Công ngh t o m u nhanh
Khoa C khí, i h c Nha Trang, Khánh Hòa, Vi t Nam
MES
Engineering Reviews
http://meslab.org
Tóm t t
S phát tri n c a t o m u nhanh (Rapid Prototyping- RP) có quan h m t thi t v i s phát tri n ng d ng c a máy tính trong công nghi p Vi c gi m giá thành c a các lo i máy tính, đ c bi t là máy tính cá nhân và máy tính mini đã làm thay đ i ph ng th c làm
vi c các phân x ng c a các nhà máy
Vi c gia t ng s d ng máy tính đã thúc đ y d ti n b trong nhi u l nh v c liên quan đ n máy tính bao g m thi t k (CAD–Computer Aided Design), ch t o (CAM–Computer Aided Manufacturing), gia công đi u khi n s nh máy tính (CNC – Computer Numerical Control) C th , s n i lên c a h th ng RP không th thi u s hi n di n c a CAD Tuy nhiên t các nghiên c u trên hàng lo t các h th ng RP ngày nay, có th th y r ng ngoài CAD, nhi u công ngh và các ti n b k thu t khác nh các h th ng ch t o và v t li u
c ng có tính quy t đ nh đ n s phát tri n c a h th ng RP
1 Gi i thi u
Có th hi u t o m u nhanh là quá trình
t o m u s n ph m giúp cho nhà s n xu t
quan sát nhanh chóng s n ph m cu i
cùng Quá trình này s d ng các thi t b
RP nh nh ng máy in ba chi u cho phép
ng i thi t k chuy n nh ng d li u
CAD 3D thành nh ng m u th c m t
cách nhanh chóng Tùy thu c vào kích
th c và đ ph c t p c a m u mà th i
gian đ t o ra m t m u m i ch m t
kho ng t 3 – 72 gi , th m chí ít h n
Nh v y, so v i vi c t o m u b ng máy
truy n th ng – th ng m t t nhi u tu n
đ n nhi u tháng – thì vi c t o m u b ng
RP nhanh h n r t nhi u Do m t ít th i
gian nên RP giúp cho nhà s n xu t
nhanh chóng đ a s n ph m ra th tr ng
và gi m chi phí s n xu t ó c ng là u
đi m n i b t c a quá trình t o m u
nhanh
Hình 1: K thu t viên thao tác trên h th ng RP
2 Ba th i k c a quá trình t o m u
Quá trình t o m u đ c phân ra làm ba
th i k Hai th i k sau ch m i ra đ i trong kho ng 20 n m tr l i đây T ng
t nh quá trình t o m u trên máy vi tính, tính ch t v t lý c a m u ch đ c nghiên
c u phát tri n trong th i k th ba
2.1 Th i k đ u :
Trang 2Th i k t o m u b ng tay.Th i k đ u
tiên ra đ i cách đây vài th k Trong
th i k này, các m u đi n hình không có
đ ph c t p cao và ch t o m t m u
trung bình m t kho ng 4 tu n Ph ng
pháp t o m u ph thu c vào tay ngh và
th c hi n công vi c m t cách-c c-k
-n -ng nh c
2.2 Th i k th hai
Th i k ph n m m t o m u hay t o m u
o Th i k th hai c a t o m u phát
tri n r t s m, kho ng gi a th p niên
70.Vi c ng d ng CAD/CAE/CAM đã
tr nên r t ph bi n Ph n m m t o m u
s phác h a trên máy vi tính nh ng ý
t ng m i Các m u này đ c x lý nh
m t mô hình v t lý: đ c ki m tra, phân
tích c ng nh đo ng su t và s đ c
hi u ch nh cho phù n u ch a đ t yêu c u
Ch ng h n, vi c phân tích ng su t và
s c c ng b m t ch t l ng có th d
đoán chính xác đ c vì có th xác đ nh
chính xác các thu c tính và tính ch t c a
v t li u H n n a, các m u trong th i k
này tr nên ph c t p h n nhi u so v i
th i k đ u (kho ng trên hai l n) Vì th ,
th i gian yêu c u cho vi c t o m u có
khuynh h ng t ng lên kho ng 16 tu n,
tính ch t v t lý c a m u v n còn ph
thu c vào các ph ng pháp t o m u c
b n tr c Tuy nhiên, vi c v n d ng các
máy gia công chính xác đã c i thi n t t
h n các tính ch t v t lý c a m u
Cùng v i s ti n b trong l nh v c t o
m u nhanh trong th i k th ba, có s
tr giúp r t l n c a quá trình t o m u o
Tuy nhiên, v n còn tranh cãi v nh ng
gi i h n c a công ngh t o m u nhanh
nh : S gi i h n v v t li u (ho c b i vì
chi phí cao ho c cách s d ng cho t ng
v t li u không gi ng nhau đ t o chi ti t)
2.3 Th i k th ba:
Th i k c a quá trình t o m u nhanh Tính ch t v t lý t ng ph n c a s n ph m trong quá trình t o m u nhanh c ng
đ c bi t đ n Quá trình t o m u r ng thích h p cho vi c s n xu t trên bàn nâng hay công ngh s n xu t l p Công ngh này th hi n quá trình phát tri n t o
m u trong th i k th ba Vi c phát minh ra các thi t b t o m u nhanh là
m t d u m c quan tr ng Nh ng phát minh này đã đáp ng đ c yêu c u c a
gi i kinh doanh trong th i k này: gi m
th i gian s n xu t, t ng đ ph c t p c a
m u, và gi m chi phí th i đi m này
ng i dùng yêu c u các s n ph m ph i đáp ng c v ch t l ng l n m u mã, nên m c đ ph c t p c a chi ti t c ng
t ng lên, g p ba l n m c đ ph c t p mà các chi ti t đã đ c làm vào nh ng n m
70 Nh ng nh vào công ngh t o m u nhanh nên th i gian trung bình đ t o thành m t chi ti t ch còn l i 3 tu n so
v i 16 tu n th i k th hai N m 1988,
h n 20 công ngh t o m u nhanh đã
đ c-nghiên-c u
Hình 2: Thi t b RP c a th i k th ba
3 N n t ng c a quá trình t o m u nhanh
Trang 33.1 M u hay m t b ph n chi ti t đ c
thi t k trên h th ng CAD/CAM
M u ph i th hi n đ y đ tính ch t v t
lý nh s n ph m th t th hi n b ng
nh ng m t cong khép kín v i kích th c
gi i h n rõ ràng Do đó, ph i xác đ nh
các d li u bên trong, bên ngoài và c
ph m vi gi i h n c a m u Tuy nhiên,
yêu c u này không c n thi t đ i v i mô
hình d ng kh i Các mô hình d ng kh i
s t đ ng gi i h n th tích Yêu c u này
đ m b o r ng t t c các m t c t ngang
đ u là nh ng đ ng cong kín đ t o ra
kh i v t th
3.2 Mô hình d ng kh i hay mô hình b
m t s đ c chuy n sang file đ nh d ng
“ STL” (StereoLithography) mà các
file này kh i đ u các h th ng 3D
File đ nh d ng STL x p x các b m t
d i d ng các đa giác Các m t cong b c
cao ph i dùng r t nhi u đa giác, đi u này
có ngh a là các file STL dùng cho các
chi ti t m t cong ph i có dung l ng r t
l n Tuy nhiên có m t vài h th ng t o
m u nhanh ch ch p nh n các d
li u IGES (Initial-Graphic-Exchange
Specification) đ cung c p chính xác các
đ c tính
3.3 Máy tính phân tích file STL đ xác
đ nh rõ ràng mô hình cho s n xu t và
các l p m ng trên m t c t ngang.
B m t c t ngang đ c t o ra theo
ph ng pháp h d n xu ng trong su t
quá trình hóa c ng c a ch t l ng hay b t
và sau đó k t h p thành m u 3D M t
kh n ng khác là b m t c t ngang có th
là nh ng l p m ng hay d ng kh i,
nh ng l p m ng có th đ c liên k t v i
nhau đ hình thành nên m t m u 3D
Các ph ng pháp t o m u t ng t khác
c ng có th dùng cho công vi c t o m u
Nói m t cách khác, s phát tri n c a quá trình t o m u nhanh đ c th hi n qua
b n m t c b n: d li u vào, ph ng pháp t o m u nhanh, v t li u và các ng
d ng
- D - li u - vào:
D li u 3D cung c p đ c chuy n đ n
b ng các tín hi u đi n t theo yêu c u đ
mô t các v n đ có liên quan đ n v t th
Có th b t đ u t hai d ng mô hình sau:
mô hình trên máy tính hay m t mô hình
t v t th H th ng CAD đã t o ra mô hình trên máy tính d ng m t hay d ng
kh i m t khía c nh khác, không ph i
t t c các mô hình t v t th đ u rõ ràng
D li u c a nó thu đ c b ng m t
ph ng pháp g i là k thu t ng c Trong k thu t ng c, có th s d ng các thi t b nh : máy đo t a đ và bút v
b ng-laser
- Ph ng pháp t o m u nhanh:- -
Tùy t ng ph ng pháp x lý c a nhà s n
xu t mà ta có th phân tích thành m t s
d ng nh : x lý quang hóa (Photo-curing), c t và dán liên k t (Cutting and Glucing/Joining), nóng ch y và đông đ c (Melting and Solidifying/Fusing),…
Vi c x lý quang hóa còn có th phân tích thành t ng nhóm nh : chùm laser
đ n , chùm laser đôi và đèn m
- V t li u: - - Tùy thu c vào nh ng nét đ c tr ng c a
v t li u ta có th l a ch n v t li u: d ng
kh i, d ng l ng hay d ng b t d ng
kh i, có th có các hình th c khác nhau
nh là: viên, dây hay phi n m ng M t
s v t li u hi n đang đ c s d ng nh :
gi y, nilon, nh a, sáp, kim lo i, g m, …
Trang 4Hình 3: RP có th t o các hình kh i ph c t p
4 Phân lo i: -
Do có nhi u ph ng di n s n xu t nên
hình thành nhi u lo i h th ng t o m u
nhanh trên th tr ng, đ phân lo i m t
cách bao quát các h th ng t o m u
nhanh, chúng ta d a trên c s v t li u
s n xu t V i ki u phân lo i này, t t c
các h th ng t o m u nhanh có th d
dàng phân thành ba lo i
-:
- D a trên c s v t li u d ng l ng
- D a trên c s v t li u d ng kh i
- D a trên c s v t li u d ng b t
4.1 Ph ng pháp RP d a trên c s
v t li u d ng l ng:
-
Các h th ng t o m u nhanh d a trên c
s v t li u l ng b t đ u v i v t li u
tr ng thái l ng Quá trình t o m u là m t
quá trình l u hóa, v t li u chuy n đ i t
tr ng thái l ng sang tr ng thái r n Sau
đây là m t s h th ng thi t b t o m u
nhanh d a trên c s v t li u d ng l ng:
1 Thi t b t o m u l p th SLA c a 3D
Systems
2 Thi t b x lý d ng kh i SGC c a
Cubital
3 Thi t b t o m u d ng kh i SCS c a Sony
4 Thi t b in s d ng tia t ngo i t o v t
th d ng kh i SOUP c a Misuibishi
6 Thi t b t o nh kh i c a Teijin Seiki
7 Thi t b t o m u nhanh c a Meiko cho ngành công nghi p đ trang s c
8 Thi t b t o m u nhanh SLP c a Denken
9 Thi t b t o m u nhanh COLAMM c a Mitsui
10 Thi t b t o m u nhanh LMS c a Fockele và Schwarze -
11 Thi t b điêu kh c b ng ánh sáng
12 Thi t b hai chùm tia laser
4.2 Ph ng pháp RP d a trên c s
v t li u d ng kh i:
Các h th ng t o m u nhanh v i v t li u
c b n d ng kh i có liên quan đ n t t c các hình th c v t li u d ng kh i bao
g m các d ng: dây, cu n, lá m ng và
d ng viên Sau đây là m t s h th ng
t o m u nhanh tiêu bi u cho ph ng pháp này:-
-
1 Thi t b t o l p m ng LOM c a Helisys
2 Thi t b phun nhi u l p FDM c a Stratasys
3 Thi t b d p nóng có s d ng ch t liên
k t SAHP c a KiRa -
Trang 54 Thi t b t o m u nhanh c a Kinergy
5 Thi t b t o m u nhi u đ u phun MJM
c a 3D System -
6 H th ng t o m u nhanh RPS c a
IBM
7 Thi t b t o m u MM-6B c a công ty
Sanders Prototype -
8 Thi t b t o m u nhanh Hot Plot c a
Sparx AB’s -
9 Thi t b t o m u nhanh Laser CAMM
c a Scale Model Unlimited
4.3 Ph ng pháp RP d a trên c s
v t li u d ng b t:
-
Trong kh n ng đ c gi i h n, tr ng thái
b t v n còn đ c xem nh tr ng thái
kh i Tuy nhiên, nó đ c t o ra trên ý
t ng v m t lo i thi t b không ph
thu c vào h th ng t o m u nhanh v t
li u tr ng thái kh i c s Các h th ng
t o m u nhanh đ c tr ng cho ph ng
pháp này:====== -
1 Thi t b thiêu k t b ng laser SLS c a
DTM
2 Thi t b đúc khuôn v m ng tr c ti p
DSPC c a Soligen -
3 Thi t b đ nh hình nhi u giai đo n hoá
c ng MJS c a Fraunhofer -
4 H th ng các thi t b EOSINT c a
EOS
5 Thi t b in phun (Ink-Jet) hay còn g i
là BPM c a BPM Technology -
6 Thi t b in ba chi u 3DP c a MIT
5 ng d ng -
5.1 úc khuôn v m ng -
úc khuôn v m ng là m t quá trình đúc chính xác đ ch t o là nh ng chi ti t có hình dáng s c c nh t các h p kim Hi u
qu ch y u khi áp d ng ph ng pháp
t o m u nhanh trong công ngh đúc khuôn v m ng là kh n ng t o ra m u
có đ chính xác cao, chi phí th p và th i gian đ t o m u ng n
5.2 Ch t o d ng c
-
Ng i ta ng d ng công ngh t o m u nhanh trong ch t o d ng c nh đi n
c c trong gia công tia l a đi n, ch t o các khe h ho c ru t c a khuôn phun
nh a, ng d n h th ng đi u hòa nhi t
đ ,…
5.3.T o m u nhanh trong ch t o s n
xu t
T o m u nhanh có th đ c s d ng cho
ch t o s n ph m Cùng m t s n ph m
nh nhau có th có các đ ng c khác nhau và nh ng nét k thu t khác nhau Các nét k thu t khác nhau có th đ n
gi n nh s khác nhau v v t li u, nút
b m, phích c m đi n, hay là màu s c
ho c c ng có th ph c t p nh s khác nhau c u t o bên trong Nh ng khác
bi t đó là c n thi t đ ph c v cho yêu
c u riêng c a ng i s d ng ho c đ phân bi t nó Thêm n a th i gian t n t i
c a s n ph m đang tr nên ng n h n
bu c ng i thi t k phát tri n nh ng s n
ph m m i trong m t kho ng th i gian
ng n Trong quá trình phát tri n, m t
v n đ g p ph i là s l a ch n m t trong hai vi c là: kéo dài th i gian phát tri n
ho c t ng ngu n l c s n xu t đ cho k p
th i h n Trong hoàn c nh nh v y, th i
Trang 6gian bán s n ph m tr thành nhân t
quy t đ nh kh n ng l i nhu n
Th c tr ng này đòi h i nh ng thay đ i
nh th nào trên s n ph m đ c phát
tri n Các nhóm khác nhau nh : nhóm
thi t k , k thu t, ti p th và nhóm s n
xu t ph i h p tác ch t ch h n n a cùng
h ng v m t m c tiêu chung và ho t
đ ng th ng nh t v i nhau M c tiêu ph i
rõ ràng cho các nhóm có liên quan N u
s c ng tác có hi u qu s tránh đ c
nh ng v n đ trong vi c truy n đ t
thông tin T o m u nhanh cho m t mô
hình v t lý có th s d ng đ c ngay
nh là m t mô hình CAD 3D có s n Mô
hình v t lý là m t công c truy n đ t
thông tin hoàn h o N u hình nh b ng
m t ngàn l i nói thì mô hình v t lý b ng
m t ngàn hình nh Thêm n a các v t
th ch t o b ng t o m u nhanh ngày
càng đ c s d ng th ng xuyên đ
ki m tra ch c n ng và có th ki m tra
tr c khi s n xu t hàng lo t B ng cách
đó ng i ta có th k p th i phát hi n các
l i giai đo n khi mà s thay đ i ch a
t n kém l m Nh ng yêu c u tinh t và
d hi u h n d n t i nh ng s n ph m t t
h n, đáp ng đ c đòi h i c a th tr ng
Ng i ta c l ng n u vi c s d ng
ph ng pháp t o m u nhanh có hi u qu ,
th i gian phát tri n cho các công c có
th gi m m t n a
—
Hình 4: RP đáp ng nhanh nhu c u s n xu t
5.4.T o m u nhanh v i các công ngh truy n th ng
-T o m u nhanh s không thay th hoàn toàn các công ngh truy n th ng nh :
NC và cán t c đ cao ho c ngay c
nh ng ph n làm b ng tay, đúng h n nên coi t o m u nhanh là m t s l a ch n trong công c đ ch t o các b ph n
Ng i ta cho r ng b ph n có th đ c
ch t o v i nh ng yêu c u v v t li u và dung sai tr c không chu n, nh ng y u t này ph thu c l n nhau T o m u nhanh cho th y l i th rõ ràng ph i sao chép nhi u l n b ph n ph c t p Ngoài ra, không th xác đ nh chính xác
s ph c t p c a b ph n Nh ng ch c
ch n bao g m nh ng thành ph n sau: kích c , mô hình, chi u cao, đ d y và
t ng s b m t trong mô hình CAD, yêu
c u v dung sai, ki u c a h th ng CAD dùng đ t o công c -
-
5.5 T o m u nhanh trong nh ng ng
d ng y h c -
ng d ng ph ng pháp t o m u nhanh trong y h c là m t l nh v c m i Nhi u
ng d ng đã tr nên r t quan tr ng do s
h i t c a ba công ngh riêng bi t đó là: hình nh n i soi, đ h a đi n toán, CAD
và t o m u nhanh CT (Computer-Assisted Tomography) và URI (Magnectic Resonance Imaging) cung
c p nh ng hình nh đ gi i quy t t t
nh ng c u trúc bên trong c a c th con
ng i Ví d các c u trúc c a x ng và các c quan Nh ng hình nh này đ c
x lý b ng nh ng công c ph n m m thích h p Nó có th chuy n k t qu cho quá trình t o m u nhanh và t o ra v t th
v t lý, mô hình này đ c g i là mô hình
y h c sau đây là m t s hình nh v t o
s ng i b ng RP
Trang 7Hình 5: ng d ng RP trong Y h c
Cùng v i vi c đó, nh ng công ngh này
cung c p cho bác s và nhà ph u thu t
nh ng công c m i Nh ng mô hình v t
lý c a c u trúc bên trong là c s đ h i
ch n và chu n b cho nh ng tr ng h p
ph u thu t ph c t p m t cách t t h n
N u nh ng cu c ph u thu t có th đ c
th c hi n thành công nhi u h n thì chi phí đi u tr và chi phí m gi m xu ng, thêm n a nó s gi m đ c nh ng r i ro,
gi m đ c n i đau đ n c a ng i b nh,
c i thi n ch t l ng c a k t qu công
vi c
L u ý: Bài vi t đ c biên t p và thi t k b i MES Engineering Reviews, b n quy n thu c MES Lab và tác gi Ghi rõ ngu n http://meslab.org khi b n phát hành l i file này
MES Lab s h u trang tin http://meslab.org và Di n đàn http://meslab.org/forum c a
C ng đ ng K s V t li u và C khí Vi t Nam
Hãy gia nh p Di n đàn c a chúng tôi ngay hôm nay đ cùng chia s các v n đ chuyên môn B n luôn đ c hoan nghênh !