Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh 3d printer trong phát triển nhanh sản phẩm

DANH SÁCH CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Thông số kỹ thuật của máy Zprinter 400 System Thông số kỹ thuật của máy Zprinter 406 System Thông số kỹ thuật của Máy Z TM Z810 3D printer Th

ĐẶNG XUÂN PHONG

ĐỀ TÀINGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG

CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH 3D PRINTER TRONG PHÁT TRIỂN NHANH SẢN PHẨMCHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 07 năm 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sỹ được bảo vệ tại trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày… Tháng… Năm 2011 Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ gồm: (ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sỹ) 1

2

3

4

5

Xác định của hội đồng đánh giá luận văn và bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 07 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Đặng Xuân Phong

Ngày tháng năm sinh: 15-09-1983

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Khóa 2009

Giới tính: Nam Nơi sinh: Đồng Nai MSHV: 09040372

1 TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH 3DPRINTER

TRONG PHÁT TRIỂN NHANH SẢN PHẨM

2 NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu tổng quan công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printer

- Nắm vững công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printing

- Tính toán thiết kế hệ thống cấp bột cho công nghệ tạo mẫu nhanh3D printing

3 NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (ngày ký quyết định giao đề tài ):

4 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

5 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thôngqua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

( Họ tên và chữ ký)

PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ

CHŨ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

( Họ tên và chữ ký)

Trước hết em xin chân thành cảm ơn Cô hướng dẫn chính là PGS.TS Thái

Thị Thu Hà đã tận tình hướng dẫn, chia sẻ những kinh nghiệm quý báu

trên con đường nghiên cứu khoa học Cô đã chân tình động viên và tạo

mọi điều kiện tốt nhất cho tôi để tôi có thể hoàn thành luận văn này.

Lời cảm ơn chân thành cũng xin được gửi đến phòng thí nghiệm trọng

điểm quốc gia điều khiển số và kỹ thuật hệ thống đã tạo điều kiện thuận

lợi cho em hoàn thành lận văn này.

Lời cảm ơn sâu sắc em xin gửi Thầy hướng dẫn là PGS.TS Đặng Văn Nghìn đã truyền đạt những kiến thức quí báu, giúp em hoàn thành luận

văn này.

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn các bạn cao học công nghệ chế tạo máy khóa 2009 đã ủng hộ em, tạo điều kiện tốt nhất cũng như đã đóng góp những ý kiến qúy giá cho em, giúp em hoàn thành được công việc của mình.

TP Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 06 năm 2011

technical background – the ink jet printing as known from the printer and plotterindustry – a classification structure has been developed and proposed 3D Printerhad been known in the early decades of the 90th century with the introduction ofother rapid prototyping technologies, but 3D Printer have an outstanding growthrate Around the world many scientists from different fields have been studyingthree dimensional printing technology with remarkable achievements In Vietnam,3D Printer technology is a new technology, not widely used in production With theadvantages of this technology, in the not too distant future 3D Printer will certainlybecome popular and are widely used in many industries in VietNam.

This thesis is the first steps in research on rapid prototyping equipment in dimensional printer machine design that is mostly powder supply system for therapid prototyping machine of 3D printing technology To go into the machinedesign, the first step to master the technology and structure of the system rapidprototyping 3D printing technology Then proceed to calculate the powder supplysystem designed for rapid prototyping machine 3D printing technology

three-Design problem is to conduct the following steps:

 The first step of the design problem is to list, compare and analyze systemdesign options for powder system after selecting the design, conductstructural design for powder supply system

 Once completed the structural design, conduct modeling, editing, andevaluation criteria designed by the model

 A CAD-3D models and detailed drawings of the powder supply system isformed as a result of this thesis

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

LỜI CÁM ƠN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

MỤC LỤC

DANG SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 3

CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG ĐỀ TÀI 4

DANH SÁCH CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN 6

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 7

1.1 Vai trò của công nghệ tạo mẫu nhanh trong việc phát triển nhanh sản phẩm 7 1.2 Sơ Lược về Công nghệ tạo mẫu nhanh 9

1.3 Mục tiêu của đề tài 11

1.4 Nội dung nghiên cứu 11

CHƯƠNG 2 : CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH 3D PRINTER 12

2.1 Thời gian hình thành và tốc độ phát triển của công nghệ 3D printer 12

2.2 Tạo mẫu nhanh theo công nghệ 3D printer 13

2.3 Bảng phân loại công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printer 43

2.4 Khả năng ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printer 44

CHƯƠNG 3 : PHÂN TÍCH SO SÁNH LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP BỘT 47

3.1 Cấu trúc tổng thể hệ thống cấp bột theo công nghệ tạo mẫu nhanh 3D

printting 47

3.2 Hệ thống cấp bột theo công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printting 48

3.2 Xây dựng, đánh giá và chọn phương án thiết kế hệ thống cấp bột 53

3.3 Đánh giá các phương án theo các chi tiêu và chon lựa phương án 70

3.4 Chọn phương án thiết kế 72

CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP BỘT 73

4.1 Thông số kỹ thuật thiết kế hệ thống cấp bột 74

4.2 Tính toán thiết kế cho cụm nâng hạ thùng chính 75

4.2 Tính toán thiết kế cho cụm cấp bột 84

CHƯƠNG 5 : THIẾT KẾ KẾT CẤU 89

5.1 Thiết kế kết cấu 89

5.2 Xây dựng mô hình 98

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 103

6.1 Kết luận 103

6.2 Hướng phát triển đề tài 104

Tài Liệu Tham Khảo 105

PHỤ LỤC 108

DANG SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

3D PRINTING Three Dimensional Printing

FDM Fused Deposition Modeling: Mô hình đùn kết dính

3D plotting Three Dimensional Plotting

Metal 3DP Metal Three Dimensional Printing

MIT Massachusetts Institute of Technology

3D printer Three Demensional Printer ( in ba chieu)

PolyJet Photopolymer Phase Change Inkjet

PolyJetTM Tên một công nghệ của công ty Objet Geometries Inc SLS Selective Laser Sintering: Thiêu kết laser chọn lọc STL Streolithography ( file format): tên riêng

CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG ĐỀ TÀI

Chiều sâu của profile ren trục vít Đường kính ngoài của trục vít Đường kính ngoài của đai ốc

Hiệu suất của bộ truyền vít me

Hệ số đàn hồi của cao su Module đàn hồi Young của cao su Tải trọng cần nâng hạ

Lực ma sát ( giữa piston và cyline) Thể tích thùng chính ( thùn làm việc) Thể tích lượng bột cần cấp

Thể tích thùng bột cấp

DANH SÁCH CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Thông số kỹ thuật của máy Zprinter 400 System

Thông số kỹ thuật của máy Zprinter 406 System

Thông số kỹ thuật của Máy Z TM Z810 3D printer

Thông số kỹ thuật của máy ZPrinter® 650

Thông số kỹ thuật của máy ZPrinter® 350

Bảng phân loại công nghệ tạo mẫu nhanh 3D Printer

Các cụm chính trong hệ thống cấp bột theo công nghệ 3D printing

Trình tự hoạt động của một chu kỳ cấp bột

Thông số kỹ thuật vật liệu bột

Thông số kỹ thuật vật liệu kết dính

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Vai trò của công nghệ tạo mẫu nhanh trong việc phát triển nhanh sản phẩm

- Tạo mẫu là mô hình hoá ý tưởng của người thiết kế Trước đây, trước khi sản xuất hàng loạt một sản phẩm nào đó, bao giờ người ta cũng tạo mẫu trước để nghiên cứu, xem xét, phân tích sự phù hợp của mẫu so với những yêu cầu của sản phẩm thực Trong thế kỷ 21, nhu cầu của thị trường luôn luôn thay đổi với 1 một tốc độ rất nhanh, và cùng với tốc độ internet thì thị trường mang toàn cầu và bão hòa Việc phát triển sản phẩm phải được điều chỉnh dựa trên nhu cầu luôn luôn thay đổi của khách hàng Các sản phẩm phải được cung cấp ra thị trường với nhiều phiên bản và phù hợp từng đối tượng khách hàng khác nhau Ngày nay có các sản phẩm khác nhau dành cho cho nam, nữ, hoặc trẻ em, người lớn, và các sản phẩm phục vụ cho kinh doanh, cho giải trí… Ngoài ra, tuổi thọ của sản phẩm càng ngày càng ngắn Mặt khác, các sản phẩm ngày càng có nhiều chức năng nhiều hơn và hình dàng phức tạp hơn, trong khi thời gian sản xuất phải được càng ngắn càng tốt

- Như vậy: Phát triển nhanh sản phẩm là một quá trình đưa sản phẩm mới nhanh chóng ra thị trường Tất cả các công ty để đạt được lợi thế chiến lược trước đối thủ cạnh tranh thì họ cần phải tìm cách nhanh chóng phát triển sản phẩm họ để đáp ứng nhanh với nhu cầu của khách hàng Việc phát triển nhanh sản phẩm có thể đạt được bằng nhiều cách và nhiều phương pháp khác nhau (có thể áp dụng tự động hóa quá trình sản xuất, có thể áp dụng các phương pháp của sản xuất tinh gọn…) Một trong những chìa khóa thành công trong việc phát triển nhanh sản phẩm là ứng dụng có hiệu quả công nghệ tạo mẫu nhanh vào trong qui trình sản xuất sản phẩm

- Công nghệ tạo mẫu nhanh cho phép chúng ta rút ngắn được nhiều lần quá trình chuẩn bị sản xuất và sản xuất so với các phương pháp truyền thống Không những thế, tạo mẫu nhanh còn giúp tăng độ linh hoạt, độ phức tạp của sản phẩm đặc biệt là các sản phẩm có kích thước nhỏ Do đó, mục đích của tạo mẫu nhanh hiện nay chính là để chào hàng và quảng cáo tiếp thị sản phẩm mới cũng như để nghiên cứu, xem xét và phân tích tính phù hợp của sản phẩm

Qui trình sản xuất truyền thống Qui trình sản xuất sử dụng công nghệ tạo

mẫu nhanh

Hình 1.1: So sánh giữa quy trình sản xuất truyền thống và qui trình sản xuất sử

dụng công nghệ tạo mẫu nhanh

- Các hệ thống tạo mẫu nhanh hiện nay đều là tự động, không cần khuôn mẫu

mà vẫn có thể chế tạo trực tiếp các chi tiết trong khả năng chất lượng giới hạn, các chi tiết được chế tạo từ phương pháp này có độ chính xác nhưng chất lượng bề mặt kém

vì không được gia công tinh trong nguyên công cuối Vì thế các sản phẩm thường được gia công tinh lại bằng phương pháp gia công khác Công nghệ tạo mẫu nhanh rút ngắn thời gian chế tạo một chi tiết rất nhiều và các dữ liệu thiết kế vẫn có thể sử dụng lại nên lợi nhuận từ công nghệ này rất khổng lồ, lợi nhuận trực tiếp và lợi nhuận gián tiếp Lợi nhuân trực tiếp từ người thiết kế chế tạo, từ máy gia công và kỹ sư chế tạo, lợi nhuận gián tiếp từ bộ phận tiếp thị và từ khách hàng

Sản xuất Kiểm tra và chỉnh sửa

Tạo mẫu thử Làm khuôn Chế tạo mẫu bằng tay

Thiết kế sản phẩm

Sản suất

Tạo mẫu nhanh

Thiết kế nhờ máy tính (CAD)

1.2 Sơ Lược về Công nghệ tạo mẫu nhanh

1.2.1 Khái Niện Tạo Mẫu Nhanh

Theo định nghĩa về tạo mẫu nhanh của Terry Wohler (Chủ tịch Hiệp hội tạo mẫu nhanh thế giới) trong báo cáo năm 2001 của Hội tạo mẫu nhanh thế giới:

“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 chụp cắt lớp điện toán CT, cộng hưởng 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 những dữ liệu sau đây:

+ Thiết kế ba chiều trên máy tính

+ Dữ liệu chụp cắt lớp điện toán CT hoặc cộng hưởng từ MRI

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

1.2.2 Sự Ra đời và Phát Triển của Công Nghệ Tạo Mẫu Nhanh

- Lịch sử ra đời của công nghệ tạo mẫu nhanh được đánh dấu bằng sáng chế của Hull vào năm 1984 về thiết bị tạo hình lập thể (Stereo Lithography Apparatus – SLA), được công nhận vào năm 1986 và được thương mại hoá bởi công ty 3D System vào năm 1987 Sau khi thương mại hóa vào năm 1987, 34 hệ thống đã được cung cấp cho thị trường vào năm 1998

- Tuy chỉ mới chính thức ra đời từ năm 1998 nhưng công nghệ tạo mẫu nhanh đang là mục tiêu nghiên cứu và ứng dụng trong ngành cơ khí công nghệ cao, cho phép tạo nhanh các sản phẩm công nghiệp: chế tạo khuôn nhanh (rapid tooling) có thể dùng các công nghệ khác nhau như vật liệu lỏng quang hóa, vật liệu rắn (gỗ), kim loại, đặc biệt là trong công nghệ tạo mẫu đế giày, tạo ra các tượng mỹ nghệ trong ngành kim hoàn, tạo khuôn mẫu cho ngành nhựa với kích thước lớn nhỏ khác nhau, ứng dụng trong các ngành sản xuất chế tạo ô tô, xe máy, điện dân dụng, máy điều hòa nhiệt độ, vỏ ti vi, máy nông nghiệp… với hiệu quả kinh tế rất lớn

- Ngoài ra, trong lĩnh vực y học, công nghệ tạo mẫu nhanh được dùng để chế tạo các mô hình y học, các bộ phận cấy ghép thay thế xương và các công cụ trợ giúp phẫu thuật

- Theo báo cáo của Wohlers (2006) thì khả năng phạm vi ứng dụng công nghệ tạo

mẫu nhanh: [6]

Hình 1.2 : Phạm vi ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh

Người ta chia sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh thành ba giai đoạn lớn

 Giai đoạn 1: Từ những năm đầu của thập kỷ 80 của thế kỷ 20 đến năm 1994

Sự ra đời của công nghệ tạo mẫu nhanh với bằng sáng chế của Hull về thiết

bị tạo hình lập thể, được thương mại hóa năm 1987 bởi công ty 3D System

 Giai đoạn 2: Từ 1994 – 1998 Thiết bị kỹ thuật và công nghệ tạo mẫu nhanh phát triển theo hướng hoàn thiện

 Giai đoạn 3: Từ 1997 đến nay Triển khai ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh ở nhiều nước trên thế giới

- Tính đến nay có hơn 30 công nghệ tạo mẫu nhanh đã được ra đời và phát triển với rất nhiều phạm vi ứng dụng đa dạng, trong đó có một số công nghệ đã trở

nên phổ biền và được thương mại hóa: Công nghệ tạo mẫu SLA (Stereo

Lithography Aparatus) và công nghệ tạo mẫu 3D Printing của công ty 3D systems, Công nghệ tạo mẫu LOM (Laminated Object Manufacturing) của công ty Helisy, công nghệ SLS (Selective Laser Sintering), công nghệ tạo mẫu FDM (Fused Deposition Modeling) thuộc sở hữu của công ty Stratasys, …Trong các công nghệ tạo mẫu nhanh được thương mại hóa thì công nghệ 3D printing (Three Dimensional Printing) thuộc nhóm công nghệ tạo mẫu nhanh in ba chiều (3D printer) có khả năng ứng dụng rất cao (có thể tạo ra những sản phẩm có màu sắc) và có lợi thế về tốc độ gia công chi tiết rất tốt

1.3 Mục tiêu của đề tài

 Nắm vững công nghệ tạo mẫu nhanh theo phương pháp 3D printing

 Thiết kế hệ thống cấp bột cho máy tạo mẫu nhanh theo phương pháp 3D printing

1.4 Nội dung nghiên cứu

 Nghiên cứu tổng quan công nghệ tạo mẫu nhanh in ba chiều, đặc biệt là công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printing

 Nghiên cứu tổng quan cấu trúc của hệ thống tạo mẫu nhanh theo công nghệ in ba chiều 3D printing

 Thiết kế kết cấu hệ thống cấp bột cho máy tạo mẫu nhanh theo công nghệ

in ba chiều 3D printing

CHƯƠNG 2 : CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH 3D PRINTER

2.1 Thời gian hình thành và tốc độ phát triển của công nghệ 3D printer

- Công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printer (in ba chiều) là một công nghệ có nguồn gốc từ kỹ thuật in phun đã có từ rất lâu, công nghệ in ba chiều dựa vào sự thay đổi trạng thái của vật liệu (từ rắn qua lỏng) phun nguyên liệu vật liệu thành các lớp mỏng, sau đó lớp nguyên liệu này sẽ được làm đông đặc lại để tạo nên liên kết hình thành nên sản phẩn 3D Công nghệ tạo mẫu nhanh in ba chiều được xem như

là một công nghệ có tốc độ tạo ra sản phẩm nhanh nhất trong các công nghệ tạo mẫu nhanh (có thể gấp 40 lần so với các công tạo mẫu nhanh khác) Nó cho phép tạo ra sản phẩm có màu sắc thực tế hơn, nguyên liệu sử dụng rất đa dạng như: gốm, nhưa nhiêt dẻo-kim loại, các photopolymer, nhựa tổng hợp…

Cùng với sự ra đời của các loại công nghệ tạo mẫu nhanh khác, công nghệ tạo mẫu nhanh in ba chiều lần đầu tiên xuất hiện thông qua sự ra đời và phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printing

Tên công nghệ Ký hiệu Năm phát triển đầu tiên

Three-Dimensional Printing 3D Printing 1985-1997

- Cùng với sự phát triển của các công nghệ tạo mẫu nhanh khác công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printer (in ba chiều) từ khi xuất hiện và phát triển đã có sự cạnh tranh khác biệt với các công nghệ tạo mẫu nhanh khác về tốc độ, giá thành máy, khả năng ứng dụng của sản phẩm Bảng 2.1 cho ta thấy được tốc độ gia tăng về số lượng các máy tạo mẫu nhanh theo phương pháp in 3 chiều được bán (tính đến năm 2007 -

theo báo cáo của wholers 2008) [7]

Hình 2.1: Tốc độ bán máy tạo mẫu nhanh 3D printer tính đến năm 2007

2.2 Tạo mẫu nhanh theo công nghệ 3D printer

- Từ đầu những năm đầu của thập niên 1990, nhiều công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printer (in ba chiều) đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng trong nhiều nghành công nghiệp, trong đó có các công nghệ như: FDM, PolyJet, 3D Printing Các công nghệ này đều giống nhau là sử dụng đầu phun vật liệu để tạo thành lớp mỏng trong quá trình gia công chi tiết Tùy thuộc vào phương pháp phun mà có thể phân ra các loại như: Drop-on-Drop deposition, Drop-on-Powder deposition,

Continuous deposition.[10]

Drop-on-Drop deposition ( Phun trực tiếp)  3D Plotting

 PolyJet

Drop-on-Powder deposition ( Phun gián tiếp)  3D Printing

 Metal 3DP Continuous deposition ( Phun liên tục)  FDM

Hình 2.2 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động

Công nghệ 3D ploting

2.2.1 Quá trình phun trực tiếp (Drop-on-Drop)

2.2.1.1 Công nghệ tạo mẫu nhanh 3D Plotting:

Công nghệ 3D plotting có nguồn

gốc từ công ty Sanders Prototype,

bây giờ được biết đến với tên là

Soidcape Công nghệ 3D plotting

sử dụng 2 đầu phun, một đầu phun

sẽ phun nguyên liệu nền là nhựa

nhiệt dẻo tạo chi tiết, một đầu phun

sẽ phun sáp (wax) để tạo hệ thống

đỡ Nguyên liệu sáp hỗ trợ sẽ được

phun và đông đặc cùng lúc với

nhựa nhiệu dẻo Nguyên liệu nền

dùng để tạo chi tiết được gia nhiệt

trong đầu phun trở thành trạng thái

lỏng, nguyên liệu này được phun ra khỏi đầu phun với một áp suất và sẽ đông đặc lại khi tiếp xúc với lớp nguyên liệu trước đó Sau khi mỗi lớp hoàn tất Lưỡi dao sẽ gạt bóc bỏ đi một lớp khoảng 0,025mm để tạo nên bề mặt có độ nhẵn cho lớp kế tiếp Mặt đế được hạ thấp xuống dưới theo chiều Z, để chuẩn bị cho qua trình phun lớp tiếp theo Quá trình này được lập đi lập lại cho đến khi lớp cuối cùng của chi tết

được hoàn tất Quá trình này là sự kết hợp của phương pháp FDM và 3D printing,

và công ty Solidscap gọi đây là 3D plotting

Một số chủng loại máy đã được thương mại hóa

T612 TM T66 TM PaternMaster TM 2.2.1.2 Công nghệ tạo mẫu nhanh PolyJet

- Công nghệ PolyJet sử dụng vật liệu là các polyme cảm quang, và đầu phun

có diện tích rộng để phun cả nguyên liệu chính và nguyên liệu bổ xung tạo giàn đỡ Các lớp nguyên liệu này sẽ được nóng chảy và dưới ánh sáng của tia cực tím được chiếu vào ngay khi nguyên liệu được phun ra, sau đó nguyên liệu này sẽ đông đặc lại tạo ra một lớp cho chi tiết Hiện tại công nghệ PolyJet được phát triển bởi công

ty Objet Geometries

Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động công nghệ tạo mẫu nhanh in ba chiều PolyJet

- Hệ thống đầu phun có thể di chuyển theo 2 phương X và Y

- Khay bàn máy có thể di chuyển tịnh tiến theo phương Z

- Hệ thống đầu phun chứa vât liệu tạo chi tiết (chưa khoảng 1536 miệng phun nhỏ), hai bên hông đầu phun có lắp đèn tia cực tím, đèn này tạo hai dãy chiếu sáng hai bên hông đầu phun, cung cấp năng lượng để đông đặc nguyên liệu sau khi được phun ra khỏi đầu phun Vật liệu được sử dụng là vật liệu cảm quang (cả vật liệu chính và vật liệu hỗ trợ) Chiều dày của mỗi lớp vật liệu có thể đạt được là 16 μm

Chiều dày của các thành chi tiết sau khi được gia công có thề đạt tới 0,6 mm [11]

Hệ thống đầu phun theo công nghệ tạo mẫu nhanh PolyJet : Theo Patent số US

- Sau khi nhận được dữ liệu là file “.STL” từ mô hình máy tính, máy sẽ thực

hiện quá trình chia lớp cho mô hình Để tạo lớp thứ nhất đầu phun di chuyển và phun một lớp vật liệu rất mỏng trên khay bàn máy, đồng thời lúc này đèn cực tím cũng được quét qua lớp vật liệu này và làm đông đặc lớp vật liệu này ngay lập tức, sau đó khay bàn máy thực hiện một chuyển động tiện tiến hướng xuống theo chiều

Z bằng khoảng cách chiều dày của lớp gia công, tiếp tục đầu phun sẽ di chuyển và phun lớp vật liệu thứ 2, đèn tia cực tím cũng quét lên lớp vật liệu này làm cho nó đông đặc ngay, sau đó bàn máy tiếp tục chuyển động tịnh tiến xuống dưới một

khoảng cách bằng chiều của một lớp gia công Quá trình gia công này được thực hiện từng lớp từng lớp và lập đi lập lại cho đến khi hình dạng chi tiết được hoàn thành Sau khi gia công hoàn tất sản phẩm trên máy, người ta tiến hành quá trình hậu sử lý bằng cách phun nước nhằm loại bỏ vật liệu tạo giàn đỡ (support material)

ra khỏi sản phẩm để đạt được sản phẩm mong muốn

 Chất lượng bề mặt cao: độ phân giải cao

 Độ chính xác cao: Các lớp cộng vật liệu khoảng 600μm hoặc nhỏ hơn phụ thuộc vào vật liệu

 Tốc độ gia công nhanh, công nghệ có thể in nhiều chi tiết cùng một lúc

 Quá trình hậu sử lý dễ dàng

Nhược điểm:

 Vật liệu tạo mẫu đắt

 Giá thành máy,giá đầu phun, chi phí bảo trì còn cao

Inport file STL vào khay

Chia lớp, tính toán khối lượng nguyên liệu, chạy thử

mô hình

Gia công hoàn tất

Sản phẩm

Gia công

mô hình

Kiểm tra hiệu chỉnh

file STL bằng phần

mền chuyên dùng

Quá trình hậu

Các chủng loại máy đã được thương mại hóa

Eden TM 260 Eden TM 330 Eden TM 350

2.2.2 Qúa trình phun liên tục (Continuous Deposition)

2.2.2.1 Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

- Phương pháp tạo mẫu nhanh in ba chiều theo công nghệ FDM là của Công ty Stratasys Công ty Stratasys được thành lập vào năm 1989, công ty tập trung nghiên cứu và phát triển phương pháp tạo mẫu nhanh in 3 chiều bằng công nghệ FDM Công nghệ FDM được phát triển lần đầu tiên bới Ông Scott Crump vào năm

1988 và đã có bằng sáng chế được được giải thưởng cao tại Mỹ vào năm 1992 Công nghệ FDM xây dựng chi tiết bằng cách đùn vật liệu qua đầu phun Máy FDM đầu tiên là máy 3D modeler® được đưa ra vào năm 1992 Ngày nay công nghệ

FDM là một hệ thống sản xuất có tính thương mại đứng thứ hai trên thế giới

Nguyên lý hoạt động của Công Nghệ tạo mẫu nhanh FDM

Hình 2.5 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

- Vật liệu chính dùng để tạo chi tiết và vật liệu hỗ trợ dùng để tạo chi tiết đỡ đều ở dạng dây Đầu phun được gắn trên một hệ thống di chuyển có thể di chuyển trên một mặt phẳng song song với đế (mặt phẳng XY của hệ trục tọa độ trên máy)

- Các bánh xe đưa vật liệu chính và vật liệu hỗ trợ vào ống gia nhiệt, trong ống gia nhiệt vật liệu chuyển từ trạng thái rắn qua trạng thái lỏng và được phun qua

miệng phun, thực hiện quá trình tạo lớp trên khay bàn máy Sau khi một lơp được

tạo, đế di chuyển xuống dưới theo phương thẳng đứng (trục Z của máy), đầu phun tiếp tục di chuyển và phun vật liệu để tạo thành lớp tiếp theo Lớp vật liệu sau khi được phun khỏi đầu phun thì tạo liên kết với lớp vật trước đó do đặc tính của vật liệu mà không cần chất kết dình nào Quá trình này được thực hiện cho đến khi chi tiết gia công được hoàn tất

Một số hệ thống đầu phun theo công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

Theo Patent số 5900207 ngày 04/05/1999 [13]

Hình 2.6a

Theo Patent số 5764521 ngày 09/06/1998 [14]

Hình 2.6b

Theo Patent số 5503785 ngày 02/04/1996) [15]

Dùng phần mền chuyên dùng chia lớp (theo chiều ngang)

Gia công hoàn tất

Sản phẩm

Gia công

mô hình

Quá trình hậu

sử lý

Qui trình thực hiện

 Lãng phí ở mức thấp nhất: phương pháp FDM xây dựng chi tiết bằng cách thay đổi trạng thái của nhựa nhiệt dẻo để đùn vật liệu trực tiếp qua đầu phun

Do đó vật liệu chính và vật liệu hỗ trợ luôn được giữ ở mức cần thiết, cái này cũng góp phần thuận lợi cho việc hậu sử lý sau khi chi tiết được gia công trên máy xong

 Chi tiết sau khi được gia công trên máy xong thì dễ dàng loại bỏ vật liệu tạo dàn đỡ

Những dòng máy theo công nghệ tạo mẫu nhanh FDM được thương mại hóa phổ biến

2.2.3 Quá trình phun gián tiếp (Drop-on-Powder)

2.2.3.1 Công nghệ tạo mẫu nhanh Metal 3DP

- Công nghệ Metal 3DP tạo ra chi tiết 3 chiều được phát triển bởi công ty Extrude Home với sự hợp tác làm việc với các chuyên gia tại MIT Công nghệ Metal 3DP có thể tạo ra được sản phẩm kim loại với cấu trúc 60% thép và đồng 40%

Hình 2.7: Nguyên lý hoạt động của công nghệ tạo mẫu nhanh Metal 3DP

- Công nghệ tạo mẫu nhanh Metal 3DP tạo ra chi tiết bằng kim loại một cách trực tiếp dữ liệu từ mô hình của CAD Công nghệ Metal 3DP sử dụng một hệ thống đầu in phun kiểu tĩnh điện để phun vật liệu là chất kết dính lên vật liệu lớp bột kim loại (vật liệu bột có thể là thép không rỉ hoặc kim loại khác) Chi tiết được chế tạo từng lớp, chiều dày của một lớp bột kim loại được tạo ra trên khay bàn máy thông qua con lăn cấp liệu, sau đó hệ thống đầu phun sẽ phun vật liệu kết dính lên lớp vật liệu bột kim loại Những giọt vật liệu thì được xấy bởi đèn xấy ngay khi vừa ra khỏi đầu phun, trước khi tạo liên kết với lớp vật liệu bột kim loại Lớp vật liệu bột kim loại chỉ liên kết ở những miền có chất kết dính (theo hình dạng mặt cắt lớp của mô hình thiết kế trên máy tính) Sau đó piston chế tạo sẽ dich chuyển tịnh tiến xuống dưới (theo trục Z của máy) một đoạn khoảng 120–170μm (để chuẩn bị cho con lăn cấp liệu thực hiện tạo lớp tiếp theo trên bàn làm việc) Quá trình này được thực hiện cho tới khi chi tiết được hoàn tất Chi tiết sau khi gia công trên máy xong thì được đem đi sấy khô

Chu trình làm việc và chế tạo của công nghệ tạo mẫu nhanh Metal 3DP

Hình 2.8: Chu trình làm việc và chế tạo của quá trình tạo mẫu nhanh Metal 3DP

Công ty ProMetal đưa ra hai mẫu máy điển hình cho công nghệ tạo mẫu nhanh Metal 3DP

Công nghệ Metal 3DP có những ưu điểm sau:

 Nhanh: Các máy ProMetalTM có thể tạo ra đồng thời nhiều chi tiết Tốc độ xây dựng chi tiết có thể trên 4000 cm3/giờ

 Linh hoạt: Hầu như không có giới hạn về thiết kế, các chi tiết có hình dạng phức có thể được tạo ra

2.2.3.2 Công nghệ tạo mẫu nhanh 3D Printing

- Đây là một hệ thống dựa trên kỹ thuật in phun được phát triển ở Khoa Kỹ thuật cơ khí (Mechanical Engineering Department)- Viện Công nghệ MIT Phương pháp này rất giống với phương pháp kết tinh laser chọn lọc (SLS), chỉ khác là tia laser được thay thế bằng một đầu phun (Ink-Jet Head)

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của công nghệ tạo mẫu nhanh 3D Printing

- Cũng tương tự các công nghệ tạo mẫu nhanh khác, quá trình tạo ra chi tiết 3D cũng dựa trên quá trình tạo và liên kết các lớp 2D với nhau Mô hình được thiết

kế trên máy tính sau đó được chia lớp và được lưu dưới file tạo lớp ( file *.STL) Sau đó file này được chuyển tới máy 3D printing để tiến hành chuẩn bị gia công

- Đầu phun được gắn trên một hệ thống di chuyển đầu phun nằm trên thùng chế tạo và di chuyển theo 2 chiều trên một mặt phẳng song song với mặt phẳng bàn máy, phạm vi di chuyển được giới hạn trong thùng chế tạo (phạm vi di chuyển của đầu phun trên thùng chế tạo quyết định kích thước lớn nhất có thể của sản phẩm)

Hình 2.10: Hệ thống chuyển động của đầu phun theo công nghệ tạo mẫu nhanh 3D

Printing

- Hệ thống đầu phun phun một dung dịch hỗn hợp chất kết dính lên trên mặt của lớp nền bột chế tạo Những phần tử bột sẽ liên kết với nhau ở những miền có chất kết dính Khi một lớp đã hoàn thành, piston chế tạo sẽ dịch chuyển xuống dưới bằng độ dày một lớp Lúc này piston cấp liệu di chuyển lên trên để tăng lượng bột cung cấp cho quá trình; con lăn cấp liệu sẽ trải và ép bột lên trên bàn máy Quá trình được lặp lại đến khi toàn bộ vật thể được chế tạo xong trong nền bột Sau khi hoàn thành, chi tiết được nâng lên và bột dư được quét ra khỏi chi tiết

Hình 2.11 : Chu trình làm việc và chi tiết được chế tạo bằng quá trình 3DPrinting Các công đoạn chính của công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printing

- Cũng tương tự các công nghệ tạo mẫu nhanh khác, công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printing cũng gồm có 5 công đoạn chính được thể hiện qua sơ đồ sau:

Hình 2.12: Các công đoạn chính của công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printing

Tạo mô hình CAD ba chiều Xuất file dữ liệu cắt lớp Kiểm tra và chuẩn bị dữ liệu Chế tạo chi tiết từng lớp một

Xử lý và hoàn thành mẫu

Bước 1: Tạo mô hình CAD 3 chiều dạng mặt hay dạng khối

Hình2.13: Dữ liệu CAD ba chiều

Bước 2: Xuất file dữ liệu STL

Xuất file CAD ba chiều sang đuôi STL File định dạng STL xấp xỉ bề mặt dưới dạng các tam giác Các mặt cong bậc cao hơn thì xấp xỉ bề mặt bằng nhiều tam giác hơn làm cho kích thước file sẽ lớn hơn

Hình 2.14: File định dạng STL xấp xỉ bề mặt dưới dạng các tam giác

Bước 3: Kiểm tra và chuẩn bị dữ liệu

- Kiểm tra file STL và chỉnh sửa

- Tạo lớp cho sản phẩm, xác định các thông số của máy và sản phẩm

Hình 2.15: Dữ liệu tạo lớp cho sản phẩm

Bước 4: Chế tạo mẫu từng lớp một

Bước 5: Xử lý và hoàn thành mẫu

Công đoạn này bao gồm các công việc sau:

 Quá trình hoạt động đơn giản: các hệ thống tạo mẫu nhanh 3D Printing không phức tạp để hoạt động, không cần một kỹ thuật viên chuyên trách để phụ trách đứng máy Tất cả các hệ thống đều được tiêu chuẩn hóa, được phát triển dựa trên nền công nghiệp máy in phun

 Không có lãng phí nhiều vật liệu: vật liệu bột không được chế tạo trong quá trình chế tạo thì được dùng lại

 Màu sắc: có thể có nhiều màu sắc khác nhau

Nhược điểm

 Các chi tiết hoạt động bị giới hạn: giống công nghệ SLS, các chi tiết được chế tạo có nhiều sự cong vêch, do đó khả năng kiểm tra các chi tiết hoạt động bị giới hạn

 Chất lượng bề mặt kém: các chi tiết sau khi chế tạo thường được tiền hành hậu sử lý

2.2.3.3 Các loại kiểu phun của đầu phun trong công nghệ 3D printing

Trong công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printing có hai loại kiểu phun: Kiểu phun phun vật liệu liên tục (Continuous Jet) và đầu phun phun vật liệu gián đoạn (Drop-On-Demand)

Hình 2.16: Kiểu phun liên tục (Continuos Jet) và kiểu phun gián đoạn (DOD) Kiểu phun gián đoạn (Drop On Demand)

Kiểu phun DOD cho các được sử dụng cho các máy in thông thường, trong kiểu phun DOD mỗi giọt vật liệu kết dính phun ra từ miệng phun được điều khiển thông qua bộ điều khiển trung tâm Khả năng này cho phép phun từng giọt vật liệu tại thời điểm bất kỳ Những tín hiệu điện dạng xung sẽ điều khiển tốc độ từng giọt vật liệu riêng rẽ (Hình 2.17) Một hệ thống đầu phun theo kiêu phun DOD với nhiều miệng phun có thể được thực hiện từ 40 tới 100 dòng phun với

tốc độ dòng vật liệu phun từ 1.5cc/phút đến 3 cc/phút cho tất cả dòng phun

Nguyên lý hoạt động của đầu phun theo kiểu phun DOD

Hình 2.17: Nguyên lý hoạt động của hệ thống đầu phun theo kiểu phun DOD

- Đầu phun di chuyển theo 2 phương x,y Vật liệu liên kết được đưa vào buồng chứa vật liệu (5) thông qua đường vào vật liệu (4), bộ phận tạo áp xuất (2) được điều khiển bằng tín hiệu điện dạng xung (1) tạo ra một áp suất (lớn hơn sức căng mặt ngoài của giọt mực tại miệng phun) Áp suất này tác dụng vào buồng vật liệu (5) tạo ra màng áp suất (3), màng áp suất (3) tạo ra một áp suất trong buồng vật liệu (5) để phun vật liệu thông qua miệng phun (6) đến lớp bột trên mặt đế tạo liên kết

Một vài thông số công nghệ liên quan đến kiểu đầu phun DOD

Để giọt vật liệu kết dính có thể phun ra được từ miệng phun cần tạo ra một áp xuất dương và áp suất dương này tạo ra một lực phải lớn hơn lực căng mặt ngoài của

chất lỏng áp suất này được tính theo công thức sau [21] :

≥2 (2.1)

Trong đó: σ: sức căng mặt ngoài của chất lỏng

a: bán kính của giọt vật liệu kết dính ( sấp sỉ bằng đường kính ngoài của miệng phun)

Tốc độ phun của dòng vật liêu được xác định theo công thức sau [21]:

= 3 (2.2)

Trong đó: rin : bán kính trong của miệng phun

: trọng lượng riêng của chất lỏng Đối với các công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printing các thông số điển hình bao gồm: đường kính trong của miệng phun là 25μm và đường kính ngoài của miệng phun 50μm

Kiểu phun liên tục (Contiuous Jet)

Trong kiểu phun liên tục vật liệu kết dính xuất hiện một cách liên tục từ đầu phun dưới một áp xuất phun Kiểu phun liên tục này được ứng dụng nhiều trong nền công nghiệp in phun Trong hệ thống đầu phun theo kiểu phun liên tục, dòng vật liệu kết dính lỏng trong vòi phun vật liệu (A) được bộ phận chuyển đổi áp điện (B) kích thích Dòng vật liệu kết dính bị kích thích được phun ra từ miệng phun của vòi phun vật liệu(A) dưới một áp suất phun Dòng vật liệu kết dính này qua bộ phận tích điện (C), trong môi trường bộ phận tích điện (C) dòng vật liệu kết dính được tách ra thành chuỗi những giọt vật liêu hình cầu (có kích thước nhất định) Chuỗi giọt vật liệu hình cầu này tiếp tục qua bộ phận tạo môi trường tạo điện áp manh, ở đây chuỗi giọt vật liệu kết dính sẽ được phận hóa thành hai loại là những giọt vật liệu không bị lỗi và những giọt vật liệu bị lỗi (những giọt vật liệu bị lỗi do ảnh hưởng áp suất phun và dao động năng lương…đến quá trình hình thành giọt vật liêu) Những giọt vật liệu bị lỗi sẽ được bộ phận thu nhận giọt vật liệu bị lỗi (E) gon lại, còn những giọt vật liệu không bị lỗi thì được

phun tới vật liệu bột để tạo kết dính hình thành lớp sản phẩm, đối kiểu phun liên tục này tốc độ dòng vật liệu có thể đạt đạt được từ 0.2 cc/phút đến 7cc/phút, tần

số của giọt vật liệu có thể đạt 50 Khz đến 1 Mhz

Hình 2.18: Nguyên lý hoạt động của hệ thống đầu phun theo kiểu phun liên tục

- Kiểu phun vật liệu liên tục có lợi thế về tốc độ gấp từ 10 đến 100 lần kiểu phun DOD Ngày nay đầu phun theo kiểu này được phát triển thành một hệ thống gồm nhiều vòi phun để tăng thêm tốc độ phun

Hình 2.19: Hệ thống đầu phun theo kiểu phun liên tục Một vài thông số công nghệ liên quan đến kiểu đầu phun liên tục

Để điều khiển các giọt vật liệu kết dính thì có các thông số: độ dài của dòng vật liệu trong miệng phun và tần số tạo ra các giọt vật liệu phải được xác định

Một dòng vật liêu có dạng hình trụ không bền và sẽ tách ra thành chuỗi các giọt mực riêng rẽ hình cầu, do diện tích bề mặt và năng lượng bề mặt của hình trụ lớn hơn diện tích bề mặt và năng lượng bề mặt của chuỗi các giọt mực hình cầu Bất kỳ một sự không cân bằng nào của dòng vật liệu kết dính hình trụ sẽ dẫn đến sự mất ổn định trong dòng vật liệu kết dính và sự hình thành của giọt vật liệu kết dính không mong muốn

Sự mất cân bằng của dòng vật liệu sẽ phát triển cho tới khi dòng vật liệu bị chia tách Trong các năng lượng gây ra dao động bất thường cho dòng vật liệu, thì dao động của tần số cố định có ảnh hưởng lớn nhất Tần số cố định này chính là tần số hình thành các giọt vật liệu Tần số hình thành được xác định thông qua tần số

Rayleigh theo công thức sau [23]:

=4.51 (2.3)

Trong đó: f là tần số

v: vận tốc phun d: đường kính miệng phun

Ngoài sự hình các giọt mực không mong muốn do sự mất cân bằng về năng lương trong dòng vật liệu còn có sự ảnh hưởng của độ dài dòng vật liệu đến sự hình thành giọt mực không mong muốn Công thức thể hiện mối quan hệ giữa độ dài của dòng vật liệu với đường kính miệng phun

= 1.03

2 √ (2.4)

Trong đó: Z : độ dài của dòng vật liệu

0 : Khoảng thay đổi về đường kính trụ sang đường kính hình cầu

We : hệ số Weber của chất lỏng được xác định như sau:

= (2.5) Trong đó: : trọng lượng riêng của chất lỏng

 : lực căng bề mặt của chất lỏng

Để đánh giá ảnh hưởng độ nhớt của chất lỏng ta có công thức sau: [23]

=

2 √ + 3 (2.6) Trong đó: Re là hệ số Reynolds của chất lỏng

= (2.7)

Trong đó: μ: độ nhớt của chất lỏng

Đối với nước thì hệ số Reynolds bằng bảy lần hệ số Weber Còn trong chất kết dính được sử dụng trong công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printing thì hệ số Reynolds sấp sỉ bằng hệ hệ số Weber

Đối với công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printing các thông số điển hình của đầu phun là: đường kính miệng phun 50μm, tốc độ dòng vật liệu kết dính nằm trong khoảng 1cc/phút đến 1.5cc/phút Với kết quả này thì vận tốc phun đầu phun tương ứng từ 10m/s tới 15m/s và tần số tạo giọt vật liệu kết dính từ 45kHz tới 65kHz