Đồ án tốt nghiệp: Ứng dụng công nghệ Scan 3D và In 3D trong Thiết kế ngược

Tải đồ án ứng dụng công nghệ scan 3D và in 3D trong thiết kế ngược. Tài liệu phân tích quy trình, so sánh các thiết bị và hướng dẫn phần mềm.

• Tác giả: Bùi Duy Hưởng
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trọng Hiếu
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Ứng dụng Công nghệ Scan 3D và In 3D trong Công nghệ Thiết kế ngược
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Công nghệ Scan 3D trong Thiết kế ngược

Scan 3D là công nghệ hiện đại cho phép chuyển đổi các vật thể vật lý thành mô hình số hóa ba chiều. Trong lĩnh vực thiết kế ngược, công nghệ này đóng vai trò vô cùng quan trọng. Quét 3D giúp các kỹ sư nắm bắt chính xác hình dạng, kích thước và độ phức tạp của sản phẩm hiện có. Quá trình scan 3D có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu khác nhau như kim loại, nhựa, gốm sứ và hơn nữa. Các dữ liệu từ quét 3D được xử lý để tạo ra các mô hình CAD chính xác, từ đó hỗ trợ việc sản xuất, sửa chữa hay cải tiến sản phẩm. Công nghệ này giảm đáng kể thời gian thiết kế và nâng cao độ chính xác so với các phương pháp truyền thống.

1.1. Máy quét 3D ATOS Công nghệ quét quang học

Máy ATOS sử dụng công nghệ quét quang học tiên tiến để lấy dữ liệu điểm mây với độ chính xác cao. Hệ thống này phát ra các mẫu ánh sáng có cấu trúc lên bề mặt vật thể và ghi lại sự biến dạng của chúng. Quét ATOS cung cấp độ phân giải tuyệt vời cho các chi tiết tinh vi. Công nghệ này đặc biệt hiệu quả cho các sản phẩm công nghiệp phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao.

1.2. Kinect V2 và Smartphone Giải pháp quét 3D tiết kiệm

Kinect V2 và camera smartphone cung cấp những giải pháp quét 3D giá rẻ và dễ sử dụng. Mặc dù độ chính xác thấp hơn máy ATOS, chúng vẫn đủ để quét các vật thể có hình dạng đơn giản. Phương pháp này phù hợp với các dự án nhỏ hoặc mục đích học tập. Quét bằng smartphone đã trở nên phổ biến nhờ tính tiện lợi và chi phí đầu tư thấp.

II. Xử lý dữ liệu và phần mềm trong thiết kế ngược

Sau khi thực hiện quét 3D, dữ liệu điểm mây thô cần được xử lý bằng các phần mềm chuyên dụng. RapidForm XOR3 là phần mềm hàng đầu cho công việc này, với khả năng xử lý lưới, làm mịn bề mặt và tối ưu hóa dữ liệu. Ngoài ra, Autodesk Memento và 123D Catch cung cấp những công cụ tạo mô hình 3D từ ảnh. Microsoft 3D Scan và 3D Builder cũng hỗ trợ việc chuyển đổi dữ liệu quét thành mô hình CAD có thể chỉnh sửa. Quy trình xử lý lưới bao gồm loại bỏ nhiễu, làm mịn bề mặt, tạo độ dốc, và cuối cùng là xuất file dưới định dạng tiêu chuẩn như STL, STEP hoặc IGES.

2.1. RapidForm XOR3 Phần mềm xử lý lưới chuyên nghiệp

RapidForm XOR3 được thiết kế đặc biệt để xử lý điểm mây phức tạp từ quét 3D. Phần mềm này cho phép loại bỏ tự động các nhiễu, làm mịn bề mặt một cách thông minh, và tạo lưới tam giác chất lượng cao. Công cụ reverse engineering trong RapidForm giúp người dùng tái tạo hình dạng ban đầu với độ chính xác đặc biệt. Khả năng này rất quan trọng trong các dự án yêu cầu tính chính xác cao.

2.2. Giải pháp phần mềm miễn phí từ Autodesk và Microsoft

Autodesk Memento và 123D Catch cho phép tạo mô hình 3D từ các bức ảnh chụp từ nhiều góc độ khác nhau. Microsoft 3D Scan & 3D Builder cung cấp giao diện thân thiện người dùng cho các công việc xử lý mô hình 3D cơ bản. Những công cụ miễn phí này rất hữu ích cho các dự án học tập và mục đích giáo dục.

III. Công nghệ in 3D và tạo mẫu nhanh

In 3D (hay tạo mẫu nhanh) là bước tiếp theo trong quy trình thiết kế ngược, cho phép chuyển đổi các mô hình số hóa thành sản phẩm vật lý thực tế. Công nghệ này bao gồm nhiều phương pháp như FDM (Fused Deposition Modeling), SLS (Selective Laser Sintering), và SLA (Stereolithography). In 3D giúp xác minh thiết kế, kiểm tra độ phù hợp và chức năng trước khi sản xuất hàng loạt. Quá trình này tiết kiệm thời gian và chi phí so với việc chế tạo khuôn mẫu truyền thống. Các mẫu in có thể được sử dụng cho kiểm tra chất lượng, lắp ráp test, hoặc thậm chí là sản phẩm cuối cùng trong một số trường hợp.

3.1. Các phương pháp in 3D hiện nay

FDM là phương pháp in 3D phổ biến nhất, sử dụng dây nhựa nóng chảy để xây dựng mô hình từ dưới lên. SLS sử dụng tia laser để hành xương bột, cho phép tạo các chi tiết phức tạp hơn. SLA sử dụng tia laser UV để cứng hóa nhựa thạch tổng hợp, cung cấp độ chi tiết vô cùng cao. Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm riêng phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của dự án.

3.2. Quy trình chuẩn bị và in mẫu

Trước khi in, file STL từ quét 3D cần được chuẩn bị bằng phần mềm slicing. Quá trình này chia mô hình thành các lớp mỏng và tạo đường dẫn in tối ưu. Các yếu tố như độ dày tường, cấu trúc giá đỡ và hướng in cần được xem xét kỹ lưỡng. In 3D thường mất từ vài giờ đến vài ngày tùy theo độ phức tạp và kích thước sản phẩm.

IV. Ứng dụng thực tiễn và triển vọng phát triển

Scan 3D và in 3D trong thiết kế ngược có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Trong lĩnh vực sản xuất, công nghệ này giúp tái thiết kế các sản phẩm cũ, tạo các phụ tùng thay thế, và phục hợi sản phẩm hàng hiệu. Trong y tế, quét 3D được dùng để tạo các thiết bị phẫu thuật tùy chỉnh và hỗ trợ giải phẫu. Ngành thời trang sử dụng công nghệ này để tạo các mẫu prototype. Kiến trúc và xây dựng cũng tận dụng scan 3D để tư liệu hóa các di tích và cấu trúc hiện có. Trong tương lai, sự kết hợp giữa AI, machine learning và scan 3D sẽ cách mạng hóa quy trình thiết kế ngược, làm tăng độ chính xác và tự động hóa.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất công nghiệp

Scan 3D và thiết kế ngược giúp các nhà sản xuất nhanh chóng tạo mô hình CAD của các sản phẩm đang sản xuất để cải tiến hoặc tái thiết kế. In 3D cho phép sản xuất các phụ tùng chuyên biệt với chi phí thấp hơn so với sản xuất truyền thống. Công nghệ này đặc biệt hữu ích trong ngành ô tô, hàng không và máy móc công nghiệp.

4.2. Triển vọng phát triển và tích hợp công nghệ

Trong tương lai, scan 3D sẽ được tích hợp với các công nghệ như thực tế ảo (VR) và thực tế tăng cộng (AR) để cải thiện trải nghiệm thiết kế. In 3D sẽ phát triển đến khả năng in các vật liệu đa chức năng với các tính chất khác nhau. Sự phát triển của cloud computing cũng sẽ cho phép xử lý dữ liệu lớn và hợp tác từ xa trong các dự án thiết kế ngược.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.1 Tính cấp thiết của đề tài. Hiện nay, khi mà công nghệ ngày càng hiện đại, thị trường cạnh tranh ngày càng gay gắt, chính vì vậy để có thể bắt kịp với công nghệ, tiết kiệm chi phí, tăng năng suất từ đó tăng lơi nhuận trong sản xuất thì việc tìm ra một công nghệ mới, tìm ra hướng đi mới là điều tất yếu. Để nâng cao năng suất và độ chính xác chế tạo, trong lĩnh vực CAD/CAM/CAE công nghệ chép mẫu (REVERSE ENGINEERING) ngày càng được sử dụng rộng rãi. Bản chất của công nghệ này là dùng các loại máy đo 3D với phần mềm thích hợp tái tạo lại bản vẽ thiết kế dưới dạng số hoá của một sản phẩm có sẵn để tối ưu hay đưa vào gia công trên các máy tự động CNC.

Muốn vậy cần phải nắm vững công nghệ đo 3D. Mặt khác công nghệ đo 3D lại có 2 phương pháp là đo tiếp xúc (máy đo tọa độ CMM) và phương pháp đo không tiếp xúc (phương pháp scan lazer). Tuy nhiên xét về nhiều phương diện:  Công nghệ.  Khả năng linh hoạt.

 Khả năng thực hiện. Bên cạnh đó thiết bị Scan lazer là một trong những thiết bị hiện đại mang lại giá trị công nghệ cực kì lớn thì việc đầu tư cho công nghệ này là điều cần thiết cho việc cạnh tranh hiện nay. Hơn nữa trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh là một trong những trường lớn trong khu vực phía nam nói riêng và cả nước nói chung có được thế mạnh khi được đầu tư trang thiết bị Scan hiện đại đó là máy Scan ATOS một trong nhưng thiết bị cực kì quan trọng trong công nghệ Scan 3D.2 Tình hình nghiên cứu của công nghệ thiết kế ngược. Từ những năm 1900 đến 1950 con người đã bắt đầu sử dụng thiết kế ngược trong nhiều lĩnh vực mà đặc biệt là hàng không và nó đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc phát triển các bộ phận cứng trong máy bay.

Điển hình như máy bay MiG-15 của Mỹ sử dụng trong chiến tranh tại Hàn Quốc đã được cải tiến từ công nghệ này. Tuy nhiên đến những năm 1990 thì công nghệ thiết kế ngược mới thực sự phát triển ở các nước Tây Âu và được coi như chìa khóa công nghệ trong tương lại. 1 Ở Việt Nam, trong những năm trở lại đây công nghệ thiết kế ngược cũng đã được áp dụng vào sản xuất. Tuy nhiên phần lớn chưa mang tính chuyên nghiệp.

Ví dụ như các công ty sản xuất, chế tạo khuôn cho các mặt hàng nhựa, cơ khí thường khi nhận đơn đặt hàng của các đối tác làm 1 bộ khuôn cho 1 mẫu sản phẩm cho trước thì đa số việc số hóa mô hình lấy dữ liệu đều thực hiện một cách thủ công, đo vẽ bằng tay. Việc ứng dụng các thiết bị số hóa công nghệ cao chuyên dụng, các phần mềm thiết kế ngược vẫn chưa nhiều. Ngày nay, với sự phát triển của máy tính và các phần mềm hỗ trợ nên công nghệ thiết kế ngược (Reverse Enginneering) đã được nghiên cứu, áp dụng trong nhiều lĩnh vực phát triển nhanh sản phẩm. Đặc biệt là trong lĩnh vực thiết kế mô hình 3D từ mô hình đã có sẵn nhờ sự trợ giúp của máy tính.3 Kết quả dự kiến đạt được.

 Nắm được công nghệ thiết kế ngược bằng phương pháp đo không tiếp xúc trên máy Scan ATOS I, Kinect V2, camera smartphone.  Nắm rõ các lệnh thiết kế, xử lý lưới trong phần mềm Rapidform.  Soạn thảo tài liệu hướng dẫn xử lý lưới trên phần mềm Rapidform.  Nắm được một số phương pháp tạo mẫu nhanh thông dụng.4 Giới hạn đề tài.

 Tìm hiểu công nghệ thiết kế ngược dựa trên phương pháp đo không tiếp xúc dùng máy Scan ATOS I, Kinect V2, camera smartphone.  Xử lý file quét trên phần mềm Rapidform XOR3.  Tiến hành tạo mẫu bằng phương pháp tạo mẫu nhanh FDM.5 Phương pháp nghiên cứu của đề tài.  Nghiên cứu lý thuyết thông qua các tài liệu.

 Phương pháp phân tích lý thuyết.  Phương pháp quan sát thực nghiệm 2 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Công nghệ thiết kế thuận. Công nghệ thiết kế thuận, xuất phát ý tưởng Ý tưởng thiết kế thiết kế (của người thiết kế hoặc khách hàng mô tả sản phẩm), người thiết kế phác thảo sơ bộ sản phẩm (bản vẽ CAD).

Bản vẽ phác thảo này sẽ được Bản vẽ phác thảo tính toán, phân tích, kiểm tra thông số kỹ thuật, tính công nghệ (dữ liệu được chuyển từ CAD sang Tính toán, phân tích (CAD/CAM) CAE). Sau đó mô hình sẽ được tối ưu hóa đưa ra bản vẽ thiết kế (bản vẽ CAD) hoàn chỉnh. Tiếp theo qua các bước chuẩn bị công nghệ (CAPP), mô Tối ưu thiết kế (CAE/CAPP) phỏng và chế tạo thử mẫu sản phẩm bằng phương pháp tạo mẫu nhanh (RP) hoặc trên các công cụ, máy CNC. Mẫu sản phẩm chế thử này sẽ được đem Chuẩn bị gia công đi kiểm tra thực tế xem có thỏa mãn các yêu cầu (CAM/CAPP) đặt ra hay không.

Nếu không đạt thì sẽ quay về chỉnh sửa lại từ bản vẽ phác thảo. Tiếp tục quá Chế thử, mô phỏng trình trên cho đến khi mẫu sản phẩm đạt yêu cầu (RP/CNC/CAM) thì mới đưa vào sản xuất thực sự. Kiểm tra NO  Công nghệ đơn giản, chi phí thấp. thực tiễn YES 2.Nhược điểm.

 Độ chính xác không cao. Sản xuất đại trà  Hiệu quả thấp.1: Quy trình thiết kế thuận. Công nghệ thiết kế ngược.Khái niệm Trong lĩnh vực sản xuất, thông thường để chế tạo ra một sản phẩm, người thiết kế đưa ra ý tưởng về sản phẩm đó, phác thảo ra sản phẩm, tiếp theo là quá trình tính toán thiết kế, chế thử rồi kiểm tra, hoàn thành phác thảo, để đưa ra phương pháp tối ưu, cuối 3 cùng là công đoạn sản xuất ra sản phẩm. Đây chính là chu trình sản xuất truyền thống, là phương pháp sản xuất đã được áp dụng qua bao thế kỷ nay.

Phương pháp này hay còn gọi là công nghệ sản xuất thuận (Forward Sản phẩm thực Engineering). Tuy nhiên trong vài chục năm trở lại đây với sự phát triển của công nghệ, xuất hiện một dạng sản xuất theo 1 chu trình mới, đi ngược Số hóa sản phẩm với sản xuất truyền thống, đó là chế tạo ra sản phẩm theo hoặc dựa trên một sản phẩm có sẵn. Quy trình này gọi là công nghệ thiết kế ngược Xử lí dữ liệu số hóa (Reverse Engineering) hay cũng được hiểu là công nghệ chép mẫu hay công nghệ chế tạo ngược. CAD/CAM/CAE/CAPP Trên phạm vi rộng công nghệ thiết kế ngược được định nghĩa là hoạt động bao gồm các bước phân tích để lấy thông tin về sản phẩm đã có sẵn Chế thử, mô phỏng (CNC/CAM) bao gồm thông tin về chức năng các bộ phận, đặc điểm về kết cấu hình học, vật liệu, tính công nghệ.

Sau đó tiến hành khôi phục lại mô hình CAD cho chi tiết hoặc phát triển thành sản phẩm NO Kiểm tra mới sử dụng CAD/RP/CNC để chế tạo sản phẩm. thực tiễn công nghệ thiết kế ngược đã được ứng dụng trong YES nhiều lĩnh vực như hóa học, điện tử, xây dựng, cơ khí, y học, nghệ thuật. Ví dụ trong xây dựng, chúng ta luôn học hỏi kỹ thuật thiết kế cũng như Sản xuất đại trà thi công của những công trình hoàn thiện (Succeessful buildinh brige) của thế giới để Hình 2.2: Quy trình thiết kế ngược. giảm thiểu những sai sót.

Giảm thời gian thiết kế và tăng thêm những ưu việt cho những công trình của mình. Tạo ra sản phẩm từ các mẫu sản phẩm cho trước mà không có bản vẽ thiết kế hoặc đã bị mất hay không rõ ràng. Sản phẩm mới được tạo ra dựa trên cơ sở khôi phục nguyên vẹn hoặc phát triển lên từ thực thể ban đầu.  Có thể kiểm tra chất lượng sản phẩm bằng cách so sánh mô hình CAD với sản phẩm.

 Tạo được mô hình CAD (mô hình trung gian) để từ đó đánh giá kết quả. Sau đó tiến hành quét để có mô hình CAD chính xác theo yêu cầu. Từ mô hình CAD có thể chỉnh sửa theo ý muốn.  Giảm bớt thời gian chế tạo từ đó tăng năng suất.

 Chế tạo được nguyên mẫu mà không cần bản thiết kế.Nhược điểm.  Cần có công nghệ hiện đại là các máy quét hình.  Giá thành chế tạo cao.Các ứng dụng của công nghệ thiết kế ngược Với tính ưu việt của mình là mô hình hóa được nhiều chi tiết (kể cả các chi tiết độ phức tạp cao) một cách nhanh chóng và chính xác đáp ứng tối đa các nhu cầu đa dạng của thị trường trong rất nhiều lĩnh vực. Trong lĩnh vực nghệ thuật Trong lĩnh vực này công nghệ thiết kế ngược được thể hiện ở việc sao chép hoặc phân tích các các đặc điểm, nét vẽ của các tác phẩm kiệt tác hội họa, điêu khắc.

Thông thường đối với các mẫu đòi hỏi yêu cầu cao về tính thẩm mỹ, sản phẩm sẽ được mô hình hóa dưới bàn tay của những nhà kỹ thuật (stylist) trên các chất liệu như đất sét, chất dẻo, gỗ…Tuy nhiên các tác phẩm hay kiệt tác chỉ là kết quả của một vài nhà nghệ thuật hay nhà thiết kế nào đó, trong khi ai cũng muốn có được nó. Hay sản phẩm của một số nhà thiết kế mà tác phẩm của họ đã được khẳng định tên tuổi trên thị trường.3: Ứng dụng công nghệ RE dựng mô hình CAD các tác phẩm nghệ thuật. 5 Để đáp ứng được nhu cầu đó cần có được mô hình CAD của sản phẩm đó và việc này chỉ thực hiện được bằng công nghệ thiết kế ngược. Với các thiết bị hiện đại và sự trợ giúp của máy tính có thể xây dựng được các dữ liệu CAD giống Hình 2.4: Ứng dụng RE trong lĩnh vực mỹ nghệ.

mô hình thật do các nhà mỹ thuật tạo ra với dung sai nhỏ. Trong lĩnh vực tiêu dùng Công nghệ RE có vai trò rất to lớn trong việc cải tiến mẫu mã sản phẩm. Yêu cầu về mặt thời gian sẽ không cho phép chế tạo lại 1 mẫu sản phẩm bất kì vì sẽ tốn rất nhiều thời gian. Chính vì vậy cần phải biết kế thừa các mẫu sản phẩm đã có sẵn và đã được tối ưu, đạt tiêu chuẩn.

Trên cơ sở sản phẩm mẫu này, tiến hành thiết kế lại cho phù hợp với yêu cầu cho mẫu mã mới. Nếu làm như vậy thì sẽ giảm bớt được rất nhiều thời gian cho công đoạn thiết kế sản phẩm từ đó rút ngắn thời gian để dưa sản phẩm mới này đi vào thị trường. Với nhu cầu đổi mới của khách hàng hiện nay thì việc công ty nào đưa vào thị trường được sản phẩm có mẫu mã mới và phù hợp khách hàng thì đương nhiên lợi nhuận thu lại sẽ cao.