Hình 4.8: Nguyên lý làm việc của MJM.
Quá trình làm việc của ThermoJet® dựa trên nguyên lý chế tạo từng lớp chi tiết. MJM
chế tạo mẫu với kỹ thuật giống như máy in phun 3D. Một đầu phun gồm nhiều kim phun di chuyển theo một hướng thẳng, để chế tạo chi tiết theo các lớp liên tiếp nhau.
ThermoJet® tạo các chi tiết bằng cách phun một lớp vật liệu sáp nóng chảy được gia
nhiệt ở bể chứa A, được đưa đến đầu phun qua hệ thống ống dẫn cách nhiệt. Tại đầu phun, dòng vật liệu sẽ được điều khiển qua các vòi phun, lớp vật liệu được phun từng lớp lên bệ đỡ/ hoặc lớp trước đó. Sau đó, trục lăn sẽ di chuyển qua mặt lớp vật liệu, tạo sự đồng đều giữa các lớp. Cảm biến sẽ xác định chiều cao lớp vật liệu để điều khiển sự nâng hạ của bệ đỡ qua hệ thống điều khiển. Lớp tiếp theo sẽ được chế tạo với chu kỳ tương tự. Chu trình cứ lặp đi lặp lại cho đến khi sản phẩm được hoàn thành.
Hình 4.9: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của MJM. 4.4.4. Đặc điểm kỹ thuật
a. Khả năng
Trong khi máy in 3D là một lựa chọn tốt để tạo ra các chi tiết lớn, thì phương pháp
MJM là lựa chọn tốt hơn đối với chi tiết nhỏ, có bề mặt phức tạp. Máy ThermoJet® có thể tạo
ra được các chi tiết lớn có kích thước 254 x 190 x 203 mm, bằng cách phun rải một lớp vật liệu sáp nóng chảy lên nền đỡ, sử dụng đầu phun rộng 9 inch với 352 dòng. Dòng vật liệu thoát ra qua đầu phun có đường kính 0.025 mm; sẽ nhanh chóng nguội đi và hoá cứng trên bề
mặt của nền đỡ, tạo nên lớp mỏng có bề dày thường khoảng 0.042 mm. Các lớp lần lượt được chế tạo theo trình tự này.
b. Độ chính xác và chất lượng bề mặt
MJM cho chất lượng của chi tiết đạt yêu cầu, độ phân giải khoảng 300 đến 400 pixel/ inch trên 2 trục X, trục Y; khoảng 600 pixel/inch theo trục Z. Bề mặt bệ đỡ có thể tách bỏ ra và độ nhám bề mặt chi tiết có thể cải thiện nhờ đánh bóng.
c. Tốc độ chế tạo
Phương pháp MJM tạo ra chi tiết từ nhiều vòi phun chất lỏng nóng chảy một cách đồng thời, nên năng suất và tốc độ nhanh. Tuy không bằng phương pháp in 3D, nhưng sẽ không có các lỗ rỗng trong chi tiết, do sáp được lắp vào đó để làm bộ phận đỡ trong lúc chế tạo.
d. Bệ đỡ chi tiết
Trong lúc chế tạo, chi tiết được cách ly và được giữ bởi bệ đỡ. Bệ đỡ là tấm mỏng để giữ tất cả các lớp vật liệu được chế tạo trên đó. Khi chi tiết hoàn thành thì chi tiết được tháo ra và bệ đỡ được làm sạch.
e. Vật liệu chế tạo
Vật liệu sáp được sử dụng trong thiết bị ThermoJet. Độ bền các chi tiết chỉ cho phép bảo quản và vận chuyển khi cần thiết. Các chi tiết sản phẩm của máy ThermoJet được sử dụng trực tiếp như là một mẫu đúc.
4.4.5. Ƣu nhƣợc điểm
a. Ưu điểm
Phương pháp MJM được sử dụng để chế tạo chi tiết có yêu cầu độ phức tạp cao hơn là
độ bền. Máy hoạt động không gây ồn, bảo đảm môi trường sạch, nên có thể được sử dụng trong nhà.
Vật liệu được đưa vào trong máy qua thùng chứa, không sinh ra chất thải rắn hay lỏng.
Các tấm giá đỡ chi tiết có thể bỏ đi, không yêu cầu găng tay bảo hộ an toàn khi làm
việc.
So với các kỹ thuật tạo mẫu nhanh khác: MJN có chi phí đầu tư thấp hơn, tạo ra các
mẫu có giá thành rẻ hơn, nhanh và chi phí thấp.
Sau khi được chế tạo, chi tiết không cần phải xử lí tinh, mà có thể sử dụng ngay.
Trong thực tế, MJM có thể là phương pháp nhanh nhất trong tất cả các phương pháp RP. Gần đây, màu sắc sản phẩm của phương pháp MJM cũng đã trở nên phong phú.
b. Nhược điểm
Có những hạn chế về độ phân giải, chất lượng bề mặt, độ bền của vật liệu.
Mô hình được tạo ra có thể dễ dàng bị hư hỏng và bị bóp méo.
Chi tiết bằng sáp của ThermoJet khó gắn kết với các chi tiết khác, nên cần có phương
pháp tăng bền thêm.
4.5.Phƣơng pháp chế tạo vật thể từng lớp (SSM) 4.5.1. Giới thiệu
Phương pháp chế tạo vật thể từng lớp (Slicing Solid Manufacturing - SSM) được nghiên cứu và phát triển vào năm 1994, bởi Công ty Công nghệ Khuôn và Tạo mẫu nhanh Bắc kinh (Beijing Yinhua Rapid Prototypes Making and Mold Technology Co. Ltd), Trường Đại học Tsinghua (Tsinghua University) và Trung tâm tạo hình nhanh bằng Laser (Center for Laser
Rapid Forming) – Trung Quốc. Các sản phẩm chủ yếu của nhóm nghiên cứu trên là SSM, tạo mô hình bằng ép chảy vật liệu (Melted Extrusion Modeling - MEM), chế tạo mẫu nhanh nhiều chức năng (Multi-functional rapid prototyping Manufacturing – M-RPM).
Phương pháp chế tạo vật thể từng lớp (SSM) sử dụng kỹ thuật giống như phương pháp LOM, dán nhiều lớp vật liệu lên với nhau để tạo mô hình hoàn chỉnh, sử dụng nguồn laser
CO2 để cắt biên dạng của mỗi lớp. Tuy nhiên, SSM có nhiều tính năng sử dụng đặc biệt riêng.
Hiện có các phiên bản của SSM là: SSM-600 và SSM-1600 – với thể tích chế tạo lớn nhất là 1600*800*750 mm.
4.5.2. Quá trình
Quá trình tạo mẫu SSM tương tự như quá trình tạo mẫu LOM. Quá trình này được thực hiện qua 3 bước: thiết kế mô hình, chế tạo mô hình và gia công tinh.
(1) Thiết kế mô hình: Chi tiết chế tạo được thiết kế hình học bằng phần mềm CAD. Sau đó, các tập tin CAD được chuyển vào hệ thống máy SSM và được xử lý bằng phần mềm ―Lark '97‖, mô hình CAD sẽ được cắt thành từng lớp để chế tạo.
Hình 4.10: Cấu tạo và nguyên lý của máy SSM.
(2) Chế tạo chi tiết: Đầu tiên, bệ đỡ chi tiết sẽ được nâng lên ở vị trí cao nhất cách con lăn của trục cán nóng một khoảng bằng đúng độ dày của lớp. Vật liệu chế tạo là vật liệu dạng tấm được cung cấp từ trục cấp liệu, con lăn nhiệt sẽ cán lớp vật liệu dính lại với nhau nhờ lớp chất kết dính trên bề mặt. Khi được ép và gia nhiệt bởi trục lăn gia nhiệt, lớp này sẽ được kết dính với lớp được chế tạo trước đó. Hệ thống quang học được điều khiển, dẫn nguồn tia laser để cắt vật liệu theo đường bao của mặt cắt, theo hình dạng hình học của mô hình đã tạo. Phần vật liệu dư sẽ được thu hồi bằng trục thu vật liệu. Sau đó, bệ máy sẽ hạ xuống thấp và lớp vật liệu mới được nạp vào, cơ cấu lại nâng lên đến vị trí thấp hơn chiều cao của lớp vật liệu đã được xử lí trước đó, trục ép lại tiếp tục cán và gia công nhiệt tạo liên kết giữa các lớp vật liệu. Chu kỳ này được lặp lại cho đến khi chi tiết được hoàn thành. Những vật liệu dư trong quá trình chế tạo chi tiết (được cắt thành những đường ngang dọc), đóng vai trò như cơ cấu phụ trợ để đỡ chi tiết giống như phương pháp LOM (Hình 4.10).
(3) Xử lí tinh: Sau khi đã được gia công, chi tiết được tách khỏi bệ đỡ, và được xử lý bề mặt bằng đánh bóng, xi mạ hoặc sơn phủ theo yêu cầu.
4.5.3. Nguyên tắc
Giống như những phương pháp tạo mẫu nhanh khác, phương pháp SSM cũng chế tạo mẫu theo nguyên tắc từng lớp một. Nguồn tia laser CO2 được sử dụng để cắt các vật liệu dạng tấm mỏng theo đường biên các mặt cắt sau khi lớp được chế tạo xong.
4.5.4. Ƣu nhƣợc điểm
* Ưu điểm
Thời gian chế tạo lớp nhanh, tia laser không cắt toàn bộ diện tích mà chỉ quét theo chu
vi ngoài của chi tiết
Vật liệu sử dụng rẻ tiền, không gây độc hại và không ô nhiễm môi trường
Độ chính xác cao, tránh được độ co rút của vật liệu.
Không cần kết cấu hỗ trợ, do vật liệu thừa sẽ thực hiện nhiệm vụ này.
* Nhược điểm
Cường độ laser cần được điều chỉnh chính xác để không xâm nhập vào lớp trước và
bóp méo mẫu chế tạo.
Quá trình tháo bỏ bộ phận hỗ trợ tốn thời gian, có thể gây hư hỏng sản phẩm.
Độ bóng bề mặt chi tiết không cao.
4.6.Phƣơng pháp ép đùn tan chảy - MEM 4.6.1. Giới thiệu
Phương pháp tạo mô hình bằng ép đùn nóng chảy (MEM- Melted Extrusion Modeling) thường được sử dụng trong chế tạo mô hình và sản xuất mẫu, được phát triển bởi nhóm giáo sư của Trường Đại học Tsinghua (Trung Quốc) vào cuối những năm 1980, và được thương mại hóa vào năm 1990.
Hình 4.11: Mô hình máy MEM. 4.6.2. Quá trình
MEM có nguyên lý tương tự như phương pháp FDM, nhựa hoặc sáp ở dạng sợi được nấu chảy và được ép đùn để tạo chi tiết. Mô hình chi tiết được chế tạo theo kiểu từng lớp, đầu phun được điều khiển theo phương X-Y-Z.
MEM chế tạo chi tiết bằng nhựa nóng chảy được ép qua đầu ép tạo hình, rồi hoá rắn từng lớp tạo nên chi tiết. Vật liệu chế tạo chi tiết dạng sợi được dẫn từ cuộn dây cung cấp tới đầu phun để tạo lớp, đầu phun được điều khiển bằng một động cơ servo. Ở đầu phun, vật liệu được nung chảy, và được ép đẩy ra khỏi vòi phun để tạo chi tiết. Độ rộng của vết vật liệu có thể thay đổi trong khoảng từ 0,193 - 0,965 mm, được xác định bằng kích thước của miệng phun. Sau khi được phun ra khỏi đầu phun, vật liệu sẽ nguội nhanh và đông cứng tạo nên chi tiết. Khi một lớp được hoàn thành, bệ đỡ sẽ di chuyển xuống dưới một lớp mỏng (khoảng 0,178 ÷ 0,356 mm), và quá trình tạo lớp mới được lặp lại.
Để tạo ra chi tiết chính xác, cần phải điều khiển nhiệt độ giới hạn của buồng chế tạo và quá trình tạo thành chi tiết. Nhiệt độ của buồng phải được giữ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy
của vật liệu, để bảo đảm chi tiết được đông đặc và liên kết lại với nhau nhanh nhất có thể, tránh hiện tượng vật liệu bị đùn, lún hoặc bị biến dạng.
4.6.3. Nguyên lý làm việc
MEM hoạt động trên một nguyên tắc tạo từng lớp vật liệu. Vật liệu nhựa dạng sợi từ cuộn cấp liệu được cung cấp đến vòi phun. Vòi phun được làm nóng để làm tan chảy vật liệu, có thể di chuyển được theo hai phương X-Y qua một hệ thống điều khiển bởi máy tính. Các chi tiết được tạo ra bằng cách đùn các hạt nhỏ vật liệu nhựa để tạo thành các lớp, các lớp vật liệu này sẽ hóa cứng ngay lập tức sau khi ra khỏi vòi phun.
Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp MEM.
Vật liệu sử dụng để chế tạo chi tiết có thể chọn trên thị trường tùy theo yêu cầu. Có thể sử dụng nhựa ABS (Acrylonitrile Butedien Styren), nhựa PC (polycacbonate), các loại nhựa khác và sáp.
4.6.4. Ƣu nhƣợc điểm
* Ưu điểm
MEM tiết kiệm được vật liệu.
Vật liệu dễ tìm, không độc hại, dễ dàng thay thế.
Quá trình chế tạo không gây ồn, thân thiện với môi trường.
Chế tạo được nhiều chi tiết với kích thước phù hợp, hình dạng phức tạp cao.
* Nhược điểm
Độ chính xác chi tiết bị hạn chế do hình dạng và đường kính của sợi vật liệu, vật liệu
bị co rút khó đoán trước.
Tốc độ chế tạo chậm, vật liệu chế tạo phải được lắp đầy các miền đã được xác định ở
lớp đang được chế tạo.
Bộ phận hỗ trợ, đỡ chi tiết chiếm diện tích, gây ra thời gian tạo mẫu lâu hơn.
4.7.Hệ thống tạo mẫu nhanh đa chức năng - M-RPM
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