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

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.

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.