Cong nghe FDM tạo mẫu

3/11/2015

CÔNG NGHỆ FDM
FUSED DEPOSITION MODELING
Công nghệ đắp vật liệu

Lịch sử ra đời và phát triển
FDM là viết tắt của cụm từ Fused
Deposition Modeling được hiểu là tạo mô hình
bằng cách rải dây nóng chảy và đắp lớp. Công
nghệ FDM được S. Scott Crump phát minh ra
vào năm 1988.Năm 1989 S. Scott Crump được
cấp bằng sáng chế và cùng vợ là Lisa Crump
đồng sáng lập công ty Stratasys. Năm 1992 –
Stratasys bán chiếc máy FDM đầu tiên có tên là
“3D Modeler” và sau này trở thành công nghệ
chủ đạo trong lĩnh vực in 3D cho đến ngày nay

1


3/11/2015

Lịch sử ra đời và phát triển

NGUYÊN LÝ FDM

Viết chữ bằng kem lên bánh kem.

2

3/11/2015

NGUYÊN LÝ FDM
Công nghệ FDM là công nghệ đặc trưng của công
nghệ tạo mẫu nhanh. Nguyên lý chung của công nghệ
này là đùn vật liệu dạng sợi để tạo thành các mặt cắt của
mẫu.
Nguyên liệu mà công nghệ FDM sử dụng là sợi
dây nhựa. Sợi dây nhựa được cung cấp cho đầu đùn nhờ
động cơ cuốn. Đầu đùn được làm nóng tới nhiệt độ
thích hợp để sợi dây nhựa tan chảy và đùn ra ngoài.

NGUYÊN LÝ FDM
Đầu đùn này có thể di
chuyển độc lập theo hai
phương X, Y (giống như máy
CNC) tạo nên hình dạng một
mặt cắt của vật thể. Để làm
lớp tiếp theo thì bàn nâng
mang lớp trước đi xuống một
khoảng rất nhỏ (0.1- 0,3mm)
và đầu đùn lại tiếp tục đắp
một lớp mặt căt tiếp theo lên
lớp trước. Quá trình hoàn
thành khi tất cả các mặt cắt
đắp lên nhau.

Nguyên lý đắp
lớp của công

nghệ FDM

3


3/11/2015

NGUYÊN LÝ FDM
• Đầu đùn di chuyển theo hai
hướng của bàn
• Bàn có thể nâng lên hay hạ
xuống khi cần thiết
• Sợi nhựa nhiệt dẻo hay sáp
được đùn qua lỗ phun nhỏ đã
được gia nhiệt
• Lớp ban đầu được đặt trên
nền sốp với tốc độ không đổi
• Đầu đùn được điều khiển
theo file đã định trước
• Sau lớp đầu tiên bàn sẽ
được hạ xuống và lớp tiếp
theo sẽ được hình thành

Sơ đồ nguyên lý của công nghệ FDM

NGUYÊN LÝ FDM
Một máy tạo mẫu nhanh sử dụng công nghệ FDM
gồm có 2 phần cơ bản: phần đùn vật liệu và phần điều
khiển sự di chuyển của đầu đùn
1/ Phần di chuyển của đầu đùn: do các động cơ đảm

nhiệm. Thông qua bộ truyền đai, bộ truyền trục vít me
đai ốc bi dẫn động, các thanh trượt dẫn hướng đảm bảo
cho quá trình di chuyển đầu đùn chính xác giống như
những máy CNC.

4


3/11/2015

NGUYÊN LÝ FDM
2/ Phần đùn vật liệu: Sợi dây
nhựa nhỏ có kích thước khoảng
1,75 mm hoặc 3 mm cấp cho
đầu đùn nhờ động cơ cuốn vào
trong. Tiếp theo sợi nhựa sẽ di
chuyển tới vòi phun (hot end)
tại đây nhựa được nung nóng
và chảy ra. Do động cơ đẩy
nhựa vào đầu đùn liên tục mà
lượng nhựa nóng chảy sẽ bị Sơ đồ nguyên lý đưa dây nhựa
đẩy ra ngoài do chênh lệnh áp
vào trong đầu đùn
suất thông qua một lỗ trên vòi
phun có kích thước từ 0.1 mm 0.4 mm.

NGUYÊN LÝ FDM

Sản phẩm yêu cầu có vật liệu support

5


3/11/2015

NGUYÊN LÝ FDM

Cấu trúc chung của các support

TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC
Trình tự làm việc 3D theo công nghệ FDM bao gồm các
bước sau:
Bước 1: Lên ý tưởng và thực hiện quá trình thiết kế mô hình
ảo trên máy tính.
Bước 2: Mô hình thiết kế sẽ được chuyển sang định dạng
trung gian (thường là *.stl, *.stl) phần dữ liệu này sẽ được
truyền qua phần mềm cắt lớp chuyên dùng cho máy FDM .
Bước 3: Phần mềm cắt lớp sẽ tính toán, cắt lớp mẫu dựa trên
các yêu cầu của người sử dụng (chiều cao lớp, vật liệu
đỡ…). Sau đó phần mềm sẽ đưa ra các thông số: đường di
chuyển của đầu đùn, thời gian in, cách thức tạo vật liệu
đỡ...Phần mềm sẽ xuất dữ liệu dưới dạng file *.gcode.

6


3/11/2015

TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC
Bước 4: Dữ liệu này sẽ chuyển sang định dạng *.x3g và

được chuyển qua máy tạo mẫu nhanh để điều khiển máy
làm việc. Máy sẽ bắt đầu nung nóng đầu đùn để phần
nhựa cũ được chảy ra phần nhựa mới được động cơ đẩy
vào trong đầu đùn và nhựa lỏng chảy ra
Bước 5: Đầu đùn sẽ di chuyển tới các tọa độ mà phần
mềm đã quy định trước thông qua các động cơ dẫn động,
truyền động thông qua bộ truyền đai, vít me và dẫn hướng
nhờ thanh dẫn hướng. Những tọa độ này tạo thành mặt cắt
của mẫu thiết kế.

TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC
Bước 6: Để làm lớp tiếp theo bàn nâng mang lớp trước
di chuyển xuống dưới một đoạn rất nhỏ (đoạn này quy
định độ mịn của bề mặt vật thể khi đã hoàn thành). Phần
vật liệu ra khỏi đầu đùn sẽ động đặc rất nhanh và liên
kết với phần vật liệu của lớp dưới và đầu đùn tiếp tục di
chuyển để đắp lên lớp tiếp theo trên lớp trước đó.
Bước 7: Quá trình diễn ra liên tục với sự phối hợp làm
việc của toàn bộ các bộ phận cho tới khi hoàn thành
mẫu thiết kế. Máy kết thúc quá trình ngừng nung đầu
đùn và chạy về vị trí kết thúc. Sau đó ta có thể gỡ vật
liệu đỡ (support) hoặc sử lý lại bề mặt nếu cần.

7


3/11/2015

VẬT LIỆU
Vật liệu dùng trong công nghệ FDM là loại vật liệu

nhiệt dẻo chẳng hạn như, ABS, PLA, nylon, Ninjaflex
vật liệu y sinh...

Cuộn nhựa PLA

Mẫu làm từ vật liệu
Ninjaflex có thể bẻ cong

VẬT LIỆU
Các đặc trưng của vật liệu dùng trong công nghệ FDM
1/ Khả năng hóa dẻo:
Là khả năng biến đổi trạng thái từ dạng rắn sang
dạng chảy dẻo dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Khả
năng này giúp ta có thể dễ dàng định hình vật liệu và
điều phối thể tích vật liệu theo ý muốn. Điều này mang
tính quyết định trong việc hình thành chiều dày lớp tạo
hình, thông qua đó sẽ quyết định khả năng thích ứng
biên dạng của công nghệ tạo mẫu đối với những vật thể
có biên dạng hình học phức tạp.

8


3/11/2015

VẬT LIỆU
Các đặc trưng của vật liệu dùng trong công nghệ FDM
2/ Khả năng và thời gian đông cứng:
Sau khi được gia nhiệt và định hình theo ý muốn
thì vật liệu sẽ tiếp xúc với môi trường không khí ở nhiệt

độ phòng. Khi đó vật liệu phải đông cứng trở lại. Thời
gian đông cứng của vật liệu phải thật nhanh, thường
phải thấp hơn 10s. Tính đông cứng này giúp vật liệu có
độ cứng vững cần thiết sau mỗi lớp mỏng tạo hình cho
đối tượng tạo mẫu. Điều này có ý nghĩa quan trọng đối
với độ chính xác về mặt hình dáng hình học sau cùng
của mẫu.

VẬT LIỆU
Các đặc trưng của vật liệu dùng trong công nghệ FDM
3/ Khả năng liên kết:
Chính là khả năng kết dính bề mặt của 2 lớp vật
liệu mỏng liền kề nhau trong quá trình tạo mẫu. Hai
lớp vật liệu này có thể ở 2 nhiệt độ khác nhau, 2 trạng
thái vật lí khác nhau.Tính chất này mang ý nghĩa quan
trọng đối với cơ tính, độ cứng vững của sản phẩm tạo
hình khi hoàn thành.

9


3/11/2015

VẬT LIỆU
Các đặc trưng của vật liệu dùng trong công nghệ FDM
4/ Độ nhớt của vật liệu:
Độ nhớt của vật liệu sẽ quyết định khả năng
di chuyển của dòng vật liệu khi ở trạng thái chảy
dẻo dưới tác dụng của nhiệt độ. Điều này có ý nghĩa
quan trọng trọng việc xác định mức độ lực cần thiết

để đẩy dòng vật liệu với một vận tốc xác định trước,
do đó nó sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc và kích thước
cụm đầu đùn vật liệu của máy tạo mẫu nhanh.

VẬT LIỆU
Trong tạo mẫu nhanh theo công nghệ FDM hiện nay,
người ta dùng chủ yếu hai loại nhựa đó là ABS và PLA.
Các loại dây nhựa này có kích thước đường kính dây là
1,75 và 3mm, rất đa dạng về màu sắc, được đóng gói
thành từng cuộn có trọng lượng là 1kg. Thông thường,
những người mới tìm hiểu về tạo mẫu nhanh cho rằng
sử dụng sợi nhựa 1.75mm sẽ tạo ra những sản phẩm tạo
mẫu nhanh có chất lượng cao hơn so với loại 3mm. Kéo
theo nhu cầu về sợi nhựa 1.75mm cũng cao hơn hẳn.
Tuy nhiên, sợi nhựa kích thước 1.75mm không mang lại
ưu thế vượt trội hơn hẳn so với loại 3mm, mỗi loại sẽ có
những ưu nhược điểm riêng.

10


3/11/2015

VẬT LIỆU
Chỉ tiêu

ABS

PLA

Giá cả

700000vnd/1kg

800000vnd/1kg

C.lg mẫu

Khơng tốt

Tốt

Cơ tính

Bền, cứng

Giòn

Phương
pháp sử
lý bề mặt

Tan trong Axeton

Chưa tìm ra phương
pháp sử lý bề mặt

Hạn chế

Có mùi khó chịu.

Làm mát chậm

Có khói và dễ bị bắt lửa nếu

Mẫu bị cong nếu

q nhiệt.

để lâu dưới ánh
nắng mặt trời.

ƯU - NHƯỢC ĐIỂM
ƯU ĐIỂM
- Vật liệu dễ kiếm
- Dễ thay vật liệu, có thể là vật liệu chất dẻo.
- Giá bảo trì thấp
- Những vật mỏng làm ra rất nhanh
- Dung sai cỡ +/- 0.005”
- Không cần phải giám sát

11


3/11/2015

ƯU - NHƯỢC ĐIỂM
ƯU ĐIỂM
- Vật liệu không độc
- Kích thước nhỏ gọn

- Nhiệt độ gia công thấp
- Nhanh và rẻ
- Khơng cần quan tâm đến các chất thải độc hại,
lasers hoặc các chất lỏng hóa học trong bể chứa.

ƯU - NHƯỢC ĐIỂM
NHƯỢC ĐIỂM
- Giữa các lớp có vết gẫy
- Đầu phun phải di chuyển liên tục, nếu không vật
liệu sẽ đùn lên
- Cần phải có sự gia cố
- Độ chính xác bị giới hạn do hình dáng của vật liệu
sử dụng, đđường kính của day là 1,27 mm

12


3/11/2015

ƯU - NHƯỢC ĐIỂM
NHƯỢC ĐIỂM
- Kém cứng vững theo phương vuông góc với trục xây
dụng
- Diện tích mặt cắt càng lớn thời gian xây dựng mô hình
càng lâu
- Độ bền của chi tiết thì yếu theo phương vuông góc với
trục tạo sản phẩm. Nếu đầu đùn không di chuyển đồng bộ
thì có thể có chỗ bò lồi trong một số mặt cắt ngang
- Độ bền cơ học bò giới hạn

SO SÁNH VỚI CÁC PHƯƠNG PHÁP
KHÁC

13


3/11/2015

MỘT SỐ LOẠI MÁY FDM
HÃNG Genisys™
- Nguyên tắc: Đùn nhựa nóng
chảy thông qua hệ thồng đầu
phun (tương tự máy FDM )
- Đặc tính: vật liệu cung cấp
lên bàn, Phần đỡ được tạo
cùng với vật liệu sản phẩm
cùng với lỗ được khoan
- Vật liệu: Polyester
- Kích thước và độ chính xác:203x203x203 mm³, Độ chính xác : +/0.3 mm
- Giá thành: khoảng 45 000 US$

MỘT SỐ LOẠI MÁY FDM
HÃNG ModelMaker™

14


3/11/2015

MỘT SỐ LOẠI MÁY FDM

HÃNG ModelMaker™
- Nguyên tắc: Ứng dụng trong việc nóng chảy sáp dùng trong
công nghệ ink jet, Tốc độ cắt mỗi lớp là không đổi theo
phương z, Hai vật liệu: sản phẩm và phần đỡ
- Đặc tính: Độ chính xác cao, Dùng tạo mẫu, hoặc lõi trong
công nghệ đúc
Vật liệu: Sáp
- Kích thước sản phẩm và độ chính xác: Kích thước sản
phẩm: 305x152x229 mm³, Độ chính xác: 0.02 mm
Giá thành: Khoảng. 67 000$

MỘT SỐ LOẠI MÁY FDM
HÃNG Stratasys

• Patent 1992
• Có hệ thống dẫn hướng, độ chính xác 375 microns
• vật liệu: sáp, polyolefin, ABS

15


3/11/2015

MỘT SỐ LOẠI MÁY FDM
FDM 8000
• Kích thước sản phẩm:
457X457X609mm
• Độ chính xác :
±0.127...0.254mm
• Kích thước máy:

1486x1905x1003mm
• Khối lượng: 392kg
• Chiều rộng: 0.254-2.54mm
• Chiều dầy: 0.05 - 0.762
• GIAÙ 200.000 ÑEÁN 220.000
USD

MỘT SỐ LOẠI MÁY FDM
FDM 2000
• Kích thước sản phẩm: 254 x
254 x 254 mm
• Độ chính xác: ±0.127mm
• Kích thước máy:
660x914x1067mm
• Khối lượng: 160kg
• Chiều rộng: 0.254-2.54mm
• Chiều dầy lớp: 0.05-0.762

• GIAÙ 115.000
125.000 USD

ÑEÁN

16


3/11/2015

MỘT SỐ LOẠI MÁY FDM
FDM 1650

• BUILD SIZE:
254X254X254
• ACCURACY:±0.127mm
• SIZE: 660x914x1067mm
• Weight: 160kg
• Width: 0.254-2.54mm
• Thickness: 0.05-0.762

• GIAÙ 100.000 ÑEÁN
115.000USD

CÁC ỨNG DỤNG

17


3/11/2015

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

18


3/11/2015

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

19


3/11/2015

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

20


3/11/2015

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

21


3/11/2015

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

22

3/11/2015

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG

23


3/11/2015

ỨNG DỤNG
• Các nhà nghiên cứu IFAM (Frauhofer Institute of Applied
Materials Research) sử dụng quá trình mô hình nóng
chảy lắng (FDM) của hãng Stratasys để tạo nên các chất
nền. Quá trình này gần giống như làm ngược các chi tiết
yêu cầu bằng cách sử dụng quá trình mạ điện mà không
tạo ra nhiệt hoặc ứng suất trên kim loại, sử dụng cho
mặt lưng của chi tiết. Sau khi tạo một lớp kim loại trên
bề mặt lưng, chi tiết được điền đầy bằng vật liệu Epoxy
nhôm bằng cách phun lên vật liệu để tạo thành khuôn
phun có chiều dầy 3mm giữa khuôn và phần rót. Sử
dụng quá trình hóa rắn chọn lọc bằng tia laser, các nhà
nghiên cứu của IFAM đã chế tạo khuôn với bột
Electrolux và sau đó điền đầy với PbAg2Sn2. Điều này
cho phép tạo nên một lượng lớn các chi tiết được sản
xuất từ dụng cụ.

ỨNG DỤNG

24


3/11/2015

ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG
• Sự phát triển của máy móc mà được thiết kế
cho sản xuất nhanh sẽ làm giảm sự đóng góp
của chi phí máy móc tới các chi phí sản xuất
thành phần tổng hợp vượt quá thời gian. Từ đây
một quá trình giảm đáng kể trong chi phí máy
móc bằng cách mô phỏng theo máy thêu kết
bẳng laser cho việc sản xuất một khối lượng lớn
của khuôn mẫu. Hơn nữa việc thu nhỏ kinh tế sẽ
đến như sản xuất nhanh phát triển rộng rãi hơn,
điều đó sẽ giảm chi phí cho cả máy móc và vật
liệu. Các kết quả của một chu kỳ dài giống nhau
chỉ ra rằng chi phí nhân công sẽ bao gồm việc
gia tăng thành phần của chi phí sản xuất tạo bởi
sản xuất nhanh nhưng việc tự động hòan thành
có thể làm giảm điều này.

25