Chƣơng 6 DẠNG DỮ LIỆU TRONG TẠO MẪU NHANH
6.4. Chỉnh sửa tập tin *.STL
6.4.1.1. Giải quyết vấn đề thiếu mặt
Các bước kiểm tra quá trình thiếu mặt của mô hình trong tập tin *.STL, thực hiện theo 4 bước sau:
- Bước 1: Kiểm tra các mặt liền kề có phù hợp với nhau không (Hình 6.10).
Hình 6.10: Kiểm tra các đỉnh, mặt liền kề của mô hình.
- Bước 2: Phát hiện những lỗ hổng (khoảng trống) trong mô hình cắt lớp (Hình 6.11). - Bước 3: Sắp xếp các đỉnh và cạnh sai lệch thành một vòng kín. Khi quá trình kiểm tra các mặt (có và không có cạnh liền kề) được hoàn thành, các cạnh không có mặt liền kề sẽ được nhóm lại để tạo thành một vòng khép kín; sau đó chúng được lưu trữ trong một tập tin tạm thời để xử lý (Bảng 6.1 và Hình 6.12 ).
Bảng 6.1: Kiểm tra mô hình chứa các đỉnh không có mặt liền kề
Đỉnh Cạnh
1 2 3 4 5 6
1 2 7 3 5 9 11
Hình 6.11: Phát hiện các lỗ hổng trong mô hình.
Hình 6.12: Đƣờng bao của lỗ hổng đƣợc sắp xếp thành vòng khép kín.
- Bước 4: Tiến hành tạo mặt, chỉnh sửa lỗ hổng trong mô hình (Bảng 6.2, Hình 6.13).
Bảng 6.2: Thứ tự quá trình tạo bề mặt V3 V2 V5 V7 V9 V11 Quá trình tạo các mặt F1 1 2 - - - 3 F2 E 1 - - 2 3 F3 E 1 2 - 3 E F4 E E 1 2 3 E
V - Đỉnh; F - Mặt; E - loại ra khỏi quá trình tạo mặt
Quá trình tạo mặt này được áp dụng như nhau đối với số cạnh lẻ và số cạnh chẳn.
Hình 6.14: Quá trình tạo mặt của mô hình với số cạnh lẻ và số cạnh chẳn. 6.4.1.2. Vấn đề các mặt bị định hƣớng sai
Trong trường hợp hướng các mặt được tạo ra bị sai, thuật toán có thể phát hiện và sửa chữa lỗi này.
Hình 6.15: Quá trình chỉnh sửa định hƣớng sai các mặt. 6.4.2. Thuật toán đặc biệt
Các thuật toán chung có thể khắc phục các lỗ hổng (đơn giản hay phức tạp) độc lập. Tuy nhiên, với những lỗ hổng có đỉnh chung, có thể thuật toán sẽ không đúng. Trong phần này, thuật toán được mở rộng để giải quyết một số trường hợp đặc biệt, bao gồm:
Hai hoặc nhiều lỗ hổng (khoảng trống) hình thành từ một đỉnh chung.
Các mặt bị hư hỏng.
Các mặt bị chồng lấp.
Các trường hợp sai sót trên không thường gặp trong mô hình cắt lớp. Do đó không yêu cầu phải sử dụng thuật toán này cho các trường hợp chung, vì tốn nhiều thời gian cho quá trình tìm kiếm các lỗi.
6.4.2.1. Hai hoặc nhiều lỗ hổng hình thành từ một đỉnh chung
Hình 6.16: Hai lỗ hổng cùng có 1 đỉnh chung.
+ Bước 1: Tiến hành kiểm tra bình thường
+ Bước 2: Phát hiện nhiều hơn một lỗ hổng (gap). Trong hình 6.16, ở lỗ 1 có vấn đề là ở đỉnh thứ 1 và thứ 3 bị thiếu mất một cạnh, quá trình tìm kiếm sẽ phát hiện được lỗi này.
+ Bước 3: So sánh với đường biên nhỏ nhất của lỗ hổng, giúp phát hiện những cạnh bị thiếu và bổ sung. Khi lỗ 1 được giải quyết, lỗ hổng 2 sẽ được giải quyết bằng thuật toán chung.
Hình 6.17: Hai lỗ hổng cùng có 1 đỉnh chung ở 2 bƣớc thay thế. 6.4.2.2. Hai mặt cùng một cạnh chung
Hư hỏng các mặt được thể hiện qua Hình 6.18.
6.4.2.3. Các mặt bị chồng lấp
Các mặt bị chồng lấp có thể xảy ra do việc làm tròn số không nhất quán (Hình 6.19). Vấn đề này có thể được giải quyết thông qua việc hợp nhất đỉnh; trong đó các đỉnh trong sai số làm tròn được xác định trước, rồi hợp nhất đỉnh khác để thành chỉ một đỉnh.
Hình 6.19: Các mặt chồng lấp và miền tƣơng đƣơng.
Hình 6.20: Mặt chồng lấp và giải pháp hợp nhất đỉnh.
Các đỉnh chung được hợp nhất trước khi tìm kiếm những lỗ hổng, điều này sẽ loại bỏ những phát hiện không cần thiết và tiết kiệm thời gian tính toán để tạo ra các mặt mới.
6.5. Một số định dạng khác
6.5.1. Định dạng IGES (file IGES)
IGES (Initial Graphics Exchange Specification) được Mỹ xây dựng năm 1981, được xem là một tiêu chuẩn để trao đổi thông tin đồ họa giữa các hệ thống CAD. Các tập tin dạng IGES chính xác, có thể đại diện cho mô hình CAD. Nó không chỉ bao gồm thông tin hình học (dữ liệu tham số) mà còn thông tin tô pô (thư mục). Trong IGES, mô hình hóa bề mặt, hình học khối cấu trúc (CSG), và mô hình biên dạng (B-rep) được giới thiệu.
Ưu điểm của tập tin dạng IGES là ứng dụng rộng và toàn diện. IGES cung cấp các thực thể của các điểm, đường thẳng, cung, đường cong spline, bề mặt NURBS và các phần tử khối. Do đó, nó có thể biểu diễn chính xác mô hình CAD.
Tuy nhiên, IGES cũng tồn tại một số nhược điểm:
+ Tuy IGES là một định dạng chuẩn để trao đổi dữ liệu giữa hệ thống CAD, nhưng nó cũng mang nhiều thông tin dư thừa không cần thiết cho RP.
+ Thuật toán chia cắt lớp của IGES phức tạp hơn rất nhiều so với thuật toán dạng STL. + Các cấu trúc hỗ trợ cho hệ thống RP như SLA không thể tạo ra được với định dạng IGES.
Hì nh 10
6.5.2. Định dạng HP/GL (file HP/GL)
HP/GL (Hewlett Packard Graphics Language) là một định dạng dữ liệu tiêu chuẩn của máy in đồ họa. Các dữ liệu đều là dữ liệu 2D bao gồm: đường thẳng, đường tròn, văn bản,…
Ưu điểm của định dạng HP/GL là sự tương thích với nhiều hệ thống CAD trên thị trường, và là một định dạng dữ liệu hình học 2D nên không cần phải cắt lớp khi sử dụng.
Tuy nhiên, định dạng HP/GL cũng tồn tại một vài nhược điểm:
+ HP/GL là một định dạng dữ liệu hình học 2D, nên các file sẽ không được bổ sung thêm, và có khả năng có hàng trăm tập tin nhỏ cần được đặt tên và xử lý.
+ Thứ hai: các cấu trúc hỗ trợ phải được tạo ra trong hệ thống CAD và được cắt lớp với cùng một phương pháp.
6.5.3. Dữ liệu CT (Computerized Tomography)
Dữ liệu chụp cắt lớp CT là một phương pháp tiếp cận cụ thể đối với hình ảnh y học. Dữ liệu CT không phải là dữ liệu tiêu chuẩn hóa. Định dạng được tạo từ một máy quét CT tạo ra dữ liệu mạng lưới điểm ba chiều. Dữ liệu CT này được sử dụng để chế tạo lại hộp sọ, xương đùi, xương đầu gối và các mô hình xương khác trong y học.
Có 3 phương pháp để tiếp cận mô hình quét CT: (1) qua hệ thống CAD, (2) qua giao diện STL, (3) qua giao diện trực tiếp.
Ưu điểm chính của dữ liệu CT là có thể dùng hệ thống RP để tạo ra các bộ phận giả của cơ thể con người. Tuy nhiên, nhược điểm là dữ liệu CT rất khó xử lý dữ liệu hình ảnh khi so với định dạng STL, và cần có phần mềm đặc biệt để xử lý dữ liệu CT.
6.5.4. Định dạng SLC (file SLC)
SLC (StereoLithography Contour) được phát triển bởi 3D System. SLC đề cập đến một số vấn đề liên quan đến định dạng STL, đại diện cho bề mặt hình tam giác của một mô hình CAD. Khi số lượng hình tam giác trong tập tin STL tăng lên, thì dung lượng trở nên rất lớn, thời gian cần thiết cho việc tính toán chia lớp trong hệ thống tạo mẫu nhanh sẽ rất lâu. SLC giải quyết vấn đề này bằng cách cắt lớp 2 chiều trực tiếp trên một mô hình CAD, thay vì chỉ sử dụng một lớp cắt trung gian như trong STL.
Các vấn đề khi sử dụng định dạng SLC:
+ Khi chia lớp mô hình CAD, nó không thể hiện hoàn toàn chính xác đường nét của từng mảnh.
+ Chia nhỏ theo SLC đòi hỏi phải tính toán phức tạp hơn nhiều, do đó tốn nhiều thời gian hơn.
+ Có thể làm mất đi các bộ phận chi tiết giữa 2 lớp cắt có dung sai đặt trước.
6.5.5. Định dạng CLI (file CLI)
CLI (Common Layer Interface) được phát triển trong dự án Brite Euram với sự hỗ trợ của các nhà sản xuất xe ô tô châu Âu. Định dạng CLI là định dạng độc lập cho công nghệ chế tạo từng lớp. Các tập tin CLI có thể được định dạng theo mã nhị phân hoặc mã ASCII. Hình dạng hình học của chi tiết được sắp xếp theo thứ tự tăng dần. Mỗi lớp được bắt đầu bởi một lệnh với bề dày lớp nhất định.
- Những ưu điểm của định dạng CLI:
+ CLI hỗ trợ các thực thể đa nét, đơn giản hơn nhiều so với các định dạng HP/GL. + Các bước chia lớp có thể tránh được trong một số ứng dụng.
+ Các lỗi về thông tin lớp trong CLI phát hiện dễ dàng và chính xác hơn thông tin 3D. Việc phục hồi tự động có thể được sử dụng, và dễ chỉnh sửa khi cần thiết.
Tuy nhiên CLI cũng tồn tại nhược điểm là các định dạng CLI chỉ có khả năng tạo ra hình nhiều nét của đường viền lớp cắt.
6.5.6. Định dạng RPI (file RPI)
RPI (Rapid Prototyping Interface) được thiết kế bởi Trung tâm nghiên cứu thiết kế Rensselaer. RPI là định dạng có khả năng đại diện cho các khối mặt, bao gồm thông tin về cấu trúc liên kết mặt.
Định dạng RPI có 4 ưu điểm:
+ Thông tin về hình học tôpô được thêm vào định dạng, cho phép người sử dụng có thể cân bằng chi phí lưu trữ và xử lý dữ liệu.
+ Phần dư thừa trong STL được loại bỏ và kích thước tập tin giảm.
+ Mở rộng định dạng có thể được thực hiện bằng cách kết hợp các định dạng khác. + Mô hình ban đầu của CSG được cung cấp, với khả năng là đại diện cho nhiều trường hợp như mặt và khối CSG.
Tuy nhiên, RPI cũng tồn tại những nhược điểm:
+ Phần mềm xử lý định dạng RPI phức tạp hơn định dạng STL.
+ Các phiên bản sửa lỗi bề mặt có thể không được xác định với định dạng RPI.
6.5.7. Định dạng LEAF (file LEAF)
LEAF (Layer Exchange ASCII Format) được phát triển bởi Đại học Công nghệ Helsinki, dựa trên công nghệ chế tạo từng lớp.
Ưu điểm của LEAF là:
+ LEAF dễ dàng thực hiện và sử dụng.
+ LEAF được xác định rõ ràng, cho phép nén dữ liệu. + LEAF và quá trình tạo lớp LMT là độc lập.
+ Các lớp cắt của mô hình CSG có thể được thể hiện trực tiếp trong LEAF. + Các cấu trúc hỗ trợ có thể được tách ra một cách dễ dàng từ phần chi tiết. Nhược điểm của LEAF là:
+ Cần có phần mềm xử lý để kết nối với hệ thống RP.
+ Cấu trúc của các định dạng LEAF phức tạp hơn định dạng STL. + Các định dạng STL không thể chuyển đổi sang định dạng LEAF.
Câu hỏi ôn tập
1. Phân tích định dạng dữ liệu tập tin *.STL trong các hệ thống RP?
2. Các vấn đề thường gặp của tập tin *.STL?
3. Phân tích các trường hợp mô hình phân tích hợp lý và không hợp lý trong chế tạo mẫu
chi tiết.
Chƣơng 7.
MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA TẠO MẪU NHANH
Lĩnh vực ứng dụng của tạo mẫu nhanh liên quan đến mục đích việc tạo mẫu và vật liệu sử dụng để chế tạo mẫu. Ngày nay RP được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế, phân tích và lập kế hoạch và phát triển sản phẩm, trong sản xuất và chế tạo. Các ứng dụng của RP được trình bày trong Hình 7.1.
Hình 7.1: Các ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh.
- Đúc khuôn vỏ mỏng là một quá trình đúc chính xác để chế tạo là những chi tiết từ các hợp kim. 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.
- 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, và nhiều dụng cụ khác.
- Tạo mẫu nhanh có thể được sử dụng để chế tạo sản phẩm. Cùng một sản phẩm như nhau có thể có các đặc điểm kỹ thuật khác nhau, có thể đơn giản là sự khác nhau về vật liệu, nút bấm, phích cắm điện, hay màu sắc; hoặc cũng có thể phức tạp như sự khác nhau ở cấu tạo bên trong. Thêm nữa thời gian tồn tại của sản phẩm đang trở nên ngắn hơn, người thiết kế cần phát triển những sản phẩm mới trong một khoảng thời gian ngắn. Trong quá trình phát triển sản phẩm, cần phải có sự lựa chọn một trong hai việc: kéo dài thời gian phát triển, hoặc tăng nguồn lực sản xuất. Trong hoàn cảnh đó, thời gian đưa sản phẩm ra thị trường trở thành nhân tố quyết định đến lợi nhuận. Tạo mẫu nhanh giúp có mô hình vật lý, có thể sử dụng được ngay như là mô hình CAD 3D đã thiết kế. Mô hình vật lý là một công cụ truyền đạt thông tin hoàn hảo. Nếu như hình ảnh bằng một ngàn lời nói thì mô hình vật lý bằng một ngàn hình ảnh.
Hơn nữa, các vật thể chế tạo bằng tạo mẫu nhanh ngày càng được sử dụng thường xuyên để kiểm tra chức năng, có thể kiểm tra trước khi sản xuất hàng loạt. Bằng cách đó, có thể kịp thời phát hiện các lỗi ở giai đoạn khi mà sự thay đổi chưa quá tốn kém. Người ta ước lượng được rằng: nếu việc sử dụng phương pháp tạo mẫu nhanh có hiệu quả, thời gian phát triển sản phẩm và các công cụ có thể giảm một nửa.
- So với công nghệ truyền thống, tạo mẫu nhanh sẽ không thay thế hoàn toàn các công nghệ truyền thống như NC và phay tốc độ cao, hoặc ngay cả những chi tiết làm bằng thủ công. Nói đúng hơn, tạo mẫu nhanh là một sự lựa chọn trong công cụ để chế tạo các chi tiết. Tạo mẫu nhanh cho thấy lợi thế rõ ràng phải sao chép nhiều lần chi tiết phức tạp.
7.1. Ứng dụng của RP trong công nghiệp ô tô
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