Chƣơng 7 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA TẠO MẪU NHANH
7.1. Ứng dụng của RP trong công nghiệp ôtô
Trong công nghiệp ô tô, việc xây dựng mẫu thử có ý nghĩa đặc biệt quan trọng nhằm đảm bảo việc đánh giá chính xác ý tưởng thiết kế có phù hợp thị hiếu người tiêu dùng không, có truyền đạt được phong cách riêng, hay gửi thông điệp gì đến người tiêu dùng. Về kỹ thuật, mẫu thử giúp đánh giá hình dạng khí động học, lỗi vị trí, lỗi lắp ghép các thành phần với nhau. Ngoài ra, RP cũng giúp các kỹ sư thực hiện việc đánh giá chức năng sử dụng, kích thước các chi tiết có phù hợp với người sử dụng, có thuận lợi khi vận hành,… Chính vì vậy, việc chế tạo được các mẫu thử hay mô hình một cách nhanh chóng và thuận tiện là yêu cầu cấp thiết trong công nghiệp chế tạo ô tô.
Công nghệ RP được áp dụng với các vật liệu và hình dạng khác nhau để chế tạo chi tiết từ mô hình CAD. Ưu điểm của phương pháp này là giảm lãng phí vật liệu, tạo ra những sản phẩm dạng khối liên tục. Điều đó có nghĩa những bộ phận như: động cơ, bộ tăng áp có thể cứng hơn, tránh rạn nứt, nhẹ hơn.
Hình 7.2: Ứng dụng RP chế tạo bộ tăng áp - khối động cơ (trái), toàn bộ xe Urbee (phải).
Năm 2011, RP đã được sử dụng để chế tạo xe ô tô siêu nhẹ Urbee. Dù chỉ là dạng xe ý tưởng, nhưng sản phẩm này cho thấy khả năng tạo ra một chiếc xe hoàn thiện với đầy đủ các chức năng bằng công nghệ tạo mẫu nhanh (Hình 7.2).
Hình 7.3: Ống xả ô tô bằng titan trên siêu xe Koenigsegg One đƣợc làm bằng in 3D.
Ngoài ra, các chi tiết khác như bộ giảm chấn, chắn gió có thể chế tạo bằng phương pháp SLS với vật liệu polymer. Bơm, van có thể chế tạo bằng phương pháp SLS với nguyên liệu hợp kim nhôm. Các chi tiết của động cơ, bộ truyền động, khung, vỏ, cửa xe, hệ thống điện, điện tử, cảm biến, điều kiển, bánh xe được chế tạo bằng phương pháp RP với vật liệu nhôm, titan, polymer, nhựa và các loại vật liệu khác.
Hình 7.4: Các bộ phận khung xe, hệ thống treo (hãng Divergent) đƣợc in từ 3DP. 7.2. Ứng dụng tạo mẫu nhanh trong y học
Trong lĩnh vực y học, công nghệ tạo mẫu nhanh được dùng để chế tạo các mô hình y học, các công cụ trợ giúp phẫu thuật, tạo ra mẫu vật, bộ phận giả thay thế cho xương người, hộp sọ, những bộ phận hỗ trợ phục hồi chức năng như: tay giả, chân giả.
Để làm nên những chi tiết, vật thể thay thế cho bộ phận cơ thể con người. Chi tiết ban đầu như một phần xương của bệnh nhân được quét 3D bằng kỹ thuật ngược, để nhận được dữ liệu cần thiết. Sau đó, dữ liệu này được chỉnh sửa lại trên máy tính trước khi chế tạo.
Ngoài ra, các dữ liệu từ chụp CT hoặc MRI, sẽ được xử lý rồi được đưa vào máy tạo mẫu nhanh, để tạo ra các phần thay thế cho con người như xương, hộp sọ, hàm, răng; hoặc những mô hình phục vụ cho việc học tập, các thiết bị y khoa.
Hình 7.5: Các mô hình trong y học đƣợc chế tạo bằng RP.
Các mô sinh học chế tạo bằng công nghệ 3D được dùng thay thế những cơ quan bị tổn thương là một giải pháp mới mà RP đạt được trong y học. Các nhà nghiên cứu dự đoán rằng trong khoảng một thập niên nữa, người ta có thể chế tạo được một cơ quan hoàn chỉnh với đầy đủ chức năng hoạt động như bộ phận thật. Trong tương lai, RP có thể ứng dụng để chế tạo da người, để điều trị cho các bệnh nhân bị phỏng, ung thư da, mất da do tai nạn hay các bệnh làm hư hại lớp da trên cơ thể.
Hình 7.6: Các mô hình giáo dục, tai giả, xƣơng hàm đƣợc chế tạo bằng RP.
Các nhà khoa học tại Đại học Princeton đã dùng công nghệ RP để tạo ra ―tai giả’’ bằng kỹ thuật y sinh (Bionic Ear), gắn trực tiếp trên cơ thể người, có thể nghe được các tần số sóng radio hơn cả khả năng nghe thông thường của con người. Các bác sĩ và kỹ sư tại Hà Lan đã chế tạo thành công một chiếc cằm nhân tạo bằng công nghệ in 3D với bột titanium; sau đó cấy ghép cho bệnh nhân 83 tuổi mắc chứng viêm xương tủy. Công nghệ RP đã giúp các trường hợp viêm xương, viêm khớp, khôi phục thay thế các bộ phận bị khuyết tật, trường hợp gãy xương do tai nạn.
Hình 7.7: Các mô hình sọ, xƣơng sống, lồng ngực đƣợc chế tạo bằng RP. 7.3. Ứng dụng tạo mẫu nhanh trong khảo cổ học
Hiện nay, một trong những công nghệ được ứng dụng vào khảo cổ học là công nghệ tạo mẫu nhanh, để tái hiện, phục chế và lưu giữ những cổ vật đã phát hiện được.
Người ta có thể sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh để sửa chữa, phục chế lại những cổ vật, di tích lịch sử, tác phẩm đã bị phá hủy, tái tạo lại các tòa nhà và tượng đài bị phá hủy qua các mô hình in 3D.
Ngoài ra, RP còn được dùng để sao chép hình dạng các cổ vật, xác ướp,... để tạo ra các bản sao, để trưng bày ở những để khác nhau phục vụ triển lãm, nhu cầu tham quan của con người.
Hình 7.8: Phục hồi các cổ vật bằng công nghệ tạo mẫu nhanh.
Hình 7.9: Sử dụng kỹ thuật ngƣợc để phục chế các mẫu vật.
Kỹ thuật ngược được sử dụng trong RP để chế tạo sản phẩm mới hoặc dựa trên một sản phẩm có sẳn.
7.4. Ứng dụng tạo mẫu nhanh trong công nghiệp điện, điện tử
Công nghệ tạo mẫu nhanh được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp điện, điện tử; để chế tạo các chi tiết như: vỏ điện thoại, tai nghe, linh kiện điện tử, chế tạo khuôn kim loại để chế tạo các chi tiết.
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).