CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1. Giới thiệu về công nghệ tạo mẫu nhanh. Tạo mẫu nhanh (Rapid prototyping) là một phương pháp chế 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.
Tạo mẫu nhanh còn được biết với tên gọi khác nhau như sản xuất theo lớp (Layered Manuafacturing), công nghệ bồi đắp vật liệu (Additive Manuafacturing), hoặc in 3D (3D Printing). Công nghệ tạo mẫu nhanh còn có thể hiểu là một loại công nghệ có thể trực tiếp tạo ra một vật thể ba chiều với thời gian rất ngắn, thường chỉ qua 1 nguyên công. Với sự hỗ trợ của các phần mềm CAD tạo ra các mô hình vật thể làm cơ sở dữ liệu cho máy tạo mẫu nhanh. Vật thể mô hình đó được tạo ra bằng một loại vật liệu thích hợp tùy vào phương phương pháp của máy tạo mẫu nhanh.
In 3D là một trong số những phương pháp tạo mẫu nhanh tạo nên một vật thể 3D bằng cách xếp chồng từng lớp vật chất lên nhau cho đến khi tạo hình hoàn chỉnh vật thể đó. Mỗi lớp là một lát vật chất mỏng và nằm ngang. 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 mẫu theo lớp, lớp sau được tạo ra trên nền của lớp trước. Cho phép tạo mẫu các vật thể có hình dạng phức tạp mà không thể gia công bằng các phương pháp gia công cắt gọt thông thường.
Giảm đáng kể thời gian gia công. Tạo hình trực tiếp từ dữ liệu CAD. Cho phép tạo mẫu các vật thể có hình dạng phức tạp. Sự ra đời và phát triển của phương pháp tạo mẫu nhanh.
Quá trình tạo mẫu được phân ra làm ba thời kỳ. Hai thời kỳ sau chỉ mới ra đời trong khoảng 20 năm trở lại đây. Tương tự như quá trình tạo mẫu trên máy vi tính, tính chất vật lý của mẫu chỉ được nghiên cứu phát triển trong thời kỳ thứ ba. Thời kỳ đầu: Tạo mẫu bằng tay.
Thời kỳ đầu tiên ra đời cách đây vài thế kỷ. Trong thời kỳ này, các mẫu điển hình không có độ 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 kỳ nặng nhọc. Cho đến ngày nay phương pháp tạo mẫu thủ công này vẫn còn sử dụng khá phổ biến, trong các trường Đại Học về mỹ thuật có ngành Tạo Dáng, thì vẫn sử dụng phương pháp này.
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. 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. 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. 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).
Ứng dụng của tạo mẫu nhanh. Phát triển sản phẩm mới. Đây là ứng dụng quan trọng nhất của tạo mẫu nhanh, trong quá trình phát triển sản phẩm mới, nó cho ta thấy được hiện tượng vật lí của các mẫu thiết kế mà ta không thể quan 2 Luan van sát trên mô hình máy tính, bao gồm các khía cạnh thiết kế, giúp cho các nhà thiết kế đánh giá được sản phẩm một cách tốt nhất trước khi đưa vào thiết kế hàng loạt. Kiểm tra chức năng làm việc của sản phẩm.
Dựa vào mô hình 3D rất khó để đảm bảo sản phẩm khi sản xuất ra có thể đáp ứng được các yêu cầu về thao tác làm việc, lắp ghép… Đặc biệt với các chi tiết bánh răng, hộp số, cam, trục lệch tâm hay khớp nối, cần điều khiển… Tạo mẫu nhanh sẽ giúp các kỹ sư và nhà thiết kế xử lý những vấn đề đó. Công nghệ tạo mẫu nhanh hiện nay có thể “in 3D” các chi tiết lắp ghép, thậm chí với nhiều màu sắc khác nhau.1: Một hộp số động cơ xe được in bằng máy in 3D.2: Một động cơ máy bay được in 3D để kiểm tra lỗi. Tạo khuôn nhanh (Rapid Tooling). Tạo mẫu nhanh được ứng dụng rất mạnh mẽ trong việc chế tạo các chi tiết làm khuôn đúc silicon, composite, tạo hình chân không… Quá trình làm khuôn truyền thống rất là phức tạp tốn thời gian và chi phí cao, làm tăng thời gian từ khâu thiết kế đến khâu sản xuất, việc ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh này vào lĩnh vực này sẽ tạo một động lực chính cho sự phát triển của công nghệ tạo khuôn, mang hiệu quả kinh tế cao đối với ngành công nghiêp này.3: Tạo khuôn bằng công nghệ in 3D.
Ứng dụng trong y học. Trong lĩnh vực y học, công nghệ tạo mẫu nhanh được dùng để chế tạo các mô hình y học, các bộ phận cấy ghép thay thế xương và các công cụ trợ giúp phẫu thuật. Xương nhân tạo: Có những vụ tai nạn gây vỡ một phần xương trên cơ thể và không thể phục hồi. Yêu cầu đặt ra là phải tái tạo lại được phần xương tương ứng để cấy ghép với độ chính xác cao.
Để làm được điều đó, người ta sử dụng đến kỹ thuật ngược. Công nghệ tạo mẫu nhanh cũng được sử dụng rộng rãi trong nha khoa. 4 Luan van Hình 1.4: Các khớp xương được tạo từ máy in 3D để thay thế cho các bệnh nhân thoái hóa khớp. 5 Luan van CHƯƠNG 2.
Một số phương pháp tạo mẫu nhanh. Phương pháp SLA (Stereo lithography apparatus). 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 0,06mm 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.1: Nguyên lý phương pháp tạo mẫu SLA. - Ưu điểm: Hệ thống cứng vững và hoàn toàn tự động. Độ chính xác kích thước cao. Dung sai kích thước điển hình khoảng 0,0125mm.
Độ bóng bề mặt tốt. Độ phân giải cao phù hợp với các chi tiết phức tạp. Với sự hỗ trợ của phần mềm QuickCastTM cho phép tạo mẫu cho quá trình đúc khuôn kim loại nhanh chóng và chính xác. - Nhược điểm: Sản phẩm bị cong vênh.
Giá thành hơi cao. Vật liệu sử dụng bị hạn chế. Phải qua giai đoạn hậu xử lý. Chi phí vận hành và bảo trì cao.
Phương pháp SGC (Solid Ground Curing). Cũng là phương pháp làm khô cứng từng lớp. Khác với SLA, ở đây không sử dụng nguồn laser điểm mà dùng chùm ánh sáng cực tím chiếu lên toàn bề mặt, đã được che chắn qua một mặt nạ (mask). Phần vật liệu hở sáng sẽ đông cứng thành một lớp.
Mặt nạ là một tấm phim âm bản của tiết diện được cắt.2: Nguyên lý phương pháp tạo mẫu SGC. - Ưu điểm: Hệ thống xử lý song song: Quá trình tạo mẫu và xử lý tinh xảy ra song song do đó tiết kiệm thời gian từ 25-50%, giảm ứng suất bên trong và độ cong vênh sản phẩm. Đặc tính sản phẩm đồng nhất. Có thể chế tạo cùng lúc nhiều sản phẩm.
- Nhược điểm: Giá thành hơi cao, thiết bị làm việc hơi ồn. Vật liệu sử dụng bị hạn chế. Phải qua giai đoạn hậu xử lý. Chi phí vận hành và bảo trì cao.
Phải lấy sáp ra khỏi sản phẩm khi chế tạo xong. Phương pháp LOM (Laminated Object Manufacturing).