Tài liệu Các phương pháp gia công tiên tiến pdf

Những vấn đề này được tập hợp từ qui trình công nghệ tạo mẫu nhanh đến quá trình phân tích giới hạn các bộ phận cấu tạo.trong ứng dụng phân tích động học và động lực học, phần mềm sẽ phâ

Các phương pháp gia

công tiên tiến

I SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

I 1 Giới thiệu:

Việc chế tạo máy tính, nổi bật là máy tính cá nhân (PC) và máy tính mini đã làm thay đổi cácphương thức làm việc ở xí nghiệp Đặc biệt là máy tính đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: thiết kế (CAD-Computer Aided Design) ,chế tạo (CAM- Computer Aided Manufacturing), gia công điều khiển số nhờ máy tính (CNC- Computer Numerical Control) Và hệ thống tạo mẫu nhanh ra đờivới sự tạo mẫu trên môi trường CAD Bảng 1 dưới đây chỉ ra lịch sử của nhiều công nghệ khác nhau

từ việc đánh giá bắt đầu các giai đoạn

Bảng 1

I 2 Khái niệm chung về tạo mẫu nhanh:

Tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping –RP) là công nghệ thiết kế mẫu tự động nhờ quá trình CAD (thiết kế với sự trợ giúp của máy tính) Với những máy in ba chiều cho phép người thiết kế tạo

ra những mấu hữu hình, truyền ý tưởng thiết kế của họ đến công nhân hoặc khách hàng , ngoài ra tạomẫu nhanh còn được sử dụng thiết kế thử những sản phẩm mới

Tất nhiên “nhanh” là một thời gian tương đối thong thường, thời gian tạo ra một mẫu mới mất khoảng 3 -72 giờ phụ thuộc vào độ phức tạp của mẫu So với việc tạo mẫu bằng máy truyên thống thì mất nhiều tuần đến nhiều tháng thì việc tạo mẫu ở đây là nhanh hơn nhiều.Vì vậy, RP giúp các nhà sản xuất nhanh chóng đưa sản phẩm ra thị trường và giảm chi phí sản xuất.đó là ưu điểm nổi bật của quá trình tạo mẫu nhanh

I 3 Ba thời kì của quá trình tạo mẫu nhanh:

Mục đích của công nghệ này là mô hình hoá các ý tưởng thiết kế.như vậy mẫu được làm theo yêu cầu ban đầu của người thiết kế trước khi bắt đầu quá trình sản xuất thực Các hình thức tạo mẫu như:hớt vật liệu, gia công cắt gọt, tạo mẫu khuôn,…với nhiều loại vật liệu như:kẽm, urethanes,

…Do đó , trong phạm vi thí nghiệm thì tạo mẫu nhanh là thích hợp nhất

Bảng tóm tắt các thời kỳ tạo mẫu và tạo mô hình:

Thời kỳ 1:khung tạo toạ độ 2D

 Giữa thập niên 60

 Khuynh hướng:

-Sơ đồ mạch đưa ra trong các bo mạch

Thời kỳ 1: tạo mẫu thô sơ

 Thực hiện cách đây nhiều thế kỷ

 Thực hiện tạo mẫu xem như một nghề khéo léo:

1770194619521960196119631988

Cơ giới hoáMáy tính đầu tiênMáy gia công điều khiển kỹ thuật số tự độngĐầu tiên thương mại hoá thiết bị laserĐầu tiên thương mại hoá robot

Hệ thống sơ đồ tác động tự động

Hệ thống tạo mẫu nhanh tự động

-Qua sát kế hoạch cho từng thành phần

 Công nghệ tạo mâu rất tự nhiên

Thời kỳ 2: mô hình mặt và đường cong 3D

vớ các thiết bị chính xác và các tính chất đặc trưng khác

Thời kỳ 3: mô hình dạng khối

 Từ những năm đầu của thập niên

80

 Các góc, các bề mặt, lỗ được lien

kết với nhau tạo thành chi tiết

 Từ bên ngoài máy tính có thể tính

chính xác các các bộ phận bên

trong của chi tiết tuy nhiên vấn

đề là nó không còn dấu vết trên bề

mặt và các phần giao của bề mặt

và gốc

 Mô hình vẫn chưa được rõ rang

nhưng có độ chính xác cao

Thời kỳ 3: tạo mẫu nhanh

 Từ những năm đầu của thập niên 80

 Lợi ích của việc tạo mẫu nhanh là thực hiện việc tạo mẫu trong thời gian rất ngắn, đây là ưu điểm nổi bật của phương pháp này

 Sản phẩm của tạo mẫu nhanh có thể dung để kiểm tra các mẫu được sản xuất bằng các phương pháp khác

 Thiết bị có thể trợ giúp mẫu trong quá trình sản xuất

I 3 a :Thời kỳ 1: tạo mẫu bằng tay:

Ra đời cách đây vài thế kỷ , các mẫu điển hình không có độ phức tạp cao và chế độ tạo mẫu mất khoảng 4 tuần Phương pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề và thực hiện công việc một cách cực kỳ nặng nhọc

I.3.b:Thời kỳ 2: phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo.

Khoảng đầu thập niên 70, thời kỳ này đã có phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo.Việc ứng dụng CAD/CAE/CAM đã trở nên rất phổ biến phần mềm tạo mẫu sẽ phát hoạ trên máy vi tính những suy tưởng , ý tưởng mới.các mẫu này như là một mô hình vật lý: được kiểm tra, phân tích cũng như đo ứng suất và sẽ được hiệu chỉnh cho phù hợp nếu chúng chưa đạt yêu cầu Thí dụ nhu phân tích ứng suất và sức căng bề mặt chất lỏng có thể dự đoán bởi vì có thể xác định chính xác các thuộc tính và tính chất của vật liệu

Các mẫu trong thời kỳ này trở nên phức tạp hơn rất nhiều so với thời kỳ đầu khoảng trên 2 lần, tức khuynh hướng cho việc tạo mẫu tăng lên khoảng 16 tuần.Việc vận dụng tốt hơn các máy gia công chính xác đã cải thiện tốt hơn các tính chất vật lý của mẫu

Sự tiến bộ trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh trong thời kỳ 3 có sự trợ giúp rất lớn của quá trình tạo mẫu ảo nhưng vẫn còn những giới hạn tồn tại so với công nghệ tạo mẫu nhanh

Các vấn đề đó bao gồm:

 Sự giới hạn về vật liệu (bởi vì các chi phí và cách sử dụng cho từng vật liệu không giống nhau để tạo chi tiết).

 Không có khả năng thực hiện quá tình như những gì ghi trên bản thảo

 Có thể độ tin cậy dữ liệu thấp hay không có

Những vấn đề này được tập hợp từ qui trình công nghệ tạo mẫu nhanh đến quá trình phân tích giới hạn các bộ phận cấu tạo.trong ứng dụng phân tích động học và động lực học, phần mềm sẽ phân tích các tính chất vật lý của nhiều oại vật liệu khác nhau như: thép, nước đá, nhựa, đất sét, hay một số vậtliệu truyền thống khác Phần mềm sẽ tính toán như là trên một mô hình thật sự, điều này có ý nghĩa rất lớn cho quá trình sản xuất- hạn chế phế phẩm

I.3 c :Thời kỳ 3: quá trình tạo mẫu nhanh:

Quá trình tạo mẫu rỗng thích hợp cho việc sản xuất trên bàn nâng hay công nghệ sản xuất lớp, công nghệ này thể hiện quá trình phát triển tạo mẫu trong thời kỳ thứ 3

Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh là một phát minh quan trọng, đã đáp ứng yêu cầu của giới kinh doanh trong thời kỳ này: giảm thời gian sản xuất, độ phức tạp của mẫu tăng, giảm chi phí Mức độ phức tạp của chi tiết tăng lên gấp ba lần mức độ phức tạp mà các chi tiết đã được làm vào những năm của thập niên 70 do người tiêu dung đòi hỏi cao về chất lượng lẫn mẫu mã, Nhờ vào công nghệ tạo mẫu nhanh nên thời gian trung bình để tạo thành một chi tiết chỉ còn lại 3 tuần so với 16 tuần ở thời kỳ thứ 2 Năm 1988, hơn 20 công nghệ tạo mẫu nhanh đã được đưa vào sử dụng

Nền tảng của quá trình tạo mẫu nhanh:

Các phương pháp tạo mẫu nhanh khác nhau nhưng thường có chung một nền tảng cơ sở như sau:

 Mẫu hay một bộ phận chi tiết được thiết kế trên những phần mềm cad và gia công bằng

kỹ thuật số Mẫu phải thể hiện đấy đủ lý tính để có thể sản xuất và phải thể hiện như một mặt kín với kích thước giới hạn rõ ràng Đó là các dữ liệu bên trong, bên ngoài và cả phạm vi giới hạn của mẫu

 Mô hình dạng khối hay mô hình bề mặt dung để tạo ra lớp kế tiếp có thể thay đổi được ở file kích thước “.STL” mà các file này khở đầu các hệ thống 3D file kích thước “ stl” có kích thước gần đúng các bề mặt của mô hình đa giác Các mặt cong bậc cao phải dùng nhiều mô hình đa giác , điều này có nghĩa là các file stl dùng cho các chi tiết mặt cong phải có dung lượng rất lớn Tuy nhiên có một vài hệ thống tạo mẫu nhanh chỉ chấp nhận các dữ liệu IGES để cung cấp chính xác các đặc tính

 Máy tính phân tích file stl để xác định rõ ràng mô hình cho sản xuất và các lớp mỏng trên mặt cắt ngang Bề mặt cắt ngang được tạo ra theo phương pháp hạ dần xuống trong suốt quá trình hoá cứng của chất lỏng hay bột và sau đó hợp thành mẫu 3D Một khả năng khác là bề mặt cắt ngang có thể là lớp mỏng hay ở dạng khối, những lớp mỏng có thể được liên kết với nhau để hình thành nên một mẫu 3D Các phương pháp tạo mẫu tương tự khác cũng có thể dung cho công việc tạo mẫu

Tóm lại, sự phát triển của quá trình tạo mẫu nhanh được thể hiện qua 4 vấn đề quan trọng: cung cấp dữ liệu, các phương pháp, vật liệu và các ứng dụng

 Cung cấp dữ liệu :

Dữ liệu 3D cung cấp được chuyển đến bằng các tín hiệu điện tử theo yêu cầu để mô tả các vấn đề có lien quan đến vật thể Có 2 vấn đề quan trọng: mô hình trên máy hay một mô hình vật thể Hệ thống cad đã tạo ra mô hình trên máy tính, mô hình này có thể ở dạng mặt phẳng hay dạng khối không phải tất cả các mô hình vật thể đều đơn giản, nó yệu cầu thu thập dữ

liệu để đưa ra một phương pháp đối lập.trong công nghệ đối lập này được trang bị đầy đủ như các thiết bị đo toạ độ (cmm) và bộ mã hoá laser.

 Các phương pháp :

Hiện nay đã có hơn 20 nhà sản xuất hệ thống tạo mẫu nhanh, ta có thể phân tích thành một

số cấp bậc sau: xử lý quang hoá (chùm laser đơn, chùm laser đôi và đèn mạ), gia công và dánlien kết, sự nung nóng và sự hoá rắn/sự hoá lỏng và sự lien kết sự bó buộc

 Vật liệu:

Vật liệu có thể ở dạng khối (rắn), dạng lỏng và dạng bột ở dạng khối có các hình thức khác nhau như: viên , dây hay phiến mỏng một số vật liệu đang sử dụng hiện nay là giấy, nilon, sáp, kim loại và đất sét

 Các ứng dụng:

Các ứng dụng có thể phân chia thành từng nhóm như: (1) thiết kế, (2) công nghệ, phân tích

và lập kế hoạch, (3) gia công cắt gọt và sản xuất tạo mẫu nhanh đem lại lợi nhuận khổng lồ trong các lĩnh vực như: vũ trụ không gian, tự động hoá, y-sinh học, điện-điện tử,…

Lợi thế của công nghệ tạo mẫu nhanh:

Các hệ thống tạo mẫu nhanh hiện nay đều là tự động, không gia công, không cần khuôn mẫu mà vẫn có thể chế tạo trực tiếp các chi tiết trong khả năng chất lượng giới hạn các chi tiết được chế tạo từ phương pháp này có độ chính xác cao nhưng chất lượng bề mặt rất kém vì không được gia công đến nguyên công cuối vì thế, các sản phẩm này thường đượcgia công tinh lại bằng phương pháp gia công khác Công nghệ tạo mẫu nhanh rút ngắn thời gian chế tạo một chi tiết rất nhiều và các dữ liệu thiết kế vẫn có thể sử dụng lại nên lợi nhuận

từ công nghệ này rất khổng lồ: lợi nhuận trực tiếp và lợi nhuận gián tiếp

Lợi nhuân trực tiếp từ người thiết kế chế tạo, từ máy gia công và kỹ sư chế tạo.lợi nhuận gián tiếp từ bộ phận tiếp thị và từ khách hàng

II PHÂN LOẠI TẠO MẪU NHANH:

Dựa trên cơ sở vật liệu sản xuất có thể chia thành các ba loại:

 Dựa trên cơ sở chất lỏng

 Dựa trên cơ sở dạng khối

 Dựa trên cơ sở dạng bột

II.1 : TẠO MẪU NHANH DỰA TRÊN CƠ SỞ CHẤT LỎNG:

II.1.1: Khái niệm chung:

Quá trình tạo mẫu dựa trên cơ sở chất lỏng là một quá trình lưu hoá, vật liệu chuyển

đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn một số phương pháp tạo mẫu nhanh dựa trên cơ

sở chất lỏng:

1 Thiết bị tạo mẫu lạp thể SLA

2 Thiết bị xử lý dạng khối cubital (SGC)

3 Thiết bị tạo mẫu dạng khối sony (SCS)

4 Thiết bị laser- tử ngoại tạo vật thể dạng khối misuibishi (SOUP)

5 Thiết bị tạo ảnh nổi của EOS

6 Thiết bị tạo ảnh khối của Teijin Seikils

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

8 SLP của Denken

9 COLAMM của Misui

10 LMS của Fockele và Schwarze.

11 Thiết bị điêu khắc bằng ánh sang

12 Thiết bị hai chùm laser

II.1.2: Phương pháp tạo mẫu lập thể (SLA):

a Nguyên lý hoạt động:

Đầu tiên người ta đặt thiết bị nâng cách bề mặt chất lỏng một khoảng bằng với độ dày của lớp vật liệu đầu tiên (tức là lớp nằm dưới cùng) Sau đó, chùm tia laser sẽ quét bề mặt theo những đường viền của mặt cắt, bên trong đường viền được vạch dấu bằng những vạch song song bằng cách dùng một mẫu vạch Chất lỏng polime sao chép khi bị tác động của chùm tia laser tử ngoại sẽ rắn lại hoặc là được xử lý Bộ phận nâng được dịch chuyển xuống phía dưới, và các lớp sau đó được chế tạo tương tự như vậy các lớp liên kết lại với nhau thành khối Cuối cùng vật thể được lấy ra từ thùng đụng chất lỏng và chất lỏng còn lại thong thường được sử lý trong lò nung đặc biệt

Chùm tia laser làm rắn chất lỏng là HeCd-laser được cho thấy ở góc bên trái của hình 4 dưới đây Chùm laser được dùng để đảm bảo bề mặt của chất lỏng ở vị trí đúng Thanh quét phá sức căng bề mặt giảm tối đa thời gian chế tạo mỗi lớp

Bởi vì chi tiết được tạo thành trong môi trường chất lỏng và bên trong vật thể còn chứa chất lỏng polymer, do đó cần thiết phải thêm các kết cấu trợ giúp để tăng độ cứng chi tiết và để tránh cho phần chi tiết đã được tạo thành chìm trong chất lỏng không bị nổi lên hoặc không

bị trôi nổi tự do ở trong thùng

Thời gian quét chùm tia laser phụ thuộc vào hình dạng hình học của những đường viền, mẫu vạch, tốc độ của tia laser và thời gian bao phủ (thời gian để một lớp của polyme sao chụp chất rắn lại và thời gian để lớp cuối cùng rắn lại)

Göông Thaáu kính

SLA khơng phải là quy trình cơng nghệ duy nhất trên cơ sở tạo mẫu lập thể (tạo hình lập thể) Ngồi ra, SFF cũng tạo mẫu theo nguyên lý này, theo SFF, phương pháp laser

photolithograpy tạo ra những chi tiết bằng vật liệu acrylic hoặc epoxy trực tiếp từ một thùng chất lỏng polymer bằng một tia laser quét qua.Cơ cấu nâng hạ trong thùng một khoảng rất nhỏ (0.254 mm- 2.54 mm) để chĩng đổ vỡ đã đơng kết và việc tạo hình chi tiết được chính xác

b Hệ thống thiết bị tạo mẫu nhanh với vật liệu chất lỏng:

Hầu hết chất lỏng của quá trình tạo mẫu nhanh để sản xuất chi tiết được chứa trong một thùng to chứa chất lỏng, nhựa được sấy khơ hay đơng đặc dưới ánh sáng bức sạ của tia laser Việc sấy khơ nhựa bằng tia laser trên bề mặt định hình làm cho nhựa được tơi lớp bề mặt Một khi lớp bên ngồi của chi tiết được hình thành thì lớp này được hạ xuống bằng một

hệ thống điều khiển cho phép lớp kế tiếp được tạo hình giống như lớp được tạo hình trước

đĩ Cơng việc này cứ tiếp tục cho đến khi kết thúc

Chất lỏng được dẫn vào hệ thống rĩt và chi tiết được chuyển đi xử lý điều này là cần thiết Cĩ nhiều thay đổi trong cơng nghệ này do cĩ nhiều nhà sản xuất và sự thay đổi này phụthuộc vào phương pháp quét laser, sấy khơ nhựa lỏng, kiểu mẫu điển hình và cách sử dụng hệthống quang học

-Máy cong nghệ SLA-250 là loại máy được sử dụng rộng rãi trên thế giới

-Máy cơng nghệ SLA-350 là thế hệ mới của sla, tạo sản phẩm dạng khối ND: YV4 laser và cho năng suất cao hơn 35% so với máy SLA-250 khi cùng tạo một chi tiết

-Máy SLA-500 là đỉnh cao của thiết bị sản xuất 3D, nĩ sử dụng tia laser argon rất mạnh.Bảng tĩm tắt các đặc tính kỹ thuật của hệ thống sla:

Đường kính tia laser (mm) 0,2-0,29 0,2-0,29 0,25 0,2-0,25

Độ phân giải theo đường

thẳng đứng của máy nâng

350.350.400

508.508.580

Khối lượng lớn nhất của chi

Bề dày lớp nhỏ nhất

Kích thước từng đơn vị

(m.m.m) 0,7x1,2x1,6 0,7x1,2x1,6 1,0x1,0x2,0

1,8x1,2x2,0

Nguồn năng lượng cung cấp 115 VAC

200-3 pha,100A/pha

Tất cả các máy đều sử dụng chung một loại vật liệu sản xuất là loại nhựa lỏng được

xử lý để tạo ảnh Chỉ cĩ một vài loại nhựa sử dụng được và khả năng này phụ thuộc vào loại tia laser trên máy và yêu cầu cơ học của chi tiết

d.Các loại nhựa cảm quang polymer:

Cĩ nhiều loại nhựa lỏng tạo hình, chúng sẽ bị hố cứng khi được chiếu tia điện tử bức

xạ, tia gamma, tia X, ….Phần lớn các loại tạo hình bình thường được xử lý trong trong tầm tác dụng của tia tử ngoại Nhựa tạo hình bằng tia tử ngoại là loại nhựa được biết đến từ sự nổ phát quang và gây chất lỏng từ những đơn chức và chúng cĩ thể cĩ chứa một số chất độn và các chất gây biến tính hố học khi gặp điều kiện do những yêu cầu cần thiết của máy

Mẫu tạo thành từ silicon

Cĩ thể định nghĩa nhựa cảm quang polymer là quy trình lien kết các phần tử nhỏ (đơn chất) tạo thành chuỗi phân tử lớn (hợp chất cao phân tử).khi các chuỗi cao phân tử liên kết với chuỗi khác tạo thành một dạng lien kết ngang của polymer Quang hố polymer bắt đầu bằng quang hố domột điểm xuất phát cảm ứng với nguồn năng lượng bức xạ

Sự polymer hố quang hố polymer thường phụ thuộc vào nguồn năng lượng cĩ ích hay là phản ứng phát nhiệt chất xúc tác được đưa vào theo yêu cầu của sự trùng hợp, vào thời gian thích hợp với tỷ

lệ thích hợp

Nguồn gốc của sự phát sinh nguồn năng lượng quang hố là sự nổ phát quang, là phản ứng quang hố photon để tạo ra gốc của chật xúc ta1ccho quy trình polymer hố Một số photon kết

hợp lại tạo nên nổ phát quang và nâng trạng thái kích thích lên cao Một số trạng thái thay đổi gây phản ứng nổ giữa các phân tử, sau khi thay đổi thành phần hoá học làm nguồn năng lượng thay đổi sau đó, các phần tử phản ứng với chuỗi đầu tiên trong bước, phản ứng trong chuỗi truyền đi cho đến khi kết thúc phản ứng trùng hợp mới dừng lại.

Ở thời điểm polymer hoá là rất quan trọng, polymer có đầy đủ các liên kết ngang bởi vì thế các phân tử trùng hợp sẽ không có phản ứng ngược lại tạo chất lỏng đơn chất Do vậy, các dạng phân

tử polymer có liên kết đủ bền để khống chế điều kiện bền của cấu trúc, trong khi nhựa đã được xử lý hoàn tất để có thể chịu những tác động khác nhau

Sự hoá cứng nhự lỏng phụ thuộc vào mật độ năng lượng trên mỗi diện tích hoá cứng (thời gian chiếu sang), trong lúc tiêu điểm nằm trên bề mặt của nhựa trùng hợp Thời gian chiếu sáng phải

đủ để nhựa trùng hợp tạo thành khối cứng Để duy trì được độ chính xác và tính nhất quán trong tạo mẫu bằng phương pah1p SLA, phải xử lý chiều sâu và bề rộng của đường gia công Thông số ảnh hưởng đến năng suất và cấu trúc của mẫu là tính chất lý-hoá của nhựa, tốc độ và độ phân giải của hệ thống quét quang học, nguồn năng lượng, song dài và loại tia laser được sử dụng, kích thước và vị trícủa tia laser, hệ thống bảo vệ và quá trình xử lý vị trí

Sản phẩm và khuôn làm bằng phương pháp SLA

II.1.3 Phương pháp xử lý trên cơ sở khối (SGC):

A Khái quát chung:

Solid Ground Curing (SGC) do Công ty Cubital Ltd (Israel) phát triển

Công nghệ này cũng dựa trên cơ sở của STL: sử dụng tia cực tím và vật liệu chất dẻo cảm quang Điểm khác biệt ở phương pháp này là thực hiện cùng lúc cho tất cả các đối tượng trên 1 lớp, thông qua nhiều đèn chiếu tia cực tím

b Nguyên lý làm việc:

Chi tiết được xây dựng từng lớp một từ vật liệu lỏng photopolymer Loại vật liệu này sẽ bị động cứng dưới tác dụng của tia cực tím Bao gồm các bước được tiến hành như sau:

Chuẩn bị dữ liệu :dữ liệu được tạo từ cao phần mềm thiết kế

Tạo mặt nạ : Mặt nạ này được tạo từ dữ liệu CAD nhập và in trên một nền trong suốt (thủy tinh) bằng phương pháp tĩnh điện, giống như quá trình được sử dụng trong máy photocopy và máy

in laser Một lớp màu đen sẽ phủ lên toàn bộ bề mặt trừ những tiết diện của sản phẩm thể hiện bằng những miền trong suốt phản ánh chính xác mặt cắt ở lớp hiện hành của sản phẩm Lớp màu

đen này cĩ thể xĩa được để tạo mặt nạ cho những lớp vật liệu tiếp theo

Dưới tác dụng của chùm tia tử ngoại xuyên qua tấm thuỷ tinh khi tấm thuỷ tinh di chuyển đến vị trí gần phía trên đỉnh của lớp mỏng chất lỏng polymer và chiếu vào thùng vật liệu bên dưới Phần vật liệu bị chiếu bởi tia tử ngoại sẽ được đơng đặc nhanh chĩng, cùng lúc này hình ảnh trên tấm thuỷ tinh sẽ được xố đi để chuẩn bị cho lớp tiếp theo

Vật liệu dư khơng bị đơng đặc sẽ được thu hồi lại, và khoảng trống xung quanh sản phẩm đang được chế tạo sẽ được điền đầy bằng sáp (wax), cĩ tác dụng như là bộ phận hỗ trợ trong suốt quá trình tạo sản phẩm Để đảm bảo cho quá trình hố rắn nhanh, sáp lỏng được đơng đặc bằng một tấm làm nguội sáp Sau đĩ, đầu phay sẽ làm nhẵn bề mặt sản phẩm và xác định đúng bề dày của một lớp Bộ phận đỡ sản phẩm sẽ dịch xuống đúng bằng chiều dày của một lớp và quá trình được lặp lại cho đến khi hồn thành sản phẩm

c Ưu và nhược điểm của phương pháp SGC

-Phải qua giai đoạn hậu xử lý

-Chi phí vận hành và bảo trì cao

-Phải lấy sáp ra khỏi sản phẩm khi chế tạo xong

d Các lĩnh vực ứng của phương pháp SGC: các ứng dụngcủa GSC được chia thành

-Ứng dụng trong y học: chuẩn đốn, phẫu thuật, thiết kế các bộ phận giả thay thế

Tấm bảo vệ

Bộ phận làm sạch

II.2 TẠO MẪU NHANH DỰA TRÊN CƠ SỞ KHỐI :

II.2.1 Khái niệm chung :

Ngoại trừ các vật liệu dạng bột, các hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu cơ bản dạng khối có lien quan đến tất cả các hình thức vật liệu dạng khối bao gồm các dạng: dây, cuộn, dát mỏng và dạngviên.

Một số phương pháp tạo mẫu nhanh tượng trưng cho phương pháp này:

1 Thiết bị chế tạo vật iệu từng lớp mỏng (LOM).

2 Thiết bị mẫu làm nóng chảy của Stratasy (FDM).

3 Thiết bị dập nóng và chọc chất kết dính của KiRa.

4 Thiết bị tạo mẫu nhanh của Kenergy.

5 Thiết bị tạo mẫu 3D của Multi-Jet.

6 Thiết bị tạo mẫu nhanh của IBM.

7 Thiết bị tạo mẫu cát của công ty Model Maker MM-6B.

8 Sparx AB’S Hot Plot.

9 Tạo mẫu không gian giới hạn của Laser CAMM.

II.2.2 Phương pháp tạo mẫu nhanh Laminate Object Manufacturing (LOM )

Công nghệ tạo mẫu LOM được phát minh bởi Michael Feygin vào năm 1985 và được tung

ra thị trường bởi công ty Helisy

a Nguyên lý làm việc của quá trình LOM : Được thể hiện trên hình vẽ bên dưới.

Đầu tiên, thiết bị nâng (đế) ở vị trí cao nhất cách con lăn nhiệt một khoảng bằng đúng độ dày của lớp vật liệu, tiếp theo con lăn nhiệt sẽ cán lớp vật liệu này, dưới bề mặt của vật liệu có chất kết dính mà khi được ép và gia nhiệt bởi trục lăn nó sẽ giúp lớp này liên kết với lớp trước Hệ thống quang học sẽ đưa tia laser đến để cắt vật liệu theo hình dạng hình học của mô hình đã tạo từ CAD

Vật liệu được cắt bởi tia laser theo đường viền của mặt cắt lát Phần vật liệu dư sẽ được thu hồi bằng con lăn hồi liệu Sau đó đế hạ xuống cấu nâng hạ xuống thấp và vật liệu mới được nạp vào, cơ cấu lại nâng lên chậm đến vị trí thấp hơn chiều cao trước đó, trục cán sẽ tạo liên kết giữa lớp thứ hai với lớp thứ bằng đúng chiều dày lớp vật liệu kế tiếp Chu kỳ này được lặp lại cho đến khi kết thúc

Những vật liệu dư đóng vai trò như cơ cấu phụ trợ để đỡ cho chi tiết Vật liệu dư này cũng được cắt thành những đường ngang dọc (cross-hatch) Những đường giao tuyến song song này làm bong những vật liệu dư để nó được lấy đi dễ dàng sau khi chế tạo

Sau đó, bề mặt của chi tiết có thể được đánh bóng, xi mạ, hoặc sơn phủ theo yêu cầu

b Vật liệu:

Theo nguyên tắc tất cả các vật liệu dạng tấm đều có thể sử dụng cho hệ thống LOM Nhưng thông thường LOM sử dụng nhiều nhất là giấy, plastic, gốm và vật liệu composite

Nguyên lý quá trình tạo mẫu LOM.

Hình 3: Máy tạo mẫu LOM

c Tấm mỏng (tấm kim loại):

Chúng ta có thể kết hợp những tấm kim loại mỏng thành những tấm dày hay mỏng, cùng hay khác vật liệu trong một chi tiết một lợi điểm của phương pháp sử dụng tấm mỏng là chi tiêt chỉ bị cắt chu vi, trong khi hầu hết các phương pháp khác toàn bộ diện tích của chi tiết phải được gia công Do đó, kỹ thuật tấm mỏng có khả năng cho tốc độ sản xuất cao

- Một giải pháp khác là sử dụng những tấm phẳng để chúng tự kết dính với nhau Một phương pháp ít phổ biến hơn dùng rung động rung động có thể chứng minh việc chế tạo trực tiếp những chi tiết kim loại kế tiếp bằng việc tạo mẫu tự do

d Một số đặc điểm kỹ thuật của LOM:

 -LOM-1015 và LOM-2030 đều dùng laser CO2,

 LOM-1015 hoạt động ở cơng suất 25W và LOM-2030 là 50W

Loại vật liệu tấm

Chiều dày vật liệu tấm (mm) Giấy và những vật liệu khác được phủ chất kết dính

Kích thước làm việc (mm) Eùp con lăn nhiệt

Chiều dày lớp nhỏ nhất

Hệ thống điều khiển dữ liệu 1,2 x 0,99 x 1,27 2,08 x 1,47 x 1,42

Nguồn điện Máy 486, MS Window NT, MS-DOS và LOMSlice

- Độ chính xác cao đạt được tốt hơn 0,25 mm Bằng việc cắt vật liệu thay vì hĩa rắn nĩ, hệ thống

cĩ thể bảo vệ được những đặc tính ban đầu của vật liệu

- Tốc độ cao, nhanh hơn các phương pháp tạo lớp khác bởi vì tia laser khơng cắt tồn bộ diện tích

mà chỉ quét theo chu vi bên ngồi Do đĩ, vật liệu dày và mỏng cĩ tốc độ cắt bằng nhau

- Khơng cĩ sự thay đổi pha trong quá trình chế tạo chi tiết nên tránh được độ co rút của vật liệu

- Khơng độc hại và ơ nhiễm mơi trường

- Quá trình chuẩn bị và gia công rất tốn thời gian.

II.3 TẠO MẪU NHANH DỰA TRÊN CƠ SỞ DẠNG BỘT :

II.3.1 Khái niệm chung:

Trong khả năng được giới hạn, dạng trạng thái bột vẫn còn được xem như dạng trạng thái khối tuy nhiên, nó được tạo ra trên ý định là một loại thiết bị không phụ thuộc vào hệ thống thiết bị tạo mẫu nhanh vật liệu trạng thái khối cơ sở

một số phương pháp tạo mẫu nhanh tượng trưng:

1 Thiết bị in laser của DTM (SLS).

2 Thiết bị sản xuất khuôn đúc trực tiếp của Soligen (DSPC).

3 Thiết bị xử lý hoá cứng nhiều giai đoạn của Fraunhofer (MJS).

4 Hệ thống các thiết bị Eosint của EOS.

5 Thiết bị sản xuất công nghệ đường đạn đạo (BPM).

6 Thiết bị sản xuất in 3d của mit (3DP).

Phương pháp này không có tính đồng nhất trong các hệ thống, thể hiện bằng việc một số sửdụng tia laser, trong khi đó một số khác lại sử dụng chất kết dính/keo để đạt mức độ lien kết

II.3.2 Phương pháp thêu kết laser:

II.3.2.A Thiêu kết vật liệu phi kim loại:

Thay vì chất lỏng polymer, bột của những vật lieu khác nhau được phunn lên khắp tấm đỡ (platform) bởi trục lăn Laser sẽ gia nhiệt những vùng hạt để làm nóng chảy các hạt đó, sau

đó làm rắn lại không giống như các phương pháp đã đề cặp ở trên, chỉ có một pha chuyển tiếp, trongquá trình tạo vật thể từ vật liệu dạng bột (sintering) ở đây có 2 pha: từ rắn chuyển sang lỏng rồi lại trở về rắn

A.1 Phương pháp thiêu kết laser chọn lọc SLS (Selective Laser Sintering)

Phương pháp này được phát minh bởi Carl Deckard vào năm 1986 ở trường đại học Texas và được bằng sáng chế 1989, được đưa ra thị trường bởi tập đoàn DTM (được thành lập 1987) Thiết bị đầu tiên được thương mại hoá vào 1992 Đây là một trong những phương pháp đầu tiên và được công nhận sau SLA Phương pháp này cũng dựa trên quá trình chế tạo từng lớp nhưng chất polymer lỏng được thay bằng vật liệu bột

Trong quá trình chế tạo, những phần vật liệu không nằm trong đường bao mặt cắt sẽ được lấy ra sau khi hoàn thành chi tiết, và được xem như bộ phận phụ trợ để cho lớp mới được xây dựng Điều này có thể làm giảm thời gian chế tạo chi tiết khi dùng phương pháp này Phương pháp SLS có thể được áp dụng với nhiều loại vật liệu khác nhau: Policabonate, PVC, ABS, nylon, sáp,… Những chi tiết được chế tạo bằng phương pháp SLS tương đối nhám và có những lỗ hỗng nhỏ trên

bề mặt nên cần phải xử lý sau khi chế tạo (xử lý tinh).

Nguyên lý gia công SLS

b Vật liệu sử dụng:

Polycacbonate (PC), nylon, sáp, bột kim loại (copper polyamide, rapid steel), bột gốm (ceramic), glass filled nylon, vật liệu đàn hồi (elastomer)

A 2 Quá trình tạo mẫu:

Sản phẩm được chia thành các lát cắt từ file định dạng” STL” tạo một lớp bằng cách trải các lớp bột, thiêu kết bằng nguồn laser CO2 theo các bước sau:

Bước 1: Một lớp vật liệu bột nóng chảy được đặt vào buồng chứa sản phẩm

Bước 2: Lớp vật liệu bột đầu tiên được quét bằng tia laser CO2 và đông đặc lại Vật liệu bột

không được xử lý sẽ được đưa trở về thùng chứa liệu

Bước 3: Khi lớp thứ nhất đã hoàn thành thì lớp vật liệu bột thứ hai được cấp vào thông qua

con lăn cơ khí chuẩn bị cho quá trình quét lớp thứ hai

Bước 4: Bước hai và bước ba được lặp lại cho đến khi sản phẩm được hoàn thành.

Sau khi quá trình kết thúc, sản phẩm được lấy ra khỏi buồng xử lý và có thể qua giai đoạn hậu

xử lý hoặc đánh bóng lại như phun cát tùy từng ứng dụng của sản phẩm

Máy Sinterstation 2500plus

Máy Sinterstation HiQ SLS

- Không cần cơ cấu hỗ trợ (Support)

- Giảm sự bóp méo do ứng suất

- Giảm các giai đoạn của quá trình hậu xử lý như chỉ cần phun cát

- Không cần xử lý tinh (Post-curing)

- Chế tạo cùng lúc nhiều chi tiết

Nhược điểm:

- Độ bóng bề mặt thô

- Chi tiết ở trạng thái rỗ

- Lớp đầu tiên có thể đòi hỏi một đế tựa để giảm ảnh hưởng nhiệt (như uốn quăn)

- Mật độ chi tiết không đồng nhất

- Thay đổi vật liệu cần phải làm sạch máy kỹ càng

Một số sản phẩm từ phương pháp thiêu kết laser:

DuraForm

Somos 201

Polyamide

II.3.2.B Thiêu kết vật liệu kim loại:

B.1 Theo FFF: Thiêu kết laser cho vật liệu là kim loại, hợp kim cứng.

a Theo đặc điểm của FFF:

Thiêu kết bằng tia laser là quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ, sự cân bằng nhiệt rất là quan trọng Bột kim loại được bao quanh chi tiết được giữ ở nhiệt độ cố định gần với nhiệt độ nóng chảy Nếu sự chênh lệch giữa chi tiết thiêu kết và vật liệu bao quanh quá lớn, ứng suất sẽ sinh ra và chi tiết thiêu kết bằng laser sẽ bị cong vênh ở các rìa đặc biệt Mặt khác, nếu nhiệt độ của bột bao quanh quá cao nó sẽ bị chảy và không thể tách chi tiết ra khỏi bột kim loại Một vài vật liệu nhạy cảm với

sụ cân bằng nhiệt hơn những loại khác Tóm lại, là sử dụng những vật liệu ít nhạy cảm trong quá trình thiêu kết

Sản phẩm thiêu kết tia laser

b.Khi sử dụng bột tinh

Khi sử dụng bột tinh thì bề mặt hoạt động rộng hơn so với thể tích thể tích vật liệu Khi

bề mặt hoạt động lớn thì có những trở ngại:

 Bột kim loại sẽ phản ứng với oxy và bắt lửa ở nhiệt độ cao

 Vật liệu bị oxy hoá sẽ giảm tuổi thọ

Có thể khắc phục bằng cách:

 Phương pháp thông dụng để lấy oxy là dùng nito, những khí trơ khác hoặc dùng chân không

 Dùng nhiệt, nếu có thể, chúng ta chỉ nung nóng vật liệu mà không cần nung nóng khí quyển xung quanh Vấn đề khó về điều khiển nhiệt độ, ta có thể sử dụng những nguyên tố hiếm, hoặc là sử dụng sự chuyể đổi pha để thực hiện được nhiệt độ mong muốn nếu muốn sử dụng những vùng như nhau cho một vài vật liệu khác nhau, ta điều khiển đường cong nhiệt độ, hoặc làm một phòng trao đổi hoặc là sử dụng một phòng được làm từ những vật liệu nhiều pha Phòng tự tạo cần chứa những vật liệ có điểm nóng chảy gần với nhiệt độ thiêu kết laser.Hình bên dưới thể hiện nguyên lý tạo hình thiêu kết vật liệu kim loại