Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống tạo mẫu nhanh trong xây dựng

Như chúng ta đã biết công nghệ tạo mẫu nhanh đã được ứng dụng rất hiệu quả trong các ngành công nghiệp, y khoa v.v… Nhưng ứng dụng trong ngành xây dựng phải nói là thật mới mẻ và là một

Trang 1

- 1 -

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN HỒNG NGUYÊN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ & CHẾ TẠO MÔ HÌNH

HỆ THỐNG TẠO MẪU NHANH TRONG XÂY DỰNG

Chuyên ngành : Cơ khí chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2007

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN

Trang 3

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN Giới tính : Nam ×/ Nữ

Ngày, tháng, năm sinh : 10 – 02 – 1974 Nơi sinh : Qủang Ngãi

Chuyên ngành :Cơ khí Chế tạo máy

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2003

1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ & CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG TẠO

MẪU NHANH TRONG XÂY DỰNG

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Tìm hiểu công nghệ tạo mẫu nhanh (RP) & công nghệ Contour Crafting (CC)

- Thiết kế & chế tạo mô hình

- Đánh giá thực nghiệm sản phẩm

- Kết quả đạt được

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 7/ 12/ 2006

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 7/ 7/ 2007

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS.ĐẶNG VĂN NGHÌN

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

Trang 4

GVHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến thầy PGS.TS Đặng Văn Nghìn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ Em trong quá trình thực hiện Luận văn Thạc sĩ

Nhân đây Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến:

- Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí

Minh

- Quí Thầy, Cô Khoa Cơ khí Trường Đại Học Bách Khoa Thành

phố Hồ Chí Minh

- Quí Thầy, Cô Phòng Quản lý Sau Đại Học Trường Đại Học Bách

Khoa Thành phố Hồ Chí Minh

Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã giúp đỡ Em trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2007

Nguyễn Hồng Nguyên

Trang 5

TÓM TẮT LUẬN VĂN - 5 - Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS.ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH:NGUYỄN HỒNG NGUYÊN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay, việc sản xuất ra sản phẩm nhanh và rẻ là chìa khoá dẫn đến thành công trong nền kinh tế cạnh tranh hiện nay Để thực hiện được điều này thời gian đưa ra thị trường phải được rút ngắn Những công nghệ tạo mẫu nhanh (RP) hổ trợ quá trình này và là một công nghệ tiên tiến và có đầy triển vọng trong tương lai

Như chúng ta đã biết công nghệ tạo mẫu nhanh đã được ứng dụng rất hiệu quả trong các ngành công nghiệp, y khoa v.v… Nhưng ứng dụng trong ngành xây dựng phải nói là thật mới mẻ và là một bước đột phá trong công nghệ tạo mẫu nhanh

Luận văn tốt nghiệp của em là: “Nghiên cứu, Thiết kế & Chế tạo mô hình hệ thống máy tạo mẫu nhanh trong xây dựng” Nội dung của luận văn được trình bày trong 5 chương

Chương 2

Cơ sở lý thuyết của công nghệ Countour Crafting (CC) trong xây dựng

Trong chương này được trình bày nguyên lý tạo hình trong xây dựng của công nghệ CC, tiến trình và mối quan hệ giữa các thành phần thực thi trong hệ thống công nghệ CC, tính chất nguyên vật liêu sử dụng cho công nghệ CC trong xây dựng, các thành phần chính của máy CC v.v…

Các phương án thiết kế máy đùn vật liệu theo countour phục vụ cho quá trình tự động hóa trong xây dựng cũng được đề cập

Trang 6

GVHD: PGS.TS.ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH:NGUYỄN HỒNG NGUYÊN

Chương 3

Thiết kế và chế tạo mô hình máy đùn vật liệu theo contour

Trong chương này trình bày kết cấu cơ khí gồm ba trục chuyển động tịnh tiến được dẫn động bởi ba động cơ DC servo có giảm tốc thông qua hệ thống vitme đai ốc bi và rãnh trượt dẫn hướng, một hệ thống đùn vật liệu được thiết kế dạng vít đùn để có thể đùn ra liên tục và được dẫn động bởi động cơ DC servo có giảm tốc vì hệ thống tải vật liệu đất sét

Kết quả thực hiện được trong việc thiết kế và chế tạo mô hình

Chương 4

Thực nghiệm tạo hình sản phẩm mẫu

Trong chương này sẽ trình bày các công tác chuan bị để chạy ra sản phẩm thực gồm các countour thẳng, tròn Đánh giá và nhận xét kết quả

Trang 7

MỤC LỤC - 7 - Luận văn Thạc sĩ

MỤC LỤC CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH & CÔNG

NGHỆ COUNTOUR CRAFTING (CC) TRONG XÂY DỰNG

1.1 Lời mở đầu 12

1.2 Giới thiệu về tạo mẫu nhanh – RP (Rapid Prototyping) 13

1.2.1 Khái niệm về tạo mẫu nhanh 13

1.2.2 Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh 14

1.2.3 Tiến trình cơ bản của tạo mẫu nhanh 14

1.2.4 Những kĩ thuật tạo mẫu nhanh hiện nay 16

1.2.5 Tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh 22

1.2.6 Sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh 22

1.2.7 So sánh với công nghệ truyền thống 23

1.2.8 Ứng dụng của tiến trình tạo mẫu nhanh 23

1.3 Giới thiệu chung về công nghệ Contour Crafting – CC và máy tạo mẫu nhanh trong xây dựng 26

1.3.1 Giới thiệu chung 26

1.3.2 Những ưu điểm của công nghệ CC trong xây dựng và tính khả thi 29

1.3.3 Ứng dụng của công nghệ CC 32

1 4 Tính cấp thiết của đề tài 36

1.5 Nội dung và mục đích nghiên cứu 36

1.6 Phạm vi thực hiện 37

1.7 Phương pháp nghiên cứu giải quyết vấn đề 37

Trang 8

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ

COUNTOUR CRAFTING (CC) TRONG XÂY DỰNG

2.1 Cơ sở lý thuyết của công nghệ countour crafting (CC) 40

2.1.1 Nguyên lý tạo hình trong xây dựng bằng công nghệ CC 40

2.1.2 Tiến trình công nghệ và mối quan hệ giữa các thành phần thực thi trong hệ thống công nghệ CC 42

2.2 Thiết bị và vật liệu trong công nghệ CC 43

2.2.1 Các thành phần thiết bị chính của máy CC 43

2.2.2 Thiết bị 44

2.2.3 Vật liệu sử dụng trong công nghệ CC 46

2.3 Một số mô hình thiết bị đã được thiết kế và chế tạo thử nghiệm phục vụ trong công nghệ CC 49

2.4 Các phương án thiết kế máy đùn vật liệu theo countour phục vụ cho quá trình tự động hóa trong xây dựng Ưu và nhược điểm 51

2.5 Lựa chọn phương án thiết kế máy đùn vật liệu xây dựng theo conutour 56

2.6 Những yêu cầu kỹ thuật chính của máy đùn theo countour sử dụng trong công nghệ CC 57

2.7 Kết luận 59

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY ĐÙN VẬT LIỆU THEO CONTOUR 3.1 Ba trục chuyển động tịnh tiến 62

3.1.1 Trục X 62

Trang 9

MỤC LỤC - 9 - Luận văn Thạc sĩ

3.1.2 Trục Y 67

3.1.3 Trục Z 70

3.1.4 Các thông số của 3 trục tịnh tiến và tính toán động học 74

3.2 Hệ thống đùn 76

3.2.1 Động cơ và đồ gá động cơ 77

3.2.2 Phểu chứa vật liệu 78

3.2.3 Trục vít tải và nối trục 78

3.2.4 Đầu ra khỏi phểu chứa liệu 79

3.2.5 Ống nối mềm 79

3.2.6 Ống gắn vào trục Z 80

3.2.7 Đầu ra 80

3.3 Khung giàn 81

3.3.1 Chân máy 81

3.3.2 Hệ thống chứa phểu vật liệu 81

3.4 Hệ thống điều khiển cho máy quét tự động theo contour 85

3.5 Toàn bộ hệ thống 86

3.6 Kết luận 86

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM TẠO HÌNH SẢN PHẨM MẪU 4.1 Công tác chuẩn bị vật liệu và thiết bị 88

4.1.1 Chuẩn bị vật liệu

4.1.2 Chuẩn bị máy

4.2 Thử nghiệm vật liệu 88

4.3 Thử nghiệm chiều dày và bề rộng của mỗi lớp tạo hình 89

4.4 Thử nghiệm về đường đi tạo hình sản phẩm 90

Trang 10

4.5 Tiến trình tạo mẫu sản phẩm 92

4.5.1 Mẫu hình học thứ nhất 92

4.5.1.1 Tiến trình tạo mẫu

4.5.1.2 Kết quả

4.5.1.3 Đánh giá và nhận xét kết quả

4.5.2 Mẫu hình học thứ hai 93

4.5.2.2 Kết quả

4.5.3 Mẫu hình học thứ ba 95

4.5.3.2 Kết quả

4.6 Một số sản phẩm khác máy đã tạo được 96

4.7 Kết luận chung 98

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI & PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết quả thực hiện đề tài 100

5.2 Phương hướng phát triển đề tài 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

PHỤ LỤC 103

Trang 11

Chương 1 – TỔNG QUAN - 11 - Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH & CÔNG NGHỆ COUNTOUR CRAFTING (CC) TRONG XÂY DỰNG

1.1 Lời mở đầu 12

1.2 Giới thiệu về tạo mẫu nhanh – RP (Rapid Prototyping) 13

1.2.1 Khái niệm về tạo mẫu nhanh 13

1.2.2 Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh 14

1.2.3 Tiến trình cơ bản của tạo mẫu nhanh 14

1.2.4 Những kĩ thuật tạo mẫu nhanh hiện nay 16

1.2.5 Tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh 22

1.2.6 Sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh 22

1.2.7 So sánh với công nghệ truyền thống 23

1.2.8 Ứng dụng của tiến trình tạo mẫu nhanh 23

1.3 Giới thiệu chung về công nghệ Contour Crafting – CC và máy tạo mẫu nhanh trong xây dựng 26

1.3.1 Giới thiệu chung 26

1.3.2 Những ưu điểm của công nghệ CC trong xây dựng và tính khả thi 29 1.3.3 Ứng dụng của công nghệ CC 32

1 4 Tính cấp thiết của đề tài 36

1.5 Nội dung và mục đích nghiên cứu 36

1.6 Phạm vi thực hiện 37

1.7 Phương pháp nghiên cứu giải quyết vấn đề 37

Trang 12

1.1 Lời mở đầu

Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping Technology- RPT hay Rapid Prototyping Manufacturing - RPM) ra đời chưa lâu nhưng đã chứng tỏ được ưu thế vượt trội trong việc hỗ trợ các quá trình thiết kế nói chung Khi công nghệ này chưa được phát minh, sản phẩm mẫu (để đánh giá hiệu quả thiết kế) thường được chế tạo thủ công (có thể chỉ là mô hình thu nhỏ) nhưng gây tốn kém về nhiều mặt (thời gian và chi phí lớn) Nay, nếu có sự hổ trợ của công nghệ tạo mẫu nhanh, thời gian từ khi bắt đầu thiết kế đến lúc hoàn thành giảm đi khá nhiều, chất lượng sản phẩm tăng lên trong khi giá thành lại hạ xuống Chính vì vậy, đây chính là một công nghệ đột phá nắm giữ chìa khóa lợi nhuận kinh tế nói chung của các ngành sản xuất

Công nghệ tạo mẫu nhanh có khả năng ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau Ngoài lĩnh vực phát triển và chế tạo sản phẩm, với những ưu việt có sẵn công nghệ tạo mẫu nhanh còn được áp dụng trong các lĩnh vực thiết kế công nghiệp, quá trình đúc, chế tạo công cụ, công nghiệp ôtô, hàng không, mỹ nghệ và ngày nay rất nhiều trong y học

Công nghệ tạo mẫu nhanh chế tạo sản phẩm theo phương pháp cắt lớp, đắp dần lên cho đến khi hoàn thiện mô hình Điều này giúp ta liên tưởng đến việc xây dựng nhà cửa Việc xây dựng nhà cửa cũng theo từng lớp gạch xây lên trên nền móng cho đến khi hoàn thiện Và ngày nay với những ý tưởng táo bạo công nghệ tạo mẫu nhanh đã tiến vào lĩnh vực xây dựng với một hệ thống mang tên “Contour Crafting” Đây là một hệ thống máy tạo mẫu nhanh trong xây dựng có khả năng xây nhà chỉ trong 24h Và vấn đề càng được ứng dụng mạnh mẽ đối với các nước đang có chiến tranh, các gia đình có nhu cầu xây một căn

Trang 13

nhà thật nhanh trong và sau cuộc chiến

Đây là một công nghệ khá mới mẽ và có những ứng dụng thực tế rất hiệu quả Tuy nhiên, ở nước ta chưa thiết kế các hệ thống này, trong khi giá thành của tòan bộ hệ thống không rẻ Chính vì vậy nội dung của luận án này sẽ nghiên cứu về quá trình, công nghệ và thiết bị của công nghệ này (công nghệ CC) Từ đó, thiết kế mô hình máy phù hợp với công nghệ để góp phần tự động hóa cho ngành xây dựng

Trong phạm vi của luận án, với thời gian tìm hiểu và nghiên cứu không nhiều nên chắc chắn sẽ còn nhiều thiếu sót Tuy vậy, hy vọng đề tài này sẽ giúp ích cho những nghiên cứu về sau để hòan thiện tòan bộ công nghệ này

Trước khi đi vào nội dung cụ thể em xin trình bày một cách tổng quát về tạo mẫu nhanh nói chung và hệ thống tạo mẫu nhanh trong xây dựng nói riêng

1.2 Giới thiệu về tạo mẫu nhanh – RP (Rapid Prototyping)

1.2.1 Khái niệm về tạo mẫu nhanh

Trong hơn thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự xuất hiện của công nghệ sản xuất mới dùng để chế tạo những vật thể khối Sử dụng công nghệ này thời gian chế tạo chi tiết giảm đi một cách đáng kể Đó là công nghệ tạo mẫu nhanh Tạo mẫu nhanh (RP - Rapid Prototyping) là thuật ngữ dùng để diễn tả những công nghệ được dùng để chế tạo mô hình vật thể thật một cách tự động từ nguồn dữ liệu của mô hình thiết kế ảo 3 chiều trên máy tính bằng phương pháp đắp dần vật liệu theo từng lớp với tốc độ nhanh hơn nhiều so với các phương pháp thông thường

Trang 14

Khác với công nghệ truyền thống là hớt bớt vật liệu đi, bản chất của công nghệ tạo mẫu nhanh là tạo hình và gia công các mô hình, các chi tiết sản phẩm trên cơ sở bồi đắp và dính kết vật liệu từng lớp với nhau (add and bone materials) Chính quá trình thêm vật liệu cho phép công nghệ tạo mẫu nhanh có thể tạo nên những chi tiết có độ phức tạp bên trong mà người ta không thể chế tạo nó bằng những công nghệ khác

1.2.2 Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh

Sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh đã trải qua 3 giai đoạn:

* Giai đoạn 1: Từ những năm 80 đến năm 1994 bắt đầu với bằng sáng chế về Thiết bị tạo hình lập thể (Stereo Lithography Apparatus - SLA), được thương mại hóa bởi Công ty 3Dsystems (Hoa Kỳ)

* Giai đoạn 2: Từ 1994-1997, 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 ở nhiều nước trên thế giới

Năm 1999, toàn thế giới có 1.195 thiết bị tạo mẫu nhanh, trong đó có 686 thiết

bị đã số hóa Đến nay, toàn thế giới có khoảng 5.449 thiết bị trong đó 43% đã được số hóa

1.2.3 Tiến trình cơ bản của tạo mẫu nhanh

Mặc dù tồn tại nhiều kĩ thuật tạo mẫu nhanh khác nhau, song tất cả những

kĩ thuật ấy đều có cùng những tiến trình cơ bản Tiến trình cơ bản theo 5 bước sau:

- Thiết kế mô hình CAD

Trang 15

- Chuyển đổi định dạng CAD sang dạng dữ liệu số theo dạng G-code hay STL

- Xử lí file dữ liệu số, cắt lát theo từng lớp

- Gia công tạo sản phẩm theo từng lớp, tuần tự lớp này trên lớp kia

- Làm sạch và hoàn thành sản phẩm

Trong bước đầu tiên vật thể được thiết kế bằng phần mền CAD Vì những phần mền CAD khác nhau sử dụng những giải thuật khác nhau để thể hiện một vật thể đặc, do đó định dạng G-code hay STL được chấp nhận như là một dạng chuẩn của tạo mẫu nhanh trong công nghiệp để tạo sự thống nhất

Trong bước thứ hai, file CAD được chuyển đổi thành dạng dữ liệu số Định dạng này mô tả bề mặt ba chiều như những bề mặt 2 chiều theo tọa độ ghép lại với nhau thao từng lớp Những tọa độ 2 chiều này theo từng lớp và có chiều có thể lựa chọn được Bởi vì định dạng G-code hay STL có thành phần phẳng nên không thể biểu diễn chính xác bề mặt cong Bằng việc tăng số lượng những tọa độ ghép lại thì sự chính xác càng tăng và điều dĩ nhiên là file sẽ lớn hơn và đòi hỏi thời gian của tiến trình lâu hơn Vì thế người điều khiển phải cân bằng giữa sự chính xác và khả năng điều khiển của tiến trình sử dụng tập tin định dạng G-code hay STL

Một chương trình xử lí trước đọc tập tin G-code hay STL để tạo sản phẩm Hầu hết chương trình cho phép người dùng hiệu chỉnh kích cỡ, vị trí và sự định hướng của mô hình Sự định hướng thì quan trọng trong một vài trường hợp Một

lí do là với tiến trình RP thì sự định hướng theo chiều dọc trục z Một lí do khác là thành phần của sự định hướng xác định số lượng thời gian để hoàn thành sản phẩm, ví dụ như chiều cao từng lớp càng nhiều thì thời gian để hoàn thành sản phẩm càng nhanh, nhưng cũng còn phụ thuộc vào sự chính xác và độ phức tạp

Trang 16

của sản phẩm

Trong bước ba, phần mền xử lí trước sẽ cắt lát mô hình CAD thành những lớp theo chiều dày từ 0.01 – 0.7mm tùy thuộc vào kỹ thuật tạo mẫu nhanh và chất lượng bề mặt cũng như độ chính xác mong muốn Chương trình cũng có thể tạo một cấu trúc phụ để cung cấp cho mô hình trong suốt quá trình gia công Những cung cấp này thì hữu dụng cho những sản phẩm có thuộc tính yếu như những phần nhô ra, những lỗ hổng bên trong và những phần có đường bao mỏng Trong bước bốn, sản phẩm thực được tạo ra bằng việc sử dụng những kĩ thuật tạo mẫu nhanh sẽ trình bày trong mục kế tiếp Máy tạo mẫu nhanh thêm từng lớp và xếp lớp này lên lớp kia Hầu hết các máy đều có đủ khả năng tự động và cần số lượng người tối thiểu can thiệp vào khi cần thiết

Bước cuối cùng là lấy sản phẩm ra từ máy Một vài vật liệu bắt sáng cần xử lí trước khi sử dụng Vật mẫu cũng đòi hỏi làm sạch và xử lí bề mặt Bằng cách này mô hình sẽ đẹp về hình dáng bên ngoài cũng như tăng độ bền

1.2.4 Những kĩ thuật tạo mẫu nhanh hiện nay

Tạo mẫu nhanh theo nghĩa đen là một phương tiện nhanh chóng để phát triển một mẫu Trong thế giới sản xuất ngày nay, tạo mẫu nhanh đồng nghĩa với nhóm công nghệ gọi là chế tạo theo lớp (layer manufacturing) hay là chế tạo mô hình tự do rắn (solid freeform fabrication)

Hiện tại có hơn 35 kỹ thuật được dùng theo kiểu thương mại Những kỹ thuật tạo mẫu nhanh thường dùng là:

Trang 17

Bảng 1.1: Các phương pháp tạo mẫu nhanh

Quá trình dựa trên

polymehóa quang

Quá trình dựa trên sự nối mảnh cắt ratừ các mảng lớn

Quá trình dựa trên sự nung chảy vật liệu

Quá trình dựa trên sự thiêu kết

SLA

SLS FDM Maker Mold

3DP

SLA: Stereo Lithography Apparatus: Phương pháp tạo hình lập thể

LOM: Laminated Object Manufacturing: Phương pháp dán nhiều lớp

SLS: Selective Laser Sintering: Thiêu kết bằng nguồn laser chọn lọc FDM: Fused Deposition Modeling: Tạo hình tự việc lắng đọng nóng chảy

Em xin giới thiệu chi tiết một vài phương pháp tạo mẫu nhanh thông dụng: SLA, LOM, FDM

Phương pháp tạo hình lập thể SLA (Stereo Lithography Apparatus) tạo ra các mẫu từ vật liệu cao su bắt sáng (photocurable resin) lỏng Đây là phương pháp dựa trên polyme hóa quang

Máy tạo mẫu nhanh theo phương pháp này như trong hình 1.1 sử dụng một nguồn tia laser năng lượng thấp để quang hóa polyme ban đầu Tia laser được điều khiển bằng một gương được mạ bạc Một bàn có khả năng tịnh tiến theo

Trang 18

trục Z được gắn bên trong một thùng chứa nhựa lỏng có thể lưu hóa (biến cứng) có thể di chuyển được

Hình 1.1 Nguyên lí của phương pháp SLA Quá trình bắt đầu với bàn máy định vị một lớp dày với lớp vật liệu polyme quang hóa Mặt cắt của phần được vạch ra bằng tia laser Tia laser làm vật liệu polyme chuyển thành dạng rắn ở những vùng mà tia laser vạch ra Sau khi hoàn thành xong một lớp, bàn máy sẽ di chuyển xuống vào thùng một khoảng bằng bề dày một lớp Việc này làm vật liệu nhựa chảy tràn lên phần nhựa đã lưu hóa Gần đây, một lưỡi cắt được dùng với mục đích bổ sung độ chính xác bằng cách loại trừ phần polyme lưu hóa thừa Độ sâu thâm nhập của tia laser chỉ hơn chiều dày của một lớp một chút Điều này làm cho hai lớp dính lại với nhau

Giống như những quá trình tạo mẫu nhanh khác, phương pháp SLA yêu cầu cần tạo một phần nhô ra Quá trình này sử dụng những nhựa polyme quang hóa như nhau để xây dựng nên một cấu trúc đỡ Cấu trúc đỡ này mặt dù được chế tạo cùng vật liệu nhưng được chế tạo theo cách mà chúng rất dòn và dễ vỡ sau khi hình thành phần chính

Trang 19

Những phần được chế tạo bằng thuật in bằng sóng siêu âm đòi hỏi một quá trình sau sản xuất vì lớp nhựa còn trên bề mặt chi tiết Chi tiết được đặt vào trong một buồng tia cực tím trong một khoảng thời gian nhất định

Chi tiết thực hiện bằng thuật in bản sóng âm tiêu biểu có độ chính xác 0,1

mm theo trục Z bán kính của tia laser có thể thấp đến 0,0075mm

Phương pháp dán nhiều lớp LOM (Laminated Object Manufacturing) dùng vật liệu dạng tấm có phủ keo dính (chủ yếu là giấy nhưng cũng có thể dùng tấm nhựa, tấm kim loại v.v.) Nguồn Laser tạo ra từng lớp mặt cắt bằng cách cắt tấm vật liệu theo đường biên của mặt cắt vật thể Các lớp mặt cắt được dán lần lượt chồng lên nhau nhờ hệ thống con lăn gia nhiệt

LOM là một trong những biện pháp kinh tế kĩ thuật phổ biến trong quá trình dựa trên sự nối mảnh cắt ra từ các tấm của quá trình RP Những bản mỏng của quá trình LOM được tạo ra từ một con lăn liên tục để tạo ra giấy hoặc Polymer (hình 1.2) Những tấm vật liệu được sửa dụng trong LOM được phủ một lớp keo có gia nhiệt A 25W CO2 Laser được dùng để cắt lớp từ những tấm vật liệu cần được xây dựng

Trang 20

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lí của phương pháp LOM Quá trình xây dựng bắt đầu với những vùng không cắt trên con lăn và nó sẽ lăn qua vùng cần xây dựng dọc theo trục Z Một con lăn gia nhiệt được dùng để tạo ra sự liên kết với lớp vật liệu trước đó Tia Laser sau đó sẽ cắt những bản mỏng từ khối vật liệu Quá trình là một ứng dụng vật liệu xây dựng trong việc hỗ trợ sản xuất Những mẫu gạch chéo trên một vùng diện tích nhỏ được cắt thành những lát mỏng để hình thành nên cấu trúc hỗ trợ Một vùng tam giác ngoại vi được dùng để hoàn thiện vùng cần xây dựng theo cả hai phương X-Y trước khi tiến hành cắt lớp tiếp theo Quá trình này được lặp lại cho đến khi hoàn thành khối 3D

Cần lưu ý rằng trong công nghệ LOM, lượng vật liệu cần dùng cho mỗi bản mỏng là như nhau, do đó sẽ phát sinh việc lãng phí vật liệu đối với những khối có vùng hỗ trợ rộng Quá trình này không cho phép sử dụng lại vật liệu Quá trình tách những lớp vật liệu thừa ra khỏi sản phẩm cũng là một thách thức của

Trang 21

công nghệ này do hình dạng của phần diện tích được gạch chéo không tương thích với hình dáng hình học của khối vật liệu

Công nghệ LOM điển hình có độ chính xác đến 0.5 mm dọc theo trục X-Y và độ dày mỗi lớp không đổi, xấp xỉ 0.125mm

Quá trình tạo hình từ việc lắng đọng nóng chảy FDM

Quá trình này sử dụng sự giãn dài tế vi của những sợi Polymer lắng đọng lại để tạo ra khối 3D Đầu giãn dài được lắp trên hệ trục X-Y sẽ hình thành nên trung tâm của máp FDM Đầu giãn dài gồm hai đường giãn dài riêng biệt cho việc xây dựng cấu trúc và vật liệu Con lăn gia nhiệt với động cơ servo sẽ đẩy vật thể và các sợi vào những ống gia nhiệt Vật liệu sẽ được rút ngắn hay kéo giãn thông qua những vòi như hình 1.3 Những vòi có thể thay thế được lắp trên máy FDM giữ vai tró mấu chốt trong việc quyết định đến tính chính xác của sản phẩm

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lí của phương pháp FDM

Trang 22

Những máy FDM sẵn có trên thị trường có khả năng tạo ra những mẫu bằng vật liệu nhựa ABS, khuôn sáp, polycarbonate và vật liệu ABS y học Thời gian yêu cầu để xây dựng vật thể trong máy FDM là một hàm trong tổng thời gian yêu cầu của hành trình của dụng cụ để lớp vật liệu chính và vật liệu hỗ trợ có thể lắng xuống hoàn toàn, do đó nó có tỷ lệ tạo vật liệu chậm nhất trong các loại công nghệ (khoảng 0.1 – 0.5 mm3/giây) Độ chính xác của các bộ phận trong máy FDM theo phương X-Y là 0.178 mm

Công nghệ này đã được thử nghiệm cho việc sản xuất vật liệu gốm, kim loại và những loại vật liệu có chức năng riêng biệt Việc sử dụng những đầu giãn dài đa chức năng làm nó đơn giản hơn khi so sánh với hầu hết các quá trình

RP thương mại sẵn có trên thị trường để thực hiện điều khiển việc lắng xuống của vật liệu trong một tấm mỏng

1.2.5 Tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh

Công nghệ tạo mẫu nhanh có một vai trò quan trọng để đạt tới sự thành công trong cạnh tranh kinh tế toàn cầu Có thể thấy một số ưu điểm của công nghệ tạo mẫu nhanh như sau:

- Tăng khả năng quan sát chi tiết

- Chế tạo được những chi tiết có độ phức tạp cao

- Giảm thời gian chế tạo chi tiết

- Tăng khả năng tối ưu hoá và phát triển sản phẩm

- Kiểm tra được tính chính xác của chi tiết

- Tạo nên một kênh thông tin hiệu quả giữa những bộ phận có liên quan 1.2.6 Sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh

Trang 23

Nhu cầu sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh tăng rất nhanh tên thế giới, đặc biệt là trong nghành chế tạo ở Châu Aâu, Mỹ và Nhật Bản Theo một cuộc khảo sát gần đây thì người ta nhận thấy số công ty sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh tăng rất nhanh, trong đó các công ty vận tải chiếm 24%, công ty hàng hoá chiếm 23%, điện tử chiếm 14%, công ty chế tạo thiết bị văn phòng chiếm 11% Theo số liệu thống kê của tổ chức Wohlers Associates Inc, tính đến năm

2000 đã có khoảng 1320 hệ thống máy được lắp đặt ở 58 quốc gia trên thế giới 1.2.7 So sánh với công nghệ truyền thống

Công nghệ tạo mẫu nhanh có khả năng ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau Ngoài lĩnh vực phát triển và chế tạo sản phẩm, với những ưu việt có sẵn công nghệ tạo mẫu nhanh còn được áp dụng trong các lĩnh vực thiết kế công nghiệp, quá trình đúc, chế tạo công cụ, công nghiệp ôtô, xây dựng, hàng không, mỹ nghệ và trong y học…

1.2.8 Ứng dụng của tiến trình tạo mẫu nhanh

Công nghệ tạo mẫu nhanh có khả năng ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau Ngoài lĩnh vực phát triển và chế tạo sản phẩm, với những ưu việt có sẵn công nghệ tạo mẫu nhanh còn được áp dụng trong các lĩnh vực thiết kế công nghiệp, quá trình đúc, chế tạo công cụ, công nghiệp ôtô, xây dựng, hàng không, mỹ nghệ và trong y học…

1.2.8.1 Ứng dụng trong y học

Ứng dụng rõ ràng nhất của công nghệ tạo mẫu nhanh trong y học là việc thiết kế, phát triển và chế tạo những bộ phận sinh học thay thế, dụng cụ y học trong đào tạo, phục vụ cho kế hoạch trong phẩu thuật

A Thay thế các bộ phận giả

Trang 24

Công nghệ tạo mẫu nhanh có thể mang lại những đổi mới trong những lĩnh vực cấy và ghép những bộ phận giả Trước đây, việc thay thế những bộ phận ở người và những phẩu thuật tương tự thường sử dụng những bộ phận thay thế với kích thước đã chuẩn hoá được chọn từ những nhà chế tạo dựa trên thuyết hình người Việc này cũng thỏa mãn trong nhiều trường hợp nhưng không phải là tất cả, và không phải với bất kì trường hợp nào, luôn có những bệnh nhân vượt ra ngoài tiêu chuẩn, các kích thước nằm ở khoảng giữa, hoặc đối với những yêu cầu đặc biệt do những căn bệnh hay những phát sinh tạo ra Công nghệ tạo mẫu nhanh có thể chế tạo những bộ phận giả thích hợp chính xác với từng bệnh nhân

B Những ứng dụng trong phẩu thuật

Tạo mẫu nhanh đang được các bác sĩ phẩu thuật sử dụng để lập kế hoạch và giải thích những hoạt động phức tạp trong công việc, đặc biệt là trong phẩu thuật chỉnh hình như: xương sọ não và xương hàm trên Cũng như những nghệ thuật bằng tay, đòi hỏi sự khéo tay và độ chính xác lớn, phần nhiều công việc tập trung vào đôi tay của nhà phẩu thuật Những mô hình được trưng bày trong phòng mổ được xem như những khuôn mẫu và những vật hướng dẫn

C Những mô hình và thiết bị đào tạo trong y học

RP có thể được sử dụng để tái tạo những mô hình của một phần chi tiết được cho trước, một bộ phận bị khuyết tật hoặc ở điều kiện y học khác Những mô hình được tạo bởi nhà nghiên cứu và được sử dụng trong phòng học Những mô hình được phân loại theo mục đích sử dụng ở nhà trường, bảo tàng với mục đích giáo dục hoặc trưng bày Những mô hình này đựơc các nhà y khoa dùng để huấn luyện , thực hành những ca phẩu thuật để không tạo ra nỗi lo lắng cho bệnh nhân

Trang 25

1.2.8.2 Ứng dụng trong lĩnh vực pháp lý

Khi điều tra những trường hợp giết người, điều quan trọng là tái diễn lại cảnh tượng Những mô hình tạo mẫu nhanh sẽ cung cấp câu trả lời cho một số câu hỏi Việc tái tạo dùng tạo mẫu nhanh đủ chính xác để kết luận thương tích có xảy ra hay không Những tiên đoán chính xác về lực, dụng cụ và những sự kiện khác cũng có thể đánh giá bằng mô hình này

1.2.8.3 Ứng dụng trong kiến trúc và mỹ nghệ

Tạo mẫu nhanh đang được một số nghệ nhân để chế tạo những vật thể mang tính nghệ thuật Có một số sản phẩm đã được thực hiện trong khi một số khác đang còn trên lý thuyết Một số sản phẩm chỉ được tạo ra bằng công nghệ tạo mẫu nhanh mà không thể chế tạo bằng những phương pháp khác

1.2.8.4 Ứng dụng trong thiết kế và chế tạo sản phẩm

Hiện tại, công nghệ tạo mẫu nhanh đang được ứng dụng mạnh trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo sản phẩm Những ứng dụng cơ bản cho tạo mẫu nhanh là chế tạo những khuôn mẫu cho những kĩ sư thiết kế Quá trình tạo mẫu được xác định từ lúc nhận dữ liệu ban đầu đến khi hoàn thành việc chế tạo chi tiết chỉ trong khoảng từ 2 giờ đến 10 ngày Thời gian giảm đáng kể so với các phương pháp gia công truyền thống (mất hàng tháng) Vì thế, với thời gian ngắn hơn trong chu trình thiết kế, nhóm thiết kế có thể kiểm tra chức năng, kích thước và hình dáng chi tiết, tính toán và thiết kế lại theo mong muốn Chính điều này cho phép nhà thiết kế lặp lại những ý tưởng mới trong bản thiết kế Thêm vào đó, việc tạo mẫu nhanh và mô hình hoá trên máy tính, những vấn đề nghiêm trọng trong việc lắp ráp và thiết kế sẽ không hoặc rất ít xảy ra Điều này tạo nên hai

Trang 26

ưu điểm nổi bật là cải tiến thiết kế và giảm thời gian của chu kỳ phát triển sản phẩm

Những ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh đã cung cấp những lợi ích quan trọng tới những nhà thiết kế kỹ thuật và chế tạo, đặc biệt trong việc nâng cao khả năng quan sát, phát triển thiết kế một cách chất lượng và toàn vẹn, giảm chi phí chế tạo sản phẩm

1.3 Giới thiệu chung về công nghệ Contour Crafting – CC và máy tạo mẫu nhanh trong xây dựng

1.3.1 Giới thiệu chung

Các công nghệ tạo mẫu nhanh như đã trình bày chủ yếu dùng trong trường hợp thiết kế và chế tạo mô hình có dạng khối rắn, còn công nghệ CC cho phép chế tạo mô hình vỏ (bề mặt) bằng cách quét theo các đường contour đồng mức từ dữ liệu 3D của mô hình đã được thiết kế bằng càc phần mềm mô hình hóa CAD Độ chính xác của mô hình phụ thuộc chủ yếu vào bề dày của lát cắt và phương thức lựa chọn lớp cắt Tuy nhiên, cũng tương tự các công nghệ tạo mẫu nhanh khác, khi chọn chiều dày lớp cắt lớn thì năng suất của quá trính sẽ cao, nhưng độ chính xác của mô hình lại giảm đi đáng kể

Trang 27

Hình 1.4 Biểu diễn sơ đồ cấu tạo của thiết bị công nghệ CC

Công nghệ CC được sử dụng rất hiệu quả trong quá trình thiết kế xây dựng và kiến trúc nói chung (vì kết cấu xây dựng là kết cấu tường bao có bề dày nhất định), hiệu quả trực quan của mô hình cùng với độ chính xác về hình dáng cũng như kích thước có thể đạt được có giá trị rất cao trong việc hỗ trợ nhận dạng vật thể kiến trúc và các mô hình nói chung

Trang 28

Hình 1.5 Tổng quan về hệ thống tạo mẫu nhanh trong xây dựng

Trang 29

Như trên hình 1.5 cho ta cái nhìn tổng quan về hệ thống tạo mẫu nhanh trong xây dựng Hệ thống gồm có một giàn dẫn đầu phun bê tông để đùn ra tạo nhà theo contour đã được vạch trước Ở đây ta chú ý đầu phun gồm 2 phần Một phần để tạo đường bao bên ngoài, sau khi tao đường bao bên ngoài thì trục Z nhấc lên và điền đầy vật liệu bê tông vào bên trong và quá trình tiếp tục như thế

1.3.2 Những ưu điểm của tiến trình CC trong xây dựng và tính khả thi

Tạo mẫu nhanh được ứng dụng trong xây dựng sẽ tạo ra một bước đột phá mới trong lĩnh vực ứng dụng tự động hóa trong xây dựng Hãy thử tưởng tượng một căn nhà với đội ngũ công nhân hơn 10 người có tay nghề xây nay chỉ cần một quản lí, vài phụ tá và một máy xây dựng?

Hình 1.6: So sánh hai tiến trình xây dựng truyền thống và thủ công

Quá trình xây dựng theo công nghệ truyền thống có nhiều mặt hạn chế Trong khi đó, ngòai công nghiệp xây dựng còn là ngành công nghiệp lớn nhất trong tất cả các ngành kinh tế còn lại hầu hết các ngành công nghiệp đều được tự động hóa ở một mức độ nào đó nhằm nâng cao năng suất, chất lượng và giảm sức lao động cho con người Chính vì vậy, hiện nay việc nghiên cứu và phát triển các

Trang 30

thiết bị phục vụ cho công tác tự động hóa ngành công nghệp xây dựng là hết sức cần thiết và cấp bách

Công nghệ CC cho phép tạo ra hiệu quả công việc rất cao Hình 1.6 trình bày khả năng xây dựng nhanh đến mức không ngờ của công nghệ này và mô tả quan hệ giữa các thành phần hỗ trợ trong hệ thống CC

Ứng dụng công nghệ Contour Crafting xây nhà trong một ngày:

Cơ sở công nghệ Nguyên vật liệu Cấu kiện và lắp ráp Hệ thống điều khiển

XÂY NHÀ TRONG MỘT NGÀY

HIỆU QUA KIẾN TRÚC

CÔNG NGHỆ CONTOUR CRAFTING

Công nghiệp chế tạo

và khuôn mẫu

Kết cấu xây dựng

Mỹ thuật tạo hình

HIỆU QUẢ LAO ĐỘNG HIỆU QUẢ KINH TẾ

Mô hình tóan điều khiển

Mô hình mẫu mô phỏng

Quan hệ thực thi công việc

Phương thức/Hình dạng

Vật liệu Composite Vật liệu đùn Cấu trúc vật liệu tiền chế

Vật liệu/Cấu trúc

Hệ thống hỗ trợ xây dựng

Hệ thống vận hành và kiểm tra

Các robot di chuyển theo 3 trục Kết hợp cácmục đích thiết kế

Hệ thống/Quá trình

Mô hình động Chế tạo Thời gian thực

Tư duy/Họat động

HIỆU QUẢ XÃ HỘI

Hình 1.7

Trang 31

Vậy một tiến trình CC ứng dụng trong xây dựng mang lại cho ta những gì?

Ta hãy tiến hành một sự so sánh giữa công nghệ xây dựng truyền thống và công nghệ ứng dụng tự động hóa trong xây dựng

Tiến trình xây dựng truyền thống

Tiến trình CC

Lao động -Nặng nhọc, hiệu quả không

cao

-Cần có tay nghề cao

- Giảm đáng kể lực lượng lao động (45%-55%)

- Chỉ cần những bước thao tác đơn giản

Vật liệu - Lãng phí vật liệu thừa,

lượng thừa khoảng 5% ( 40%

vật liệu trên toàn thế giới sử dụng cho xây dựng)

Tiết kiệm vật liệu (25%-30%)

Thời gian Thời gian xây dựng dài,

khoảng vài tháng tùy theo lực lượng lao động và tay nghề

Rút ngắn thời gian hoàn thành (khoảng vài ngày có khi chỉ trong 24h)

An toàn Mức độ nguy hiểm cho nhân

công cao

Hạn chế mức độ nguy hiểm

Linh hoạt Cần thiết kế tỉ mỉ trước khi

xây, muốn sửa lại mất nhiều thời gian

Nhanh chóng thay đổi thiết kế thông qua mô hình CAD

Trang 32

1.3.3 Ứng dụng của công nghệ CC

1.3.3.1 Ứng dụng trong công nghiệp

Trong các hệ thống máy móc hiện đại, nói chung có độ phức tạp khá cao Một số chi tiết được thiết kế theo các chỉ tiêu tối ưu hóa về kết cấu và khả năng chịu lực trong khi vẫn phải đảm bảo tốt cho những chỉ tiêu làm việc khác Chính

vì vậy, chúng có thể có có hình dạng hình học rất phức tạp, không thể gia công bằng các phương pháp RP truyền thống như đã trình bày ở trên Ví dụ như kết cấu khung, gầm của máy, các thành phần vỏ phức tạp như cánh, vỏ xe, mui xe… Công nghệ CC cho phép chế tạo được nhưng sản phẩm này

1.3.3.2 Ứng dụng trong hàng hải và không gian vũ trụ

Công nghệ CC cũng thích hợp cho việc tham gia vào quá trình chế tạo những thành phần kết cấu có kích thước lớn trong ngành hàng hải và không gian vũ trụ như chân vịt tàu, cánh quạt máy bay, cánh tuabia… như hình 1.7 Những sản phẩm này có thể được chế tạo chỉ trong khỏang thời gian là 20 phút với công nghệ, với vật liệu thích hợp

Trang 33

Hình 1.8 Chân vịt tàu với công nghệ CC

1.3.3.3 Ứng dụng trong xây dựng

Tạo hình theo countour có một tiềm năng rất lớn trong xây dựng những cấu trúc dân dụng Nhờ đó, có thể tự độnghóa các quá trình này Điều đó giúp giảm bớt chi phí lao động, đồng thời chất lượng công trình tốt hơn Ngòai ra, còn có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác với bê tông để đáp ứng nhu cầu đa dạng về vật liệu trong ngành xây dựng Thực tế,công nghệ CC đã mang lại một giải pháp rất có hiệu quả trong vấn đề tự động hóa họat động xây dựng

Trang 34

Hình 1.9 Xây dựng nhà ở bằng công nghệ CC Với công nghệ CC, vật liệu xây đựng được đặt chính xác và hiệu quả theo dữ liệu thiết kế từ hệ thống điều khiển trung tâm (máy tính) Nhờ đó, kết cấu được hình thành đúng như mong đợi Bề dày của cấu trúc và hình học của vật thể có thể được điều chỉnh khá dễ dàng và thuận tiên mang lại sự hòan hảo cho công trình Và quan trọng hơn hết là thời gian xây dựng một công trình được giảm đến mức kinh ngạc Ngoài ra công nghệ CC còn có thể sử dụng trong lĩnh vực xây dựng các hệ thống cầu, đường (hình 1.10a) Thậm chí xây dựng tại những nơi mà con người không có điều kiện làm việc trực tiếp như trên các hành tinh (hình 1.10b)

Trang 35

Hình 1.10 Tiến trình CC trong xây dựng đường& nhà trên vũ trụ

1.4 So sánh giữa công nghệ CC và công nghệ RP

Hình 1.10 So sánh giữa tiến trình CC và tiến trình RP

Trang 36

1.4 Tính cấp thiết của đề tài

Như chúng ta đã biết, ngày nay trên thế giới có khoảng 37 triệu người dân không có nhà ở hoặc chổ ở tạm bợ Những vùng xảy ra chiến tranh hoặc thường xảy ra động đất phải cần xây nhà khẩn cấp Hoặc xây nhà cho những người có thu nhập thấp cũng là một vấn đề đáng quan tâm

Hơn nửa, ngày nay các công trình xây dựng có kiến trúc thay đổi nhanh chóng, và ngày càng hiện đại hóa về kiến trúc và cả về vật liệu xây dựng Do đó, ngòai nhu cầu thiết lập một hình mẫu thật theo tỉ lệ thu nhỏ của đồ án thiết kế trước khi thi công(mô hình này cho phép người xem đánh giá một các chính xác về độ bền, tính mỹ thuật và kỹ thuật của công trình) thì yêu cầu tự động hóa xây dựng là hết sức cần thiết

1.5 Nội dung và mục đích nghiên cứu

Tóm lại, công nghệ tạo mẫu nhanh nói chung và công nghệ CC thực sự mang lại một khả năng to lớn trong quá trình thiết kế và chế tạo các cấu trúc vật liệu Đặc biệt, với công nghệ CC, quá trình xây dựng có thể được tự động hóa hòan tòan Điều này giúp con người giải quyết được rất nhiều vấn đề về lao động, về hiệu quả kinh tế, về nguyên vật liệu và độ an tòan trong quá trình thi công xây dựng

Đề tài nghiên cứu này, với mong muốn đóng góp một phần nhỏ vào quá trình tự động hóa xây dựng bằng nguồn lực trong nước Trong thời gian tương đối ngắn, nội dung đề tài chỉ tập trung nghiên cứu về thiết bị và vật liệu phục vụ cho quá trình công nghệ CC Từ đó phân tích cơ chế tạo hình, và thiết kế, chế tạo một mô hình máy xây dựng có khả năng tạo được một số mẫu thiết kế có cấu trúc hình học đơn giản

Trang 37

1.6 Phạm vi nghiên cứu

Do tính chất phức tạp của máy, và do thời gian thực hiện luận án tương đối ít cho nên luận án này chỉ giải quyết những vấn đề có tính chất then chốt trong việc tạo hình sản phẩm trên nền tảng công nghệ CC cho xây dựng

Phương án chế tạo thiết bị có khả năng tạo hình cả tường bao cho kết cấu như phương anù xây dựng thứ 3 đã trình bày trong mục trên Trong phạm vi của luận án này, người thực hiện chỉ thiết kế chế tạo thiết bị có khả năng quét vật liệu theo các countor còn kết cấu vật liệu chịu lực bên trong tường bao thì chưa xét tới Mặt khác, hệ thống máy được thiết kế và lựa chọn kết cấu đơn giản, vật liệu rẻ tiền và dễ kiếm, đó là đất sét

Kết cấu máy chỉ gồm hai thành phần chính là hệ thống cơ và hệ thống điện Hệ thống cơ được thiết kế theo tiêu chí đơn giản, rẻ tiền và phù hợp với năng lực thiết kế chế tạo của người làm (chỉ thiết kế máy 3 trục) Hệ thống điện tương đối đơn giản và có kèm theo chương trình điều khiển máy CC thông qua máy tính để bàn

1.7 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết của công nghệ CC

- Tìm hiểu thực tế xây dựng dân dụng và công nghiệp ở nước ta

- Xác định nhu cầu thực tế và tiềm năng phát triển

- Nghiên cứu các phương pháp mô hình hóa cấu trúc

- Phân tích mô hình 3D solid, từ đó xác định các contour thích hợp trong việc tạo hình theo lớp

Trang 38

- Căn cứ vào độ phức tạp của kết cấu để xem xét kết cấu mô hình cần thiết (cần đồ gá, hoặc khung mẫu hay không…), chiều dày, rộng, cao của mỗi lớp quét

- Thiết lập cơ sở dữ liệu cắt lớp mô hình với định dạng file STL

- Thiết kế qui trình công nghệ

- Thực nghiệm để xác định các thông số vật liệu và thông số làm việc của thiết bị

- Thiết lập chương trình điều khiển chuyển động, vận tốc của thiết bị công nghệ

Trang 39

Chương 2 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT - 39 - Luận văn Thạc sĩ

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ COUNTOUR CRAFTING

(CC) TRONG XÂY DỰNG

2.1 Cơ sở lý thuyết của công nghệ countour crafting (CC) 40

2.1.1 Nguyên lý tạo hình trong xây dựng bằng công nghệ CC 40 2.1.2 Tiến trình công nghệ và mối quan hệ giữa các thành phần

thực thi trong hệ thống công nghệ CC 42 2.2 Thiết bị và vật liệu trong công nghệ CC 43

2.2.1 Các thành phần thiết bị chính của hệ thống CC 43

2.2.2 Thiết bị 44 2.2.3 Vật liệu sử dụng trong công nghệ CC 46 2.3 Một số mô hình thiết bị đã được thiết kế và chế tạo thử nghiệm

phục vụ trong công nghệ CC 49 2.4 Các phương án thiết kế máy đùn vật liệu theo countour phục vụ

cho quá trình tự động hóa trong xây dựng Ưu và nhược điểm 51 2.5 Lựa chọn phương án thiết kế máy đùn vật liệu xây dựng theo conutour 56 2.6 Những yêu cầu kỹ thuật chính của máy đùn theo countour sử dụng

trong công nghệ CC 57 2.7 Kết luận .59

Trang 40

2.1 Cơ sở lý thuyết của công nghệ countour crafting (CC)

2.1.1 Nguyên lý tạo hình trong xây dựng bằng công nghệ CC

Quá trình công nghệ CC được mô tả theo sơ đồ khối trong hình 2.1 Trong đó, kiến trúc xây dựng được mô tả chi tiết và đầy đủ thông qua một phần mềm CAD thích hợp dưới dạng mô hình khối rắn 3D solid Trên cơ sở quan sát trực quan mô hình, người ta tiến hành phân tích cấu trúc và kết cấu xây dựng, từ đó thiết lập giải thuật điều khiển thiết bị, lập qui trình công nghệ gia công Trong tiến trình này, liên tục có sự hiệu chỉnh cần thiết cho đến khi đạt được các mục tiêu của tòan bộ quá trình Với kết quả đó, quá trình xây dựng được thực thi Trong quá trình thực hiện xây dựng, tín hiệu công tác được phản hồi nhằm kiểm tra để đảm bảo tính đúng một cách liên tục cho đến khi hòan thành cấu trúc xây dựng

Định dạng
Số trang	136
Dung lượng	9,02 MB