đồ án công nghệ in 3d

In 3D Là Gì Công nghệ in 3D là một thuật ngữ khác được dùng để chỉ công nghệ sản xuất đắp dần vật liệu, là một nhánh nhỏ của công nghệ tạo mẫu nhanh được phát minh từ những năm 1980s.. L

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP.HCM

Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy

Đề tài Tìm hiểu về công nghệ in 3D

Lớp thứ 2 tiết 7-8-9

Gv Phan Thanh Vũ Tp.HCM, ngày tháng năm 2018

Thành viên nhóm

Nguyễn Công Công 15144101 Nguyễn Quốc Dũng 15144115

Võ Thanh Khang 15144159 Phạm Quang Bình 15144095 Nguyễn Quốc Tĩnh 15144227

Mục lục

II. Các phương pháp in 3D phổ biến hiện nay 4

III. Phạm vi ảnh hưởng và ứng dụng của công nghệ 6

I Giới thiệu công nghệ in 3D

1. In 3D Là Gì

Công nghệ in 3D là một thuật ngữ khác được dùng để chỉ công nghệ sản xuất đắp dần vật liệu, là một nhánh nhỏ của công nghệ tạo mẫu nhanh được phát minh từ những năm 1980s

In 3D là công đoạn tạo mô hình vật lý ( mẫu thật ) từ mô hình số ( file thiết kế 3D trên máy tính ) một cách tự động thông qua các máy in 3D

Hình 1 Máy in 3D và các mẫu nhựa đã được in

2. Lịch sử phát triển

Hình 2 Lịch sử phát triển công nghệ in 3D

1984 Charles Hull phát triển công nghệ có thể tạo ra được một vật thể hữa hình vật lý 3D từ các dữ liệu số

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 tiên được gọi là Stereolithography Apparatus (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 in 3D đầu tiên được giới thiệu ra công chúng

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

1989 – Scott Crump thành lập Stratasys

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

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

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

1993 – Công ty Solidscape được thành lập để chế tạo ra dòng máy in 3d dựa trên công nghệ in phun , máy có thể tạo ra những sản phẩm nhỏ với chất lượng bề mặt rất cao

1993 – Viện Công nghệ Massachusetts Institute of Technology (MIT) đăng ký phát minh “3 Dimensional Printing techniques (3DP)” Công nghệ này giống với công nghệ máy in phun 2d bình thường Đây cũng là khởi điểm của cụm từ ”In 3D”

1995 – Công ty Z Corporation đã mua lại giấy phép độc quyền từ MIT để sử dụng công nghệ 3DP và bắt đầu sản xuất các máy in 3d

1996 – Stratasys giới thiệu dòng máy in 3d ”Genisys” Cùng năm nàyZ 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 máy tạo mẫu nhanh

3. Đặc điểm chung

Mô hình 3D in có thể được tạo ra với một máy tính và phần mềm thiết kế hỗ trợ (CAD) gói hoặc thông qua một máy quét 3D hoặc thông qua một máy ảnh kỹ thuật số

và đồng bằng trắc phần mềm Bất kể phần mềm mô phỏng 3D nào được sử dụng, các

mô hình 3D sau đó cần phải được chuyển đổi sang file.STL - Standard Tessellation Language, để cho phép phần mềm in để có thể đọc nó

Khi đã xong, file.STL cần phải được xử lý bởi một phần mềm Khi đã xong, file.STL cần phải được xử lý bởi một phần mềm, chuyển đổi các mô hình thành một loạt các lớp mỏng và tạo ra một tập tin G-code có chứa các hướng dẫn phù hợp với một loại hình cụ thể của máy in 3D Tập tin G-code này sau đó được lấy dữ liệu để đưa vào máy in để in sản phẩm

Hình 3.Trình tự quá trình in 3D

II. Các phương pháp in 3D phổ biến hiện nay

1. FDM –Fused Deposition Modeling

Fused Deposition Modeling, là một công nghệ in 3D thường được sử dụng cho ứng dụng tạo mô hình, tạo mẫu và sản xuất

FDM hoạt động trên một nguyên tắc "thêm vào" bằng cách cho các vật liệu nằm thành từng lớp Một sợi nhựa hoặc dây kim loại được tháo ra từ một cuộn dây và nguồn cung cấp vật liệu cho một vòi phun mà có thể đóng ngắt dòng vật liệu Các vòi phun được làm nóng để làm tan chảy các vật liệu và có thể được di chuyển theo cả hướng ngang

và dọc bằng một cơ chế điều khiển số, điều khiển trực tiếp bởi một gói phần mềm sản xuất được hỗ trợ bởi máy tính (CAM) Các mô hình hoặc bộ phận được sản xuất bằng cách đùn các hạt nhỏ vật liệu nhựa nhiệt dẻo để tạo thành các lớp khi các vật liệu cứng ngay sau khi phun ra từ vòi phun Động cơ bước hoặc động cơ servo thường được sử dụng để di chuyển đầu phun

Hình 4 Phương pháp in 3D bằng Fused Deposition Modeling

2. SLA –Stereolithography

Nguyên lý hoạt động của công nghệ in 3D SLA Bằng cách kết hợp giữa tia UV (ultraviolet) của lazer và và đặc tính của nhựa photopolymer ( loại nhựa nhạy sáng với tia UV, khi có tia UV chiếu vào nó sẽ đông cứng lại) Với sự trợ giúp của máy tính

sẽ đưa tín hiệu di chuyển hệ thống quét (Scaner System), để vẽ từ một thiết kế có sẵn hoặc hình dạng trên bề mặt của photopolymer Từ đó vật thể sẽ sẽ đông cứng lại theo từng lớp (Layer of Solidified Resin) Việc đắp lớp dần dần này sẽ giúp tạo ra vật thể 3D hoàn thiện

Hình 5 Mô phỏng phương pháp SLA

3. SLS - Selective laser sintering

Phương pháp SLS sử dụng tính chất của vật liệu bột là có thể hóa rắn dưới tác dụng của nhiệt (như nylon, elastomer, kim loại) Một lớp mỏng của bột nguyên liệu được trải trên bề mặt của xy lanh công tác bằng một trống định mức Sau đó, tia laser hóa rắn (kết tinh) phần bột nằm trong đường biên của mặt cắt (không thực sự làm chảy chất bột), làm cho chúng dính chặt ở những chỗ có bề mặt tiếp xúc Trong một số trường hợp, quá trình nung chảy hoàn toàn hạt bột vật liệu được áp dụng Quá trình kết tinh có thể được điều khiển tương tự như quá trình polymer hoá trong phương pháp tạo hình lập thể SLA Sau đó xy lanh hạ xuống một khoảng cách bằng độ dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu được đưa vào và quá trình được lặp lại cho đến khi chi tiết được hoàn thành

Trong quá trình chế tạo, những phần vật liệu không nằm trong đường bao mặt cắt sẽ được lấy ra sau khi hoàn thành chi tiết, và được xem như bộ phận phụ trợ để cho lớp mới được xây dựng Điều này có thể làm giảm thời gian chế tạo chi tiết khi dùng phương pháp này Phương pháp SLS có thể được áp dụng với nhiều loại vật liệu khác nhau: Policabonate, PVC, ABS, nylon, sáp,… Những chi tiết được chế tạo bằng phương pháp SLS tương đối nhám và có những lỗ hỗng nhỏ trên bề mặt nên cần phải

xử lý sau khi chế tạo (xử lý tinh)

Hình 6 Phương pháp SLA

III. Phạm vi ảnh hưởng và ứng dụng của công nghệ

Ngày nay, công nghệ in 3D được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

1. Y khoa và nha khoa

Y khoa nha khoa coi là ứng dụng hàng đầu cũng như tiềm năng với công nghệ in 3d Ngoài in các mô hình để nghiên cứu người ta còn sử dụng để thay các bộ phận trên cơ thể của bệnh nhân bị tai nạn hoặc khuyết tật Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật Hiện tại người ta đang nghiên cứu để in 3d xương và tế bào…

Với quy trình chế tạo răng, răng của bệnh nhân sẽ được quét ngay trong vòm miệng và

số hóa, sau đó dữ liệu được đăng tải lên máy tính và email đến một phòng thí nghiệm nha khoa để tiến hành tạo hình một cầu răng bằng sứ mới Qua phương thức này, răng giả sẽ được tạo ra với độ chính xác cao hơn và nhanh hơn Đồng thời, bệnh nhân sẽ không còn phải chịu đựng sự đau đớn, mùi hôi hám và thiếu thẩm mỹ của vật liệu đúc

và trám truyền thống

Ngoài ra, công nghệ in 3D cũng mang lại một sự thay đổi lớn trong quy trình sản xuất

và điều chỉnh bộ phận chân tay giả

Nhà thiết kế công nghiệp Scott Summit - đồng sáng lập Bespoke Innovations

2. Hàng không vũ trụ

In ấn các chi tiết nhỏ trong máy bay và còn giúp in thêm các phụ tụng của động cơ phản lực Ngoài ra, boeing dang nghiên cứu in cả 1 tấm cánh máy bay bẳng công nghệ in 3d

In 3D đang dần cũng cố kỹ thuật cũng như công nghệ của ngành hàng không

vũ tru:

Giản thiểu nhiên liệu, tang năng suất

Giản thiểu rủi ro cung ứng và tối đa hóa linh hoạt

Loại bỏ chi phí cho các bộ phận nhỏ trong hệ thống

3 Sản xuất ô tô

Trong khi việc sử dụng IN 3D trong sản xuất ô tô không phải là mới, gần đây có nhiều báo cáo của Ford về việc sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất mẫu cho một số xe của hãng này, tham vọng lớn trong việc áp dụng công nghệ in 3D đối với vật liệu kim loại,

có nghĩa là trong tương lai gần, hãng xe này sẽ có thể sử dụng bộ phận được in 3D như các bộ phận chức năng làm việc trong xe

Đặc biệt, công nghệ in 3D đối với kim loại mà Audi đã đang thử nghiệm với ý tưởng sản xuất các bộ phận có hình dạng phức tạp mà tốn nhiều thời gian và chi phí để sản xuất thông qua các phương pháp truyền thống như đúc Các chi tiết in 3D, được làm từ bột kim loại tốt bao gồm các hạt thép và nhôm, nhỏ hơn một nửa bề dày của sợi tóc người, dày hơn chi tiết đúc

Công nghệ in 3D cho cho phép ta hoàn toàn tự do thiết kế Việc in 3D bằng kim loại có thể sản xuất chi tiết có khả năng tùy chỉnh cao với các chức năng được cải tiến mà không thể đạt được bằng các phương pháp truyền thống Hơn nữa, sự nung chảy bằng tia laser đặc biệt cho phép sản xuất các chi tiết cần tiện lỗ và tiện rãnh trong, thành mỏng và khoảng trống bị khuất Tính linh hoạt này không thể đạt được bằng các phương pháp sản xuất truyền thống

4. Nghệ thuật và điêu khắc

Khi kết hợp với công nghệ scan 3d, in 3d sẽ giúp con người dựng lại và nhân bản nhanh chóng mô hình của chi tiết khảo cổ, cổ vật giá trị

Ngoài ra in 3d còn giúp khơi nguồn sáng tạo cho các nhà điêu khắc

5. Đúc kim hoàn

Đối với nghề kim hoàn, in 3D đã được chứng minh là một công nghệ mang tính đột phá Có rất nhiều ý tưởng, lợi ích được tận dụng dựa trên những gì công nghệ in 3D có thể làm được, đang và sẽ đóng góp rất nhiều cho sự phát triển của ngành nghề kim hoàn Từ quyền tự do thiết kế trang sức được hỗ trợ bởi các phần mềm vẽ 3D CAD, công nghệ in 3D cải thiện quy trình chế tác nữ trang truyền thông, bằng việc trực tiếp tạo ra sáp nữ trang đúc trực tiếp, loại bỏ 1 số quy trình cũ Công nghệ in 3D đã và sẽ tiếp tục tác động lớn đến lãnh vực kim hoàn

6. Giáo dục

In 3D cũng có những ứng dụng thiết thực trong giáo dục, đặc biệt liên quan đến các môn học khoa học, công nghệ, kỹ thuật và kỹ năng toán học Sinh viên có thể thiết kế

và sản xuất các sản phẩm trong lớp học và có cơ hội thử nghiệm các ý tưởng, vừa học vừa làm với máy in 3D

7. Kiến trúc và xây dựng

Dù mới chỉ ở giai đoạn đầu tiên nhưng đã có rất nhiều nỗ lực được thực hiện thành công trong việc xây dựng các toà nhà bằng các máy in 3D khổng lồ Vật liệu phổ biến nhất cho in xây dựng là nhựa, bê tông và cát Phương pháp in 3D trong xây dựng có thể mang lại những cải tiến đáng kể về chất lượng, tốc độ, chi phí, đặc biệt là trong chi phí lao động, cải thiện tính linh hoạt, đảm bảo an toàn xây dựng và giảm các tác động môi trường Ý tưởng xây nhà trên mặt trăng bằng in 3D đã xuất hiện tại một số trung tâm nghiên cứu trên thế giới Công nghệ sản xuất đắp dần hay in 3D cho phép sáng tạo, chỉnh sửa một cách dễ dàng theo ý của khách hàng trong thiết kế kiến trúc và xây dựng thực tế

IV. Các loai máy in 3d phổ biến

1. Cartesian

Là các máy in 3D di chuyển đầu đùn nhựa nhờ các chuyển động theo phương X, Y, Z trong hệ tọa độ Cartesian Đại diện tiêu biểu dòng máy in 3D mã nguồn mở loại Cartesian chính là Prusa i3 hay Mendel

Ưu điểm:

– Lắp ráp, căn chỉnh và bảo dưỡng dễ dàng

– Cộng đồng mã nguồn mờ lớn

– Phù hợp với người mới bắt đầu làm quen công nghệ in 3D

Nhược điểm:

– Khối lượng các cơ cấu đi động lớn, nên tốc độ in không cao và gây ồn

– Khi hoạt động máy thường bị rung và do vậy làm giảm độ chính xác

– Kích thước ngang lớn, thường bị hạn chế chiều cao vật in

2. Delta

Là các máy in 3D di chuyển đầu đùn nhựa theo nguyên lý của robot delta (robot song song) Đại diện tiêu biểu cho dòng máy in mã nguồn mở dạng Delta là Delta robot 3D printer (Kossel)

Ưu điểm:

– Khối lượng các cơ cấu di động nhỏ và một phần di chuyển theo các trục thẳng đứng – Hoạt động êm, ít rung, tốc độ cao và chính xác

– Có thể in được vật in có chiều cao lớn

– Bàn nhiệt (nơi đặt vật in) không di chuyển trong suốt quá trình in nên vật in được giữ chắc chắn hơn

– Khung bệ chắc chắn

Nhược điểm:

– Lắp ráp, căn chỉnh máy hơi phức tạp (tuy nhiên khi đã thạo rồi thì rất dễ)

– Chiều cao của máy lớn (thường tới 60-70 cm)

– Thường đắt hơn một chút so với máy dạng Cartesian

3. Polar

Loại máy in 3D này mới và ít phổ biến hơn hai loại trên Đầu đùn nhựa di chuyển theo nguyên lý của tọa độ cực

Ưu điểm:

– Kiểu dáng mới

– Máy hoạt động ít bị rung lắc như kiểu Cartesian

Kích thước vật in có thể lớn

Nhược điểm:

– Momen quán tính của bàn nhiệt lớn

– Tốc độ in không cao

– Lắp ráp và căn chỉnh máy khó

– Giá thành cao

Những công ty có trình độ công nghệ kĩ thuật cao, ví dụ như các nhà sản xuất phương tiện hàng không vũ trụ và sản xuất ô tô đã sử dụng công nghệ in 3D cho việc tạo mẫu trong một khoảng thời gian trước đây Tuy nhiên, những năm gần đây, với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ in 3D, họ đã có thể tạo ra những chi tiết hoàn chỉnh phục

vụ trực tiếp cho việc thử nghiệm Công nghệ thiết kế và in 3D đã cho phép các công ty này cải tiến thiết kế của họ nhanh hơn bao giờ hết do sự giảm mạnh trong quá trình thiết kế Từ việc mất cả tháng cho quá trình thiết kế thiết kế và tạo mẫu, thì chỉ trong vòng vài giờ đội ngũ thiết kế có thể tạo ra một chi tiết hoàn chỉnh trong tay phục vụ cho việc kiểm tra và thử nghiệm

Tương lai của in 3D trong các ngành công nghiệp này sẽ gắn liền với việc tạo các bộ phận làm việc trực tiếp từ máy in 3D được ứng dụng để tạo ra các sản phẩm cuối, không chỉ cho mục đích thử nghiệm Công nghệ này đã được áp dụng cho xe ô tô và máy bay tương lai Cách thức mà in 3D hoạt động (layer by layer) cho phép các kỹ sư thiết kế tạo ra các chi tiết một cách chính xác mà trước kia phải làm bằng tay Với những chi tiết có biên dạng hình học khá phức tạp có thể dễ dàng được tạo ra trên máy

in 3D, cho phép cho các chi tiết nhẹ hơn, nhưng bền hơn khi gia công

Tuy nhiên thì công nghệ in 3D vẫn chưa phải là tiên phong của ngành sản xuất trong tương lai Công nghệ in ấn 4D đang dần nổi lên, kĩ thuật in xerô ứng dụng trong vi lắp ráp và in ấn sinh học đã bắt đầu lan tỏa khắp các phòng thí nghiệm trên toàn cầu Một cánh cửa mới đã bắt đầu mở ra cho ngành sản xuất trong tương lai