Công ngh t o m u nhanh (Rapid Prototyping)

ng

Công ngh t o m u nhanh

MES

Nguy n V n T

Engineering Reviews


Nguy n V n T

Khoa C khí,

ng

i h c Nha Trang, Khánh Hòa, Vi t Nam

Tóm t t
S phát tri n c a t o m u nhanh (Rapid Prototyping- RP) có quan h m t thi t v i s
phát tri n ng d ng c a máy tính trong công nghi p. Vi c gi m giá thành c a các lo i
máy tính, đ c bi t là máy tính cá nhân và máy tính mini đã làm thay đ i ph ng th c làm
vi c các phân x ng c a các nhà máy.
Vi c gia t ng s d ng máy tính đã thúc đ y d ti n b trong nhi u l nh v c liên quan đ n
máy tính bao g m thi t k (CAD–Computer Aided Design), ch t o (CAM–Computer
Aided Manufacturing), gia công đi u khi n s nh máy tính (CNC – Computer Numerical
Control). C th , s n i lên c a h th ng RP không th thi u s hi n di n c a CAD. Tuy
nhiên t các nghiên c u trên hàng lo t các h th ng RP ngày nay, có th th y r ng ngoài

CAD, nhi u công ngh và các ti n b k thu t khác nh các h th ng ch t o và v t li u
c ng có tính quy t đ nh đ n s phát tri n c a h th ng RP.

1. Gi i thi u
Có th hi u t o m u nhanh là quá trình
t o m u s n ph m giúp cho nhà s n xu t
quan sát nhanh chóng s n ph m cu i
cùng. Quá trình này s d ng các thi t b
RP nh nh ng máy in ba chi u cho phép
ng i thi t k chuy n nh ng d li u
CAD 3D thành nh ng m u th c m t
cách nhanh chóng. Tùy thu c vào kích
th c và đ ph c t p c a m u mà th i
gian đ t o ra m t m u m i ch m t
kho ng t 3 – 72 gi , th m chí ít h n.
Nh v y, so v i vi c t o m u b ng máy
truy n th ng – th ng m t t nhi u tu n
đ n nhi u tháng – thì vi c t o m u b ng
RP nhanh h n r t nhi u. Do m t ít th i
gian nên RP giúp cho nhà s n xu t
nhanh chóng đ a s n ph m ra th tr ng
và gi m chi phí s n xu t. ó c ng là u
đi m n i b t c a quá trình t o m u
nhanh.

Copyright 2007 MES Lab. – Be Pro!

Trang 1

Hình 1: K thu t viên thao tác trên h th ng RP


2. Ba th i k c a quá trình t o m u
Quá trình t o m u đ c phân ra làm ba
th i k . Hai th i k sau ch m i ra đ i
trong kho ng 20 n m tr l i đây. T ng
t nh quá trình t o m u trên máy vi tính,
tính ch t v t lý c a m u ch đ c nghiên
c u phát tri n trong th i k th ba.
2.1 Th i k đ u :




Công ngh t o m u nhanh (Rapid Prototyping)

Th i k t o m u b ng tay.Th i k đ u
tiên ra đ i cách đây vài th k . Trong
th i k này, các m u đi n hình không có
đ ph c t p cao và ch t o m t m u
trung bình m t kho ng 4 tu n. Ph ng
pháp t o m u ph thu c vào tay ngh và
th c hi n công vi c m t cách-c c-k n ng-nh c.
2.2. Th i k th hai
Th i k ph n m m t o m u hay t o m u
o. Th i k th hai c a t o m u phát
tri n r t s m, kho ng gi a th p niên
70.Vi c ng d ng CAD/CAE/CAM đã
tr nên r t ph bi n. Ph n m m t o m u
s phác h a trên máy vi tính nh ng ý
t ng m i. Các m u này đ c x lý nh

m t mô hình v t lý: đ c ki m tra, phân
tích c ng nh đo ng su t và s đ c
hi u ch nh cho phù n u ch a đ t yêu c u.
Ch ng h n, vi c phân tích ng su t và
s c c ng b m t ch t l ng có th d
đoán chính xác đ c vì có th xác đ nh
chính xác các thu c tính và tính ch t c a
v t li u. H n n a, các m u trong th i k
này tr nên ph c t p h n nhi u so v i
th i k đ u (kho ng trên hai l n). Vì th ,
th i gian yêu c u cho vi c t o m u có
khuynh h ng t ng lên kho ng 16 tu n,
tính ch t v t lý c a m u v n còn ph
thu c vào các ph ng pháp t o m u c
b n tr c. Tuy nhiên, vi c v n d ng các
máy gia công chính xác đã c i thi n t t
h n các tính ch t v t lý c a m u.
Cùng v i s ti n b trong l nh v c t o
m u nhanh trong th i k th ba, có s
tr giúp r t l n c a quá trình t o m u o.
Tuy nhiên, v n còn tranh cãi v nh ng
gi i h n c a công ngh t o m u nhanh
nh : S gi i h n v v t li u (ho c b i vì
chi phí cao ho c cách s d ng cho t ng
v t li u không gi ng nhau đ t o chi ti t).
2.3 Th i k th ba:

Copyright 2007 MES Lab. – Be Pro!

Nguy n V n T


ng

Th i k c a quá trình t o m u nhanh.
Tính ch t v t lý t ng ph n c a s n ph m
trong quá trình t o m u nhanh c ng
đ c bi t đ n. Quá trình t o m u r ng
thích h p cho vi c s n xu t trên bàn
nâng hay công ngh s n xu t l p. Công
ngh này th hi n quá trình phát tri n t o
m u trong th i k th ba. Vi c phát
minh ra các thi t b t o m u nhanh là
m t d u m c quan tr ng. Nh ng phát
minh này đã đáp ng đ c yêu c u c a
gi i kinh doanh trong th i k này: gi m
th i gian s n xu t, t ng đ ph c t p c a
m u, và gi m chi phí. th i đi m này
ng i dùng yêu c u các s n ph m ph i
đáp ng c v ch t l ng l n m u mã,
nên m c đ ph c t p c a chi ti t c ng
t ng lên, g p ba l n m c đ ph c t p mà
các chi ti t đã đ c làm vào nh ng n m
70. Nh ng nh vào công ngh t o m u
nhanh nên th i gian trung bình đ t o
thành m t chi ti t ch còn l i 3 tu n so
v i 16 tu n th i k th hai. N m 1988,
h n 20 công ngh t o m u nhanh đã
đ c-nghiên-c u.

Hình 2: Thi t b RP c a th i k th ba


3. N n t ng c a quá trình t o m u
nhanh.

Trang 2




Công ngh t o m u nhanh (Rapid Prototyping)

3.1 M u hay m t b ph n chi ti t đ
thi t k trên h th ng CAD/CAM.

c

M u ph i th hi n đ y đ tính ch t v t
lý nh s n ph m th t th hi n b ng
nh ng m t cong khép kín v i kích th c
gi i h n rõ ràng. Do đó, ph i xác đ nh
các d li u bên trong, bên ngoài và c
ph m vi gi i h n c a m u. Tuy nhiên,
yêu c u này không c n thi t đ i v i mô
hình d ng kh i. Các mô hình d ng kh i
s t đ ng gi i h n th tích. Yêu c u này
đ m b o r ng t t c các m t c t ngang
đ u là nh ng đ ng cong kín đ t o ra
kh i v t th .
3.2 Mô hình d ng kh i hay mô hình b
m t s đ c chuy n sang file đ nh d ng

“. STL” (StereoLithography) mà các
file này kh i đ u các h th ng 3D.
File đ nh d ng .STL x p x các b m t
d i d ng các đa giác. Các m t cong b c
cao ph i dùng r t nhi u đa giác, đi u này
có ngh a là các file .STL dùng cho các
chi ti t m t cong ph i có dung l ng r t
l n. Tuy nhiên có m t vài h th ng t o
m u nhanh ch ch p nh n các d
li u .IGES (Initial-Graphic-Exchange
Specification) đ cung c p chính xác các
đ c tính.
3.3 Máy tính phân tích file .STL đ xác
đ nh rõ ràng mô hình cho s n xu t và
các l p m ng trên m t c t ngang.
B m t c t ngang đ c t o ra theo
ph ng pháp h d n xu ng trong su t
quá trình hóa c ng c a ch t l ng hay b t
và sau đó k t h p thành m u 3D. M t
kh n ng khác là b m t c t ngang có th
là nh ng l p m ng hay
d ng kh i,
nh ng l p m ng có th đ c liên k t v i
nhau đ hình thành nên m t m u 3D.
Các ph ng pháp t o m u t ng t khác
c ng có th dùng cho công vi c t o m u.

Copyright 2007 MES Lab. – Be Pro!

Trang 3


Nguy n V n T

ng

Nói m t cách khác, s phát tri n c a quá
trình t o m u nhanh đ c th hi n qua
b n m t c b n: d li u vào, ph ng
pháp t o m u nhanh, v t li u và các ng
d ng.
--D -li u-vào:
D li u 3D cung c p đ c chuy n đ n
b ng các tín hi u đi n t theo yêu c u đ
mô t các v n đ có liên quan đ n v t th .
Có th b t đ u t hai d ng mô hình sau:
mô hình trên máy tính hay m t mô hình
t v t th . H th ng CAD đã t o ra mô
hình trên máy tính d ng m t hay d ng
kh i. m t khía c nh khác, không ph i
t t c các mô hình t v t th đ u rõ ràng.
D li u c a nó thu đ c b ng m t
ph ng pháp g i là k thu t ng c.
Trong k thu t ng c, có th s d ng
các thi t b nh : máy đo t a đ và bút v
b ng-laser.
- Ph

ng pháp t o m u nhanh:-

-----.

Tùy t ng ph ng pháp x lý c a nhà s n
xu t mà ta có th phân tích thành m t s
d ng nh : x lý quang hóa (Photocuring), c t và dán liên k t (Cutting and
Glucing/Joining), nóng ch y và đông đ c
(Melting and Solidifying/Fusing),…
Vi c x lý quang hóa còn có th phân
tích thành t ng nhóm nh : chùm laser
đ n , chùm laser đôi và đèn m .
- V t li u:----------------------------------Tùy thu c vào nh ng nét đ c tr ng c a
v t li u ta có th l a ch n v t li u: d ng
kh i, d ng l ng hay d ng b t.
d ng
kh i, có th có các hình th c khác nhau
nh là: viên, dây hay phi n m ng. M t
s v t li u hi n đang đ c s d ng nh :
gi y, nilon, nh a, sáp, kim lo i, g m, …




Công ngh t o m u nhanh (Rapid Prototyping)

Nguy n V n T

ng

Cubital
3. Thi t b t o m u d ng kh i SCS c a
Sony
4. Thi t b in s d ng tia t ngo i t o v t

th

d ng kh i SOUP c a Misuibishi

5. Thi t b
Hình 3: RP có th t o các hình kh i ph c t p

t o

nh n i c a EOS

6. Thi t b t o nh kh i c a Teijin Seiki

4. Phân lo i:--------------------------------Do có nhi u ph ng di n s n xu t nên
hình thành nhi u lo i h th ng t o m u
nhanh trên th tr ng, đ phân lo i m t
cách bao quát các h th ng t o m u
nhanh, chúng ta d a trên c s v t li u
s n xu t. V i ki u phân lo i này, t t c
các h th ng t o m u nhanh có th d
dàng phân thành ba lo i
------------------:

7. Thi t b t o m u nhanh c a Meiko cho
ngành công nghi p đ

trang s c.

8. Thi t b t o m u nhanh SLP c a
Denken.

9. Thi t b t o m u nhanh COLAMM c a
Mitsui.
10. Thi t b t o m u nhanh LMS c a
Fockele và Schwarze----------------------11. Thi t b điêu kh c b ng ánh sáng

- D a trên c

s

v t li u d ng l ng.

- D a trên c

s

v t li u d ng kh i.

12. Thi t b hai chùm tia laser
4.2. Ph ng pháp RP d a trên c s
v t li u d ng kh i:

- D a trên c s v t li u d ng b t.

4.1. Ph ng pháp RP d a trên c s
v t li u d ng l ng:-----------------------------Các h th ng t o m u nhanh d a trên c
s v t li u l ng b t đ u v i v t li u
tr ng thái l ng. Quá trình t o m u là m t
quá trình l u hóa, v t li u chuy n đ i t
tr ng thái l ng sang tr ng thái r n. Sau
đây là m t s h th ng thi t b t o m u

nhanh d a trên c s v t li u d ng l ng:

Các h th ng t o m u nhanh v i v t li u
c b n d ng kh i có liên quan đ n t t c
các hình th c v t li u d ng kh i bao
g m các d ng: dây, cu n, lá m ng và
d ng viên. Sau đây là m t s h th ng
t o m u nhanh tiêu bi u cho ph ng
pháp này:-------------------------1. Thi t b t o l p m ng LOM c a
Helisys
2. Thi t b phun nhi u l p FDM c a

1. Thi t b t o m u l p th SLA c a 3D

Stratasys

Systems

3. Thi t b d p nóng có s d ng ch t liên

2. Thi t b x

lý d ng kh i SGC c a

Copyright 2007 MES Lab. – Be Pro!

Trang 4

k t SAHP c a KiRa-------------------------





Công ngh t o m u nhanh (Rapid Prototyping)

Nguy n V n T

ng

4. Thi t b t o m u nhanh c a Kinergy.

5.

5. Thi t b t o m u nhi u đ u phun MJM

5.1. úc khuôn v m ng------------------

c a 3D System------------------------------6. H th ng t o m u nhanh RPS c a
IBM.
7. Thi t b t o m u MM-6B c a công ty
Sanders Prototype--------------------------8. Thi t b t o m u nhanh Hot Plot c a

ng d ng--------------------------------

úc khuôn v m ng là m t quá trình đúc
chính xác đ ch t o là nh ng chi ti t có
hình dáng s c c nh t các h p kim. Hi u
qu ch y u khi áp d ng ph ng pháp
t o m u nhanh trong công ngh đúc
khuôn v m ng là kh n ng t o ra m u

có đ chính xác cao, chi phí th p và th i
gian đ t o m u ng n.

Sparx AB’s----------------------------------9. Thi t b t o m u nhanh Laser CAMM
c a Scale Model Unlimited
4.3. Ph ng pháp RP d a trên c s
v t li u d ng b t:-------------------------------Trong kh n ng đ c gi i h n, tr ng thái
b t v n còn đ c xem nh tr ng thái
kh i. Tuy nhiên, nó đ c t o ra trên ý
t ng v m t lo i thi t b không ph
thu c vào h th ng t o m u nhanh v t
li u tr ng thái kh i c s . Các h th ng
t o m u nhanh đ c tr ng cho ph ng
pháp này:======--------------------------1. Thi t b thiêu k t b ng laser SLS c a
DTM
2. Thi t b đúc khuôn v m ng tr c ti p
DSPC c a Soligen--------------------------3. Thi t b đ nh hình nhi u giai đo n hoá
c ng MJS c a Fraunhofer----------------4. H th ng các thi t b EOSINT c a
EOS.
5. Thi t b in phun (Ink-Jet) hay còn g i
là BPM c a BPM Technology------------6. Thi t b in ba chi u 3DP c a MIT

Copyright 2007 MES Lab. – Be Pro!

Trang 5

5.2. Ch t o d ng c -----------------------.
Ng i ta ng d ng công ngh t o m u
nhanh trong ch t o d ng c nh đi n
c c trong gia công tia l a đi n, ch t o

các khe h ho c ru t c a khuôn phun
nh a, ng d n h th ng đi u hòa nhi t
đ ,…
5.3.T o m u nhanh trong ch t o s n
xu t.
T o m u nhanh có th đ c s d ng cho
ch t o s n ph m. Cùng m t s n ph m
nh nhau có th có các đ ng c khác
nhau và nh ng nét k thu t khác nhau.
Các nét k thu t khác nhau có th đ n
gi n nh s khác nhau v v t li u, nút
b m, phích c m đi n, hay là màu s c
ho c c ng có th ph c t p nh s khác
nhau c u t o bên trong. Nh ng khác
bi t đó là c n thi t đ ph c v cho yêu
c u riêng c a ng i s d ng ho c đ
phân bi t nó. Thêm n a th i gian t n t i
c a s n ph m đang tr nên ng n h n
bu c ng i thi t k phát tri n nh ng s n
ph m m i trong m t kho ng th i gian
ng n. Trong quá trình phát tri n, m t
v n đ g p ph i là s l a ch n m t trong
hai vi c là: kéo dài th i gian phát tri n
ho c t ng ngu n l c s n xu t đ cho k p
th i h n. Trong hoàn c nh nh v y, th i




Công ngh t o m u nhanh (Rapid Prototyping)


gian bán s n ph m tr thành nhân t
quy t đ nh kh
n ng l i nhu n.
Th c tr ng này đòi h i nh ng thay đ i
nh th nào trên s n ph m đ c phát
tri n. Các nhóm khác nhau nh : nhóm
thi t k , k thu t, ti p th và nhóm s n
xu t ph i h p tác ch t ch h n n a cùng
h ng v m t m c tiêu chung và ho t
đ ng th ng nh t v i nhau. M c tiêu ph i
rõ ràng cho các nhóm có liên quan. N u
s c ng tác có hi u qu s tránh đ c
nh ng v n đ trong vi c truy n đ t
thông tin. T o m u nhanh cho m t mô
hình v t lý có th s d ng đ c ngay
nh là m t mô hình CAD 3D có s n. Mô
hình v t lý là m t công c truy n đ t
thông tin hoàn h o. N u hình nh b ng
m t ngàn l i nói thì mô hình v t lý b ng
m t ngàn hình nh. Thêm n a các v t
th ch t o b ng t o m u nhanh ngày
càng đ c s d ng th ng xuyên đ
ki m tra ch c n ng và có th ki m tra
tr c khi s n xu t hàng lo t. B ng cách
đó ng i ta có th k p th i phát hi n các
l i giai đo n khi mà s thay đ i ch a
t n kém l m. Nh ng yêu c u tinh t và
d hi u h n d n t i nh ng s n ph m t t
h n, đáp ng đ c đòi h i c a th tr ng.

Ng i ta
c l ng n u vi c s d ng
ph ng pháp t o m u nhanh có hi u qu ,
th i gian phát tri n cho các công c có
th gi m m t n a.
—

Hình 4: RP đáp ng nhanh nhu c u s n xu t

Copyright 2007 MES Lab. – Be Pro!

Trang 6

Nguy n V n T

ng

5.4.T o m u nhanh v i các công ngh
truy n th ng--------------------------------T o m u nhanh s không thay th hoàn
toàn các công ngh truy n th ng nh :
NC và cán t c đ cao ho c ngay c
nh ng ph n làm b ng tay, đúng h n nên
coi t o m u nhanh là m t s l a ch n
trong công c đ ch t o các b ph n.
Ng i ta cho r ng b ph n có th đ c
ch t o v i nh ng yêu c u v v t li u và
dung sai tr c không chu n, nh ng y u t
này ph thu c l n nhau. T o m u nhanh
cho th y l i th rõ ràng ph i sao chép
nhi u l n b

ph n ph c t p.
Ngoài ra, không th xác đ nh chính xác
s ph c t p c a b ph n. Nh ng ch c
ch n bao g m nh ng thành ph n sau:
kích c , mô hình, chi u cao, đ d y và
t ng s b m t trong mô hình CAD, yêu
c u v dung sai, ki u c a h th ng CAD
dùng đ t o công c .----------------------5.5. T o m u nhanh trong nh ng ng
d ng y h c----------------------------------------ng d ng ph ng pháp t o m u nhanh
trong y h c là m t l nh v c m i. Nhi u
ng d ng đã tr nên r t quan tr ng do s
h i t c a ba công ngh riêng bi t đó là:
hình nh n i soi, đ h a đi n toán, CAD
và t o m u nhanh. CT (ComputerAssisted
Tomography)
và
URI
(Magnectic Resonance Imaging) cung
c p nh ng hình nh đ gi i quy t t t
nh ng c u trúc bên trong c a c th con
ng i. Ví d các c u trúc c a x ng và
các c quan. Nh ng hình nh này đ c
x lý b ng nh ng công c ph n m m
thích h p. Nó có th chuy n k t qu cho
quá trình t o m u nhanh và t o ra v t th
v t lý, mô hình này đ c g i là mô hình
y h c. sau đây là m t s hình nh v t o
s ng i b ng RP.





Công ngh t o m u nhanh (Rapid Prototyping)

Nguy n V n T

ng

nh ng công c m i. Nh ng mô hình v t
lý c a c u trúc bên trong là c s đ h i
ch n và chu n b cho nh ng tr ng h p
ph u thu t ph c t p m t cách t t h n.
N u nh ng cu c ph u thu t có th đ c
th c hi n thành công nhi u h n thì chi
phí đi u tr và chi phí m gi m xu ng,
thêm n a nó s gi m đ c nh ng r i ro,
gi m đ c n i đau đ n c a ng i b nh,
c i thi n ch t l ng c a k t qu công
vi c.

Hình 5: ng d ng RP trong Y h c

Cùng v i vi c đó, nh ng công ngh này
cung c p cho bác s và nhà ph u thu t

Nguy n V n T

ng (ME)(t ng h p)

L u ý: Bài vi t đ c biên t p và thi t k b i MES Engineering Reviews, b n quy n thu c

MES Lab và tác gi . Ghi rõ ngu n khi b n phát hành l i file này.
MES Lab s h u trang tin và Di n đàn c a
C ng đ ng K s V t li u và C khí Vi t Nam.
Hãy gia nh p Di n đàn c a chúng tôi ngay hôm nay đ cùng chia s các v n đ chuyên
môn. B n luôn đ c hoan nghênh !

Copyright 2007 MES Lab. – Be Pro!

Trang 7