Chương 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 công nghiệp phải có những giải pháp công nghệ mới. Đó cũng là lý do công 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 Charles 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 công ty 3D System vào năm 1988. Sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh có liên quan mật thiết đến sự phát triển và ứng dụng của máy tính trong công nghiệp. Việc gia tăng sử dụng máy tính đã thúc đây sự tiễn bộ trong nhiều lĩnh vực liên quan, bao gồm: quá trình thiết kế có sự trợ giúp của máy tính (CAD— Computer Aided Design), quá trình chế tạo có sự trợ giúp của máy tính (CAM — Computer Aided Manufacturing), gia công điều khiển số nhờ vào may tinh (CNC - Computer Numerical Control). Ngoai ra, những nghiên cứu về các hệ thống tạo mầu nhanh cho thấy còn có nhiều hệ thống công nghệ và kỹ thuật tiên tiến khác có tính quyết định đến sự phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh như: kỹ thuật laser, điều khiển tự động, kỹ thuật nhiệt, kỹ thuật y sinh, và một số kỹ thuật khác.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Công nghệ tạo mẫu 1.1 Định nghĩa về mẫu Mẫu là một mô 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 quá trình thiết kế, mẫu thường không khác xa với chỉ tiết thật mà nhà thiết kế sẽ phát triển. Tạo mẫu là một quá trình thực hiện và chế tạo các mẫu, quá trình này có thê theo thứ tự sắp xêp từ việc thiệt kê trên máy tính đên việc chê tạo một mâu thật.1 Mô hình mẫu của máy bay siêu âm 1.2 Vai tro của mẫu Mẫu có một số vai trò trong quá trình phát triển sản phẩm, cụ thé như sau: (1) Thí nghiệm và học tập: mẫu thường được sử dụng như một mô hình trong phòng thí nghiệm, dùng cho giảng dạy và học tập từ ở câp phô thong dén cap dai hoc. (2) Nghiên cứu và kiểm chứng: mẫu được sử dụng đề giúp nhà nghiên cứu có khái niệm, 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 không chỉ trong nhóm phát triển sản phẩm, mà còn trong việc quản lý và giao tiếp khách hàng. Không có điều gì để giải thích ý tưởng rõ ràng hơn một mô hình sản phẩm thực tế; khách hàng có thé xem, cham va cảm nhận về sản phẩm đó một cách rõ ràng nhất.
Vì thế, một mô hình sản phẩm 3D luôn tốt hơn mô hình 2D trong bản vẽ. Từ đó, khách hàng sẽ cung cập những thông tin phan hồi quý báu cho nhóm nghiên cứu đề phát triển sản phẩm. (4) Tổng hợp và phân tích sản phẩm: bằng việc liên kết tất cả những bộ phận, cụm chỉ 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) Lap kế hoạch và tạo hình sản phẩm: việc này thường được xem như là môc kết thúc và bắt đầu của những giai đoạn phát triên sản phẩm. Mỗi mẫu đánh dấu sự hoàn thành một giai đoạn phát triển nào đó. Trong nhiều công ty, nghiên cứu phát triển sản phẩm là then chốt dé thành công trong việc thúc đây và phát triển công ty với sản phẩm đó.
Những mẫu được tạo ra từ công nghệ tạo mẫu nhanh thường có độ chính xác cao, được chế tạo trong thời gian rất ngắn so với các công nghệ khác.2 Tạo mẫu nhanh là gì? Tạo mẫu nhanh là công nghệ dùng để chế tạo những mô hình mẫu của vật thể một cách tự động từ nguôn đữ liệu thiết kế 3D trên máy tính (CAD), bằng phương pháp đắp dân vật liệu từng lớp, với tốc độ nhanh hơn rất nhiễu so với phương pháp chế tạo truyền thống. Đặc điểm nỗi bật của công nghệ tạo mẫu nhanh là đắp dân vật liệu từng lớp để tạo nên sản phẩm, trong khi các phương pháp truyền thống thường là lấy vật liệu ra khỏi phôi ban đầu. Điều này cho phép công nghệ tạo mẫu nhanh có thể chế tạo được những chi tiết có độ phức tạp cao, mà các công nghệ truyền thống khác không thể chế tạo được. Quá trình tạo mẫu nhanh giúp cho nhà sản xuất quan sát, đánh giá nhanh chóng sản phẩm cuối cùng.
Quá trình này được thực hiện nhờ sự trợ giúp của các thiết bị tạo mẫu nhanh (RP) và phần mềm thiết kế CAD-3D. Dữ liệu được thiết kế từ mô hình CAD-3D sẽ được chuyên thành những mẫu thực một cách nhanh chóng. Tùy thuộc vào kích thước và độ phức tạp của sản phẩm, mà thời gian chế tạo mẫu mất khoảng từ 3 giờ đến 72 giờ, thậm chí ít hơn. Như vậy so VỚI ViỆc tạo mâu bang phương pháp truyền thống, công nghệ tạo mâu nhanh sẽ nhanh hơn rât nhiều; giúp nhà sản xuất đưa sản phẩm ra thị trường một cách nhanh chóng, giảm chỉ phí sản xuất.
Đây chính là ưu điểm nổi bật của công nghệ tạo mẫu nhanh.2 LICH SU PHAT TRIEN CUA CONG NGHE TAO MAU NHANH - Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh gắn liền với sự phát triên ứng dụng máy tính trong công nghiệp. Công nghệ máy tính phát triển đã thúc đầy sự tiến bộ trong nhiều lĩnh vực liên quan như: thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD), chế tạo với sự trợ giúp của máy tính (CAM), gia công điều khiển số nhờ máy tính (CNC). Đặc biệt, CAD-3D đã tác động rất lớn đến sự phát triển công nghệ tạo mâu nhanh. 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, công nghệ y sinh, kỹ thuật điều khiển.1 Lich 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 công cụ điều khiển số (NC) đầu tiên ra đời 1960 Tia Laser đầu tiên được thương mại 1961 Người máy/Robot đầu tiên được thương mại 1963 Hệ thống phần mềm thiết kế hình ảnh đầu tiên (CAD) ra đời 1988 Hệ thống tạo mẫu nhanh đầu tiên được thương mại 1.3 BA GIAI DOAN PHAT TRIEN DAN DEN TẠO MẪU NHANH Bang 1.2 Phát triển song song giữa mô hình hóa hình học và quá trình tạo mẫu Mô hình hóa hình học Tạo mẫu Giai đoạn 1: mô hình 2D Giai đoạn 1: tao mẫu thô sơ ® Bắt đầu giữa thập kỷ 1960 ® Hình thành từ nhiều thế kỷ ® Đường thắng trên màn hình có thể là: ® Tạo mẫu xem như một nghề: - Đường chu vi của chỉ tiết - Truyền thông và làm băng tay.
- Nhìn phẳng của chỉ tiết/thành phần - Vật liệu truyền thông tạo mâu. cơ khí ® Kỹ thuật tạo mẫu tự nhiên ® Kỹ thuật phát thảo tự nhiên Giai đoạn 2: Đường cong 3D và mô Giai đoạn 2: Tạo mau do va mém hình hóa bê mặt ® Giữa thập kỷ 1970 e Giữa thập kỷ 1970 ® Tăng độ phức tạp ® Tăng độ phức tạp © Mau ảo có thể được kiểm tra, mô e Thể hiện được nhiều thông tin như phỏng với những đặc tính cơ học và hình dáng chính xác, kích thước, các đặc tính khác một cách chính xác. đường viên bê mặt chỉ tiết. Giai đoạn 3: Mô hình khối 3D Giai đoạn 3: Tạo mẫu nhanh e Đầu thập kỷ 1980 e Giữa thập kỷ 1980 ® Góc cạnh, bề mặt và lỗ được liên kết ® Thuận lợi, điểm mạnh là tạo mẫu thật lại với nhau đề tạo nên I khôi thông trong 1 thời gian ngăn.
® Mẫu thật có thể được sử dụng cho ® Máy tính có thể xác định bên trong việc đánh giá, kiêm tra. Có thê vẽ mặt cắt ngang và ° Mẫu có thể giúp cho việc chế tạo sản đọc được các góc, và mặt giao nhau. ® Đạt độ chính xác. Quá trình tạo mẫu là một công việc có từ lâu đời, nhằm mục đích thực tế hóa một ý tưởng thiết kế.
Do đó, một mẫu thường được yeu | cầu có trước khi bắt đầu việc sản xuất sản phẩm. Việc gia công 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 khuôn (đúc, dập, nặn mẫu) với nhiều loại vật liệu khác nhau như nhôm, kẽm, gỗ, sáp. Quá trình tạo mẫu trải qua 3 giai đoạn phát triển, trong đó 2 giai đoạn sau mới được phát triển trong hơn hai mươi năm. Giống như quá trình mô hình hóa trên máy tính, quá trình tạo mẫu đang phát triển ở giai đoạn 3 (Bảng 1.1 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, quá trình thực hiện công việc cực kỳ nặng nhọc.2 Thời kỳ thứ hai: tạo mẫu ảo Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển vào những năm thập niên 70 của thế ky 19, khi xuất hiện các phần mềm thiết kế trên máy tính để tạo mẫu ảo. Ngày nay, việc ứng dụng CAD/CAE/CAM đã trở nên rất phô biến.
Với các phần mém tao mau, _Tgười thiết kế sẽ phát họa trên máy tính những ý tưởng mới, trước khi mâu được chế tạo.