CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu về công nghệ TMN Tạo mẫu nhanh (Rapid prototyping) là một phương pháp chế tạo đặc biệt tạo ra mô hình sản phẩm nhanh chóng từ dữ liệu 3D bằng cách xây dựng theo từng lớp dưới sự kiểm soát máy tính. TMN còn được biết với các tên gọi khác như sản xuất theo lớp (Layered Manufacturing), công nghệ bồi đắp vật liệu (Additive Manufacturing), hoặc in 3D (3D Printing). [1] Nguyên lý chung Vật liệu được thêm vào (bồi đắp) và liên kết với nhau để tạo thành mẫu không phải là cắt gọt vật liệu như các phương pháp gia công truyền thống mà mẫu được tạo ra theo lớp, lớp sau được tạo ra trên nền lớp trước như hình 1-1.
Nguyên lý chung Đặc điểm - Giảm đáng kể thời gian gia công. - Cho phép tạo mẫu các vật thể có các hình dạng phức tạp mà không thể gia công bằng các phương pháp gia công cắt gọt thông thường. - Tạo hình trực tiếp từ dữ liệu CAD.2 Nhu cầu sử dụng trên thế giới Mặc dù một số năm doanh thu giảm nhẹ nhưng nhìn chung công nghiệp tạo mẫu nhanh (TMN) phát triển rất nhanh, nhất là từ năm 2010 cho đến nay. Tổng doanh thu từ tất cả các sản phẩm và dịch vụ TMN trên toàn cầu tăng trưởng 34,9% trong năm 2013 lên đến 3.
Hình 1-2 Biểu đồ doanh thu các sản phẩm và dịch vụ TMN trên thế giới Công nghệ TMN hiện được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau như điện tử, ô tô, y tế, kiến trúc, giáo dục, …. [3] Điển hình tại Mỹ một nước công nghiệp phát triển có tỷ lệ ứng dụng TMN trong các ngành công nghiệp với phân bố như hình 1-3.Trong đó nhóm ngành sản phẩm tiêu dùng/điện tử và ô tô chiếm tỷ lệ cao nhất lần lượt là 20,3% và 19,5% trong đó công nghệ TMN đã đem lại 48 tỷ đô la mỹ cho ngành công nghiệp ô tô Mỹ trong năm 2011. Tiếp theo đó là nhóm ngành y tế (15,1%) chỉ riêng ở Mỹ giá trị sản phẩm y tế và nha khoa lên tới 89,5 tỷ đô (năm 2011). 3 Sản phẩm tiêu dùng / điện tử 5.8% Không gian vũ trụ Công nghiệp / kinh doanh 19.5% Các trường đại học 12.1% Chính phủ / quân sự 15.1% Khác Hình 1-3 Ứng dụng công nghệ TMN trong các ngành công nghiệp khác nhau tại Mỹ Theo Wohlers report vào năm 2008 [4] thì Stratasys với công nghệ TMN FDM chiếm tới 44% thị trường TMN trên thế giới, nhiều hơn gấp 2,13 lần so với Z Corp đứng vị trí thứ hai với 20,7%.
FDM là công nghệ mới trong lĩnh vực TMN và cũng là công nghệ có mức phát triển vượt bậc, được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới.7% ENVISIONTEC KHÁC Hình 1-4 Thị trường TMN thế giới năm 2008 1.3 Công nghệ FDM Năm 1989, công nghệ FDM được sáng chế bởi S. Scott Crump, ông là cha đẻ của công nghệ FDM – công nghệ đùn vật liệu, công nghệ này được ông đưa vào 4 thương mại hóa năm 1992 bởi Stratasys Inc. Ông lấy ý tưởng từ việc sử dụng “súng bắn keo” thành từng lớp để làm mô hình con ếch đồ chơi cho con gái. Sau đó Scott và vợ Lisa Crump tiếp tục nghiên cứu và dần hình thành ý tưởng tạo mô hình 3D bằng việc liên kết các lớp 2D bằng keo.
Hình 1-5 Mẫu máy tạo mẫu nhanh FDM 2000 1.4 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý của công nghệ FDM được trình bày trong hình 1-6 sợi vật liệu nhựa (3) từ cuộn cấp (4) qua các con lăn (7) được đưa vào vùng gia nhiệt (8). Sau đó, vật liệu sau khi được gia nhiệt hóa lỏng được đùn qua vòi phun (6) xuống tấm đỡ (5) của máy. Đầu đùn di chuyển trong mặt phẳng XY theo chương trình định sẵn thông qua máy tính (2). Khi một lớp được tạo xong thì tấm (5) hạ xuống theo chiều Z để tiếp tục tạo các lớp tiếp theo.
Toàn bộ hệ thống được đặt trong buồng kín nhằm kiểm soát nhiệt độ nóng chảy của vật liệu. Điều này cho phép các lớp liên kết với nhau hiệu quả hơn. 5 Hình 1-6 Nguyên lý hoạt động máy FDM 1.5 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh FDM 1. Ưu nhược điềm Công nghệ FDM có những ưu điểm bao gồm sử dụng vật liệu đa dạng, dễ dàng thay đổi vật liệu, cấu tạo đơn giản, giá thành thấp, chi phí bảo trì thấp và có khả năng sản xuất những chi tiết mỏng và kích thước lớn, không dùng nguồn laser, sử dụng được nhiều vật liệu và không có vật liệu độc hại,.
Mặt khác, nó tồn tại một vài nhược điểm như: có đường gân giữa các lớp, có thể cần cơ cấu đỡ (support), nhiệt độ dao động trong suốt quá trình sản xuất có thể dẫn đến độ liên kết giữa các lớp kém nên độ bền theo phương Z kém, tốc độ gia công hạn chế, cũng như các công nghệ TMN khác, công nghệ FDM có độ chính xác không cao [5] 1. Phạm vi ứng dụng Hiện nay, công nghệ tạo mẫu nhanh đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hàng không vũ trụ, ô tô, máy móc, điện tử, thiết bị điện, y học, kiến trúc, đồ chơi, hàng thủ công, và mang lại nhiều kết quả tuyệt vời khác. 6 Hình 1-7 Ứng dụng sản của các sản phẩm từ công nghệ TMN FDM – Phát triển sản phẩm mới: FDM là ứng dụng quan trọng nhất của công nghệ tạo mẫu nhanh là sự phát triển của sản phẩm mới. Trong quá trình phát triển sản phẩm mới, nó cho ta thấy được hiện tượng vật lí các mẫu thử nghiệm, chủ yếu bao gồm các khía cạnh thiết kế, kiểm tra, thử nghiệm lắp ráp và điều tra và đánh giá của người dùng.
– Tạo khuôn nhanh (Rapid Tooling): Việc áp dụng các phương pháp TMN là công cụ thiết kế nhanh, công nghệ tạo khuôn nhanh (RT) đã trở thành một điểm nóng mới trong lĩnh vực công nghệ tạo mẫu nhanh. Quá trình làm khuôn truyền thống rất là phức tạp và tốn thời gian, chi phí cao, làm tăng thời gian giữa việc thiết kế và sản xuất, việc khắc phục được nhược điểm trên sẽ trở thành một động lực chính cho sự phát triển của công nghệ tạo khuôn, do đó, việc áp dụng công nghệ tạo mẫu nhanh để sản xuất khuôn mẫu nhanh sẽ mang lại hiệu quả kinh tế rất cao. Đối với việc sử dụng vật liệu sáp để tạo chi tiết trong công nghệ tạo mẫu nhanh, từ mẫu này, sẽ kết hợp với nhiều kỹ thuật nữa để tạo được một khuôn kim loại hoàn chỉnh, để đúc ra những chi tiết kim loại. Sau khi đã tạo được khuôn bằng cách làm tan chảy chi tiết sáp trong lòng khuôn (giống như công nghệ đúc đồng, dùng mẫu sáp để tạo khuôn) khuôn được tạo thành sẽ được kết hợp với các công nghệ chuyển đổi để hoàn thành một khuôn đúc như: phun sơn, phủ lớp gốm, phương pháp đánh bóng, 7 phương pháp gia công điện hoặc một số phương pháp khác để hoàn thành khuôn kim loại.
Công nghệ tạo mẫu nhanh rất có ý nghĩa trong ngành sản xuất khuôn mẫu, có thể tận dụng lợi thế kết hợp của khuôn silicone, phun kim loại lạnh, đúc chính xác, gia công điện, phương pháp đúc ly tâm, sản xuất trực tiếp hoặc gián tiếp các khuôn đúc nhanh mà phương pháp gia công tia lửa điện EDM không làm được. Do đó, công nghệ tạo mẫu nhanh mang lại hiểu quả kinh tế cao đối với ngành công nghiệp khuôn mẫu. – Trong các lĩnh vực khác: Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM có ứng dụng trong lĩnh vực y học. Tạo ra các phần thay thế cho con người như xương (như hộp sọ, răng) hoặc những mô hình phục vụ cho việc học tập hay giáo dục (chẳng hạn như thận), và các bộ phận khác nhau được tạo mẫu bởi những vật liệu màu sắc khác nhau, tạo những hình ảnh trực quan trong ngành giáo dục y học trong các trường y.
Các mô hình cơ quan trong cơ thể con người để giúp bác sĩ chẩn đoán các trường hợp bệnh tật cũng như xác định, lựa chọn phương án điều trị có lợi nhất, đây là vấn đề được sự quan tâm rất lớn trong ngành y khoa. Đối với kỹ thuật phục hồi chức năng, công nghệ tạo mẫu nhanh tạo ra các chi tiết giả để phục vụ cho những nạn nhân bị mất những bộ phận trong tai nạn, với thời gian phục hồi nhanh, tạo hình để liên kết các bộ phận giả và cơ thể, đảm bảo đạt mục đích chức năng người sử dụng.6 Tổng quan về hệ thống điều khiển cho máy FDM Để thiết kế hệ thống điều khiển cho máy TMN Vina FDM 2015 theo đề tài CNN tại PTN trọng điểm điều khiển số và kỹ thuật hệ thống, tôi đã nghiên cứu các công trình nghiên cứu về lĩnh vực này như: Nghiên cứu của Teck Bong, Yew Chong, Steven Mok, Da Toh [6] Trong nghiên cứu của mình đề xuất quá trình điều khiển FDM dựa trên nền tảng điều khiển máy tính thông qua hệ thống board mạch mở rộng. Trên board mở rộng 8 có gắn các driver điều khiển động cơ cùng với các card giao tiếp, các card IO thông qua các khe cắm mở rộng như hình 1-8 Hình 1-8 Sơ đồ hệ thống điều khiển Nghiên cứu của James W. Comb, Paul J Leavitt, Edward Rapoport [7] Hình 1-9 Sơ đồ khối điện của hệ thống điều khiển 9 Hệ thống điều khiển được thể hiện trong hình 1-9.
CPU giao tiếp với màn hình cảm ứng (21) hiển thị thông báo cho người điều khiển và yêu cầu đầu vào từ các khối điều khiển. Hệ thống này điều khiển sử dụng 2 đầu đùn với các cảm bến phụ trợ cùng hệ thống cấp liệu. Nghiên cứu của Qiang Huang và các đồng nghiệp [8] Đưa ra mô hình dự báo mong muốn để dự báo chất lượng sản phẩm theo chiều rộng (kiểm soát đầu vào hình học sản phẩm y dựa trên sản phẩm độ lệch Δy). Nghiên cứu này nhằm mục đính đưa ra mô hình dự báo thống kê và phương pháp bồi thường để dự đoán và cải thiện chất lượng của cả hình trụ và các bộ phận hình lăng trụ bằng cách bù phần chênh lệch của sản phẩm tạo ra so với mẫu thiết kế.
Dựa trên nghiên cứu trước đó của họ về nghiên cứu bù tối ưu trên các sản phẩm hình trụ. Nghiên cứu của Mohamad A M J Alhubail (2012) [9] Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của qui trình FDM để cải thiện độ chính xác chi tiết. Ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng mẫu sử dụng DOE với phương pháp thực nghiệm toàn phần để kiểm tra và tiến hành thực nghiệm. Bài báo cáo nghiên cứu sử dụng máy FDM với vật liệu nhựa ABS M30i.