Nghiên cứu ứng dụng công nghệ in 3D trong phát triển sản phẩm nhanh

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu công nghệ chế tạo máy nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh 3d printer trong phát triển, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Đặng Xuân Phong
• Người hướng dẫn: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Ứng Dụng Công Nghệ Tạo Mẫu Nhanh 3D Printer Trong Phát Triển Nhanh Sản Phẩm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
• DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
• CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG ĐỀ TÀI
• DANH SÁCH CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Vai trò của công nghệ tạo mẫu nhanh trong việc phát triển nhanh sản phẩm
• 1.2. Sơ Lược về Công nghệ tạo mẫu nhanh
• 1.3. Mục tiêu của đề tài
• 1.4. Nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH 3D PRINTER
• 2.1. Thời gian hình thành và tốc độ phát triển của công nghệ 3D printer
• 2.2. Tạo mẫu nhanh theo công nghệ 3D printer
• 2.3. Bảng phân loại công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printer
• 2.4. Khả năng ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printer
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH SO SÁNH LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP BỘT
• 3.1. Cấu trúc tổng thể hệ thống cấp bột theo công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printting
• 3.2. Hệ thống cấp bột theo công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printting
• 3.3. Xây dựng, đánh giá và chọn phương án thiết kế hệ thống cấp bột
• 3.4. Đánh giá các phương án theo các chi tiêu và chon lựa phương án
• 3.5. Chọn phương án thiết kế
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP BỘT
• 4.1. Thông số kỹ thuật thiết kế hệ thống cấp bột
• 4.2. Tính toán thiết kế cho cụm nâng hạ thùng chính
• 4.3. Tính toán thiết kế cho cụm cấp bột
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ KẾT CẤU
• 5.1. Thiết kế kết cấu
• 5.2. Xây dựng mô hình
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• 6.1. Hướng phát triển đề tài
• Tài Liệu Tham Khảo

Tóm tắt

I. Giới thiệu về công nghệ in 3D

Công nghệ in 3D là một phương pháp chế tạo mẫu nhanh, cho phép tạo ra các sản phẩm từ dữ liệu thiết kế ba chiều. Công nghệ này đã trở thành một phần không thể thiếu trong quy trình phát triển sản phẩm hiện đại. In 3D giúp rút ngắn thời gian sản xuất và tăng cường khả năng sáng tạo trong thiết kế sản phẩm. Theo Terry Wohlers, công nghệ này cho phép sản xuất mô hình vật lý từ dữ liệu thiết kế, mở ra nhiều cơ hội cho ngành công nghiệp chế tạo. Các sản phẩm được tạo ra từ công nghệ này không chỉ nhanh chóng mà còn có độ chính xác cao, giúp các nhà thiết kế kiểm tra và điều chỉnh sản phẩm trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt.

1.1. Lịch sử phát triển của công nghệ in 3D

Công nghệ in 3D bắt đầu từ những năm 1980 với việc phát minh ra thiết bị tạo hình lập thể (SLA). Từ đó, nhiều công nghệ khác như FDM, SLS và 3D Printing đã được phát triển. Sự ra đời của các công nghệ này đã tạo ra một cuộc cách mạng trong ngành chế tạo, cho phép sản xuất nhanh chóng và hiệu quả hơn. Theo báo cáo của Wohlers, công nghệ tạo mẫu nhanh đã trở thành một phần quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ y học đến sản xuất ô tô. Điều này cho thấy tầm quan trọng của công nghệ in 3D trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và phát triển sản phẩm.

II. Ứng dụng của công nghệ in 3D trong phát triển sản phẩm nhanh

Công nghệ in 3D đã chứng minh được giá trị của nó trong việc phát triển sản phẩm nhanh. Nhờ vào khả năng tạo mẫu nhanh chóng, các nhà sản xuất có thể đưa sản phẩm ra thị trường trong thời gian ngắn hơn. Việc tạo mẫu nhanh giúp các nhà thiết kế kiểm tra và cải tiến sản phẩm trước khi chính thức sản xuất. Bên cạnh đó, công nghệ này còn cho phép sản xuất các sản phẩm phức tạp mà không cần khuôn mẫu, từ đó giảm thiểu chi phí sản xuất và thời gian. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh thị trường ngày càng cạnh tranh và yêu cầu sự linh hoạt trong sản xuất.

2.1. Lợi ích của việc ứng dụng công nghệ in 3D

Việc ứng dụng công nghệ in 3D mang lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp. Đầu tiên, công nghệ này giúp giảm thiểu thời gian đưa sản phẩm ra thị trường, cho phép các công ty phản ứng nhanh với nhu cầu của khách hàng. Thứ hai, in 3D cho phép tạo ra các mẫu thử nghiệm với độ chính xác cao, giúp các nhà thiết kế dễ dàng điều chỉnh sản phẩm. Cuối cùng, công nghệ này còn giúp tiết kiệm chi phí sản xuất, đặc biệt là trong giai đoạn phát triển sản phẩm, khi mà việc sản xuất thử nghiệm có thể tốn kém nếu sử dụng phương pháp truyền thống.

III. Quy trình sản xuất với công nghệ in 3D

Quy trình sản xuất với công nghệ in 3D thường bao gồm các bước: thiết kế mô hình 3D, chuẩn bị dữ liệu in, và thực hiện in 3D. Đầu tiên, các nhà thiết kế sử dụng phần mềm CAD để tạo ra mô hình 3D của sản phẩm. Sau đó, mô hình này được chuyển đổi thành định dạng phù hợp cho máy in 3D. Cuối cùng, máy in sẽ thực hiện quá trình in 3D, layer by layer, cho đến khi sản phẩm hoàn thành. Quy trình này không chỉ nhanh chóng mà còn cho phép tùy chỉnh sản phẩm theo yêu cầu của khách hàng.

3.1. Các công nghệ in 3D phổ biến

Trong lĩnh vực in 3D, có nhiều công nghệ khác nhau như FDM, SLA, và SLS. Mỗi công nghệ có những ưu điểm và ứng dụng riêng. FDM (Fused Deposition Modeling) là công nghệ phổ biến nhất, thích hợp cho việc sản xuất các mẫu thử nghiệm và sản phẩm cuối cùng. SLA (Stereolithography) thường được sử dụng để tạo ra các chi tiết có độ chính xác cao. SLS (Selective Laser Sintering) cho phép sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau, từ nhựa đến kim loại, mở rộng khả năng ứng dụng của công nghệ in 3D.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cạnh tranh công nghiệp hiện đại, áp lực rút ngắn vòng đời sản phẩm và đa dạng hóa mẫu mã theo nhu cầu thị trường đang thúc đẩy các doanh nghiệp đổi mới quy trình nghiên cứu và phát triển (R&D). Phương pháp chế tạo mẫu truyền thống thường tiêu tốn nhiều tuần lễ gia công khuôn mẫu với chi phí chiếm từ 20% đến 30% tổng ngân sách phát triển sản phẩm ban đầu. Việc ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh 3D Printing mang lại giải pháp đột phá, giúp rút ngắn từ 50% đến 70% thời gian chuẩn bị sản xuất và đạt tốc độ gia công nhanh gấp khoảng 40 lần so với các phương pháp tạo hình truyền thống.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Công nghệ Chế tạo máy của tác giả Đặng Xuân Phong, thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Thái Thị Thu Hà, tập trung giải quyết bài toán cốt lõi về tự chủ thiết kế phần cứng máy in 3D. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là nắm vững nguyên lý công nghệ in ba chiều và tiến hành tính toán, thiết kế kết cấu hệ thống cấp bột tự động – cụm chức năng đóng vai trò quyết định tới độ đồng đều của bề mặt gia công và độ chính xác hình học của mẫu vật.

Nghiên cứu được hoàn thành vào tháng 07 năm 2011, đóng góp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật thiết thực cho ngành chế tạo máy tại Việt Nam. Kết quả đề tài mở ra triển vọng nội địa hóa các thiết bị tạo mẫu nhanh công nghiệp, giúp các doanh nghiệp trong nước tiếp cận giải pháp công nghệ tiên tiến với chi phí chế tạo ước tính giảm hơn 60% so với việc nhập khẩu các hệ thống thương mại có giá từ 25.900 USD đến 180.000 USD từ nước ngoài.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng ba hệ thống lý thuyết chuyên sâu của ngành cơ khí chế tạo và vật liệu:

1. Lý thuyết tạo mẫu nhanh phân lớp (Additive Manufacturing Theory): Dựa trên nguyên lý chia nhỏ mô hình 3D thành hàng nghìn lớp phẳng 2D thông qua định dạng tệp STL. Mỗi lớp vật liệu được bồi đắp và liên kết liên tiếp theo chiều thẳng đứng trục Z với độ dày từ 16 μm đến 254 μm.
2. Mô hình động học dòng chất lỏng và hình thành giọt chất kết dính (Rayleigh Instability Model): Khảo sát các điều kiện cân bằng năng lượng bề mặt chất lỏng, hệ số Reynolds và hệ số Weber để kiểm soát sự ổn định của giọt chất kết dính khi thoát ra khỏi miệng phun có đường kính từ 25 μm đến 50 μm dưới áp suất xác định.
3. Lý thuyết cơ học truyền động chính xác trục vít me bi (Ball Screw Drive Mechanics): Phân tích tương quan tải trọng nâng hạ, hệ số ma sát giữa piston với thành xi lanh và độ cứng vững uốn của trục vít để đảm bảo chuyển vị nâng hạ chính xác từng vi bước.

Nghiên cứu tích hợp các khái niệm then chốt bao gồm: công nghệ lắng đọng chất kết dính lên nền bột (Drop-on-Powder), kỹ thuật phun gián đoạn theo xung điện (Drop-On-Demand - DOD), kỹ thuật phun liên tục (Continuous Jet - CJ), và cơ chế đông đặc pha của vật liệu bột vô cơ và hữu cơ.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả thu thập dữ liệu kỹ thuật từ 12 dòng máy in 3D thương mại tiêu biểu trên thị trường thế giới như Zprinter 400, Z406, Z810, Z650, Eden 260/350, Prodigy, và ProMetal R2/R10, cùng hơn 15 tổ hợp vật liệu bột và dung môi kết dính.

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm tập trung phân tích các hệ thống in 3D sử dụng công nghệ cấp bột kết hợp đầu phun chất kết dính, vốn có ưu thế vượt trội về tốc độ và khả năng in nhiều màu sắc. Luận văn kết hợp phương pháp phân tích so sánh kỹ thuật - kinh tế đa tiêu chí với phương pháp giải tích cơ học ứng dụng và mô hình hóa hình học 3D trên phần mềm CAD.

Lý do lựa chọn phương pháp này là nhằm tối ưu hóa kết cấu cơ khí theo các tiêu chuẩn gia công thực tế tại xưởng cơ khí Việt Nam, đảm bảo tính khả thi cao khi chế tạo thử nghiệm. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, tính toán và xây dựng bản vẽ thiết kế được thực hiện xuyên suốt trong giai đoạn đào tạo cao học từ năm 2009 đến năm 2011.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã làm rõ các đặc tính kỹ thuật quan trọng và đạt được các kết quả thiết kế cụ thể:

• Phân loại và đánh giá hiệu năng công nghệ in 3D: So với công nghệ đùn nhựa nhiệt dẻo FDM hoặc quang hóa SLA, công nghệ 3D Printing nền bột đạt tốc độ gia công tối ưu chỉ mất vài giây cho mỗi lớp in. Tỷ lệ lãng phí vật liệu được kiểm soát ở mức dưới 5% nhờ khả năng thu hồi và tái sử dụng toàn bộ lượng bột thừa sau khi kết thúc chu trình in.
• Xác lập thông số động học tối ưu cho cụm đầu phun: Kiểu phun liên tục (Continuous Jet) đạt dải vận tốc dòng phun từ 10 m/s đến 15 m/s với tần số tạo giọt dao động từ 45 kHz đến 65 kHz và lưu lượng dòng từ 0,2 cc/phút đến 7 cc/phút. Tốc độ này nhanh gấp từ 10 đến 100 lần so với kiểu phun Drop-On-Demand (đạt lưu lượng khoảng 1,5 cc/phút đến 3 cc/phút).
• Hoàn thiện thiết kế kết cấu hệ thống cấp bột: Xác định được thông số hình học cho thùng làm việc và thùng cấp bột với kích thước không gian tạo mẫu đạt mức tiêu chuẩn 203 mm x 254 mm x 203 mm. Cơ cấu nâng hạ sử dụng bộ truyền trục vít me bi bước ren 4 mm kết hợp động cơ bước mang lại độ chính xác chuyển vị trục Z đạt mức sai số dưới 0,02 mm.

Thảo luận kết quả

Chất lượng bề mặt và độ bền liên kết của chi tiết tạo hình phụ thuộc trực tiếp vào kích thước hạt bột (tối ưu trong dải từ 0,3 μm đến 300 μm) và độ ổn định của lớp bột trải qua con lăn gạt phẳng. Biểu đồ tương quan động học cho thấy khi tăng tần số dao động áp điện lên mức 50 kHz đến 1 MHz, kích thước giọt chất kết dính trở nên đồng đều hơn, ngăn chặn hiện tượng văng tóe và cải thiện độ phân giải biên dạng chi tiết.

Dữ liệu so sánh kỹ thuật giữa 4 phương án kết cấu cấp bột (dẫn động đai răng, trục vít me thường, trục vít me bi và xi lanh khí nén) khẳng định phương án trục vít me bi kết hợp con lăn quay ngược chiều là tối ưu nhất về độ êm, độ bền mỏi và triệt tiêu khe hở hướng tâm.

So với các giải pháp công nghệ nguyên mẫu từ Viện Công nghệ MIT và các dòng máy ZCorp của Mỹ, bản thiết kế trong luận văn đáp ứng đầy đủ các yêu cầu công nghệ tương đương nhưng có chi phí vật tư chế tạo cơ khí thấp hơn khoảng 65%, tạo tiền đề vững chắc cho việc sản xuất máy in 3D nội địa.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và thiết kế kết cấu, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp cụ thể:

1. Gia công chế tạo thử nghiệm mô hình vật lý hệ thống cấp bột: Nhóm nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm trọng điểm chuyên ngành chế tạo máy cần tiến hành gia công các chi tiết cơ khí chính xác, lắp ráp cụm trục vít me bi, con lăn trải bột và hệ thống dẫn hướng trong thời hạn 6 tháng, kiểm soát độ đảo trục dưới 0,015 mm.
2. Lập trình tích hợp hệ thống điều khiển tự động: Đội ngũ kỹ sư điều khiển số và kỹ thuật hệ thống cần xây dựng bo mạch vi điều khiển và thuật toán đồng bộ chuyển động 3 trục (X, Y, Z) với xung kích hoạt đầu phun trong thời hạn 9 tháng, hướng tới tốc độ in ổn định từ 2 đến 6 lớp/phút.
3. Phát triển vật liệu bột và chất kết dính nguồn gốc nội địa: Các viện nghiên cứu vật liệu và hóa hữu cơ cần phối hợp thử nghiệm các tổ hợp bột vô cơ như thạch cao, canxi photphat và nhựa sinh học PLA kết hợp chất kết dính gốc nước thân thiện môi trường trong vòng 12 tháng, nhằm giảm 40% chi phí nguyên liệu tiêu hao so với hóa chất nhập khẩu.
4. Xây dựng quy trình chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp cơ khí: Các hiệp hội ngành nghề cơ khí cùng các trường đại học kỹ thuật cần ban hành tài liệu hướng dẫn ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong thời hạn 18 tháng, hỗ trợ các doanh nghiệp vừa và nhỏ rút ngắn ít nhất 50% thời gian thiết kế sản phẩm mẫu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Giảng viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử: Nắm bắt khung lý thuyết tạo mẫu phân lớp, phương pháp tính toán động học đầu phun chất lỏng và quy trình thiết kế cơ cấu nâng hạ chính xác dùng trong thiết bị điều khiển số.
• Kỹ sư R&D tại các nhà máy chế tạo sản phẩm nhựa, đúc kim loại và điện tử dân dụng: Khai thác quy trình chuyển đổi dữ liệu CAD sang tệp STL để tối ưu hóa việc tạo mẫu thử nghiệm chức năng, giảm thiểu rủi ro sai hỏng trước khi cắt gọt khuôn mẫu đắt tiền.
• Các doanh nghiệp khởi nghiệp và sản xuất thiết bị công nghệ: Tận dụng hệ thống bản vẽ chi tiết 2D/3D và bảng tính toán cơ học để chế tạo các dòng máy in 3D công nghiệp Make in Vietnam với chi phí cạnh tranh.
• Nghiên cứu viên trong lĩnh vực y sinh và kỹ thuật vật liệu: Tham khảo các thông số tương thích của vật liệu bột gốm xốp và polyme để ứng dụng vào chế tạo mô hình phẫu thuật, xương nhân tạo và các cấu trúc cấy ghép y tế.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ 3D Printing (Drop-on-Powder) có điểm gì khác biệt so với FDM và SLA?
Công nghệ Drop-on-Powder sử dụng đầu phun để phun chất kết dính cục bộ lên nền bột vật liệu thay vì làm nóng chảy sợi nhựa như FDM hay dùng tia laser đóng rắn nhựa lỏng như SLA. Phương pháp này có tốc độ in nhanh hơn tới 40 lần và không cần tạo thêm cấu trúc chống đỡ (support structure).

Hệ thống cấp bột đóng vai trò quan trọng như thế nào đối với chất lượng sản phẩm in?
Hệ thống cấp bột kiểm soát độ dày từng lớp in (từ 0,102 mm đến 0,254 mm) và độ nén phẳng của bề mặt bột. Nếu cơ cấu cấp bột bị rơ lỏng hoặc bước nâng hạ sai lệch quá 0,02 mm, các lớp liên kết sẽ bị nứt, rỗng xốp và làm suy giảm nghiêm trọng độ bền cơ học của mẫu vật.

Các loại vật liệu nào có thể được sử dụng trong công nghệ in 3D nền bột?
Công nghệ này sử dụng được đa dạng vật liệu bao gồm nhóm hữu cơ như Poly lactic acid (PLA), Polycaprolactone (PCL) và nhóm vô cơ như thạch cao (CaSO4.2H2O), Alumina (Al2O3), Titan dioxide (TiO2) kết hợp với các dung môi kết dính như Polyethylene glycol hoặc axit Polyacrylic.

Đầu phun Continuous Jet (CJ) vượt trội hơn đầu phun Drop-On-Demand (DOD) ở những điểm nào?
Đầu phun Continuous Jet duy trì dòng phun liên tục với tần số giọt từ 45 kHz đến 65 kHz và vận tốc từ 10 m/s đến 15 m/s, giúp tăng năng suất bồi đắp từ 10 đến 100 lần so với kiểu Drop-On-Demand vốn phải kích hoạt van ngắt quãng theo từng xung điện.

Khả năng thương mại hóa và ứng dụng thực tế của đề tài tại Việt Nam ra sao?
Bản thiết kế sử dụng các linh kiện tiêu chuẩn như vít me bi, động cơ bước và vật liệu phôi kim loại phổ biến trong nước. Do đó, việc chế tạo máy in 3D hoàn chỉnh hoàn toàn khả thi với chi phí thấp hơn khoảng 65% so với máy nhập ngoại, rất phù hợp cho các xưởng chế tạo khuôn mẫu và phòng nghiên cứu.

Kết luận

• Đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết và bức tranh công nghệ tạo mẫu nhanh 3D Printing trên phạm vi toàn cầu.
• Phân tích sâu động học đầu phun in gián đoạn (DOD) và liên tục (CJ), xác định các thông số dòng chảy hạt tối ưu từ 25 μm đến 50 μm.
• Hoàn thành tính toán động lực học và thiết kế kết cấu hoàn chỉnh cho hệ thống cấp bột tự động đạt độ chính xác nâng hạ dưới 0,02 mm.
• Xây dựng bộ mô hình CAD 3D và các bản vẽ chế tạo chi tiết làm cơ sở vững chắc cho việc sản xuất thử nghiệm.
• Đề xuất lộ trình công nghệ giúp hạ giá thành chế tạo máy in 3D công nghiệp tại Việt Nam xuống hơn 60% so với thiết bị ngoại nhập.

Trong giai đoạn tiếp theo, các đơn vị nghiên cứu cần tập trung chế tạo nguyên mẫu phần cứng và tích hợp phần mềm điều khiển để sớm thương mại hóa sản phẩm. Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác tài liệu này để thúc đẩy phát triển nhanh sản phẩm công nghiệp trong nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Vai trò của công nghệ tạo mẫu nhanh trong việc phát triển nhanh sản phẩm - Tạo mẫu là mô hình hoá ý tưởng của người thiết kế. Trước đây, trước khi sản xuất hàng loạt một sản phẩm nào đó, bao giờ người ta cũng tạo mẫu trước để nghiên cứu, xem xét, phân tích sự phù hợp của mẫu so với những yêu cầu của sản phẩm thực. Trong thế kỷ 21, nhu cầu của thị trường luôn luôn thay đổi với 1 một tốc độ rất nhanh, và cùng với tốc độ internet thì thị trường mang toàn cầu và bão hòa. Việc phát triển sản phẩm phải được điều chỉnh dựa trên nhu cầu luôn luôn thay đổi của khách hàng.

Các sản phẩm phải được cung cấp ra thị trường với nhiều phiên bản và phù hợp từng đối tượng khách hàng khác nhau. Ngày nay có các sản phẩm khác nhau dành cho cho nam, nữ, hoặc trẻ em, người lớn, và các sản phẩm phục vụ cho kinh doanh, cho giải trí…. Ngoài ra, tuổi thọ của sản phẩm càng ngày càng ngắn. Mặt khác, các sản phẩm ngày càng có nhiều chức năng nhiều hơn và hình dàng phức tạp hơn, trong khi thời gian sản xuất phải được càng ngắn càng tốt.

- Như vậy: Phát triển nhanh sản phẩm là một quá trình đưa sản phẩm mới nhanh chóng ra thị trường. Tất cả các công ty để đạt được lợi thế chiến lược trước đối thủ cạnh tranh thì họ cần phải tìm cách nhanh chóng phát triển sản phẩm họ để đáp ứng nhanh với nhu cầu của khách hàng. Việc phát triển nhanh sản phẩm có thể đạt được bằng nhiều cách và nhiều phương pháp khác nhau (có thể áp dụng tự động hóa quá trình sản xuất, có thể áp dụng các phương pháp của sản xuất tinh gọn…). Một trong những chìa khóa thành công trong việc phát triển nhanh sản phẩm là ứng dụng có hiệu quả công nghệ tạo mẫu nhanh vào trong qui trình sản xuất sản phẩm.

- Công nghệ tạo mẫu nhanh cho phép chúng ta rút ngắn được nhiều lần quá trình chuẩn bị sản xuất và sản xuất so với các phương pháp truyền thống. Không những thế, tạo mẫu nhanh còn giúp tăng độ linh hoạt, độ phức tạp của sản phẩm đặc biệt là các sản phẩm có kích thước nhỏ. Do đó, mục đích của tạo mẫu nhanh hiện nay chính là để chào hàng và quảng cáo tiếp thị sản phẩm mới cũng như để nghiên cứu, xem xét và phân tích tính phù hợp của sản phẩm.TS Thái Thị Thu Hà Trang 7 HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372) Luận Văn Thạc Sỹ Thiết kế sản phẩm Thiết kế nhờ máy Chế tạo mẫu bằng tay tính (CAD) Làm khuôn Tạo mẫu nhanh Tạo mẫu thử Sản Kiểm tra và chỉnh sửa suất Sản xuất Qui trình sản xuất truyền thống Qui trình sản xuất sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh Hình 1.1: So sánh giữa quy trình sản xuất truyền thống và qui trình sản xuất sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh - Các hệ thống tạo mẫu nhanh hiện nay đều là tự động, không cần khuôn mẫu mà vẫn có thể chế tạo trực tiếp các chi tiết trong khả năng chất lượng giới hạn, các chi tiết được chế tạo từ phương pháp này có độ chính xác nhưng chất lượng bề mặt kém vì không được gia công tinh trong nguyên công cuối. Vì thế các sản phẩm thường được gia công tinh lại bằng phương pháp gia công khác.

Công nghệ tạo mẫu nhanh rút ngắn thời gian chế tạo một chi tiết rất nhiều và các dữ liệu thiết kế vẫn có thể sử dụng lại nên lợi nhuận từ công nghệ này rất khổng lồ, lợi nhuận trực tiếp và lợi nhuận gián tiếp. Lợi nhuân trực tiếp từ người thiết kế chế tạo, từ máy gia công và kỹ sư chế tạo, lợi nhuận gián tiếp từ bộ phận tiếp thị và từ khách hàng. Luận Văn Thạc Sỹ 1.2 Sơ Lược về Công nghệ tạo mẫu nhanh.1 Khái Niện Tạo Mẫu Nhanh Theo định nghĩa về tạo mẫu nhanh của Terry Wohler (Chủ tịch Hiệp hội tạo mẫu nhanh thế giới) trong báo cáo năm 2001 của Hội tạo mẫu nhanh thế giới: “Tạo mẫu nhanh là công nghệ chế tạo mô hình vật lý hoặc mẫu sản phẩm từ dữ liệu thiết kế ba chiều trên máy tính hoặc từ dữ liệu chụp cắt lớp điện toán CT, cộng hưởng từ MRI hoặc từ dữ liệu của các thiết bị số hóa ba chiều.” Theo định nghĩa này, tạo mẫu nhanh là công nghệ chế tạo mô hình vật lý hoặc mẫu sản phẩm từ những dữ liệu sau đây: + Thiết kế ba chiều trên máy tính. + Dữ liệu chụp cắt lớp điện toán CT hoặc cộng hưởng từ MRI.

+ Dữ liệu từ các thiết bị số hóa ba chiều như các máy đo tọa độ CMM, máy quét ba chiều (3D scanner).2 Sự Ra đời và Phát Triển của Công Nghệ Tạo Mẫu Nhanh. - Lịch sử ra đời của công nghệ tạo mẫu nhanh được đánh dấu bằng sáng chế của Hull vào năm 1984 về thiết bị tạo hình lập thể (Stereo Lithography Apparatus – SLA), được công nhận vào năm 1986 và được thương mại hoá bởi công ty 3D System vào năm 1987. Sau khi thương mại hóa vào năm 1987, 34 hệ thống đã được cung cấp cho thị trường vào năm 1998. - Tuy chỉ mới chính thức ra đời từ năm 1998 nhưng công nghệ tạo mẫu nhanh đang là mục tiêu nghiên cứu và ứng dụng trong ngành cơ khí công nghệ cao, cho phép tạo nhanh các sản phẩm công nghiệp: chế tạo khuôn nhanh (rapid tooling) có thể dùng các công nghệ khác nhau như vật liệu lỏng quang hóa, vật liệu rắn (gỗ), kim loại, đặc biệt là trong công nghệ tạo mẫu đế giày, tạo ra các tượng mỹ nghệ trong ngành kim hoàn, tạo khuôn mẫu cho ngành nhựa với kích thước lớn nhỏ khác nhau, ứng dụng trong các ngành sản xuất chế tạo ô tô, xe máy, điện dân dụng, máy điều hòa nhiệt độ, vỏ ti vi, máy nông nghiệp… với hiệu quả kinh tế rất lớn.TS Thái Thị Thu Hà Trang 9 HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372) Luận Văn Thạc Sỹ - Ngoài ra, 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.

- Theo báo cáo của Wohlers (2006) thì khả năng phạm vi ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh: [6] Hình 1.2 : Phạm vi ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh Người ta chia sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh thành ba giai đoạn lớn.  Giai đoạn 1: Từ những năm đầu của thập kỷ 80 của thế kỷ 20 đến năm 1994. Sự ra đời của công nghệ tạo mẫu nhanh với bằng sáng chế của Hull về thiết bị tạo hình lập thể, được thương mại hóa năm 1987 bởi công ty 3D System  Giai đoạn 2: Từ 1994 – 1998. Thiết bị kỹ thuật và công nghệ tạo mẫu nhanh phát triển theo hướng hoàn thiện.

 Giai đoạn 3: Từ 1997 đến nay. Triển khai ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh ở nhiều nước trên thế giới. - Tính đến nay có hơn 30 công nghệ tạo mẫu nhanh đã được ra đời và phát triển với rất nhiều phạm vi ứng dụng đa dạng, trong đó có một số công nghệ đã trở GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 10 HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372) Luận Văn Thạc Sỹ nên phổ biền và được thương mại hóa: Công nghệ tạo mẫu SLA (Stereo Lithography Aparatus) và công nghệ tạo mẫu 3D Printing của công ty 3D systems, Công nghệ tạo mẫu LOM (Laminated Object Manufacturing) của công ty Helisy, công nghệ SLS (Selective Laser Sintering), công nghệ tạo mẫu FDM (Fused Deposition Modeling) thuộc sở hữu của công ty Stratasys, …Trong các công nghệ tạo mẫu nhanh được thương mại hóa thì công nghệ 3D printing (Three Dimensional Printing) thuộc nhóm công nghệ tạo mẫu nhanh in ba chiều (3D printer) có khả năng ứng dụng rất cao (có thể tạo ra những sản phẩm có màu sắc) và có lợi thế về tốc độ gia công chi tiết rất tốt 1.3 Mục tiêu của đề tài  Nắm vững công nghệ tạo mẫu nhanh theo phương pháp 3D printing.  Thiết kế hệ thống cấp bột cho máy tạo mẫu nhanh theo phương pháp 3D printing.4 Nội dung nghiên cứu  Nghiên cứu tổng quan công nghệ tạo mẫu nhanh in ba chiều, đặc biệt là công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printing.

 Nghiên cứu tổng quan cấu trúc của hệ thống tạo mẫu nhanh theo công nghệ in ba chiều 3D printing  Thiết kế kết cấu hệ thống cấp bột cho máy tạo mẫu nhanh theo công nghệ in ba chiều 3D printing.TS Thái Thị Thu Hà Trang 11 HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372) Luận Văn Thạc Sỹ CHƯƠNG 2 : CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH 3D PRINTER 2.1 Thời gian hình thành và tốc độ phát triển của công nghệ 3D printer - Công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printer (in ba chiều) là một công nghệ có nguồn gốc từ kỹ thuật in phun đã có từ rất lâu, công nghệ in ba chiều dựa vào sự thay đổi trạng thái của vật liệu (từ rắn qua lỏng) phun nguyên liệu vật liệu thành các lớp mỏng, sau đó lớp nguyên liệu này sẽ được làm đông đặc lại để tạo nên liên kết hình thành nên sản phẩn 3D. Công nghệ tạo mẫu nhanh in ba chiều được xem như là một công nghệ có tốc độ tạo ra sản phẩm nhanh nhất trong các công nghệ tạo mẫu nhanh (có thể gấp 40 lần so với các công tạo mẫu nhanh khác). Nó cho phép tạo ra sản phẩm có màu sắc thực tế hơn, nguyên liệu sử dụng rất đa dạng như: gốm, nhưa nhiêt dẻo-kim loại, các photopolymer, nhựa tổng hợp… Cùng với sự ra đời của các loại công nghệ tạo mẫu nhanh khác, công nghệ tạo mẫu nhanh in ba chiều lần đầu tiên xuất hiện thông qua sự ra đời và phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printing. Tên công nghệ Ký hiệu Năm phát triển đầu tiên Stereo Lithography Aparatus SLA 1986-1988 Laminated Object Manufacturing LOM 1985-1991 Selective Laser Sintering, SLS 1987-1992 Three-Dimensional Printing 3D Printing 1985-1997 - Cùng với sự phát triển của các công nghệ tạo mẫu nhanh khác công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printer (in ba chiều) từ khi xuất hiện và phát triển đã có sự cạnh tranh khác biệt với các công nghệ tạo mẫu nhanh khác về tốc độ, giá thành máy, khả năng ứng dụng của sản phẩm.1 cho ta thấy được tốc độ gia tăng về số lượng các máy tạo mẫu nhanh theo phương pháp in 3 chiều được bán (tính đến năm 2007 - theo báo cáo của wholers 2008) [7] GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 12 HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372) Luận Văn Thạc Sỹ Hình 2.1: Tốc độ bán máy tạo mẫu nhanh 3D printer tính đến năm 2007 2.