công nghệ thiết kế ngược tạo mẫu nhanh

Công nghệ số trong thiết kế, chế tạo cơ khí Công nghệ số (CNS) đợc đánh giá l thnh tựu khoa học công nghệ nổi bật nhất của thế kỷ XX. Việc ứng dụng CNS trong thiết kế, chế tạo cơ khí nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách của quá trình tự động hoá sản xuất, của sự chuyển dịch từ một nền sản xuất theo định hớng của nh sản xuất sang một nền sản xuất theo định hớng ngời dùng; đồng thời nhờ áp dụng tổng hợp các thnh tựu tiên tiến của kỹ thuật cơ khí, điện tử, điều khiển tự động v máy tính. Nói cách khác, việc ứng dụng CNS trong cơ khí gắn liền với sự xuất hiện của ngnh cơ điện tử (Mechatronics). 1. Công Nghệ Số v kỹ thuật ngợc 1.2. Khái quát về công nghệ số Trong thiết kế, chế tạo cơ khí, thuật ngữ công nghệ số (CNS) ám chỉ việc tạo ra v sử dụng các đối tợng ảo, môi trờng ảo, thiết bị ảo, quá trình ảo, thay thế một phần các đối tợng, môi trờng, thiết bị, thiết bị thật vẫn dùng trong công nghệ truyền thống. Nói cách khác, mọi việc gia công, lắp ráp, vận hnh thử, đợc thực hiện trên mô hình số (ảo), chỉ đến khi đảm bảo chắc chắn có kết quả mong muốn mới chế tạo sản phẩm thật. Hình 1 mô tả một cách đơn giản về CNS. Mẫu (thực) đợc số hoá thnh mô hình số (ảo), có thể đợc thiết kế lại (redesign) chỉnh sửa phóng to, thu nhỏ, thêm bớt chi tiết, rồi chế tạo ra sản vật thực, bản sao của mẫu. Mẫu có thể l vật phẩm đã có m ngời ta muốn sao chép lại, có thể đợc tạo mới bằng vật liệu dễ tạo hình (sáp, gỗ). Bản sao có thể đợc dùng lm mẫu (prototype) để kiểm tra, đánh giá, giới thệu, quảng cáo; có thể l sản phẩm dùng ngay đợc (end product), có thể l dụng cụ (tool), thờng dới dạng âm bản để chế tạo ra sản phẩm (khuôn, chy, cối, ). Hình 1: Hình dung về CNS Nh mô tả ở trên, quá trình thiết kế, chế tạo theo CNS về căn bản có 3 giai đoạn chính: số hoá (digitising), thiết kế lại (redisign) v chế tạo (manufacturing). Quá trình thực phức tạp hơn nhiều, nh đợc mô tả trong Hình 2. Giai đoạn số hoá (quét mẫu) - số 1: mẫu đợc quét (scan) bằng các thiết bị quét 3 chiều (3D scanner) khác nhau: máy đo toạ độ (CMM) hoặc 3D-camera các loại. Sản phẩm của các thiết bị quét hiện đại l dữ liệu số, dạng đám mây điểm (point cloud) cuả mẫu, trong máy tính. Giai đoạn thiết kế lại- số 2, gồm các công đoạn: xử lý dữ liệu quét, tạo v xử lý mô hình CAD. Xử lý dữ liệu quét, gồm có hiệu chỉnh (lọc nhiễu, ghép mảng, sắp xếp) GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012) đám mây điểm v xuất ra mô hình bề mặt dới dạng lới đa giác (polygon mesh). Trong công đoạn tạo v xử lý mô hình CAD, mô hình lới đa giác đợc chuyển thnh mô hình bề mặt với format chuẩn (Non-Uniform Rational Basis Spline - NURBS), từ đó các phần mềm CAD có thể chuyển sang các dạng mô hình hình học khác nhau của CAD: bề mặt (surface) hay vật thể rắn (solid), sẵn sng cho giai đoạn chế tạo. Hình 2: Quá trình thiết kế, chế tạo theo CNS Trong giai đoạn chế tạo, 3 v 4: nhờ các hệ CAD/CAM, dữ liêu hình học trong mô hình CAD đợc chuyển thnh các dạng dữ liệu, chơng trình khác nhau, phù hợp với các thiết bị gia công, nh thiết bị tạo mẫu nhanh (rapid prototyping - RP), máy công cụ điều khiển số (CNC machine tools) để tạo ra sản vật thực (prototype, end product, tool) hoặc cũng có thể đợc dùng để kiểm tra, đánh giá về độ bền, ứng xử động lực học nhờ các modul FEA, Dynamic Analyser của các phần mềm CAD/CAE. Hình 3: Quy trình thuận v quy trình ngợc trong thiết kế, chế tạo cơ khí GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012) Quy trình thiết kế, chế tạo bắt đầu từ mẫu thực, theo trình tự nói trên đợc gọi l quy trình ngợc, gắn với các phơng pháp v thiết bị đặc thù, gọi l kỹ thuật ngợc (Reverse Engineering - RE). Nó khác với quy trình kỹ thuật truyền thống, bắt đầu từ ý tởng của nh thiết kế, đôi khi đợc gọi l kỹ thuật thuận (Forward Engineering - FE). Trong FE không có các giai đoạn 1 v 2 trong Hình 2, còn các giai đoạn 3, 4 giống nh trong RE. Mô hình CAD l khởi đầu của quy trình ngợc, đợc tạo từ ý tởng của ngời thiết kế. Hình 3 thể hiện sự khác nhau giữa quy trình ngợc (3/4/4'-5-2-3/4) v quy trình thuận (1-2-3/4). 1.2. Kỹ thuật ngợc Sau khi tìm hiểu tổng quan về CNS v kỹ thuật ngợc, ta thấy thuật ngữ kỹ thuật ngợc bao hm ton bộ một quá trình thiết kế, chế tạo một sản phẩm chứ không riêng thiết kế. Hiện nay ở Việt Nam, một số thuật ngữ đợc sử dụng, nh thiết kế ngợc, công nghệ tái tạo để nói về RE. Sử dụng thuật ngữ no cha phải quan trọng vo lúc ny, miễn l chúng ta hiểu đúng về nó. RE l thuật ngữ chung, chỉ quá trình nhân bản (duplication, copy) một đối t ợng: bảng mạch điện tử, phần mềm, bộ phận cơ khí m không dựa vo thiết kế ban đầu của chúng. Trong cơ khí, RE đợc hiểu l sự nhân bản một chi tiết, cụm lắp ráp hay một sản phẩm m không dùng bản vẽ, ti liệu hoặc mô hình máy tính. Thực ra, việc bắt chớc, nhân bản không phải mới, nhng nó chỉ trở thnh một công nghệ khi có tính phổ biến v có một nền tảng vững chắc về khoa học, công nghệ. RE đợc sử dụng khi: - Thiết bị đã bị ngừng sản xuất (do nh sản xuất dừng hoặc nh sản xuất đã bị giải thể), không còn nguồn cung cấp thiết bị v phụ tùng; - Cần chế tạo, sửa chữa, cải tiến, thiết bị m mất hoặc không có ti liệu thiết kế; - Cần thay đổi vật liệu hoặc công nghệ sản xuất để cập nhật tình hình thị trờng; - Cần phân tích, đánh giá u nhợc điểm sản phẩm của đối thủ cạnh tranh; - Cần phân tích, đánh giá sai số hình học của sản phẩm chế tạo (RE l công cụ kiểm tra chất lợng sản phẩm). Còn một lý do, tuy không đợc nói ra trong các ti liệu chính thức nhng lại rất quan trọng, l chế tạo theo mẫu các thiết bị, vũ khí đang đợc a chuộng. Điều ny đợc thấy rất phổ biến trong sao chép các loại vũ khí trong thời kỳ chiến tranh lạnh v trong cuộc chiến thơng mại hiện nay. Dù sao thì RE đã thể hiện tính u việt của mình, cũng đã trở thnh một công nghệ, đợc ton thế giới công nhận v đợc ứng dụng trong mọi lĩnh vực kỹ thuật: cơ khí, điện tử, phần mềm, kiến trúc, nghệ thuật, y học, Hình 4 cho phép hình dung ton bộ v chi tiết quy trình ứng dụng kỹ thuật ngợc trong thiết kế, chế tạo cơ khí, trong đó thể hiện vai trò của 5 nhóm thiết bị: quét (Point Capture), xử lý dữ liệu điểm (Point Manipulation), CAD/CAM, tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP) v máy CNC (NC Machining). GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012) Hình 4: Quy trình kỹ thuật ngợc tổng quát trong thiết kế, chế tạo cơ khí Hình 5 l quy trình thiết kế mẫu ô tô mới có ứng dụng RE ở Nhật. Đầu tiên ngời ta tạo ra mô hình thu nhỏ bằng đất sét, sau đó quét, xử lý, chuyển sang CAD, phóng to bằng kích thớc thật rồi chuyển tiếp cho các công đoạn thiết kế, chế tạo chi tiết, tạo mẫu nhanh, Hình 5: Quy trình kỹ thuật ngợc tại các hãng ô tô Nhật Bản GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012) Sau đây l một số ví dụ minh hoạ về ứng dụng RE. Hình 6 - quy trình kỹ thuật ngợc đợc ứng dụng khi phát triển mẫu mũ xe máy mới, bắt đầu bằng mẫu đất nặn - số hoá - lm khuôn nhựa trên máy CNC - đùn nhựa ra sản phẩm. Hình 6: Quy trình kỹ thuật ngợc khi chế tạo mũ xe máy mới Hình 7 - quy trình kỹ thuật ngợc đợc ứng dụng trong hng không vũ trụ. Hình 7: Quét hình mẫu tu con thoi X-38 của Nasa GS. TS. §μo V¨n HiÖp, Khoa HKVT, Häc viÖn KTQS ViÕt theo yªu cÇu cña Bé KHCN (10/2012) H×nh 8: MÉu giμy ®−îc t¸i t¹o H×nh 9: RE trong chÕ t¹o khíp gèi thay thÕ GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012) Hình 10: RE trong công nghiệp ô tô (a) - Số hoá vỏ xe bằng camera gắn trên tay robot (b) - Dữ liệu đám mây điểm thu đợc (c) - Mô hình bề mặt trong CAD 2. Các công nghệ cơ bản Phần trên đã mô tả khái quát về CNS, quy trình thuận v quy trình ngợc trong thiết kế, chế tạo sản phẩm cơ khí. Ta thấy mỗi quy trình đều đòi hỏi các công nghệ đặc thù cùng với một hệ thống đồng bộ các thiết bị. Sau đây sẽ giới thiệu vắn tắt bản chất, thiết bị v ứng dụng của các công nghệ đó. 2.1. Quét mẫu Nhiệm vụ của công đoạn quét mẫu l thu thập dữ liệu hình học 3D của bề mặt đối tợng quét. Dữ liệu nhận đợc có dạng số, mô tả toạ độ 3D của các điểm rời rạc trên bề mặt, đợc tập hợp dới dạng lới điểm hoặc đám mây điểm. Chính vì vậy, quét mẫu thờng đợc gọi l số hoá bề mặt (digitising), còn thiết bị quét đợc gọi l digitiser hay 3D scanner. Có 2 phơng pháp quét mẫu: tiếp xúc v không tiếp xúc. Hình 11: Máy đo toạ độ kiểu cánh tay robot (a,b) v kiểu cổng (c) GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012) Phơng pháp quét tiếp xúc dùng đầu dò cơ khí, gắn lên máy đo toạ độ (Coordinate Measuring Machine - CMM), cho di chuyển trên bề mặt vật theo quỹ đạo nhất định, dò đến đâu thì ghi lại toạ độ đến đấy. Hiện có 2 kiểu CMM: kiểu cánh tay robot (hình 11, a, b) v kiểu cổng (c). CMM kiểu cánh tay robot linh hoạt, vùng hoạt động lớn, nhẹ nhng. Máy kiểu cổng l thuỷ tổ của các dòng CMM, vốn l thiết bị đo, sau đợc trang bị phần mềm để số hoá. Loại ny rất chính xác, nhng kém linh hoạt v đắt tiền hơn CMM kiểu cánh tay. CMM nguyên thuỷ dùng đầu dò tiếp xúc (cơ khí), nhng sau ny đợc trang bị đầu dò laser hoặc camera, nên không còn l thiết bị dò tiếp xúc nữa. Ngay cả đầu dò tiếp xúc cũng đợc cải tiến, có chuyển động linh hoạt v có động cơ dẫn động, cho phép dò các bề mặt phức tạp một cách tự động. Trên hình 12, CMM dạng cổng đợc dùng để số hoá bề mặt chi tiết thân động cơ đốt trong v CMM dạng tay máy đợc dùng để số hoá vỏ ô tô. Hình 12: Số hoá các bề mặt phức tạp bằng CMM Trừ khi đợc lắp camera, CMM chỉ có 1 đầu dò nên nó số hoá bằng cách chuyển động theo quỹ đạo định trớc (theo chơng trình) nh Hình 13. Vì vậy dữ liệu số hoá của CMM có dạng lới điểm. Hình 13: Các dạng quỹ đạo dò của CMM GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012) Phơng pháp quét không tiếp xúc xuất hiện sau phơng pháp tiếp xúc, nhng phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Nguyên lý của các phơng pháp quét không tiếp xúc rất phong phú: phản xạ v xuyên qua; dùng quang học v không dùng quang học; chủ động v thụ động, (Hình 14). Hình 14: Các dạng quỹ đạo dò của CMM Ngy nay các phơng pháp quang học đợc dùng phổ biến nhất, v nguồn ánh sáng đợc dùng l laser. Thay vì dùng tia laser trớc kia (nh đầu dò của CMM), ngy nay ngời ta dùng nguồn laser dạng mặt phẳng, dạng khối, nhờ đó khi số hoá không còn khái niệm "quét" nữa m l "chụp". Dễ hiểu l kỹ thuật chụp cho năng suất cao gấp nhiều lần so với kỹ thuật quét. Hình 15 minh hoạ quá trình quét với nguồn sáng dạng mặt phẳng. Do mỗi lần chụp chỉ nhận đợc một đờng cong, l giao tuyến của mặt sáng v mặt vật nên muốn thu đợc hình ảnh ton bộ bề mặt thì phải quét mặt sáng theo phơng thẳng đứng hoặc theo phơng ngang (cho vật quay). Hình 15: Nguyên lý quét dùng nguồn sáng dạng mặt phẳng: quét theo phơng đứng v chi tiết quay tròn GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012) Hình 16 cho thấy camera có thể đợc gắn lên tay máy, điều khiển bằng tay hoặc có thể cầm tay. Camera cầm tay rất linh hoạt, có thể chụp đợc vật rất lớn, nh cánh,vỏ máy bay bằng cách phân mảnh khi chụp v ghép ảnh khi xử lý, hoặc có thể chụp trong không gian hẹp, nh trong cabine ô tô. Hình 16: Camera gắn trên tay máy v camera cầm tay 2.2. Xử lý dữ liệu quét Dữ liệu nhận đợc sau khi quét thờng có dạng đám mây điểm, không tơng thích với các phần mềm CAD. Mặt khác, đay l dữ liệu thô, còn bị phân mảnh, chứa nhiều khuyết tật do loá sáng, bóng tối, che khuất, Hình 17: Ghép mảnh dữ liệu quét Các nhiệm vụ cơ bản của giai đoạn xử lý dữ liệu quét l: - Sửa các khuyết tật: cắt bỏ phần thừa, vá các phần thiếu do nhiễu v lỗi khi chụp; [...]... thống thiết bị, mô phỏng, tính bền kết cấu, khảo sát ứng xử động lực học, sinh v quản lý ti liệu thiết kế, Trong quy trình thiết kế, chế tạo sản phẩm cơ khí, CAD/CAM/CAE l cầu nối từ thế giới ảo sang thế giới thực: xuất dữ liệu v chơng trình, điều khiển các thiết bị sản xuất: máy CNC, robot, máy tạo mẫu nhanh, 2.4 Tạo mẫu nhanh Tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP) chỉ một nhóm các phơng pháp tạo. .. Thân giắc cắm v khuôn tạo bằng phơng pháp SLS Hình 25: Các sản phẩm của phơng pháp 3DP Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012) GS TS Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS Hình 26: Các sản phẩm của phơng pháp Polyjet 2.5 Công nghệ CNC CNC l công nghệ chủ chốt, không thể thiếu để chế tạo các sản phẩm chế tạo máy Trong chuỗi quy trình thiết kế, chế tạo cơ khí, các máy v trung tâm gia công CNC l đầu ra cuối... "khoanh" cắt ra từ mô hình; - Các lớp cứ đợc tạo ra kế tiếp nhau, chồng lên nhau cho đến lớp cuối cùng Hình 20: Phân loại các phơng pháp tạo mẫu nhanh Các phơng pháp trên khác nhau về loại vật liệu sử dụng, phơng pháp tạo các lớp Phân loại các phơng pháp tạo mẫu nhan nh Hình 20 Tên gọi các phơng pháp nh sau: - SLS - Selective Laser Sintering: thiêu kết bằng laser; - 3DP - Three-Dimensional Printing:... truyền thống v tri thức về công nghệ Chúng ta dần dẫn vỡ ra rằng CAD/CAM, CNC dù tiện dụng đến đâu cũng chỉ l các công cụ Công cụ cng sắc bén, cng hiệu quả chỉ khi chúng ta biết dùng chúng thế no Việt Nam đã có một số thiết bị hiện đại, nhng chúng không phát huy đợc hiệu quả do cha đồng bộ, con ngời sử dụng chúng không có nền tảng kiến thức vững về công nghệ v cha đợc đo tạo đến nơi đến chốn Viết theo... nghiên cứu, khai thác, chuyển giao công nghệ mới l hết sức cấp bách Để mang lại hiệu quả cao, xin có vi khuyến nghị mang tính định hớng: - Chọn thiết bị vừa sức, vừa tầm, phù hợp trình độ công nghiệp nớc nh; - Đầu t đa chủng loại v đồng bộ; - Đầu t gắn với đo tạo chuyên gia khai thác, sử dụng, đo tạo v phát triển; - Gắn nghiên cứu, đo tạo với dịch vụ để khai thác có hiệu quả thiết bị, đồng thời có tích luỹ... Nếu các thiết bị số hoá (CMM, camera) có nhiệm vụ chuyển đối tợng từ thế giới thực sang thế giới ảo thì CAD/CAM có nhiệm vụ ngợc lại Vì vậy, CAD/CAM, vốn l công cụ thiết yếu của công nghệ thuận (FE) thì lại trở thnh một trong những mắt xích chủ chốt của RE Ngy nay không có một kỹ s cơ khí no lại không biết về CAD/CAM Thực tế, CAD/CAM/CAE l một lĩnh vực rất rộng lớn, l tập hợp các hệ thống công nghệ vô... khuôn, mẫu (RTooling); chi tiết dùng ngay (R-manufacturing) Ưu điểm chính của RP l: nhanh, thời gian không phụ thuộc độ phức tạp m chỉ phụ thuộc kích thớc vật thể; có thể tạo mẫu phức tạp, bề mặt tự do; tính tự động hóa cao, không đòi hỏi can thiệp, giám sát; dễ thực hiện; giảm chi phí tạo mẫu (không phải lm khuôn, gia công) Nhợc điểm của RP l: độ chính xác, chất lợng bề mặt không cao (cỡ 0,1mm), bậc... các giai đoạn, các phơng pháp cơ bản trong các công nghệ ny, nh RE, RP, CAD/CAM, CNC Mức độ trình by nông sâu về mỗi phơng pháp hon ton không liên quan đến tầm quan trọng, tính phức tạp v lĩnh vực ứng dụng của chúng Trừ CAD/CAM v CNC đã đợc ứng dụng có mức độ trong công nghiệp, còn các công nghệ khác, về căn bản mới đợc khai thác trong nghiên cứu, đo tạo ở các viện nghiên cứu, các nh trờng Thế giới... chiều dy của lớp cần tạo Hình 21: Sơ đồ nguyên lý của phơng pháp SLA Quá trình xảy ra nh sau: - Chùm tia laser hội tụ lần lợt quét vo từng điểm trên bề mặt lớp chất lỏng, hóa cứng (lu hóa, polymer hóa) chất lỏng tại điểm chiếu vo Kết quả l tạo ra một lớp vật liệu cứng có chiều dy tơng ứng với mng chất lỏng ban đầu; - Thanh gạt cán lên mặt vừa tạo ra, gạt bỏ chất lỏng còn lại, tạo ra bề mặt đều, sạch,... dy lớp cần tạo (0,003-0,125mm); - Quá trình tiếp tục, tạo ra một lớp mới dính trên lớp trớc, cho đến khi hon thnh ton bộ - Sau khi tạo hình, ngời ta lm sạch, xử lý bề mặt chi tiết Quá trình ny đợc gọi l hậu xử lý (Postprocessing) Trên Hình 22 l ảnh chụp thiết bị v sản phẩm của SLA Cho đến nay SLA vẫn l phơng pháp chính xác nhất trong số các phơng pháp RP, vì vật liệu ở thể lỏng nên có thể tạo lớp rất . ti liệu báo cáo về sai số 7 Pro En g ineers, UG, Solidworks, Catia v Rhino Mô hình hoá bề mặt v solid Mô hình hoá bề mặt dạng NURBS v solid trên cơ sở các đối tợng cơbanr của CAD GS cho năng suất cao gấp nhiều lần so với kỹ thuật quét. Hình 15 minh hoạ quá trình quét với nguồn sáng dạng mặt phẳng. Do mỗi lần chụp chỉ nhận đợc một đờng cong, l giao tuyến của mặt sáng v. quét; xử lý cơ bản dữ liệu quét 2 ICEM surf, Imageware, các phần mềm CAD thông dụng: UG, Pro/E, Solidworks. Xử lý các đối tợng CAD Tạo các đối tợng cơ bản của CAD (points, contour lines, circles,