kết b ng nguồn laser CO2 theo các bước sau:
B 1: Một lớp vật liệu bột nóng chảy đƣợc đ t vào buồng chứa sản ph m;
B 2: Lớp vật liệu bột đầu tiên đƣợc quét b ng tia laser CO 2 và đ ng đ c lại
Vật liệu bột kh ng đƣợc xử lý sẽ đƣợc đƣa trở v thùng chứa liệu
B 3: Khi lớp thứ nhất đ hoàn thành th lớp vật liệu bột thứ hai đƣợc cấp vào th ng qua con lăn cơ kh chu n bị cho quá tr nh quét lớp thứ hai
B 4: Bước hai và bước ba được l p lại cho đến khi sản ph m được hoàn thành
Sau khi quá tr nh kết th c, sản ph m đƣợc lấy ra khỏi buồng xử lý và có th qua giai đoạn hậu xử lý ho c đánh bóng lại nhƣ phun cát tùy từng ứng d ng của sản ph m.
guyên tắc thiết kế sản phẩm theo h ớng mô-đun
Nh n chung, các hệ th ng theo m đun có th đƣợc tri n khai b ng cách phân tích hệ th ng thành những bộ phận chức năng cơ bản, sắp xếp những bộ phận này thành những bộ phận vật lý cơ bản, sau đó kết hợp những bộ phận cơ bản thành hệ th ng theo m đun có khả năng đạt được những chức năng mong mu n Phương pháp này đ i m t với hai thách thức quan trọng:
- S phân t ch: khó khăn trong việc t m ra hệ th ng các vấn đ con th ch hợp nhất
- S kết hợp: khó khăn trong việc kết hợp các hệ th ng riêng biệt thành giải pháp chung.[10]
Phân t ch hệ th ng đem đến hai lợi ch:
- S đơn giản hóa: phân t ch hệ th ng lớn thành những hệ th ng nhỏ hơn sẽ dẫn đến giảm độ lớn của vấn đ cần giải quyết
- T c độ: giải quyết đồng thời các vấn đ nhỏ hơn sẽ giảm thời gian giải quyết một vấn đ lớn
Phân t ch sản ph m có th th c hiện ở các giai đoạn khác nhau của quá tr nh thiết kế và đƣợc xác định nhƣ quá tr nh chia nhỏ sản ph m thành các bộ phận từ đó thu được h nh th hoàn chỉnh của sản ph m Có hai phương pháp được dùng đ phân t ch sản ph m là phân t ch sản ph m theo m đun và phân t ch sản ph m theo cấu tr c a) P
Phân t ch sản ph m theo m đun là s xác định những bộ phận độc lập có th đƣợc thiết kế đồng thời ho c thay thế bởi các bộ phận có chức năng và những đ c đi m gi ng nhau Phân t ch sản ph m theo m đun nhờ vào s độc lập của các bộ phận
Một th d ứng d ng Trong những bộ phận của máy vi t nh gồm màn h nh, case, ổ đĩa cứng, mainboard, Ram Những bộ phận này đƣợc sản xuất từ những nhà cung cấp khác nhau và họ phải tuân thủ tiêu chu n thiết kế phần giao tiếp giữa các bộ phận đ có th lắp ráp thành máy t nh hoàn chỉnh (h nh 3.2)
Hệ th ng đƣợc phân t ch thành các hệ th ng con và ch ng sẽ tiếp t c phân t ch thêm thành các bộ phận đƣa đến những chi tiết, c m chi tiết, bộ phận ở giai đoạn thiết kế chi tiết S phân t ch đƣợc miêu tả trong một cấu tr c theo cấp bậc
T 1: Một hệ th ng xe hơi đƣợc phân t ch thành các bộ phận nhƣ động cơ, bộ truy n động, bộ phận chuyên chở…Những bộ phận này sẽ tiếp t c phân t ch thêm chẳng hạn nhƣ bộ phận chuyên chở đƣợc phân t ch thành khung xe và nội thất xe S phân t ch đƣợc tr nh bày trong hình 3.3và hình 3.4 [11]
Bộ truy n động Bánh xe Động cơ Hệ th ng thắng Hệ th ng tải Bộ phận chuyên chở
Chỗ ngồi Bộ đi u khi n Khung xe
Khung Hệ th ng lò xo
Sau khi phân t ch hệ th ng thành các bộ phận cơ bản, một hệ th ng theo m đun sẽ đƣợc xây d ng b ng cách kết hợp những bộ phận cơ bản gi ng nhau d a trên các tiêu chu n do nhóm thiết kế thiết lập Một hệ th ng theo m đun có th hi u nhƣ là s kết hợp nhi u bộ phận chức năng đ th c hiện các chức năng khác nhau hơn là đ ch ng riêng biệt Có hai tiêu chu n dùng đ tri n khai những hệ th ng theo m đun,[12]:
1 M i quan hệ giữa cấu tr c thiết kế theo chức năng và cấu tr c thiết kế theo c m chi tiết;
2 Mức độ tương tác giữa các bộ phận là kh ng đáng k (các bộ phận trong sản ph m độc lập với nhau)
Nhóm các đ i tƣợng (bộ phận, chi tiết hay hệ th ng) h nh thành d a trên những đ c đi m của các đ i tượng đ được th c hiện sử d ng những phương pháp tạo nhóm Các thành phần tương t nhau có th được nhóm lại thành họ nhóm mẫu và những mẫu mới có th đƣợc chế tạo b ng cách hiệu chỉnh một mẫu bộ phận hiện có trong cùng họ nhóm
Lý thuyết của phương pháp tạo nhóm là một ý tưởng quan trọng trong thiết kế những hệ th ng sản xuất tiên tiến Phương pháp tạo nhóm là một k thuật quản lý đ tiêu chu n hóa thiết kế, chế tạo và loại trừ s dư thừa Phương pháp tạo nhóm phân loại và m hóa những bộ phận, gán ch ng vào những họ nhóm khác nhau d a trên đ c đi m gi ng nhau của ch ng ở những thuộc t nh thiết kế (h nh dạng vật lý, k ch c , dung sai và k ch thước h nh học…) và những thuộc t nh chế tạo (tr nh t gia c ng, dung sai và k ch thước h nh học…)
Nhóm những bộ phận thành những họ nhóm là một nhiệm v kh ng hấp dẫn
Phương pháp đ nhóm các bộ phận thành họ nhóm có hiệu quả và đáng tin cậy nhất là phân loại và m hóa Trong phương pháp này, mỗi bộ phận được ki m tra từng cái một phù hợp với những đ c đi m thiết kế và chế tạo của nó M s của một bộ phận có th đánh theo s ho c k t a) P
Phương pháp tạo nhóm khởi đầu b ng cách xây d ng ma trận liên thuộc Ma trận này m tả m i quan hệ giữa các chi tiết với nhau hay giữa chi tiết và máy Sau khi xây d ng ma trận, ta sẽ sử d ng một s thuật toán sắp xếp các giá trị của ma trận thành một dạng kh i theo đường chéo Th d một ma trận liên thuộc chi tiết- máy đƣợc xây d ng nhƣ h nh 3.5
Ma trận liên thuộc trên đƣợc xây d ng gồm 5 chi tiết đƣợc đánh s lần lƣợt 1,2,3,4,5 và 4 máy c ng đánh s lần lƣợt 1,2,3,4 Nhƣ vậy ta có ma trận chi tiết-máy a ij (i=5, j=4)trong đó chi tiết nào trong các chi tiết ở trên có th gia c ng trên một máy tương ứng sẽ được bi u thị s 1, ngược lại chi tiết kh ng th gia c ng trên máy tương ứng sẽ được bi u thị s 0 hay đ tr ng
Có nhi u phương pháp phân loại sử d ng nhóm các chi tiết với nhau ho c chi tiết và máy nhưng phương pháp hiệu quả nhất là thuật toán nhận dạng nhóm Thuật toán được th c hiện đ i với ma trận liên thuộc theo các bước như sau:
B ớc 1: Chọn dòng i bất kỳ của ma trận liên thuộc và vẽ đường ngang h i xuyên qua nó
B ớc 2: Đ i với mỗi giá trị 1 gạch bởi đường ngang h i vẽ đường thẳng đứng v j
B ớc 3: Đ i với mỗi giá trị 1 gạch chỉ một lần bởi một đường thẳng đứng vj vẽ một đường ngang h i
B ớc 4: L p lại các bước trên cho đến khi kh ng còn các giá trị gạch nhi u hơn một lần đƣợc đ lại
Tất cả các giá trị gạch hai lần đƣợc nhóm trong một kh i và g bỏ khỏi ma trận
B ớc 5: Quá tr nh trên đƣợc l p lại đ i với các giá trị còn lại trong ma trận cho đến khi tất cả các giá trị đƣợc nhóm lại
T 2 : khi tri n khai th c hiện trong thiết kế, [13]: Trong quá tr nh b trí các máy đ gia c ng các chi tiết, người quản lý sản xuất đ lên được kế hoạch sơ bộ đ b tr các máy gia c ng các chi tiết nhƣng họ chƣa có đƣợc s b tr hợp lý, t i ƣu và hiệu quả c th nhƣ sau:
Chi tiết của họ cần gia c ng gồm 8 chi tiết đƣợc đánh s lần lƣợt là 1,2,3,4,5,6,7,8 và các máy đ gia c ng gồm 7 máy c ng đƣợc đánh s lần lƣợt 1,2,3,4,5,6,7
Xét thấy chi tiết 4 đƣợc b tr gia c ng trên máy 1,5,7 do đó đƣợc bi u thị s 1, ngược lại chi tiết 4 kh ng được gia c ng trên máy 2,3,4,6 nên bị bỏ tr ng Tương t các chi tiết còn lại được áp d ng tương t , ta có ma trận b tr trên Trong ma trận b tr trên rất khó cho người quản lý sản xuất b tr có hợp lý và có hiệu quả Đ có th t m ra cách b tr t i ƣu, ta sử d ng thuật toán nhận dạng nhóm đ sắp xếp lại ma trận trên:
B ớc 1: Dòng 3 của ma trận được chọn bất kỳ và vẽ đường ngang h3 xuyên qua nó
B ớc 2: Có 3 giá trị 1 bị gạch xuyên qua bởi đường h3, ta vẽ 3 đường thẳng đứng v 2 , v 6 , v 7 xuyên qua các giá trị trên
B ớc 3: Trong các giá trị 1 chỉ bị gạch có một lần sẽ đƣợc gạch thêm một đường nữa, có một đường gạch ngang là h 6
B ớc 4: Các giá trị gạch 2 lần đƣợc nhóm trong một kh i và g bỏ khỏi ma trận V vậy, các chi tiết 2,6,7 và các máy 3,6 đƣợc nhóm trong một kh i
B ớc 5: Quá tr nh trên đƣợc l p lại đ i với các giá trị còn lại trong ma trận cho đến khi các giá trị đƣợc nhóm lại
Ta thu đƣợc ma trận sau cùng:
Nh n vào ma trận trên người quản lý sản xuất có th d dàng lên kế hoạch b tr hiệu quả cao hơn so với ban đầu
X y dựng quy trình thiết kế theo mô-đun cho hệ thống tạo mẫu nhanh
Theo “Phương pháp phát tri n sản ph m theo m đun” (Modular Product Development – MPD ), quy tr nh thiết kế theo m đun tổng quát gồm các bước
Phân tích nhiệm v thiết kế
Lập kế hoạch th c hiện
Xác định yêu cầu k thuật Đưa ra ý tưởng bài toán thiết kế Đánh giá ý tưởng, chọn phương án thiết kế
Xác định đ c t nh hệ th ng (SLS)
Xác định ảnh hưởng của
Thiết lập ma trận đồng dạng
Xác định hệ s tầm quan trọng của GFR
Thiết kế m đun 1 Thiết kế m đun 2 Thiết kế m đun n Đánh giá m đun 1 Đánh giá m đun 2 Đánh giá m đun n
Hoàn chỉnh thiết kế sản ph m
Hình 3 7 Qui tr n t t t o m un t n qu t
Trên cơ sở đó sẽ áp d ng xây d ng Quy tr nh t nh tóan thiết kế theo m -đun cho các hệ th ng tạo mẫu nhanh thiêu kết laser gồm các bước th c hiện theo tr nh t thiết kế và quy tr nh th c hiện đƣợc nghiên cứu sao cho phù hợp nhất
Thành lập nhóm thiết kế là nhiệm v tương đ i quan trọng, nó góp phần vào s thành c ng của 1 d án thiết kế Đ thành lập nhóm thiết kế, ta th c hiện các bước sau:
B ớc 1: T m hi u t nh cách của từng thành viên trong nhóm (th ng qua bản kê khai cá nhân gồm sở th ch, t nh cách…)
B ớc 2: D a vào t nh cách của từng thành viên, ta phân c ng mỗi thành viên sẽ đảm nhận một hay nhi u vai trò phù hợp với t ch cách của họ (các vai trò trong nhóm thiết kế gồm: người đi u ph i, người sáng tạo, người khám phá, người lập kế hoạch, người giám sát – đánh giá, người chăm sóc nhóm, người th c thi, người hoàn chỉnh sau cùng) Đ nhóm làm việc có hiệu quả th cần có 8 vai trò ( mỗi người đảm nhận t nhất một vai trò ) :
Trong quá tr nh thiết kế các mẫu của sản ph m ở các x nghiệp, máy tạo mẫu nhanh đóng vai trò quan trọng trong quy tr nh c ng nghệ sản xuất liên t c hay sản xuất độc lập
Máy tạo mẫu nhanh th c hiện các c ng đoạn đầu tiên của giai đoạn thiết kế sản ph m mới ho c cải tiến sản ph m c theo quy tr nh c ng nghệ sản xuất của các x nghiệp khác nhau
Các máy tạo mẫu nhanh đƣợc lắp đ t và vận hành trong các phòng Th nghiệm ho c phòng nghiên cứu và phát tri n sản ph m, khu c ng nghệ cao Máy tạo mẫu nhanh là một c ng nghệ còn mới mẻ đ i với Việt Nam, nó đƣợc sử d ng rất nhi u trong các nước có n n c ng nghiệp tiên tiến và ngày càng phát tri n do các ưu đi m nổi bật của nó v năng suất cao, thời gian nhanh nhất và t nh hiệu quả Từ đó, công tác nghiên cứu thiết kế các hệ th ng tạo mẫu nhanh trong sản xuất c ng nghiệp, trong phòng nghiên cứu và phát tri n sản ph m lu n đƣợc quan tâm, đ c biệt là đ i với c ng nghệ thiêu kết bột, có th thiêu kết đƣợc bột sắt, chi tiết mẫu có th sử d ng đƣợc ngay trong các ngành c ng nghiệp đòi hỏi s linh hoạt khi thay thế sửa chữa và lắp đ t hiện nay
3.3.3 L – Đ th c hiện lập kế hoạch cho d án thiết kế máy sẽ tiến hành theo các bước sau:
B ớc 1: Xác định nhiệm v ban đầu khi thiết kế hệ th ng tạo
B ớc 2: Phát bi u m c tiêu cho mỗi nhiệm v con:
- N m v 1: Xác định nhu cầu khách hàng - N m v 2: Lập kế hoạch
- N m v 3: Phân t ch nhiệm v thiết kế - N m v 4: Xác định các yêu cầu k thuật - N m v 5: Đưa ra ý tưởng thiết kế
- N m v 6: Đánh giá ý tưởng, chọn phương án thiết kế - N m v 7: T nh toán thiết kế sản ph m
B ớc 3: Ƣớc t nh s nhân c ng, thời gian và các nguồn l c khác cần thiết đ hoàn thành nhiệm v
B ớc 4: Sắp xếp tr nh t c ng việc
B ớc 5: Ƣớc t nh chi ph thiết kế
Qua kết quả khảo sát khách hàng ta r t ra các yêu cầu khách hàng đ i với các hệ th ng tạo chủ yếu nhƣ sau:
- Năng suất cao - Thiêu kết bột d dàng - D bảo tr , sửa chữa - An toàn, đảm bảo các yêu cầu vệ sinh m i trường - Tuổi thọ cao, d thay thế ph kiện
- Kết cấu có th m m cao
Ngoài ra, có th có các yêu cầu đ c biệt khác của khách hàng đ i với máy tùy thuộc vào nhu cầu khách hàng…
Sau khi xây d ng ng i nhà chất lƣợng d a trên các yêu cầu khách hàng, khả năng cạnh tranh và tầm quan trọng của các yêu cầu khách hàng, ta nhận đƣợc các yêu cầu k thuật cho hệ th ng tạo mẫu nhanh SLS nhƣ sau:
- C ng suất chùm tia Laser CO 2 : N (W) - Chi u dài theo tr c x: X = a (mm) - Chi u rộng theo tr c y: Y = b (mm) - Chi u cao theo tr c z Z = c (mm) - Đường k nh chùm tia Laser: d (mm) - Đoạn dịch chuy n khi cấp bột: e = l 2 (mm) - Đoạn dịch chuy n khi hạ mẫu theo tr c Z: e = l 1 (mm)
- Vận t c chiếu tia Laser theo tr c X,Y: v = g (m/s) - C ng suất đèn gia nhiệt: H(kW)
- Diện t ch quét tia Laser CO 2 : S = F (mm 2 ) - Giá thành: h (USD)
h n tích chức năng hệ thống
Trong các chi tiết ch nh cần thiết cho từng c m chức năng sẽ có những chi tiết có sẵn trên thị trường và đại trà th việc chế tạo những chi tiết này sẽ kh ng đem lại hiệu quả cả v tiến độ c ng việc c ng nhƣ chi ph chế tạo cho nên l a chọn t t nhất sẽ là t nh chọn cho các chi tiết đó, sau đó tiến hành mua v ph c v cho việc lắp ráp Nhƣ vậy sẽ đem lại hiệu quả c ng việc cao hơn
Tuy nhiên, đ i với một s chi tiết mang t nh chất đ c thù, kh ng có sẵn trên thị trường th việc t nh chọn đ mua lại là phương án kh ng khả thi Khi đó giải pháp t t nhất đƣa ra sẽ là chế tạo chi tiết đ có hiệu quả nhƣ mong mu n
Với khái niệm: Các đ c t nh hệ th ng là m i quan hệ một đ i một giữa các bộ phận đ i với các đ c đi m chức năng và kết cấu của ch ng Các đ c đi m chức năng là kết quả của các hoạt động mà các bộ phận th c hiện đ góp phần vào đ c t nh chung của sản ph m Các đ c đi m kết cấu là kết quả của s b tr , lắp ráp và tạo h nh dạng của các bộ phận th c hiện chức năng sản ph m
Trước hết, ch ng ta cần liệt kê các chi tiết của hệ th ng tạo mẫu nhanh thiêu kết laser từ động cơ đi ra nhƣ sau [13], ứng d ng các cơ sở lý thuyết đƣợc nghiên cứu bên trên đ th c hiện quá tr nh phân t ch thiết kế:
1) Động cơ bước 2) Khớp n i 3) Tr c v t me bi 4) Thùng gia c ng mẫu 5) Thùng cấp bột 6) Giá đ con lăn 7) Con lăn trải bột 8) Thiết bị gia nhiệt cho bột
Sau đây ta sẽ hệ th ng hóa các đ c đi m kết cấu và đ c đi m chức năng của máy theo cấu tr c cấp bậc nhƣ m tả trong các h nh sau:
Trên cơ sở phân t ch các cấu tr c truy n động ở các h nh 3.7 đến h nh 3.11 đƣợc tổng hợp lại, đ có bảng m i quan hệ giữa các bộ phận theo đ c đi m kết cấu và đ c đi m chức năng (bảng 3.1)
N.T: n i tiếp ; S.S: song song ; T.X: tiếp x c nhau ; C.N: cách xa nhau ; T.T.T: truy n tr c tiếp ; T.G.T: truy n gián tiếp ; C.G.T: có giảm t c ; K.G.T: kh ng có giảm t c;
N: gia nhiệt ; C.L: chiếu Laser;
X y dựng đ c tính m y với yêu cầu chức năng chung
3.5.1 Đ xác định ảnh hưởng của đ c t nh máy lên yêu cầu chức năng chung ta sử d ng ma trận quan hệ giữa yêu cầu thiết kế máy và hệ s tầm quan trọng với giá trị tác động mong mu n là 1, giá trị 0 là tác động kh ng đáng k và cu i cùng giá trị -1 là tác động kh ng mong mu n
Trước hết sẽ th c hiện việc xác định các yêu cầu chức năng chung của hệ th ng tạo mẫu nhanh là:
- Kết cấu gọn nhẹ, d lắp đ t
Sau đó ta xây d ng đƣợc ma trận quan hệ giữa yêu cầu thiết kế máy và yêu cầu chức năng chung của hệ th ng tạo mẫu nhanh trong bảng 3.3 [14]
B 3 3 tr n qu n ữ u trú m và số t m qu n tr n
C c yêu cầu chức năng chung
C c đ c tính hệ thống ảm bảo hiệu suất ết cấu gọn nhẹ, dễ lắp đ t
Dễ sửa chữa, bảo trì
Truy n năng lƣợng tr c tiếp 1 0 0 0
Truy n năng lƣợng gián tiếp 0 0 0 0
Nhi u yêu cầu chức năng chung có th tồn tại cho một sản ph m và một s yêu cầu chức năng th quan trọng hơn yêu cầu chức năng khác Do đó, hệ s tầm quan trọng sẽ đƣợc gán cho các yêu cầu chức năng khác nhau Hệ s tầm quan trọng có giá trị n m trong khoảng từ 0,1 đến 1 Ở đây, 4 yêu cầu chức năng chung của hệ th ng tạo mẫu nhanh đ u quan trọng nhƣ nhau và có hệ s tầm quan trọng đ u b ng 1
Das Đường chéo của ma trận đồng dạng được bỏ tr ng
Các hệ s khác trong ma trận đồng dạng xác định nhƣ sau:
■ ( a a 1 2 a j ) 1 xj là vectơ các đ c t nh hệ th ng SLS ( j là s đ c t nh hệ th ng)
là ma trận quan hệ giữa SLS và GFR
( i là s yêu cầu chức năng chung)
là hệ s tầm quan trọng của các yêu cầu chức năng chung GFR
Từ đó, ta đƣợc ma trận đồng dạng chức năng của hệ th ng tạo mẫu nhanh nhƣ bảng sau:
Tương t , ta được ma trận đồng dạng kết cấu của hệ th ng tao mẫu nhanh nhƣ bảng sau:
X c định ma trận đồng dạng tổng hợp của hệ thống tạo mẫu nhanh
T nh toán cộng hai ma trận đồng dạng chức năng và ma trận đồng dạng kết cấu vừa t m, ta đƣợc ma trận đồng dạng tổng hợp của hệ th ng tạo mẫu nhanh nhƣ sau:
hực hiện mô-đun chức năng trong m y
Các bộ phận với mức tương th ch cao (th hiện với giá trị lớn nhất) sẽ được nhóm với nhau trong các m đun thiết kế Điếu này có th th c hiện b ng thuật toán nhận dạng nhóm theo [21] Từ đó, ta h nh thành đƣợc ma trận m đun chức năng của hệ th ng tạo mẫu nhanh nhƣ sau:
Từ đó, theo chức năng hệ th ng có 5 m đun nhƣ sau:
_ M đun 1: Động cơ, khớp n i, tr c v t me bi,thùng gia c ng mẫu
_ M đun 2: Động cơ, khớp n i, tr c v t me bi,thùng cấp bột
_ M đun 3: Động cơ,đai răng, băng trƣợt, bộ phận đ , con lăn trải bột
_ M đun 4: Bộ phận gia nhiệt _ M đun 5: Động cơ, bộ truy n đai răng, bộ chiếu Laser
Từ đó, theo kết cấu hệ th ng có 5 m đun nhƣ sau:
- M đun 1: Động cơ, khớp n i, tr c v t me bi, thùng gia c ng mẫu
- M đun 2: Động cơ, khớp n i, tr c v t me bi, thùng cấp bột
- M đun 3: Động cơ,đai răng, băng trƣợt, bộ phận đ , con lăn trải bột
- M đun 4: Bộ phận gia nhiệt
- M đun 5: Động cơ, bộ truy n đai răng, bộ chiếu Laser
Phân t ch hệ th ng theo chức năng và theo kết cấu h nh thành các m đun gi ng nhau Đi u này cho thấy kết quả phân t nh ra đƣợc là hợp lý gi p h nh thành các chi tiết thiết kế l a chọn và thiết kế chế tạo tập hợp trong bảng 3.9
G on ăn x Đ n qu on ăn x
4 C m gia nhiệt cho bột Đèn H o n x
Th c hiện các nghiên cứu trên cơ sở phân t ch đƣợc các c m m -đun ch nh trong máy từ đó h nh thành nên ki u kết cấu chung (h nh 3.13) là nguyên lý hoạt động của mát sử d ng đ thiết kế các phương án k thuật
Trên cơ sở nghiên cứu v nguyên lý máy tạo mẫu nhanh c ng nhƣ phân t ch các yêu cầu chức năng của máy tóm tắt trong các nội dung ch nh chủ yếu là:
C er: C m chi tiết này đƣợc b tr ở vị tr trên cùng của máy C m này có chức năng đi u khi n sao cho tia laser quét đến đ ng vị tr thiêu kết đ được phần m m lập tr nh trước đó Tia laser phải được đi u chỉnh cường độ sao cho có th th ch hợp với từng loại vật liệu khác nhau Đồng thời c ng phải đi u chỉnh t c độ quét của tia laser đ đảm bảo chất lƣợng quét nhƣng kh ng làm giảm năng suất gia c ng
C : C m chi tiết này đƣợc b tr ở phần giữa của thân máy, ph a trên các c m thùng bột, bàn nâng và thu hồi bột Chức năng ch nh của c m chi tiết này là san phẳng một lớp bột trên b m t của bàn nâng bột Do b dày của mỗi lớp bột là rất nhỏ do đó b m t này sau khi quét đòi hỏi độ phẳng rất cao Ch nh yêu cầu này của b m t lớp bột trở thành yêu cầu k thuật ch nh cho c m con lăn C m con lăn phải đƣợc thiết kế sao cho trong quá tr nh hoạt động kh ng bị võng ở giữa, b m t con lăn phải đƣợc đảm bảo kh ng bị bám bột trong quá tr nh lăn, t c độ quét của con lăn phải đảm bảo đ khi chạy qua nó kh ng kéo theo lớp bột bay lên
C : Nếu ta chia máy thành ba phần trên, dưới và ở giữa th c m bàn nâng n m ở dưới cùng của máy, c m này có chức năng ch nh là làm bệ đ cho sản ph m cần tạo h nh Sau mỗi lớp tạo h nh th bàn nâng lại hạ xu ng một khoảng nhỏ đ được lập tr nh trước b ng với lớp bột tiếp theo Do đó c m này cần được đi u khi n rất ch nh xác đ có th đảm bảo độ ch nh xác cho m h nh sau khi thiêu kết Một đi m cần lưu ý đ i với c m chi tiết này là do lượng bột mà m t bàn phải nâng sau mỗi lần thiêu kết lại tăng lên, do đó cần phải đảm bảo độ cứng vững cho c m này tránh việc m t bàn nâng bị biến dạng ảnh hưởng tới chất lượng sản ph m
C bột trước khi được thiêu kết cần được gia nhiệt trước đ khi thiêu kết sẽ kh ng gây ra hiện tƣợng ứng suất nhiệt xuất hiện sau khi sản ph m đƣợc tạo thành Đây là quá tr nh trung gian gi p tăng chất lƣợng sản ph m v thu hẹp khoản nhiệt độ sẽ làm giảm biến dạng của từng lớp từ đó h nh thành độ nét trên chi tiết sẽ đạt đƣợc hiệu quả cao
C : các nội dung phân t ch thiết kế đƣợc chỉ rõ trong các bảng tổng hợp yêu cầu, song trong đó việc thiết kế khung máy đƣợc th c hiện riêng và ở đây sơ bộ thiết kế khung máy b ng vật liệu thép có t nh ổn định cao và phù hợp với đi u kiện gia c ng Việc th c hiện thiết kế phần khung đƣợc tri n khai trên máy t nh, quá tr nh thiết kế có th thay đổi liên t c tại các vị tr chƣa hợp lý từ đó h nh thành nên m h nh khung máy đáp ứng đƣợc các th ng s k thuật đ ra Sau đây là kết quả th c hiện thiết kế khung máy trên máy t nh và quá tr nh phân t ch ứng suất liên t c cập nhật gi p h nh thành khung máy hoàn chỉnh đƣợc tr nh bày sau với m h nh khung máy d kiến thiết kế (h nh 3.14)
Tổng hợp các nội dung phân t ch v các c m chức năng ch nh sẽ h nh thành nên một tổng th các th ng s đầu vào đƣợc tập hợp trong bảng 3.10
- Hành tr nh của c m laser: X,Y(mm) - Vận t c quét laser: V(mm/s)
- Độ dày lớp: ∆t (0.08 – 0.3)mm - Độ ch nh xác của tia laser: ∆d (0.02)mm
- C ng suất tia laser: N(W) Động cơ – gương quét (2 gương quét laser theo hai phương X, Y được dẫn động b ng hai động cơ AC servo)
- Hành tr nh c m con lăn: L (mm) - Chi u dài của con lăn: l 1 (mm) - Đường k nh của con lăn ϕD(mm) - Vận t c trải bột: V 1 (m/s) Động cơ – hệ th ng truy n động – con lăn
- K ch thước bao c m thùng bột: X2, Y 2 , Z 2 (mm)
- Độ ch nh xác của c m thùng bột:
∆z 2 (0.05 mm) - Đoạn xê dịch khi cấp bột theo Z:
∆t1 (mm) Động cơ – hệ th ng truy n động -bàn nâng cấp bột Động cơ – hệ th ng truy n động -bàn nâng tr c Z th c hiện quá tr nh tạo từng lớp mỏng
- K ch thước bao của c m bàn nâng:
X 1 ,Y 1 ,Z 1 (mm) - L c cơ nâng đ thùng mẫu: Q(N) - Độ ch nh xác của bàn nâng:
∆z1(0.02~0.05)mm - Đoạn xê dịch khi hạ mẫu theo tr c Z: ∆t (mm)
- Nhiệt độ đèn Halozen: 60 0 C ~100 0 C - Thời gian gia nhiệt: T (3 giây)
Th c hiện bởi đèn halozen gia nhiệt vật liệu nh a dẻo, (kim loại, hợp kim g m ) dạng bột liên t c trong quá tr nh gia công
- Chi u rộng: U(mm) - Chi u dài: V(mm) - Chi u cao: W(mm)
Trong phân t ch c m, bộ phận thân máy có vai trò quan trọng quyết định độ ch nh xác bởi quy tr nh định vị và lắp ghép các c m trong máy nhƣ: c m di chuy n hai phương XY mang đầu laser tạo h nh, c m bàn nâng bột, khung máy chịu l c cho c m con lăn di chuy n đầu quét bột và các hệ th ng chân đ , thùng chứa hệ th ng điện là các nội dung đƣợc quan tâm nghiên cứu trong thiết kế hệ th ng máy và hoàn chỉnh thiết bị máy tạo mẫu nhanh thiêu kết laser.
hiết kế chi tiết ph ơng n cho c c mô-đun
Th ng s thiết kế máy tạo mẫu nhanh thiêu kết laser d kiến chế tạo nhƣ sau:
- T c độ di chuy n của tr c x, y: 90mm/ph t;
- Th t ch làm việc 100x100x100mm;
- Hệ th ng đi u khi n: đi u khi n t c độ di chuy n của tr c xy, ph i hợp c m gạt và cấp bột theo chu tr nh tạo mẫu đƣợc thiết kế;
- Vật liệu: vật liệu bột nh a PS;
- Độ ch nh xác của chi tiết: 100mm+/-0.5mm (0,5%)
D trên sơ đồ nguyên lý ta xây d ng sơ đồ động nhƣ sau:
Chức năng chung của c m thiêu kết laser là thiêu kết bột, đ th c hiện đƣợc việc này th chùm laser phải dịch chuy n theo biên dạng vật th cần gia c ng V vậy yêu cầu đ t ra là phải đi u khi n đƣợc chuy n động của chùm tia laser theo 2 phương XY Các yếu t tác động và các bộ phận cần thiết đ th c hiện các chức năng chung đƣợc th hiện nhƣ sau:
Từ những chức năng chung đ đƣa ra, phân t ch thành những chức năng nhỏ hơn góp phần th c hiện những chức năng đ định Phân t ch c m sơ đồ chức năng của hệ th ng:
Th ng s thiết kế ch nh cần đảm bảo của c m là:
C laser : chức năng ch nh là đi u khi n tia laser thiêu kết vật liệu bột
- Hành tr nh XY của di chuy n đầu laser : 300 x300 mm - Vận t c quét của laser t i đa: 90 mm/ph t
- Độ dày lớp: 0.2 – 0.3mm - C ng suất nguồn phát laser: 60W
Trên cơ sở nghiên cứu các th ng s đầu vào và các patent nghiên cứu từ phần tổng quan sẽ h nh thành nên một s phương án thiết kế chi tiết cho c m laser như sau: h ơng n 1 : S n t u H x po u n n u n s r
Nguồn laser đƣợc di chuy n nhờ vào chuy n động của các thanh gi ng quanh khớp cầu
- Di chuy n linh hoạt theo cả 3 phương XYZ
- Cơ cấu cồng k nh, chiếm nhi u kh ng gian;
- Khó lắp đ t, bảo tr h ơng n 2: s n t ốn n t u n n ùm laser
Trong phương án này ta sử d ng một hệ th ng gồm nhi u thấu k nh khác nhau có th nghiêng theo các góc khác nhau đ đi u khi n hướng và đi m tập trung cho tia laser Đ có th nghiêng theo các hướng khác nhau th mỗi thấu k nh phải được gắn với một động cơ riêng
- Độ ch nh xác cao;
- Giá thành cao h ơng n 3 : S n t ốn r tr t u n n u n s r
Trong phương án này nguồn laser được gắn tr c tiếp lên hệ th ng ray trượt XY
- D dàng lắp ráp, chế tạo;
- Nguồn laser nguy hi m và cần đƣợc giải nhiệt nên phải đ t bên ngoài
- Nguồn laser c ng suất lớn đ t tr c tiếp lên hệ th ng ray trƣợt sẽ làm giảm độ ch nh xác h ơng n 4 : S n t ốn r tr t t p ăn n u n n chùm laser
Tia laser đƣợc đi u khi n nhờ vào hệ th ng lăng k nh gắn trên ray trƣợt XY
- D dàng lắp ráp, chế tạo;
- Khó canh chỉnh lắp ráp hệ th ng lăng k nh
3.8.3.3 n n p n n t t o m s r Đ đánh giá các phương án trên và l a chọn phương án t i ưu nhất ta d a trên các yếu t ch nh sau:
Chi tiết có sẵn trên thị trường;
Các phương án được so sánh với phương án chu n theo các tiêu ch l a chọn và được cho đi m vào trong bảng 3.11, [20] tương ứng theo các mức sau:
Chi tiết có sẵn trên thị trường 0 - + +
D chế tạo, lắp ráp 0 - 0 + Đi u khi n d dàng 0 0 + +
Sau quá tr nh đánh giá phương án theo các mức trên, t nh tổng s các đi m +, –, 0 và đi m tổng cộng của từng Phương án Xếp hạng các phương án theo kết quả của đi m tổng cộng trong bảng 3.12 [20]
Chi tiết có sẵn trên thị trường 0 - + +
D chế tạo, lắp ráp 0 - 0 + Đi u khi n d dàng 0 0 + +
Tổng đi m – 0 2 0 0 Đi m tổng cộng 0 0 4 6
Có nên tiếp t c kh ng? Không Không Có Có
Sau khi có kết quả đánh giá và xếp hạng các phương án, nhóm thiết kế xem xét cải tiến ho c kết hợp các phương án với nhau theo một trong hai hướng sau:
+ Có th cải tiến m t hạn chế nhƣng vẫn giữ đƣợc những ƣu đi m của của một phương án t t nào đó hay kh ng?
+ Có th kết hợp hai phương án với nhau đ giữ lại những đi m mạnh và loại bỏ những m t hạn chế của ch ng hay kh ng?
Ma trận quyết định l a chọn có thêm cột trọng s Các tiêu ch l a chọn đƣợc gán cho một trọng s (t nh theo giá trị %), các trọng s này đƣợc xác định d a vào s nhất tr của nhóm thiết kế
Các phương án được so sánh với các tiêu ch chu n và được cho đi m vào tương ứng theo các mức sau, bảng 3.13 [20],[22] :
+ Tương đương: 3 + Kém hơn: 2 + Kém hơn rất nhi u: 1
Chi tiết có sẵn trên thị trường 5 4
D chế tạo, lắp ráp 5 5 Đi u khi n d dàng 5 5
T nh tổng đi m của từng phương án theo c ng thức:
∑ r ij : m t u t I p n án j w i : tr n số t u t n : t n số t u
Xếp hạng các phương án theo tổng đi m (đ t nh trọng s )
Thô Nhân TS Thô Nhân TS
Chi tiết có sẵn trên thị trường 15 5 0.75 4 0,6
D chế tạo, lắp ráp 15 5 0,75 5 0,75 Đi u khi n d dàng 15 5 0,75 5 0,75
Tuổi thọ cao 15 5 0,75 5 0,75 Đi m tổng cộng 100 4,35 4,7
Có nên tiếp t c kh ng? Không Có
Sau khi lập bảng ma trận l a chọn, t nh đi m, ta chọn ra được phương án thiết kế t i ƣu là p 4 Song song đó là các yếu t đánh giá trong bảng 3.14 ta nhận thấy r ng phương án 4 sử d ng hệ th ng ray trượt XY kết hợp lăng k nh có chi ph đầu tƣ hợp lý, việc đi u khi n d dàng nhƣng lại đem lại khả năng tạo h nh tương đương so với các phương án khác, nên chọn 4 là phù hợp với c m laser
Bộ phận này có nhiệm v ch nh là tạo một lớp bột mỏng trên m t bàn sau đó tia laser sẽ thiêu kết bột trên lớp bột đó, sau khi hoàn tất bộ phận này lại tạo thêm một lớp bột mới và liên t c l p đi l p lại cho đến khi kết th c Các yếu t tác động và các bộ phận cần thiết đ th c hiện các chức năng chung đƣợc th hiện nhƣ sau:
Từ những chức năng chung đ đƣa ra, phân t ch thành những chức năng nhỏ hơn góp phần th c hiện những chức năng đ định
Các th ng s k thuật cần đảm bảo cho quá tr nh thiết kế c m con lăn:
C chức năng ch nh là tạo ra các lớp bột trong quá tr nh thiêu kết
- Hành tr nh c m con lăn: 400mm - Chi u dài của con lăn: 200mm - Độ nhỏm b m t: 0.625àm - Đường k nh thiết kế con lăn: 50mm
D a trên các nghiên cứu tổng quan th đ tạo đƣợc lớp bột trên b m t bàn máy sẽ có một s phương án thiết kế như sau:
Ph ơng n 1: ử dụng tấm gạt phẳng tịnh tiến
Hình 3 25 n n s n t m t p ẳn ron : 1- mặt n; 2 -t n tr t; 3 - t m t p ẳn ; 4 – on ăn; 5 - Đ n Ở phương án này ta sử d ng một tấm phẳng c định gắn trên hai ray trượt ở hai bên thành của bàn máy Tấm phẳng này đƣợc kéo bởi một động cơ gắn ở trên bàn máy Khi động cơ hoạt động th tấm phẳng sẽ đƣợc kéo trƣợt trên m t bàn từ đó dàn bột ra
u điểm: Kết cấu đơn giản, bột đƣợc dàn đ u trên m t bàn làm việc
h ợc điểm: Tấm phẳng này cần đƣợc gia c ng rất ch nh xác nếu kh ng sẽ gây lỗi trên b m t bột Sau một thời gian hoạt động bột sẽ bám trên m t của tấm phẳng làm cho việc dàn bột kh ng đƣợc đ u nữa Đ i khi do sử d ng tấm gạt này sẽ gây ra hiện tƣợng dồn c c trên b m t bột h ơng n 2: ử dụng tấp gạt quay
Hình 3 26 n n s n t m t qu Ở phương án này ta sử d ng một tấm gạt quay quanh tr c nhờ một động cơ, từ đó dàn bột ra ngang trên m t bàn máy
u điểm: Kết cấu rất đơn giản
h ợc điểm: Mật độ bột dàn kh ng đ u h ơng n 3: ử dụng con lăn gắn thêm động cơ
Hình 3 27 n n s n on ăn ắn t m n ron : 1- mặt n; 2 -t n tr t; 3 - t m t p ẳn ; 4 – on ăn; 5 - Đ n Ở phương án này ta sử d ng một con lăn gắn trên hai ray trượt ở hai bên thành của bàn máy Ở đu i con lăn ta gắn thêm một động cơ nhỏ, động cơ này sẽ làm cho con lăn quay theo C m dàn bột và động cơ này đƣợc kéo bởi một động cơ gắn ở trên bàn máy Khi động cơ hoạt động th con lăn này sẽ đƣợc kéo trƣợt trên m t bàn từ đó dàn bột ra ngang trên m t bàn máy con lăn c ng t quay quanh tr c của nó
Do đó bột đƣợc dàn đ u trên m t bàn
u điểm: Kết cấu đơn giản Bột đƣợc dàn đ u trên m t bàn làm việc Có th xem nhƣ con lăn là do nhi u tấm phẳng đƣợc ghép lại với nhau do đó việc dàn bột trên b m t của bàn máy đ u hơn so với sử d ng tấm phẳng Đồng thời do s tiếp x c giữa con lăn và bột thay đổi liên t c do đó sẽ tránh đƣợc hiện tƣợng bột bị dồn c c lại Do đƣợc đi u khi n bởi động cơ s 6 nên việc con lăn quay đ đƣợc chủ động, kh ng còn lệ thuộc vào ma sát giữa con lăn và động cơ, con lăn quay đ u hơn
h ợc điểm: Kết cấu của bộ phận này phức tạp hơn so với phương án sử d ng tấm phẳng Con lăn d bị võng ở giữa nếu chế tạo kh ng t t h ơng n 4: Con lăn tích hợp động cơ
Hình 3 28 n n s n on ăn t p n Ở phương án này ta kết hợp sử d ng con lăn t ch hợp động cơ, động cơ n m bên trong con lăn C m dàn bột đƣợc kéo bởi một động cơ gắn ở trên bàn máy Khi động cơ hoạt động bột đƣợc dàn ra trên m t bàn máy, con lăn c ng t quay quanh tr c của nó
u điểm: Kết cấu đơn giản d lắp ráp, con lăn có sẵn trên thị trường được gia c ng với độ ch nh xác cao, kh ng t n c ng chế tạo
h ợc điểm: Giá thành cao
Th c hiện đánh giá các phương án được th hiện trong bảng 3.15 [20], [22]
Tổng đi m – 2 3 0 1 Đi m tổng cộng 2 0 0 2
Có nên tiếp t c kh ng? Không Không Có Có
Thô Nhân TS Thô Nhân TS
Tuổi thọ cao 10 4 0,4 5 0,5 Đi m tổng cộng 100 3,7 3,65
Có nên tiếp t c kh ng? Có Không
Sau khi lập bảng ma trận l a chọn, t nh đi m, ta chọn ra được phương án thiết kế phù hợp nhất là p 3
ính to n thiết kế cụm laser
Phân t ch cho thấy trên khoảng cách từ laser tới thấu k nh kh ng có s mở rộng đáng k của chùm tia và độ phân kỳ ban đầu của nó đƣợc xác định b ng hiệu ứng nhi u xạ - xảy ra ở kh u độ đầu ra của laser – th bán k nh của vết hội t Rs có th bi u thị b ng bi u thức, [9] :
Rs = f.θ (4.1) Trong đó: f – tiêu c của thấu k nh θ – góc phân kỳ của chùm tia
V góc phân kỳ do nhi u xạ θ≈λ/D, nên trong trường hợp kh u độ của thấu k nh đƣợc chùm tia phủ hoàn toàn, bán k nh vết hội t sẽ là:
Trong đó f 0 = f/D vì f 0 có giá trị c hàng đơn vị, nên r s có k ch thước cùng bậc với λ Đ hội t bức xạ laser người ta thường sử d ng các thấu k nh có tiêu c 25 –
300mm và đường k nh làm việc 10 – 60mm Tùy vào các th ng s của bức xạ laser và đường k nh của hệ quang hội t , đường k nh của chùm laser được hội t n m trong khoảng 10àm – 1mm, [9]
B 4 1 Đ ờn n v t t x s r ố v m t số o s r Đ c trƣng của hệ hội t
Laser CO 2 c ng suất nhỏ, chế độ
CW ho c xung đơn mode
Laser CO 2 c ng suất lớn, chế độ
Laser CO 2 c ng suất nhỏ và trung, chế độ CW ho c xung, bơm CC đơn mode
Laser YAG bơm xung đơn mode
Laser Ruby và thủy tinh Nd, Bơm xung đa mode Đường k nh chùm tia hội t (m)
Tiêu c của thấu k nh ho c vật k nh hội t
Theo bảng 4.1 chọn tiêu c thấu k nh f = 200mm, đường k nh thấu k nh D 40 mm
B rộng đường quét b = 2r f = 2.0,053 = 0,106 mm Máy tạo mẫu nhanh SLS đƣợc thiết kế đ ph c v việc gia c ng trên vật liệu nh a và kim loại cho nên trong t nh toán chọn hệ th ng laser ch ng ta cần quan tâm đến việc đảm bảo c ng suất đ gia c ng cho hai loại vật liệu trên Với vật liệu kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao nên cần phải có c ng suất phù hợp cho quá tr nh thiêu kết Ở đây, việc chọn vận t c quét tương ứng cho vật liệu kim loại trước, sau đó sẽ tiến hành ki m nghiệm lại các th ng s c ng nghệ sử d ng cho vật liệu bột nh a
Thiết kế chọn vận t c quét v S = 90 mm/ph t ( yêu cầu của thiết kế đầu vào) ứng với c ng suất bức xạ nguồn laser 60W Từ đó t nh đƣợc mật độ năng lƣợng của quá tr nh thiêu kết
Thiết lập t nh toán chọn động cơ d a trên các yếu t ảnh hưởng v góc ma sát tạo nên do cấu tr c của thanh trượt di chuy n theo phương X, Y Phân t ch yêu cầu v đi u kiện thiêu kết đảm bảo vận t c cắt của c m đầu laser đ t ra một s yêu cầu nhƣ sau:
- Vận t c di chuy n c c đại: 90 mm/ph t - Trọng lượng t nh toán tương đương cho c m X: 50 N - Hệ s ma sát giữa thép – thép tương đương: f= 0,1
- Góc thiết kế thanh trƣợt: γ` 0
Với các giới hạn trên, phân t ch thành phần l c đ t lên hệ th ng khi di chuy n tương đương:
- L c ma sát sinh ra trên thanh trƣợt, ở đây ta t nh toán cho 1 thanh trƣợt X
- L c quán t nh sinh ra do chuy n động nhanh dần đ u
- L c kéo của động cơ tác d ng lên hệ th ng (l c này vừa đủ lớn đ th c hiện các di chuy n)
- L c kéo cần t m do đai sinh ra F k - Phương tr nh l c P 0 F ms F k ma (4.4)
- Chiếu phương tr nh (4.4) lên phương chuy n động:
Chọn đường k nh đai răng D = 22mm
- Chọn c ng suất động cơ tương đương: P d c X 15W, việc t nh toán cho tr c Y sẽ tổng hợp lại đ chọn đƣợc động cơ cho hai tr c Ở đây, kết quả t nh toán sẽ đƣợc sử d ng tham khảo chọn cho động cơ cho hai tr c X, Y đ đồng bộ
Trọng lƣợng c m ray trƣợt Y: m Y ~15kg ( V phải mang thêm tr c X) Thiết lập t nh toán chọn động cơ d a trên các yếu t ảnh hưởng v góc ma sát tạo nên do cấu tr c của thanh trượt di chuy n theo phương X, Y Phân t ch yêu cầu v đi u kiện thiêu kết đảm bảo vận t c cắt của c m đầu laser đ t ra một s yêu cầu nhƣ sau:
- Vận t c di chuy n c c đại: 90 mm/ph t ( 0,0015m/s) - Trọng lượng t nh toán tương đương cho c m Y: 300 N - Hệ s ma sát giữa thép –thép tương đương : f = 0,1
- Góc thiết kế thanh trƣợt: γ = 60 0
Với các giới hạn trên, phân t ch thành phần l c đ t lên hệ th ng khi di chuy n tương đương:
- L c ma sát sinh ra trên thanh trƣợt, ở đây ta t nh toán cho 1 thanh trƣợt Y
- L c quá t nh sinh ra do chuy n động nhanh dần đ u
- L c kéo của động cơ tác d ng lên hệ th ng (l c này vừa đủ lớn đ th c hiện các di chuy n)
- L c kéo cần t m do đai sinh ra F K - Phương tr nh l c P 0 F ms F K ma (1)
- Chiếu phương tr nh (1) lên phương chuy n động
Chọn đường k nh đai răng D = 22mm - C ng suất cần thiết
- Chọn c ng suất động cơ tương đương: P d c Y 60W
- Chọn động cơAc servo drive, thương hiệu EVTA, s model F với các th ng s sau:
5 T c độ đáp ứng tần s 200 Hz
6 T c độ tần s dao động