Ứng dụng phương pháp thiết kế sản phẩm theo mô đun trong thiết kế máy tạo mẫu nhanh thiêu kết laser
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.96 MB, 146 trang )
Chí Minh
Đ I HỌC Q́C GIA TP. HCM
Ờ
ỌC B C
__________ _______________
h
LÊ THANH SƠN
Ứ
DỤ
E
Y
NHANH
E
Chuyên ngành: K THU T CƠ KH
M s : 60 52 04
LU N V N TH C S
TP. HỒ CH MINH, tháng 08 năm 2015
vii
C
Ì
Ờ
ỢC
À
À
ỌC B C
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học :
–
Q
–HCM
YỄ
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 :
À
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 :
YỄ
YB C
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 07 tháng 07 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
ỌC
1.
À
2.
YỄ
3.
YB C
Q
4.
C
5.
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đ đƣợc sửa chữa (nếu có).
C Ủ
C
Ộ
Ở
ỌC
YỄ
ỘC
i
Đ I HỌC Q́C GIA TP.HCM
Ờ
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGH A VIỆT NAM
ỌC BÁCH KHOA
Ệ
ộc lập- ự do-
VỤ
Ậ VĂ
ạnh phúc
C Ĩ
Họ và tên học viên:
MSHV: 13041063
Ngày, tháng, năm sinh: 04/04/1990
Nơi sinh: Long An
Chuyên ngành: K Thuật Cơ Kh
I.
Ề À:
M s : 60 52 04
Ứ
DỤ
E
E
Y
Ệ
II.
VỤ VÀ Ộ D
:
- Tổng quan nghiên cứu v c ng nghệ tạo mẫu nhanh trong đó tập trung nghiên
cứu v c ng nghệ thiêu kết laser sử d ng trong mẫu máy tạo mẫu nhanh SLS.
- Ứng d ng phƣơng pháp thiết kế theo m -đun cho quá tr nh thiết kế máy.
- Th c nghiệm gia c ng một s sản ph m mẫu đ đánh giá khả năng gia c ng.
III. NGÀY GIAO NH Ệ
ÀY
IV.
V. C
À
BỘ
VỤ: 19/01/2015
À
Ớ
Ệ
D
VỤ: 20/11/2015
: PGS.TS
YỄ
Tp.HCM, ngày 08 tháng 08 năm 2015
C
BỘ
Ớ
C Ủ
D
YỄ THANH NAM
Ệ
Ầ
Y
Ở
YỄ
BỘ
ỘC
À
D Y
ii
Ờ C
Những dòng cảm ơn này đƣợc viết chân thành nhất đ tỏ lòng biết ơn của t i
đến với những ngƣời thân yêu nhất của m nh.
Trong học tập tại Bộ m n Chế tạo máy-Khoa Cơ Kh - trƣờng ĐH Bách Khoa
TP.HCM, t i v cùng cám ơn thầy PGS.TS Nguy n Thanh Nam, ngƣời thầy v
cùng thân thiết, đ đồng hành cùng t i trong su t qu ng đƣờng học tập từ bậc Đại
học đến bậc Cao học. Thầy kh ng chỉ là ngƣời truy n dạy cho t i những kiến thức
kinh nghiệm mà còn là ngƣời truy n cho t i s yêu th ch đam mê nghiên cứu khoa
học ngay từ những năm tháng đầu tiên khi t i là sinh viên của trƣờng ĐH- Bách
Khoa TP.HCM.
Trong cuộc s ng, t i v cùng cám ơn gia đ nh đ lu n động viên và hỗ trợ t i
từ vật chất đến tinh thần. Cám ơn ba tôi đ định hƣớng cho tôi trên đƣờng học tập
và lu n lắng nghe những khó khăn c ng nhƣ chia sẽ hỗ trợ t i v m t chuyên m n
b ng những kinh nghiệm của m nh trong ngh Cơ kh Chế tạo máy đ t i có th
hồn thành nhiệm v học tập và nghiên cứu. Tôi v cùng cảm ơn Mẹ và ngƣời yêu
đ chăm lo cho t i trong su t quá tr nh học tập c ng nhƣ động viên và cho t i
những lời khuyên hữu ch trong cuộc s ng.
Ngoài ra, t i xin dành lời cám ơn chân thành đến Phòng th nghiệm trọng đi m
đi u khi n s và k thuật hệ th ng (DCSELAB) là nơi t i đang c ng tác đ tạo mọi
đi u kiện t t nhất đ t i có th hoàn thành chƣơng tr nh học của m nh trong su t
thời gian qua.T i sẽ kh ng th hồn thành đ tài này nếu kh ng có s trợ gi p này.
Lời cám ơn kh ng bao giờ là đủ, t i xin dành tấm lòng biết ơn này làm động
l c đ c gắng học tập và nghiên cứu trong những thời gian tiếp theo.
Trân trọng.
TP.HCM, ngày 08 tháng 08 năm 2015
Ngƣời viết
iii
Ó
Ắ
Ậ VĂ
C Ĩ
Máy tạo mẫu nhanh đ xuất hiện trên thị trƣờng nƣớc ta và đang có một thị
phần rộng lớn trên cả nƣớc. Các ứng d ng của máy rất phong ph và đa dạng, bao
gồm các ngành dịch v , in m h nh, quảng cáo ho c sử d ng nhƣ một máy tạo mẫu
nhanh ph c v cho c ng ty, x nghiệp. Có th nói, máy tạo mẫu nhanh hiện nay là
một thiết bị kh ng th thiếu trong đời s ng x hội và nhu cầu này tiếp t c tăng
nhanh. Tuy nhu cầu v mảng thiết bị này rất lớn, nhƣng đ đầu tƣ chi ph cho một
máy tạo mẫu nhanh hiện nay khá cao và các thiết bị máy móc hầu hết đ u nhập
kh u từ nƣớc ngồi. Do đó chi ph tăng cao và việc bảo tr thay thế c ng khó khăn.
Đ tài “
” nh m m c đ ch thiết kế máy tạo mẫu
nhanh có khả năng tạo ra các sản ph m đan dạng có t nh t ch hợp lắp lẫn cao và chất
lƣợng tƣơng đƣơng các máy trên thị trƣờng. Các nội dung nghiện cứu của đ tài
th c hiện:
Chƣơng 1: Nghiên cứu tổng quan
Chƣơng 2: Nghiên cứu các yếu t ảnh hƣởng đến quá tr nh tạo mẫu
Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết, ứng d ng phân t ch m -đun cho máy
Chƣơng 4: T nh toán thiết kế chi tiết
Chƣơng 5: Thiết kế yêu cầu đi u khi n
Chƣơng 6: Th c tế chế tạo một s sản ph m
Qua đó đ tài ph c v cho việc phát tri n và làm chủ c ng nghệ ạo mẫu nhanh
ở Việt Nam trong đầu tƣ thiết bị tƣơng đƣơng từ nƣớc ngoài.
ê hanh ơn
iv
ABSTRACT
Rapid prototyping machine was appeared on the market of our country and the
market for this equipment is very large. The applications of this machine are very
abundant and diverse, including: service industries, printing model, advertising or
used as a rapid prototyping for companies and enterprises. So, the current rapid
prototyping machine is a device indispensable to life and the demand continues to
increase. Although the demand for this equipment field is very large, but to
investment cost for a rapid prototyping machine is quite high now and most of
equipments are imported from abroad. Thus, the cost is raised very high and the
maintenance or replacement is difficult too.
The thesis "Applying product designing method at modularity for the rapid
prototyping machine by laser sintering" with the purpose: design the rapid
prototyping machine that is capable of creating diverse products with high
integrated and installed. This machine will have the same quality as the others.
These are content of this thesis:
Chapter 1: Overview research.
Chapter 2: The research of the factors that affect the process of
prototyping.
Chapter 3: Theoretical basis, applying modularity analysis for the
machine.
Chapter 4: Calculating and designing parts of the machine.
Chapter 5: Designing control requirements.
Chapter 6: Manufacturing some models for real.
By that, this thesis serves for developing and mastering the rapid prototyping
technology in Vietnam in order to invest the same equipment from abroad.
Performer
v
Ờ C
T i xin cam đoan r ng, ngoài các tài liệu tham khảo đƣợc dùng đ hoàn thành
nghiên cứu, luận văn này kh ng sử d ng các ý tƣởng, nội dung từ bất kỳ ai khác, và
các nội dung trong luận văn này c ng chƣa từng đƣợc gửi cho bất kỳ chƣơng tr nh,
cơ sở giáo d c hay nghiên cứu nào khác. T i hi u r ng bất kỳ nội dung nào mâu
thuẫn với cam kết trên c ng đồng nghĩa với việc luận văn bị từ ch i đ i với chƣơng
tr nh Thạc sĩ ngành K Thuật Chế Tạo của Trƣờng Đại học Bách khoa Tp.HCM.
viii
MỤC ỤC
NHIỆM V LU N V N TH C S ...................................................................................i
L I C M ƠN ...................................................................................................................ii
T M T T LU N V N TH C S .................................................................................iii
ABSTRACT.......................................................................................................................v
L I CAM ĐOAN............................................................................................................vii
M C L C.......................................................................................................................viii
DANH M C K HIỆU V CH
VIẾT T T.................................................................xi
DANH M C B NG BIỂU..............................................................................................xii
DANH M C HÌNH VẼ...................................................................................................xii
C
1
V
Ề ............................................................................................ 1
1.1.
Giới thiệu tổng quan v c ng nghệ tạo mẫu nhanh ................................................ 1
1.2.
T nh h nh nghiên cứu ngoài nƣớc ......................................................................... 2
1.3.
T nh h nh nghiên cứu trong nƣớc ......................................................................... 13
1.4.
M c tiêu nghiên cứu của đ tài ............................................................................ 16
t un
1.4.1.
1.4.2.
n
pt
1.4.3.
n
t
1.5.
u ............................................................................................. 16
tv tn m
t n
n
n
u ......................................................................... 17
2
CỨ C C Y
Ở
Q
Ì
......................................................................................................................19
Vật liệu sử d ng trong c ng nghệ sử d ng laser thiêu kết ................................... 19
2.1.1.
t
u
tn
2.1.2.
t
u
t m o
2.2.
.................................................................................... 16
Kết cấu của luận văn ............................................................................................ 17
C
2.1.
n
s
n tron m
v
................................................................... 19
p m .......................................................................... 22
Các yếu t ảnh hƣởng đến quá tr nh thiêu kết trên bột ........................................ 23
2.2.1.
n
n
n u n
2.2.2.
n
n
qu tr n
2.2.3.
n
n
n
2.2.4.
n
n
t
s r ................................................................................. 23
n
t
p
u
tt
ts np
m ...................................................... 25
t tron qu tr n t o s n p
u
m ........................ 26
t ............................................................... 27
ix
C
3C
Ở
Y
C
-
.................................... 31
3.1.
Nguyên lý làm việc của thiết bị ............................................................................ 31
3.2.
Nguyên tắc thiết kế sản ph m theo hƣớng m -đun .............................................. 32
3.2.1.
n p pp nt
s np
3.2.2.
n p pp n o
n
3.3.
m .............................................................................. 34
Xây d ng quy tr nh thiết kế theo m -đun cho hệ th ng tạo mẫu nhanh .............. 39
3.3.1.
nt
3.3.2.
t
3.3.3.
m ........................................................................ 32
n
p
3.3.4.
n
3.3.5.
n
mv t
t
.................................................................................. 40
u
to n t
t
o
t
n–
u
.................................................................................... 40
u
u
u
u
t u t ố v
t
n
o
nt
t
m
......................... 41
t u t .............................................................................. 42
t ốn t o m u n
n ................................ 42
3.4.
Phân t ch chức năng hệ th ng .............................................................................. 43
3.5.
Xây d ng đ c t nh máy với yêu cầu chức năng chung ........................................ 48
3.5.1.
n
u
3.5.2.
n
số qu n tr n
năn ............................................................................... 48
u
p m tr n
n
n
3.5.4.
n m tr n
n
n
3.5.5.
n m tr n
n
n
3.5.3.
t
u
u
năn
un ................................... 49
t ốn t o m u ............................................ 49
năn
t
u
t ốn t o m u n
t ốn t o m u n
n ............... 50
n ..................... 56
3.6.
Xác định ma trận đồng dạng tổng hợp của hệ th ng tạo mẫu nhanh ................... 62
3.7.
Th c hiện m -đun chức năng trong máy ............................................................. 63
3.7.1.
t
m - un t o
năn .......................................................................... 63
3.7.2.
t
t o m - un
năn
3.7.3.
t
t n t
3.8.
m
t
u .............................................................. 64
........................................................................................... 65
Thiết kế chi tiết phƣơng án cho các m -đun ........................................................ 69
3.8.1.
n số t
3.8.2.
t
t
s
n
3.8.3.
u
m
u
u ............................................................................. 69
n
m
................................................................................ 69
ut
t
o
m
năn
n ..................................... 70
3.8.4.
t
m on ăn............................................................................................. 77
3.8.5.
t
m
C
4
n n n ......................................................................................... 83
C
.................................................... 92
x
4.1.
T nh toán thiết kế c m laser ................................................................................. 92
4.1.1. C n t u n v v n tố qu t
4.1.2.
n to n t
t
4.1.3.
n to n
n
4.1.4.
n to n t
t
s rt
tru n
n
v
t o
n t
n
n
n su t t
tru n
............................................... 92
o tr
o tr
.............................. 94
......................................... 95
........................................................................... 97
4.2.
T nh toán thiết kế c m con lăn ........................................................................... 100
4.3.
T nh toán thiết kế c m bàn nâng ........................................................................ 101
4.4.
T nh chọn động cơ thùng sản ph m ................................................................... 104
4.5.
Thiết kế khung máy ............................................................................................ 105
4.6.
M h nh 3D các nội dung t nh toán thiết kế ....................................................... 106
4.6.1.
n
m
un m
4.6.2.
n
m
s r .............................................................................................. 107
4.6.3.
n
m on ăn .......................................................................................... 109
4.6.4.
n
4.7.
o
t
t
.............................................................. 106
m t ùn n n ............................................................................. 110
Qui tr nh c ng nghệ lắp ráp các c m thiết kế..................................................... 111
4.7.1. Qu tr n
n n
ắp r p
m
4.7.2. Qu tr n
n n
ắp r p
m ăn
4.7.3. Qu tr n
n n
ắp r p
m
C
C
5
C
s r .............................................................. 111
t .......................................................... 113
n n n ...................................................... 115
Ộ
.................................... 118
5.1.
Kết quả lắp ráp trên máy th c đƣợc từ kết quả nghiên cứu ............................... 118
5.2.
Kết quả nghiên cứu th c nghiệm máy ............................................................... 120
5.3.
Khảo sát nhiệt độ kết d nh. ................................................................................. 121
KẾT LU N V KIẾN NGH ....................................................................................... 127
T I LIỆU THAM KH O ............................................................................................. 129
L L CH TR CH NGANG ........................................................................................... 131
xi
D
Ký hiệu và
chữ viết tắt
ỤC C C
Giải thích ý nghĩa
Ệ VÀ C
V
Ắ
Ghi chú
RP
Rapid Prototyping
Công nghệ tạo mẫu nhanh
SLS
Selective Laser Sintering
Công nghệ tạo mẫu nhanh SLS
SLA
Stereo Lithography Apparatus
Công nghệ tạo mẫu nhanh SLA
SGC
Solid Ground Curing
Công nghệ tạo mẫu nhanh SGC
LOM
FDM
Laminated Objective
Manufacturing
Fuse Deposition Modeling
C ng nghệ tạo mẫu nhanh LOM
C ng nghệ tạo mẫu nhanh FDM
xii
D
C
B
BỂ
Bảng 1. 1. Các phƣơng pháp tạo mẫu nhanh ..............................................................4
Bảng 2. 1. Độ dày lớp bột và vận t c quét có th đ i với một vài loại vật liệu ........21
Bảng 2. 2. Th ng s Laser sử d ng (Gray 2001, p. 558) ..........................................24
Bảng 2. 3. nh hƣởng của một s thuộc t nh của vật liệu đến khả năng thiêu kết ...27
Bảng 2. 4. Bảng tổng kết các yếu t ảnh hƣởng đến quá tr nh hoạt động của máy ..28
Bảng 3. 1. M i quan hệ giữa các bộ phận theo đ c đi m cấu tr c............................46
Bảng 3. 2. M i quan hệ giữa các bộ phận theo đ c đi m chức năng ........................47
Bảng 3. 3. Ma trận quan hệ giữa cấu tr c máy và hệ s tầm quan trọng ..................48
Bảng 3. 4. Ma trận đồng dạng chức năng ................................................................56
Bảng 3. 5. Ma trận đồng dạng kết cấu ......................................................................62
Bảng 3. 6. Ma trận đồng dạng tổng hợp ....................................................................63
Bảng 3. 7. Ma trận m -đun theo chức năng ..............................................................63
Bảng 3. 8. Ma trận m -đun kết cấu ...........................................................................64
Bảng 3. 9. Bảng chi tiết t nh toán chọn và chi tiết mua ............................................65
Bảng 3. 10. Tổng hợp các th ng s đầu vào của các c m ch nh ..............................68
Bảng 3. 11. Bảng đánh giá các phƣơng án l a chọn c m laser ................................75
Bảng 3. 12. Ma trận đánh giá phƣơng án ..................................................................75
Bảng 3. 13. Đánh giá phƣơng án ...............................................................................76
Bảng 3. 14. Ma trận t nh đi m và l a chọn phƣơng án .............................................76
Bảng 3. 15. Đánh giá sơ bộ các phƣơng án ...............................................................81
Bảng 3. 16. Ma trận đánh giá phƣơng án ..................................................................82
Bảng 3. 17. Đánh giá phƣơng án thiết kế ................................................................82
Bảng 3. 18. Ma trận t nh đi m và l a chọn phƣơng án .............................................83
Bảng 3. 19. Đánh giá sơ bộ các phƣơng án ...............................................................87
Bảng 3. 20. Ma trận đánh giá phƣơng án ..................................................................88
Bảng 3. 21. Đánh giá phƣơng án ...............................................................................88
Bảng 3. 22. Ma trận t nh đi m và l a chọn phƣơng án .............................................89
Bảng 4. 1. Đƣờng k nh của vết hội t bức xạ laser đ i với một s loại laser ...........93
Bảng 4. 2. Th ng s động cơ servo ...........................................................................97
Bảng 4. 3. Th ng s bộ truy n đai ............................................................................99
Bảng 4. 4. Bảng tóm tắt các nội dung đ th c hiện t nh .........................................100
Bảng 4. 5. Th ng s t nh toán thiết kế bộ truy n tr c v t me đai c c m bản nâng104
xiii
D
C
Ì
VẼ
Hình 1. 1. Tạo mẫu nhanh từ m h nh thiết kế ba chi u .............................................1
Hình 1. 2. Máy Sinterstation HiQ Sinterstation® Pro DM100 SLM System .............5
Hình 1. 3. Máy HRPS-IV ............................................................................................6
Hình 1. 4. Máy Sinterstation® Pro DM100 ................................................................7
Hình 1. 5. Máy tạo mẫu nhanh FDM 200mc ..............................................................7
Hình 1. 6. Patent US 4,863,538 ...................................................................................8
H nh 1. 7. Patent s 5,658,412 ....................................................................................8
H nh 1. 8. Patent s 6,215,093 ....................................................................................9
H nh 1. 9. Patent s 6,554,600 ....................................................................................9
H nh 1. 10. Patent s 5,430,666 ................................................................................10
H nh 1. 11. Patent s 5,427,733 ................................................................................11
H nh 1. 12. So sánh QTSX truy n th ng và sử d ng c ng nghệ tạo mẫu nhanh ......14
H nh 1. 13. Các sản ph m của c ng nghệ tạo mẫu nhanh.........................................15
Hình 2. 1. Sản ph m sử d ng vật liệu polyme .......................................................... 20
H nh 2. 2. Cấu tr c hạt dạng lớn của nh a PS ..........................................................21
H nh 2. 3. Sản ph m sử d ng vật liệu kim loại và hợp kim ......................................22
H nh 2. 4. Sản ph m sử d ng vật liệu phi kim ..........................................................23
H nh 2. 5. Tạo mẫu sản ph m b ng laser thiêu kết ...................................................25
H nh 3. 1. Nguyên lý hoạt động của máy tạo mẫu nhanh thiêu kết laser. ................ 31
H nh 3. 2. Bi u đồ lắp ráp máy t nh cá nhân .............................................................33
H nh 3. 3. Phân t ch theo cấu tr c của hệ th ng xe ...................................................34
H nh 3. 4. Phân t ch theo cấu tr c của bộ phận chuyên chở .....................................34
H nh 3. 5. Ma trận liên thuộc chi tiết-máy ................................................................35
H nh 3. 6. Các chi tiết và máy đƣợc nhóm lại và tách khỏi ma trận .........................38
H nh 3. 7. Qui tr nh thiết kế theo m đun tổng quát .................................................39
H nh 3. 8. Cấu tr c động cơ và bộ truy n động ........................................................44
H nh 3. 9. Cấu tr c động cơ và bộ cấp bột ................................................................44
H nh 3. 10. Cấu tr c động cơ và con lăn bột.............................................................44
H nh 3. 11. Cấu tr c động cơ và bộ chiếu laser ........................................................45
H nh 3. 12. Cấu tr c động cơ và giá đ ....................................................................45
H nh 3. 13. Kết cấu chung của hệ th ng tạo mẫu nhanh SLS ...................................66
Hình 3. 14. Kết cấu khung máy.................................................................................67
H nh 3. 15. Sơ đồ động c m thiêu kết laser theo hai phƣơng XY ............................70
xiv
Hình 3. 16. Sơ đồ động c m con lăn và cấp bột ......................................................70
Hình 3. 17. Sơ đồ phân t ch th ng s đầu vào và đầu ra c m laser máy SLS ..........70
H nh 3. 18. Sơ đồ phân t ch c m thiêu kết laser .......................................................71
H nh 3. 19. Kết cấu Hexapod ....................................................................................71
H nh 3. 20. Phƣơng án sử d ng hệ gƣơng lật ............................................................72
H nh 3. 21. Phƣơng án sử d ng nguồn laser gắn tr c tiếp lên ray trƣợt XY ............73
H nh 3. 22. Thiết kế ray trƣợt XY kết hợp hệ th ng lăng k nh .................................74
Hình 3. 23. Sơ đồ phân t ch th ng s đầu vào và đầu ra c m con lăn ......................78
Hình 3. 24. Sơ đồ phân t ch c m con lăn ..................................................................78
Hình 3. 25. Phƣơng án sử d ng tấm gạt phẳng .........................................................79
Hình 3. 26. Phƣơng án sử d ng tấm gạt quay ...........................................................79
Hình 3. 27. Phƣơng án sử d ng con lăn gắn thêm động cơ ......................................80
Hình 3. 28. Phƣơng án sử d ng con lăn t ch hợp động cơ .......................................81
Hình 3. 29. Sơ đồ phân t ch th ng s đầu vào và đầu ra c m bàn nâng ...................84
Hình 3. 30. Sơ đồ phân t ch c m bàn nâng máy SLS ...............................................84
H nh 3. 31. Phƣơng án tr c v t me ............................................................................85
H nh 3. 32. Phƣơng án xy lanh n m ph a dƣới bàn nâng ..........................................85
H nh 3. 33. Phƣơng án sử d ng cơ cấu bánh răng – thanh răng ...............................86
H nh 3. 34. Phƣơng án sử d ng cơ cấu bàn nâng chữ X ...........................................87
Hình 3. 35. Bảng tổng hợp các phƣơng án thiết kế cho 5 c m ch nh trong máy ......90
Hình 4. 1. Thành phần l c đ t lên hệ th ng .............................................................. 94
H nh 4. 2. Động cơ servo ..........................................................................................96
Hình 4. 3. M h nh c m khung máy 3D hoàn chỉnh các c m chƣa đóng vỏ ..........105
H nh 4. 4 .Máy hồn chỉnh đóng vỏ nh n từ trƣớc ..................................................106
H nh 4. 5. C m thiêu kết laser.................................................................................107
H nh 4. 6. Hệ lăng k nh hiệu chỉnh tiêu c .............................................................108
H nh 4. 7. M h nh gƣơng chiếu phản xạ di chuy n ...............................................109
H nh 4. 8. Kết cấu bộ phận truy n động cho Motor tr c X ....................................109
H nh 4. 9. C m con lăn và đế chuy n động tịnh tiến ..............................................109
H nh 4. 10. Con lăn cán bột chuy n động xoay ......................................................110
H nh 4. 11. C m bàn nâng ......................................................................................110
H nh 4. 12. C m thùng chứa sản ph m và thùng cấp bột .......................................111
H nh 4. 13. C m thiêu kết Laser hoàn chỉnh ..........................................................111
H nh 4. 14. B tr lắp ráp trên c m laser .................................................................112
xv
H nh 4. 15. Sơ đồ lắp ráp c m laser ........................................................................112
H nh 4. 16. C m giàn bột hoàn chỉnh .....................................................................113
H nh 4. 17. B tr lắp ráp các chi tiết c m con lăn..................................................113
H nh 4. 18. Sơ đồ lắp ráp con lăn ............................................................................114
H nh 4. 19. Các chi tiết con lăn ...............................................................................114
H nh 4. 20. Lắp ráp con lăn hoàn chỉnh ..................................................................114
H nh 4. 21. Sơ đồ lắp ráp c m giàn bột ..................................................................115
H nh 4. 22. Động cơ thanh trƣợt con lăn.................................................................115
H nh 4. 23. C m thùng hoàn chỉnh .........................................................................115
H nh 4. 24. Sơ đồ lắp ráp thùng nâng sản ph m .....................................................116
H nh 4. 25. Sơ đồ lắp ráp thùng cấp bột ..................................................................116
H nh 4. 26. Sơ đồ lắp ráp c m thùng ......................................................................116
H nh 4. 27. C m thùng ............................................................................................117
H nh 5. 1. Th c hiện lắp ráp bộ laser trong máy..................................................... 118
H nh 5. 2. Th c hiện lắp ráp c m tr c X-Y cho máy .............................................119
H nh 5. 3. C m con lăn bột nh n từ trƣớc ...............................................................119
H nh 5. 4. C m cấp bột bột b tr với con lăn và đầu thiêu kết laser ......................120
H nh 5. 5. B tr tủ điện đi u khi n hệ th ng ..........................................................120
H nh 5. 6. Máy tạo mẫu nhanh thiêu kết laser đƣợc chế tạo hoàn chỉnh ...............121
H nh 5. 7. Chi tiết máy tr c li n vành khăn ...........................................................122
H nh 5. 8. Chi tiết h nh tr h nh xoắn c bên trong phức tạp .................................123
H nh 5. 9. Chi tiết quân cờ vua th c hiện thiêu kết ................................................124
H nh 5. 10. Mẫu chữ nổi gia c ng ...........................................................................125
H nh 5. 11. Bộ sản ph m ph m hoàn chỉnh gia c ng trên m h nh máy ................125
1
C
V
1
Ề
Hiện nay, tạo mẫu nhanh là một c ng nghệ đang đƣợc nghiên cứu áp d ng
rộng r i ở nhi u nƣớc trên thế giới, đ c biệt là trong b i cảnh tồn cầu hóa và khu
v c hóa n n kinh tế. Trong chƣơng này sẽ tr nh bày tổng quan các nghiên cứu v
c ng nghệ tạo mẫu nhanh và các k thuật đ đƣợc sử d ng ứng d ng trong máy tạo
mẫu nhanh thiêu kết laser.
1.1.
iới thiệu tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh
Từ khi ra đời cho đến nay, có khá nhi u khái niệm v tạo mẫu nhanh. Một s
nhà khoa học đƣa ra khái niệm: tạo mẫu nhanh là quá tr nh tạo mẫu vật lý từ những
thiết kế ba chi u trên máy t nh. Quá tr nh thiết kế này đƣợc gọi là quá tr nh thiết kế
thuận [1].
Hình 1. 1.
om un
n từ m
n t
t
u
Hiện nay trên thế giới có nhi u hệ th ng tạo mẫu nhanh đ đƣợc thƣơng mại
hố tồn cầu, mà đi n h nh là một s c ng nghệ phổ biến nhƣ:
Thiết bị tạo mẫu lập th SLA (Stereo Lithography Apparatus) của 3D
Systems.
2
Thiết bị tạo lớp mỏng LOM (Laminate Object Manufacturing ) của
Helisys.
Thiết bị phun nhi u lớp FDM (Fused Deposition Modeling) của
Stratasys.
Thiết bị thiêu kết b ng laser SLS (Selective Laser Sintering) của DTM.
1.2.
ình hình nghiên cứu ngo i n ớc
S tăng trƣởng của phƣơng pháp tạo mẫu nhanh đƣợc th hiện qua đồ thị (h nh
1.2). Từ giữa năm 2003 s hệ th ng tạo mẫu nhanh đƣợc tiêu th tăng rất nhanh, th
hiện s th ch ứng của phƣơng pháp này với các ngành c ng nghiệp trên thế giới.
Các c ng nghệ tạo mẫu nhanh khác nhau, với các t nh chất đ c trƣng đ và đang
đƣợc ứng d ng, ph c v hiệu quả cho hầu hết các ngành c ng nghiệp, hiệu quả nhất
là lĩnh v c thiết kế
t (31,7%), tạo dáng c ng nghiệp, tạo mẫu th nghiệm (17%)
[2].
Có th hi u tạo mẫu nhanh là quá tr nh tạo mẫu sản ph m gi p cho nhà sản
xuất quan sát nhanh chóng sản ph m cu i cùng. Quá tr nh này nhờ các thiết bị tạo
mẫu nhanh nhƣ những máy in ba chi u cho phép ngƣời thiết kế chuy n những dữ
liệu CAD file định dạng 3D thành những mẫu th c trong thời gian nhanh hơn
phƣơng pháp truy n th ng. Tùy thuộc vào k ch thƣớc và độ phức tạp của mẫu mà
thời gian đ tạo ra một mẫu mới mất khoảng từ 3 – 72 giờ ho c có th
t hơn. Nhƣ
vậy so với việc tạo mẫu b ng phƣơng pháp truy n th ng thƣờng mất từ nhi u tuần
đến nhi u tháng th việc tạo mẫu b ng thiết bị tạo mẫu nhanh hơn nhi u. Do mất t
thời gian nên tạo mẫu nhanh gi p cho nhà sản xuất nhanh chóng đƣa sản ph m ra
thị trƣờng và giảm chi ph sản xuất. Đó c ng là ƣu đi m nổi bật của quá tr nh tạo
mẫu nhanh mà các nhà nghiên cứu thiết kế phát tri n sản ph m mong mu n có đƣợc
nh m r t ngắn thời gian hiệu chỉnh thiết kế.
S phát tri n của tạo mẫu nhanh có quan hệ mật thiết với s phát tri n ứng
d ng của máy t nh trong c ng nghiệp. Việc giảm giá thành của các loại máy t nh,
đ c biệt là máy t nh cá nhân và máy t nh mini đ làm thay đổi phƣơng thức làm việc
ở các phân xƣởng của các nhà máy. Việc gia tăng sử d ng máy t nh đ th c đ y s
3
tiến bộ trong nhi u lĩnh v c liên quan đến máy t nh bao gồm thiết kế (CAD–
Computer Aided Design), chế tạo (CAM–Computer Aided Manufacturing), gia
c ng đi u khi n s nhờ máy t nh (CNC – Computer Numerical Control). C th , s
nổi lên của hệ th ng tạo mẫu nhanh kh ng th thiếu s hiện diện của CAD. Ngoài
ra, nhi u c ng nghệ khác nhƣ các hệ th ng chế tạo và vật liệu c ng mang nhi u t nh
quyết định đến s phát tri n của hệ th ng tạo mẫu nhanh.
Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh đ đáp ứng đƣợc yêu cầu của
giới kinh doanh: giảm thời gian sản xuất, tăng khả năng tạo mẫu có độ phức tạp cao,
giảm chi ph . Ở thời đi m này ngƣời tiêu dùng yêu cầu các sản ph m cả v chất
lƣợng lẫn mẫu m , nên mức độ phức tạp của chi tiết c ng tăng lên, gấp ba lần mức
độ phức tạp mà các chi tiết đ đƣợc làm vào những năm của thập niên 70. Nhƣng
nhờ vào c ng nghệ tạo mẫu nhanh nên thời gian trung b nh đ tạo thành một chi tiết
chỉ còn lại 3 tuần so với 16 tuần ở ở các phƣơng pháp tạo mẫu khác.
Lịch sử của c ng nghệ tạo mẫu nhanh đƣợc đánh dấu b ng sáng chế của Hull
vào năm 1984 v Thiết bị tạo h nh lập th (StereoLithography Aparatus – SLA),
đƣợc c ng nhận vào năm 1986 và thƣơng mại hóa bởi c ng ty 3D System vào năm
1988. Sau khi đƣợc thƣơng mại hóa vào năm 1988, 34 hệ th ng đ đƣợc cung cấp
vào năm 1988 và theo báo cáo tổng kết của Hiệp hội Tạo mẫu nhanh thế giới do
Wohler làm chủ tịch, t nh đến năm 2001, đ có khoảng 8000 hệ th ng tạo mẫu
nhanh đƣợc trang bị cho 53 nƣớc trên thế giới. Từ một phƣơng pháp tạo h nh lập th
SLA, chỉ sau gần hai ch c năm, đ có khoảng 30 phƣơng pháp tạo mẫu nhanh khác
nhau.
Tạo mẫu nhanh là một c ng c hỗ trợ thiết kế, c ng nhƣ là cánh tay đắc l c
trong c ng nghệ thiết kế ngƣợc. Tạo mẫu nhanh gồm nhi u c ng nghệ và mỗi c ng
nghệ đại diện cho một hay các cách thức sản xuất, thiết kế sản ph m khác nhau.
Đ có th hi u rõ nguyên tắc hoạt động của các loại thiết bị này ch ng ta có
th tham khảo bảng 1.1 tổng hợp và th c hiện so sánh các c ng nghệ tạo mẫu nhanh
th ng d ng.
4
B
Công nghệ
Stereo
Lithograph
y Appratus
(SLA)
1. 1. C
p
n p
pt om un
Vật liệu
Nguyên lý
Sử d ng tia laser làm
Polymer n
đ ng đ c polymer
qu n (t n
nhạy quang
n
ơ đồ nguyên lý
o)
Selective
Laser
Sử d ng tia laser đ
Sintering
thiêu kết vật liệu
B t m o ,
tt
(SLS)
Laminated
D ng c cắt các tấm
Object
cứng theo biên dạng ,
Manufactur
sau đó dán từng lớp
ing (LOM)
với nhau.
Fused
Deposition
Modeling
Vật liệu đƣợc đùn qua
đầu đùn gia nhiệt,sau
đó đ ng đ c tạo h nh
G
o,..
, t m ỗ..
(v t
u
t m
n )
S p, n
n
ABS,
silicon
(FDM)
Tuy nhiên, với c ng nghệ đơn giản, kết cấu kh ng phức tạp, khả năng tạo mẫu
với vật liệu nh a và kim loại bột, giá thành hệ th ng máy tƣơng đ i thấp, đồng thời
khả năng tạo ra các mẫu với th t ch lớn, tạo mẫu nhanh theo c ng nghệ laser thiêu
kết nhanh sẽ là một trong 10 c ng nghệ đƣợc hƣớng đến vào năm 2020.
5
Trên thị trƣờng nƣớc ngồi hiện nay có một s dòng máy tạo mẫu nhanh đƣợc
sử d ng rộng nhất là hệ th ng Sinterstation có xuất xứ từ tập đoàn DTM và hiện nay
đƣợc hãng 3D Systems phát tri n với các dịng máy nhƣ Sinterstation® Pro,
Sinterstation® HiQ™, là phiên bản nâng cấp của dịng máy Sinterstation®
2500plus HiQ – High Quality. Sau đây là một s tham khảo v các dòng máy tạo
mẫu nhanh trên thị trƣờng thế giới:
ệ thống interstation
iQ của 3D ystems
Th ng s k thuật của hệ th ng:
-
Nguồn laser
HiQ: 30W Laser CO2, t c độ quét t i đa 5m/s.
HiQ +HS: 50W CO2, t c độ quét t i đa 10m/s.
-
Không gian gia công: W381 x D330 x H457 mm (57L).
-
Phần m m đi u khi n: Proprietary SLS system
-
Hệ đi u hành: Windows XP
-
Tập tin nguồn: .stl
-
Nguồn điện:
240 VAC 12.5 kVA, 50/60 Hz, 3 pha
380 VAC 12.5 kVA, 50/60 Hz, 3 pha
-
Nhiệt độ làm việc: 16-27 °C
-
Độ m: <70%
Hình 1. 2. Máy Sinterstation HiQ Sinterstation® Pro DM100 SLM System
6
Máy HRPS- V
rung Quốc
Th ng s k thuật của máy
-
Không gian gia công: 500 x 500 x 400 mm.
-
Vật liệu: bột PS, bột gang, bột thép.
-
Độ dày lớp: 0.08~0.3mm, độ ch nh xác chi tiết: 200mm+/-0.2mm
ho c +/-0.1%.
-
Độ ch nh xác của tia laser: 0.02mm.
-
Phần m m ứng d ng đ đi u khi n hệ th ng SLS RP: Power RP 2005.
Hình 1. 3. Máy HRPS-IV
Máy Sinterstation® Pro DM100
n số
t u t
m :
- Nguồn laser: 50/100/200W Laser CO2, t c độ quét t i đa 10m/s.
- T c độ gia c ng: t i đa 30cm3/ giờ.
- Đƣờng k nh tia laser: 30 - 200 micron.
- Không gian gia công: Ø125mm x 80 mm.
- B dày lớp: 30/50 micron.
- Hệ đi u hành: Windows XP
- Tập tin nguồn: .STL
- Nguồn điện: 208V, 3 pha, 50/60Hz, 16 A,12.5 kVA
- K ch thƣớc: 900 x 800 x 2500 mm
7
- Kh i lƣợng: 400kg
Hình 1. 4. Máy Sinterstation® Pro DM100
M
FDM 200
ớ
ố
:
-Kích thƣớc sản ph m: (203 x 203 x 305)mm
-Độ ch nh xác: 0.127mm
-K ch thƣớc máy: (686 x 864 x1041)mm
-Kh i lƣợng: (128- 160)kg
-B dày lớp đùn: (0.178-0.254) mm
Đây c ng là hệ th ng máy tạo mẫu nhanh dạng FDM duy nhất ở Việt Nam
đang có tại Đại học Sƣ phạm k thuật Tp. Hồ ch Minh.
Hình 1. 5. M
t om un
n FD
200m
8
Nghiên cứu các c ng tr nh khoa học liên quan đến các giải pháp k thuật qua
patent v máy tạo mẫu nhanh đƣợc tổng hợp nhƣ sau:
Patent US 4,863,538, [3]:
Phƣơng pháp và thiết bị đ lƣu hóa có chọn lọc lớp bột nh m tạo ra một chi
tiết nhi u lớp. Thiết bị bao gồm một máy t nh đi u khi n một tia laser hƣớng tr c
tiếp vào trong bột đ tạo ra một kh i bột đƣợc lƣu hóa. Máy t nh đƣợc lập tr nh với
biên dạng m t cắt ngang của chi tiết đ tia laser chỉ làm lƣu hóa những phần bột bên
trong biên dạng của m t cắt ngang. Bột đƣợc tiếp t c đắp vào và đƣợc lƣu hóa cho
đến khi tạo thành chi tiết hồn chỉnh. Bột có th là nh a, kim loại, g m sứ ho c là
những chất polymer. Với nhiệm v nhƣ trên, tia laser sẽ quét liên t c đ h nh thành
nên biên dạng riêng biệt cho từng m t cắt.
Hình 1. 6. Patent US 4,863,538
atent số 5,658,412, [4]:
Trong phƣơng pháp tạo ra vật th ba chi u, từng lớp sẽ đƣợc h nh thành b ng
cách đắp những lớp vật liệu có th bị hóa rắn bởi tác động của ánh sáng và bức xạ
điện từ và hóa rắn một cách liên t c mỗi lớp tại đi m nhiệt độ tùy thuộc vào loại vật
liệu.
Hình 1. 7.
t nt số 5,658,412
9
atent số 6,215,093 [5]:
Phƣơng pháp tạo ra một mẫu nh a d a vào dữ liệu CAD 3D của mẫu nh a đó,
b ng cách đắp những lớp bột kim loại, nhi u lớp bột tiếp theo đƣợc đắp lên trên
những lớp bột trƣớc đó, ch ng đƣợc nung đến một nhiệt độ xác định, đi u này có
nghĩa là hệ th ng laser phải th c hiện thêm chức năng nung trƣớc khi th c hiện tiếp
lớp kế. Chùm tia laser đƣợc chiếu vào những lớp bột theo biên dạng m t cắt ngang
của m h nh CAD theo một cách đ cho ch ng gắn li n với lớp dƣới nó. Năng
lƣợng của nguồn tia laser đƣợc l a chọn sao cho nó có th làm nóng chảy vật liệu.
Hình 1. 8.
t nt số 6,215,093
atent số 6,554,600, [6]:
V nguyên tắc thiết bị này c ng gi ng các loại trên. Tuy nhiên, hệ th ng có
thiết bị chứa này có một bên thành có th duỗi ra theo hƣớng thẳng đứng và những
thiết bị hỗ trợ cho phép đ chi tiết di chuy n đƣợc.
Hình 1. 9.
t nt số 6,554,600
10
atent số 5,430,666 [7]:
Một phƣơng pháp và thiết bị đ ki m tra vết quét của tia laser trên một b m t
phẳng bao gồm một thiết bị phát hiện ra lỗi theo phƣơng x và phƣơng y là một thiết
bị tỉ lệ cho những vùng b m t phẳng khác nhau. Thiết bị tỉ lệ ban đầu đƣợc cài đ t
với một giá trị có t nh đến s sai biệt trong k ch thƣớc vùng quét và k ch thƣớc tổng
th của dữ liệu CAD. Một tấm phẳng gồm nhi u h nh vu ng đƣợc đ t trên b m t
đƣợc quét. Sau khi quay định vị và tia laser quét lên mỗi , tấm này đƣợc chuy n
qua dạng s và vị tr của m t nạ laser có liên quan tới những
cập nhật vào thiết bị sửa cho những
Hình 1. 10.
vu ng đƣợc dùng đ
đó.
t nt số 5,430,666
atent số 5,427,733, [8]:
Hệ th ng đi u khi n nhiệt độ trong hệ th ng lƣu hóa b ng tia laser gồm có một
chùm tia laser hội t trên bàn lƣu hóa b ng những thấu k nh hội t và một bộ gƣơng
quét. Bức xạ nhiệt phóng ra từ bàn lƣu hóa đƣợc phản xạ tới bộ gƣơng quét và tới
một hệ th ng chia đ i ánh sáng gi p phản xạ bức xạ và cho bƣớc sóng của tia laser
đi qua. Bức xạ hội t vào trong một bộ tách sóng quang học gi p đƣa ra t n hiệu tới
mạch đi u khi n nguồn điện. Mạch đi u khi n nguồn điện đi u khi n một ổn áp ổn
định năng lƣợng của tia laser c ng nhƣ duy tr ổn định s phát xạ nhiệt ở một mức
độ vừa phải (c ng nhƣ nhiệt độ tại vùng lƣu hóa).
