CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TẠO MẪU NHANH Ngày nay, công nghệ in 3D kim loại bởi sự phổ biến dễ hình dung, và chỉ được phổ biến trong những năm gần đây, trong công nghiệp nó được gọi là công nghệ tạo mẫu nhanh. Do tính chất sản xuất đơn chiếc, từng cái nên ta hấy cụm từ “tạo mẫu” ở đây. TẠO MẪU CÓ TỪ BAO GIỜ? Quá trình tạo mẫu được phân ra làm 3 thời kì.Hai thời kì sau chỉ mới ra đời 20 năm trở lại đây.Tương tự như quá trình tạo mẫu trên máy vi tính,tính chất vật lí của mẫu chỉ được nghiên cứu phát triển trong thời kì thứ 3. Thời kì đầu tạo mẫu bằng tay Thời kì đầu tiên ra đời cách đây vai thế kỷ.Trong thời kì này các mẫu điển hình không có sự 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 kì nặng nhọc. Cho đến ngày nay phương pháp thủ công này vẫn sử dụng rất phổ biến trong các trường đại học về mỹ thuật có ngành tạo dáng,thì chính là nó. Hiện nay phương pháp tạo mẫu này mang hơi hướng nghệ thuật, hang chế tác riêng nhiều hơn là tạo mẫu trong sản xuất hàng loạt. Thời kỳ thứ hai: phần mềm tạo mẫu hay 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 hợp 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 (khoảng trên hai lần). Vì thế, thời gian yêu cầu cho việc tạo mẫu có khuynh hướng tăng lên khoảng 16 tuần, 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.
2 Luan van Hình 1.1: Phần mềm tạo mẫu sẽ phát họa trên máy vi tính Cùng với sự tiến 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). 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 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. 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 điểm 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 công nghệ tạo mẫu nhanh nên thời gian trung bình để tạo thành một chi tiết chỉ còn lại 3 tuần so với 16 tuần ở thời kỳ thứ hai. Năm 1988, hơn 20 công nghệ tạo mẫu nhanh đã được nghiên cứu. Ta thấy rằng nhu cầu tạo nên mẫu sản phẩm ban đầu là một nhu cầu thiết yếu trong quá trình sản xuất, trước khi sản xuất hàng loạt một sản phẩm nào cũng phải cần tạo mẫu sản phẩm trước để kiểm tra tính hiện thực và khả thi. Nếu mẫu sản phẩm càng chính xác bao nhiêu, càng nhanh bao nhiêu thì sẽ càng tránh được những lỗi mắc phải trong quá trình sản xuất sau này và càng tiết kiệm được chi phí sản xuất bấy nhiêu.
Những ai đã đọc quyển sách về Steve Job thì sẽ thấy rằng Ive đã phải làm rất nhiều mẫu Iphone bằng bọt biển để S.Job xem trước khi sản xuất ra chiếc Iphone ngày nay. Nên “công nghệ tạo mẫu nhanh” mang toàn bộ ý nghĩa của nó, “công nghệ”: đảm bảo độ chính xác, “tạo mẫu nhanh” đảm bảo thời gian nhanh chóng. Các loại công nghệ in 3D kim loại: Trên thế giới có tất cả 5 công nghệ in 3D chính và vì công nghệ in 3D bằng vật liệu nhựa thông thường và công nghệ in 3D kim loại không có gì khác nhau nên vì thế công nghệ in 3D kim loại cũng gồm 5 công nghệ cơ bản như: SLA, SLS, LOM, 3DP, FDM 1. Công nghệ in SLA (Stereolithography): là kỹ thuật dùng tia laser làm đông cứng nguyên liệu lỏng để tạo các lớp nối tiếp cho đến khi sản phẩm hoàn tất, độ dày mỗi lớp nhỏ nhất có thể đạt đến 0,06 mm nên rất chính xác.
Có thể hình dung kỹ thuật này như sau: đặt một bệ đỡ trong thùng chứa nguyên liệu lỏng, chùm tia laser di chuyển (theo thiết kế) lên mặt trên cùng của nguyên liệu lỏng theo hình mặt cắt ngang của sản phẩm làm lớp nguyên liệu này cứng lại. Bệ đỡ chứa lớp nguyên liệu đã cứng được hạ xuống để tạo một lớp mới, các lớp khác được thực hiện tiếp tục đến khi sản phẩm hoàn tất.2 Công nghệ SLA. Phương pháp SLA sử dụng nhựa photopolymer lỏng được củng cố bằng tia laser để tạo ra các bộ phận. Công nghệ này sử dụng tia sáng (tia laser, tia UV hoặc tia sáng bình thường) làm đông cứng lớp photopolymer lỏng (polymer quang hóa – polymer đóng rắn khi có ánh sáng chiếu vào) được chứa trong bồn từng lớp từng lớp để hình thành nên 4 Luan van vật thể 3D.
Đây là công nghệ đầu tiên và cũng là công nghệ đem lại độ dày layer nhỏ nhất hiện nay (độ chi tiết tốt nhất). Công nghệ SLS (Selective Laser Sintering) Sử dụng nguyên liệu dạng bột được chứa trong các bồn, các layer được xếp chồng lên nhau bằng các bánh lăn (roller), vừa cuộn vừa kéo san phẳng vật liệu ra thành lớp lỏng. Biên dạng layer được hình thành bằng cách dùng tia laser chiếu cho nóng chảy bột để bột lớp layer trên liên kết với layer dưới.3 Công nghệ SLS. Công nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing) Sử dụng nguyên liệu đầu vào là các vật liệu có thể dát mỏng như giấy, gỗ … dạng cuộn hay tờ, mỗi layer chính là mỗi tờ giấy hay lát gỗ, biên dạng layer được cắt ra bằng laser hay dụng cụ cắt rồi dán chồng lên nhau tạo nên vật thể 3D.
Đối với công nghệ này có thể tạo ra vật thể có màu sắc theo đúng thiết kế.4 Công nghệ LOM. Công nghệ 3DP (3Dimensional Printing Techniques) Phương pháp này rất dùng một đầu phun hỗn hợp chất kết dính. Những phần tử bột sẽ được liên kết với nhau ở những miền có chất kết dính. Công nghệ này áp dụng cho các thiết bị làm việc theo nguyên lí máy in.
Công nghệ 3D Priting sử dụng vật liệu dạng bột để chế tạo mẫu song điểm đặc biệt của công nghệ này là không dùng nguồn nhiệt để tạo biến đổi hoá lý hoặc nung chảy vật liệu như trong các công nghệ nêu trên mà sửdụng một loại keo kết dính phun lên lớp bột để tạo sự kết dính giữa các hạt bột và giữa các lớp với nhau.5 Công nghệ 3DP 7 Luan van 1. Công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) Sử dụng nguyên liệu đầu vào là sợi kim loại, sau đó được nung nóng chảy ra và đầu phun kéo các sợi nhựa chảy này theo biên dạng của mặt cắt từng layer, và đắp từng lớp layer chồng lên nhau để tạo ra sản phẩm 3D. Đây là công nghệ phổ biến nhất hiện nay vì nó đơn giản và dễ chế tạo. Những máy in DIY giá rẻ hiện nay đều sử dụng công nghệ này, giá thành chỉ khoảng vài trăm đến vài nghìn đô la.
Tuy nhiên, do những nhược điểm cốhữu của công nghệ nên máy in DIY chỉ có thể đáp ứng được những yêu cầu trung bình.6 Công nghệ FDM 8 Luan van II. Các loại vật liệu được sử dụng trong in 3D kim loại 1.Titanium Titan tinh khiết (Ti64 hoặc TiAl4V) là một trong những vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong in kim loại 3D, nhờ tính linh hoạt, độ cứng và độ nhẹ. Nó được sử dụng trong quá trình phun bột và các quá trình phun chất kết dính, chủ yếu trong ngành công nghiệp y tế (để thực hiện chỉnh hình) và ngành công nghiệp hàng không vũ trụ / ô tô / dụng cụ (để chế tạo các bộ phận và nguyên mẫu). Tuy nhiên nó có thể dễ dàng nổ khi ở dạng bột.
Đó là lý do tại sao Titanium cần phải được in 3D dưới chân không hoặc trong khí quyển argon.7 Vật liệu Titanium 2.Thép không gỉ Thép không gỉ là một trong những vật liệu giá cả phải chăng nhất trong in kim loại 3D. Nó rất mạnh và có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và nghệ thuật / thiết kế. Loại hợp kim thép này, cũng có chứa coban và niken, đặc biệt khó phá vỡ trong khi cùng một lúc có tính đàn hồi rất cao. Nó được sử dụng hầu như chỉ dành cho các ứng dụng công nghiệp.8 Vật liệu thép không gỉ 9 Luan van 3.
Inconel Inconel là một superalloy được sản xuất bởi một công ty chuyên sản xuất kim loại đặc biệt. Nó bao gồm chủ yếu là niken và chrome, kháng nhiệt độ cao. Vì lý do đó, nó được sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng trong ngành dầu khí, hoá học và hàng không (hộp đen trên máy bay).9 Vật liệu Inconel 4. Nhôm Do tính nhẹ nhàng và tính linh hoạt của nó, nhôm bây giờ là một kim loại rất phổ biến cho các ứng dụng in ấn 3D.
Nó được sử dụng chủ yếu trong nhiều hợp kim nhôm khác nhau.10 Quặng nhôm 10 Luan van 5. Cobalt Chrome Hợp kim này có độ bền rất cao. Nó thường được sử dụng để sản xuất tuabin, cấy ghép nha khoa và cấy ghép chỉnh hình — tất cả các lĩnh vực in kim loại 3D đang trở thành phương pháp sản xuất được ưa chuộng.