Nghiên cứu sai số tạo mẫu nhanh xây dựng phương pháp giảm sai số và tăng năng suất của máy tạo mẫu nhanh spectrum z510

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.12 MB, 105 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>Phần mở đầu</b>

Để đảm bảo cạnh tranh trong thị trờng hội nhập, đòi hỏi phải đáp ứng nhanh nhu cầu của thị trờng và phải tạo ra đợc những sản phẩm có chất lợng cao trong thời gian ngắn, giá thành rẻ. Do mẫu mã hàng hoá thay đổi nhanh, liên tục, vì vậy nhu cầu hiện đại hố nền công nghiệp là một tất yếu khách quan.

Công nghệ tạo mẫu nhanh là công nghệ của thế kỷ thứ 21, tích hợp những thành tựu của cơng nghệ thơng tin, cơng nghệ vật liệu, tự động hố, kỹ thuật laser và cơ khí hiện đại. Thiết bị tạo mẫu nhanh đó cú nhiều tại Việt Nam và bước đầu đó đưa vào sản xuất, nhưng độ chớnh xỏc của cỏc thiết bị chưa được đề cập khi chuyển giao cụng nghệ, đặc biệt với những chi tiết cú kớch thước, hỡnh dỏng hỡnh học phức tạp. Việc xỏc định sai số và xõy dựng phương phỏp giảm sai số sẽ gúp phần làm tăng độ chớnh xỏc của chi tiết mỏy, đặc biệt cú ý nghĩa với cỏc chi tiết cú độ chớnh xỏc cao, nõng cao khả năng cạnh tranh của phương phỏp tạo mẫu nhanh.

Từ thực tế đú, em đợc PGS-TS Nguyễn Phú Hoa giao đề tài: “Nghiên cứu sai số tạo mẫu nhanh; Xây dựng phơng pháp giảm sai số và tăng năng suất của máy tạo mẫu nhanh Spectrum Z510”. Nhằm mục đớch xỏc định và đưa ra phưong phỏp bự sai số và tối ưu quỏ trỡnh chế tạo sản phẩm trờn mỏy tạo mẫu nhanh SPECTRUM Z510 cú tại Trung tõm thớ nghiệm, Trường Đại học Kỹ thuõt Cụng nghiệp Thỏi Nguyờn.

<b>2. Tình hình nghiên cứu ở nớc ngồi.</b>

Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về công nghệ tạo mẫu nhanh đ-ợc trình bày trong khoảng 30 cuốn sách chuyên về công nghệ tạo mẫu nhanh.

Tạo mẫu nhanh là lĩnh vực khoa học liên ngành, do đó để áp dụng nhanh vào sản xuất ngoài việc nghiên cứu độc lập, nhiều viện nghiên cứu, trờng đại học, cơ sở sản xuất và các bệnh viện đã hợp tác nhau nghiên cứu. Điển hình là dự án RAPTEC gồm 10 thành viên thuộc các ngành công nghiệp và trờng đại học của Châu Âu, hay dự án PHIDIAS gồm 39 thành viên gồm các trờng đại học, viện nghiên cứu của Châu Âu. Đã có tạp chí chun ngành mang tên Rapid Prototyping in Medicine xuất bản từ tháng 12 năm 1998 đến nay.

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

Các nghiên cứu về RP trên thế giới có thể chia thành 3 nhóm chính nh sau:  Nhóm các nghiên cứu về cơng nghệ của q trình sản xuất chế tạo theo kiểu xếp lớp gồm có: Mơ hình hố và tối u q trình, phát triển q trình, tối -u hố vật liệ-u,phát triển vật liệ-u…

 Nhóm các nghiên cứu về dữ liệu, công nghệ thông tin gồm có: Trao đổi dữ liệu giữa các gói phần mềm CAD và thiết bị RP, đo kiểm soát chất lợng sản phẩm, kỹ thuật ngợc (RE)…

 Nhóm các nghiên cứu về quản lý, ứng dụng công nghệ gồm có: phát triển các th viện với việc mơ tả các nguyên lý và thuộc tính của các quá trình RP đã có thể tạo ra các mơ hình thực;tích hợp RP với q trình phát triển sản phẩm;đánh giá về giá thành, hiệu quả sử dụng RP trong q trình phát triển sản phẩm.

<i><b>Dới đây là tóm tắt một số cơng trình nghiên cứu gần đây trên thế giới:</b></i>

+ Nghiên cứu các thuật tốn hình học và biểu diễn dữ liệu cho sản xuất các khối rắn có bề mặt cong tự do- luận văn tiến sĩ của tác giả Sara Anne McMains thực hịên tại trờng Đại học CALIFORMIA,BERKELEY, công bố năm 2000. Trong luận văn này tác giả đã nghiên cứu phát triển một định dạng dữ liệu mới SIF (Solid Interchange Format) dùng làm định dạng dữ liệu đầu vào cho các thiết bị tạo mẫu nhanh. Định dạng này cho phép khắc phục những nhợc điểm của định dạng STL nh thông tin d thừa, các lỗi kết nối…

+ Phát triển một phơng pháp cắt lát mới để cải thiện chất lợng chế tạo sản phẩm theo kiểu tạo lớp - Luận văn tiến sĩ của tác giả Pieter Joost DE JAGER thực hiện tại Delft University of Techonogy(1998). Trong luận văn này tác giả đã đa ra giải pháp trong quá trình RP tạo ra các lớp với bề mặt biên là các bề mặt kẻ. Nh vậy sẽ giảm đợc hiệu ứng bậc thang, dẫn đến làm giảm độ nhấp nhô, nâng cao độ bóng bề mặt chế tạo.Giải pháp này cho phép có thể chế tạo mẫu với các lớp có chiều dày lớn, dẫn đến giảm số lớp mà vẫn đảm bảo chất l-ợng bề mặt.

+ Tạo mẫu nhanh & chế tạo - Những vấn đề cơ bản của công nghệ SLA tác giả Paul F.Jacobs xuất bản 1992. Trong tác phẩm này tác giả trình bày những vấn đề cơ bản nhất của công nghệ tạo mẫu nhanh, cơ sở lý hố của q trình polyme hố trong phơng pháp SLA, độ chính xác của phơng pháp này,... Ngoài ra tác giả cũng giới thiệu một số phơng pháp tạo mẫu nhanh thông dụng khác nh SLS, FDM,..

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

+ <small>ứ</small>ng dụng công nghệ SLA trong chế tạo khuôn ép phun - Nghiên cứu của các tác giả Sadegh Rahmati and Philip Dicken đăng trong tạp chí Rapid prototyping journal. Trong nghiên cứu này các tác giả đã tiến hành chế tạo khuôn theo phơng pháp tạo khn nhanh trực tiếp. Các lịng khn với vật liệu bằng EPOXY và ZENECA đợc chế tạo trực tiếp bằng phơng pháp SLA. Thông qua các thực nghiệm đo nhiệt, áp suất trên các khuôn này các tác giả đã rút ra một số kết luận so sánh về tuổi thọ, chất lợng của 2 loại vật liệu làm khuôn trên, đồng thời nêu ra một số giải pháp công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả của loại khn này.

+ Tối u hố đa mục tiêu định hớng chế tạo trong công nghệ SLA của các tác giả W. Cheng, J.Y.H.Fuh, A.Y.C. Nee, Y.S.Wong, H.T.Loh, T.Miyazawa trình bày nghiên cứu về phơng pháp xác định hớng chế tạo tối u của công nghệ SLA với các hàm mục tiêu ở đây là độ chính xác của mẫu chế tạo và thời gian chế tạo.Các tác giả đã phân tích, xác định nguồn gây sai số của cơng nghệ SLA bao gồm:

- Q trình tam giác hố khi chuyển đổi mơ hình CDA sang định dạng STL - ảnh hởng của hiệu ứng bậc thang trên các bề mặt nghiêng

- Mất mát chi tiết của mẫu chế tạo do chiều dày lát cắt là không đổi - Lu hố q mức xảy ra ở các vùng cơng xon

- Biến dạng và co ngót liên quan đến thuộc tính vật liệu và đặc trng hình học của mơ hình

- Hiệu ứng bao chứa gây ra căng kéo bề mặt xung quanh thể tích bẫy. Mơ hình CAD khảo sát giả thiết ở đây là đợc tạo ra từ các bề mặt cơ bản nh mặt phẳng, mặt trụ cùng với pháp tuyến định hớng của chúng đã xác định.

Các trọng số xác định ảnh hởng của dạng bề mặt đó và nguồn gây sai số đến độ chính xác của mơ hình giả thiết đã đợc xác định trớc. Với các hàm mục tiêu và dữ kiện đầu vào nh trên cá tác giả xây dựng thuật toán và cài đặt phần mềm xác định hớng tối u của công nghệ SLA trong môi trờng Pro/ Engieering.

Các công bố kết quả nghiên cứu về công nghệ tạo khuôn nhanh cịn khá hạn chế, có thể do ngun nhân đây là cơng nghệ mới nên các hãng giữ bí mật cơng nghệ.

Song các nghiên cứu về nâng cao độ chính xác của phơng pháp tạo mẫu nhanh vẫn cha nhiều, chủ yếu là nghiên cứu tối u lớp cắt, giải quyết sai số

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

trong quá trình số hố dữ liệu đầu vào và trong q trình chuyển đổi dữ liệu từ máy tính sang dữ liệu của máy tạo mẫu nhanh.

<b>3. Tình hình nghiên cứu trong nớc.</b>

Công nghệ tạo mẫu nhanh đã đợc đa vào Việt Nam và nghiên cứu bớc đầu vào những năm gần đây. Đầu tiên phải kể đến là Đề tài cấp nhà nớc giai đoạn 2001 - 2005, thuộc chơng trình KC.05 do Khoa cơ khí Trờng Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh chủ trị thực hiện và đã mua thiế bị, phần mềm sử dụng, đồng thời kết hợp với bệnh viện chợ Rẫy chế tạo mẫu một số vật phẩm y tế.

Viện máy và dụng cụ công nghiệp (IMI) cũng là một trong các đơn vị đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu về cơng nghệ này. Năm 2003 Viện chủ trì Đề tài cấp Thành phố Hà Nội về ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh vào việc thiết kế, chế tạo trong ngành sản xuất các sản phẩm chất dẻo và ngành da giày. Đề tài đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật ngợc, các phần mềm CAD/CAM nh CATIA, SolidWorks để xây dựng mơ hình CAD 3 chiều cho các sản phẩm trong ngành da giày và sản phẩm nhựa, tạo ra các dữ liệu hình học đầu vào phù hợp với thiết bị tạo mẫu nhanh. Các sản phẩm này đợc lấy mẫu (quét trên đầu quét Renishaw với sự trợ giúp của phần mềm TraceCut). Sử dụng dữ liệu quét này để dựng lại mô hình CAD 3D ở dạng solid trên CATIA, SolidWorks và chuyển sang định dạng STL làm dữ liệu đầu vào cho thiết bị tạo mẫu nhanh Z310.

Các mẫu sản phẩm form giày, sản phẩm nhựa, sản phẩm đế giày đợc chế tạo ra làm cơ sở ban đầu cho xây dựng một th viện các mẫu của ngành da giày.

<i>Năm 2005 Viện thực hiện đề tài Nghiên cứu ảnh hởng của các thơng sốcơng nghệ đến độ chính xác của sản phẩm chế tạo bằng phơng pháp 3D-Printing. Các nghiên cứu thực nghiệm đợc tiến hành trên thiết bị Z310 của</i>

hãng Zcorporation. Đề tài đã tiến hành các thí nghiệm với các thông số công nghệ khác nhau và đa ra các biểu đồ và đồ thị mô tả sự ảnh hởng của các yếu tố công nghệ đến các sai số hình học của mẫu đợc thể hiện bằng sai số kích thớc.

<i>Năm 2007 Viện thực hiện đề tài cấp Bộ - Nghiên cứu phơng pháp tạokhuôn nhanh bằng công nghệ ghép tấm. Đề tài nghiên cứu chế tạo thành công</i>

khuôn dập theo công nghệ xếp lớp.

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Đại học bách khoa Hà Nội, Đại học Công nghiệp Thái Nguyên cũng đã nhập và tiếp nhận chuyển giao công nghệ tạo mẫu nhanh. Hiện nay các nhóm đề tài nghiên cứu tại các trờng trên cũng đang nghiên cứu triển khai các đề tài ứng dụng Tạo mẫu nhanh.

Một số cơ sở sản xuất nh công ty Nhựa Hà Nội, Công ty An Lạc Phát… cũng có nhập thiết bị tạo mẫu nhanh theo cơng nghệ FDM nhằm phục vụ cho thiết kế mới các mẫu mã, phát triển sản phẩm.

Ngoài các đề tài và dự án trên, tại Việt Nam cũng đã có một số học viện cao học, NCS thực hiện nghiên cứu về lĩnh vực này, ví dụ nh:

+ Luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu và mô phỏng công nghệ tạo mẫu nhanh” gồm 2 phần. Phần thứ nhất trình bày lý thuyết cơ bản công nghệ tạo mẫu nhanh, các phơng pháp tạo mẫu nhanh cơ bản, trong đó tập trung vào cơng nghệ SLA. Phần tiếp theo trình bày các thuật tốn cắp lát và chơng trình mơ phỏng q trình tạo mẫu nhanh viết bằng AutoLisp. Chơng trình mơ phỏng đa ra kết quả sai số bậc tham mô hình chế tạo RP một cách trực quan.

+ Luận văn thạc sỹ “ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong chế tạo khn mẫu trình bày tổng hợp các vấn đề lý thuyết cơ bản của công nghệ tạo mẫu nhanh, ứng dụng trong chế tạo khn mẫu, thuật tốn và chơng trình cắt lát mơ hình STL bằng MATLAB. Kết quả chơng trình này cho dữ liệu lớp cắt ở dạng tọa độ các điểm trên đờng biên. Dữ liệu này sau đó có thể đợc sửa đổi cho phù hợp với từng hệ thống RP.

+ Luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu công nghệ tạo mẫu nhanh để chế tạo mẫu chảy ứng dụng trong công nghệ Đúc” nhằm giải quyết vấn đề khó khăn của Đúc mẫu chảy là chế tạo mẫu chảy.

Nhìn chung số lợng các cơng trình nghiên cứu về cơng nghệ tạo mẫu nhanh ở Việt Nam còn hạn chế. Chủ yếu là các báo cáo của một số đề tài cấp Nhà nớc, cấp Bộ, cấp Thành Phố… và một số luận văn tiến sỹ, thạc sỹ nh đã trình bày ở trên. Vì vậy kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần giải quyết những hạn chế của cơng nghệ này.

<b>4. Nhiệm vụ nghiên cứu.</b>

 Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh.

 Nghiờn cứu Cơ sở lý thuyết sai số trong phương phỏp tạo mẫu nhanh.

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

 Nghiờn cứu biện phỏp giảm sai số; nõng cao năng suất của phương phỏp tạo mẫu nhanh trờn mỏy Spectrum Z510.

 Áp dụng kết quả nghiờn cứu để trong việc chế tạo chi tiết.

Chơng 1. Tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh.

Chơng 2. Cơ sở lý thuyết về sai số trong phương phỏp tạo mẫu nhanh. Chơng 3. Mỏy tạo mẫu nhanh Spectrum Z510 ; Phơng pháp nâng cao độ chính xác và tăng năng suất chế tạo sản phẩm.

Chơng 4. áp dụng phơng pháp chia vật thể thích nghi với chi tiết vỏ đạn súng phóng lựu trên máy tạo mẫu nhanh Spectrum Z510.

Trong quá trình làm luận văn, do điều kiện thiết bị và tài liệu còn hạn chế nên bản luận văn không thể tránh khỏi thiếu sót. Kính mong các thầy, các đồng nghiệp góp ý, chỉ bảo để bản luận văn hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo PGS –TS Nguyễn Phú Hoa đã giúp đỡ em hoàn thành bản luận văn này.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b>chơng 1</b>

<b>tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh</b>

<b>1.1. tổng quan về tạo mẫu nhanh.</b>

<b>1.1.1. Giới thiệu kỹ thuật tạo mẫu nhanh.</b>

Kỹ thuật tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP) là kỹ thuật in hình ảnh nổi khn mẫu. Là khái niệm mới trong lĩnh vực chế tạo máy hiện nay. Phơng pháp này có thể tạo ra vật thể không gian 3 chiều trực tiếp từ dữ liệu không gian 3 chiều của mơ hình CAD với thời gian rất ngắn. Kỹ thuật này góp phần giảm đáng kể thời gian, chi phí trong q trình thiết kế cơ khí. So với phơng pháp gia cơng cổ điển kỹ thuật này có u điểm nh sau: Khơng cần chuẩn bị dụng cụ cắt gọt. Không tốn đồ gá, giảm thời gian sửa đổi, thiết kế lại chi tiết, có thể thiết kế những chi tiết phức tạp mà khi gia công trên những máy công cụ số dễ bị phế phẩm hoặc không gia công đợc.

Ra đời vào năm 1987, kỹ thuật tạo mẫu nhanh đang tồn tại hơn 30 công nghệ khác nhau nh : SLA, LOM, SLS, …. Với nguyên tắc chung là bồi đắp vật liệu hoặc tách vật liệu theo lớp. Với mỗi phơng pháp, mỗi loại vật liệu khác nhau thì độ chính xác cũng khác nhau.

<i><b>*. Ưu nhợc điểm của cơng nghệ tạo mẫu nhanh</b></i>

Tạo mẫu nhanh có những u điểm sau đây:

 Tăng khả năng quan sát trong q trình thiết kế.  Tạo đợc mẫu có độ phức tạp cao.

 Giảm chi phí, thời gian thiết kế và chế tạo.

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

 Cho phép giảm chu kỳ chế tạo sản phẩm để mang sản phẩm ra thị trờng nhanh hơn.

Tuy nhiên, công nghệ tạo mẫu nhanh cũng có những nhợc điểm sau đây:  Độ bền của mẫu phụ thuộc vào vật liệu và công nghệ sử dụng.

 Độ chính xác của sản phẩm khơng cao vì ngun tắc gia cơng đắp vật liệu theo từng lớp.

 Giá thành của sản phẩm còn cao do chi phí đầu t và bảo trì thiết bị lớn.

<b>1.1.2. ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong sảnxuất, chế tạo.</b>

Các mẫu RP có thể đợc sử dụng để nghiên cứu khả năng chế tạo một sản phẩm nào đó. Nhờ có các mẫu thực ngay trong giai đoạn đầu của thiết kế,ta có thể đẩy nhanh tốc độ lập kế hoạch công nghệ cũng nh thiết kế dụng cụ. Hơn nữa, nhờ có các mẫu thực mơ tả hình học chính xác có thể giảm tối đa các nhầm lẫn trong quá trình chế tạo.RP cũng cho phép chế tạo đợc những chi tiết phức tạp mà với những phơng pháp khác thờng khơng chế tạo đợc, hoặc khó chế tạo.

Một ứng dụng quan trọng của RP trong kỹ thuật cơ khí là chế tạo các khn mẫu, các lõi thao đúc. Trên cơ sở phát triển các ứng dụng của RP trong sản xuất chế tạo các khuôn mẫu, dụng cụ, một công nghệ mới ra đời: Công nghệ tạo khuôn mẫu nhanh - Rapid Tooling(RT). RT có các u điểm so với cơng nghệ tạo khuôn truyền thống (khuôn kim loại) ở chỗ thời gian và chi phí tạo khn thấp hơn nhiều lần. Tuỳ thuộc vào kích cỡ và độ phức tạp của khn mà thời gian có thể chỉ mất dới 1/5 và chi phí có thể dới 5 % chi phí tạo khuôn theo phơng pháp thông thờng. Tuy nhiên RT cũng có một số các nhợc điểm nh: độ bền, độ chính xác, tuổi thọ của khn thấp hơn so với khuôn thông thờng. RT mới đợc nghiên cứu phát triển trên thế giới trong những năm gần đây, chủ yếu để chế tạo các khn có tuổi thọ thấp (vài chục đến vài trăm sản phẩm), các khuôn chế tạo sản phẩm khơng có u cầu độ chính xác cao. Có thể phân loại RT thành 2 nhóm chính: Tạo khuôn nhanh trực tiếp và tạo khuôn nhanh gián tiếp.Tạo khn nhanh trực tiếp là một qúa trình chế tạo khuôn (dụng cụ) trực tiếp từ các file dữ liệu CAD với một chuỗi các ngun cơng là ít nhất. Tạo khuôn nhanh gián tiếp là sử dụng các mẫu đã có sẵn, mẫu đợc chế tạo bằng RT hay bằng một cơng nghệ nào đó để làm mẫu tạo lịng khn. Trong mỗi nhóm này lại có nhiều phơng pháp RT khác nhau.

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Ngoài các ứng dụng trong nghành cơ khí, hiện nay RP cũng bớc đầu đợc ứng dụng vào một số lĩnh vực khác trong cuộc sống nh: Y học, sinh học, công nghiệp da giày, thời trang, kim hoàn, …

<b>1.1.3. Các bớc cơng nghệ trong tạo mẫu nhanh</b>

Q trình tạo mẫu nhanh của mỗi cơng nghệ có những điểm khác nhau, nhng chúng đều có các bớc sau.

Đây là bớc đầu tiên trong quá trình tạo mẫu nhanh, áp dụng cho tất cả các hệ thống tạo mẫu nhanh khác nhau, nó gắn liền với việc tạo mơ hình 3D của vật thể thiết kế bằng máy tính.

Để tạo ra mơ hình vật thể thiết kế, ngời thiết kế có thể xây dựng mơ hình nhờ các phần mềm CAD, Scaner hoặc tạo dựng vật thể theo toạ độ mà máy đo toạ độ cung cấp.

Đây là bớc quan trọng nhất và quyết định đến chất lợng và độ chính xác của sản phẩm.

Thơng thờng một file CAD cần chuyển đến bộ dịch của máy tạo mẫu nhanh. Bớc này đảm bảo dữ liệu CAD đa vào máy tạo mẫu nhanh đợc định dạng STL, dạng mơ hình biểu diễn mặt biên gồm nhiều mảnh tam giác rất nhỏ. Đây là định dạng tiêu chuẩn của máy tạo mẫu nhanh.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Bớc này nhằm tạo chân đỡ và đợc lu trong 1 file CAD riêng. Các nhà thiết kế CAD có thể trực tiếp thực hiện nhiệm vụ này hoặc bằng các phần mềm chuyên dụng của tạo mẫu nhanh. Đây là công việc bắt buộc đối với các phơng pháp tạo mẫu nhanh trên vật liệu dạng lỏng. Việc thiết kế chân đế nhằm:

 Đảm bảo các lỡi phủ không bị va vào bàn đặt chi tiết.

 Đảm bảo bất cứ biên dạng nhỏ nào của bàn đặt chi tiết cũng không ảnh hởng đến quá trình chế tạo chi tiết.

 Cung cấp phơng thức đơn giản nhất cho việc lấy sản phẩm ra khỏi tấm đế khi chế tạo xong.

Cả chi tiết và chân đỡ đều phải cắt lát. Chi tiết đợc cắt lát tốn học bằng máy tính thành 1 chuỗi các mặt phẳng song song với nhau. Cũng trong bớc này cần phải lựa chọn các thông số nh chiều dày lớp cắt, kiểu chế tạo dự tính, chiều sâu lu hoá, khoảng cách các bớc quét cần thiết, …

Để quá trình chế tạo đợc tốt thì phải định hớng chế tạo. Một quá trình định hớng chế tạo hợp lý có thể nâng cao đợc độ chính xác chi tiết và giảm thời gian chế tạo chi tiết do đó giảm đợc giá thành sản phẩm. Định hớng chế tạo phụ thuộc vào mục tiêu lựa chọn, có nhiều mục tiêu nh: Chiều cao chế tạo, chất lợng bề mặt, việc chế tạo các phần nâng đỡ sản phẩm, …

Đây là giai đoạn polyme hoá nhựa hay thiêu kết vật liệu và kết quả cuối cùng một vật thể 3D đợc tạo ra. Tuỳ theo phơng pháp gia công việc chế tạo đ-ợc thực hiện với những cơng nghệ và vật liệu thích hợp. Nhng q trình chế tạo vẫn tn theo ngun tắc gia cơng vật liệu theo từng lớp, lớp này kế tiếp lớp kia. Vật thể đợc hình thành có thể theo cách bồi đắp vật hay tách bỏ vật liệu theo lớp. Kết cấu đỡ đợc chế tạo trớc hoặc đợc chế tạo cùng với chi tiết. Tuỳ theo phơng pháp, sau mỗi lớp bàn đỡ đợc hạ xuống hoặc nâng lên để gia công lớp tiếp theo. Các chuyển động của bàn đỡ và dụng cụ đều đợc lập trình và điều khiển bằng máy tính.

<b>1.1.3.6. Loại bỏ vật liệu thừa, hoàn thiện và làm sạch vật thể chế tạo.</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Sau khi kết thúc quá trình chế tạo, vật liệu thừa (bột thừa trong phơng pháp thiêu kết, nhựa lỏng thừa, các lớp vật liệu đã đợc cắt bỏ trong phơng pháp LOM … ợc lấy đi khỏi vùng gia công. Vật thể sau khi chế tạo đợc lấy) đ ra khỏi vùng gia công và đợc làm sạch bằng các phơng pháp nh phun khí, rửa, sửa và làm sạch bằng phơng pháp cơ khí.

Trong một số công nghệ tạo mẫu nhanh, vật thể sau chế tạo mới chỉ đợc thiêu kết hay polyme hoá một phần nên cha đạt đợc các chỉ tiêu cao nhất về các tính chất cơ lý hố… nên cần phải có các bớc xử lý tiếp theo tuỳ theo ph-ơng pháp chế tạo. Vật thể sau khi đợc tạo hình có thể đợc thiêu kết hoàn thiện hoặc nhúng vào nhựa hay cao su để tiến hành polyme hoá hay lu hoá để đạt yêu cầu đặt ra.

<b>1.1.3.8. Hồn thiện chi tiết.</b>

Tuỳ theo mục đích sử dụng, có thể dùng nhiều mức hồn thiện chi tiết nhằm mơ hình hố quan sát và mơ hình hoá khái niệm, chỉ cần loại bỏ các chân đỡ là đợc. Để linh hoạt và tối u hơn có nhiều phơng pháp hoàn thiện nh bằng tay, phun các hạt có kích thớc nhỏ, hay biện pháp tích hợp cả hai phơng pháp trên. Các chi tiết cũng có thể đợc đánh bóng, sơn hay phủ kim loại.

<b>1.2 Các phơng pháp tạo mẫu nhanh cơ bản:</b>

Do cú nhiều phương diện sản xuất nờn hỡnh thành nhiều loại hệ thống tạo mẫu nhanh trờn thị trường, để phõn loại một cỏch bao quỏt cỏc hệ thống tạo mẫu nhanh là dựa trờn cơ sở vật liệu sản xuất. Ở kiểu phõn loại này tất cả cỏc hệ thống tạo mẫu nhanh cú thể dễ dàng phõn thành ba loại:

- Dựa trờn cơ sở vật liệu dạng lỏng. - Dựa trờn cơ sở vật liệu dạng khối. - Dựa trờn cơ sở vật liệu dạng bột.

<b>*. Dựa trờn cơ sở vật liệu dạng lỏng: Cỏc hệ thống tạo mẫu nhanh dựa </b>

trờn cơ sở chất lỏng bắt đầu với vật liệu ở trạng thỏi lỏng. Quỏ trỡnh tạo mẫu là một quỏ trỡnh lưu húa, vật liệu chuyển đổi từ trạng thỏi lỏng sang trạng thỏi rắn. Cú 12 phương phỏp điển hỡnh:

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

1. Thiết bị tạo mẫu lập thể SLA của 3D Systems 2. Thiết bị xử lý dạng khối SGC của Cubital 3. Thiết bị tạo mẫu dạng khối SCS của Sony

4. Thiết bị in sử dụng tia tử ngoại tạo vật thể dạng khối SOUP 5. Thiết bị tạo ảnh nổi của EOS

6. Thiết bị tạo ảnh khối của Teijin Seiki

7. Thiết bị tạo mẫu nhanh của Meiko cho công nghiệp đồ trang sức. 8. Thiết bị tạo mẫu nhanh SLP của Denken.

9. Thiết bị tạo mẫu nhanh COLAMM của Mitsui.

10. Thiết bị tạo mẫu nhanh LMS của Fockele và Schwarze. 11. Thiết bị điêu khắc bằng ánh sáng

12. Thiết bị hai chùm tia laser

<b>* Dựa trên cơ sở vật liệu dạng khối: Ngoại trừ các vật liệu dạng bột, các</b>

hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu cơ bản dạng khối có liên quan đến tất cả các hình thức vật liệu dạng khối bao gồm các dạng: dây, cuộn, dát mỏng và dạng viên. có 9 phương pháp điển hình.

1. Thiết bị tạo lớp mỏng LOM của Helisys 2. Thiết bị phun nhiều lớp FDM của Stratasys

3. Thiết bị dập nóng có sử dụng chất liên kết SAHP (của KiRa). 4. Thiết bị tạo mẫu nhanh của Kinergy.

5. Thiết bị tạo mẫu nhiều đầu phun MJM của 3D System 6. Hệ thống tạo mẫu nhanh RPS của IBM.

7. Thiết bị tạo mẫu MM-6B của công ty Sanders Prototype 8. Thiết bị tạo mẫu nhanh Hot Plot của Sparx AB’s

9. Thiết bị tạo mẫu nhanh Laser CAMM của Scale Model Unlimited

<b>*. Dựa trên cơ sở vật liệu dạng bột: Trong khả năng được giới hạn, dạng </b>

trạng thái bột vẫn còn được xem như dạng trạng thái khối. Có 7 phương pháp:

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

1. Thiết bị thiờu kết bằng laser SLS của DTM

2. Thiết bị đỳc khuụn vỏ mỏng trực tiếp DSPC của Soligen

3. Thiết bị định hỡnh nhiều giai đoạn hoỏ cứng MJS của Fraunhofer 4. Hệ thống cỏc thiết bị EOSINT của EOS.

5. Thiết bị in phun (Ink-Jet) hay cũn gọi là BPM của BPM Technology 6. Thiết bị in ba chiều 3DP của MIT

7. Thiết bị tạo mẫu nhanh Z - Printer của hãng Z - Corp

Trong phạm vi đề tài tác giả chọn giới thiệu 6 phơng pháp công nghệ cơ bản nhất là: SLA, SLS, LOM, FDM, SGC, Z-Printer, và Thermojet.

<b>1.2.1 Phơng pháp SLA. </b>

Phơng pháp SLA là Công nghệ tạo mẫu nhanh đầu tiên trên thế giới.

Trong số những phơng pháp tạo mẫu nhanh thì SLA đợc sử dụng nhiều nhất, chiếm 30% thị phần hệ thống tạo mẫu nhanh trên thế giới.

Các loại máy SLA gồm: SLA190, SLA250, Viper Si2, SLA350, SLA500, SLA700, SLA3500, SLA5000, SLA7000, ...

Bản chất của quá trình SLA là dới tác dụng của chùm tia laser, vật liệu nhựa quang hố sẽ đơng cứng lại. Vật liệu sử dụng ở đây là các loại nhựa quang hoá SL5170, SL5190.

Hệ thống gồm có một thùng (Vat) chứa dung dịch quang hoá (Liquid Photopolymer) trong suốt, một tấm đế (platform) nhúng trong bể có khả năng nâng lên và hạ xuống nhờ một thiết bị điều khiển đợc (Elevator) một hệ thống

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

cung cấp nguồn laser (HeCd Laser), cùng với hệ thấu kính (Lenses) và gơng phản xạ (Mirror), dùng làm đông cứng nhựa lỏng và một gơng để kiểm tra mức nhựa trong thùng, một hệ thống dao gạt (Sweeper) dùng gạt nhựa trên tấm đế để tạo ra một lớp nhựa đồng đều.

<i><b>Quá trình tạo mẫu xẩy ra nh sau:</b></i>

Dới tác dụng của chùm tia laser đợc chiếu từ hệ thống thấu kính và g-ơng phản xạ (đợc điều khiển từ máy tính), một lớp nhựa lỏng đầu tiên sẽ bị đơng cứng lại.

Khi tạo xong lớp đầu tiên, tấm đế sẽ hạ xuống một nấc cho nhựa lỏng tràn lên, sau đó nâng lên một lợng sao cho lớp trớc nằm cách mặt nhựa khoảng 0,1 - 0,5 mm tuỳ theo yêu cầu.

Tiếp theo chùm tia laser sẽ quét lên bề mặt lớp nhựa lỏng (theo tiết diện lớp cắt của mơ hình 3D) để làm đơng cứng lớp thứ hai. Lớp này đợc đơng cứng và dính kết với lớp trớc đó.

Q trình cứ tiếp tục lặp lại cho đến khi tạo xong lớp cuối cùng của mẫu.

 Tự động hoá cao: hệ thống này đợc tự động hố hồn tồn mà khơng địi hỏi bất kỳ sự tham gia nào trong suốt quá trình vận hành.

 Độ chính xác cao.

 Thể hiện rõ ràng: Cơng nghệ SLA hỗ trợ quá trình thiết kế dễ dàng.  Độ bóng bề mặt cao: Chi tiết có một bề mặt rất trơn láng.

 Dễ h hỏng: mẫu có thể bị mềm ra ở nhiệt độ cao.

 Vật liệu bị hạn chế: phơng pháp này mới chỉ sử dụng đợc vật liệu nhựa quang hoá.

 Các gân hỗ trợ: Các gân hỗ trợ luôn cần thiết trong quá trình tạo mẫu.

<b>1.2.2 Phơng pháp SLS.</b>

Phơng pháp thiêu kết bằng tia laser SLS đợc sáng chế ở trờng Đại học Texas, Mỹ và đợc thơng mại hố bởi cơng ty DTM. Sản phẩm của Công ty DTM là hệ thống SYSTEM Station 2000. Sơ đồ nguyên lý làm việc của phơng pháp SLS đợc thể hiện qua hình 1-4 .

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

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 đợc con lăn gạt bột sang xy lanh tạo mẫu với bề dày khoảng 0,05 - 0,38mm. ở đây vật liệu đợc nung nóng và thiêu kết bởi chùm tia laser CO<small>2</small> qua các hệ thấu kính và gơng phản xạ. Bớc tiếp theo xy lanh tạo mẫu sẽ hạ xuống một lớp với bề dày tơng ứng với bề dày của lớp bột đã đợc thiêu kết. Chu kỳ của quá trình đ-ợc thực hiện lại tơng tự nh trên. Tại bàn tạo mẫu lớp vật liệu thứ hai đđ-ợc nung nóng, thiêu kết và kết dính vào lớp thứ nhất. Quá trình cứ tiếp tục nh vậy cho đến khi tạo đợc mẫu hoàn chỉnh.

Vật liệu bột ở đây có thể sử dụng nhựa nhiệt dẻo, ABS, PVC, nylon, sáp, gốm và bột kim loại.

 Phơng pháp SLS có khả năng tạo mẫu từ nhiều loại vật liệu khác nhau hoặc từ những vật liệu tổ hợp nói trên.

 Khơng cần hậu lu hố do các mẫu SLS hình thành từ bột.  Khơng cần gân hỗ trợ khi tạo mẫu.

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

 Độ bóng bề mặt thấp.  Cài đặt máy phức tạp.

 Giá thành thiết bị và bảo trì rất cao.

<b> 1.2.3 Phơng pháp LOM.</b>

Phơng pháp LOM đợc sáng chế bởi Michael Feygin và đợc thơng mại hố bởi tập đồn Helisys, Corp, Torrance, CA, Mỹ. Sản phẩm của Helisys là hai kiểu LOM - 1015 và LOM - 2030.

Máy LOM-1015 và LOM-2030 có cấu trúc tơng tự nhau: phần cứng và phần mềm của máy tính, nguồn laser, hệ thống quang học, thiết bị điều chỉnh theo trục XY, đáy và cơ cấu nâng hạ theo phơng đứng, hệ thống dát mỏng, hệ thống cứng cấp vật liệu và cuốn vật liệu.

Hệ thống nói trên bao gồm 2 rulơ, trong đó có một rulơ cung cấp vật liệu, rulơ cịn lại cuốn vật liệu. Mẫu đợc hình thành trên một bàn máy (tấm đế). Đầu tiên vật liệu tấm đợc con lăn gia nhiệt cán dính vào tấm đế. Chùm tia laser đợc điều khiển bằng máy tính sẽ cắt lớp vật liệu đó theo profile cần thiết của mặt cắt. Phần vật liệu còn lại sẽ bị cắt thành những hình vng nhỏ, và trong q trình hình thành mẫu chúng có tác dụng đỡ. Sau khi mẫu đợc hình thành cần phải loại bỏ chúng đi. Tiếp theo rulô sẽ cuốn vật liệu tấm theo một bớc nhất định. Quá trình này đợc lặp đi lặp lại cho đến khi mẫu đợc hình thành.

Cơng nghệ này có thể sử dụng các vật liệu khác nhau nh: giấy, gỗ, chất dẻo, kim loại, ... ở dạng tấm.

<i><b>Học viên: Nguyễn Thanh Tú Lớp CH K10 </b></i> <small>Con lăn cấp liệu</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Phơng pháp này đợc thơng mại hố bởi cơng ty Stratasys vào năm 1989. Sơ đồ nguyên lý của FDM đợc trình bày trên hình 1 - 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.

Quá trình tạo mẫu theo cơng nghệ này gồm các bớc sau:

Mơ hình của sản phẩm đợc tạo ra bởi phần mềm CAD sử dụng file JGES hoặc file STL.

File CAD đợc cắt thành từng lớp, sau đó đợc xử lý bởi phần mềm Quickslide và Supportwork<small>TM</small>. Cấu trúc đỡ chi tiết đợc tự động tạo ra nếu cần thiết.

Vật liệu cung cấp sau khi qua đầu phun đợc gia nhiệt sẽ nóng chảy và đùn ra tấm đế theo đờng dẫn bởi Quickslide<small></small> tạo ra lớp đầu tiên. Chiều rộng của vật liệu thốt ra có thể thay đổi trong khoảng 0,254 mm - 2,54 mm. Khi một lớp vật liệu hoàn thành, đầu phun của máy FDM sẽ di chuyển theo phơng Z

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

để tạo ra lớp kế tiếp. Lớp vật liệu vừa đùn ra sẽ liên kết với lớp vật liệu tr ớc đó. Quá trình lặp lại cho đến khi mẫu đợc tạo ra hồn chỉnh.

 Dễ sử dụng.

 Vật liệu khơng độc, có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau.  Máy làm việc trong mơi trờng bình thờng.

 Khó tạo ra mẫu có độ phức tạp cao.

 Cần phải có hai loại vật liệu khác nhau cho chi tiết và cho cấu trúc đỡ.

<b>1.2.5 Phơng pháp SGC.</b>

Phơng pháp SGC đợc phát minh và phát triển bởi công 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 lu hoá làm vật liệu tạo mẫu, sáp hoà tan trong nớc làm vật liệu chế tạo cấu trúc đỡ. Sơ đồ nguyên lý của phơng pháp này đợc trình bày trên hình 1- 5.

Nguyên lý của phơng pháp này nh sau:

<i><b>Hình 1 </b></i>–<i><b> 6: Sơ đồ nguyên lý FDM</b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

Mẫu đợc tạo theo từng lớp. Nhựa lỏng quang hoá sẽ bị lu hoá khi chiếu sáng dới ánh sáng tử ngoại UV. Q trình này tơng tự q trình in chụp khơ (xerography) sử dụng máy photocopy và máy in laser. Mặt nạ đợc tạo ra từ dữ liệu CAD nhập vào và in trên nền trong suốt. ảnh mặt nạ đợc định dạng bởi việc lắng đọng bột đen bám chặt vào nền lới điện tích. Sau khi chiếu sáng bột đen đợc loại khỏi nền để dừng lại và chi tiết đợc tiếp tục cho lớp kế tiếp tơng tự nh in trên nền.

Trong quá trình tạo mẫu, một lớp mỏng nhựa quang hoá đợc trải trên bề mặt làm việc của mặt nạ thuỷ tinh đặt ở vị trí gần sát trên phần làm việc và h-ớng trực chuẩn với đèn UV. Đèn UV mở trong vài giây, phần diện tích nhựa đợc chiếu sáng dới ánh sáng tử ngoại UV rắn lại.

Phần nhựa khơng hố cứng sẽ bị loại khỏi chi tiết bởi thiết bị hút chân khơng. Sau đó sáp nóng chảy sẽ đợc điền đầy vào khoảng trống sau khi đã rút nhựa lỏng d. Cuối cùng nó đợc cán để đạt độ dày chính xác. Lớp kế tiếp đợc l-u hoá trên lớp trớc cho đến khi hoàn thành mẫl-u.

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

 Máy có kết cấu rất phức tạp.

<b>1.2.6 Phơng pháp THERMOJET.</b>

Phơng pháp Thermojet hay cịn gọi là phơng pháp tạo hình nhiều vịi phun (Multi-et Modeling) do công ty 3D system thơng mại hố vào năm 1995. Sản phẩm của cơng ty là Thermojet Printer và từ năm 1998 đợc đổi tên là Actua-2100.

Trên hình 1.6 là đầu phun của máy Actua-2100. Nguyên lý làm việc của máy này là dùng kỹ thuật in phun đợc ứng dụng cho kích thớc 3 chiều. Đầu in gồm có 96 vịi phun độc lập, vật liệu nhiệt dẻo nóng chảy đợc phun riêng rẽ từ 96 lỗ để hình thành lớp bề mặt của mẫu.

Vật liệu đợc sử dụng ở đây là nhựa nhiệt dẻo nh Thermojet 88, Thermojet 2000. Quá trình tạo mẫu theo phơng pháp này gồm các bớc cơ bản sau:

Phần mềm Allegro (Kèm theo máy Actua-2100) làm nhiệm vụ giao tiếp giữa phần mềm CAD với máy Actua-2100 để chuẩn bị dữ liệu thiết kế.

Quá trình tạo hình nh sau: Các đầu phun có vị trí xác định ở phía trên tấm đế để chuẩn bị tạo mơ hình. Đầu phun sẽ tạo lớp vật liệu đầu tiên bằng cách dịch chuyển theo phơng X.

Nếu chiều rộng của chi tiết lớn hơn kích thớc của đầu phun thì tấm đế sẽ dịch chuyển theo phơng Y.

Sau khi một lớp đã hồn tất thì tấm đế sẽ hạ xuống dới theo phơng Z và quá trình tạo mẫu lớp kế tiếp sẽ lặp lại cho đến khi mẫu đợc hồn tất.

<i><b>Hình 1-8: Đầu phun của máy Actua-2100</b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

Sản phẩm là Zprinter 310, 410, 810, Spectrum Z510... Nguyên lí làm việc của máy là ứng dụng kỹ thuật in phun cho kích thớc 3D, nh hình 1-9, pittơng cấp bột thực hiện chuẩn bị nền (Fill bed), sau khi nhận dữ liệu in từ phần mềm, pittông cấp bột nâng lên một lớp để tấm gạt gạt bột từ ngăn cấp sang ngăn in, đồng thời pittông in hạ xuống một lớp và đầu in thực hiện phun mực theo tọa độ 2D. Sau khi hồn thành một lớp, thì pittơng cấp lại nâng lên một lợng bằng chiều dày lớp in, pittông in hạ xuống theo phơng Z và quá trình tạo mẫu lớp kế tiếp đợc lặp lại đến khi hòan thành chi tiết.

<b>Thiết bị in màu 3D Zprinter 810</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

<b>So sánh các phơng pháp tạo mẫu nhanh.</b>

Đặc trng của các phơng pháp tạo mẫu nhanh có thể minh hoạ trên bảng

<small>Phần mềmMaestro/JRProjectaryLOM slice</small> <sup>SuppWork</sup>

<small>Quickslide</small> <sup>DFE</sup> <sup>Allegro</sup>

<small>HeCd</small> <sup>Laser CO</sup><sup>2</sup>

<small>LaserCO2</small>

 Nếu so sánh trung bình về kích thớc thì thiết bị Thermojet là có giá thành rẻ nhất và thiết bị SLS là đắt nhất.

 Độ chính xác đạt đợc ở các cơng nghệ đạt đợc cao nhất là SLA, còn thấp nhất là SGC.

 Qua bảng so sánh trên khi sản xuất cùng một chi tiết trên các loại máy khác nhau ta thấy rằng chi phí cho chi tiết gia cơng bằng cơng nghệ SLA là

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

thấp nhất, cao nhất là phơng pháp SLS trên cùng một số chỉ tiêu và thơng số kỹ thuật đặt ra.

Nhng nhìn chung ta có thể thấy rằng nếu tính đến chi phí đầu t cũng nh các công dụng và u nhợc điểm thì cơng nghệ SLA có nhiều u điểm và đợc dùng phổ biến và 2115 thiết bị chiếm 31% trên thế giới.

<b>1.3. dữ liệu của hệ thống tạo mẫu nhanh</b>

Để biểu diễn các vật thể trên máy tính, việc đầu tiên là phải mơ hình tốn học đợc vật thể đó. Sau đó sử dụng kỹ thuật đồ họa máy tính để hiển thị vật thể trên màn hìn. CAD/CAM dựa vào tốn học và kỹ thuật đồ họa máy tính để biểu diễn các vật thể trong không gian thiết kế gọi là các mơ hình học (Geometric modeling).

Các hệ CAD/CAM có khả năng biểu diễn các đối tợng đồ họa trong không gian 2D; 21/2; và 3D. Lịch sử phát triển mơ hình 3D bắt đầu từ việc tạo mơ hình 2<small>1/2 </small>chiều, sau đó là các dạng mơ hình khung dây (wireframe), mơ hình bề mặt (surface) và cuối cùng là mơ hình khối rắn (solid).

<b>1.3.1. các mơ hình hình học của hệ thống tạo mẫu nhanh1.3.1.1. Mơ hình 2 chiều (2D)</b>

Các hệ thống CAD đầu tiên chỉ có khả năng biểu diễn 2D, đây là một nhợc điểm rất lớn vì nó gây ra nhiều lỗi trong q trình sản xuất do khả năng quan sát hình ảnh kém và lợng thơng tin khơng đầy đủ. Các bản vẽ 2D nói chung sử dụng hơn hai hình chiếu, ví dụ hình chiếu đứng, hình chiếu bằng và chiếu cạnh. Bộ phận sản xuất lấy thông tin để chế tạo sản phẩm dựa và các hình chiếu đó nên họ phải tởng tợng ra sản phẩm thật trong không gian, điều này gây ra những khó

Mơ hình khung dây đợc xây dựng trên cơ sở các cạnh (edges) và các đỉnh (vertices). Các mặt không đợc tạo nên và chỉ các đờng biên, mơ hình này chỉ có kích thớc các cạnh nhng khơng có thể tích (nh mơ hình bề mặt), hoặc khối lợng (nh mơ hình khối rắn). Tồn bộ các đối tợng của mơ hình đều nhìn thấy.

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

Mơ hình bề mặt thông qua kỹ thuật biểu diễn tham số cho phép mơ tả chính xác bề mặt của vật thể. Nó biểu diễn đối tợng tốt hơn mơ hình khung dây vì các cạnh của mơ hình tạo các mặt (faces). Nó cho phép mơ hình hóa các chi tiết phức tạp. Mơ hình mặt có thể tích nhng khơng có khối lợng… tuy nhiên, có một nhợc điểm chung của các hệ thống mô phỏng bề mặt là chúng không cung cấp các thông tin bên trong vật thể, không có khả năng giải quyết vấn đề Topo. Chẳng hạn nh nếu ta có một chuỗi các mảnh bề mặt ghép với nhau tạo thành một mơ hình thể tích bao kín và khi “khoan một lỗ” vào mơ hình ta sẽ xun qua một bề mặt mỏng khơng xác định vào một khoảng trống khơng có những thơng tin cần thiết: Chiều sâu, điểm kết thúc…

Vậy mơ hình bề mặt thờng đợc sử dụng để miêu tả hình dáng vật thể. Một số đặc điểm khác nhau giữa mơ hình bề mặt và mơ hình khối rắn cơ sở đó là khơng có dữ liệu hình học liên kết để liên kết các bề mặt, mơ hình bề mặt cũng khơng có khả năng biểu diễn bên trong của vật thể.

Mơ hình khối rắn là mơ hình biểu diễn vật thể 3 chiều hồn chỉnh nhất. Mơ hình này bao gồm các cạnh, mặt và đặc điểm bên trong mơ hình. Mơ hình này có thể tích và những đặc tính về khối lợng. Mơ hình khối rắn là mơ hình thật của chi tiết, nó chứa đựng cả thơng tin bên trong và bề mặt chi tiết. Có hai xu hớng nghiên cứu mơ hình khối rắn, đó là: Mơ phỏng hình học khối rắn có cấu trức (CSG) và mơ phỏng biểu diễn bên (B-rep).

+ Hình học khối rắn cơ bản (Constructive Solid Geometry-CSG). Phơng pháp này sử dụng các khối rắn cơ bản nh: Lập phơng, trụ, cầu, chóp để xây dựng mơ hình. Mơ hình loại này địi hỏi một khối lợng tính tốn lớn nhng u cầu ít không gian lu trữ dữ liệu.

+ Biểu diễn biên (Boundary reprsesentation B-rep). Mơ hình này sử dụng tất cả các đờng bao để biểu diễn chi tiết, nó cho phép biểu diễn đợc các chi tiết có bề mặt rất phức tạp. Mơ hình B-rep cần một khơng gian lu trữ dữ liệu lớn nhng sự tính tốn lại ít hơn mơ hình CSG.

Xu thế hiện nay trong các phần mềm CAD/CAM là kết hợp cả 2 phơng pháp biểu diễn CSG và B-rep để sử dụng các điểm mạnh của mỗi phơng pháp biểu diễn. Với mỗi cách biểu diễn bằng khung dây hay khối rắn các phần mềm đang phát triển mạnh mẽ theo phơng pháp biểu diễn mơ hình tham số hóa, các đặc điểm tốn học của mơ hình nh tọa độ, độ cong, các vec tơ tiếp

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

tuyến, pháp tuyến… ợc gắn với các tham số đợc hiển thị động khi kích chuột đ và cho phép thay đổi trực tiếp các đặc điểm này ngay trong quá trình thiết kế.

<b>1.3.2. Yêu cầu dữ liệu CAD của hệ thống RP</b>

Khi thực hiện công nghệ tạo mẫu nhanh, chất lợng và độ chính xác dữ liệu đầu vào đặc biệt quan trọng. Các hệ thống RP và M phụ thuộc rất nhiều vào việc nhập cơ sở dữ liệu của chúng. Các hệ thống này nhập dữ liệu mô tả hệ vật thể ba chiều ở dạng xung điện tử và tái tạo lại vật thể ở dạng solid. Do vậy, nếu dữ liệu đầu vào mơ tả vật thể khơng thích hợp, khiếm khuyết sẽ dấn đến kết quả là vật thể tạo ra sẽ bị khuyết tật, không đạt yêu cầu.

Các mơ tả hình học vật thể chế tạo là một trong những dữ liệu đầu vào qan trọng nhất của thiết bị tạo mẫu nhanh đợc cung cấp bởi hệ thống CAD thích hợp. Một hệ thống RP phụ thuộc nhiều vào dữ liệu đầu vào của nó, vì nó biến đổi các mơ tả dữ liệu trực tiếp thành các đối tợng vật rắn. Do vậy dữ liệu đầu vào của hệ thống RP phải thỏa mãn các u cầu sau:

+ Mơ tả hình học vật thể phải rõ ràng.

+ Một bộ dữ liệu mô tả chi tiết biểu diễn cho một vật thể duy nhất.

+ Mỗi mặt của mơ hình đều phải có định hớng pháp tuyến. Pháp tuyến đ-ợc xác định sao cho các điểm của nó hớng ra xa phần đặc của vật thể.

+ Dễ dàng cắt lát (slicing), tạo ra các đờng bao kín (closed contour), phân biệt rõ ràng giữa phần bên trong và phần bên ngoài vật thể, giữa vùng đặc và vùng rỗng.

+ Các đờng bao tạo thành khi cắt lát phải đợc xác định và biểu diễn đợc bằng các phơng trình tốn học.

Dữ liệu cơ bản nhất cần cho công nghệ tạo mẫu nhanh là dữ liệu về biên dạng của mơ hình cần chế tạo. Ngồi ra cịn có các thơng tin khác nh dung sai, chất lợng bề mặt, vật liệu gia công, phơng pháp và thông số gia công. Tuy nhiên thông tin quan trọng nhất là về biên dạng của mơ hình. Có nhiều dạng dữ liệu biểu diễn biên dạng mơ hình khác nhau, nhng chủ yếu là các dạng dữ liệu sau đây:

Mơ hình bề mặt đợc tạo ra bởi các vùng đợc bao kín bằng các loại bề mặt khác nhau đợc liên kết để tạo ra một mặt phức hợp lớn hơn. Mơ hình bề mặt có thể đợc tạo bởi các mặt phẳng hoặc các mặt đơn giản khác và các mặt bất

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

kỳ nh mặt NURBS. Các thông tin về sự liên hệ lẫn nhau thờng khơng có trong mơ hình bề mặt. Nhà thiết kế phải xác định sự nối nhau giữa các vùng bề mặt dọc theo các cạnh chung, nếu khơng mơ hình sẽ tồn tại các khoảng trống các dạng sai sót này hay tồn tại ở các mơ hình thiết kế khn mẫu trong thực tế sản xuất.

Một dạng đặc biệt của loại mô hình bề mặt là dạng biểu diễn bằng lới các đa giác phẳng. Mơ hình bề mặt đợc biểu bằng lới các tam giác là dạng thông dụng nhất trong cơng nghệ RP.

Mơ hình khối rắn mơ tả đối tợng có thể tích và khối lợng. Các dạng cơ sở hiện nay của cách biểu diễn này là phơng pháp biểu diễn theo biên dạng (boundary representation - Brep), dạng khối rắn có cấu trúc (Constructive Solid Geometry - CSG) và dạng liệt kê không gian. Các hệ thống CAD thờng tạo ra các mơ hình khối rắn dạng Brep. Dạng này tơng tự nh các mơ hình bề mặt nhng có 3 điểm khác quan trọng. Thứ nhất là mơ hình Brep kín; thứ hai, mơ hình dạng này có các thơng tin về sự liên hệ lẫn nhau giữa các bề mặt, thông tin này chỉ ra các bề mặt này nối với nhau nh thế nào để tạo thành bề mặt của vật thể; điểm khác thứ ba là các hệ thống mơ hình hóa khối rắn đợc thiết kế để tạo ra mơ hình có sự tích hợp của thơng tin về các yếu tố hình học và sự liên quan của các yếu tố hình học, sự đóng kín của các vùng thuộc vật thể .v.v. Do đó mơ hình khối rắn về nguyên lý sẽ phù hợp với tất cả các phơng pháp hậu xử lý. Giống nh mơ hình bề mặt, mơ hình khối rắn có các bề mặt cong hoặc các đa giác phẳng. Bên cạnh việc biểu diễn biên dạng của một đối tợng, mơ hình khối rắn có thể kết hợp cả các thơng tin về thuộc tính bên trong nh mật độ hoặc các tính chất về vật liệu khác. Hơn nữa các chi tiết trên một bề mặt của một mơ hình có thể đợc nhóm với nhau để tạo ra các đặc điểm nhất định. Thơng tin này có thể có ích khi dùng phần mềm thiết kế quy trình chế tạo để xử lý mơ hình.

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

Phơng pháp biểu diễn bề mặt bằng tam giác có thể đợc tạo ra dễ dàng từ bất cứ dạng mơ hình khối rắn nào bằng cách xấp xỉ các vùng bề mặt của đối t-ợng bằng các tam giác. Quá trình tam giác hóa bề mặt tơng tự cũng thờng đợc dùng trong lới hóa bề mặt trong phân tích phần tử hữu hạn. Trong quá trình này, khoảng cách lớn nhất giữa

biên dạng thực của vật thể và tam

đợc hạn chế trong một khoảng

lệch tuyệt đối lớn nhất của mọi

bề mặt thật.

lới đa giác, khả năng suy biến

tăng mạnh khi số cạnh của đa giác tăng lên. Khi đó, việc điều khiển độ chính xác của mơ hình lới trở lên khó khăn hơn. Một vấn đề nữa là việc đảm bảo tính phẳng của đa giác sẽ khó hơn, trong khi với trờng hợp tam giác vấn đều này khơng tồn tại. Do đó thuật tốn tam giác hóa mơ hình nhanh, hiệu quả và ổn định hơn.

Dạng dữ liệu này có thể đợc sử dụng khi cần phải tạo ra mơ hình giống nh chi tiết đã có. Chi tiết này đợc tái tạo bằng máy CMM hoặc máy quét laze. Tọa độ của các điểm nhất định trên bề mặt chi tiết đợc xác định và đợc tập hợp thành đám mây điểm. Thơng qua q trình tái tạo mơ hình bề mặt của chi tiết đợc tạo ra và chuyển sang máy RP để tạo hình.

Dạng dữ liệu này chủ yếu từ thí nghiệm hoặc tính tốn. Trong những năm trớc đây các hiện tợng tốn học đợc mơ hình hóa ảo bằng đồ họa máy tính, ph-ơng pháp này giúp trực quan hóa rất nhiều các phph-ơng trình và các thơng tin "thơ".

<i><b><small>Hình 1-10. Sự xấp xỉ bề mặt congbằng tam giác</small></b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

Dữ liệu dạng hình ảnh nhận đợc từ máy chụp cắt lớp, máy chụp cộng hởng từ đợc dùng rộng rãi trong y tế, trong địa chất hoặc trong địa lý. Các dữ liệu dạng hình ảnh có thể mơ tả các chi tiết bên ngoài và bên trong đối tợng, do đó có thể mang các thơng tin bên trong nh mật độ tại một vùng nào đó trong vật thể. Dữ liệu dạng này cần đợc xử lý bằng phần mềm chuyên dùng, để chuyển sang mô hình bề mặt hoặc khối rắn. Nếu khoảng cách giữa hai hình ảnh đủ gần, dữ liệu này có thể dùng để tạo ra dữ liệu lớp cho một số hệ thống RP dùng trực tiếp.

Một vật thể có thể biểu diễn bằng một chuỗi các lớp hoặc mặt cắt. Dữ liệu lớp cắt khác dữ liệu hình ảnh ở chỗ nó đợc tạo bởi một hay nhiều đờng biên (đa giác hoặc đờng cong) trong khi dữ liệu hình ảnh tạo bởi tập hợp điểm ảnh. Nếu dữ liệu lớp cắt phù hợp về độ dày, hớng tạo hình… thì các bớc định hớng gia công và cắt lát vật thể không cần phải thực hiện. Nếu không, dữ liệu này cần chuyển thành dạng mơ hình bề mặt hoặc khối rắn để tiến hành định h-ớng và cắt lát trớc khi chế tạo bằng công nghệ RP. Dới đây là một định dạng dữ liệu lớp cắt thông dụng.

Định dạng này mô tả đờng biên và độ dày của lớp cắt và có những đặc điểm sau:

- Định dạng file SCP là định dạng file dạng văn bản ASCII

- Các ghi chú có thể đợc đa vào trong định dạng với ký hiệu "#" ở đầu và cuối dòng.

- Đơn vị là mm hoặc inch

Ví dụ về định dạng SCP, trong đó các chữ in hoa giữ nguyên trong file và các chữ nghiêng đợc thay bằng giá trị tơng ứng.

FILE(tên file) # tên file có thể bao gồm đờng dẫn đầy đủ

Z z dz # z = giá trị tuyệt đối z của lớp, dz = chiều dày lớp x y # Các giá trị này biểu diễn tọa độ của các điểm góc

x y # dọc theo các đờng biên. Điểm đầu tiên của đờng biên không đợc

x y # liệt kê 2 lần. Khơng có giới hạn về số lợng điểm trong một đ-ờng biên

. . . .

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

x y #

C # Một đờng biên đợc ký hiệu kết thúc bằng ký tự "C". x y # Đờng biên thứ 2 trong một lát cắt đợc bắt đầu x y # bằng tọa độ đầu tiên của đờng biên thứ 2

END # All following lines are ignored.

Dới đây là trích đoạn một file biểu diễn thông tin lớp cắt của một khối hộp lập

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

<b>1.4. xác định hớng nghiên cứu của đề tài. </b>

Mặc dù là một cơng nghệ mới hình thành từ cuối thập niên tám mơi của thế kỷ trớc, hiện nay công nghệ tạo mãu nhanh đã đợc phát triển và ứng dụng trên thế giới với trên 30 phơng pháp, trong đó có các phơng pháp điển hình nh SLA, SLS, FDM, LOM, 3D-Printing,… Các phơng pháp này đều đợc thực hiện theo nguyên lý chung là nguyên lý tạo hình theo kiểu xếp lớp và đều chấp nhận định dạng dữ liệu vào tiêu chuẩn là file STL. Tuy nhiên mỗi phơng pháp lại có q trình cơng nghệ riêng, vật liệu riêng, đặc tính kỹ thuật riêng đặc thù.

Do vậy, ngày nay công nghệ tạo mẫu nhanh không chỉ đợc ứng dụng trong thiết kế, trong chế tạo các mơ hình chức năng, tiếp thị mà còn đợc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong sản xuất chế tạo, đặc biệt là trong công nghệ tạo khuôn nhanh. Việc ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh để chế tạo các khuôn mẫu là một hớng nghiên cứu ứng dụng mới có nhiều tiềm năng, cho phép chế tạo các khn mẫu với chi phí thời gian là ít nhất và giảm giá thành chế tạo.

Tuy vậy, cơng nghệ tạo mẫu nhanh có một hạn chế là độ chính xác của sản phẩm cha cao. Nguyên nhân có thể tổng hợp thành 6 nguồn sai số trong cả q trình, từ khi xây dựng mơ hình CAD của mẫu cho đến khi có đợc mẫu chế tạo hồn thiện. Nghiên cứu ngun nhân hình thành các nguồn sai số này là cơ sở để xây dựng mơ hình tốn học xác định sai số của mẫu chế tạo. Từ đó đề ra các giải pháp hạn chế, kiểm soát sai số đảm bảo mẫu chế tạo đạt yêu cầu theo chỉ tiêu kỹ thuật định trớc.

Nhìn chung các nghiên cứu trong và ngồi nớc về cơng nghệ tạo mẫu nhanh tập trung ở một số hớng cơ bản nh nghiên cứu về dữ liệu, vật liệu, q

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

trình cơng nghệ hay ứng dụng. Các nghiên cứu này cha đợc công bố rộng rãi. Các sách tham khảo, tài liệu hay giáo trình cịn rất ít. Chủ yếu là các luận văn tiến sĩ, thạc sĩ, các bài báo hay báo cáo công bố rộng rãi. Các sách tham khảo, tài liệu hay giáo trình cịn rất ít. Chủ yếu là các luận văn tiến sĩ, thạc sĩ, các bài báo hay báo cáo cơng bố trên các tạp chí chun ngành. Nghiên cứu trong nớc còn rất hạn chế.

Qua nghiên cứu tổng hợp các nội dung cơ bản trên, cũng nh xuất phát từ yêu cầu thực tế có thể thấy rằng hiện nay vẫn còn tồn tại một số vấn đề cần nghiên cứu tiếp tục hoàn thiện nh:

- Xây dựng phơng án tạo dữ liệu đầu vào bằng CMM cho các thiết bị RP. - Nghiên cứu chất lợng bề mặt của các mẫu chế tạo bằng công nghệ RP. - Nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết quá trình tạo khn nhanh.

- Nghiên cứu nhằm nâng cao độ chính xác chế tạo bằng công nghệ RP. - Nghiên cứu nâng cao năng suất q trình chế tạo bằng cơng nghệ RP. Các vấn đề trên cần đợc nghiên cứu giải quyết đồng thời cả về phơng diện lý thuyết và thực nghiệm kiểm chứng, đặc biệt là ở Việt Nam, trong bối cảnh việc khai thác sử dụng các thiết bị RP còn khá hạn chế.

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

<b>chơng 2</b>

<b>cơ sở lý thuyết về sai số </b>

<b>trong phơng pháp tạo mẫu nhanh</b>

<b>2.1. Các nguyên nhân gây sai số trong q trình tạomẫu nhanh.</b>

Độ chính xác là một trong những hạn chế của các công nghệ tạo mẫu nhanh. Độ chính xác kích thớc và độ bóng bề mặt của chi tiết chế tạo theo các công nghệ tạo mẫu nhanh cha thể so sánh đợc với độ chính xác gia cơng chi tiết theo phơng pháp cắt gọt. Do đặc điểm của phơng pháp đắp lớp, trên bề mặt các chi tiết đợc tạo ra theo cơng nghệ tạo mẫu nhanh có các vết dạng bậc thang ảnh hởng đến độ bóng bề mặt của sản phẩm.Các chi tiết đợc chế tạo từ vật liệu bột có độ bóng bề mặt thấp. Độ bóng bề mặt có thể đạt đợc bằng cách sử dụng các phơng pháp đánh bóng khác nhau, song điều đó lại địi hỏi chi phí thời gian lớn. Độ bóng bề mặt cuả các chi tiết gia công theo công nghệ tạo mẫu nhanh (2.5 - 15 m) thấp hơn khoảng ba đến 5 lần so với các chi tiết gia công theo phơng pháp cắt gọt (0.5 - 5m) cịn độ chính xác thấp hơn khoảng 5 đến 10 lần ( 0.125 - 0.75mm so với 0.0125 - 0.125mm).

Để nâng cao độ chính xác của q trình tạo mẫu nhanh, ta cần nghiên cứu đến các nguyên nhân sinh ra sai số trong công nghệ tạo mẫu nhanh nh:

<b>2.1.1. Sai số sinh ra trong quá trình thiết kế hoặc lấy mẫu:</b>

Trong quá trình thiết kế mẫu có ứng dụng công nghệ ngợc (Reverse Engineering), việc lấy mẫu từ một chi tiết có sẵn và dựng lại mẫu trên phần mềm CAD cũng là một trong những yếu tố gây nên sai số hình học. Đặc điểm của công nghệ này là sử dụng các dữ liệu điểm đo trên máy đo hoặc dữ liệu quét trên máy quét hoặc các dữ liệu 2 chiều chụp trên máy chụp cắt lớp CT. Do vậy sai số trong công đoạn lấy dữ liệu trên các thiết bị đo nói trên sẽ ảnh hởng đến kích thớc hình học của vật mẫu ngay khi cịn trong q trình thiết kế dới dạng các dữ liệu số của file CAD. Vì vậy khi tạo nên mẫu thật trên thiết bị tạo mẫu nhanh thì sai số hình học là không tránh khỏi . Để khắc phục, ngời thiết kế phải sửa trực tiếp mơ hình CAD để có đợc một mẫu gần giống với mẫu thật.Kết quả sẽ tạo đợc mẫu với sai số trong phạm vi cho phép.

Phơng pháp sửa mẫu trong tệp thiết kế CAD là sửa các đờng đặc tính tạo nên mẫu. Các đờng cong cơ sở của mẫu đợc dựng trên cơ sở các điểm dữ liệu đã

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

đợc lọc. Các đờng đặc tính đợc dựng lại dựa trên cơ sở các đờng cong cơ sở nhng đã đợc làm tròn trên mặt cắt theo nguyên tắc đờng Spline hoặc đờng NURBS, do vậy chính phơng pháp tạo đờng này sẽ làm cho đờng dặc tính khơng thể trùng khớp với các đờng cong cơ sở gây ra sai số hình học

Hơn nữa khi dựng các mặt cong từ các đờng đặc tính, các bề mặt đợc làm trơn một lần nữa, tức là thay đổi các tham số kiểm soát nh tiếp tuyến tiếp xúc tại các đờng đặc tính hoặc một số điểm kiểm sốt (Control Points).Đây cũng là nguyên nhân gây ra sai số hình học bề mặt 3 chiều của mẫu 3D.

<b>2.1.2. Sai số sinh ra khi chuyển sang định dạng STL.</b>

Cho đến nay, hầu hết các hệ thống tạo mẫu nhanh đều sử dụng dữ liệu cho quá trình tạo mẫu là dữ liệu hình học theo định dạng chuẩn STL. Bản chất STL là dữ liệu xấp xỉ mơ hình mặt cong bằng đa diện lới tam giác. Sai số phủ lới của bề mặt phụ thuộc vào số tam giác.

Định dạng STL là kiểu định dạng ghép vô số các mặt phẳng tam giác một cách liên tục, giống nh cấu tạo bề mặt của "tinh thể kim cơng". Trong trờng hợp vật mẫu có bề cong thì kiểu định dạng này sẽ khiến cho bề mặt vật mẫu không thể đạt đợc đến mặt cong hồn hảo vì các tệp STL dùng các thành phần dạng 2 chiều tạo nên độ nhám bề mặt nên không đạt đợc độ nhẵn bề mặt cao nh các phơng pháp gia cơng chính xác khác, hay nói cách khác là điều đó ảnh hởng đến độ chính xác hình học của vật mẫu trong tạo mẫu nhanh. Khoảng cách giữa mặt cong của mơ hình và mặt tam giác chắn mặt cong đó (ký hiệu là f) là một thông số cho phép xác định sai số khi chuyển đổi (Hình 2-1). Khi thông số f càng nhỏ, số lợng tam giác càng lớn, sai số giữa tệp định dạng STL với bề mặt mẫu càng nhỏ. Vì vậy có thể khắc phục dạng sai số này bằng cách tăng số lợng các mặt phẳng tam giác lên, tức là giảm giá trị f để đạt đợc một mặt cong gần đến mặt cong hoàn hảo, nhng điều này sẽ tạo nên một tệp lớn hơn.Với một tệp quá lớn sẽ làm tăng thời gian và phức tạp hố q trình tạo mẫu. Do vậy ngời thiết kế cần phải cân đối giữa độ chính xác mẫu và khả năng quản lý tệp để tạo ra một tệp STL phù hợp.

<i><b>Học viên: Nguyễn Thanh Tú Lớp CH K10 </b></i>36 <small>Bề mặt mơ hình STL</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

Độ phân giải của file.STL có thể đợc điều khiển trong suốt q trình tạo ra nó trong hệ thống CAD-3D thơng qua các thơng số phủ lới. Ví dụ trong phần mềm Proengineer q trình tạo ra STL có thể đợc điều khiển bởi thông số chiều cao cung và góc điều khiển .

 Chiều cao cung (Hình 2-2): Đây là thông số đợc xác định bằng khoảng cách lớn nhất giữa cung và bề mặt. Sự lệch hớng của bề mặt thực càng nhỏ thì chiều cao cung càng nhỏ. Giới hạn dới của chiều dài cung phụ thuộc vào độ chính xác của mơ hình CAD, giới hạn trên thì phụ thuộc vào kích thớc của mơ hình.

 Góc điều khiển (Hình 2-3). Thơng số kỹ thuật này là cần thiết, nó xác định mức độ cong của bề mặt với bán kính nhỏ. Đặc biệt nó đợc định nghĩa là những đơn vị đờng cong bán kính r<small>o</small> mà nó ở dới đờng cong cần phủ lới:

<small>r</small> - chiều cao cung (2.2)

Trong đó, kích thớc chi tiết đợc định nghĩa là đờng chéo của hình hộp t-ởng tợng bao quanh mẫu và  là giá trị góc điều khiển. Giá trị  = 0 có nghĩa là khơng có sự cải thiện cho những đờng cong với bán kính nhỏ.

Để đạt đợc độ chính xác tạo mẫu cao hơn, cần xem xét các sai số trong quá trình chia lới tam giác. Thí dụ, đối với mẫu có kích thớc lớn, khi đó các bán kính nhỏ sẽ phủ lới kém. Giả sử mơ hình với kích thớc bao là 250  250  250 mm có một góc bán kính 1 mm, kết quả chia lới tam giác với giá trị chiều cao cung bằng 0,5 và 0,05mm (Hình 2-4). Tuy nhiên, việc tăng thông số chiều cao cung không chỉ làm cho bề mặt mịn hơn mà còn làm cho file dữ liệu

Bề mặt chi tiết

Bề mặt sấp xỉ

Chiều cao dây cung

<i><b>Hình 2-2. Chiều cao cung</b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

lớn hơn. Do đó cần chọn giá trị này một cách hợp lý cho chiều cao cung để đạt đợc sự tối u giữa độ chính xác chia lới và dung lợng dữ liệu.

<b>2.1.3. Sai số do đặc tính khơng đẳng hớng</b>

Độ không đẳng hớng xuất hiện do sự biến đổi theo toạ độ từ điểm này đến điểm khác trong công nghệ tạo mẫu nhanh. Đặc tính này tạo nên sai số khác nhau theo các trục X, Y, Z. Để khắc phục hiện tợng này trong mỗi công nghệ tạo mẫu nhanh ngời ta xác định mức độ không đẳng hớng và đa ra các hệ số bù để mẫu sau khi chế tạo có kích thớc nh u cầu.

Tạo nên sự đẳng hớng rất quan trọng vì một số lý do sau đây: thứ nhất: Các đặc tính của tạo mẫu nhanh thay đổi theo toạ độ điểm này đến điểm khác, thí dụ thờng độ chính xác theo trục Z không đạt đợc nh trên trục X và Y.Hơn nữa việc xác định độ đẳng hớng theo nhiều trục dẫn đến việc tăng thời gian tạo mẫu. Do vậy, đặt mẫu với kích thớc nhỏ nhất theo phơng Zsẽ giảm đợc thời gian tạo mẫu. Phần mềm cắt các tệp STL cắt mẫu thành các lớp có chiều dầy từ 0,01 mm đến 0,7 mm,tuỳ thuộc vào cơng nghệ áp dụng.Phần mềm cũng có thể tạo ra các cấu trúc phụ trợ để đỡ mẫu khi chế tạo.

<b>2.1.4. Sai số sinh ra do nguyên lý cắt lát.</b>

Cắt lát (Slicing) bằng máy tính là một q trình thiết yếu của kỹ thuật tạo mẫu nhanh. Đầu vào của q trình cắt lát thờng là một mơ hình khối cắt có định dạng STL. Đầu ra của quá trình là một mơ hình các dải xếp chồng lên nhau, xấp xỉ với mơ hình gốc (Hình 2-5):

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

<i><b>Hình 2-5: Đầu vào (Input) & Đầu ra (Output) của quá trình cắt lát.</b></i>

Đây là sai số do bản chất cơng nghệ gây nên. Nguyên lý chung của tất cả các q trình cơng nghệ tạo mẫu nhanh là tạo nên các lớp mỏng dạng 2D chồng lên nhau liên tục để tạo thành mẫu đợc gọi là nguyên lý tạo lớp. Chính nguyên lý tạo lớp gây nên "hiện tợng bậc thang" là nguyên nhân gây nên sai số hình học cho mọi cơng nghệ tạo mẫu nhanh. Hình 2-6 là một minh họa cụ thể về hiệu ứng tạo bậc theo nguyên lý tạo lớp của công nghệ tạo mẫu nhanh. Các lớp tạo nên vật mẫu là các lớp vật liệu dạng 2D do vậy tạo nên hiện tợng "bậc thang" trên bề mặt của vật mẫu. Vì vậy bề mặt vật mẫu khơng đạt đợc độ nhẵn, đồng thời gây nên sai số về kích thớc hình học. Chỉ có thể khắc phục hiện tợng này bằng cách tạo nên các lớp có chiều dày nhỏ nhất có thể. Nhng điều đó phụ thuộc vào yếu tố rất nhiều nh phần mềm cắt lớp , đặc tính vật liệu, đặc tính thiết bị,… Hơn nữa, nếu giảm chiều dày lớp sẽ làm tăng số lợng lớp, tức là tăng thời gian chế tạo trên thiết bị RP.

Thơng thờng, mơ hình vật thể đợc cắt thành các lát cắt cách đều nhau một khoảng gọi là bớc cắt lát. Hình 2-7 mơ tả sơ đồ cắt lát một khối cầu. Các mặt phẳng cắt giao với khối cầu tạo ra các đờng giao tuyến. Thông thờng các giao tuyến đợc kéo lên (extrude) các vùng mặt cắt có giao tuyến. Thơng thờng các giao tuyến đợc kéo lên phía trên tạo ra các dải. Vì lát cắt sát đáy đợc kéo lên nên phần đáy không đợc chê tạo. Hiện nay, có 3 cách xấp xỉ mơ hình gốc R thành mơ hình các dải xếp chồng R':

<i><b> Hình 2-6: Hiện t ợng bậc thang</b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

Cách 1: R và R' giao nhau. Trong trờng hợp này vật liệu thừa cần đợc lấy đi và bổ sung vật liệu vào phần thiếu của mẫu tạo ra, ở đây rất khó xác định phần nào cần lấy đi và phần nào cần bổ sung để tạo ra chính xác mơ hình gốc (hình 2-8a)

Cách 2: R' bao R (R



R'). Trong trờng hợp này vật liệu thừa cần đợc lấy đi từ vật mẫu tạo ra để có đợc hình dạng và kích thớc chính xác đúng nh mơ hình gốc khởi thuỷ (hình 2-8c)

Với các phơng pháp cắt lát này, máy tính sẽ thực hiện q trình cắt lát tạo ra các dữ liệu lát cắt 2D. Các dữ liệu này sẽ đ ợc cung cấp cho bộ tạo đờng dẫn (tool path) tạo ra các file NC điều khiển quá trình RP. Quá trình này sẽ thực hiện gia cơng tạo hình theo kiểu xếp lớp. Các lớp với chiều dày nh nhau và bằng bớc cắt lát đợc tạo ra kế tiếp nhau, xếp chồng lên nhau và gắn kết với nhau với nguyên lý tạo hình nh vậy bề mặt tạo ra sẽ có hiện tợng bậc thang ở những vùng có độ cong và những vùng bề mặt nghiêng. Sai số bậc thang này phụ thuộc vào chiều dày lớp. Chiều dày lớp hay bớc cắt lát càng lớn thì sai số này càng lớn. Để giảm sai số do hiệu ứng bậc thang cần thực hiện cắt lát với bớc cắt lát càng nhỏ càng tốt. Tuy nhiên khi đó chi phí về về thời gian cắt lát, dung l ợng bộ nhớ, thời gian chế tạo sẽ tăng đáng kể. Để khắc phục hạn chế này một số nhà nghiên cứu đã đa ra một số phơng pháp cắt lát thích nghi nh sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

- Phơng pháp cắt lát thích nghi cục bộ. Tr ớc tiên định nghĩa các vùng riêng với những đặc trng hình học riêng. Sau đó cắt lát từng phần độc lập với bớc cắt lát khác nhau phù hợp với yêu cầu của từng vùng.

Phơng pháp cắt lát thích nghi trực tiếp trên mơ hình CAD. Các đ -ờng cong kín phẳng nhận đợc khi cho một mặt phẳng ngang giao với mơ hình CAD trong q trình cắt lát. Các đờng biên này có thể tạo ra bằng một mơ hình CAD 3D, bằng kỹ thuật tái tạo ngợc, bằng máy đo toạ độ hay bằng computer tomography (chụp cắt lát CT). Cắt lớp trực tiếp có u điểm trong xử lý các mơ hình có trục đối xứng có dạng cầu. Ph ơng pháp này giảm kích thớc file, độ chính xác của mơ hình lớn hơn nhiều, giảm thời gian dành cho hậu xử lý và loại bỏ việc phải xử dụng thêm phần mềm sửa chữa. Tuy nhiên phơng pháp này có nhợc điểm sau: khó áp dụng ch-ơng trình bổ sung các cấu trúc đỡ, khó định hớng vật thể vì mơ hình CAD đợc xây dựng ở dạng các bề mặt

<i><b> Hình 2-9: Cắt lát với vùng ngồi có bớc cắt lát nhỏ và vùng trong có bớccắt lát lớn.</b></i>

biên trên các slab đỉnh và đáy đợc đồng dạng hố hớng vào trong (Hình 2-9) trên bề mặt ngang để tạo ra một tập hợp các đờng biên mới tách các vùng bên trong và bên ngoài của slab. Hai tập hợp các vùng đợc tạo hình theo chu trình sau: Đầu tiên các vùng bên ngồi đợc tạo hình với các lớp mỏng và sau đó các vùng bên trong đợc điền đầy bằng các lớp dày hơn để hồn thành q trình chế tạo chi tiết.

Các phơng pháp cắt lát thích nghi mới chỉ đợc nghiên cứu gần đây, các kết quả đa ra mới chỉ là bớc đầu. Hầu hết các thiết bị tạo mẫu nhanh thơng mại

<small>Lớp ngồi mỏng để đảm bảo độ chính xác bề mặt</small>

<small>Lớp trong dày để đảm bảo tốc độ chế tạo</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

hiện nay vẫn sử dụng nguyên lý cắt lát truyền thống. Do vậy ngoài việc nghiên cứu sâu hơn, phát triển thuật tốn cắt lát thích nghi, áp dụng nguyên lý cắt lát thích nghi cho các thiết bị RP cụ thể, thì vấn đề đặt ra với ngời sử dụng thiết bị RP là chấp nhận nguyên lý cắt lát truyền thống và tìm ra các giải pháp cơng nghệ thích hợp để kiểm sốt đợc sai số do hiệu ứng bậc thang gây ra.

Các phơng pháp tạo mẫu nhanh đều gặp vấn đề biên dạng bậc thang do quá trình tạo hình theo lớp. Kết quả là biên dạng mơ hình CAD theo phơng Z đợc xấp xỉ bằng đờng bậc thang. Sơ đồ sai số trong quá trình chia lớp nh hình 2-10.

Trong đó:  - chiều cao điểm lùi r - bán kính,

a- chiều dày lớp  - góc đối của cung Sai số do thay cung tròn bằng đờng bậc thang đợc tính nh sau:

Qua phân tích trên chúng ta thấy sai số lớn nhất do thay thế cung tròn bằng đờng bậc thang có giá trị bằng chiều cao cực đại <small>max</small> và bằng bề dày lớp tại vị trí đỉnh cung trịn, nơi tiếp tuyến có phơng nằm ngang. Đối với các loại đờng cong khác, chiều cao lớn nhất tại những điểm tiếp tuyến có phơng gần nh nằm ngang.

<i><b>Hình 2-10. Sai số do xấp xỉ cung tròn bằng đ ờng bậc thang</b></i>



</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

Đờng bậc thang có ảnh hởng lớn tới biên dạng có độ nghiêng nhỏ và ảnh hởng chính đến sự nhấp nhơ bề mặt. Có thể giảm bớt sự nhấp nhơ này bằng cách giảm bề dày lớp. Tuy nhiên, không thể giảm bề dày tới giá trị quá nhỏ mà phải chọn giá trị thích hợp để đáp ứng năng suất tạo mẫu yêu cầu. Có thể khắc phục vấn đề này bằng cách sử dụng những lớp thích nghi, có bề dày khác nhau theo độ nghiêng của biên dạng mẫu nh hình 2-11.

Việc chia lớp làm xuất hiện hai loại sai số khác nhau.

 Sai số do vị trí chia lớp theo chiều cao khơng phù hợp với biên dạng cong của chi tiết;

 Sai số do sự thay thế hình nhiều cạnh bằng đờng bậc thang.

Các đờng gấp khúc đợc tạo ra tại vị trí lớp, không đi qua các điểm đáy cũng nh đỉnh đờng trịn, vì vậy có thể tính sai số khơng phù hợp nh sau:

<i><b>a) Không chia lớp, b) Chia dày, c) Chia mỏng, d) Chia thích nghi</b></i>

</div>