Giao trinh RP TS NGUYỄN VĂN CƢƠNG (CHỦ BIÊN) PGS TS ĐẶNG VĂN NGHÌN GIÁO TRÌNH TẠO MẪU NHANH RAPID PROTOTYPING Năm 2018 ii MỤC LỤC Trang MỤC LỤC ii Chƣơng 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1 1 1 Các khái niệm cơ bản 1 1 1 1 Công nghệ tạo mẫu 1 1 1 2 Tạo mẫu nhanh là gì? 2 1 2 Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh 2 1 3 Ba giai đoạn phát triển dẫn đến tạo mẫu nhanh 3 1 3 1 Thời kỳ đầu tạo mẫu bằng tay 4 1 3 2 Thời kỳ thứ hai tạo mẫu ảo 4 1 3 3 Thời kỳ thứ ba tạo mẫu nhanh 4 1 4 Nguyên tắc cơ bản của tạo.
GIỚI THIỆU CHUNG
Các khái niệm cơ bản
Mẫu là một mô hình đầu tiên hay phiên bản gốc của vật nào đó, mà đã hoặc sẽ được sao chép, hoặc được phát triển Mẫu là một phần quan trọng và sống động của quá trình phát triển sản phẩm; trong quá trình thiết kế, mẫu thường không khác xa với những gì mà nhà thiết kế sẽ phát triển
Tạo mẫu là một quá trình thực hiện và chế tạo các mẫu, quá trình này có thể theo thứ tự sắp xếp từ việc thiết kế trên máy tính đến việc chế tạo một mẫu thật
Hình 1.1: Mô hình mẫu của máy bay siêu âm
Mẫu có một số vai trò trong quá trình phát triển sản phẩm, thường được sử dụng để:
(1) Thí nghiệm và học tập: mẫu thường đượ sử dụng như một mô hình trong phòng thí nghiệm, dùng cho giảng dạy và học tập từ ở các phổ thông đến trường đại học
(2) Nghiên cứu và kiểm chứng: mẫu được sử dụng để giúp nhà nghiên cứu suy nghĩ, lập kế hoạch, thí nghiệm trong khi thiết kế sản phẩm Những câu hỏi, thắc mắc liên quan đến thiết kế chi tiết có thể được trả lời qua việc nghiên cứu và chế tạo mẫu Mẫu có thể được sử dụng để giao tiếp, kiểm tra, kiểm nghiệm và giải thích ý tưởng liên quan đến việc phát triển sản phẩm
(3) Giao tiếp và tác động lẫn nhau trong phát triển sản phẩm: Mẫu được sử dụng không chỉ trong nhóm phát triển sản phẩm mà còn trong việc quản lý và giao tiếp khách hàng Không có điều gì để giải thích cho ý tưởng rõ ràng hơn một mô hình thực tế; để khách hàng có thể xem, chạm vào và cảm giác về sản phẩm đó Vì thế, một mô hình sản phẩm 3D luôn tốt hơn mô hình 2D trong bản vẽ phát thảo Từ đó, khách hàng sẽ cung cấp những thông tin quý giá cho nhóm nghiên cứu để phát triển sản phẩm
(4) Tổng hợp và phân tích sản phẩm: bằng việc liên kết tất cả những bộ phận, cụm chi tiết khác nhau, để đảm bảo khả năng làm việc của cụm máy Điều này sẽ giúp rất nhiều cho việc tích hợp sản phẩm, phát hiện những vấn đề liên quan đến lắp đặt sản phẩm Khi lắp đặt tất cả các mẫu lại với nhau, các vấn đề về thiết kế, chế tạo, lắp ráp sẽ được giải đáp hoàn toàn
(5) Lập kế hoạch và tạo hình dáng sản phẩm: việc này thường được xem như là mốc kết thúc và bắt đầu của những giai đoạn phát triển sản phẩm Mỗi mẫu đánh dấu một sự hoàn thành một giai đoạn phát triển nào đó Với kế hoạch rõ ràng, sẽ giúp sự phát triển có hiệu lực cao Trong nhiều công ty, sự tiếp tục phát triển mẫu sản phẩm là then chốt để thành công trong việc thúc đẩy và phát triển công ty với sản phẩm đó
Những mẫu tạo ra từ công nghệ tạo mẫu nhanh có độ chính xác cao, được chế tạo nhanh; các nhiệm vụ có thể được thực hiện nhanh chóng và hiệu quả, kết hợp với các công cụ sản xuất khác
1.1.2 Tạo mẫu nhanh là gì?
Tạo mẫu nhanh là một thuật ngữ dùng diễn tả công nghệ chế tạo những mô hình vật thể một cách tự động từ nguồn dữ liệu thiết kế trên máy tính, bằng phương pháp đắp dần vật liệu từng lớp, với tốc độ nhanh hơn rất nhiều so với phương pháp chế tạo truyền thống Điểm nổi bật của công nghệ tạo mẫu nhanh là đắp dần vật liệu từng lớp để tạo nên sản phẩm, trong khi các phương pháp truyền thống thường là lấy vật liệu ra khỏi phôi ban đầu Chính điều này cho phép công nghệ tạo mẫu nhanh có thể chế tạo được những chi tiết có độ phức tạp cao, mà công nghệ khác không thể chế tạo được
Quá trình tạo mẫu nhanh giúp cho nhà sản xuất quan sát, đánh giá nhanh chóng sản phẩm cuối cùng Quá trình này được thực hiện nhờ sự trợ giúp của các thiết bị tạo mẫu nhanh (RP) và phần mềm thiết kế CAD-3D Người thiết kế chuyển dữ liệu từ mô hình CAD-3D thành những mẫu thực một cách nhanh chóng Tùy thuộc vào kích thước và độ phức tạp của sản phẩm, mà thời gian để tạo mẫu mất khoảng từ 3 đến 72 giờ, thậm chí ít hơn
Như vậy so với việc tạo mẫu bằng phương pháp truyền thống (mất hàng tuần đến hàng tháng), thì công nghệ tạo mẫu nhanh sẽ nhanh hơn rất nhiều; điều này giúp nhà sản xuất đưa sản phẩm ra thị trường một cách nhanh chóng và giảm chi phí sản xuất Đây là ưu điểm nổi bật của quá trình tạo mẫu nhanh.
Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh
Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh gắn liền với sự phát triển ứng dụng máy tính trong công nghiệp Công nghệ máy tính phát triển đã thúc đẩy sự tiến bộ trong nhiều lĩnh vực liên quan đến máy tính, như: thiết kế CAD, chế tạo CAM, gia công điều khiển số nhờ máy tính CNC Đặc biệt, CAD-3D đã tác động rất lớn đến sự phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping – RP) Ngoài ra, sự phát triển của tạo mẫu nhanh còn chịu sự tác động từ nhiều công nghệ và sự tiến bộ trong các lĩnh vực khác như: kỹ thuật hệ thống, khoa học vật liệu, công nghệ laser, kỹ thuật chế tạo
Bảng 1.1: Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh
Năm Phát triển Công nghệ
1946 Máy tính đầu tiên xuất hiện
1952 Máy công cụ điều khiển số (NC) đầu tiên ra đời
1960 Tia Laser thương mại đầu tiên
1961 Người máy/Robot thương mại đầu tiên
1963 Hệ thống phần mềm thiết kế hình ảnh đầu tiên (CAD) ra đời
1988 Hệ thống tạo mẫu nhanh thương mại đầu tiên
Ba giai đoạn phát triển dẫn đến tạo mẫu nhanh
Quá trình tạo mẫu là một công việc có từ lâu đời, nhằm mục đích thực tế hóa một ý tưởng thiết kế Do đó, một mẫu thường được yêu cầu có trước khi bắt đầu việc sản xuất sản phẩm Việc chế tạo mẫu được thực hiện với nhiều hình thức như: lấy bớt vật liệu bằng gia công cắt gọt; đắp thêm vật liệu; tạo hình vật liệu bằng khuôn (đúc, nặn mẫu) với nhiều loại vật liệu khác nhau như nhôm, kẽm, gỗ, sáp
Quá trình tạo mẫu trãi qua 3 giai đoạn phát triển, trong đó 2 giai đoạn sau mới phát triển trong hơn hai mươi năm Giống như quá trình mô hình hóa trên máy tính, tạo mẫu vật lý đang phát triển ở giai đoạn 3 Sự phát triển song song của quá trình mô hình hóa trên máy tính và quá trình tạo mẫu được thể hiện trong bảng 1.2
Bảng 1.2: Phát triển song song giữa mô hình hóa hình học và quá trình tạo mẫu
Mô hình hóa hình học Tạo mẫu
Bắt đầu giữa thập kỷ 1960
Đường thẳng trên màn hình có thể là:
- Đường chu vi của chi tiết
- Nhìn phẳng của chi tiết/thành phần cơ khí
Kỹ thuật phát thảo tự nhiên
Giai đoạn 1: tạo mẫu thô sơ
Hình thành cách nay nhiều thế kỷ
Tạo mẫu được xem như một nghề:
- Tạo theo truyền thống và làm bằng tay
- Vật liệu truyền thống để tạo mẫu
Kỹ thuật tạo mẫu tự nhiên
Giai đoạn 2: Đường cong 3D và mô hình hóa bề mặt
Thể hiện được nhiều thông tin như hình dáng chính xác, kích thước, đường viền bề mặt chi tiết
Giai đoạn 2: Tạo mẫu ảo và mềm
Mẫu ảo có thể được kiểm tra, mô phỏng với những đặc tích cơ học và các đặc tính khác một cách chính xác
Giai đoạn 3: Mô hình khối 3D
Giai đoạn 3: Tạo mẫu nhanh
Góc cạnh, bề mặt và lỗ được liên kết lại với nhau để tạo nên 1 khối thống nhất
Máy tính có thể xác định bên trong vật thể Có thể vẽ mặt cắt ngang và đọc được các góc, và mặt giao nhau
Thuận lợi, điểm mạnh là tạo mẫu thật trong 1 thời gian ngắn
Mẫu thật có thể được sử dụng cho việc đánh giá, kiểm tra
Mẫu có thể giúp cho việc chế tạo sản phẩm
1.3.1 Thời kỳ đầu: tạo mẫu bằng tay
Quá trình tạo mẫu xuất hiện đầu tiên cách nay hàng chục thế kỷ, khi con người bắt đầu phát triển các công cụ giúp cải thiện cuộc sống Ở thời kỳ đầu ra đời của tạo mẫu, các mẫu thường là sản phẩm đơn giản, không có độ phức tạp cao Thời gian chế tạo một mẫu trung bình khoảng 4 tuần Phương pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề, quá trình thực hiện công việc cực kỳ nặng nhọc
1.3.2 Thời kỳ thứ hai: tạo mẫu ảo
Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển vào những năm thập niên 70 thế kỷ 19 Lúc này đã có phần mềm trên máy tính để tạo mẫu ảo Ngày nay, việc ứng dụng CAD/CAE/CAM đã trở nên rất phổ biến Với các Phần mềm tạo mẫu, người thiết kế sẽ phát họa trên máy tính những ý tưởng mới, trước khi được chế tạo Sau đó, các mô hình vật lý được kiểm tra, phân tích, xác định ứng suất; và được hiệu chỉnh cho phù hợp theo yêu cầu nếu chúng chưa đáp ứng Độ phức tạp của các mẫu trong thời kỳ này tăng gấp đôi so với thời kỳ đầu Vì thế, thời gian yêu cầu cho việc tạo mẫu có khuynh hướng tăng lên khoảng 16 tuần, tính chất vật lý của mẫu vẫn còn phụ thuộc vào các phương pháp tạo mẫu cơ bản trước đó Tuy nhiên, các máy gia công chính xác đã giúp cải thiện các tính chất vật lý của mẫu tốt hơn
Ngay cả khi ở thời kỳ thứ ba, việc tạo mẫu vẫn có sự trợ giúp rất lớn của quá trình tạo mẫu ảo trên máy tính Tuy nhiên, những hạn chế của công nghệ tạo mẫu nhanh lúc này là: vật liệu chế tạo chi tiết, khả năng chế tạo liên tục, khả năng phân tích động lực học Một nhược điểm của mẫu ảo là không thể kiểm tra các hiện tượng liên quan đến chi tiết mà máy tính không thể thực hiện được
1.3.3 Thời kỳ thứ ba: tạo mẫu nhanh
Trong thời kỳ thứ ba, công nghệ tạo mẫu nhanh thể hiện vai trò trong quá trình phát triển sản phẩm mẫu Tính chất vật lý từng chi tiết của sản phẩm trong quá trình tạo mẫu nhanh cũng được xác định Quá trình tạo mẫu có độ rỗng, độ phức tạp bên trong, tương thích cho việc sản xuất trên bệ nâng, hay công nghệ sản xuất lớp
Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh đã đáp ứng được yêu cầu của giới kinh doanh trong thời kỳ này: giảm thời gian sản xuất, tăng độ phức tạp của mẫu, giảm chi phí sản xuất Trong khi đó, người tiêu dùng cần các sản phẩm có chất lượng cao, mức độ phức tạp của chi tiết tăng gấp ba lần mức độ phức tạp mà các chi tiết ở thập niên 70 Nhờ công nghệ tạo mẫu nhanh, thời gian trung bình để chế tạo chi tiết chỉ còn lại khoảng 3 tuần, so với 16 tuần ở thời kỳ thứ hai
Sau hơn 25 năm kể từ khi công nghệ tạo mẫu nhanh được thương mại hóa, có trên 30 phương pháp tạo mẫu nhanh khác nhau ra đời, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực tạo mẫu khác nhau trên giới.
Nguyên tắc cơ bản của tạo mẫu nhanh
Những phương pháp tạo mẫu nhanh có đặc điểm chung giống nhau là dựa trên nguyên tắc: thêm/đắp từng lớp vật liệu và liên kết những lớp vật liệu như giấy, sáp, nhựa… lại với nhau, để tạo nên vật thể Nhìn chung, công nghệ tạo mẫu nhanh có thể được diễn tả qua các bước sau:
(1) Mẫu (bộ phận, chi tiết) được thiết kế trên hệ thống máy tính CAD Mẫu phải thể hiện đầy đủ tính chất vật lý giống như sản phẩm thật, những mặt bao khép kín với kích thước giới hạn rõ ràng Nghĩa là, phải xác định các dữ liệu bên trong, bên ngoài và đường giới hạn của mẫu Yêu cầu này thực sự không cần thiết đối với mô hình dạng khối, vì mô hình dạng khối sẽ tự động giới hạn thể tích Điều này nhằm đảm bảo cho tất cả các mặt cắt ngang đều có những đường cong khép kín để tạo ra khối vật thể
(2) Mô hình khối (mô hình bề mặt) đã được thiết kế sẽ được chuyển sang file định dạng ―*.STL‖ (StereoLithography) File định dạng ―*.STL‖ quản lý các bề mặt của mô hình bởi các đa giác Các mặt cong bậc cao phải dùng rất nhiều đa giác, điều này có nghĩa là các file *.STL dùng cho các chi tiết mặt cong có dung lượng rất lớn Tuy nhiên, cũng có một số hệ thống tạo mẫu nhanh chấp nhận các dữ liệu ở dạng format *.IGES (Initial Graphics Exchange Specification)
Hình 1.2: Bánh xe 4 yếu tố chính của tạo mẫu nhanh
(3) Chương trình máy tính phân tích file *.STL, để xác định rõ mô hình cho việc chế tạo và các mô hình các mặt cắt ngang được tạo thành Các mặt cắt ngang được tái tạo một cách có hệ thống bằng phương pháp hóa rắn (hoặc kết dính) của vật liệu: lỏng, rắn hay bột; và kết hợp lại để tạo thành mẫu 3D Những phương pháp tương tự khác cũng được sử dụng để tạo nên mẫu 3D
Một cách tổng quát, sự phát triển của quá trình tạo mẫu nhanh được thể hiện qua bốn yếu tố cơ bản: Dữ liệu vào, Phương pháp tạo mẫu, Vật liệu sử dụng, và Ứng dụng được thể hiện trong bánh xe tạo mẫu nhanh như Hình 1.2
Dữ liệu vào là những thông tin miêu tả các vấn đề liên quan đến vật thể 3D Có hai dạng mô hình: mô hình vật ảo trên máy tính hoặc mô hình thật từ thực tế Hệ thống CAD tạo ra mô hình trên máy tính ở dạng mặt hay dạng khối Ngoài ra, dữ liệu 3D từ mô hình thật đôi khi không phải luôn hoàn hảo; do dữ liệu này thu được bằng phương pháp kỹ thuật ngược Trong kỹ thuật ngược, có thể sử dụng các thiết bị để xác định vật thể như: máy đo tọa độ
CMM (Coordinate measuring machine), bút vẽ bằng laser, quét hình đám mây điểm của mô hình thật, sau đó xử lý lại bằng CAD
1.4.2 Phương pháp tạo mẫu nhanh
Phương pháp tạo mẫu nhanh phụ thuộc vào nhà sản xuất, có thể chia thành một số dạng như: xử lý quang hóa/cắt ảnh (photo-curing), cắt và dán từng lớp - tạo liên kết (cutting and glueing/joining), tan chảy và hóa rắn (melting and solidifying/fusing) Việc xử lý quang hóa vật liệu có thể phân tích thành các dạng như: dùng chùm laser đơn, chùm laser đôi và đèn tử ngoại được che chắn bởi lớp mặt nạ quang học
Vật liệu sử dụng trong tạo mẫu nhanh có thể ở dạng rắn, dạng lỏng hay dạng bột Ở dạng rắn có thể có các hình thức khác nhau như: viên, dây hay tấm mỏng Vật liệu hiện đang được sử dụng trong tạo mẫu nhanh gồm: giấy, nilon, nhựa, sáp, kim loại và gốm
Hầu hết các sản phẩm được chế tạo bằng phương pháp tạo mẫu nhanh cần phải được chỉnh sửa, gia công tinh lại trước khi đưa vào sử dụng Những ứng dụng công nghệ này có thể phân thành từng nhóm như: (1) thiết kế, (2) phân tích kỹ thuật và lập kế hoạch, (3) gia công và chế tạo Tạo mẫu nhanh đã đem lợi ích rất lớn trong các lĩnh vực công nghiệp, các ngành như: hàng không, ô-tô, y sinh học, điện, điện tử, sản phẩm tiêu dùng, và nhiều lĩnh vực khác.
Các ưu điểm của tạo mẫu nhanh
Thực tế công nghệ tạo mẫu nhanh không thể thay thế được hoàn toàn công nghệ gia công truyền thống như máy NC, CNC và máy phay tốc độ cao, ngay cả những thiết bị cầm tay Nói cách khác, công nghệ tạo mẫu nhanh được xem như là một công cụ mới để có thêm sự lựa chọn tốt hơn khi chế tạo chi tiết Đồ thị ở Hình 1.3 cho thấy sự so sánh giữa công nghệ tạo mẫu nhanh với các công nghệ khác từ máy phay tốc độ cao và máy NC về chi phí và thời gian để chế tạo ra một chi tiết theo độ phức tạp tăng dần
Hình 1.3: So sánh công nghệ tạo mẫu nhanh với công nghệ truyền thống
Một số ưu điểm chính của công nghệ tạo mẫu nhanh là tốc độ nhanh, chi phí thấp và độ linh hoạt tốt Cụ thể, công nghệ tạo mẫu nhanh có thể giúp:
- Tăng khả năng quan sát chi tiết: người thiết kế có thể thiết kế chi tiết trên máy tính, sau đó có được mô hình chi tiết 3D thật chỉ trong vài giờ, mà không cần phải qua quy trình chế tạo mẫu phức tạp theo phương pháp truyền thống Nên khả năng quan sát chi tiết tốt hơn, hiệu quả hơn
- Chế tạo được những chi tiết có độ phức tạp cao: nhờ vào kỹ thuật chế tạo bằng cách đắp vật liệu từng lớp theo mặt cắt ngang, công nghệ tạo mẫu nhanh có thể chế tạo được các chi tiết có độ phức tạp cao, ngay cả bên trong chi tiết
- Cho phép nhà thiết kế và chế tạo mang sản phẩm đến thị trường nhanh hơn
- Giảm đáng kể chi phí và thời gian thiết kế, chế tạo chi tiết Các chi tiết có thể được điều chỉnh ngay trong giai đoạn thiết kế Ngoài ra, giảm được chi phí lao động trong chế tạo, giảm chi phí vật liệu do vật liệu thừa thành phế liệu ít
- Kiểm tra được tính chính xác của chi tiết, tăng khả năng tối ưu hóa và phát triển sản phẩm
- Tạo nên một kênh thông tin hiệu quả giữa các nhà thiết kế với nhau; giữa nhà thiết kế, nhà chế tạo và người tiêu dùng; đáp ứng nhu cầu đòi hỏi của thị trường
- Khách hàng có thể mua được sản phẩm với chi phí thấp, nhưng đáp ứng được yêu cầu một cách tốt nhất
Hiện nay, công nghệ tạo mẫu nhanh đang hoạt động như một cầu nối giúp các nhà thiết kế, các nhà chế tạo, các nhân viên bán hàng cung cấp hàng hóa đúng lúc đến khách hàng.
Phân loại hệ thống tạo mẫu nhanh
Hiện nay có nhiều loại hệ thống thiết bị tạo mẫu nhanh trên thị trường Các hệ thống tạo mẫu nhanh được phân loại dựa trên cơ sở vật liệu chế tạo mẫu của hệ thống Theo cách phân loại này, có 3 loại hệ thống RP dựa trên cơ sở vật liệu lỏng, vật liệu rắn và vật liệu bột
1.6.1 Hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu lỏng
Vật liệu lỏng được sử dụng trong các hệ thống tạo mẫu nhanh này, để chế tạo mẫu Quá trình tạo mẫu là quá trình lưu hóa, làm cho vật liệu chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn Các phương pháp tạo mẫu nhanh chủ yếu dùng vật liệu lỏng gồm:
Thiết bị tạo mẫu lập thể SLA của công ty 3D Systems
Thiết bị xử lý dạng khối SGC của công ty Cubital
Thiết bị tạo mẫu dạng khối SCS của công ty Sony
Thiết bị in sử dụng tia tử ngoại tạo vật thể khối SOUP của công ty Misuibishi
Thiết bị tạo ảnh nổi của EOS
Thiết bị tạo ảnh khối của công ty Teijin Seiki
Thiết bị tạo mẫu nhanh của công ty Meiko dùng cho lĩnh vực kim hoàn, trang sức Thiết bị tạo mẫu nhanh SLP của công ty Denken
Thiết bị tạo mẫu nhanh COLAMM của công ty Mitsui
Thiết bị tạo mẫu nhanh LMS của Fockele và Schwarze
1.6.2 Hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu rắn
Ngoại trừ các vật liệu dạng bột, các hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu rắn có liên quan đến tất cả các dạng vật liệu rắn gồm dạng dây, cuộn, tấm mỏng và dạng viên Một số phương pháp tạo mẫu nhanh đặc trưng sử dụng vật liệu rắn gồm:
Thiết bị tạo lớp mỏng LOM của công ty Helisys
Thiết bị phun nhiều lớp FDM của công ty Stratasys
Thiết bị tạo mẫu nhiều đầu phun MJM của công ty 3D System
Thiết bị tạo lớp SSM
Thiết bị mô hình hóa đùn nóng chảy MEM
Hệ thống tạo mẫu nhanh RPS của IBM
1.6.3 Hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu bột
Vật liệu bột trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh được xem như dạng trạng thái khối gần giống vật liệu rắn Tuy nhiên, hệ thống này được xem là các thiết bị độc lập với hệ thống thiết bị tạo mẫu dùng vật liệu rắn Một số phương pháp tạo mẫu nhanh dạng bột điển hình gồm:
Thiết bị in ba chiều (3DP) của công ty MIT
Thiết bị thiêu kết bằng laser SLS của của công ty DTM
Thiết bị đúc khuôn vỏ mỏng trực tiếp DSPC của công ty Soligen
Thiết bị hoá rắn định hình MJS của công ty Fraunhofer
Hệ thống các thiết bị EOSINT của công ty EOS
Thiết bị in phun (Ink-Jet) hay còn gọi là BPM của BPM Technology
1 Định nghĩa thế nào là mẫu? nêu vai trò của mẫu trong quá trình phát triển sản phẩm
2 Tạo mẫu nhanh là gì? Cho biết ưu điểm nổi bật của công nghệ tạo mẫu nhanh so với phương pháp tạo mẫu truyền thống?
3 Trình bày những nguyên tắc cơ bản của tạo mẫu nhanh?
4 Các yếu tố chính của công nghệ tạo mẫu nhanh trong bánh xe tạo mẫu nhanh?
5 Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh và các công nghệ liên quan khác?
6 Cho biết các ưu điểm của tạo mẫu nhanh so với phương pháp truyền thống?
7 Cơ sở của việc phân loại các hệ thống tạo mẫu nhanh?
8 Nêu tên 3 hệ thống tạo mẫu nhanh dùng vật liệu lỏng?
9 Nêu tên 3 hệ thống tạo mẫu nhanh dùng vật liệu rắn?
10 Nêu tên 3 hệ thống tạo mẫu nhanh dùng vật liệu bột?
QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CỦA TẠO MẪU NHANH
Các quá trình chế tạo mẫu cơ bản
Có 3 kỹ thuật chế tạo mẫu cơ bản được sử dụng trong quá trình tạo mẫu (Hình 2.1) Đó là quá trình lấy bớt vật liệu ra từ phôi bằng các phương pháp cắt gọt, quá trình thêm vật liệu vào, và quá trình tạo hình sản phẩm
Hình 2.1: Các quá trình chế tạo cơ bản
Quá trình lấy bớt vật liệu: được bắt đầu với phôi lớn hơn kích thước mong muốn của sản phẩm, vật liệu được lấy bớt đi cho đến khi đạt được hình dáng và kích thước mong muốn của sản phẩm Các phương pháp gia công cắt gọt được sử dụng phổ biến gồm các máy CNC và các loại khác như máy mài, máy tiện, khoan, cắt dây, EDM, cắt laser, cắt bằng tia nước
Quá trình thêm vật liệu: ngược lại với quá trình lấy bớt vật liệu, trong quá trình thêm vật liệu vào, hình dạng và kích thước sau cùng của sản phẩm lớn hơn rất nhiều so với khối vật liệu ban đầu Vật liệu được thêm vào và được gắn kết với nhau để tạo hình dáng và kích thước sản phẩm mong muốn Hầu hết những quá trình tạo mẫu nhanh như: tạo mẫu lập thể SLA, kết tinh laser có chọn lọc SLS, LOM, đều thuộc vào nhóm quá trình chế tạo bằng cách thêm vật liệu vào
Quá trình tạo hình: là quá trình mà trong đó những lực cơ học hoặc hình dạng sẵn có
(khuôn) được ứng dụng cho một vật liệu nào đó, để tạo ra những sản phẩm có hình dạng cho trước Các quá trình gia công này như: uốn, dập, ép, khuôn đúc và một số dạng khác Đôi khi, có thể sử dụng kết hợp hai hay nhiều phương pháp trên để tạo nên sản phẩm
Ví dụ như dập, khoan, tạo hình sản phẩm
Hình 2.2: Quy trình tạo mẫu nhanh.
Quy trình công nghệ của tạo mẫu nhanh
Nhìn chung, tất cả các công nghệ tạo mẫu nhanh (RP) đều làm việc theo nguyên lý và quy trình cơ bản giống nhau Quy trình này được thể hiện một cách tổng thể qua mô hình ở Hình 2.2 và Hình 2.3 Có 5 bước trong chuỗi quy trình tạo mẫu nhanh, đó là:
(2) chuyển đổi và truyền dữ liệu
(3) kiểm tra và chuẩn bị
(5) xử lí và gia công tinh
Tùy thuộc vào chất lượng của vật mẫu và chi tiết, các bước 3 và 5 sẽ được lặp lại đến khi vật thể được hoàn thành Ngoài ra, tùy theo phương pháp công nghệ tạo mẫu nhanh, có thể một trong năm bước của quy trình trên sẽ không được thực hiện
Hình 2.3: Chuỗi quá trình của tạo mẫu nhanh
Việc tạo mô hình thiết kế 3D là một điều kiện tiên quyết, rất quan trọng cho quá trình tạo mẫu nhanh, quyết định chất lượng của sản phẩm Thông thường, công việc này chiếm phần lớn thời gian trong toàn bộ quy trình Sau khi thiết kế, mô hình 3D được chia sẻ cho toàn bộ đội ngũ thiết kế với các mục đích khác nhau: thiết kế chi tiết, phân tích ứng suất, phân tích FEM, lập kế hoạch và mô hình sản xuất Hiện nay, có nhiều phần mềm CAD/CAM có thể sử dụng để thiết kế mô hình 3D như: Inventor, SolidWorks, Pro-Engineer, Creo, Visi
Có 2 quan điểm sai lệch trong số những người sử dụng tạo mẫu nhanh: (1) không giống như lập trình NC, trong tạo mẫu nhanh yêu cầu vật thể phải có một thể tích kín dù chi tiết dựa trên mặt hay khối Sự hiểu nhầm này xuất hiện do người sử dụng đã quen sử dụng lập trình NC; (2) người sử dụng cho rằng những gì thấy được trên mô hình là những gì sẽ thu được trên sản phẩm, điều này không hoàn toàn đúng Hai quan điểm này thường dẫn đến việc chọn những thông số kỹ thuật của máy tạo mẫu nhanh, hậu quả là không tối ưu hóa được hệ thống RP và chi tiết có hình dạng không đạt yêu cầu
2.2.2 Chuyển đổi và truyền dữ liệu
Sau khi mô hình 3D dạng mặt hoặc khối đã được hoàn thiện, mô hình sẽ được xuất từ dạng tệp CAD 3D sang tệp *.STL Tệp *.STL là dạng định dạng có nguồn gốc từ công ty 3D System - công ty sáng lập ra hệ thống tạo hình lập thể SLA (StereoLithography) Tệp định dạng *.STL quản lý bề mặt dưới dạng các tam giác Các mặt cong bậc cao cần sử dụng nhiều tam giác hơn, điều đó có nghĩa là kích thước tệp *.STL sẽ lớn hơn
Hiện nay, hầu hết các nhà cung cấp phần mềm CAD/CAM đều xây dựng được giao diện chuyển đổi sang định dạng *.STL trong hệ thống phần mềm Quá trình này có thể xem là bước chuyển đổi đơn giản nhất và ngắn nhất trong chuỗi quá trình tạo mẫu nhanh Tuy nhiên, đối với những mô hình phức tạp, cùng với máy tính có tính năng thấp; quá trình chuyển đổi có thể mất đến vài giờ Ngược lại, chỉ cần vài phút là có thể hoàn thành sự chuyển đổi này Đối với hệ thống mạng internet, quá trình truyền dữ liệu cũng khá đơn giản Quá trình truyền dữ liệu sẽ được truyền từ trạm làm việc (workstation) đến máy tính của thiết bị tạo mẫu nhanh Thông thường, trạm làm việc và hệ thống thiết bị tạo mẫu nhanh đặt ở hai vị trí khác nhau Trạm làm việc thường dùng là công cụ thiết kế và được đặt ở phòng thiết kế; ngược lại hệ thống tạo mẫu nhanh là một quá trình hay một máy sản xuất, thường được đặt ở khu vực chế tạo Quá trình truyền dữ liệu có thể sử dụng đĩa mềm, thư điện tử (email) hoặc hệ thống mạng nội bộ (LAN)
2.2.3 Kiểm tra và chuẩn bị Đây là một bước quan trọng trong quá trình tạo mẫu nhanh Nhiều nhà thiết kế, nhà sử dụng bị thất bại ở bước này do không thể phát hiện lỗi trong tệp *.STL Tuy nhiên, phần lớn các lỗi của mô hình CAD và những yếu điểm của CAD khi chuyển đổi dữ liệu sang *.STL được kiểm tra ở công đoạn này
Khi tệp *.STL được kiểm tra, phần mềm trên máy tính của hệ thống tạo mẫu nhanh phân tích tệp tin này, để xác định mô hình được chế tạo, và tạo lớp chi tiết theo những mặt cắt ngang Những mặt cắt ngang này được chế tạo từng lớp một cách hệ thống, bằng quá trình hóa rắn chất lỏng, hoặc liên kết bột, hoặc tan chảy chất rắn để tạo nên vật thể 3D
Thí dụ: Với thiết bị SLA, mỗi tệp *.STL xuất ra có bề dày lớp từ 0,12 mm đến 0,50 mm Thông thường, mô hình được chia lớp với độ dày nhỏ nhất (0,12 mm), để chi tiết có độ chính xác cao Những bộ phận hỗ trợ cũng được tạo ra để đỡ các phần của chi tiết, giúp định hình chính xác chi tiết dưới tác động của tia UV
Việc chuẩn bị các thông số chế tạo để định vị và chế tạo lớp có thể khó khăn, nếu không nắm vững các thông tin và kiến thức cần thiết, bao gồm: việc xác định vật thể hình học, hướng chế tạo chi tiết, sắp xếp chi tiết trong không gian chế tạo, những bộ phận đỡ chi tiết, bề dày một lớp Ngoài ra, cần phải biết và xác định các thông số kỹ thuật của thiết bị như: độ sâu lưu hóa, cường độ năng lượng laser, các thông số vật lý khác như trong thiết bị
Hiện nay công việc chế tạo đơn giản hơn, với những thông số mặc định có thể thay đổi giá trị nhanh chóng, dễ dàng khôi phục để sử dụng cho những mô hình khác nhau Hầu hết các phần mềm đều cho phép người sử dụng điều chỉnh, định hướng chế tạo chi tiết, và hướng di chuyển toàn bộ mô hình chi tiết theo chiều dương của thiết bị
Hướng chế tạo chi tiết rất quan trọng trong quá trình tạo mẫu nhanh, với những lý do:
Hướng chế tạo chi tiết ảnh hưởng đến thời gian chế tạo chi tiết Nếu đặt kích thước ngắn nhất theo trục z của máy thì số lớp chế tạo giảm, giảm được thời gian chế tạo
Đặc tính của chi tiết thay đổi theo hướng chế tạo từ trục này so với trục khác Chi tiết thường yếu hơn và ít chính xác hơn theo trục thẳng đứng z so với phương trong mặt phẳng xy
Sau khi hiệu chỉnh, kiểm tra, cài đặt thông số chế tạo, bề dày lớp, hướng chế tạo, quá trình chế tạo chi tiết được thực hiện Đối với hầu hết các hệ thống tạo mẫu nhanh, công đoạn này hoàn toàn tự động Những người vận hành thiết bị thường để cho máy chế tạo chi tiết một cách tự động Quá trình chế tạo mẫu có thể mất đến vài giờ, tùy thuộc vào kích thước và số lượng của chi tiết Số chi tiết được chế tạo tùy thuộc vào kích thước tổng thể được giới hạn bởi không gian, thể tích buồng chế tạo của thiết bị tạo mẫu nhanh
Sau khi chi tiết được chế tạo xong trên thiết bị RP, công việc cuối cùng của quy trình tạo mẫu nhanh là xử lí và gia công tinh chi tiết Công đoạn này thường được thực hiện với thiết bị chuyên dùng hoặc bằng tay, việc hư hại sản phẩm rất dễ xảy ra Do đó, các nhà chế tạo mẫu xem công đoạn này có ý nghĩa lớn để có được sản phẩm hoàn chỉnh Những công việc xử lý tinh cần thiết đối với một số hệ thống tạo mẫu nhanh chủ yếu được thể hiện ở bảng 2.1
Bảng 2.1: Những công việc xử lý tinh cần thiết đối với một số hệ thống tạo mẫu nhanh Công việc xử lý tinh Những công nghệ tạo mẫu nhanh
HỆ THỐNG TẠO MẪU NHANH DÙNG VẬT LIỆU LỎNG
Phương pháp tạo hình lập thể - SLA
Phương pháp tạo hình lập thể (SLA) được phát minh vào 1986 Charles W Hull; sau đó được tập đoàn 3D System phát triển và thương mại hóa đến nay Tập đoàn 3D System được sáng lập năm 1986 bởi Charles W Hull và nhà doanh nghiệp Raymond S Freed, đây là công ty cung cấp thiết bị tạo mẫu nhanh và các phụ kiện liên quan hàng đầu trên thế giới Trong số những hệ thống tạo mẫu nhanh đã được thương mại hóa, SLA xuất hiện trên thị trường vào năm 1988 Công ty này đã nhận được hơn 40 bằng sáng chế của Mỹ, hơn 20 bằng sáng chế Quốc tế, và nhiều phát minh khác
Tất cả các thiết bị tạo hình lập thể SLA đều có chung một nguyên lý cấu tạo, vật liệu sử dụng chế tạo mẫu là nhựa lỏng cảm quang Các loại nhựa có thể mua từ các nhà phân phối, loại nhựa phụ thuộc vào tia laser được sử dụng trong thiết bị, yêu cầu cơ lý tính của sản phẩm Ngoài ra, dung môi làm sạch được sử dụng để làm sạch, loại bỏ nhựa còn sót lại trên chi tiết sau khi hoàn thành việc chế tạo sản phẩm
Hệ thống SLA tạo ra chi tiết 3D bằng nhựa, trực tiếp từ dữ liệu CAD được thiết kế Quá trình bắt đầu với bể chứa đầy nhựa lỏng cảm quang, với bộ phận nâng hạ gắn liền bệ đỡ chi tiết dưới bề mặt nhựa lỏng (Hình 3.1)
Mô hình 3D của chi tiết được thiết kế bằng phần mềm CAD, sau đó tệp CAD được tải vào hệ thống Bộ phận phụ trợ được thiết kế để gia cố cho chi tiết trong quá trình chế tạo Bộ chuyển đổi sẽ biến đổi dữ liệu CAD thành tệp có đuôi là *.STL Bộ điều khiển cắt lớp mô hình và cấu trúc đỡ thành những mặt cắt có chiều dày từ 0,025 mm đến 0,5 mm Hệ thống quét quang học được điều khiển bằng máy tính, và hướng tiêu điểm của chùm tia laser đến bề mặt chất lỏng, hóa rắn lớp mặt cắt ngang chi tiết theo 2 chiều tương ứng, độ sâu hóa rắn tương ứng với bề dày lớp Thiết bị điều khiển sau đó hạ xuống đủ để che phủ lớp vừa chế tạo, và trải lên lớp vừa hóa rắn một lớp nhựa lỏng khác Một thanh gạt di chuyển dọc bề mặt để san bằng lớp nhựa lỏng, tia laser quét qua mặt cắt và tạo lớp tiếp theo Quá trình này được lặp lại cho đến chi tiết được hoàn thành Sau đó, chi tiết được lấy ra khỏi thùng chứa và được làm sạch nhựa lỏng chưa lưu hóa
Cấu tạo chung của hệ thống SLA gồm: máy tính, bảng điều khiển, nguồn phát laser, hệ thống quang học, buồng chế tạo chi tiết Một trong những phần mềm được sử dụng ở trạm làm việc (workstation) cho hệ thống thiết bị SLA là Maestro TM gồm có những mô đun chính sau đây:
(1) Mô đun 3D-verifyTM: Mô đun này có thể được truy nhập để xác định tính trung thực và cung cấp khả năng hiệu chỉnh tệp tin *.STL trước khi chi tiết được chế tạo, không cần phải trả về phần mềm CAD thiết kế ban đầu Những lổ hỗng giữa những tam giác, những tam giác chồng chéo và dư thừa, hướng chi tiết không đúng là những sai sót thường thấy và cần được xác định để sữa chửa, hiệu chỉnh
(2) Mô đun ViewTM: Mô đun này có thể hiển thị tệp tin *.STL và tệp cắt lớp (SLI) dưới dạng hình ảnh Chức năng quan sát được dùng để kiểm tra, quan sát và định hướng cho dữ liệu để có thẻ đạt được quá trình chế tạo tối ưu
(3) Mô đun Merge: Mô đun Merge được sử dụng để hợp nhất các tệp tin SLI với nhau thành nhóm, để có thể sử dụng trong quá trình tiếp theo sau
(4) Mô đun VistaTM: đây là một công cụ tự động tạo ra những cấu trúc hỗ trợ, đỡ chi tiết trong tệp tin của chi tiết Hệ thống hỗ trợ giúp chi tiết được chế tạo chính xác, tạo liên kết tạm thời chi tiết với bệ đỡ khi chi tiết ở trạng thái tự do, hoặc chỉ được tựa hay treo trong mô hình
(5) Mô đun Part ManagerTM: Dùng mô đun này như là bước đầu tiên chuẩn bị chi tiết cho việc chế tạo Nó sử dụng một bảng liệt kê cho phép tải và cài đặt các thông số kích thước của tệp tin *.STL để có kiểu dáng và các thông số chế tạo thích hợp
(6) Mô đun SliceTM: Đây là bước thứ hai để chuẩn bị chi tiết cho việc chế tạo Cho phép chuyển đổi các thông số có trong mô đun Part Manager TM sang mô hình mặt cắt ngang
(7) Mô đun ConvergeTM: Đây là bước thứ ba và cũng là bước cuối cùng của việc chuẩn bị chi tiết để chế tạo Mô đun này sẽ tạo ra tệp tin chế tạo chi tiết được sử dụng bởi thiết bị SLA
Hình 3.2 thể hiện cấu tạo và nguyên lý làm việc của một thiết bị tạo mẫu SLA Quá trình tạo mẫu nhanh SLA dựa trên 2 nguyên lý cơ bản sau:
Chi tiết được chế tạo từ nhựa cảm quang được hóa rắn khi phơi sáng dưới tác dụng của chùm tia laser quét ngang bề mặt nhựa lỏng
Việc chế tạo được thực hiện từng lớp, mỗi lớp được quét tia laser qua một hệ thống quang học, và được điều khiển bởi một cơ cấu nâng hạ, để hạ xuống khi một lớp đã được hoàn thành
Hình 3.2: Nguyên lý làm việc của SLA
Hai nguyên lý trên diễn tả một cách cơ bản của quá trình tạo mẫu nhanh Nó hoàn toàn thích ứng cho hệ thống tạo mẫu bằng vật liệu lỏng Nguyên lý thứ nhất liên quan đến nhựa lỏng cảm quang (photopolymer) và quá trình quang hóa polymer (photopolymerization) Nguyên lý thứ hai liên quan chủ yếu đến dữ liệu CAD, tia laser, sự điều khiển hệ thống quét quang học, cũng như cơ cấu nâng hạ
Vật liệu nhựa cảm quang
Phương pháp xử lý nền tảng rắn - SGC
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
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
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
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)
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:
(1) Trạm xử lý dữ liệu đầu và cuối (DFE Software)
(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
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
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 acrylic, đúc những mẫu bằng nhựa
Dùng trong y khoa: chuần đoán, phẩu thuật, tái tạo các bộ phận giả cho con người
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
Phương pháp lưu hóa tạo vật thể rắn - SCS
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 m 3 với tốc độ quét lên đến
5 m/s Sản phẩm chủ yếu của quá trình này có tên Solid Creator, được sử dụng bởi các nhà 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
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)
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) Nguyên lý và kỹ thuật cơ bản giống như đã trình bày trong phần 3.1.4 Tuy nhiên, D-MEC gọi phương pháp này là phương pháp tạo hình quang học (Optical Shaping Method)
Hình 3.9: Nguyên lý làm việc của hệ thống tạo mẫu SCS
Trong quá trình này, những thông số ảnh hưởng đến sự làm việc và những chức năng máy là: cường độ quét, kích thước mỗi lớp, thời gian tạo lớp, độ trễ của thiết bị quét (scanner), kích thước và độ trễ của một lớp, và đặc tính của nhựa cảm quang
SCS được ứng dụng trong những lĩnh vực sau đây:
Mô hình trong thiết kế sản phẩm
Nghiên cứu thiết kế và tạo mô hình thu nhỏ cho phát triển sản phẩm mới
Sử dụng như những chi tiết không cần sửa đổi trong sản xuất lô sản phẩm nhỏ
Làm công cụ tạo khuôn đơn giản cho quá trình đúc và những quá trình tương tự
Công ty D-MEC đã sử dụng thiết bị Solid Creator chủ yếu để thiết kế và tạo mẫu cho chính các sản phẩm của công ty Nhờ vào SCS, công ty D-MEC có thể xác định được những thiết kế tối ưu của sản phẩm, việc kiểm tra những chức năng quan trọng cũng được thực hiện trên mẫu
Khi thiết bị Solid Creator được sử dụng trong y học, thời gian phẩu thuật giảm đáng kể bởi việc kiểm tra vùng bệnh hoặc vùng bị khuyết tật, sử dụng những mô hình tái tạo trên hệ thống Solid Creator từ dữ liệu cung cấp bởi máy quét chụp cắt lớp (Computer Tomography Scan – CT)
Thiết bị Solid Creator có những ưu điểm sau:
(1) Thể tích không gian chế tạo lớn: với kích thước của bình chứa chất lỏng lớn, có thể chế tạo được các chi tiết mẫu có kích thước lớn
(2) Có độ chính xác cao: các chi tiết chế tạo có được độ chính xác cao
Tuy nhiên thiết bị có những nhược điểm như:
(1) Cần có bộ phận hỗ trợ để đỡ chi tiết trong quá trình chế tạo, các bộ phận này được thiết kế và chế tạo cùng với các phần chính của chi tiết
(2) Cần có quá trình hậu xử lý để bỏ đi bộ phận đỡ chi tiết, loại bỏ những vật liệu thức không cần thiết khác Quá trình này tốn thời gian, buồn chán và có thể gây hư hại chi tiết
(3) Cần có quá trình lưu hóa sau khi chế tạo để bảo đảm chi tiết được lưu hóa (hóa rắn) hoàn toàn và có cấu trúc hoàn chỉnh.
Phương pháp tạo mẫu bằng máy in laser tử ngoại - SOUP
Phương pháp tạo mẫu bằng tia laser tử ngoại (Solid Object Ultraviolet-laser Printer - SOUP) được phát triển bởi công ty CMET (Computer Modeling and Engineering Technology), Nhật bản Được thành lập năm 1990, công ty CMET hợp tác với công ty Mitsubishi; hợp tác với công ty Opto-Image, công ty Teijin Seiki năm 2001 trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh
Công ty CMET có các model máy: SOUP II 600 GS-02, SOUP II 600 GS-05, SOUP
II 600 GS-10, và các thế hệ máy sau này (Hình 3.10) Vật liệu sử dụng trong hệ thống SOUP là nhựa epoxy cảm quang (photo-curable expoy resin)
Hình 3.10: Loại máy in SOUP II GS 600 (Courtesy CMET Inc.)
Loại gương quay sử dụng với tốc độ quét rất cao (đạt đến 20 m/s với những máy SOUP II 600 GS), để tạo trường quét nhanh, chi tiết được chế tạo trong thời gian rất ngắn Tia laser được tạo có vết đường kính rất nhỏ (0,1 mm), dùng cho những mô hình nhỏ để đạt độ chính xác cao
Quá trình SOUP bao gồm ba bước chính sau:
(1) Tạo mô hình 3D với hệ thống CAD: mô hình 3D khối của chi tiết được tạo bởi một hệ thống CAD thương mại và dữ liệu 3D của chi tiết sẽ được tạo ra
(2) Xử lý dữ liệu với phần mềm của SOUP (SOUPware): Dữ liệu CAD từ máy tính không thể sử dụng được trực tiếp bởi hệ thống tạo mẫu nhanh Phần mềm của SOUP (SOUPware) có thể chỉnh sửa dữ liệu CAD, khắc phục khuyết tật, những khoảng trống, những chồng lắp, cắt mô hình thành những mặt cắt ngang, và tạo ra dữ liệu tương ứng cho máy SOUP
(3) Chế tạo mô hình với thiết bị SOUP: tia laser quét trên lớp nhựa, hóa rắn nhựa theo dữ liệu mặt cắt ngang từ SOUPware Bộ phận nâng hạ sẽ hạ thấp xuống, chất lỏng phủ đầy lên trên lớp vừa được tạo để chuẩn bị cho lớp tiếp theo Quá trình này được lặp đi lặp lại cho đến khi toàn bộ chi tiết được chế tạo
Phần cứng của thiết bị SOUP gồm có những bộ phận điều khiển tia laser, điều khiển giao tiếp, điều khiển hệ thống quang học, điều khiển tốc độ quét, điều khiển bộ phận nâng hạ Phần mềm SOUPware có thể sử dụng cùng lúc cho nhiều người với phần mềm điều khiển nhiều máy, có những chức năng như mô phỏng, chỉnh sửa lỗi, tạo cấu trúc chính và những cấu trúc đỡ tự động, và những chức năng khác
Hệ thống SOUP dựa trên kỹ thuật in bằng tia laser đã được trình bày trong mục 3.1.4
Sự khác nhau chủ yếu ở chổ hệ thống quét quang học Hệ thống SOUP có hệ thống quang học điều khiển được dễ dàng theo phương XY, ít xảy ra các sự cố quang học hơn hệ thống gương điện quang Thiết bị điều khiển đồng bộ giữa tốc độ quét và tốc độ chế tạo chi tiết Những yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng và chức năng của sản phẩm là sự chính xác của kính quét, đường kính vết tia laser, độ dày của lớp và đặc tính của vật liệu nhựa
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống SOUP
Trong Hình 3.11, chi tiết được chế tạo bằng việc hóa rắn nhựa cảm quang khi phơi dưới ánh sáng của chùm tia laser quét ngang bề mặt nhựa lỏng theo từng lớp Mỗi lớp được chế tạo theo mặt cắt ngang của chi tiết, nhờ điều khiển hệ thống quang học Cơ cấu nâng hạ sẽ hạ xuống khi lớp đã được chế tạo xong, để chuẩn bị chế tạo lớp kế tiếp Quá trình được lặp lại cho đến khi toàn bộ chi tiết được chế tạo hoàn chỉnh
Các lĩnh vực ứng dụng của hệ thống SOUP bao gồm:
(1) Tạo mô hình thực tế với mục tiêu phân tích thiết kế, quan sát và trưng bày sản phẩm
(2) Tạo mô hình để phân tích chức năng và hình dạng phù hợp của sản phẩm
(3) Tạo những mô hình mẫu cho việc đúc bằng sáp, silicon, cát, v.v
(4) Tạo các chi tiết, mô hình thật
(5) Trong y học: tạo ra các mô hình và chi tiết thật giống các bộ phận của bệnh nhân trong phẩu thuật nhờ các dữ liệu thu được từ các thiết bị quét hình CT và MRI
(6) Tạo ra các mô hình CAD 3 chiều từ chi tiết thực tế hiện có sử dụng kỹ thuật ngược 3.4.5 Ƣu nhƣợc điểm
Những ưu điểm chính của hệ thống SOUP là:
Hệ thống lớp phủ mới theo phương Z tạo nên lớp tiếp theo một cách chính xác, giảm thời gian sản xuất
Hệ thống phần mềm cho phép tạo mẫu cho quá trình nhanh chóng và chính xác
Tốc độ quét cao và có thể lên đến 20 m/s
Những nhược điểm của hệ thống SOUP là:
Cần có bộ phận đỡ chi tiết khi chế tạo các chi tiết phức tạp
Cần có quá trình xử lý sau khi chế tạo chi tiết để loại bỏ bộ phận đỡ, loại bỏ phần vật liệu không cần thiết Việc này làm mất thời gian và có thể làm hỏng mô hình
Cần có quá trình lưu hóa sau khi để bảo đảm chi tiết được xử lý hoàn toàn và tạo nên sự đồng nhất trong toàn bộ sản phẩm.
Hệ thống tạo hình khối của công ty Teijin Seiki
Hệ thống tạo hình khối (Solidform System) của công ty Teijin Seiki (thành lập năm
1944), dựa trên quá trình lưu hóa bằng tia laser của hệ thống SOMOS (Solid Modeling System), được phát triển bởi công ty Du Pont (Du Pont Image System) Thiết bị đầu tiên của công ty này được chuyển đến châu Á vào năm 1992 Năm 2001, Teijin xác nhập cùng với CMET và hiện cùng một chiến lược phát triển sản phẩm Công ty Teijin Seiki sản xuất ra các dòng máy chính với nhãn hiệu là Solidform
Hình 3.12: Hệ thống thiết bị Solidform 250B (Công ty Teijin Seiki Ltd.)
Quá trình của Solidform bao gồm những bước: ý tưởng thiết kế, thiết kế CAD, chuyển đổi dữ liệu, tạo hình khối sản phẩm và mô hình nhựa
(1) Ý tưởng thiết kế: các nhà kỹ sư thiết kế sản phẩm tạo ra ý tưởng thiết kế, điều này có thể không cần thiết được thực hiện trên máy tính
(2) Thiết kế CAD: mô hình thiết kế 3 chiều (CAD 3D) của ý tưởng được tạo ở trạm làm việc (SUN - workstation)
(3) Chuyển đổi dữ liệu: dữ liệu CAD 3D được chuyển đến phần mềm của thiết bị Solidform để kiểm tra và chuyển đổi sang định dạng *.STL
(4) Tạo khối sản phẩm: đây là bước xây dựng chi tiết, mô hình khối được tạo ra bằng tia laser tử ngoại, từng lớp này sang lớp khác trong thiết bị tạo mẫu Solidform
(5) Mô hình nhựa: đây là giai đoạn hậu xử lý (post-proccessing), chi tiết nhựa tạo ra được tiếp tục lưu hóa trong một thiết bị để đạt được độ cứng tốt hơn
Thiết bị Solidform gồm có những bộ phận chính như: trạm làm việc (SUN-EWS station), nguồn laser ion argon, bộ điều khiển, thiết bị quét để điều khiển tia laser, và thùng chứa nhựa polymer cảm quang
Solidform tạo ra mô hình 3D từ nhựa dựa trên sự lưu hóa theo nguyên lý đã được trình bày trong mục 3.1.4 loại nhựa được sử dụng là acrylic-urethane của công ty Teijin, có độ nhớt là 40000 centapoise Những yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng và chức năng của chi tiết giống như đối với phương pháp SLA (mục 3.1.4) Tuy nhiên, đối với thiết bị Solidform, đặc tính của nhựa và độ chính xác của tia laser được xem là những yếu tố tác động chính
Solidform được ứng dụng trong khá nhiều lĩnh vực như khuôn mẫu phun nhựa, khuôn đúc chân không, khuôn sáp và các lĩnh vực khác
(1) Khuôn mẫu phun nhựa (khuôn chi phí thấp): Solidform có thể được sử dụng để tạo những khuôn phun nhựa hoặc khuôn chi phí thấp theo một quá trình như ở Hình 3.13
So sánh với những phương pháp khác, quá trình này có thời gian chế tạo và phát triển sản phẩm ngắn hơn Dữ liệu CAD được tạo ra có thể sử dụng cho khuôn để sản xuất hàng loạt Nhựa polymer cảm quang được sử dụng có thể là SOMOS 2100 và SOMOS
Hình 3.13: Tạo chi tiết mẫu bằng phun nhựa (Công ty Teijin Seiki Ltd.)
(2) Khuôn chân không: mẫu được tạo từ khuôn chân không bằng Solidform giống như quá trình ở Hình 3.13 Nhựa polymer cảm quang được sử dụng là SOMOS 2100, SOMOS 3100 và SOMOS 5100
(3) Đúc: quá trình tạo chi tiết đúc giống như Hình 3.13, chỉ khác ở điểm duy nhất là mẫu đúc cát thay cho phun nhựa, vật liệu sử dụng thường là SOMOS 3100
(4) Mô hình bằng sáp: sự khác nhau chủ yếu là sáp được tạo hình, sau đó được đốt chảy trước khi chi tiết kim loại được tạo ra Vật liệu nhựa sử dụng là SOMOS 4100
(5) Tạo mô hình và công cụ trực tiếp bằng ép phun chân không: quá trình này nhằm tạo ra các mẫu khuôn để tạo chi tiết và khuôn chân không trong các máy ép phun nhựa như Hình 3.14
Hình 3.14: Tạo chi tiết mẫu bằng phun nhựa trực tiếp SOLIFORM
Hình 3.15: Khuôn và chi tiết trong quá trình chế tạo điện thoại cầm tay
(Công ty Teijin Seiki Ltd.)
Hệ thống Solidform có những ưu điểm về mặt công nghệ như sau:
Tốc độ quét nhanh và chính xác: tốc độ quét có thể đạt đến 24 m/s, nhanh nhất trong tất cả các hệ thống tạo mẫu nhanh khác Độ chính xác cao nhờ vào điều khiển động cơ servo encoder kỹ thuật số (digital encoder servomotor)
Chi tiết chế tạo có độ chính xác cao
Có một dãy rộng các loại nhựa cảm quang (photo resin) được sử dụng để áp dụng cho nhiều dạng sản phẩm khác nhau
Hệ thống Solidform có những nhược điểm sau:
Cần có bộ phận đỡ chi tiết khi chế tạo các chi tiết phức tạp
Cần có quá trình xử lý sau khi chế tạo chi tiết để loại bỏ bộ phận đỡ, loại bỏ phần vật liệu không cần thiết Việc làm này mất thời gian và có thể làm hỏng mô hình
Cần có quá trình lưu hóa sau khi để bảo đảm chi tiết được xử lý hoàn toàn và tạo nên sự đồng nhất trong toàn bộ sản phẩm.
Hệ thống tạo mẫu nhanh của công ty Meiko
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)
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
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 3.17: Mô hình nhựa đƣợc tạo từ hệ thống Meiko
Hình 3.18: Mô hình nhẫn bằng nhựa và mô hình nhẫn đƣợc đúc bằng kim loại
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.
Hệ thống tạo mẫu nhanh bằng phương pháp lạnh đông
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
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 3.21: Sơ đồ hệ thống điều khiển
Hình 3.22: Hai phương pháp ép phun vật liệu
(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 đường 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 phương pháp đúc với mẫu nước 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)
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 tính bằng micro-mét theo bề rộng và bề cao chi tiết (khoảng 100 m đến 1000 m)
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 đông.