Cơ sở lý thuyết và khả năng ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.5 MB, 118 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------
NGUYỄN VĂN CƯƠNG
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG
CỦA CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH
CHUYÊN NGÀNH:
MÃ SỐ NGÀNH:
CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
09
LUẬN ÁN CAO HỌC
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2001
CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1:
TS. PHẠM NGỌC TUẤN
CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2:
TS. THÁI THỊ THU HÀ
Luận án cao học được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN ÁN
CAO HỌC - Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM ngày ....... tháng 12 năm 2001.
Có thể tìm hiểu luận án tại Thư Viện Cao Học Trường Đại Học Bách Khoa,
Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo---
NHIỆM VỤ LUẬN ÁN CAO HỌC
Họ và tên :
NGUYỄN VĂN CƯƠNG
Ngày tháng năm sinh : 25 - 05 - 1970
Chuyên ngành:
CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
Khóa (năm trúng tuyển):
1998
Giới tính: Nam
Nơi sinh: BẾN TRE
I-
TÊN ĐỀ TÀI:
II-
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết và khả năng ứng dụng của công nghệ tạo
mẫu nhanh. Những kỹ thuật tạo khuôn và công cụ nhanh.
2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp tạo hình lập thể SLA.
3. Thiết kế sản phẩm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG
CỦA CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN
VI- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ NHẬN XÉT 1:
TS. PHẠM NGỌC TUẤN
VII- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ NHẬN XÉT 2:
TS. THÁI THỊ THU HÀ
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1
CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2
Nội dung và đề cương Luận án Cao học đã được thông qua Hội Đồng Chuyên Ngành
Ngày ...... tháng ..... năm 2001
PHÒNG QUẢN LÝ KHOA HỌC
SAU ĐẠI HỌC
CHỦ NHIỆM NGÀNH
TÓM TẮT LUẬN ÁN
-------------------------
Trong thập kỷ gần đây, Công nghệ tạo mẫu nhanh nổi lên như một công cụ giá
trị để phát triển nhanh sản phẩm. Tạo mẫu nhanh có thể được định nghóa như là một
công nghệ mới, được ứng dụng trong việc chế tạo các chi tiết thực từ dữ liệu thiết kế
không gian ba chiều trên máy tính (CAD) bằng việc thêm vào từng lớp vật liệu. Phương
pháp đầu tiên của công nghệ tạo mẫu nhanh là tạo hình lập thể (Stereolithography
Apparatus) được Charles Hull phát minh vào năm 1984 và được thương mại hóa năm
1987 bỏi công ty 3D Systems. Từ đó đến nay có khoảng 30 phương pháp ra đời và đã
được thương mại hóa như SLA, LOM, SLS, FDM, SGC, ... Tính đến năm 2000, đã có
khoảng 6755 hệ thống máy tạo mẫu nhanh được lắp đặt ở 58 quốc gia trên thế giới.
Tính ưu việt của phương pháp tạo mẫu nhanh so với quá trình sản xuất truyền
thống là có khả năng chế tạo nhanh sản phẩm, các công ty chỉ cần tốn ít tiền và thời
gian để mang sản phẩm từ máy điện toán ra sản xuất. Sử dụng công nghệ tạo mẫu
nhanh là một sự chọn lựa để có được chất lượng mong muốn và phát triển năng suất
trong quá trình thiết kế sản phẩm.
Đây là bước nghiên cứu đầu tiên về lý thuyết và khả năng ứng dụng của công
nghệ tạo mẫu nhanh, để làm cơ sở cho việc phát triển và ứng dụng công nghệ mới này ở
Việt nam. Qua đó, nguyên lý hoạt động của một số phương pháp tạo mẫu nhanh được
trình bày một cách khá chi tiết, kỹ thuật chế tạo công cụ nhanh (Rapid Tooling
Technology) được hình thành như một xu hướng phát triển của phương pháp tạo mẫu
nhanh, đây là phương pháp ứng dụng kỹ thuật tạo mẫu nhanh (Stereolithography
Apparatus, Selective Laser Sintering, Fused Deposition Modeling, Laminated Object
Manufacturing, 3D Printing, ....) để chế tạo chi tiết khuôn phục vụ cho việc sản xuất các
sản phẩm mẫu, sản phẩm đơn chiếc hoặc với qui mô nhỏ với chi phí thấp và thời gian
ngắn. Phương pháp tạo hình lập thể (SLA) có ý nghóa quan trọng trong việc phát triển
của công nghệ tạo mẩu nhanh. Công nghệ tạo mẫu nhanh được ứng dụng trong rất nhiều
lónh vực như chế tạo sản phẩm, thiết kế công nghiệp, qúa trình đúc, chế tạo dụng cụ,
công nghiệp ôtô, công nghiệp hàng không, trong y học và trong mỹ nghệ,.v.v..... Việc
thiết kế một sản phẩm bằng phần mềm thiết kế 3D Pro/Engineer2000 nhằm mục đích
hiểu thêm về một số đặc tính của quá trình tạo mẫu nhanh. Sản phẩm sau khi được thiết
kế được xuất sang dạng format .STL để sau đó có thể chuyển sang máy tính của thiết bị
SLA. Những số liệu thí nghiệm đo đạt được nhằm mục đích kiểm tra tính chính xác của
chi tiết được chế tạo bằng công nghệ tạo mẩu nhanh so với mô hình thiết kế CAD.
*****************************
- ii -
MỤC LỤC
------------------
NỘI DUNG
Trang
Lời cảm ơn ...............................................................................
Tóm tắt luận án ...........................................................................
Mục lục
................................................................................
i
ii
iii
Chương I: TỔNG QUAN VỀ TẠO MẪU NHANH
1
I.1. Giới thiệu chung về tạo mẫu nhanh
I.1.1. Tạo mẫu nhanh là gì
I.1.2. Tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh
I.1.3. Sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh trên thế giới
I.1.4. Công nghệ tạo mẫu nhanh so với công nghệ truyền thống
1
1
2
3
5
I.2. Ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh
I.2.1. Ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong y học
I.2.1.1. Thay thế các bộ phận giả
I.2.1.2. Những ứng dụng trong phẩu thuật
I.2.1.3. Những mô hình và thiết bị đào tạo trong y học
I.2.2. Công nghệ tạo mẫu nhanh trong nhân loại học
I.2.3. Ứng dụng trong lónh vực pháp lý
I.2.4. Ứng dụng tạo mẫu nhanh trong kiến trúc và mỹ nghệ
I.2.5. Ứng dụng trong thiết kế - chế tạo và phát triển sản phẩm
6
6
7
8
10
10
10
11
12
Chương II: CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH VÀ CÔNG CỤ NHANH
17
II.1. Công nghệ tạo mẫu nhanh
II.1.1. Trình tự các bước trong công nghệ tạo mẫu nhanh
1. Tạo dữ lieäu 3D
- iii -
17
17
17
2. Chuyển đổi và truyền dữ liệu
3. Kiểm tra và chuẩn bị
4. Chế tạo chi tiết
5. Xử lý tinh.
II.1.2. Phân loại những hệ thống tạo mẫu nhanh
II.1.2.1. Những hệ thống RP dùng vật liệu lỏng
II.1.2.2. Những hệ thống RP dùng vật liệu rắn
II.1.2.3. Những hệ thống RP dùng vật liệu bột
II.1.3. Các hệ thống tạo mẫu nhanh điển hình
II.1.3.1. Thiết bị tạo hình lập thể - SLA
II.1.3.2. Xử lý nền tảng rắn - SGC
II.1.3.3. Phương pháp dán nhiều lớp - LOM
II.1.3.4. Công nghệ phun nhiều lớp - FDM
II.1.3.5. Kết tinh laser chọn lọc - SLS
II.1.3.6. Injets
II.1.3.7. Phương pháp in 3 chiều - 3DP
II.1.3.8. Tạo hình bằng kỹ thuật laser - LENS
II.2. Kỹ thuật công cụ nhanh (Rapid Tooling Technology)
II.2.1. Giới thiệu
II.2.2. Direct Soft Tooling
II.2.2.1. Khuôn đúc bằng cát với SLS (SLS of Sand Casting Mold)
II.2.2.2. Đúc chi tiết với LOM (LOM: Investment Casting)
II.2.2.3. Đúc chi tiết kim loại với 3DP
II.2.3. Indirect soft Tooling
II.2.3.1. Chế tạo chi tiết bằng kim loại với khuôn bằng silicon rubber
II.2.3.2. Tạo khuôn bằng silicon rubber
II.2.3.3. Tạo khuôn bằng thạch cao
II.2.4. Direct Hard Tooling
II.2.4.1. Công cụ nhanh (Rapid Tooling)
II.2.4.2. Đúc bằng cát với LOM (LOM of sand casting)
II.2.5. Indirect Hard Tooling
3D Keltool
Chương III: PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH LẬP THỂ - SLA
III.1. Giới thiệu chung
III.1.1. Tệp STL (STL file)
III.1.2. Slicing the file
III.1.3. The Final Build file
III.1.4. Định vị bục chế tạo
18
18
19
19
20
20
21
21
21
21
24
26
28
30
32
34
35
38
38
39
39
40
41
42
43
43
44
45
45
47
48
48
49
49
49
49
51
52
- iv -
III.2. Kỹ thuật phần cứng của SL
53
III.2.1. Chuẩn bị lớp
III.2.1.1. Định vị bề mặt lớp polymer
III.2.1.2. Độ phẳng và mức mặt nhựa polymer
III.2.1.3. Điều khiển thể tích chất polymer
III.2.2. Mục đích và yêu cầu của hệ thống tạo ảnh
III.2.3. Những bộ phận chủ yếu của hệ thống SL tổng quát
III.2.3.1. Nguồn điện, điều khiển môi trường và điện tử
III.2.3.2. Hệ thống laser và quang học
III.2.3.3. Thùng chứa polymer, hệ thống định mức, dịch chuyển chi tiết
III.2.3.4. Hệ thống tạo ảnh
III.2.4. Hệ thống định mức và thay đổi mức polymer
53
53
56
57
57
57
58
58
59
59
62
III.3. Kỹ thuật phần mềm của SL
63
III.3.1. Chuẩn bị chi tiết
III.3.2. Quá trình tạo lớp (Contour Slice)
III.3.3. So sánh STL và SLC
III.3.4. Điều khiển quá trình tạo mẫu lập thể
III.3.4.1. Hệ thống điều khiển mức
III.3.4.2. Điều khiển gương quét
64
66
69
69
69
72
III.4. Hướng xây dựng chi tiết
73
III.5. Bộ phận phụ trợ
74
III.6. Xử lý chi tiết sau khi chế tạo
75
III.6.1. Tháo chi tiết
III.6.2. Làm sạch chi tiết
III.6.3. Xử lý tinh chi tiết
III.6.4. Hoàn chỉnh chi tiết
75
76
77
77
III.7. Một số hình ảnh về SLA
78
Chương IV: THIẾT KẾ SẢN PHẨM
83
IV.1. Quá trình thiết kế sản phẩm trong tạo mẫu nhanh
83
-v-
IV.2. Thiết kế sản phẩm bằng phần mềm Pro/Engineer
83
IV.3. Một số thông số của chi tiết ở dạng STL
87
Chương V: MỘT SỐ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
89
V.1. Giới thiệu
89
V.2. Các kết quả thí nghiệm
91
V.3. Nhận xét
97
Chương VI: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
99
VI.1. Kết luận
99
VI.2. Đề nghị
100
Tài liệu tham khảo
...............................................................
Tóm tắt Lý lịch trích ngang ......................................................
*******************
- vi -
101
104
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------
NGUYỄN VĂN CƯƠNG
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG
CỦA CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH
CHUYÊN NGÀNH:
MÃ SỐ NGÀNH:
CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
09
LUẬN ÁN CAO HỌC
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2001
CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN
CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1:
TS. PHẠM NGỌC TUẤN
CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2:
TS. THÁI THỊ THU HÀ
Luận án cao học được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN ÁN
CAO HỌC - Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM ngày ....... tháng 12 năm 2001.
Có thể tìm hiểu luận án tại Thư Viện Cao Học Trường Đại Học Bách Khoa,
Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh.
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ TẠO MẪU NHANH
---------------
I.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TẠO MẪU NHANH
I.1.1. Tạo mẫu nhanh là gì?
Trong hơn thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự xuất hiện của công nghệ
sản xuất mới dùng để chế tạo những vật thể khối. Sử dụng công nghệ này, thời gian
chế tạo chi tiết giảm đi một cách đáng kể. Đó là công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid
Prototyping Technology - RPT).
Tạo mẫu nhanh nổi lên như một công cụ giá trị để phát triển nhanh sản
phẩm. Ưu việt của nó so với quá trình sản xuất truyền thống là khả năng thực hiện
nhanh sản phẩm khiến nhiều công ty chỉ cần tốt ít tiền và thời gian để mang mẫu sản
phẩm từ máy tính ra sản xuất.
Tạo mẫu nhanh (RP) là thuật ngữ dùng diễn tả những công nghệ được dùng
để chế tạo những mô hình 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 đôï nhanh
hơn nhiều so với các phương pháp thông thường. Những "máy in ba chiều này" cho
phép những nhà thiết kế tạo nhanh những mô hình xác thực của bản thiết kế hơn là
những hình ảnh hai chiều phẳng. Những phương pháp RP có đặc điểm chung giống
nhau là quá trình thêm vào và liên kết những lớp vật liệu giấy, sáp, nhựa.... để tạo
nên mẫu vật thể. Điều này hoàn toàn trái ngược với những phương pháp truyền
thống (khoan, mài ....) là chi tiết được tạo thành bằng quá trình lấy vật liệu ra từ khối
vật liệu. Chính quá trình thêm vật liệu cho phép công nghệ tạo mẫu nhanh có thể
chế tạo được những chi tiết có độ phức tạp bên trong mà người ta không thể chế tạo
được bằng những công nghệ khác. Tạo mẫu nhanh còn được biết với những tên khác
như: chế tạo vật thể tự do (Solid Freeform Fabrication-SFF), sản xuất bằng lớp
(layer-by-layer fabrication), sản xuất mẫu tự động nhanh (Rapid automated
prototyping), và nhiều tên khác.
------------------------------------------------------------------------------------- 1 -
I.1.2. Tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh
Công nghệ tạo mẫu nhanh có một vai trò rất quan trọng để đạt tới sự thành
công trong cạnh tranh kinh tế toàn cầu, giảm chu kỳ phát triển sản phẩm, làm tăng
tính phức hợp, đòi hỏi những phương pháp mới để biến các tư tưởng sáng tạo thành
hiện thực. Nhằm đáp ứng thách thức này, các ngành công nghiệp và các cơ quan
nghiên cứu đã phát minh ra một loạt các phương pháp công nghệ tạo mẫu nhanh để
phát triển các sản phẩm mới và mở rộng khả năng ứng dụng của nó.
Hầu hết các nhà thiết kế đều đồng ý rằng: "Nhận được vật thể nhanh" có tầm
quan trọng trong việc khám phá những nội dung thiết kế mới. Nhà thiết kế có kinh
nghiệm với sản phẩm mới càng sớm bao nhiêu, họ càng có nhiều nguồn cảm hứng
cải tiến sản phẩm bấy nhiêu. Trong thập kỷ vừa qua, công nghệ tạo mẫu nhanh bằng
phương pháp chế tạo theo lớp đã nhận được sự quan tâm rộng rãi trên toàn thế giới.
Với tạo mẫu nhanh, người kỹ sư có thể tạo ra mô hình thiết kế CAD 3 chiều,
download trực tiếp đến đến máy tạo mẫu nhanh ở phòng thí nghiệm. Sau đó, có thể
nhận được mẫu vật lý của chi tiết vào ngày hôm sau.
Công nghệ tạo mẫu nhanh có những ưu điểm sau:
Những ưu điểm chung của tạo mẫu nhanh có thể nói là tốc độ, chi phí và độ linh
hoạt (dễ dàng khi thay đổi thiết kế) của nó.
•
Tăng khả năng quan sát chi tiết. Nhờ vào sự phát triển của công nghệ thông
tin, người thiết kế có thể thiết kế chi tiết trên máy tính; sau đó có được mô
hình chi tiết ba chiều chỉ trong vài giờ mà không cần phải qua quy trình chế
tạo mẫu phức tạp theo phương pháp truyền thống.
•
Chế tạo được những chi tiết có độ phức tạp cao. Nhờ quá trình chế tạo bằng
cách thêm vật liệu từng lớp mặt cắt ngang, người ta có thể chế tạo được
những chi tiết có độ phức tạp cao.
•
Giảm một cách đáng kể chi phí và thời gian thiết kế - chế tạo chi tiết, các chi
tiết có thể được điều chỉnh ngay trong giai đọan thiết kế (đối với một chi tiết
cụ thể có thể giảm từ 27 tuần xuống chỉ còn 6 tuần).
•
Cho phép nhà thiết kế và nhà chế tạo mang sản phẩm đến thị trường nhanh
hơn với chi phí sản xuất thấp hơn.
•
Tăng khả năng tối ưu hóa và phát triển sản phẩm.
•
Kiểm tra được tín chính xác của chi tiết.
------------------------------------------------------------------------------------- 2 -
•
Phương pháp tạo mẫu nhanh đã tạo nên một kênh thông tin hiệu quả giữa các
nhà thiết kế với nhau, giữa nhà thiết kế với nhà sản xuất và người tiêu dùng,
nhằm thỏa mãn tốt nhất nhu cầu và khả năng của thị trường.
Ngày nay, một trong những yêu cầu có tính chất sống còn đối với một ngành
sản xuất là phải tạo ra được sự đa dạng của sản phẩm, giá rẻ và đáp ứng nhanh cho
một nhu cầu nào đó của khách hàng. Trong đó, thời gian đưa sản phẩm đến thị
trường là một trong ba yếu tố hàng đầu trong việc chạy đua kinh doanh. Hiện nay,
công nghệ tạo mẫu nhanh đang hoạt động như một cầu nối giúp cho các nhà thiết
kế, các kỹ sư chế tạo, các nhân viên bán hàng và tiếp thị cung cấp hàng hóa đúng
lúc đến khách hàng.
Để chứng tỏ vai trò của công nghệ tạo mẫu nhanh, xin minh họa lời giới thiệu
của ông Trưởng phòng kỹ thuật hãng xe hơi Ford cho cuốn sách của Marshall Burns
(1993) về công nghệ tạo mẫu nhanh như sau:
"Trong thế kỷ thứ 20, công nghệ tự động đã đóng một vai trò quan trọng trong
các ngành công nghiệp chính, những công ty nào muốn thành công ở thế kỷ 21 hãy
làm quen với những công nghệ mới. Cuốn sách này sẽ dạy chúng ta điều đó"
Theo báo cáo của ông Kaperalo - Trưởng phòng thí nghiệm tạo mẫu nhanh của
hãng xe hơi FIAT (Ý)- tại hội nghị thượng đỉnh toàn cầu hội các nhà tạo mẫu nhanh
trên thế giới được tổ chức ở Michegan (Mỹ) năm 1998: Nếu sản xuất Manifol của
động cơ đốt trong theo công nghệ truyền thống phải mất 06 tháng với chi phí
150.000USD, còn nếu áp dụng công nghệ tạo mẫu nhanh thì chỉ cần thời gian 01
tháng với chi phí giảm 10 lần còn 15.000USD.
Dó nhiên, vấn đề "nhanh" ở đây chỉ mang tính tương đối. Hầu hết tất cả các
mẫu yêu cầu mất khoảng thời gian từ 03 đến 72 giờ để xây dựng dựa vào kích thước
và độ phức tạp của nó. Điều này dường như chậm, nhưng nó nhanh hơn nhiều so với
việc mất hàng tuần hoặc hàng tháng để chế tạo chi tiết đó theo phương pháp gia
công truyền thống.
I.1.3. Sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh trên thế giới
Nhu cầu sử dụng phương pháp tạo mẫu nhanh tăng rất nhanh trên thế giới, đặc
biệt là trong ngành chế tạo ở Mỹ, Châu âu và Nhật bản. Theo một khảo sát gần đây
của công ty Deton & Co, Michigan, USA với 312 công ty sử dụng RP. Người ta nhận
thấy rằng các công ty vận tải chiếm 24%; các công ty hàng không chiếm 23%; các
công ty điện tử chiếm 14%; các công ty chế tạo thiết bị văn phòng chiếm 11%. Năm
1994 được xem là năm đáng ghi nhớ của ngành tạo mẫu nhanh với doanh số bán ra
của công nghệ này là 300 triệu USD và tạo ra hơn 10.000 việc làm.
Theo số liệu thống kê của tổ chức Wohlers Associates. Inc, tính đến năm 2000,
đã có khoảng 6.755 hệ thống máy được lắp đặt ở 58 quốc gia trên thế giới. Những
------------------------------------------------------------------------------------- 3 -
hệ thống này đã sản xuất ra một số lượng đáng ngạc nhiên khoảng 3.004.006 mô
hình và chi tiết trong năm vừa qua (theo Wohlers Report 2001). Hình 1-1 trình bày
đồ thị biểu diễn số lượng máy RP được bán ra trên thế giới trong 10 năm qua.
1400
1320
1200
1178
1040
RP Machine
1000
982
800
790
600
523
400
320
200
34
104 114 82 111
157
0
88
89
90
91
92
93
94
Year
95
96
97
98
99
00
Hình 1.1: Số lượng máy RP bán ra trên thế giới trong những năm qua.
(Source: Wohlers report 2001)
Europe
24.6%
Asia/Pacific
28.6%
Other
1.5%
North
America
45.3%
Hình 1.2: Sự phân bố số lượng máy RP trên thế giới tính đến cuối năm 2000
(Source: Wohlers Report 2001).
------------------------------------------------------------------------------------- 4 -
Tính đến cuối năm 2000, khoảng hơn 45% tổng số máy RP được lắp đặt ở Bắc
Mỹ (North America), 28,6% ở Châu Á/ Thái bình dương (Asia/Pacific), 24,6% ở
Châu âu (Europe).
Ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh vào trong ngành chế tạo cơ khí đã đem lại
lợi ích cụ thể rất lớn. Thí dụ: công ty Pratt & Whitney’s Rapid Prototyping Casting
Laboratory ở East Hartford Conn sử dụng phương pháp RP trong công nghệ đúc
khuôn vỏ mỏng đã giảm được chi phí từ 7 triệu USD xuống còn khoảng 600 ÷ 700
ngàn USD; tiết kiệm được khoảng 70 ÷ 90% thời gian chế tạo.
I.1.4. Công nghệ tạo mẫu nhanh so với công nghệ truyền thống
Thực tế, công nghệ tạo mẫu nhanh sẽ không thể thay thế được hoàn toàn công
nghệ truyền thống như máy NC, CNC và máy phay tốc độ cao, ngay cả những thiết
bị cầm tay. Nói đúng hơn, người ta xem công nghệ tạo mẫu nhanh như một công cụ
mới để có sự chọn lựa tốt hơn khi chế tạo chi tiết.
Cost
Time
(a)
Complexity
(b)
Complexity
NC Milling
High Speed Milling
Rapid Prototyping
Hình 1.3: So sánh RPT với Công nghệ truyền thống.
Đồ thị ở hình 1.3 biểu diễn một so sánh gần đúng giữa công nghệ tạo mẫu nhanh
(RPT) và máy phay về chi phí và thời gian để chế tạo một chi tiết theo độ phức tạp.
Chúng ta nhận thấy rằng với chi tiết có độ phức tạp càng cao, việc ứng dụng công
nghệ tạo mẫu nhanh sẽ càng làm giảm đi chi phí về thời gian và giá thành thiết kế chế tạo sản phẩm so với các phương pháp truyền thống.
------------------------------------------------------------------------------------- 5 -
I.2. ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH
Công nghệ tạo mẫu nhanh có khả năng ứng dụng rất lớn trong nhiều lónh vực
khoa học và công nghệ khác nhau. Ngoài lónh vực thiết kế - phát triển và chế tạo
sản phẩm; với những ưu việt sẵn có công nghệ tạo mẫu nhanh còn được áp dụng
trong các lónh vực thiết kế công nghiệp, quá trình đúc, chế tạo công cụ, công nghiệp
ôtô, công nghiệp hàng không, công nghiệp mỹ nghệ và trong y học .v.v. . .
I.2.1. Ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong y học
Tạo mẫu nhanh có tác động đến một số lónh vực y học. Việc ứng dụng công
nghệ tạo mẫu nhanh trong y học là một lónh vực thú vị và mới mẻ. Nhiều ứng dụng
đã trở thành khả thi nhờ vào sự kết hợp của ba kỹ thuật riêng biệt: ảnh y học,
Computer Graphic & CAD, và công nghệ tạo mẫu nhanh (RPT).
Computer - Assisted Tomography (CT) và Magnetic Resonance Imaging
(MRI) cung cấp những hình ảnh có độ phân giải cao về cấu trúc bên trong của cơ thể
con người, thí dụ những bộ phận của cơ thể, những cấu trúc xương. Một khi những
hình ảnh này đã được xử lý bằng công cụ phần mềm thích hợp, người ta có thể
chuyển kết quả đến hệ thống tạo mẫu nhanh và thu được một vật thể mới gọi là mô
hình y học (medical model).
Hình 1.4: Tạo mô hình y học từ những hình ảnh quét được.
Đồng thời, kỹ thuật tạo mẫu nhanh cung cấp cho những Bác só và những nhà
phẩu thuật một công cụ mới - mô hình vật lý của cấu trúc bên trong con người - để
chuẩn bị và lập kế hoạch tốt hơn cho những ca phẩu thuật phức tạp. Điều này làm
------------------------------------------------------------------------------------- 6 -
cho khả năng thành công trong phẩu thuật cao hơn, góp phần làm giảm sự rủi ro,
giảm đau đớn cho bệnh nhân, và cho kết quả có chất lượng hơn.
Có lẽ những ứng dụng rõ ràng nhất của công nghệ tạo mẫu nhanh trong y học
là việc thiết kế, phát triển và chế tạo những thiết bị, bộ phận sinh học thay thế; dụng
cụ y học trong đào tạo; phục vụ cho việc lập kế hoạch trong phẩu thuật .v.v. . . .
Những thí dụ về dụng cụ y học được thiết kế bằng công nghệ tạo mẫu nhanh như:
dao mổ, các cơ co rút, những khóa - chốt mổ, những hệ thống hiển thị và nhiều thiết
bị khác.
I.2.1.1. Thay thế các bộ phận giả
Công nghệ tạo mẫu nhanh có thể mang lại những đổi mới trong những lónh
vực "lắp và cấy" những bộ phận giả. Trước đây, việc thay thế những bộ phận ở
người và những phẩu thuật tương tự thường sử dụng những bộ phận thay thế với kích
thước đã chuẩn hóa được chọn từ những nhà chế tạo dựa trên thuyết hình người.
Việc này cũng thỏa mãn trong nhiều trường hợp nhưng không phải là tất cả, và
không phải với bất kỳ trường hợp nào; luôn luôn có những bệnh nhân vượt ra ngoài
tiêu chuẩn, các kích thước nằm ở khoảng giữa, hoặc đối với những yêu cầu đặc biệt
do những căn bệnh hay những phát sinh tạo ra. Công nghệ tạo mẫu nhanh có thể chế
tạo những bộ phận giả thích hợp chính xác tương ứng cho từng bệnh nhân.
Medical CT Scan
“.STL” File of Part (Xương, . . .)
RP Machine (LOM, SLA, FDM, ....)
“Green” Part
Post Processing
Final “Part” Implant
Hình 1.5: Quá trình tạo các bộ phận thay thế trong y học.
------------------------------------------------------------------------------------- 7 -
Ngẫu nhiên, tạo mẫu nhanh và kỹ thuật xác định bằng máy CT, sử dụng tia X
hoặc NMRI, cả hai đều dựa trên phương pháp lớp (layer - based methodologies).
Điều này cho phép chuyển những dư liệu hình ảnh đo được trực tiếp qua lại giữa các
hệ thống này, những hình ảnh này được dùng như là dữ liệu vào cho hệ thống tạo
mẫu nhanh.
Một thí dụ khá thú vị của bộ phận thay thế bên ngoài là việc chế tạo một tai
bị khuyết (mất) của bệnh nhân. Tai còn lại được quét bằng máy quét 3D và dữ liệu
thu được sẽ được tạo ảnh đối xứng để tạo ra dữ liệu của bộ phận bị mất. Tiếp đến,
mô hình của tai bị mất sẽ được tạo bằng hệ thống tạo mẫu nhanh, và vật thể sau
cùng được chế tạo bằng chất polymer giống như thật từ khuôn mẫu.
I.2.1.2. Những ứng dụng trong phẩu thuật
Tạo mẫu nhanh đang được các bác só phẩu thuật sử dụng để lập kế hoạch và
giải thích những họat động phức tạp trong công việc, đặc biệt trong việc phẩu thuật
chỉnh hình như: xương sọ nảo và xương hàm trên. Cũng như những nghệ thuật bằng
tay, đòi hỏi có sự khéo tay và độ chính xác lớn, phần nhiều công việc giải phẩu đều
tập trung vào đôi tay của nhà phẩu thuật. Những mô hình được trưng bày trong
phòng mổ thường được xem như những khuôn mẫu và những vật hướng dẫn. Thông
thường, phương pháp Stereolithography được chọn cho những ứng dụng như thế. Sự
trong suốt của mô hình và những phát triển mới đây của chất nhựa màu (color resin)
cho phép quan sát một cách rõ ràng những khối u, những dị tật khác trong các bộ
phận xương hoặc những mô xung quanh. Tuy nhiên, chi phí vẫn còn là vấn đề nan
giải trong ứng dụng phương pháp tạo mẫu nhanh.
------------------------------------------------------------------------------------- 8 -
Hình 1.6: Ứng dụng của mô hình tạo mẫu nhanh để lập kế hoạch phẩu thuật trong
phẩu thuật chỉnh hình.
Có một số ưu điểm để sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong phẩu thuật.
Sử dụng máy quét CT, người ta có thể chế tạo những bộ phận xương cho bệnh nhân,
những mô hình có thể được sử dụng trong khi thực hiện những quá trình phức tạp,
làm giảm rất nhiều thời gian trong phòng mổ. Các mô hình không chỉ được sử dụng
trong phẩu thuật, mà còn được sử dụng trong quan sát. Những nhà phẩu thuật có thể
thấy được vị trí, kích thước và hình dáng chính xác của vùng bệnh. Điều này sẽ giúp
cho việc giao tiếp giữa nhóm phẩu thuật, bác só và bệnh nhân tốt hơn. Trong trường
hợp những ca mổ quá lâu, nhóm phẩu thuật có thể sử dụng những mô hình vật lý
tiến hành ca mổ, kết quả mong đợi sẽ chắc chắn hơn. Nhà phẩu thuật có thể dự kiến
được kết quả mong đợi và quyết định thời gian trị liệu cho bệnh nhân lâu hay nhanh.
Những mô hình sinh học cho phép những nhà phẩu thuật (hoặc nhóm phẩu thuật)
chuẩn bị quá trình phẩu thuật tốt hơn. Điều này đặc biệt có ích trong phẩu thuật
những bộ phận của cơ thể có cấu trúc không bình thường.
Hình 1.7: Mô hình chấn thương sọ não, Bộ phận giả RP được tạo từ máy tính nhằm
định vị chấn thương, PMMA được sử dụng để tạo mô hình bằng công nghệ tạo mẫu
nhanh (Trái).
Bộ phận sinh học được chế tạo từ thiết bị tạo mẫu nhanh và được điều chỉnh thích hợp
trước khi đưa vào phẩu thuật (Phải).
Công nghệ tạo mẫu nhanh còn được ứng dụng trong việc thay thế xương hàm,
phẩu thuật nha khoa và định vị trí cho một số bộ phận trong phẩu thuật như: răng
giả, định vị xương, . . . .
------------------------------------------------------------------------------------- 9 -
Hình 1.8: Mẫu y học dùng trong nha khoa (Solidscape).
Tạo mẫu nhanh còn được sử dụng để tái tạo những đặc tính cơ học và sự thay
đổi vật liệu trong xương. Một cấu trúc composite được chế tạo với một cấu trúc lưới
của SLA có thể tạo ra hai bộ phận khác nhau với đặc tính giống như xương sọ não.
Thông thường, những thay đổi bệnh lý và phẩu thuật của cấu trúc xương có thể được
thể hiện. Những dưỡng xương cơ khí chính xác có thể được xử dụng để kiểm tra độ
bền của xương dưới điều kiện cho trước.
I.2.1.3. Những mô hình và thiết bị đào tạo trong y học
RP có thể được sử dụng để tạo những mô hình của một phần chi tiết được cho
trước, một bộ phận bị khuyết hoặc ở điều kiện y học khác. Những mô hình được tạo
bởi những nhà nghiên cứu và được sử dụng trong phòng học. Những mô hình được
phân loại theo mục đích sử dụng ở nhà trường, nhà bảo tàng với những mục đích
giáo dục hoặc trưng bày. Những mô hình này được các nhà y khoa dùng để huấn
luyện, thực hành những ca phẩu thuật để không tạo ra nổi lo lắng cho bệnh nhân.
Tiềm năng khác của những mô hình tạo mẫu nhanh là sử dụng trong những
mô phỏng huấn luyện. Những mô hình sẽ thể hiện chính xác việc phẩu thuật con
người. Quá trình mô phỏng có thể cung cấp một mô hình của những xương sườn,
xương ức để có thể xác định đúng vị trí tim. Những mô hình khí quản và thực quản
có thể được sử dụng trong huấn luyện để thay thế những bộ phận thật, . . . . Những
mô hình này có thể được sử dụng để đào tạo những y tá, bác só, hoặc bất kỳ lónh vực
liên quan đến y học khác. Bằng sự kết hợp công nghệ tạo mẫu nhanh trong mô
phỏng huấn luyện, người ta có thể đạt được độ chính xác cao hơn trong công việc
thực tế.
I.2.2. Công nghệ tạo mẫu nhanh trong nhân loại học
Những nhà nhân loại học đã khám phá ra rằng tạo mẫu nhanh có thể rất có
ích trong việc tạo những xương và những tượng khác. Tạo mẫu nhanh cho phép tái
tạo những tượng giả để việc tạo mô hình, đo đạt và khảo sát tỉ mỉ những phần còn
lại có thể được thực hiện mà không gây ảnh hưởng đến việc tìm kiếm ban đầu.
Trong những trường hợp chỉ có một hoặc hai mẫu vật tồn tại, nó cho phép mô hình
------------------------------------------------------------------------------------- 10 -
gốc được bảo đảm an toàn không gây trở ngại đến nghiên cứu thực hiện trên mẫu
vật.
Bằng việc quét CT trên vật thể, người ta dễ dàng tái tạo chính xác một tượng
giả trên những máy tạo mẫu nhanh. Những mô hình được chế tạo cũng có thể được
sử dụng để miêu tả quá trình tiến hóa của nhân loại.
I.2.3. Lónh vực pháp lý
Khi điều tra những trường hợp giết người, điều rất quan trọng là tái dựïng lại
cảnh tượng. Những mô hình tạo mẫu nhanh sẽ cung cấp những câu trả lời cho một số
câu hỏi. Việc tái tạo dùng tạo mẫu nhanh đủ chính xác để kết luận thương tích có
xảy ra hay không. Những tiên đoán chính xác về lực, dụng cụ và những sự kiện khác
cũng có thể được xác định bằng những mô hình này.
Tạo mẫu nhanh cho phép chế tạo những xương như đầu lâu, những mô hình
vật lý thực tế này có thể sử dụng trong phiên tòa. Với những cái chết bí ẩn hoặc bị
ám sát, những mô hình về vết thương của nạn nhân có thể được sử dụng để khởi tố
thủ phạm. Những mô hình này sẽ giúp cho việc tái hiện lại cảnh tượng trong phiên
tòa cũng như phát hiện những gì đã xảy ra.
I.2.4. Ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong kiến trúc và mỹ nghệ
(jewelry)
Tạo mẫu nhanh đang được một số lớn nghệ nhân sử dụng để chế tạo những
vật thể mang tính nghệ thuật. Có một số sản phẩm đã được thực hiện trong khi một
số khác đang còn trên lý thuyết. Một số sản phẩm chỉ được tạo ra bằng công nghệ
tạo mẫu nhanh mà không thể chế tạo được bằng các phương pháp khác.
Trong nghệ thuật trang sức và những nghệ thuật liên quan, công nghệ tạo
mẫu nhanh đã có những ảnh hưởng đáng kể. Một số nhà chế tạo như: Meiko của
Nhật bản, Solidscape của Mỹ, .v.v..., đã tập trung vào những ứng dụng tạo mẫu
nhanh trong lónh vực này. Một số trường đại học và cơ quan dịch vụ cũng đã đẩy
mạnh việc thiết kế và chế tạo đồ mỹ nghệ bằng công nghệ tạo mẫu nhanh.
------------------------------------------------------------------------------------- 11 -
Hình 1.9: Các sản phẩm trong nghệ thuật trang sức được chế tạo bằng những ứng
dụng công nghệ tạo mẫu nhanh.
I.2.5. Ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong quá trình thiết kế - chế
tạo - phát triển sản phẩm
I.2.5.1. Công nghệ tạo mẫu nhanh trong thiết kế - phát triển sản phẩm
Hiện tại, công nghệ tạo mẫu nhanh đang được áp dụng mạnh trong lónh vực
thiết kế và phát triển sản phẩm. Những ứng dụng cơ bản của tạo mẫu nhanh là chế
tạo những khuôn mẫu cho những kỹ sư thiết kế. Quá trình chế tạo mẫu SL được xác
định từ lúc nhận dữ liệu ban đầu đến khi hoàn thành việc chế tạo chi tiết chỉ trong
khoảng từ 02 giờ đến 10 ngày. Thời gian này giảm đáng kể so với các phương pháp
gia công truyền thống (mất khoảng hàng tháng). Vì thế, với thời gian ngắn hơn trong
chu trình thiết kế, nhóm kỹ thuật có thể kiểm tra chức năng, kích thước và hình dáng
chi tiết; tính toán và thiết kế lại theo mong muốn. Chính điều này cho phép nhà thiết
kế lặp lại những ý tưởng mới trong bản thiết kế. Thêm vào đó, bằng việc tạo mẫu
nhanh và mô hình hóa trên máy tính, những vấn đề nghiêm trọng trong việc lắp ráp
------------------------------------------------------------------------------------- 12 -
và thiết kế sẽ không hoặc rất ít xảy ra. Điều này tạo nên hai ưu điểm nổi bật là cải
tiến thiết kế và giảm thời gian của chu kỳ phát triển sản phẩm.
Những ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh đã cung cấp những lợi ích
quan trọng tới những nhà thiết kế kỹ thuật và chế tạo. Đặc biệt, trong việc nâng cao
khả năng quan sát, phát triển thiết kế một cách chất lượng và toàn vẹn, giảm chi phí
phát triển sản phẩm, rút ngắn thời gian để chế tạo mô hình mẫu và mô hình ý tưởng,
chế tạo trước những khuôn đúc. Những mô hình mẫu này được sử dụng trong nhiều
lónh vực cụ thể như: tiếp thị, quản lý, đánh giá kỹ thuật cũng như nghiên cứu những
bộ phận của cơ thể con người. Những khuôn mẫu cũng cung cấp cho những kỹ sư
một công cụ giao tiếp súc tích để chuyển những ý tưởng thiết kế đến khách hàng.
Thí dụ, khi thiết kế những nút ấn, tay vặn đặc biệt,. . . ., không phải lúc nào cũng
tuân theo sự hướng dẫn thiết kế của khách hàng. Tuy nhiên, những kỹ sư thiết kế sẽ
có những thay đổi trong phạm vi yêu cầu của khách hàng và cung cấp những thiết kế
chất lượng. Hiện nay, với những mô hình mẫu RP, những bản thiết kế sẽ được chấp
thuận khi nhà thiết kế tiếp xúc trực tiếp với khách hàng. Không có mô hình, khả
năng quan sát, kiểm tra sản phẩm và ý tưởng mới sẽ bị hạn chế. Sự quyết định sẽ bị
chậm trể để nghiên cứu thêm, gây ra sự tiêu tốn về thời gian và chi phí khác.
I.2.5.2. Công nghệ tạo mẫu nhanh trong chế tạo
Công nghệ tạo mẫu nhanh rất hữu ích đối với bất cứ ai chế tạo một sản phẩm
hoặc cần một vật thể vật lý. Hình 1.10 miêu tả nhu cầu đối với ngành công nghiệp
chế tạo đã thay đổi trong khoảng ba mươi năm qua.
------------------------------------------------------------------------------------- 13 -
