Chƣơng 3 HỆ THỐNG TẠO MẪU NHANH DÙNG VẬT LIỆU LỎNG
3.6. Hệ thống tạo mẫu nhanh của công ty Meiko
3.6.1. Giới thiệu
Công ty Meiko được thành lập năm 1962 với những sản phẩm thiết bị đo thành phần không khí như CO2, NOx, O2. Đầu thập kỷ 1990, ngành công nghiệp trang sức của công ty được phát triển qua sự kết hợp với Trung tâm kỹ thuật công nghiệp Yamanashiken. Thiết bị tạo mẫu nhanh điển hình của công ty là LC-510 (Hình 3.16) dùng để chế tạo các chi tiết nhỏ cho hàng trang sức, kim hoàn; vật liệu được sử dụng là loại nhựa cảm quang UVM-8001, nguồn laser sử dụng cho thiết bị là hệ thống ống laser He-Cd.
Hình 3.16: Hệ thống thiết bị tạo mẫu LC-510 (Meiko’s Company). 3.6.2. Quá trình
Quá trình tạo mẫu của hệ thống Meiko được trình bày như Hình 3.17. Gồm 4 bước:
(1) Thiết kế mô hình bằng phần mềm CAD-3D: mô hình được thiết kế trên máy tính, sử dụng phần mềm JCAD3/Takumi, đặc biệt chuyên dùng trong thiết kế đồ trang sức của Meiko.
(2) Tạo dữ liệu số (NC) trực tiếp từ dữ liệu CAD nhờ modul CAM: từ mô hình máy tính, dữ liệu số (NC) được tạo ra nhờ module CAM. Việc này dựa vào phần mềm và phương pháp chuẩn được sử dụng trong máy CNC.
(3) Chuyển dữ liệu số (NC) đến thiết bị LC-510: dữ liệu và mã code NC được chuyển đến bộ điều khiển số (NC Controller) trong máy LC-510. Quá trình này giống như quá trình chuyển đổi dữ liệu của tất cả các máy gia công CNC.
(4) Chế tạo chi tiết bằng thiết bị LC-510: từ các dữ liệu NC được tải về, hệ thống thiết bị LC-510 sẽ chế tạo mẫu trang sức, sử dụng tia laser và nhựa cảm quang, quá trình tạo hình theo nguyên lý chế tạo từng lớp.
Hình 3.16: Quá trình tạo mẫu trang sức bằng hệ thống JCAD3/Takumi và Meiko. 3.6.3. Nguyên lý
Nguyên lý làm việc cơ bản của quá trình là sự hóa rắn nhựa cảm quang dưới tác dụng của tia laser. Giống như những hệ thống sử dụng vật liệu lỏng, nguyên lý làm việc của quá trình này giống như thiết bị SLA đã được trình bày ở mục 3.1.4. Sự khác biệt chính là bộ điều khiển của hệ thống quét. Hệ thống Meiko sử dụng một hệ thống quét X-Y với bộ điều khiển NC thay cho hệ thống quét bằng kính galvanometer.
Các thông số ảnh hưởng đến quá trình hoạt động và chất lượng sản phẩm là: đặc tính của vật liệu nhựa, đường kính hội tụ của tia laser, độ phân giải XY của máy.
3.6.4. Ứng dụng
Những ứng dụng chung của hệ thống Meiko bao gồm:
(1) Sản xuất đồ trang sức.
(2) Các mô hình nhỏ như máy trợ thính, các gọng kính.
Các hệ thống của Meiko sử dụng loại nhựa UVM-8001 làm vật liệu chế tạo. Có 2 cách để tạo ra sản phẩm thật từ loại nhựa này như sau:
Phương pháp truyền thống: mô hình nhựa được chế tạo, rồi tạo khuôn mô hình bằng
sáp. Tiếp đến, dùng phương pháp loại bỏ sáp, mô hình thực tế sẽ được chế tạo (Hình 3.17).
Những mô hình nhựa được dùng trong quá trình đúc giống như các mô hình sáp (hình
3.17 và 3.18).
Hình 3.18: Mô hình nhẫn bằng nhựa và mô hình nhẫn đƣợc đúc bằng kim loại (công ty Courtesy Meiko).
3.6.5. Ƣu nhƣợc điểm
Những ưu điểm của sản phẩm và quá trình này là:
(1) Độ chính xác cao: các mô hình có độ chính xác cao thích hợp với các sản phẩm trang
sức.
(2) Chi phí thấp: chi phí sản xuất không quá đắt đối với việc tạo mẫu.
(3) Tiết kiệm thời gian và chi phí công lao động.
(4) Phần mềm CAM được sử dụng đối với đồ trang sức và các sản phẩm nhỏ.
(5) Dễ chế tạo những chi tiết phức tạp: dễ dàng tạo dáng phức tạp với phần mềm
JCAD3/Takumi và thiết bị LC-510. Tuy nhiên, hệ thống này có những yếu điểm sau:
(1) Cần có bộ phận hỗ trợ để đỡ chi tiết khi có độ phức tạp cao.
(2) Cần quá trình xử lý tinh sau khi chế tạo, để loại bỏ những vật liệu thừa, cơ cấu hỗ
trợ,... làm mất thời gian và công sức, đôi khi làm hư hại sản phẩm.
(3) Cần có quá trình lưu hóa sau khi chế tạo để chi tiết được lưu hóa hoàn toàn.
3.7. Hệ thống tạo mẫu nhanh bằng phƣơng pháp lạnh đông 3.7.1. Giới thiệu
Hầu hết các phương pháp tạo mẫu nhanh hiện có đều khá đắt tiền và tạo ra nhiều tạp chất khác như: khói, bụi, hóa chất độc hại gây nguy hiểm cho sức khỏe con người và độc hại cho môi trường.
Nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Ming Leu, phòng thí nghiệm tạo mẫu nhanh của trường đại học Missouri – Rolla, đã nghiên cứu và phát triển một phương pháp tạo mẫu nhanh mới, thân thiện môi trường, sử dụng vật liệu sạch và rẻ tiền, có sự liên kết lớp tốt, độ phân giải chế tạo khá tốt, tốc độ chế tạo nhanh. Quá trình này được gọi là quá trình tạo mẫu nhanh bằng phương pháp lạnh đông (Rapid Freeze Prototyping - RFP), có thể tạo nên vật thể bằng nước đá có hình dạng bất kỳ, từng lớp, bởi sự làm lạnh và hóa rắn những giọt nước.
3.7.2. Quá trình
Hệ thống thí nghiệm tạo mẫu nhanh bằng phương pháp lạnh đông để chế tạo chi tiết bằng nước đá được phát triển (Hình 3.19). Bao gồm một bộ phận định vị 3 chiều, một bộ phận dùng để phun cung cấp vật liệu, một buồng làm lạnh. Hệ thống được sử dụng cùng với việc tạo mô hình và phân tích để hiểu rõ hơn về sự hóa rắn của vật liệu, sự phun chất lỏng trong quá trình tạo chi tiết bằng nước đá. Các thông số được kiểm tra là tốc độ quét của đầu phun, nhiệt độ môi trường, tỷ trọng và độ nhớt của chất lỏng.
Hình 3.19: Hệ thống thí nghiệm RFP.
Việc chế tạo chi tiết bằng nước đá và các bộ phận hỗ trợ được phát triển nhằm mục tiêu là giảm thời gian chế tạo, vẫn giữ được chất lượng và độ ổn định của quá trình. Hình 3.21 thể hiện sơ đồ hệ thống điều khiển của hệ thống RFP.
Hình 3.20: Nguyên lý chế tạo của thiết bị RFP.
Hình 3.22: Hai phƣơng pháp ép phun vật liệu. 3.7.3. Khả năng ứng dụng
(1) Quan sát chi tiết: chi tiết có thể được chế tạo với mục đích để quan sát (Hình 3.23).
(2) Chế tạo tượng điêu khắc: ứng dụng của RFP là tạo ra những tượng điêu khắc bằng
nước đá dùng cho mục đích giải trí (Hình 3.24).
Hình 3.23: Chế tạo chi tiết với đƣờng viền xung quanh.
Hình 3.24: Chi tiết đƣợc thiết kế CAD (trái) và đƣợc chế tạo bởi RFP (phải).
(3) Tạo khuôn silicon: có độ tương thích của việc sử dụng khuôn silicon với chi tiết bằng
nước đá. Không cần có quá trình hậu xử lý để loại bỏ vật liệu mà thay vào đó là quá trình làm tan chảy. Vì thế có thể áp dụng cho những chi tiết có khuôn phức tạp, không tốn thời gian và quá trình tháo bỏ khuôn.
Hình 3.25: Chế tạo chi tiết kim loại bằng phƣơng pháp đúc với mẫu nƣớc đá.
(4) Quá trình đúc: ứng dụng RFP trong quá trình đúc lạnh (Freeze Cast Process - FCP)
của công ty Duramax, giảm được khoảng (35 – 65)% chi phí, chất lượng cao, bề mặt tốt, hoạt động nhanh, dễ dàng, không gây ra khói và mùi (Hình 3.25).
3.7.4. Ƣu nhƣợc điểm
Hệ thống RFP có những ưu điểm sau:
(1) Chi phí hoạt động thấp: quá trình RFP rẻ và sạch hơn tất cả các quá trình tạo
mẫu nhanh khác. Mức sử dụng năng lượng của RFP thấp so với quá trình tạo mẫu khác như SLA hay SLS.
(2) Độ chính xác tương đối cao: RFP có thể chế tạo được các chi tiết chính xác và
có độ chính xác bề mặt khá cao. Dễ dàng loại bỏ chi tiết mẫu trong quá trình tạo khuôn bằng cách đốt nóng và làm tan chảy chi tiết bằng nước đá.
(3) Tốc độ chế tạo nhanh: quá trình chế tạo chi tiết của RFP nhanh hơn các quá trình
khác. Chi tiết có thể được chế tạo bằng những giọt nước đầu tiên để tạo đường viền, sau đó điền đầy bên trong chi tiết bằng nước một cách dễ dàng, do độ nhớt thấp của nước. Dễ dàng có thể chế tạo chi tiết trong suốt hoặc màu sắc khác nhau với phương pháp này.
Tuy nhiên, phương pháp RFP cũng có những nhược điểm sau đây:
(1) Cần có một môi trường lạnh: quá trình tạo mẫu yêu cầu được thực hiện trong môi
trường lạnh, vì thế không thể bảo quản hình dạng ban đầu của chi tiết ở nhiệt độ phòng.
(2) Cần có quá trình phụ: mẫu tạo từ RFP không được sử dụng trực tiếp, mà phải theo thứ
tự đúc trong khuôn, vì thế tăng thời gian và chi phí.
(3) Tính lặp lại kém: do tính chất của nước, chi tiết chế tạo lần trước có thể khác với lần
sau đó. Thành phần của nước cũng khó điều khiển và xác định ngoại trừ phải thực hiện việc kiểm định.
Tóm lại: ngoài các phương pháp tạo mẫu nhanh dùng vật liệu lỏng chủ yếu đã được trình bày trên đây, còn có một vài phương pháp khác cũng được sử dụng và phát triển. Trong đó, phương pháp dùng 2 nguồn tia laser nhằm để gia tăng quá trình hóa rắn vật liệu khi chế tạo, phương pháp vi chế tạo (microfabrication) dùng để chế tạo chi tiết có kích thước được
Câu hỏi ôn tập
1. Trình bày đặc điểm của quá trình tạo hình lập thể SLA.
2. Quá trình thực hiện của hệ thống tạo mẫu nhanh SLA.
3. Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của một thiết bị SLA.
4. Cho biết bản chất của quá trình polymer quang hóa (photopolymerization).
5. Những ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh SLA.
6. Nêu ưu, nhược điểm của phương pháp tạo mẫu nhanh SLA.
7. Trình bày quá trình làm việc của hệ thống tạo mẫu nhanh SGC.
8. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống SGC.
9. Ưu, nhược điểm của quá trình SGC.
10.Trình bày quá trình lưu hóa vật thể rắn SCS.
11. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống tạo mẫu SCS.
12. Ứng dụng và ưu nhược điểm của thiết bị Solid Creator (hệ thống SCS).
13.Trình bày quá trình tạo mẫu bằng máy in laser tử ngoại – SOUP của công ty CMET.
14. Sự khác nhau của hệ thống SOUP và hệ thống SLA.
15. Ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống SOUP.
16. Cho biết quá trình tạo hình của thiết bị Soliform – công ty Teijin Seiki.
17. Những ứng dụng của Solidform trong thực tế sản xuất.
18. Ưu, nhược điểm của hệ thống Solidform.
19. Trình bày quá trình tạo mẫu của hệ thống thiết bị JCAD3/Takumi và Meiko.
20. Cho biết mục tiêu của phương pháp tạo mẫu nhanh bằng lạnh đông.
21. Cấu tạo thiết bị và quá trình làm việc của phương pháp tạo mẫu bằng lạnh đông.
22. Những ưu, nhược điểm, khả năng ứng dụng của phương pháp tạo mẫu n bằng lạnh
Chƣơng 4.
HỆ THỐNG TẠO MẪU NHANH DÙNG VẬT LIỆU RẮN
Những hệ thống tạo mẫu nhanh dùng vật liệu rắn có sự khác biệt so với những hệ thống tạo mẫu dùng vật liệu lỏng. Đôi khi các hệ thống tạo mẫu dùng vật liệu rắn lại khác nhau qua cách sử dụng nguồn tia laser. Đặc điểm chung nhất của các hệ thống này là sử dụng vật liệu rắn để chế tạo mô hình mẫu, chi tiết. Trong chương này, các hệ thống tạo mẫu nhanh dùng vật liệu rắn được trình bày với những nội dung về cấu tạo, nguyên lý làm việc, ứng dụng trong công nghiệp.
4.1. Phƣơng pháp dán nhiều lớp – LOM
Tạo mẫu bằng phương pháp dán nhiều lớp (LOM - Laminated Object Manufacturing) được phát minh bởi Michael Feygin. Năm 1985, Feygin thành lập công ty Helisys Inc., để thương mại thiết bị tạo mẫu nhanh bằng công nghệ LOM; tuy nhiên doanh số bán hàng được không đáp ứng như mong đợi, công ty rơi vào giai đoạn khó khăn về tài chính, công ty Helisys Inc. chấm dứt hoạt động vào tháng 11/2000. Đến tháng 12/2000, công ty Cubic Technologies được thiết lập từ cơ sở của Helisys Inc.. Đến nay Cubic Technologies trở thành nhà chế tạo độc quyền của thiết bị tạo mẫu nhanh LOM trên thế giới.
4.1.1. Thiết bị
Các thiết bị LOM của công ty Cubic Technologies dùng hệ thống laser CO2. Hệ thống quang học dùng để phân chia nguồn tia laser lên bề mặt làm việc, gồm các gương phản xạ nguồn laser và tập trung tia laser với đường kính 0.25 mm. Tia laser được điều khiển trong suốt quá trình gia công nhờ bảng điều khiển theo phương X-Y, với hệ điều khiển servo thay cho hệ thống kính galvanometer. LOM là thiết bị tạo mẫu nhanh có thể chế tạo chi tiết có kích thước lớn. Thể tích buồng làm việc của LOM có thể đạt: 810 x 550 x 500 mm hoặc cao hơn.
4.1.2. Quá trình
Quá trình tạo mẫu nhanh bằng phương pháp dán nhiều lớp là quá trình chế tạo vật thể tự động, trong đó mô hình vật thể 3D được xây dựng từ phần mềm thiết kế CAD, rồi được chế tạo theo thứ tự dán từng lớp vật liệu mỏng theo từng mặt cắt ngang. Quá trình này bao gồm 3 bước chính là: tiền xử lý, chế tạo, và hậu xử lý.
Hình 4.1: Qui trình chế tạo của LOM.
Ở giai đoạn tiền xử lý, mô hình được tạo ra nhờ phần mềm CAD, được xuất sang dạng tệp *.STL,sau đó được sắp xếp dữ liệu đầu vào và tạo cấu trúc dữ liệu thứ cấp. Các bước này
hoàn toàn thực hiện tự động nhờ phần mềm LOMSliceTM của hệ thống LOM, để tính toán và
điều khiển việc chế tạo từng lớp. Với sự hỗ trợ bởi phần mềm LOMSliceTM
, hướng chế tạo và kết hợp của chi tiết trên hệ thống LOM được thực hiện, nhờ giao diện điều khiển để thực hiện việc chuyển đổi dữ liệu.
4.1.2.2. Giai đoạn chế tạo chi tiết
Trong giai đoạn này, các lớp vật liệu mỏng có phủ chất kết dính được liên kết lại với nhau, được cắt bằng tia laser theo từng mặt cắt của chi tiết (Hình 4.1). Quá trình này gồm một số bước sau:
(1) LOMSliceTM tạo ra một mặt cắt ngang của mô hình 3D với độ chính xác cao và bề dày
lớp mặt phẳng nằm ngang cho phù hợp. Kế tiếp, phần mềm này xử lý hình ảnh để xác định chu vi bên ngoài của chi tiết, chuyển lượng vật liệu dư để tạo ra cấu trúc đỡ chi tiết trong lúc chế tạo.
(2) Thiết bị sẽ tính toán chính xác để tập trung chùm tia laser cắt các mặt cắt ngang, tạo
các đường ngang và chu vi của mô hình. Năng lượng chùm tia laser được thiết kế để cắt chính xác độ dày của một lớp vật liệu ở thời điểm quét. Sau khi đường viền mặt cắt được cắt và đốt cháy, mọi thứ bên trong đường bao của mô hình được "giải thoát" từ tấm vật liệu còn lại.
(3) Bàn máy chứa các lớp chi tiết trước đó sẽ hạ xuống và lớp vật liệu mới được đắp lên.
Kế tiếp, bàn máy nâng lên và trục ép gia nhiệt ép các lớp vật liệu với hướng chuyển động ngược chiều cung cấp, làm kết dính lớp vật liệu mới với lớp trước đó.
(4) Các bộ mã hóa theo chiều dọc đo chiều cao của lớp và chuyển tiếp dữ liệu đến
LOMSliceTM, để tính toán tiết diện cho lớp kế tiếp cũng như tính năng lượng laser cắt
cho lớp hiện tại của mô hình.
Trình tự này tiếp tục lặp lại cho đến khi tất cả các lớp được chế tạo. Sản phẩm thu
được từ thiết bị LOMTM
có dạng như một khối hình chữ nhật có chứa chi tiết chế tạo.
4.1.2.3. Hậu xử lý
Giai đoạn hậu xử lý bao gồm việc lấy chi tiết ra khỏi máy và hoàn thiện chi tiết. Trình tự tách chi tiết thể hiện như ở Hình 4.2.
(1) Bệ đỡ chi tiết bằng kim loại được lấy ra từ thiết bị LOMTM
. Đôi khi cần cơ cấu nâng đối với các chi tiết lớn và nặng.
(2) Thông thường, búa và dao được sử dụng để tách khối sản phẩm ra khỏi nền bệ đỡ của
thiết bị LOMTM. Tuy nhiên, có thể dùng một sợi dây mảnh để cắt xuyên qua mặt liên
kết giữa chi tiết LOM và nền bệ đỡ.
(3) Khung bao quanh được nâng lên khỏi khối chi tiết để tách các bộ phận hỗ trợ và
những vật liệu thừa. Từng miếng nhỏ sau đó được tách ra khỏi chi tiết bằng các công cụ cắt gỗ.
Sau khi được tách ra khỏi cơ cấu đỡ, chi tiết sẽ được hoàn thiện bằng các phương pháp gia công truyền thống như: chà nhám, sơn, đánh bóng. Sau đó, chi tiết có thể cần được phủ