Quá trình PLT giống như quá trình LOM, nhưng không sử dụng tia laser. Một tấm phẳng nhẵn bóng gia nhiệt được sử dụng thay cho các trục lăn. Quá trình bao gồm sáu bước:
(1) tạo mô hình và in bột nhựa, (2) ép nóng,
(3) cắt đường bao mặt cắt, (4) hoàn thành khối, (5) loại bỏ vật liệu thừa, (6) gia công tinh.
Dữ liệu 3D của mô hình được thiết kế và được tải vào máy tính (Hình 4.6a). Mô hình được định hướng chế tạo với sự giúp đỡ của phần mềm (Hình 4.6b). Sau khi định hướng chế tạo, mô hình sẽ được cắt thành từng lớp (Hình 4.6c) tạo ra các dữ liệu in dựa trên các phần dữ liệu mặt cắt của mô hình (Hình 4.6d). Bột nhựa (mực) được đắp lên trên tấm giấy chế tạo bằng cách sử dụng một dòng máy in laser đặc biệt. Miền được in là miền chung của hai lớp liên tiếp trong mô hình chế tạo.
Khi 2 lớp được dán dính vào nhau, với lớp đầu tiên bắt đầu từ bệ máy; một tấm ép nóng di chuyển phía trên, và ép các tấm giấy lại ở áp suất cao. Nhiệt độ kiểm soát tấm ép nóng đủ làm tan chảy nhựa (mực), làm kết dính các tấm với nhau (Hình 4.6e). Tấm ép nóng ép trên mặt để chống sự hình thành lỗ khí giữa các tấm. Chương trình sẽ xác định số lần di chuyển của tấm ép nóng để bù đắp độ sai lệch bề dày của tấm.
Hình 4.6: Sơ đồ quá trình PLT.
Kế tiếp, máy tính cho ra dữ liệu ảnh dựa trên các dữ liệu mặt cắt của mô hình. Một dao cắt sẽ cắt lớp trên cùng của khối dọc theo đường viền mặt cắt; đồng thời chia cắt lớp giấy thừa để loại bỏ dễ dàng (Hình 4.6f). Các bước này được lặp đi lặp lại cho đến khi toàn bộ chi tiết được chế tạo (Hình 4.6g). Khi quá trình in, ép nóng và cắt được hoàn thành, khối mô hình được lấy ra khỏi máy, phần giấy không cần thiết được tách ra một cách nhanh chóng và dễ dàng (Hình 4.9h). Khi chi tiết được chế tạo xong, bề mặt chi tiết có thể được hoàn thiện bằng các phương pháp gia công tinh.
4.3.3. Nguyên lý
Quá trình PLT được dựa trên nguyên lý sao chép, kỹ thuật cắt và tạo lớp cơ khí truyền thống. Máy in laser đặc biệt được sử dụng với bột nhựa thay cho mực in; bột nhựa được đặt lên giấy ở các vị trí chính xác, xác định bởi các phần dữ liệu mặt cắt kết dính hai lớp giấy liên tiếp nhau.
Ba yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của chi tiết chế tạo là: máy cắt, nhiệt độ và ẩm độ. Độ chính xác của máy cắt ảnh hưởng đến tính chính xác của chi tiết theo phương X và Y.
Độ co rút của chi tiết xảy ra khi mô hình được làm lạnh sau khi ép nóng. Độ giãn nở chi tiết xảy ra khi mô hình được tiếp xúc với điều kiện độ ẩm khác nhau trong các điều kiện ép nóng.
4.3.4. Ƣu nhƣợc điểm
Những ưu điểm chính khi sử dụng thiết bị PLT gồm:
Độ phẳng: quá trình PLT sử dụng một tấm phẳng và áp suất cao để liên kết các lớp với
nhau. Mỗi lớp được ép với một tấm ép phẳng nóng, mô hình được giữ phẳng trong suốt quá trình chế tạo. Do khối được thoát ra sau khi làm mát, nên ứng suất nội giảm tối thiểu, nên gần như không gây ra cong vênh trong chi tiết.
Độ nhẵn bóng bề mặt: quá trình PLT sử dụng dao cắt điều khiển bằng máy tính để cắt,
nên tạo bề mặt nhẵn bóng cho chi tiết được chế tạo. Mẫu có thể được đánh bóng, cắt hoặc sơn (mạ) tùy theo nhu cầu sử dụng.
Độ cứng: Cán với áp suất cao được sử dụng trong quá trình PLT đã tạo cho sản phẩm
có độ cứng tốt hơn 25% so với gỗ tương đương, đáp ứng cho hầu hết các ứng dụng của mẫu, ngay cả trong đúc cát.
Cấu trúc hỗ trợ: bộ phận hỗ trợ không cần thiết trong quá trình PLT, vì chi tiết được
đỡ bởi chính vật liệu ở phía ngoài chu vi cắt chi tiết. Các vật liệu này không được loại bỏ trong quá trình ép nóng, và hoạt động với chức năng như bộ phận hỗ trợ cho chi tiết có tính phức tạp và độ lồi lõm cao.
Quá trình thân thiện: thiết bị của Kira có thể được lắp đặt ở bất kỳ nơi nào có nguồn
điện, không đòi hỏi bất kỳ điều kiện đặc biệt nào. Hơn nữa, quá trình an toàn do không sử dụng nguồn laser và không sử dụng vật liệu độc hại.
Tuy nhiên, quá trình PLT cũng có những khó khăn, nhược điểm chính sau:
Không có khả năng thay đổi bề dày lớp: chiều dày mỗi lớp được cố định bởi độ dày
của tấm vật liệu sử dụng. Do quá trình chế tạo từng lớp, kéo dài thời gian chế tạo; tốc độ chế tạo không tăng được dễ dàng do độ dày của tấm vật liệu sử dụng không thể thay đổi được.
Chế tạo các vách mỏng: giống như quá trình LOMTM, quá trình PLT cũng không thích
hợp để chế tạo các chi tiết có vách mỏng, đặc biệt vách mỏng theo hướng Z. Các vách mỏng này có thể không đủ độ bền để chịu được quá trình xử lý tinh cần thiết.
Không chế tạo được chi tiết có lỗ rỗng: chi tiết có độ rỗng bên trong không thể chế tạo
được bằng quá trình PLT, do không thể loại bỏ các vật liệu hỗ trợ trong lỗ bên trong chi tiết sau khi hoàn thành.
Loại bỏ vật liệu thừa: như quá trình LOMTM, hầu hết các mẫu sau khi chế tạo đều
được loại bỏ cơ cấu hỗ trợ bằng thủ công, tách vật liệu dư. Với các vật liệu hỗ trợ không được dính chặt, quá trình loại bỏ đơn giản hơn. Tuy nhiên, cần phải thận trọng và chú ý tránh gây hư hỏng sản phẩm.
4.3.5. Ứng dụng
PLT được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: công nghiệp ô tô; công nghiệp máy và thiết bị điện; điện tử, máy ảnh và máy văn phòng. Lĩnh vực ứng dụng chính của PLT là trong chế tạo mô hình trực quan để mô hình hóa các sản phẩm.
4.4.Phƣơng pháp tạo mẫu nhiều đầu phun – MJM 4.4.1. Giới thiệu
Phương pháp tạo mẫu nhiều đầu phun (MJM - Multi-Jet Modeling) được công ty 3D Systems cho ra đời vào năm 1996, đây là phương pháp tạo mẫu nhanh sử dụng nhiều đầu
phun vật liệu. MJM được thiết kế nhằm chế tạo các mô hình 3D chính xác, với thời gian nhanh nhất có thể để dùng trong đánh giá, phân tích sản phẩm thiết kế.
Máy điển hình cho MJM là máy in 3D - ThermoJet® (ra đời năm 1999), thay thế cho
mô hình máy đầu tiên - ActuaTM 2100 (năm 1996). Khác với các hệ thống tạo mẫu nhanh
khác, ThermoJet ® với mục đích tạo ra mô hình 3D ý tưởng nhanh nhất để có thể phân tích đánh giá sản phẩm thiết kế.
Hình 4.7: Thiết bị ThermoJet®. 4.4.2. Quá trình làm việc
Quá trình làm việc của ThermoJet® là quá trình đơn giản và tự động hoàn toàn, bao
gồm các bước sau:
(1) ThermoJet® sử dụng phần mềm ThermoJet® Printer Client Software để nhập dữ
liệu từ mô hình CAD 3D thông qua định dạng *.STL. Phần mềm cho phép tiếp nhận dữ liệu các tập tin *.STL và tự động chỉnh sửa lỗi; giúp xác định vị trí, hướng chi tiết một cách tự động để chế tạo với thời gian và không gian tối ưu. Sau khi tất cả chi tiết được phân tích, dữ liệu sẵn sàng để chế tạo mô hình.
(2) Trong suốt quá trình chế tạo, đầu phun được định vị phía trên bệ đỡ chi tiết. Đầu phun tạo lớp mặt cắt đầu tiên bằng việc phun vật liệu khi di chuyển theo phương X. Hiệu quả và tốc độ chế tạo phụ thuộc vào số đầu phun (có thể đến 352 đầu phun với bề rộng đường
chạy là 200 mm). Với bề rộng đường chạy là 200 mm, ThermoJet®
có thể chế tạo mô hình với bề rộng 200 mm trong một lần chạy. Nếu mô hình rộng hơn 200 mm, bệ đỡ chi tiết sẽ xác lập lại vị trí theo trục Y, để đầu phun tiếp tục chế tạo theo phương X đến khi toàn bộ lớp được hoàn thành.
(3) Sau khi 1 lớp được chế tạo xong, bệ đỡ được hạ thấp xuống và lớp kế tiếp được chế tạo giống như quá trình trên.
(4) Quá trình được lặp lại liên tục các bước từ (2) đến (3) cho đến khi chi tiết được hoàn thành. Sau khi chế tạo, chi tiết có thể được tháo ra, sử dụng cho các phân tích tiếp theo mà không cần bất kỳ xử lý tinh nào khác.
4.4.3. Nguyên lý hoạt động
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