Nghiên cứu ứng dụng công nghệ tạo khuôn nhanh RT trong chế tạo khuôn ép nhựa

Đồ án tốt nghiệp
Chương I
CÔNG NGHỆ TẠO KHUÔN MẪU NHANH RT
RAPID TOOLING
I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO KHUÔN MẪU NHANH RT.
1. Khái niệm chung
Công nghệ tạo mẫu nhanh là một lĩnh vực đã được phát triển từ khá lâu .
Hiện nay công nghệ này càng được phát triển mạnh mẽ về qui mô và sự đa
dạng .Từ đó có thể cho phép tạo ra các chi tiết có độ chính xác cao với vật
liệu được đổi mới kèm theo thời gian và chi phí ngày càng đuợc cải thiện .
Do đó một công nghệ mới ra đời : Công nghệ tạo khuôn mẫu nhanh RT –
Rapid Tooling . Cơ sở căn bản của phương pháp này là hoặc sử dụng các
mẫu RP để tạo ra một khuôn mẫu ( phương pháp gián tiếp ) hoặc sử dụng
các quá trình công nghệ tạo mẫu nhanh RP để tạo ra trực tiếp các lòng
khuôn ( phương pháp trực tiếp ) . Phương pháp này có các uu điểm hơn hẳn
các công nghệ tạo khuôn truyền thống ( khuôn kim loại ) ở chỗ thời gian và
chi phí tạo khuôn thấp hơn nhiều lần .Tùy thuộc vào kích cỡ và độ phức tạp
của khuôn mà thời gian có thể chỉ mất dưới 1/5 và chi phí có thể dưới 5%
chi phí tạo khuôn theo phương pháp thông thường. Tuy nhiên nhược điểm
của phương pháp này là độ bền và độ chính xác của khuôn thấp hơn so với
khuôn thông thường . Để tổng quan về công nghệ này chúng ta có mô hình
sau.(Hình 1.1).

1


Đồ án tốt nghiệp
Hệ thống gia công ảo
Thiết kế
ảo

Gia công
ảo

Lắp ráp
ảo

Hệ thống CAD 3D
Pro/E
Thiết
kế

UG
CATIA

CAE

Thử nghiệm
ảo

RE
Mô
hình
CAD
3D

IDEAS

CMM
LTS
CT, MRI

Vật
thật

CIM

RP

CAM

SLA

SLS

LOM

3DP

FDM

…

Vật mẫu

Khuôn gia
công bằng gỗ
hoặc thạch cao

Khuôn mẫu nhanh
RT

Rapid Tooling
Hình 1.1a.Sơ đồ tổng quan về công nghệ tạo khuôn
nhanh RT.
2


Đồ án tốt nghiệp
2. Phân loại
Như chúng ta đã biết ở trên có hai phương pháp tạo khuôn mẫu nhanh RT
đó là phương pháp trực tiếp và phương pháp gián tiếp . Trong mỗi loại lại có
rất nhiều phương pháp cụ thể riêng biệt . Để có cái nhìn tổng quan chúng ta
xem sơ đồ minh họa dưới đây:
Khuôn mẫu
nhanh RT

Phương pháp trực
tiếp

Khuôn
bền
(Firm
Tooling)

Phương pháp gián
tiếp

Khuôn
cứng
(Hard
Tooling)

Khuôn
mềm
(Soft
Tooling)

Khuôn
cứng
(Hard
Tooling)

Phương pháp trực
tiếp

Khuôn cứng(HardTooling)

Khuôn bền (FirmTooling)
Direct AIM TM

EOS DirectTool TM

DTM Coper PA

DTM Rapid Tool

DTM SanForm

LOM (Gốm)

EOS DirectCroning TM

3DPTM Direct metal

LOM (nhựa)
3DPTM Ceramic Shell
3


Đồ án tốt nghiệp

Phương pháp gián tiếp

Khuôn mềm (Soft Tooling)

Khuôn cứng(HardTooling)

Khuôn RTV

3D Keltool TM

Khuôn Epoxy

3D QuickCast

Khuôn thạch cao

Khuôn cát

CBC

Chemical bonded
Metal Powder

Arc metal Spray
Express Tool TM

EDM Electrode

NVD

Khuôn chính xác

Khuôn
gốm

Lost Foam
casting

Abrading
Process

Copper
Electroforming

Investment
casting

Plaster
casting

Metal
Spray

Net shape
casting

Hình 1.1b. Các phương pháp tạo khuôn nhanh RT.

4


Đồ án tốt nghiệp
II. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỂN HÌNH
Trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp ,chúng em chỉ nghiên cứu một số
phương pháp điển hình cho cả hai phương pháp trực tiếp và gián tiếp .
A. Phương pháp gián tiếp
Như đã trình bày ở phần trên , ý tưởng của phương pháp gián tiếp là sử
dụng các mẫu sẵn có để tạo ra một bộ khuôn .Phương pháp này rất đơn giản
nên được sử dụng rộng rãi. Dưói đây là một số phương pháp cụ thể .
1. Khuôn cao su lưu hoá RTV (Room Temperature Vulcanizing)
Phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi hiện nay. Đặc tính ưu việt của
khuôn RTV là thời gian tạo khuôn rất nhanh và giá thành rẻ hơn so với
khuôn kim loại( khuôn Al). Nhưng nó lại có một nhược điểm là khuôn RTV
không tạo ra đúng hình dáng của mẫu thực do khuôn RTV rất mềm và nó dễ
bị biến dạng dưới áp lực.
Để tạo một khuôn RTV thông thường qua các bước sau:
o Bước 1 :Tạo mẫu đúc
Việc tạo mẫu có thể được chạm bằng tay, gia công bằng máy thông
thường, máy CNC, và nhiều phương pháp khác. Tuy nhiên để tiết kiệm thời
gian, các vật mẫu thường được tạo ra bằng công nghệ tạo mẫu và gia công

nhanh RP & M. Các vật mẫu thường được tạo ra bằng các phương pháp như:
FDM, LOM, SLS, SGC,SL…vv.
Các yêu cầu cơ bản của vật mẫu cho khuôn RTV là phải đảm bảo:
• Không hạn chế sự lưu hoá của khuôn cao su
• Phải đạt được độ chính xác kích thước yêu cầu
• Cho phép đánh bóng để đạt được chất lượng bề mặt yêu cầu.
Cần lưu ý rằng khuôn RTV có khả năng tái tạo lại các đường nét rất tốt.
Các đường nét rất bé của vật mẫu cũng được khuôn RTV sao chép lại và
chuyển sang cho chi tiết. Điều này vừa có lợi ích lại vừa có hại. Điều có lợi
ở đây là nhờ tính chất này mà khuôn RTV có thể sao chép tỉ mỉ ,chi tiết các
đường nét của mẫu , nhưng ngược lại nó cũng làm khó khăn ở chỗ chúng ta
phải rất cẩn thận trong công đoạn xử lý bề mặt cuối vì nếu không khéo vô
tình chúng ta có tạo vết xước rất nhỏ trên mẫu từ đó lại được chuyển vào bề
mặt khuôn và chi tiết .

5


Đồ án tốt nghiệp
o Bước 2: Tạo các đường thông khí và đậu rót ,bố trí mẫu trong
hòm khuôn.
Đậu rót được đưa lên trên vật mẫu và được gắn bằng một loại keo tốt.
Sau đó đậu rót và vật mẫu được lau chùi bằng một miếng vải dấp ướt rượu
iso propyl để loại trừ bụi bẩn và dấu vân tay. Vật mẫu và đậu rót được treo
lên trong một hộp gỗ hoặc hộp khung kim loại sạch.
o Bước 3: Tạo khuôn
Vật liệu cao su silicon lỏng được trộn đều và được đổ lên trên vật mẫu
trong môi trường chân không để loại trừ các bọt khí.
. Sau đó toàn bộ lại được đưa vào một lò lưu hoá nhiệt độ thấp với nhiệt
độ duy trì khoảng 800C ( 1220F) trong thời gian 6 – 12h.

Quá trình lưu hoá cao su là quá trình toả nhiệt, do đó nhiệt độ của phần
cao su lưu hoá sẽ cao hơn nhiệt độ trong lò. Sau khi khuôn RTV đã lưu hoá
hoàn toàn, khuôn được làm mát trở lại nhiệt độ phòng.
Sau khi khuôn RTV đóng rắn hoàn toàn nó được đẩy ra từ hộp khung
của khuôn và được cắt theo mặt phân khuôn với dao X- Acto hoặc dao mổ.
Bằng kinh nghiệm, để tạo ra một vết cắt, tốt nhất là ta cố tình tạo “ gợn
sóng” gần phía ngoài khuôn và bằng phẳng phía gần vật mẫu. Bằng cách này
gợn sóng trên mỗi nửa khuôn sẽ định vị chính xác với phần còn lại của nửa
kia.
2. Khuôn dùng nhựa Epoxy điền nhôm.
Các khuôn dùng nhựa Epoxy được ứng dụng cho :
o Khuôn phun chất dẻo
o Các khuôn đúc
o Các khuôn ép
o Các khuôn đúc áp lực
Dưới đây là một ví dụ về khuôn Epoxy :

6


Đồ án tốt nghiệp

Hình a

Hình b

Hình d

Hình c

H ình1.2 .Chế tạo khuôn mềm: soft rapid tooling.
Hình a)Vỏ khuôn cùng với đường làm mát.
Hình b) Mẫu chính xác được chế tạo bằng phương pháp SL được đặt
trong hộp khuôn trước khi đổ nhựa Epoxy.
Hinh c) Chi tiết được chế tạo.
Việc chế tạo khuôn RT bắt đầu
bằng việc đặt mẫu RP đúng vị trí
theo đường phân khuôn.Các rãnh
rót và rãnh ngang có thể được bổ
sung và được cắt bỏ sau khi khuôn
được đúc xong. Mặt ngoài của

H ình 1.3.Khuôn Epoxy điền nhôm

mẫu được phủ bằng chất trợ tháo
khuôn và bắt đầu rót nhựa lên mẫu .Thông thường bột nhôm được thêm vào
7


ỏn tt nghip
nha Epoxy, ng lm mỏt bng ng ng mm c t vo giai on
ny tng kh nng dn nhit ca khuụn.
Sau khi Epoxy ó ụng rn hon ton tm phõn khuụn c thỏo ra, o
ngc khuụn li v to lũng khuụn th 2 tng t. Sau khi khuụn hon ton
úng rn, tỏch hai na khuụn ,ly mu RP ra nha Epoxy đợc rót vào
để tạo hình phần bên kia của khuôn đúc. Khi phần thứ hai
của khuôn đúc đợc lu hoá, hai nửa của khuôn đúc đợc tách
ra và mẫu đúc đợc tháo ra.
Tuy nhiên, sự hóa rắn epoxy là phản ứng toả nhiệt, nhiệt
này có thể làm hỏng mô hình RP. Trong trờng hợp này,

khuôn đúc RTV silicon đợc đúc từ mẫu đúc RP và mô hình
RTV silicon đợc làm từ khuôn đúc và đợc sử dụng nh mẫu
đúc để khuôn đúc bằng epoxy điền đầy bằng nhôm.
Việc tái tạo nhiều lần sẽ làm độ chính xác sẽ giảm xuống. Có
thể xây dựng khuôn đúc RP nh bản gốc sao cho chỉ có một
bớc tái tạo RTV silicon cần thiết. Do tạo khuôn đúc bằng
epoxy không cần kỹ năng hoặc trang thiết bị đặc biệt, nó
là một công nghệ rẻ tiền sẵn có. Nó cũng là một trong
những phơng pháp nhanh nhất.
Các khuôn đúc epoxy có các hạn chế sau :
- Giới hạn về tuổi thọ khuôn đúc
- Khả năng truyền nhiệt thấp
- Dung sai phụ thuộc vào các mẫu đúc gốc
- Epoxy điền nhôm có độ bền kéo thấp.
8


ỏn tt nghip

Bảng 1.1. Tuổi thọ của các khuôn đúc epoxy điền nhôm
khi đúc các vật liệu.

Vật liệu

Tuổi

thọ

khuôn đúc
ABS

200 - 3000

Acetal

100 1000

Nylon

250 3000

Nylon(trộn thuỷ tinh)

50 200

PBT

100 500

PC/ABS

100 1000

Polycarbonate

100 1000

Polyethylence

500 - 5000

Polypropylence

500 5000

Polystyren

500 5000

3. Khuôn gốm .
Gốm có thể đợc dùng để chế tạo khuôn đúc. Các khuôn
đúc gốm có thể đợc sử dụng trong các quá trình tạo hình
kim loại và đúc kim loại. Trong chế tạo các khuôn đúc gốm, lợng nớc sử dụng phải đợc khống chế để tránh co ngót quá
mức khi vật liệu đợc thiết lập. Gần đây, các nhiều công
9


ỏn tt nghip
trình nghiên cứu tập trung vào các gốm không co ngót. Gốm
Calcium Silicate dựa trên Castable (CBC) đã đợc bắt đầu đợc phát triển.

Trộn cẩn thận bằng
tay nhựa RP4037
với tỉ lệ trọng lợng
1: 0,13

Chứa trong
nơi khô và
mát

Trộn với tỉ lệ
SiC phù hợp

Hút chân
không

Lấy khỏi khuôn và
xử lý trong lò đối
lu trong 4 h ở
nghiệt độ 130 0C
và hạ xuống nhiệt
độ bình thờng
trong 8 giờ

Đổ vào khuôn và
xử lý trong 24 giờ
trong nhiệt độ
trong phong

Hình 1.4 . Quy trình chế tạo khuôn gốm điền đầy bằng
epoxy.
Các giai đoạn tạo ra hai nửa
khuôn đúc gốm CBC hơi khác
với các

bớc tạo khuôn đúc

epoxy nêu trên. Các gốm CBC
chỉ tạo ra một lợng nhiệt nhỏ
trong khi xử lý (xấp xỉ 50 0C).

Điều này cho phép chúng đợc
rót trực tiếp lên mẫu RP mà
không làm h hại nó. Hai nửa
khuôn đúc phải đợc đúc

Hình 1.5 Các bớc chế tạo
khuôn gốm xốp.

chân không để tránh bọt khí. Sau khoảng 1 giờ, mẫu đúc
RP có thể đợc tháo bỏ và khuôn đúc gốm đợc xử lý trong
10


ỏn tt nghip
khoảng 24 giờ trong lò. Khi gốm đợc xử lý, các mặt sau của
hai nửa khuôn đúc đợc gia công phẳng và các đờng dẫn hớng đợc gia công để tiếp nhận các chốt đẩy.
Tính xốp của gốm gây nhiều khó khăn khi đúc các vật
liệu là polyme. Cần phải xử lý bề mặt khuôn để giảm độ
xốp bằng các phơng pháp nh bôi trơn màng khô, sử dụng
chất trợ tháo khuôn. Các khuôn đúc gốm dễ vỡ và phải đợc
giữ cẩn thận. Để tăng độ bền và độ bền kéo và khả năng
dẫn nhiệt nên bổ xung các sợi nhỏ tăng bền và bột nhôm.
Khuôn đúc chế tạo bằng cách này có thể đúc đến hàng
trăm chi tiết.
Ưu điểm chính của phơng pháp này là chi phí của gốm
thấp và thời gian cần thiết để chế tạo khuôn đúc ngắn.
Một vài loại khuôn gốm CBC có thể chỉ cần thời gian chế tạo
trong vài giờ, điều này cho phép rút ngắn rất nhiều quá
trình chế tạo khuôn mẫu.
4. Chế tạo khuôn đúc kim loại .

Việc chế tạo khuôn đúc kim loại thờng mất nhiều thời gian
và tốn kém, nhng nếu kết hợp công nghệ RP với các công
nghệ tạo khuôn gián tiếp, có thể chế tạo khuôn một cách
nhanh chóng với giá thành hợp lý. Tùy theo công nghệ chế tạo
các loại khuôn chế tạo theo phơng pháp này có tuổi thọ từ
vài chục đến hàng nghìn
sản phẩm đúc

11
Hình 1.6. Khuôn, mẫu chảy
và vật đúc (MPC Goup).


ỏn tt nghip
a) Đúc bằng mẫu chảy.
Phơng pháp đúc bằng mẫu chảy đợc dùng để đúc các chi
tiết phức tạp và chính xác. Phơng pháp này đợc sáng chế
bởi ngời Ai cập trớc đây và đợc gọi là sáp tan. Nh tên gọi của
nó, các mẫu đúc sáp đợc sử dụng để xác định hình dạng
chi tiết sau đó chảy đi. Các mẫu đúc từ vật liệu bọt, giấy,
polycarbonat và các vật liệu RP khác có thể chảy hoặc làm
bốc hơi một cách dễ dàng. việc sử dụng các mô hình RP dễ
chảy trong đúc mẫu chảy là một trong những các ứng dụng
RP đầu tiên. Ngày nay, các mẫu chảy có thể đợc chế tạo
bằng hầu hết máy RP một cách trực tiếp.

Các bớc đúc mẫu chảy bao gồm:
1. Chế tạo mẫu đúc (H. a)
2. Ghép các mẫu đúc thành nhóm và đặt đậu rót (H. b).
3. Đặt nhóm chi tiết vào trong vỏ (H. c)

5. Vật liệu bọc bằng gốm đợc rót bao quanh chùm mẫu
đúc trong trong chân không trong khoang chân không
đặc biệt để tránh tạo ra các bọt (H. d, e).
6. Sau khi khuôn đúc gốm đợc đông cứng và làm khô,
nung chảy các mẫu đúc (H. f, g).
7. Đúc chân không trong thiết bị đúc chân không (H. h)

12


ỏn tt nghip
8. Khuôn đúc gốm đợc đập vỡ khỏi vật đúc bằng cách sử
dụng tia nớc. Sau đó, đậu rót và các nhánh cửa đợc loại bỏ
khỏi các vật đúc (H. k,l,m).

a.

b.

e.

c.

f.

i.

k.

d.

g

l.

h

m.

Hình 1.7. Các bớc chế tạo khuôn đúc bằng mẫu chẩy dùng
thiết bị của MCP Metal Part Casting.
b) Đúc với mẫu là kim loại dễ nóng chảy.
Công nghệ đúc với mẫu kim loại dễ nóng chảy là một phơng pháp mới để tạo ra các chi tiết chất dẻo liền khối, rỗng,
phức tạp khó có thể tạo ra đợc bằng các phơng pháp khác.
Công nghệ này có thể xem nh một biến thể của phơng
13


ỏn tt nghip
pháp đúc bằng mẫu chảy. Sự khác biệt giữa hai phơng pháp
này là ở vật liệu dùng làm các mẫu. ở đây, các hợp kim có
nhiệt độ nóng chảy thấp đợc sử dụng làm mẫu thay cho
sáp. Các công nghệ RP đợc sử dụng để chế tạo chi tiết và
các mô hình làm mẫu đúc.
Các mẫu đúc phải có hình dạng bên trong của chi tiết.
Thông thờng, mẫu đúc đợc thiết kế để đặt vào trong vị
trí lơ lửng trong khuôn đúc và đợc chứa trong khoang đúc.
Các chi tiết đã đúc bao lấy các mẫu đúc và các mẫu này đợc loại bỏ bằng cách nung nóng hoặc bằng nhúng trong nớc
hoặc dầu nóng. Các mẫu đúc có thể có điểm nóng chảy tới
2200C tuỳ thuộc vào hợp kim sử dụng.

Nhờ phơng pháp này, có thể chế tạo các chi tiết phức tạp
mà không cần chia chúng thành nhiều phần hoặc phải hàn
hay ghép bằng ren. Công nghệ này thờng đợc sử dụng để
tạo ra các chi tiết có dạng vỏ bảo vệ. Các chi tiết thông thờng đợc tạo ra bằng công nghệ mẫu đúc kim loại dễ nóng
chảy là: các bình chứa chất lỏng, các bơm nhiên liệu và nớc,
và các đờng ống động cơ.
c) Đúc li tâm.
Phơng pháp đúc này thực hiện bằng cách phun vật liệu
qua đậu rót nằm ở tâm vào trong khuôn đúc quay ở tốc
độ cao. Các khuôn đúc quay dùng cho các chi tiết kim loại
đợc tạo ra bằng silicon hóa rắn bằng nhiệt.

14


ỏn tt nghip
Nhiệt độ trong quá trình chế tạo khuôn đúc là quá cao
đối với các mẫu RP thông thờng. Vì thế, việc chế tạo chi
tiết kim loại bằng cách sử dụng phơng pháp đúc li tâm bao
gồm một vài bớc. Đầu tiên, khuôn đúc cao su RTV đợc làm từ
mẫu RP. Khuôn ban đầu này đợc dùng để chế tạo chi tiết có
vật liệu là hợp kim trên nền thiếc. Chi tiết kim loại này đợc
dùng làm mẫu để chế tạo khuôn đúc silicon hóa rắn bằng
nhiệt. Khuôn đúc cuối cùng này có thể dùng để đúc li tâm
ra các chi tiết hợp kim kẽm có đặc tính độ bền vật lý giống
với cả các chi tiết nhôm đúc áp lực và chi tiết kẽm.

d) Đúc trong khuôn cát.
Phơng pháp đúc cát thờng đợc sử dụng để sản xuất các
chi tiết kim loại khá lớn với yêu cầu về chất lợng bề mặt thấp.

15


ỏn tt nghip

Hình 1.8. Quy trình đúc kim loại sử dụng máy Zcast.
Công nghệ RP có thể đợc sử dụng để tạo ra các mẫu đúc
cho chế tạo các khuôn đúc cát. Các khuôn đúc này đợc tạo
ra bằng cách đặt các mẫu đúc RP trong hòm khuôn cát sau
đó đợc điền đầy và nèn bằng cát để tạo ra khoang đúc.

Các mẫu này đợc chế tạo chính xác và dễ dàng hơn, hơn
nữa có thể thực hiện điều chỉnh lợng bù co ngót cũng nh
thêm các phần gia công phụ ở những chỗ cần gia công sau
khi đúc. Hãng Zcorp còn đa ra công nghệ chế tạo khuôn cát
trực tiếp trên hệ thống ZCast nh hình vẽ. Tuy nhiên ứng
dụng của công nghệ này vẫn cha đợc quan tâm nhiều.
e) Đúc áp lực.

16


ỏn tt nghip
Phơng pháp chế tạo khuôn đúc áp lực bằng gốm giống nh
quá trình chế tạo khuôn đúc gốm, loại khuôn này dùng để
đúc bằng hợp kim nhôm. Sau đó khuôn đúc gốm làm việc
nh khuôn đúc áp lực nhng có thể đợc sử dụng chỉ để chế
tạo một khuôn đúc kim loại.
Mục đích sử dụng mô hình RP cho đúc kim loại là để

làm khuôn đúc giống nhất với khuôn đúc cuối sao cho chỉ
cần đánh bóng là đủ. Theo cách này, thời gian gia công đợc tiết kiệm so với các phơng pháp làm khuôn đúc truyền
thống.
Khác với các phơng pháp tạo khuôn đúc trớc đây, các
khuôn đúc kim loại này có độ bền và khả năng dẫn nhiệt
khá tốt. Nên có thể dùng lực kẹp thông thờng và tăng áp lực
phun trong chu kỳ đúc. Khi đó, có thể áp dụng chế độ đúc
áp lực nh nh giống các khuôn đúc thông thờng nhng tuổi
thọ của khuôn đúc thờng bị giới hạn dới một nghìn chi tiết.
Các khuôn đúc đợc tạo ra bằng các phơng pháp trên khác
với các khuôn đúc thông thờng về hình dạng, độ phức tạp,
các tính năng kỹ thuật cơ nhiệt. Sự khác nhau này ảnh hởng
tới thời gian chu kỳ sản xuất, các đặc tính của chi tiết và
tuổi thọ của khuôn đúc. Tuy nhiên, mục đích của các phơng pháp tạo khuôn đúc này không nhằm thay thế phơng
pháp tạo khuôn đúc thông thờng mà chỉ tạo ra các khuôn
đúc có tuổi thọ thấp nhng có chi phí thấp và thời gian chế
tạo ngắn nhằm đáp ứng yêu cầu đổi mới hoặc đa dạng
hóa sản phẩm của thị trờng.
17


ỏn tt nghip
f) Chế tạo điện cực trong gia công xung điện và trong
gia công khuôn kim loại.
Các mô hình RP và phơng pháp chế tạo khuôn RTV có
thể dùng để chế tạo các điện cực trong gia công xung điện
một cách chính xác và đơn giản. Các điện cực này đợc
dùng để chế tạo các khuôn dập áp lực truyền thống nh trong
hình minh họa dới đây:

B. Phng phỏp trc tip.
Các phơng pháp gián tiếp dùng cho sản xuất khuôn đúc
nh đợc mô tả ở phần trớc cần tối thiểu một quá trình tạo
bản sao trung gian. Điều này làm giảm độ chính xác và có
thể làm tăng thời gian xây dựng khuôn đúc. Để khắc phục
nhợc điểm này của các phơng pháp gián tiếp, một vài nhà
sản xuất thiết bị RP đã đề xuất các phơng pháp tạo khuôn
đúc nhanh mới : các khuôn đúc đợc xây dựng trực tiếp từ
các mô hình CAD 3D. Chơng này mô tả các giải pháp RT
trực tiếp đã đợc thơng mại hoá .
Các phơng pháp RT trực tiếp cho phép tạo ra các khuôn
Hình 1.9. Các bớc công nghệ chế tạo khuôn mẫu nhanh
đúc có thể thực hiện hàng chục nghìn chu kỳ và là lựa
chọn tốt hơn đối với các công nghệ làm khuôn đúc truyền
thống. Độ bền hoặc tuổi thọ dự tính của các khuôn đúc tạo
ra bởi các phơng pháp này thay đổi đáng kể tuỳ thuộc vào
vật liệu và phơng pháp RT sử dụng. Điều này khiến cho lĩnh
vực ứng dụng của các phơng pháp RT trực tiếp rất rộng bao
18


ỏn tt nghip
chùm tạo khuôn đúc bằng mẫu, tạo khuôn đúc bằng tái tạo
và tạo khuôn đúc sản xuất. Tuỳ theo ứng dụng, các phơng
pháp RT trực tiếp có thể đợc chia thành hai nhóm chính.
Chế tạo khuôn nhanh theo phơng pháp trực tiếp đợc chia
thành hai nhóm, nhóm thứ nhất bao gồm các phơng pháp có
chi phí thấp và thời gian thực hiện ngắn hơn thích hợp với
yêu cầu chế tạo các vật đúc ít và thời gian ngắn. Phơng
pháp này giúp đánh giá nhanh sản phẩm chế tạo để có

những điều chỉnh cần thiết trớc khi chi phí cho sự thay
đổi trở nên quá lớn. Phơng pháp tạo khuôn RT trực tiếp này
đáp ứng các yêu cầu trên gọi là phơng pháp tạo khuôn đúc
bắc cầu. Phơng pháp tạo khuôn RT dùng để lấp khoảng
trống giữa tạo khuôn đúc mềm và khuôn đúc cứng, tạo ra
các khuôn đúc có khả năng đúc loạt nhỏ từ 50 đến 100 chi
tiết.
Nhóm thứ hai bao gồm các phơng pháp tạo khuôn RT cho
phép chế tạo các dụng cụ dùng cho các khuôn đúc tiền sản
xuất và khuôn đúc sản xuất cần xây dựng. Phơng pháp này
đợc gọi là Khuôn cứng Hard tooling. Hiện tại các giải pháp
sẵn có cho Khuôn cứng Hard tooling dựa trên việc sản
xuất các khuôn đúc dạng bột kim loại thiêu kết (thép, gang
và đồng) , bột đợc thấm đồng hoặc đồng thiếc (các hệ
thống 3D của KeltoolTM, phơng pháp DTM RapidtoolTM, Kim
loại EOSINT của EOS, in 3D cho các chi tiết kim loại của
Soligen).
19


ỏn tt nghip

1. Các khuôn đúc áp lực ACESTM trực tiếp (AIMTM).
Khuôn

đúc

epoxy

đợc

dùng trong đúc áp lực các
chi tiết nhựa nhiệt dẻo. Do
độ bền nhiệt của các nhựa
epoxy lu hoá khoảng 2000C
và các chất dẻo đợc phun ở
các nhiệt độ 3000C (5720F)
nên kiểu khuôn đúc áp lực
này phải tuân theo quy

Hình 1.10. Các đờng làm
mát trong khuôn.

trình riêng. Khuôn đúc áp lực đợc vẽ bằng phần mềm 3D
CAD, Sau đó, các đậu rót vào chốt đẩy đợc bổ sung và
khuôn đúc đợc bọc với chiều dày thích hợp (khoảng
1,27mm). Khuôn đúc sau đó đợc xây dựng trên máy tạo
hình lập thể. Các chân đỡ sau đó đợc tháo bỏ và khuôn
đúc đợc đánh bóng. Khả năng dẫn nhiệt của nhựa tạo hình
lập thể thấp hơn thép khuôn đúc thông thờng khoảng 300
lần. Để giảm nhiệt trong khuôn đúc và giảm thời gian phun,
đờng ống đồng làm mát bằng nớc đợc đặt thêm trong
khuôn và mặt sau của khuôn đúc đợc điền đầy bằng hỗn
hợp với 30% thể tích hạt nhôm và 70% của nhựa epoxy. Việc
làm mát khuôn đúc đợc thực hiện bằng thổi khí trên các bề
mặt khuôn đúc khi chúng đợc tách riêng sau khi thực hiện
đúc áp lực.
20

ỏn tt nghip

Hình 1.11 Các bớc chế tạo khuôn đùn ép bằng

phơng pháp trực tiếp AIMTM.

Nhợc điểm chính của khuôn đúc AIMTM trực tiếp là số lợng
các chi tiết có thể sản xuất đợc bằng khuôn này tuỳ thuộc
nhiều vào hình dạng và kích cỡ của chi tiết đợc đúc cũng
nh các kỹ năng của kỹ thuật viên. Do phải hoàn thiện các
hình dạng bên trong của khuôn đúc, phơng pháp này khó
hơn các phơng pháp gián tiếp (ở phơng pháp này mô hình
nằm ở ngoài). Ngoài ra, góc nghiêng thành khuôn phải từ 1/2
đến 10 và nên dùng chất trợ tháo khuôn trong mỗi chu kỳ
phun để đảm bảo tháo chi tiết dễ dàng.

21


ỏn tt nghip
Mặc dù thời gian phun từ 3 đến 5 phút là dài so với phơng
pháp đúc áp lực thông thờng (5 đến 15 giây), khuôn đúc
AIMTM trực tiếp thích hợp cho sản lợng đúc khoảng 100 chi
tiết và chỉ mất một tuần để có sản phẩm mới kể từ khi
nhận đợc bản thiết kế.
Để tăng cả độ bền mòn và khả năng dẫn nhiệt của khuôn
đúc AIMTM, 1 lớp đồng 25àm đợc lắng đọng của trên bề
mặt khuôn đúc.
Hiện cũng đã có các khuôn đúc áp lực làm bằng nylon đợc chế tạo bằng phơng pháp SLS hoặc bằng hoá rắn nhựa
uretan dùng trong tạo hình điền các hạt thuỷ tinh

2. Các khuôn đúc sản xuất vật thể dạng lớp (LOM).
Phơng pháp LOM ban đầu tạo ra các chi tiết làm mẫu và
mô hình bằng các tấm giấy, nhng hiện nay có nhiều công
ty đang chào bán công nghệ và thiết bị đi kèm có khả năng
chế tạo dụng cụ trực tiếp bằng phơng pháp LOM.

Hình 1.12. Thiết bị theo công nghệ LOM của CAM-LEM và
quá trình hoạt động.
22


ỏn tt nghip
Tuy vậy, các khuôn chế tạo bằng phơng pháp trên chỉ có
thể dùng cho các nhựa dẻo nhiệt có nhiệt độ nóng chẩy thấp
mà không thích hợp cho đúc áp lực hoặc phun bằng các
chất dẻo nhiệt thông thờng. Vì vậy, ngời ta đã dùng các vật
liệu mới dựa trên epoxy hoặc gốm để có thể chịu đợc các
điều kiện làm việc khó khăn hơn. Các composit polyme
đang đợc nghiên cứu và có khả năng đợc đa vào ứng dụng
trong thời gian tới.
- Các tấm polyme : các tấm này bao gồm sợi thuỷ tinh và
gốm trong nền epoxy B-star. Các chi tiết đợc làm bằng vật
liệu này đòi hỏi hậu xử lý ở 1750C trong 1 giờ. Ngay khi xử lý
xong, chúng có độ bền nén tốt và chỉ bị biến dạng ở nhiệt
độ 2900C.
- Các tấm gốm: Hai vật liệu gốm đã đợc phát triển cho
LOM, gốm AIN có thể thiêu kết và SiC gốm có thể thâm
nhập silicon. Hai vật liệu vật liệu trộn với 55% thể tích chất
liên kết polyme.
Phơng pháp bằng hợp chất polyme đang đợc kiểm tra và

ứng dụng công nghiệp đầu tiên. Phơng pháp gốm có ít u
điểm hơn và đòi hỏi sự thay đổi phần mềm cho máy
LOM.
3. Phơng pháp DTM RapidToolTm.
Phơng pháp này áp dụng công nghệ SLS để chế tạo các
chi tiết của khuôn mẫu. Hai loại vật liệu mới nhất của phơng
pháp này là LaserForm và RapidSteel
23


ỏn tt nghip

.

Hình 1.13. Các bớc chế tạo dụng cụ nhanh theo công nghệ
của DTM RapidToolTm.
Copper Polyamide. Mỗi trong số các vật liệu này đòi hỏi
các công nghệ thực hiện khác nhau mặc dù cả hai vật liệu
này

đợc

thiết

kế

để

sử

dụng

cho

thiết

bị

DTM

Sinterstation.
* LaserFormTM Đây là loại bột làm từ các hạt thép không
rỉ 420, đợc phủ bằng chất kết dính nhựa nhiệt dẻo. Phơng
pháp này có thể chia thành 2 giai đoạn. Giai đoạn đầu (giai
đoạn sơ chế), các chi tiết của khuôn đợc xây dựng từng lớp
bằng cách nung chẩy chất kết dính trong máy SLS. Trong
24


ỏn tt nghip
giai đoạn thứ 2 (giai đoạn nung), chi tiết sơ chế đợc nung
thành dạng kim loại có cấu trúc chặt bằng cách điền đầy
các khe hở bằng đồng thanh. Trong giai đoạn nung, ở
khoảng nhiệt độ 450 - 650

0

C polyme bay hơi và từ 700

0

C

bắt đầu quá trình thiêu kết thép. Các chi tiết gia công sau
đó đợc nung đến nhiệt độ 10700 C, ở nhiệt độ này đồng
đợc điền đày trong chi tiết bằng quá trình mao dẫn. Để
tránh bề mặt chi tiết bị oxy hóa, toàn bộ quá trình đều
đợc thực hiện ở trong môi trờng Nitơ. Sản phẩm cuối cùng
của quá trình này là các chi tiết có cấu trúc chặt với 60%
thép không rỉ và 40 % đồng thanh. Các chi tiết này có thể
gia công bằng các phơng pháp cắt gọt thông thờng để
nâng cao độ chính xác và chất lợng bề mặt.
*RapidSteel 1.0.
Sản phẩm đầu tiên, bột RapidSteel 1.0 đợc làm bằng các
hạt thép carbon thấp với đờng kính trung bình 55àm. Các
hạt đợc phủ bằng chất liên kết dẻo nhiệt. Quá trình
RapidSteed 1.0 mô tả trên H.3.61 có thể đợc chia thành ba
giai đoạn [Pham et al., 2000]:
Giai đoạn 1. Sản xuất chi tiết trung gian ( phơng pháp
SLS):
Chất liên kết có điểm nóng chảy thấp cho phép vật liệu
xây dựng liên kết lại với nhau trong máy SLS để tạo ra khuôn
đúc sơ bộ mà không cần làm nóng bàn đỡ chi tiết. Các

25