Trong quá trình FDM, mô hình chi tiết được thiết kế trên phần mềm CAD 3D, sau đó được chuyển sang định dạng *.IGES hoặc *.STL. Các file định dạng này được chuyển sang
trạm thiết bị (workstation) và được xử lý bởi phần mềm QuickslideR
và SupportworkTM, trước
khi chuyển đến thiết bị FDM. Với các phần mềm này, dữ liệu CAD 3D được cắt thành từng lớp, sau đó chi tiết được định hướng để có vị trí chế tạo tốt nhất. Những bộ phận đỡ chi tiết trong quá trình chế tạo cũng được nhận dạng và được tạo ra một cách tự động. Độ dày của lớp chi tiết có thể được thiết lập từ 0.172 mm - 0.356 mm tùy thuộc vào yêu cầu của chi tiết.
Vật liệu chế tạo ở dạng sợi được quấn thành cuộn, được cung cấp vào một đầu ép phun và được gia nhiệt đến trạng thái chảy dẻo. Sau đó, vật liệu ở trạng thái dẻo được ép qua đầu phun FDM, tạo ra từng lớp của chi tiết. Do nhiệt độ không khí môi trường chế tạo thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của vật liệu, nên vật liệu được hóa rắn nhanh chóng. Đầu phun FDM
được di chuyển trên mặt phẳng XY, quỹ đạo được tạo ra bởi QuickslideR
để chế tạo lớp chi tiết theo yêu cầu. Khi một lớp được hoàn thành, đầu phun sẽ di chuyển để tạo ra lớp kế tiếp. Chiều rộng ngang của vật liệu thoát ra khỏi đầu phun, gọi là bề rộng của đường phun, có thể thay đổi từ 0.25 mm - 1 mm; bề rộng này có thể khác nhau giữa các lớp.
Hai loại vật liệu chế tạo có thể được phân phối đồng thời từ đầu phun kép trong máy FDM. Một đầu phun vật liệu thứ nhất dùng để chế tạo chi tiết, đầu phun thứ hai dùng để phun vật liệu tạo cấu trúc đỡ chi tiết. Vật liệu đỡ chi tiết liên kết và đỡ chi tiết trong khi chế tạo; vật liệu này có thể được rữa sạch và gỡ bỏ dễ dàng ra khỏi chi tiết sau khi chế tạo xong (Hình 4.6).
Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lí FDM. 4.2.5. Nguyên lý hoạt động của FDM
Nguyên lý cơ bản của FDM là dựa vào tính chất hóa học của vật liệu, năng lượng nhiệt và kỹ thuật chế tạo từng lớp. Vật liệu dạng sợi mỏng được nung chảy trong một đầu phun được thiết kế đặc biệt để thoát ra ngoài, tạo nên mô hình. Khi vật liệu được ép ra ngoài
sẽ được làm nguội và hóa cứng để tạo hình dạng chi tiết. Mô hình chi tiết được chế tạo từng lớp, giống như các hệ thống tạo mẫu nhanh khác.
Thông số ảnh hưởng đến tính năng và quá trình làm việc của hệ thống FDM là: độ bền của ống vật liệu, mô đun uốn của vật liệu, độ nhớt của vật liệu, độ chính xác định vị, chiều rộng của đường phun, tốc độ lắng, tốc độ của dòng vật liệu, đường kính đầu phun, nhiệt độ môi trường và hình dạng của chi tiết.
4.2.6. Ƣu nhƣợc điểm
Ƣu điểm: các ưu điểm chính của phương pháp FDM là:
Chế tạo chi tiết có tính năng thật: FDM có thể chế tạo mẫu với những loại vật liệu
giống như sản phẩm thật. Với nhựa ABS, có thể chế tạo chi tiết với tính năng đầy đủ và độ bền đạt 85% so với chi tiết thật. Điều này đặc biệt hữu dụng trong việc phát triển sản phẩm nhanh, để kiểm tra tính năng chi tiết.
Giảm thiểu hao hụt vật liệu: quá trình FDM chế tạo chi tiết trực tiếp bằng cách phun
vật liệu nóng chảy, vì thế chỉ có những phần vật liệu chế tạo và vật liệu hỗ trợ cần thiết được phun. Nên sự hao tổn vật liệu được giảm thiểu tối đa.
Dễ gỡ bỏ cấu trúc hỗ trợ: Cấu trúc hỗ trợ và đỡ chi tiết trong quá trình chế tạo được gỡ
bỏ nhanh chóng và dễ dàng. Đây là một tiện lợi cho người sử dụng để nhận được mẫu chế tạo nhanh chóng, mà không cần bất kỳ công việc xử lý tinh nào.
Dễ dàng thay đổi vật liệu: Vật liệu chế tạo được dễ dàng thay thế, hoặc thay đổi. Điều
này giúp cho quá trình hoạt động của máy đơn giản, bảo quản dễ dàng.
Nhƣợc điểm: những hạn chế chính khi sử dụng phương pháp FDM là
Độ chính xác hạn chế: Chi tiết được chế tạo bằng phương pháp FDM thường bị hạn
chế độ chính xác do hình dạng sợi của vật liệu sử dụng. Đặc biệt, sợi có đường kính 1.27 mm bị hạn chế sử dụng để chế tạo chi tiết.
Quá trình chế tạo chậm: quá trình chế tạo chi tiết chậm, do cần phải điền đầy vật liệu
lên toàn bộ diện tích mặt cắt. Tốc độ chế tạo bị hạn chế bởi tốc độ phun hoặc tốc độ dòng chảy của vật liệu chế tạo trong đầu phun. Khi vật liệu chế tạo là nhựa dẻo có độ nhớt tương đối cao, quá trình chế tạo không dễ để tăng tốc.
Độ co ngót bề mặt: với phương pháp FDM, độ co ngót vật liệu và độ méo mó chi tiết
thường xảy ra và không tiên đoán trước được. Bằng kinh nghiệm, người sử dụng có thể bù độ co ngót này bằng cách điều chỉnh các thông số hoạt động của máy.
4.2.7. Ứng dụng
Do tính kinh tế, giá thành thấp và đơn giản, nên thiết bị FDM có thể được ứng dụng khá phổ biến trong các lĩnh vực sau:
Mô hình giới thiệu sản phẩm và ý tưởng: các mô hình có thể được chế tạo, phủ cát,
sơn, khoan và xử lý giống như chi tiết thật.
Mẫu dùng cho thiết kế, phân tích và kiểm tra: FDM có thể chế tạo chi tiết với đầy đủ
các chức năng bằng vật liệu ABS, có thể đạt được 85% độ bền so với chi tiết thật. Vì thế, có thể thực hiện việc kiểm tra đặc tính, chức năng sản phẩm.
Mẫu cho công cụ chế tạo: Mô hình được chế tạo từ FDM có thể được dùng như mẫu
trong các quá trình đúc khuôn, đặc biệt trong đúc khuôn cát. Dùng trong chế tạo các công cụ cơ khí.
Các lĩnh vực ứng dụng của FDM thường trong: thiết bị kỹ thuật y khoa, kết hợp dữ liệu CT hoặc MRI, mô hình phục vụ học tập - giáo dục, công nghiệp ô tô và các lĩnh vực khác. FDM giúp giảm chi phí sản xuất đáng kể, có thể phát hiện các vấn đề trong giai đoạn sản xuất, tiết kiệm được thời gian so với phương pháp thông thường.
4.3.Phƣơng pháp dán ép từng lớp – PLT 4.3.1. Giới thiệu
Phương pháp dán ép từng lớp (PLT - Paper Lamination Technology) được Công ty Kira phát triển, sản xuất và thương mại. Phương pháp PLT được biết đến như phương pháp dán keo chọn lọc và ép nóng.
4.3.2. Quá trình hoạt động
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