TS. NGUYỄN VĂN CƢƠNG (CHỦ BIÊN)
PGS. TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

GIÁO TRÌNH

TẠO MẪU NHANH
RAPID PROTOTYPING

Năm 2018


MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC ......................................................................................................................... ii
Chƣơng 1. GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................... 1
1.1. Các khái niệm cơ bản ................................................................................................. 1
1.1.1. Công nghệ tạo mẫu ................................................................................................ 1
1.1.2. Tạo mẫu nhanh là gì? ............................................................................................ 2
1.2. Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh ....................................................... 2
1.3. Ba giai đoạn phát triển dẫn đến tạo mẫu nhanh ......................................................... 3
1.3.1. Thời kỳ đầu: tạo mẫu bằng tay .............................................................................. 4
1.3.2. Thời kỳ thứ hai: tạo mẫu ảo .................................................................................. 4
1.3.3. Thời kỳ thứ ba: tạo mẫu nhanh.............................................................................. 4
1.4. Nguyên tắc cơ bản của tạo mẫu nhanh....................................................................... 4
1.5. Các ưu điểm của tạo mẫu nhanh ................................................................................ 6
1.6. Phân loại hệ thống tạo mẫu nhanh ............................................................................. 7
Chƣơng 2. QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ CỦA TẠO MẪU NHANH ................... 10
2.1 Các quá trình chế tạo mẫu cơ bản ............................................................................ 10
2.2 Quy trình cơng nghệ của tạo mẫu nhanh.................................................................. 11
2.2.1.

Tạo mơ hình 3D .................................................................................................. 11

2.2.2.

Chuyển đổi và truyền dữ liệu ............................................................................. 12

2.2.3.

Kiểm tra và chuẩn bị ........................................................................................... 12

2.2.4.

Chế tạo mẫu ........................................................................................................ 13

2.2.5.

Gia công tinh ...................................................................................................... 13

Câu hỏi ôn tập .................................................................................................................. 13
Chƣơng 3. HỆ THỐNG TẠO MẪU NHANH DÙNG VẬT LIỆU LỎNG ......... 15
3.1. Phương pháp tạo hình lập thể - SLA ........................................................................ 15
3.1.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 15
3.1.2. Đặc điểm ............................................................................................................. 15
3.1.3. Quá trình chế tạo ................................................................................................. 15
3.1.4. Nguyên lý làm việc ............................................................................................. 16
3.1.5. Ứng dụng của SLA .............................................................................................. 19
3.1.6. Ưu nhược điểm .................................................................................................... 19
3.2. Phương pháp xử lý nền tảng rắn - SGC ................................................................... 20
3.2.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 20
3.2.2. Quá trình .............................................................................................................. 20

ii


3.2.3. Nguyên lý ............................................................................................................ 22
3.2.4. Ứng dụng của SGC ............................................................................................. 23
3.2.5. Ưu nhược điểm .................................................................................................... 24
3.3. Phương pháp lưu hóa tạo vật thể rắn - SCS ............................................................. 24
3.3.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 24
3.3.2. Quá trình .............................................................................................................. 25
3.3.3. Nguyên lý ............................................................................................................ 25
3.3.4. Ứng dụng ............................................................................................................. 26
3.3.5. Ưu nhược điểm .................................................................................................... 26
3.4. Phương pháp tạo mẫu bằng máy in laser tử ngoại - SOUP...................................... 27
3.4.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 27
3.4.2. Quá trình .............................................................................................................. 27
3.4.3. Nguyên lý ............................................................................................................ 27
3.4.4. Ứng dụng ............................................................................................................. 28
3.4.5. Ưu nhược điểm .................................................................................................... 28
3.5. Hệ thống tạo hình khối của cơng ty Teijin Seiki...................................................... 29
3.5.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 29
3.5.2. Quá trình .............................................................................................................. 29
3.5.3. Nguyên lý ............................................................................................................ 29
3.5.4. Ứng dụng ............................................................................................................. 30
3.5.5. Ưu nhược điểm .................................................................................................... 31
3.6. Hệ thống tạo mẫu nhanh của công ty Meiko ........................................................... 32
3.6.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 32
3.6.2. Quá trình .............................................................................................................. 32
3.6.3. Nguyên lý ............................................................................................................ 33
3.6.4. Ứng dụng ............................................................................................................. 33
3.6.5. Ưu nhược điểm .................................................................................................... 34

3.7. Hệ thống tạo mẫu nhanh bằng phương pháp lạnh đông........................................... 34
3.7.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 34
3.7.2. Quá trình .............................................................................................................. 34
3.7.3. Khả năng ứng dụng ............................................................................................. 36
3.7.4. Ưu nhược điểm .................................................................................................... 37
Câu hỏi ôn tập .................................................................................................................. 38
Chƣơng 4. HỆ THỐNG TẠO MẪU NHANH DÙNG VẬT LIỆU RẮN ............ 39
4.1. Phương pháp dán nhiều lớp – LOM......................................................................... 39
iii


4.1.1. Thiết bị ................................................................................................................ 39
4.1.2. Quá trình .............................................................................................................. 39
4.1.3. Cấu tạo hệ thống LOM ........................................................................................ 41
4.1.4. Nguyên lý làm việc ............................................................................................. 42
4.1.5. Ưu nhược điểm .................................................................................................... 42
4.1.6. Ứng dụng của LOM ............................................................................................ 43
4.2. Phương pháp tan chảy lắng đọng – FDM ................................................................ 44
4.2.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 44
4.2.2. Sản phẩm FDM ................................................................................................... 44
4.2.3. Đặc điểm của quá trình FDM .............................................................................. 44
4.2.4. Quá trình FDM .................................................................................................... 45
4.2.5. Nguyên lý hoạt động của FDM ........................................................................... 45
4.2.6. Ưu nhược điểm .................................................................................................... 46
4.2.7. Ứng dụng ............................................................................................................. 46
4.3. Phương pháp dán ép từng lớp – PLT ....................................................................... 47
4.3.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 47
4.3.2. Quá trình hoạt động ............................................................................................. 47
4.3.3. Nguyên lý ............................................................................................................ 48
4.3.4. Ưu nhược điểm .................................................................................................... 49

4.3.5. Ứng dụng ............................................................................................................. 49
4.4. Phương pháp tạo mẫu nhiều đầu phun – MJM ........................................................ 49
4.4.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 49
4.4.2. Quá trình làm việc ............................................................................................... 50
4.4.3. Nguyên lý hoạt động ........................................................................................... 51
4.4.4. Đặc điểm kỹ thuật ............................................................................................... 51
4.4.5. Ưu nhược điểm .................................................................................................... 52
4.5. Phương pháp chế tạo vật thể từng lớp (SSM) .......................................................... 52
4.5.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 52
4.5.2. Quá trình .............................................................................................................. 53
4.5.3. Nguyên tắc........................................................................................................... 53
4.5.4. Ưu nhược điểm .................................................................................................... 54
4.6. Phương pháp ép đùn tan chảy - MEM ..................................................................... 54
4.6.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 54
4.6.2. Quá trình .............................................................................................................. 54
4.6.3. Nguyên lý làm việc ............................................................................................. 55
iv


4.6.4. Ưu nhược điểm .................................................................................................... 55
4.7. Hệ thống tạo mẫu nhanh đa chức năng - M-RPM ................................................... 56
Câu hỏi ôn tập .................................................................................................................. 56
Chƣơng 5. HỆ THỐNG TẠO MẪU NHANH DÙNG VẬT LIỆU BỘT ............ 58
5.1. Phương pháp thiêu kết laser chọn lọc - SLS ........................................................... 58
5.1.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 58
5.1.2. Quá trình .............................................................................................................. 58
5.1.3. Nguyên lý hoạt động ........................................................................................... 59
5.1.4. Vật liệu ................................................................................................................ 59
5.1.5. Ưu nhược điểm của SLS ..................................................................................... 60
5.1.6. Ứng dụng của SLS .............................................................................................. 60

5.2. Phương pháp in 3 chiều - 3DP ................................................................................. 61
5.2.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 61
5.2.2. Q trình cơng nghệ ............................................................................................ 61
5.2.3. Ngun lý hoạt động ........................................................................................... 61
5.2.4. Ưu nhược điểm .................................................................................................... 63
5.2.5. Ứng dụng ............................................................................................................. 63
5.3. Phương pháp tạo mẫu nhanh EOSINT ..................................................................... 63
5.3.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 63
5.3.2. Quá trình .............................................................................................................. 63
5.3.3. Nguyên lý hoạt động ........................................................................................... 64
5.3.4. Vật liệu ................................................................................................................ 64
5.3.5. Ưu nhược điểm của EOSINT .............................................................................. 64
5.3.6. Ứng dụng ............................................................................................................. 65
5.4. Tạo hình bằng kỹ thuật laser - LENS ....................................................................... 65
5.4.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 65
5.4.2. Quá trình .............................................................................................................. 65
5.4.3. Nguyên lý hoạt động ........................................................................................... 65
5.4.4. Vật liệu sử dụng .................................................................................................. 66
5.4.5. Ưu nhược điểm .................................................................................................... 66
5.4.6. Ứng dụng ............................................................................................................. 66
5.5. Công nghệ đúc khuôn vỏ mỏng trực tiếp - DSPC.................................................... 67
5.5.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 67
5.5.2. Quá trình .............................................................................................................. 67
5.5.3. Nguyên lý làm việc ............................................................................................. 68
v


5.5.4. Ưu nhược điểm của DSPC ................................................................................. 69
5.5.5. Ứng dụng của DSPC ........................................................................................... 69
5.6. Phương pháp hóa rắn nhiều pha - MJS .................................................................... 69

5.6.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 69
5.6.2. Quá trình .............................................................................................................. 69
5.6.3. Nguyên lý làm việc ............................................................................................. 70
5.6.4. Ứng dụng ............................................................................................................. 70
5.7. Phương pháp tan chảy bằng tia điện tử - EBM ........................................................ 71
5.7.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 71
5.7.2. Quá trình .............................................................................................................. 71
5.7.3. Nguyên lý làm việc ............................................................................................. 71
5.7.4. Ứng dụng ............................................................................................................. 72
5.8. Công nghệ LASFORM ............................................................................................ 72
5.8.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 72
5.8.2. Quá trình .............................................................................................................. 72
5.8.3. Nguyên lý làm việc ............................................................................................. 73
5.8.4. Ưu nhược điểm .................................................................................................... 73
5.8.5. Ứng dụng ............................................................................................................. 73
5.9. Hệ thống tạo mẫu nhanh GENERIS (GS) ................................................................ 74
5.9.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 74
5.9.2. Nguyên lý làm việc ............................................................................................. 74
5.9.3. Ứng dụng ............................................................................................................. 74
5.10.

Công nghệ tạo mẫu nhanh THERIFORM ........................................................... 74

5.10.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 74
5.10.2. Quá trình .............................................................................................................. 74
5.10.3. Nguyên lý ............................................................................................................ 75
5.10.4. Ứng dụng ............................................................................................................. 75
5.11.

Công nghệ in 3D của PrometalTM ....................................................................... 75


5.11.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 75
5.11.2. Quá trình .............................................................................................................. 76
5.11.3. Nguyên lý hoạt động ........................................................................................... 76
5.11.4. Ưu nhược điểm .................................................................................................... 76
5.11.5. Ứng dụng ............................................................................................................. 77
Câu hỏi ôn tập .................................................................................................................. 77
Chƣơng 6. DẠNG DỮ LIỆU TRONG TẠO MẪU NHANH ............................... 79
vi


6.1. Định dạng dữ liệu dạng *.STL ................................................................................. 79
6.2. Một số vấn đề của tập tin *.STL .............................................................................. 79
6.2.1. Lỗi thiếu mặt hay lổ hỗng ................................................................................... 80
6.2.2. Mặt phẳng bị hư hại ............................................................................................ 80
6.2.3. Mặt phẳng chồng, lấp nhau ................................................................................. 80
6.2.4. Điều kiện không đa dạng (non-manifold condition) ........................................... 81
6.3. Kết quả chế tạo mơ hình được phân tích hợp lý và khơng hợp lý ........................... 81
6.3.1. Mơ hình hợp lý .................................................................................................... 81
6.3.2. Mơ hình khơng hợp lý ......................................................................................... 82
6.4. Chỉnh sửa tập tin *.STL ........................................................................................... 82
6.4.1. Thuật toán chung ................................................................................................. 82
6.4.1.1. Giải quyết vấn đề thiếu mặt................................................................................. 83
6.4.1.2. Vấn đề các mặt bị định hướng sai ....................................................................... 85
6.4.2. Thuật toán đặc biệt .............................................................................................. 85
6.4.2.1. Hai hoặc nhiều lỗ hổng hình thành từ một đỉnh chung ....................................... 85
6.4.2.2. Hai mặt cùng một cạnh chung ............................................................................. 86
6.4.2.3. Các mặt bị chồng lấp ........................................................................................... 87
6.5. Một số định dạng khác ............................................................................................. 87
6.5.1. Định dạng IGES (file IGES) ............................................................................... 87

6.5.2. Định dạng HP/GL (file HP/GL) .......................................................................... 88
6.5.3. Dữ liệu CT (Computerized Tomography) ........................................................... 88
6.5.4. Định dạng SLC (file SLC) .................................................................................. 88
6.5.5. Định dạng CLI (file CLI) .................................................................................... 88
6.5.6. Định dạng RPI (file RPI) ..................................................................................... 89
6.5.7. Định dạng LEAF (file LEAF) ............................................................................. 89
Câu hỏi ôn tập .................................................................................................................. 89
Chƣơng 7. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA TẠO MẪU NHANH ............................ 90
7.1. Ứng dụng của RP trong công nghiệp ô tô ................................................................ 91
7.2. Ứng dụng tạo mẫu nhanh trong y học ...................................................................... 92
7.3. Ứng dụng tạo mẫu nhanh trong khảo cổ học ........................................................... 93
7.4. Ứng dụng tạo mẫu nhanh trong công nghiệp điện, điện tử ...................................... 93
7.5. Ứng dụng tạo mẫu nhanh trong lĩnh vực kim hoàn ................................................. 94
7.6. Ứng dụng tạo mẫu nhanh trong lĩnh vực cơ khí chế tạo .......................................... 94
Câu hỏi ơn tập .................................................................................................................. 96
Chƣơng 8. KỸ THUẬT NGƢỢC TRONG TẠO MẪU NHANH ....................... 97
vii


8.1. Giới thiệu về kỹ thuật ngược.................................................................................... 97
8.2. Ưu nhược điểm của kỹ thuật ngược ......................................................................... 98
8.3. Quy trình thiết kế ngược .......................................................................................... 98
8.4. Quy trình mơ hình hóa sản phẩm bằng kỹ thuật thiết kế ngược .............................. 99
8.4.1. Giai đoạn số hóa sản phẩm .................................................................................. 99
8.4.2. Giai đoạn xử lý dữ liệu số hóa .......................................................................... 101
8.4.3. Thiết kế lại sản phẩm dựa trên cơ sở dữ liệu số hóa ......................................... 101
8.4.4. Chế tạo mẫu, gia công chi tiết ........................................................................... 101
8.5. Các ứng dụng của kỹ thuật ngược .......................................................................... 101
Câu hỏi ôn tập ................................................................................................................ 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 104


viii


Chƣơng 1.

GIỚI THIỆU CHUNG

Trong bối cảnh tất cả các nền kinh tế đều phải chịu sự cạnh tranh gay gắt với nhu cầu
cung cấp nhanh đến người tiêu dùng các sản phẩm mới, các ngành cơng nghiệp phải có những
giải pháp cơng nghệ mới. Đó cũng là lí do cơng nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid protptyping- RP)
được ra đời và phát triển.
Công nghệ tạo mẫu nhanh được phát triển vào những năm 80, khi những thiết bị đầu
tiên về tạo mẫu nhanh được đưa ra thị trường. Đánh dấu cho sự phát triển đó là sáng chế của
Hull (năm 1984) về thiết bị tạo hình lập thể (Stereolithography Apparatus – SLA), được công
nhận sáng chế vào năm 1986, được thương mại hóa bởi cơng ty 3D System vào năm 1988.
Sự phát triển của cơng nghệ tạo mẫu nhanh có quan hệ mật thiết đến sự phát triển và
ứng dụng của máy tính trong cơng nghiệp. Việc gia tăng sử dụng máy tính đã thúc đẩy sự tiến
bộ trong nhiều lĩnh vực liên quan, bao gồm: q trình thiết kế có sự trợ giúp của máy tính
(CAD – Computer Aided Design), q trình chế tạo có sự trợ giúp của máy tính (CAM –
Computer Aided Manufacturing), gia cơng điều khiển số nhờ vào máy tính (CNC - Computer
Numerical Control). Những nghiên cứu về các hệ thống tạo mẫu nhanh cho thấy rằng: cùng
với CAD, cịn có nhiều hệ thống cơng nghệ và kỹ thuật tiên tiến khác có tính quyết định đến
sự phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh.

1.1. Các khái niệm cơ bản
1.1.1. Công nghệ tạo mẫu

1.1.1.a. Định nghĩa về mẫu
Mẫu là một mơ hình đầu tiên hay phiên bản gốc của vật nào đó, mà đã hoặc sẽ được

sao chép, hoặc được phát triển. Mẫu là một phần quan trọng và sống động của quá trình phát
triển sản phẩm; trong q trình thiết kế, mẫu thường khơng khác xa với những gì mà nhà thiết
kế sẽ phát triển.
Tạo mẫu là một quá trình thực hiện và chế tạo các mẫu, q trình này có thể theo thứ
tự sắp xếp từ việc thiết kế trên máy tính đến việc chế tạo một mẫu thật.

Hình 1.1: Mơ hình mẫu của máy bay siêu âm.

1.1.1.b. Vai trị của mẫu
Mẫu có một số vai trị trong q trình phát triển sản phẩm, thường được sử dụng để:

1


(1) Thí nghiệm và học tập: mẫu thường đượ sử dụng như một mơ hình trong phịng thí
nghiệm, dùng cho giảng dạy và học tập từ ở các phổ thông đến trường đại học.
(2) Nghiên cứu và kiểm chứng: mẫu được sử dụng để giúp nhà nghiên cứu suy nghĩ,
lập kế hoạch, thí nghiệm trong khi thiết kế sản phẩm. Những câu hỏi, thắc mắc liên quan đến
thiết kế chi tiết có thể được trả lời qua việc nghiên cứu và chế tạo mẫu. Mẫu có thể được sử
dụng để giao tiếp, kiểm tra, kiểm nghiệm và giải thích ý tưởng liên quan đến việc phát triển
sản phẩm.
(3) Giao tiếp và tác động lẫn nhau trong phát triển sản phẩm: Mẫu được sử dụng
khơng chỉ trong nhóm phát triển sản phẩm mà còn trong việc quản lý và giao tiếp khách hàng.
Khơng có điều gì để giải thích cho ý tưởng rõ ràng hơn một mơ hình thực tế; để khách hàng
có thể xem, chạm vào và cảm giác về sản phẩm đó. Vì thế, một mơ hình sản phẩm 3D ln tốt
hơn mơ hình 2D trong bản vẽ phát thảo. Từ đó, khách hàng sẽ cung cấp những thơng tin quý
giá cho nhóm nghiên cứu để phát triển sản phẩm.
(4) Tổng hợp và phân tích sản phẩm: bằng việc liên kết tất cả những bộ phận, cụm chi
tiết khác nhau, để đảm bảo khả năng làm việc của cụm máy. Điều này sẽ giúp rất nhiều cho
việc tích hợp sản phẩm, phát hiện những vấn đề liên quan đến lắp đặt sản phẩm. Khi lắp đặt

tất cả các mẫu lại với nhau, các vấn đề về thiết kế, chế tạo, lắp ráp sẽ được giải đáp hoàn toàn.
(5) Lập kế hoạch và tạo hình dáng sản phẩm: việc này thường được xem như là mốc
kết thúc và bắt đầu của những giai đoạn phát triển sản phẩm. Mỗi mẫu đánh dấu một sự hoàn
thành một giai đoạn phát triển nào đó. Với kế hoạch rõ ràng, sẽ giúp sự phát triển có hiệu lực
cao. Trong nhiều cơng ty, sự tiếp tục phát triển mẫu sản phẩm là then chốt để thành công
trong việc thúc đẩy và phát triển công ty với sản phẩm đó.
Những mẫu tạo ra từ cơng nghệ tạo mẫu nhanh có độ chính xác cao, được chế tạo
nhanh; các nhiệm vụ có thể được thực hiện nhanh chóng và hiệu quả, kết hợp với các cơng cụ
sản xuất khác.
1.1.2. Tạo mẫu nhanh là gì?
Tạo mẫu nhanh là một thuật ngữ dùng diễn tả công nghệ chế tạo những mơ hình vật
thể một cách tự động từ nguồn dữ liệu thiết kế trên máy tính, bằng phương pháp đắp dần vật
liệu từng lớp, với tốc độ nhanh hơn rất nhiều so với phương pháp chế tạo truyền thống. Điểm
nổi bật của công nghệ tạo mẫu nhanh là đắp dần vật liệu từng lớp để tạo nên sản phẩm, trong
khi các phương pháp truyền thống thường là lấy vật liệu ra khỏi phơi ban đầu. Chính điều này
cho phép cơng nghệ tạo mẫu nhanh có thể chế tạo được những chi tiết có độ phức tạp cao, mà
cơng nghệ khác khơng thể chế tạo được.
Q trình tạo mẫu nhanh giúp cho nhà sản xuất quan sát, đánh giá nhanh chóng sản
phẩm cuối cùng. Q trình này được thực hiện nhờ sự trợ giúp của các thiết bị tạo mẫu nhanh
(RP) và phần mềm thiết kế CAD-3D. Người thiết kế chuyển dữ liệu từ mơ hình CAD-3D
thành những mẫu thực một cách nhanh chóng. Tùy thuộc vào kích thước và độ phức tạp của
sản phẩm, mà thời gian để tạo mẫu mất khoảng từ 3 đến 72 giờ, thậm chí ít hơn.
Như vậy so với việc tạo mẫu bằng phương pháp truyền thống (mất hàng tuần đến hàng
tháng), thì công nghệ tạo mẫu nhanh sẽ nhanh hơn rất nhiều; điều này giúp nhà sản xuất đưa
sản phẩm ra thị trường một cách nhanh chóng và giảm chi phí sản xuất. Đây là ưu điểm nổi
bật của quá trình tạo mẫu nhanh.

1.2. Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh
Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh gắn liền với sự phát triển ứng dụng
máy tính trong cơng nghiệp. Cơng nghệ máy tính phát triển đã thúc đẩy sự tiến bộ trong nhiều

lĩnh vực liên quan đến máy tính, như: thiết kế CAD, chế tạo CAM, gia cơng điều khiển số nhờ
máy tính CNC. Đặc biệt, CAD-3D đã tác động rất lớn đến sự phát triển công nghệ tạo mẫu
2


nhanh (Rapid Prototyping – RP). Ngoài ra, sự phát triển của tạo mẫu nhanh còn chịu sự tác
động từ nhiều công nghệ và sự tiến bộ trong các lĩnh vực khác như: kỹ thuật hệ thống, khoa
học vật liệu, công nghệ laser, kỹ thuật chế tạo.
Bảng 1.1: Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh.
Năm

Phát triển Công nghệ

1770

Cơ khí hóa

1946

Máy tính đầu tiên xuất hiện

1952

Máy cơng cụ điều khiển số (NC) đầu tiên ra đời

1960

Tia Laser thương mại đầu tiên

1961


Người máy/Robot thương mại đầu tiên

1963

Hệ thống phần mềm thiết kế hình ảnh đầu tiên (CAD) ra đời

1988

Hệ thống tạo mẫu nhanh thương mại đầu tiên

1.3. Ba giai đoạn phát triển dẫn đến tạo mẫu nhanh
Quá trình tạo mẫu là một cơng việc có từ lâu đời, nhằm mục đích thực tế hóa một ý
tưởng thiết kế. Do đó, một mẫu thường được yêu cầu có trước khi bắt đầu việc sản xuất sản
phẩm. Việc chế tạo mẫu được thực hiện với nhiều hình thức như: lấy bớt vật liệu bằng gia
công cắt gọt; đắp thêm vật liệu; tạo hình vật liệu bằng khn (đúc, nặn mẫu) với nhiều loại vật
liệu khác nhau như nhơm, kẽm, gỗ, sáp.
Q trình tạo mẫu trãi qua 3 giai đoạn phát triển, trong đó 2 giai đoạn sau mới phát
triển trong hơn hai mươi năm. Giống như q trình mơ hình hóa trên máy tính, tạo mẫu vật lý
đang phát triển ở giai đoạn 3. Sự phát triển song song của quá trình mơ hình hóa trên máy tính
và q trình tạo mẫu được thể hiện trong bảng 1.2.
Bảng 1.2: Phát triển song song giữa mơ hình hóa hình học và q trình tạo mẫu.
Mơ hình hóa hình học
Giai đoạn 1: mơ hình 2D
 Bắt đầu giữa thập kỷ 1960
 Đường thẳng trên màn hình có thể là:
- Đường chu vi của chi tiết
- Nhìn phẳng của chi tiết/thành phần cơ khí
 Kỹ thuật phát thảo tự nhiên


Tạo mẫu
Giai đoạn 1: tạo mẫu thơ sơ
 Hình thành cách nay nhiều thế kỷ
 Tạo mẫu được xem như một nghề:
- Tạo theo truyền thống và làm bằng tay.
- Vật liệu truyền thống để tạo mẫu.
 Kỹ thuật tạo mẫu tự nhiên

Giai đoạn 2: Đường cong 3D và mơ hình Giai đoạn 2: Tạo mẫu ảo và mềm
hóa bề mặt

 Giữa thập kỷ 1970
 Tăng độ phức tạp
 Thể hiện được nhiều thông tin như hình

 Giữa thập kỷ 1970
 Tăng độ phức tạp
 Mẫu ảo có thể được kiểm tra, mơ

dáng chính xác, kích thước, đường viền
bề mặt chi tiết.

phỏng với những đặc tích cơ học và
các đặc tính khác một cách chính xác.

Giai đoạn 3: Mơ hình khối 3D

 Đầu thập kỷ 1980

Giai đoạn 3: Tạo mẫu nhanh


 Giữa thập kỷ 1980
3


 Góc cạnh, bề mặt và lỗ được liên kết lại

 Thuận lợi, điểm mạnh là tạo mẫu thật

với nhau để tạo nên 1 khối thống nhất.
 Máy tính có thể xác định bên trong vật
thể. Có thể vẽ mặt cắt ngang và đọc
được các góc, và mặt giao nhau.
 Đạt độ chính xác.

trong 1 thời gian ngắn.
 Mẫu thật có thể được sử dụng cho việc
đánh giá, kiểm tra.
 Mẫu có thể giúp cho việc chế tạo sản
phẩm.

1.3.1. Thời kỳ đầu: tạo mẫu bằng tay
Quá trình tạo mẫu xuất hiện đầu tiên cách nay hàng chục thế kỷ, khi con người bắt đầu
phát triển các công cụ giúp cải thiện cuộc sống. Ở thời kỳ đầu ra đời của tạo mẫu, các mẫu
thường là sản phẩm đơn giản, không có độ phức tạp cao. Thời gian chế tạo một mẫu trung
bình khoảng 4 tuần. Phương pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề, q trình thực hiện cơng
việc cực kỳ nặng nhọc.
1.3.2. Thời kỳ thứ hai: tạo mẫu ảo
Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển vào những năm thập niên 70 thế kỷ 19. Lúc này
đã có phần mềm trên máy tính để tạo mẫu ảo. Ngày nay, việc ứng dụng CAD/CAE/CAM đã

trở nên rất phổ biến. Với các Phần mềm tạo mẫu, người thiết kế sẽ phát họa trên máy tính
những ý tưởng mới, trước khi được chế tạo. Sau đó, các mơ hình vật lý được kiểm tra, phân
tích, xác định ứng suất; và được hiệu chỉnh cho phù hợp theo yêu cầu nếu chúng chưa đáp
ứng.
Độ phức tạp của các mẫu trong thời kỳ này tăng gấp đơi so với thời kỳ đầu. Vì thế,
thời gian yêu cầu cho việc tạo mẫu có khuynh hướng tăng lên khoảng 16 tuần, tính chất vật lý
của mẫu vẫn còn phụ thuộc vào các phương pháp tạo mẫu cơ bản trước đó. Tuy nhiên, các
máy gia cơng chính xác đã giúp cải thiện các tính chất vật lý của mẫu tốt hơn.
Ngay cả khi ở thời kỳ thứ ba, việc tạo mẫu vẫn có sự trợ giúp rất lớn của q trình tạo
mẫu ảo trên máy tính. Tuy nhiên, những hạn chế của công nghệ tạo mẫu nhanh lúc này là: vật
liệu chế tạo chi tiết, khả năng chế tạo liên tục, khả năng phân tích động lực học. Một nhược
điểm của mẫu ảo là không thể kiểm tra các hiện tượng liên quan đến chi tiết mà máy tính
khơng thể thực hiện được.
1.3.3. Thời kỳ thứ ba: tạo mẫu nhanh
Trong thời kỳ thứ ba, công nghệ tạo mẫu nhanh thể hiện vai trị trong q trình phát
triển sản phẩm mẫu. Tính chất vật lý từng chi tiết của sản phẩm trong quá trình tạo mẫu nhanh
cũng được xác định. Q trình tạo mẫu có độ rỗng, độ phức tạp bên trong, tương thích cho
việc sản xuất trên bệ nâng, hay công nghệ sản xuất lớp.
Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh đã đáp ứng được yêu cầu của giới kinh
doanh trong thời kỳ này: giảm thời gian sản xuất, tăng độ phức tạp của mẫu, giảm chi phí sản
xuất. Trong khi đó, người tiêu dùng cần các sản phẩm có chất lượng cao, mức độ phức tạp của
chi tiết tăng gấp ba lần mức độ phức tạp mà các chi tiết ở thập niên 70. Nhờ công nghệ tạo
mẫu nhanh, thời gian trung bình để chế tạo chi tiết chỉ cịn lại khoảng 3 tuần, so với 16 tuần ở
thời kỳ thứ hai.
Sau hơn 25 năm kể từ khi công nghệ tạo mẫu nhanh được thương mại hóa, có trên 30
phương pháp tạo mẫu nhanh khác nhau ra đời, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực tạo mẫu
khác nhau trên giới.

1.4. Nguyên tắc cơ bản của tạo mẫu nhanh
Những phương pháp tạo mẫu nhanh có đặc điểm chung giống nhau là dựa trên nguyên

tắc: thêm/đắp từng lớp vật liệu và liên kết những lớp vật liệu như giấy, sáp, nhựa… lại với

4


nhau, để tạo nên vật thể. Nhìn chung, cơng nghệ tạo mẫu nhanh có thể được diễn tả qua các
bước sau:
(1) Mẫu (bộ phận, chi tiết) được thiết kế trên hệ thống máy tính CAD. Mẫu phải thể
hiện đầy đủ tính chất vật lý giống như sản phẩm thật, những mặt bao khép kín với kích thước
giới hạn rõ ràng. Nghĩa là, phải xác định các dữ liệu bên trong, bên ngoài và đường giới hạn
của mẫu. Yêu cầu này thực sự khơng cần thiết đối với mơ hình dạng khối, vì mơ hình dạng
khối sẽ tự động giới hạn thể tích. Điều này nhằm đảm bảo cho tất cả các mặt cắt ngang đều có
những đường cong khép kín để tạo ra khối vật thể.
(2) Mơ hình khối (mơ hình bề mặt) đã được thiết kế sẽ được chuyển sang file định
dạng ―*.STL‖ (StereoLithography). File định dạng ―*.STL‖ quản lý các bề mặt của mơ hình
bởi các đa giác. Các mặt cong bậc cao phải dùng rất nhiều đa giác, điều này có nghĩa là các
file *.STL dùng cho các chi tiết mặt cong có dung lượng rất lớn. Tuy nhiên, cũng có một số
hệ thống tạo mẫu nhanh chấp nhận các dữ liệu ở dạng format *.IGES (Initial Graphics
Exchange Specification).

Hình 1.2: Bánh xe 4 yếu tố chính của tạo mẫu nhanh.
(3) Chương trình máy tính phân tích file *.STL, để xác định rõ mơ hình cho việc chế
tạo và các mơ hình các mặt cắt ngang được tạo thành. Các mặt cắt ngang được tái tạo một
cách có hệ thống bằng phương pháp hóa rắn (hoặc kết dính) của vật liệu: lỏng, rắn hay bột; và
kết hợp lại để tạo thành mẫu 3D. Những phương pháp tương tự khác cũng được sử dụng để
tạo nên mẫu 3D.
Một cách tổng quát, sự phát triển của quá trình tạo mẫu nhanh được thể hiện qua bốn
yếu tố cơ bản: Dữ liệu vào, Phương pháp tạo mẫu, Vật liệu sử dụng, và Ứng dụng được thể
hiện trong bánh xe tạo mẫu nhanh như Hình 1.2.
1.4.1. Dữ liệu vào

Dữ liệu vào là những thông tin miêu tả các vấn đề liên quan đến vật thể 3D. Có hai
dạng mơ hình: mơ hình vật ảo trên máy tính hoặc mơ hình thật từ thực tế. Hệ thống CAD tạo
ra mơ hình trên máy tính ở dạng mặt hay dạng khối. Ngồi ra, dữ liệu 3D từ mơ hình thật đơi
khi khơng phải ln hoàn hảo; do dữ liệu này thu được bằng phương pháp kỹ thuật ngược.
Trong kỹ thuật ngược, có thể sử dụng các thiết bị để xác định vật thể như: máy đo tọa độ
5


CMM (Coordinate measuring machine), bút vẽ bằng laser, quét hình đám mây điểm của mơ
hình thật, sau đó xử lý lại bằng CAD.
1.4.2. Phương pháp tạo mẫu nhanh
Phương pháp tạo mẫu nhanh phụ thuộc vào nhà sản xuất, có thể chia thành một số
dạng như: xử lý quang hóa/cắt ảnh (photo-curing), cắt và dán từng lớp - tạo liên kết (cutting
and glueing/joining), tan chảy và hóa rắn (melting and solidifying/fusing). Việc xử lý quang
hóa vật liệu có thể phân tích thành các dạng như: dùng chùm laser đơn, chùm laser đôi và đèn
tử ngoại được che chắn bởi lớp mặt nạ quang học.
1.4.3.

Vật liệu

Vật liệu sử dụng trong tạo mẫu nhanh có thể ở dạng rắn, dạng lỏng hay dạng bột. Ở
dạng rắn có thể có các hình thức khác nhau như: viên, dây hay tấm mỏng. Vật liệu hiện đang
được sử dụng trong tạo mẫu nhanh gồm: giấy, nilon, nhựa, sáp, kim loại và gốm.
1.4.4.

Các ứng dụng

Hầu hết các sản phẩm được chế tạo bằng phương pháp tạo mẫu nhanh cần phải được
chỉnh sửa, gia công tinh lại trước khi đưa vào sử dụng. Những ứng dụng công nghệ này có thể
phân thành từng nhóm như: (1) thiết kế, (2) phân tích kỹ thuật và lập kế hoạch, (3) gia công

và chế tạo. Tạo mẫu nhanh đã đem lợi ích rất lớn trong các lĩnh vực công nghiệp, các ngành
như: hàng không, ô-tô, y sinh học, điện, điện tử, sản phẩm tiêu dùng, và nhiều lĩnh vực khác.

1.5. Các ƣu điểm của tạo mẫu nhanh
Thực tế công nghệ tạo mẫu nhanh khơng thể thay thế được hồn tồn cơng nghệ gia
công truyền thống như máy NC, CNC và máy phay tốc độ cao, ngay cả những thiết bị cầm
tay. Nói cách khác, cơng nghệ tạo mẫu nhanh được xem như là một cơng cụ mới để có thêm
sự lựa chọn tốt hơn khi chế tạo chi tiết. Đồ thị ở Hình 1.3 cho thấy sự so sánh giữa cơng nghệ
tạo mẫu nhanh với các công nghệ khác từ máy phay tốc độ cao và máy NC về chi phí và thời
gian để chế tạo ra một chi tiết theo độ phức tạp tăng dần.

Hình 1.3: So sánh cơng nghệ tạo mẫu nhanh với công nghệ truyền thống.
Một số ưu điểm chính của cơng nghệ tạo mẫu nhanh là tốc độ nhanh, chi phí thấp và
độ linh hoạt tốt. Cụ thể, cơng nghệ tạo mẫu nhanh có thể giúp:
-

Tăng khả năng quan sát chi tiết: người thiết kế có thể thiết kế chi tiết trên máy tính, sau đó
có được mơ hình chi tiết 3D thật chỉ trong vài giờ, mà khơng cần phải qua quy trình chế
tạo mẫu phức tạp theo phương pháp truyền thống. Nên khả năng quan sát chi tiết tốt hơn,
hiệu quả hơn.

6


-

Chế tạo được những chi tiết có độ phức tạp cao: nhờ vào kỹ thuật chế tạo bằng cách đắp
vật liệu từng lớp theo mặt cắt ngang, công nghệ tạo mẫu nhanh có thể chế tạo được các chi
tiết có độ phức tạp cao, ngay cả bên trong chi tiết.


-

Cho phép nhà thiết kế và chế tạo mang sản phẩm đến thị trường nhanh hơn.

-

Giảm đáng kể chi phí và thời gian thiết kế, chế tạo chi tiết. Các chi tiết có thể được điều
chỉnh ngay trong giai đoạn thiết kế. Ngồi ra, giảm được chi phí lao động trong chế tạo,
giảm chi phí vật liệu do vật liệu thừa thành phế liệu ít.

-

Kiểm tra được tính chính xác của chi tiết, tăng khả năng tối ưu hóa và phát triển sản phẩm.

-

Tạo nên một kênh thông tin hiệu quả giữa các nhà thiết kế với nhau; giữa nhà thiết kế, nhà
chế tạo và người tiêu dùng; đáp ứng nhu cầu địi hỏi của thị trường.

-

Khách hàng có thể mua được sản phẩm với chi phí thấp, nhưng đáp ứng được yêu cầu một
cách tốt nhất.

Hiện nay, công nghệ tạo mẫu nhanh đang hoạt động như một cầu nối giúp các nhà
thiết kế, các nhà chế tạo, các nhân viên bán hàng cung cấp hàng hóa đúng lúc đến khách hàng.

Hình 1.4: Thời gian chế tạo và độ phức tạp của sản phẩm trong 25 năm tính đến 1995.

1.6. Phân loại hệ thống tạo mẫu nhanh

Hiện nay có nhiều loại hệ thống thiết bị tạo mẫu nhanh trên thị trường. Các hệ thống
tạo mẫu nhanh được phân loại dựa trên cơ sở vật liệu chế tạo mẫu của hệ thống. Theo cách
phân loại này, có 3 loại hệ thống RP dựa trên cơ sở vật liệu lỏng, vật liệu rắn và vật liệu bột.
1.6.1. Hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu lỏng
Vật liệu lỏng được sử dụng trong các hệ thống tạo mẫu nhanh này, để chế tạo mẫu.
Quá trình tạo mẫu là q trình lưu hóa, làm cho vật liệu chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang
trạng thái rắn. Các phương pháp tạo mẫu nhanh chủ yếu dùng vật liệu lỏng gồm:
Thiết bị tạo mẫu lập thể SLA của công ty 3D Systems.
Thiết bị xử lý dạng khối SGC của công ty Cubital.
Thiết bị tạo mẫu dạng khối SCS của công ty Sony.
Thiết bị in sử dụng tia tử ngoại tạo vật thể khối SOUP của công ty Misuibishi.
7


Thiết bị tạo ảnh nổi của EOS.
Thiết bị tạo ảnh khối của công ty Teijin Seiki.
Thiết bị tạo mẫu nhanh của cơng ty Meiko dùng cho lĩnh vực kim hồn, trang sức.
Thiết bị tạo mẫu nhanh SLP của công ty Denken.
Thiết bị tạo mẫu nhanh COLAMM của công ty Mitsui.
Thiết bị tạo mẫu nhanh LMS của Fockele và Schwarze.
1.6.2. Hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu rắn
Ngoại trừ các vật liệu dạng bột, các hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu rắn có liên
quan đến tất cả các dạng vật liệu rắn gồm dạng dây, cuộn, tấm mỏng và dạng viên. Một số
phương pháp tạo mẫu nhanh đặc trưng sử dụng vật liệu rắn gồm:
Thiết bị tạo lớp mỏng LOM của công ty Helisys.
Thiết bị phun nhiều lớp FDM của công ty Stratasys.
Thiết bị tạo mẫu nhiều đầu phun MJM của công ty 3D System.
Thiết bị tạo lớp SSM.
Thiết bị mơ hình hóa đùn nóng chảy MEM.
Thiết bị M-RPM.

Hệ thống tạo mẫu nhanh RPS của IBM.
1.6.3. Hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu bột
Vật liệu bột trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh được xem như dạng trạng thái khối gần
giống vật liệu rắn. Tuy nhiên, hệ thống này được xem là các thiết bị độc lập với hệ thống thiết
bị tạo mẫu dùng vật liệu rắn. Một số phương pháp tạo mẫu nhanh dạng bột điển hình gồm:
Thiết bị in ba chiều (3DP) của công ty MIT.
Thiết bị thiêu kết bằng laser SLS của của công ty DTM.
Thiết bị đúc khuôn vỏ mỏng trực tiếp DSPC của cơng ty Soligen.
Thiết bị hố rắn định hình MJS của công ty Fraunhofer.
Hệ thống các thiết bị EOSINT của công ty EOS.
Thiết bị in phun (Ink-Jet) hay còn gọi là BPM của BPM Technology.
Câu hỏi ôn tập
1. Định nghĩa thế nào là mẫu? nêu vai trò của mẫu trong quá trình phát triển sản phẩm.
2. Tạo mẫu nhanh là gì? Cho biết ưu điểm nổi bật của công nghệ tạo mẫu nhanh so với
phương pháp tạo mẫu truyền thống?
3. Trình bày những nguyên tắc cơ bản của tạo mẫu nhanh?
4. Các yếu tố chính của cơng nghệ tạo mẫu nhanh trong bánh xe tạo mẫu nhanh?
5. Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh và các công nghệ liên quan khác?
6. Cho biết các ưu điểm của tạo mẫu nhanh so với phương pháp truyền thống?
7. Cơ sở của việc phân loại các hệ thống tạo mẫu nhanh?
8. Nêu tên 3 hệ thống tạo mẫu nhanh dùng vật liệu lỏng?
9. Nêu tên 3 hệ thống tạo mẫu nhanh dùng vật liệu rắn?
8


10. Nêu tên 3 hệ thống tạo mẫu nhanh dùng vật liệu bột?

9



Chƣơng 2.

QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ CỦA TẠO MẪU NHANH

2.1 Các q trình chế tạo mẫu cơ bản
Có 3 kỹ thuật chế tạo mẫu cơ bản được sử dụng trong quá trình tạo mẫu (Hình 2.1).
Đó là q trình lấy bớt vật liệu ra từ phôi bằng các phương pháp cắt gọt, quá trình thêm vật
liệu vào, và quá trình tạo hình sản phẩm.

Hình 2.1: Các quá trình chế tạo cơ bản.
Quá trình lấy bớt vật liệu: được bắt đầu với phơi lớn hơn kích thước mong muốn của
sản phẩm, vật liệu được lấy bớt đi cho đến khi đạt được hình dáng và kích thước mong muốn
của sản phẩm. Các phương pháp gia công cắt gọt được sử dụng phổ biến gồm các máy CNC
và các loại khác như máy mài, máy tiện, khoan, cắt dây, EDM, cắt laser, cắt bằng tia nước.
Quá trình thêm vật liệu: ngược lại với quá trình lấy bớt vật liệu, trong quá trình thêm
vật liệu vào, hình dạng và kích thước sau cùng của sản phẩm lớn hơn rất nhiều so với khối vật
liệu ban đầu. Vật liệu được thêm vào và được gắn kết với nhau để tạo hình dáng và kích thước
sản phẩm mong muốn. Hầu hết những quá trình tạo mẫu nhanh như: tạo mẫu lập thể SLA, kết
tinh laser có chọn lọc SLS, LOM,... đều thuộc vào nhóm q trình chế tạo bằng cách thêm vật
liệu vào.
Quá trình tạo hình: là q trình mà trong đó những lực cơ học hoặc hình dạng sẵn có
(khn) được ứng dụng cho một vật liệu nào đó, để tạo ra những sản phẩm có hình dạng cho
trước. Các q trình gia cơng này như: uốn, dập, ép, khuôn đúc và một số dạng khác.
Đơi khi, có thể sử dụng kết hợp hai hay nhiều phương pháp trên để tạo nên sản phẩm.
Ví dụ như dập, khoan, tạo hình sản phẩm.

10


Hình 2.2: Quy trình tạo mẫu nhanh.

2.2 Quy trình cơng nghệ của tạo mẫu nhanh
Nhìn chung, tất cả các cơng nghệ tạo mẫu nhanh (RP) đều làm việc theo nguyên lý và
quy trình cơ bản giống nhau. Quy trình này được thể hiện một cách tổng thể qua mơ hình ở
Hình 2.2 và Hình 2.3. Có 5 bước trong chuỗi quy trình tạo mẫu nhanh, đó là:
(1) tạo mơ hình 3 chiều
(2) chuyển đổi và truyền dữ liệu
(3) kiểm tra và chuẩn bị
(4) chế tạo mẫu
(5) xử lí và gia công tinh.
Tùy thuộc vào chất lượng của vật mẫu và chi tiết, các bước 3 và 5 sẽ được lặp lại đến
khi vật thể được hoàn thành. Ngoài ra, tùy theo phương pháp cơng nghệ tạo mẫu nhanh, có
thể một trong năm bước của quy trình trên sẽ khơng được thực hiện.

Hình 2.3: Chuỗi quá trình của tạo mẫu nhanh.
2.2.1. Tạo mơ hình 3D
Việc tạo mơ hình thiết kế 3D là một điều kiện tiên quyết, rất quan trọng cho quá trình
tạo mẫu nhanh, quyết định chất lượng của sản phẩm. Thông thường, công việc này chiếm
11


phần lớn thời gian trong tồn bộ quy trình. Sau khi thiết kế, mơ hình 3D được chia sẻ cho tồn
bộ đội ngũ thiết kế với các mục đích khác nhau: thiết kế chi tiết, phân tích ứng suất, phân tích
FEM, lập kế hoạch và mơ hình sản xuất. Hiện nay, có nhiều phần mềm CAD/CAM có thể sử
dụng để thiết kế mơ hình 3D như: Inventor, SolidWorks, Pro-Engineer, Creo, Visi.
Có 2 quan điểm sai lệch trong số những người sử dụng tạo mẫu nhanh: (1) khơng
giống như lập trình NC, trong tạo mẫu nhanh yêu cầu vật thể phải có một thể tích kín dù chi
tiết dựa trên mặt hay khối. Sự hiểu nhầm này xuất hiện do người sử dụng đã quen sử dụng lập
trình NC; (2) người sử dụng cho rằng những gì thấy được trên mơ hình là những gì sẽ thu
được trên sản phẩm, điều này khơng hồn tồn đúng. Hai quan điểm này thường dẫn đến việc
chọn những thông số kỹ thuật của máy tạo mẫu nhanh, hậu quả là khơng tối ưu hóa được hệ

thống RP và chi tiết có hình dạng khơng đạt yêu cầu.
2.2.2. Chuyển đổi và truyền dữ liệu
Sau khi mơ hình 3D dạng mặt hoặc khối đã được hồn thiện, mơ hình sẽ được xuất từ
dạng tệp CAD 3D sang tệp *.STL. Tệp *.STL là dạng định dạng có nguồn gốc từ công ty 3D
System - công ty sáng lập ra hệ thống tạo hình lập thể SLA (StereoLithography). Tệp định
dạng *.STL quản lý bề mặt dưới dạng các tam giác. Các mặt cong bậc cao cần sử dụng nhiều
tam giác hơn, điều đó có nghĩa là kích thước tệp *.STL sẽ lớn hơn.
Hiện nay, hầu hết các nhà cung cấp phần mềm CAD/CAM đều xây dựng được giao
diện chuyển đổi sang định dạng *.STL trong hệ thống phần mềm. Q trình này có thể xem là
bước chuyển đổi đơn giản nhất và ngắn nhất trong chuỗi quá trình tạo mẫu nhanh. Tuy nhiên,
đối với những mơ hình phức tạp, cùng với máy tính có tính năng thấp; q trình chuyển đổi
có thể mất đến vài giờ. Ngược lại, chỉ cần vài phút là có thể hồn thành sự chuyển đổi này.
Đối với hệ thống mạng internet, quá trình truyền dữ liệu cũng khá đơn giản. Quá trình
truyền dữ liệu sẽ được truyền từ trạm làm việc (workstation) đến máy tính của thiết bị tạo
mẫu nhanh. Thơng thường, trạm làm việc và hệ thống thiết bị tạo mẫu nhanh đặt ở hai vị trí
khác nhau. Trạm làm việc thường dùng là công cụ thiết kế và được đặt ở phòng thiết kế;
ngược lại hệ thống tạo mẫu nhanh là một quá trình hay một máy sản xuất, thường được đặt ở
khu vực chế tạo. Quá trình truyền dữ liệu có thể sử dụng đĩa mềm, thư điện tử (email) hoặc hệ
thống mạng nội bộ (LAN).
2.2.3. Kiểm tra và chuẩn bị
Đây là một bước quan trọng trong quá trình tạo mẫu nhanh. Nhiều nhà thiết kế, nhà sử
dụng bị thất bại ở bước này do không thể phát hiện lỗi trong tệp *.STL. Tuy nhiên, phần lớn
các lỗi của mô hình CAD và những yếu điểm của CAD khi chuyển đổi dữ liệu sang *.STL
được kiểm tra ở công đoạn này.
Khi tệp *.STL được kiểm tra, phần mềm trên máy tính của hệ thống tạo mẫu nhanh
phân tích tệp tin này, để xác định mơ hình được chế tạo, và tạo lớp chi tiết theo những mặt cắt
ngang. Những mặt cắt ngang này được chế tạo từng lớp một cách hệ thống, bằng q trình
hóa rắn chất lỏng, hoặc liên kết bột, hoặc tan chảy chất rắn để tạo nên vật thể 3D.
Thí dụ: Với thiết bị SLA, mỗi tệp *.STL xuất ra có bề dày lớp từ 0,12 mm đến 0,50
mm. Thơng thường, mơ hình được chia lớp với độ dày nhỏ nhất (0,12 mm), để chi tiết có độ

chính xác cao. Những bộ phận hỗ trợ cũng được tạo ra để đỡ các phần của chi tiết, giúp định
hình chính xác chi tiết dưới tác động của tia UV.
Việc chuẩn bị các thông số chế tạo để định vị và chế tạo lớp có thể khó khăn, nếu
khơng nắm vững các thông tin và kiến thức cần thiết, bao gồm: việc xác định vật thể hình học,
hướng chế tạo chi tiết, sắp xếp chi tiết trong không gian chế tạo, những bộ phận đỡ chi tiết, bề
dày một lớp. Ngoài ra, cần phải biết và xác định các thông số kỹ thuật của thiết bị như: độ sâu
lưu hóa, cường độ năng lượng laser, các thơng số vật lý khác như trong thiết bị.

12


Hiện nay công việc chế tạo đơn giản hơn, với những thơng số mặc định có thể thay đổi
giá trị nhanh chóng, dễ dàng khơi phục để sử dụng cho những mơ hình khác nhau. Hầu hết
các phần mềm đều cho phép người sử dụng điều chỉnh, định hướng chế tạo chi tiết, và hướng
di chuyển tồn bộ mơ hình chi tiết theo chiều dương của thiết bị.
Hướng chế tạo chi tiết rất quan trọng trong quá trình tạo mẫu nhanh, với những lý do:
 Hướng chế tạo chi tiết ảnh hưởng đến thời gian chế tạo chi tiết. Nếu đặt kích thước
ngắn nhất theo trục z của máy thì số lớp chế tạo giảm, giảm được thời gian chế tạo.
 Đặc tính của chi tiết thay đổi theo hướng chế tạo từ trục này so với trục khác. Chi
tiết thường yếu hơn và ít chính xác hơn theo trục thẳng đứng z so với phương
trong mặt phẳng xy.
2.2.4. Chế tạo mẫu
Sau khi hiệu chỉnh, kiểm tra, cài đặt thông số chế tạo, bề dày lớp, hướng chế tạo,... quá
trình chế tạo chi tiết được thực hiện. Đối với hầu hết các hệ thống tạo mẫu nhanh, cơng đoạn
này hồn toàn tự động. Những người vận hành thiết bị thường để cho máy chế tạo chi tiết một
cách tự động. Q trình chế tạo mẫu có thể mất đến vài giờ, tùy thuộc vào kích thước và số
lượng của chi tiết. Số chi tiết được chế tạo tùy thuộc vào kích thước tổng thể được giới hạn
bởi khơng gian, thể tích buồng chế tạo của thiết bị tạo mẫu nhanh.
2.2.5. Gia công tinh
Sau khi chi tiết được chế tạo xong trên thiết bị RP, công việc cuối cùng của quy trình

tạo mẫu nhanh là xử lí và gia cơng tinh chi tiết. Công đoạn này thường được thực hiện với
thiết bị chuyên dùng hoặc bằng tay, việc hư hại sản phẩm rất dễ xảy ra. Do đó, các nhà chế
tạo mẫu xem cơng đoạn này có ý nghĩa lớn để có được sản phẩm hồn chỉnh. Những cơng
việc xử lý tinh cần thiết đối với một số hệ thống tạo mẫu nhanh chủ yếu được thể hiện ở bảng
2.1.
Bảng 2.1: Những công việc xử lý tinh cần thiết đối với một số hệ thống tạo mẫu nhanh.
Công việc xử lý tinh

Những cơng nghệ tạo mẫu nhanh
SLS

SLA

FDM

LOM

1. Làm sạch





-



2. Lưu hóa chất dẻo

-




-

-

3. Đánh bóng









Sau khi hồn thành việc chế tạo, chi tiết được tháo ra khỏi máy, tách bỏ các bộ phận
đỡ, làm sạch mẫu và loại bỏ phần vật liệu không cần thiết. Kế tiếp, chi tiết được tiếp tục xử lý
lưu hóa chất dẻo nhằm tăng khả năng kết dính của vật liệu. Cuối cùng, việc đánh bóng và sơn
sản phẩm nhằm cải thiện hình dáng và chất lượng bề mặt chi tiết. Ngồi ra, có thể sử dụng
những công đoạn khác như: khoan, tạo ren và đánh bóng đối với những bộ phận cần thiết của
chi tiết. Quá trình xử lý tinh thường thực hiện bằng tay và nhờ vào sự hỗ trợ của những công
cụ chuyên dùng.
Câu hỏi ơn tập
1. Cho biết 3 q trình tạo mẫu cơ bản?
2. Nêu 5 bước trong chuỗi quy trình cơng nghệ tạo mẫu nhanh? Trình bày cụ thể từng bước
trong chuỗi quy trình này?
13



3. Phân biệt việc làm sạch, lưu hóa chất dẻo, đánh bóng trong cơng đoạn xử lý tinh?
4. Ý nghĩa của công đoạn kiểm tra và chuẩn bị trong chuỗi quy trình tạo mẫu nhanh?
5. Hướng chế tạo chi tiết có ý nghĩa như thế nào đến q trình tạo mẫu nhanh?
6. Cơng đoạn nào kết thúc q trình tạo mẫu nhanh? Trình bày quan điểm của anh chị về ý
nghĩa của công đoạn này?

14


Chƣơng 3.

HỆ THỐNG TẠO MẪU NHANH DÙNG VẬT LIỆU LỎNG
Với hầu hết các hệ thống tạo mẫu nhanh dùng vật liệu lỏng, chi tiết được chế tạo trong
một bể chứa, chất lỏng được lưu hóa và hóa rắn dưới tác dụng của tia laser, thường trong dãy
UV. Tia laser lưu hóa lớp nhựa gần trên bề mặt và tạo nên một lớp được hóa rắn. Khi một lớp
chi tiết được chế tạo xong, bệ đỡ sẽ được hạ xuống nhờ vào một hệ thống nâng hạ, cho phép
lớp nhựa tiếp theo được tạo thành tương tự, tạo nên lớp phía trên lớp vừa tạo. Quá trình cứ
tiếp tục lặp lại cho đến khi chi tiết được chế tạo xong. Có sự khác biệt về kỹ thuật đối với các
hệ thống RP, do các thiết bị được tạo bởi các nhà sản xuất khác nhau, phụ thuộc vào loại tia
laser, phương pháp quét và phơi sáng, loại nhựa lỏng, dạng cơ cấu nâng hạ và hệ thống quang
học được sử dụng.
3.1. Phƣơng pháp tạo hình lập thể - SLA
3.1.1. Giới thiệu
Phương pháp tạo hình lập thể (SLA) được phát minh vào 1986 Charles W. Hull; sau
đó được tập đồn 3D System phát triển và thương mại hóa đến nay. Tập đồn 3D System
được sáng lập năm 1986 bởi Charles W. Hull và nhà doanh nghiệp Raymond S. Freed, đây là
công ty cung cấp thiết bị tạo mẫu nhanh và các phụ kiện liên quan hàng đầu trên thế giới.
Trong số những hệ thống tạo mẫu nhanh đã được thương mại hóa, SLA xuất hiện trên thị
trường vào năm 1988. Công ty này đã nhận được hơn 40 bằng sáng chế của Mỹ, hơn 20 bằng

sáng chế Quốc tế, và nhiều phát minh khác.
3.1.2. Đặc điểm
Tất cả các thiết bị tạo hình lập thể SLA đều có chung một nguyên lý cấu tạo, vật liệu
sử dụng chế tạo mẫu là nhựa lỏng cảm quang. Các loại nhựa có thể mua từ các nhà phân phối,
loại nhựa phụ thuộc vào tia laser được sử dụng trong thiết bị, yêu cầu cơ lý tính của sản phẩm.
Ngồi ra, dung mơi làm sạch được sử dụng để làm sạch, loại bỏ nhựa cịn sót lại trên chi tiết
sau khi hoàn thành việc chế tạo sản phẩm.
3.1.3. Quá trình chế tạo
Hệ thống SLA tạo ra chi tiết 3D bằng nhựa, trực tiếp từ dữ liệu CAD được thiết kế.
Quá trình bắt đầu với bể chứa đầy nhựa lỏng cảm quang, với bộ phận nâng hạ gắn liền bệ đỡ
chi tiết dưới bề mặt nhựa lỏng (Hình 3.1).

15


Hình 3.1: Q trình SLA.
Mơ hình 3D của chi tiết được thiết kế bằng phần mềm CAD, sau đó tệp CAD được tải
vào hệ thống. Bộ phận phụ trợ được thiết kế để gia cố cho chi tiết trong quá trình chế tạo. Bộ
chuyển đổi sẽ biến đổi dữ liệu CAD thành tệp có đi là *.STL. Bộ điều khiển cắt lớp mơ
hình và cấu trúc đỡ thành những mặt cắt có chiều dày từ 0,025 mm đến 0,5 mm. Hệ thống
quét quang học được điều khiển bằng máy tính, và hướng tiêu điểm của chùm tia laser đến bề
mặt chất lỏng, hóa rắn lớp mặt cắt ngang chi tiết theo 2 chiều tương ứng, độ sâu hóa rắn tương
ứng với bề dày lớp. Thiết bị điều khiển sau đó hạ xuống đủ để che phủ lớp vừa chế tạo, và trải
lên lớp vừa hóa rắn một lớp nhựa lỏng khác. Một thanh gạt di chuyển dọc bề mặt để san bằng
lớp nhựa lỏng, tia laser quét qua mặt cắt và tạo lớp tiếp theo. Quá trình này được lặp lại cho
đến chi tiết được hồn thành. Sau đó, chi tiết được lấy ra khỏi thùng chứa và được làm sạch
nhựa lỏng chưa lưu hóa.
Cấu tạo chung của hệ thống SLA gồm: máy tính, bảng điều khiển, nguồn phát laser, hệ
thống quang học, buồng chế tạo chi tiết. Một trong những phần mềm được sử dụng ở trạm
làm việc (workstation) cho hệ thống thiết bị SLA là MaestroTM gồm có những mơ đun chính

sau đây:
(1) Mơ đun 3D-verifyTM: Mơ đun này có thể được truy nhập để xác định tính trung thực
và cung cấp khả năng hiệu chỉnh tệp tin *.STL trước khi chi tiết được chế tạo, không
cần phải trả về phần mềm CAD thiết kế ban đầu. Những lổ hỗng giữa những tam giác,
những tam giác chồng chéo và dư thừa, hướng chi tiết không đúng là những sai sót
thường thấy và cần được xác định để sữa chửa, hiệu chỉnh.
(2) Mơ đun ViewTM: Mơ đun này có thể hiển thị tệp tin *.STL và tệp cắt lớp (SLI) dưới
dạng hình ảnh. Chức năng quan sát được dùng để kiểm tra, quan sát và định hướng
cho dữ liệu để có thẻ đạt được q trình chế tạo tối ưu.
(3) Mô đun Merge: Mô đun Merge được sử dụng để hợp nhất các tệp tin SLI với nhau
thành nhóm, để có thể sử dụng trong q trình tiếp theo sau.
(4) Mô đun VistaTM: đây là một công cụ tự động tạo ra những cấu trúc hỗ trợ, đỡ chi tiết
trong tệp tin của chi tiết. Hệ thống hỗ trợ giúp chi tiết được chế tạo chính xác, tạo liên
kết tạm thời chi tiết với bệ đỡ khi chi tiết ở trạng thái tự do, hoặc chỉ được tựa hay treo
trong mơ hình.
(5) Mơ đun Part ManagerTM: Dùng mơ đun này như là bước đầu tiên chuẩn bị chi tiết
cho việc chế tạo. Nó sử dụng một bảng liệt kê cho phép tải và cài đặt các thơng số kích
thước của tệp tin *.STL để có kiểu dáng và các thơng số chế tạo thích hợp.
(6) Mơ đun SliceTM: Đây là bước thứ hai để chuẩn bị chi tiết cho việc chế tạo. Cho phép
chuyển đổi các thơng số có trong mơ đun Part ManagerTM sang mơ hình mặt cắt ngang
3 chiều hoặc lớp.
(7) Mô đun ConvergeTM: Đây là bước thứ ba và cũng là bước cuối cùng của việc chuẩn
bị chi tiết để chế tạo. Mô đun này sẽ tạo ra tệp tin chế tạo chi tiết được sử dụng bởi
thiết bị SLA.
3.1.4. Nguyên lý làm việc
Hình 3.2 thể hiện cấu tạo và nguyên lý làm việc của một thiết bị tạo mẫu SLA. Quá
trình tạo mẫu nhanh SLA dựa trên 2 nguyên lý cơ bản sau:
 Chi tiết được chế tạo từ nhựa cảm quang được hóa rắn khi phơi sáng dưới tác dụng
của chùm tia laser quét ngang bề mặt nhựa lỏng.
 Việc chế tạo được thực hiện từng lớp, mỗi lớp được quét tia laser qua một hệ thống

quang học, và được điều khiển bởi một cơ cấu nâng hạ, để hạ xuống khi một lớp đã
được hoàn thành.
16


Hình 3.2: Nguyên lý làm việc của SLA.
Hai nguyên lý trên diễn tả một cách cơ bản của quá trình tạo mẫu nhanh. Nó hồn tồn
thích ứng cho hệ thống tạo mẫu bằng vật liệu lỏng. Nguyên lý thứ nhất liên quan đến nhựa
lỏng cảm quang (photopolymer) và quá trình quang hóa polymer (photopolymerization).
Nguyên lý thứ hai liên quan chủ yếu đến dữ liệu CAD, tia laser, sự điều khiển hệ thống quét
quang học, cũng như cơ cấu nâng hạ.
Vật liệu nhựa cảm quang
Nhựa lỏng cảm quang (photopolymer) có thể hóa rắn khi phơi sáng dưới tia sáng bức
xạ điện từ có bước sóng dài như: tia gamma, tia X, tia cực tím (UV), ánh sáng thấy được,
hoặc chùm tia điện tử (electron beam). Phần lớn các vật liệu nhựa lỏng cảm quang được sử
dụng trong hệ thống RP thương mại, gồm các máy SLA của công ty 3D System, có thể được
lưu hóa dưới tác dụng của tia tử ngoại (UV). Những loại nhựa lỏng này được tạo thành từ sự
phát quang và phản ứng giữa những chất lỏng đơn phân tử (monomer). Có thể thêm vào các
chất phụ gia, hoặc một số chất hóa học khác để đảm bảo được u cầu về tính chất cơ lý hóa.
Q trình lưu hóa nhựa cảm quang được xem như là một q trình quang - polymer hóa
(photopolymerization).
Sự trùng hợp bằng q trình quang hóa (photopolymerization)
Q trình quang - polymer hóa (photopolymerization) là quá trình liên kết các đơn
phân tử (monomer) thành chuỗi phân tử (polymer) có tác dụng của quang học. Khi chuỗi
polymer dọc liên kết với những chuỗi khác sẽ hình thành dạng chuỗi liên kết ngang của
polymer. Quang - polymer hóa là polymer hóa được bắt đầu bởi một q trình quang hóa nhờ
điểm xuất phát là sự cảm ứng từ năng lượng bức xạ.
Quá trình trùng hợp polymer thường phụ thuộc vào nguồn năng lượng có ích hay phản
ứng tỏa nhiệt. Trong đa số các trường hợp, polymer có tính ổn định, khơng xảy ra phản ứng ở
nhiệt độ mơi trường. Cần có chất xúc tác để q trình polymer hóa xảy ra ở một tốc độ thích

hợp. Chất xúc tác này thường là một gốc tự do được tạo ra từ nhiệt hoặc quang hóa. Nguồn
nhiệt cung cấp cho q trình quang hóa phát ra bức xạ, làm phản ứng quang hóa xảy ra dưới
tác dụng của lượng tử ánh sáng, và làm chất xúc tác cho quá trình trùng hợp.

17