THiết kế và chế tạo máy in 3d
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.06 MB, 102 trang )
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH VẼ
1
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Công nghệ tạo mẫu nhanh:
1.1.1 Khái niệm:
Tạo mẫu nhanh (Rapid Prototying Technology - RPT) là phương pháp chế tạo
vật thể thật một cách tự động từ nguồn dữ liệu được thiết kế trên máy tính bằng
phương pháp đắp dần vật liệu theo từng lớp, với tốc độ nhanh hơn nhiều so với các
phương pháp gia công chế tạo thông thường. Những chiếc máy in 3 chiều này cho
phép người thiết kế có thể nhanh chóng tạo ra một thực thể chi tiết hay mô hình đúng
như thiết kế của họ. Sự phát triển của tạo mẫu nhanh có quan hệ mật thiết với sự phát
triển ứng dụng của máy tính trong công nghiệp. Việc gia tăng sử dụng máy tính đã
thúc đẩy sự tiến bộ trong nhiều lĩnh vực liên quan đến máy tính bao gồm:
Thiết kế (CAD–Computer Aided Design)
Chế tạo (CAM–Computer Aided Manufacturing).
Điều khiển số nhờ máy tính (CNC – Computer Numerical Control).
Một số khái niệm về tạo mẫu nhanh được đưa ra từ các giáo sư trên thế giới:
Fritz Kloeke – Giáo sư đại học Aechen: tạo mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu theo từng
lớp trực tiếp từ dữ liệu thiết kế 3D và là quá trình tạo mẫu không cần dùng khuôn và
dụng cụ.
Chris Zhang – Giáo sư đại học Saskatchewan: tạo mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu theo
nguyên tắc bồi đắp vật liệu.
Tery Wohler – Chủ tịch hiệp hội tạo mẫu nhanh thế giới: tạo mẫu nhanh là công nghệ
chế tạo mô hình vật lý hoặc mẫu sản phẩm từ dữ liệu thiết kế 3D trên máy tính hoặc từ
dữ liệu chụp cắt lớp điện toán CT, cộng hưởng từ MRI hoặc từ dữ liệu của các thiết bị
số hóa 3D.
1.1.2 Ba thời kì của quá trình tạo mẫu:
Quá trình tạo mẫu được phân ra làm ba thời kì. Hai thời kì sau chỉ mời ra đời trong
khoảng 20 năm trở lại đây. Tương tự quá trình tạo mẫu trên máy vi tính, tính chất vật
lý của mẫu chỉ được nghiên cứu phát triển trong thời kì thứ ba.
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Thời kì đầu: tạo mẫu bằng tay:
Thời kỳ đầu tiên ra đời cách đây vài thế kỷ. Trong thời kỳ này, các mẫu điển hình
không có 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 công việc một cách cực kỳ nặng
nhọc.
Hình 1.1: Thời kỳ tạo mẫu bằng tay
Thời kì thứ hai: sử dụng phần mềm tạo mẫu (tạo mẫu ảo).
Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển rất sớm, khoảng giữa thập niên 70. Thời
kỳ này đã có 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 mô hình vật lý: được kiểm tra, phân tích cũng như đo
ứng suất và sẽ được hiệu chỉnh cho phù ho nếu chúng chưa đạt yêu cầu. Thí dụ như
phân tích ứng suất và sức căng bề mặt chất lỏng có thể dự đoán chính xác được bởi vì
có 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. Vì thế, thời gian yêu
cầu cho việc tạo mẫu có khuynh hướng tăng lên, tính chất vật lý của mẫu vẫn còn phụ
thuộc vào các phương pháp tạo mẫu cơ bản trước. Tuy nhiên, việc vận dụng các máy
gia công chính xác đã cải thiện tốt hơn các tính chất vật lý của mẫu. Cùng với sự tiến
4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
bộ trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh trong thời kỳ thứ ba, có sự trợ giúp rất lớn của quá
trình tạo mẫu ảo. Tuy nhiên, vẫn còn tranh cãi về những giới hạn của công nghệ tạo
mẫu nhanh như: sự giới hạn về vật liệu (hoặc bởi vì chi phí cao hoặc cách sử dụng cho
từng vật liệu không giống nhau để tạo chi tiết), tính chất vật lý từng phần của sản
phẩm trong quá trình tạo mẫu nhanh cũng được tính đến.
Hình 1.2: Phần mềm tạo mẫu nhanh hay tạo mẫu ảo
Thời kì thứ ba: công nghệ tạo mẫu nhanh.
Quá trình tạo mẫu rỗng thích hợp cho việc sản xuất trên bàn nâng hay công nghệ
sản xuất lớp. Công 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. Thời kỳ thứ
ba cũng là thời kỳ bùng nổ mạnh mẽ của công nghệ và kinh tế thế giới. Vào thời điểm
này số lượng các nhà sản xuất, công ty, doanh nghiệp tăng lên không ngừng, tạo ra
môi trường cạnh tranh vô cùng quyết liệt. Việc đưa ra một sản phẩm mới ra thị trường
nhanh hơn các đối thủ đã trở nên quan trọng nếu không nói đó là vấn đề sống còn. Khi
một sản phẩm mới ra đời nó phải trải qua rất nhiều công đoạn bao gồm thiết kế, chế
5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
tạo, kiểm tra và tiếp thị. Để đưa sản phẩm ra thị trường nhanh chóng thì thời gian và
chi phí cho từng giai đoạn phải được rút ngắn triệt để. Năm 1988, hơn 20 công nghệ
tạo mẫu nhanh đã được nghiên cứu.
Hình 1.3: Tạo mẫu bằng công nghệ tạo mẫu nhanh.
1.1.3 Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh:
-
Thập niên 1980s: Khái niệm về in 3d được nhen nhóm bắt đầu từ năm 1976,
thời điểm máy in phun được phát minh. Bởi vì đến năm 1984, các cải tiến và
tiến bộ mới đối với đầu in phun đã giúp đưa công nghệ từ chỗ chỉ in được mực
đến in được cả các chất liệu khác. Trong những thập kỷ sau đó, các ứng dụng
của công nghệ in 3d đã không ngừng phát triển thông qua các ngành công
nghiệp khác nhau, từ cơ khí, ô tô, hàng không, y học, sản xuất đến thiết kế trang
-
sức.
Năm 1984 đánh dấu sự ra đời chính thức của công nghệ in 3d mà cha đẻ là kỹ
sư Charles Hull, người sẽ trở thành đồng sáng lập công ty 3D Systems sau này,
người phát minh ra công nghệ Stereolithography huyền thoại, cho phép in
những vật thể 3D phức tạp với độ chính xác cao từ dữ liệu số.
6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Hình 1.4: Kỹ sư Charles Hull - cha đẻ của công nghệ in 3D
-
Năm 1984 : Charles Hull phát minh ra công nghệ stereolithography, được cấp
-
bằng sáng chế năm 1987.
Năm 1991: Stratasys sản xuất máy in sử dụng công nghệ FDM đầu tiên trên thế
-
giới.
Năm 1992: Công ty 3d systems của Charles Hull sản xuất chiếc máy in 3D đầu
tiên dùng công nghệ SLA.
Hình 1.5: Tạo mẫu nhanh công nghệ SLA
-
Năm 1993: DTM sản xuất máy in đầu tiên dùng công nghệ SLS.
7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Hình 1.6: Tạo mẫu nhanh công nghệ SLS
-
Năm 1994: Máy in từ sáp của Model Maker ra đời.
Năm 1997: Công ty Aeromet phát minh ra công nghệ LAM (laser additive
-
manufacturing)
Năm 1999: Các nhà khoa học đã cấy thành công nội tạng từ tế bào của bệnh
-
nhân và dùng thanh đỡ in từ máy in 3D để chống đỡ các bộ phận này.
Năm 2000: Máy in phun 3D đầu tiên ra đời tại công ty Object Geometries.
-
Cùng năm này Zcorp phát minh ra máy in 3D màu multicolor.
Năm 2001 : Solidimension tạo ra chiếc desktop 3d printer đầu tiên.
Năm 2002: Các nhà khoa học dự định tạo ra cơ quan nội tạng bằng kích cỡ thật
-
và có thể hoạt động được. Một quả thận từ máy in 3D đã ra đời.
Năm 2005: Dr Adrian Bowyer ở trường đại học Bath thành lập Reprap project
-
để phổ cập công nghệ in 3D.
Năm 2008: Reprap Darwin là chiếc máy đầu tiên có thể tự in ra các bộ phận của
chính nó. Cùng năm Stratasys sản xuất thành công vật liệu in FDM có tính
tương hợp sinh học. (biocompatible). Một website điện tử dành cho thị trường
model in 3D mang tên Shapeways ra đời. Makerbot không hề thua kém cho ra
-
mắt trang Thingiverse để chia sẻ các model miễn phí dành cho việc in 3D.
Năm 2009: Makerbot bắt tay sản xuất bộ kit cải tiến máy Rerap cho đối tượng
-
người dùng lớn hơn. Bên Organovo cũng in thành công mạch máu đầu tiên.
Năm 2011: Chiếc ô tô đầu tiên in bằng công nghệ 3D ra đời.
8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
-
Năm 2012: LayerWise in thành công bộ xương hàm ở Hà Lan.
Qua sự hình thành và ra đời của các công nghệ tạo mẫu nhanh ta thấy có 5
công nghệ tạo mẫu nhanh chính đó là SLA, SLS, LOM, 3DP, FDM. Ngoài ra có
nhiều công nghệ khác nhưng chủ yếu vẫn dựa cơ bản trên 5 loại công nghệ trên.
1.1.4 Quá trình tạo mẫu nhanh:
Hầu hết tất cả các quá trình tạo mẫu nhanh đều thường bao gồm 5 bước cơ bản:
Bước 1: Mẫu hay một bộ phận chi tiết được thiết kế trên hệ thống CAD (Computer
Aided Design).
Mẫu phải thể hiện đầy đủ tính chất vật lý như sản phẩm thật thể hiện bằng những
mặt cong khép kín với kích thước giới hạn rõ ràng. Mẫu có thể được tạo bởi các phần
mềm CAD bất kỳ như: Solidworks, Inventor, Pro/Engineer, …
Bước 2: Mô hình dạng khối hay mô hình bề mặt sẽ được chuyển sang file định dạng
“.STL” (Stereo Lithography).
Những phần mềm CAD khác nhau sử dụng những thuật toán khác nhau để đặc
trưng cho vật thể. Vì thế định dạng STL ra đời để thiết lập một sự đồng nhất và tạo
một chuẩn riêng cho ngành công nghiệp tạo mẫu nhanh. Trong định dạng STL, vật thể
được đặc trưng dưới dạng các mặt tam giác, một file .STL sẽ bao gồm tọa độ các đỉnh
hướng của các tam giác. Do file .STL sử dụng các phần tử mặt phẳng để định nghĩa
vật thể nên không thể hình thành các đường cong chính xác. Do đó số lượng các tam
giác càng nhiều sẽ khiến tăng độ chuẩn xác so với vật thể thiết kế, nhưng đồng thời
cũng làm tăng kích thước file .STL và tăng thời gian xử lí cắt lớp và tạo hình vật thể.
Từ khi ra đời, định dạng file .STL đã tạo thành một chuẩn chung cho tất cả các công
nghệ ứng dụng trong ngành công nghiệp tạo mẫu nhanh.
Bước 3: Cắt lớp file .STL theo độ dày thích hợp:
Ở bước này, phần lớn các phần mềm cắt lớp đều yêu cầu phải định dạng chính
xác vị trí, kích thước và hướng quay của vật thể cần tạo hình. Hướng quay là một yếu
tố cực kì quan trọng trong quá trình cắt lớp vì nó sẽ quyết định tính chất của vật thể
được tạo thành. Do đặc trưng đắp dần các lớp vật liệu nên thường phương z là phương
9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
chịu lực chủ yếu nhất của vật thể tạo thành từ công nghệ tạo mẫu nhanh nên cần xác
định rõ chức năng của chi tiết để có thể xác lập hướng quay của chi tiết một cách hợp
lý nhất. Hơn nữa để tiết kiệm thời gian cắt lớp cũng như tạo hình chi tiết người ta
thường chọn hướng quay sao cho số lớp mặt cắt là ít nhất. Thường thì các phần mềm
cắt lớp cắt vật thể thành các lớp có độ dày từ 0.01 đến 0.7 mm, phụ thuộc vào công
nghệ tạo mẫu sử dụng. Do đó, mỗi công nghệ tạo mẫu nhanh thường có phần mềm cắt
lớp riêng biệt.
Bước 4: Xây dựng mô hình từng lớp liên tiếp xếp chồng lên nhau để tạo hình vật thể.
Đây là quá trình điều khiển các trục để tạo hình cho từng lớp vật liệu. Hầu hết
các máy tạo mẫu nhanh đều thực hiện quá trình này một cách hoàn toàn tự động, rất ít
sự can thiệp của con người.
Bước 5: Làm sạch và hoàn chỉnh sản phẩm:
Vật thể tạo thành được lấy ra khỏi máy và đưa vào công đoạn hậu xử lí để tăng
tính thẩm mỹ cũng như độ bền của sản phẩm.
1.1.5 Phân loại:
Do có 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
thống
tất cả các hệ
tạo
mẫu
nhanh có thể
dễ dàng
phân
thành
ba
loại:
Hình 1.7: Các loại công nghệ tạo
mẫu nhanh
1.1.6 Một số loại công
nghệ in 3D:
Phương pháp thiêu kết
Laser chọn lọc SLS
10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Nguyên lý làm việc:
Phương pháp SLS sử dụng tính chất của vật liệu bột là có thể hóa 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 công tác bằng một trống định mức. Sau đó, tia laser
hóa rắn (kết tinh) phần bột nằm trong đường biên của mặt cắt (không thực sự làm chảy
chất bột), làm cho chúng dính chặt ở những chỗ có bề mặt tiếp xúc. Trong một số
trường hợp, quá trình nung chảy hoàn toàn hạt bột vật liệu được áp dụng.
Quá trình kết tinh có thể được điều khiển tương tự như quá trình polymer hoá
trong phương pháp tạo hình lập thể SLA. Sau đó 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 hoàn thành.
Trong quá trình chế tạo, những phần vật liệu không nằm trong đường bao mặt cắt
sẽ được lấy ra sau khi hoàn thành chi tiết, và được xem như bộ phận phụ trợ để cho lớp
mới được xây dựng. Điều này có thể làm giảm thời gian chế tạo chi tiết khi dùng
phương pháp này.
Phương pháp SLS có 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 có những lỗ hỗng nhỏ trên bề mặt nên cần phải xử lý sau
khi chế tạo (xử lý tinh).
11
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Hình 1.8: Công nghệ tạo mẫu SLS
Vật liệu sử dụng: Polycacbonate (PC), nylon, sáp, bột kim loại (copper
polyamide, rapid steel), bột gốm (ceramic), glass filled nylon, 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 CO2 theo các bước
sau:
-
Bước 1: Một lớp vật liệu bột nóng chảy được đặt vào buồng chứa sản phẩm
Bước 2: Lớp vật liệu bột đầu tiên được quét bằng tia laser CO2 và đông đặc lại.
-
Vật liệu bột không được xử lý sẽ được đưa trở về thùng chứa liệu.
Bước 3: Khi lớp thứ nhất đã hoàn thành thì lớp vật liệu bột thứ hai được cấp
-
vào thông 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 hoàn
thành.
Sau khi quá trình kết thúc, sản phẩm được lấy ra khỏi buồng xử lý và có thể qua
giai đoạn hậu xử lý hoặc đánh bóng lại như phun cát tùy từng ứng dụng của sản
phẩm.
12
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Ưu điểm và nhược điểm:
Ưu điểm:
-
Số lượng vật liệu đưa vào cao làm quá trình tạo mẫu diễn ra nhanh chóng
Vật liệu đa dạng, không đắt tiền
Không cần cơ cấu hỗ trỡ
Giảm sự bóp méo do ứng suất
Giảm các giai đoạn hậu xử lý
Chế tạo cùng lúc nhiều chi tiết
Nhược điểm:
Độ bóng bề mặt thô
Bề mặt chi tiết rổ
Lớp đầu tiên đòi hỏi đế nhựa để giảm ảnh hưởng nhiệt
Mật độ chi tiết không đồng nhất
Phương pháp tạo mẫu nhanh SGC (Solid Ground Curing)
-
Nguyên lý làm việc của SGC như sau:
13
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Hình 1.9: Nguyên lý làm việc SGC
Chi tiết được xây dựng từng lớp một từ vật liệu lỏng photopolymer. Vật liệu này
sẽ bị động cứng dưới tác dụng của tia cực tím.
Các bước cơ bản được tiến hành như sau:
-
Bước 1: Chuẩn bị dữ liệu, tạo mặt nạ và tạo mẫu. Mặt nạ này được tạo từ dữ liệu CAD
nhập và in trên một nền trong suốt (thủy tinh) bằng phương pháp tĩnh điện, giống như
quá trình được sử dụng trong máy photocopy và máy in laser. Một lớp màu đen sẽ phủ
lên toàn 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. Lớp màu đen này có
-
thể xóa được để tạo mặt nạ cho những lớp vật liệu tiếp theo.
Bước 2: 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 đông đặc
-
nhanh chóng, cùng lúc này hình ảnh trên tấm thuỷ tinh.
Bước 3: Vật liệu dư không bị đông đặc sẽ được thu hồi lại, và khoảng trống xung
quanh sản phẩm đang được chế tạo sẽ được điền đầy bằng sáp (wax), có tác dụng như
là bộ phận hỗ trợ trong suốt quá trình tạo sản phẩm.
Để đảm bảo cho quá trình hoá rắn nhanh, sáp lỏng được đông đặc bằng một tấm
làm nguội sáp. Sau đó, đầu phay sẽ làm nhẵn bề mặt sản phẩm và xác định đúng bề
dày của một lớp. Bộ phận đỡ sản phẩm sẽ dịch xuống đúng bằng chiều dày của một
lớp và quá trình được lặp lại cho đến khi hoàn thành sản phẩm.
Ưu và nhược điểm của phương pháp SGC.
Ưu điểm:
-
Hệ thống xử lý song song: quá trình tạo mẫu và xử lý tinh xảy ra song song do đó
-
tiết kiệm thời gian từ 25-50%, giảm ứng suất bên trong và độ cong vênh sản phẩm
Đặc tính sản phẩm đồng nhất
Có thể chế tạo cùng lúc nhiều sản phẩm.
Nhược điểm:
-
Giá thành hơi cao, thiết bị làm việc hơi ồn
Giá thành hợi cao, thiết bị làm việc hơi ồn
Vật liệu sử dụng bị hạn chế.
Phải qua giai đoạn hậu xử lý
14
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
-
Chi phí vận hành và bảo trì cao
Phải lấy sáp ra khỏi sản phẩm khi chế tạo xong.
Các lĩnh vực ứng của phương pháp SGC:
-
Trong những ứng dụng chung như: kiểm tra kỹ thuật, phân tích chức năng, trưng
-
bày sản phẩm, nghiên cứu thị trường…
Tạo mẫu đúc và tạo công cụ: đúc khuôn mẫu chảy, đúc khuôn cát, sản xuất tự do
-
công cụ nhanh bằng vật liệu nhựa
Tạo khuôn và công cụ: tạo công cụ bằng vật liệu Silicon-Rubber, epoxy, phun kim
-
loại, acrylic, khuôn đúc thạch cao.
Tạo khuôn và công cụ: tạo công cụ bằng vật liệu Silicon-Rubber, epoxy, phun kim
loại, acrylic, khuôn đúc thạch cao.
- Ứng dụng trong y học: chuẩn đoán, phẫu thuật, thiết kế các bộ phận giả thay thế.
Phương pháp tạo mẫu nhanh LOM:
Đầu tiên, thiết bị nâng (đế) ở vị trí cao nhất cách con lăn nhiệt một khoảng bằng
đúng độ dày của lớp vật liệu, tiếp theo con lăn nhiệt sẽ cán lớp vật liệu này, dưới bề
mặt của vật liệu có chất kết dính mà khi được ép và gia nhiệt bởi trục lăn nó 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 mô hình đã tạo từ CAD. Vật liệu được cắt bởi tia laser
theo đường viền của mặt cắt lát. Phần vật liệu dư sẽ được thu hồi bằng con lăn hồi liệu.
Sau đó đế hạ xuống cấu nâng hạ xuống thấp và vật liệu mới được nạp vào, cơ cấu lại
nâng lên chậm đến vị trí thấp hơn chiều cao trước đó, trục cán sẽ tạo liên kết giữa lớp
thứ hai với lớp thứ bằng đúng chiều dày lớp vật liệu kế tiếp. Chu kỳ này được lặp lại
cho đến khi kết thúc.
15
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Hình 1.10: Nguyên lý quá trình LOM
Những vật liệu dư đóng vai trò như cơ cấu phụ trợ để đỡ cho chi tiết. Vật liệu dư
này cũng được cắt thành những đường ngang dọc (cross-hatch). Những đường giao
tuyến song song này làm bong những vật liệu dư để nó được lấy đi dễ dàng sau khi chế
tạo. Sau đó, bề mặt của chi tiết có thể được đánh bóng, xi mạ, hoặc sơn
Theo nguyên tắc tất cả các vật liệu dạng tấm đều có thể sử dụng cho hệ thống
LOM. Nhưng thông thường LOM sử dụng nhiều nhất là giấy, plastic, gốm và vật liệu
composite.
16
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Hình 1.11: Máy tạo mẫu LOM.
Một số ưu nhược điểm của phương pháp LOM:
Ưu điểm:
-
Vật liệu đa dạng, rẻ tiền. Về nguyên tắc có thể sử dụng các loại vật liệu: giấy, chất
-
dẻo, kim loại, composites và gốm.
Độ chính xác cao đạt được tốt hơn 0,25 mm. Bằng việc cắt vật liệu thay vì hóa rắn
-
nó, hệ thống có thể bảo vệ được những đặc tính ban đầu của vật liệu.
Không cần thiết kết cấu hỗ trợ.
Tốc độ cao, nhanh hơn các phương pháp tạo lớp khác bởi vì tia laser không cắt
toàn bộ diện tích mà chỉ quét theo chu vi bên ngoài. Do đó, vật liệu dày và mỏng
-
có tốc độ cắt bằng nhau.
Không có sự thay đổi pha trong quá trình chế tạo chi tiết nên tránh được độ co rút
-
của vật liệu.
Không độc hại và ô nhiễm môi trường.
Nhược điểm:
-
Không thu hồi được vật liệu dư. Sự cong vênh của chi tiết thường là vấn đề chính
-
của phương pháp LOM.
Độ bóng bề mặt không cao.
-
Lấy sản phẩm ra khỏi kết cấu hỗ trợ khó khăn.
1.1.7 Tầm quan trọng và ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh:
17
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Tạo mẫu nhanh -in 3D được đánh giá là một trong 10 công nghệ tiêu biểu đến
năm 2020 . Sở hữu nhiều tính chất ưu việt so với phương pháp tạo mẫu truyền thống,
tạo mẫu nhanh đang dần được ứng dụng rộng khắp trong nhiều ngành sản xuất, tiếp
thị, quốc phòng, y tế…
Hình 1.12: Ứng dụng chế tạo sản phẩm
Truyền đạt thiết kế
Tạo mẫu nhanh là phương án truyền đạt ý tưởng tuyệt vời nhất giữa các nhà thiết
kế. Mô hình “thật” của sản phẩm giúp nhóm thiết kế đánh giá kiểu dáng và phát hiện
các sai sót tiềm ẩn dễ dàng hơn so với việc kiểm tra trên mô hình 3D.
Hình 1.13: Ứng dụng truyền đạt thiết kế
Tiếp thị sản phẩm:
18
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Sản phẩm tạo mẫu nhanh hoàn toàn có khả năng thể hiện màu sắc cũng như
tương quan lắp ghép. Các thống kê cho thấy tạo mẫu nhanh sẽ tiết kiệm được 30% –
50% chi phí trong quá trình giới thiệu sản phẩm mới cho nhà đầu tư. Một điều quan
trọng nữa, sản phẩm tạo mẫu nhanh giúp tăng độ tin cậy của khách hàng trong việc lựa
chọn và định giá sản phẩm.
Hình 1.14: Ứng dụng tiếp thị sản phẩm
Kiểm tra chức năng làm việc của sản phẩm:
19
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Hình 1.15: Ứng dụng kiểm tra sản phẩm
Dựa vào mô hình 3D rất khó để đảm bảo sản phẩm khi sản xuất ra có thể đáp ứng
được các yêu cầu về thao tác làm việc, lắp ghép… đặc biêt với các chi tiết cam, trục
lệch tâm hay khớp nối, cần điều khiển.Công nghệ tạo mẫu nhanh hiện nay có thể “in
3d” các chi tiết lắp ghép, thậm chí với nhiều màu sắc khác nhau.
Tạo công cụ gia công:
Tạo mẫu nhanh được ứng dụng rất mạnh mẽ trong việc chế tạo các chi tiết làm
khuôn đúc silicon, composite, tạo hình chân không…
Hình 1.16: Ứng dụng tạo khuôn
Hổ trợ đắc lực cho y học:
Trong lĩnh vực y học, công nghệ tạo mẫu nhanh được dùng để chế tạo các mô
hình y học, các bộ phận cấy ghép thay thế xương và các công cụ trợ giúp phẫu thuật.
Xương nhân tạo: Có những vụ tai nạn gây vỡ một phần xương trên cơ thể và
không thể phục hồi . Yêu cầu đặt ra là phải tái tạo lại được phần xương tương ứng để
cấy ghép với độ chính xác cao. Để làm được điều đó, người ta sử dụng đến kỹ thuật
ngược. Công nghệ tạo mẫu nhanh cũng được sử dụng rộng rãi trong nha khoa.
20
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Hình 1.17: Ứng dụng làm xương nhân tạo
Cung cấp mô hình triển lãm:
Công nghệ tạo mẫu nhanh cho phép tạo ra các mô hình tòa nhà, tượng đài, hình
nhân thu nhỏ với tỷ chính xác hơn hẳn các phương pháp thủ công. Trong ngành khảo
cổ học, có những vật người ta cần tạo ra một bản sao để trưng bày, mục đích là để bảo
tồn bản gốc quý giá và dễ hư tổn. Để làm được những việc đó người
ta sử dụng công nghệ Scan laser lấy lại hình dáng của vật, sau đó sử dụng phần mềm
CAD/CAM thiết kế và gia công tạo lại hình dáng của sản phẩm và cuối cùng sử dụng
màu sắc để làm cho vật có hình dạng giống với vật mẫu.
21
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Hình 1.18: Ứng dụng tạo mô hình triển lãm
1.2 Phương pháp tạo mẫu nhanh FDM:
1.2.1 Khái niệm và nguyên lý hoạt động:
Khái niệm:
FDM là viết tắt của cụm từ Fused Deposition Modeling được hiểu là tạo mô hình
bằng cách đùn dây nhựa nóng chảy theo từng lớp.
Công nghệ FDM được S.Scott Crump phát minh ra vào năm 1988. Năm 1989 S.
Scott Crump được cấp bằng sáng chế và cùng vợ là Lisa Crump đồng sáng lập công ty
Stratasys. Năm 1992 – Stratasys bán chiếc máy FDM đầu tiên có tên là “3D Modeler”
và sau này trở thành công nghệ chủ đạo trong lĩnh vực in 3D cho đến ngày nay.
Nguyên lý hoạt động:
Công nghệ FDM là công nghệ đặc trưng của công nghệ tạo mẫu nhanh. Nguyên
lý chung của công nghệ này là đùn vật liệu dạng sợi để tạo thành các mặt cắt của mẫu.
Nguyên liệu mà công nghệ FDM sử dụng là sợi dây nhựa. Sợi dây nhựa được cung cấp
22
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
cho đầu đùn nhờ động cơ cuốn. Đầu đùn được làm nóng tới nhiệt độ thích hợp để sợi
dây nhựa tan chảy và đùn ra ngoài.
Hình 1.19: Nguyên lý in 3D theo công nghệ FDM
Đầu đùn này có thể di chuyển độc lập theo hai phương X, Y (giống như máy
CNC) tạo nên hình dạng một mặt cắt của vật thể. Để làm lớp tiếp theo thì bàn nâng
mang lớp trước đi xuống một khoảng rất nhỏ (0.1- 0,3mm) và đầu đùn lại tiếp tục đắp
một lớp mặt căt tiếp theo lên lớp trước. Quá trình hoàn thành khi tất cả các mặt cắt đắp
lên nhau.
1.2.2 Vật liệu dùng trong FDM:
Vật liệu dùng trong công nghệ FDM là loại vật liệu nhiệt dẻo chẳng hạn như,
ABS (acrylonitrile butadiene styrene), PLA (polylactic axit), nylon, Ninjaflex vật liệu
y sinh ... Các đặc trưng của vật liệu dùng trong công nghệ FDM:
Khả năng hoá dẻo:
23
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Là khả năng biến đổi trạng thái từ dạng rắn sang dạng chảy dẻo dưới tác dụng
của nhiệt độ cao. Khả năng này giúp ta có thể dễ dàng định hình vật liệu và điều phối
thể tích vật liệu theo ý muốn. Điều này mang tính quyết định trong việc hình thành
chiều dày lớp tạo hình, thông qua đó sẽ quyết định khả năng thích ứng biên dạng của
công nghệ tạo mẫu đối với những vật thể có biên dạng hình học phức tạp.
Khả năng và thời gian đông cứng:
Sau khi được gia nhiệt và định hình theo ý muốn thì vật liệu sẽ tiếp xúc với môi
trường không khí ở nhiệt độ phòng. Khi đó vật liệu phải đông cứng trở lại. Thời gian
đông cứng của vật liệu phải thật nhanh, thường phải thấp hơn 10s. Tính đông cứng này
giúp vật liệu có độ cứng vững cần thiết sau mỗi lớp mỏng tạo hình cho đối tượng tạo
mẫu. Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với độ chính xác về mặt hình dáng hình học
sau cùng của mẫu.
Khả năng liên kết:
Chính là khả năng kết dính bề mặt của 2 lớp vật liệu mỏng liền kề nhau trong quá
trình tạo mẫu. Hai lớp vật liệu này có thể ở 2 nhiệt độ khác nhau, 2 trạng thái vật lí
khác nhau.Tính chất này mang ý nghĩa quan trọng đối với cơ tính, độ cứng vững của
sản phẩm tạo hình khi hoàn thành.
Độ nhớt của vật liệu:
Độ nhớt của vật liệu sẽ quyết định khả năng di chuyển của dòng vật liệu khi ở
trạng thái chảy dẻo dưới tác dụng của nhiệt độ. Điều này có ý nghĩa quan trọng trọng
việc xác định mức độ lực cần thiết để đẩy dòng vật liệu với một vận tốc xác định
trước, do đó nó sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc và kích thước cụm đầu đùn vật liệu của máy
tạo mẫu nhanh.
Trong tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM hiện nay, người ta dùng chủ yếu hai
loại nhựa đó là ABS và PLA. Các loại dây nhựa này có kích thước đường kính dây là
1,75 và 3mm, rất đa dạng về màu sắc, được đóng gói thành từng cuộn có trọng lượng
là 1kg. Thông thường, những người mới tìm hiểu về tạo mẫu nhanh cho rằng sử dụng
sợi nhựa 1.75mm sẽ tạo ra những sản phẩm tạo mẫu nhanh có chất lượng cao hơn so
với loại 3mm. Kéo theo nhu cầu về sợi nhựa1.75mm cũng cao hơn hẳn. Tuy nhiên, sợi
24
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
nhựa kích thước 1.75mm không mang lại ưu thế vượt trội hơn hẳn so với loại 3mm,
mỗi loại sẽ có những ưu nhược điểm riêng.
Bảng 1.1: So sánh vật liệu ABS và PLA
1.2.3 Ưu – nhược điểm của phương pháp FDM:
Ưu điểm:
- Sử dụng phương pháp nung chảy vật liệu thông thường bằng các loại điện trở
nhiệt, không cần sử dụng nguồn lazer nên có chi phí lắp đặt, bảo trì, sửa chữa
-
thấp.
Nhiệt độ nóng chảy khi gia công thấp, vật liệu sử dụng không độc hại.
Vật liệu dễ tìm kiếm với giá thành trung bình thấp, lại có nhiều loại và màu sắc
-
khác nhau nên có thể linh hoạt trong việc lựa chọn và thay đổi vật liệu.
Tạo sản phẩm với tốc độ nhanh, giá thành rẻ, có chất lượng cao và đảm bảo đến
85% tính chất của vật liệu được sử dụng. Nâng cao khả năng chế tạo các sản
-
phẩm 3D phức tạp và tính linh hoạt trong việc đáp ứng của sản phẩm.
Sử dụng vật liệu với năng suất cao nhất vì dễ dàng loại bỏ vật liệu đỡ và có khả
năng tái chế (vật liệu đỡ, vật liệu loại bỏ từ quá trình hậu xử lý).
25
