Phương pháp SLA cung cấp cho các nhà sản xuất một phương pháp với chi phí thích hợp, giảm thời gian đưa sản phẩm ra thị trường, giảm chi phí phát triển sản phẩm, tăng lợi nhuận cho quá trình thiết kế và cải tiến sản phẩm. Phạm vi ứng dụng của SLA bao gồm:
Dùng làm mô hình cho phát triển ý tưởng, giảng dạy và giới thiệu sản phẩm.
Dùng cho các mẩu thiết kế, phân tích, kiểm tra và đánh giá chức năng sản phẩm.
Kiểm soát việc tạo mẫu các công cụ và dụng cụ sản xuất.
Tạo mẫu cho đầu tư khuôn đúc, đúc khuôn cát và đổ khuôn.
Công cụ cho thiết kế đồ gá, công cụ thiết kế và công cụ sản xuất.
Phần mềm QuickCastTM được phát triển để hỗ trợ cho các ứng dụng. QuickCast cho
phép tạo mẫu nhựa với độ chính xác cao trong đúc khuôn cát. QuickCast sản xuất ra rất nhiều bộ phận có lớp vỏ mỏng bên ngoài rất cứng và kết cấu tổ ong bên trong cho phép phá vỡ lớp vỏ khi bị nung nóng. Điều này giúp cho việc chế tạo chi tiết nhanh chóng từ khuôn kim loại chất lượng cao.
3.1.6. Ƣu nhƣợc điểm
* Ưu điểm
Những ưu điểm chính của phương pháp SLA gồm:
Quá trình làm việc không cần giám sát: hệ thống SLA được sử dụng một cách liên tục,
tự động hóa hoàn toàn và không cần giám sát.
Hỗ trợ tốt cho người dùng: các quá trình của máy tính hóa giống như người dùng
chuyên nghiệp.
Thể tích chế tạo: các máy SLA khác nhau có dãy thể tích buồng chế tạo từ nhỏ đến lớn
khác nhau, phù hợp với yêu cầu của người sử dụng.
Độ chính xác cao: hệ thống SLA có độ chính xác cao, nên có thể được sử dụng trong
Chất lượng bề mặt: SLA có thể tạo sản phẩm có được bề mặt tốt nhất trong các hệ thống tạo mẫu nhanh.
Vật liệu sử dụng: vật liệu sử dụng đa dạng, từ vật liệu cho mục đích chung đến vật liệu
đặc biệt cho ứng dụng riêng.
* Nhược điểm
Việc sử dụng thiết bị SLA có những nhược điểm chính sau:
Cần có cơ cấu hỗ trợ: cần có cấu trúc hỗ trợ cùng với cấu trúc chính đối với các bộ
phận lồi ra, lõm vào của chi tiết.
Sản phẩm cần hậu xử lý/ xử lý tinh (post-processing): xử lý sản phẩm bao gồm loại bỏ
bộ phận hỗ trợ và các vật liệu không mong muốn, quá trình này tốn thời gian và có thể gây tổn hại cho mô hình.
Cần quá trình hậu lưu hóa (post-curing): quá trình này có thể cần để lưu hóa hoàn chỉnh
và đảm bảo tính đồng nhất của chi tiết.
Có thể gây ra cong vênh cục bộ, chất hóa học sử dụng có tính độc hại.
Tùy theo dạng máy và mẫu mã mà kích thước và những thông số kỹ thuật của thiết bị SLA có khác nhau.
3.2. Phƣơng pháp xử lý nền tảng rắn - SGC 3.2.1. Giới thiệu
Hệ thống tạo mẫu nhanh xử lý nền tảng rắn (Solid Ground Curing - SGC) được sản xuất bởi công ty Cubital Ltd. (Israel). Ngoài Israel, còn có Công ty Cubital America Inc. (USA) và Cubital GmbH ở Ringstrassa (Đức). Hoạt động của công ty Cubital Ltd. bắt đầu từ năm 1987 từ tập đoàn Scitex, có sản phẩm thương mại đầu tiên vào năm 1991. Hệ thống tạo mẫu nhanh theo phương pháp xử lý nền tảng rắn được thương mại hóa bởi công ty Cubital vào năm 1988 với tên là Solider.
Các sản phẩm điển hình của phương pháp xử lý nền tảng rắn SGC gồm: Solider 4600, Solider 5600 và các dòng máy Solider khác. Các loại vật liệu được sử dụng để chế tạo chi tiết bao gồm: nhựa nóng chảy, nhựa lưu hóa; trong khi đó sáp được sử dụng làm vật liệu đỡ chi tiết; ion hóa khối rắn để tạo ra ảnh ngược của mặt cắt ngang chi tiết trên một tấm mặt nạ chắn sáng.
3.2.2. Quá trình
Quá trình làm việc của hệ thống tạo mẫu nhanh xử lý nền tẳng rắn (SGC) bao gồm ba bước chính: (1) chuẩn bị dữ liệu, (2) tạo lớp mặt nạ quang học chắn sáng, và (3) chế tạo mô hình chi tiết. Lưu đồ thể hiện quá trình SGC được mô tả chi tiết ở Hình 3.4.
(1) Chuẩn bị dữ liệu
Trong bước đầu tiên, mô hình CAD được chuẩn bị, mặt cắt ngang được số hóa và được chuyển đến bộ phận tạo mặt nạ quang học chắn sáng. Phần mềm DFE của Công ty Cubital được sử dụng sẽ xử lý các tập tin mô hình khối CAD, sau đó được gửi đến hệ thống máy Solider của Cubital. Phần mềm DFE có thể tìm kiếm và sửa chữa những lỗi sai sót của các tập tin trong CAD, nhận được các tệp tin CAD ở dạng *.STL và các dạng định dạng khác của các hệ thống thiết kế CAD thương mại.
(2) Tạo lớp mặt nạ quang học chắn sáng
Sau khi nhận được dữ liệu, các tấm mặt nạ chắn sáng được tạo ra thông qua một quá trình xử lý ảnh thông minh (image-wise). Những hình ảnh được tích điện sau đó được phát
triển với mức tĩnh điện nhất định (Hình 3.4). Một mặt nạ quang học chắn sáng tương ứng với 1 lớp mặt cắt ngang của của chi tiết.
(3) Chế tạo chi tiết
Trong bước này, một lớp mỏng nhựa polymer cảm quang (photopolymer) được phủ lên trên bề mặt của bệ chế tạo sản phẩm (mục 2 – Hình 3.4). Các mặt nạ chắn sáng ảnh được đặt ở giữa chùm sáng của một đèn cực tím và phôi (mục 3 – Hình 3.4). Nguồn sáng tia cực tím được bật trong vài giây (mục 4 – Hình 3.4). Các phần nhựa lỏng được phơi dưới ánh sáng tia cực tím xuyên qua các mặt nạ quang học sẽ được hóa cứng. Các lớp nhựa này có độ dày lớn hơn độ dày mong muốn, để cho phép thực hiện quá trình mài sau đó. Nhựa không hóa cứng sau đó được thu lại bằng bơm chân không (mục 5 – Hình 3.4). Sau đó, sáp lỏng được phủ vào những lổ rỗng tạo ra do việc thu thập chất nhựa lỏng thừa (mục 6 – Hình 3.4) và được làm lạnh để hóa lớp rắn sáp hoàn toàn. Sau cùng, lớp bề mặt được mài bóng đến độ dày chính xác, tạo ra một mặt phẳng và sẵn sàng để nhận được lớp tiếp theo (mục 7 – Hình 3.4).
Hình 3.4: Quá trình SGC.
Trong một số thiết bị SGC, có thêm một bước xử lý lưu hóa lớp vật liệu nhựa vừa được tạo bằng đèn cực tím (UV) dọc theo lớp được chế tạo (mục 8 – Hình 3.4). Sau đó, lớp nhựa mới được phủ lên lớp vừa chế tạo, quá trình được lặp lại đến khi chi tiết được chế tạo hoàn thành.
Những bộ phận chính của một hệ thống máy Solider được thể hiện như ở Hình 3.5. Bao gồm các bộ phận sau:
(2) Thiết bị chế tạo mẫu (MPM), bao gồm:
a. Các công cụ, phương tiện thực hiện quá trình,
b. Bảng điều khiển của thiết bị,
c. Máy tạo chân không.
(3) Thiết bị xử lý sáp (tan chảy và thu sáp tự động): là thiết bị hỗ trợ, không bắt buộc.
Hình 3.5: Sơ đồ khối của thiết bị Solider. 3.2.3. Nguyên lý
Công nghệ tạo mẫu nhanh SGC tạo ra mô hình vật lý trực tiếp từ những tập tin dữ liệu 3D của mô hình trên máy tính. Các chi tiết có hình dạng hình học phức tạp bất kỳ có thể được chế tạo mà không cần các công cụ, khuôn hay mẫu bằng công nghệ tạo mẫu nhanh SGC. Quá trình tạo chi tiết được trình bày ở Hình 3.6 và dựa trên các nguyên lý sau:
(1) Chi tiết được chế tạo từng lớp bằng một loại nhựa cảm quang (photopolymer) lỏng
hóa cứng khi tiếp xúc với ánh sáng cực tím (UV). Quá trình polymer hóa vật liệu cảm quang (photopolymerization) giống tương tự như được mô tả ở mục 3.1.4, ngoại trừ nguồn sáng bức xạ là một nguồn đèn cực tím chuẩn trực công suất lớn. Hình ảnh của lớp được tạo ra bởi việc chắn ánh sáng của mặt nạ quang học, thay vì quét quang học từ một chùm tia laser. Tấm chắn sáng được tạo ra từ dữ liệu đầu vào CAD, và "được in" trên một chất nền trong suốt (tấm chắn mỏng) bằng một quá trình in hình ảnh ion không tác động, tương tự như quá trình in chụp tĩnh điện được sử dụng trong máy photocopy và máy in laser. Hình ảnh được tạo thành bằng cách lắng đọng bột màu đen trên nền bề mặt tĩnh điện, nhằm để ngăn tia sáng của đèn cực tím một cách đồng bộ. Sau khi phơi sáng, mực tĩnh điện (bột đen) được lấy ra khỏi chất nền để tái sử dụng cho in bề mặt nền ỏ các lớp tiếp theo.
(2) Nhiều chi tiết có thể được xử lý và được chế tạo đồng thời bằng cách nhóm chúng
vào lô (loạt chạy) nhờ sử dụng phần mềm độc quyền của Cubital.
(3) Mỗi lớp trong một lần chế tạo chứa các lát cắt ngang của một hoặc nhiều chi tiết;
nên tất cả các lát trong một lớp được tạo ra đồng thời. Lớp này được tạo ra dày hơn mong muốn, để cho phép các lớp được mài chính xác để đạt độ dày yêu cầu, việc kiểm soát tính chính xác theo phương đứng được thực hiện một cách dễ dàng. Trong bước chế tạo, một bề mặt nhám của nhựa cảm quang (photopolymer) được lưu hóa, tạo độ bám dính của lớp trước và lớp kế tiếp. Các lớp tiếp theo sau đó được chế tạo (lưu hóa) ngay trên các lớp trước đã được tạo ra.
(4) Quá trình chế tạo, chi tiết được tự đỡ bằng cấu trúc hỗ trợ vững chắc bằng sáp dạng khối rắn.
Hình 3.6: Nguyên lý làm việc của SGC. 3.2.4. Ứng dụng của SGC
SGC được ứng dụng khá rộng rãi trong quá trình thiết kế và chế tạo mẫu từ lĩnh vực ô- tô đến các lĩnh vực khác. Một số sản phẩm của SGC được thể hiện ở Hình 3.7. Các ứng dụng của SGC có thể chia làm 4 lĩnh vực dưới đây.
Hình 3.7: Một số sản phẩm tạo ra từ ứng dụng của SGC.
Ứng dụng chung: các thiết kế ý tưởng, thiết kế thử nghiệm, kiểm tra kỹ thuật, tích hợp
và hiệu chỉnh, phân tích chức năng, trưng bày và thương mại tiền sản xuất, nghiên cứu thị trường và giao tiếp chuyên nghiệp.
Ứng dụng tạo khuôn đúc và dụng cụ: đúc khuôn kim loại, khuôn cát và đúc nhanh, tạo
khuôn chân không, khuôn tự do tạo những sản phẩm nhựa.
Dụng cụ và khuôn mẫu: Dụng cụ silic- cao su, dụng cụ nhựa epoxy, dụng cụ bằng chất
Dùng trong y khoa: chuần đoán, phẩu thuật, tái tạo các bộ phận giả cho con người.
3.2.5. Ƣu nhƣợc điểm
Các hệ thống máy Solider với nguyên tắc xử lý nền tảng rắn có những ưu điểm sau:
(1) Xử lý đồng thời: quá trình SGC là quá trình xử lý nhanh, lưu hóa đồng thời toàn bộ
diện tích mặt cắt ngang của lớp chi tiết. SGC có tốc độ cao, cao khoảng 8 lần so với
những phương pháp khác, chi phí sản xuất thấp hơn 2550%. SGC là quá trình tiết
kiệm thời gian và chi phí sản xuất.
(2) Tự đỡ chi tiết: là quá trình thân thiện với người sử dụng, nhanh, đơn giản, phổ biến và
dễ sử dụng. Có thể sử dụng trong việc đúc những chi tiết lớn với hình dạng hình học bất kỳ. Sáp được sử dụng để đỡ chi tiết được ở mọi hướng, nên không cần cấu trúc đỡ.
(3) Dung sai tốt: chi tiết được chế tạo bằng SGC có dung sai hợp lý, chấp nhận được.
(4) Đặc tính chi tiết đồng bộ: chi tiết được chế tạo bằng quá trình SGC có độ chắc chắn,
chính xác, cứng vững, có thể được gia công trên máy và hoàn chỉnh bằng gia công cơ học.
(5) Từ CAD đến phần mềm tạo mẫu nhanh: phần mềm tạo mẫu nhanh của Cubital là phần
mềm Data Front End (DFE), xử lý tệp tin mô hình dạng CAD trước khi chuyển sang thiết bị Cubital. Phần mềm DFE là phần mềm có giao diện tương tác và thân thiện.
(6) Độ co ngót tối thiểu: do chi tiết được xử lý trên toàn bộ bề mặt của từng lớp cùng một
lúc nên giảm được độ co ngót chi tiết.
(7) Độ ổn định và độ bền cấu trúc: trong quá trình xử lý và chế tạo chi tiết, giảm tối thiểu
sự phát triển ứng suất bên trong của cấu trúc, nên chi tiết rất ít bị gãy vỡ.
(8) Không tạo ra mùi nguy hiểm độc hại: Nhựa ở trạng thái lỏng trong thời gian rất ngắn,
nhưa không lưu hóa được lau sạch và thu hồi nhanh chóng, nên tính an toàn cao. Tuy nhiên, các hệ thống SGC có những nhược điểm sau đây:
(1) Yêu cầu có không gian làm việc lớn: kích thước của hệ thống SGC lớn hơn nhiều so
với các hệ thống khác với cùng kích thước chế tạo chi tiết.
(2) Sáp bị dính vào các góc cạnh và các đường hở: khó để loại bỏ sáp ra khỏi chi tiết có
hình dáng phức tạp.
(3) Nhiều phế phẩm: quá trình đánh bóng sinh ra các phế liệu nên cần phải làm sạch.
(4) Tiếng ồn: khi làm việc, hệ thống SGC gây ra tiếng ồn cao hơn nhiều so với các hệ
thống khác.
Hệ thống SGC cần khoảng 20 phút cho quá trình tiền xử lý từ dữ liệu CAD-3D đến khi chế tạo lớp đầu tiên, khoảng 30 phút cho quá trình hậu xử lý kể từ khi lớp sau cùng được hoàn thành.
3.3. Phƣơng pháp lƣu hóa tạo vật thể rắn - SCS 3.3.1. Giới thiệu
Hệ thống tạo vật thể rắn (Solid Creation System - SCS) được liên kết phát triển bởi các công ty SONY Corporation, Japan Synthetic Rubber (JSR) Corporation và D-MEC Corporation. Phần mềm và phần cứng được tạo bởi SONY, nhựa lưu hóa bởi tia tử ngoại (UV Curable resin) được cung cấp bởi JSR, công nghệ tạo hình được sử dụng của công ty D-MEC (Nhật Bản).
Dựa trên nguyên lý dùng tia laser lưu hóa nhựa polymer bằng cách chế tạo từng lớp,
D-MEC là công ty đầu tiên đưa ra kích thước thùng chứa 0,5 m3 với tốc độ quét lên đến
chế tạo ô tô và công nghiệp điện tử. Các model máy (Hình 3.8) gồm có SCS 1000HD, SCS 2000, SCS 3000, SCS 8000, SCS 9000 và một số loại khác.
Hình 3.8: Thiết bị SCS. 3.3.2. Quá trình
SCS tạo nên mô hình 3 chiều bằng tia laser lưu hóa chất polymer từng lớp một. Quá trình này bao gồm 5 bước: tạo mô hình CAD, cắt mô hình CAD và chuyển dữ liệu, quét bề mặt nhựa, hạ thấp bộ phận nâng hạ, hoàn thành mẫu và xử lý.
(1) Mô hình CAD thường là mô hình khối được thiết kế từ hệ thống CAD thương mại như
CADDS5, CATIA hoặc Pro/Engineer. Trong quá trình phân lớp, dữ liệu CAD 3 chiều của chi tiết được chuyển sang dữ liệu mặt cắt ngang từng lớp mà SCS sẽ sử dụng để tạo chi tiết. Quá trình sửa chữa có thể cần thiết khi các lớp không được chia đúng. Cả hai quá trình này có thể được thực hiện trực tuyến (on-line) hoặc không trực tuyến (off-line). Kế tiếp, dữ liệu mặt cắt lớp sẽ được chuyển đến bộ điều khiển tia laser của quá trình lưu hóa bằng tia UV.
(2) Tia laser tử ngoại (ultraviolet - UV) được quét trên bề mặt nhựa trong thùng chứa để
tạo nên mặt cắt ngang dựa trên những dữ liệu nhận được. Những vùng trên bề mặt nhựa tiếp xúc với tia laser được lưu hóa và hóa cứng để tạo hình dáng chi tiết.
(3) Bộ phận nâng hạ sẽ hạ xuống để cho lớp kế tiếp được chế tạo theo quá trình tương tự.
Quá trình này được lặp lại cho đến toàn bộ các lớp được chế tạo và chi tiết 3D được hoàn thành. Sau cùng, khi chi tiết đã được chế tạo xong, bộ phận nâng hạ sẽ nâng lên, chi tiết được lấy ra và thực hiện quá trình xử lý tiếp theo để hoàn thiện chi tiết.
Các bộ phận phần cứng chủ yếu của một hệ thống SCS gồm:
Trạm làm việc News Unix của Sony.
Bộ điều khiển chính của máy.
Gương điện và bộ điều khiển của gương.
Hệ thống quang học gồm: nguồn laser, thấu kính và bộ AOM (Acoustic
Optical Modulator).
Bình chứa chất nhựa cảm quang photopolymer.
Hệ thống nâng hạ cơ khí.
Phần mềm chính của SCS gồm có 2 phần: phần tạo dữ liệu lớp sử dụng những dữ liệu từ các hệ thống CAD khác nhau và tạo nên các lớp mặt cắt ngang, sửa dữ liệu lớp bao gồm cả phần mềm tạo các bộ phận đỡ tự động. Phần mềm dùng để điều khiển SCS dựa trên nguyên lý giao diện giữa người và máy (man-machine interfaces).
3.3.3. Nguyên lý
Hệ thống tạo mẫu nhanh SCS của công ty D-MEC dựa trên nguyên lý lưu hóa nhựa polymer bằng việc phơi sáng dưới tia sáng tử ngoại UV và chế tạo từng lớp (Hình 3.9).