máy tạo mẫu nhanh công nghệ DLP

1.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH:1.1.1 Khái niệm về công nghệ tạo mẫu nhanh: - Có thể hiểu công nghệ tạo mẫu nhanh RP là một kỹ thuật gia công đặc biệt tạo ra môhình sản phẩm nh

Trường Đại Học Quốc Gia Tp.HCM Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam

1 Đầu đề luận văn:

TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ MÁY TẠO MẪU NHANH THEO CÔNG NGHỆ DLP

(DIGITAL LIGHT PROCESSING).

2 Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):

• Tìm hiểu về công nghệ tạo mẫu nhanh DLP.

• Nghiên cứu và tìm hiểu các phương pháp thiết kế máy tạo mẫu nhanh theo công nghệ DLP.

• Thiết kế hệ thống cơ khí cho máy tạo mẫu nhanh DLP.

• Tìm hiểu về hệ thống điều khiển tạo mẫu nhanh DLP.

3 Ngày giao nhiệm vụ luận văn:

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

5 Họ và tên giáo viên hướng dẫn: Phần hướng dẫn

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN

Người duyệt (chấm sơ bộ): Ngày bảo vệ:

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN

Được theo học dưới mái trường Đại học Bách Khoa TP.HCM suốt mấy năm qua có lẽ làkhoảng thời gian đáng ghi nhớ nhất trong cuộc đời của tôi Xin chân thành gửi lời cảm ơnsâu sắc đến Quý thầy cô giáo trong trường, đặc biệt là Quý thầy cô ở khoa Cơ Khí, bộ mônChế Tạo Máy đã tận tình dạy bảo, truyền đạt cho tôi nền tảng kiến thức vững chắc trongchuyên ngành và cả những kinh nghiệm quý báu trong cuộc sống

Con xin cám ơn ba mẹ, những người đã có công sinh thành duỡng dục và luôn tạo điềukiện về vật chất lẫn tinh thần để con có thể tiếp tục trên con đuờng học tập đến ngày hôm nay

và sau này, ba mẹ luôn là nguồn động lực để con cố gắng, phấn đấu

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến giảng viên hướng dẫn, thầy PGS.TSĐặng Văn Nghìn và cùng các anh bên Viện Cơ Học Và Ứng Dụng như anh Gia Xuân Long,anh Kiều Nguyễn Phương Đại, anh Cao Trần Ngọc Tuấn và anh Phạm Quang Thắng đã tậntình chỉ bảo, góp ý và ủng hộ em thực hiện đề tài luận văn này Chúc Thầy và các anh luônmạnh khỏe, thành công trong công việc và cuộc sống của mình Em xin chân thành cảm ơn!Cảm ơn các bạn lớp CK10CTM3 đã luôn giúp đỡ và cộng tác với mình trong suốt thờigian qua

TP.HCM, ngày tháng năm 2015

Sinh viên

Nguyễn Đình Trọng

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Công nghệ tạo mẫu nhanh là một công nghệ mới ra đời trong khoảng những năm cuối thế

kỉ 20 và nó đang phát triển với tốc độ chóng mặt Ứng dụng tạo mẫu nhanh đã nhanh chóng

mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác, đã tác động sâu, rộng đến nhiều ngành công nghiệp khácnhau Có thể thấy, công nghệ tạo mẫu nhanh trong tương lai sẽ mang lại những cú đột phámới trong sản xuất, tác động đến nền sản xuất một cách sâu rộng hơn Do đó, nghiên cứu lýluận trong giai đoạn khởi đầu của nền công nghiệp tạo mẫu nhanh trở thành mục tiêu trọngtâm mang tính quốc tế, nghiên cứu dựa trên hệ thống vật liệu và hệ thống điều khiển cơ điện

tử sẵn có Phân tích lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm quá trình tạo mẫu nhanh, nghiêncứu cải thiện các vấn đề giữa tính toán lí thuyết và trong quá trình tạo mẫu nhanh thực tế Trong luận văn này chủ yếu tập trung nghiên cứu về máy tạo mẫu nhanh dùng vật liệunhựa lỏng, tìm hiểu về tính chất của vật liệu nhựa cảm quang Bên cạnh đó, làm các thínghiệm khảo sát mối liên hệ giữa nguồn sáng từ máy chiếu và sự đông đặc của nhựa lỏng, từ

đó đưa ra điều kiện để lựa chọn máy chiếu sao cho phù hợp và các thông số tạo mẫu thực tế

để điều chỉnh thông số máy sao cho tối ưu, đạt hiệu quả cao

1.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH:

1.1.1 Khái niệm về công nghệ tạo mẫu nhanh:

- Có thể hiểu công nghệ tạo mẫu nhanh (RP) là một kỹ thuật gia công đặc biệt tạo ra môhình sản phẩm nhanh chóng và những mẫu chi tiết từ dữ liệu 3D được sử dụng để tạo nên môhình vật thể thật Hệ thống tạo mẫu nhanh cho phép xây dựng mô hình vật thể bằng cách đápdần vật liệu theo từng lớp trái ngược với phương pháp thông thường là lấy đi vật liệu ra khỏiphôi

Định nghĩa được coi là toàn diện nhất về tạo mẫu nhanh là của Terry Wohlers (Chủ tịchhiệp hội tạo mẫu nhanh thế giới) trong báo cáo năm 2011 đó là:

“Tạo mẫu nhanh là công nghệ chế tạo mô hình vật lý hoặc mẫu sản phẩm từ dữ liệu thiết

kế ba chiều trên máy tính hoặc từ dữ liệu cắt lớp điện toán CT, cộng hưởng từ MRI hoặc từ

dữ liệu của các thiết bị số hóa ba chiều”

1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh:

1.1.2.1 Ba thời kỳ của quá trình tạo mẫu:

Quá trình tạo mẫu được phân ra làm ba thời kỳ Hai thời kỳ sau chỉ mới ra đời trongkhoảng mấy chục năm trở lại đây Tương tự như quá trình tạo mẫu trên máy vi tính, tính chấtvật lý của mẫu chỉ được nghiên cứu phát triển trong thời kỳ thứ ba

- Thời kỳ đầu: tạo mẫu bằng tay.

Thời kỳ đầu tiên xuất hiện cách đây khoảng vài thế kỷ Trong thời kỳ này, các mẫu điểnhình không có độ phức tạp cao và chế tạo một mẫu trung bình mất khoảng 4 tuần Phươngpháp tạo mẫu này phụ thuộc hoàn toàn vào tay nghề người tạo mẫu và phải thực hiện côngviệc một cách cực kỳ nặng nhọc

Hình 1.1: Tạo mẫu bằng tay.

- Thời kỳ thứ hai: sử dụng phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo.

Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển vào những năm 1970 Thời kỳ này đã có phầnmềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo Việc ứng dụng các phần mềm thuộc hệ thốngCAD/CAE/CAM đã trở nên rất phổ biến Phần mềm tạo mẫu sẽ phác họa trên máy vi tínhnhững suy nghĩ, ý tưởng mới Các mẫu trong thời kỳ này trở nên phức tạp hơn nhiều so vớithời kỳ đầu Thời gian yêu cầu cho việc tạo mẫu khoảng 16 tuần Tính chất vật lý của mẫuvẫn còn phụ thuộc vào các phương pháp tạo mẫu cơ bản trước đó Tuy nhiên, việc vận dụngcác máy gia công chính xác đã cải thiện tốt hơn các tính chất vật lý của mẫu Quá trình tạomẫu ảo có vai trò quan trọng cho sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh ở thời kì thứ ba

Hình 1.2: Tạo mẫu bằng phần mềm (tạo mẫu ảo)

- Thời kỳ thứ ba: sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh

Thời kỳ thứ ba cũng là thời kỳ bùng nổ mạnh mẽ của công nghệ và kinh tế thế giới Vàothời điểm này số lượng các nhà sản xuất, công ty, doanh nghiệp tăng lên không ngừng, tạo ramôi trường cạnh tranh vô cùng quyết liệt Việc đưa ra một sản phẩm mới ra thị trường nhanhhơn các đối thủ đã trở nên quan trọng nếu không nói đó là vấn đề sống còn Khi một sảnphẩm mới ra đời nó phải trải qua rất nhiều công đoạn bao gồm thiết kế, chế tạo, kiểm tra vàtiếp thị Để đưa sản phẩm ra thị trường nhanh chóng thì thời gian và chi phí cho từng giaiđoạn phải được rút ngắn triệt để Trong bối cảnh đó, công nghệ tạo mẫu nhanh ra đời và đãgiải quyết được các vấn đề trên Nó giúp việc tạo mẫu chỉ còn xuống thời gian 3 tuần so vớiviệc tạo mẫu ở thời kỳ thứ hai

Hình 1.3: Tạo mẫu bằng công nghệ tạo mẫu nhanh.

1.1.2.2 Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh:

Hình 1.4: Biểu đồ lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh.

1984 Charles Hull là người đầu tiên phát triển công nghệ có thể tạo ra được một vật thểhữu hình vật lý 3D từ các dữ liệu số và mở đầu cho sự ra đời của công nghệ tạo mẫunhanh 1986 Charles Hull đặt tên cho công nghệ của mình là Stereolithography và đăng

ký bản quyền phát minh của mình

Charles Hull thành lập công ty 3D System và phát triển máy in 3D thương mại đầu tiênđược gọi là Stereolithography Apparatus (SLA)

Hình 1.5: Hình ảnh máy SLA

• Cùng năm này các phát minh về LOM, SLS, DTM, EOS cũng được đăng ký bản quyền

• 1987 3D System phát triển dòng sản phẩm SLA-250, đây là phiên bản máy tạo mẫunhanh đầu tiên được giới thiệu ra công chúng

• 1988 Scott Crump phát minh ra công nghệ Fused Deposition Modeling (FDM)

Hình 1.6: Hình ảnh máy FDM

• 1989 Scott Crump thành lập Stratasys

• 1991 Helisys bán chiếc máy đầu tiên dùng công nghệ Laminated Object Manufacturing(LOM)

Hình 1.7: Hình ảnh máy dùng công nghệ LOM.

• 1992 Stratasys bán chiếc máy FDM đầu tiên : “3D Modeler”

• 1992 DTM bắt đầu bán ra dòng máy Selective Laser Sintering (SLS)

Hình 1.9: Hình ảnh máy 3DP

• 1995 Công ty Z Corporation đã mua lại giấy phép độc quyền từ MIT để sử dụng côngnghệ 3DP và bắt đầu sản xuất các máy tạo mẫu nhanh

• 1996 Stratasys giới thiệu dòng máy tạo mẫu nhanh ”Genisys”

• Cùng năm này Z Corporation cũng giới thiệu dòng “Z402″

• 3D Systems cũng giới thiệu dòng máy “Actua 2100″

• Tới lúc này thì cụm từ “Máy in 3D ” được sử dụng lần đầu tiên để chỉ những chiếc máytạo mẫu nhanh

• 1997 EOS bán mảng kinh doanh máy tạo mẫu nhanh công nghệ stereolthography cho 3-DSystems nhưng vẫn là nhà sản xuất máy tạo mẫu nhanh lớn nhất Châu Âu

• 2005 Z Corp giới thiệu dòng máy Spectrum Z510 Đây là dòng máy in 3d đầu tiên tạo ranhững sản phẩm có nhiều màu sắc chất lượng cao

Hình 1.10: Hình ảnh máy Spectrum Z510

• 2006 Dự án máy in 3d mã nguồn mở được khởi động – Reprap – mục đích có thể tạo ranhững máy in 3d có thể sao chép chính bản thân nó Đồng thời có thể điều chỉnh hay sửađổi nó tùy ý nhưng phải tuân theo điều luật GNU General Public Licence

• 2008 – Phiên bản đầu tiên của Reprap được phát hành Nó có thể sản xuất được 50 % các

bộ phậncủa chính mình

• 2008 - Objet Geometries Ltd đã tạo ra cuộc cách mạng trong ngành tạo mẫu nhanh khigiới thiệu Connex500™ Đây là chiếc máy đầu tiên trên thế giới có thể tạo ra sản phẩm3d với nhiều loại vật liệu khác nhau trong cùng 1 thời điểm

• 11/2010 - Urbee chiếc xe nguyên mẫu đầu tiên được giới thiệu Đây là chiếc xe đầu tiêntrên thế giới mà toàn bộ phần vỏ body được in ra từ máy in 3d Tất cả các bộ phận bênngoài, kể cả kính chắn gió đều được tạo ra từ máy in 3d Fortus khổ lớn của Stratasys

• 12/2010 - Organovo Inc một công ty y học tái tạo nghiên cứu trong lĩnh vực in 3d sinh

học đã công bố việc chế tạo ra hoàn chỉnh mạch máu đầu tiên hoàn toàn bằng công nghệ

in 3d

• 1/2011 - Các nhà nghiên cứu tại trường Đại Học Cornell đã xây dựng chiếc máy in thức

ăn đầu tiên bằng công nghệ in 3d

• 6/2011 - Shapeways và Continuum Fashion đã giới thiệu những chiếc bikini được in 3d

• 10/2011 - Công ty i.materialise trở thành dịch vụ in 3D đầu tiên trên toàn thế giới ápdụng vật liệu in là vàng 14K và bạc, mở ra một khả năng mới, thêm lựa chọn để chế tác íttốn kém hơn cho các nhà thiết kế đồ trang sức.

• 2012 - Các bác sĩ và kỹ sư tại Hà Lan đã sử dụng một máy in 3D được làmbởi LayerWise để in ba chiều hàm dưới giả, sau đó cấy ghép cho một người phụ nữ 83tuổi bị nhiễm trùng xương mãn tính Công nghệ này hiện đang được nghiên cứu để thúcđẩy sự tăng trưởng của tế bào xương mới

Qua sự hình thành và ra đời của các công nghệ tạo mẫu nhanh ta thấy có 5 công nghệ tạomẫu nhanh chính đó là SLA, SLS, LOM, 3DP, FDM Ngoài ra có nhiều công nghệ khácnhưng chủ yếu vẫn dựa cơ bản trên 5 loại công nghệ trên

1.1.3 Cơ sở của quá trình tạo mẫu nhanh:

Hình 1.11: Cơ sở của quá trình tạo mẫu nhanh.

Như đã trình bày công nghệ tạo mẫu nhanh là công nghệ chế tạo mô hình vật lý hoặc mẫusản phẩm từ dữ liệu thiết kế ba chiều trên máy tính hoặc từ dữ liệu cắt lớp điện toán CT, cộnghưởng từ MRI hoặc từ dữ liệu của các thiết bị số hóa ba chiều” Theo định nghĩa này, tạo mẫu

nhanh là công nghệ chế tạo mô hình vật lý hoặc mẫu sản phẩm từ các dữ liệu sau đây:

- Thiết kế ba chiều trên máy tính

- Dữ liệu chụp cắt lớp điện toán CT (Computed Tomography) hoặc chụp cộng hưởng từ MRI(Magnetic Resonance Imaging)

- Dữ liệu từ các thiết bị số hóa ba chiều như các thiết bị đo tọa độ CMM (CoordinateMeasuring Machine), máy quét ba chiều (3D scanner)

Qua đó ta thấy các điểm nổi bật của công nghệ tạo mẫu nhanh là:

- Quá trình tạo mẫu từ kết quả của quá trình thiết kế thuận

- Quá trình tạo mẫu các sản phẩm y học từ những dữ liệu của phương pháp kỹ thuật ngượcbằng các công cụ máy chụp cắt lớp điện toán CT hoặc máy cộng hưởng từ MRI

- Quá trình tạo mẫu các sản phẩm công nghiệp từ những dữ liệu của phương pháp thiết kếngược bằng các công cụ số hóa ba chiều

Có thể hiểu quá trình tạo mẫu nhanh (Rapid Prototype) là quá trình tạo sản phẩm mẫugiúp cho nhà sản xuất quan sát nhanh chóng sản phẩm cuối cùng Quá trình này nhờ các máytạo mẫu nhanh như thiết bị in ba chiều cho phép người thiết kế chuyển những dữ liệu CAD3D thành những mẫu thật sự một cách nhanh chóng Tùy thuộc vào kích thước và độ phứctạp của mẫu mà thời gian để tạo một mẫu mới từ 3 tới 72 giờ, thậm chí ít hơn Như vậy sovới việc tạo mẫu bằng máy truyền thống thường mất từ nhiều tuần hoặc nhiều tháng thì việctạo mẫu bằng RP nhanh hơn rất nhiều Do mất ít thời gian nên RP giúp nhà sản xuất đưa sảnphẩm ra thị trường nhanh chóng và giảm chi phí sản xuất Đó là ưu điểm nổi bật của côngnghệ tạo mẫu nhanh

1.1.4 Sự khác biệt khi tạo mẫu bằng công nghệ tạo mẫu nhanh và công nghệ cắt gọt truyền thống:

Bảng1.1: So sánh nguyên lý xây dựng vật thể của công nghệ tạo mẫu nhanh và gia công cắt

gọt truyền thống.

Tạo mẫu nhanh Công nghệ cắt gọt truyền thốngNguyên lý xây dựng chi tiết của tạo mẫu

nhanh đó là xây dựng chi tiết bằng cách điền

đầy từng lớp mặt cắt của chi tiết, các lớp mặt

cắt lần lượt được điền đầy và liên kết với

nhau tạo nên vật thể

Nguyên lý xây dựng chi tiết của công nghệcắt gọt truyền thống là lấy đi một phần vậtliệu thừa trên phôi (gọi là lượng dư gia công)

để tạo chi tiết có hình dáng và kích thướcchính xác, độ bóng bề mặt theo yêu cầu trêncác máy cắt gọt kim loại (máy tiện, phay,bào…) nhờ các dụng cụ cắt

→ Với nguyên lý xây dựng vật thể của công nghệ tạo mẫu nhanh có các ưu điểm hơn sovới gia công mẫu bằng công nghệ cắt gọt truyền thống đó là:

- Ít tốn vật liệu hơn do không có lượng dư gia công

- Thời gian tạo mẫu nhanh, chi phí cho tạo mẫu thấp do không tốn vào dụng cụ cắt, các loạimáy gia công truyền thống…

- Tạo được các vật thể có hình dạng phức tạp mà công nghệ gia công cắt gọt truyền thốngmuốn làm được phải chế tạo độ gá và sử dụng dụng cụ cắt đặc biệt gây tốn kém thời gian vàtiền bạc Và một số vật có hình dạng mà gia công truyền thống không thể làm được

Hình 1.12: Một số vật thể gây khó khăn cho công nghệ gia công cắt gọt truyền thống

1.2 TẦM QUAN TRỌNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH:

1.2.1 Tấm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh:

Hình 1.13: Những thay đổi trong nghành sản xuất công nghiệp trong vài năm qua.

Từ biểu đồ ta thấy được rằng nhu cầu và độ phức tạp của sản phẩm ngày càng tăng, trongkhi đó vòng đời và thời gian chế tạo sản phẩm ngày càng được rút ngắn Chính vì điều đó mà

với nhưng ưu điểm của mình, tạo mẫu nhanh ngày càng đóng vai trò quan trọng trong sảnxuất cũng như đời sống.

Công nghệ tạo mẫu nhanh có rất nhiều ưu điểm nổi bật so với phương pháp gia côngtruyền thống, đó cũng là tầm quan trọng của công nghệ này, sau đây là các ưu điểm của côngnghệ tạo mẫu nhanh:

- Hình dung ra sản phẩm tốt hơn

- Tăng khả năng quan sát của chi tiết, người thiết kế sau khi thiết kế sẽ tạo ra sản phẩmthật 3 chiều trong thời gian ngắn và có thể quan sát sản phẩm cách nhanh chóng mà khôngcần phải qua gia công phức tạp

- Nhờ rút ngắn được thời gian tạo mẫu nên giúp được nhà thiết kế đưa được sản phẩm rathị trường cách nhanh chóng và kịp thời với nhu cầu xã hội

- Giảm được chi phí trong việc thiết kế và tìm ra sản phẩm mới

- Chế tạo được những sản phẩm phức tạp nhờ vào phương pháp đắp dần vật liệu

- Phương pháp tạo mẫu nhanh đã tạo ra một kênh thông tin hiệu quả giữa các nhà thiết kếvới nhau, giữa nhà thiết kế với nhà sản xuất và người tiêu dùng

1.2.2 Ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh:

1.2.2.1 Ứng dụng trong kỹ thuật:

- Truyền đạt thiết kế: tạo mẫu nhanh là phương án truyền đạt ý tưởng tuyệt vời nhất giữacác nhà thiết kế Mô hình thật của sản phẩm giúp nhóm thiết kế đánh giá và phát hiện các saisót tiềm ẩn dễ dàng hơn so với việc kiểm tra trên mô hình 3D

- Tiếp thị sản phẩm: sản phẩm tạo mẫu nhanh hoàn toàn có khả năng thể hiện màu sắccũng như tương quan lắp ghép Tính trực quan của một mô hình sản phẩm rõ ràng có sứcthuyết phục hơn nhiều một bản thiết kế khi trình bày với khách hàng Thống kê cho thấy tạomẫu nhanh tiết kiệm được 30% - 50% chi phí trong quá trình giới thiệu sản phẩm mới chonhà đầu tư Một điều quan trọng nữa, sản phẩm của tạo mẫu nhanh giúp tăng độ tin cậykhách hàng trong việc lựa chọn và định giá sản phẩm

- Kiểm tra chức năng làm việc của sản phẩm: khi dựa vào mô hình 3D, khó để đảm bảosản phẩm khi sản xuất ra có thể đáp ứng được các yêu cầu về thao tác làm việc, lắp ghép.Đặc biệt với các chi tiết cam, trục lệch tâm hay khớp nối, cần điều khiển… tạo mẫu nhanh sẽgiúp các kỹ sư và nhà thiết kế xử lý những vấn đề đó Công nghệ tạo mẫu nhanh hiện nay cóthể tạo ra các mẫu lắp ghép, với nhiều màu sắc đa dạng khác nhau

- Tạo công cụ gia công: tạo mẫu nhanh được ứng dụng rất phổ biến trong công việc chếtạo các chi tiết là khuôn đúc silicon, composite, khuôn đúc vỏ mỏng…

- Sao chép các sản phẩm: tạo mẫu nhanh còn giúp sao chép các sản phẩm có hình dánggiống nhau nhưng với kích thước khác nhau.

Hình 1.14: Tạo khuôn mẫu từ silicon với công nghệ SLA.

Hình 1.15: Một số sản phẩm và khuôn được làm từ công nghệ tạo mẫu nhanh.

Hình 1.16: Sản xuất lọ nước hoa cùng mẫu nhưng dung tích khác nhau.

1.2.2.2 Ứng dụng trong y học và đồ trang sức:

Ngoài các ứng dụng đã trình bày thì tạo mẫu nhanh ngày càng được ứng dụng nhiềutrong thiết kế chế chế tạo đồ trang sức Nhất là tạo mẫu nhanh ngày càng được ứng dụngnhiều trong y học để chế tạo các mô hình y học các bộ phận cấy ghép, là một bước tiến lớntrong y học như tai, mũi, bàn tay…

Hình 1.17: Các bộ phận cấy ghép sử dụng cho y học.

Hình 1.18: Các sản phẩm trong công nghệ làm đồ trang sức.

1.3 PHÂN LOẠI VÀ CÁC CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH PHỔ BIẾN HIỆN NAY: 1.3.1 Phân loại:

Ngày nay có rất nhiều công nghệ tạo mẫu nhanh khác nhau đang được sử dụng và thươngmại hóa Trong đó nhiều công nghệ có những đặc điểm chung về nguồn vật liệu, năng lượng,phương pháp tạo mẫu Do đó ta có thể phân loại công nghệ tạo mẫu nhanh dựa trên vật liệu

Vật liệu dạng bột

Quá trình đùn Quá trình cán

Quá trình in Quá trình thiêu kết

Mô hình dùng vật liệu FDM

Liên kết các lớp với chất kết dính ( LOM )

3DP SLS

Quá trình sữ lý laser

Quá trình sữ lý Photo-masking

Polymer hóa lỏng hoặc quá trình Stereolithographic

Hình 1.19: Sơ đồ phân loại các công nghệ tạo mẫu nhanh.

1.3.2 Các công nghệ tạo mẫu nhanh phổ biến hiện nay:

Hiện nay, hàng loạt các công nghệ được nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực tạo mẫunhanh Trong đó có một số công nghệ nổi bật hơn cả về cả công nghệ, tính kinh tế và thươngmại như: SLA (or SL: StereoLithographic), SLS (Selective Laser Sintering), FDM (FusedDeposition Modeling), LOM (Laminated Object Manufacturing)

Bảng 1.2: So sánh các công nghệ phổ biến hiện nay.

công

Vật liệu

sử dụng Ưu điểm Nhược điểm

Tạo được cácvật mẫu với

độ chính xáccao và sắcnét, với cáchình dạngphức tạp

Giá thành vềmáy móc vàvật liệu đắt,

được hậu xử

lí, độ bền củamẫu bị giảmkhi chịu tácdụng của ánhsáng mặt trờitrong thời giandài

SLS

Bột kimloại, bộtthạch caonhư PVC,ABS,nylon,sáp,…

Tạo các chitiết mỏng vàcần yêu cầu

về độ dẻo, độbóng bề mặttương đối cao

Vật liệu haymáy có giáthành đắt, cácmẫu kín hayrỗng bên tronglàm mất mộtlượng lớn vậtliệu

Chất lượng bềmặt khôngđược cao, độbền vật mẫu

phương khôngđều nhau Khókhăn trongviệc tạo mẫuvới kích thướcnhỏ và độphức tạp cao

Gỗ, Giấy,Gốm,Composite…

Vật liệu tạomẫu đa dạng,quá trình tạomẫu nhanh,không cầncác hệ thốngnâng đỡ chomẫu…

Không thu hồiđược vật liệu

dư, độ nhám

bề mặt khôngđược cao, khókhăn trongviệc lấy phầnthừa ra khỏimẫu, chi tiết

dễ bị congvênh

CHƯƠNG 2: CỘNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH DLP

2.1 Khái niệm và nguyên lý hoạt động của cộng nghệ tạo mẫu nhanh DLP:

2.1.1 Khái niệm:

Công nghệ tạo mẫu nhanh DLP là công nghệ được hãng ENVISIONTEC của Đức pháttriển vào năm 2002 có nguyên lý khá giống với công nghệ SLA, ta có thể nói là DLP là côngnghệ cải tiến từ công nghệ SLA Khi thay vì sử dụng hệ thống chiếu tia laser hay UV đắt tiền

và phức tạp DLP tận dụng nguồn sáng UV từ loại máy chiếu được chế tạo theo công nghệDLP với giá thành rẻ và đơn giản hơn

2.1.2 Nguyên lý hoạt động:

Tương tự như công nghệ SLA, nhờ vào tính nhiệt hóa rắn của các polymer cảm quangdưới tác dụng của ánh sáng tia UV Đầu tiên người ta đặt thiết bị nâng cách bề mặt chất lỏngmột khoảng bằng với độ dày của lớp vật liệu đầu tiên (tức là lớp nằm dưới cùng) Sau đó,chùm tia sáng được điều khiển bằng máy tính thông qua hệ thống quét bằng quang học sẽquét lên bề mặt theo những tiết diện của từng mặt cắt Vật liệu lỏng khi bị tác động của chùmtia cực tím sẽ bị đông đặc lại Sau đó, cơ cấu nâng được dịch chuyển lên phía trên một đoạnđúng bằng chiều dày của một lớp và quá trình được lặp lại Các lớp liên kết lại với nhauthành khối cho đến khi hoàn thành sản phẩm

Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của công nghệ tạo mẫu nhanh DLP.

Hình 2.2: Vật mẫu được xây dựng bằng nhiều lớp cắt với các biên dạng khác nhau.

Quá trình tạo mẫu của máy tạo mẫu nhanh DLP:

Hình 2.3: Quá trình tạo mẫu của máy tạo mẫu nhanh DLP.

Chùm tia UV

- Bước 1: Nhận dữ liệu mô hình CAD 3D từ máy tính và chuyển sang file STL.

- Bước 2: Sau khi chuyển sang file STL ta tiến hành cắt lớp, chia chi tiết ra thành nhiều lớp từ 1…n

- Bước 3: Tiến hành tạo mẫu lớp đầu tiên và qua trình tạo mẫu cứ lặp đi lặp lại chođền lớp n

- Bước 4: Sau khi mẫu được tạo thành ta tiến hành hậu xử lý chi tiết sau khi đã tạo thành

2.2 Nguồn sáng:

Theo như nguyên lý làm việc ta thấy, công nghệ hóa rắn vật liệu lỏng là sử dụng một chùmtia cực tím hay ánh sáng nhìn thấy để làm đông đặc nhựa lỏng cảm quang để tạo thành biêndạng chi tiết Vì vậy việc xác định và lựa chọn các loại tia và phổ ánh sáng là cần thiết choviệc chọn nguồn sáng

2.2.1 Một số dạng quang phổ và bước sóng ánh sáng:

- Quang phổ của sóng điện từ:

Hình 2.4: Hình ảnh của quang phổ và bước sóng điện từ.

Ứng với mỗi ánh sáng khác nhau ta sẽ thu được tần số, bước sóng ánh sáng và nguồnnăng lượng khác nhau Từ ánh sáng tím đến ánh sáng đỏ thì tần số và nguồn năng lượnggiảm, đồng thời bước sóng ánh sáng lại tăng

- Năng lượng và bước sóng của các chùm tia hồng ngoại:

Hình 2.5: Hình ảnh của năng lượng và bước sóng các chum tia hồng ngoại.

2.2.2 Một số nguồn sáng phổ biến được sử dụng trong công nghệ tạo mẫu nhanh:

Hình 2.6: Một số nguồn sáng của công nghệ tạo mẫu nhanh.

Như hình 2.5 ta thấy có rất nhiều loại nguồn sáng khác nhau để làm nguồn năng lượngcung cấp cho máy in 3D như nguồn sáng của đèn neon, nguồn sáng của đèn LED trắng, đènvonfram, nguồn sáng của laser, nguồn sáng của đèn hơi thủy ngân…

Ứng với mội loại nguồn sáng ta sẽ có những bước sóng và nguồn năng lượng nhất định

Từ biểu đồ trên ta còn biết được những vị trí mà ta có thể thu được nguồn năng lượng caonhất để giúp cho qua trình in 3D được tốt nhất

Tùy theo từng công nghệ ta sẽ chọn loại nguồn sáng khác nhau, ở đây ta sử dụng côngnghệ DLP nên nguồn sáng ta chọn là nguồn sáng từ đèn hơi thủy ngân của máy chiếu DLP

• Quang phổ của máy chiếu DLP:

Hình 2.7: Quang phổ của máy chiếu DLP.

Như ta thấy quang phổ của máy chiếu DLP tạo ra chỉ nằm trong khoảng từ 350÷750 nm,

vì vậy để có thể tạo mẫu trong máy in 3D DLP thì nguồn vật liệu phải nằm trong khoảngbước sóng cho phép Thông thường máy chiếu DLP làm việc tốt nhất trong khoảng bướcsóng từ 385÷400nm

2.2.3 Giới thiệu về công nghệ máy chiều DLP:

Các loại và kích cỡ máy chiếu sử dụng công nghệ DLP:

Hình 2.8: Máy chiếu Pico DLP sử dụng trong điện thoại di động và máy chiếu cầm tay.

Hình 2.9: Máy chiếu sử dụng tại nhà

Hình 2.10: Máy chiếu sử dụng trong rạp chiếu phim

Nguyên lý xử lý ánh sáng của máy chiếu DLP: Ánh sáng trắng từ bóng đèn máy chiếuđược hội tụ sau khi đi qua hệ thống thấu kính hội tụ (condensing lens), được chiếu qua bánh

xe màu (color wheel hay color filter), bánh xe này sẽ lọc ánh sáng trắng thành các màu cơbản khác nhau khi bánh xe quay đến vùng màu tương ứng, bánh xe này có thể có 4, 5 hoặc 6màu tùy vào thiết kế của từng model Ánh sáng đơn sắc lọc được sau khi đi qua bánh xe màu

sẽ tới bề mặt chíp DMD Các vi gương trên mặt chíp sẽ điều chỉnh hướng ánh sáng sáng đơnsắc về phía ống kính máy chiếu (projection lens) hoặc hướng ra ngoài tùy theo thành phầntừng màu cơ bản cần cho mỗi điểm ảnh Tỷ lệ giữa thời gian các vi gương phản xạ ánh sáng

về ống kính và thời gian phản xạ ánh sáng ra ngoài tại từng vi gương sẽ quyết định mức độđậm nhạt của từng thành phần màu tại từng điểm ảnh Các ảnh màu đơn sắc này sẽ được não

người tổng hợp lại để cho ra 1 hình ảnh màu đầy đủ khi bánh xe quay hết 1 vòng.

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý của máy chiếu DLP

Trong máy chiếu DLP, bộ phận quan trọng nhất là chíp DMD, nó được coi là thiết bị xử

lý ánh sáng tinh vi nhất thế giới, một chíp DMD bao gồm hàng ngàn có thể đến hàng triệucác tấm gương vô cùng nhỏ có kích thước cỡ 5,4 µm hoặc nhỏ hơn được bố trí theo ma trậnđặt trên một mạch bán dẫn Mỗi gương đại diện cho một hoặc nhiều điểm ảnh, số gươngtương ứng với độ phân giải của máy chiếu: 800x600, 1024x768, 1280x720, 1920x1080…Các vi gương này có thể quay các góc 10 - để phản chiếu hay bật tắt ánh sáng giúp thể hiệnảnh trên màn chiếu

Hình 2.12: Cấu tạo vi gương trên chíp DMD

Hình 2.13: Kích thước của vi gương so với độ dày của sợi tóc

Ưu, nhược điểm:

Ưu điểm:

- Hiển thị sắc nét, không lộ điểm ảnh do mật độ các tấm gương rất cao

- Tuổi thọ cao hơn các công nghệ sản xuất máy chiếu khác như: LCD, 3LCD…

- Kích thước máy nhỏ gọn do ít thành phần cấu tạo

- Độ tương phản cao, ít bị lệch hội tụ tia sáng khi không sử dụng các tấm LCD

Nhược điểm:

- Có hiện tượng cầu vồng và do các tia sáng bị lệch vì gặp các cạnh của các vi gương của chípDMD

- Độ bão hòa màu thấp

2.3 Tìm hiểu về vật liệu nhựa cảm quang (Photopolymer):

Nhựa cảm quang được phát triển vào cuối những năm 1960 và nhanh chóng được áp dụng trong một số lĩnh vực thương mại, đặc biệt là trong ngành công nghiệp sơn phủ và in ấn 3D.

Giới thiệu vật liệu:

Polymer cảm quang (photopolymer) là loại polymer sẽ thay đổi tính chất của nó khi tiếpxúc với ánh sáng trong vùng tử ngoại hay vùng nhìn thấy của phổ điện từ Ví dụ dưới đây thểhiện rõ được quá trình liên kết của polymer cảm quang bao gồm các monomer, oligomer vàphotoinitiator Dưới tác dụng của ánh sáng các đơn phân tử nhận năng lượng và liên kết lạigiúp polymer chuyển từ thể lỏng sang thể rắn

Hình 2.14: Quá trình biến thể của nhựa cảm quang dưới tác dụng của tia UV 1

Hình 2.15: Quá trình biến thể của nhựa cảm quang dưới tác dụng của tia UV 2

- Monomer: là các phần tử nhỏ có thể liên kết với các monomer khác, oligomer hay các

polymer khác để tạo nên loại polymer mới Các monomer có trong nhựa cảm quang chủ yếu

là các acrylates hoặc methacrylates Các phân tử này cỏ thể là đơn hoặc đa chức năng Nó cóthể sử dụng để liên kết các phân tử hoặc làm dung môi pha loãng

- Oligomer: là các phần tử có khối lượng lớn hơn monomer nhưng nhỏ hơn polymer, ở nhiệt

độ thường oligomer có thể lỏng Nó chủ yếu được sử dụng để tạo ra trạng thái lỏng cho nhựacảm quang hay sơn, mực…

- Phoinitiator: là các phân tử bị phân hủy thành các gốc tự do khi tiếp xúc với ánh sáng Nó có

tác dụng thúc đẩy quá trình phản ứng trùng hợp tạo các polymer có khối lượng lớn hơn.Polymer cảm quang có ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau: y học, in ấn, cáccông nghệ cảm quang và tạo mẫu nhanh…

Hình 2.16: Các loại nhựa cảm quang trên thị trường

Các thông số kĩ thuật của nhựa cảm quang được sử dụng trong công nghệ DLP phổ biến hiện nay:

Các thông số kĩ thuật của nhựa cảm quang được đề cập ở phụ lục

- Trọng lượng khi ở thể lỏng (đơn vị: g/cm3)

- Trong lượng khi hóa rắn (đơn vị: g/cm3 )

- Độ bền kéo (đơn vị: N/m)

Bước sóng hấp thụ để hóa rắn (đơn vị: nm)

2.4 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ tạo mẫu nhanh DLP:

Ưu điểm:

- Không giống như công nghệ SLA phải dùng một tia lazer đơn để làm đông

đặc nhựa cảm quang theo từng điểm, công nghê DLP sử dụng một chùm tia cực

tím hay ánh sáng nhìn thấy để làm đông đặc nhựa cảm quang, nên năng suất và tốc độ inđạt được cao hơn

- Độ phân giải cao có thể đạt được chiều dày mỗi lớp 0.01mm tạo được chi tiết có bề mặt chấtlượng tốt

Hình 2.17: Chất lượng bề mặt của công nghệ FDM và công nghệ DLP.

- Có thể làm được các chi tiết phức tạp với kích thước nhỏ mà các công nghệ FDM, LOMkhông làm được

Hình 2.18: Một số sản phẩm mà công nghệ DLP có thể làm được mà các công nghệ như FDM và LOM không làm được.

như SLA, SLS…

dàng tách bỏ

DLPFDM

Hình 2.19: Các cấu trúc hỗ trợ gây khó khăn cho quá trình tách sản phẩm trong FDM.

Hình 2.20: Các cấu trúc hỗ trợ dễ dàng tách bỏ sau quá trình tạo mẫu của công nghệ tạo

mẫu nhanh DLP.

Nhược điểm:

- Chi phí vật liệu khá đắt

- Sản phẩm tạo ra phải qua giai đoạn hậu xử lý: xử lý dưới ánh sáng UV để tăng độ cứng

- Kích thước của vật chế tạo còn hạn chế

2.5 Một số dạng máy hiện có trên thị trường:

Máy B9Creator: