CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tình hình về công nghệ in 3D Nguyên mẫu (Prototype) là một phần quan trọng của quá trình phát triển sản phẩm. Nguyên mẫu đóng một số vai trò trong quá trình phát triển sản phẩm như thử nghiệm và học tập, thử nghiệm và chứng minh, giao tiếp và tương tác, tổng hợp và phân tích, liệt kê. Quá trình tạo mẫu đã trải qua ba giai đoạn phát triển như tạo mẫu thủ công, tạo mẫu mềm hoặc tạo mẫu ảo và tạo mẫu nhanh.
Hai trong số đó mới chỉ xuất hiện trong hai thập kỷ qua như quy trình mô hình hóa trong đồ họa máy tính. Nguyên mẫu của mô hình vật lý đang phát triển qua giai đoạn thứ ba, do vòng đời sản phẩm ngày càng ngắn hơn do sự phát triển công nghiệp nhanh chóng và nhu cầu đa dạng của khách hàng, việc giảm thời gian, trong thời gian phát triển sản phẩm mới là vấn đề quan trọng (Rossi et al. Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid prototyping) là công nghệ được sử dụng từ cuối những năm 1980 đã có vị trí trong CAD / CAM và được kỳ vọng hướng tới môi trường sản xuất năng động. RP là quy trình sản xuất bồi đắp (AM - Additive Manufacturing) hoặc quy trình sản xuất đắp lớp (LM – Layered Manufacturing) trong đó mô hình máy tính 3D được cắt và ghép lại trong lớp không gian thực dựa trên hình thức nguyên liệu ban đầu được sử dụng và phương pháp làm cứng chẳng hạn như quy trình tạo mẫu lập thể (SLA - Stereo lithographic Apparatus), thiêu kết laser chọn lọc (SLS - Selective Laser Sintering), công nghệ sử dụng vật liệu nhiều lớp (LOM - Laminated Object Manufacturing), công nghệ lắng đọng bằng đùn (FDM - Fused Deposit Modelling) và đông cứng bề mặt rắn (SGC - Soling Ground Curing) đã được giới thiệu ra thị trường.
Một trong những cách tốt hơn là phân loại rộng rãi các hệ thống tạo mẫu nhanh theo hình thức ban đầu của vật liệu của nó, tức là vật liệu mà các nguyên mẫu là một phần được chế tạo. Theo cách này, tất cả các hệ thống RP có thể dễ dàng được phân loại thành: • Dạng lỏng • Dạng rắn • Dạng bột (Chua et al. Khái quát về các công nghệ in 3D phổ biến hiện nay 1.1 Nguyên lý chung của in 3D Để bắt đầu in 3D, người ta cần một bản thiết kế vật thể 3D trên phần mềm CAD, một phần mềm quen thuộc hỗ trợ thiết kế trên máy tính. Mô hình của vật thể hoặc được thiết kế trực tiếp trên phần mềm này hoặc được đưa vào phần mềm thông qua việc sử dụng thiết bị quét laser.
Sau khi bản thiết kế được hoàn thành, ta cần tạo ra tài liệu STL - Standard Tessellation Language, một dạng tài liệu quen thuộc với công nghệ sản xuất đắp dần. Tạo ra một file theo ngôn ngữ dạng lưới tiêu chuẩn là chia một vật thể thành những đa giác nhỏ hơn, để mô phỏng cho cấu trúc bên ngoài và cả bên trong của vật thể. Đây là phần rất quan trọng trong sản xuất đắp dần. Khi tài liệu đã được hoàn thiện, hệ thống sẽ chia nhỏ thiết kế mẫu thành nhiều lớp khác nhau và chuyển thông tin đến thiết bị sản xuất đắp dần.
Sau đó, hệ thống sản xuất đắp dần sẽ tự chế tạo vật thể theo từng lớp một cho đến khi vật thể cần sản xuất được hoàn thiện. Để sản xuất các vật thể, các hệ thống máy in 3D sử dụng kết hợp nhiều công nghệ khác nhau. Các công nghệ này được phân loại dựa vào bản chất vật liệu. In 3D hay sản xuất đắp dần có thể làm việc với vật liệu rắn (nhựa, kim loại, polymer), vật liệu lỏng (nhựa lỏng đông cứng lại nhờ tác động của laser hay ánh sáng điện tử), hay vật liệu dạng bột(bột kim loại, bột gốm kết dính với nhau tạo thành sản phẩm…) ([1], trang 7).
Công nghệ tạo mẫu lập thể (SLA) Được phát triển bởi Chuck Hull, đây là công nghệ in 3D xuất hiện đầu tiên và cũng là công nghệ in 3D chi tiết chuẩn xác nhất, có sai số thấp nhất trong các công nghệ in 3D khác. Công nghệ in 3D SLA là một công nghệ in 3D vẫn hoạt động theo nguyên tắc “đắp lớp” có đặc điểm khác biệt với các công nghệ khác là dùng tia UV làm cứng từng lớp vật liệu in (chủ yếu là nhựa lỏng). Lớp in SLA có thể đạt từ 0. Về nguyên lý hoạt động: Sau khi tập tin 3D CAD được kết nối dưới ngôn ngữ STL (Tessellation language) thì quá trình in được bắt đầu: Lớp nhựa lỏng đắp lên mẫu 3D thiết kế sẵn tia UV làm cứng lớp nhựa này, sau đó nhiều lớp được đắp lên nhau cho đến khi đạt chỉ số kỹ thuật của vật thể đã định sẵn.
Ưu điểm: Công nghệ SLA có khả năng tạo ra các mô hình có độ chi tiết cao, sắc nét và chính xác. Về các công nghệ in 3D sử dụng vật liệu nhựa, thì đây là công nghệ tạo ra sản phẩm in 3D là nhựa tốt nhất, có thể sử dụng ngay, độ phân giải, độ mịn cao, có thể nói là cao nhất hiện nay. Nhược điểm: Vật liệu in 3D khá đắt, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền khi để lâu dưới ánh sáng mặt trời ([1], trang 7,8). 2 Luan van Hình 1.1 Mô hình cấu tạo máy in 3D SLA ([1], trang 8) Hình 1.2 Sản phẩm của công nghệ in 3D SLA [9] 3 Luan van 1.
Công nghệ sử dụng vật liệu nhiều lớp (LOM) Công nghệ LOM được sáng tạo bởi Michael Feygin vào năm 1985 và được tung ra thị trường năm 1986 bởi công ty California Helisys (Hoa Kỳ). Đây là kiểu in 3D sử dụng những vật liệu dễ dàng dát mỏng như giấy, gỗ, nhựa…Kiểu in này cho ra màu sắc chuẩn xác với bản mẫu thiết kế nhất. Trong quá trình in LOM các lớp giấy, nhựa hoặc kim loại cán mỏng dính bọc được hợp nhất bằng cách sử dụng nhiệt và áp lực, sau đó cắt thành hình với máy tính điều khiển tia laser và dao cắt. Sau khi thực hiện quá trình in, bước cuối cùng là gia công và khoan.
Các đối tượng 3D được tạo ra từng lớp,mỗi lớp sẽ được cắt bằng tia laser hoặc dụng cụ cắt chuyên dụng (cắt theo đường biên dạng với tốc độkhoảng15 (inch/giây) sau đó được dán chặt từng lớp, từng lớp vào với nhau tạo ra sản phẩm. Ưu điểm của công nghệ LOM: Vật liệu đa dạng, rẻ tiền. Về nguyên tắc có thể sử dụng các loại vật liệu: giấy, chất dẻo, kim loại, composites và gốm. Độ chính xác cao đạt được tốt hơn 0,25 mm.
Bằng việc cắt vật liệu thay vì hóa rắn nó, hệ thống có thể bảo vệ được những đặc tính ban đầu của vật liệu. Không cần thiết kết cấu hỗ trợ. Nhược điểm: Không thu hồi được vật liệu dư. Sự cong vênh của chi tiết thường là vấn đề chính của phương pháp LOM.
Lấy sản phẩm ra khỏi kết cấu hỗ trợ khó khăn. Độ bóng bề mặt không cao ([1], trang 13,14).3 Hình dáng máy in và một số sản phẩm công nghệ LOM ([1], trang 14) 4 Luan van 1. Công nghệ lắng đọng bằng đùn (FDM) Được phát triển bởi S. Scott Crump vào cuối những năm 1980.
Hãng Stratasys bán chiếc máy sử dụng công nghệ FDM đầu tiên có tên “3D Modeler” năm 1992. Máy in 3D dùng công nghệ FDM xây dựng mẫu bằng cách đùn nhựa nóng chảy rồi hóa rắn từng lớp tạo nên cấu trúc chi tiết dạng khối. Điều đặc biệt của công nghệ này đó là nó không chỉ có khả năng in các nguyên mẫu mà còn in được các sản phẩm hoàn thiện cuối cùng đến tay người dùng. Công nghệ này có hiệu suất cao và sử dụng kỹ thuật in nhiệt dẻo rất có giá trị đối với kĩ sư cơ khí và các nhà sản xuất, nhờ thế mà thành phẩm có phẩm chất tốt về mặt cơ học, nhiệt và hóa học.
Ưu điểm: Là công nghệ in 3D giá rẻ, dễ sửa chữa và thay thế chi tiết máy móc, in với số lượng lớn, ít tốn nguyên liệu. Thường sử dụng trong các sản phẩm cần chịu lực. Tốc độ tạo hình 3D nhanh. Nhược điểm: Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao.
Khả năng chịu lực không đồng nhất ([1], trang 11,12).4 Nguyên lý hoạt động của công nghệ in 3D FDM ([1], trang 12) 5 Luan van Hình 1.5 Sản phẩm công nghệ in 3D FDM [10] 1. Công nghệ thêu kết Laser chọn lọc (SLS) Công nghệ này được sáng tạo bởi Carl Deckard vào năm 1986 ở Trường đại học Texas và được cấp bằng sáng chế năm 1989, được đưa ra thị trường bởi tập đoàn DTM (được thành lập 1987). Thiết bị đầu tiên được thương mại hoá vào năm 1992. Công nghệ SLS vận hành tương tự SLA nhưng vật liệu ở dạng bột gốm sứ, thép, titan, nhôm, bạc, thủy tinh,… Tia laser giúp liên kết các hạt bột với nhau.
Đặc biệt, bột thừa sau quy trình có thể tái chế nên rất tiết kiệm. Có thể tạo lớp bằng vật liệu phụ trợ là keo chuyên dụng (có khi kèm màu sắc nếu in 3D đa sắc màu), hoặc tia laser, tia UV,…. Ưu điểm: Khả năng tạo mẫu bằng các loại vật liệu dạng bột khác nhau như nhựa, kim loại, thủy tinh, gốm. Tạo mẫu đa dạng về màu sắc, có thể tạo ra các mẫu hình dạng phức tạp, không cần sử dụng vật liệu hỗ trợ, không cần cấu trúc hỗ trợ.
SLS đã được sử dụng chủ yếu để tạo nguyên mẫu, nhưng gần đây đã được ứng dụng cho sản xuất theo từng yêu cầu cụ thể. Nhược điểm: Phức tạp, chi phí đầu tư cao, chi phí vận hành cao do hao tổn vật liệu lớn. Các mô hình kín và có phần rỗng bên trong vẫn phải tiêu tốn một lượng vật liệu khá lớn ([1], trang 9,10). 6 Luan van Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của công nghệ in 3D SLS ([1], trang 9) Hình 1.7 Sản phẩm in 3D SLS [11] 7 Luan van 1.
Ứng dụng của in 3D Công nghệ in 3D đang ngày càng phát triển, không chỉ giúp cho việc chế tạo khuôn mẫu được chính xác và dễ dàng hơn mà còn tìm được nhiều ứng dụng trong thực tế cuộc sống. Công nghệ in 3D đang được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp sản xuất chế tạo, y khoa, kiến trúc, xây dựng… Dưới đây là những lĩnh vực chính được ứng dụng công nghệ in 3D ([1], trang 16). Trong công nghiệp sản xuất, chế tạo Lý do chính khiến công nghệ sản xuất đắp dần được sử dụng rộng rãi trong môi trường công nghiệp là do nó cho phép sản xuất các bộ phận với số lượng ít, bộ phận có hình dạng phức tạp, cắt giảm phế liệu, tạo nhanh sản phẩm thử nghiệm, sản xuất theo yêu cầu.