Ứng dụng phương pháp thiết kế sản phẩm theo mô đun trong thiết kế máy tạo mẫu nhanh thiêu kết laser

Các nội dung nghiện cứu của đ tài th c hiện: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan Chương 2: Nghiên cứu các yếu t ảnh hưởng đến quá tr nh tạo mẫu Chương 3: Cơ sở lý thuyết, ứng d ng phân t ch m

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

Ệ VỤ Ậ VĂ C Ĩ

Họ và tên học viên: MSHV: 13041063

Ngày, tháng, năm sinh: 04/04/1990 Nơi sinh: Long An

Chuyên ngành: K Thuật Cơ Kh M s : 60 52 04

- Ứng d ng phương pháp thiết kế theo m -đun cho quá tr nh thiết kế máy

- Th c nghiệm gia c ng một s sản ph m mẫu đ đánh giá khả năng gia c ng

III NGÀY GIAO NH Ệ VỤ: 19/01/2015

Trong cuộc s ng, t i v cùng cám ơn gia đ nh đ lu n động viên và hỗ trợ t i

từ vật chất đến tinh thần Cám ơn ba tôi đ định hướng cho tôi trên đường học tập

và lu n lắng nghe những khó khăn c ng như chia sẽ hỗ trợ t i v m t chuyên m n

b ng những kinh nghiệm của m nh trong ngh Cơ kh Chế tạo máy đ t i có th hoàn thành nhiệm v học tập và nghiên cứu Tôi v cùng cảm ơn Mẹ và người yêu

đ chăm lo cho t i trong su t quá tr nh học tập c ng như động viên và cho t i những lời khuyên hữu ch trong cuộc s ng

Ngoài ra, t i xin dành lời cám ơn chân thành đến Phòng th nghiệm trọng đi m

đi u khi n s và k thuật hệ th ng (DCSELAB) là nơi t i đang c ng tác đ tạo mọi

đi u kiện t t nhất đ t i có th hoàn thành chương tr nh học của m nh trong su t thời gian qua.T i sẽ kh ng th hoàn thành đ tài này nếu kh ng có s trợ gi p này Lời cám ơn kh ng bao giờ là đủ, t i xin dành tấm lòng biết ơn này làm động

l c đ c gắng học tập và nghiên cứu trong những thời gian tiếp theo

Trân trọng

TP.HCM, ngày 08 tháng 08 năm 2015

Người viết

Ó Ắ Ậ VĂ C Ĩ

Máy tạo mẫu nhanh đ xuất hiện trên thị trường nước ta và đang có một thị phần rộng lớn trên cả nước Các ứng d ng của máy rất phong ph và đa dạng, bao gồm các ngành dịch v , in m h nh, quảng cáo ho c sử d ng như một máy tạo mẫu nhanh ph c v cho c ng ty, x nghiệp Có th nói, máy tạo mẫu nhanh hiện nay là một thiết bị kh ng th thiếu trong đời s ng x hội và nhu cầu này tiếp t c tăng nhanh Tuy nhu cầu v mảng thiết bị này rất lớn, nhưng đ đầu tư chi ph cho một máy tạo mẫu nhanh hiện nay khá cao và các thiết bị máy móc hầu hết đ u nhập

kh u từ nước ngoài Do đó chi ph tăng cao và việc bảo tr thay thế c ng khó khăn

Đ tài “ -

” nh m m c đ ch thiết kế máy tạo mẫu

nhanh có khả năng tạo ra các sản ph m đan dạng có t nh t ch hợp lắp lẫn cao và chất lượng tương đương các máy trên thị trường Các nội dung nghiện cứu của đ tài

th c hiện:

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

Chương 2: Nghiên cứu các yếu t ảnh hưởng đến quá tr nh tạo mẫu Chương 3: Cơ sở lý thuyết, ứng d ng phân t ch m -đun cho máy

Chương 4: T nh toán thiết kế chi tiết

Chương 5: Thiết kế yêu cầu đi u khi n

Chương 6: Th c tế chế tạo một s sản ph m

Qua đó đ tài ph c v cho việc phát tri n và làm chủ c ng nghệ ạo mẫu nhanh

ở Việt Nam trong đầu tư thiết bị tương đương từ nước ngoài

ê hanh ơn

ABSTRACT

Rapid prototyping machine was appeared on the market of our country and the

market for this equipment is very large The applications of this machine are very

abundant and diverse, including: service industries, printing model, advertising or

used as a rapid prototyping for companies and enterprises So, the current rapid

prototyping machine is a device indispensable to life and the demand continues to

increase Although the demand for this equipment field is very large, but to

investment cost for a rapid prototyping machine is quite high now and most of

equipments are imported from abroad Thus, the cost is raised very high and the

maintenance or replacement is difficult too

The thesis "Applying product designing method at modularity for the rapid

prototyping machine by laser sintering" with the purpose: design the rapid

prototyping machine that is capable of creating diverse products with high

integrated and installed This machine will have the same quality as the others

These are content of this thesis:

Chapter 1: Overview research

Chapter 2: The research of the factors that affect the process of

prototyping

Chapter 3: Theoretical basis, applying modularity analysis for the

machine

Chapter 4: Calculating and designing parts of the machine

Chapter 5: Designing control requirements

Chapter 6: Manufacturing some models for real

By that, this thesis serves for developing and mastering the rapid prototyping

technology in Vietnam in order to invest the same equipment from abroad

Performer

Ờ C

T i xin cam đoan r ng, ngoài các tài liệu tham khảo được dùng đ hoàn thành nghiên cứu, luận văn này kh ng sử d ng các ý tưởng, nội dung từ bất kỳ ai khác, và các nội dung trong luận văn này c ng chưa từng được gửi cho bất kỳ chương tr nh,

cơ sở giáo d c hay nghiên cứu nào khác T i hi u r ng bất kỳ nội dung nào mâu thuẫn với cam kết trên c ng đồng nghĩa với việc luận văn bị từ ch i đ i với chương

tr nh Thạc sĩ ngành K Thuật Chế Tạo của Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM

MỤC ỤC

NHIỆM V LU N V N TH C S i

L I C M ƠN ii

T M T T LU N V N TH C S .iii

ABSTRACT v

L I CAM ĐOAN vii

M C L C viii

DANH M C K HIỆU V CH VIẾT T T xi

DANH M C B NG BIỂU xii

DANH M C HÌNH VẼ xii

C 1 V Ề 1

1.1 Giới thiệu tổng quan v c ng nghệ tạo mẫu nhanh 1

1.2 T nh h nh nghiên cứu ngoài nước 2

1.3 T nh h nh nghiên cứu trong nước 13

1.4 M c tiêu nghiên cứu của đ tài 16

1.4.1 t u n n u 16

1.4.2 n p t t v t n m 16

1.4.3 n t t n n n u 17

1.5 Kết cấu của luận văn 17

C 2 CỨ C C Y Ở Q Ì

.19

2.1 Vật liệu sử d ng trong c ng nghệ sử d ng laser thiêu kết 19

2.1.1 t u t n s n tron m 19

2.1.2 t u t m o v p m 22

2.2 Các yếu t ảnh hưởng đến quá tr nh thiêu kết trên bột 23

2.2.1 n n n u n s r 23

2.2.2 n n qu tr n n t s n p m 25

2.2.3 n n n t t u t tron qu tr n t o s n p m 26

2.2.4 n n p t t u t 27

C 3 C Ở Y C - 31

3.1 Nguyên lý làm việc của thiết bị 31

3.2 Nguyên tắc thiết kế sản ph m theo hướng m -đun 32

3.2.1 n p p p n t s n p m 32

3.2.2 n p p p n o n m 34

3.3 Xây d ng quy tr nh thiết kế theo m -đun cho hệ th ng tạo mẫu nhanh 39

3.3.1 n t n m v t t 40

3.3.2 t u to n t t 40

3.3.3 p o t n – u t n o n t t m 41

3.3.4 n u u t u t 42

3.3.5 n u u t u t ố v t ốn t o m u n n 42

3.4 Phân t ch chức năng hệ th ng 43

3.5 Xây d ng đ c t nh máy với yêu cầu chức năng chung 48

3.5.1 n u u năn 48

3.5.2 n số qu n tr n u u năn un 49

3.5.3 t p m tr n n n t ốn t o m u 49

3.5.4 n m tr n n n năn t ốn t o m u n n 50

3.5.5 n m tr n n n t u t ốn t o m u n n 56

3.6 Xác định ma trận đồng dạng tổng hợp của hệ th ng tạo mẫu nhanh 62

3.7 Th c hiện m -đun chức năng trong máy 63

3.7.1 t m - un t o năn 63

3.7.2 t t o m - un năn t u 64

3.7.3 t t n t m 65

3.8 Thiết kế chi tiết phương án cho các m -đun 69

3.8.1 n số t t m u u 69

3.8.2 t s n m 69

3.8.3 n u u t t o m năn n 70

3.8.4 t m on ăn 77

3.8.5 t m n n n 83

C 4 C 92

4.1 T nh toán thiết kế c m laser 92

4.1.1 C n t u n v v n tố qu t s r t n t 92

4.1.2 n to n t t tru n v n n o tr 94

4.1.3 n to n n n t o n su t t o tr 95

4.1.4 n to n t t tru n 97

4.2 T nh toán thiết kế c m con lăn 100

4.3 T nh toán thiết kế c m bàn nâng 101

4.4 T nh chọn động cơ thùng sản ph m 104

4.5 Thiết kế khung máy 105

4.6 M h nh 3D các nội dung t nh toán thiết kế 106

4.6.1 n m un m t t 106

4.6.2 n m s r 107

4.6.3 n m on ăn 109

4.6.4 n o m t ùn n n 110

4.7 Qui tr nh c ng nghệ lắp ráp các c m thiết kế 111

4.7.1 Qu tr n n n ắp r p m s r 111

4.7.2 Qu tr n n n ắp r p m ăn t 113

4.7.3 Qu tr n n n ắp r p m n n n 115

C 5 C C Ộ 118

5.1 Kết quả lắp ráp trên máy th c đƣợc từ kết quả nghiên cứu 118

5.2 Kết quả nghiên cứu th c nghiệm máy 120

5.3 Khảo sát nhiệt độ kết d nh 121

KẾT LU N V KIẾN NGH 127

T I LIỆU THAM KH O 129

L L CH TR CH NGANG 131

D ỤC C C Ệ VÀ C V Ắ

Ký hiệu và

chữ viết tắt Giải thích ý nghĩa Ghi chú

SLS Selective Laser Sintering Công nghệ tạo mẫu nhanh SLS

D C B B Ể

Bảng 1 1 Các phương pháp tạo mẫu nhanh 4

Bảng 2 1 Độ dày lớp bột và vận t c quét có th đ i với một vài loại vật liệu 21

Bảng 2 2 Th ng s Laser sử d ng (Gray 2001, p 558) 24

Bảng 2 3 nh hưởng của một s thuộc t nh của vật liệu đến khả năng thiêu kết 27

Bảng 2 4 Bảng tổng kết các yếu t ảnh hưởng đến quá tr nh hoạt động của máy 28

Bảng 3 1 M i quan hệ giữa các bộ phận theo đ c đi m cấu tr c 46

Bảng 3 2 M i quan hệ giữa các bộ phận theo đ c đi m chức năng 47

Bảng 3 3 Ma trận quan hệ giữa cấu tr c máy và hệ s tầm quan trọng 48

Bảng 3 4 Ma trận đồng dạng chức năng 56

Bảng 3 5 Ma trận đồng dạng kết cấu 62

Bảng 3 6 Ma trận đồng dạng tổng hợp 63

Bảng 3 7 Ma trận m -đun theo chức năng 63

Bảng 3 8 Ma trận m -đun kết cấu 64

Bảng 3 9 Bảng chi tiết t nh toán chọn và chi tiết mua 65

Bảng 3 10 Tổng hợp các th ng s đầu vào của các c m ch nh 68

Bảng 3 11 Bảng đánh giá các phương án l a chọn c m laser 75

Bảng 3 12 Ma trận đánh giá phương án 75

Bảng 3 13 Đánh giá phương án 76

Bảng 3 14 Ma trận t nh đi m và l a chọn phương án 76

Bảng 3 15 Đánh giá sơ bộ các phương án 81

Bảng 3 16 Ma trận đánh giá phương án 82

Bảng 3 17 Đánh giá phương án thiết kế 82

Bảng 3 18 Ma trận t nh đi m và l a chọn phương án 83

Bảng 3 19 Đánh giá sơ bộ các phương án 87

Bảng 3 20 Ma trận đánh giá phương án 88

Bảng 3 21 Đánh giá phương án 88

Bảng 3 22 Ma trận t nh đi m và l a chọn phương án 89

Bảng 4 1 Đường k nh của vết hội t bức xạ laser đ i với một s loại laser 93

Bảng 4 2 Th ng s động cơ servo 97

Bảng 4 3 Th ng s bộ truy n đai 99

Bảng 4 4 Bảng tóm tắt các nội dung đ th c hiện t nh 100 Bảng 4 5 Th ng s t nh toán thiết kế bộ truy n tr c v t me đai c c m bản nâng104

D C Ì VẼ

Hình 1 1 Tạo mẫu nhanh từ m h nh thiết kế ba chi u 1

Hình 1 2 Máy Sinterstation HiQ Sinterstation® Pro DM100 SLM System 5

Hình 1 3 Máy HRPS-IV 6

Hình 1 4 Máy Sinterstation® Pro DM100 7

Hình 1 5 Máy tạo mẫu nhanh FDM 200mc 7

Hình 1 6 Patent US 4,863,538 8

H nh 1 7 Patent s 5,658,412 8

H nh 1 8 Patent s 6,215,093 9

H nh 1 9 Patent s 6,554,600 9

H nh 1 10 Patent s 5,430,666 10

H nh 1 11 Patent s 5,427,733 11

H nh 1 12 So sánh QTSX truy n th ng và sử d ng c ng nghệ tạo mẫu nhanh 14

H nh 1 13 Các sản ph m của c ng nghệ tạo mẫu nhanh 15

Hình 2 1 Sản ph m sử d ng vật liệu polyme 20

H nh 2 2 Cấu tr c hạt dạng lớn của nh a PS 21

H nh 2 3 Sản ph m sử d ng vật liệu kim loại và hợp kim 22

H nh 2 4 Sản ph m sử d ng vật liệu phi kim 23

H nh 2 5 Tạo mẫu sản ph m b ng laser thiêu kết 25

H nh 3 1 Nguyên lý hoạt động của máy tạo mẫu nhanh thiêu kết laser 31

H nh 3 2 Bi u đồ lắp ráp máy t nh cá nhân 33

H nh 3 3 Phân t ch theo cấu tr c của hệ th ng xe 34

H nh 3 4 Phân t ch theo cấu tr c của bộ phận chuyên chở 34

H nh 3 5 Ma trận liên thuộc chi tiết-máy 35

H nh 3 6 Các chi tiết và máy được nhóm lại và tách khỏi ma trận 38

H nh 3 7 Qui tr nh thiết kế theo m đun tổng quát 39

H nh 3 8 Cấu tr c động cơ và bộ truy n động 44

H nh 3 9 Cấu tr c động cơ và bộ cấp bột 44

H nh 3 10 Cấu tr c động cơ và con lăn bột 44

H nh 3 11 Cấu tr c động cơ và bộ chiếu laser 45

H nh 3 12 Cấu tr c động cơ và giá đ 45

H nh 3 13 Kết cấu chung của hệ th ng tạo mẫu nhanh SLS 66

Hình 3 14 Kết cấu khung máy 67

H nh 3 15 Sơ đồ động c m thiêu kết laser theo hai phương XY 70

Hình 3 16 Sơ đồ động c m con lăn và cấp bột 70

Hình 3 17 Sơ đồ phân t ch th ng s đầu vào và đầu ra c m laser máy SLS 70

H nh 3 18 Sơ đồ phân t ch c m thiêu kết laser 71

H nh 3 19 Kết cấu Hexapod 71

H nh 3 20 Phương án sử d ng hệ gương lật 72

H nh 3 21 Phương án sử d ng nguồn laser gắn tr c tiếp lên ray trượt XY 73

H nh 3 22 Thiết kế ray trượt XY kết hợp hệ th ng lăng k nh 74

Hình 3 23 Sơ đồ phân t ch th ng s đầu vào và đầu ra c m con lăn 78

Hình 3 24 Sơ đồ phân t ch c m con lăn 78

Hình 3 25 Phương án sử d ng tấm gạt phẳng 79

Hình 3 26 Phương án sử d ng tấm gạt quay 79

Hình 3 27 Phương án sử d ng con lăn gắn thêm động cơ 80

Hình 3 28 Phương án sử d ng con lăn t ch hợp động cơ 81

Hình 3 29 Sơ đồ phân t ch th ng s đầu vào và đầu ra c m bàn nâng 84

Hình 3 30 Sơ đồ phân t ch c m bàn nâng máy SLS 84

H nh 3 31 Phương án tr c v t me 85

H nh 3 32 Phương án xy lanh n m ph a dưới bàn nâng 85

H nh 3 33 Phương án sử d ng cơ cấu bánh răng – thanh răng 86

H nh 3 34 Phương án sử d ng cơ cấu bàn nâng chữ X 87

Hình 3 35 Bảng tổng hợp các phương án thiết kế cho 5 c m ch nh trong máy 90

Hình 4 1 Thành phần l c đ t lên hệ th ng 94

H nh 4 2 Động cơ servo 96

Hình 4 3 M h nh c m khung máy 3D hoàn chỉnh các c m chưa đóng vỏ 105

H nh 4 4 Máy hoàn chỉnh đóng vỏ nh n từ trước 106

H nh 4 5 C m thiêu kết laser 107

H nh 4 6 Hệ lăng k nh hiệu chỉnh tiêu c 108

H nh 4 7 M h nh gương chiếu phản xạ di chuy n 109

H nh 4 8 Kết cấu bộ phận truy n động cho Motor tr c X 109

H nh 4 9 C m con lăn và đế chuy n động tịnh tiến 109

H nh 4 10 Con lăn cán bột chuy n động xoay 110

H nh 4 11 C m bàn nâng 110

H nh 4 12 C m thùng chứa sản ph m và thùng cấp bột 111

H nh 4 13 C m thiêu kết Laser hoàn chỉnh 111

H nh 4 14 B tr lắp ráp trên c m laser 112

H nh 4 15 Sơ đồ lắp ráp c m laser 112

H nh 4 16 C m giàn bột hoàn chỉnh 113

H nh 4 17 B tr lắp ráp các chi tiết c m con lăn 113

H nh 4 18 Sơ đồ lắp ráp con lăn 114

H nh 4 19 Các chi tiết con lăn 114

H nh 4 20 Lắp ráp con lăn hoàn chỉnh 114

H nh 4 21 Sơ đồ lắp ráp c m giàn bột 115

H nh 4 22 Động cơ thanh trượt con lăn 115

H nh 4 23 C m thùng hoàn chỉnh 115

H nh 4 24 Sơ đồ lắp ráp thùng nâng sản ph m 116

H nh 4 25 Sơ đồ lắp ráp thùng cấp bột 116

H nh 4 26 Sơ đồ lắp ráp c m thùng 116

H nh 4 27 C m thùng 117

H nh 5 1 Th c hiện lắp ráp bộ laser trong máy 118

H nh 5 2 Th c hiện lắp ráp c m tr c X-Y cho máy 119

H nh 5 3 C m con lăn bột nh n từ trước 119

H nh 5 4 C m cấp bột bột b tr với con lăn và đầu thiêu kết laser 120

H nh 5 5 B tr tủ điện đi u khi n hệ th ng 120

H nh 5 6 Máy tạo mẫu nhanh thiêu kết laser được chế tạo hoàn chỉnh 121

H nh 5 7 Chi tiết máy tr c li n vành khăn 122

H nh 5 8 Chi tiết h nh tr h nh xoắn c bên trong phức tạp 123

H nh 5 9 Chi tiết quân cờ vua th c hiện thiêu kết 124

H nh 5 10 Mẫu chữ nổi gia c ng 125

H nh 5 11 Bộ sản ph m ph m hoàn chỉnh gia c ng trên m h nh máy 125

C 1 V Ề

Hiện nay, tạo mẫu nhanh là một c ng nghệ đang được nghiên cứu áp d ng rộng r i ở nhi u nước trên thế giới, đ c biệt là trong b i cảnh toàn cầu hóa và khu

v c hóa n n kinh tế Trong chương này sẽ tr nh bày tổng quan các nghiên cứu v

c ng nghệ tạo mẫu nhanh và các k thuật đ được sử d ng ứng d ng trong máy tạo mẫu nhanh thiêu kết laser

1.1 iới thiệu tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh

Từ khi ra đời cho đến nay, có khá nhi u khái niệm v tạo mẫu nhanh Một s nhà khoa học đưa ra khái niệm: tạo mẫu nhanh là quá tr nh tạo mẫu vật lý từ những thiết kế ba chi u trên máy t nh Quá tr nh thiết kế này được gọi là quá tr nh thiết kế

 Thiết bị tạo lớp mỏng LOM (Laminate Object Manufacturing ) của Helisys

 Thiết bị phun nhi u lớp FDM (Fused Deposition Modeling) của Stratasys

 Thiết bị thiêu kết b ng laser SLS (Selective Laser Sintering) của DTM

1.2 ình hình nghiên cứu ngo i n ớc

S tăng trưởng của phương pháp tạo mẫu nhanh được th hiện qua đồ thị (h nh 1.2) Từ giữa năm 2003 s hệ th ng tạo mẫu nhanh được tiêu th tăng rất nhanh, th hiện s th ch ứng của phương pháp này với các ngành c ng nghiệp trên thế giới Các c ng nghệ tạo mẫu nhanh khác nhau, với các t nh chất đ c trưng đ và đang được ứng d ng, ph c v hiệu quả cho hầu hết các ngành c ng nghiệp, hiệu quả nhất

là lĩnh v c thiết kế t (31,7%), tạo dáng c ng nghiệp, tạo mẫu th nghiệm (17%)

[2]

Có th hi u tạo mẫu nhanh là quá tr nh tạo mẫu sản ph m gi p cho nhà sản xuất quan sát nhanh chóng sản ph m cu i cùng Quá tr nh này nhờ các thiết bị tạo mẫu nhanh như những máy in ba chi u cho phép người thiết kế chuy n những dữ liệu CAD file định dạng 3D thành những mẫu th c trong thời gian nhanh hơn phương pháp truy n th ng Tùy thuộc vào k ch thước và độ phức tạp của mẫu mà thời gian đ tạo ra một mẫu mới mất khoảng từ 3 – 72 giờ ho c có th t hơn Như vậy so với việc tạo mẫu b ng phương pháp truy n th ng thường mất từ nhi u tuần đến nhi u tháng th việc tạo mẫu b ng thiết bị tạo mẫu nhanh hơn nhi u Do mất t thời gian nên tạo mẫu nhanh gi p cho nhà sản xuất nhanh chóng đưa sản ph m ra thị trường và giảm chi ph sản xuất Đó c ng là ưu đi m nổi bật của quá tr nh tạo mẫu nhanh mà các nhà nghiên cứu thiết kế phát tri n sản ph m mong mu n có được

nh m r t ngắn thời gian hiệu chỉnh thiết kế

S phát tri n của tạo mẫu nhanh có quan hệ mật thiết với s phát tri n ứng

d ng của máy t nh trong c ng nghiệp Việc giảm giá thành của các loại máy t nh,

đ c biệt là máy t nh cá nhân và máy t nh mini đ làm thay đổi phương thức làm việc

ở các phân xưởng của các nhà máy Việc gia tăng sử d ng máy t nh đ th c đ y s

tiến bộ trong nhi u lĩnh v c liên quan đến máy t nh bao gồm thiết kế (CAD–Computer Aided Design), chế tạo (CAM–Computer Aided Manufacturing), gia

c ng đi u khi n s nhờ máy t nh (CNC – Computer Numerical Control) C th , s nổi lên của hệ th ng tạo mẫu nhanh kh ng th thiếu s hiện diện của CAD Ngoài

ra, nhi u c ng nghệ khác như các hệ th ng chế tạo và vật liệu c ng mang nhi u t nh quyết định đến s phát tri n của hệ th ng tạo mẫu nhanh

Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh đ đáp ứng được yêu cầu của giới kinh doanh: giảm thời gian sản xuất, tăng khả năng tạo mẫu có độ phức tạp cao, giảm chi ph Ở thời đi m này người tiêu dùng yêu cầu các sản ph m cả v chất lượng lẫn mẫu m , nên mức độ phức tạp của chi tiết c ng tăng lên, gấp ba lần mức

độ phức tạp mà các chi tiết đ được làm vào những năm của thập niên 70 Nhưng nhờ vào c ng nghệ tạo mẫu nhanh nên thời gian trung b nh đ tạo thành một chi tiết chỉ còn lại 3 tuần so với 16 tuần ở ở các phương pháp tạo mẫu khác

Lịch sử của c ng nghệ tạo mẫu nhanh được đánh dấu b ng sáng chế của Hull vào năm 1984 v Thiết bị tạo h nh lập th (StereoLithography Aparatus – SLA), được c ng nhận vào năm 1986 và thương mại hóa bởi c ng ty 3D System vào năm

1988 Sau khi được thương mại hóa vào năm 1988, 34 hệ th ng đ được cung cấp vào năm 1988 và theo báo cáo tổng kết của Hiệp hội Tạo mẫu nhanh thế giới do Wohler làm chủ tịch, t nh đến năm 2001, đ có khoảng 8000 hệ th ng tạo mẫu nhanh được trang bị cho 53 nước trên thế giới Từ một phương pháp tạo h nh lập th SLA, chỉ sau gần hai ch c năm, đ có khoảng 30 phương pháp tạo mẫu nhanh khác nhau

Tạo mẫu nhanh là một c ng c hỗ trợ thiết kế, c ng như là cánh tay đắc l c trong c ng nghệ thiết kế ngược Tạo mẫu nhanh gồm nhi u c ng nghệ và mỗi c ng nghệ đại diện cho một hay các cách thức sản xuất, thiết kế sản ph m khác nhau

Đ có th hi u rõ nguyên tắc hoạt động của các loại thiết bị này ch ng ta có

th tham khảo bảng 1.1 tổng hợp và th c hiện so sánh các c ng nghệ tạo mẫu nhanh

th ng d ng

Polymer n

qu n (t n o)

đó đ ng đ c tạo h nh

S p, n ABS, silicon

Tuy nhiên, với c ng nghệ đơn giản, kết cấu kh ng phức tạp, khả năng tạo mẫu với vật liệu nh a và kim loại bột, giá thành hệ th ng máy tương đ i thấp, đồng thời khả năng tạo ra các mẫu với th t ch lớn, tạo mẫu nhanh theo c ng nghệ laser thiêu kết nhanh sẽ là một trong 10 c ng nghệ được hướng đến vào năm 2020

Trên thị trường nước ngoài hiện nay có một s dòng máy tạo mẫu nhanh được

sử d ng rộng nhất là hệ th ng Sinterstation có xuất xứ từ tập đoàn DTM và hiện nay được hãng 3D Systems phát tri n với các dòng máy như Sinterstation® Pro, Sinterstation® HiQ™, là phiên bản nâng cấp của dòng máy Sinterstation® 2500plus HiQ – High Quality Sau đây là một s tham khảo v các dòng máy tạo mẫu nhanh trên thị trường thế giới:

ệ thống interstation iQ của 3D ystems

Th ng s k thuật của hệ th ng:

- Nguồn laser

 HiQ: 30W Laser CO2, t c độ quét t i đa 5m/s

 HiQ +HS: 50W CO2, t c độ quét t i đa 10m/s

- Không gian gia công: W381 x D330 x H457 mm (57L)

- Phần m m đi u khi n: Proprietary SLS system

- Hệ đi u hành: Windows XP

- Tập tin nguồn: stl

- Nguồn điện:

 240 VAC 12.5 kVA, 50/60 Hz, 3 pha

 380 VAC 12.5 kVA, 50/60 Hz, 3 pha

- Nhiệt độ làm việc: 16-27 °C

- Độ m: <70%

Hình 1 2 Máy Sinterstation HiQ Sinterstation® Pro DM100 SLM System

Máy HRPS- V rung Quốc

Th ng s k thuật của máy

- Không gian gia công: 500 x 500 x 400 mm

- Vật liệu: bột PS, bột gang, bột thép

- Độ dày lớp: 0.08~0.3mm, độ ch nh xác chi tiết: 200mm+/-0.2mm

ho c +/-0.1%

- Độ ch nh xác của tia laser: 0.02mm

- Phần m m ứng d ng đ đi u khi n hệ th ng SLS RP: Power RP 2005

Hình 1 3 Máy HRPS-IV

Máy Sinterstation® Pro DM100

n số t u t m :

- Nguồn laser: 50/100/200W Laser CO2, t c độ quét t i đa 10m/s

- T c độ gia c ng: t i đa 30cm3/ giờ

- Đường k nh tia laser: 30 - 200 micron

- Không gian gia công: Ø125mm x 80 mm

Nghiên cứu các c ng tr nh khoa học liên quan đến các giải pháp k thuật qua patent v máy tạo mẫu nhanh được tổng hợp như sau:

Patent US 4,863,538, [3]:

Phương pháp và thiết bị đ lưu hóa có chọn lọc lớp bột nh m tạo ra một chi tiết nhi u lớp Thiết bị bao gồm một máy t nh đi u khi n một tia laser hướng tr c tiếp vào trong bột đ tạo ra một kh i bột được lưu hóa Máy t nh được lập tr nh với biên dạng m t cắt ngang của chi tiết đ tia laser chỉ làm lưu hóa những phần bột bên trong biên dạng của m t cắt ngang Bột được tiếp t c đắp vào và được lưu hóa cho đến khi tạo thành chi tiết hoàn chỉnh Bột có th là nh a, kim loại, g m sứ ho c là những chất polymer Với nhiệm v như trên, tia laser sẽ quét liên t c đ h nh thành nên biên dạng riêng biệt cho từng m t cắt

Hình 1 6 Patent US 4,863,538

atent số 5,658,412, [4]:

Trong phương pháp tạo ra vật th ba chi u, từng lớp sẽ được h nh thành b ng cách đắp những lớp vật liệu có th bị hóa rắn bởi tác động của ánh sáng và bức xạ điện từ và hóa rắn một cách liên t c mỗi lớp tại đi m nhiệt độ tùy thuộc vào loại vật liệu

Hình 1 7 t nt số 5,658,412

atent số 6,215,093 [5]:

Phương pháp tạo ra một mẫu nh a d a vào dữ liệu CAD 3D của mẫu nh a đó,

b ng cách đắp những lớp bột kim loại, nhi u lớp bột tiếp theo được đắp lên trên những lớp bột trước đó, ch ng được nung đến một nhiệt độ xác định, đi u này có nghĩa là hệ th ng laser phải th c hiện thêm chức năng nung trước khi th c hiện tiếp lớp kế Chùm tia laser được chiếu vào những lớp bột theo biên dạng m t cắt ngang của m h nh CAD theo một cách đ cho ch ng gắn li n với lớp dưới nó Năng lượng của nguồn tia laser được l a chọn sao cho nó có th làm nóng chảy vật liệu

Hình 1 8 t nt số 6,215,093

atent số 6,554,600, [6]:

V nguyên tắc thiết bị này c ng gi ng các loại trên Tuy nhiên, hệ th ng có thiết bị chứa này có một bên thành có th duỗi ra theo hướng thẳng đứng và những thiết bị hỗ trợ cho phép đ chi tiết di chuy n được

Hình 1 9 t nt số 6,554,600

Hình 1 10 t nt số 5,430,666

atent số 5,427,733, [8]:

Hệ th ng đi u khi n nhiệt độ trong hệ th ng lưu hóa b ng tia laser gồm có một chùm tia laser hội t trên bàn lưu hóa b ng những thấu k nh hội t và một bộ gương quét Bức xạ nhiệt phóng ra từ bàn lưu hóa được phản xạ tới bộ gương quét và tới một hệ th ng chia đ i ánh sáng gi p phản xạ bức xạ và cho bước sóng của tia laser

đi qua Bức xạ hội t vào trong một bộ tách sóng quang học gi p đưa ra t n hiệu tới mạch đi u khi n nguồn điện Mạch đi u khi n nguồn điện đi u khi n một ổn áp ổn định năng lượng của tia laser c ng như duy tr ổn định s phát xạ nhiệt ở một mức

độ vừa phải (c ng như nhiệt độ tại vùng lưu hóa)

Islamic University Malaysia, Faculty of Manufacturing and Materials Engineering,

P O Box 10, 50728 Kuala Lumpur, Malaysia) [9], th c hiện nghiên cứu v các yếu

t ảnh hưởng của thiêu kết sử d ng laser trong quá tr nh tạo mẫu nhanh, các kết quả nghiên cứu cho thấy vận t c quét và k thuật gia nhiệt sẽ ảnh hưởng đến khả năng thiêu kết của vật liệu, quá tr nh tái sử d ng vật liệu sau khi được gia nhiệt sẽ tạo ra sản ph m có chất lượng b m t kh ng cao Nghiên cứu t nh toán được vấn đ c ng suất ảnh hưởng đến khả năng thiêu kết của vật liệu

C ng tr nh „„D f P N f R

P P ‟‟, M.S.Wahab, K.W.Dalgarno, R.F.Cochrane, S.Hassan

Member, IAENG [10], c ng tr nh th c hiện nghiên cứu v yếu t ảnh hưởng của

nguồn laser, b dày liên kết lên chất lượng tạo h nh của sản ph m, nghiên cứu cho

thấy quá tr nh kết tinh bột sẽ di n ra khác nhau th ng qua nghiên cứu v ba mẫu b dày bột được th c hiện thiêu kết dưới nguồn laser CO2

Công trình “M f ‟‟,

Radovan HUDÁK, Martin ŠARIK,Róbert DADEJ, Jozef ŢIVČÁK,Daniela HARACHOV (Faculty of Mechanical Engineering, Department of Biomedical Engineering and Measurement, Technical University of Košice, Letná 9, 042 00

Košice, Slovakia) [11], c ng tr nh th c hiện nghiên cứu v lý thuyết t nh toán

truy n và gia nhiệt trong quá tr nh trước thiêu kết, vật liệu được gia nhiệt trước khi thiêu kết th sẽ tăng hiệu quả của quá tr nh thiêu kết

C ng tr nh “3D f ent analusis in the selective laser melting

‟‟, Contuzzi, N.; Campanelli, S.L & Ludovico, A.D, Department of

Management and Mechanical Engineering, Viale Japigia,182,70126 Bari, Italia,

2011 [12] C ng tr nh nghiên cứu th c hiện phân t ch các yếu t của quá tr nh thiêu

kết theo c ng suất của nguồn laser, các nghiên cứu cho thấy được c ng suất nguồn laser 100W với ki u nguồn dùng kh CO2

C ng tr nh “M D f C x E S ‟‟, Carliss Y Baldwin Kim B Clark, 2004 [13] C ng tr nh nghiên cứu tr nh bày v

vấn đ k thuật thiết kế theo m -đun, các kinh nghiệm trong quá tr nh xây d ng phân t ch đ th c hiện thiết kế hệ th ng thành m -đun chuyên m n hóa Phân t ch

v chi ph và những hiệu quả kinh tế mang lại từ việc th c hiện thiết kế hệ th ng theo phương pháp m -đun

Công trình “T O V f M D ”, Carliss Baldwin,

Kim B Clark, tr ch từ Design Rules, Volume 1: The Power of Modularity, Harvard

Business School, 16/5/2002 [14], c ng tr nh th c hiện những nghiên cứu v quá

tr nh và cung cấp các k thuật đ xây d ng các m -đun thuộc t nh của hệ th ng, từ

đó các phép ghép m -đun gi p cho việc h nh thành hệ th ng nhanh, có th d dàng phân t ch các tiêu ch k thuật c ng như thay đổi theo yêu cầu của khách hàng từ các nội dung thiết kế ban đầu

1.3 ình hình nghiên cứu trong n ớc

Do nhu cầu trong đào tạo và nghiên cứu nên trong thời gian qua đ có nhi u trường đại học và viện nghiên cứu và các doanh nghiệp đ trang bị các máy tạo mẫu nhanh như:

- Đại học Bách Khoa TPHCM có máy SLA và đ ứng d ng đ th c hiện đ tài KC05 „Nghiên cứu c ng nghệ tạo mẫu nhanh đ gia c ng các b m t phức tạp‟ do PGS.TS Đ ng Văn Ngh n làm chủ nhiệm Sau đó, đ nghiên cứu tạo mẫu sản ph m cho doanh nghiệp sản xuất c ng nghiệp, đồng thời liên kết với các bệnh viện th c hiện tạo mẫu nhanh các chi tiết y học cho 25 bệnh nhân

và đ cấy ghép thành c ng

- Các công ty giầy như Nike, Adidas, Puma, Pouyen sử d ng máy 3D printers

- Đại học Bách Khoa Hà Nội có máy Polyjet tại trung tâm c ng nghệ cao

- Phòng th nghiệm trọng đi m qu c gia Đi u khi n s và K thuật hệ th ng có máy SLS và Polyjet

- Đại học Thái Nguyên đ đầu tư máy in 3 chi u (3D Printing)

- Viện Máy và d ng c (IMI) có máy LOM

- Đại học Sư Phạm K Thuật TPHCM đ đầu tư máy FDM tại Trung tâm c ng nghệ cao

- Từ đầu năm 2011 nhóm nghiên cứu tại phòng th nghiệm trọng đi m qu c gia Đi u khi n s và K thuật hệ th ng đ tri n khai th c hiện đ tài nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy tạo mẫu nhanh theo c ng nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing)

Ngoài ra, c ng nghệ tạo mẫu nhanh dùng laser thiêu kết (Selective Laser Sintering) là k thuật đ được phát tri n và cấp b ng sáng chế tại trường đại học Texas, Austin Với s cung cấp tài ch nh từ c ng ty BFGoodrich, tập đoàn DTM (1987) đ nghiên cứu thương mại hóa k thuật, thiết bị tạo mẫu nhanh đầu tiên của tập đoàn DTM đ được thương mại hóa vào năm 1992 Phương pháp th c hiện tạo mẫu nhanh này d a trên quá tr nh tạo h nh từng lớp những chất b ng vật liệu bột sau đó dùng laser thiêu kết lại thành từng lớp cứng, th c hiện liên t c quá tr nh tạo

h nh cho các lớp sẽ h nh thành nên h nh dáng của sản ph m Độ ch nh xác của sản

ph m sẽ ph thuộc một phần vào b dày các lớp được cắt ra Ngày nay, thiết bị tạo mẫu nhanh loại này đ và đang được sản xuất bởi một s các c ng ty trên thế giới

và trong nước hiện nay chủ yếu nhập kh u những hệ th ng tạo mẫu nhanh dạng này

Theo nghiên cứu v lịch sử và quá tr nh phát tri n sản ph m cho thấy việc tạo mẫu là m h nh hoá ý tưởng của người thiết kế Trước đây, trước khi sản xuất hàng loạt một sản ph m nào đó, bao giờ người ta c ng tạo mẫu trước đ nghiên cứu, xem xét, phân t ch s phù hợp của mẫu so với những yêu cầu của sản ph m th c Ngày nay, cùng với s phát tri n của loài người, các sản ph m có yêu cầu cao v độ phức tạp c ng như độ ch nh xác càng nhi u th việc tạo mẫu thử nghiệm trở thành

c ng đoạn c c kỳ quan trọng trong việc phát tri n sản ph m mới

a) Qui tr nh sản xuất truy n th ng b) Qui tr nh sản xuất sử d ng c ng nghệ

tạo mẫu nhanh

Hình 1 12 So s n Q S tru n t ốn v s n n n t o m u n n

Ngày nay, thiết bị tạo mẫu nhanh SLS đ và đang được sản xuất bởi nhi u công ty trên thế giới Tương t phương pháp SLA, phương pháp này c ng d a trên quá tr nh chế tạo từng lớp nhưng chất polymer lỏng được thay b ng vật liệu bột

nh a (hay có th phát tri n là bột hợp kim, kim loại, vật liệu g m )

Các sản ph m tạo từ các thiết bị tạo mẫu nhanh rất đa dạng có th ứng d ng trong các lĩnh v c khác nhau:

ản xuất iểm tra v chỉnh sửa

Tạo mẫu nhanh

Thiết kế nhờ máy tính (CAD)

Hệ th ng ng góp Thiết kế mẫu giày – dép Thiết kế đồ chơi điện tử

Tạo m h nh y học từ dữ liệu CT Multi Scaner

Hình 1 13 C s n p m n ng t o m u n n

Hiện nay, t nh h nh nghiên cứu trong nước đ làm chủ c ng nghệ còn t, chủ yếu là khai thác c ng nghệ và thiết bị nhập từ nước ngoài, trong tương lai c ng nghệ tạo mẫu nhanh sẽ phát tri n mạnh nên cần có những bước th c hiện nghiên cứu ti n khả thi tạo n n tảng phát tri n tương xứng với nhu cầu v máy và thiết bị sản xuất trong nước

Do đó, việc nghiên cứu chế tạo máy tạo mẫu nhanh, trong đó có máy tạo mẫu nhanh theo c ng nghệ SLS sử d ng laser dùng đ tạo h nh sản ph m là cần thiết Đ tài xây d ng những cơ sở đ thiết kế theo mô-đun ph c v cho quá tr nh chế tạo máy tạo mẫu nhanh c ng nghệ SLS với các th ng s k thuật của máy d kiến là:

- Th t ch làm việc: 100 x 100 x 100mm

- T c độ di chuy n của tr c x, y: 90 mm/ph t;

- Hệ th ng Laser: C ng suất th ch hợp dùng cho các vật liệu dạng bột;

- Xây d ng các m -đun chức năng ch nh có t nh tương t cao cho đa dạng các dòng máy tạo mẫu sử d ng laser thiêu kết tạo h nh sản ph m

- H nh thành được các m -đun chức năng đ ph c v cho quá tr nh phát tri n hoàn thiện sản xuất máy tạo mẫu nhanh ph c v m c tiêu thương mại hóa

1.4.2 T ớ

Ngành công nghiệp nh a Tp.HCM là ngành có t c độ phát tri n nhanh chóng

và ổn định chiếm t trọng khoảng trên 80% sản ph m của cả nước T nh h nh nghiên cứu trong nước đang dừng ở mức độ khai thác thiết bị mà chưa nghiên cứu hoàn thiện thiết kế cho nên vấn đ chế tạo thiết bị tạo mẫu nhanh khó đạt được các tiêu chu n như mong mu n Trên th c tế, đ thiết kế th rất mất nhi u c ng sức cho nên cần các nghiên cứu v phương pháp thiết kế theo m -đun sẽ r t ngắn thời gian, tiết kiệm c ng sức trong quá tr nh th c hiện chế tạo máy tạo mẫu nhanh thiêu kết laser là nội dung mang t nh cấp thiết của nghiên cứu

Ch nh v lẽ đó, m c tiêu nghiên cứu của đ tài là làm chủ việc thiết kế m -đun theo hướng ph c v chế tạo lắp ráp thiết bị tạo mẫu nhanh sử d ng laser đ th c hiện thiêu kết và các hệ th ng tạo mẫu nhanh có th lắp lẫn cho nhau r t ngắn đ

th c hiện tạo h nh sản ph m Khả năng chủ động trong các c ng đoạn thiết kế, chế

tạo và bảo tr máy sẽ được nâng cao từ đó cho thấy được các đóng góp của đ tài giải quyết bài toán nhập thiết bị cho nhu cầu v máy trong tương lại của nước ta

1.4.3

N n kinh tế nước ta nói riêng và n n kinh tế thế giới nói chung đang trong giai đoạn cạnh tranh kh c liệt trước xu hướng toàn cầu hóa Do đó xu hướng nội địa hóa các thiết bị máy móc trên thị trường là một nhu cầu cấp thiết đ tăng t nh cạnh tranh

của các doanh nghiệp trong nước

Máy tạo mẫu nhanh đ xuất hiện trên thị trường nước ta và đang có một thị phần rộng lớn trên cả nước Các ứng d ng của máy rất phong ph và đa dạng, bao gồm các ngành dịch v , in m h nh, quảng cáo ho c sử d ng như một máy tạo mẫu nhanh ph c v cho c ng ty, x nghiệp Có th nói, máy tạo mẫu nhanh hiện nay là một thiết bị máy móc kh ng th thiếu trong đời s ng x hội và nhu cầu này tiếp t c tăng nhanh

Tuy nhu cầu v mảng thiết bị này rất lớn, nhưng đ đầu tư chi ph cho một máy tạo mẫu nhanh hiện nay khá cao và các thiết bị máy móc hầu hết đ u nhập

kh u từ nước ngoài cho nên chi ph tăng cao và việc bảo tr thay thế c ng khó khăn phải ph thuộc nhi u vào các chuyên gia nước ngoài

Đ tài „„ -

‟‟, nh m ph c v m c đ ch ph c v cho việc

phát tri n và làm chủ c ng nghệ tạo mẫu nhanh sử d ng laser ở Việt Nam v thiết bị

và giảm giá thành đầu tư thiết bị tương đương từ nước ngoài, gi p doanh nghiệp chủ động trong việc sản xuất từ đó có th nâng cao khả năng cạnh tranh trong nội

bộ ngành

1.5 ết cấu của luận văn

Ch ơng 1: ghiên cứu tổng quan

Tổng hợp lý thuyết v tạo mẫu nhanh thiêu kết b ng laser; Phân t ch đ c t nh

k thuật của mẫu máy nghiên cứu thiết kế theo m đun; Xác định yêu cầu k thuật trong bài toán thiết kế

Ch ơng 2: ghiên cứu c c yếu tố ảnh h ng đến qu trình tạo mẫu

Nghiên cứu các t nh chất của vật liệu bột nhữa PS dùng trong quá tr nh thiêu kết, nghiên cứu xác định các yếu t ảnh hưởng trong quá tr nh tạo mẫu nhanh với vật liệu bột; đánh giá nhận xét và tổng hợp các yếu t làm cơ sở nghiên ph v quá

tr nh thiết kế máy

Ch ơng 3: Cơ s lý thuyết, ph n tích mô-đun

Nghiên cứu v lý thuyết thiết kế theo phân t ch m -đun và phân t ch nhóm; xây d ng quy tr nh thiết kế theo m -đun th c hiện thiết kế hệ th ng, h nh thành các

m -đun cho máy tạo mẫu nhanh thiêu kết laser

Ch ơng 4: ính to n thiết kế chi tiết

T nh toán thiết kế tổng th ; T nh toán thiết kế các c m

Ch ơng 5: hực tế chế tạo một số sản phẩm

Khảo sát quá tr nh kết d nh sau thiêu kết laser; th c hiện chạy các mẫu sản

ph m đánh giá khả năng c ng nghệ; nhận xét đánh giá kết quả đ định hướng phát tri n đ tài

ết luận v kiến nghị

Trong chương này đ tr nh bày các nội dung liên quan v tổng quan nghiên cứu nh m ph c v cho quá tr nh thiết kế theo hướng m -đun cho máy tạo mẫu nhanh thiêu kết laser Th ng qua đó nhận thấy được các hướng phát tri n thiết kế cho máy tạo mẫu nhanh thiêu kết laser theo m -đun là phù hợp và có t nh khả thi khi tri n khai th c hiện chế tạo sẽ mang lại một hiệu quả nhất định

2.1 Vật liệu sử dụng trong công nghệ sử dụng laser thiêu kết

C ng nghệ tạo mẫu nhanh c ng như hệ th ng Sinterstation 2000 kh ng bị giới hạn bởi loại vật liệu Trong quá tr nh nghiên cứu th giới hạn một s loại vật liệu dùng trong quá tr nh tạo mẫu nhanh dùng cho nghiên cứu phát tri n sản ph m như:

nh a dẻo nóng, composite, g m và kim loại Nội dung th c hiện nghiên cứu của đ tài giới hạn các nghiên cứu sẽ tập trung trên quá tr nh thiêu kết vật liệu bột nh a v hiện nay dạng vật liệu này được sử d ng rộng và có nguồn ổn định trong nước

2.1.1 V

Vật liệu đàn hồi nhiệt dẻo có những liên kết ngang chuy n hóa thuận nghịch theo nhiệt độ, có th được gia c ng như nh a nhiệt dẻo và ch ng c ng th hiện t nh đàn hồi như vật liệu đàn hồi truy n th ng Hầu hết các vật liệu đàn hồi nhiệt dẻo là các hệ phân tách pha, ngoại trừ một s trường hợp ngoại lệ, một pha lu n là cứng và rắn ở nhiệt độ m i trường trong khi pha còn lại có t nh đàn hồi Th ng thường các pha được liên kết hóa học bởi quá tr nh Block ho c Graft polyme hóa Pha cứng tạo nên độ b n cho vật liệu đàn hồi nhiệt dẻo và các liên kết ngang vật lý sau quá tr nh thiêu kết

Hình 2 1 S n p m s n v t u po m

Ngược lại pha đàn hồi tạo nên t nh u n dẻo và t nh đàn hồi cho vật liệu đàn hồi nhiệt dẻo Khi pha cứng được nung nóng chảy ho c hòa tan trong dung m i, vật liệu có th chảy và có th th c hiện gia c ng b ng các phương pháp gia c ng th ng thường Khi làm nguội ho c bay hơi dung m i, pha cứng đóng rắn và vật liệu lấy lại

độ b n và t nh đàn hồi của nó và l c này th sản ph m đ được h nh thành trong vùng chứa sản ph m

Các polyme riêng biệt sẽ cấu thành nên các pha tương ứng V vậy, mỗi pha này th hiện nhiệt độ nóng chảy riêng của tinh th là (Tg) ho c nhiệt độ nóng chảy tinh th (Tm) đ c trưng cho vật liệu Các vùng thiêu kết vật liệu được phân chia như sau:

- Vùng 1: ở nhiệt độ rất thấp, dưới s chuy n thủy tinh của pha đàn hồi, cả hai pha đ u cứng v vậy vật liệu cứng và giòn

- Vùng 2: trên nhiệt độ Tg của pha đàn hồi nên pha đàn hồi m m và vật liệu

có t nh đàn hồi, gi ng như cao su lưu hóa truy n th ng

- Vùng 3: khi nhiệt độ tăng, m -đun của vật liệu tương đ i ổn định (vùng này được gọi là vùng b ng phẳng cao su) cho tới đi m mà pha cứng m m

ho c nóng chảy Tại đi m này vật liệu trở thành lưu chất nhớt

Th ng qua đó, nghiên cứu cho thấy được d y nhiệt độ sử d ng th c tế của vật liệu đàn hồi nhiệt dẻo n m giữa hai nhiệt độ Tg của pha đàn hồi (nhiệt sử d ng th c

tế ở mức thấp) và Tg ho c Tm của pha cứng (nhiệt độ sử d ng th c tế ở mức cao) Theo như các kết quả nghiên cứu th có th tham khảo một s đ c đi m và th ng s

cho bột dùng thiêu kết trong bảng 2.1 [15]

Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn vật liệu sử d ng là vật liệu bột nh a

PS (Polystyrene), Nh a bột PS (polystiren) là một loại nh a nhiệt dẻo, tạo thành từ phản ứng trùng hợp stiren Nh a PS là loại nh a cứng trong su t, kh ng có mùi, khi cháy có ngọn lửa kh ng ổn định

Hình 2 2 C u trú t n n n S

Trong nghiên cứu của đ tài vấn đ th ng s hạt nh a là rất quan trọng và có

th k đến như sau:

T nh chất: Nh a PS kh ng màu nên d tạo màu, h nh thức đẹp, d gia c ng

b ng phương pháp ép và ép phun (gia c ng ở nhiệt độ 180oC -200 oC)

Ứng d ng: Nh a PS được sử d ng rộng rải trong cuộc s ng, dùng sản xuất các khay đ ng thức ăn, hộp d ng bánh kẹo, khay trong các t i bánh quy, làm văn phòng

ph m, đồ chơi, làm chi tiết trong các ngành c ng nghiệp

B 2 1 Đ p t v v n tố qu t t ố v m t v o v t u

th c Một s sản ph m nhƣ: máy bơm, cánh quạt… sử d ng trong c ng nghiệp, các khớp n i y tế, các d ng c cắt và gia c ng khác (EDM, dập…) có tuổi thọ ngắn và trung bình

Hình 2 3 S n p m s n v t u m o v p m

Vật liệu phi kim có th là sáp, g m… thường dùng làm lõi cho c ng nghệ

đ c c ng được gia c ng trên máy tạo mẫu nhanh[16]

Hình 2 4 S n p m s n v t u p m

2.2 C c yếu tố ảnh h ng đến qu trình thiêu kết trên bột

Những th ng s ảnh hưởng đến s th c hiện chức năng của quá tr nh tạo mẫu

là tính chất của vật liệu bột, đ c t nh kết cấu sau khi thiêu kết, s ch nh xác của chùm tia laser, vận t c quét chi tiết, nguồn laser tổng hợp sẽ h nh thành nên chất lượng, độ ch nh xác tạo h nh

2.2.1

Trong thiết kế và t nh chọn nguồn laser th vấn đ cần nghiên cứu đó là cấu tạo Laser CO2, đây là loại nguồn phát laser sử d ng hỗn hợp kh trong đó kh chủ yếu là

CO2 (CO2 + He + N2 có th thêm một t H2, hơi nước có ho c kh ng có Xenon là

m i trường k ch hoạt laser) Nguồn cung cấp năng lượng k ch th ch các điện tử trong hỗn hợp kh ở đây là nguồn AC có tần s cao biến thiên Trong quá tr nh k ch

th ch th các phân tử Nitơ trong hỗn hợp kh sẽ nhận năng lượng của điện trường dao động sang các phân tử CO2 khi ch ng va chạm với nhau Các phân tử CO2 khi nhận được năng lượng dao động t ch l y đến một mức nào đó sẽ phát ra các bức xạ năng lượng Laser CO2 sử d ng trong nghiên cứu có bước sóng trong khoản 10,6µm

và có th phát ra các tia có bước sóng từ 9 ~ 11µm tùy theo yêu cầu đi u khi n Năng lượng của các nguồn phát laser CO2 dùng trong nghiên cứu từ một vài ch c

Watt đến hàng ngàn KW, hiệu suất sử d ng năng lượng trên 10% cao hơn so với

các thiết bị laser th rắn nên trong đa phần các nghiên cứu tham khảo [17] thường

dùng dạng laser này đ th c hiện việc thiêu kết cho các máy tạo mẫu nhanh

Với những ưu đi m của thiết bị laser CO2 nêu trên cùng với các yêu cầu k thuật v nguồn laser sử d ng cho m c tiêu thiêu kết và các chỉ tiêu v kinh tế c ng như khả năng mua được thiết bị trong nước sẽ là lợi thế của quá tr nh t nh toán thiết

kế, bảng 2.2 tr nh bày tổng hợp một s th ng s k thuật của một s nguồn laser có

th dùng cho các dạng máy tạo mẫu nhanh sử d ng c ng nghệ thiêu kết laser

Bước sóng quang học dài yêu cầu loại k nh đ c biệt,

đi m tập trung lớn và khó khăn hơn đ ki m soát năng lượng

2 Nd:YAG 1.064 Tác d ng t t với kim

loại; thường có sẵn

Chi ph cao, không tác

d ng t t với hầu hết nh a, chất lượng chùm tia thấp

t t

như thế th c hiện từng lớp cho đến khi hoàn thành sản ph m [18]

Hình 2 5 o m u s n p m n s r t u t

Tuy nhiên, việc này chỉ có th th c hiện trong đi u kiện lý tưởng khi mà trong quá tr nh tạo mẫu kh ng xuất hiện ứng suất sinh ra do nhiệt độ Từ quá tr nh nghiên cứu và chứng minh b ng th c nghiệm cho thấy r ng việc tăng nhiệt độ đột ngột từ nhiệt độ m i trường đến nhiệt độ hóa dẻo lu n tạo ra hiện tượng ứng suất nhiệt do biên độ dao động của nhiệt là khá lớn

Ứng xuất sinh ra do nhiệt độ dẫn tới những lỗi rất d dàng nhận thấy ở sản

ph m tạo thành Thứ nhất là ở lớp đầu tiên ta thấy r ng mép tiếp x c của sản ph m