Luận văn thiết kế và chế tạo máy in 3d
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.6 MB, 106 trang )
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ..................................................................................1
1.1. Công nghệ tạo mẫu nhanh: ..........................................................................1
1.1.1 Khái niệm: ..............................................................................................1
1.1.2 Ba thời kì của quá trình tạo mẫu: ...........................................................1
1.1.3 Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh: ..................4
1.1.4 Quá trình tạo mẫu nhanh: ........................................................................7
1.1.5 Phân loại:.................................................................................................8
1.1.6 Một số loại công nghệ in 3D: ..................................................................9
1.1.7 Tầm quan trọng và ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh: .....................16
1.2 Phương pháp tạo mẫu nhanh FDM: ............................................................20
1.2.1 Khái niệm và nguyên lý hoạt động: ......................................................20
1.2.2 Vật liệu dùng trong FDM:.....................................................................21
1.2.3 Ưu – nhược điểm của phương pháp FDM: ........................................23
1.2.4 Một số máy tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM trên thế giới: ..........24
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ .......................................28
2.1 Lựa chọn khung máy: ..................................................................................28
2.1.1 Khung máy hình lăng trụ: .....................................................................28
2.1.2 Khung máy hình hộp: .........................................................................28
2.2 Lựa chọn truyền động trên mặt phẳng Oxy:................................................29
2.2.1 Truyền động culit kết hợp với thanh ray trượt ...................................29
2.2.2 Truyền động đai kết hợp thanh dẫn hướng:.....................................................30
2.3 Các loại bộ truyền đai: ....................................................................................31
2.3.1 Đai dẹt: ....................................................................................................31
2.3.2 Đai thang: ..............................................................................................31
2.3.3 Đai hình lược: .......................................................................................31
2.3.4 Đai răng: ................................................................................................32
2.4 Lựa chọn cụm nâng hạ trục Z:.....................................................................32
i
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
2.4.1 Vít me đai ốc thường: ...........................................................................32
2.4.2 Vít me đai ốc bi: ....................................................................................34
2.5
Lựa chọn bộ điều khiển: .........................................................................36
2.5.1 Hệ thống các relay – timer – contactor: ................................................36
2.5.2 PLC: ......................................................................................................36
2.5.3 Vi điều khiển: ........................................................................................36
2.6 Lựa chọn động cơ: .......................................................................................37
2.6.1 Động cơ bước: .......................................................................................37
2.6.2 Động cơ DC servo: ...............................................................................38
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ.................................................40
3.1 Cụm truyền động trục x: ..............................................................................40
3.1.1 Chọn động cơ: .......................................................................................40
3.1.2 Tính toán bộ truyền đai răng cho trục X: ...........................................42
3.2 Cụm truyền động trục y: ...........................................................................43
3.2.1 Nguyên lý cụm truyền động:.................................................................43
3.2.2 Chọn động cơ: .......................................................................................44
3.2.3 Tính toán đai răng truyền động từ động cơ cho trục Y:........................46
3.2.4 Tính toán trục bánh đai bị động truyền động cho trục Y. .....................47
3.3 Cụm truyền động trục z: ............................................................................49
3.3.1 Nguyên lý cụm truyền động:.................................................................49
3.3.2 Chọn động cơ: .......................................................................................49
3.4 Khung máy: .................................................................................................52
3.4.1 Mặt trước của khung máy: ....................................................................53
3.4.2 Mặt sau khung máy: ..............................................................................54
3.4.3 Mặt bên khung máy: .............................................................................55
3.4.4 Mặt dưới khung máy: ............................................................................56
3.4.5 Khung máy sau khi ráp lắp hoàn chỉnh: ...............................................57
3.5 Cụm đầu đùn ...............................................................................................57
3.5.1 Nhựa in ABS và PLA: ..........................................................................58
ii
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
3.5.2 Cụm truyền động và dẫn hướng:...........................................................60
3.5.3 Cụm gia nhiệt: .......................................................................................61
3.5.4 Đầu phun: ..............................................................................................63
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN.........................................64
4.1
Tổng quan hệ thống điều khiển: ...............................................................64
4.1.1 Sơ đồ tông quan: ...................................................................................64
4.1.2 Sơ đồ khối xử lý dữ liệu trên máy tính ................................................64
4.1.3 Sơ đồ khối xử lý trên vi điều khiển:......................................................65
4.2 Tìm hiểu phần mềm Repetier-Host ............................................................68
4.3 Mã Gcode: ...................................................................................................72
4.4 Thiết kế mạch điện: ...................................................................................75
4.4.1 Giới thiệu động cơ bước: ......................................................................75
4.4.2 Phân loại động cơ bước........................................................................76
4.4.3 Điều khiển động cơ bước: ....................................................................79
4.4.4 Mạch điều khiển: ..................................................................................81
4.4.5 Driver A4988 .......................................................................................86
4.4.6 Module Ramps1.4 ................................................................................88
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..........................91
5.1 Hệ thống hoàn chỉnh: ..................................................................................91
5.2 Kết quả thực nghiệm ...................................................................................91
5.2.1 Mẫu thử nghiệm 1 .................................................................................92
5.2.2 Mẫu thử nghiệm 2 .................................................................................93
5.2.3 Mẫu thử nghiệm 3 .................................................................................94
5.3: Hướng phát triển của đề tài ........................................................................95
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................91
iii
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Thời kỳ tạo mẫu bằng tay .......................................................................2
Hình 1.2: Phần mềm tạo mẫu nhanh hay tạo mẫu ảo .............................................3
Hình 1.3: Tạo mẫu bằng công nghệ tạo mẫu nhanh. ..............................................4
Hình 1.4: Kỹ sư Charles Hull - cha đẻ của công nghệ in 3D .................................5
Hình 1.5: Tạo mẫu nhanh công nghệ SLA .............................................................5
Hình 1.6: Tạo mẫu nhanh công nghệ SLS ..............................................................6
Hình 1.7: Các loại công nghệ tạo mẫu nhanh .........................................................9
Hình 1.8: Công nghệ tạo mẫu SLS .......................................................................10
Hình 1.9: Nguyên lý làm việc SGC ......................................................................12
Hình 1.10: Nguyên lý quá trình LOM ..................................................................14
Hình 1.11: Máy tạo mẫu LOM. ............................................................................15
Hình 1.12: Ứng dụng chế tạo sản phẩm ...............................................................16
Hình 1.13: Ứng dụng truyền đạt thiết kế ..............................................................17
Hình 1.14: Ứng dụng tiếp thị sản phẩm ................................................................17
Hình 1.15: Ứng dụng kiểm tra sản phẩm ..............................................................18
Hình 1.16: Ứng dụng tạo khuôn ...........................................................................18
Hình 1.17: Ứng dụng làm xương nhân tạo ...........................................................19
Hình 1.18: Ứng dụng tạo mô hình triển lãm .........................................................20
Hình 1.19: Nguyên lý in 3D theo công nghệ FDM ..............................................21
Hình 1.20: Máy FDM 1650 .................................................................................24
Hình 1.21: Máy FDM2000 ..................................................................................25
Hình 1.22: Máy FDM 8000 .................................................................................26
Hình 2.1: Khung máy hình lăng trụ bằng nhôm ...................................................28
Hình 2.2: Khung máy hình hộp bằng mica ...........................................................29
iv
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Hình 2.3: Truyền động bằng cơ cấu culit kết hợp thanh trượt .............................30
Hình 2.4: Truyền động bằng đai kết hợp thanh dẫn hướng ..............................................30
Hình 2.5: Thông số đai thang ...............................................................................31
Hình 2.6: Cơ cấu dùng vít me đai ốc ....................................................................33
Hình 2.7: Cấu tạo của vitme-đai ốc ......................................................................33
Hình 2.8: Hình dạng của vít me đai ốc bi ............................................................34
Hình 2.9: Mặt cắt vít me đai ốc bi ........................................................................35
Hình 2.10: Arduino Mega 2560 ............................................................................37
Hình 2.11: Động cơ bước ....................................................................................38
Hình 2.12: Động cơ DC servo .............................................................................38
Hình 3.1: Nguyên lý cụm truyền động trục X ......................................................40
Hình 3.2: Nguyên lý truyền động cụm trục Y ......................................................44
Hình 3.3: Phác thảo kết cấu sơ bộ trục .................................................................48
Hình 3.4: Sơ đồ biểu diễn lực trên trục .................................................................48
Hình 3.5: Cơ cấu vít me - đai ốc trục Z ................................................................49
Hình 3.6: Mặt trước của máy 454 x 375 mm........................................................53
Hình 3.7: Khung máy trước được thiết kế bằng solidwork 2014 .........................53
Hình 3.8: Mặt sau khung máy 454 x 357 mm ......................................................54
Hình 3.9:Mặt sau khung máy thiết kế bằng solidwork 2014 ................................54
Hình 3.10: Mặt bên khung máy 320 x 375 mm ....................................................55
Hình 3.11: Mặt bên được thiết kế bằng solidwork 2014 ......................................55
Hình 3.12: Mặt dưới khung máy 454 x 320 mm ..................................................56
Hình 3.13: Mặt dưới khung máy thiết kế bằng solidwork 2014 ...........................56
Hình 3.14: Khung máy hoàn chỉnh sau lắp ráp thiêt kế bằng solidwork 2014 .....57
Hình 3.15: Nguyên lý cụm đầu đùn ......................................................................58
v
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Hình 3.16: Cấu trúc hóa học nhựa ABS ...............................................................58
Hình 3.17: Cuộn nhựa PLA với các màu sắc khác nhau ......................................60
Hình 3.18: Bánh răng MK8 dùng để dẫn hướng nhựa in .....................................61
Hình 3.19: Kết cấu cụm đầu phun ........................................................................61
Hình 3.20: Cụm gia nhiệt......................................................................................62
Hình 3.21: Cảm biến nhiệt THERMISTOR 100k NTC .......................................62
Hình 3.22: Đầu phun 0.4 mm bằng đồng..............................................................63
Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khiển ...................................................64
Hình 4.2: Sơ đồ xử lý dữ liệu trên máy tính. ........................................................65
Hình 4.3: Sơ đồ xử lý trên vi điều khiển. .............................................................66
Hình 4.4: Giao diện Repetier host V1.0.6 ............................................................69
Hình 4.5: Tab phần mềm cắt lớp Slice .................................................................70
Hình 4.6: Cài đặt cấu hình Slice ...........................................................................71
Hình 4.7: Tab biễu diễn tọa độ các trục, nhiệt độ đầu phun .................................72
Hình 4.8: Động cơ từ trở biến đổi .........................................................................77
Hình:4.9 Mặt cắt ngang và sơ đồ đấu dây của động cơ đơn cực Roto có 6 cực...78
Hình 4.10: Mặt cắt ngang và sơ đồ đấu dây của động cơ lưỡng cực ....................79
Hình 4.11: Chế độ điều khiển một bước ...............................................................80
Hình 4.12: Chế độ điều khiển nửa bước................................................................80
Hình 4.13: Máy in 3D Makerbot điều khiển bằng Arduino Mega2560 ...............82
Hình 4.14: Robot di động tránh vật cản dùng Arduino và camera CMU Cam ...83
Hình 4.15: Một thiết bị UAV ................................................................................83
Hình 4.16: Ứng dụng game...................................................................................84
Hình 4.17: Arduino mega 2560 ............................................................................86
Hình 4.18: Driver A4988 ......................................................................................87
vi
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Hình 4.19: Sơ đồ chân A4988 ..............................................................................87
Hình 4.20: Ramps 1.4 ...........................................................................................88
Hình 4.21: Sơ đồ kết nối Jumper vào Ramps1.4 .................................................90
Hình 4.22: Sơ đồ kết nối các thiết bị vào Ramps1.4 ............................................91
Hình 4.23: Sơ đồ đấu nguồn .................................................................................91
Hình 4.24: Nối các động cơ trục X,Y,Z, đầu đùn ................................................92
Hình 4.25: Đấu dây công tắc hành trình ..............................................................92
Hình 5.1: Hệ thống máy FDM hoàn chỉnh ...........................................................91
Hình 5.2 Mẫu thử nghiệm 1 ..................................................................................92
Hình 5.3: Mẫu thử nghiệm 2 .................................................................................93
Hình 5.4: Mẫu thử nghiệm 3 .................................................................................94
vii
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: So sánh vật liệu ABS và PLA ..............................................................23
Bảng 2.1: Bảng thông số các dạng truyền động đai. ............................................32
Bảng 4.1: Các mã lệnh chức năng cơ bản: ...........................................................73
Bảng 4.2: Mã lệnh Gcode cơ bản: ........................................................................74
Bảng 4.3: Mã lệnh điều khiển M: .........................................................................75
Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật Mega 2560 ..............................................................81
Bảng 4.5: Lựa chọn chế độ điều khiển động cơ bước ..........................................88
Bảng 4.6: Thông số Ramps 1.4 ............................................................................89
viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Công nghệ tạo mẫu nhanh:
1.1.1 Khái niệm:
Tạo mẫu nhanh (Rapid Prototying Technology - RPT) là phương pháp chế tạo vật
thể thật một cách tự động từ nguồn dữ liệu được thiết kế trên máy tính bằng phương
pháp đắp dần vật liệu theo từng lớp, với tốc độ nhanh hơn nhiều so với các phương pháp
gia công chế tạo thông thường. Những chiếc máy in 3 chiều này cho phép người thiết
kế có thể nhanh chóng tạo ra một thực thể chi tiết hay mô hình đúng như thiết kế của
họ. Sự phát triển của tạo mẫu nhanh có quan hệ mật thiết với sự phát triển ứng dụng của
máy tính trong công nghiệp. Việc gia tăng sử dụng máy tính đã thúc đẩy sự tiến bộ trong
nhiều lĩnh vực liên quan đến máy tính bao gồm:
Thiết kế (CAD–Computer Aided Design)
Chế tạo (CAM–Computer Aided Manufacturing).
Điều khiển số nhờ máy tính (CNC – Computer Numerical Control).
Một số khái niệm về tạo mẫu nhanh được đưa ra từ các giáo sư trên thế giới:
Fritz Kloeke – Giáo sư đại học Aechen: 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.
Chris Zhang – Giáo sư đại học Saskatchewan: tạo mẫu nhanh là quá trình
tạo mẫu theo nguyên tắc bồi đắp vật liệu.
Tery Wohler – Chủ tịch hiệp hội tạo mẫu nhanh thế giới: tạo mẫu nhanh
là công nghệ chế tạo mô hình vật lý hoặc mẫu sản phẩm từ dữ liệu thiết kế 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 bị số hóa 3D.
1.1.2 Ba thời kì của quá trình tạo mẫu:
Quá trình tạo mẫu được phân ra làm ba thời kì. Hai thời kì sau chỉ mời ra đời trong
khoảng 20 năm trở lại đây. Tương tự quá trình tạo mẫu trên máy vi tính, tính chất vật lý
của mẫu chỉ được nghiên cứu phát triển trong thời kì thứ ba.
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Thời kì đầu: tạo mẫu bằng tay:
Thời kỳ đầu tiên ra đời cách đây vài thế kỷ. Trong thời kỳ này, các mẫu điển hình
không có độ phức tạp cao và chế tạo một mẫu trung bình mất khoảng 4 tuần. Phương
pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề và thực hiện công việc một cách cực kỳ nặng nhọc.
Hình 1.1: Thời kỳ tạo mẫu bằng tay
Thời kì thứ hai: sử dụng phần mềm tạo mẫu (tạo mẫu ảo).
Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển rất sớm, khoảng giữa thập niên 70. Thời kỳ
này đã có phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo. Việc ứng dụng CAD/CAE/CAM đã trở
nên rất phổ biến. Phần mềm tạo mẫu sẽ phát họa trên máy vi tính những suy tưởng, ý
tưởng mới.
Các mẫu này như là một mô hình vật lý: được kiểm tra, phân tích cũng như đo ứng
suất và sẽ được hiệu chỉnh cho phù ho nếu chúng chưa đạt yêu cầu. Thí dụ như phân
tích ứng suất và sức căng bề mặt chất lỏng có thể dự đoán chính xác được bởi vì có thể
xác định chính xác các thuộc tính và tính chất của vật liệu. Hơn nữa, các mẫu trong thời
kỳ này trở nên phức tạp hơn nhiều so với thời kỳ đầu. Vì thế, thời gian yêu cầu cho việc
tạo mẫu có khuynh hướng tăng lên, tính chất vật lý của mẫu vẫn còn phụ thuộc vào các
phương pháp tạo mẫu cơ bản trước. Tuy nhiên, việc vận dụng các máy gia công chính
xác đã cải thiện tốt hơn các tính chất vật lý của mẫu. Cùng với sự tiến bộ trong lĩnh vực
tạo mẫu nhanh trong thời kỳ thứ ba, có sự trợ giúp rất lớn của quá trình tạo mẫu ảo. Tuy
2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
nhiên, vẫn còn tranh cãi về những giới hạn của công nghệ tạo mẫu nhanh như: sự giới
hạn về vật liệu (hoặc bởi vì chi phí cao hoặc cách sử dụng cho từng vật liệu không giống
nhau để tạo chi tiết), tính chất vật lý từng phần của sản phẩm trong quá trình tạo mẫu
nhanh cũng được tính đến.
Hình 1.2: Phần mềm tạo mẫu nhanh hay tạo mẫu ảo
Thời kì thứ ba: công nghệ tạo mẫu nhanh.
Quá trình tạo mẫu rỗng thích hợp cho việc sản xuất trên bàn nâng hay công nghệ
sản xuất lớp. Công nghệ này thể hiện quá trình phát triển tạo mẫu trong thời kỳ thứ ba.
Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh là một phát minh quan trọng. Thời kỳ thứ
ba cũng là thời kỳ bùng nổ mạnh mẽ của công nghệ và kinh tế thế giới. Vào thời điểm
này số lượng các nhà sản xuất, công ty, doanh nghiệp tăng lên không ngừng, tạo ra môi
trường cạnh tranh vô cùng quyết liệt. Việc đưa ra một sản phẩm mới ra thị trường nhanh
hơn các đối thủ đã trở nên quan trọng nếu không nói đó là vấn đề sống còn. Khi một sản
phẩm mới ra đời nó phải trải qua rất nhiều công đoạn bao gồm thiết kế, chế tạo, kiểm
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
tra và tiếp thị. Để đưa sản phẩm ra thị trường nhanh chóng thì thời gian và chi phí cho
từng giai đoạn phải được rút ngắn triệt để. Năm 1988, hơn 20 công nghệ tạo mẫu nhanh
đã được nghiên cứu.
Hình 1.3: Tạo mẫu bằng công nghệ tạo mẫu nhanh.
1.1.3 Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh:
-
Thập niên 1980s: Khái niệm về in 3d được nhen nhóm bắt đầu từ năm 1976, thời
điểm máy in phun được phát minh. Bởi vì đến năm 1984, các cải tiến và tiến bộ
mới đối với đầu in phun đã giúp đưa công nghệ từ chỗ chỉ in được mực đến in
được cả các chất liệu khác. Trong những thập kỷ sau đó, các ứng dụng của công
nghệ in 3d đã không ngừng phát triển thông qua các ngành công nghiệp khác
nhau, từ cơ khí, ô tô, hàng không, y học, sản xuất đến thiết kế trang sức.
-
Năm 1984 đánh dấu sự ra đời chính thức của công nghệ in 3d mà cha đẻ là kỹ sư
Charles Hull, người sẽ trở thành đồng sáng lập công ty 3D Systems sau này,
người phát minh ra công nghệ Stereolithography huyền thoại, cho phép in những
vật thể 3D phức tạp với độ chính xác cao từ dữ liệu số.
4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Hình 1.4: Kỹ sư Charles Hull - cha đẻ của công nghệ in 3D
-
Năm 1984 : Charles Hull phát minh ra công nghệ stereolithography, được cấp
bằng sáng chế năm 1987.
-
Năm 1991: Stratasys sản xuất máy in sử dụng công nghệ FDM đầu tiên trên thế
giới.
-
Năm 1992: Công ty 3d systems của Charles Hull sản xuất chiếc máy in 3D đầu
tiên dùng công nghệ SLA.
Hình 1.5: Tạo mẫu nhanh công nghệ SLA
-
Năm 1993: DTM sản xuất máy in đầu tiên dùng công nghệ SLS.
5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Hình 1.6: Tạo mẫu nhanh công nghệ SLS
-
Năm 1994: Máy in từ sáp của Model Maker ra đời.
-
Năm 1997: Công ty Aeromet phát minh ra công nghệ LAM (laser additive
manufacturing)
-
Năm 1999: Các nhà khoa học đã cấy thành công nội tạng từ tế bào của bệnh nhân
và dùng thanh đỡ in từ máy in 3D để chống đỡ các bộ phận này.
-
Năm 2000: Máy in phun 3D đầu tiên ra đời tại công ty Object Geometries. Cùng
năm này Zcorp phát minh ra máy in 3D màu multicolor.
-
Năm 2001 : Solidimension tạo ra chiếc desktop 3d printer đầu tiên.
-
Năm 2002: Các nhà khoa học dự định tạo ra cơ quan nội tạng bằng kích cỡ thật
và có thể hoạt động được. Một quả thận từ máy in 3D đã ra đời.
-
Năm 2005: Dr Adrian Bowyer ở trường đại học Bath thành lập Reprap project để
phổ cập công nghệ in 3D.
-
Năm 2008: Reprap Darwin là chiếc máy đầu tiên có thể tự in ra các bộ phận của
chính nó. Cùng năm Stratasys sản xuất thành công vật liệu in FDM có tính tương
hợp sinh học. (biocompatible). Một website điện tử dành cho thị trường model in
3D mang tên Shapeways ra đời. Makerbot không hề thua kém cho ra mắt trang
Thingiverse để chia sẻ các model miễn phí dành cho việc in 3D.
6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
-
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Năm 2009: Makerbot bắt tay sản xuất bộ kit cải tiến máy Rerap cho đối tượng
người dùng lớn hơn. Bên Organovo cũng in thành công mạch máu đầu tiên.
-
Năm 2011: Chiếc ô tô đầu tiên in bằng công nghệ 3D ra đời.
-
Năm 2012: LayerWise in thành công bộ xương hàm ở Hà Lan.
Qua sự hình thành và ra đời của các công nghệ tạo mẫu nhanh ta thấy có 5 công
nghệ tạo mẫu nhanh chính đó là SLA, SLS, LOM, 3DP, FDM. Ngoài ra có nhiều
công nghệ khác nhưng chủ yếu vẫn dựa cơ bản trên 5 loại công nghệ trên.
1.1.4 Quá trình tạo mẫu nhanh:
Hầu hết tất cả các quá trình tạo mẫu nhanh đều thường bao gồm 5 bước cơ bản:
Bước 1: Mẫu hay một bộ phận chi tiết được thiết kế trên hệ thống CAD
(Computer Aided Design).
Mẫu phải thể hiện đầy đủ tính chất vật lý như sản phẩm thật thể hiện bằng những
mặt cong khép kín với kích thước giới hạn rõ ràng. Mẫu có thể được tạo bởi các phần
mềm CAD bất kỳ như: Solidworks, Inventor, Pro/Engineer, …
Bước 2: Mô hình dạng khối hay mô hình bề mặt sẽ được chuyển sang file
định dạng “.STL” (Stereo Lithography).
Những phần mềm CAD khác nhau sử dụng những thuật toán khác nhau để đặc
trưng cho vật thể. Vì thế định dạng STL ra đời để thiết lập một sự đồng nhất và tạo một
chuẩn riêng cho ngành công nghiệp tạo mẫu nhanh. Trong định dạng STL, vật thể được
đặc trưng dưới dạng các mặt tam giác, một file .STL sẽ bao gồm tọa độ các đỉnh hướng
của các tam giác. Do file .STL sử dụng các phần tử mặt phẳng để định nghĩa vật thể nên
không thể hình thành các đường cong chính xác. Do đó số lượng các tam giác càng nhiều
sẽ khiến tăng độ chuẩn xác so với vật thể thiết kế, nhưng đồng thời cũng làm tăng kích
thước file .STL và tăng thời gian xử lí cắt lớp và tạo hình vật thể. Từ khi ra đời, định
dạng file .STL đã tạo thành một chuẩn chung cho tất cả các công nghệ ứng dụng trong
ngành công nghiệp tạo mẫu nhanh.
Bước 3: Cắt lớp file .STL theo độ dày thích hợp:
7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Ở bước này, phần lớn các phần mềm cắt lớp đều yêu cầu phải định dạng chính xác
vị trí, kích thước và hướng quay của vật thể cần tạo hình. Hướng quay là một yếu tố cực
kì quan trọng trong quá trình cắt lớp vì nó sẽ quyết định tính chất của vật thể được tạo
thành. Do đặc trưng đắp dần các lớp vật liệu nên thường phương z là phương chịu lực
chủ yếu nhất của vật thể tạo thành từ công nghệ tạo mẫu nhanh nên cần xác định rõ chức
năng của chi tiết để có thể xác lập hướng quay của chi tiết một cách hợp lý nhất. Hơn
nữa để tiết kiệm thời gian cắt lớp cũng như tạo hình chi tiết người ta thường chọn hướng
quay sao cho số lớp mặt cắt là ít nhất. Thường thì các phần mềm cắt lớp cắt vật thể thành
các lớp có độ dày từ 0.01 đến 0.7 mm, phụ thuộc vào công nghệ tạo mẫu sử dụng. Do
đó, mỗi công nghệ tạo mẫu nhanh thường có phần mềm cắt lớp riêng biệt.
Bước 4: Xây dựng mô hình từng lớp liên tiếp xếp chồng lên nhau để tạo
hình vật thể.
Đây là quá trình điều khiển các trục để tạo hình cho từng lớp vật liệu. Hầu hết các
máy tạo mẫu nhanh đều thực hiện quá trình này một cách hoàn toàn tự động, rất ít sự
can thiệp của con người.
Bước 5: Làm sạch và hoàn chỉnh sản phẩm:
Vật thể tạo thành được lấy ra khỏi máy và đưa vào công đoạn hậu xử lí để tăng
tính thẩm mỹ cũng như độ bền của sản phẩm.
1.1.5 Phân loại:
Do có nhiều phương diện sản xuất nên hình thành nhiều loại hệ thống tạo mẫu
nhanh trên thị trường, để phân loại một cách bao quát các hệ thống tạo mẫu nhanh là
dựa trên cơ sở vật liệu sản xuất. Ở kiểu phân loại này tất cả các hệ thống tạo mẫu nhanh
có thể dễ dàng phân thành ba loại:
8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Hình 1.7: Các loại công nghệ tạo mẫu nhanh
1.1.6 Một số loại công nghệ in 3D:
Phương pháp thiêu kết Laser chọn lọc SLS
Nguyên lý làm việc:
Phương pháp SLS sử dụng tính chất của vật liệu bột là có thể hóa rắn dưới tác dụng
của nhiệt (như nylon, elastomer, kim loại). Một lớp mỏng của bột nguyên liệu được trải
trên bề mặt của xy lanh công tác bằng một trống định mức. Sau đó, tia laser hóa rắn (kết
tinh) phần bột nằm trong đường biên của mặt cắt (không thực sự làm chảy chất bột), làm
cho chúng dính chặt ở những chỗ có bề mặt tiếp xúc. Trong một số trường hợp, quá trình
nung chảy hoàn toàn hạt bột vật liệu được áp dụng.
Quá trình kết tinh có thể được điều khiển tương tự như quá trình polymer hoá trong
phương pháp tạo hình lập thể SLA. Sau đó xy lanh hạ xuống một khoảng cách bằng độ
9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu được đưa vào và quá trình được lặp lại cho đến khi chi
tiết được hoàn thành.
Trong quá trình chế tạo, những phần vật liệu không nằm trong đường bao mặt cắt
sẽ được lấy ra sau khi hoàn thành chi tiết, và được xem như bộ phận phụ trợ để cho lớp
mới được xây dựng. Điều này có thể làm giảm thời gian chế tạo chi tiết khi dùng phương
pháp này.
Phương pháp SLS có thể được áp dụng với nhiều loại vật liệu khác nhau:
Policabonate, PVC, ABS, nylon, sáp,… Những chi tiết được chế tạo bằng phương pháp
SLS tương đối nhám và có những lỗ hỗng nhỏ trên bề mặt nên cần phải xử lý sau khi
chế tạo (xử lý tinh).
Hình 1.8: Công nghệ tạo mẫu SLS
Vật liệu sử dụng: Polycacbonate (PC), nylon, sáp, bột kim loại (copper polyamide,
rapid steel), bột gốm (ceramic), glass filled nylon, vật liệu đàn hồi (elastomer).
10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Quá trình tạo mẫu: Sản phẩm được chia thành các lát cắt từ file định dạng .STL
tạo một lớp bằng cách trải các lớp bột, thiêu kết bằng nguồn laser CO2 theo các bước
sau:
-
Bước 1: Một lớp vật liệu bột nóng chảy được đặt vào buồng chứa sản phẩm
-
Bước 2: Lớp vật liệu bột đầu tiên được quét bằng tia laser CO2 và đông đặc lại.
Vật liệu bột không được xử lý sẽ được đưa trở về thùng chứa liệu.
-
Bước 3: Khi lớp thứ nhất đã hoàn thành thì lớp vật liệu bột thứ hai được cấp vào
thông qua con lăn cơ khí chuẩn bị cho quá trình quét lớp thứ hai.
-
Bước 4: Bước hai và bước ba được lặp lại cho đến khi sản phẩm được hoàn thành.
Sau khi quá trình kết thúc, sản phẩm được lấy ra khỏi buồng xử lý và có thể qua
giai đoạn hậu xử lý hoặc đánh bóng lại như phun cát tùy từng ứng dụng của sản
phẩm.
Ưu điểm và nhược điểm:
Ưu điểm:
-
Số lượng vật liệu đưa vào cao làm quá trình tạo mẫu diễn ra nhanh chóng
-
Vật liệu đa dạng, không đắt tiền
-
Không cần cơ cấu hỗ trỡ
-
Giảm sự bóp méo do ứng suất
-
Giảm các giai đoạn hậu xử lý
-
Chế tạo cùng lúc nhiều chi tiết
Nhược điểm:
-
Độ bóng bề mặt thô
-
Bề mặt chi tiết rổ
-
Lớp đầu tiên đòi hỏi đế nhựa để giảm ảnh hưởng nhiệt
-
Mật độ chi tiết không đồng nhất
Phương pháp tạo mẫu nhanh SGC (Solid Ground Curing)
Nguyên lý làm việc của SGC như sau:
11
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Hình 1.9: Nguyên lý làm việc SGC
Chi tiết được xây dựng từng lớp một từ vật liệu lỏng photopolymer. Vật liệu này
sẽ bị động cứng dưới tác dụng của tia cực tím.
Các bước cơ bản được tiến hành như sau:
- Bước 1: Chuẩn bị dữ liệu, tạo mặt nạ và tạo mẫu. Mặt nạ này được tạo từ dữ liệu
CAD nhập và in trên một nền trong suốt (thủy tinh) bằng phương pháp tĩnh điện, giống
như quá trình được sử dụng trong máy photocopy và máy in laser. Một lớp màu đen sẽ
phủ lên toàn bộ bề mặt trừ những tiết diện của sản phẩm thể hiện bằng những miền trong
suốt phản ánh chính xác mặt cắt ở lớp hiện hành của sản phẩm. Lớp màu đen này có thể
xóa được để tạo mặt nạ cho những lớp vật liệu tiếp theo.
- Bước 2: Dưới tác dụng của chùm tia tử ngoại xuyên qua tấm thuỷ tinh khi tấm
thuỷ tinh di chuyển đến vị trí gần phía trên đỉnh của lớp mỏng chất lỏng polymer và
chiếu vào thùng vật liệu bên dưới. Phần vật liệu bị chiếu bởi tia tử ngoại sẽ được đông
đặc nhanh chóng, cùng lúc này hình ảnh trên tấm thuỷ tinh.
- Bước 3: Vật liệu dư không bị đông đặc sẽ được thu hồi lại, và khoảng trống xung
quanh sản phẩm đang được chế tạo sẽ được điền đầy bằng sáp (wax), có tác dụng như
là bộ phận hỗ trợ trong suốt quá trình tạo sản phẩm.
12
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Để đảm bảo cho quá trình hoá rắn nhanh, sáp lỏng được đông đặc bằng một tấm
làm nguội sáp. Sau đó, đầu phay sẽ làm nhẵn bề mặt sản phẩm và xác định đúng bề dày
của một lớp. Bộ phận đỡ sản phẩm sẽ dịch xuống đúng bằng chiều dày của một lớp và
quá trình được lặp lại cho đến khi hoàn thành sản phẩm.
Ưu và nhược điểm của phương pháp SGC.
Ưu điểm:
-
Hệ thống xử lý song song: quá trình tạo mẫu và xử lý tinh xảy ra song song do đó
tiết kiệm thời gian từ 25-50%, giảm ứng suất bên trong và độ cong vênh sản phẩm
-
Đặc tính sản phẩm đồng nhất
-
Có thể chế tạo cùng lúc nhiều sản phẩm.
Nhược điểm:
-
Giá thành hơi cao, thiết bị làm việc hơi ồn
-
Giá thành hợi cao, thiết bị làm việc hơi ồn
-
Vật liệu sử dụng bị hạn chế.
-
Phải qua giai đoạn hậu xử lý
-
Chi phí vận hành và bảo trì cao
-
Phải lấy sáp ra khỏi sản phẩm khi chế tạo xong.
Các lĩnh vực ứng của phương pháp SGC:
-
Trong những ứng dụng chung như: kiểm tra kỹ thuật, phân tích chức năng, trưng bày
sản phẩm, nghiên cứu thị trường…
-
Tạo mẫu đúc và tạo công cụ: đúc khuôn mẫu chảy, đúc khuôn cát, sản xuất tự do
công cụ nhanh bằng vật liệu nhựa
-
Tạo khuôn và công cụ: tạo công cụ bằng vật liệu Silicon-Rubber, epoxy, phun kim
loại, acrylic, khuôn đúc thạch cao.
-
Tạo khuôn và công cụ: tạo công cụ bằng vật liệu Silicon-Rubber, epoxy, phun kim
loại, acrylic, khuôn đúc thạch cao.
-
Ứng dụng trong y học: chuẩn đoán, phẫu thuật, thiết kế các bộ phận giả thay thế.
Phương pháp tạo mẫu nhanh LOM:
13
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Đầu tiên, thiết bị nâng (đế) ở vị trí cao nhất cách con lăn nhiệt một khoảng bằng
đúng độ dày của lớp vật liệu, tiếp theo con lăn nhiệt sẽ cán lớp vật liệu này, dưới bề mặt
của vật liệu có chất kết dính mà khi được ép và gia nhiệt bởi trục lăn nó sẽ giúp lớp này
liên kết với lớp trước. Hệ thống quang học sẽ đưa tia laser đến để cắt vật liệu theo hình
dạng hình học của mô hình đã tạo từ CAD. Vật liệu được cắt bởi tia laser theo đường
viền của mặt cắt lát. Phần vật liệu dư sẽ được thu hồi bằng con lăn hồi liệu. Sau đó đế
hạ xuống cấu nâng hạ xuống thấp và vật liệu mới được nạp vào, cơ cấu lại nâng lên
chậm đến vị trí thấp hơn chiều cao trước đó, trục cán sẽ tạo liên kết giữa lớp thứ hai với
lớp thứ bằng đúng chiều dày lớp vật liệu kế tiếp. Chu kỳ này được lặp lại cho đến khi
kết thúc.
Hình 1.10: Nguyên lý quá trình LOM
Những vật liệu dư đóng vai trò như cơ cấu phụ trợ để đỡ cho chi tiết. Vật liệu dư
này cũng được cắt thành những đường ngang dọc (cross-hatch). Những đường giao
tuyến song song này làm bong những vật liệu dư để nó được lấy đi dễ dàng sau khi chế
tạo. Sau đó, bề mặt của chi tiết có thể được đánh bóng, xi mạ, hoặc sơn
Theo nguyên tắc tất cả các vật liệu dạng tấm đều có thể sử dụng cho hệ thống LOM.
14
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Nhưng thông thường LOM sử dụng nhiều nhất là giấy, plastic, gốm và vật liệu
composite.
Hình 1.11: Máy tạo mẫu LOM.
Một số ưu nhược điểm của phương pháp LOM:
Ưu điểm:
-
Vật liệu đa dạng, rẻ tiền. Về nguyên tắc có thể sử dụng các loại vật liệu: giấy, chất
dẻo, kim loại, composites và gốm.
-
Độ chính xác cao đạt được tốt hơn 0,25 mm. Bằng việc cắt vật liệu thay vì hóa rắn
nó, hệ thống có thể bảo vệ được những đặc tính ban đầu của vật liệu.
-
Không cần thiết kết cấu hỗ trợ.
-
Tốc độ cao, nhanh hơn các phương pháp tạo lớp khác bởi vì tia laser không cắt toàn
bộ diện tích mà chỉ quét theo chu vi bên ngoài. Do đó, vật liệu dày và mỏng có tốc
độ cắt bằng nhau.
-
Không có sự thay đổi pha trong quá trình chế tạo chi tiết nên tránh được độ co rút
của vật liệu.
-
Không độc hại và ô nhiễm môi trường.
Nhược điểm:
15
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
-
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Không thu hồi được vật liệu dư. Sự cong vênh của chi tiết thường là vấn đề chính
của phương pháp LOM.
-
Độ bóng bề mặt không cao.
-
Lấy sản phẩm ra khỏi kết cấu hỗ trợ khó khăn.
1.1.7 Tầm quan trọng và ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh:
Tạo mẫu nhanh -in 3D được đánh giá là một trong 10 công nghệ tiêu biểu đến năm
2020 . Sở hữu nhiều tính chất ưu việt so với phương pháp tạo mẫu truyền thống, tạo mẫu
nhanh đang dần được ứng dụng rộng khắp trong nhiều ngành sản xuất, tiếp thị, quốc
phòng, y tế…
Hình 1.12: Ứng dụng chế tạo sản phẩm
Truyền đạt thiết kế
Tạo mẫu nhanh là phương án truyền đạt ý tưởng tuyệt vời nhất giữa các nhà thiết
kế. Mô hình “thật” của sản phẩm giúp nhóm thiết kế đánh giá kiểu dáng và phát hiện
các sai sót tiềm ẩn dễ dàng hơn so với việc kiểm tra trên mô hình 3D.
16
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
Hình 1.13: Ứng dụng truyền đạt thiết kế
Tiếp thị sản phẩm:
Sản phẩm tạo mẫu nhanh hoàn toàn có khả năng thể hiện màu sắc cũng như tương
quan lắp ghép. Các thống kê cho thấy tạo mẫu nhanh sẽ tiết kiệm được 30% – 50% chi
phí trong quá trình giới thiệu sản phẩm mới cho nhà đầu tư. Một điều quan trọng nữa,
sản phẩm tạo mẫu nhanh giúp tăng độ tin cậy của khách hàng trong việc lựa chọn và
định giá sản phẩm.
Hình 1.14: Ứng dụng tiếp thị sản phẩm
17
