Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering) 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.
Hình 33:Máy tạo mẫu nhanh SLS
Nguyên lý làm việc:
Hình 3.4:Nguyên lý hoạt động của phương pháp SLS
Phương pháp SLS sử dụng tính chất của vật liệu bột là có thể hóa rắn dưới tác dụng của nhiệt (như nylon, elastomer, kim loại). Một lớp mỏng của bột nguyên liệu được trải trên bề mặt của xy lanh công tác bằng một trống định mức. Sau đó, tia laser hóa rắn (kết tinh) phần bột nằm trong đường biên của mặt cắt (không thực sự làm chảy chất bột), làm cho chúng dính chặt ở những chỗ có bề mặt tiếp xúc.
Trong một số trường hợp, quá trình nung chảy hoàn toàn hạt bột vật liệu được áp dụng. Quá trình kết tinh có thể được điều khiển tương tự như quá trình polymer hoá trong phương pháp tạo hình lập thể SLA. Sau đó xy lanh hạ xuống một khoảng cách bằng độ dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu được đưa vào và quá trình được lặp lại cho đến khi chi tiết được hoàn thành.
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). 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).
* 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 :
- Một lớp vật liệu bột nóng chảy được đặt vào buồng chứa sản phẩm.
- Lớp vật liệu bột đầu tiên được quét bằng tia laser CO2 và đông đặc lại và vật liệu bột không được xử lý sẽ được đưa trở về thùng chứa liệu.
- Khi lớp thứ nhất đã hoàn thành thì lớp vật liệu bột thứ hai được cấp và thông qua con lăn cơ khí chuẩn bị cho quá trình quét lớp thứ hai.
- 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.
* Một số ưu, nhược điểm của phương pháp SLS.
- Ưu điểm :
+ Số lượng vật liệu đưa vào quá trình cao giúp cho quá trình tạo mẫu nhanh chóng. + Vật liệu đa dạng, không đắt tiền.
+ Vật liệu an toàn.
+ 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 + Mật độ chi tiết không đồng nhất.
+ Thay đổi vật liệu cần phải làm sạch máy kỹ càng. 3.3Công nghệ tạo mẫu nhanh LOM
Công nghệ tạo mẫu LOM (Laminate Object Manufacturing ) được phát minh bởi Michael Feygin vào năm 1985 và được tung ra thị trường bởi công ty Helisy.
Hình 3.5: Nguyên lý hoạt động của phương pháp LOM
Nguyên lý làm việc:
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. 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
* Một số ưu nhược điểm của phương pháp LOM.
- Ưu điểm:
+ Vật liệu đa dạng, rẻ tiền. Về nguyên tắc có thể sử dụng các loại vật liệu: giấy, chất dẻo, kim loại, composites và gốm.
+ Độ chính xác cao đạt được tốt hơn 0,25 mm. Bằng việc cắt vật liệu thay vì hóa rắn nó, hệ thống có thể bảo vệ được những đặc tính ban đầu của vật liệu. + Không cần thiết kết cấu hỗ trợ.
+ Tốc độ cao, nhanh hơn các phương pháp tạo lớp khác bởi vì tia laser
không cắt toàn bộ diện tích mà chỉ quét theo chu vi bên ngoài. Do đó, vật liệu dày và mỏng có tốc độ cắt bằng nhau.
+ Không có sự thay đổi pha trong quá trình chế tạo chi tiết nên tránh được độ co rút của vật liệu.
- Nhược điểm:
+ Không thu hồi được vật liệu dư. Sự cong vênh của chi tiết thường là vấn đề chính của phương pháp LOM.
+ Lấy sản phẩm ra khỏi kết cấu hỗ trợ khó khăn. + Độ bóng bề mặt không cao.
3.4Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM – rải dây nóng chảy
Công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) do Stratasys phát minh những năm 1980. Công nghệ này nung chảy sợi nguyên liệu thành dạng bán lỏng ( chưa lỏng hoàn toàn, vẫn còn giữ được dạng sợi), đồng thời sử dụng một đầu vòi phun vừa phun sợi nguyên liệu bán lỏng vừa chuyển động theo 3 trục X, Y, Z để tạo từng lớp từng lớp layer chồng lên nhau theo biên dạng mặt cắt của bản thiết kế. Do tính chất “bán lỏng” nên khi sợi nguyên liệu đông kết lại đã kịp kết dính với lớp layer trước nó. Quá trình này lặp lại cho đến khi vật thể được in hoàn chỉnh.
Hình 3.6 máy tạo mẫu nhanh FDM
Quy trình :
Quy trình FDM bao gồm các bước cơ bản để tạo ra mô hình chi tiết như sau: thiết kế mô hình CAD, chuyển đổi mô hình CAD sang định dạngSTL (Stereol I thography), máy tính phân tích file .STL để xác định rõ ràng mô hình cho sản xuất
và cắt lớp mỏng trên mặt cắt ngang, sự tạo thành mô hình theo từng lớp chồng lên nhau, làm sạch và hoàn thành. Nguyên lý hoạt động: Hình 3.7 nguyên lý hoạt động FDM FDM là một trong những công nghệ tạo mẫu nhanh bằng phương pháp lắng động vật liệu rồi hóa rắn tạo từng lớp tạo nên cấu trúc chi tiết. Vật liệu ban đầu được được cấp từ cuộn dây cấp liệu, vật liệu sẽ được kéo bởi các hệ thống con lăn. Các con lăn có nhiệm vụ kéo và đưa vật liệu vào hệ thống đầu đùn, trong quá trình di chuyển đến miệng vòi đùn, vật liệu sẽ đi qua bộ phần gia nhiệt và được gia nhiệt và hóa dẻo, sau đó được ép ra ngoài bởi một áp lực sao cho tốc độ ra và tốc độ hóa dẻo tương ứng với nhau, cùng với quá trình ép vật liệu ra khỏi vòi đùn thì đầu đùn cũng di chuyển theo biên dạng 2D tương ứng với lớp cắt chi tiết trên mô hình ảo của phần mềm hỗ trợ, sau khi quét xong một biên dạng 2D, cùng lúc đó, đầu đùn sẽ đùn ra một biên dạng 2D tương ứng với biên dạng mà đầu đùn đã quét, cứ như vậy, quá trình quét từng lớp sẽ tạo ra các lớp đùn được xếp chồng lên nhau và được kết dính lại trong quá trình di chuyển pha từ dẻo sang rắn của vật liệu tạo mẫu. Một mẫu được tạo hình hoàn tất khi tất cả các biên dạng được đùn ra hết và kết dính từng lớp lại với nhau.
VẬT LIỆU SUPPORT IN 3D
Phần nhô ra hoặc phần cách ly của các chi tiết FDM đòi hỏi trợ giúp chung gian trong quá trình xây dựng. Các máy FDM sử dụng miệng phun thứ hai bên cạnh miệng phun cơ bản để phun vật liệu phụ trợ cần thiết. (Stratasys) cung cấp 2 loại vật liệu phụ trợ. Vật liệu loại sáp cho các máy với giá thấp và loại vật liệu tan trong nước với máy có giá đắt hơn. Sáp phụ trợ có thể bị phá hỏng từ chi tiết nhưng rất khó gỡ bỏ từ các rãnh bên trong hoặc các chi tiết nhỏ. Vật liệu phụ trợ tan trong nước có thể bị hoà tan trong một bể được khuấy. Các phụ trợ khác đều được loại bỏ, chi tiết FDM không cần khâu hậu xử lý.
Hình 3.8 quá trình tạo mẫu nhanh FDM.
Độ chính xác và chất lượng bề mặt in 3D FDM
Hệ thống FDM của hãng Stratasys với cấp chính xác nằm trong dải
+/- 0,005 inc ( +/- 0,127 mm). Độ nhám bề mặt của chi tiết FDM không tốt bằng chi tiết chế tạo từ phương pháp Stereolithography nhưng cao hơn so với những chi tiết sản xuất bằng Lazer Sintering. Nhưng ngược lại các chi tiết dung phương pháp chiếu có kết cấu mịn. Chi tiết FDM xuất hiện gân bởi vì cả các lớp ngang và đường dịch chuyển đều xuất hiện lặp lại.
Vật liệu in 3D: Những năm qua, Stratasys đã phát triển một số vật liệu bột nhựa cho hệ thống FDM. Một loại để sản xuất ra chi tiết có chất lượng cao là ABS. Một số loại vật liệu khác gồm sáp dùng cho khuôn xung quanh chi tiết, polycacbonate cho các chi tiết bền, và polyphenyl sulfones dùng cho các ứng dụng chịu nhiệt. Chi tiết FDM do được chế tạo từ các vật liệu đã qua nóng chảy và đông đặc, thể hiện
đặc tính vật lý đóng so với các chi tiết làm từ vật liệu tương tự nhưng bằng phương pháp khác.
Tốc độ in 3D: Bởi vì hệ thống FDM tạo chi tiết bằng cách kéo dài thu hẹp các hạt vật liệu, chi tiết rộng, dạng khối hoặc có thành dày phải mất một thời gian dài mới hoàn thành. Những chi tiết nhỏ hoặc thành mỏng có thề được tạo ra khá nhanh. Thời gian cần thiết để chế tạo chi tiết phụ thuộc vào tốc độ đông đặc của hệ thống FDM ( xác định bằng kích thước của vòi phun), chiều cao của chi tiết ( số lượng lớp ) kích thước chiều ngang của chi tiết ( thời gian cần thiết để đông đặc mỗi lớp) , số lượng và độ phức tạp của phụ gia đòi hỏi ( phụ gia cho mỗi lớp tạo thanh một bước riêng biệt).
Ưu nhược điểm của FDM
Ưu điểm:
- Sự mô hình hóa các khái niệm làm cho đánh giá hiệu quá hơn, những thông số và giao tiếp của người thiết kế. Nó có chia sẽ những thiết kế mới của sản phẩm với quản lý, khách hàng, người mua, thị trường và sự chế tạo.
- Chức năng của mẫu FDM sử dụng nhựa dẻo công nghiệp. Đây là một thuận lợi là có thể cho phép người sử FDM để kểm tra môi trường thật và đưa đến quyết định chi phí sản xuất của sản phẩm.
- Giá thành của máy rẻ hơn so với các công nghệ tạo mẫu nhanh khác như những máy sử dụng tia lazer.
- Nâng cao khả năng chế tạo các sản phẩm 3D phức tạp
- Tạo ra các mẫu có chất lượng cao và tính chất của vật liệu được sử dụng ít có sự thay đổi.
- FDM có thể sản xuất ra những sản phẩm công cụ như là dụng cụ kẹp, đồ gá, bộ phận hỗ trợ lắp ráp và sản phẩm dụng cụ trong hàng giờ, không cần gia công và dụng cụ. FDM có thể giảm thời gian để lắp ráp dụng cụ đến 85%.
- Các vật liệu được sử dụng không độc hại nên không lo lắng đối với việc phải tiếp xúc với hóa chất độc hại, các tia laser hoặc các chất hóa học dạng lỏng.
- Vật liệu dễ tìm, nhiều kích thước và dạng khác nhau, giá vật liệu luôn duy trì ở mức tương đối thấp nên có thể linh hoạt trong việc lựa chọn và thay đổi vật liệu.
- Dễ dàng loại bỏ vật liệu đỡ.
- Có khả năng tái chế bởi trong quá trình tạo mẫu sản phẩm, sẽ có một số mẫu không đạt yêu cầu do ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài, các mẫu dùng để đo đạt trong các thí nghiệm đo độ bền như kéo, nén, chịu va đập, … và các nhựa bị loại bỏ từ mẫu sản phẩm sau quá trình hậu sử lý mẫu, …
- Tạo được nhiều kích cỡ mẫu phù hợp và tạo ra một kênh thông tin hiệu quả giữa các bộ phận có liên quan.
Nhược điểm:
- Bề mặt mẫu tạo ra có độ nhám cao do nguyên tắc gia công theo lớp, giữa các lớp có đường phân cách.
- Khó có thể tự động khi thay đổi loại vật liệu do các loại vật liệu khác nhau thì nhiệt độ cũng khác nhau nên khó điều chỉnh.
- Có sự chênh lệch kích thước mẫu so với kích thước trên mô hình CAD
Hình 3.9 Các dòng máy Objet Eden
Máy in 3 chiều đã xuất hiện khoảng 1 thập kỷ, chủ yếu được dùng trong các xưởng thiết kế công nghiệp để kiểm tra mẫu thiết kế xe hơi, máy bay và một số sản phẩm khác trước khi đưa vào sản xuất đại trà.
Objet Geomatries là công ty đầu tiên sử dụng thành công vật liệu photopolymer ở dạng phun. Objet đã nhận bằng sáng chế công nghệ Polyjet vào những năm 2000, Polyjet có khả năng in được các vật thể có hình dạng và kích thước bất kỳ một cách nhanh chóng và chất lượng cao.
Kể từ đó, Objet đã liên tục phát triễn, cải tiến công nghệ để cho ra đời các dòng máy phù hợp với nhu cầu thực tế của từng loại hình sãn xuất: kích thước máy nhỏ hơn, độ chính xác cao hơn, cải thiện hiệu quả chi phí. Với phương pháp xử lý nhựa
không tiếp xúc và loại bỏ phun nước .Polyjet đã trở thành công nghệ in 3 chiều phù hợp với môi trường văn phòng.
Công nghệ Polyjet hoạt động bằng cách: phun các lớp siêu mỏng (16µ) vật liệu photopolymer vào khay và cứ từng lớp từng lớp một đến khi hình thành vật thể. Mổi lớp vật liệu sau khi phun ra ngay lập tức được bảo vệ bằng ánh sáng tia cực tím và có thể được nâng đỡ bằng vật liệu support cho trường hợp hình dạng hình học đặc thù. Lớp vật liệu support có thể được tách rời bằng tay hoặc phun nước một cách dễ dàng.
Hình 3.10: quá trình hoạt động của objet polyjet.
Một số ưu điểm của công nghệ Print 3D
+ Chi phí nguyên vật liệu và chi phí sản xuất thấp. + Đa dạng về vật liệu chế tạo và các ứng dụng.
+ Chất lượng tốt: độ phân giải hàng đầu đảm bảo các bộ phận và mô hình chi tiết trơn tru và chính xác cao.
+ Độ chính xác cao: phun chính xác và tính chất vật liệu xây dựng cho phép các chi