công nghệ thiết kế ngược tạo mẫu nhanh

Công nghệ số trong thiết kế, chế tạo cơ khí
Công nghệ số (CNS) đợc đánh giá l thnh tựu khoa học công nghệ nổi bật nhất
của thế kỷ XX. Việc ứng dụng CNS trong thiết kế, chế tạo cơ khí nhằm đáp ứng nhu
cầu cấp bách của quá trình tự động hoá sản xuất, của sự chuyển dịch từ một nền sản
xuất theo định hớng của nh sản xuất sang một nền sản xuất theo định hớng ngời
dùng; đồng thời nhờ áp dụng tổng hợp các thnh tựu tiên tiến của kỹ thuật cơ khí, điện
tử, điều khiển tự động v máy tính. Nói cách khác, việc ứng dụng CNS trong cơ khí
gắn liền với sự xuất hiện của ngnh cơ điện tử (Mechatronics).
1. Công Nghệ Số v kỹ thuật ngợc
1.2. Khái quát về công nghệ số
Trong thiết kế, chế tạo cơ khí, thuật ngữ công nghệ số (CNS) ám chỉ việc tạo ra
v sử dụng các đối tợng ảo, môi trờng ảo, thiết bị ảo, quá trình ảo, thay thế một
phần các đối tợng, môi trờng, thiết bị, thiết bị thật vẫn dùng trong công nghệ truyền
thống. Nói cách khác, mọi việc gia công, lắp ráp, vận hnh thử, đợc thực hiện trên
mô hình số (ảo), chỉ đến khi đảm bảo chắc chắn có kết quả mong muốn mới chế tạo
sản phẩm thật. Hình 1 mô tả một cách đơn giản về CNS.
Mẫu (thực) đợc số hoá thnh mô
hình số (ảo), có thể đợc thiết kế lại
(redesign) chỉnh sửa phóng to, thu nhỏ,
thêm bớt chi tiết, rồi chế tạo ra sản
vật thực, bản sao của mẫu. Mẫu có thể
l vật phẩm đã có m ngời ta muốn
sao chép lại, có thể đợc tạo mới bằng
vật liệu dễ tạo hình (sáp, gỗ). Bản sao
có thể đợc dùng lm mẫu (prototype)
để kiểm tra, đánh giá, giới thệu, quảng
cáo; có thể l sản phẩm dùng ngay
đợc (end product), có thể l dụng cụ
(tool), thờng dới dạng âm bản để chế
tạo ra sản phẩm (khuôn, chy, cối, ).
Hình 1: Hình dung về CNS

Nh mô tả ở trên, quá trình thiết kế, chế tạo theo CNS về căn bản có 3 giai đoạn
chính: số hoá (digitising), thiết kế lại (redisign) v chế tạo (manufacturing).
Quá trình thực phức tạp hơn nhiều, nh đợc mô tả trong Hình 2.
Giai đoạn số hoá (quét mẫu) - số 1: mẫu đợc quét (scan) bằng các thiết bị quét 3
chiều (3D scanner) khác nhau: máy đo toạ độ (CMM) hoặc 3D-camera các loại. Sản
phẩm của các thiết bị quét hiện đại l dữ liệu số, dạng đám mây điểm (point cloud) cuả
mẫu, trong máy tính.
Giai đoạn thiết kế lại- số 2, gồm các công đoạn: xử lý dữ liệu quét, tạo v xử lý
mô hình CAD. Xử lý dữ liệu quét, gồm có hiệu chỉnh (lọc nhiễu, ghép mảng, sắp xếp)
GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS
Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012)
đám mây điểm v xuất ra mô hình bề mặt dới dạng lới đa giác (polygon mesh).
Trong công đoạn tạo v xử lý mô hình CAD, mô hình lới đa giác đợc chuyển thnh
mô hình bề mặt với format chuẩn (Non-Uniform Rational Basis Spline - NURBS), từ đó
các phần mềm CAD có thể chuyển sang các dạng mô hình hình học khác nhau của
CAD: bề mặt (surface) hay vật thể rắn (solid), sẵn sng cho giai đoạn chế tạo.

Hình 2: Quá trình thiết kế, chế tạo theo CNS
Trong giai đoạn chế tạo, 3 v 4: nhờ các hệ CAD/CAM, dữ liêu hình học trong
mô hình CAD đợc chuyển thnh các dạng dữ liệu, chơng trình khác nhau, phù hợp
với các thiết bị gia công, nh thiết bị tạo mẫu nhanh (rapid prototyping - RP), máy
công cụ điều khiển số (CNC machine tools) để tạo ra sản vật thực (prototype, end
product, tool) hoặc cũng có thể đợc dùng để kiểm tra, đánh giá về độ bền, ứng xử
động lực học nhờ các modul FEA, Dynamic Analyser của các phần mềm CAD/CAE.

Hình 3: Quy trình thuận v quy trình ngợc trong thiết kế, chế tạo cơ khí
GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS
Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012)
Quy trình thiết kế, chế tạo bắt đầu từ mẫu thực, theo trình tự nói trên đợc gọi l
quy trình ngợc, gắn với các phơng pháp v thiết bị đặc thù, gọi l kỹ thuật ngợc

(Reverse Engineering - RE). Nó khác với quy trình kỹ thuật truyền thống, bắt đầu từ ý
tởng của nh thiết kế, đôi khi đợc gọi l kỹ thuật thuận (Forward Engineering - FE).
Trong FE không có các giai đoạn 1 v 2 trong Hình 2, còn các giai đoạn 3, 4 giống nh
trong RE. Mô hình CAD l khởi đầu của quy trình ngợc, đợc tạo từ ý tởng của
ngời thiết kế. Hình 3 thể hiện sự khác nhau giữa quy trình ngợc (3/4/4'-5-2-3/4) v
quy trình thuận (1-2-3/4).
1.2. Kỹ thuật ngợc
Sau khi tìm hiểu tổng quan về CNS v kỹ thuật ngợc, ta thấy thuật ngữ kỹ thuật
ngợc bao hm ton bộ một quá trình thiết kế, chế tạo một sản phẩm chứ không riêng
thiết kế. Hiện nay ở Việt Nam, một số thuật ngữ đợc sử dụng, nh thiết kế ngợc,
công nghệ tái tạo để nói về RE. Sử dụng thuật ngữ no cha phải quan trọng vo lúc
ny, miễn l chúng ta hiểu đúng về nó.
RE l thuật ngữ chung, chỉ quá trình nhân bản (duplication, copy) một đối t
ợng:
bảng mạch điện tử, phần mềm, bộ phận cơ khí m không dựa vo thiết kế ban đầu của
chúng.
Trong cơ khí, RE đợc hiểu l sự nhân bản một chi tiết, cụm lắp ráp hay một sản
phẩm m không dùng bản vẽ, ti liệu hoặc mô hình máy tính.
Thực ra, việc bắt chớc, nhân bản không phải mới, nhng nó chỉ trở thnh một
công nghệ khi có tính phổ biến v có một nền tảng vững chắc về khoa học, công nghệ.
RE đợc sử dụng khi:
- Thiết bị đã bị ngừng sản xuất (do nh sản xuất dừng hoặc nh sản xuất đã bị giải
thể), không còn nguồn cung cấp thiết bị v phụ tùng;
- Cần chế tạo, sửa chữa, cải tiến, thiết bị m mất hoặc không có ti liệu thiết kế;
- Cần thay đổi vật liệu hoặc công nghệ sản xuất để cập nhật tình hình thị trờng;
- Cần phân tích, đánh giá u nhợc điểm sản phẩm của đối thủ cạnh tranh;
- Cần phân tích, đánh giá sai số hình học của sản phẩm chế tạo (RE l công cụ
kiểm tra chất lợng sản phẩm).
Còn một lý do, tuy không đợc nói ra trong các ti liệu chính thức nhng lại rất
quan trọng, l chế tạo theo mẫu các thiết bị, vũ khí đang đợc a chuộng. Điều ny

đợc thấy rất phổ biến trong sao chép các loại vũ khí trong thời kỳ chiến tranh lạnh v
trong cuộc chiến thơng mại hiện nay. Dù sao thì RE đã thể hiện tính u việt của mình,
cũng đã trở thnh một công nghệ, đợc ton thế giới công nhận v
đợc ứng dụng
trong mọi lĩnh vực kỹ thuật: cơ khí, điện tử, phần mềm, kiến trúc, nghệ thuật, y học,
Hình 4 cho phép hình dung ton bộ v chi tiết quy trình ứng dụng kỹ thuật ngợc
trong thiết kế, chế tạo cơ khí, trong đó thể hiện vai trò của 5 nhóm thiết bị: quét (Point
Capture), xử lý dữ liệu điểm (Point Manipulation), CAD/CAM, tạo mẫu nhanh (Rapid
Prototyping - RP) v máy CNC (NC Machining).
GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS
Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012)

Hình 4: Quy trình kỹ thuật ngợc tổng quát trong thiết kế, chế tạo cơ khí
Hình 5 l quy trình thiết kế mẫu ô tô mới có ứng dụng RE ở Nhật. Đầu tiên ngời
ta tạo ra mô hình thu nhỏ bằng đất sét, sau đó quét, xử lý, chuyển sang CAD, phóng to
bằng kích thớc thật rồi chuyển tiếp cho các công đoạn thiết kế, chế tạo chi tiết, tạo
mẫu nhanh,

Hình 5: Quy trình kỹ thuật ngợc tại các hãng ô tô Nhật Bản
GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS
Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012)
Sau đây l một số ví dụ minh hoạ về ứng dụng RE.
Hình 6 - quy trình kỹ thuật ngợc đợc ứng dụng khi phát triển mẫu mũ xe máy
mới, bắt đầu bằng mẫu đất nặn - số hoá - lm khuôn nhựa trên máy CNC - đùn nhựa ra
sản phẩm.

Hình 6: Quy trình kỹ thuật ngợc khi chế tạo mũ xe máy mới
Hình 7 - quy trình kỹ thuật ngợc đợc ứng dụng trong hng không vũ trụ.

Hình 7: Quét hình mẫu tu con thoi X-38 của Nasa

GS. TS. §μo V¨n HiÖp, Khoa HKVT, Häc viÖn KTQS
ViÕt theo yªu cÇu cña Bé KHCN (10/2012)

H×nh 8: MÉu giμy ®−îc t¸i t¹o


H×nh 9: RE trong chÕ t¹o khíp gèi thay thÕ


GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS
Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012)

Hình 10: RE trong công nghiệp ô tô
(a) - Số hoá vỏ xe bằng camera gắn trên
tay robot
(b) - Dữ liệu đám mây điểm thu đợc
(c) - Mô hình bề mặt trong CAD

2. Các công nghệ cơ bản
Phần trên đã mô tả khái quát về CNS, quy trình thuận v quy trình ngợc trong
thiết kế, chế tạo sản phẩm cơ khí. Ta thấy mỗi quy trình đều đòi hỏi các công nghệ đặc
thù cùng với một hệ thống đồng bộ các thiết bị. Sau đây sẽ giới thiệu vắn tắt bản chất,
thiết bị v ứng dụng của các công nghệ đó.
2.1. Quét mẫu
Nhiệm vụ của công đoạn quét mẫu l thu thập dữ liệu hình học 3D của bề mặt đối
tợng quét. Dữ liệu nhận đợc có dạng số, mô tả toạ độ 3D của các điểm rời rạc trên bề
mặt, đợc tập hợp dới dạng lới điểm hoặc đám mây điểm. Chính vì vậy, quét mẫu
thờng đợc gọi l số hoá bề mặt (digitising), còn thiết bị quét đợc gọi l digitiser hay
3D scanner.
Có 2 phơng pháp quét mẫu: tiếp xúc v không tiếp xúc.

Hình 11: Máy đo toạ độ kiểu cánh tay robot (a,b) v kiểu cổng (c)
GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS
Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012)
Phơng pháp quét tiếp xúc dùng đầu dò cơ khí, gắn lên máy đo toạ độ
(Coordinate Measuring Machine - CMM), cho di chuyển trên bề mặt vật theo quỹ đạo
nhất định, dò đến đâu thì ghi lại toạ độ đến đấy. Hiện có 2 kiểu CMM: kiểu cánh tay
robot (hình 11, a, b) v kiểu cổng (c). CMM kiểu cánh tay robot linh hoạt, vùng hoạt
động lớn, nhẹ nhng. Máy kiểu cổng l thuỷ tổ của các dòng CMM, vốn l thiết bị đo,
sau đợc trang bị phần mềm để số hoá. Loại ny rất chính xác, nhng kém linh hoạt v
đắt tiền hơn CMM kiểu cánh tay.
CMM nguyên thuỷ dùng đầu dò tiếp xúc (cơ khí), nhng sau ny đợc trang bị
đầu dò laser hoặc camera, nên không còn l thiết bị dò tiếp xúc nữa. Ngay cả đầu dò
tiếp xúc cũng đợc cải tiến, có chuyển động linh hoạt v có động cơ dẫn động, cho
phép dò các bề mặt phức tạp một cách tự động. Trên hình 12, CMM dạng cổng đợc
dùng để số hoá bề mặt chi tiết thân động cơ đốt trong v CMM dạng tay máy đợc
dùng để số hoá vỏ ô tô.
Hình 12: Số hoá các bề mặt phức tạp bằng CMM
Trừ khi đợc lắp camera, CMM chỉ có 1 đầu dò nên nó số hoá bằng cách chuyển
động theo quỹ đạo định trớc (theo chơng trình) nh Hình 13. Vì vậy dữ liệu số hoá
của CMM có dạng lới điểm.


Hình 13: Các dạng quỹ đạo dò của CMM
GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS
Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012)
Phơng pháp quét không tiếp xúc xuất hiện sau phơng pháp tiếp xúc, nhng
phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Nguyên lý của các phơng pháp
quét không tiếp xúc rất phong phú: phản xạ v xuyên qua; dùng quang học v không
dùng quang học; chủ động v thụ động, (Hình 14).

Hình 14: Các dạng quỹ đạo dò của CMM
Ngy nay các phơng pháp quang học đợc dùng phổ biến nhất, v nguồn ánh
sáng đợc dùng l laser. Thay vì dùng tia laser trớc kia (nh đầu dò của CMM), ngy
nay ngời ta dùng nguồn laser dạng mặt phẳng, dạng khối, nhờ đó khi số hoá không
còn khái niệm "quét" nữa m l "chụp". Dễ hiểu l kỹ thuật chụp cho năng suất cao
gấp nhiều lần so với kỹ thuật quét. Hình 15 minh hoạ quá trình quét với nguồn sáng
dạng mặt phẳng. Do mỗi lần chụp chỉ nhận đợc một đờng cong, l giao tuyến của
mặt sáng v mặt vật nên muốn thu đợc hình ảnh ton bộ bề mặt thì phải quét mặt sáng
theo phơng thẳng đứng hoặc theo phơng ngang (cho vật quay).

Hình 15: Nguyên lý quét dùng nguồn sáng dạng mặt phẳng: quét theo phơng đứng v
chi tiết quay tròn
GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS
Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012)
Hình 16 cho thấy camera có thể đợc gắn lên tay máy, điều khiển bằng tay hoặc
có thể cầm tay. Camera cầm tay rất linh hoạt, có thể chụp đợc vật rất lớn, nh cánh,vỏ
máy bay bằng cách phân mảnh khi chụp v ghép ảnh khi xử lý, hoặc có thể chụp trong
không gian hẹp, nh trong cabine ô tô.

Hình 16: Camera gắn trên tay máy v camera cầm tay
2.2. Xử lý dữ liệu quét
Dữ liệu nhận đợc sau khi quét thờng có dạng đám mây điểm, không tơng
thích với các phần mềm CAD. Mặt khác, đay l dữ liệu thô, còn bị phân mảnh, chứa
nhiều khuyết tật do loá sáng, bóng tối, che khuất,

Hình 17: Ghép mảnh dữ liệu quét
Các nhiệm vụ cơ bản của giai đoạn xử lý dữ liệu quét l:
- Sửa các khuyết tật: cắt bỏ phần thừa, vá các phần thiếu do nhiễu v lỗi khi chụp;
GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS

Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012)
- Tối u hoá dữ liệu, thờng l điều chỉnh mật độ điểm ở các vùng cho hợp lý,
giảm kích thớc file dữ liệu trong khi vẫn giữ đợc thông tin;
- Ghép các mảnh thnh bề mặt trọn vẹn của vật;
- Chuyển dữ liệu dạng đám mây điểm sang dạng lới đa giác.
Quá trình xử lý hon ton đợc thực hiện trên máy tính, nhờ các phần mềm
chuyên dùng. Không có một phần mềm độc lập no đủ cho mọi nhiệm vụ xử lý. Vì vậy
cần chọn v phối hợp các phần mềm với nhau dựa trên chức năng của chúng.
Bảng sau tóm tắt các chức năng của một số phần mềm RE.
TT Tên phần mềm Chức năng Mô tả chi tiết
1 Mitutoyo Cosmos,
Hymarc, Metris Scan,
Cyberware CyDir, GSI
Crystal Studio.
Điều khiển
máy quét
Điều khiển các hoạt động của máy
quét; xử lý cơ bản dữ liệu quét
2 ICEM surf, Imageware,
các phần mềm CAD
thông dụng: UG, Pro/E,
Solidworks.
Xử lý các đối
tợng CAD
Tạo các đối tợng cơ bản của CAD
(points, contour lines, circles,
rectangles, cylinders, boxes).
3 Magics RP, DeskArtes,
Catia, Shape Sculptor,
Viscam RP

Xử lý lới đa
giác
Hiệu chỉnh, sửa chữa, tối u hoá
lới đa giác
4
GSI Studio, Co
py
CAD,
Rapidform, Geomagics,
Polyworks (Modeler),
Paraform.
Thiết lập lới
đa giác v bề
mặt NURBS
Các chức năng xử lý dữ liệu hon
chỉnh, từ đám mây điểm, lới đa
giác, bề mặt NURBS đến 3D
Inspection
5
Mimics, Ra
p
idform,
BioBuild, Velocity2,
Amira, Scan IP, Analyze
v 3-D Doctors.
Xử lý ảnh 2D
v mô hình hoá
3D
Xử lý các ảnh quét 2D, nh cắt lớp
CT hay cộng hởng từ (MRI), tạo

mô hình 3D
6
COMETins
p
ect, Metris
Focus Inspection, Power
INSPECT, PolyWorks
Inspector, Geomagic
Qualify
3D Inspection Kiểm tra độ chính xác của mô hình
quét, đa ra bản đồ sai số (error
map), phân tích, lập ti liệu báo cáo
về sai số
7
Pro En
g
ineers, UG,
Solidworks, Catia v
Rhino
Mô hình hoá
bề mặt v solid
Mô hình hoá bề mặt dạng NURBS
v solid trên cơ sở các đối tợng
cơbanr của CAD

GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS
Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012)
Hình 17 minh hoạ quá trình xử lý dữ liệu đám mây điểm. Chi tiết của phanh đĩa
(disk break) đợc quét từ 2 phía, tại vị trí A v B của camera, nhận đợc 2 mảnh. Vì
vậy cần phải ghép chúng lại với nhau để thnh một khối duy nhất.

Hình 18 v Hình 19 minh hoạ các giai đoạn chuyển dữ liệu từ dạng đám mây
điểm sang lới đa giác v biểu diễn bề mặt bằng các dạng dữ liệu bề mặt khác nhau.

Hình 18: Chuyển dữ liệu đám mây điểm sang lới đa giác

Hình 19: Các dạng bề mặt khác nhau trong CAD
2.3. CAD/CAM/CAE
Nếu các thiết bị số hoá (CMM, camera) có nhiệm vụ chuyển đối tợng từ thế giới
thực sang thế giới ảo thì CAD/CAM có nhiệm vụ ngợc lại. Vì vậy, CAD/CAM, vốn l
công cụ thiết yếu của công nghệ thuận (FE) thì lại trở thnh một trong những mắt xích
chủ chốt của RE. Ngy nay không có một kỹ s cơ khí no lại không biết về
CAD/CAM. Thực tế, CAD/CAM/CAE l một lĩnh vực rất rộng lớn, l tập hợp các hệ
thống công nghệ vô cùng phong phú, trợ giúp ngời kỹ s từ việc đơn giản nhất nh vẽ
kỹ thuật đến các kỹ thuật phức tạp: mô hình hoá chi tiết đến cụm máy v hệ thống thiết
bị, mô phỏng, tính bền kết cấu, khảo sát ứng xử động lực học, sinh v quản lý ti liệu
thiết kế, Trong quy trình thiết kế, chế tạo sản phẩm cơ khí, CAD/CAM/CAE l cầu
nối từ thế giới ảo sang thế giới thực: xuất dữ liệu v chơng trình, điều khiển các thiết
bị sản xuất: máy CNC, robot, máy tạo mẫu nhanh,
2.4. Tạo mẫu nhanh
Tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP) chỉ một nhóm các phơng pháp tạo trực
tiếp vật thể (mẫu, khuôn, sản phẩm) từ mô hình 3D trong máy tính. Vật thể đợc hình
GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS
Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012)
thnh bằng cách xếp chồng từng lớp vật liệu tơng ứng với các lớp cắt cách đều nhau.
Hình dạng của mỗi lớp đợc xác định trực tiếp từ mô hình CAD-3D.
RP có thể tạo mẫu để thử nghiệm, quảng cáo (R-Prototyping), khuôn, mẫu (R-
Tooling); chi tiết dùng ngay (R-manufacturing).
Ưu điểm chính của RP l: nhanh, thời gian không phụ thuộc độ phức tạp m chỉ
phụ thuộc kích thớc vật thể; có thể tạo mẫu phức tạp, bề mặt tự do; tính tự động hóa
cao, không đòi hỏi can thiệp, giám sát; dễ thực hiện; giảm chi phí tạo mẫu (không phải

lm khuôn, gia công).
Nhợc điểm của RP l: độ chính xác, chất lợng bề mặt không cao (cỡ 0,1mm),
bậc thang; vật liệu ròn, kém bền, kém chịu nhiệt, chịu ẩm (tùy trờng hợp);
Định nghĩa ban đầu đã nói RP l một nhóm các phơng pháp. Thực vậy, hiện nay
có thể kể ra đến vi chục phơng pháp RP. Tuy nhiên, chúng giống nhau ở các điểm:
- Tạo hình trực tiếp từ dữ liệu CAD-3D. Mô hình CAD của vật thể đợc xuất ra
dới dạng STL;
- Thiết bị RP cắt mô hình thnh từng lớp (khoanh) với chiều dy nhất định. Chiều
dy của lớp cng nhỏ thì độ chính xác cng cao nhng năng suất thấp v thiết bị phức
tạp, đắt tiền;
- Quá trình tạo hình đợc thực hiện từng lớp một, mỗi lớp có hình dạng v chiều
dy giống nh mỗi "khoanh" cắt ra từ mô hình;
- Các lớp cứ đợc tạo ra kế tiếp nhau, chồng lên nhau cho đến lớp cuối cùng.


Hình 20: Phân loại các phơng pháp tạo mẫu nhanh
Các phơng pháp trên khác nhau về loại vật liệu sử dụng, phơng pháp tạo các
lớp. Phân loại các phơng pháp tạo mẫu nhan nh Hình 20.
Tên gọi các phơng pháp nh sau:
- SLS - Selective Laser Sintering: thiêu kết bằng laser;
- 3DP - Three-Dimensional Printing: in 3D;
- MJM - Multi-Jet Modeling: phun nhiều lỗ phun;
- IJM - Ink-Jet Modeling: phun mực;
GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS
Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012)
- STL, SLA: Stereolithography: in nổi;
- LOM - Laminated Object Modeling: tạo hình từ tấm;
- FDM - Fused Deposition Modeling: phun vật liệu lỏng.
Để lm ví dụ, sau đây mô tả một phơng pháp: Stereolithography (STL hay SLA).
SLA l phơng pháp xuất hiện đầu tiên trong các phơng pháp RP v vẫn đợc dùng

cho đến ngy nay.
Hình 21 l sơ đồ nguyên lý của phơng pháp SLA.
Thiết bị (Stereo Lithograpgy Aparatus - SLA) gồm:
- Bể chứa chất lỏng (cao su hay polymer cảm quang - Photosensitive UV-curable
resin/polymer); một tấm đỡ đợc ngâm trong bể, cách mặt chất lỏng 1 lớp mỏng, tạo
thnh mng chất lỏng trên bề mặt tấm đỡ;
- Nguồn laser (He-Cd hoặc Ar) chiếu chùm tia cực tím (bớc sóng 320-370 nm).
Tia laser chiếu vo điểm no thì chất lỏng tại đó bị động cứng cục bộ. Hệ thống thấu
kính có khả năng quét tia laser theo 2 phơng nằm ngang (X, Y), nhờ đó chất lỏng sẽ
đợc đông cứng theo từng lớp;
- Hệ truyền động servo dịch chuyển tấm đế lên xuống theo từng bớc, bằng chiều
dy của lớp cần tạo.

Hình 21: Sơ đồ nguyên lý của phơng pháp SLA
Quá trình xảy ra nh sau:
- Chùm tia laser hội tụ lần lợt quét vo từng điểm trên bề mặt lớp chất lỏng, hóa
cứng (lu hóa, polymer hóa) chất lỏng tại điểm chiếu vo. Kết quả l tạo ra một lớp vật
liệu cứng có chiều dy tơng ứng với mng chất lỏng ban đầu;
- Thanh gạt cán lên mặt vừa tạo ra, gạt bỏ chất lỏng còn lại, tạo ra bề mặt đều,
sạch, cho mng chất lỏng tiếp theo dễ bám;
GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS
Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012)
- Cơ cấu điều khiển chính xác, dịch tấm đỡ xuống một khoảng bằng chiều dy lớp
cần tạo (0,003-0,125mm);
- Quá trình tiếp tục, tạo ra một lớp mới dính trên lớp trớc, cho đến khi hon
thnh ton bộ.
- Sau khi tạo hình, ngời ta lm sạch, xử lý bề mặt chi tiết. Quá trình ny đợc
gọi l hậu xử lý (Postprocessing).
Trên Hình 22 l ảnh chụp thiết bị v sản phẩm của SLA.
Cho đến nay SLA vẫn l phơng pháp chính xác nhất trong số các phơng pháp

RP, vì vật liệu ở thể lỏng nên có thể tạo lớp rất mỏng. Tuy nhiên, SLA có năng suất
thấp, vật liệu gốc polymer hoặc cao su, gây ô nhiễm môi trờng. Mặt khác, tia laser
cũng có thể gây hại mắt nếu không đeo kính bảo hộ.


Hình 22: Thiết bị v sản phẩm của phơng pháp SLA
Hình 23 l ví dụ về sản phẩm của SLA: vỏ điện thoại v hm răng giả.


Hình 23: Các sản phẩm điển hình của SLA
GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS
Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012)
Các phơng pháp RP khác có nguyên lý tơng tự nh SLA. Tuy nhiên, do sử
dụng vật liệu có bản chất vật lý khác nhau nên phơng pháp xử lý phải khác nhau.
Có thể nói RP v RE luôn luôn đi kèm với nhau, vì chúng đều đợc dùng cho
những sản phẩm hình dáng phức tạp, không chỉ trong kỹ thuật m cả trong nghệ thuật,
kiến trúc, y tế.
Sau đây l một số ví dụ khác về ứng dụng của RP.
Hình 24 l thân giắc cắm v khuôn đúc đợc tạo bằng phơng pháp SLS.
Hình 25 l các sản phẩm của phơng pháp 3DP. Hiện nay đây l phơng pháp
duy nhất "in" đợc sản phẩm có mu tự nhiên (đến 16 hoặc 32 bít).
Hình 26 l các sản phẩm của phơng pháp Polyjet, một phơng pháp có thể tạo ra
sản phẩm dùng ngay từ vật liệu polymer.

Hình 24: Thân giắc cắm v khuôn tạo bằng phơng pháp SLS



Hình 25: Các sản phẩm của phơng pháp 3DP
GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS

Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012)


Hình 26: Các sản phẩm của phơng pháp Polyjet
2.5. Công nghệ CNC
CNC l công nghệ chủ chốt, không thể thiếu để chế tạo các sản phẩm chế tạo
máy. Trong chuỗi quy trình thiết kế, chế tạo cơ khí, các máy v trung tâm gia công
CNC l đầu ra cuối cùng của các chi tiết máy. CNC luôn gắn liền với CAD/CAM v
các hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) sản xuất tích hợp nhờ máy tính (CIM). Lĩnh vực
CNC rất phong phú v phức tạp, không thể trình by trong ti liệu ny. Khi có nhu cầu,
vấn đề CAD/CAM/CNC có thể đợc trình by thnh chuyên đề riêng.
3. Định hớng đầu t v ứng dụng
Trên đây đã trình by một cách tóm lợc về CNS, v các giai đoạn, các phơng
pháp cơ bản trong các công nghệ ny, nh RE, RP, CAD/CAM, CNC. Mức độ trình
by nông sâu về mỗi phơng pháp hon ton không liên quan đến tầm quan trọng, tính
phức tạp v lĩnh vực ứng dụng của chúng. Trừ CAD/CAM v CNC đã đợc ứng dụng
có mức độ trong công nghiệp, còn các công nghệ khác, về căn bản mới đợc khai thác
trong nghiên cứu, đo tạo ở các viện nghiên cứu, các nh trờng.
Thế giới đã có những tấm gơng điển hình về ứng cụng thnh công các công
nghệ ny. Ví dụ, bắc Triều Tiên có nền công nghiệp cha thể nói l phát triển, vậy m
trở th
nh một cờng quốc về tên lửa. Trung Quốc có xuất phát điểm l một nớc nông
nghiệp lạc hậu không hơn Việt Nam l bao nhng trong thời kỳ chiến tranh lạnh (v
cũng nhờ chiến tranh lạnh), Ban lãnh đạo TQ đã có quyết tâm cao trong việc RE tất cả
các vũ khí m LX đã trang bị cho. Họ RE từ các loại tên lửa chiến thuật đến tên lửa
đạn đạo, tên lửa hnh trình, tên lửa liên lục địa, RE đã từng trở thnh quốc sách của
TQ, từ lĩnh vực quân sự lan ra kinh tế quốc dân. Cả các nớc phát triển lẫn các nớc
đang phát triển đều tìm thấy ở RE các điểm hữu ích cho mình.
Tuy nhiên, cũng nh chúng ta đã từng có ảo tởng về TĐH, cứ nghĩ TĐH sẽ thay
thế đợc con ngời, giúp đi tắt đón đầu m không cần truyền thống v tri thức về công

nghệ. Chúng ta dần dẫn vỡ ra rằng CAD/CAM, CNC dù tiện dụng đến đâu cũng chỉ l
các công cụ. Công cụ cng sắc bén, cng hiệu quả chỉ khi chúng ta biết dùng chúng thế
no. Việt Nam đã có một số thiết bị hiện đại, nhng chúng không phát huy đợc hiệu
quả do cha đồng bộ, con ngời sử dụng chúng không có nền tảng kiến thức vững về
công nghệ v cha đợc đo tạo đến nơi đến chốn.
GS. TS. Đo Văn Hiệp, Khoa HKVT, Học viện KTQS
Viết theo yêu cầu của Bộ KHCN (10/2012)
Hiện nay, việc đầu t xây dựng các trung tâm nghiên cứu, khai thác, chuyển giao
công nghệ mới l hết sức cấp bách. Để mang lại hiệu quả cao, xin có vi khuyến nghị
mang tính định hớng:
- Chọn thiết bị vừa sức, vừa tầm, phù hợp trình độ công nghiệp nớc nh;
- Đầu t đa chủng loại v đồng bộ;
- Đầu t gắn với đo tạo chuyên gia khai thác, sử dụng, đo tạo v phát triển;
- Gắn nghiên cứu, đo tạo với dịch vụ để khai thác có hiệu quả thiết bị, đồng thời
có tích luỹ để phát triển.