Nghiên cứu công nghệ tạo mẫu nhanh để gia công các chi tiết có bề mặt phức tạp

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM










Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật đề tài:
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH
ĐỂ GIA CÔNG CÁC CHI TIẾT
CÓ BỀ MẶT PHỨC TẠP




PGS. TS . Đặng Văn Nghìn





7442
10/7/2009


TP. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2004

Tài liệu này được chuẩn bò trên cơ sở thực hiện Đề tài cấp Nhà Nước
mã số KC.05.01

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN

STT HỌ VÀ TÊN HỌC HÀM
HỌC VỊ
CHỨC DANH CƠ QUAN CÔNG TÁC
1 Đặng Văn Nghìn PGS. TS. Chủ nhiệm Trường ĐHBK TP.HCM
2 Trần Đại Nguyên KS Trợ lý Chủ nhiệm Trường ĐHBK TP.HCM
3 Nguyễn Anh Tuấn GS. TSKH Tham gia Trường ĐHBK Hà Nội
4 Hoàng Tử Hùng GS. TS Tham gia Trường ĐHY Dược TP.HCM
5 Trương Văn Việt TS Tham gia Bệnh Viện Chợ Rẫy
6 Võ Văn Nho TS Tham gia Bệnh Viện Chợ Rẫy
7 Phan Văn Minh CN Tham gia Bệnh Viện Chợ Rẫy
8 Thái Thò Thu Hà TS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM
9 Lê Trung Thực Th.S Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM
10 Lê Tâm Phước Th.S Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM
11 Đoàn Thò Minh Trinh PGS.TS. Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM
12 Nguyễn Văn Thành KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM
13 Huỳnh Hữu Nghò KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM
14 Bùi Anh Quốc KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM
15 Hoàng Lanh KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM
16 Nguyễn Ngọc Tâm KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM
17 Văn Ngọc Hiệp KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM
18 Lê Quang Bình KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM
19 Nguyễn Văn Cương KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM
20 Vũ Mộng Long KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM
21 Phạm Hồng Thanh KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM

DANH SAÙCH CAÙC CHÖÕ VIEÁT TAÉT

RP - Rapid Prototyping
SLA - Stereolithography Aparatus
LOM - Laminated Object Manufacturing
SLS - Selective Laser Sintering
FDM - Fused Deposition Medeling
SGC - Solid Ground Curing
3DP - 3D Printer
SDM - Shape Deposition Manufacturing
CAM-LEM - Computer Aided Manufacturing - Laminate Engineering
Materials
CT - Computer Tomography
MRI - Magnetic Resonance Imaging
RT - Rapid Tooling
RE - Reverse Engineering
PMMA - Polymethylmet Acrylate
HA - Hydroxyapatite
CF RP - Carbon Fiber Reinforced Plastic
MIMICS - Materialise Interactive Medical Image Control System

CMM - Coordinated Measuring Machine
CAD/CAM - Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing
CNC - Computer Numerical Control
MỤC LỤC

Danh sách những người thực hiện 4
Tóm tắt 5
Danh sách các chữ viết tắt 7

Lời mở đầu 8
Chương 1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 9
1.1 Khái niệm về công nghệ tạo mẫu nhanh 9
1.2 Mục đích của việc tạo mẫu nhanh 10
1.3 Mục tiêu của đề tài 10
1.4 Nội dung nghiên cứu 10
1.5 Các sản phẩm của đề tài nghiên cứu 10
1.6 Những công việc cần thực hiện 10
Chương 2. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 15
21. Sự ra đời của công nghệ tạo mẫu nhanh 15
2.2 So sánh các công nghệ tạo mẫu nhanh cơ bản 17
2.2.1 Các phương pháo tạo mẫu nhanh cơ bản 17
2.2.2 So sánh các phương pháp tạo mẫu nhanh 25
2.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 27
2.4 Tình hình nghiên cứu trong nước 28
2.5 Ưu nhược điểm của công nghệ tạo mẫu nhanh 30
2.6 Ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh 30
2.7 Nhu cầu về tạo mẫu nhanh ở Việt Nam 31
2.7.1 Trong lónh vực y học 31
2.7.2 Trong lónh vực công nghiệp 32
2.8 Nhận xét 33
Chương 3. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VỎ CON CHUỘT MÁY TÍNH TRÊN CƠ SỞ
ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH 34
3.1. Tạo mẫu nhanh các sản phẩm công nghiệp 34
3.1.1 Quy trình công nghệ tạo mẫu nhanh trên máy SLA 34
3.1.2 Các lỗi của quá trình tạo mẫu nhanh 36
3.1.3 Khảo sát khả năng của máy SLA 44
3.1.4 Một số áp dụng thực tế 52
3.2. Thiết kế vỏ con chuột máy tính 54
3.2.1 Thiết kế đảm bảo tính năng sử dụng 55

3.2.2
Thiết kế hình dáng đảm bảo tính lắp ghép 57
3.2.3 Chọn vật liệu 58
3.3. Quy trình công nghệ tạo mẫu vỏ con chuột máy tính bằng công nghệ SLA 59
3.4. Chế tạo vỏ con chuột máy tính 63
3.5. Đánh giá kết quả 65
Chương 4. NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG KỸ THUẬT NGƯC TẠO CÁC BỘ KHUÔN
MẪU NHỰA 66
4.1 Sự phát triển của ngành nhựa và nhu cầu về chế tạo khuôn mẫu nhựa 70
4.2 Khái niệm về kỹ thuật ngược 71
4.3 Các lý do sử dụng kỹ thuật ngược 71
4.4 Quá trình kỹ thuật ngược 72
4.4.1 Giai đoạn quét hình 73
4.4.2 Giai đoạn xây dựng mặt 75
4.5 Áp dụng kỹ thuật ngược để chế tạo bộ khuôn thổi 79
4.5.1 Sử dụng máy đo tọa độ CMM để quét hình 79
4.5.2 Xây dựng mặt 83
4.6 Một số ứng dụng thực tế 87
4.7 Đánh giá kết quả 90

Chương 5. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ PHẬN CẤY GHÉP 92
5.1. Tình hình tai nạn giao thông và nhu cầu chế tạo các bộ phận cấy ghép 92
5.2. Đặc điểm của các trường hợp chấn thương sọ não 95
5.2.1 Đặc điểm của hộp sọ khuyết 95
5.2.2 Đặc điểm của bộ phận cấy ghép 98
5.2.3 Phân loại bộ phận cấy ghép 98
5.3. Phân tích so sánh và lựa chọn vật liệu chế tạo bộ phận cấy ghép sọ não 100
5.3.1 Yêu cầu về vật liệu y học đối với bộ phận cấy ghép 100
5.3.2 Tình hình sử dụng vật liệu cấy ghép 101
5.3.3 Lựa chọn vật liệu chế tạo bộ phận cấy ghép để vá sọ 104

5.4. Các phương pháp vá sọ thông dụng. 106
5.5 Quá trình công nghệ chế tạo bộ phận cấy ghép sọ não 106
5.5.1 Áp dụng công nghệ tạo mẫu nhanh để chế tạo bộ phận cấy ghép sọ não.106
5.5.2 Áp dụng công nghệ CAD/CAM-CNC để chế tạo bộ phận cấy ghép sọ não132
5.6 Đánh giá kết quả 135
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 134
TÀI LIỆU THAM KHẢO 141
PHỤ LỤC 151




LỜI MỞ ĐẦU

Tạo mẫu nhanh là một công nghệ khá mới mẻ trên thế giới, trong đó có Việt Nam
chúng ta. Trong vài năm gần đây, nhiều Trường Đại Học, Viện Nghiên Cứu, các Bệnh
Viện đã bắt đầu quan tâm đến lónh vực này, đặc biệt là từ khi Bộ Khoa Học – Công
Nghệ và Chương trình Nghiên cứu Khoa học cấp Nhà Nước về Công nghệ Chế Tạo
Máy xét duyệt cho chúng tôi chủ trì đề tài: “Nghiên cứu Công nghệ Tạo mẫu nhanh
để gia công các chi tiết có bề mặt phức tạp”.

Trong quá trình triển khai đề tài, chúng tôi đã nhận được sự hỗ trợ của đơn vò chủ
quản: Trường Đại Học Bách Khoa thuộc Đại Học Quốc Gia TP.HCM, sự chỉ đạo của
Bộ Khoa học – Công nghệ, và Ban Chủ nhiệm Chương trình KC.05. Trong những kết
quả ban đầu đạt được, có sự hợp tác chặt chẽ của các thành viên tham gia và đặc biệt
là sự ủng hộ của các Bệnh viện Chợ Rẫy, Bệnh viên Nhân Dân 115, Bệnh viên Nhân
dân Gia Đònh, công ty 3DSystems, Bút bi thiên Long, ARFA, Ngân Giang, Thăng
Long, cùng nhiều công ty khuôn mẫu, công ty nhựa khác.

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Bộ Khoa Học – Công Nghệ, Ban Chủ nhiệm Chương

trình KC.05, Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh, cùng
các đơn vò đã tham gia hợp tác trong suốt thời gian thực hiện đề tài.

9
Chương 1:
GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. KHÁI NIỆM VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH
Hiện nay tạo mẫu nhanh là một công nghệ đang được nghiên cứu áp dụng
rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới đặc biệt là trong bối cảnh toàn cầu hóa và khu vực
hóa nền kinh tế. Vậy tạo mẫu nhanh là gì?
Từ khi ra đời cho đến nay có khá nhiều khái niệm về tạo mẫu nhanh:
 Trước đây, hầu hết các tác giả như Kochan, Chen, Jack Zhou… đều quan niệm
rằng tạo mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu vật lý từ những thiết kế 3D trên máy
tính. Trình thiết kế này là quá trình thiết kế thuận.
 Theo Kochan [53] thì tạo mẫu nhanh là tạo mẫu (mô hình vật lý) từ thiết kế 3D
(mô hình ảo). Cũng theo Kochan thì ngoài tên gọi Tạo mẫu nhanh (Rapid
Prototyping) người ta còn gọi là Layered Manufacturing, 3D Printing, Desktop
Manufacturing và Solid Freeform Fabrication.
 Trong bài giảng của mình, GS Chen – Đại học Quốc gia NTU của Đài Loan
khẳng đònh:
“Tạo mẫu nhanh là chế tạo nhanh mẫu sản phẩm từ mô hình thiết kế 3D”. Ngoài ra
GS Chen cũng đưa ra thêm các tên gọi mới như: Automated Fabrication, Tool – less
Manufacturing.
 Tiến só Jack Zhou ở Đại học Drexel lại đưa ra khái niệm sau đây về tạo mẫu
nhanh:
“Tạo mẫu nhanh là kỹ thuật tạo “tự động” mô hình vật lý hoặc mẫu từ mô hình ảo 3D.
Tạo mẫu nhanh là kỹ thuật sao chép 3 chiều (3D Photocopy) của sản phẩm”.
Một số tác giả khác lại nêu khái niệm quá trình tạo mẫu nhanh dựa trên những
nguyên tắc bồi đắp vật liệu, gia công theo lớp hoặc đặc điểm tạo mẫu không cần
khuôn.

 Joe Beaman cho rằng tạo mẫu nhanh là gia công trực tiếp chi tiết, bộ phận hoặc
mẫu từ thiết kế 3D không cần khuôn mẫu đặc biệt và sự can thiệp của con người.

10
 Giáo sư Fritz Kloeke ở Viện nghiên cứu công nghệ sản xuất Đại học Aechen –
Đức đưa ra khái niệm tạo mẫu nhanh như sau: “Tạo mẫu nhanh là quá trình tạo
mẫu theo từng lớp trực tiếp từ dữ liệu thiết kế 3D và là quá trình tạo mẫu không
cần dùng khuôn và dụng cụ”.
 Tiến só Chris Zhang ở Đại học Saskatchewan quan niệm Tạo mẫu nhanh là quá
trình tạo mẫu theo nguyên tắc bồi đắp vật liệu (thêm vật liệu vào). Như vậy bản
chất của công nghệ tạo mẫu nhanh là bồi đắp vật liệu dựa trên nguyên tắc gia
công theo lớp.
 Năm 2001 Terry Wohler – Chủ tòch Hiệp hội tạo mẫu nhanh thế giới trong báo
cáo hàng năm của Hội đã đưa ra khái niệm sau đây: “Tạo mẫu nhanh là công
nghệ chế tạo mô hình vật lý hoặc mẫu sản phẩm từ dữ liệu thiết kế 3D trên máy
tính hoặc từ dữ liệu chụp cắt lớp điện toán CT, cộng hưởng từ MRI hoặc từ dữ liệu
của các thiết bò số hóa 3D”. Đònh nghóa của Terry Wohler về tạo mẫu nhanh rất
toàn diện, theo đònh nghóa 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 3D trên máy tính.
- Dữ liệu chụp cắt lớp điện toán CT và cộng hưởng từ MRI.
- Dữ liệu từ các thiết bò số hóa 3D như các máy đo tọa độ CMM, máy quét
3D (3D scanner),…
Đặc điểm thứ nhất của đònh nghóa này là quá trình tạo mẫu từ những kết quả của quá
trình thiết kế thuận.
Đặc điểm nổi bật thứ hai của đònh nghóa này là quá trình tạo mẫu các sản phẩm y học
từ những dữ liệu của phương pháp kỹ thuật ngược bằng các công cụ máy chụp cắt lớp
điện toán hoặc máy cộng hưởng từ.
Đặc điểm nổi bật thứ ba của đònh nghóa này là quá trình tạo mẫu các sản phẩm công
nghiệp từ những dữ liệu của phương pháp kỹ thuật ngược bằng các công cụ số hóa

3D.
Như vậy, kỹ thuật ngược có vai trò quan trọng đối với tạo mẫu nhanh.

11
Trong hầu hết các cuốn sách về công nghệ tạo mẫu nhanh đều trình bày về kỹ thuật
ngược. Khái niệm về kỹ thuật ngược sẽ được trình bày trong chương 4.
1.2. MỤC ĐÍCH CỦA VIỆC TẠO MẪU NHANH
Tạo mẫu là một công việc quan trọng của quá trình thiết kế, chế tạo sản
phẩm. Có thể nói tạo mẫu là mô hình hóa ý tưởng của người thiết kế. Cho nên trước
đây trước khi sản xuất hàng loạt sản phẩm 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.
Ở đây, kỹ thuật ngược có quan hệ mật thiết với tạo mẫu nhanh và có vai trò
quan trọng để sửa đổi cải tiến và thiết kế một cách sáng tạo mô hình ảo trên máy
tính và được minh họa qua sơ đồ sau:
???vẽ sơ đồ
Ngày nay với sự phát triển của công nghệ CAD/CAM, công nghệ tạo mẫu
nhanh, thì việc tạo mẫu trở thành công đoạn cực kỳ quan trọng trong việc phát triển
sản phẩm mới. Tạo mẫu nhanh cho phép rút ngắn chu kỳ chuẩn bò sản xuất và sản
xuất để đưa nhanh sản phẩm ra thò trường.
Do vậy, công nghệ tạo mẫu nhanh là một kỹ thuật để cạnh tranh sản phẩm
của mỗi doanh nghiệp trong thời đại hiện nay. Ngoài ra công nghệ tạo mẫu nhanh có
khả năng thay đổi mẫu mã sản phẩm một cách nhanh chóng.
Chính vì lẽ đó mục đích của tạo mẫu nhanh hiện nay chính là để chào hàng
và quảng cáo tiếp thò sản phẩm mới cũng như để nghiên cứu, xem xét và phân tích
tính phù hợp của mẫu.
Với mục đích như vậy, hiện nay tạo mẫu nhanh là một công nghệ có tốc độ phát triển
như vũ bão và là công nghệ của thế kỷ 21. Công nghệ này áp dụng tích hợp các
thành tựu của công nghệ thông tin, công nghệ tự động, cơ khí chính xác và quang
học, laser, cũng như công nghệ vật liệu.

12
Trong các cuốn sách Sản xuất ở thế kỷ 21 của K Wrigh [55] cũng như cuốn Nền sản
xuất hiện đại trong thế kỷ 21 của một giáo sư Trung Quốc đều đề cập đến công nghệ
tạo mẫu nhanh và phương pháp kỹ thuật ngược.

1.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
1. Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu phương pháp công nghệ tạo mẫu nhanh
SLA để tạo ra các mẫu có hình dáng phức tạp trong lónh vực cơ - y - sinh.
2. Mục tiêu thứ hai kèm theo cũng đạt được là nghiên cứu nắm cững công nghệ tạo
mẫu nhanh và áp dụng công nghệ này để tạo ra các chi tiết phức tạp và công cụ
khuôn mẫu phức tạp trong các lónh vực công nghiệp.
1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1. Nghiên cứu khảo sát nhu cầu về áp dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong y học và
trong công nghiệp
2. Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ hợp lý để tạo mẫu con chuột máy tính
trên máy tạo mẫu nhanh SLA sau đó chế tạo khuôn và ép chi tiết.
3. Nghiên cứu kỹ thuật ngược (kỹ thuật đảo chiều – reverse engineering) và áp dụng
máy đo tọa độ CMM để quét hình sản phẩm và chế tạo các bộ khuôn.
4. Nghiên cứu xây dựng quy trình tạo mô hình y học trên máy tính.
5. Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ hợp lý để chế tạo các bộ phận cấy ghép
cho các bệnh nhân tại Việt Nam.
1.5 CÁC SẢN PHẨM CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Theo hợp đồng số 01/1001/HĐ-ĐTCT-KC-05 đã ký ngày 8/11/2001 giữa Ban Chủ
Nhiệm Chương Trình và Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, đề tài
nghiên cứu có 4 sản phẩm sau đây:
- Các bộ phận cấy ghép sọ não.
- Vỏ con chuột máy tính.
- Bộ khuôn thổi.
- Bộ khuôn phun ép.

13
Đây là 4 sản phẩm điển hình của đề tài nghiên cứu có tầm quan trọng trong xã hội
chúng ta hiện nay.
Trước hết là các bộ phận cấy ghép sọ não. Đây là các chi tiết đặc thù của y học có
các bề mặt đa dạng phức tạp và đơn lẻ cho từng bệnh nhân nhưng lại có nhu cầu rất
lớn.
Thiết kế các chi tiết này khác hẳn với việc thiết kế các chi tiết cơ khí trong công
nghiệp. Ở đây cần phải dụng kỹ thuật ngược để tái tạo các sản phẩm y học.
Sản phẩm thứ hai là vỏ con chuột máy tính. Đây là một trong những sản phẩm của
công nghệ thông tin có nhu cầu cực kỳ lớn, bao gồm 4 chi tiết lắp ghép với nhau.
Mỗi chi tiết đều có những bề mặt phức tạp.
Các nước trên thế giới và một số nước trong khu vực đều đã sản xuất mặt hàng này,
nhưng ở Việt Nam, chưa có công ty nào đầu tư sản xuất. Ở đây cần áp dụng công
nghệ tạo mẫu nhanh và kỹ thuật ngược để thiết kế cải tiến các chi tiết.
Sản phẩm Chúng 3 và 4 của đề tài là các bộ khuôn thổi và bộ khuôn phun ép.
Chúng ta đều biết công nghệ thổi và công nghệ phun ép là những công nghệ cơ bản
nhất để tạo ra các sản phẩm nhựa mà các bộ khuôn là các công cụ quan trọng quyết
đònh đến chất lượng sản phẩm.
Điều quan trọng ở đây là dùng kỹ thuật ngược để thiết kế nhanh các sản phẩm nhựa
để từ đó thiết klế các bộ khuôn.
Để thực hiện các sản phẩm này, chúng tôi thấy cần phải sử dụng các kỹ thuật sau
đây:
- Kỹ thuật ngược trong y học như phương pháp chụp cắt lớp điện toán, phương
pháp cộng hưởng từ.
- Kỹ thuật xử lý dữ liệu hình ảnh CT thành mô hình 3D trên máy tính.
- Kỹ thuật ngược để thiết kế các sản phẩm công nghiệp.
- Công nghệ tạo mẫu nhanh để tạo ra các sản phẩm y học và mẫu sản phẩm
công nghiệp.

14
Ngoài ra, cần phải nghiện cứu khai thác các phần mềm chuyên dụng để xử lý hình
ảnh y học như MIMICS, cũng như các phần mềm thiết kế thông dụng như Pro/E,
CIMATRON, máy đo tọa độ 3 chiều CMM,…
Phương pháp nghiên cứu ở đây là nghiên cứu tổng quan xác đònh nhu cầu, nghiên
cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm và triển khai áp dụng kết quả nghiên cứu vào
thực tế.
1.6 NHỮNG CÔNG VIỆC CẦN THỰC HIỆN
Để thực hiện được những sản phẩm của đề tài, chúng tôi đã đề ra trong thuyết minh
42 nhiệm vụ sau đây:
TT Néi dung
1 LËp ®Ị c−¬ng nghiªn cøu
2 Nghiªn cøu tỉng quan nhu cÇu
3 Nghiªn cøu c«ng nghƯ SLA
4 Nghiªn cøu c«ng nghƯ LOM
5 Nghiªn cøu c«ng nghƯ SLS
6 Nghiªn cøu c«ng nghƯ FDM
7 Nghiªn cøu c«ng nghƯ SGC
8 Nghiªn cøu khai th¸c phÇn mỊm MIMICS
9 Nghiªn cøu phÇn mỊm Pro-E
10 Nghiªn cøu ph−¬ng ph¸p kü tht ng−ỵc (kü tht ®¶o chiỊu – reverse
engineering)
11 ThiÕt kÕ 3 lo¹i chÊn th−¬ng sä n·o
12 ThiÕt kÕ 2 lo¹i m« h×nh x−¬ng hµm d−íi
13 ThiÕt kÕ 2 lo¹i m« h×nh cung r¨ng cđa hµm gi¶
14 ThiÕt kÕ mỈt n¹ chèng ®éc (®· ®Ị nghÞ sưa)
15 ThiÕt kÕ 1 chi tiÕt ®Ỉc thï (c¸nh qu¹t, ch©n vÞt tµu thđy, c¸nh b¬m, )
16 ThiÕt kÕ 1 chi tiÕt khu«n ®Õ giµy, ®å ch¬i trỴ em
17 ThiÕt kÕ 1 chi tiÕt cđa c«ng nghƯ thỉi chai

15
18 ThiÕt kÕ 1 chi tiÕt cđa c«ng nghƯ phun Ðp
19 Nghiªn cøu c«ng nghƯ Thermojet
20 Nghiªn cøu vËt liƯu y tÕ (®Ĩ chÕ t¹o bé phËn cÊy ghÐp)
21 ThiÕt kÕ 1 chi tiÕt cho khu«n thỉi b»ng kü tht ng−ỵc
22 ThiÕt kÕ 1 chi tiÕt cho khu«n phun Ðp b»ng kü tht ng−ỵc
23 ThiÕt kÕ 1 chi tiÕt cho khu«n quay b»ng kü tht ng−ỵc
24 ThiÕt kÕ 1 bé khu«n thỉi b»ng kü tht ng−ỵc
25 ThiÕt kÕ 1 bé khu«n quay b»ng kü tht ng−ỵc
26 ChÕ t¹o 1 lo¹i m« h×nh chÊn th−¬ng sä n·o trªn m¸y SLA
27 ChÕ t¹o 1 lo¹i m« h×nh x−¬ng hµm d−íi trªn m¸y SLA
28 ChÕ t¹o 1 lo¹i m« h×nh x−¬ng gß m¸ trªn m¸y SLA
29 ChÕ t¹o 1 bé khu«n ®Õ giµy theo c«ng nghƯ SLA
30 ChÕ t¹o 1 bé khu«n thỉi theo ph−¬ng ph¸p kü tht ng−ỵc
31 ChÕ t¹o 1 bé khu«n quay theo ph−¬ng ph¸p kü tht ng−ỵc
32 T¹o mÉu mỈt n¹ chèng ®éc (®· ®Ị nghÞ sưa)
33 Thư nghiƯm 2 mÉu chÊn th−¬ng sä n·o
34 Thư nghiƯm 2 mÉu x−¬ng gß m¸
35 ThiÕt kÕ bé khu«n cho chi tiÕt mỈt n¹ chèng ®éc (®· ®Ị nghÞ sưa)
36 Thư nghiƯm 1 bé khu«n thỉi
37 Thư nghiƯm 1 bé khu«n quay
38 Thư nghiƯm 1 bé khu«n thỉi ®−ỵc thiÕt kÕ tõ ph−¬ng ph¸p kü tht ng−ỵc
39 Thư nghiƯm 1 bé khu«n quay ®−ỵc thiÕt kÕ tõ ph−¬ng ph¸p kü tht ng−ỵc
40 ChÕ t¹o 1 chi tiÕt con cht m¸y tÝnh theo c«ng nghƯ SLA
41 ChÕ t¹o 1 chi tiÕt ch©n vÞt tµu thđy theo c«ng nghƯ SLA
42 ChÕ t¹o 1 chi tiÕt ®å ch¬i trỴ em

Ngoài các nhiệm vụ kể trên, trong quá trình thực hiện chúng tôi thấy cần phải bổ
sung những nhiệm vụ tiếp theo như:

16
1. Xây dựng quy trình công nghệ tạo mô hình y học sọ não trên máy tính dựa trên dữ
liệu chụp cắt lớp điện toán.
2. Xây dựng quy trình công nghệ tạo mô hình bộ phận cấy ghép trên cơ sở mô hình
sọ não đã nhận được.
3. Xây dựng quy trình công nghệ tạo mẫu trên máy tạo mẫu nhanh SLA.
4. Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo bộ khuôn thạch cao.
5. Xây dựng quy trình công nghệ ép bộ phận cấy ghép.
6. Xây dựng các quy trình công nghệ tổng thể chế tạo bộ phận cấy ghép.
7. Chế tạo bộ phận cấy ghép sọ não
8. Chế tạo các bộ khuôn để ép các chi tiết của vỏ con chuột máy tính.
9. Nghiên cứu thực nghiệm quá trình tạo mẫu nhanh trên máy SLA.


17
Chương 2:
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
2.1 SỰ RA ĐỜI VÀ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH
Lòch sử ra đời của công nghệ tạo mẫu nhanh được đánh dấu bằng sáng chế
của Hull vào năm 1984 về Thiết bò tạo hình lập thể (StereoLithography Apparatus -
SLA), được công nhận vào năm 1986 và thương mại hóa bởi công ty 3D System vào
năm 1987.
Sau khi được thương mại hóa vào năm 1987, 34 hệ thống đã được cung cấp
vào năm 1998. Và theo báo cáo tổng kết của Hiệp hội Tạo mẫu nhanh thế giới do
Wohler làm chủ tòch, tính đến năm 2001, đã có khoảng 8000 hệ thống tạo mẫu nhanh
được trang bò cho 53 nước trên thế giới.[74]
Từ một phương pháp tạo hình lập thể SLA, chỉ sau gần hai chục năm, đã có
khoảng 30 phương pháp công nghệ tạo mẫu nhanh khác nhau.
GS Chuchekai [12] đã phân loại các phương pháp tạo mẫu nhanh theo vật
liệu để gia công như sau:

- Dựa trên cơ sở chất lỏng :
Trong các hệ thống tạo mẫu nhanh dạng này, vật liệu tạo mẫu ban đầu ở trạng thái
lỏng, mà suốt quá trình thực hiện được biết đến như sự lưu hóa , vật liệu chuyển từ
trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Cho đến nay, đã có 12 phương pháp, mà điển
hình là các công nghệ như: SLA, SGC, SCS,…
- Dựa trên cơ sở dạng tấm cứng (solid):
Hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu dạng khối cơ bản có liên quan đến tất cả các
hình thức vật liệu dạng khối bao gồm các dạng : dây, cuộn, tấm mỏng. Hiện nay, đã
có 8 phương pháp, mà điển hình là LOM, FDM,…
- Dựa trên cơ sở dạng bột:
Có 6 phương pháp dựa trên cơ sở dạng bột, mà điển hình là SLS, 3DP,…

18
Sau khi nghiên cứu phân tích các phương pháp kể trên chúng tôi thấy có thể
phân loại thêm theo sự tồn tại của nguồn laser.
Các phương pháp có sử dụng nguồn laser bao gồm: SLA, SLS, LOM, CAM-
LEM.
Các phương pháp không sử dụng nguồn laser bao gồm: FDM, SGC, 3D P,
SDM
Rất nhiều công ty trên thế giới đã đầu tư để thương mại hóa các công nghệ
khác nhau như: công ty 3D Systems, Stratasys, Helisys, ATM Coorperation của Mỹ,
các công ty Denken, D-MEC, Meiko Corp., Mitsubishi, Mitsui của Nhật, Electro-
Optical System (EOS) của Đức, Cubital của Israel, SpaxrxaAB của Thụy Điển,…
Theo GS. Clocke, số lượng hệ thống tạo mẫu nhanh được sử dụng tăng lên
không ngừng hàng năm, được minh họa trên đồ thò sau:

Số lượng các hệ thống tạo mẫu nhanh lắp đặt trên thế
giới
0
200

400
600
800
1000
1200
88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02
Năm
Số lượng


Lợi nhuận trong lónh vực tạo mẫu nhanh trên toàn thế giới được minh họa trên
hình sau:

19
Lợi nhuận trong các lónh vực tạo mẫu nhanh trên
toàn thế giới
0
100
200
300
400
500
600
700
800
93 94 95 96 97 98 99 00 01 02
Năm
Triệu đôla

Mỗi phương pháp công nghệ tạo mẫu nhanh có những đặc điểm và ứng dụng

riêng biệt, nên số lượng thiết bò của từng loại cũng khác nhau theo như biểu đồ sau
đây:

Xếp hạng các hệ thống tạo mẫu nhanh quan trọng nhất
2115
1216
692 690
646 599 366 331
0
500
1000
1500
2000
2500
SL (3D
Systems)
FDM
(Stratasys)
LOM
(Helisys)
SLS (EOS,
3D System)
ModelMaker
(Solidcape)
MJM (3D
System)
Genisys
(Stratasys)
3DP (Z
Corp.)

Hệ thống (Hãng)
Số lượng hệ
thống

Từ biểu đồ này cho thấy:
- công nghệ SLA có 2115 hệ thống, chiếm tỉ lệ 31%
- công nghệ FDM có 1216 hệ thống, chiếm tỉ lệ 17,82%
- công nghệ LOM có 692 hệ thống, chiếm tỉ lệ 10,2%

20
- công nghệ SLS có 690 hệ thống, chiếm tỉ lệ 9,8%
2.2 SO SÁNH CÁC CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH CƠ BẢN
Cho đến nay, đã có khoảng 30 phương pháp công nghệ tạo mẫu nhanh. Ở
đây, chúng tôi xin giới thiệu 3 phương pháp công nghệ cơ bản nhất đặc trưng cho 3
dạng vật liệu là SLA, SLS, LOM.
2.2.1 Các phương pháp tạo mẫu nhanh cơ bản:
a. Phương pháp SLA
Ph−¬ng ph¸p SLA lµ C«ng nghƯ T¹o mÉu nhanh ®Çu tiªn trªn thÕ giíi.
Trong sè nh÷ng ph−¬ng ph¸p t¹o mÉu nhanh th× SLA ®−ỵc sư dơng nhiỊu nhÊt,
chiÕm 31% thÞ phÇn hƯ thèng t¹o mÉu nhanh trªn thÕ giíi. C¸c lo¹i m¸y SLA gåm:
SLA190, SLA250, Viper Si2, SLA350, SLA500, SLA700, SLA3500, SLA5000,
SLA7000…
B¶n chÊt vµ s¬ ®å nguyªn lý


H×nh 2.1 : S¬ ®å nguyªn lý SLA

21

B¶n chÊt cđa qu¸ tr×nh SLA lµ d−íi t¸c dơng cđa chïm tia laser, vËt liƯu nhùa

c¶m quang sÏ ®«ng cøng l¹i. S¬ ®å nguyªn lý cđa hƯ thèng SLA ®−ỵc thĨ hiƯn trªn h×nh
2.1.
HƯ thèng gåm cã mét thïng (Vat) chøa dung dÞch c¶m quang (Liquid
Photopolymer) trong st, mét tÊm ®Õ (platform) nhóng trong bĨ cã kh¶ n¨ng n©ng lªn
vµ h¹ xng nhê mét thiÕt bÞ ®iỊu khiĨn ®−ỵc (Elevator) mét hƯ thèng cung cÊp ngn
lade (HeCd Laser) , cïng víi hƯ thÊu kÝnh (Lenses) vµ g−¬ng ph¶n x¹ (Mirror), dïng
lµm ®«ng cøng nhùa láng, mét hƯ thèng cung cÊp ngn lade (HeNe laser) vµ mét
g−¬ng ®Ĩ kiĨm tra møc nhùa trong thïng, mét hƯ thèng dao g¹t (Sweeper) dïng g¹t
nhùa trªn tÊm ®Õ t¹o mÉu ®Ĩ t¹o ra mét líp nhùa ®ång ®Ịu.
Qu¸ tr×nh t¹o mÉu x¶y ra nh− sau:
1. D−íi t¸c dơng cđa chïm tia lade ®−ỵc ®iỊu khiĨn tõ m¸y tÝnh, mét líp nhùa láng
®Çu tiªn sÏ bÞ ®«ng cøng l¹i.
2. Khi t¹o xong líp ®Çu tiªn, tÊm ®Õ sÏ h¹ xng mét nÊc cho nhùa láng trµn lªn,
sau ®ã n©ng lªn mét l−ỵng sao cho líp tr−íc n»m c¸ch mỈt nhùa kho¶ng 0,1- 0,5
mm t theo yªu cÇu.
3. TiÕp theo chïm tia lade sÏ qt lªn bỊ mỈt líp nhùa láng (theo tiÕt diƯn líp c¾t
cđa m« h×nh 3D) ®Ĩ lµm ®«ng cøng líp thø hai. Líp nµy ®−ỵc ®«ng cøng vµ dÝnh
kÕt víi líp tr−íc ®ã.
4. Qu¸ tr×nh cø tiÕp tơc lỈp l¹i cho ®Õn khi t¹o xong líp ci cïng cđa mÉu.
Qu¸ tr×nh t¹o mÉu nhanh b»ng c«ng nghƯ SLA bao gåm 5 b−íc:
1. T¹o m« h×nh 3D trªn m¸y tÝnh b»ng c¸c hƯ thèng CAD/CAM kh¸c nhau.
2. BiÕn ®ỉi m« h×nh 3D sang d¹ng file.STL.
3. KiĨm tra file .STL vµ chn bÞ file.BFF.
4. X©y dùng mÉu trªn m¸y t¹o mÉu nhanh.
5. HËu xư lý.
Vật liệu sử dụng ở đây là các loại nhựa cảm quang SL5170, SL5190
Ưu điểm:
• Tự động hoá cao: hệ thống này được tự động hoá hoàn toàn mà không
đòi hỏi bất kỳ sự tham gia nào trong suốt quá trình vận hành
• Độ chính xác cao

22
• Thể hiện rõ ràng: công nghệ SLA hỗ trợ quá trình thiết kế dễ dàng
• Độ bóng bề mặt cao: chi tiết có một bề mặt rất trơn láng

Nhược điểm:
• Hậu lưu hoá : công nghệ này đòi hỏi hậu lưu hoá để hoàn tất quy trình
hoá rắn.
• Dễ hư hỏng: mẫu có thể bò mềm ra ở nhiệt độ cao.
• Vật liệu bò hạn chế: phương pháp này mới chỉ sử dụng được vật liệu nhựa
cảm quang.
• Các gân hỗ trợ: các gân hỗ trợ luôn luôn cần thiết trong quá trình tạo
mẫu.
b. Phương pháp SLS

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lí công nghệ SLS.
Phương pháp thiêu kết bằng tia laser SLS được sáng chế ở trường đại học
Texas, Mỹ và được thương mại hóa bởi công ty DTM. Sản phẩm của công ty DTM là
C¬ cÊu cÊp liƯu d¹ng bét
HƯ thÊu kÝnh
Qu¶ c¸n (®−a mét líp bét láng)
Ngn lade CO
2
Bét ch−a thiªu kÕt
G−¬ng ph¶n x¹

23
hệ thống SYSTEM Station 2000. Sơ đồ nguyên lý làm việc của phương pháp SLS
được thể hiện qua hình 2.2.
Hệ thống này bao gồm một xy lanh tạo mẫu ở giữa và hai xy lanh cấp bột ở

hai bên.
Đầu tiên vật liệu từ xy lanh cập bột nâng lên cao khỏi mặt bàn và được con
lăn gạt bột sang xy lanh tạo mẫu với bề dày khoảng 0,05-0,38 mm. Ở đây vật liệu
được nung nóng và thiêu kết bởi chùm tia laser CO
2
qua các hệ thấu kính và gương
phản xạ. Bước tiếp theo xy lanh tạo mẫu sẽ hạ xuống một lớp với bề dầy tương ứng
với bề dầy của lớp bột đã được thiêu kết. Chu kỳ của quá trình được thực hiện lại
tương tự như trên. Tại bàn tạo mẫu lớp vật liệu thứ hai được nung nóng, thiêu kết và
kết dính vào lớp thứ nhất. Quá trình cứ tiếp tục như vậy cho đến khi tạo được mẫu
hoàn chỉnh.
Vật liệu bột ở đây có thể sử dụng: nhựa nhiệt dẻo, ABS, PVC, nylon, sáp, gốm và
bột kim loại.
Ưu Điểm:
• Phương pháp SLS có khả năng tạo mẫu từ nhiều loại vật liệu khác nhau
hoặc từ những vật liệu tổ hợp nói trên.
• Không cần hậu lưu hoá do các mẫu SLS hình thành từ bột .
• Không cần gân hỗ trợ khi tạo mẫu.
Nhược điểm:
• Mật độ của mẫu không đồng đều
• Độ bóng bề mặt thấp
• Cài đặt máy phức tạp
• Giá thành thiết bò vàbảo trì rất cao
c. Phương pháp LOM
Phương pháp LOM được sáng chế bởi Michael Feygin và được thương mại
hóa bởi tập đoàn Helisys, Corp. Torrance, CA, Mỹ. Sản phẩm của Helisys là 2 kiểu
LOM-1015 và LOM-2030.

24
Máy LOM-1015 và LOM-2030 có cấu trúc tương tự nhau: phần cứng và

phần mềm của máy tính, nguồn lade, hệ thống quang học, thiết bò điều chỉnh theo
trục XY, đáy và cơ cấu nâng hạ theo phương đứng , hệ thống dát mỏng, hệ thống
cung cấp vật liệu và cuốn vật liệu.
HƯ thèng nãi trªn bao gåm 2 rul«, trong ®ã cã mét rul« cung cÊp vËt liƯu, rul«
cßn l¹i cn vËt liƯu. MÉu ®−ỵc h×nh thµnh trªn mét bµn m¸y (tÊm ®Õ). §Çu tiªn vËt liƯu
tÊm ®−ỵc con l¨n gia nhiƯt c¸n dÝnh vµo tÊm ®Õ. Chïm tia laser ®−ỵc ®iỊu khiĨn b»ng
m¸y tÝnh sÏ c¾t líp vËt liƯu ®ã theo profile cÇn thiÕt cđa mỈt c¾t. PhÇn vËt liƯu cßn l¹i sÏ
bÞ c¾t thµnh nh÷ng h×nh vu«ng nhá, vµ trong qu¸ tr×nh h×nh thµnh mÉu chóng cã t¸c
dơng ®ì. Sau khi mÉu ®−ỵc h×nh thµnh cÇn ph¶i lo¹i bá chóng ®i. TiÕp theo rul« sÏ
cn vËt liƯu tÊm theo 1 b−íc nhÊt ®Þnh. Qu¸ tr×nh nµy ®−ỵc lỈp ®i lỈp l¹i cho ®Õn khi
mÉu ®−ỵc h×nh thµnh.

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý công nghệ LOM.

C«ng nghƯ nµy cã thĨ sư dơng c¸c vËt liƯu kh¸c nhau nh−: giÊy, gç, chÊt dỴo, kim
lo¹i,… ë d¹ng tÊm.
Ưu điểm
- Sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau.

25
- Thiết bò rẻ tiền
- Không cần hậu lưu hoá.
- Chi phí vật liệu thấp.
Nhược điểm
- Chất lượng của mẫu không cao vì vật liệu giấy, gỗ rất nhạy cảm với môi
trường ẩm ướt.
- Độ bền của mẫu không cao.
- Độ phức tạp hình học không cao.
- Hậu xử lý khó khăn để làm sạch và loại bỏ phần vật liệu thừa
d.Phương pháp FDM

Phương pháp này được thương mại hố bởi cơng ty Stratasys vào năm 1989.
Sơ đồ ngun lý của FDM được trình bày trên hình 4.
Sản phẩm chính của cơng ty là máy FDM-1600, FDM-1650.
Vật liệu sử dụng ở đây là các loại nhựa nhiệt dẻo ABS, Polyamid, Nylon và
sáp. Sơ đồ ngun lý của máy FDM được trình bày như trong hình.
Q trình tạo mẫu theo cơng
nghệ này gồm các bước sau:
- Mơ hình của sản phẩm được
tạo ra bởi phần mềm CAD sử
dụng file .IGES hoặc file
.STL.
- File CAD được cắt thành
từng lớp, sau đó được xử lí bởi
phần mềm Quickslide® và
Supportwork™. Cấu trúc đỡ
chi tiết được tự động tạo ra nếu
cần thiết.
- Vật liệu cung cấp sau khi qua
đầu gia nhiệt sẽ nóng chảy và
đùn ra tấm đế theo đường dẫn bởi QuicklideR t
ạo ra lớp mong muốn. Chiều
rộng của vật liệu thốt ra có thể khác nhau và nằm trong khoảng 0,254mm –
2,54mm. Khi một lớp vật liệu hồn thành, đầu phun của máy FDM sẽ di chuyển
theo phương Z để tạo ra lớp kế tiếp. Lớp vật liệu vừa đùn ra sẽ liên kết với lớp
vật liệu trước đó. Q trình lặp lại cho đến khi mẫu được tạo ra hồn chỉnh.
A. Ưu điểm:
• Dễ sử dụng.
• Vật liệu khơng độc, có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau .
• Máy làm việc trong mơi trường bình thường.
Hình 4. S


đ

n
g
u
y
ên lý c

a
p
h

n
g


26
Nhược điểm:
• Khó tạo ra mẫu có độ phức tạp cao.
• Cần phải có 2 loại vật liệu khác nhau cho chi tiết và cho cấu trúc đỡ.
e. Phương pháp SGC
Phương pháp SGC được phát minh và phát triển bởi cơng ty Cubital, Israel. Sản phẩm
của Cubital là các hệ thống Solider-4600 và Solider-5600. Các hệ thống này sử dụng
một số loại nhựa: nhựa nóng chảy và nhựa lưu hóa làm vật liệu chế tạo mẫu. Sáp hòa
tan trong nước làm vật liệu chế tạo cấu trúc đỡ.
Sơ đồ ngun lý của phương pháp này được trình bày trên hình.

Hình 6.1: Sơ đồ nguyên lí SGC.

Quá trình tạo mẫu theo công nghệ SGC bao gồm 3 bước: Chuẩn bò dữ liệu, tạo ra lớp
vỏ và chế tạo mẫu.
Trong bước chuẩn bò dữ liệu, công việc tạo ra mô hình CAD để tạo mẫu được
chuẩn bò và mặt cắt ngang được số hoá và chuyển sang tạo lớp vỏ.
Phần mềm tạo mẫu nhanh của Cubital là phần mềm DFE (Data Front End) sẽ
xử lý mô hình dạng khối rắn trước khi trước khi gởi nó tới hệ thống Solider . Phần
mềm DFE chấp nhận file CAD dạng STL hoặc những dạng thông dụng khác bởi hầu
hết hệ thống CAD đã thương mại hóa.
Sau khi dữ liệu được chấp nhận tấm thuỷ tinh được chuyển sang dạng “ảnh
trong suốt”. Một đầu phun ion bắn ion lên tấm thuỷ tinh để chuyển tới đóa mặt nạ
thuỷ tinh với độ phân giải 118 điểm/cm. Một ảnh ngược của của lớp được tạo thành.
Một lớp đen được phủ lên khắp bề mặt, ion được phân bố trên tấm và kính thuỷ tinh
phản ánh chính xác hình ảnh của mặt cắt.
Trong bước tạo mô hình, một lớp mỏng nhựa cảm quang được trải trên bề mặt
làm việc của mặt nạ thuỷ tinh đặt ở vò trí gần sát trên phần làm việc và hướng trực
chuẩn với đèn UV. Đèn UV mở trong vài giây, phần diện tích nhựa được chiếu sáng