Tài liệu CÔNG NGHỆ CHO PHÁT TRIỂN NHANH SẢN PHẨM docx

MES Ezine Single Issue I, October 2008 Hoàng Quang Huy (Ezine Team) Công nghệ cho phát triển nhanh sản phẩm www.meslab.org | contact@meslab.org CÔNG NGHỆ CHO PHÁT TRIỂN NHANH SẢN PHẨM Hoàng Quang Huy (MES Ezine) Ngày nay xu thế toàn cầu hóa mạnh mẽ đã khiến cho thị trường tiêu thụ sản phẩm trở nên khắc nghiệt. Các nhà sản xuất không chỉ phải cạnh tranh với các đối thủ nội địa mà còn phải chịu sức ép rất lớn từ các doanh nghiệp nước ngoài. Trong khi đó tính đa nghiệm của bài toán cạnh tranh luôn đặt các nhà sản xuất đứng trước khó khăn để lựa chọn những phương án sản xuất tối ưu. Các đáp số dễ nhận ra là:  Rút ngắn thời gian thiết kế và chế tạo sản phẩm.  Ổn định và nâng cao chất lượng.  Chú trọng tính thẩm mỹ .  Hạn chế chi phí sản xuất.  Giá thành rẻ. Vậy đâu là lời giải cho các vấn đề trên. Đổi mới và áp dụng các công nghệ tiên tiến để phát triển nhanh các sản phẩm là một trong những giải pháp tối ưu. Sau đây là một vài ứng dụng mang lại hiệu quả cao trong sản xuất. Công nghệ tái tạo Công nghệ tái tạo còn được biết đến với cái tên khác nữa là công nghệ ngược hay kỹ thuật ngược (Reverse Engineering). Đây là một quy trình nhằm thiết kế chế tạo lại các sản phẩm dựa theo các nguyên mẫu có sẵn mà không có các tài liệu về thiết kế ban đầu. Hình 1. Phương thức phát triển nhanh sản phẩm Theo sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ tái tạo cho đến nay đã trải qua ba mức độ sau: Thủ công: Nhà sản xuất lấy mẫu sản phẩm bằng cách in mẫu lên các vật liệu mền như: thạch cao, nhựa thông hay các chất dẻo tổng hợp . Ở mức cao hơn, người thiết kế dùng các dụng cụ đo tiến hành đo nhiều lần các kích thước, theo lý thuyết xác xuất sau n lần đo sẽ dựng được đường cong biểu diễn phân bố kích thước theo một đại lượng ngẫu nhiên nào đó. Dựa vào sơ đồ đó, người thiết kế lựa chọn kích Dịch vụ thiết kế web EZ48: Giá mới ưu đãi Qu ảng cáo với Ezine: Dịch vụ EzAds [sale !!!] BKMech: Công ty Cơ điện tử Bách Khoa Quảng cáo của Ezine MES Ezine Single Issue I, October 2008 Hoàng Quang Huy (Ezine Team) Công nghệ cho phát triển nhanh sản phẩm www.meslab.org | contact@meslab.org thước rơi vào miền phân bố chính xác nhất để lấy số liệu cho quá trình thiết kế tiếp theo. Với các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao đặc biệt là các kích thước lắp ghép, căn cứ vào phân tích điều kiện làm việc và giải bài toán chuỗi kích thước để xác định miền dung sai yêu cầu làm cơ sở cho xây dựng bản vẽ chế tạo. Bán tự động: Chi tiết được chụp ảnh hay scan 2D từng mặt, sau đó được chèn/nhập vào môi trường CAD rồi vẽ đè lên các biên dạng để dựng mặt. Mô hình 3D được hình thành sau khi ghép các mặt lại với nhau. Tự động: Kỹ thuật đồ họa phát triển ở mức cao cùng với sự trợ giúp của máy tính đã giúp số hóa nhanh chóng bề mặt chi tiết bằng cách sử dụng các máy đo tọa độ 3D và phần mền thiết kế chuyên dụng. Kỹ thuật ngược có sự trợ giúp của máy tính (CARE – Computer Aided Reverse Engineering) được xem là giải pháp nhanh nhất và hiệu quả nhất để phát triển các dòng sản phẩm khác nhau. Và xét ở mức độ nào đó công nghệ ngược còn là sự “bắt chước” hay “sao chép có cải tiến” mẫu sản phẩm của đối phương nhằm tạo sựu bất ngờ và tăng tính cạnh tranh trên thị trường. Khi đó mẫu sản phẩm được số hóa, dựng lại mô hình 3D và chỉnh sửa lại hình dáng, tối ưu hóa kết cấu để cho ra một series sản phẩm mới thậm trí yếu tố thẩm mỹ và chức năng ưu việt hơn cả nguyên mẫu (sản phẩm mẹ) Chính vì vậy ngày nay, các nhà sản xuất cần đặc biệt bảo đảm yếu tố bảo mật thông tin của sản phẩm mới và rút ngắn chu kỳ sản xuất mỗi dòng sản phẩm để thường xuyên thay đổi mẫu mã. Công nghệ tái tạo theo hướng tự động hóa thường được chia làm 3 giai đoạn là: quét hình (số hóa bề mặt), xử lý dữ liệu và ứng dụng. Hình 2. Các giai đoạn của công nghệ tái tạo theo hướng tự động hóa Giai đoạn quét hình: sử dụng các máy đo tọa độ dạng tiếp xúc (CMM-Coordinate Measuring Machine) hoặc không tiếp xúc (scaner laser) để số hóa bề mặt chi tiết, dữ liệu thu được sau gia đoạn này là tập hợp các điểm (đám mây điểm) của chi tiết. Giai đoạn xử lý dữ liệu: Các gói phần mền chuyên dụng được dùng để xử lý điểm. Đám mây điểm được đa giác hóa để hình thành bề mặt vật thể, cũng có thể người thiết kế tiến hành thiết kế lại theo biên dạng chi tiết để bảo đảm độ chính xác cao hơn và khắc phục các lỗi nảy sinh trong quá trình quét hình. Giai đoạn ứng dụng: Chi tiết có thể được tinh chỉnh, tối ưu hóa quá trình thiết kế bằng các phương pháp phân tích CAE hoặc chuyển sang công đoạn thiết kế khuôn cho sản phẩm và cuối cùng là lựa chọn đầu ra cho quá trình thiết kế. Sản phẩm có thể sản xuất ngay bằng việc chuyển mô hình CAD sang phần mền CAM để lập trình gia công CNC hay chuyển sang file định dạng .STL cho tạo mẫu nhanh. Quy trình xử lý ngược này còn dùng để làm cơ sở cho bộ phận KCS kiểm tra chất lượng sản MES Ezine Single Issue I, October 2008 Hoàng Quang Huy (Ezine Team) Công nghệ cho phát triển nhanh sản phẩm www.meslab.org | contact@meslab.org phẩm, đánh giá độ chính xác về hình dáng hình học và kích thước gia công so với nguyên mẫu. Công nghệ mô phỏng Mô phỏng trong sản xuất là quá trình giả lập trạng thái của chi tiết trong những điều kiện nhất định nhằm kiểm tra đánh giá mức độ làm việc và độ tin cậy của chi tiết sau khi thiết kế. Ngày nay với sự hỗ trợ của máy tính, mô phỏng kỹ thuật giúp tiết kiệm đáng kể chi phí cho việc thử nghiệm và đánh giá sản phẩm mới. Các lĩnh vực mô phỏng trong cơ khí bao gồm: Mô phỏng chuyển động và lắp ghép: Nhằm đánh giá sơ bộ mức độ hoàn thiện của quá trình thiết kế, nguyên lý hoạt động của chi tiết trong một cụm chi tiết hay của toàn bộ cụm chi tiết. Mô phỏng này có tính trực quan cao giúp bộ phận thiết kế sản phẩm cụ thể hóa nội dung và ý tưởng thiết kế, làm cơ sở cho các báo cáo thuyết trình nghiệm thu sản phẩm. Mô phỏng gia công: Đây là quá trình xem xét vận hành chế tạo sản phẩm trên máy CNC. Qua đó phát hiện ra các lỗi lập trình gia công, tối ưu hóa đường chạy dao, lựa chọn điểm lùi dao hợp lý để giảm thời gian chạy không. Mô phỏng phân tích kỹ thuật: Kỹ thuật có sự trợ giúp của máy tính (CAE – Computer Aided Engineering) đã trở thành một công cụ vạn năng cho các nhà thiết kế. Đây là kỹ thuật sử dụng các thuật toán được lập trình sẵn trên các gói phần mền để phân tích đối tượng hình học CAD, nghiên cứu các ứng xử của chi tiết trong những trường tác động khác nhau khi làm việc, từ đó người thiết kế có thể tinh chỉnh, tối ưu hóa sản phẩm và qua đó lựa chọn sát nhất các hệ số thiết kế mà vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật nhằm tiết kiệm tối đa chi phí chế tạo. Các lĩnh vực áp dụng CAE thường thấy gồm: o Mô phỏng khí động lực học o Phân tích chuyển vị và ứng suất o Phân tích dòng chảy và truyền nhiệt Hình 3. Mô phỏng khí động học Quá trình phân tích kỹ thuật gồm 3 bước sau: Tiền xử lý: Đưa các thông số đầu vào cần thiết để giải tích, định nghĩa các phần tử hữu hạn trong model và các thông số vùng biên, các thông số môi trường. Phân tích (xử lý): Các thuật toán xử lý đã được lập trình sẵn nên gia đoạn này chủ yếu do phần mền tự động tính toán, người sử dụng chỉ thao tác trên các công cụ có sẵn theo yêu cầu của công việc. Hậu xử lý: Phân tích hình ảnh hay các thông số kết quả phần mền đưa ra. Nhà thiết kế dựa vào đó để đánh giá mức độ đạt được theo yêu cầu. Nếu chưa được thì quá trình lặp lại từ bước 1 bằng việc thay đổi các thông số đầu vào để phần mền chạy lại. Công nghệ tạo mẫu nhanh Tạo mẫu nhanh (RP – Rapid Prototyping) là quá trình tạo mẫu trên môi trường CAD nhờ các máy “in ba chiều”, cho phép người thiết kế tạo ra sản phẩm nhanh hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống khác. Đây có thể coi là giai đoạn cuối cùng của quá trình thiết kế, MES Ezine Single Issue I, October 2008 Hoàng Quang Huy (Ezine Team) Công nghệ cho phát triển nhanh sản phẩm www.meslab.org | contact@meslab.org mẫu sản phẩm chính là mô hình vật lý cụ thể hóa một cách chính xác ý tưởng của nhà thiết kế. Mẫu được tạo nên bằng các vật liệu dạng lỏng, bột hay dạng khối, Nguyên lý chung là dải dần từng lớp một theo mặt cắt ngang, sau đó hóa cứng để tạo nên hình khối 3D. Tùy theo vật liệu, mẫu được tạo thành qua quá trình cắt và dán, nóng chảy và đông đặc hay thiêu kết bằng laze. Hình 4. Minh họa so sánh thời gian giữa gia công CNC và tạo mẫu nhanh Trong công nghiệp cơ khí, tạo mẫu nhanh được sử dụng trong các lĩnh vực sau đây: Tiếp thị: Tạo mẫu nhanh được sử dụng rất hiệu quả trong giai đoạn tiếp thị giới thiệu sản phẩm. Mô hình vật lý là một công cụ truyền đạt thông tin hoàn hảo. Tính trực quan của một mô hình vật lý của sản phẩm mới sẽ có sức thuyết phục hơn nhiều một bản vẽ thiết kế đối với khách hàng. Các thống kê cho thấy tạo mẫu nhanh sẽ tiết kiệm được 30% – 50% chi phí cho việc giới thiệu sản phẩm mới cho đối tác. Và một điều quan trọng nữa là tăng cường độ tin cậy của khách hàng trong việc lựa chọn và định giá sản phẩm. Tạo dữ liệu đầu vào cho các nhà cung cấp dụng cụ gia công sản phẩm: Khi khách hàng đã đồng ý lựa chọn sản phẩm, giai đoạn tiếp theo là sản xuất hàng loạt sản phẩm. Mô hình sản phẩm từ tạo mẫu nhanh chính là cơ sở để các nhà cung cấp dụng cụ cắt nghiên cứu và cung cấp chủng loại dao phù hợp, thậm trí những loại dao cắt tổ hợp mang tính chuyên dụng sẽ được thiết kế để gia công loạt sản phẩm này. Đây chính là điều kiện căn bản để tăng năng suất gia công và giảm giá thành đầu vào cho sản phẩm mới. Tạo công cụ sản xuất: Hai ứng dụng phổ biến là chế tạo điện cực gia công xung điện và tạo khuôn vỏ mỏng. Dụng cụ gia công xung điện ở đây thường được thiết kế cho việc gia công các khuôn mẫu chính xác có kết cấu phức tạp, mục đích là để rút ngắn thời gian chế tạo và bảo đảm độ chính xác. Bên cạnh đó khuôn vỏ mỏng thích hợp cho đúc những chi tiết hợp kim kích thước vừa và nhỏ, có yêu cầu độ chính xác cao, thành mỏng và có mép sắc. Phân tích thiết kế: Tạo mẫu nhanh là cơ sở để kiểm tra dữ liệu từ mô hình CAD, nhất là các lỗ lệch tâm, phần giao nhau giữa các khối, các đường gân, các vùng biên dạng đối tiếp và những lỗi có thể quên trong khi thiết kế mô hình CAD. Đôi khi những lỗi này khó mà phát hiện ra trong mô hình CAD nhưng lại dễ dàng thấy được từ mô hình vật lý tạo mẫu nhanh. Hình 5. Một số mẫu in 3D theo công nghệ phun PolyJet (hãng OBJET) Lựa chọn trang bị công nghệ: Hiện nay trên thị trường, trang thiết bị sử dụng cho các công nghệ trên cũng khá đa dạng. Các doanh nghiệp căn cứ vào quy mô sản xuất và MES Ezine Single Issue I, October 2008 Hoàng Quang Huy (Ezine Team) Công nghệ cho phát triển nhanh sản phẩm www.meslab.org | contact@meslab.org mục đích sử dụng để lựa chọn đầu tư một cách phù hợp. Ngoài các gói phầm mền chuyên dụng và quen thuộc như : autocad (thiết kế), Master Cam (gia công), Ansys (phân tích kỹ thuật)…, còn lại đa số các hệ cad/cam khác đều tích hợp các modul phục vụ cho các quá trình từ thiết kế đến phân tích kỹ thuật và lập trình gia công sản phẩm trên máy CNC. Các đầu dò tọa độ 3D trên trung tâm gia công cũng có thể được dùng để số hóa tọa độ bề mặt các chi tiết phục vụ cho công nghệ tái tạo. o Các phần mền CAD/CAM tương đối mạnh và đa chức năng: Pro/ Engineer, Catia, Unigraphic,… o Phần mền thiết kế ngược, xử lý dữ liệu số hóa, kiểm tra sản phẩm: Rapid Form (XOR, XOV, XOS), Geomagic… o Máy quét laser 3D :Vivid (910, 9i), Range7,… o Máy tạo mẫu nhanh: dòng máy in 3D Edden hãng OBJET, máy tạo mẫu nhanh SLS HRPS-IV của hãng BINHU,… Tài liệu tham khảo 1. Kỹ thuật ngược – Nguyễn Văn Tường, Tạp chí máy móc và công cụ Việt Nam 2. Rapid Prototyping and Engineering Applications – Frank W.Liou, CRC press 3. http://www.2objet.com Bản quyền nội dung:  Bài viết này do Hoàng Quang Huy, Ban Biên Tập MES Ezine viết. Bài viết được MES Ezine biên tập, design và phát hành miễn phí cho độc giả của MES Ezine.  MES Ezine không khuyến khích việc phát hành lại nội dung trong bài viết mà không kèm theo ghi chú tên tác giả và đường link http://meslab.org . Ghi chú:  Bài viết có thể đi kèm 1 vài dòng text nhỏ quảng cáo cho các dịch vụ của MES Ezine.  Mọi chi tiết về các dịch vụ khác của Ezine, bao gồm dịch vụ quảng cáo trên Tạp chí điện tử và dịch vụ xây dựng website, xin vui lòng xem tại http://ezine.meslab.org  Mọi thắc mắc hoặc tin nhắn có thể gửi đến email: contact@meslab.org hoặc gọi điện thoại đến số máy 04 296 2810 (hotline 097 969 2810). Chúng tôi sẽ liên lạc lại trong thời gian sớm nhất. MES Ezine - Trang tin điện tử chuyên ngành cơ khí - vật liệu - luyện kim - tự động hóa - máy móc - công cụ - thiết bị công nghiệp số 1 tại Việt Nam . Quang Huy (Ezine Team) Công nghệ cho phát triển nhanh sản phẩm www.meslab.org | contact@meslab.org CÔNG NGHỆ CHO PHÁT TRIỂN NHANH SẢN PHẨM Hoàng Quang Huy. các sản phẩm dựa theo các nguyên mẫu có sẵn mà không có các tài liệu về thiết kế ban đầu. Hình 1. Phương thức phát triển nhanh sản phẩm Theo sự phát triển