Giáo trình Các phương pháp gia công đặc biệt

dao cắt cĩ thể lên đến vài chục nghìn vịng/phút. Tạo “khuơn nhanh” (Rapid tooling) hoặc “mẫu nhanh” (Rapid prototyping) đều là bước phát triển mới của CAD (Computer Aided Design). Nếu cĩ thiết bị tạo mẫu nhanh (thiết bị RPT) nối ghép với máy tính thì từ những hình thể 3D được thiết kế và mơ tả trên màn hình cĩ thể nhanh chĩng tạo ra vật thể 3 chiều thực, sờ thấy được, trên thiết bị RPT. Cho nên người ta cịn gọi thiết bị RPT là “máy in 3 chiều” (Three dimension printer). Đặc điểm của phần lớn các phương pháp PRT là chế tạo ra các mẫu bằng cách đắp thêm vật liệu theo từng lớp. Muốn vậy phải cắt mơ hình 3D đã thiết kế bằng CAD ra thành các lớp cĩ chiều dày xác định. Để cho thuận tiện, trước khi cắt lớp, người ta chuyển mơ hình 3D sang dạng tệp đặc biệt, ví dụ tệp STL. Cho đến nay cĩ hàng chục phương pháp RPT phụ thuộc vào khả năng tạo lớp của vật liệu được sử dụng. Dưới đây trình bày sơ lược về bản chất của một số phương pháp thơng dụng. Phương pháp SLA (Stereo lithography apparatus) tạo ra các mẫu từ vật liệu cao su bắt sáng (photocurable resin) lỏng. Khi nguồn laser, được điều khiển theo tín hiệu của máy tính, quét phủ mặt cắt ngang của mơ hình 3D làm hố cứng một lớp. Sau đĩ thùng đựng cao su lỏng hạ xuống một nấc và cứ thế dần dần sẽ hình thành mẫu theo từng lớp một Phương pháp SGC (Solid Ground Curing) cũng là phương pháp làm khơ cứng từng lớp. Khác với SLA, ở đây khơng sử dụng nguồn laser điểm mà dùng chùm ánh sáng cực tím chiếu lên tồn bề mặt, đã được che chắn qua một mặt nạ (mask). Phần vật liệu hở sáng sẽ đơng cứng thành một lớp. Mặt nạ là một tấm phim âm bản của tiết diện được cắt. Phương pháp LOM (Laminated Object Manufacturing) dùng vật liệu dạng tấm cĩ phủ keo dính (chủ yếu là giấy nhưng cũng cĩ thể dùng tấm nhựa, tấm kim loại v.v.). Nguồn Laser tạo ra từng lớp mặt cắt bằng cách cắt tấm vật liệu theo đường biên của mặt cắt vật thể. Các lớp mặt cắt được dán lần lượt chồng lên nhau nhờ hệ thống con lăn gia nhiệt Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering) là phương pháp thiêu kết bằng tia Laser. Sau khi con lăn trải ra trên mặt bàn cơng tác một lớp bột với chiều dày đã định trước, nguồn Laser sẽ quét phủ trên bề mặt cần tạo lớp. ở vùng đĩ các hạt vật liệu sẽ dính kết vào nhau tạo thành một lớp. Mỗi bước di chuyển thẳng đứng của hệ thống thiết bị sẽ hình thành ra lớp tiếp theo Phương pháp 3D Printing hoạt động theo nguyên tắc in “phun mực”. Một loại mực keo đặc biệt được phun lên lớp bột nhựa đã được trải phẳng và hố cứng. Như thế là chúng đã tạo ra một lớp và từng lớp dần dần tạo ra vật thể. Phương pháp FDM (Fused Deposition Manufacturing) dùng vật liệu dạng dây dễ chảy, ví dụ nhựa ABS. Như mơ tả trên hình 4, sợi dây qua đầu gia nhiệt sẽ hố dẻo và được trải lên mặt nền theo đúng biên dạng mặt cắt của mẫu, theo từng lớp cĩ chiều dày bằng chiều dày lớp cắt. Nhựa dẻo sẽ liên kết theo từng lớp cho đến khi tạo xong mẫu 1.Lịch sử phát triển Việc chế tạo máy tính, nổi bậc là máy tính cá nhân (PC) và máy tính mini đã làm thay đổi các phương thức làm việc ở xí nghiệp. Đặc biệt là máy tính đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: thiết kế (CAD – Computer Aided Design), chế tạo (CAM – Computer Aided Manufacturing), gia cơng điều khiển số nhờ máy tính (CNC – Computer Numerical Control). Và hệ thống tạo mẫu nhanh ra đời với sự tạo mẫu trên mơi trường CAD. Bảng 1.1 chỉ ra lịch sử phát triển của nhiều cơng nghệ khác nhau từ việc đánh giá bắt đầu các giai đoạn. Bảng 1.1. Lịch sử phát triển của tạo mẫu nhanh và các cơng nghệ liên quan. Năm Cơng nghệ 1770 1946 1952 1960 1961 1963 1988 Cơ giới hĩa Máy tính đầu tiên Máy gia cơng điều khiển kỹ thuật số tự động Đầu tiên thương mại hĩa thiết bị laser Đầu tiên thương mại hĩa robot Hệ thống sơ đồ tác động tự động Hệ thống tạo mẫu nhanh tự động 2.Khái niệm Khi phát triển một sản phẩm mới, lúc nào cũng vậy, cĩ một nhu cầu là chế tạo một mẫu đầu tiên (prototype) của bộ phận hay hệ thống được thiết kế trước khi cấp một lượng vốn lớn cho các phương tiện sản xuất hoặc dây chuyền lắp ráp. Lý do chính cho nhu cầu này là chi phí quá cao và tốn nhiều thời gian chuẩn bị cơng cụ sản xuất. Vì vậy, việc tạo mẫu là cần thiết để xử lý sự cố và đánh giá thiết kế trước khi một hệ thống phức tạp sẵn sàng sản xuất và tung ra thị trường. Việc nghiên cứu thế hệ mẫu đầu tiên sẽ giúp người thiết kế phát hiện lỗi, hoặc tìm ra phương pháp thiết kế hiệu quả hơn, tốt hơn. Tuy nhiên, vấn đề chính của sự tiếp cận này là sự tạo mẫu cĩ thể tốn rất nhiều thời gian : việc chuẩn bị dụng cụ máy mĩc tốn nhiều tháng, khĩ chế tạo các mẫu phức tạp, bằng các phương pháp truyền thống rất khĩ khăn. Trong khi chờ đợi tạo ra mẫu đầu tiên, vẫn phải trả cơng cho nhân viên và chi phí khấu hao máy mĩc thiết bị. Vậy tạo mẫu nhanh là gì? Tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP) là cơng nghệ thiết kế mẫu tự động nhờ quá trình CAD (thiết kế với sự giúp đỡ của máy tính). Với những “máy in ba chiều”, cho phép người thiết kế nhanh chĩng tạo ra những mẫu hữu hình, truyền ý tưởng thiết kế của họ đến cơng nhân hoặc khách hàng, ngồi ra tạo mẫu nhanh cịn được sử dụng để thiết thử những sản phẩm mới. Tất nhiên “nhanh” là một thời hạn tương đối. Thơng thường, thời gian để tạo ra một mẫu mới mất khoảng từ 3 – 72 giờ phụ thuộc vào kích thước và độ phức tạp của mẫu. Khoảng thời gian này cĩ vẻ chậm, nhưng so với việc tạo mẫu bằng máy truyền thống thường mất từ nhiều tuần đến nhiều tháng, thì nĩ nhanh hơn rất nhiều. Do mất ít thời gian nên RP giúp cho nhà sản xuất nhanh chĩng đưa sản phẩm ra thị trường và giảm chi phí sản xuất. Đĩ cũng là ưu điểm nổi bậc của quá trình tạo mẫu nhanh. 3.Ba thời kỳ của quá trình tạo mẫu. Tạo mẫu hay làm mẫu là cơng nghệ cĩ từ thời xa xưa. Mục đích của cơng nghệ là mơ hình hĩa các ý tưởng thiết kế. Như vậy mẫu thường được làm theo yêu cầu ban đầu của người thiết kế trước khi bắt đầu quá trình sản xuất thực. Mẫu được tạo với nhiều hình thức khác nhau như: hớt vật liệu, gia cơng cắt gọt, tạo mẫu khuơn, với nhiều loại vật liệu như là: kẽm, urethanes, Do đĩ, trong phạm vi thí nghiệm thì tạo mẫu nhanh là thích hợp nhất. Bảng 1.2. Các thời kỳ tạo mẫu và tạo mơ hình. Mơ hình hình học Quá trình tạo mẫu Thời kỳ đầu tiên: khung tạo độ 2D · Bắt đầu giữa thập niên 60. · Một vài khuynh hướng cĩ thể đưa ra: Sơ đồ mạch được đưa ra trong các bo mạch. Quan sát kế hoạch cho từng thành phần kỹ thuật. · Kỹ thuật tạo mẫu cĩ trong tự nhiên. Thời kỳ đầu tiên: tạo mẫu thơ sơ. · Thực hiện cách đây nhiều thế kỷ. · Thực hiện tạo mẫu được xem như một nghề khéo léo: Mẫu được làm theo truyền thống và làm bằng tay. Dùng vật liệu truyền thống để tạo mẫu. · Cơng nghệ tạo mẫu rất tự nhiên Thời kỳ thứ hai: Mơ hình mặt và đường cong 3D. · Giữa thập niên 70. · Gia tăng mức độ phức tạp. · Thể hiện nhiều thơng tin cấp độ chính xác về tạo dáng, kích thước và đường viền bề mặt của từng chi tiết. Thời kỳ thứ hai: Phần mềm hay quá trình tạo mẫu ảo. · Giữa thập niên 70. · Gia tăng mức độ phức tạp. · Phần mềm cĩ thể cung cấp cho biết ứng suất, cĩ thể mơ phỏng và kiểm tra với các thiết bị chính xác và các tính chất đặc trưng khác. Thời kỳ thứ ba: Mơ hình dạng khối. · Từ những năm đầu của thập niên 80 · Các gĩc, bề mặt, lỗ được liên kết với nhau tạo thành chi tiết. · Từ bên ngồi máy tính cĩ thể tính chính xác các bộ phận bên trong của chi tiết. Tuy nhiên vấn đề là nĩ khơng cịn dấu vết trên bề mặt và các phần giao của bề mặt và gốc. · Mơ hình vẫn chưa được rõ ràng nhưng cĩ độ chính xác cao. Thời kỳ thứ ba: Tạo mẫu nhanh. · Bắt đầu từ giữa thập niên 80. · Lợi ích của việc tạo mẫu nhanh là thực hiện việc tạo mẫu trong thời gian rất ngắn, đây chính là điểm mạnh của phương pháp này. · Sản phẩm của tạo mẫu nhanh là cĩ thể dùng để kiểm tra các mẫu được sản xuất bằng các phương pháp khác. · Thiết bị cĩ thể trợ giúp mẫu trong quá trình sản xuất. Quá trình tạo mẫu được phân ra làm ba thời kỳ , từng thời kỳ được tĩm lược trong bảng 6.2. Hai thời kỳ sau chỉ mới ra đời trong gần 20 năm trở lại đây. Tương tự như quá trình tạo mẫu trên máy vi tính, tính chất vật lý của mẫu chỉ được nghiên cứu phát triển trong thời kỳ thứ ba. a.Thời kỳ đầu: tạo mẫu bằng tay. Thời kỳ đầu tiên ra đời cách đây vài thế kỷ. Trong thời kỳ này, các mẫu điển hình khơng cĩ độ phức tạp cao và chế tạo một mẫu trung bình mất khoảng 4 tuần. Phương pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề và thực hiện cơng việc một cách cực kỳ nặng nhọc. b.Thời kỳ thứ hai: phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo. Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển rất sớm, khoảng đầu thập niên 70. Thời kỳ này đã cĩ phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo. Việc ứng dụng CAD/CAE/CAM đã trở nên rất phổ biến. Phần mềm tạo mẫu sẽ phát họa trên máy vi tính những suy tưởng, ý tưởng mới. Các mẫu này như là một mơ hình vật lý: được kiểm tra, phân tích cũng như đo ứng suất và sẽ được hiệu chỉnh cho phù nếu chúng chưa đạt yêu cầu. Thí dụ như phân tích ứng suất và sức căng bề mặt chất lỏng cĩ thể dự đốn chính xác được bởi vì cĩ thể xác định chính xác các thuộc tính và tính chất của vật liệu. Hơn nữa, các mẫu trong thời kỳ này trở nên phức tạp hơn nhiều so với thời kỳ đầu, khoảng trên hai lần. Vì thế, thời gian yêu cầu cho việc tạo mẫu cĩ khuynh hướng tăng lên khoảng 16 tuần, tính chất vật lý của mẫu vẫn cịn phụ thuộc các phương pháp tạo mẫu cơ bản trước. Tuy nhiên, việc vận dụng tốt hơn các máy gia cơng chính xác đã cải thiện tốt hơn các tính chất vật lý của mẫu. Cùng với sự tiến bộ trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh trong thời kỳ thứ ba, cĩ sự trợ giúp rất lớn của quá trình tạo mẫu ảo. Tuy nhiên vẫn cịn những giới hạn tồn tại so với cơng nghệ tạo mẫu nhanh. Các vấn đề này bao gồm: Sự giới hạn về vật liệu (bởi vì các chi phí và cách sử dụng cho từng vật liệu khơng giống nhau để tạo chi tiết). Khơng cĩ khả năng thực hiện quá trình như những gì ghi trên bản thảo. Cĩ thể độ tin cậy dữ liệu thấp hay khơng cĩ. Những vấn đề này được tập hợp từ qui trình cơng nghệ tạo mẫu nhanh đến quá trình phân tích giới hạn các bộ phận cấu tạo. Đặc biệt là trong ứng dụng phân tích động học và động lực học, phần mềm sẽ phân tích các tính chất vật lý của nhiều loại vật liệu khác nhau như là thép, nước đá, nhựa, đất sét hay một số vật liệu truyền thống khác. Phần mềm sẽ tính tốn như là trên một mơ hình thật sự, điều này cĩ ý nghĩa rất lớn cho quá trình sản xuất - hạn chế phế phẩm. c.Thời kỳ thứ ba: quá trình tạo mẫu nhanh. Tính chất vật lý từng phần của sản phẩm trong quá trình tạo mẫu nhanh cũng được biết đến. Quá trình tạo mẫu rỗng thích hợp cho việc sản xuất trên bàn nâng hay cơng nghệ sản xuất lớp. Cơng nghệ này thể hiện quá trình phát triển tạo mẫu trong thời kỳ thứ ba. Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh là một phát minh quan trọng. Những phát minh này đã đáp ứng được yêu cầu của giới kinh doanh trong thời kỳ này: giảm thời gian sản xuất, độ phức tạp của mẫu tăng, giảm chi phí. Ở thời điển này người tiêu dùng yêu cầu các sản phẩm cả về chất lượng lẫn mẫu mã, nên mức độ phức tạp của chi tiết cũng tăng lên, gấp ba lần mức độ phức tạp mà các chi tiết đã được làm vào những năm của thập niên 70. Nhưng nhờ vào cơng nghệ tạo mẫu nhanh nên thời gian trung bình để tạo thành một chi tiết chỉ cịn lại 3 tuần so với 16 tuần ở thời kỳ thứ hai. Năm 1988, hơn 20 cơng nghệ tạo mẫu nhanh đã được đưa vào sử dụng. 4.Nền tảng của quá trình tạo mẫu nhanh. Thơng thường, tất cả các phương pháp tạo mẫu nhanh khác nhau nhưng thường cĩ chung một nền tảng cơ sở mà cĩ thể diễn đạt như sau: Mẫu hay một bộ phận chi tiết được thiết kế trên những phần mềm CAD và gia cơng bằng kỹ thuật số. Mẫu phải thể hiện đầy đủ lý tính để cĩ thể sản xuất và phải thể hiện như một mặt kín với kích thức giới hạn rõ ràng. Đĩ là các dữ liệu, đặc biệt là các dữ liệu bên trong, bên ngồi và cả phạm vi giới hạn của mẫu. Yêu cầu này thực sự khơng cần thiết nếu cơng nghệ tạo mẫu được dùng là cơng nghệ tạo mẫu dạng khối. Mơ hình dạng khối sẽ tự động giới hạn thể tích. Yêu cầu này bảo đảo rằng tất cả các mặt cắt ngang đều là những đường cong kín để tạo ra khối vật thể. Mơ hình dạng khối hay mơ hình bề mặt dùng để tạo ra lớp kế tiếp cĩ thể thay đổi được ở file kích thước cĩ tên “. STL” mà các file này khởi đầu các hệ thống 3D. File kích thước . Stl cĩ kích thước gần đúng các bề mặt của mơ hình đa giác. Các mặt cong bậc cao phải dùng rất nhiều đa giác, điều này cĩ nghĩa là các file .Stl dùng cho các chi tiết mặt cong phải cĩ dung lượng rất lớn. Tuy nhiên cĩ một vài hệ thống tạo mẫu nhanh chỉ chấp nhận các dữ liệu IGES để cung cấp chính xác các đặc tính. Máy tính phân tích file .Stl để xác định rõ ràng mơ hình cho sản xuất và các lớp mỏng trên mặt cắt ngang. Bề mặt cắt ngang được tạo ra theo phương pháp hạ dần xuống trong suốt quá trình hĩa cứng của chất lỏng hay bột và sau đĩ kết hợp thành mẫu 3D. Một khả năng khác là bề mặt cắt ngang cĩ thể là những lớp mỏng hay ở dạng khối, những lớp mỏng cĩ thể được liên kết với nhau để hình thành nên một mẫu 3D. Các phương pháp tạo mẫu tương tự khác cũng cĩ thể dùng cho cơng việc tạo mẫu. Nĩi một cách khác, sự phát triển của quá trình tạo mẫu nhanh được thể hiện qua bốn vấn đề quan trọng: cung cấp dữ liệu, các phương pháp, vật liệu và các ứng dụng. a.Cung cấp dữ liệu. Dữ liệu 3D cung cấp được chuyển đến bằng các tín hiệu điện tử theo yêu cầu để mơ tả các vấn đề cĩ liên quan đến vật thể. Cĩ hai vấn đề quan trọng – mơ hình trên máy hay một mơ hình vật thể. Hệ thống CAD đã tạo ra mơ hình trên máy tính, mơ hình này cĩ thể ở dạng mặt phẳng hay dạng khối. Ở một khía cạnh khác khơng phải tất cả các mơ hình vật thể đều đơn giản. Nĩ yêu cầu thu thập dữ liệu để đưa ra một phương pháp đối lập. Trong cơng nghệ đối lập này được trang bị đầy đủ như thiết bị đo tọa độ (CMM) và bộ mã hĩa laser. b.Các phương pháp. Hiện nay đã cĩ hơn 20 nhà sản xuất hệ thống tạo mẫu nhanh, tùy từng phương pháp xử lý của nhà sản xuất mà ta cĩ thể phân tích thành một số cấp bậc: xử lý quang hĩa, gia cơng và dán/ liên kết, sự nung nĩng và sự hĩa rắn/ sự hĩa lỏng và sự liên kết sự bĩ buộc. Việc xử lý quang hĩa cịn cĩ thể phân tích thành từng nhĩm nhỏ: chùm laser đơn, chùm laser đơi và đèn mạ. c.Vật liệu. Tùy thuộc vào những nét đặc trưng của vật liệu ta cĩ thể lựa chọn vật liệu: dạng khối, dạng lỏng hay bột bụi. Ở dạng khối cĩ thể cĩ các hình thức khác nhau như là: viên, dây hay phiến mỏng. Một số vật liệu hiện đang được sử dụng như là: giấy, nilon, nhựa, sáp, kim loại và đất sét. d.Các ứng dụng. Hầu hết tất cả các chi tiết tạo mẫu nhanh đã hồn chỉnh hay đã được sửa chữa trước khi đem đi sử dụng để đảm bảo cho các sử dụng. Các ứng dụng cĩ thể phân thành từng nhĩm: (1) thiết kế, (2) cơng nghệ, phân tích và lập kế hoạch, (3) gia cơng cắt gọt và sản xuất. Tạo mẫu nhanh đã đem lợi nhuận khổng lồ trong các lĩnh vực như: vũ trụ khơng gian, tự động hĩa, y-sinh học, điện-điện tử, sản phẩm tiêu dùng. 5.Lợi thế của cơng nghệ tạo mẫu nhanh. Các hệ thống tạo mẫu nhanh ngày nay đều là tự động, khơng gia cơng, khơng cần khuơn mẫu mà vẫn cĩ thể chế tạo trực tiếp các chi tiết trong khả năng chất lượng giới hạn. Các chi tiết được chế tạo từ phương pháp này cĩ độ chính xác cao nhưng chất lượng bề mặt rất kém vì các chi tiết khơng được gia cơng đến nguyên cơng cuối. Vì thế các sản phẩm tạo mẫu nhanh thường được gia cơng tinh lại bằng các phương pháp gia cơng khác. Tuy nhiên, thời gian chế tạo một chi tiết rất ngắn và các dữ liệu thiết kế chi tiết vẫn cịn cĩ thể sử dụng lại, nên cơng nghệ tạo mẫu nhanh đã đem lại lợi nhuận khổng lồ và chúng cĩ thể được phân tích thành lợi nhuận trực tiếp và lợi nhuận gián tiếp. a.Lợi nhuận trực tiếp. Đối với các cơng ty tạo mẫu nhanh lợi nhuận tới từ rất nhiều phía. Cơng ty cĩ khả năng thực hiện các thí nghiệm tạo mẫu cĩ mức độ phức tạp khác nhau trong thời gian ngắn nhất, sản phẩm đưa ra thị trường cĩ độ phức tạp cao cả về hình dáng và chất lượng. Hầu hết các mối quan tâm và chỉ trích đều tập trung vào vấn đề thời gian để chế tạo mẫu. Khi mới bắt đầu vào những năm 70, một mẫu được tạo ra trong thời gian khoảng 4 tuần, nhưng đến đầu năm 1980 thì thời gian này đã tăng lên 16 tuần. Tuy nhiên, với việc sử dụng cơng nghệ CAD/CAM và CNC cùng với sự tiến bộ của cơng nghệ tạo mẫu nhanh thì thời gian này chỉ cịn lại 3 tuần vào năm 1995. Tùy đặc tính riêng của từng cơng ty mà lợi nhuận cĩ thể đến từ các lĩnh vực khác nhau và cho hiệu quả khác nhau. · Lợi nhuận đến từ người thiết kế chế tạo. Những người thiết kế chế tạo cĩ khả năng làm gia tăng mức độ phức tạp mà ít ảnh hưởng đến thời gian và chi phí, chức năng tạo dáng nghệ thuật và khả năng thẩm mỹ cĩ thể được điều chỉnh. Họ cĩ thể thiết kế tối ưu hĩa mẫu theo yêu cầu của khách hàng mà ít bị hạn chế cho quá trình sản xuất. Cĩ thể loại bỏ một số thiết bị mà trước đây vẫn tồn tại do thiếu cơng cụ, giảm việc gia cơng cơ và tránh lãng phí. Với một số thiết bị chuyên dùng cĩ thể giảm thời gian phân tích, lựa chọn kẹp chặt, thiết kế chi tiết, khoan lỗ và bản vẽ lắp. Cĩ vài khống chế trong việc thiết kế chi tiết. Các thiết bị gia cơng cơ khơng dễ dàng gia cơng một lần, độ chính xác cao, khơng thể gia cơng các lớp dày để giảm số lần gia cơng và lãng phí. Nhưng bây giờ với các hệ thống thiết bị tạo mẫu nhanh Thì các vấn đề trên đã được giải quyết một cách đáng kể. Người thiết kế cĩ khả năng tiết kiệm vật liệu và tối ưu hĩa hệ số cứng vững/ trọng lượng mà khơng chú ý đến chi phí gia cơng. Cuối cùng là thị trường tiêu thụ đã chấp nhận thời gian chế tạo và chất lượng sản xuất. · Lợi nhuận từ máy thiết kế gia cơng và kỹ sư chế tạo. Vấn đề chính là phải tiết kiệm các chi phí, người kỹ sư cĩ thể tối ưu hĩa các thiết kế, việc chế tạo và kiểm tra gia cơng cắt gọt. Những chi phí cố định được giảm xuống, do đĩ cĩ thể giảm các bộ phận đếm, bộ phận lắp ráp, kiểm tra tức lợi hàng năm và phí tổn. Nhà sản xuất cĩ thể giảm số lượng nhân lực bởi vì các chi tiết cĩ cấu trúc và việc thiết lập lại chương trình đã được thực hiện một cách dễ dàng, giảm bớt cơng việc gia cơng cơ và đúc, do đĩ giảm một cách đáng kể chi phí kiểm tra và chi phí lắp ráp. Giảm sự lãng phí vật liệu, chi phí vận chuyển và kiểm tra lượng dư nguyên vật liệu và từ đĩ giảm chi phí chế tạo chi tiết. Loại bỏ chi phí kiểm tra do sự thay đổi mẫu thiết kế hay những chi tiết khơng được ưa chuộng trên thị trường. Thêm vào đĩ các nhà sản xuất cĩ thể đơn giản hĩa các mối lợi nhuận bởi vì hầu hết các đơn vị giá cả đều phụ thuộc vào số lượng được yêu cầu thực hiện trong thời gian ngắn hạn. Lợi nhuận hằng năm của thiết bị vạn năng lớn hơn nhiều so với thiết bị chuyên dùng, vấn đề quan trọng là phải giản chi phí trang thiết bị và bảo trì. Vì lý do đĩ mà cần phải cĩ một số kỹ sư vận hành tay nghề cao và được qua huấn luyện. Nhờ vậy cĩ thể giảm bớt các cơng việc kiểm tra các phế phẩm vì yêu cầu dung sai chính xác cao và việc yêu cầu kẹp chặt cũng khơng cần phải địi hỏi. Các kích thước trong thiết kế cĩ thể thay đổi nhanh chĩng mà vẫn giữ được cấp độ chính xác cao và sự lập lại việc sản xuất các chi tiết cĩ tỉ lệ thành cơng cao bởi vì khơng cĩ sự hao mịn dụng cụ. Cuối cùng đối với các loại thiết bị này cĩ thể giảm các bộ phận phụ khơng cần thiết. b.Lợi nhuận gián tiếp. Ngồi lợi nhuận từ việc thiết kế và phân xưởng sản xuất thì cơng nghệ tạo mẫu nhanh cịn đem lại lợi nhuận gián tiếp. · Lợi nhuận đến từ bộ phận tiếp thị. Trên thị trường thiết bị được giới thiệu với các khả năng cơng nghệ mới và cĩ thêm nhiều cơ hội mới, do vậy cĩ thể giảm một cách đáng kể thời gian tiếp thị. Phải giới thiệu các chức năng ẩn, cĩ khả năng tạo sản phẩm cĩ giá thành thấp nhưng cho năng suất cao của cơng nghệ này. Nhà tiếp thị cĩ khả năng yêu cầu gia tăng tính đa dạng của thiết bị và theo yêu cầu của thị trường hiện đại, dễ dàng mở rộng thị trường phân phối và nhanh chĩng đưa sản phẩm vào thị trường. · Lợi nhuận đến từ khách hàng. Khách hàng chỉ mua những sản phẩm mà họ đã biết đến các đặc tính cần thiết như mong muốn. Hơn thế nữa khách hàng chỉ mua các thiết bị cĩ giá thành thấp bởi khấu hao sản xuất nhanh chĩng được lấy lại. II. PHÂN LOẠI TẠO MẪU NHANH. Do cĩ nhiều phương diện sản xuất nên hình thành nhiều loại hệ thống tạo mẫu nhanh trên thị trường, để phân loại một cách bao quát các hệ thống tạo mẫu nhanh là dựa trên cơ sở vật liệu sản xuất. Ở kiểu phân loại này tất cả các hệ thống tạo mẫu nhanh cĩ thể dễ dàng phân thành ba loại: Dựa trên cơ sở chất lỏng. Dựa trên cơ sở dạng khối. Dựa trên cơ sở dạng bột. 1. Dựa trên cơ sở chất lỏng. Các hệ thống tạo mẫu nhanh dựa trên cơ sở nền tảng chất lỏng bắt đầu với vật liệu ở trạng thái lỏng. Quá trình tạo mẫu là một quá trình lưu hĩa, vật liệu chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Sau đây là một số phương pháp tạo mẫu nhanh dựa trên cơ sở chất lỏng: Thiết bị tạo mẫu lập thể SLA. Thiết bị xử lý dạng khối Cubital (SGC). Thiết bị tạo mẫu dạng khối Sony (SCS). Thiết bị Laser – tử ngoại tạo vật thể dạng khối Misuibishi (SOUP). Thiết bị tạo ảnh nổi của EOS. Thiết bị tạo ảnh khối của Teijin Seikils. Thiết bị tạo mẫu nhanh của Meiko cho ngành cơng nghiệp đồ trang sức. SLP của Denken. COLAMM của Misui. LMS của Fockele và Schwarze. Thiết bị điêu khắc bằng ánh sáng. Thiết bị hai chùm tia laser. 2.Dựa trên cơ sở dạng khối. Ngoại trừ các vật liệu dạng bột, các hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu cơ bản dạng khối cĩ liên quan đến tất cả các hình thức vật liệu dạng khối bao gốm các dạng: dây, cuộn, dát mỏng và dạng viên. Sau đây là một số phương pháp tạo mẫu nhanh tượng trưng cho phương pháp này: Thiết bị chế tạo vật thể từng lớp mỏng (LOM). Thiết bị mẫu làm nĩng chảy của Stratasy (FDM). Thiết bị dập nĩng và chọc chất kết dính của KiRa. Thiết bị tạo mẫu nhanh của Kenergy. Thiết bị tạo mẫu 3D của Multi-Jet. Thiết bị tạo mẫu nhanh của IBM. Thiết bị tạo mẫu cát của cơng ty Model Maker MM-6B. Sparx AB’s Hot Plot. Tạo mẫu khơng gian giới hạn của Laser CAMM. 3.Dựa trên cơ sở dạng bột. Trong khả năng được giới hạn, dạng trạng thái bột vẫn cịn được xem như dạng trạng thái khối. Tuy nhiên, nĩ được tạo ra trên ý định là một loại thiết bị khơng phụ thuộc vào hệ thống thiết bị tạo mẫu nhanh vật liệu trạng thái khối cơ sở. Sau đây là một số phương pháp tạo mẫu nhanh tượng trưng cho phương pháp này: Thiết bị in laser của DTM (SLS). Thiết bị sản xuất khuơn đúc trực tiếp của Soligen (DSPC). Thiết bị xử lý hĩa cứng nhiều giai đoạn của Fraunhofer (MJS). Hệ thống các thiết bị EOSINT của EOS. Thiết bị sản xuất cơng nghệ đường đạn đạo (BPM). Thiết bị sản xuất in 3D của MIT (3DP). Phương pháp này khơng cĩ tính đồng nhất trong các hệ thống, thể hiện bằng việc một số sử dụng tia laser, trong khi đĩ một số khác lại sử dụng chất kết dính/ keo để đạt được mức độ liên kết. III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TẠO MẪU NHANH. Phương pháp tạo mẫu lập thể (SLA). Nguyên lý hoạt động. Phương pháp SLA dựa vào nguyên tắc đơng cứng vật liệu lỏng photopolymer thành một hình dạng rõ ràng khi nĩ được chiếu bởi một chùm tia Laser cường độ cao. Cĩ thể sử dụng Laser He-Cd với bước sĩng 325nm hoặc Laser rắn Nd:YVO4 với bước sĩng 354,7nm. Một thùng chứa đầy dung dịch lỏng photopolymer. Trong thùng cĩ một bệ đỡ (bàn gá) cĩ thể nâng hạ được (như một cái thang máy). Chất lỏng là hỗn hợp của các monome acrylic, các oligome và một photoinitiator. Trên hình 3.1, khi bệ đỡ ở vị trí cao nhất (ở độ sâu a) thì trên tấm là một lớp chất lỏng cạn. Máy phát Laser phát ra chùm tia cực tím tập trung trên một diện tích của dung dịch photopolymer và di chuyển theo hướng X-Y. Chùm tia cực tím làm đơng hết phần dung dịch được chiếu sáng và hình thành nên một khối đặc. Bệ đỡ được hạ xuống một lượng vừa đủ để một lượng chất lỏng phủ lên phần polyme đã đơng đặc và quá trình được lặp lại. Quá trình tiếp diễn cho đến khi đạt được mức b. Lúc này ta đã tạo nên một chi tiết hình trụ cĩ bề dày khơng đổi. Chú ý rằng lúc này bệ đỡ đã di chuyển theo phương thẳng đứng một lượng ab. Hình 3.1. Nguyên lý quá trình SLA Tại mức b, chuyển động theo phương X-Y của chùm tia rộng hơn, vì thế ta tạo được một mặt bằng phẳng như mặt bích bên trên phần đã tạo từ trước. Sau khi đạt được bề dày thích hợp, quá trình được tiếp tục để tạo nên phần hình trụ giữa mức b và c. Chú ý rằng phần dung dịch xung quanh vẫn đang ở trạng thái lỏng vì nĩ khơng bị đơng kết bởi tia cực tím và chi tiết được tạo thành từ đáy lên trên theo từng "lát" riêng biệt cĩ chiều dày từ 0,05 : 0,2mm. Các lát này liên kết lại với nhau thành khối. Phần chất lỏng khơng bị đơng kết cĩ thể được sử dụng lại để tạo chi tiết khác trong quá trình tạo mẫu khác. Bởi vì chi tiết được tạo thành trong mơi trường chất lỏng và bên trong vật thể cịn chứa chất lỏng polyme, do đĩ cần phải thêm các kết cấu trợ giúp (supports) để tăng độ cứng chi tiết và để tránh cho phần chi tiết đã được tạo thành chìm trong chất lỏng khơng bị nổi lên hoặc khơng bị trơi nổi tự do ở trong thùng. Thời gian quét chùm tia Laser phụ thuộc vào hình dạng hình học của những đường viền, mẫu vạch, tốc độ của tia Laser và thời gian bao phủ (thời gian để một lớp của polymer sao chụp rắn lại và thời gian để lớp cuối cùng rắn lại). Quá trình tạo mẫu nĩi trên được thực hiện qua các giai đoạn trên hình 3.2. Hình 3.2. Các giai đoạn tạo mẫu bằng phương pháp SLA khi lấy chi tiết ra khỏi hệ thống SLA, chi tiết phải trải qua một loạt các quá trình hậu xử lý (post-processing). Đầu tiên, những chất polymer dư ra được làm sạch hết. Những chi tiết được làm sạch bằng những phương pháp chuẩn để bỏ đi những chất nhựa dư với : Tri-propylene Glycol Monomethyl Ether, rửa bằng nước, sau cùng rửa bằng iso-propyl alcohol, và chi tiết được làm khơ trong khơng khí. Do tia Laser khơng cung cấp đủ năng lượng để xử lý hồn tồn chi tiết, nên ở quá trình xử lý tinh chi tiết được thực hiện bằng thiết bị xử lý tinh PCA (Post-Curing Apparatus). PCA là một buồng với một bàn quay và những bĩng đèn chiếu tia tử ngoại. Thơng thường, người ta đặt chi tiết trong PCA khoảng từ 30 phút đến một giờ. Chi tiết sẵn sàng để lấy ra khỏi cơ cấu phụ trợ và để xử lý bề mặt như : đánh bĩng, mạ phủ,... nếu cĩ yêu cầu. 2. Hệ thống thiết bị Các bộ phận chính của hệ thống SLA là máy tính điều khiển, panel điều khiển, nguồn Laser, hệ thống quang học và buồng xử lý. Hình.3.3. Thiết bị ù hoạt động của phương pháp SLA Gương Thấu kính HeCd-laser Cơ cấu nâng Chất lỏng polyme Bàn gá Hene-laser thanh quét Các máy của 3D Systems rất đa dạng cả về kích thước và chủng loại. Cĩ một vài kiểu máy cĩ sẵn và thường được sử dụng như là : SLA-190, SLA-250, SLA-350, SLA-500. Hình 3.4a. Máy tạo mẫu nhanh SLA 250. Hình 3.4b. Máy tạo mẫu nhanh SLA 190 3. Hệ thống thiết bị với thơng số kỹ thuật tạo hình lập thể 3D. · Cơng ty: Nhà doanh nghiệp Raymond - S - Freed là những người đầu tiên phát minh ra hệ thống tạo mẫu lập thể 3D vào năm 1986. Hầu hết các hệ thống tạo mẫu nhanh đều cĩ ý nghĩa thương mại và được gọi là thiết tạo mẫu lập thể hay phương tạo mẫu nhanh SLA. Khả năng đa dạng của hệ thống 3D cĩ thể cung cấp nhiều chi tiết cĩ kích thước khác nhau và cho năng suất cao. Cĩ một vài kiểu máy thường được sử dụng như là: SLA-190, SLA -250, SLA-350, SLA- 500. Cơng nghệ của máy SLA – 190 là cơng nghệ đầu tiên của phương pháp tạo mẫu nhanh và sử dụng tia laser He-Cd. Máy cơng nghệ SLA – 250 là loại máy được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Máy cơng nghệ SLA – 350 là thế hệ mới của cơng nghệ SLA, tạo sản phẩm dạng khối Nd: YV4 laser và cho năng suất cao hơn 35% so với máy SLA – 250 khi cùng tạo một chi tiết. Máy SLA – 500 là đỉnh cao của thiết bị sản xuất 3D, nĩ sử dụng tia laser Argon rất mạnh. Các tính năng kỹ thuật của các thế hệ máy được tĩm lược trong bảng 3.3: Bảng 3.3. Các đặc tính kỹ thuật của hệ thống SLA. Thiết bị SLA-190 SLA-250 SLA-350 SLA-500 Loại laser He-Cd He-Cd YVO4 Argon Cường độ laser (mW) 7,5 16 160 132-264 Đường kính tia laser (mm) 0,2-0,29 0,2-0,29 0,25 0,2-0,25 Độ phân giải theo đường thẳng đứng của máy nâng (mm) 0,0025 0,0025 0,0018 0,0018 Thể tích chứa (lít) - 29,5 99,3 253,6 Khơng gian làm việc, XYZ (mm.mm.mm) 190.190.250 250.250.250 350.350.400 508.508.580 Khối lượng lớn nhất của chi tiết (kg) _ 9,1 56,8 68,04 Bề dày lớp nhỏ nhất (mm) 0,1 0,1 0,05 0,1 Kích thước từng đơn vị (m.m.m) 0,7x1,2x1,6 0,7x1,2x1,6 1,0x1,0x2,0 1,8x1,2x2,0 Đơn vị điều khiển dữ liệu PC PC PC PC Nguồn năng lượng cung cấp 115 VAC 15A 220 VAC 8 A 115 VAC 15A 220 VAC 8 A 200-240 VAC 16 A 200-240VAC 3 pha, 100A/pha Tốc độ quét trên trục X-Y 0,762 0,762 5 5 Giá cả (US$) 70.000 100.000 -170.00 380.000 490.000 Tất cả các thiết bị đều sử dụng chung một loại vật liệu sản xuất là loại nhựa lỏng cĩ khả năng đơng đặc dưới tác dụng của các tia tử ngoại như : tia gama, tia cực tím, tia x, tia electron, phĩng xạ của trường điện từ, như : expoxy, actylates, Nét đặc trưng của chi tiết phù hợp cho từng loại nhựa được dùng cho sản xuất. Một chức năng chính khác của thiết bị là dung mơi làm sạch phần nhựa dư của chi tiết sau khi chi tiết được sản xuất hồn tất trên máy. 4. Phần mềm được sử dụng trong các hệ thống SLA là Meastro bao gồm một số module sau : Module kiểm tra (3D verify- Module) : Module này cho phép đọc file định dạng .STL và chỉnh sửa trực tiếp mà khơng cần phải trở về phần mềm thiết kế CAD 3D ban đầu. Module quan sát (View- Module) : Module cĩ thể hiển thị file .STL và file .SLI (Slice File) dưới dạng đồ hoạ. Chức năng quan sát được dùng để kiểm tra trực quan và định hướng các dữ liệu này sao cho tối ưu hố quá trình tạo mẫu. Module kết hợp (Merge- Module) : Module này kết hợp tất cả các files .SLI thành một file thống nhất chuẩn bị cho quá trình tạo mẫu. Module hỗ trợ (Vista- Module) : Module này cơng cụ mạnh của phần mềm. Nĩ tự động thiết kế thêm các kết cấu hỗ trợ (supports) sản phẩm khi sản phẩm ở trạng thái lơ lửng trong khối chất lỏng trong suốt quá trình tạo mẫu. Module quản lý sản phẩm (Part Manager-Module) : Đây giai đoạn đầu tiên của quá trình chuẩn bị tạo mẫu. Mơđun này chuyển các file .STL sang dạng bảng (spreadsheet). Module tạo lớp (Slice- Module) : Đây giai đoạn thứ hai của quá trình chuẩn bị tạo mẫu. Nĩ chuyển đổi các thơng tin dưới dạng bảng từ Part Ma