Chƣơng 7 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA TẠO MẪU NHANH
7.5. Ứng dụng tạo mẫu nhanh trong lĩnh vực kim hoàn
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh đã hỗ trợ rất nhiều trong ngành kim hoàn. Chế tạo nữ trang bằng RP không còn là ý tưởng khi ngày càng có nhiều nhà thiết kế và tạo mẫu nữ trang bằng phương pháp này.
Công nghệ RP giúp khách hàng có thể chiêm ngưỡng sản phẩm nữ trang giống như các sản phẩm thật. Hiện nay, tạo mẫu trang sức bằng công nghệ tạo mẫu nhanh có nhiều ưu điểm so với phương pháp tạo mẫu bằng sáp truyền thống.
Khách hàng có thể xem mẫu sản phẩm trước khi đưa vào chế tạo.
Có thể chỉnh sửa, thêm bớt chi tiết cho mẫu nhanh chóng, không phải mất quá
nhiều thời gian và chi phí.
Có thể tạo ra những mẫu trang sức có độ chính xác cao, sắc nét.
Chi phí thấp so với các phương pháp khác.
Dễ dàng chế tạo các chi tiết có phức tạp cao.
Hình 7.11: Hệ thống thiết bị tạo mẫu LC510 của Công ty Meiko và sản phẩm.
Quá trình tạo mẫu trang sức bằng hệ thống tạo mẫu nhanh của Công ty Meiko gồm các bước sau:
(1) Thiết kế mô hình bằng phần mềm CAD-3D (2) Tạo dữ liệu số trực tiếp từ dữ liệu CAD. (3) Chuyển dữ liệu số đến thiết bị LC-510
(4) Chế tạo chi tiết bằng thiết bị LC-510 bằng tia laser và nhựa cảm quang, quá trình tạo hình theo nguyên lý từng lớp.
RP còn được ứng dụng trong lĩnh vực kim hoàn, chế tạo khuôn cho quá trình đúc khuôn sáp, sau đó loại bỏ sáp để có được khuôn và đúc thành sản phẩm trang sức.
Hình 7.12: Mô hình trang sức bằng nhựa, kim loại quý đƣợc chế tạo bằng RP (Meiko). 7.6. Ứng dụng tạo mẫu nhanh trong lĩnh vực cơ khí chế tạo
Trong lĩnh vực cơ khí, công nghệ tạo mẫu nhanh có tầm quan trọng lớn trong việc thiết kế và chế tạo sản phẩm cơ khí. Ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh, có thể giúp nhà thiết
kế rút ngắn thời gian, chế tạo các vật mẫu có độ chính xác, chi tiết có hình dạng và độ phức tạp cao.
Các sản phẩm của tạo mẫu nhanh trong lĩnh vực cơ khí có thể từ động cơ, bánh răng, mô hình truyền động, cơ cấu dùng trong đào tạo, ...
Có thể kết hợp công nghệ đúc trực tiếp hoặc gián tiếp; bằng vật liệu kim loại, nhựa hoặc vật liệu khác dùng trong tạo mẫu nhanh. Các công nghệ tạo mẫu nhanh chủ yếu được ứng dụng trong lĩnh vực cơ khí là: SLA, SLS, LOM, FDM, 3DP, và một số phương pháp khác. Quy trình chế tạo chi tiết cơ khí được trình bày trong Hình 7.13.
Hình 7.13: Quy trình chế tạo chi tiết cơ khí bằng RP.
Hình 7.14: Mô hình truyền động cơ khí đƣợc chế tạo bằng RP.
Hình 7.15: Bộ phận cơ khí đƣợc chế tạo bằng LOM.
Hình 7.17: Chi tiết cơ khí đƣợc chế tạo bằng công nghệ SLS. Câu hỏi ôn tập
1. Trình bày những ứng dụng chung nhất của tạo mẫu nhanh trong thiết kế, phân tích và
chế tạo sản phẩm?
2. Các lĩnh vực công nghiệp nào đã ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh?
3. Cho biết ý nghĩa của việc ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong y học?
4. Ý nghĩa của tao mẫu nhanh trong khảo cổ học?
5. Ý nghĩa và ứng dụng của tạo mẫu nhanh trong lĩnh vực kim hoàn?
Chƣơng 8.
KỸ THUẬT NGƢỢC TRONG TẠO MẪU NHANH
8.1. Giới thiệu về kỹ thuật ngƣợc
Kỹ thuật ngược (Reverse Engineering – RE) là quá trình chuyển hình dạng hình học một chi tiết (mẫu) có sẵn thành mô hình CAD 3D, để có thể gia công tái tạo, hoặc chỉnh sửa một số đặc điểm thiết kế theo ý muốn.
Kỹ thuật ngược ra đời dựa trên nhu cầu sản xuất thực tế, đôi khi sản phẩm cần được chế tạo theo những mẫu có sẵn mà chưa (hoặc không) có mô hình CAD 3D tương ứng như: các chi tiết không rõ nguồn gốc, những phù điêu, bộ phận cơ thể con người, động vật. Hay đơn giản chỉ là sao chép lại kết quả những sản phẩm đã có tên tuổi trên thị trường, nhằm để giảm chi phí chế tạo mẫu, hoặc để cải tiến sản phẩm đó theo hướng mới. Để tạo được mẫu của những sản phẩm này, trước đây người ta phải đo đạc rồi vẽ phác lại; hoặc dựng sáp, thạch cao để in mẫu. Các phương pháp này cho độ chính xác không cao, tốn nhiều thời gian và công sức, đặc biệt đối với những chi tiết phức tạp.
Ngày nay, máy quét hình ảnh (scanner) đã được sử dụng để số hóa hình dáng của chi tiết, sau đó các phần mềm CAD/CAM chuyên dụng sẽ xử lý dữ liệu số hóa, để tạo ra mô hình CAD 3D của chi tiết với độ chính xác cao. Mô hình CAD này cũng có thể được chỉnh sửa nếu cần thiết để có sản phẩm mới.
Kỹ thuật ngược được định nghĩa là hoạt động bao gồm các bước phân tích để lấy thông tin về sản phẩm đã có sẵn (chức năng các bộ phận, đặc điểm, kết cấu hình học, vật liệu, tính công nghệ), sau đó tiến hành khôi phục lại mô hình CAD cho chi tiết hoặc phát triển thành sản phẩm mới, sử dụng CAM/RP/CNC để chế tạo sản phẩm.
Hình 8.1: Quy trình tái tạo lại mô hình CAD của sản phẩm ứng dụng RE.
Kỹ thuật ngược đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: hóa học, điện tử, xây dựng, cơ khí, y học, nghệ thuật. RE có thể giúp:
- Giảm thời gian thiết kế và tăng thêm những ưu việt cho những công trình
- Tạo ra sản phẩm mới từ các mẫu sản phẩm cho trước mà không có bản vẽ thiết kế,
hoặc bản vẽ đã bị mất hay không rõ dàng. Sản phẩm mới được tạo ra trên cơ sở khôi phục nguyên vẹn hoặc phát triển lên từ thực thể ban đầu.
- Phát triển nhanh sản phẩm, đặc biệt là trong lĩnh vực thiết kế mô hình 3D từ mô hình đã có sẵn nhờ sự trợ giúp của máy tính.
Ở Việt Nam, trong những năm trở lại đây công nghệ thiết kế ngược cũng đã được áp dụng vào sản xuất, tuy nhiên phần lớn chưa mang tính chuyên nghiệp.
8.2. Ƣu nhƣợc điểm của kỹ thuật ngƣợc Ƣu điểm
Kiểm tra chất lượng sản phẩm bằng cách so sánh mô hình CAD với sản phẩm thật, từ
đó điều chỉnh mô hình hoặc các thông số công nghệ để tạo ra sản phẩm đạt yêu cầu.
Mô hình CAD được sử dụng như mô hình trung gian trong quá trình thiết kế, bằng
cách tạo sản phẩm bằng tay trên đất sét, thạch cao, rồi quét hình tạo mô hình CAD; từ mô hình CAD này, có thể chỉnh sửa theo yêu cầu.
Giảm thời gian thiết kế, chế tạo dẫn tới năng suất cao.
Chế tạo và phục chế được nguyên mẫu mà không cần bản thiết kế.
Nhƣợc điểm
Cần trang bị công nghệ và các loại máy quét (scanner) hình tương thích.
Giá thành đầu tư khá cao.
8.3. Quy trình thiết kế ngƣợc
Ngày nay, việc chế tạo ra một loại sản phẩm được chia tách ra nhiều công đoạn riêng biệt nhưng có quan hệ mật thiết với nhau theo một tiêu chuẩn chung, thống nhất hợp thành tiêu chuẩn sản xuất. Quy trình thiết kế thuận và ngược được biểu hiện qua 2 sơ đồ ở Hình 8.2.
Trong quy trình thiết kế thuận, xuất phát từ ý tưởng thiết kế, người thiết kế phát thảo sơ bộ sản phẩm (bản vẽ CAD). Bản vẽ phát thảo này được tính toán, phân tích, kiểm tra các thông số kỹ thuật, tính công nghệ. Sau đó mô hình được tối ưu hóa để có được bản vẽ thiết kế hoàn chỉnh. Tiếp theo qua các bước chuẩn bị công nghệ, lập trình gia công (CAM), mô phỏng và chế tạo thử mẫu sản phẩm, bằng phương pháp tạo mẫu nhanh hoặc trên các máy công cụ, máy CNC. Mẫu sản phẩm này được đem đi kiểm tra thực tế xem thỏa mãn các yêu cầu đặt ra hay không. Nếu không đạt sẽ quay về sửa lại bản vẽ phát thảo. Quá trình trên lặp lại cho đến khi mẫu sản phẩm đạt yêu cầu thì mới đưa vào sản xuất đại trà.
Trong quy trình thiết kế ngược, điểm xuất phát là mẫu sản phẩm thực tế. Mẫu sản phẩm này được số hóa và xử lí bằng các thiết bị và phần mềm chuyên dụng, để đưa ra mô hình CAD cụ thể. Sau khi có được mô hình CAD của sản phẩm, các công đoạn kế tiếp theo giống như quy trình thiết kế thuận. Các bước tiếp theo như: xử lý, tính toán phân tích, tối ưu hóa trên phần mềm, chuẩn bị công nghệ gia công tạo mẫu nhanh (hoặc gia công trên máy CNC hay các máy công cụ khác), kiểm tra thực tiễn sản phẩm cuối cùng rồi mới đưa vào sản xuất đại trà sẽ được thực hiện trong quy trình này.
8.4. Quy trình mô hình hóa sản phẩm bằng kỹ thuật thiết kế ngƣợc
Quá trình mô hình hóa mẫu sản phẩm có sẳn, tạo ra các mô hình CAD cụ thể của vật mẫu là công đoạn quan trọng, có vai trò trọng tâm của kỹ thuật ngược. Qui trình mô hình hóa sản phẩm cụ thể được chia làm 4 công đoạn.
8.4.1. Giai đoạn số hóa sản phẩm
Sự khác biệt chủ yếu giữa thiết kế thuận và thiết kế ngược chính là công đoạn số hóa sản phẩm. Số hóa sản phẩm tức là phương thức thu thập dữ liệu hình học ban đầu của sản phẩm (Raw Geometric Data). Để số hóa sản phẩm, các máy quét hình (scan) để quét hình dạng vật thể được sử dụng. Dựa theo cách thức quét hình, thiết bị quét hình được phân ra 2
dạng chủ yếu: máy quét tiếp xúc (máy đo tọa độ Coordinate Measuring Machine – CMM), và
máy quét không tiếp xúc (Laser Scanner). Việc số hóa bề mặt 3D cho sản phẩm cũng được thực hiện theo hai phương pháp: phương pháp đo tiếp xúc, phương pháp không đo tiếp xúc.
a. Phƣơng pháp đo tiếp xúc
Là phương pháp sử dụng một đầu đo cơ khí trượt tiếp xúc trên bề mặt chi tiết theo quỹ đạo và lưới định trước, để liên tục ghi lại tọa độ nhận được. Công cụ chủ yếu của phương pháp này là các máy đo tọa độ 3 chiều (CMM).
Các máy CMM: sử dụng các đầu đo tiếp xúc với bề mặt cần đo, để xác định được số vị trí tiếp xúc với các tọa độ (x, y, z). Tập hợp các điểm này sẽ tạo thành các lưới điểm, vẽ và tạo nên hình dáng vật thể.
Có hai dạng máy đo tọa độ thông dụng trong CMM: máy đo bằng tay (đầu đo được dẫn động bằng tay), và máy đo CNC (đầu đo được điều khiển tự động bằng chương trình số).
Ưu điểm phương pháp đo tiếp xúc:
o Do nguyên tắc đo từng điểm trên đối tượng nên độ chính xác cao, hoạt động của
máy theo nguyên tắc hành trình nên máy có độ chính xác đến phần vạn (± 3 µm).
o Tính tự động hóa cao: có thể đo tự động trong cả quá trình.
o Kết quả đo cho các tập tin có nhiều định dạng tiêu chuẩn như: IGS, Step, STL,..
thích hợp các phần mềm thiết kế 3D.
o Dễ xử lý kết quả đo: Kết quả đo là tập hợp các đường cong thuận lợi tạo các mặt
trên các phần mềm thiết kế 3D.
o Đầu đo đa dạng phù hợp với các đối tượng đo.
Nhược điểm phương pháp đo tiếp xúc
o Hạn chế đo các rãnh hẹp, cạnh sắc có kích thước nhỏ hơn bán kính đầu đo.
o Tốc độ đo không cao: Chỉ từ 10 đến 1000 điểm/phút, chậm hơn nhiều so với công
nghệ quét bằng tia laser.
Để khắc phục, người ta đã chế tạo ra các máy đo không tiếp xúc, dùng laser tia X, siêu âm, ảnh video.
b. Phƣơng pháp đo không tiếp xúc
Phương pháp đo không tiếp xúc là phương pháp dùng tia laser, hoặc các tia quang học khác để đo hoặc chụp ảnh bề mặt vật cần đo. Sau đó dữ liệu được xử lí và hoàn chỉnh nhờ các phần mềm xử lí ảnh chuyên dùng.
Thiết bị số hóa chính là các loại máy quét laser và máy quét ánh sáng trắng. Máy quét có thể quét các vật từ gần tới xa, có thể đến 35 mét đối với máy quét laser.
Các máy quét laser: sử dụng chùm tia laser phát ra từ máy, chiếu vào vật thể; sẽ phản xạ trở lại bộ phận cảm biến thu. Tập hợp các tia phản xạ này giúp tạo dựng nên ảnh của vật thể. Hình dạng của toàn bộ vật thể được ghi lại bằng các dịch chuyển (hay quay) vật thể trong chùm tia laser (hoặc quét chùm laser ngang qua vật thể). Phương pháp này có độ chính xác kém hơn phương pháp tiếp xúc, song nhanh hơn và đầy đủ hơn. Dữ liệu thu được không phải là lưới điểm, mà là tập hợp các khối đám mây ảnh điểm. Đám mây điểm này sẽ chuyển sang lưới tam giác dùng để xây dựng các bề mặt chi tiết.
Hình 8.4: Thiết bị và mô hình số hóa sản phẩm từ máy quét laser.
Ưu điểm phương pháp đo không tiếp xúc
o Thời gian lấy mẫu nhanh, có thể lấy mẫu vật thể có kích thước lớn.
o Có thể lấy mẫu các vật thể làm bằng vật liệu mềm như: chất dẽo, xốp, sáp…
hay các vật thể bị biến dạng mà không làm biến dạng hay phá hủy mẫu cần đo. Nhược điểm phương pháp đo không tiếp xúc
o Độ chính xác không cao bằng phương pháp đo tiếp xúc, do có thể bị nhiễu nguồn sáng, bị che bới các vật thể khác trong quá trình quét.
Mỗi phương pháp đều có ưu, nhược điểm riêng nên sẽ được dùng trong từng trường hợp cụ thể. Cũng có thể kết hợp cả hai phương pháp để đạt hiệu quả cao nhất: số hóa bằng máy quét không tiếp xúc, sau đó kiểm tra sai số sản phẩm bằng máy đo tọa độ tiếp xúc.
8.4.2. Giai đoạn xử lý dữ liệu số hóa
Giai đoạn này bao gồm 4 bước:
- Bước 1: Chỉnh sửa lưới dữ liệu, đám mây điểm.
- Bước 2: Đơn giản hóa lưới tam giác bằng cách giảm số lượng tam giác, tối ưu hóa vị trí đỉnh và cách kết nối các cạnh của mỗi tam giác trong lưới; sao cho các đặc điểm hình học không thay đổi.
- Bước 3: Chia nhỏ lưới và cắt bỏ phần thừa để tạo bề mặt theo ý muốn.
Hình 8.5: Xử lý dữ liệu số hóa. 8.4.3. Thiết kế lại sản phẩm dựa trên cơ sở dữ liệu số hóa
Trên cơ sở dữ liệu số hóa đã được xử lý, mô hình sản phẩm dạng khối hoặc dạng mặt sẽ được tái dựng lại, bằng các phần mềm chuyên dụng trong thiết kế ngược. Kết quả cuối cùng nhận được là mô hình sản phẩm đã hoàn chỉnh, có bề mặt trơn bóng, đầy đủ các chức năng mong muốn. Mô hình này sẽ được chuyển sang dạng tập tin CAD ở các dạng tương thích cho quá trình chế tạo như: IGES, DXF, STL.
8.4.4. Chế tạo mẫu, gia công chi tiết
Từ dữ liệu mô hình CAD thu được, sản phẩm có thể được chế tạo bằng một công nghệ phù hợp nào đó. Có thể dùng một trong những công nghệ tạo mẫu nhanh để tạo ra mẫu sản phẩm; hoặc có thể chế tạo mẫu bằng các quá trình gia công trên máy CNC.
8.5. Các ứng dụng của kỹ thuật ngƣợc
Kỹ thuật ngược hiện nay được ứng dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau; giúp cho nhà thiết kế tốn ít thời gian và công sức nhất, để có được sản phẩm ưng ý nhất theo yêu cầu của khách hàng. Đồng thời, có thể dùng để tái tạo nên những sản phẩm mà đã không còn sản xuất, không còn bản vẽ, không còn hồ sơ, ... thay vì phải thiết kế từ ban đầu.
Trong lĩnh vực nghệ thuật:
Kỹ thuật ngược được dùng cho sao chép hoặc phân tích các đặc điểm, nét vẽ của các kiệt tác hội họa, điêu khắc.
Thông thường với các chi tiết yêu cầu cao tính thẩm mỹ, sản phẩm được mô hình hóa bởi các nhà thiết kế mẫu (stylist) trên các chất liệu như đất sét, chất dẽo, gỗ… Tuy nhiên, các tác phẩm hay các kiệt tác nghệ thuật chỉ là kết quả của một vài nhà nghệ thuật, nhà thiết kế