CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT GVHD: Nguyễn Hoài Nam Trang 2 CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH

Nếu có thiết bị tạo mẫu nhanh thiết bị RPT nối ghép với máy tính thì từ những hình thể 3D được thiết kế và mô tả trên màn hình có thể nhanh chóng tạo ra vật thể 3 chiều thực, sờ thấy đượ

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

Các phương pháp gia công

đặc biệt

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH

I GIỚI THIỆU 4

1 Lịch sử phát triển 5

2 Khái niệm 6

3 Ba thời kỳ của quá trình tạo mẫu 6

4 Nền tảng của quá trình tạo mẫu nhanh 9

5 Lợi thế của công nghệ tạo mẫu nhanh 11

II PHÂN LOẠI TẠO MẪU NHANH 13

1 Dựa trên cơ sở chất lỏng 13

2 Dựa trên cơ sở dạng khối 14

3 Dựa trên cơ sở dạng bột 14

III NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TẠO MẪU NHANH 15

A Phương pháp tạo mẫu lập thể (SLA) 15

1 Nguyên lý hoạt động 15

2 Hệ thống thiết bị 18

3 Hệ thống thiết bị với thông số kỹ thuật tạo hình lập thể 3D 20

4 Phần mềm được sử dụng trong các hệ thống SLA là Meastro bao gồm một số module sau : 21

5 Đặc điểm 22

6 Ứng dụng 22

B Phương pháp xử lý trên cơ sở khối SGC (Solid Ground Curing) 24

1.Nguyên lý 24

2.Thiết bị tạo mẫu 25

3.Đặc điểm 26

4.Ứng dụng 26

C Phương pháp tạo vật cán mỏng LOM (Laminate Object Manufacturing) 27

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

1 Nguyên lý hoạt động 28

2 Loại máy và đặc điểm kỹ thuật 30

3 Đặc điểm 32

4 Ứng dụng 33

D Phương pháp thêu kết laser chọn lọc (SLS) 34

1 Nguyên lý 34

2 Thiết bị tạo mẫu 36

3 Đặc điểm 37

4 Ứng dụng 38

E Phương pháp in 3 chiều 3DP (Three Dimensional printing) 41

1 Phương pháp in phun mực 42

2 Phương pháp ép 43

F Phương pháp cắt dây 45

IV SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO MẪU NHANH 47

V TRUYỀN TẢI DỮ LIỆU TỚI QUÁ TRÌNH TẠO MẪU NHANH 48

VI NHỮNG BẮT BUỘC TRÊN MÔ HÌNH 49

VII.PHẠM VI ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO MẪU NHANH 51

1 Đúc khuôn vỏ mỏng 51

2 Những ứng dụng trong chế tạo dụng cụ 53

3.Tạo mẫu nhanh trong chế tạo sản xuất 59

4.Tạo mẫu nhanh với các công nghệ truyền thống 60

5.Tạo mẫu nhanh trong những ứng dụng y học 61

VIII HƯỚNG DẪN KỸ NĂNG TẠO MẪU NHANH 62

IX PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 69

X MÁY SCAN 3D và máy CMM 70

A ZScanner TM 700 và 800 70

B Máy đo tọa độ CMM 74

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

I GIỚI THIỆU

Ngày nay trên thị trường hàng hoá cạnh tranh thay đổi mẫu mã luôn đòi hỏi phải rút ngắn quá trình thiết kế, chế tạo sản phẩm Vì vậy công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping Technology - RPT) trở thành vấn đề thời sự Có thể tạo ra sản phẩm nhanh bằng 3 cách: gia công nhanh, tạo ra khuôn nhanh và tạo mẫu nhanh

Gia công nhanh hay là gia công cao tốc (High Speed Machining - HSM) phải dùng đến các máy công cụ với tốc độ dao cắt có thể lên đến vài chục nghìn vòng/phút

Tạo “khuôn nhanh” (Rapid tooling) hoặc “mẫu nhanh” (Rapid prototyping) đều là bước phát triển mới của CAD (Computer Aided Design) Nếu có thiết bị tạo mẫu nhanh (thiết bị RPT) nối ghép với máy tính thì từ những hình thể 3D được thiết kế và mô tả trên màn hình có thể nhanh chóng tạo ra vật thể 3 chiều thực, sờ thấy được, trên thiết bị RPT Cho nên người ta còn gọi thiết bị RPT là “máy in 3 chiều” (Three dimension printer)

Đặc điểm của phần lớn các phương pháp PRT là chế tạo ra các mẫu bằng cách đắp thêm vật liệu theo từng lớp Muốn vậy phải cắt mô hình 3D đã thiết kế bằng CAD ra thành các lớp có chiều dày xác định Để cho thuận tiện, trước khi cắt lớp, người ta chuyển

mô hình 3D sang dạng tệp đặc biệt, ví dụ tệp STL

Cho đến nay có hàng chục phương pháp RPT phụ thuộc vào khả năng tạo lớp của vật liệu được sử dụng Dưới đây trình bày sơ lược về bản chất của một số phương pháp thông dụng

Phương pháp SLA (Stereo lithography apparatus) tạo ra các mẫu từ vật liệu cao su bắt sáng (photocurable resin) lỏng Khi nguồn laser, được điều khiển theo tín hiệu của máy tính, quét phủ mặt cắt ngang của mô hình 3D làm hoá cứng một lớp Sau đó thùng đựng cao su lỏng hạ xuống một nấc và cứ thế dần dần sẽ hình thành mẫu theo từng lớp một

Phương pháp SGC (Solid Ground Curing) cũng là phương pháp làm khô cứng từng lớp Khác với SLA, ở đây không sử dụng nguồn laser điểm mà dùng chùm ánh sáng cực tím chiếu lên toàn bề mặt, đã được che chắn qua một mặt nạ (mask) Phần vật liệu hở sáng sẽ đông cứng thành một lớp Mặt nạ là một tấm phim âm bản của tiết diện được cắt

Phương pháp LOM (Laminated Object Manufacturing) dùng vật liệu dạng tấm có phủ keo dính (chủ yếu là giấy nhưng cũng có thể dùng tấm nhựa, tấm kim loại v.v.) Nguồn Laser tạo ra từng lớp mặt cắt bằng cách cắt tấm vật liệu theo đường biên của mặt cắt vật thể Các lớp mặt cắt được dán lần lượt chồng lên nhau nhờ hệ thống con lăn gia nhiệt

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering) là phương pháp thiêu kết bằng tia Laser Sau khi con lăn trải ra trên mặt bàn công tác một lớp bột với chiều dày đã định trước, nguồn Laser sẽ quét phủ trên bề mặt cần tạo lớp ở vùng đó các hạt vật liệu sẽ dính kết vào nhau tạo thành một lớp Mỗi bước di chuyển thẳng đứng của hệ thống thiết bị sẽ hình thành ra lớp tiếp theo

Phương pháp 3D Printing hoạt động theo nguyên tắc in “phun mực” Một loại mực keo đặc biệt được phun lên lớp bột nhựa đã được trải phẳng và hoá cứng Như thế là chúng đã tạo ra một lớp và từng lớp dần dần tạo ra vật thể

Phương pháp FDM (Fused Deposition Manufacturing) dùng vật liệu dạng dây dễ chảy, ví dụ nhựa ABS Như mô tả trên hình 4, sợi dây qua đầu gia nhiệt sẽ hoá dẻo và được trải lên mặt nền theo đúng biên dạng mặt cắt của mẫu, theo từng lớp có chiều dày

bằng chiều dày lớp cắt Nhựa dẻo sẽ liên kết theo từng lớp cho đến khi tạo xong mẫu

1.Lịch sử phát triển

Việc chế tạo máy tính, nổi bậc là máy tính cá nhân (PC) và máy tính mini đã làm thay đổi các phương thức làm việc ở xí nghiệp Đặc biệt là máy tính đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: thiết kế (CAD – Computer Aided Design), chế tạo (CAM – Computer Aided Manufacturing), gia công điều khiển số nhờ máy tính (CNC – Computer Numerical Control) Và hệ thống tạo mẫu nhanh ra đời với sự tạo mẫu trên môi trường CAD Bảng 1.1 chỉ ra lịch sử phát triển của nhiều công nghệ khác nhau từ việc đánh giá bắt đầu các giai đoạn

Bảng 1.1 Lịch sử phát triển của tạo mẫu nhanh và các công nghệ liên quan

1770

1946

1952

1960

1961

1963

1988

Cơ giới hóa Máy tính đầu tiên Máy gia công điều khiển kỹ thuật số tự động Đầu tiên thương mại hóa thiết bị laser

Đầu tiên thương mại hóa robot

Hệ thống sơ đồ tác động tự động

Hệ thống tạo mẫu nhanh tự động

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

2.Khái niệm

Khi phát triển một sản phẩm mới, lúc nào cũng vậy, có một nhu cầu là chế tạo một

mẫu đầu tiên (prototype) của bộ phận hay hệ thống được thiết kế trước khi cấp một lượng

vốn lớn cho các phương tiện sản xuất hoặc dây chuyền lắp ráp Lý do chính cho nhu cầu này là chi phí quá cao và tốn nhiều thời gian chuẩn bị công cụ sản xuất Vì vậy, việc tạo mẫu là cần thiết để xử lý sự cố và đánh giá thiết kế trước khi một hệ thống phức tạp sẵn sàng sản xuất và tung ra thị trường

Việc nghiên cứu thế hệ mẫu đầu tiên sẽ giúp người thiết kế phát hiện lỗi, hoặc tìm

ra phương pháp thiết kế hiệu quả hơn, tốt hơn Tuy nhiên, vấn đề chính của sự tiếp cận này là sự tạo mẫu có thể tốn rất nhiều thời gian : việc chuẩn bị dụng cụ máy móc tốn nhiều tháng, khó chế tạo các mẫu phức tạp, bằng các phương pháp truyền thống rất khó khăn Trong khi chờ đợi tạo ra mẫu đầu tiên, vẫn phải trả công cho nhân viên và chi phí khấu hao máy móc thiết bị

Vậy tạo mẫu nhanh là gì?

Tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP) là công nghệ thiết kế mẫu tự động nhờ quá trình CAD (thiết kế với sự giúp đỡ của máy tính) Với những “máy in ba chiều”, cho phép người thiết kế nhanh chóng tạo ra những mẫu hữu hình, truyền ý tưởng thiết kế của

họ đến công nhân hoặc khách hàng, ngoài ra tạo mẫu nhanh còn được sử dụng để thiết thử những sản phẩm mới

Tất nhiên “nhanh” là một thời hạn tương đối Thông thường, thời gian để tạo ra một mẫu mới mất khoảng từ 3 – 72 giờ phụ thuộc vào kích thước và độ phức tạp của mẫu Khoảng thời gian này có vẻ chậm, nhưng so với việc tạo mẫu bằng máy truyền thống thường mất từ nhiều tuần đến nhiều tháng, thì nó nhanh hơn rất nhiều Do mất ít thời gian nên RP giúp cho nhà sản xuất nhanh chóng đưa sản phẩm ra thị trường và giảm chi phí sản xuất Đó cũng là ưu điểm nổi bậc của quá trình tạo mẫu nhanh

3.Ba thời kỳ của quá trình tạo mẫu

Tạo mẫu hay làm mẫu là công nghệ có từ thời xa xưa Mục đích của công nghệ là

mô hình hóa các ý tưởng thiết kế Như vậy mẫu thường được làm theo yêu cầu ban đầu của người thiết kế trước khi bắt đầu quá trình sản xuất thực Mẫu được tạo với nhiều hình thức khác nhau như: hớt vật liệu, gia công cắt gọt, tạo mẫu khuôn, … với nhiều loại vật

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

liệu như là: kẽm, urethanes, … Do đó, trong phạm vi thí nghiệm thì tạo mẫu nhanh là

thích hợp nhất

Bảng 1.2 Các thời kỳ tạo mẫu và tạo mô hình

Mô hình hình học Quá trình tạo mẫu

1 Thời kỳ đầu tiên: khung tạo độ 2D

 Bắt đầu giữa thập niên 60

 Một vài khuynh hướng có thể đưa

ra:

- Sơ đồ mạch được đưa ra trong

các bo mạch

- Quan sát kế hoạch cho từng

thành phần kỹ thuật

 Kỹ thuật tạo mẫu có trong tự

nhiên

1 Thời kỳ đầu tiên: tạo mẫu thô sơ

 Thực hiện cách đây nhiều thế kỷ

 Thực hiện tạo mẫu được xem như một nghề khéo léo:

- Mẫu được làm theo truyền thống

và làm bằng tay

- Dùng vật liệu truyền thống để tạo mẫu

 Công nghệ tạo mẫu rất tự nhiên

2 Thời kỳ thứ hai: Mô hình mặt và

đường cong 3D

 Giữa thập niên 70

 Gia tăng mức độ phức tạp

 Thể hiện nhiều thông tin cấp độ

chính xác về tạo dáng, kích thước và

đường viền bề mặt của từng chi tiết

2 Thời kỳ thứ hai: Phần mềm hay quá trình tạo mẫu ảo

 Giữa thập niên 70

 Gia tăng mức độ phức tạp

 Phần mềm có thể cung cấp cho biết ứng suất, có thể mô phỏng và kiểm tra với các thiết bị chính xác và các tính chất đặc trưng khác

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

3 Thời kỳ thứ ba: Mô hình dạng khối

 Từ những năm đầu của thập niên

80

 Các góc, bề mặt, lỗ được liên kết

với nhau tạo thành chi tiết

 Từ bên ngoài máy tính có thể tính

chính xác các bộ phận bên trong của chi

tiết Tuy nhiên vấn đề là nó không còn

dấu vết trên bề mặt và các phần giao

của bề mặt và gốc

 Mô hình vẫn chưa được rõ ràng

nhưng có độ chính xác cao

3 Thời kỳ thứ ba: Tạo mẫu nhanh

 Bắt đầu từ giữa thập niên 80

 Lợi ích của việc tạo mẫu nhanh là thực hiện việc tạo mẫu trong thời gian rất ngắn, đây chính là điểm mạnh của phương pháp này

 Sản phẩm của tạo mẫu nhanh là có thể dùng để kiểm tra các mẫu được sản xuất bằng các phương pháp khác

 Thiết bị có thể trợ giúp mẫu trong quá trình sản xuất

Quá trình tạo mẫu được phân ra làm ba thời kỳ , từng thời kỳ được tóm lược trong bảng 6.2 Hai thời kỳ sau chỉ mới ra đời trong gần 20 năm trở lại đây Tương tự như quá trình tạo mẫu trên máy vi tính, tính chất vật lý của mẫu chỉ được nghiên cứu phát triển trong thời kỳ thứ ba

a.Thời kỳ đầu: tạo mẫu bằng tay

Thời kỳ đầu tiên ra đời cách đây vài thế kỷ Trong thời kỳ này, các mẫu điển hình không có độ phức tạp cao và chế tạo một mẫu trung bình mất khoảng 4 tuần Phương pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề và thực hiện công việc một cách cực kỳ nặng nhọc

b.Thời kỳ thứ hai: phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo

Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển rất sớm, khoảng đầu thập niên 70 Thời

kỳ này đã có phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo Việc ứng dụng CAD/CAE/CAM đã trở nên rất phổ biến Phần mềm tạo mẫu sẽ phát họa trên máy vi tính những suy tưởng, ý tưởng mới Các mẫu này như là một mô hình vật lý: được kiểm tra, phân tích cũng như

đo ứng suất và sẽ được hiệu chỉnh cho phù nếu chúng chưa đạt yêu cầu Thí dụ như phân tích ứng suất và sức căng bề mặt chất lỏng có thể dự đoán chính xác được bởi vì có thể xác định chính xác các thuộc tính và tính chất của vật liệu

Hơn nữa, các mẫu trong thời kỳ này trở nên phức tạp hơn nhiều so với thời kỳ đầu, khoảng trên hai lần Vì thế, thời gian yêu cầu cho việc tạo mẫu có khuynh hướng

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

tăng lên khoảng 16 tuần, tính chất vật lý của mẫu vẫn còn phụ thuộc các phương pháp tạo mẫu cơ bản trước Tuy nhiên, việc vận dụng tốt hơn các máy gia công chính xác đã cải thiện tốt hơn các tính chất vật lý của mẫu

Cùng với sự tiến bộ trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh trong thời kỳ thứ ba, có sự trợ giúp rất lớn của quá trình tạo mẫu ảo Tuy nhiên vẫn còn những giới hạn tồn tại so với công nghệ tạo mẫu nhanh Các vấn đề này bao gồm:

- Sự giới hạn về vật liệu (bởi vì các chi phí và cách sử dụng cho từng vật liệu không giống nhau để tạo chi tiết)

- Không có khả năng thực hiện quá trình như những gì ghi trên bản thảo

- Có thể độ tin cậy dữ liệu thấp hay không có

Những vấn đề này được tập hợp từ qui trình công nghệ tạo mẫu nhanh đến quá trình phân tích giới hạn các bộ phận cấu tạo Đặc biệt là trong ứng dụng phân tích động học và động lực học, phần mềm sẽ phân tích các tính chất vật lý của nhiều loại vật liệu khác nhau như là thép, nước đá, nhựa, đất sét hay một số vật liệu truyền thống khác Phần mềm sẽ tính toán như là trên một mô hình thật sự, điều này có ý nghĩa rất lớn cho quá trình sản xuất - hạn chế phế phẩm

c.Thời kỳ thứ ba: quá trình tạo mẫu nhanh

Tính chất vật lý từng phần của sản phẩm trong quá trình tạo mẫu nhanh cũng được biết đến Quá trình tạo mẫu rỗng thích hợp cho việc sản xuất trên bàn nâng hay công nghệ sản xuất lớp Công nghệ này thể hiện quá trình phát triển tạo mẫu trong thời

kỳ thứ ba Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh là một phát minh quan trọng Những phát minh này đã đáp ứng được yêu cầu của giới kinh doanh trong thời kỳ này: giảm thời gian sản xuất, độ phức tạp của mẫu tăng, giảm chi phí Ở thời điển này người tiêu dùng yêu cầu các sản phẩm cả về chất lượng lẫn mẫu mã, nên mức độ phức tạp của chi tiết cũng tăng lên, gấp ba lần mức độ phức tạp mà các chi tiết đã được làm vào những năm của thập niên 70 Nhưng nhờ vào công nghệ tạo mẫu nhanh nên thời gian trung bình

để tạo thành một chi tiết chỉ còn lại 3 tuần so với 16 tuần ở thời kỳ thứ hai Năm 1988, hơn 20 công nghệ tạo mẫu nhanh đã được đưa vào sử dụng

4.Nền tảng của quá trình tạo mẫu nhanh

Thông thường, tất cả các phương pháp tạo mẫu nhanh khác nhau nhưng thường có chung một nền tảng cơ sở mà có thể diễn đạt như sau:

 Mẫu hay một bộ phận chi tiết được thiết kế trên những phần mềm CAD và gia công bằng kỹ thuật số Mẫu phải thể hiện đầy đủ lý tính để có thể sản xuất và phải thể

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

hiện như một mặt kín với kích thức giới hạn rõ ràng Đó là các dữ liệu, đặc biệt là các dữ liệu bên trong, bên ngoài và cả phạm vi giới hạn của mẫu Yêu cầu này thực sự không cần thiết nếu công nghệ tạo mẫu được dùng là công nghệ tạo mẫu dạng khối Mô hình dạng khối sẽ tự động giới hạn thể tích Yêu cầu này bảo đảo rằng tất cả các mặt cắt ngang đều là những đường cong kín để tạo ra khối vật thể

 Mô hình dạng khối hay mô hình bề mặt dùng để tạo ra lớp kế tiếp có thể thay đổi được ở file kích thước có tên “ STL” mà các file này khởi đầu các hệ thống 3D File kích thước Stl có kích thước gần đúng các bề mặt của mô hình 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 phải có dung lượng rất lớn Tuy nhiên có một vài hệ thống tạo mẫu nhanh chỉ chấp nhận các dữ liệu IGES để cung cấp chính xác các đặc tính

 Máy tính phân tích file Stl để xác định rõ ràng mô hình cho sản xuất và các lớp mỏng trên mặt cắt ngang Bề mặt cắt ngang được tạo ra theo phương pháp hạ dần xuống trong suốt quá trình hóa cứng của chất lỏng hay bột và sau đó kết hợp thành mẫu 3D Một khả năng khác là bề mặt cắt ngang có thể là những lớp mỏng hay ở dạng khối, những lớp mỏng có thể được liên kết với nhau để hình thành nên một mẫu 3D Các phương pháp tạo mẫu tương tự khác cũng có thể dùng cho công việc tạo mẫu

Nói một cách khác, sự phát triển của quá trình tạo mẫu nhanh được thể hiện qua bốn vấn đề quan trọng: cung cấp dữ liệu, các phương pháp, vật liệu và các ứng dụng

a.Cung cấp dữ liệu

Dữ liệu 3D cung cấp được chuyển đến bằng các tín hiệu điện tử theo yêu cầu

để mô tả các vấn đề có liên quan đến vật thể Có hai vấn đề quan trọng – mô hình trên máy hay một mô hình vật thể Hệ thống CAD đã tạo ra mô hình trên máy tính, mô hình này có thể ở dạng mặt phẳng hay dạng khối Ở một khía cạnh khác không phải tất cả các

mô hình vật thể đều đơn giản Nó yêu cầu thu thập dữ liệu để đưa ra một phương pháp đối lập Trong công nghệ đối lập này được trang bị đầy đủ như thiết bị đo tọa độ (CMM)

và bộ mã hóa laser

b.Các phương pháp

Hiện nay đã có hơn 20 nhà sản xuất hệ thống tạo mẫu nhanh, tùy từng phương pháp xử lý của nhà sản xuất mà ta có thể phân tích thành một số cấp bậc: xử lý quang hóa, gia công và dán/ liên kết, sự nung nóng và sự hóa rắn/ sự hóa lỏng và sự liên kết sự

bó buộc Việc xử lý quang hóa còn có thể phân tích thành từng nhóm nhỏ: chùm laser đơn, chùm laser đôi và đèn mạ

c.Vật liệu

Tùy thuộc vào những nét đặc trưng của vật liệu ta có thể lựa chọn vật liệu: dạng khối, dạng lỏng hay bột bụi Ở dạng khối có thể có các hình thức khác nhau như là: