Quá trình công nghệ in 3D được thực hiện theo trình tự các bước sau:
(1) Thiết kế mẫu ảo 3D trên phần
mềm CAD. Sau đó nhập file 3D vào phần mềm Zprint trên hệ thống máy in 3D đã được kết nối.
(2) Cung cấp bột, mực và keo kết
dính cho thiết bị
(3) Điều chỉnh các thông số trên
máy và bắt đầu quá trình in để chế tạo chi tiết.
(4) Loại bỏ phần bột thừa bằng hệ
thống rung động.
(5) Làm sạch sản phẩm.
(6) Hoàn thiện sản phẩm.
Hình 5.4: Quá trình chế tạo mẫu của 3DP. 5.2.3. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của máy in 3D được thể hiện ở Hình 5.5. Phương pháp 3DP chế tạo chi tiết theo từng lớp một. Đầu tiên, lớp bột mỏng được trãi lên bề mặt piston của bệ chế tạo nhờ trục cán và hệ thống cấp liệu. Kế tiếp, đầu phun sẽ phun và in chất kết dính lên trên bề mặt bột, tạo hình theo biên dạng mặt cắt đầu tiên của chi tiết. Với thiết bị có nhiều đầu phun,
mỗi đầu phun sẽ cho 1 màu vật liệu riêng biệt, sự kết hợp của các màu đầu phun tạo nên dãy màu thể hiện những phần khác nhau của chi tiết.
Hình 5.5: Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy in 3D.
Hình 5.6: Quá trình chế tạo sản phẩm của máy in 3D.
Bột được kết dính với nhau ở những nơi có chất kết dính được in theo biên dạng của lớp mặt cắt. Phần bột không được kết dính sẽ được sử dụng như bộ phận hỗ trợ đỡ chi tiết trong khi chế tạo. Khi một lớp được chế tạo xong, piston đỡ sẽ được hạ xuống một khoảng bằng độ dày lớp cắt kế tiếp, một lớp bột mới lại được trãi lên bề mặt lớp vừa chế tạo, và quá trình được lặp lại. Chi tiết được tạo từng lớp trong piston/bệ đỡ cho đến khi hoàn thành.
Khi chi tiết được chế tạo xong, phần bột dư sẽ được hút bởi bơm chân không, chi tiết được nâng lên từ bệ đỡ. Sau khi được lấy ra khỏi máy, chi tiết có thể được xử lý bằng nhiều
cách theo yêu cầu như: nhúng trong sáp, phủ sơn, đánh bóng, hoặc những phương pháp khác. Trình tự các bước chế tạo chi tiết theo phương pháp in 3D được nên trong Hình 5.6.
5.2.4. Ƣu nhƣợc điểm * Ƣu điểm
Tốc độ nhanh: 3DP có tốc độ nhanh nhất hiện nay, mỗi lớp được in trong thời gian
tính bằng giây, giảm thời gian chế tạo sản phẩm, hạ giá thành sản phẩm.
Đa năng: Chi tiết được chế tạo có thể được dùng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp
như: ô tô, đóng gói, giáo dục, y học, hàng không, viễn thông…. Những chi tiết có thể được sử dụng trong kiểm tra thiết kế, cũng như nghiên cứu đặc tính vật liệu chế tạo.
Vận hành đơn giản: quá trình vận hành và chế tạo chi tiết không yêu cầu kỹ thuật cao.
Hệ thống dựa trên tiêu chuẩn và những đặc tính của máy in công nghiệp.
Tiết kiệm vật liệu: Vật liệu bột thừa, không được in trong quá trình chế tạo, sẽ được
thu hồi.
Màu sắc chi tiết: có thể có nhiều màu sắc trong 1 chi tiết được chế tạo.
* Nhƣợc điểm
Tính năng của chi tiết có hạn: so với SLS, chi tiết được chế tạo từ 3DP yếu hơn, nên bị
hạn chế về các tính năng kiểm tra.
Vật liệu chế tạo chi tiết có hạn, không nhiều trên thị trường.
Chất lượng bề mặt kém: độ mịn của sản phẩm tùy thuộc nhiều vào chất lượng vật liệu
và giá thành máy. Độ mịn càng cao, máy tạo sản phẩm càng đắt.
5.2.5. Ứng dụng
Đúc mẫu kim loại: quá trình đúc mẫu được chế tạo trực tiếp từ mô hình CAD trên máy
tính mà không qua các bước trung gian.
Chế tạo trực tiếp mẫu kim loại: Mẫu kim loại có thể được chế tạo từ bột kim loại của
các vật liệu thép, vonfram, cacbit vonfram bằng quá trình 3DP.
Chức năng điền vật liệu: 3DP có thể chế tạo tốt đối với vật liệu composites.
Hình 5.7: Một số sản phẩm của máy in 3DP. 5.3. Phƣơng pháp tạo mẫu nhanh EOSINT
5.3.1. Giới thiệu
EOSINT là phương pháp tạo mẫu nhanh sử dụng nguồn laser thiêu kết nhựa dẻo, được giới thiệu năm 1994 bởi công ty EOS GmbH. Các mẫu máy của công nghệ này gồm có: EOSINT M250, EOSINT S700, EOSINT M250 Etended, EOSINT P360, EOSINT P370, và nhiều mẫu khác.
5.3.2. Quá trình
Bƣớc 1: Lớp vật liệu bột có khả năng tan chảy được đặt vào buồng chế tạo sản phẩm để thực hiện quá trình chế tạo.
Bƣớc 2: Lớp vật liệu bột đầu tiên được làm tan chảy và đông đặc lại do tác động của tia laser CO2 quét qua lớp vật liệu. Phần vật liệu bột không được xử lý sẽ được đưa trở về thùng chứa liệu.
Bƣớc 3: Khi lớp thứ nhất đã được chế tạo xong, bệ chứa chi tiết sẽ hạ xuống, lớp vật liệu bột kế tiếp sẽ được cung cấp bởi cơ cấu trục lăn, quá trình quét lớp thứ hai được chuẩn bị.
Bƣớc 4: Bước 2 và 3 được lặp lại cho đến khi toàn bộ chi tiết được chế tạo hoàn thành.
5.3.3. Nguyên lý hoạt động
Quá trình IOSINT được thực hiện theo trình tự các bước sau: thiết kế chi tiết, xử lý dữ liệu, chuẩn bị cho lớp mới, quét tia laser và thu hồi phần vật liệu không tan chảy.
Trước tiên, chi tiết được thiết kế bởi phần mềm thiết kế CAD 3D trên máy tính, tiếp đến
các dữ liệu CAD được xử lý bởi phần mềm EOSOFT của EOS, chuyển đổi và định dạng mặt cắt ngang của chi tiết để máy EOSINT sử dụng và kiểm soát quá trình thiêu kết vật liệu.
Ở giai đoạn chế tạo, một lớp bột mới phủ lên bệ chứa, nguồn tia laser được dẫn đến và
quét qua biên dạng mặt cắt, thiêu kết các lớp bột lại với nhau theo dữ liệu mặt cắt ngang. Đồng thời, lớp mới tạo thành được kết dính với lớp trước đó.
Khi quá trình thiêu kết 1 mặt cắt được hoàn thành, bệ máy hạ xuống một khoảng đúng
bằng bề dày của lớp kế tiếp, lớp bột mới được cung cấp vào để chuẩn bị quá trình tiếp theo. Các công đoạn của quá trình này được lặp đi lặp lại cho đến khi chi tiết được chế tạo hoàn toàn.
Sau khi chế tạo xong chi tiết, phần vật liệu bột bao xung quanh chi tiết đóng vai trò như
bộ phận đỡ, được lấy ra nhờ hệ thống bơm chân không hoặc bằng thủ công.
5.3.4. Vật liệu
Vật liệu được sử dụng trong EOSINT thường là nhựa PA (Polyamides) như: PA1500, PA1300 và PA2200 đạt tiêu chuẩn, cho phép chi tiết chịu được nhiệt độ cao. Ngoài ra, các loại bột polystyrene (PS), kim loại, cát đúc ... vẫn được sử dụng. Chi tiết được chế tạo có đặc tính cơ học và độ chính xác cao, độ nhẵn bề mặt tốt, có thể dùng trong khuôn ép phun, khuôn đúc với độ chính xác cao.
5.3.5. Ƣu nhƣợc điểm của EOSINT * Ƣu điểm
Có tính ổn định: chi tiết được tạo ra trong môi trường có độ chính xác ổn định.
Vật liệu đa dạng và phạm vi ứng dụng linh hoạt trong thực tế sản xuất.
Không cần có cơ cấu hỗ trợ để đỡ chi tiết, hoặc chỉ sử dụng cơ cấu đỡ đơn giản, giảm
thời gian xử lý sau khi chế tạo.
Chi tiết sau khi chế tạo khá hoàn hảo nên không cần xử lý tinh, hoặc chỉ xử lý rất ít; có
độ chính xác cao, ít bị co ngót bề mặt, đảm bảo đủ độ hóa rắn nên không cần có quá trình lưu hóa sau đó.
* Nhƣợc điểm
Mức tiêu thụ điện năng cao do một số thiết bị cần có mức năng lượng laser cao để có thể làm tan chảy trực tiếp bột kim loại.
Kích thước của hệ thống thiết bị máy lớn.
5.3.6. Ứng dụng
Chế tạo mô hình nhằm phân tích ý tưởng thiết kế, tạo mẫu sản phẩm.
Ứng dụng trong công nghiệp hàng không vũ trụ, ô tô, máy công cụ và sản phẩm tiêu
dùng.
Sử dụng trong đúc khuôn sáp, đúc nhựa hoặc công cụ nhanh bằng kim loại.
Hình 5.8: Một số sản phẩm làm ra từ công nghệ EOSINT. 5.4. Tạo hình bằng kỹ thuật laser - LENS
5.4.1. Giới thiệu
Phương pháp tạo hình bằng kỹ thuật laser (Laser Engineered Net Shape - LENS) do công ty Optomec phát triển vào 1997 thông qua một dự án nghiên cứu từ phòng thí nghiệm quốc gia Sandia - Mỹ. Sau đó, Công ty Optomec đã phân phối sản phẩm thương mại đầu tiên cho trường đại học Bang Ohio.
5.4.2. Quá trình
Quá trình tạo chi tiết bằng cách thêm bột kim loại và dùng một nguồn laser để làm tan chảy bột thành khối. Quá trình chế tạo chi tiết bằng kim loại của LENS được thực hiện theo các bước sau:
(1) Một đầu phun cung cấp bột kim loại vào đúng tiêu điểm của tia laser và được làm tan
chảy. Tia laser này được dẫn trực tiếp qua hệ thống quang học hoặc hệ thống kính quay chính xác.
(2) Tia laser được tập trung vào vật liệu qua hệ thống kính quang học, được điều khiển để
quét qua mặt cắt của chi tiết và chế tạo theo lớp. Quá trình chế tạo được thực hiện trong buồng có áp suất thấp, đảm bảo quá trình kết dính của vật liệu với nhau.
(3) Khi một lớp chi tiết được hoàn thành, đầu phun sẽ di chuyển lên và thực hiện lớp tiếp
theo. Quá trình được lặp lại từng lớp cho đến khi chi tiết được chế tạo xong. Toàn bộ quá trình được thực hiện cách ly với áp suất môi trường. Thông thường, chi tiết sau chế tạo cần được xử lý tinh để có kết cấu hạt tốt.
5.4.3. Nguyên lý hoạt động
Một nguồn laser công suất cao được sử dụng để làm tan chảy bột kim loại. Vật liệu được cung cấp thông qua một đầu ống tan chảy (C). Các tia laser đi qua tâm của đầu C và được hội tụ nhờ hệ thống kính quang học (B). Bàn (D) được di chuyển theo hai phương X-Y để tạo tia quét toàn bộ bề mặt khi chế tạo mỗi lớp. Thông thường, đầu phun vật liệu được di chuyển theo chiều dọc khi mỗi lớp được hoàn thành. Hệ thống kính quang học (E) có thể thay bằng các sợi quang học. Bột kim loại (A) được cấp vào và được trải đều trên mặt cắt của chi tiết ở lớp đầu tiên; hoặc bởi lực hấp dẫn, hoặc bằng áp lực của hệ thống gas (G). Trong một số trường hợp, một ống khí gas (F) được sử dụng để kiểm soát lớp vật liệu và tăng cường sự kết dính giữa các lớp.
Hình 5.9: Nguyên lý hoạt động của LENS. 5.4.4. Vật liệu sử dụng
Một loạt các vật liệu kim loại có thể được sử dụng để chế tạo chi tiết bằng phương pháp LENS như: thép, đồng, nhôm, titan. Hầu hết các hệ thống LENS đều sử dụng nguyên liệu dạng bột. Thành phần vật liệu có thể được thay đổi tùy theo yêu cầu sử dụng.
5.4.5. Ƣu nhƣợc điểm
Ƣu điểm: LENS là công nghệ có những ưu điểm nổi bậc sau
Đặc tính vật liệu: LENS chế tạo ra các chi tiết có mật độ hạt kim loại với vi cấu trúc
và đặc tính cơ học tốt.
Tạo được các sản phẩm có hình dạng phức tạp, thời gian chế tạo nhanh.
Giảm yêu cầu xử lý tinh, giảm thời gian chu kỳ sản xuất.
Nhƣợc điểm
Vật liệu chế tạo bị hạn chế, chủ yếu là kim loại
Kích thước máy lớn nên đòi hỏi không gian tương đối lớn,
Tiêu thụ năng lượng cao: LENS có hệ thống laser để làm tan chảy vật liệu kim loại,
đòi hỏi tiêu thụ năng lượng rất cao.
Hình 5.10: Chế tạo chi tiết bằng công nghệ LENS. 5.4.6. Ứng dụng
Công nghệ LENS có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực sau:
Chế tạo khuôn mẫu.
Chế tạo chi tiết bằng titan trong công nghệ ô tô.
Chế tạo những chi tiết phục vụ quá trình kiểm tra, phát triển sản phẩm.
Hình 5.11: Ứng dụng LENS trong y học để ghép bộ phận giả. 5.5. Công nghệ đúc khuôn vỏ mỏng trực tiếp - DSPC
5.5.1. Giới thiệu
Công nghệ DSPC có bắt nguồn từ quá trình in ba chiều, được phát minh và phát triển tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) - Hoa Kỳ. Sau đó, Công ty Soligen Technologies (thành lập vào năm 1991 bởi Yahoram Uziel) mua bản quyền của MIT để đúc kim loại từ năm 2006.
5.5.2. Quá trình
Các bước của quy trình thể hiện trong Hình 5.12 và bao gồm 7 bước:
(1) Thiết kế sản phẩm trên máy tính với CAD.
(2) Mô hình CAD được chuyển đến bộ phận xử lý vỏ khuôn: chuyển đổi dữ liệu, xử lý
khuôn, chuẩn bị toàn bộ dữ liệu, thuộc tính khuôn như độ dày mỗi lớp, độ bù trừ co ngót của khuôn,... trước khi tiến hành tạo khuôn. Kế tiếp, nhà tạo khuôn sẽ quyết định tạo lòng khuôn, bạc cuống phun, đường dẫn, ... Sau khi vỏ khuôn đạt yêu cầu, hệ thống sẽ tạo mô hình chi tiết bằng các lớp với bề dày xác định. Mô hình này sau đó được chuyển đến bộ phận chế tạo vỏ khuôn.
(3) Bộ phận chế tạo bắt đầu trải 1 lớp bột lên trên bề mặt của lớp đầu tiên của vỏ
khuôn; sau đó có con lăn sẽ cán qua tạo ra một lớp bột vật liệu mỏng có bề mặt.
(4) Một đầu phun mực sẽ phun chất kết dính lên trên lớp bột vừa trải. Chất kết dính
này có khả năng tạo nên sự kết dính cho lớp bột. Đầu phun được di chuyển theo biên dạng của khuôn đúc đã được thiết kế như ở trên mô hình CAD. Sau đó, bệ đỡ chi tiết vừa xong sẽ được hạ xuống thấp, lớp mới được tiếp tục cung cấp và xử lý.
(5) Lặp lại bước 3 và 4 của quy trình cho tới khi chế tạo hoàn thành khuôn đúc.
(6) Sau khi chi tiết được hoàn thành, các lớp bột bám dính không cần thiết đượcloại
bỏ. Khuôn được tháo ra, có thể được xử lý tinh (nung nóng để loại bỏ độ ẩm, hoặc sấy sơ bộ đến nhiệt độ thích hợp cho khuôn đúc).
(7) Kim loại làm khuôn dạng nóng chảy được cho vào khuôn đúc, sau khi làm nguội
loại bỏ khuôn để được sản phẩm. Sản phẩm có thể được xử lý để có một sản phẩm khuôn hoàn chỉnh.
Hình 5.12: Quá trình DSPC của Soligen.
Cấu tạo phần cứng của DSPC gồm: máy tính, bộ giữ bột kim loại, bộ phận cung cấp bột, trục lăn, đầu phun và buồng chế tạo. Phần mềm gồm: phần mềm thiết kế CAD và phần mềm cắt lớp của Soligen.
Hình 5.13: Thiết bị DSPC 300 của Soligen. 5.5.3. Nguyên lý làm việc
Thiết bị DSPC làm việc dựa trên nguyên lý in ba chiều (3DP), được cấp phép độc quyền cho công ty Soligen trên toàn thế giới trong lĩnh vực đúc kim loại. Với công nghệ in phun này, chất kết dính từ vòi phun sẽ liên kết các hạt gốm lại với nhau để tạo ra từng lớp. Từng lớp được chế tạo và kết dính với lớp trước đó cho đến khi khuôn gốm được hoàn thành. Khuôn được lấy ra khỏi máy DSPC, được đốt ở nhiệt độ thủy tinh để hóa cứng và loại bỏ tất cả các độ ẩm. Trong quá trình, các thông số ảnh hưởng đến hình dạng và đặc tính, chức năng của chi tiết là: độ dày lớp, các thuộc tính của bột, chất kết dính và áp lực của các con lăn.
5.5.4. Ƣu nhƣợc điểm của DSPC Ƣu điểm
Đúc trực tiếp không cần mẫu: DSPC có khả năng đúc trực tiếp chi tiết, tạo sản phẩm
mà không cần bất kỳ mẫu hay mô hình nào.
Các chi tiết kim loại có thể được tạo trực tiếp từ dữ liệu của CAD: DSPC là quá trình
tạo mẫu nhanh có thể tạo ra khuôn gốm để đúc kim loại trực tiếp.
Khi đúc bằng DSPC không cần mặt phân khuôn, góc thoát khuôn, không đường hàn;
có thể tăng cơ lý tính của chi tiết.
Nhƣợc điểm
Nhược điểm của DSPC là vật liệu chế tạo chi tiết, chỉ tập trung chế tạo khuôn gốm để