công nghệ thiết kế ngược tạo mẫu nhanh

Việc ứng dụng CNS trong thiết kế, chế tạo cơ khí nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách của quá trình tự động hoá sản xuất, của sự chuyển dịch từ một nền sản xuất theo định hướng của nhμ sản xuất

Công nghệ số (CNS) được đánh giá lμ thμnh tựu khoa học công nghệ nổi bật nhất của thế kỷ XX Việc ứng dụng CNS trong thiết kế, chế tạo cơ khí nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách của quá trình tự động hoá sản xuất, của sự chuyển dịch từ một nền sản xuất theo định hướng của nhμ sản xuất sang một nền sản xuất theo định hướng người dùng; đồng thời nhờ áp dụng tổng hợp các thμnh tựu tiên tiến của kỹ thuật cơ khí, điện

tử, điều khiển tự động vμ máy tính Nói cách khác, việc ứng dụng CNS trong cơ khí

gắn liền với sự xuất hiện của ngμnh cơ điện tử (Mechatronics)

1 Công Nghệ Số vμ kỹ thuật ngược

1.2 Khái quát về công nghệ số

Trong thiết kế, chế tạo cơ khí, thuật ngữ công nghệ số (CNS) ám chỉ việc tạo ra

vμ sử dụng các đối tượng ảo, môi trường ảo, thiết bị ảo, quá trình ảo, thay thế một

phần các đối tượng, môi trường, thiết bị, thiết bị thật vẫn dùng trong công nghệ truyền thống Nói cách khác, mọi việc gia công, lắp ráp, vận hμnh thử, được thực hiện trên

mô hình số (ảo), chỉ đến khi đảm bảo chắc chắn có kết quả mong muốn mới chế tạo sản phẩm thật Hình 1 mô tả một cách đơn giản về CNS

Mẫu (thực) được số hoá thμnh mô

hình số (ảo), có thể được thiết kế lại

(redesign) chỉnh sửa phóng to, thu nhỏ,

thêm bớt chi tiết, rồi chế tạo ra sản

vật thực, bản sao của mẫu Mẫu có thể

lμ vật phẩm đã có mμ người ta muốn

sao chép lại, có thể được tạo mới bằng

vật liệu dễ tạo hình (sáp, gỗ) Bản sao

có thể được dùng lμm mẫu (prototype)

để kiểm tra, đánh giá, giới thệu, quảng

cáo; có thể lμ sản phẩm dùng ngay

được (end product), có thể lμ dụng cụ

(tool), thường dưới dạng âm bản để chế

tạo ra sản phẩm (khuôn, chμy, cối, ) Hình 1: Hình dung về CNS

Như mô tả ở trên, quá trình thiết kế, chế tạo theo CNS về căn bản có 3 giai đoạn

chính: số hoá (digitising), thiết kế lại (redisign) vμ chế tạo (manufacturing)

Quá trình thực phức tạp hơn nhiều, như được mô tả trong Hình 2

Giai đoạn số hoá (quét mẫu) - số 1: mẫu được quét (scan) bằng các thiết bị quét 3 chiều (3D scanner) khác nhau: máy đo toạ độ (CMM) hoặc 3D-camera các loại Sản phẩm của các thiết bị quét hiện đại lμ dữ liệu số, dạng đám mây điểm (point cloud) cuả

mẫu, trong máy tính

Giai đoạn thiết kế lại- số 2, gồm các công đoạn: xử lý dữ liệu quét, tạo vμ xử lý

mô hình CAD Xử lý dữ liệu quét, gồm có hiệu chỉnh (lọc nhiễu, ghép mảng, sắp xếp)

đám mây điểm vμ xuất ra mô hình bề mặt dưới dạng lưới đa giác (polygon mesh)

Trong công đoạn tạo vμ xử lý mô hình CAD, mô hình lưới đa giác được chuyển thμnh

mô hình bề mặt với format chuẩn (Non-Uniform Rational Basis Spline - NURBS), từ đó các phần mềm CAD có thể chuyển sang các dạng mô hình hình học khác nhau của CAD: bề mặt (surface) hay vật thể rắn (solid), sẵn sμng cho giai đoạn chế tạo

Hình 2: Quá trình thiết kế, chế tạo theo CNS

Trong giai đoạn chế tạo, 3 vμ 4: nhờ các hệ CAD/CAM, dữ liêu hình học trong

mô hình CAD được chuyển thμnh các dạng dữ liệu, chương trình khác nhau, phù hợp

với các thiết bị gia công, như thiết bị tạo mẫu nhanh (rapid prototyping - RP), máy công cụ điều khiển số (CNC machine tools) để tạo ra sản vật thực (prototype, end product, tool) hoặc cũng có thể được dùng để kiểm tra, đánh giá về độ bền, ứng xử

động lực học nhờ các modul FEA, Dynamic Analyser của các phần mềm CAD/CAE

Hình 3: Quy trình thuận vμ quy trình ngược trong thiết kế, chế tạo cơ khí

Quy trình thiết kế, chế tạo bắt đầu từ mẫu thực, theo trình tự nói trên được gọi lμ

quy trình ngược, gắn với các phương pháp vμ thiết bị đặc thù, gọi lμ kỹ thuật ngược (Reverse Engineering - RE) Nó khác với quy trình kỹ thuật truyền thống, bắt đầu từ ý tưởng của nhμ thiết kế, đôi khi được gọi lμ kỹ thuật thuận (Forward Engineering - FE)

Trong FE không có các giai đoạn 1 vμ 2 trong Hình 2, còn các giai đoạn 3, 4 giống như trong RE Mô hình CAD lμ khởi đầu của quy trình ngược, được tạo từ ý tưởng của người thiết kế Hình 3 thể hiện sự khác nhau giữa quy trình ngược (3/4/4'-5-2-3/4) vμ quy trình thuận (1-2-3/4)

1.2 Kỹ thuật ngược

Sau khi tìm hiểu tổng quan về CNS vμ kỹ thuật ngược, ta thấy thuật ngữ kỹ thuật ngược bao hμm toμn bộ một quá trình thiết kế, chế tạo một sản phẩm chứ không riêng thiết kế Hiện nay ở Việt Nam, một số thuật ngữ được sử dụng, như thiết kế ngược, công nghệ tái tạo để nói về RE Sử dụng thuật ngữ nμo chưa phải quan trọng vμo lúc nμy, miễn lμ chúng ta hiểu đúng về nó

RE lμ thuật ngữ chung, chỉ quá trình nhân bản (duplication, copy) một đối tượng:

bảng mạch điện tử, phần mềm, bộ phận cơ khí mμ không dựa vμo thiết kế ban đầu của chúng

Trong cơ khí, RE được hiểu lμ sự nhân bản một chi tiết, cụm lắp ráp hay một sản phẩm mμ không dùng bản vẽ, tμi liệu hoặc mô hình máy tính

Thực ra, việc bắt chước, nhân bản không phải mới, nhưng nó chỉ trở thμnh một công nghệ khi có tính phổ biến vμ có một nền tảng vững chắc về khoa học, công nghệ

RE được sử dụng khi:

- Thiết bị đã bị ngừng sản xuất (do nhμ sản xuất dừng hoặc nhμ sản xuất đã bị giải thể), không còn nguồn cung cấp thiết bị vμ phụ tùng;

- Cần chế tạo, sửa chữa, cải tiến, thiết bị mμ mất hoặc không có tμi liệu thiết kế;

- Cần thay đổi vật liệu hoặc công nghệ sản xuất để cập nhật tình hình thị trường;

- Cần phân tích, đánh giá ưu nhược điểm sản phẩm của đối thủ cạnh tranh;

- Cần phân tích, đánh giá sai số hình học của sản phẩm chế tạo (RE lμ công cụ kiểm tra chất lượng sản phẩm)

Còn một lý do, tuy không được nói ra trong các tμi liệu chính thức nhưng lại rất quan trọng, lμ chế tạo theo mẫu các thiết bị, vũ khí đang được ưa chuộng Điều nμy

được thấy rất phổ biến trong sao chép các loại vũ khí trong thời kỳ chiến tranh lạnh vμ trong cuộc chiến thương mại hiện nay Dù sao thì RE đã thể hiện tính ưu việt của mình, cũng đã trở thμnh một công nghệ, được toμn thế giới công nhận vμ được ứng dụng trong mọi lĩnh vực kỹ thuật: cơ khí, điện tử, phần mềm, kiến trúc, nghệ thuật, y học, Hình 4 cho phép hình dung toμn bộ vμ chi tiết quy trình ứng dụng kỹ thuật ngược

trong thiết kế, chế tạo cơ khí, trong đó thể hiện vai trò của 5 nhóm thiết bị: quét (Point Capture), xử lý dữ liệu điểm (Point Manipulation), CAD/CAM, tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP) vμ máy CNC (NC Machining)

Hình 4: Quy trình kỹ thuật ngược tổng quát trong thiết kế, chế tạo cơ khí

Hình 5 lμ quy trình thiết kế mẫu ô tô mới có ứng dụng RE ở Nhật Đầu tiên người

ta tạo ra mô hình thu nhỏ bằng đất sét, sau đó quét, xử lý, chuyển sang CAD, phóng to bằng kích thước thật rồi chuyển tiếp cho các công đoạn thiết kế, chế tạo chi tiết, tạo mẫu nhanh,

Hình 5: Quy trình kỹ thuật ngược tại các hãng ô tô Nhật Bản

Sau đây lμ một số ví dụ minh hoạ về ứng dụng RE

Hình 6 - quy trình kỹ thuật ng−ợc đ−ợc ứng dụng khi phát triển mẫu mũ xe máy mới, bắt đầu bằng mẫu đất nặn - số hoá - lμm khuôn nhựa trên máy CNC - đùn nhựa ra sản phẩm

Hình 6: Quy trình kỹ thuật ng−ợc khi chế tạo mũ xe máy mới Hình 7 - quy trình kỹ thuật ng−ợc đ−ợc ứng dụng trong hμng không vũ trụ

Hình 7: Quét hình mẫu tμu con thoi X-38 của Nasa

H×nh 8: MÉu giμy ®−îc t¸i t¹o

H×nh 9: RE trong chÕ t¹o khíp gèi thay thÕ

Hình 10: RE trong công nghiệp ô tô

(a) - Số hoá vỏ xe bằng camera gắn trên

tay robot

(b) - Dữ liệu đám mây điểm thu được

(c) - Mô hình bề mặt trong CAD

2 Các công nghệ cơ bản

Phần trên đã mô tả khái quát về CNS, quy trình thuận vμ quy trình ngược trong thiết kế, chế tạo sản phẩm cơ khí Ta thấy mỗi quy trình đều đòi hỏi các công nghệ đặc thù cùng với một hệ thống đồng bộ các thiết bị Sau đây sẽ giới thiệu vắn tắt bản chất, thiết bị vμ ứng dụng của các công nghệ đó

2.1 Quét mẫu

Nhiệm vụ của công đoạn quét mẫu lμ thu thập dữ liệu hình học 3D của bề mặt đối tượng quét Dữ liệu nhận được có dạng số, mô tả toạ độ 3D của các điểm rời rạc trên bề

mặt, được tập hợp dưới dạng lưới điểm hoặc đám mây điểm Chính vì vậy, quét mẫu thường được gọi lμ số hoá bề mặt (digitising), còn thiết bị quét được gọi lμ digitiser hay 3D scanner

Có 2 phương pháp quét mẫu: tiếp xúc vμ không tiếp xúc

Hình 11: Máy đo toạ độ kiểu cánh tay robot (a,b) vμ kiểu cổng (c)

Phương pháp quét tiếp xúc dùng đầu dò cơ khí, gắn lên máy đo toạ độ

(Coordinate Measuring Machine - CMM), cho di chuyển trên bề mặt vật theo quỹ đạo

nhất định, dò đến đâu thì ghi lại toạ độ đến đấy Hiện có 2 kiểu CMM: kiểu cánh tay robot (hình 11, a, b) vμ kiểu cổng (c) CMM kiểu cánh tay robot linh hoạt, vùng hoạt

động lớn, nhẹ nhμng Máy kiểu cổng lμ thuỷ tổ của các dòng CMM, vốn lμ thiết bị đo, sau được trang bị phần mềm để số hoá Loại nμy rất chính xác, nhưng kém linh hoạt vμ

đắt tiền hơn CMM kiểu cánh tay

CMM nguyên thuỷ dùng đầu dò tiếp xúc (cơ khí), nhưng sau nμy được trang bị

đầu dò laser hoặc camera, nên không còn lμ thiết bị dò tiếp xúc nữa Ngay cả đầu dò tiếp xúc cũng được cải tiến, có chuyển động linh hoạt vμ có động cơ dẫn động, cho phép dò các bề mặt phức tạp một cách tự động Trên hình 12, CMM dạng cổng được dùng để số hoá bề mặt chi tiết thân động cơ đốt trong vμ CMM dạng tay máy được dùng để số hoá vỏ ô tô

Hình 12: Số hoá các bề mặt phức tạp bằng CMM Trừ khi được lắp camera, CMM chỉ có 1 đầu dò nên nó số hoá bằng cách chuyển

động theo quỹ đạo định trước (theo chương trình) như Hình 13 Vì vậy dữ liệu số hoá của CMM có dạng lưới điểm

Hình 13: Các dạng quỹ đạo dò của CMM

Phương pháp quét không tiếp xúc xuất hiện sau phương pháp tiếp xúc, nhưng

phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây Nguyên lý của các phương pháp quét không tiếp xúc rất phong phú: phản xạ vμ xuyên qua; dùng quang học vμ không dùng quang học; chủ động vμ thụ động, (Hình 14)

Hình 14: Các dạng quỹ đạo dò của CMM Ngμy nay các phương pháp quang học được dùng phổ biến nhất, vμ nguồn ánh sáng được dùng lμ laser Thay vì dùng tia laser trước kia (như đầu dò của CMM), ngμy nay người ta dùng nguồn laser dạng mặt phẳng, dạng khối, nhờ đó khi số hoá không còn khái niệm "quét" nữa mμ lμ "chụp" Dễ hiểu lμ kỹ thuật chụp cho năng suất cao gấp nhiều lần so với kỹ thuật quét Hình 15 minh hoạ quá trình quét với nguồn sáng dạng mặt phẳng Do mỗi lần chụp chỉ nhận được một đường cong, lμ giao tuyến của mặt sáng vμ mặt vật nên muốn thu được hình ảnh toμn bộ bề mặt thì phải quét mặt sáng theo phương thẳng đứng hoặc theo phương ngang (cho vật quay)

Hình 15: Nguyên lý quét dùng nguồn sáng dạng mặt phẳng: quét theo phương đứng vμ

chi tiết quay tròn

Hình 16 cho thấy camera có thể được gắn lên tay máy, điều khiển bằng tay hoặc

có thể cầm tay Camera cầm tay rất linh hoạt, có thể chụp được vật rất lớn, như cánh,vỏ máy bay bằng cách phân mảnh khi chụp vμ ghép ảnh khi xử lý, hoặc có thể chụp trong không gian hẹp, như trong cabine ô tô

Hình 16: Camera gắn trên tay máy vμ camera cầm tay

2.2 Xử lý dữ liệu quét

Dữ liệu nhận được sau khi quét thường có dạng đám mây điểm, không tương thích với các phần mềm CAD Mặt khác, đay lμ dữ liệu thô, còn bị phân mảnh, chứa nhiều khuyết tật do loá sáng, bóng tối, che khuất,

Hình 17: Ghép mảnh dữ liệu quét Các nhiệm vụ cơ bản của giai đoạn xử lý dữ liệu quét lμ:

- Sửa các khuyết tật: cắt bỏ phần thừa, vá các phần thiếu do nhiễu vμ lỗi khi chụp;

- Tối ưu hoá dữ liệu, thường lμ điều chỉnh mật độ điểm ở các vùng cho hợp lý, giảm kích thước file dữ liệu trong khi vẫn giữ được thông tin;

- Ghép các mảnh thμnh bề mặt trọn vẹn của vật;

- Chuyển dữ liệu dạng đám mây điểm sang dạng lưới đa giác

Quá trình xử lý hoμn toμn được thực hiện trên máy tính, nhờ các phần mềm chuyên dùng Không có một phần mềm độc lập nμo đủ cho mọi nhiệm vụ xử lý Vì vậy cần chọn vμ phối hợp các phần mềm với nhau dựa trên chức năng của chúng

Bảng sau tóm tắt các chức năng của một số phần mềm RE

1 Mitutoyo Cosmos,

Hymarc, Metris Scan,

Cyberware CyDir, GSI

Crystal Studio

Điều khiển máy quét

Điều khiển các hoạt động của máy quét; xử lý cơ bản dữ liệu quét

2 ICEM surf, Imageware,

các phần mềm CAD

thông dụng: UG, Pro/E,

Solidworks

Xử lý các đối tượng CAD

Tạo các đối tượng cơ bản của CAD (points, contour lines, circles, rectangles, cylinders, boxes)

3 Magics RP, DeskArtes,

Catia, Shape Sculptor,

Viscam RP

Xử lý lưới đa giác

Hiệu chỉnh, sửa chữa, tối ưu hoá lưới đa giác

4 GSI Studio, CopyCAD,

Rapidform, Geomagics,

Polyworks (Modeler),

Paraform

Thiết lập lưới

đa giác vμ bề mặt NURBS

Các chức năng xử lý dữ liệu hoμn chỉnh, từ đám mây điểm, lưới đa giác, bề mặt NURBS đến 3D Inspection

5 Mimics, Rapidform,

BioBuild, Velocity2,

Amira, Scan IP, Analyze

vμ 3-D Doctors

Xử lý ảnh 2D

vμ mô hình hoá

3D

Xử lý các ảnh quét 2D, như cắt lớp

CT hay cộng hưởng từ (MRI), tạo mô hình 3D

6 COMETinspect, Metris

Focus Inspection, Power

INSPECT, PolyWorks

Inspector, Geomagic

Qualify

3D Inspection Kiểm tra độ chính xác của mô hình

quét, đưa ra bản đồ sai số (error map), phân tích, lập tμi liệu báo cáo

về sai số

7 Pro Engineers, UG,

Solidworks, Catia vμ

Rhino

Mô hình hoá

bề mặt vμ solid

Mô hình hoá bề mặt dạng NURBS

vμ solid trên cơ sở các đối tượng cơbanr của CAD

Hình 17 minh hoạ quá trình xử lý dữ liệu đám mây điểm Chi tiết của phanh đĩa (disk break) được quét từ 2 phía, tại vị trí A vμ B của camera, nhận được 2 mảnh Vì vậy cần phải ghép chúng lại với nhau để thμnh một khối duy nhất

Hình 18 vμ Hình 19 minh hoạ các giai đoạn chuyển dữ liệu từ dạng đám mây

điểm sang lưới đa giác vμ biểu diễn bề mặt bằng các dạng dữ liệu bề mặt khác nhau

Hình 18: Chuyển dữ liệu đám mây điểm sang lưới đa giác

Hình 19: Các dạng bề mặt khác nhau trong CAD

2.3 CAD/CAM/CAE

Nếu các thiết bị số hoá (CMM, camera) có nhiệm vụ chuyển đối tượng từ thế giới thực sang thế giới ảo thì CAD/CAM có nhiệm vụ ngược lại Vì vậy, CAD/CAM, vốn lμ công cụ thiết yếu của công nghệ thuận (FE) thì lại trở thμnh một trong những mắt xích chủ chốt của RE Ngμy nay không có một kỹ sư cơ khí nμo lại không biết về CAD/CAM Thực tế, CAD/CAM/CAE lμ một lĩnh vực rất rộng lớn, lμ tập hợp các hệ thống công nghệ vô cùng phong phú, trợ giúp người kỹ sư từ việc đơn giản nhất như vẽ

kỹ thuật đến các kỹ thuật phức tạp: mô hình hoá chi tiết đến cụm máy vμ hệ thống thiết

bị, mô phỏng, tính bền kết cấu, khảo sát ứng xử động lực học, sinh vμ quản lý tμi liệu thiết kế, Trong quy trình thiết kế, chế tạo sản phẩm cơ khí, CAD/CAM/CAE lμ cầu nối từ thế giới ảo sang thế giới thực: xuất dữ liệu vμ chương trình, điều khiển các thiết

bị sản xuất: máy CNC, robot, máy tạo mẫu nhanh,

2.4 Tạo mẫu nhanh

Tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP) chỉ một nhóm các phương pháp tạo trực

tiếp vật thể (mẫu, khuôn, sản phẩm) từ mô hình 3D trong máy tính Vật thể được hình

thμnh bằng cách xếp chồng từng lớp vật liệu tương ứng với các lớp cắt cách đều nhau Hình dạng của mỗi lớp được xác định trực tiếp từ mô hình CAD-3D

RP có thể tạo mẫu để thử nghiệm, quảng cáo Prototyping), khuôn, mẫu (R-Tooling); chi tiết dùng ngay (R-manufacturing)

Ưu điểm chính của RP lμ: nhanh, thời gian không phụ thuộc độ phức tạp mμ chỉ phụ thuộc kích thước vật thể; có thể tạo mẫu phức tạp, bề mặt tự do; tính tự động hóa cao, không đòi hỏi can thiệp, giám sát; dễ thực hiện; giảm chi phí tạo mẫu (không phải lμm khuôn, gia công)

Nhược điểm của RP lμ: độ chính xác, chất lượng bề mặt không cao (cỡ 0,1mm), bậc thang; vật liệu ròn, kém bền, kém chịu nhiệt, chịu ẩm (tùy trường hợp);

Định nghĩa ban đầu đã nói RP lμ một nhóm các phương pháp Thực vậy, hiện nay

có thể kể ra đến vμi chục phương pháp RP Tuy nhiên, chúng giống nhau ở các điểm:

- Tạo hình trực tiếp từ dữ liệu CAD-3D Mô hình CAD của vật thể được xuất ra dưới dạng STL;

- Thiết bị RP cắt mô hình thμnh từng lớp (khoanh) với chiều dμy nhất định Chiều dμy của lớp cμng nhỏ thì độ chính xác cμng cao nhưng năng suất thấp vμ thiết bị phức tạp, đắt tiền;

- Quá trình tạo hình được thực hiện từng lớp một, mỗi lớp có hình dạng vμ chiều dμy giống như mỗi "khoanh" cắt ra từ mô hình;

- Các lớp cứ được tạo ra kế tiếp nhau, chồng lên nhau cho đến lớp cuối cùng

Hình 20: Phân loại các phương pháp tạo mẫu nhanh Các phương pháp trên khác nhau về loại vật liệu sử dụng, phương pháp tạo các lớp Phân loại các phương pháp tạo mẫu nhan như Hình 20

Tên gọi các phương pháp như sau:

- SLS - Selective Laser Sintering: thiêu kết bằng laser;

- 3DP - Three-Dimensional Printing: in 3D;

- MJM - Multi-Jet Modeling: phun nhiều lỗ phun;

- IJM - Ink-Jet Modeling: phun mực;