DSPC được sử dụng trong các lĩnh vực: công nghiệp hàng không, công nghiệp ô tô, chế tạo máy tính, tạo bộ phận giả để cấy ghép trong y sinh học.
Hình 5.14: Một số sản phẩm kim loại đúc từ DSPC. 5.6. Phƣơng pháp hóa rắn nhiều pha - MJS
5.6.1. Giới thiệu
Công nghệ tạo mẫu nhanh theo phương pháp hóa rắn nhiều pha (Multiphase Jet Solidification - MJS) được nghiên cứu và phát triển bởi công ty Fraunhofer-Gessellschaft – một tổ chức nghiên cứu ứng dụng hàng đầu của Đức.
5.6.2. Quá trình
Quá trình MJS có thể sản xuất các chi tiết kim loại hoặc gốm sứ, sử dụng hợp kim có điểm nóng chảy thấp hoặc hỗn hợp bột - chất kết dính, sau đó được ép qua một vòi phun để chế tạo từng lớp chi tiết. Quá trình MJS bao gồm hai bước chính là chuẩn bị dữ liệu và chế tạo mô hình.
(1) Chuẩn bị dữ liệu: chi tiết được thiết kế bằng phần mềm CAD 3D, sau đó, dữ liệu CAD 3D được chuyển đến hệ thống MJS, kết hợp với các thông số quá trình như: tốc độ gia công, tốc độ và lưu lượng dòng vật liệu; tập tin điều khiển cho máy được tạo thành. Tập tin này sau đó được tải lên bộ điều khiển của máy để sử dụng cho quá trình chế tạo.
(2) Chế tạo mô hình: đây là giai đoạn quan trọng trong quy trình MJS. Vật liệu được sử dụng thường là hỗn hợp bột - chất kết dính, nhưng cũng có thể là một hợp kim lỏng. Vào đầu quá trình chế tạo, vật liệu được làm nóng vượt qua điểm tan chảy trong buồng gia nhiệt. Sau đó, vật liệu được ép ra ngoài thông qua một vòi phun của hệ thống bơm. Vòi phun được điều khiển bằng máy tính sẽ phun vật liệu để tạo các lớp theo biên dạng mặt cắt chi tiết. Lớp vật liệu tan chảy sẽ hóa rắn khi nó tiếp xúc với bệ đỡ hoặc lớp trước đó, do nhiệt độ và áp suất giảm, và có sự truyền nhiệt từ chi tiết với môi trường xung quanh. Lớp vật liệu hình thành sau sẽ kết dính với lớp vật liệu hình thành trước đó, tạo sự kết dính giữa các lớp với nhau. Cứ
như thế, vòi phun được điều khiển theo ba phương x-y-z để tạo từng lớp cho tới khi hoàn thành sản phẩm.
Hình 5.15: Nguyên lý làm việc của MJS. 5.6.3. Nguyên lý làm việc
Nguyên lý làm việc của quá trình MJS được hiển thị ở Hình 5.15. Nguyên lý cơ bản là áp dụng phương pháp ép đùn vật liệu có độ nhớt thấp, qua một vòi phun để tạo thành từng lớp, tạo sự kết dính giữa các lớp vật liệu.
Nguyên lý của quá trình MJS giống như của quá trình FDM. Sự khác biệt chính giữa hai quá trình này là vật liệu được sử dụng để chế tạo mô hình và hệ thống cung cấp. Đối với MJS, vật liệu cung cấp ở các pha khác nhau, sử dụng hỗn hợp bột – chất kết dính hoặc hợp kim lỏng; thay vì sử dụng vật liệu ở dạng dây như FDM. Với hình dạng, trạng thái vật liệu khác nhau, đầu phun và hệ thống cung cấp cũng khác nhau.
Trong MJS, các thông số ảnh hưởng đến hình dạng và đặc tính sản phẩm là: bề dày lớp, vật liệu chế tạo, áp lực buồng gia nhiệt, tốc độ chế tao, đặc điểm kỹ thuật vòi phun, dòng vật liệu và nhiệt độ hoạt động.
5.6.4. Ứng dụng
Công nghệ MJS có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, với các mẫu bằng kim loại có cơ lý tính đạt yêu cầu như công nghiệp ô tô, hàng không, y sinh học và máy công cụ.
Ưu điểm của MJS là khả năng xử lý sự thay đổi của vật liệu (nhiệt độ tan chảy cao của kim loại và gốm), thiết bị đơn giản. Hệ thống có thể chế tạo được các chi tiết từ vật liệu thép không rỉ, bột titan, bột nhôm, bột đồng và một số vật liệu khác.
5.7. Phƣơng pháp tan chảy bằng tia điện tử - EBM 5.7.1. Giới thiệu
Kỹ thuật tan chảy bằng tia điện tử (Electron Beam Melting - EBM) được công ty Arcam AB - Thụy Điển, nghiên cứu phát triển và thương mại hóa từ năm 2001. EBM được sử dụng để chế tạo chi tiết trực tiếp bằng bột kim loại từ mô hình thiết kế CAD 3D. Thiết bị Arcam EBM S12 có các bộ phận chủ yếu gồm: súng bắn tia electron với hệ thống quét, buồng chân không với bể chế tạo và bộ phận chứa bột, bơm chân không, máy tính, hệ thống điều khiển electron, và một số bộ phận phụ khác. Vật liệu sử dụng để chế tạo chi tiết trong EBM là kim loại (Hình 5.17).
Hình 5.17: Thiết bị Arcam EBM S12. 5.7.2. Quá trình
Bƣớc 1: Chi tiết được thiết kế bằng phần mềm CAD 3D, sau đó mô hình 3D được cắt thành các lớp mỏng với chiều dày khoảng 0.1 mm.
Bƣớc 2: Một lớp mỏng bột vật liệu được cung cấp lên bề mặt theo biên dạng mặt cắt. Lớp đầu tiên của chi tiết được tạo nhờ sự tan chảy bột vật liệu dưới tác động của chùm tia điện tử. Vật liệu tan chảy, liên kết với nhau theo biên dạng của mô hình được thiết kế, tia điện tử được điều khiển bằng chương trình máy tính.
Bƣớc 3: Lớp được chế tạo sẽ được hạ xuống, lớp bột kim loại tiếp theo được cung cấp phía trên lớp vừa chế tạo, quá trình làm tan chảy tiếp tục được thực hiện. Quá trình này lặp đi lặp lại để mô hình được chế tạo từng lớp đến khi hoàn thành.
5.7.3. Nguyên lý làm việc
Quá trình EBM được dựa trên hai nguyên tắc sau:
(1) Các chi tiết được chế tạo khi chùm tia điện tử được bắn vào và làm tan chảy bột
kim loại. Môi trường tan chảy lớp bột là chân không, tạo kích thước chính xác từng lớp của mô hình CAD, ứng với mức năng lượng điện tử.
(2) Việc chế tạo chi tiết được thực hiện theo từng lớp. Một lớp mới được thêm vào khi một lớp trước đó đã được tan chảy và hình thành. Bằng cách này, chi tiết được chế tạo từ dưới lên, các lớp kim loại tan chảy và kết dính với nhau, để có sản phẩm hoàn chỉnh.
5.7.4. Ứng dụng
EBM được sử dụng để chế tạo các chi tiết bằng kim loại trong các lĩnh vực: y học, khuôn mẫu, ô tô và một số lĩnh khác.
Hình 5.18: Một số sản phẩm chế tạo đƣợc từ EBM. 5.8. Công nghệ LASFORM
5.8.1. Giới thiệu
Công nghệ Lasform của Công ty AeroMet dựa trên sự phối hợp nghiên cứu của Phòng thí nghiệm vật lý ứng dụng - Trường Đại học John Hopkins và Phòng thí nghiệm nghiên cứu ứng dụng - Trường Đại học Penn State, cùng Tập đoàn MTS vào năm 1996.
Máy tạo hình bằng laser AeroMet là hệ thống ba trục có thể chế tạo các chi tiết trong một buồng xử lý trơ, với kích thước buồng có thể lên đến 3*3*1,2 mét. Hai trục X và Y được chuyển động do bệ chứa chi tiết di chuyển, trục Z chuyển động theo chiều đứng. Kích thước
buồng làm việc lớn cho phép gia công các chi tiết lớn. Nguồn laserCO2 cung cấp năng lượng
để có được hiệu suất lắng đọng cao. Hệ thống cung cấp bột vật liệu cho máy đảm bảo dòng chảy với tốc độ cao thích ứng cho quá trình.
Quá trình Lasform sử dụng các vật liệu chế tạo các chi tiết có yêu cầu tối thiểu về gia công tinh, hoặc xử lý nhiệt trước khi sử dụng. Vật liệu thường được dùng là bột kim loại, cũng có thể là các hợp kim.
5.8.2. Quá trình
Quá trình Lasform được mô tả như ở Hình 5.19, bao gồm các bước sau:
Quá trình tạo hình bắt đầu với một bản thiết kế chi tiết CAD 3D. Sau đó, được chuyển đến phần mềm để tạo ra các đường quỹ đạo tạo hình của hệ thống laser. Những đường quỹ đạo này được truyền đi đến, dẫn hướng hệ thống tạo hình bằng laser.
Hình 5.19: Máy Lasform của công ty AeroMet.
Các chùm tia laser tập trung vào vết các hình dạng cấu trúc của chi tiết mong muốn bằng cách di chuyển tấm titan dưới chùm tia theo quỹ đạo của trục X-Y. Bột titan được phơi
tiếp xúc với nguồn laser, được nóng chảy trước và cung cấp để tạo các hình chi tiết ở những nơi đi qua trên tấm, tạo thành lớp mong muốn.
Quá trình được lặp đi lặp lại để tạo thành chi tiết theo từng lớp. Các lớp xếp chồng lên nhau, tạo nên sự liên kết giữa các lớp kim loại, để có chi tiết mong muốn. Quá trình hậu xử lý (xử lý tinh) bao gồm: xử lý nhiệt, gia công và kiểm tra.
Hình 5.20: Sơ đồ quá trình Lasform. 5.8.3. Nguyên lý làm việc
Quá trình Lasform sử dụng vật liệu là bột hợp kim titan và chùm tia laser CO2 để làm tan chảy vật liệu. Nguyên lý làm việc cũng dựa trên nguyên tắc chế tạo từng lớp, lớp mới được liên kết với trước đó, quá trình được lặp đi lặp lại cho các lớp tiếp theo trong hướng Z cho đến khi chi tiết được hoàn thành. Quá trình được thực hiện trong môi trường khí trơ.
5.8.4. Ƣu nhƣợc điểm * Ƣu điểm
Vật liệu chế tạo là hợp kim titan, có chất lượng và đặc tính cơ lý tốt.
Chế tạo được chi tiết có kích thước lớn, phần lớn vật liệu chế tạo được cung cấp liên
tục.
Tiết kiệm chi phí và thời gian loại bỏ vật liệu thừa, chi phí sản xuất.
Tính linh hoạt cao: các vùng khác nhau của chi tiết có thể được tùy chỉnh theo chức
năng và yêu cầu.
* Nhƣợc điểm
Cần không gian lớn dành riêng cho hệ thống.
Hạn chế về vật liệu sử dụng: hệ thống này chuyên chế tạo các chi tiết với chất phụ gia
là Titan.
5.8.5. Ứng dụng
Quá trình Lasform có thể được áp dụng cho lĩnh vực nghiên cứu, phát triển sản phẩm, chi tiết thật tế. Áp dụng trong các lĩnh vực công nghiệp: hàng không, cơ khí, khuôn mẫu, và nhiều lĩnh vực khác. Đặc biệt, trong sản xuất chi tiết có kích thước tương đối lớn, nhanh chóng và tiết kiệm chi phí.
5.9. Hệ thống tạo mẫu nhanh GENERIS (GS) 5.9.1. Giới thiệu 5.9.1. Giới thiệu
Công ty GENERIS được thành lập tại Đức năm 1999, nhằm phát triển và thương mại hóa sản phẩm tạo mẫu nhanh với nhãn hiệu GS. Sản phẩm đầu tiên của Generis dựa trên quá trình chế tạo khuôn đúc cát dựa trên công nghệ in ba chiều.
Hình 5.21: Thiết bị Generis GS-1500.
Sản phẩm điển hình của Generis là thiết bị GS-1500 (Hình 5.21). Khuôn được chế tạo có kết cấu từ đơn giản đến phức tạp, tốc độ chế tạo lớn, sản xuất nhanh chóng.
5.9.2. Nguyên lý làm việc
Nguyên tắc làm việc của quá trình Generis giống như nguyên lý của quá trình in ba chiều (3DP). Nguyên tắc chế tạo chi tiết theo từng lớp. Bột vật liệu được tan chảy và hóa rắn từng lớp đến khi chi tiết được hoànthành.
5.9.3. Ứng dụng
Quá trình Generis được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất khuôn, đặc biệt trong lĩnh vực đúc khuôn cát.
5.10.Công nghệ tạo mẫu nhanh THERIFORM 5.10.1.Giới thiệu 5.10.1.Giới thiệu
Công nghệ tạo mẫu nhanh TheriForm dựa trên công nghệ in ba chiều (3DP) của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT). Từ năm 1993, Công ty Therics đã phát triển và chế tạo
thành công thế hệ máy TheriFormTM
, tạo ra các mô hình vật lý với hình dáng và cấu trúc vi mô phức tạp, có thể đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của sản phẩm, thích hợp cho sản xuất thiết bị y học và kỹ thuật cấy ghép bộ phận giả.
5.10.2.Quá trình
Quá trình làm việc của TheriFormTM tương tự máy in 3DP, tạo ra các sản phẩm ba
chiều bằng một loạt các lớp (mặt cắt) hai chiều. Quá trình gồm các bước sau:
(1) Sản phẩm được chế tạo bằng cách in phun các giọt nhỏ chất kết dính, các vật liệu
khác, ngay cả các tế bào sống, tạo một lớp bột polymer siêu mỏng và vật liệu sinh học được điều khiển bởi máy tính.
(2) Chất kết dính sẽ liên kết các lớp bột sản phẩm để tạo thành một lớp sản phẩm. Sau khi
mỗi lớp được tạo, bệ chứa chi tiết hạ xuống và một lớp mới được chế tạo.
(3) Các lớp kế tiếp nhau được chế tạo và liên kết với nhau cho đến khi toàn bộ chi tiết được hoàn thành.
5.10.3. Nguyên lý
TheriFormTM làm việc dựa trên nguyên lý của công nghệ in 3 chiều (3DP) của MIT.
Chất kết dính được phun lớp có chọn lọc để tạo liên kết bột vật liệu trong cùng một lớp, và giữa các lớp với nhau, để tạo thành chi tiết hoàn chỉnh.
Hình 5.22: Sơ đồ quá trình TheriFormTM . 5.10.4.Ứng dụng
Phương pháp TheriFormTM được ứng dụng trong lĩnh vực y học để tái tạo các mô, các
sản phẩm thay thế xương người từ dữ liệu MRI hoặc CT.
TheriFormTM có khả năng chế tạo các chi tiết dùng trong khuôn mẫu có độ chính xác
và tính linh hoạt cần thiết.
Trong nghiên cứu và phát triển các sản phẩm y học, công nghệ cấy mô, vật liệu mới trong y học.
5.11.Công nghệ in 3D của PrometalTM5.11.1.Giới thiệu 5.11.1.Giới thiệu
Công ty PrometalTM là chi nhánh của tập đoàn ―Extrude Hone‖, chuyên cung cấp các
thiết bị và dịch vụ cắt kim loại bằng công nghệ tạo mẫu nhanh. Những thiết bị này mang đến cho khách hàng sự linh hoạt cao, tiết kiệm thời gian chế tao chi tiết kim loại, thiết bị khuôn.
Với khả năng chế tạo trực tiếp mô hình từ dữ liệu CAD, PrometalTM
giúp tiết kiệm thời gian
thiết kế, chế tạo các chi tiết có kết cấu phức tạp. Những dòng máy PrometalTM mới (R10, R4)
tạo ra các chi tiết bằng kim loại và phức tạp, với vật liệu chế tạo là bột kim loại.
5.11.2.Quá trình
Áp dụng công nghệ 3DP, quá trình PrometalTM bao gồm các bước sau:
(1) Mô hình chi tiết được thiết kế trên máy tính bằng phần mềm thiết kế CAD 3D.
(2) Dữ liệu CAD được chuyển đến bộ phận điều khiển. Lớp bột kim loại mịn được cung
cấp và được trải lên bệ chứa chi tiết trên piston.
(3) Mô hình CAD được chế tạo bằng phương pháp in với vòi phun có hàng triệu giọt chất
kết dính mỗi giây. Chất kết dính này sẽ khô nhanh chóng và liên kết các lớp bột kim loại lại.
(4) Kế tiếp, buồng chế tạo hạ xuống một khoảng từ 120 - 170 μm. Quá trình trãi bột kim
loại được lặp lại, và quá trình phun chất kết dính được tiếp tục lặp lại cho đến khi chi tiết được hoàn thành.
(5) Chi tiết được tách ra khỏi bệ chế tạo, phần bột kim loại thừa không kết dính sẽ được
làm sạch.
(6) Chi tiết sau đó được nung trong lò luyện kim, làm các thành phần bột kết dính, kim
loại trở nên đồng nhất hơn.
(7) Sau cùng, quy trình gia công tinh như: gia công, đánh bóng, mạ kim loại để gia tăng
độ bền, thẩm mỹ của chi tiết như mạ niken, crôme.
5.11.3.Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý làm việc của máy in 3D Prometal được thể hiện ở Hình5.24. Vòi phun tĩnh điện phun chất lỏng kết dính lên các kim loại bột. Chi tiết được chế tạo từng lớp dựa trên dữ liệu mặt cắt ngang của chi tiết. Các lớp bột kim loại được trãi trên bệ chế tạo và chuyển động nhờ piston. Chất kết dính được phun và làm khô bằng đèn sấy. Các quá trình được lặp đi lặp lại cho đến khi chi tiết được chế tạo xong.
Hình 5.24: Quá trình ProMetalTM . 5.11.4.Ƣu nhƣợc điểm
Tốc độ chế tạo nhanh: các máy PrometalTM có thể chế tạo ra nhiều chi tiết, bộ phận
cùng một lúc. Có thể hoán đổi vị trí buồng chế tạo, cho phép quay vòng công việc
Linh hoạt: thiết kế linh hoạt, có thể tao ra những bộ phận có cấu tạo phức tạp
Đáng tin cậy: thiết bị tự động điều chỉnh để đạt chất lượng làm việc tốt nhất, tích hợp
chế độ tự động kiểm tra, giám sát tình trạng làm việc. Quá trình in phun đơn giản và đáng tin cậy.
Chế tạo các chi tiết có kích thước lớn một cách nhanh chóng.
5.11.5.Ứng dụng
Công nghệ PrometalTM
ứng dụng chủ yếu để sản xuất những chi tiết thiết bị bằng thép,