Tài liệu Các phương pháp gia công đặc biệt

79 trang hapham 360

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tài liệu Các phương pháp gia công đặc biệt", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

tai_lieu_cac_phuong_phap_gia_cong_dac_biet.doc

Nội dung text: Tài liệu Các phương pháp gia công đặc biệt

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Các phương pháp gia cơng đặc biệt GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 1
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT CƠNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH I. GIỚI THIỆU 3 1. Lịch sử phát triển 4 2. Khái niệm 5 3. Ba thời kỳ của quá trình tạo mẫu. 5 4. Nền tảng của quá trình tạo mẫu nhanh 8 5. Lợi thế của cơng nghệ tạo mẫu nhanh 10 II. PHÂN LOẠI TẠO MẪU NHANH 12 1. Dựa trên cơ sở chất lỏng. 12 2. Dựa trên cơ sở dạng khối 13 3. Dựa trên cơ sở dạng bột 13 III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TẠO MẪU NHANH. 14 A. Phương pháp tạo mẫu lập thể (SLA). 14 1. Nguyên lý hoạt động. 14 2. Hệ thống thiết bị 17 3. Hệ thống thiết bị với thơng số kỹ thuật tạo hình lập thể 3D. 19 4. Phần mềm được sử dụng trong các hệ thống SLA là Meastro bao gồm một số module sau : 20 5 . Đặc điểm 21 6. Ứng dụng 21 B. Phương pháp xử lý trên cơ sở khối SGC (Solid Ground Curing) 23 1.Nguyên lý 23 2.Thiết bị tạo mẫu 24 3.Đặc điểm 25 4.Ứng dụng 25 GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT C. Phương pháp tạo vật cán mỏng LOM (Laminate Object Manufacturing) 26 1. Nguyên lý hoạt động. 27 2. Loại máy và đặc điểm kỹ thuật 29 3. Đặc điểm 31 4. Ứng dụng 31 D. Phương pháp thêu kết laser chọn lọc (SLS) 32 1. Nguyên lý 32 2. Thiết bị tạo mẫu 34 3. Đặc điểm 35 4. Ứng dụng 36 E. Phương pháp in 3 chiều 3DP (Three Dimensional printing) 39 1. Phương pháp in phun mực 40 2. Phương pháp ép 41 F. Phương pháp cắt dây 44 IV. SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO MẪU NHANH 45 V. TRUYỀN TẢI DỮ LIỆU TỚI QUÁ TRÌNH TẠO MẪU NHANH. 46 VI. NHỮNG BẮT BUỘC TRÊN MƠ HÌNH 47 VII.PHẠM VI ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO MẪU NHANH. 49 1. Đúc khuơn vỏ mỏng 49 2. Những ứng dụng trong chế tạo dụng cụ 51 3.Tạo mẫu nhanh trong chế tạo sản xuất. 58 4.Tạo mẫu nhanh với các cơng nghệ truyền thống 58 5.Tạo mẫu nhanh trong những ứng dụng y học. 59 VIII. HƯỚNG DẪN KỸ NĂNG TẠO MẪU NHANH 61 IX. PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 68 X. MÁY SCAN 3D và máy CMM 69 A. ZScannerTM 700 và 800 69 B. Máy đo tọa độ CMM 73 GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 3
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT I. GIỚI THIỆU Ngày nay trên thị trường hàng hố cạnh tranh thay đổi mẫu mã luơn địi hỏi phải rút ngắn quá trình thiết kế, chế tạo sản phẩm. Vì vậy cơng nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping Technology - RPT) trở thành vấn đề thời sự. Cĩ thể tạo ra sản phẩm nhanh bằng 3 cách: gia cơng nhanh, tạo ra khuơn nhanh và tạo mẫu nhanh. Gia cơng nhanh hay là gia cơng cao tốc (High Speed Machining - HSM) phải dùng đến các máy cơng cụ với tốc độ dao cắt cĩ thể lên đến vài chục nghìn vịng/phút. Tạo “khuơn nhanh” (Rapid tooling) hoặc “mẫu nhanh” (Rapid prototyping) đều là bước phát triển mới của CAD (Computer Aided Design). Nếu cĩ thiết bị tạo mẫu nhanh (thiết bị RPT) nối ghép với máy tính thì từ những hình thể 3D được thiết kế và mơ tả trên màn hình cĩ thể nhanh chĩng tạo ra vật thể 3 chiều thực, sờ thấy được, trên thiết bị RPT. Cho nên người ta cịn gọi thiết bị RPT là “máy in 3 chiều” (Three dimension printer). Đặc điểm của phần lớn các phương pháp PRT là chế tạo ra các mẫu bằng cách đắp thêm vật liệu theo từng lớp. Muốn vậy phải cắt mơ hình 3D đã thiết kế bằng CAD ra thành các lớp cĩ chiều dày xác định. Để cho thuận tiện, trước khi cắt lớp, người ta chuyển mơ hình 3D sang dạng tệp đặc biệt, ví dụ tệp STL. Cho đến nay cĩ hàng chục phương pháp RPT phụ thuộc vào khả năng tạo lớp của vật liệu được sử dụng. Dưới đây trình bày sơ lược về bản chất của một số phương pháp thơng dụng. Phương pháp SLA (Stereo lithography apparatus) tạo ra các mẫu từ vật liệu cao su bắt sáng (photocurable resin) lỏng. Khi nguồn laser, được điều khiển theo tín hiệu của máy tính, quét phủ mặt cắt ngang của mơ hình 3D làm hố cứng một lớp. Sau đĩ thùng đựng cao su lỏng hạ xuống một nấc và cứ thế dần dần sẽ hình thành mẫu theo từng lớp một Phương pháp SGC (Solid Ground Curing) cũng là phương pháp làm khơ cứng từng lớp. Khác với SLA, ở đây khơng sử dụng nguồn laser điểm mà dùng chùm ánh sáng cực tím chiếu lên tồn bề mặt, đã được che chắn qua một mặt nạ (mask). Phần vật liệu hở sáng sẽ đơng cứng thành một lớp. Mặt nạ là một tấm phim âm bản của tiết diện được cắt. Phương pháp LOM (Laminated Object Manufacturing) dùng vật liệu dạng tấm cĩ phủ keo dính (chủ yếu là giấy nhưng cũng cĩ 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 GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 4
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT cắt vật thể. Các lớp mặt cắt được dán lần lượt chồng lên nhau nhờ hệ thống con lăn gia nhiệt Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering) là phương pháp thiêu kết bằng tia Laser. Sau khi con lăn trải ra trên mặt bàn cơng tác một lớp bột với chiều dày đã định trước, nguồn Laser sẽ quét phủ trên bề mặt cần tạo lớp. ở vùng đĩ các hạt vật liệu sẽ dính kết vào nhau tạo thành một lớp. Mỗi bước di chuyển thẳng đứng của hệ thống thiết bị sẽ hình thành ra lớp tiếp theo Phương pháp 3D Printing hoạt động theo nguyên tắc in “phun mực”. Một loại mực keo đặc biệt được phun lên lớp bột nhựa đã được trải phẳng và hố cứng. Như thế là chúng đã tạo ra một lớp và từng lớp dần dần tạo ra vật thể. Phương pháp FDM (Fused Deposition Manufacturing) dùng vật liệu dạng dây dễ chảy, ví dụ nhựa ABS. Như mơ tả trên hình 4, sợi dây qua đầu gia nhiệt sẽ hố dẻo và được trải lên mặt nền theo đúng biên dạng mặt cắt của mẫu, theo từng lớp cĩ chiều dày bằng chiều dày lớp cắt. Nhựa dẻo sẽ liên kết theo từng lớp cho đến khi tạo xong mẫu 1.Lịch sử phát triển Việc chế tạo máy tính, nổi bậc là máy tính cá nhân (PC) và máy tính mini đã làm thay đổi các phương thức làm việc ở xí nghiệp. Đặc biệt là máy tính đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: thiết kế (CAD – Computer Aided Design), chế tạo (CAM – Computer Aided Manufacturing), gia cơng điều khiển số nhờ máy tính (CNC – Computer Numerical Control). Và hệ thống tạo mẫu nhanh ra đời với sự tạo mẫu trên mơi trường CAD. Bảng 1.1 chỉ ra lịch sử phát triển của nhiều cơng nghệ khác nhau từ việc đánh giá bắt đầu các giai đoạn. Bảng 1.1. Lịch sử phát triển của tạo mẫu nhanh và các cơng nghệ liên quan. Năm Cơng nghệ 1770 Cơ giới hĩa 1946 Máy tính đầu tiên 1952 Máy gia cơng điều khiển kỹ thuật số tự động 1960 Đầu tiên thương mại hĩa thiết bị laser 1961 Đầu tiên thương mại hĩa robot 1963 Hệ thống sơ đồ tác động tự động 1988 Hệ thống tạo mẫu nhanh tự động GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 5
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT 2.Khái niệm Khi phát triển một sản phẩm mới, lúc nào cũng vậy, cĩ một nhu cầu là chế tạo một mẫu đầu tiên (prototype) của bộ phận hay hệ thống được thiết kế trước khi cấp một lượng vốn lớn cho các phương tiện sản xuất hoặc dây chuyền lắp ráp. Lý do chính cho nhu cầu này là chi phí quá cao và tốn nhiều thời gian chuẩn bị cơng cụ sản xuất. Vì vậy, việc tạo mẫu là cần thiết để xử lý sự cố và đánh giá thiết kế trước khi một hệ thống phức tạp sẵn sàng sản xuất và tung ra thị trường. Việc nghiên cứu thế hệ mẫu đầu tiên sẽ giúp người thiết kế phát hiện lỗi, hoặc tìm ra phương pháp thiết kế hiệu quả hơn, tốt hơn. Tuy nhiên, vấn đề chính của sự tiếp cận này là sự tạo mẫu cĩ thể tốn rất nhiều thời gian : việc chuẩn bị dụng cụ máy mĩc tốn nhiều tháng, khĩ chế tạo các mẫu phức tạp, bằng các phương pháp truyền thống rất khĩ khăn. Trong khi chờ đợi tạo ra mẫu đầu tiên, vẫn phải trả cơng cho nhân viên và chi phí khấu hao máy mĩc thiết bị. Vậy tạo mẫu nhanh là gì? Tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP) là cơng nghệ thiết kế mẫu tự động nhờ quá trình CAD (thiết kế với sự giúp đỡ của máy tính). Với những “máy in ba chiều”, cho phép người thiết kế nhanh chĩng tạo ra những mẫu hữu hình, truyền ý tưởng thiết kế của họ đến cơng nhân hoặc khách hàng, ngồi ra tạo mẫu nhanh cịn được sử dụng để thiết thử những sản phẩm mới. Tất nhiên “nhanh” là một thời hạn tương đối. Thơng thường, thời gian để tạo ra một mẫu mới mất khoảng từ 3 – 72 giờ phụ thuộc vào kích thước và độ phức tạp của mẫu. Khoảng thời gian này cĩ vẻ chậm, nhưng so với việc tạo mẫu bằng máy truyền thống thường mất từ nhiều tuần đến nhiều tháng, thì nĩ nhanh hơn rất nhiều. Do mất ít thời gian nên RP giúp cho nhà sản xuất nhanh chĩng đưa sản phẩm ra thị trường và giảm chi phí sản xuất. Đĩ cũng là ưu điểm nổi bậc của quá trình tạo mẫu nhanh. 3.Ba thời kỳ của quá trình tạo mẫu. Tạo mẫu hay làm mẫu là cơng nghệ cĩ từ thời xa xưa. Mục đích của cơng nghệ là mơ hình hĩa các ý tưởng thiết kế. Như vậy mẫu thường được làm theo yêu cầu ban đầu của người thiết kế trước khi bắt đầu quá trình sản xuất thực. Mẫu được tạo với nhiều hình thức khác nhau như: hớt vật liệu, gia cơng cắt gọt, tạo mẫu khuơn, với nhiều loại vật GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 6
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT liệu như là: kẽm, urethanes, Do đĩ, trong phạm vi thí nghiệm thì tạo mẫu nhanh là thích hợp nhất. Bảng 1.2. Các thời kỳ tạo mẫu và tạo mơ hình. Mơ hình hình học Quá trình tạo mẫu 1. Thời kỳ đầu tiên: khung tạo độ 2D 1. Thời kỳ đầu tiên: tạo mẫu thơ sơ. Bắt đầu giữa thập niên 60. Thực hiện cách đây nhiều thế kỷ. Một vài khuynh hướng cĩ thể đưa Thực hiện tạo mẫu được xem như ra: một nghề khéo léo: - Sơ đồ mạch được đưa ra trong - Mẫu được làm theo truyền thống các bo mạch. và làm bằng tay. - Quan sát kế hoạch cho từng - Dùng vật liệu truyền thống để tạo thành phần kỹ thuật. mẫu. Kỹ thuật tạo mẫu cĩ trong tự Cơng nghệ tạo mẫu rất tự nhiên nhiên. 2. Thời kỳ thứ hai: Mơ hình mặt và 2. Thời kỳ thứ hai: Phần mềm hay quá đường cong 3D. trình tạo mẫu ảo. Giữa thập niên 70. Giữa thập niên 70. Gia tăng mức độ phức tạp. Gia tăng mức độ phức tạp. Phần mềm cĩ thể cung cấp cho biết Thể hiện nhiều thơng tin cấp độ ứng suất, cĩ thể mơ phỏng và kiểm tra chính xác về tạo dáng, kích thước và với các thiết bị chính xác và các tính đường viền bề mặt của từng chi tiết. chất đặc trưng khác. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 7
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT 3. Thời kỳ thứ ba: Mơ hình dạng khối. 3. Thời kỳ thứ ba: Tạo mẫu nhanh. Từ những năm đầu của thập niên Bắt đầu từ giữa thập niên 80. 80 Lợi ích của việc tạo mẫu nhanh là Các gĩc, bề mặt, lỗ được liên kết thực hiện việc tạo mẫu trong thời gian với nhau tạo thành chi tiết. rất ngắn, đây chính là điểm mạnh của phương pháp này. Từ bên ngồi máy tính cĩ thể tính chính xác các bộ phận bên trong của chi Sản phẩm của tạo mẫu nhanh là cĩ tiết. Tuy nhiên vấn đề là nĩ khơng cịn thể dùng để kiểm tra các mẫu được sản dấu vết trên bề mặt và các phần giao xuất bằng các phương pháp khác. của bề mặt và gốc. Thiết bị cĩ thể trợ giúp mẫu trong Mơ hình vẫn chưa được rõ ràng quá trình sản xuất. nhưng cĩ độ chính xác cao. Quá trình tạo mẫu được phân ra làm ba thời kỳ , từng thời kỳ được tĩm lược trong bảng 6.2. Hai thời kỳ sau chỉ mới ra đời trong gần 20 năm trở lại đây. Tương tự như quá trình tạo mẫu trên máy vi tính, tính chất vật lý của mẫu chỉ được nghiên cứu phát triển trong thời kỳ thứ ba. a.Thời kỳ đầu: tạo mẫu bằng tay. Thời kỳ đầu tiên ra đời cách đây vài thế kỷ. Trong thời kỳ này, các mẫu điển hình khơng cĩ độ phức tạp cao và chế tạo một mẫu trung bình mất khoảng 4 tuần. Phương pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề và thực hiện cơng việc một cách cực kỳ nặng nhọc. b.Thời kỳ thứ hai: phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo. Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển rất sớm, khoảng đầu thập niên 70. Thời kỳ này đã cĩ phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo. Việc ứng dụng CAD/CAE/CAM đã trở nên rất phổ biến. Phần mềm tạo mẫu sẽ phát họa trên máy vi tính những suy tưởng, ý tưởng mới. Các mẫu này như là một mơ hình vật lý: được kiểm tra, phân tích cũng như đo ứng suất và sẽ được hiệu chỉnh cho phù nếu chúng chưa đạt yêu cầu. Thí dụ như phân tích ứng suất và sức căng bề mặt chất lỏng cĩ thể dự đốn chính xác được bởi vì cĩ thể xác định chính xác các thuộc tính và tính chất của vật liệu. Hơn nữa, các mẫu trong thời kỳ này trở nên phức tạp hơn nhiều so với thời kỳ đầu, khoảng trên hai lần. Vì thế, thời gian yêu cầu cho việc tạo mẫu cĩ khuynh hướng GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 8
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT tăng lên khoảng 16 tuần, tính chất vật lý của mẫu vẫn cịn phụ thuộc các phương pháp tạo mẫu cơ bản trước. Tuy nhiên, việc vận dụng tốt hơn các máy gia cơng chính xác đã cải thiện tốt hơn các tính chất vật lý của mẫu. Cùng với sự tiến bộ trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh trong thời kỳ thứ ba, cĩ sự trợ giúp rất lớn của quá trình tạo mẫu ảo. Tuy nhiên vẫn cịn những giới hạn tồn tại so với cơng nghệ tạo mẫu nhanh. Các vấn đề này bao gồm: - Sự giới hạn về vật liệu (bởi vì các chi phí và cách sử dụng cho từng vật liệu khơng giống nhau để tạo chi tiết). - Khơng cĩ khả năng thực hiện quá trình như những gì ghi trên bản thảo. - Cĩ thể độ tin cậy dữ liệu thấp hay khơng cĩ. Những vấn đề này được tập hợp từ qui trình cơng nghệ tạo mẫu nhanh đến quá trình phân tích giới hạn các bộ phận cấu tạo. Đặc biệt là trong ứng dụng phân tích động học và động lực học, phần mềm sẽ phân tích các tính chất vật lý của nhiều loại vật liệu khác nhau như là thép, nước đá, nhựa, đất sét hay một số vật liệu truyền thống khác. Phần mềm sẽ tính tốn như là trên một mơ hình thật sự, điều này cĩ ý nghĩa rất lớn cho quá trình sản xuất - hạn chế phế phẩm. c.Thời kỳ thứ ba: quá trình tạo mẫu nhanh. Tính chất vật lý từng phần của sản phẩm trong quá trình tạo mẫu nhanh cũng được biết đến. Quá trình tạo mẫu rỗng thích hợp cho việc sản xuất trên bàn nâng hay cơng nghệ sản xuất lớp. Cơng nghệ này thể hiện quá trình phát triển tạo mẫu trong thời kỳ thứ ba. Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh là một phát minh quan trọng. Những phát minh này đã đáp ứng được yêu cầu của giới kinh doanh trong thời kỳ này: giảm thời gian sản xuất, độ phức tạp của mẫu tăng, giảm chi phí. Ở thời điển này người tiêu dùng yêu cầu các sản phẩm cả về chất lượng lẫn mẫu mã, nên mức độ phức tạp của chi tiết cũng tăng lên, gấp ba lần mức độ phức tạp mà các chi tiết đã được làm vào những năm của thập niên 70. Nhưng nhờ vào cơng nghệ tạo mẫu nhanh nên thời gian trung bình để tạo thành một chi tiết chỉ cịn lại 3 tuần so với 16 tuần ở thời kỳ thứ hai. Năm 1988, hơn 20 cơng nghệ tạo mẫu nhanh đã được đưa vào sử dụng. 4.Nền tảng của quá trình tạo mẫu nhanh. Thơng thường, tất cả các phương pháp tạo mẫu nhanh khác nhau nhưng thường cĩ chung một nền tảng cơ sở mà cĩ thể diễn đạt như sau:  Mẫu hay một bộ phận chi tiết được thiết kế trên những phần mềm CAD và gia cơng bằng kỹ thuật số. Mẫu phải thể hiện đầy đủ lý tính để cĩ thể sản xuất và phải thể GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 9
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT hiện như một mặt kín với kích thức giới hạn rõ ràng. Đĩ là các dữ liệu, đặc biệt là các dữ liệu bên trong, bên ngồi và cả phạm vi giới hạn của mẫu. Yêu cầu này thực sự khơng cần thiết nếu cơng nghệ tạo mẫu được dùng là cơng nghệ tạo mẫu dạng khối. Mơ hình dạng khối sẽ tự động giới hạn thể tích. Yêu cầu này bảo đảo rằng tất cả các mặt cắt ngang đều là những đường cong kín để tạo ra khối vật thể.  Mơ hình dạng khối hay mơ hình bề mặt dùng để tạo ra lớp kế tiếp cĩ thể thay đổi được ở file kích thước cĩ tên “. STL” mà các file này khởi đầu các hệ thống 3D. File kích thước . Stl cĩ kích thước gần đúng các bề mặt của mơ hình đa giác. Các mặt cong bậc cao phải dùng rất nhiều đa giác, điều này cĩ nghĩa là các file .Stl dùng cho các chi tiết mặt cong phải cĩ dung lượng rất lớn. Tuy nhiên cĩ một vài hệ thống tạo mẫu nhanh chỉ chấp nhận các dữ liệu IGES để cung cấp chính xác các đặc tính.  Máy tính phân tích file .Stl để xác định rõ ràng mơ hình cho sản xuất và các lớp mỏng trên mặt cắt ngang. Bề mặt cắt ngang được tạo ra theo phương pháp hạ dần xuống trong suốt quá trình hĩa cứng của chất lỏng hay bột và sau đĩ kết hợp thành mẫu 3D. Một khả năng khác là bề mặt cắt ngang cĩ thể là những lớp mỏng hay ở dạng khối, những lớp mỏng cĩ thể được liên kết với nhau để hình thành nên một mẫu 3D. Các phương pháp tạo mẫu tương tự khác cũng cĩ thể dùng cho cơng việc tạo mẫu. Nĩi một cách khác, sự phát triển của quá trình tạo mẫu nhanh được thể hiện qua bốn vấn đề quan trọng: cung cấp dữ liệu, các phương pháp, vật liệu và các ứng dụng. a.Cung cấp dữ liệu. Dữ liệu 3D cung cấp được chuyển đến bằng các tín hiệu điện tử theo yêu cầu để mơ tả các vấn đề cĩ liên quan đến vật thể. Cĩ hai vấn đề quan trọng – mơ hình trên máy hay một mơ hình vật thể. Hệ thống CAD đã tạo ra mơ hình trên máy tính, mơ hình này cĩ thể ở dạng mặt phẳng hay dạng khối. Ở một khía cạnh khác khơng phải tất cả các mơ hình vật thể đều đơn giản. Nĩ yêu cầu thu thập dữ liệu để đưa ra một phương pháp đối lập. Trong cơng nghệ đối lập này được trang bị đầy đủ như thiết bị đo tọa độ (CMM) và bộ mã hĩa laser. b.Các phương pháp. Hiện nay đã cĩ hơn 20 nhà sản xuất hệ thống tạo mẫu nhanh, tùy từng phương pháp xử lý của nhà sản xuất mà ta cĩ thể phân tích thành một số cấp bậc: xử lý quang hĩa, gia cơng và dán/ liên kết, sự nung nĩng và sự hĩa rắn/ sự hĩa lỏng và sự liên kết sự bĩ buộc. Việc xử lý quang hĩa cịn cĩ thể phân tích thành từng nhĩm nhỏ: chùm laser đơn, chùm laser đơi và đèn mạ. c.Vật liệu. Tùy thuộc vào những nét đặc trưng của vật liệu ta cĩ thể lựa chọn vật liệu: dạng khối, dạng lỏng hay bột bụi. Ở dạng khối cĩ thể cĩ các hình thức khác nhau như là: GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 10
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT viên, dây hay phiến mỏng. Một số vật liệu hiện đang được sử dụng như là: giấy, nilon, nhựa, sáp, kim loại và đất sét. d.Các ứng dụng. Hầu hết tất cả các chi tiết tạo mẫu nhanh đã hồn chỉnh hay đã được sửa chữa trước khi đem đi sử dụng để đảm bảo cho các sử dụng. Các ứng dụng cĩ thể phân thành từng nhĩm: (1) thiết kế, (2) cơng nghệ, phân tích và lập kế hoạch, (3) gia cơng cắt gọt và sản xuất. Tạo mẫu nhanh đã đem lợi nhuận khổng lồ trong các lĩnh vực như: vũ trụ khơng gian, tự động hĩa, y-sinh học, điện-điện tử, sản phẩm tiêu dùng. 5.Lợi thế của cơng nghệ tạo mẫu nhanh. Các hệ thống tạo mẫu nhanh ngày nay đều là tự động, khơng gia cơng, khơng cần khuơn mẫu mà vẫn cĩ 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 cĩ độ chính xác cao nhưng chất lượng bề mặt rất kém vì các chi tiết khơng được gia cơng đến nguyên cơng cuối. Vì thế các sản phẩm tạo mẫu nhanh thường được gia cơng tinh lại bằng các phương pháp gia cơng khác. Tuy nhiên, thời gian chế tạo một chi tiết rất ngắn và các dữ liệu thiết kế chi tiết vẫn cịn cĩ thể sử dụng lại, nên cơng nghệ tạo mẫu nhanh đã đem lại lợi nhuận khổng lồ và chúng cĩ thể được phân tích thành lợi nhuận trực tiếp và lợi nhuận gián tiếp. a.Lợi nhuận trực tiếp. Đối với các cơng ty tạo mẫu nhanh lợi nhuận tới từ rất nhiều phía. Cơng ty cĩ khả năng thực hiện các thí nghiệm tạo mẫu cĩ mức độ phức tạp khác nhau trong thời gian ngắn nhất, sản phẩm đưa ra thị trường cĩ độ phức tạp cao cả về hình dáng và chất lượng. Hầu hết các mối quan tâm và chỉ trích đều tập trung vào vấn đề thời gian để chế tạo mẫu. Khi mới bắt đầu vào những năm 70, một mẫu được tạo ra trong thời gian khoảng 4 tuần, nhưng đến đầu năm 1980 thì thời gian này đã tăng lên 16 tuần. Tuy nhiên, với việc sử dụng cơng nghệ CAD/CAM và CNC cùng với sự tiến bộ của cơng nghệ tạo mẫu nhanh thì thời gian này chỉ cịn lại 3 tuần vào năm 1995. Tùy đặc tính riêng của từng cơng ty mà lợi nhuận cĩ thể đến từ các lĩnh vực khác nhau và cho hiệu quả khác nhau. Lợi nhuận đến từ người thiết kế chế tạo. Những người thiết kế chế tạo cĩ khả năng làm gia tăng mức độ phức tạp mà ít ảnh hưởng đến thời gian và chi phí, chức năng tạo dáng nghệ thuật và khả năng thẩm mỹ cĩ thể được điều chỉnh. Họ cĩ thể thiết kế tối ưu hĩa mẫu theo yêu cầu của khách hàng mà ít bị hạn chế cho quá trình sản xuất. Cĩ thể loại bỏ một số thiết bị mà trước đây vẫn GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 11
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT tồn tại do thiếu cơng cụ, giảm việc gia cơng cơ và tránh lãng phí. Với một số thiết bị chuyên dùng cĩ thể giảm thời gian phân tích, lựa chọn kẹp chặt, thiết kế chi tiết, khoan lỗ và bản vẽ lắp. Cĩ vài khống chế trong việc thiết kế chi tiết. Các thiết bị gia cơng cơ khơng dễ dàng gia cơng một lần, độ chính xác cao, khơng thể gia cơng các lớp dày để giảm số lần gia cơng và lãng phí. Nhưng bây giờ với các hệ thống thiết bị tạo mẫu nhanh Thì các vấn đề trên đã được giải quyết một cách đáng kể. Người thiết kế cĩ khả năng tiết kiệm vật liệu và tối ưu hĩa hệ số cứng vững/ trọng lượng mà khơng chú ý đến chi phí gia cơng. Cuối cùng là thị trường tiêu thụ đã chấp nhận thời gian chế tạo và chất lượng sản xuất. Lợi nhuận từ máy thiết kế gia cơng và kỹ sư chế tạo. Vấn đề chính là phải tiết kiệm các chi phí, người kỹ sư cĩ thể tối ưu hĩa các thiết kế, việc chế tạo và kiểm tra gia cơng cắt gọt. Những chi phí cố định được giảm xuống, do đĩ cĩ thể giảm các bộ phận đếm, bộ phận lắp ráp, kiểm tra tức lợi hàng năm và phí tổn. Nhà sản xuất cĩ thể giảm số lượng nhân lực bởi vì các chi tiết cĩ cấu trúc và việc thiết lập lại chương trình đã được thực hiện một cách dễ dàng, giảm bớt cơng việc gia cơng cơ và đúc, do đĩ giảm một cách đáng kể chi phí kiểm tra và chi phí lắp ráp. Giảm sự lãng phí vật liệu, chi phí vận chuyển và kiểm tra lượng dư nguyên vật liệu và từ đĩ giảm chi phí chế tạo chi tiết. Loại bỏ chi phí kiểm tra do sự thay đổi mẫu thiết kế hay những chi tiết khơng được ưa chuộng trên thị trường. Thêm vào đĩ các nhà sản xuất cĩ thể đơn giản hĩa các mối lợi nhuận bởi vì hầu hết các đơn vị giá cả đều phụ thuộc vào số lượng được yêu cầu thực hiện trong thời gian ngắn hạn. Lợi nhuận hằng năm của thiết bị vạn năng lớn hơn nhiều so với thiết bị chuyên dùng, vấn đề quan trọng là phải giản chi phí trang thiết bị và bảo trì. Vì lý do đĩ mà cần phải cĩ một số kỹ sư vận hành tay nghề cao và được qua huấn luyện. Nhờ vậy cĩ thể giảm bớt các cơng việc kiểm tra các phế phẩm vì yêu cầu dung sai chính xác cao và việc yêu cầu kẹp chặt cũng khơng cần phải địi hỏi. Các kích thước trong thiết kế cĩ thể thay đổi nhanh chĩng mà vẫn giữ được cấp độ chính xác cao và sự lập lại việc sản xuất các chi tiết cĩ tỉ lệ thành cơng cao bởi vì khơng cĩ sự hao mịn dụng cụ. Cuối cùng đối với các loại thiết bị này cĩ thể giảm các bộ phận phụ khơng cần thiết. b.Lợi nhuận gián tiếp. Ngồi lợi nhuận từ việc thiết kế và phân xưởng sản xuất thì cơng nghệ tạo mẫu nhanh cịn đem lại lợi nhuận gián tiếp. Lợi nhuận đến từ bộ phận tiếp thị. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 12
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Trên thị trường thiết bị được giới thiệu với các khả năng cơng nghệ mới và cĩ thêm nhiều cơ hội mới, do vậy cĩ thể giảm một cách đáng kể thời gian tiếp thị. Phải giới thiệu các chức năng ẩn, cĩ khả năng tạo sản phẩm cĩ giá thành thấp nhưng cho năng suất cao của cơng nghệ này. Nhà tiếp thị cĩ khả năng yêu cầu gia tăng tính đa dạng của thiết bị và theo yêu cầu của thị trường hiện đại, dễ dàng mở rộng thị trường phân phối và nhanh chĩng đưa sản phẩm vào thị trường. Lợi nhuận đến từ khách hàng. Khách hàng chỉ mua những sản phẩm mà họ đã biết đến các đặc tính cần thiết như mong muốn. Hơn thế nữa khách hàng chỉ mua các thiết bị cĩ giá thành thấp bởi khấu hao sản xuất nhanh chĩng được lấy lại. II. PHÂN LOẠI TẠO MẪU NHANH. Do cĩ nhiều phương diện sản xuất nên hình thành nhiều loại hệ thống tạo mẫu nhanh trên thị trường, để phân loại một cách bao quát các hệ thống tạo mẫu nhanh là dựa trên cơ sở vật liệu sản xuất. Ở kiểu phân loại này tất cả các hệ thống tạo mẫu nhanh cĩ thể dễ dàng phân thành ba loại: - Dựa trên cơ sở chất lỏng. - Dựa trên cơ sở dạng khối. - Dựa trên cơ sở dạng bột. 1. Dựa trên cơ sở chất lỏng. Các hệ thống tạo mẫu nhanh dựa trên cơ sở nền tảng chất lỏng bắt đầu với vật liệu ở trạng thái lỏng. Quá trình tạo mẫu là một quá trình lưu hĩa, vật liệu chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Sau đây là một số phương pháp tạo mẫu nhanh dựa trên cơ sở chất lỏng: Thiết bị tạo mẫu lập thể SLA. Thiết bị xử lý dạng khối Cubital (SGC). Thiết bị tạo mẫu dạng khối Sony (SCS). Thiết bị Laser – tử ngoại tạo vật thể dạng khối Misuibishi (SOUP). Thiết bị tạo ảnh nổi của EOS. Thiết bị tạo ảnh khối của Teijin Seikils. Thiết bị tạo mẫu nhanh của Meiko cho ngành cơng nghiệp đồ trang sức. SLP của Denken. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 13
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT COLAMM của Misui. LMS của Fockele và Schwarze. Thiết bị điêu khắc bằng ánh sáng. Thiết bị hai chùm tia laser. 2.Dựa trên cơ sở dạng khối. Ngoại trừ các vật liệu dạng bột, các hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu cơ bản dạng khối cĩ liên quan đến tất cả các hình thức vật liệu dạng khối bao gốm các dạng: dây, cuộn, dát mỏng và dạng viên. Sau đây là một số phương pháp tạo mẫu nhanh tượng trưng cho phương pháp này: Thiết bị chế tạo vật thể từng lớp mỏng (LOM). Thiết bị mẫu làm nĩng chảy của Stratasy (FDM). Thiết bị dập nĩng và chọc chất kết dính của KiRa. Thiết bị tạo mẫu nhanh của Kenergy. Thiết bị tạo mẫu 3D của Multi-Jet. Thiết bị tạo mẫu nhanh của IBM. Thiết bị tạo mẫu cát của cơng ty Model Maker MM-6B. Sparx AB’s Hot Plot. Tạo mẫu khơng gian giới hạn của Laser CAMM. 3.Dựa trên cơ sở dạng bột. Trong khả năng được giới hạn, dạng trạng thái bột vẫn cịn được xem như dạng trạng thái khối. Tuy nhiên, nĩ được tạo ra trên ý định là một loại thiết bị khơng phụ thuộc vào hệ thống thiết bị tạo mẫu nhanh vật liệu trạng thái khối cơ sở. Sau đây là một số phương pháp tạo mẫu nhanh tượng trưng cho phương pháp này: Thiết bị in laser của DTM (SLS). Thiết bị sản xuất khuơn đúc trực tiếp của Soligen (DSPC). Thiết bị xử lý hĩa cứng nhiều giai đoạn của Fraunhofer (MJS). Hệ thống các thiết bị EOSINT của EOS. Thiết bị sản xuất cơng nghệ đường đạn đạo (BPM). Thiết bị sản xuất in 3D của MIT (3DP). Phương pháp này khơng cĩ tính đồng nhất trong các hệ thống, thể hiện bằng việc một số sử dụng tia laser, trong khi đĩ một số khác lại sử dụng chất kết dính/ keo để đạt được mức độ liên kết. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 14
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TẠO MẪU NHANH. A. Phương pháp tạo mẫu lập thể (SLA). 1. Nguyên lý hoạt động. Phương pháp SLA dựa vào nguyên tắc đơng cứng vật liệu lỏng photopolymer thành một hình dạng rõ ràng khi nĩ được chiếu bởi một chùm tia Laser cường độ cao. Cĩ thể sử dụng Laser He-Cd với bước sĩng 325nm hoặc Laser rắn Nd:YVO 4 với bước sĩng 354,7nm. Một thùng chứa đầy dung dịch lỏng photopolymer. Trong thùng cĩ một bệ đỡ (bàn gá) cĩ thể nâng hạ được (như một cái thang máy). Chất lỏng là hỗn hợp của các monome acrylic, các oligome và một photoinitiator. Trên hình 3.1, khi bệ đỡ ở vị trí cao nhất (ở độ sâu a) thì trên tấm là một lớp chất lỏng cạn. Máy phát Laser phát ra chùm tia cực tím tập trung trên một diện tích của dung dịch photopolymer và di chuyển theo hướng X-Y. Chùm tia cực tím làm đơng hết phần dung dịch được chiếu sáng và hình thành nên một khối đặc. Bệ đỡ được hạ xuống một lượng vừa đủ để một lượng chất lỏng phủ lên phần polyme đã đơng đặc và quá trình được lặp lại. Quá trình tiếp diễn cho đến khi đạt được mức b. Lúc này ta đã tạo nên một chi tiết hình trụ cĩ bề dày khơng đổi. Chú ý rằng lúc này bệ đỡ đã di chuyển theo phương thẳng đứng một lượng ab. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 15
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Hình 3.1. Nguyên lý quá trình SLA Tại mức b, chuyển động theo phương X-Y của chùm tia rộng hơn, vì thế ta tạo được một mặt bằng phẳng như mặt bích bên trên phần đã tạo từ trước. Sau khi đạt được bề dày thích hợp, quá trình được tiếp tục để tạo nên phần hình trụ giữa mức b và c. Chú ý rằng phần dung dịch xung quanh vẫn đang ở trạng thái lỏng vì nĩ khơng bị đơng kết bởi tia cực tím và chi tiết được tạo thành từ đáy lên trên theo từng "lát" riêng biệt cĩ chiều dày từ 0,05 : 0,2mm. Các lát này liên kết lại với nhau thành khối. Phần chất lỏng khơng bị đơng kết cĩ thể được sử dụng lại để tạo chi tiết khác trong quá trình tạo mẫu khác. Bởi vì chi tiết được tạo thành trong mơi trường chất lỏng và bên trong vật thể cịn chứa chất lỏng polyme, do đĩ cần phải thêm các kết cấu trợ giúp (supports) để tăng độ cứng chi tiết và để tránh cho phần chi tiết đã được tạo thành chìm trong chất lỏng khơng bị nổi lên hoặc khơng bị trơi nổi tự do ở trong thùng. Thời gian quét chùm tia Laser phụ thuộc vào hình dạng hình học của những đường viền, mẫu vạch, tốc độ của tia Laser và thời gian bao phủ (thời gian để một lớp của polymer sao chụp rắn lại và thời gian để lớp cuối cùng rắn lại). Quá trình tạo mẫu nĩi trên được thực hiện qua các giai đoạn trên hình 3.2. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 16
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Hình 3.2. Các giai đoạn tạo mẫu bằng phương pháp SLA khi lấy chi tiết ra khỏi hệ thống SLA, chi tiết phải trải qua một loạt các quá trình hậu xử lý (post-processing). Đầu tiên, những chất polymer dư ra được làm sạch hết. Những chi tiết được làm sạch bằng những phương pháp chuẩn để bỏ đi những chất nhựa dư với : Tri-propylene Glycol Monomethyl Ether, rửa bằng nước, sau cùng rửa bằng iso-propyl alcohol, và chi tiết được làm khơ trong khơng khí. Do tia Laser khơng cung cấp đủ năng lượng để xử lý hồn tồn chi tiết, nên ở quá trình xử lý tinh chi tiết được thực hiện bằng thiết bị xử lý tinh PCA (Post-Curing Apparatus). PCA là một buồng với một bàn quay và những bĩng đèn chiếu tia tử ngoại. Thơng thường, người ta đặt chi tiết trong PCA khoảng từ 30 phút đến một giờ. Chi tiết sẵn sàng để lấy ra khỏi cơ cấu phụ trợ và để xử lý bề mặt như : đánh bĩng, mạ phủ, nếu cĩ yêu cầu. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 17
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT 2. Hệ thống thiết bị Các bộ phận chính của hệ thống SLA là máy tính điều khiển, panel điều khiển, nguồn Laser, hệ thống quang học và buồng xử lý. HeCd-laser Thấu kính Gương Cơ cấu thanh quét nâng Chất lỏng polyme Hene-laser Bàn gá Hình.3.3. Thiết bị ù hoạt động của phương pháp SLA Các máy của 3D Systems rất đa dạng cả về kích thước và chủng loại. Cĩ một vài kiểu máy cĩ sẵn và thường được sử dụng như là : SLA-190, SLA-250, SLA-350, SLA- 500. Hình 3.4a. Máy tạo mẫu nhanh SLA 250. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 18
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Hình 3.4b. Máy tạo mẫu nhanh SLA 190 GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 19
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT 3. Hệ thống thiết bị với thơng số kỹ thuật tạo hình lập thể 3D. Cơng ty: Nhà doanh nghiệp Raymond - S - Freed là những người đầu tiên phát minh ra hệ thống tạo mẫu lập thể 3D vào năm 1986. Hầu hết các hệ thống tạo mẫu nhanh đều cĩ ý nghĩa thương mại và được gọi là thiết tạo mẫu lập thể hay phương tạo mẫu nhanh SLA. Khả năng đa dạng của hệ thống 3D cĩ thể cung cấp nhiều chi tiết cĩ kích thước khác nhau và cho năng suất cao. Cĩ một vài kiểu máy thường được sử dụng như là: SLA- 190, SLA -250, SLA-350, SLA- 500. Cơng nghệ của máy SLA – 190 là cơng nghệ đầu tiên của phương pháp tạo mẫu nhanh và sử dụng tia laser He-Cd. Máy cơng nghệ SLA – 250 là loại máy được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Máy cơng nghệ SLA – 350 là thế hệ mới của cơng nghệ SLA, tạo sản phẩm dạng khối Nd: YV4 laser và cho năng suất cao hơn 35% so với máy SLA – 250 khi cùng tạo một chi tiết. Máy SLA – 500 là đỉnh cao của thiết bị sản xuất 3D, nĩ sử dụng tia laser Argon rất mạnh. Các tính năng kỹ thuật của các thế hệ máy được tĩm lược trong bảng 3.3: Bảng 3.3. Các đặc tính kỹ thuật của hệ thống SLA. Thiết bị SLA-190 SLA-250 SLA-350 SLA-500 Loại laser He-Cd He-Cd YVO4 Argon Cường độ laser (mW) 7,5 16 160 132-264 Đường kính tia laser (mm) 0,2-0,29 0,2-0,29 0,25 0,2-0,25 Độ phân giải theo đường 0,0025 0,0025 0,0018 0,0018 thẳng đứng của máy nâng (mm) Thể tích chứa (lít) - 29,5 99,3 253,6 Khơng gian làm việc, XYZ 190.190.25 250.250.25 350.350.4 508.508.5 (mm.mm.mm) 0 0 00 80 Khối lượng lớn nhất của _ 9,1 56,8 68,04 chi tiết (kg) Bề dày lớp nhỏ nhất 0,1 0,1 0,05 0,1 (mm) Kích thước từng đơn vị 0,7x1,2x1, 0,7x1,2x1, 1,0x1,0x2 1,8x1,2x2 (m.m.m) 6 6 ,0 ,0 Đơn vị điều khiển dữ liệu PC PC PC PC GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 20
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Nguồn năng lượng cung 115 VAC 115 VAC 200-240 200- cấp 15A 15A VAC 240VAC 220 VAC 220 VAC 16 A 3 pha, 8 A 8 A 100A/pha Tốc độ quét trên trục X-Y 0,762 0,762 5 5 Giá cả (US$) 70.000 100.000 - 380.000 490.000 170.00 Tất cả các thiết bị đều sử dụng chung một loại vật liệu sản xuất là loại nhựa lỏng cĩ khả năng đơng đặc dưới tác dụng của các tia tử ngoại như : tia gama, tia cực tím, tia x, tia electron, phĩng xạ của trường điện từ, như : expoxy, actylates, Nét đặc trưng của chi tiết phù hợp cho từng loại nhựa được dùng cho sản xuất. Một chức năng chính khác của thiết bị là dung mơi làm sạch phần nhựa dư của chi tiết sau khi chi tiết được sản xuất hồn tất trên máy. 4. Phần mềm được sử dụng trong các hệ thống SLA là Meastro bao gồm một số module sau : Module kiểm tra (3D verify- Module) : - Module này cho phép đọc file định dạng .STL và chỉnh sửa trực tiếp mà khơng cần phải trở về phần mềm thiết kế CAD 3D ban đầu. Module quan sát (View- Module) : - Module cĩ thể hiển thị file .STL và file .SLI (Slice File) dưới dạng đồ hoạ. - Chức năng quan sát được dùng để kiểm tra trực quan và định hướng các dữ liệu này sao cho tối ưu hố quá trình tạo mẫu. Module kết hợp (Merge- Module) : - Module này kết hợp tất cả các files .SLI thành một file thống nhất chuẩn bị cho quá trình tạo mẫu. Module hỗ trợ (Vista- Module) : - Module này cơng cụ mạnh của phần mềm. - Nĩ tự động thiết kế thêm các kết cấu hỗ trợ (supports) sản phẩm khi sản phẩm ở trạng thái lơ lửng trong khối chất lỏng trong suốt quá trình tạo mẫu. Module quản lý sản phẩm (Part Manager-Module) : - Đây giai đoạn đầu tiên của quá trình chuẩn bị tạo mẫu. - Mơđun này chuyển các file .STL sang dạng bảng (spreadsheet). Module tạo lớp (Slice- Module) : - Đây giai đoạn thứ hai của quá trình chuẩn bị tạo mẫu. - Nĩ chuyển đổi các thơng tin dưới dạng bảng từ Part Manager Module sang dạng mơ hình là những lớp mỏng. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 21
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Module tạo mẫu (Converge- Module) : - Đây giai đoạn thứ ba và cuối cùng của quá trình chuẩn bị tạo mẫu. - Module này tạo ra file dữ liệu cuối cùng và được sử dụng bởi các thiết bị tạo mẫu SLA. 5 . Đặc điểm  Ưu điểm :  Hệ thống cứng, vững và hồn tồn tự động.  Độ chính xác kích thước cao. Dung sai kích thước điển hình khoảng 0,0125mm.  Độ bĩng bề mặt tốt.  Độ phân giải cao phù hợp với các chi tiết phức tạp.  Với sự hỗ trợ của phần mềm QuickCastTM cho phép tạo mẫu cho quá trình đúc khuơn kim loại nhanh chĩng và chính xác.  Nhược điểm :  Sản phẩm bị cong vênh.  Giá thành hơi cao.  Vật liệu sử dụng bị hạn chế.  Phải qua giai đoạn hậu xử lý.  Chi phí vận hành và bảo trì cao. 6. Ứng dụng a. Các lĩnh vực ứng dụng của phương pháp SLA  Tạo mơ hình từ ý tưởng.  Tạo mơ hình chính xác.  Tạo cơng cụ mẫu.  Tạo mẫu phục vụ cho quá trình đúc khuơn kim loại, khuơn cát và tạo khuơn. Hình 3.5. Mẫu tạo thành từ silicon. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 22
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Hình 3.5. Sản phẩm và khuơn làm bằng phương pháp SLA. b.Hướng nghiên cứu và phát triển 3D Systems và Ciba-Geigy đang hợp tác nghiên cứu những loại vật liệu mới với các đặc tính về cơ học tốt hơn, quá trình xử lý nhanh hơn và dễ dàng hơn. Đồng thời cĩ khả năng chịu được nhiệt độ cao hơn. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 23
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Một lĩnh vực quan trọng được quan tâm nghiên cứu là tạo cơng cụ nhanh RT (Rapid Tooling). Trong lĩnh vực này, 3D Systems đã và đang hợp tác với 15 cơng ty và trường đại học nhằm tạo ra những cơng cụ nhanh cả bằng vật liệu cứng và vật liệu mềm. B. Phương pháp xử lý trên cơ sở khối SGC (Solid Ground Curing) Hệ thống tạo mẫu SOLIDER được cơng ty Cubitab Ltd. (Israel) phát triển và thương mại hĩa . Hệ thống này cũng sử dụng polyme sao chép, nhạy cảm với ánh sáng tia tử ngoại. Hình 3.6 giới thiệu nguyên lý tạo hình của phương pháp này. 1.Nguyên lý Hình ảnh của từng lớp cắt của sản phẩm tạo ra bằng phương pháp tĩnh điện sẽ được thể hiện trên tấm thuỷ tinh cĩ thể xố được. Một lớp màu sắc nhẹ (toner) sẽ phủ lên tồn bộ bề mặt trừ những tiết diện của sản phẩm thể hiện bằng những miền trong suốt phản ánh chính xác mặt cắt ở lớp hiện hành của sản phẩm. Dưới tác dụng của chùm tia tử ngoại xuyên qua tấm thuỷ tinh khi tấm thuỷ tinh di chuyển đến vị trí gần phía trên đỉnh của lớp mỏng chất lỏng polymer và chiếu vào thùng vật liệu bên dưới. Phần vật liệu bị chiếu bởi tia tử ngoại sẽ được đơng đặc nhanh chĩng, cùng lúc này hình ảnh trên tấm thuỷ tinh sẽ được xố đi để chuẩn bị cho lớp tiếp theo. Phần vật liệu dư khơng bị đơng đặc sẽ được thu hồi lại, và khoảng trống xung quanh sản phẩm đang được chế tạo sẽ được điền đầy bằng vật liệu cứng (sáp), vật liệu thêm này cĩ tác dụng như là bộ phận hỗ trợ trong suốt quá trình tạo sản phẩm. Để đảm bảo cho quá trình hố rắn nhanh, sáp lỏng được đơng đặc bằng một tấm làm nguội sáp. Sau đĩ, đầu phay sẽ làm nhẵn bề mặt sản phẩm và xác định đúng bề dày của một lớp. Bộ phận hỗ trợ sẽ dịch xuống đúng bằng chiều dày của một lớp và quá trình được lặp lại cho đến khi hồn thành sản phẩm. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 24
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Hình 3.6. Nguyên lý phương pháp SGC  Cĩ hai mặt khác nhau chủ yếu giữa SGC với giải pháp của 3D Systems : - Sử dụng những mặt nạ quang học thay cho hệ thống quét tạo những lớp với một tia Laser. Những phần 2D hồn thành được chiếu sáng. Điều đĩ cho phép xử lý tồn bộ mặt cắt ở cùng một lúc, ngay cả với những chi tiết phức tạp. - Sau khi chế tạo xong từng lớp, khoảng trống ở trong và xung quanh vật thể đang được chế tạo sẽ được điền đầy bằng một vật liệu cứng (sáp). Điều này thay thế cho việc sử dụng bộ phận phụ trợ. Vật liệu thích hợp được chọn để thực hiện chức năng này phải được dễ dàng lấy ra khỏi chi tiết từ những lổ hổng, khơng cần phải thực hiện quá trình xử lý sau đĩ để bỏ đi cơ cấu phụ trợ. 2.Thiết bị tạo mẫu Các sản phẩm của Cubital bao gồm : Solider 4600 và Solider 5600. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 25
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Hình 3.7. Thiết bị mẫu SGC 3.Đặc điểm  Ưu điểm :  Hệ thống xử lý song song : quá trình tạo mẫu và xử lý tinh xảy ra song song do đĩ tiết kiệm thời gian từ 25:50%, giảm ứng suất bên trong và độ cong vênh sản phẩm.  Khơng cần thiết kế kết cấu hổ trợ .  Đặc tính sản phẩm đồng nhất.  Sử dụng phần mềm tạo mẫu DFE (Data Front End) trước khi sang máy tạo mẫu.  Cĩ thể chế tạo cùng lúc nhiều sản phẩm.  Khơng tốn nhiều thời gian cho hậu xử lý.  Chi tiết phức tạp khơng ảnh hưởng đến tốc độ tạo hình, tuy nhiên thể tích thì cĩ .  Các lớp cĩ thể được phay đi nếu khơng đạt yêu cầu.  Nhược điểm :  Giá thành hơi cao, thiết bị làm việc hơi ồn, máy cồng kềnh.  Máy mĩc yêu cầu bảo dưỡng trơng nom cẩn thận  Vật liệu sử dụng bị hạn chế.  Nếu vật liệu bị phơi quá lâu thì cĩ thể tăng tính dẻo, làm cho nĩ khơng sử dụng được, vì vậy làm tăng lượng vật liệu polymer được sử dụng.  Phải qua giai đoạn hậu xử lý.  Chi phí vận hành và bảo trì cao.  Phải lấy sáp ra khỏi sản phẩm khi chế tạo xong. 4.Ứng dụng GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 26
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT a.Các lĩnh vực ứng dụng của phương pháp SGC  Tạo mẫu đúc và tạo cơng cụ : đúc kim loại, đúc cát, sản xuất tự do cơng cụ nhanh bằng vật liệu nhựa.  Tạo khuơn và cơng cụ : tạo cơng cụ bằng vật liệu Silicon-Rubber, epoxy, phun kim loại, acrylic, khuơn đúc thạch cao.  Ứng dụng trong y học : chuẩn đốn, phẩu thuật, thiết kế các bộ phận giả thay thế. Hình 3.8. Sản phẩm của SGC b.Hướng nghiên cứu và phát triển - Cubital đang tập trung nghiên cứu cho quá trình xử lý nhanh hơn, yêu cầu thực hiện cao hơn, độ phân giải đồ hoạ cũng như độ nhẵn và độ chính xác khi tơ bĩng cao hơn. - Với những yêu cầu ngày càng cao về việc cải thiện các đặc tính cơ học của các sản phẩm tạo mẫu nhanh cũng như các quá trình chế tạo khuơn đúc kim loại và cơng cụ nhanh trực tiếp, Cubital đang nghiên cứu để cĩ thể tạo ra được các sản phẩm bằng các loại vật liệu như : nhựa nhiệt nĩng, nhựa nhiệt dẻo, vật liệu kim loại, tăng đáng kể khả năng lựa chọn của khách hàng về các đặc tính cơ học thích hợp cho các ứng dụng hay các quá trình sản xuất đặc biệt. - Đặc biệt là các sản phẩm bằng vật liệu sáp cĩ thể sử dụng để đúc kim loại trực tiếp, và các sản phẩm tạo bằng phương pháp phun kim loại (kẽm) tạo thành những khuơn ép phun nhựa trực tiếp. C. Phương pháp tạo vật cán mỏng LOM (Laminate Object Manufacturing) - Cơng nghệ tạo mẫu LOM được phát minh bởi Michael Feygin vào năm 1985 và được tung ra thị trường bởi cơng ty Helisy. - Cơng ty Helisys được thành lập năm 1985, là cơng ty chuyên tạo mơ hình ba chiều cĩ ứng dụng rộng lớn trong các lĩnh vực cơng nghiệp. - Các hoạt động nghiên cứu và phát triển trong thời gian gần đây được sự hỗ trợ tài chính rất lớn của Học viện Khoa học Quốc gia NSF (National Science Foundation). GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 27
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT - Thiết bị tạo mẫu nhanh đầu tiên của Helisys được thương mại hĩa vào năm 1991. Thiết bị tạo mẫu loại này cũng được sản xuất bởi một số các cơng ty khác. 1. Nguyên lý hoạt động. LOM dựa trên nguyên lý cắt và dán từng lớp kim loại lại với nhau. Quy trình hoạt động của máy LOM cĩ thể tĩm tắt như sau: Đầu tiên, thiết bị nâng (đế) ở vị trí cao nhất, cách con lăn nhiệt một khoảng bằng độ dày của lớp vật liệu, tiếp theo con lăn nhiệt sẽ cán lớp vật liệu này, dưới bề mặt của lá kim loại cĩ chất kết dính mà khi được ép và gia nhiệt bởi trục lăn nĩ sẽ giúp lớp này liên kết với lớp trước. Hệ thống quang học sẽ đưa tia laser đến để cắt vật liệu theo hình dạng hình học của mơ hình đã tạo từ CAD. Lá kim loại được cắt bởi tia laser theo đường viền của mặt cắt lát. Để giúp cho việc cắt bỏ đi phần kim loại dư, khi một lớp được làm xong, phần bên ngồi của mặt cắt lát được vạch dấu, ngược lại các phương pháp sử dụng chất lỏng (như phương pháp SLA) việc vạch dấu được thực hiện ở bên trong. Sau đĩ đế hạ xuống bằng đúng chiều dày lớp vật liệu kế tiếp. Chu kỳ này được lặp lại cho đến khi kết thúc. Nguyên tắc tất cả các vật liệu dạng tấm đều cĩ thể sử dụng cho hệ thống LOM. Nhưng thơng thường LOM sử dụng nhiều nhất là giấy, plastic, gốm và vật liệu composite. laser Gương Con lăn nhiệt Đầu quang học Bàn đế Hình 3.9. Nguyên lý hoạt động của phương pháp LOM. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 28
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT  Vật liệu dạng tấm sử dụng trong hệ thống phải thỏa mãn hai yêu cầu :  Vật liệu phải cĩ khả năng tạo lớp. Bởi vì LOM sẽ chia vật liệu ra nhiều lớp và dán chúng lại với nhau sau khi cắt, cũng cĩ khả năng chia ra từng lớp trước khi bắt đầu quá trình.  Vật liệu phải cĩ khả năng dán lại với nhau sau khi cắt, thơng qua quá trình lăn nhiệt. Vì lý do này mà mỗi vật liệu phải phủ một lớp mỏng chất dính nhiệt bên ngồi, thơng thường là thermalplastic hoặc keo. Vì hai yêu cầu này nên giấy thường được sử dụng. Khi hồn thành nĩ cĩ đặc tính như một khối gỗ. Các tấm giấy thường cĩ độ dày từ 0,05 : 0,50mm. Quá trình tạo mẫu qua bốn giai đoạn thể hiện bằng sơ đồ hình 3.12. Hình 3.12. Các giai đoạn tạo mẫu LOM o Bước 1 : Mơ hình CAD 3D : tạo mơ hình 3D dạng mặt hay dạng khối. o Bước 2 :Tiền xử lý (preprocessing), ở bước này thực hiện các cơng việc : Xuất file CAD 3D sang đuơi .STL, tái tạo hình ảnh từ file .STL, kiểm tra dữ liệu đầu vào. Sử dụng phần mềm LOMSlice tự động tạo lớp sản phẩm. o Bước 3 : Tạo mẫu (building) tự động trên các loại máy 1015 hay 2030 : LOMSlice tính tốn chính xác chiều cao của mẫu và của từng lớp, phần mềm xác định được chu vi cần tạo mẫu và những phần bên ngồi của tiết diện ngang chi tiết (ngồi slice) được cắt thành những đường kẻ ngang, dọc cĩ tác dụng như là một kết cấu hỗ trợ. Máy tính điều khiển tia Laser cắt theo biên dạng của từng mặt cắt ngang, phần vật liệu dư được thu hồi bằng con lăn thứ hồi liệu. Cơ cấu nâng hạ xuống và một tiết diện mới được hình thành, sau đĩ nâng lên và con lăn cĩ gia nhiệt lăn qua ép lớp hiện hành liên kết với lớp trước đĩ và lặp lại quá trình. Cảm biến vị trí xác định chiều cao mẫu đã đạt được và máy tính sẽ tính tốn cho một tiết diện ngang tiếp theo. o Bước 4 : Hậu xử lý (posprocessor) : ở bước này thực hiện : Lấy sản phẩm ra khỏi máy. Làm sạch bề mặt sản phẩm (Cleaning). GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 29
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Sơn hay đánh bĩng sản phẩm (Coating or Polishing). 2.Loại máy và đặc điểm kỹ thuật a.Giới thiệu. LOM (Laminated Object Manufacturing) là máy tạo mẫu theo phương pháp dán từng lớp của cơng ty Helisys. Helisys là cơng ty chuyên tạo mơ hình ba chiều, ứng dụng trong phạm vi ngành cơng nghiệp. Helisys đã sản xuất hai loại máy LOM: LOM-1015 và LOM-2030, và được thương mại hĩa từ năm 1991. Cả hai loại đều sử dụng dạng Laser là CO2 hoạt động ở cơng suất tương ứng là 25W và 50W thơng qua hệ thống gương quang học. Hình 3.13. Máy LOM 1015. LOM-1015 và LOM-2030 cĩ cấu trúc giống nhau, bao gồm các phần cơ bản sau : phần cứng và phần mềm máy vi tính, tia Laser và hệ thống quang học, bàn gá đặt trong mặt phẳng XY, đế và bộ phận nâng theo phương Z, hệ thống cuốn và cung cấp vật liệu. LOM sử dụng máy vi tính cá nhân 486 chạy trên phần mềm Window NT hoặc MS-DOS. Phần mềm LOMSlice cĩ 32 bit, giao diện với người sử dụng qua thực đơn và hộp thoại. Phần mềm LOMSlice™ là một hệ thống hồn chỉnh, đủ các chức năng để hồn chỉnh mơ hình. LOMSlice điều khiển suốt quá trình tạo mẫu và duy trì độ chính xác theo phương Z, cũng như khắc vạch song song và biên dạng mơ hình. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 30
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT b.Đặc điểm kỹ thuật. LOM-1015 và LOM-2030 đều dùng laser CO2, LOM-1015 hoạt động ở cơng suất 25W và LOM-2030 là 50W. Đặc điểm của hai máy này cho trong bảng sau: LOM-1015 LOM-2030 Quy trình Cán và cắt laser Loại laser CO2 CO2 Cơng suất laser (W) 25 50 Kích thước vết (mm) 0,25-0,35 0,203-0,254 Tốc độ cắt theo XY (m/s) 0,38 0,61 Độ chính xác (mm) 0,25 0,25 Loại vật liệu tấm Chiều dày vật liệu tấm Giấy và những vật liệu khác được phủ chất kết (mm) dính Quy trình cán 0,05-0,38 0,05-0,38 Kích thước làm việc (mm) Ep con lăn nhiệt Chiều dày lớp nhỏ nhất 380 x 250 x 350 810 x 550 x 500 (mm) Kích thước máy (m) 0,05 0,05 Hệ thống điều khiển dữ 1,2 x 0,99 x 1,27 2,08 x 1,47 x 1,42 liệu Nguồn điện Máy 486, MS Window NT, MS-DOS và LOMSlice Giá (USD, năm 1996) 140.000 272.000 Bảng 3. 14. Đặc điểm kỹ thuật của LOM-1015 và LOM-2030. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 31
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT 3.Đặc điểm  Ưu điểm  Vật liệu đa dạng, rẻ tiền; về nguyên tắc cĩ thể sử dụng các loại vật liệu: giấy, chất dẻo, kim loại, composites và gốm.  Độ chính xác cao đạt được tốt hơn 0,25mm. Bằng việc cắt vật liệu thay vì hĩa rắn nĩ, hệ thống cĩ thể bảo vệ được những đặc tính ban đầu của vật liệu.  Khơng cần thiết kết cấu hổ trợ.  Tốc độ cao, nhanh hơn các phương pháp tạo lớp khác bởi vì tia Laser khơng cắt tồn bộ diện tích mà chỉ quét theo chu vi bên ngồi. Do đĩ, vật liệu dày và mỏng cĩ tốc độ cắt bằng nhau.  Khơng cĩ sự thay đổi pha trong quá trình chế tạo chi tiết nên tránh được độ co rút của vật liệu.  Khơng độc hại và ơ nhiễm mơi trường.  Lực cắt hầu như bằng khơng, vật liệu bằng giấy nên sản phẩm khơng bị cong vênh do ứng suất gây ra.  Hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, hoạt động như trạm làm việc CAD. Người thiết kế cĩ thể cung cấp ngay dữ liệu cho hệ thống LOM. Các bộ phận LOM đều cĩ tiêu chuẩn.  Tạo ra những mẫu phức tạp.  Quá trình LOM cĩ thể dừng đột ngột và sau đĩ tiếp tục hoạt động mà khơng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.  Giảm chi phí và thời gian tạo mẫu.  Nhược điểm  Khơng thu hồi được vật liệu dư. Sự cong vênh của chi tiết thường là vấn đề chính của phương pháp LOM.  Lấy sản phẩm ra khỏi kết cấu hỗ trợ khĩ khăn.  Độ bĩng bề mặt khơng cao.  Quá trình chuẩn bị và gia cơng rất tốn thời gian.  Giá thành thiết bị khá đắt. 4.Ứng dụng a. Các lĩnh vực ứng dụng của phương pháp LOM - Tạo mẫu nhằm mục đích quan sát, giới thiệu sản phẩm, kiểm tra nhu cầu khách hàng. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 32
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT - Mơ hình chính xác (Form Fit and Function) cĩ khả năng kiểm tra kích thước, đánh giá hiệu năng, kiểm tra ứng suất từ đĩ giúp nhà sản xuất cĩ thể thay đổi thơng số cũng như đánh giá lại đặc tính thẩm mỹ của mẫu. - Tạo mẫu ban đầu phục vụ cho các quá trình tạo khuơn silicon, sáp, đúc kim loại và đúc cát, khuơn ép phun, phun kim loại. - Tạo cơng cụ nhanh. Hình 3.15. Trục khuỷu được tạo bởi LOM b. Hướng nghiên cứu và phát triển - Helisys Inc. đang tập trung nghiên cứu nâng cao độ chính xác khi sử dụng các vật liệu mới, cải thiện giao diện phần mềm dễ sử dụng hơn. - Thiết lập thuật tốn và nghiên cứu mơ phỏng hồn hảo quá trình tập trung ứng suất dư cũng như nâng cao tốc độ cắt của tia Laser. D. Phương pháp thêu kết laser chọn lọc (SLS) Phương pháp này được phát minh bởi Carl Deckard vào năm 1986 ở trường đại học Texas và được bằng sáng chế 1989, được đưa ra thị trường bởi tập đồn DTM (được thành lập 1987). Thiết bị đầu tiên được thương mại hố vào 1992. Đây là một trong những phương pháp đầu tiên và được cơng nhận sau SLA. Phương pháp này cũng dựa trên quá trình chế tạo từng lớp nhưng chất polymer lỏng được thay bằng vật liệu bột. 1.Nguyên lý Phương pháp SLS sử dụng tính chất của vật liệu bột là cĩ thể hĩa rắn dưới tác dụng của nhiệt (như nylon, elastomer, kim loại). Một lớp mỏng của bột nguyên liệu được trải trên bề mặt của xy-lanh cơng tác bằng một trống định mức. Sau đĩ, tia Laser hĩa rắn (kết tinh) phần bột nằm trong đường biên của mặt cắt (khơng thực sự làm chảy chất bột), làm cho chúng dính chặt ở những chỗ cĩ bề mặt tiếp xúc. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 33
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Trong một số trường hợp, quá trình nung chảy hồn tồn hạt bột vật liệu được áp dụng. Quá trình kết tinh cĩ thể được điều khiển tương tự như quá trình polymer hố trong phương pháp tạo hình lập thể SLA. Sau đĩ xy- lanh hạ xuống một khoảng cách bằng độ dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu được đưa vào và quá trình được lặp lại cho đến khi chi tiết được hồn thành. Trong quá trình chế tạo, những phần vật liệu khơng nằm trong đường bao mặt cắt sẽ được lấy ra sau khi hồn thành chi tiết, và được xem như bộ phận phụ trợ để cho lớp mới được xây dựng. Điều này cĩ thể làm giảm thời gian chế tạo chi tiết khi dùng phương pháp này. Phương pháp SLS cĩ thể được áp dụng với nhiều loại vật liệu khác nhau : Policabonate, PVC, ABS, nylon, sáp, Những chi tiết được chế tạo bằng phương pháp SLS tương đối nhám và cĩ những lổ hổng nhỏ trên bề mặt nên cần phải xử lý sau khi chế tạo (xử lý tinh).  Vật liệu sử dụng :  Polycacbonate (PC)  Nylon, sáp, glass filled nylon  Bột kim loại (copper polyamide, rapid steel), bột gốm (ceramic)  Vật liệu đàn hồi (elastomer)  Quá trình tạo mẫu : Sản phẩm được chia thành các lát cắt từ file định dạng .STL tạo một lớp bằng cách trải các lớp bột, thiêu kết bằng nguồn Laser CO 2 theo các bước sau :  Bước 1 : Một lớp vật liệu bột nĩng chảy được đặt vào buồng chứa sản phẩm.  Bước 2 : Lớp vật liệu bột đầu tiên được quét bằng tia Laser CO 2 và đơng đặc lại. Vật liệu bột khơng được xử lý sẽ được đưa trở về thùng chứa liệu.  Bước 3 : Khi lớp thứ nhất đã hồn thành thì lớp vật liệu bột thứ hai được cấp vào thơng qua con lăn cơ khí chuẩn bị cho quá trình quét lớp thứ hai.  Bước 4 : Bước hai và bước ba được lặp lại cho đến khi sản phẩm được hồn thành. Sau khi quá trình kết thúc, sản phẩm được lấy ra khỏi buồng xử lý và cĩ thể qua giai đoạn hậu xử lý hoặc đánh bĩng lại như phun cát tùy từng ứng dụng của sản phẩm. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 34
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Hình 3.16. Nguyên lý gia cơng SLS 2.Thiết bị tạo mẫu Sơ đồ của thiết bị SLS được thể hiện trên hình 3.14. Dưới đáy của buồng xử lý được lắp hai xy-lanh : một xy-lanh dùng để cấp bột và một xy-lanh tạo vật thể. Xy-lanh cấp bột được nâng lên từ từ để cấp bột đến buồng tạo vật thể thơng qua một cơ cấu con lăn. Xy-lanh tạo vật thể được hạ xuống từ từ đến chỗ mà phần vật thể kết tụ được tạo thành. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 35
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Hình 3.14. Sơ đồ máy SLS Thiết bị thuộc thế hệ mới nhất của DTM là hệ thống Sinterstation 2000. Đây là thế hệ máy thứ ba mà DTM đã thương mại hố. Hệ thống Sinterstation 2000 cĩ khả năng tạo được mẫu cĩ đường kính đến 305mm và chiều cao đến 380mm, thích hợp với hầu hết các ứng dụng tạo mẫu. Đến cuối 1995 cĩ 89 hệ thống Sinterstation 2000 được lắp đặt trên thế giới. Hình 3.15. Thiết bị tạo mẫu sinterstion 2000 3.Đặc điểm  Ưu điểm : GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 36
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT  Số lượng vật liệu đưa vào quá trình cao (Hight Through-put) giúp cho quá trình tạo mẫu nhanh chĩng.  Vật liệu đa dạng, khơng đắt tiền.  Vật liệu an tồn.  Khơng cần cơ cấu hỗ trợ (Support).  Giảm sự bĩp méo do ứng suất.  Giảm các giai đoạn của quá trình hậu xử lý như chỉ cần phun cát.  Khơng cần xử lý tinh (Post-curing).  Chế tạo cùng lúc nhiều chi tiết.  Nhược điểm :  Độ bĩng bề mặt thơ.  Chi tiết ở trạng thái rỗ.  Lớp đầu tiên cĩ thể địi hỏi một đế tựa để giảm ảnh hưởng nhiệt (như uốn quăn).  Mật độ chi tiết khơng đồng nhất.  Thay đổi vật liệu cần phải làm sạch máy kỹ càng. 4. Ứng dụng a.Các ứng dụng của SLS - Tạo mơ hình từ ý tưởng (Concept Models). - Tạo mơ hình chính xác và tạo mẫu (Functional Models and Working Prototypes). - Tạo mẫu sáp phục vụ cho quá trình đúc kim loại (Wax Casting Patterns). - Tạo Polycarbonate phục vụ cho quá trình đúc kim loại (Polycarbonate Patterns). - Tạo cơng cụ kim loại trực tiếp cĩ tuổi thọ ngắn hay trung bình. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 37
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 38
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Hình.3.16. Sản phẩm từ phương pháp SLS b.Hướng nghiên cứu và phát triển - DTM đang tập trung nghiên cứu và phát triển các loại vật liệu mới phục vụ cho các ứng dụng mới đặc biệt là vật liệu kim loại-composites - Ngồi ra, DTM cũng tập trung cải tiến quá trình tạo mẫu như : phần mềm sắp xếp sản phẩm tự động (Automatic Part Placement Software) nhằm nâng cao khả năng sản xuất của hệ thống Sinterstation 2000. E. Phương pháp in 3 chiều 3DP (Three Dimensional printing) Đây là một hệ thống dựa trên kỹ thuật in phun được phát triển ở Khoa Kỹ thuật Cơ khí (Mechanical Engineering Department) của Viện Cơng nghệ MIT (Massachusetts Institute of Technology). GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 39
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT 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 3.17. Nguyên lý làm việc của 3DP Đầu phun nhiều tia (A) phun một dung dịch hỗn hợp chất kết dính lên trên mặt của lớp nền bột vật liệu chế tạo chi tiết (B). Những phần tử bột sẽ liên kết với nhau ở những miền cĩ chất kết dính. Khi một lớp đã hồn thành, piston (C) sẽ dịch chuyển xuống dưới bằng độ dày một lớp. Giống như SLS, hệ thống cung cấp bột vật liệu (E) sẽ cung cấp cho xy-lanh chế tạo. Trong trường hợp này, piston cung cấp vật liệu bột di chuyển lên trên để GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 40
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT tăng lượng bột cung cấp cho quá trình; trục lăn (D) sẽ trải và ép bột lên trên xy-lanh chế tạo. Quá trình được lặp lại đến khi tồn bộ vật thể được chế tạo xong trong nền bột. Sau khi hồn thành, chi tiết được nâng lên và bột dư được quét ra khỏi chi tiết. Hình 3.18. Chu trình làm việc và chi tiết được chế tạo bằng quá trình 3DP Hệ thống này được ứng dụng để chế tạo những khuơn chịu nhiệt cao (như đúc kim loại), và để tạo ra những kết cấu lỗ xốp trong vật liệu composite kim loại - gốm. 1. Phương pháp in phun mực Là quá trình in 3 chiều mơ tả như hình 6.15, được phát triển bởi MIT như là phương pháp tạo hình dáng trước cho việc ứng dụng bột kim loại. Sử dụng những vật liệu kim loại bột khác nhau nhằm tạo ra những lõi và vỏ cho những ứng dụng đúc.  Nguyên Lý tạo hình Chi tiết được xây dựng trong một thùng được lắp vừa với một piston để tăng độ thấp của chi tiết trong thùng. Bột (nhơm ) được phân phối từ một cái phểu trên thùng và một trục lăn dùng để trải và xếp lớp bột. Một đầu in phun mực quét qua bề mặt lớp bột và phun một chất kết dính ( keo silica) vào trong bột. Chất kết dính sẽ liên kết bột lại với nhau và với những khu vực được xác định bằng hình học của mặt cắt ngang. Bột khơng bị kết dính trở thành vật liệu chống đỡ. Khi hình thể được xây dựng xong , cấu trúc thơ được nung nĩng, sau đĩ chi tiết được lấy ra khỏi bột dư khơng kết dính GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 41
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Một số quá trình khác như: dùng phun mực để lắng những vật liệu cĩ điểm chảy thấp, dùng hệ thống phun bằng điện áp để lắng những hạt rất nhỏ của nhựa chịu nhiệt nấu chảy hình 6.15. Hình 6-15c phân phối cả hai chất dẽo chịu nhiệt cĩ nhiệt độ nĩng thấp và vật liệu sáp, nĩ kết hợp những lát cắt để san phẳng từng lớp với chiều dày xác định. Hình 3.19. Các nguyên lý tạo hình phương pháp in phun mực. 2. Phương pháp ép Ép tạo dáng chi tiết được phát triển và thương mại hĩa đầu tiên bởi cơng ty Stratasys (Mỹ). Phương pháp này được gọi là FMD, đặt một sợi nhỏ liên tục của một chất polymer hay sáp chịu nhiệt qua một vịi phun với một piston nén hoạt hĩa được đốt nĩng bằng điện trở (hình 6.14), vật liệu được phân phối như một sợi dây vào trong đầu đẩy và Phễu Cung cấp chất kết dính Plastic Plastic Sáp Plastic Con lăn được đốt nĩng đến điểm chảy và cơ đặc tương đối nhanh sau khi xịt ra khỏi vịi phun. Vật liệu sử dụng: kim loại ,gốm, vữa chịu lửa (là hổn hợp gồm 50/50 của sáp và bột ,lkim loại hay gốm). Vịi phun Dây thermaplastic piston GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 42
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Hình 3.20. Phương pháp ép. 3. Một số sản phẩm của phương pháp in 3 chiều 3DP GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 43
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT F. Phương pháp cắt dây GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 44
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Việc dùng phương pháp cắt dây cĩ ưu điểm là tránh thêm vào những lớp vật liệu, do đĩ sẽ tránh được những bậc thang. Một ưu điểm khác là sự chọn lựa việc sử dụng những vật liệu khác nhau ở những vị trí khác nhau trong chi tiết. Nếu một vài trục đẩy được sử dụng phương pháp này cĩ thể chế tạo những chi tiết cĩ tính chất khác nhau trong từng chi tiết. Ngồi ra, cũng cĩ thể tạo hình dáng cho các cạnh của chi tiết, vì vậy sẽ tránh được những bậc thang. Vấn đề chính ngày nay là điều khiển sự phân bố nhiệt độ trong chi tiết và nhiệt độ của mơi trường làm việc. Hai phương pháp được sử dụng hiện nay là hàn và phun nhiệt . Hình 3.21. Một số hình ảnh của cắt dây IV.SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO MẪU NHANH. Từ quan điểm của người sử dụng, khía cạnh chủ yếu để cân nhắc xem xét trong việc lựa chọn là làm sao để đạt được một trong những yếu tố như : thời gian, giá cả và chức năng. Lưu ý rằng khơng cĩ phương pháp tạo mẫu nhanh nào hơn hẳn về mọi GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 45
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT phương diện. Mỗi phương pháp đều cĩ sự hạn chế nhất định về giá cả, độ chính xác, vật liệu, hình dáng hình học và kích thước. Bảng 4.1 tổng kết vắn tắt sự khác nhau giữa các phương pháp được nĩi ở phần trước. Sự so sánh này chưa đầy đủ, trong đĩ nhiều khía cạnh quan trọng khác chưa được đề cập đến, thí dụ giá cả của thiết bị, giá cả của việc bảo dưỡng và giá cả của vật liệu. Phương pháp SLA SOLIDER SLS 2000 LOM 1015 SGC Cơng ty 3D systems Inc Cubitab Ltd DTM Corp Helisys. Kích thước lớn 254 x 254 x 508 x 508 x 305x381x 330 x 2540 nhất của vật 254 355 chiều cao x 300 (mm) Chiều dầy lớp 0,1 - 0,9 0,05 – 0,15 0,13 0,005– 0,05 (min/max) (mm) Tốc độ theo Phụ thuộc hình 60 -100 Phụ thuộc vào 10 mm/giờ phương thẳng dáng vật lý của (lớp/giờ) hình dạng vật đứng vật thể lý của vật thể Độ chính xác 0,2 1% (tất cả các 0,05 - 0,25 0,127 (mm) hướng) Vật liệu Nhựa cây Nhựa cây, sáp PVC, nylon Giấy, nylon ABS/SAN, Sáp Polyestes Bảng 4.1. So sánh vắn tắt các phương pháp tạo mẫu nhanh. Khi chi tiết gia cơng khơng phù hợp với khoảng khơng làm việc của máy cĩ thể chia chi tiết thành nhiều phần, tạo mẫu cho các phần được chia và sau đĩ gắn kết chúng lại với nhau. V.TRUYỀN TẢI DỮ LIỆU TỚI QUÁ TRÌNH TẠO MẪU NHANH. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 46
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Như đã đề cập ở phần trước, tốc độ là một trong những ưu điểm nổi bật nhất của tạo mẫu nhanh (RP) khi so sánh với các cơng nghệ truyền thống. Thế nhưng thơng thường nhân tố hạn chế tốc độ của phương pháp này là thời gian để chuẩn bị dữ liệu. Với một dữ liệu đúng, thì thời gian sản xuất tương ứng rất nhanh. Hình 6.16 phác họa sơ đồ cho biết mối quan hệ giữa người thiết kế và nhà sản xuất. Người thiết kế Nhà sản xuất Hình 5.1. Sơ đồ mối quan hệ giữa nhà thiết kế và nhà sản xuất. Người thiết kế giao mơ hình cho nhà chế tạo qua thư tín hoặc bằng các phương tiện điện tử. Thường người ta sẽ thể hiện mơ hình ở một vài dạng chưa rõ nét ví dụ như một số tập tin VDAFS, IGES hoặc là STL hay là trong một số hình dạng tự nhiên khi cả hai tiếp xúc với cùng hệ thống CAD. Mơ hình sau đĩ được kiểm tra xem cĩ đúng hồn tồn hay khơng và được biến đổi tới hình dạng phù hợp nếu như cĩ thể. Nhà sản xuất phải giải quyết những vấn đề sau : 1. Mơ hình cĩ đúng khơng? 2. Nếu khơng, lỗi nào là lỗi tự nhiên và cĩ thể sửa đúng các lỗi đĩ khơng? 3. Nếu như khơng sửa được các lỗi đĩ thì làm thế nào mơ tả chúng cho nhà thiết kế? Các máy tạo mẫu nhanh chưa phổ biến và khoảng cách (vật lý) giữa nhà thiết kế và nhà chế tạo giữ vai trị trong thời gian chuyển giao vì những khĩ khăn và chậm trễ trong việc truyền thơng tin . Bên cạnh đĩ giá cả sản xuất liên quan trực tiếp đến phần lớn cơng việc chuẩn bị dữ liệu và quá trình thực tế chế tạo vật thể. Những phần đĩ trước đây chiếm tới 2/3 tổng số giá cả. Bởi vậy bất cứ một cơng cụ phần mềm nào mà cĩ thể tiết kiệm thời gian cho nhà thiết kế và nhà sản xuất đều được thơng báo và làm cho sự liên lạc của họ tăng hiệu quả lợi nhuận. Phần cốt lõi là những vấn đề liên quan đến truyền tải dữ liệu. Tiêu chuẩn chuyển đổi dữ liệu defactor hiện hành. Việc thể hiện các mơ hình mặt được thực hiện trên phần mềm STL. Hình dạng này thường địi hỏi một lượng dư đáng kể và giới hạn số lượng các tam GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 47
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT giác. Thơng thường người bán cung cấp những cơng cụ phần mềm để kiểm tra sự chính xác của mơ hình, dữ liệu phụ thuộc và để thực hiện cắt lát mơ hình mặt. Cĩ một xu hướng cho những người bán LMT để phát triển những giao diện trên cơ sở mơ hình mặt cắt cong là liên kết với những người cung cấp phần mềm CAD. Mơ hình mặt là một trong những đối tượng để loại bỏ việc sinh ra các bước trung gian. Vì các mơ hình mặt cắt lát đang được LMT phát triển. VI. NHỮNG BẮT BUỘC TRÊN MƠ HÌNH. Như đã đề cập tới ở trên, truyền tải dữ liệu giữa hệ thống CAD và quy trình tạo mẫu nhanh (RP) chính là dựa trên cơ sở hình thức dữ liệu, cĩ xu hướng biểu thị bằng các mơ hình mặt. Tiêu chuẩn defacto hiện hành là hình thức tập tin STL mà cho phép một truyền tải thể hiện bằng mơ hình tam giác, ví dụ mỗi mặt là một tam giác. Để cho các mơ hình được chế tạo đúng, các mơ hình phải đưa ra tập hợp của một hoặc nhiều khối hình học khơng cắt. Hình 6.1. Một mơ hình cho tạo mẫu nhanh. Trong một tập tin STL đúng, mỗi một tam giác chỉ cĩ đúng một tam giác khác kề với nĩ dọc theo mỗi cạnh và các tam giác chỉ được phép cắt nhau ở những cạnh chung đi qua các đỉnh tam giác. Nhờ những điều này cĩ thể phân biệt chính xác bên trong và bên ngồi của mơ hình. Tuy nhiên những mơ hình mặt khơng đúng, lại thường được sử dụng. Những lỗi như vậy rất nhiều. Những mơ hình cĩ thể cĩ các lỗ do việc bỏ sĩt các mặt, các mặt cắt nhau ở vị trí khơng đúng, cùng một cạnh cĩ thể cĩ nhiều mặt Những trường hợp đặc biệt thuộc những lỗi này cĩ thể xuất hiện khi yêu cầu phân chia việc xử lý. Nguyên nhân đối với những lỗi như vậy cĩ liên quan tới việc ứng dụng các mơ hình mặt sinh ra. Sự ứng dụng phát sinh giữa mơ hình CAD 3D gốc và người sử dụng. Trong hệ thống CAD khơng đủ dữ liệu để báo cho người sử dụng biết là kết quả khơng đúng và nhiều vấn đề vẫn chưa được tìm ra cho đến khi nhà sản xuất cố gắng gia cơng mơ hình đĩ. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 48
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Những lỗi mơ hình cĩ thể can thiệp vào quá trình chế tạo. Chẳng hạn nếu mặt cắt lát chứa lỗ, khi cấu trúc bên trong của mặt cắt lát được chế tạo sẽ tạo ra những véctơ sai (hình 6.1). Khả năng xảy ra trường hợp này là rất lớn, bởi vì trong thực tế dụng cụ cắt trong trường hợp này là chùm tia laze cĩ đường kính nhỏ (khoảng 0,2mm trong thiết bị tạo mẫu nổi) và khoảng cách giữa các đường vạch song song cĩ thể giống như phần sai đĩ. Cấu trúc bên trong thì phụ thuộc vào phương pháp và thơng tin chuẩn xác, bởi vậy khi dùng trong thực tế chúng hầu như khác với mơ hình được cho thấy ở hình 6.2. Hình 6.2. Những mơ hình sai. Nhưng tất cả các cấu trúc địi hỏi phải đơn giản, khơng cĩ đường viền mặt cắt nào được tạo ra hồn chỉnh. Vì vậy chỉ cĩ thể đảm bảo việc gia cơng đạt được nếu như mẫu gốc là đúng (ví dụ mơ hình khối đúng). GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 49
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT VII.PHẠM VI ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO MẪU NHANH. 1.Đúc khuơn vỏ mỏng. Đúc khuơn vỏ mỏng, thường được gọi là đúc sáp, là một quá trình đúc chính xác để chế tạo là những chi tiết cĩ hình dáng sắc cạnh từ các hợp kim. Mặc dù đã cĩ một lịch sử phát triển khá lâu đời từ cơng nghệ chế tạo, nhưng trong thời gian gần đây phương pháp đúc khuơn vỏ mỏng mới được sử dụng để chế tạo chi tiết cĩ hình dáng phức tạp và cĩ thành mỏng. Ở phần này khơng mơ tả chi tiết quá trình đúc khuơn vỏ mỏng tuy nhiên từng của bước quá trình sẽ được mơ tả vắn tắt để nhấn mạnh đến cơng nghệ đúc từ các loại mẫu được chế tạo bằng phương pháp tạo mẫu nhanh. Quá trình đúc trong khuơn vỏ mỏng được bắt đầu bằng việc chế tạo mẫu tự hủy với hình dáng hình học tương tự như chi tiết đúc thành phẩm (hình 7.1a). Các mẫu này thường được chế tạo bằng sáp được tạo hình trong khuơn kim loại. Chi phí chế tạo khuơn thường lên đến hàng chục ngàn đơ la và thời gian chế tạo thường kéo dài nhiều tháng. Khi mẫu sáp được chế tạo xong nĩ sẽ được gắn kết với hệ thống sáp khác tạo thành hệ thống rĩt của khuơn gọi là đạo rĩt và đạo dẫn. Tồn bộ hệ thống sáp sau đĩ được nhúng chìm vào hỗn hợp gốm được hịa trộn với chất vữa kết dính (hình 7.1c) và được đem sấy khơ. Quá trình nhúng chìm và kết dính vữa được lặp lại cho đến khi chiều dầy của vỏ đạt được chiều dầy 6-8mm. Hình 7.1. Mơ tả quá trình đúc khuơn vỏ mỏng. Khi chất gốm khơ, tồn bộ hệ thống được đặt vào buồng hấp để loại bỏ các chất sáp (hình 7.1a). Sau khi phần cịn lại của sáp thấm vào vỏ được đốt cháy trong lị (hình 7.1b), lúc này, tất cả phần dư của mẫu được loại bỏ và chỉ cịn lại khuơn gốm. Khuơn sau đĩ GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 50
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT được nung sơ bộ tới một nhiệt độ xác định và được rĩt đầy kim loại lỏng tạo thành vật đúc (hình 7.3a). Vật đúc được làm nguội tới một nhiệt độ nào đĩ, vỏ khuơn được đập bỏ ra khỏi vật đúc. Sau đĩ hệ thống rĩt được cắt bỏ và thực hiện quá trình đánh bĩng vật đúc (thổi cát, gia cơng trên máy). Hình 7.4 mơ tả quá trình thiết kế trên máy vi tính vật thể rắn, khuơn, và mẫu trong quá trình đúc nhanh. Hình 7.2. Mơ tả quá trình đúc trong khuơn vỏ mỏng (tt). Hình 7.3. Mơ tả quá trình đúc trong khuơn vỏ mỏng. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 51
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Hình 7.4. Mơ hình vật rắn CAD (trên), vỏ gốm với mẫu đúc nhanh (trái), mẫu đúc nhanh (phải). Hiệu quả chủ yếu khi áp dụng phương pháp tạo mẫu nhanh trong cơng nghệ đúc khuơn vỏ mỏng là khả năng tạo ra mẫu cĩ độ chính xác cao, chi phí thấp và thời gian để tạo mẫu ngắn. 2.Những ứng dụng trong chế tạo dụng cụ. Rất nhiều vấn đề đặc biệt phát sinh khi áp dụng cơng nghệ tạo mẫu nhanh trong chế tạo dụng cụ. Trong một số trường hợp các chi tiết hay dụng cụ được phủ một lớp kim loại mỏng để sử dụng trong những mơi trường khắc nghiệt, và trong một số trường hợp khác chúng phải sử dụng các loại đồ gá để kiểm tra chi tiết bằng những máy đo tọa độ (CMM), hoặc để giữ chi tiết được gia cơng bằng các loại máy gia cơng điện tử. Mặc dù cĩ thể biểu diễn một thiết bị gá trực tiếp từ máy vi tính để giữ các chi tiết mỏng cĩ hình dáng phức tạp trong các cơng đoạn kiểm tra hoặc dùng để gia cơng trên các máy gia cơng đặc biệt mà khơng cĩ áp lực lên bề mặt chi tiết, tuy nhiên các nhà chế tạo cần phải thực hiện một số các thay đổi nhất định trước khi thực hiện các nguyên cơng tiếp theo. Trong trường hợp yêu cầu khơng cĩ áp lực trên bề mặt chi tiết mà chỉ yêu cầu giữ chi tiết cố định tại một chỗ thì khi đĩ đồ gá bằng chất dẻo sẽ cĩ thể thay thế cho các loại đồ gá bằng kim loại. Dưới đây giới thiệu một số nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực này: GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 52
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT  Các nghiên cứu tại viện kỹ thuật chế tạo và tự động hĩa Fraunhofer (IPA): Cơng trình nghiên cứu đang được thực hiện tại IPA trong kỹ thuật ngược (reverse engineering), hay cịn được gọi là ứng dụng mơ hình hĩa vật lý như là nguồn dữ liệu nhập. Trong chương trình các máy quét laser, các hệ thống đo lường quang học và đo lường bằng tiếp xúc, máy đo địa đồ tia X và các cảm biến siêu âm 3D được áp dụng để rời rạc hĩa hình ảnh của các mơ hình tạo thành đám mây điểm. Sau đĩ đám mây điểm này được đưa trở lại một hệ thống CAD nhằm tạo mơ hình 3D tốt hơn, để cải tiến, các nhà nghiên cứu IPA hiện nay đang làm việc để tổng hợp các quá trình đĩ với các phần mềm để rời rạc hĩa bề mặt, quản lý các tập hợp điểm và kết nối để tạo mẫu ảo và mẫu vật lý (hình 6.5a và 6.5b). Hình 7.5a. Mơ hình tập hợp điểm được quét Hình 7.5b. Mô hình chất rắn từ số liệu được quét. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 53
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Các nhà nghiên cứu tại IPA cũng đang khảo sát các cơng nghệ phủ bằng các lớp phủ kim loại cho các chi tiết tạo ảnh nổi bằng chất dẻo. Ưu điểm của phương pháp này là khi chi tiết dễ vỡ được phủ kim loại, nĩ sẽ tạo nên các tính chất mới và cĩ khả năng chịu đựng được trong các mơi trường khắc nghiệt cho các loại ứng dụng khác nhau. Điều này cho phép các loại cấu kiện các chi tiết hoặc các dụng cụ cĩ thể được sử dụng trong các ứng dụng mới. Một ưu điểm khác của cơng nghệ phủ là chúng có thể điền đầy theo dạng bậc thang của chi tiết làm cho bề mặt của chi tiết mịn hơn. Một nghiên cứu khác tại IPA là trong lĩnh vực thơng tin và tổ chức. IPA sử dụng phương pháp triển khai chức năng chất lượng (Quality function deployment), mặc dù tại thời điểm hiện nay cơng việc này chưa được hồn thành trong lĩnh vực dụng cụ nhưng sẽ cĩ triển vọng trong tương lai. Nếu cơng nghiệp chế tạo dụng cụ cĩ được một phương pháp lựa chọn thơng minh trên cơ sở các ưu điểm của dụng cụ và những yêu cầu khác, các nhà thiết kế sẽ cĩ thể xác định rất nhanh phương pháp chế tạo tốt nhất để chế tạo dụng cụ hoặc đúc chi tiết, cũng như việc xác định các loại vật liệu sử dụng.  Viện cơng nghệ hĩa học Frauhofer (Frauhofer Institute for chemical technology) (ICT). Tại ICT, tạo mẫu nhanh được sử dụng để chế tạo các khe hở hoặc ruột của khuơn phun nhựa. Các nhà nghiên cứu ICT đang chế tạo các phần ruột của khuơn kim loại chẳng hạn như cho chi tiết điện. Sử dụng hệ thống ảnh lập thể 3 chiều SLR-5180 với nhựa epoxy, họ cĩ thể gia cơng 200 chi tiết với các loại vật liệu khác nhau bao gồm: - Polystyren ở 2400C, 1000 bar, chu kỳ 40s. - ASA ở 2100C, 90 bar và chu kỳ 40s. Phương án kế tiếp là cố gắng tìm ra các biện pháp để sử dụng các loại ruột khuơn kéo hoặc trượt sao cho cĩ thể tạo hình phức tạo, hình 6.6 mơ tả các lỗ khuơn. Hình 7.6. Khe hở trong khuơn ảnh lập thể và ruột khuơn của ICT. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 54
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT  Viện nghiên cứu vật liệu ứng dụng Frauhofer (Frauhofer Institute of applied materials research) (IFAM). Các nhà nghiên cứu IFAM đang sử dụng quá trình mơ hình nĩng chảy lắng (FDM) của hãng Stratasys để tạo nên các chất nền. Quá trình này gần giống như làm ngược các chi tiết yêu cầu bằng cách sử dụng quá trình mạ điện mà khơng tạo ra nhiệt hoặc ứng suất trên kim loại, sử dụng cho mặt lưng của chi tiết. Sau khi tạo một lớp kim loại trên bề mặt lưng, chi tiết được điền đầy bằng vật liệu Epoxy nhơm bằng cách phun lên vật liệu để tạo thành khuơn phun cĩ chiều dầy 3mm giữa khuơn và phần rĩt. Sử dụng quá trình hĩa rắn chọn lọc bằng tia laser, các nhà nghiên cứu của IFAM đã chế tạo khuơn với bột Electrolux và sau đĩ điền đầy với PbAg 2Sn2. Điều này cho phép tạo nên một lượng lớn các chi tiết được sản xuất từ dụng cụ. Hìn h 7.7. Dụng cụ chế tạo khuơn phun bằng FDM và mạ điện sản xuất tại IFAM.  Trung tâm laser Bavarian (BLZ). BLZ tiến hành nhiều phát minh với tia laser. Một trong những phát minh này là việc hĩa rắn bằng tia laser cho điện cực EDM. Quá trình này sử dụng một máy EOS và hợp kim đồng Electrolux để chế tạo điện cực. Các điện cực sẽ được sử dụng để gia cơng khuơn phun và khuơn dập. Chế tạo trực tiếp các điện cực với phương pháp hĩa rắn tia laser, sau đĩ dùng các điện cực này trong các máy EDM cĩ thể nung chảy thành hình dáng của khuơn dập dùng tạo hình các chi tiết. CAD/CAM GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 55 Thiêu kết laser Khuôn dập Điện cực EDM
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Hình 7.8. Tạo mẫu nhanh các điện cực để chế tạo khuơn dập.  Laser 3D và Dassault Aviation. Việc hợp tác của hai cơng ty Pháp này đã cĩ kết quả rất khả quan. Họ cĩ hai chương trình ứng dụng RP để chế tạo dụng cụ: thứ nhất là việc chế tạo trực tiếp lỗ khuơn sử dụng nhựa thủy tinh (glass-filled resin), gồm 70% hạt thủy tinh. Những vật liệu này được sử dụng để chế tạo nửa khuơn đúc cát cho các ống nối của hệ thống điều hịa nhiệt độ của hãng Dassault (hình 6.28) Chương trình thứ hai là sử dụng phương pháp quang ảnh lập thể (stereophotography) trong máy đo thủy lực ba chiều mà sau đĩ nĩ được sử dụng để chế tạo cần điều khiển trong máy bay chiến đấu Mirage 2000. Cần điều khiển này cĩ hình dạng phức tạp và cĩ hình dáng nhân dạng học. Trong ví dụ này máy quét thủy lực quét lên chi tiết nhựa trong khi máy cơng cụ gia cơng theo phương pháp chép hình. Theo Dassault phương pháp này đã tiết kiệm được 1/3 chi phí khi đem so sánh với phương pháp gia cơng trên máy CNC. Hình 7.9. Mẫu laser 3 chiều để chế tạo ống dẫn hệ thống điều hịa nhiệt độ. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 56
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Hình 7.10. Vỏ và Ruột khuơn Dassault từ mẫu laser 3 chiều.  Hãng cơng nghiệp TOKUDA TOKUDA là một phân xưởng chế tạo mẫu, thiết bị dập tạo hình, đồ gá, mẫu kiểm tra hầm giĩ và các sản phẩm mẫu sao chép, là cơng ty đầu tiên sử dụng máy Kira KSC- 50. TOKUDA đã đưa ra một ứng dụng về một khuơn tấm kim loại cĩ kích thước 250mm x150mm x 93mm, trong đĩ họ so sánh máy Kira và các loại máy CNC theo các tiêu chuẩn về: (a) chi phí, (b) thời gian sản xuất, (c) độ chính xác, (d) đặc tính cắt gọt. Trong đĩ RP giảm được chi phí và rủi ro trong chế tạo sản phẩm tuy nhiên độ chính xác và thời gian gian cơng của máy RP khơng vượt qua được máy CNC. Họ nhấn mạnh đến sự cần thiết điều chỉnh hiệu ứng bậc thang của các lớp giấy được dán lên nhau được phủ ngồi cơng cụ với vật liệu chuyên dùng và được mài bằng tay. Hình 6.35 so sánh các phương pháp này. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 57
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Hình 7.11. Mơ hình khuơn tấm kim loại của TOKUDA. Gia cơng truyền thống Gia cơng CNC So sánh chi phí Gia cơng bằng tay Thời gian Gia cơng bề mặt Phương pháp tạo mẫu STL nhanh Hình 7.12. So sánh chi phí và thời gian chế tạo sản phẩm của máy LOM và các phương pháp khác. 3.Tạo mẫu nhanh trong chế tạo sản xuất. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 58
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Tạo mẫu nhanh (RP) cĩ thể được sử dụng cho chế tạo sản phẩm. Cùng một sản phẩm như nhau cĩ thể cĩ các động cơ khác nhau và những nét kỹ thuật khác nhau. Các nét kỹ thuật khác nhau cĩ thể đơn giản như sự khác nhau về vật liệu, nút bấm, phích cắm điện, hay là màu sắc hoặc cũng cĩ thể phức tạp như sự khác nhau ở cấu tạo bên trong. Những khác biệt đĩ là cần thiết để phục vụ cho yêu cầu riêng của người sử dụng hoặc để phân biệt nĩ. Thêm nữa thời gian tồn tại của sản phẩm đang trở nên ngắn hơn buộc người thiết kế phát triển những sản phẩm mới trong một khoảng thời gian ngắn. Trong quá trình phát triển, một vấn đề gặp phải là sự lựa chọn một trong hai việc là: kéo dài thời gian phát triển hoặc tăng nguồn lực sản xuất để cho kịp thời hạn. Trong hồn cảnh như vậy, thời gian bán sản phẩm trở thành nhân tố quyết định khả năng lợi nhuận. Thực trạng này địi hỏi những thay đổi như thế nào trên sản phẩm được phát triển. Các nhĩm khác nhau như : nhĩm thiết kế, kỹ thuật, tiếp thị và nhĩm sản xuất phải hợp tác chặt chẽ hơn nữa cùng hướng về một mục tiêu chung và hoạt động thống nhất với nhau. Mục tiêu phải rõ ràng cho các nhĩm cĩ liên quan. Nếu sự cộng tác cĩ hiệu quả sẽ tránh được những vấn đề trong việc truyền đạt thơng tin. Tạo mẫu nhanh cho một mơ hình vật lý cĩ thể sử dụng được ngay như là một mơ hình CAD 3D cĩ sẵn. Mơ hình vật lý là một cơng cụ truyền đạt thơng tin hồn hảo. Nếu hình ảnh bằng một ngàn lời nĩi thì mơ hình vật lý bằng một ngàn hình ảnh. Thêm nữa các vật thể chế tạo bằng tạo mẫu nhanh ngày càng được sử dụng thường xuyên để kiểm tra chức năng và cĩ thể kiểm tra trước khi sản xuất hàng loạt. Bằng cách đĩ người ta cĩ thể kịp thời phát hiện các lỗi ở giai đoạn khi mà sự thay đổi chưa tốn kém lắm. Những yêu cầu tinh tế và dễ hiểu hơn dẫn tới những sản phẩm tốt hơn, đáp ứng được địi hỏi của thị trường. Người ta ước lượng nếu việc sử dụng phương pháp tạo mẫu nhanh cĩ hiệu quả, thời gian phát triển cho các cơng cụ cĩ thể giảm một nửa. Khía cạnh quan trọng nữa là giá cả của những thay đổi đưa vào thiết kế của sản phẩm. Trong phương diện này sự phát triển một sản phẩm vật lý khơng khác biệt gì với sự phát triển phần mềm. Tạo mẫu nhanh cĩ thể là một cơng cụ hiệu quả cho việc định giá một phác thảo trước khi phạm phải những sai lầm tốn kém trong gia cơng. Những sai lầm ảnh hưởng đến giá cả chế tạo chủ yếu là giá cả cuối cùng của sản phẩm. Việc phát triển phần mềm tạo mẫu để khắc phục cho những nguyên nhân như vậy. Tuy nhiên tạo mẫu nhanh khơng thể sử dụng hiệu quả khi khơng dùng hệ thống CAD 3D để tạo ra mơ hình sản phẩm. 4.Tạo mẫu nhanh với các cơng nghệ truyền thống. Tạo mẫu nhanh sẽ khơng thay thế hồn tồn các cơng nghệ truyền thống như: NC và cán tốc độ cao hoặc ngay cả những phần làm bằng tay, đúng hơn nên coi tạo mẫu nhanh là một sự lựa chọn trong cơng cụ để chế tạo các bộ phận. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 59
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Người ta cho rằng bộ phận cĩ thể được chế tạo với những yêu cầu về vật liệu và dung sai trục khơng chuẩn, những yếu tố này phụ thuộc lẫn nhau. Tạo mẫu nhanh cho thấy lợi thế rõ ràng phải sao chép nhiều lần bộ phận phức tạp. Ngồi ra, khơng thể xác định chính xác sự phức tạp của bộ phận . Nhưng chắc chắn bao gồm những thành phần sau: kích cỡ, mơ hình, chiều cao, độ dầy và tổng số bề mặt trong mơ hình CAD, yêu cầu về dung sai, kiểu của hệ thống CAD dùng để tạo cơng cụ. 5.Tạo mẫu nhanh trong những ứng dụng y học. Ứng dụng phương pháp tạo mẫu nhanh trong y học là một lĩnh vực mới. Nhiều ứng dụng đã trở nên rất quan trọng do sự hội tụ của ba cơng nghệ riêng biệt đĩ là : hình ảnh nội soi, đồ họa điện tốn, CAD và tạo mẫu nhanh. Computer-Assisted Tomography (CT) và Magnectic Resonance Imaging (URI) cung cấp những hình ảnh để giải quyết tốt những cấu trúc bên trong của cơ thể con người. Ví dụ các cấu trúc của xương và các cơ quan. Những hình ảnh này được xử lý bằng những cơng cụ phần mềm thích hợp . Nĩ cĩ thể chuyển kết quả cho quá trình tạo mẫu nhanh và tạo ra vật thể vật lý, mơ hình này được gọi là mơ hình y học. Cùng với việc đĩ, những cơng nghệ này cung cấp cho bác sĩ và nhà phẩu thuật những cơng cụ mới. Những mơ hình vật lý của cấu trúc bên trong là cơ sở để hội chuẩn và chuẩn bị cho những trường hợp phẩu thuật phức tạp một cách tốt hơn. Nếu những cuộc phẩu thuật cĩ thể được thực hiện thành cơng nhiều hơn thì chi phí điều trị và chi phí GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 60
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT mổ giảm xuống, thêm nữa nĩ sẽ giảm được những rủi ro, giảm được nỗi đau đớn của người bệnh, cải thiện chất lượng của kết quả cơng việc. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 61
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT VIII. HƯỚNG DẪN KỸ NĂNG TẠO MẪU NHANH.  Giới thiệu. Tạo mẫu nhanh (RP) là một cơng nghệ mới nên việc tiếp cận và sử dụng nĩ là một việc khĩ khăn. Đặc biệt là đối với những sinh viên và đối với những kỹ sư mới ra trường. Cơng nghệ RP đang dần dần đưa vào mơi trường giáo dục. Nước ta cũng bắt đầu đưa vào dạy học và ứng dụng vào sản xuất. Phần này sẽ giới thiệu các bước khi sử dụng RP, tồn bộ quá trình tạo mẫu chia ra 8 bước cơ bản sau: 1. Thiết kế kỹ thuật (Engineering Design). 2. Thiết kế mơ hình (Model Desing). 3. Chọn phương pháp RP (Choosing a RP technique). 4. Cải tiến mơ hình và tạo file CAD (Model refinement and CAD file creation). 5. Biến đổi và định dạng file .Stl (Converting to .Stl format). 6. Dự kiến thiết bị tạo mẫu (Scheduling a build appointement). 7. Quá trình tạo mẫu (Building). 8. Quá trình kết thúc (Post-processing). Chỉ cĩ RP mới mơ tả một cách tồn diện bằng 8 bước này. Thơng thường ta phải tiến hành những bước này theo thứ tự từ 1-8. Từ bước 1-6 thì đơn giản do đĩ cĩ thể làm một mình. Từ bước 7-8 thì phải cĩ sự hướng dẫn.  Bước 1: Thiết kế mỹ thuật (Engineering design). "Thiết kế mỹ thuật" liên quan đến sự thiết kế hệ thống hoặc thiết bị. Nếu như đã cĩ mơ hình hoặc đã hồn chỉnh bản vẽ kỹ thuật thì qua bước hai trước. Nếu sử dụng RP để tạo mẫu cho sản phẩm thì việc thiết kế kỹ thuật khơng cần quan tâm đến kỹ thuật tạo khuơn. Nếu chúng ta cĩ ý định dùng máy RP để chế tạo nhanh (rapid manufacturing ) thì bản thiết kế mỹ thuật phải diễn đạt được khả năng và hạn chế của kỹ thuật đặc biệt này  Bước 2: Thiết kế mơ hình (model design). Theo định nghĩa, mẫu khơng thể đồng nhất với sản phẩm của nĩ. Mẫu cĩ thể được xây dựng với một tỷ lệ, vật liệu khác với độ chính xác kém hơn so với sản phẩm. Sở dĩ cĩ điều này là để giảm thời gian và chi phí tạo mơ hình. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 62
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Do cĩ những thay đổi này nên mơ hình khơng cĩ chức năng sử dụng giống như sản phẩm thật của nĩ. Người thiết kế phải quyết định yếu tố nào của thiết bị là quan trọng, cái nào ta khơng quan tâm. Điều này thường phụ thuộc vào mục đích sử dụng của mơ hình. Dùng mơ hình với yêu cầu mỹ thuật? Dụng cụ dạy học? Mỗi mục đích cĩ những yêu cầu riêng nhất định. Màu sắc và bề mặt là yếu tố quan trọng nhất cho một mơ hình tham khảo. Trong khi đĩ độ chính xác kích thước là điều quan trọng đối với mẫu thử hình thái thích ứng (form-fit test prototype). Khi thiết kế mơ hình, phải chú ý đến mục đích sử dụng của mơ hình. Hơn nữa, khi thiết kế phải nghĩ đến điều kiện hoạt động (ứng suất, nhiệt độ, sự tác động hĩa học ) mà mơ hình phải chịu ảnh hưởng. Ví dụ, mơ hình plastic ít bị thay đổi về kích thước hơn là mẫu giấy khi ở điều kiện ẩm ướt (chẳng hạn như sản phẩm của LOM). Thiết kế mơ hình cho sản phẩm, trước tiên, phải xác định mục đích sử dụng của nĩ và sau đĩ xác định yêu cầu độ về chính xác đặc biệt. Khi đã xác định được những yêu cầu trên, ta chuyển qua bước 3 để lựa chọn cơng nghệ RP thích hợp nhất.  Bước 3: Lựa Chọn Cơng Nghệ Tạo Mẫu RP. Các cơng nghệ tạo mẫu nhanh đều cĩ những ưu khuyết điểm khác nhau, do đĩ phải lựa chọn phương pháp sao cho phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và tối ưu nhất. Bảng 6.11 đưa ra một số tính chất của một số hệ thống tạo mẫu nhanh. Bảng 6.11: Một số tính chất của một số hệ thống tạo mẫu nhanh.  LOM FDM SLA SLS SGC Ink-Jet Model LOM1015 FDM1650 SLA-250 Sinterstation Solider Model 2000 SGC 5600 Maker MM-II- Cơng ty Helisys Stratasy 3D DTM Crop Cubital Sander Sytems Giá máy 120.000 100.000 100.000 300.000 470.000 65.000 (USD) Vật liệu Giấy kết ABS, Sáp Nhựa Nylon, thép Photo- Thermo dính đúc khuơn cảm bột, cát, polymer plastic quang polycar bonate Giới hạn N/A Thay đổi 60Mpa Biến đổi Biến đổi N/A GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 63
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT bền kéo Độ cứng N/A Biến đổi 80Sh.D Biến đổi Biến đổi N/A Giá vật $200/lb Thay đổi $25– 32/lb $35/lb $100/lb liệu Độ chính 0,254 0,127 0,2 N/A 0,15 0,05 xác (mm) Kích 38x25x36 25x25 25x25 Đường kính 50x35 30x15 thước x25 x25 30, chiều cao x50 x23 mẫu lớn 38 nhất (cm) Chiều 0,005-0,38 0,05- 0,762 0,15 0,0762-0,508 0,0762- 0,0127- dày vật 0,203 0.127 liệu (mm) Phần LOMSlice Quickslice Meastro- Proprietary DataFont Model mềm ary End Works Files STL STL STL STL STL,DXF STL, SLC, fortmats SLC VDA, DXF, OBJ EFL Kích 1,27x1,22 1,07x0,66 1,64 1,93x3,03x1, 1,98 0,69 thước x0,99 x 0,69 x 1,24 83 x 1,42 x 0,38 máy (m) x 0,69 x 1,83 x 0,69  Bước 4: Quá Trình cải Tiến Mơ Hình Và Tạo File CAD. Cải tiến mơ hình và tạo file CAD cho máy LOM 1015. Ví dụ: ở bước này ta đã chọn được máy LOM, bây giờ muốn thay đổi mơ hình và tạo file CAD cho phù hợp. 1. Cải tiến mơ hình. Để cải tiến mơ hình cho cơng nghệ LOM cần tuân theo các bước sau: - Loại bỏ những bề mặt lõm bên ngồi (hollowed- out sections) khơng cần thiết. - Chẳng hạn cĩ một mơ hình mà bề mặt ngồi của chúng cĩ thể là lõm hoặc khơng lõm thì nên chọn bề mặt khơng lõm, vì như thế thời gian cho quá trình hậu xử lý là nhỏ nhất. Nhưng cần lưu ý rằng những bộ phận khơng lõm khơng GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 64
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT sử dụng được nhiều vật liệu. Nhưng với cơng nghệ LOM thì sử dụng vật liệu nào cũng được. - Lọai bỏ tất cả những chi tiết bề mặt khơng cần thiết. 2. Tạo file CAD. Chương trình CAD sẽ thiết kế và cải tiến mơ hình rất tiện lợi. Nếu cĩ một file CAD trước, ta tạo mơ hình mới bằng cách cải tiến mơ hình sẵn cĩ, sẽ giảm được thời gian so với việc tạo mơ hình mới hồn tồn. CAD luơn cĩ những phần mềm thực hiện trong những Campus. Pro/ENGINEER rất phù hợp cho việc tạo mẫu nhanh. Bởi vì nĩ là một phần mềm tạo ra những mơ hình 3D rất thật. AutoCAD cũng tốt nhưng thường cĩ những lỗi khĩ hiểu. Nếu dùng AutoCAD thì phải luơn kiểm tra thơng tin facet trong quá trình chuẩn bị. Nếu số lượng facet khơng được liên kết (unconnected) trên 20% thì mơ hình này khơng thể xây dựng thành mơ hình thật được. * Các bước xuất File .Stl Từ Pro/ ENGINEER. 1. Hồi phục file trong Pro/Engineer. 2. Từ menu Part chọn Iterface > Export > STL. 3. Menu STL hiện ra -Cho phép ta thay sửa chữa vài thơng sốcủa file STL sẽ xuất. Lệnh Chord Height và Angle Control cho phép ta điều chỉnh kích thước và độ chính xác của file. Stl. Bởi vì mơ hình STL cĩ cấu trúc planar striangles. Cấu trúc này khơng thể chính xác cho những bề mặt cong. Chẳng hạn như đường trịn sẽ cĩ dạng như những polygon. Độ chính xác cĩ thể được cải tiến bằng cách tăng số cạnh polygon (triangle subregion) trong file. Cĩ một cách để làm điều này là giảm tới mức tối đa Chord Height cho phép. -Giảm Chord Height bằng cách tăng số triangel trong file .Stl. Điều này sẽ làm tăng độ chính xác nhưng nĩ cũng tăng kích thước file. Phải cẩn thận để lựa độ chính xác thích hợp và dễ điều khiển, nếu như kích thước file .Stl quá lớn sẽ làm hư hại đến ProE hoặc phần mềm chuẩn bị gia cơng (pre-processing). -Angle control cho phép ta điều chỉnh độ chính xác của những bán kính cong nhỏ. Phạm vi từ 0 (độ chính xác thấp nhất, file nhỏ nhất) tới 1 (độ chính xác lớn nhất). Khi đĩ nĩ sẽ bắt đầu sửa lại độ chính xác cho phù hợp. -Ở phía dưới menu, ta lựa STLASCII hoặc STL Binar. Highlight Binary và lựa Cutaif để dịch chuyển. 4. ProE sẽ hỏi cho sự chỉ dẫn hệ thống phối hợp file .Stl. Hệ thống phối hợp chủ yếu thường làm việc tốt. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 65
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT 5. Khi được nhắc nhở, nhập tên (khơng cĩ phần mở rộng) cho file Stl. ProE sẽ cảnh báo cĩ vài điểm khơng cĩ sự xắp xếp hồn tồn (nonpositive coordinate). Điều này thường khơng cĩ vấn đề gì. Hãy chọn Yes để tiếp tục. 6. Khi đã hồn chỉnh, file. Stl sẽ lưu vào thư mục làm việc của ProE dưới tên ta đã đặt. Quá trình tạo file.Stl trong AutoCAD R.14. 1. Mở bảng vẽ mẫu trong AutoCAD. 2. Kiểm tra chi tiết muốn xuất cĩ nằm trong octant dương khơng. Nếu khơng ta phải dời đến octant dương. 3. Từ menu File chọn Export. Lựa chọn thư mục mong muốn và tên file cho file. Stl. Chọn Lithcgraphy trong Save as Type và sau đĩ click Save. 4. Lựa chọn vật muốn xuất (object) bằng cách nhấn chuột lên nĩ.  Bước 5: biến đổi file theo .Stl Format. Quá trình xuất file trong .Stl format thì thường biến đổi theo những phần CAD Pri/Engineer, AutoCAD hoặc những phần mềm khác. Sau khi tạo file .Stl, ta phải sử dụng những chương trình tiền xử lý RP khác để thẩm định xem cĩ phù hợp khơng.  Bước 6: Dự kiến thiết bị tạo mẫu. Khi đã hồn thành file .Stl, phải đưa ra thiết bị dự kiến để tạo mẫu. Thơng thường để làm việc này phải nhờ đến các chuyên gia, cĩ thể liên hệ với cơng ty Leaning Factory. Quá trình tạo mẫu. Quá trình tạo mẫu bao gồm các bước sau: 1. Chuẩn bị: khởi động máy, chọn đường dẫn, tên file, sửa chữa kích thước, vị trí và sự định hướng của chi tiết. 2. Xây dựng mơ hình: trước tiên phải sửa các thơng số tạo mẫu cho đúng, ví dụ như tốc độ cắt, tốc độ nguồn nhiệt, cơng suất laser, kích thước tile Nhập các thơng số cần thiết và tiến hành gia cơng. 3. Lấy chi tiết ra và làm sạch: sau khi hồn tất, lấy chi tiết ra khỏi máy và làm sạch chi tiết theo yêu cầu. Lưu ý: các hệ thống tạo mẫu nhanh là những máy cĩ nhiều nguy hiểm ở dạng tiềm tàng. Máy tạo laser, nguồn nhiệt và tất cả các bộ phận khác đều rất nguy hiểm. Ngồi ra, các hệ thống này rất đắt tiền, do đĩ để tránh gây nguy hiểm cho người sử dụng và cho máy phải theo những chỉ dẫn sau đây: - Luơn mang kiếng bảo hộ trong lúc làm việc. - Luơn theo sự chỉ dẫn của người hướng dẫn. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 66
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT - Khơng được chạm vào bất cứ bộ phận nào của máy khi chưa cĩ sự hướng dẫn của các chuyên gia. Trong và sau khi gia cơng nhiệt độ lên đến 500 o F và rất nguy hiểm. Việc thực hiện các bước tạo mẫu trên phải do người nắm vững về các phương pháp tạo mẫu nhanh thao tác vì chúng rất đa dạng và phức tạp.  Bước 8: quá trình hậu xử lý cho sản phẩm. Quá trình này nhằm để cải thiện tính chất và hình dạng bên ngồi của sản phẩm, bao gồm các bước sau: - Làm nhẵn bề mặt bằng cách đánh bĩng bằng giấy nhám. Chú ý nếu đánh mạnh quá sẽ làm trĩc lớp ngồi của chi tiết và lộ ra lớp vật liệu bên trong. - Lau bụi bằng tack rag hoặc rag ướt với một lớp sơn mỏng. - Đánh cát saelent theo chỉ dẫn. Sealent giúp cho chi tiết chống ẩm cĩ thể làm hư hại chi tiết do máy điều hịa nhiệt độ hay sự đổ mồ hơi gây ra. - Khi sealent khơ, đánh bĩng và lau bụi. - Cuối cùng chi tiết sẽ được sơn một lớp bảo vệ. Thực hiện xong 8 bước này, ta đã tạo ra được sản phẩm theo phương pháp tạo mẫu nhanh. Hình 6.37 giới thiệu một số cơng đọan tạo mẫu nhanh SLA. a b c d GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 67
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT e f g h Hình 8.1. Các cơng đoạn tạo mẫu nhanh bằng phương pháp SLA. a &b: rĩt nhựa lỏng vào khuơn. c & d: tách khuơn. e. lấy chi tiết ra khỏi khuơn. f. rửa sạch chi tiết. g. sấy khơ chi tiết. h. Cc dụng cụ tch khuơn. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 68
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT IX. PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN Tạo mẫu nhanh (RP) đã thay đổi phương thức thiết kế và tạo mẫu cho sản phẩm. Một trong những thay đổi thiết yếu là tăng tốc độ tạo mẫu. Với việc sử dụng máy tính cĩ tốc độ nhanh hơn, hệ thống điều khiển phức tạp hơn, vật liệu được cải thiện, những nhà sản xuất bằng RP đã giảm bớt đáng kể thời gian cho việc tạo mẫu. Ví dụ: mới đây (1/1998) Stratasys đã giới thiệu máy FDM Quantum cĩ thể tạo mơ hình cho chất dẻo ABS nhanh gấp 2,5 – 5 lần những máy FDM trước đây. Trong tương lai RP sẽ tạo ra những mơ hình cĩ chất lượng bề mặt và độ chính xác cao hơn. Những máy RP hiện nay cĩ độ chính xác 0,08mm trong mặt phẳng X-Y, nhưng ít hơn trong phương Z. Sự cải tiến về hệ thống quang học, hệ thống tia laser, động cơ điều khiển, sẽ tăng thêm độ chính xác cho cả 3 phương. Thêm vào đĩ các cơng ty RP đang phát triển các chất polymer mới, những vật liệu khơng phải là polymer như gốm, kim loại, và composite hy vọng sẽ đem lại sự phát triển tốt và nhiều khả năng mới cho RP. Những mẫu chất dẻo hiện nay rất tốt cho việc thiết kế nhưng rất khĩ để kiểm tra. Kim loại và vật liệu composite cĩ thể mở rộng phạm vi của sản phẩm làm bằng phương pháp chế tạo nhanh. Hiện nay rất nhiều phịng thí nghiệm và các cơng ty RP đang làm việc để phát triển vật liệu mới. Một phát triển quan trọng khác là tăng kích thước chi tiết. Hiện nay đa số các máy tạo mẫu nhanh chỉ cho ra các chi tiết 0,125m, nếu chi tiết lớn hơn thì phải làm từng phần và kết dính bằng tay. Để khắc phục điều này, các nhà nghiên cứu đã đưa ra kỹ thuật “mẫu lớn” (large prototype). Trong kỹ thuật này, khuơn được tạo ra từ những lớp bột silic dioxity (cát chất lượng cao) với sáp parafin. Khuơn này sử dụng các vật liệu như sợi thủy tinh, epoxy, foam tạo những mơ hình đặc biệt cĩ kích thước lên đến 3,3 x 1,2m. Giáo sư Charles Thomas thuộc trường đại học Utal đã phát triển hệ thống cắt tạo hình phức tạp trong khoảng 1,2 – 2,4m từ giấy và bột (foam). Một ý tưởng trong tương lai là sự ra đời của quá trình Distance Manufacturing on Demand, một sự kết hợp giữa RP và Internet cho phép thực hiện việc tạo mẫu từ xa và gửi ngay đến nhà sản xuất thơng qua Internet, nhờ vậy quá trình RP sẽ linh hoạt hơn, nhanh hơn và giảm thiểu chi phí. Những tiến bộ của máy tính, điều khiển số, máy động lực học sẽ làm tăng tốc độ và độ chính xác gia cơng trong RP. Cuối cùng sự phát triển của RP sẽ kéo theo sự phát triển của các phương pháp gia cơng truyền thống khác. GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 69
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT Với những ứng dụng nhất định như trên, đặc biệt là đối với vật liệu kim loại, RP sẽ tiếp tục là một phương pháp gia cơng hữu ích, phương pháp này sẽ khơng lỗi thời, nhưng phải thường xuyên bổ sung, nâng cấp cho chúng. X. MÁY SCAN 3D và máy CMM A. ZScannerTM 700 và 800 1. Các hãng nghiên cứu và phát triển 2. Các tập đồn và cơng ty sử dụng sản phẩm ZScannerTM 700 và 800 GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 70
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT 3. Máy ZScannerTM 700 và 800 a. Giới thiệu GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 71
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT  Độ Phân giải Máy ZScanner 700 _ độ phân giải của ảnh là: - Trục Z 100 Micron - Trục XY 250 Micron Máy ZScanner 800 _ độ phân giải của ảnh là: Cả 3 trục XYZ là 50 Micron b. Hình ảnh so sánh về độ phân giải của hai loại máy. ZScanner 700 ZScanner 800 GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 72
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT c. Thơng số kỹ thuật d. Nguyên lý hoạt động: High-quality crosshair laser scans surface of part Automatic surface generation where both laser sweeps intersect on the part Real-time optimization loop between scanner and object GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 73
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT B. Máy đo tọa độ CMM 1. Hình ảnh về các loại máy đo tọa độ GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 74
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 75
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT 2. Các loại đầu đo GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 76
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT 3. Ứng dụng máy CMM và PROENGINNER vào tạo mẫu nhanh GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 77
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 78
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ĐẶC BIỆT GVHD: Nguyễn Hồi Nam Trang 79