Cong nghe FDM tạo mẫu

Cong nghe FDM tạo mẫuCong nghe FDM tạo mẫuCong nghe FDM tạo mẫuCong nghe FDM tạo mẫuCong nghe FDM tạo mẫuCong nghe FDM tạo mẫuCong nghe FDM tạo mẫuCong nghe FDM tạo mẫuCong nghe FDM tạo mẫuCong nghe FDM tạo mẫu

CÔNG NGHỆ FDM

F USED D EPOSITION M ODELING

Công nghệ đắp vật liệu

Lịch sử ra đời và phát triển

FDM là viết tắt của cụm từ Fused

Deposition Modeling được hiểu là tạo mô hình

bằng cách rải dây nóng chảy và đắp lớp Công

nghệ FDM được S Scott Crump phát minh ra

vào năm 1988.Năm 1989 S Scott Crump được

cấp bằng sáng chế và cùng vợ là Lisa Crump

đồng sáng lập công ty Stratasys Năm 1992 –

Stratasys bán chiếc máy FDM đầu tiên có tên là

“3D Modeler” và sau này trở thành công nghệ

chủ đạo trong lĩnh vực in 3D cho đến ngày nay

Lịch sử ra đời và phát triển

NGUYÊN LÝ FDM

Viết chữ bằng kem lên bánh kem

Công nghệ FDM là công nghệ đặc trưng của công

nghệ tạo mẫu nhanh Nguyên lý chung của công nghệ

này là đùn vật liệu dạng sợi để tạo thành các mặt cắt của

mẫu

NGUYÊN LÝ FDM

Nguyên liệu mà công nghệ FDM sử dụng là sợi

dây nhựa Sợi dây nhựa được cung cấp cho đầu đùn nhờ

động cơ cuốn Đầu đùn được làm nóng tới nhiệt độ

thích hợp để sợi dây nhựa tan chảy và đùn ra ngoài

Đầu đùn này có thể di

chuyển độc lập theo hai

phương X, Y (giống như máy

CNC) tạo nên hình dạng một

mặt cắt của vật thể Để làm

lớp tiếp theo thì bàn nâng

mang lớp trước đi xuống một

khoảng rất nhỏ (0.1- 0,3mm)

và đầu đùn lại tiếp tục đắp

một lớp mặt căt tiếp theo lên

lớp trước Quá trình hoàn

thành khi tất cả các mặt cắt

NGUYÊN LÝ FDM

Nguyên lý đắp lớp của công nghệ FDM

NGUYÊN LÝ FDM

Sơ đồ nguyên lý của công nghệ FDM

• Đầu đùn di chuyển theo hai

hướng của bàn

• Bàn có thể nâng lên hay hạ

xuống khi cần thiết

• Sợi nhựa nhiệt dẻo hay sáp

được đùn qua lỗ phun nhỏ đã

được gia nhiệt

• Lớp ban đầu được đặt trên

nền sốp với tốc độ không đổi

• Đầu đùn được điều khiển

theo file đã định trước

• Sau lớp đầu tiên bàn sẽ

được hạ xuống và lớp tiếp

theo sẽ được hình thành

Một máy tạo mẫu nhanh sử dụng công nghệ FDM

gồm có 2 phần cơ bản: phần đùn vật liệu và phần điều

khiển sự di chuyển của đầu đùn

NGUYÊN LÝ FDM

1/ Phần di chuyển của đầu đùn: do các động cơ đảm

nhiệm Thông qua bộ truyền đai, bộ truyền trục vít me

đai ốc bi dẫn động, các thanh trượt dẫn hướng đảm bảo

cho quá trình di chuyển đầu đùn chính xác giống như

những máy CNC

2/ Phần đùn vật liệu: Sợi dây

nhựa nhỏ có kích thước khoảng

1,75 mm hoặc 3 mm cấp cho

đầu đùn nhờ động cơ cuốn vào

trong Tiếp theo sợi nhựa sẽ di

chuyển tới vòi phun (hot end)

tại đây nhựa được nung nóng

và chảy ra Do động cơ đẩy

nhựa vào đầu đùn liên tục mà

lượng nhựa nóng chảy sẽ bị

đẩy ra ngoài do chênh lệnh áp

suất thông qua một lỗ trên vòi

Cấu trúc chung của các support

NGUYÊN LÝ FDM

Bước 1: Lên ý tưởng và thực hiện quá trình thiết kế mô hình

ảo trên máy tính.

Bước 2: Mô hình thiết kế sẽ được chuyển sang định dạng

trung gian (thường là *.stl, *.stl) phần dữ liệu này sẽ được

truyền qua phần mềm cắt lớp chuyên dùng cho máy FDM

Bước 3: Phần mềm cắt lớp sẽ tính toán, cắt lớp mẫu dựa trên

các yêu cầu của người sử dụng (chiều cao lớp, vật liệu

đỡ…) Sau đó phần mềm sẽ đưa ra các thông số: đường di

chuyển của đầu đùn, thời gian in, cách thức tạo vật liệu

đỡ Phần mềm sẽ xuất dữ liệu dưới dạng file *.gcode.

TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC

Trình tự làm việc 3D theo công nghệ FDM bao gồm các

bước sau:

Bước 4: Dữ liệu này sẽ chuyển sang định dạng *.x3g và

được chuyển qua máy tạo mẫu nhanh để điều khiển máy

làm việc Máy sẽ bắt đầu nung nóng đầu đùn để phần

nhựa cũ được chảy ra phần nhựa mới được động cơ đẩy

vào trong đầu đùn và nhựa lỏng chảy ra

Bước 5: Đầu đùn sẽ di chuyển tới các tọa độ mà phần

mềm đã quy định trước thông qua các động cơ dẫn động,

truyền động thông qua bộ truyền đai, vít me và dẫn hướng

nhờ thanh dẫn hướng Những tọa độ này tạo thành mặt cắt

của mẫu thiết kế

TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC

Bước 6: Để làm lớp tiếp theo bàn nâng mang lớp trước

di chuyển xuống dưới một đoạn rất nhỏ (đoạn này quy

định độ mịn của bề mặt vật thể khi đã hoàn thành) Phần

vật liệu ra khỏi đầu đùn sẽ động đặc rất nhanh và liên

kết với phần vật liệu của lớp dưới và đầu đùn tiếp tục di

chuyển để đắp lên lớp tiếp theo trên lớp trước đó

Bước 7: Quá trình diễn ra liên tục với sự phối hợp làm

việc của toàn bộ các bộ phận cho tới khi hoàn thành

mẫu thiết kế Máy kết thúc quá trình ngừng nung đầu

đùn và chạy về vị trí kết thúc Sau đó ta có thể gỡ vật

liệu đỡ (support) hoặc sử lý lại bề mặt nếu cần

TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC

VẬT LIỆU

Vật liệu dùng trong công nghệ FDM là loại vật liệu

nhiệt dẻo chẳng hạn như, ABS, PLA, nylon, Ninjaflex

1/ Khả năng hóa dẻo:

Là khả năng biến đổi trạng thái từ dạng rắn sang

dạng chảy dẻo dưới tác dụng của nhiệt độ cao Khả

năng này giúp ta có thể dễ dàng định hình vật liệu và

điều phối thể tích vật liệu theo ý muốn Điều này mang

tính quyết định trong việc hình thành chiều dày lớp tạo

hình, thông qua đó sẽ quyết định khả năng thích ứng

biên dạng của công nghệ tạo mẫu đối với những vật thể

có biên dạng hình học phức tạp

2/ Khả năng và thời gian đông cứng:

Sau khi được gia nhiệt và định hình theo ý muốn

thì vật liệu sẽ tiếp xúc với môi trường không khí ở nhiệt

độ phòng Khi đó vật liệu phải đông cứng trở lại Thời

gian đông cứng của vật liệu phải thật nhanh, thường

phải thấp hơn 10s Tính đông cứng này giúp vật liệu có

độ cứng vững cần thiết sau mỗi lớp mỏng tạo hình cho

đối tượng tạo mẫu Điều này có ý nghĩa quan trọng đối

liệu mỏng liền kề nhau trong quá trình tạo mẫu Hai

lớp vật liệu này có thể ở 2 nhiệt độ khác nhau, 2 trạng

thái vật lí khác nhau.Tính chất này mang ý nghĩa quan

trọng đối với cơ tính, độ cứng vững của sản phẩm tạo

hình khi hoàn thành

Các đặc trưng của vật liệu dùng trong công nghệ FDM

VẬT LIỆU

Các đặc trưng của vật liệu dùng trong công nghệ FDM

VẬT LIỆU

4/ Độ nhớt của vật liệu:

Độ nhớt của vật liệu sẽ quyết định khả năng

di chuyển của dòng vật liệu khi ở trạng thái chảy

dẻo dưới tác dụng của nhiệt độ Điều này có ý nghĩa

quan trọng trọng việc xác định mức độ lực cần thiết

để đẩy dòng vật liệu với một vận tốc xác định trước,

do đó nó sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc và kích thước

cụm đầu đùn vật liệu của máy tạo mẫu nhanh

Trong tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM hiện nay,

người ta dùng chủ yếu hai loại nhựa đó là ABS và PLA

Các loại dây nhựa này có kích thước đường kính dây là

1,75 và 3mm, rất đa dạng về màu sắc, được đóng gói

thành từng cuộn có trọng lượng là 1kg Thông thường,

những người mới tìm hiểu về tạo mẫu nhanh cho rằng

sử dụng sợi nhựa 1.75mm sẽ tạo ra những sản phẩm tạo

mẫu nhanh có chất lượng cao hơn so với loại 3mm Kéo

theo nhu cầu về sợi nhựa 1.75mm cũng cao hơn hẳn

Tuy nhiên, sợi nhựa kích thước 1.75mm không mang lại

ưu thế vượt trội hơn hẳn so với loại 3mm, mỗi loại sẽ có

những ưu nhược điểm riêng

VẬT LIỆU

Chỉ tiêu ABS PLA

VẬT LIỆU

ƯU - NHƯỢC ĐIỂM

- Vật liệu dễ kiếm

- Dễ thay vật liệu, có thể là vật liệu chất dẻo

- Giá bảo trì thấp

- Những vật mỏng làm ra rất nhanh

- Dung sai cỡ +/- 0.005”

- Không cần phải giám sát

ƯU ĐIỂM

- Vật liệu không độc

- Kích thước nhỏ gọn

- Nhiệt độ gia công thấp

- Nhanh và rẻ

- Khơng cần quan tâm đến các chất thải độc hại,

lasers hoặc các chất lỏng hóa học trong bể chứa

ƯU - NHƯỢC ĐIỂM

ƯU ĐIỂM

- Giữa các lớp có vết gẫy

- Đầu phun phải di chuyển liên tục, nếu không vật

liệu sẽ đùn lên

- Cần phải có sự gia cố

- Độ chính xác bị giới hạn do hình dáng của vật liệu

sử dụng, đđường kính của day là 1,27 mm

ƯU - NHƯỢC ĐIỂM

NHƯỢC ĐIỂM

- Kém cứng vững theo phương vuông góc với trục xây

dụng

- Diện tích mặt cắt càng lớn thời gian xây dựng mô hình

càng lâu

- Độ bền của chi tiết thì yếu theo phương vuông góc với

trục tạo sản phẩm Nếu đầu đùn không di chuyển đồng bộ

thì có thể có chỗ bị lồi trong một số mặt cắt ngang

- Độ bền cơ học bị giới hạn

ƯU - NHƯỢC ĐIỂM

NHƯỢC ĐIỂM

SO SÁNH VỚI CÁC PHƯƠNG PHÁP

KHÁC

HÃNG Genisys™

- Nguyên tắc: Đùn nhựa nóng

chảy thông qua hệ thồng đầu

phun (tương tự máy FDM )

- Nguyên tắc: Ứng dụng trong việc nóng chảy sáp dùng trong

công nghệ ink jet, Tốc độ cắt mỗi lớp là không đổi theo

phương z, Hai vật liệu: sản phẩm và phần đỡ

- Đặc tính: Độ chính xác cao, Dùng tạo mẫu, hoặc lõi trong

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

• Các nhà nghiên cứu IFAM (Frauhofer Institute of Applied

Materials Research) sử dụng quá trình mô hình nóng

chảy lắng (FDM) của hãng Stratasys để tạo nên các chất

nền Quá trình này gần giống như làm ngược các chi tiết

yêu cầu bằng cách sử dụng quá trình mạ điện mà không

tạo ra nhiệt hoặc ứng suất trên kim loại, sử dụng cho

mặt lưng của chi tiết Sau khi tạo một lớp kim loại trên

bề mặt lưng, chi tiết được điền đầy bằng vật liệu Epoxy

nhôm bằng cách phun lên vật liệu để tạo thành khuôn

phun có chiều dầy 3mm giữa khuôn và phần rót Sử

dụng quá trình hóa rắn chọn lọc bằng tia laser, các nhà

nghiên cứu của IFAM đã chế tạo khuôn với bột

Electrolux và sau đó điền đầy với PbAg2Sn2 Điều này

cho phép tạo nên một lượng lớn các chi tiết được sản

xuất từ dụng cụ.

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

• Sự phát triển của máy móc mà được thiết kế

cho sản xuất nhanh sẽ làm giảm sự đóng góp

của chi phí máy móc tới các chi phí sản xuất

thành phần tổng hợp vượt quá thời gian Từ đây

một quá trình giảm đáng kể trong chi phí máy

móc bằng cách mô phỏng theo máy thêu kết

bẳng laser cho việc sản xuất một khối lượng lớn

của khuôn mẫu Hơn nữa việc thu nhỏ kinh tế sẽ

đến như sản xuất nhanh phát triển rộng rãi hơn,

điều đó sẽ giảm chi phí cho cả máy móc và vật

liệu Các kết quả của một chu kỳ dài giống nhau

chỉ ra rằng chi phí nhân công sẽ bao gồm việc

gia tăng thành phần của chi phí sản xuất tạo bởi

sản xuất nhanh nhưng việc tự động hòan thành

có thể làm giảm điều này

ỨNG DỤNG