Hệ thống tạo mẫu nhanh đa chức năng (Multi-functional Rapid Prototyping Manufacturing, M-RPM) được phát triển bởi Công ty Công nghệ Khuôn và Tạo mẫu nhanh Bắc kinh (Beijing Yinhua Rapid Prototypes Making and Mold Technology Co. Ltd). Tính năng đặc biệt của hệ thống này là khả năng kết hợp cả hai tính năng của SSM và MEM vào một máy tính duy nhất. Hiện nay, hệ thống tạo mẫu nhanh hoạt động hiệu quả, đáng tin cậy. Chi tiết được chế tạo dựa trên nền tảng phun nhựa để tạo từng lớp một.
Quy trình của M-RPM giống như SSM và MEM đã trình bày trong mục 4.5 và 4.6. Tùy theo nhu cầu của người sử dụng, mà có thể sử dụng 1 trong 2 quá trình trên. Đáng chú ý của hệ thống M-RPM so với hầu hết các hệ thống RP là sự kết hợp hai hệ thống SSM và MEM trong một nền tảng duy nhất, người sử dụng có một máy tính với khả năng kép trong việc xây dựng cả hai mô hình nhiều lớp và mô hình đùn chảy lắng đọng.
Ƣu điểm: có nhiều lựa chọn cho khách hàng, do kết hợp hai quá trình SSM và MEM nên có được các ưu điểm của SSM và MEM.
Nhƣợc điểm: có cả các nhược điểm của SSM và MEM.
Ứng dụng: SSM, MEM và M-RPM đã được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như: ô tô, máy điện, điện tử và trong giáo dục. Các ứng dụng chính là trong mô hình trực quan, trong y sinh học.
Hình 4.13: Một số sản phẩm đƣợc chế tạo từ SSM, MEM và M-RPM. Câu hỏi ôn tập
1. Trình bày quá trình 3 bước chính của tạo mẫu nhanh bằng phương pháp LOM.
2. Cấu tạo của hệ thống LOM bao gồm các bộ phận nào?
3. Đặc điểm của vật liệu được sử dụng chế tạo mẫu trong hệ thống LOM?
4. Trình bày nguyên lý làm việc của LOM?
5. Phân tích ưu nhược điểm của phương pháp LOM?
6. Trình bày đặc điểm của phương pháp FDM?
7. Mô tả quá trình FDM?
8. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của FDM?
9. Phân tích ưu nhược điểm của phương pháp FDM?
10.Trình bày quá trình hoạt động của phương pháp PLT?
11.Cho biết nguyên lý làm việc của PLT?
12.Phân tích ưu nhược điểm của phương pháp PLT?
13.Quá trình và nguyên lý làm việc của MJM?
15.Trình bày quá trình và nguyên lý làm việc của phương pháp SSM?
16.Ưu nhược điểm của phương pháp SSM?
17.Trình bày quá trình của phương pháp MEM?
18.Cho biết nguyên lý làm việc của MEM?
19.Ưu nhược điểm của phương pháp MEM?
Chƣơng 5.
HỆ THỐNG TẠO MẪU NHANH DÙNG VẬT LIỆU BỘT
Hệ thống RP dùng vật liệu bột để chế tạo chi tiết mẫu là hệ thống sử dụng các lọai vật liệu ngoài các vật liệu lỏng, rắn được sử dụng bởi các hệ thống tạo mẫu nhanh đã được trình bày trong chương 3 và chương 4.
5.1. Phƣơng pháp thiêu kết laser chọn lọc - SLS 5.1.1. Giới thiệu
Phương pháp thiêu kết laser chọn lọc (SLS - Selective Laser Sintering) được phát minh bởi Carl Deckard vào năm 1986 ở trường đại học Texas, được cấp bằng sáng chế 1989. Thiết bị SLS được đưa ra thương mại hóa vào năm 1992 bởi tập đoàn DTM. Thiết bị này là một trong những phương pháp tạo mẫu nhanh đầu tiên được công nhận sau SLA. Phương pháp này dựa trên quá trình chế tạo từng lớp với vật liệu bột.
Hình 5.1: Máy Sinterstation theo nguyên lý SLS. 5.1.2. Quá trình
Quá trình chế tạo chi tiết bằng SLS được chia thành 4 bước chính. Mô hình vật thể 3D được thiết kế bằng CAD, được cắt thành từng lớp sau khi được chuyển sang hệ thống máy ở tệp tin dạng *.STL. Sau đó, mô hình được chế tạo bằng cách trải từng lớp bột vật liệu và được thiêu kết bằng nguồn laser CO2.
Bƣớc 1: Một lớp vật liệu bột được trải (đặt) vào buồng chứa sản phẩm.
Bƣớc 2: Lớp vật liệu bột đầu tiên được tia laser quét qua và thiêu kết, làm tan chảy và đông đặc lại. Cường độ của tia laser được xác định chỉ để làm tan chảy vật liệu bột trong miền hình học của chi tiết đã được xác định. Vật liệu bột không được xử lý ở xung quanh sẽ được giữ lại như là cơ cấu đỡ chi tiết trong khi chế tạo.
Bƣớc 3: Khi lớp thứ nhất đã hoàn thành, thì lớp vật liệu bột thứ hai được cấp vào thông qua trục lăn cung cấp liệu nhằm để chuẩn bị cho quá trình quét lớp thứ hai.
Bƣớc 4: Bước 2 và bước 3 được lặp lại, mỗi lớp mới được đông đặc phía trên lớp vừa tạo thành. Quá trình chế tạo các lớp được lặp lại cho đến khi sản phẩm được hoàn thành.
Trong quá trình chế tạo, vật liệu bột không tan chảy, vật liệu thừa sẽ được giữ lại làm bộ phận đỡ chi tiết, không đòi hỏi tạo bộ phận đỡ chi tiết khi thiết kế CAD hoặc trong lúc chế tạo, cũng như tháo bỏ khi hoàn thành. Sau khi quá trình chế tạo kết thúc, sản phẩm được lấy
ra khỏi buồng chế tạo, được xử lý và gia công tinh như: chà nhám, sơn mài,... tùy theo yêu cầu sử dụng.
5.1.3. Nguyên lý hoạt động
Quá trình SLS dựa trên 2 nguyên lý cơ bản sau:
(1) Chi tiết được tạo thành từ sự thiêu kết (tan chảy và hóa rắn) khi tia laser quét qua lớp
vật liệu bột mỏng. Sự tác động của cường độ tia laser lên lớp hạt bột làm nhiệt độ bột tăng lên đến điểm tan chảy; gây tan chảy - kết dính các hạt lại với nhau và kết dính với lớp trước đó để tạo ra vật thể.
(2) Chi tiết được chế tạo từng lớp một. Mỗi lớp của quá trình chế tạo bao gồm mặt cắt
ngang của 1 hay nhiều chi tiết. Lớp tiếp theo được chế tạo trực tiếp trên lớp vừa tạo thành trước đó.
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị SLS được trình bày trong Hình 5.2. Một lớp mỏng của bột nguyên liệu được trải trên bề mặt của xy lanh công tác đóng vai trò là bệ đỡ chi tiết. Sau đó, tia laser quét qua phần vật liệu bột nằm trong đường bao của mặt cắt, làm cho vật liệu bị thiêu kết (tan chảy và hóa rắn) và liên kết lại với nhau. Sau đó, xy lanh đỡ chi tiết được hạ xuống một khoảng cách bằng độ dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu được đưa vào nhờ cơ cấu trục lăn cấp bột, quá trình được lặp lại cho đến khi chi tiết được chế tạo hoàn thành.
Hình 5.2: Nguyên lý hoạt động của SLS.
Nguyên tắc của quá trình thiêu kết chủ yếu là việc sắp xếp những hạt vật liệu trong suốt quá trình thiêu kết. Trong quá trình chế tạo, những phần vật liệu không nằm trong miền đường bao mặt cắt sẽ được thu hồi sau khi chế tạo xong chi tiết, vật liệu này đóng vai trò như bộ phận phụ trợ để đỡ chi tiết trong khi chế tạo. Những chi tiết được chế tạo bằng phương pháp SLS có bề mặt tương đối nhám, có những lỗ hỗng nhỏ trên bề mặt, nên cần phải xử lý tinh sau khi được chế tạo.
5.1.4. Vật liệu
Vật liệu bột dùng để chế tạo chi tiết trong phương pháp SLS khá đa dạng, có thể là composite, gốm, kim loại như: polycacbonate (PC), PVC, ABS, nylon, sáp, bột kim loại, bột gốm (ceramic), và vật liệu đàn hồi (elastomer) khác.
Sáp được sử dụng chế tạo chi tiết dùng làm mẫu đúc khuôn cát cho quá trình đúc
những mẫu bằng kim loại.
Nylon thích hợp để tạo ra mô hình và mẫu có thể chịu được điều kiện khắc nghiệt của môi trường.
Kim loại có thể sử dụng để tạo các mẫu thật.
Các loại vật liệu dùng trong SLS thường rẽ tiền, không độc, dễ sử dụng, dễ xử lí, có thể dự trữ và tái sử dụng.
5.1.5. Ƣu nhƣợc điểm của SLS * Ƣu điểm
Độ ổn định của chi tiết tốt: chi tiết được chế tạo trong môi trường được điều
khiển chính xác, vật liệu được cung cấp trực tiếp đến những bộ phận để chế tạo chi tiết.
Vật liệu đa dạng, linh hoạt và không độc hại.
Không cần cơ cấu hỗ trợ, do phần bột vật liệu thừa được sử dụng như cơ cấu
đỡ chi tiết trong quá trình chế tạo; tiết kiệm được thời gian.
Tránh được sự biến dạng của chi tiết do ứng suất.
Quá trình xử lý tinh nhẹ nhàng: chỉ cần xử lý bề mặt, làm bóng, sơn mài, hoặc
không cần xử lý.
Tốc độ chế tạo của quá trình SLS nhanh, có thể chế tạo cùng lúc nhiều chi tiết.
* Nhƣợc điểm
Độ bóng bề mặt kém: phụ thuộc vào kích thước hạt bột sử dụng.
Năng lượng tiêu thụ cao: cần có nguồn năng lượng laser cao để có thể làm
thiêu kết vật liệu trong quá trình chế tạo.
Chi tiết có thể ở trạng thái bị lổ khí bên trong; mật độ vật liệu trong chi tiết có
thể không đồng nhất.
Hình 5.3: Một số sản phẩm của SLS. 5.1.6. Ứng dụng của SLS
Chế tạo các mẫu mô hình để xem xét các ý tưởng, đặc tính và kiểu dáng.
Chế tạo những mô hình, chi tiết có thể chịu đựng được những giới hạn kiểm tra kỹ
thuật, trong lắp ráp.
Ứng dụng trong đúc khuôn sáp: mẫu được sản xuất bằng sáp, sau đó được tạo
Sử dụng SLS để chế tạo trực tiếp các mẫu dụng cụ của mô hình, chi tiết cho những sản phẩm có kích thước nhỏ gọn.
5.2. Phƣơng pháp in 3 chiều - 3DP 5.2.1. Giới thiệu
Công nghệ in 3D (3DP - Three-Dimension Printing) được phát minh và được cấp bằng sáng chế tại Viện Công nghệ Massachusettes (MIT). Sau đó, được cấp phép đầu tư và phát
triển bởi Công ty Z (thành lập năm 1994). Phương pháp in 3D và các hệ thống máy ZTM
dựa trên công nghệ in ba chiều, được thương mại hóa đầu tiên vào năm 1997.
5.2.2. Quá trình công nghệ
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