Đây là bước đầu tiên trong quá trình tạo mẫu nhanh, áp dụng cho tất cả các hệ thống tạo mẫu nhanh khác nhau, nó gắn liền với việc tạo mô hình 3D của vật thể thiết kế bằng máy tính. Để tạo ra mô hình vật thể thiết kế, người thiết kế có thể xây dựng mô hình nhờ phần mềm CAD, Scaner hoặc tạo dựng vật thể theo toạ độ mà máy đo toạ độ cung cấp. Quá trình này giống hệt nhau đối với các loại kỹ thuật RP khác nhau. Đây là bước quan trọng nhất và quyết định đến chất lượng và độ chính xác của sản phẩm.
2.2.2 Chuyển đổi sang định dạng STL (Conversion to STL format):
Các phần mềm 3D khác nhau sử dụng thuật toán khác nhau để thể hiện vật thể rắn (Solid part), để thiết lập tính thống nhất - định dạng STL đã được áp dụng như là tiêu chuẩn của ngành công nghiệp tạo mẫu nhanh. Định dạng này là quỹ tích của các mặt tam giác phẳng lắp ráp liên tục với nhau thể hiện bề mặt của vật
thể trong không gian ba chiều. Do định dạng STL sử dụng các yếu tố mặt phẳng (planar triangles) nên nó không thể hiện bề mặt cong một cách chính xác. Tăng số lượng mặt tam giác có thể cải thiện độ mịn của bề mặt cong nhưng bù lại dung lượng file sẽ tăng. Các chi tiết lớn, phức tạp sẽ cần nhiều thời gian cho khâu tiền xử lý và xây dựng định dạng STL. Do đó, người thiết kế phải cân nhắc giữa yếu tố thời gian, dung lượng file và độ chính xác để có được một file STL hữu ích.
2.2.3 Cắt file STL (Slice the STL file):
Trong bước này, một chương trình xử lý file STL sẽ được xây dựng, một số chương trình có sẵn và hầu hết cho phép người dùng điều chỉnh kích thước, vị trí và hướng đặt để mô hình.
Xác định hướng đặt là quan trong với nhiều lý do:
- Tính chất của mẫu tạo thành sẽ thay đổi tương đồng với phương hướng đặt để. Ví dụ: mẫu sẽ yếu hơn và ít chính xác hơn theo phương Z so với phương XY
- Hướng đặt mô hình quyết định thời gian xây dựng mô hình. Vì thế nên đặt phương ngắn nhất của vật thể theo hướng Z của thiết bị để giảm số lượng các lớp do đó rút ngắn thời gian xây dựng mô hình.
- Mổi lát cắt (layer) có bề dày dao động từ 0.016mm đến 0.7mm tùy theo công nghệ khác nhau. Hiện tại, công nghệ Polyjet của Objet/Stratasys có thể đạt bề dày lớp cắt 0.016mm
Chương trình cũng đồng thời tạo ra một cấu trúc phụ trợ để hổ trợ các mô hình trong quá trình xây dựng. Nó hỗ trợ hữu ích cho các tính năng của mô hình như: phần nhô ra không chân (beam); lỗ hỗng bên trong và phần vách mỏng. Mổi nhà sản xuất máy Print 3D cung cấp độc quyền phần mềm của riêng mình.
Để quá trình chế tạo được tốt thì phải định hướng chế tạo. Một quá trình định hướng chế tạo hợp lý có thể nâng cao được độ chính xác chi tiết và giảm thời gian chế tạo chi tiết do đó giảm được giá thành sản phẩm. Định hướng chế tạo phụ thuộc vào mục tiêu lựa chọn, có nhiều mục tiêu như: Chiều cao chế tạo, chất lượng bề
mặt, việc chế tạo các phần nâng đỡ sản phẩm, …
2.2.4 Chế tạo
Đây là giai đoạn polyme hoá nhựa hay thiêu kết vật liệu và kết quả cuối cùng một vật thể 3D được tạo ra. Tuỳ theo phương pháp gia công việc chế tạo được thực hiện với phần cứng và phần mềm với vật liệu thích hợp. Nhưng quá trình chế tạo vẫn tuân theo nguyên tắc gia công vật liệu theo từng lớp, lớp này kế tiếp lớp kia. Vật thể được hình thành có thể theo cách bồi đắp vật hay tách bỏ vật liệu theo lớp. Kết cấu đỡ được chế tạo trước hoặc được chế tạo cùng với chi tiết. Tuỳ theo phương pháp, sau mỗi lớp bàn đỡ được hạ xuống hoặc nâng lên để gia công lớp tiếp theo. Các chuyển động của bàn đỡ và dụng cụ đều được lập trình và điều khiển bằng máy tính.
2.2.5 Loại bỏ vật liệu thừa, hoàn thiện và làm sạch vật thể chế tạo
Loại bỏ vật liệu thừa: Sau khi kết thúc quá trình chế tạo, vật liệu thừa (bột thừa
trong phương pháp thiêu kết, nhựa lỏng thừa, các lớp vật liệu đã được cắt bỏ trong phương pháp LOM …) được lấy đi khỏi vùng gia công. Vật thể sau khi chế tạo được lấy ra khỏi vùng gia công và được làm sạch bằng các phương pháp như phun khí, rửa, sửa và làm sạch bằng phương pháp cơ khí.
Xử lý sau chế tạo: Trong một số công nghệ tạo mẫu nhanh, vật thể sau chế tạo mới
chỉ được thiêu kết hay polyme hoá một phần nên chưa đạt được các chỉ tiêu cao nhất vềcác tính chất cơ lý hoá… nên cần phải có các bước xử lý tiếp theo tuỳ theo phương pháp chế tạo. Vật thể sau khi được tạo hình có thể được thiêu kết hoànthiện hoặc nhúng vào nhựa hay cao su để tiến hành polyme hoá hay lưu hoá để đạt yêu cầu đặt ra.
Hoàn thiện chi tiết: Tuỳ theo mục đích sử dụng, có thể dùng nhiều mức hoàn thiện
chi tiết nhằm mô hình hoá quan sát và mô hình hoá khái niệm, chỉ cần loại bỏ các chân đỡ là được. Để linh hoạt và tối ưu hơn có nhiều phương pháp hoàn thiện như bằng tay, phun các hạt có kích thước nhỏ, hay biện pháp tích hợp cả hai phương pháp trên. Các chi tiết cũng có thể được đánh bóng, sơn hay phủ kim loại.
2.3. Các công nghệ tạo mẫu nhanh
2.3.1. Các công nghệ tạo mẫu nhanh sử dụng vật liệu ở dạng lỏng
a. Hoá rắn polime lỏng cảm quang
- Phương pháp này được xây dựng dựa trên hiện tượng một số loại polime lỏng bị hoá rắn dưới tác động của bức xạ điện từ: VD: như tia tử ngoại, tia laze…
- Chi tiết có thể được xây dựng bằng cách hoá rắn từng điểm hoặc hoá rắn toàn bộ lớp.
- Phương pháp này được áp dụng khá phổ biến.
b. Hoá rắn vật liệu nóng chảy
- Đây là phương pháp dựa trên việc làm chảy và hoá rắn lại vật liệu chế tạo chi tiết. - Phương pháp này có 2 dạng chính đó là lắng đọng vật liệu nóng chảy
tại các điểm và hoá rắn vật liệu cả lớp cùng lúc.
c. Một số phương pháp tạo mẫu nhanh dựa trên cơ sở vật liệu dạng lỏng + Thiết bị tạo mẫu lập thể SLA của 3D Systems
+ Thiết bị xử lý dạng khối SGC của Cubital
+ Thiết bị tạo mẫu nhanh dạng khối SGS của Sony
+ Thiết bị in sử dụng tia tử ngoại tạo vật thể dạng khối SOUP của Misuibish . + Thiết bị tạo ảnh nổi của EOS
+ Thiết bị tạo ảnh khối của Teijin Seiki
+ Thiết bị tạo mẫu nhanh của Meiko cho ngành công nghiệp đồ trang sức. + Thiết bị tạo mẫu nhanh SLP của Denken.
+ Thiết bị tạo mẫu nhanh COLAMM của Mitsui.
+ Thiết bị tạo mẫu nhanh LMS của Fockele và Schwarze. + Thiết bị điêu khắc bằng ánh sáng
+ Thiết bị hai chùm tia laser
• Các phương pháp này tạo chi tiết bằng cách liên kết các hạt dạng bột với nhau bằng tia Laze hay bằng vật liệu kết dính riêng. Có 3 phương pháp được dùng phổ biến hiện nay khi tạo chi tiết dạng bột là:
+ Thiêu kết có chọn lọc bằng bằng Laze. + Tạo hình dạng lưới bằng kỹ thuật Laze. + Sử dụng công nghệ in 3 chiều.
• Một số phương pháp tạo mẫu nhanh tượng trưng cho phương pháp này: + Thiết bị tạo lớp mỏng LOM của Helisys
+ Thiết bị phun nhiều lớp FDM của Stratasys
+ Thiết bị dập nóng có sử dụng chất liên kết SAHP (của KiRa. + Thiết bị tạo mẫu nhanh của Kinergy.
+ Thiết bị tạo mẫu nhiều đầu phun MJM của 3D System + Hệ thống tạo mẫu nhanh RPS của IBM.
+ Thiết bị tạo mẫu MM-6B của công ty Sanders Prototype + Thiết bị tạo mẫu nhanh Hot Plot của Sparx AB’s
+ Thiết bị tạo mẫu nhanh Laser CAMM của Scale Model Unlimited
2.3.3. Các công nghệ tạo mẫu nhanh sử dụng vật liệu ở dạng tấm
• Các phương pháp này tạo chi tiết bằng cách sử dụng tia Laze hay vật liệu kết dính liên kết các tấm mỏng với nhau. Có 3 phương pháp được dùng hiện nay khi tạo chi tiết dạng tấm:
- Gia công vật liệu dạng tấm mỏng. - Tạo hình dùng tấm giấy.
- Polime hoá các lá vật liệu rắn. • Dựa trên cơ sở dạng bột
+ Thiết bị thiêu kết bằng laser SLS của DTM
+ Thiết bị đúc khuôn vỏ mỏng trực tiếp DSPC của Soligen
+ Thiết bị định hình nhiều giai đoạn hoá cứng MJS của Fraunhofer + Hệ thống các thiết bị EOSINT của EOS.
+ Thiết bị in ba chiều 3DP của MIT
+ Hệ thống tạo mẫu công nghệ SLS của 3D system
2.4. Dữ liệu đầu vào trong công nghệ tạo mẫu nhanh
Dữ liệu đầu vào quan trọng nhất cần thiết cho công nghệ tạo mẫu nhanh là dữ liệu về biên dạng của mô hình cần chế tạo. Ngoài ra còn cần các thông tin khác như dung sai, chất lượng bề mặt, vật liệu gia công, phương pháp và thông số gia công. Dữ liệu về mô hình chủ yếu ở các dạng sau:
- Mô hình bề mặt (Surface).
- Mô hình khối rắn (Solid).
- Dữ liệu dạng điểm. - Dữ liệu dạng toán học. - Dữ liệu dạng hình ảnh. - Dữ liệu lớp cắt.
2.5 Ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh
2.5.1 Đúc khuôn vỏ mỏng
Từ mô hình hóa CAD, công nghệ tạo mẫu nhanh giúp tạo ra một mẫu có kích thước đã chọn. Sau đó người ta tạo được áo khuôn silicon một cách chính xác từ mẫu đã tạo ra trước đó. Áo khuôn silicon đó đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình đúc khuôn vỏ mỏng.
Đúc khuôn vỏ mỏng, thường được gọi là đúc sáp, là một quá trình đúc chính xác để chế tạo là những chi tiết hình dáng săc cạnh từ các hợp kim. Mặc dù đã có một lịch sử phát triển khá lâu đời từ công nghệ chế tạo, nhưng trong thời gian gần đây phương pháp đúc khuôn vỏ mỏng mới được sử dụng để chế tạo chi tiết có hình dáng phức tạp và có thành mỏng. Hiệu quả chủ yếu khi áp dụng phương pháp tạo mẫu nhanh trong công nghệ đúc khuôn vỏ mỏng là khả năng tạo ra mẫu có độ chính xác cao, chi phí thấp và thời gian để tạo mẫu ngắn.
Hình 2.4: khuôn đúc silicon và tượng sáp .
2.5.2 Chế tạo dụng cụ
Hình 2.5: dụng cụ chế tạo khuôn phun bằng FDM.
Người ta ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong chế tạo dụng cụ như điện cực trong gia công tia lửa điện, chế tạo các khe hở hoặc ruột của khuôn phun nhựa, ống dẫn hệ thống điều hòa nhiệt độ…..
2.5.3 Tạo mẫu nhanh trong chế tạo sản xuất
Tạo mẫu nhanh có thể được sử dụng cho chế tạo sản phẩm. Cùng một sản phẩm như nhau có thể có các động cơ khác nhau và những nét kỹ thuật khác nhau.
Các nét kỹ thuật khác nhau có thể đơn giản như sự khác nhau về vật liệu, nút bấm, phích cắm điện, hay là màu sắc hoặc cũng có thể phức tạp như sự khác nhau ở cấu tạo bên trong. Những khác biệt đó là cần thiết để phục vụ cho yêu cầu riêng của người sử dụng hoặc để phân biệt nó. Thêm nữa thời gian tồn tại của sản phẩm đang trở nên ngắn hơn buộc người thiết kế phát triển những sản phẩm mới trong một khoảng thời gian ngắn. Trong quá trình phát triển, một vấn đề gặp phải là sự lựa chọn một trong hai việc là: kéo dài thời gian phát triển hoặc tăng nguồn lực sản xuất để cho kịp thời hạn. Trong hoàn cảnh như vậy, thời gian bán sản phẩm trở thành nhân tố quyết định khả năng lợi nhuận.
Thực trạng này đòi hỏi những thay đổi như thế nào trên sản phẩm được phát triển. Các nhóm khác nhau như: nhóm thiết kế, kỹ thuật, tiếp thị và nhóm sản xuất phải hợp tác chặt chẽ hơn nữa cùng hướng về một mục tiêu chung và hoạt động thống nhất với nhau. Mục tiêu phải rõ ràng cho các nhóm có liên quan. Nếu sự cộng tác có hiệu quả sẽ tránh được những vấn đề trong việc truyền đạt thông tin. Tạo mẫu nhanh cho một mô hình vật lý có thể sử dụng được ngay như là một mô hình CAD 3D có sẵn. Mô hình vật lý là một công cụ truyền đạt thông tin hoàn hảo. Nếu hình ảnh bằng một ngàn lời nói thì mô hình vật lý bằng một ngàn hình ảnh. Thêm nữa các vật thể chế tạo bằng tạo mẫu nhanh ngày càng được sử dụng thường xuyên để kiểm tra chức năng và có thể kiểm tra trước khi sản xuất hàng loạt. Bằng cách đó người ta có thể kịp thời phát hiện các lỗi ở giai đoạn khi mà sự thay đổi chưa tốn kém lắm. Những yêu cầu tinh tế và dễ hiểu hơn dẫn tới những sản phẩm tốt hơn, đáp ứng được đòi hỏi của thị trường. Người ta ước lượng nếu việc sử dụng phương pháp tạo mẫu nhanh có hiệu quả, thời gian phát triển cho các công cụ có thể giảm một nửa.
2.5.4. Ứng dụng tạo mẫu nhanh trong y học
Ứng dụng phương pháp tạo mẫu nhanh trong y học là một lĩnh vực mới. Nhiều ứng dụng đã trở nên rất quan trọng do sự hội tụ của ba công nghệ riêng biệt đó là: hình ảnh nội soi, đồ họa điện toán, CAD và tạo mẫu nhanh. CT (Computer-
hình ảnh để giải quyết tốt những cấu trúc bên trong của cơ thể con người. Ví dụ các cấu trúc của xương và các cơ quan. Những hình ảnh này được xử lý bằng những công cụ phần mềm thích hợp. Nó có thể chuyển kết quả cho qui trình tạo mẫu nhanh và tạo ra vật thể vật lý, mô hình này được gọi là mô hình y học.
Công nghệ này cung cấp cho bác sĩ và nhà phẫu thuật những công cụ mới. những mô hình vật lý của cấu trúc bên trong là cơ sở để hội chẩn và chuẩn bị cho những trường hợp phẫu thuật phức tạp một cách tốt hơn. Nếu những cuộc phẫu thuật có thể thực hiện thành công nhiều hơn thì chi phí điều trị và chi phí mổ giảm xuống, them nữa nó sẽ giảm được những rủi ro, giảm được nỗi đau đớn của người bệnh, cải thiện chất lượng của kết quả công việc.
Hình 2.6: Mô hình các bộ phận nhân tạo
Hình 2.7 : kiểm tra chất lượng sản phẩm qua mô hình.
Dựa vào mô hình 3D rất khó để đảm bảo sản phẩm khi sản xuất ra sẽ đáp ứng được các yêu cầu về thao tác làm viêc, lắp ghép… đặc biêt với các chi tiết cam, trục lệch tâm hay khớp nối, cần điều khiển… Tạo mẫu nhanh sẽ giúp các kỹ sư và nhà thiết kế xử lý những vấn đề đó. Công nghệ tạo mẫu nhanh hiện nay có thể “in 3d” các chi tiết lắp ghép, thậm chí với nhiều màu sắc khác nhau.
2.5.6 Tiếp thị sản phẩm
Sản phẩm tạo mẫu nhanh hoàn toàn có khả năng thể hiện màu sắc cũng như tương quan lắp ghép. 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.
Hình 2.8: Mô hình nhà và động cơ để tiếp thị sản phẩm.
CHƯƠNG III: MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH ĐIỂN HÌNH
3.1 Công nghệ tạo mẫu nhanh SLA – tạo mẫu lập thể