Phương thức phát triển nhanh sản phẩm Theo sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ tái tạo cho đến nay đã trải qua ba mức độ sau: Thủ công: Nhà sản xuất lấy mẫu sản phẩm bằng các
Trang 1CÔNG NGHỆ CHO PHÁT TRIỂN NHANH SẢN PHẨM
Hoàng Quang Huy (MES Ezine)
Ngày nay xu thế toàn cầu hóa mạnh mẽ đã
khiến cho thị trường tiêu thụ sản phẩm trở nên
khắc nghiệt Các nhà sản xuất không chỉ phải
cạnh tranh với các đối thủ nội địa mà còn phải
chịu sức ép rất lớn từ các doanh nghiệp nước
ngoài Trong khi đó tính đa nghiệm của bài toán
cạnh tranh luôn đặt các nhà sản xuất đứng trước
khó khăn để lựa chọn những phương án sản
xuất tối ưu Các đáp số dễ nhận ra là:
Rút ngắn thời gian thiết kế và chế tạo
sản phẩm
Ổn định và nâng cao chất lượng
Chú trọng tính thẩm mỹ
Hạn chế chi phí sản xuất
Giá thành rẻ
Vậy đâu là lời giải cho các vấn đề trên Đổi mới
và áp dụng các công nghệ tiên tiến để phát triển nhanh các sản phẩm là một trong những giải pháp tối ưu Sau đây là một vài ứng dụng mang lại hiệu quả cao trong sản xuất
Công nghệ tái tạo
Công nghệ tái tạo còn được biết đến với cái tên
khác nữa là công nghệ ngược hay kỹ thuật
ngược (Reverse Engineering) Đây là một quy
trình nhằm thiết kế chế tạo lại các sản phẩm dựa theo các nguyên mẫu có sẵn mà không có các tài liệu về thiết kế ban đầu
Hình 1 Phương thức phát triển nhanh sản phẩm
Theo sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công
nghệ tái tạo cho đến nay đã trải qua ba mức độ
sau:
Thủ công: Nhà sản xuất lấy mẫu sản phẩm
bằng cách in mẫu lên các vật liệu mền như:
thạch cao, nhựa thông hay các chất dẻo tổng
hợp Ở mức cao hơn, người thiết kế dùng các dụng cụ đo tiến hành đo nhiều lần các kích thước, theo lý thuyết xác xuất sau n lần đo sẽ dựng được đường cong biểu diễn phân bố kích thước theo một đại lượng ngẫu nhiên nào đó Dựa vào sơ đồ đó, người thiết kế lựa chọn kích
Dịch vụ thiết kế web EZ48 : Giá mới ưu đãi
Quảng cáo với Ezine : Dịch vụ EzAds [sale !!!]
BKMech : Công ty Cơ điện tử Bách Khoa
Quảng cáo của Ezine
Trang 2thước rơi vào miền phân bố chính xác nhất để
lấy số liệu cho quá trình thiết kế tiếp theo Với
các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao đặc biệt là
các kích thước lắp ghép, căn cứ vào phân tích
điều kiện làm việc và giải bài toán chuỗi kích
thước để xác định miền dung sai yêu cầu làm
cơ sở cho xây dựng bản vẽ chế tạo
Bán tự động: Chi tiết được chụp ảnh hay scan
2D từng mặt, sau đó được chèn/nhập vào môi
trường CAD rồi vẽ đè lên các biên dạng để
dựng mặt Mô hình 3D được hình thành sau khi
ghép các mặt lại với nhau
Tự động: Kỹ thuật đồ họa phát triển ở mức cao
cùng với sự trợ giúp của máy tính đã giúp số
hóa nhanh chóng bề mặt chi tiết bằng cách sử
dụng các máy đo tọa độ 3D và phần mền thiết
kế chuyên dụng Kỹ thuật ngược có sự trợ giúp
của máy tính (CARE – Computer Aided Reverse
Engineering) được xem là giải pháp nhanh nhất
và hiệu quả nhất để phát triển các dòng sản
phẩm khác nhau Và xét ở mức độ nào đó công
nghệ ngược còn là sự “bắt chước” hay “sao
chép có cải tiến” mẫu sản phẩm của đối phương
nhằm tạo sựu bất ngờ và tăng tính cạnh tranh
trên thị trường Khi đó mẫu sản phẩm được số
hóa, dựng lại mô hình 3D và chỉnh sửa lại hình
dáng, tối ưu hóa kết cấu để cho ra một series
sản phẩm mới thậm trí yếu tố thẩm mỹ và chức
năng ưu việt hơn cả nguyên mẫu (sản phẩm mẹ)
Chính vì vậy ngày nay, các nhà sản xuất cần
đặc biệt bảo đảm yếu tố bảo mật thông tin của
sản phẩm mới và rút ngắn chu kỳ sản xuất mỗi
dòng sản phẩm để thường xuyên thay đổi mẫu
mã
Công nghệ tái tạo theo hướng tự động hóa
thường được chia làm 3 giai đoạn là: quét hình
(số hóa bề mặt), xử lý dữ liệu và ứng dụng
Hình 2 Các giai đoạn của công nghệ tái tạo theo hướng tự động hóa
Giai đoạn quét hình: sử dụng các máy đo tọa
độ dạng tiếp xúc (CMM-Coordinate Measuring
Machine) hoặc không tiếp xúc (scaner laser) để
số hóa bề mặt chi tiết, dữ liệu thu được sau gia đoạn này là tập hợp các điểm (đám mây điểm) của chi tiết
Giai đoạn xử lý dữ liệu: Các gói phần mền
chuyên dụng được dùng để xử lý điểm Đám mây điểm được đa giác hóa để hình thành bề mặt vật thể, cũng có thể người thiết kế tiến hành thiết kế lại theo biên dạng chi tiết để bảo đảm độ chính xác cao hơn và khắc phục các lỗi nảy sinh trong quá trình quét hình
Giai đoạn ứng dụng: Chi tiết có thể được tinh
chỉnh, tối ưu hóa quá trình thiết kế bằng các phương pháp phân tích CAE hoặc chuyển sang công đoạn thiết kế khuôn cho sản phẩm và cuối cùng là lựa chọn đầu ra cho quá trình thiết kế Sản phẩm có thể sản xuất ngay bằng việc chuyển mô hình CAD sang phần mền CAM để lập trình gia công CNC hay chuyển sang file định dạng STL cho tạo mẫu nhanh
Quy trình xử lý ngược này còn dùng để làm cơ
sở cho bộ phận KCS kiểm tra chất lượng sản
Trang 3phẩm, đánh giá độ chính xác về hình dáng hình
học và kích thước gia công so với nguyên mẫu
Công nghệ mô phỏng
Mô phỏng trong sản xuất là quá trình giả lập
trạng thái của chi tiết trong những điều kiện
nhất định nhằm kiểm tra đánh giá mức độ làm
việc và độ tin cậy của chi tiết sau khi thiết kế
Ngày nay với sự hỗ trợ của máy tính, mô phỏng
kỹ thuật giúp tiết kiệm đáng kể chi phí cho việc
thử nghiệm và đánh giá sản phẩm mới Các lĩnh
vực mô phỏng trong cơ khí bao gồm:
Mô phỏng chuyển động và lắp ghép: Nhằm
đánh giá sơ bộ mức độ hoàn thiện của quá trình
thiết kế, nguyên lý hoạt động của chi tiết trong
một cụm chi tiết hay của toàn bộ cụm chi tiết
Mô phỏng này có tính trực quan cao giúp bộ
phận thiết kế sản phẩm cụ thể hóa nội dung và
ý tưởng thiết kế, làm cơ sở cho các báo cáo
thuyết trình nghiệm thu sản phẩm
Mô phỏng gia công: Đây là quá trình xem xét
vận hành chế tạo sản phẩm trên máy CNC Qua
đó phát hiện ra các lỗi lập trình gia công, tối ưu
hóa đường chạy dao, lựa chọn điểm lùi dao hợp
lý để giảm thời gian chạy không
Mô phỏng phân tích kỹ thuật: Kỹ thuật có sự
trợ giúp của máy tính (CAE – Computer Aided
Engineering) đã trở thành một công cụ vạn
năng cho các nhà thiết kế Đây là kỹ thuật sử
dụng các thuật toán được lập trình sẵn trên các
gói phần mền để phân tích đối tượng hình học
CAD, nghiên cứu các ứng xử của chi tiết trong
những trường tác động khác nhau khi làm việc,
từ đó người thiết kế có thể tinh chỉnh, tối ưu
hóa sản phẩm và qua đó lựa chọn sát nhất các
hệ số thiết kế mà vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ
thuật nhằm tiết kiệm tối đa chi phí chế tạo
Các lĩnh vực áp dụng CAE thường thấy gồm:
o Mô phỏng khí động lực học
o Phân tích chuyển vị và ứng suất
o Phân tích dòng chảy và truyền nhiệt
Hình 3 Mô phỏng khí động học
Quá trình phân tích kỹ thuật gồm 3 bước sau:
Tiền xử lý: Đưa các thông số đầu vào cần thiết
để giải tích, định nghĩa các phần tử hữu hạn trong model và các thông số vùng biên, các thông số môi trường
Phân tích (xử lý): Các thuật toán xử lý đã được
lập trình sẵn nên gia đoạn này chủ yếu do phần mền tự động tính toán, người sử dụng chỉ thao tác trên các công cụ có sẵn theo yêu cầu của công việc
Hậu xử lý: Phân tích hình ảnh hay các thông số
kết quả phần mền đưa ra Nhà thiết kế dựa vào
đó để đánh giá mức độ đạt được theo yêu cầu Nếu chưa được thì quá trình lặp lại từ bước 1 bằng việc thay đổi các thông số đầu vào để phần mền chạy lại
Công nghệ tạo mẫu nhanh
Tạo mẫu nhanh (RP – Rapid Prototyping) là quá trình tạo mẫu trên môi trường CAD nhờ các máy “in ba chiều”, cho phép người thiết kế tạo ra sản phẩm nhanh hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống khác Đây có thể coi
là giai đoạn cuối cùng của quá trình thiết kế,
Trang 4mẫu sản phẩm chính là mô hình vật lý cụ thể
hóa một cách chính xác ý tưởng của nhà thiết
kế
Mẫu được tạo nên bằng các vật liệu dạng lỏng,
bột hay dạng khối, Nguyên lý chung là dải dần
từng lớp một theo mặt cắt ngang, sau đó hóa
cứng để tạo nên hình khối 3D Tùy theo vật
liệu, mẫu được tạo thành qua quá trình cắt và
dán, nóng chảy và đông đặc hay thiêu kết bằng
laze
Hình 4 Minh họa so sánh thời gian giữa gia công
CNC và tạo mẫu nhanh
Trong công nghiệp cơ khí, tạo mẫu nhanh được
sử dụng trong các lĩnh vực sau đây:
Tiếp thị: Tạo mẫu nhanh được sử dụng rất hiệu
quả trong giai đoạn tiếp thị giới thiệu sản phẩm
Mô hình vật lý là một công cụ truyền đạt thông
tin hoàn hảo Tính trực quan của một mô hình
vật lý của sản phẩm mới sẽ có sức thuyết phục
hơn nhiều một bản vẽ thiết kế đối với khách
hàng Các thống kê cho thấy tạo mẫu nhanh sẽ
tiết kiệm được 30% – 50% chi phí cho việc giới
thiệu sản phẩm mới cho đối tác Và một điều
quan trọng nữa là tăng cường độ tin cậy của
khách hàng trong việc lựa chọn và định giá sản
phẩm
Tạo dữ liệu đầu vào cho các nhà cung cấp
dụng cụ gia công sản phẩm: Khi khách hàng
đã đồng ý lựa chọn sản phẩm, giai đoạn tiếp
theo là sản xuất hàng loạt sản phẩm Mô hình sản phẩm từ tạo mẫu nhanh chính là cơ sở để các nhà cung cấp dụng cụ cắt nghiên cứu và cung cấp chủng loại dao phù hợp, thậm trí những loại dao cắt tổ hợp mang tính chuyên dụng sẽ được thiết kế để gia công loạt sản phẩm này Đây chính là điều kiện căn bản để tăng năng suất gia công và giảm giá thành đầu vào cho sản phẩm mới
Tạo công cụ sản xuất: Hai ứng dụng phổ biến
là chế tạo điện cực gia công xung điện và tạo khuôn vỏ mỏng Dụng cụ gia công xung điện ở đây thường được thiết kế cho việc gia công các khuôn mẫu chính xác có kết cấu phức tạp, mục đích là để rút ngắn thời gian chế tạo và bảo đảm
độ chính xác Bên cạnh đó khuôn vỏ mỏng thích hợp cho đúc những chi tiết hợp kim kích thước vừa và nhỏ, có yêu cầu độ chính xác cao, thành mỏng và có mép sắc
Phân tích thiết kế: Tạo mẫu nhanh là cơ sở để
kiểm tra dữ liệu từ mô hình CAD, nhất là các lỗ lệch tâm, phần giao nhau giữa các khối, các đường gân, các vùng biên dạng đối tiếp và những lỗi có thể quên trong khi thiết kế mô hình CAD Đôi khi những lỗi này khó mà phát hiện ra trong mô hình CAD nhưng lại dễ dàng thấy được từ mô hình vật lý tạo mẫu nhanh
Hình 5 Một số mẫu in 3D theo công nghệ phun
PolyJet (hãng OBJET)
Lựa chọn trang bị công nghệ:
Hiện nay trên thị trường, trang thiết bị sử dụng cho các công nghệ trên cũng khá đa dạng Các doanh nghiệp căn cứ vào quy mô sản xuất và
Trang 5mục đích sử dụng để lựa chọn đầu tư một cách
phù hợp Ngoài các gói phầm mền chuyên dụng
và quen thuộc như : autocad (thiết kế), Master
Cam (gia công), Ansys (phân tích kỹ thuật)…,
còn lại đa số các hệ cad/cam khác đều tích hợp
các modul phục vụ cho các quá trình từ thiết kế
đến phân tích kỹ thuật và lập trình gia công sản
phẩm trên máy CNC Các đầu dò tọa độ 3D
trên trung tâm gia công cũng có thể được dùng
để số hóa tọa độ bề mặt các chi tiết phục vụ cho
công nghệ tái tạo
o Các phần mền CAD/CAM tương đối
mạnh và đa chức năng: Pro/ Engineer,
Catia, Unigraphic,…
o Phần mền thiết kế ngược, xử lý dữ liệu
số hóa, kiểm tra sản phẩm: Rapid Form
(XOR, XOV, XOS), Geomagic…
o Máy quét laser 3D :Vivid (910, 9i), Range7,…
o Máy tạo mẫu nhanh: dòng máy in 3D Edden hãng OBJET, máy tạo mẫu nhanh SLS HRPS-IV của hãng BINHU,…
Tài liệu tham khảo
1 Kỹ thuật ngược – Nguyễn Văn Tường, Tạp chí máy móc và công cụ Việt Nam
2 Rapid Prototyping and Engineering Applications – Frank W.Liou, CRC press
3 http://www.2objet.com
Bản quyền nội dung:
Bài viết này do Hoàng Quang Huy, Ban Biên Tập MES Ezine viết Bài viết được MES Ezine biên tập, design và phát hành miễn phí cho độc giả của MES Ezine
MES Ezine không khuyến khích việc phát hành lại nội dung trong bài viết mà không kèm theo ghi chú tên tác giả và đường link http://meslab.org
Ghi chú:
Bài viết có thể đi kèm 1 vài dòng text nhỏ quảng cáo cho các dịch vụ của MES Ezine
Mọi chi tiết về các dịch vụ khác của Ezine, bao gồm dịch vụ quảng cáo trên Tạp chí điện tử
và dịch vụ xây dựng website, xin vui lòng xem tại http://ezine.meslab.org
Mọi thắc mắc hoặc tin nhắn có thể gửi đến email: contact@meslab.org hoặc gọi điện thoại đến số máy 04 296 2810 (hotline 097 969 2810) Chúng tôi sẽ liên lạc lại trong thời gian sớm nhất
MES Ezine - Trang tin điện tử chuyên ngành cơ khí - vật liệu - luyện kim - tự động hóa
- máy móc - công cụ - thiết bị công nghiệp số 1 tại Việt Nam
