Sự xuất hiện của các bề mặt có độ cong lớn có thể dẫn đến lỗi tại các giao điểm giữa các bề mặt đó, để lại các khoảng trống hoặc lỗ dọc theo các cạnh của mô hình chi tiết. Một giao tuyến dị thường giữa các bề mặt dẫn đến khe hở như trong Hình 6.3.
Hình 6.3: Lỗ hổng tạo ra do thiếu bề mặt. 6.2.2. Mặt phẳng bị hƣ hại
Sự hư hại hình học của một mặt xảy ra khi tất cả các đỉnh đều thẳng hàng ngay cả tất cả các đỉnh của nó là khác biệt nhau. Điều này có thể được gây ra bởi thuật toán để cố gắng tránh thủng vỏ hình bao mô hình như trong Hình 6.4.
Hình 6.4: Sự hƣ hại (thoái hóa) và tạo bề mặt mới. 6.2.3. Mặt phẳng chồng, lấp nhau
Các mặt có thể chồng lấp có thể được tạo ra do các lỗi làm tròn số trong quá trình sắp xếp. Các đỉnh được biểu diễn trong không gian 3D dưới dạng số lẻ thay vì số nguyên. Do đó, làm tròn số có thể khiến các mặt trùng nhau nếu sai số được đặt quá tự do.
Hình 6.5: Sự chồng lấp các mặt. 6.2.4. Điều kiện không đa dạng (non-manifold condition)
Có 3 dạng là điều kiện không đa dạng cạnh, điểm và mặt. Nguyên nhân tạo ra có thể do lỗi làm tròn số. Hình 6.6 cho thấy sự không đa dạng cạnh; một mô hình hợp lệ là mô hình có các mặt chỉ có một mặt liền kề nhau, nghĩa là, một cạnh chỉ được chia sẻ bởi hai mặt
Hình 6.6: Sự không đa dạng cạnh.
Trái – 2 mặt cong chia một cạnh chung; Phải – 4 mặt cùng chia một cạnh chung.
Hình 6.7: Sự không đa dạng điểm (trái) và mặt (phải). 6.3. Kết quả chế tạo mô hình đƣợc phân tích hợp lý và không hợp lý 6.3.1. Mô hình hợp lý
Mô hình được phân tích gọi là hợp lý nếu mô hình đó không có thiếu mặt phẳng, không có mặt phẳng bị hư, không có mặt bị chồng lấp, hoặc bất kỳ điều bất thường khác. Mô hình này sẽ được cắt thành những lớp 2D; mỗi lớp sau đó sẽ được chuyển đổi thành các đường quét đơn hướng cho tia laser (hoặc các kỹ thuật RP khác) tiến hành chế tạo mô hình.
Các đường quét này sẽ đóng vai trò là điểm bật/tắt của bộ điều khiển chùm tia laser, để mô hình chi tiết được chế tạo phù hợp mà không có bất kỳ vấn đề nào.
Hình 6.8: Kết quả xử lý mô hình hợp lý. 6.3.2. Mô hình không hợp lý
Nếu mô hình được phân tích không hợp lệ, một tình huống có thể xảy ra như trong Hình 6.9. Một mô hình bị xuất hiện một lỗ hổng trên bề mặt. Nếu lỗi này không được sửa chữa và mô hình sau đó được cắt lớp để chuẩn bị để chế tạo từng lớp. Mặt bị thiếu trong mô hình hình học sẽ khiến hệ thống không nhận ra ranh giới dừng chế tạo trên lớp cắt cụ thể. Do đó, quá trình chế tạo sẽ được thực hiện đến giới hạn vật lý của máy RP. Tạo ra một đường liền nét vật lý đi ra ngoài và làm hỏng chi tiết. Do đó, điều tối quan trọng là mô hình phải được sửa chữa thành công trước khi đưa đi chế tạo.
Hình 6.9: Kết quả xử lý mô hình không hợp lý. 6.4. Chỉnh sửa tập tin *.STL
Việc sửa chữa tập tin *.STL đôi khi gặp rất nhiều khó khăn. Việc sửa chữa này có thể được thực hiện bằng cách dùng thuật toán chung, hoặc các thuật toán đặc biệt (riêng) cho các trường hợp đặc biệt.
6.4.1. Thuật toán chung
- Để đảm bảo mô hình cắt lớp hợp lệ, cần kiểm tra tất cả các tam giác trong mô hình, đảm bảo hợp lệ với các hình tam giác trong mô hình của chi tiết.
- Các vấn đề cơ bản thường gặp là: việc bị mất các cạnh, mặt của chi tiết; từ đó đề xuất giải pháp chung để giải quyết vấn đề.
- Cần phải tiếp cận và phát hiện các mặt, cạnh bị mất, để xác định lỗ hổng và khoảng cách của tất cả các khoảng trống trong mô hình. Khi tất cả các khoảng cách của các khoảng trống được xác định, thì các mặt và cạnh phù hợp sẽ được tạo ra để ―vá lắp‖ vào những lỗ hổng đó. Các kích thước của các cạnh, mặt được tạo ra sẽ được giới hạn bởi khoảng cách của
các khoảng trống, và sẽ được so sánh với phần còn lại của mô hình, để đảm bảo các cạnh tạo ra được định hướng chính xác và nhất quán trong việc vá các lỗ hổng.
- Hướng các cạnh, mặt của mô hình có thể được tạo từ tập tin *.STL, các đỉnh tam giác được liệt kê theo thứ tự từ cao đến thấp, nhằm đảm bảo các cạnh được tạo ra chính xác và không bị trùng lặp.
- Chú ý rằng khi giải pháp chung này được sử dụng, cần phải đảm bảo hai điều kiện: (1) Hướng của các cạnh được tạo phải chính xác và tương thích với các phần còn lại của mô hình.
(2) Các đường bao của mô hình được giám sát chặt chẽ khi các cạnh được tạo ra. Cơ sở của thuật toán này dựa trên mô hình cắt lớp hợp lệ. Nếu điều này không được thỏa mãn, thì vẫn còn có một số cạnh, mặt bị thiếu.
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