Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống tạo mẫu nhanh trong xây dựng

-1-

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN HỒNG NGUYÊN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ & CHẾ TẠO MƠ HÌNH
HỆ THỐNG TẠO MẪU NHANH TRONG XÂY DỰNG
Chun ngành : Cơ khí chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2007


-2-

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN 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 : ...............................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...............................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .

-3-

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

NGUYỄN HỒNG NGUYÊN

Ngày, tháng, năm sinh :

10 – 02 – 1974

Giới tính : Nam ×/ Nữ
Nơi sinh : Qủang Ngãi

Chun ngành :Cơ khí Chế tạo máy
Khố (Năm trúng tuyển) : 2003
1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ & CHẾ TẠO MƠ HÌNH HỆ THỐNG TẠO
MẪU NHANH TRONG XÂY DỰNG
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
- Tìm hiểu cơng nghệ tạo mẫu nhanh (RP) & công nghệ Contour Crafting (CC)
- Thiết kế & chế tạo mơ hình

- Đánh giá thực nghiệm sản phẩm
- Kết quả đạt được
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 7/ 12/ 2006
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 7/ 7/ 2007
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


-4-

Luận văn Thạc sĩ

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến
thầy PGS.TS Đặng Văn Nghìn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ Em trong
quá trình thực hiện Luận văn Thạc só.
Nhân đây Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến:
Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí
Minh
Q Thầy, Cô Khoa Cơ khí Trường Đại Học Bách Khoa Thành
phố Hồ Chí Minh
Q Thầy, Cô Phòng Quản lý Sau Đại Học Trường Đại Học Bách
Khoa Thành phố Hồ Chí Minh

Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể các đồng nghiệp,
bạn bè và gia đình đã giúp đỡ Em trong suốt quá trình thực hiện đề tài.

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2007

Nguyễn Hồng Nguyên

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN


TÓM TẮT LUẬN VĂN

-5-

Luận văn Thạc só

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay, việc sản xuất ra sản phẩm nhanh và rẻ là chìa khoá dẫn đến
thành công trong nền kinh tế cạnh tranh hiện nay. Để thực hiện được điều này
thời gian đưa ra thị trường phải được rút ngắn. Những công nghệ tạo mẫu nhanh
(RP) hổ trợ quá trình này và là một công nghệ tiên tiến và có đầy triển vọng
trong tương lai.
Như chúng ta đã biết công nghệ tạo mẫu nhanh đã được ứng dụng rất
hiệu quả trong các ngành công nghiệp, y khoa v.v… Nhưng ứng dụng trong
ngành xây dựng phải nói là thật mới mẻ và là một bước đột phá trong công
nghệ tạo mẫu nhanh
Luận văn tốt nghiệp của em là: “Nghiên cứu, Thiết kế & Chế tạo mô
hình hệ thống máy tạo mẫu nhanh trong xây dựng”. Nội dung của luận văn

được trình bày trong 5 chương.
Chương 1:
Tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh & và công nghệ Countour
Crafting (CC) trong xây dựng.
Trong chương này được trình bày về khái niệm, lịch sử phát triển, tiến
trình , các ứng dụng v.v… của công nghệ tạo mẫu nhanh. Và công nghệ countour
crafting (cc) cũng được giới thiệu cùng với ứng dụng của nó là máy tạo mẫu
nhanh trong xây dựng. Trình bày tính cấp thiết của đề tài và mục đích nghiên
cứu, nội dung nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu đề tài.
Chương 2
Cơ sở lý thuyết của công nghệ Countour Crafting (CC) trong xây dựng
Trong chương này được trình bày nguyên lý tạo hình trong xây dựng của
công nghệ CC, tiến trình và mối quan hệ giữa các thành phần thực thi trong hệ
thống công nghệ CC, tính chất nguyên vật liêu sử dụng cho công nghệ CC trong
xây dựng, các thành phần chính của máy CC v.v…
Các phương án thiết kế máy đùn vật liệu theo countour phục vụ cho quá
trình tự động hóa trong xây dựng cũng được đề cập.

GVHD: PGS.TS.ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH:NGUYỄN HỒNG NGUYÊN


TÓM TẮT LUẬN VĂN

-6-

Luận văn Thạc só

Chương 3

Thiết kế và chế tạo mô hình máy đùn vật liệu theo contour
Trong chương này trình bày kết cấu cơ khí gồm ba trục chuyển động tịnh
tiến được dẫn động bởi ba động cơ DC servo có giảm tốc thông qua hệ thống
vitme đai ốc bi và rãnh trượt dẫn hướng, một hệ thống đùn vật liệu được thiết kế
dạng vít đùn để có thể đùn ra liên tục và được dẫn động bởi động cơ DC servo
có giảm tốc vì hệ thống tải vật liệu đất sét.
Kết quả thực hiện được trong việc thiết kế và chế tạo mô hình
Chương 4
Thực nghiệm tạo hình sản phẩm mẫu
Trong chương này sẽ trình bày các công tác chuan bị để chạy ra sản phẩm
thực gồm các countour thẳng, tròn. Đánh giá và nhận xét kết quả.
Chương 5
Đánh giá kết quả đã thực hiện được của đề tài và phương hướng phát
triển

Trên đđâyđlà phần tóm tắt luận văn em đã thực hiện về đề tài: “Nghiên
cứu, Thiết kế & Chế tạo mô hình hệ thống tạo mẫu nhanh trong xây dựng”.
Để cụ thể hơn sẽ đi vào phần trình bày của từng nội dung

GVHD: PGS.TS.ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH:NGUYỄN HỒNG NGUYÊN


MỤC LỤC

-7-

Luận văn Thạc sĩ

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH & CÔNG
NGHỆ COUNTOUR CRAFTING (CC) TRONG XÂY DỰNG
1.1. Lời mở đầu. ........................................................................................................... 12
1.2. Giới thiệu về tạo mẫu nhanh – RP (Rapid Prototyping). ............................... 13
1.2.1. Khái niệm về tạo mẫu nhanh. .................................................................... 13
1.2.2. Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh. .................................. 14
1.2.3. Tiến trình cơ bản của tạo mẫu nhanh. ...................................................... 14
1.2.4. Những kó thuật tạo mẫu nhanh hiện nay. .................................................. 16
1.2.5. Tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh. ..................................... 22
1.2.6. Sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh. .......................................... 22
1.2.7. So sánh với công nghệ truyền thống. ......................................................... 23
1.2.8. Ứng dụng của tiến trình tạo mẫu nhanh. .................................................. 23
1.3. Giới thiệu chung về công nghệ Contour Crafting – CC và máy
tạo mẫu nhanh trong xây dựng. ............................................................................... 26
1.3.1. Giới thiệu chung............................................................................................ 26
1.3.2. Những ưu điểm của công nghệ CC trong xây dựng và tính khả thi. ..... 29
1.3.3. Ứng dụng của công nghệ CC. ..................................................................... 32
1. 4 Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................... 36
1.5 Nội dung và mục đích nghiên cứu ....................................................................... 36
1.6 Phạm vi thực hiện ................................................................................................. 37
1.7 Phương pháp nghiên cứu giải quyết vấn đề ...................................................... 37

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN

MỤC LỤC

-8-

Luận văn Thạc sĩ

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ
COUNTOUR CRAFTING (CC) TRONG XÂY DỰNG
2.1 Cơ sở lý thuyết của công nghệ countour crafting (CC) ................................... 40
2.1.1 Nguyên lý tạo hình trong xây dựng bằng công nghệ CC ................... 40
2.1.2 Tiến trình công nghệ và mối quan hệ giữa các thành phần
thực thi trong hệ thống công nghệ CC............................................................ 42
2.2 Thiết bị và vật liệu trong công nghệ CC ........................................................... 43
2.2.1 Các thành phần thiết bị chính của máy CC ........................................ 43
2.2.2 Thiết bị ...................................................................................................... 44
2.2.3 Vật liệu sử dụng trong công nghệ CC .................................................. 46
2.3 Một số mô hình thiết bị đã được thiết kế và chế tạo thử nghiệm
phục vụ trong công nghệ CC ............................................................................ 49
2.4 Các phương án thiết kế máy đùn vật liệu theo countour phục vụ
cho quá trình tự động hóa trong xây dựng. Ưu và nhược điểm ................... 51
2.5 Lựa chọn phương án thiết kế máy đùn vật liệu xây dựng theo conutour..... 56
2.6 Những yêu cầu kỹ thuật chính của máy đùn theo countour sử dụng
trong công nghệ CC .......................................................................................... 57
2.7 Kết luận ................................................................................................................. 59

CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY ĐÙN VẬT LIỆU

THEO CONTOUR
3.1. Ba trục chuyển động tịnh tiến ........................................................................... 62
3.1.1. Trục X ............................................................................................................ 62

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN


MỤC LỤC

-9-

Luận văn Thạc sĩ

3.1.2. Truïc Y ............................................................................................................ 67
3.1.3. Truïc Z............................................................................................................. 70
3.1.4. Các thông số của 3 trục tịnh tiến và tính toán động học ........................ 74
3.2. Hệ thống đùn ........................................................................................................ 76
3.2.1. Động cơ và đồ gá động cơ ............................................................................ 77
3.2.2. Phểu chứa vật liệu ........................................................................................ 78
3.2.3. Trục vít tải và nối trục ................................................................................ 78
3.2.4. Đầu ra khỏi phểu chứa liệu ......................................................................... 79
3.2.5. Ống nối mềm ................................................................................................. 79
3.2.6. Ống gắn vào trục Z....................................................................................... 80
3.2.7. Đầu ra............................................................................................................. 80
3.3. Khung giàn ............................................................................................................ 81
3.3.1. Chân máy ....................................................................................................... 81
3.3.2. Hệ thống chứa phểu vật liệu ....................................................................... 81
3.4 Hệ thống điều khiển cho máy quét tự động theo contour ............................ 85

3.5. Toàn bộ hệ thống ................................................................................................. 86
3.6 Kết luận ................................................................................................................. 86

CHƯƠNG 4

THỰC NGHIỆM TẠO HÌNH SẢN PHẨM MẪU
4.1 Công tác chuẩn bị vật liệu và thiết bị ................................................................ 88
4.1.1 Chuẩn bị vật liệu............................................................................................
4.1.2 Chuẩn bị máy .................................................................................................
4.2 Thử nghiệm vật liệu.............................................................................................. 88
4.3 Thử nghiệm chiều dày và bề rộng của mỗi lớp tạo hình ................................. 89
4.4 Thử nghiệm về đường đi tạo hình sản phẩm ..................................................... 90

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN


MỤC LỤC

- 10 -

Luận văn Thạc sĩ

4.5 Tiến trình tạo mẫu sản phẩm .............................................................................. 92
4.5.1 Mẫu hình học thứ nhất ...................................................................................... 92
4.5.1.1 Tiến trình tạo mẫu .............................................................
4.5.1.2 Kết quả .............................................................................
4.5.1.3 Đánh giá và nhận xét kết quả ...........................................
4.5.2 Mẫu hình học thứ hai......................................................................................... 93

4.5.2.1 Tiến trình tạo mẫu .............................................................
4.5.2.2 Kết quả .............................................................................
4.5.2.3 Đánh giá và nhận xét kết quả ...........................................
4.5.3 Mẫu hình học thứ ba .......................................................................................... 95
4.5.3.1 Tiến trình tạo mẫu .............................................................
4.5.3.2 Kết quả .............................................................................
4.5.3.3 Đánh giá và nhận xét kết quả ...........................................
4.6 Một số sản phẩm khác máy đã tạo được .......................................................... 96
4.7 Kết luận chung ...................................................................................................... 98
CHƯƠNG 5

KẾT QUẢ THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI & PHƯƠNG HƯỚNG
PHÁT TRIỂN
5.1 Kết quả thực hiện đề tài ................................................................................... 100
5.2 Phương hướng phát triển đề tài ....................................................................... 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 102
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 103

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN


Chương 1 – TỔNG QUAN

- 11 -

Luận văn Thạc sĩ

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH & CÔNG
NGHỆ COUNTOUR CRAFTING (CC) TRONG XÂY DỰNG
1.1. Lời mở đầu. ................................................................................................. 12
1.2. Giới thiệu về tạo mẫu nhanh – RP (Rapid Prototyping). ....................... 13
1.2.1. Khái niệm về tạo mẫu nhanh. ............................................................ 13
1.2.2. Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh. ........................... 14
1.2.3. Tiến trình cơ bản của tạo mẫu nhanh. .............................................. 14
1.2.4. Những kó thuật tạo mẫu nhanh hiện nay. .......................................... 16
1.2.5. Tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh. .............................. 22
1.2.6. Sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh. ................................... 22
1.2.7. So sánh với công nghệ truyền thống. ................................................. 23
1.2.8. Ứng dụng của tiến trình tạo mẫu nhanh. .......................................... 23
1.3. Giới thiệu chung về công nghệ Contour Crafting – CC và máy
tạo mẫu nhanh trong xây dựng. ...................................................................... 26
1.3.1. Giới thiệu chung. ................................................................................. 26
1.3.2. Những ưu điểm của công nghệ CC trong xây dựng và tính khả thi.29
1.3.3. Ứng dụng của công nghệ CC. ............................................................. 32
1. 4 Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................ 36
1.5 Nội dung và mục đích nghiên cứu .............................................................. 36
1.6 Phạm vi thực hiện ........................................................................................ 37
1.7 Phương pháp nghiên cứu giải quyết vấn đề .............................................. 37

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN


Chương 1 – TỔNG QUAN

- 12 -

Luận văn Thạc sĩ

1.1. Lời mở đầu
Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping Technology- RPT hay Rapid
Prototyping Manufacturing - RPM) ra đời chưa lâu nhưng đã chứng tỏ được ưu
thế vượt trội trong việc hỗ trợ các quá trình thiết kế nói chung. Khi công nghệ
này chưa được phát minh, sản phẩm mẫu (để đánh giá hiệu quả thiết kế) thường
được chế tạo thủ công (có thể chỉ là mô hình thu nhỏ) nhưng gây tốn kém về
nhiều mặt (thời gian và chi phí lớn). Nay, nếu có sự hổ trợ của công nghệ tạo
mẫu nhanh, thời gian từ khi bắt đầu thiết kế đến lúc hoàn thành giảm đi khá
nhiều, chất lượng sản phẩm tăng lên trong khi giá thành lại hạ xuống. Chính vì
vậy, đây chính là một công nghệ đột phá nắm giữ chìa khóa lợi nhuận kinh tế
nói chung của các ngành sản xuất.
Công nghệ tạo mẫu nhanh có khả năng ứng dụng rất nhiều trong lónh vực
khoa học và công nghệ khác nhau. Ngoài lónh vực phát triển và chế tạo sản
phẩm, với những ưu việt có sẵn 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, hàng không, mỹ nghệ và ngày nay rất nhiều trong y học
Công nghệ tạo mẫu nhanh chế tạo sản phẩm theo phương pháp cắt lớp,
đắp dần lên cho đến khi hoàn thiện mô hình. Điều này giúp ta liên tưởng đến
việc xây dựng nhà cửa. Việc xây dựng nhà cửa cũng theo từng lớp gạch xây lên
trên nền móng cho đến khi hoàn thiện. Và ngày nay với những ý tưởng táo bạo
công nghệ tạo mẫu nhanh đã tiến vào lónh vực xây dựng với một hệ thống mang
tên “Contour Crafting”. Đây là một hệ thống máy tạo mẫu nhanh trong xây
dựng có khả năng xây nhà chỉ trong 24h. Và vấn đề càng được ứng dụng mạnh
mẽ đối với các nước đang có chiến tranh, các gia đình có nhu cầu xây một căn

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN


Chương 1 – TỔNG QUAN

- 13 -

Luận văn Thạc sĩ

nhà thật nhanh trong và sau cuộc chiến
Đây là một công nghệ khá mới mẽ và có những ứng dụng thực tế rất hiệu
quả. Tuy nhiên, ở nước ta chưa thiết kế các hệ thống này, trong khi giá thành
của tòan bộ hệ thống không rẻ. Chính vì vậy nội dung của luận án này sẽ
nghiên cứu về quá trình, công nghệ và thiết bị của công nghệ này (công nghệ
CC). Từ đó, thiết kế mô hình máy phù hợp với công nghệ để góp phần tự động
hóa cho ngành xây dựng.
Trong phạm vi của luận án, với thời gian tìm hiểu và nghiên cứu không
nhiều nên chắc chắn sẽ còn nhiều thiếu sót. Tuy vậy, hy vọng đề tài này sẽ giúp
ích cho những nghiên cứu về sau để hòan thiện tòan bộ công nghệ này.

Trước khi đi vào nội dung cụ thể em xin trình bày một cách tổng quát
về tạo mẫu nhanh nói chung và hệ thống tạo mẫu nhanh trong xây dựng nói
riêng
1.2. Giới thiệu về tạo mẫu nhanh – RP (Rapid Prototyping)
1.2.1. Khái niệm về tạo mẫu nhanh
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.
Tạo mẫu nhanh (RP - Rapid Prototyping) là thuật ngữ dùng để diễn tả
những công nghệ được dùng để chế tạo mô hình vật thể thật một cách tự động

từ nguồn dữ liệu của mô hình thiết kế ảo 3 chiều trên máy tính bằng phương
pháp đắp dần vật liệu theo từng lớp với tốc độ nhanh hơn nhiều so với các
phương pháp thông thường.
GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN


Chương 1 – TỔNG QUAN

- 14 -

Luận văn Thạc sĩ

Khác với công nghệ truyền thống là hớt bớt vật liệu đi, bản chất của công
nghệ tạo mẫu nhanh là tạo hình và gia công các mô hình, các chi tiết sản phẩm
trên cơ sở bồi đắp và dính kết vật liệu từng lớp với nhau (add and bone
materials). Chính quá trình thêm vật liệu cho phép công nghệ tạo mẫu nhanh có
thể tạo nên những chi tiết có độ phức tạp bên trong mà người ta không thể chế
tạo nó bằng những công nghệ khác.
1.2.2. Lịch sử phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh
Sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh đã trải qua 3 giai đoạn:
* Giai đoạn 1: Từ những năm 80 đến năm 1994 bắt đầu với bằng sáng chế
về Thiết bị tạo hình lập thể (Stereo Lithography Apparatus - SLA), được thương
mại hóa bởi Công ty 3Dsystems (Hoa Kỳ).
* Giai đoạn 2: Từ 1994-1997, thiết bị kỹ thuật và công nghệ tạo mẫu
nhanh phát triển theo hướng hoàn thiện
* Giai đoạn 3: Từ 1997 đến nay, triển khai ứng dụng ở nhiều nước trên thế
giới.
Năm 1999, toàn thế giới có 1.195 thiết bị tạo mẫu nhanh, trong đó có 686 thiết

bị đã số hóa. Đến nay, toàn thế giới có khoảng 5.449 thiết bị trong đó 43% đã
được số hóa.
1.2.3. Tiến trình cơ bản của tạo mẫu nhanh
Mặc dù tồn tại nhiều kó thuật tạo mẫu nhanh khác nhau, song tất cả những
kó thuật ấy đều có cùng những tiến trình cơ bản. Tiến trình cơ bản theo 5 bước
sau:
- Thiết kế mô hình CAD

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN


Chương 1 – TỔNG QUAN

- 15 -

Luận văn Thạc sĩ

- Chuyển đổi định dạng CAD sang dạng dữ liệu số theo dạng G-code hay STL
- Xử lí file dữ liệu số, cắt lát theo từng lớp
- Gia công tạo sản phẩm theo từng lớp, tuần tự lớp này trên lớp kia
- Làm sạch và hoàn thành sản phẩm
Trong bước đầu tiên vật thể được thiết kế bằng phần mền CAD. Vì những
phần mền CAD khác nhau sử dụng những giải thuật khác nhau để thể hiện một
vật thể đặc, do đó định dạng G-code hay STL được chấp nhận như là một dạng
chuẩn của tạo mẫu nhanh trong công nghiệp để tạo sự thống nhất.
Trong bước thứ hai, file CAD được chuyển đổi thành dạng dữ liệu số. Định
dạng này mô tả bề mặt ba chiều như những bề mặt 2 chiều theo tọa độ ghép lại
với nhau thao từng lớp. Những tọa độ 2 chiều này theo từng lớp và có chiều có

thể lựa chọn được. Bởi vì định dạng G-code hay STL có thành phần phẳng nên
không thể biểu diễn chính xác bề mặt cong. Bằng việc tăng số lượng những tọa
độ ghép lại thì sự chính xác càng tăng và điều dó nhiên là file sẽ lớn hơn và đòi
hỏi thời gian của tiến trình lâu hơn. Vì thế người điều khiển phải cân bằng giữa
sự chính xác và khả năng điều khiển của tiến trình sử dụng tập tin định dạng Gcode hay STL
Một chương trình xử lí trước đọc tập tin G-code hay STL để tạo sản phẩm.
Hầu hết chương trình cho phép người dùng hiệu chỉnh kích cỡ, vị trí và sự định
hướng của mô hình. Sự định hướng thì quan trọng trong một vài trường hợp. Một
lí do là với tiến trình RP thì sự định hướng theo chiều dọc trục z. Một lí do khác
là thành phần của sự định hướng xác định số lượng thời gian để hoàn thành sản
phẩm, ví dụ như chiều cao từng lớp càng nhiều thì thời gian để hoàn thành sản
phẩm càng nhanh, nhưng cũng còn phụ thuộc vào sự chính xác và độ phức tạp

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN


Chương 1 – TỔNG QUAN

- 16 -

Luận văn Thạc sĩ

của sản phẩm
Trong bước ba, phần mền xử lí trước sẽ cắt lát mô hình CAD thành những
lớp theo chiều dày từ 0.01 – 0.7mm tùy thuộc vào kỹ thuật tạo mẫu nhanh và
chất lượng bề mặt cũng như độ chính xác mong muốn. Chương trình cũng có thể
tạo một cấu trúc phụ để cung cấp cho mô hình trong suốt quá trình gia công.
Những cung cấp này thì hữu dụng cho những sản phẩm có thuộc tính yếu như

những phần nhô ra, những lỗ hổng bên trong và những phần có đường bao mỏng
Trong bước bốn, sản phẩm thực được tạo ra bằng việc sử dụng những kó
thuật tạo mẫu nhanh sẽ trình bày trong mục kế tiếp. Máy tạo mẫu nhanh thêm
từng lớp và xếp lớp này lên lớp kia. Hầu hết các máy đều có đủ khả năng tự
động và cần số lượng người tối thiểu can thiệp vào khi cần thiết
Bước cuối cùng là lấy sản phẩm ra từ máy. Một vài vật liệu bắt sáng cần
xử lí trước khi sử dụng. Vật mẫu cũng đòi hỏi làm sạch và xử lí bề mặt. Bằng
cách này mô hình sẽ đẹp về hình dáng bên ngoài cũng như tăng độ bền
1.2.4. Những kó thuật tạo mẫu nhanh hiện nay
Tạo mẫu nhanh theo nghóa đen là một phương tiện nhanh chóng để phát
triển một mẫu. Trong thế giới sản xuất ngày nay, tạo mẫu nhanh đồng nghóa với
nhóm công nghệ gọi là chế tạo theo lớp (layer manufacturing) hay là chế tạo
mô hình tự do rắn (solid freeform fabrication).
Hiện tại có hơn 35 kỹ thuật được dùng theo kiểu thương mại. Những kỹ
thuật tạo mẫu nhanh thường dùng là:

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN


Chương 1 – TỔNG QUAN

- 17 -

Luận văn Thạc sĩ

Bảng 1.1: Các phương pháp tạo mẫu nhanh
Quá trình dựa trên Quá trình dựa trên Quá trình dựa trên Quá trình dựa trên
polymehóa quang

sự nối mảnh cắt sự nung chảy vật sự thiêu kết
ratừ các mảng lớn

liệu
SLS

SLA

LOM

SGC

FDM
Maker Mold

SLA:
SGC:

Stereo Lithography Apparatus:
Solid Ground Curing:

Selective Laser Sintering:

Phương pháp tạo hình lập thể
Sự lưu hóa nền rắn

LOM: Laminated Object Manufacturing:
SLS:

3DP

Phương pháp dán nhiều lớp

Thiêu kết bằng nguồn laser chọn lọc

FDM: Fused Deposition Modeling:

Tạo hình tự việc lắng đọng nóng chảy

Maker Mold:

Tạo mẫu

3DP: 3 Dimension Printing:

In ba chiều

Em xin giới thiệu chi tiết một vài phương pháp tạo mẫu nhanh thông dụng:
SLA, LOM, FDM.
Phương pháp tạo hình lập thể SLA (Stereo Lithography Apparatus) tạo ra
các mẫu từ vật liệu cao su bắt sáng (photocurable resin) lỏng. Đây là phương
pháp dựa trên polyme hóa quang.
Máy tạo mẫu nhanh theo phương pháp này như trong hình 1.1 sử dụng một
nguồn tia laser năng lượng thấp để quang hóa polyme ban đầu. Tia laser được
điều khiển bằng một gương được mạ bạc. Một bàn có khả năng tịnh tiến theo

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN

Chương 1 – TỔNG QUAN

- 18 -

Luận văn Thạc sĩ

trục Z được gắn bên trong một thùng chứa nhựa lỏng có thể lưu hóa (biến cứng)
có thể di chuyển được.

Hình 1.1 Nguyên lí của phương pháp SLA
Quá trình bắt đầu với bàn máy định vị một lớp dày với lớp vật liệu polyme
quang hóa. Mặt cắt của phần được vạch ra bằng tia laser. Tia laser làm vật liệu
polyme chuyển thành dạng rắn ở những vùng mà tia laser vạch ra. Sau khi hoàn
thành xong một lớp, bàn máy sẽ di chuyển xuống vào thùng một khoảng bằng
bề dày một lớp. Việc này làm vật liệu nhựa chảy tràn lên phần nhựa đã lưu hóa.
Gần đây, một lưỡi cắt được dùng với mục đích bổ sung độ chính xác bằng cách
loại trừ phần polyme lưu hóa thừa. Độ sâu thâm nhập của tia laser chỉ hơn chiều
dày của một lớp một chút. Điều này làm cho hai lớp dính lại với nhau.
Giống như những quá trình tạo mẫu nhanh khác, phương pháp SLA yêu
cầu cần tạo một phần nhô ra. Quá trình này sử dụng những nhựa polyme quang
hóa như nhau để xây dựng nên một cấu trúc đỡ. Cấu trúc đỡ này mặt dù được
chế tạo cùng vật liệu nhưng được chế tạo theo cách mà chúng rất dòn và dễ vỡ
sau khi hình thành phần chính.
GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN

Chương 1 – TỔNG QUAN

- 19 -

Luận văn Thạc sĩ

Những phần được chế tạo bằng thuật in bằng sóng siêu âm đòi hỏi một quá
trình sau sản xuất vì lớp nhựa còn trên bề mặt chi tiết. Chi tiết được đặt vào
trong một buồng tia cực tím trong một khoảng thời gian nhất định.
Chi tiết thực hiện bằng thuật in bản sóng âm tiêu biểu có độ chính xác 0,1
mm theo trục Z. bán kính của tia laser có thể thấp đến 0,0075mm.

Phương pháp dán nhiều lớp LOM (Laminated Object Manufacturing)
dùng vật liệu dạng tấm có phủ keo dính (chủ yếu là giấy nhưng cũng có thể
dùng tấm nhựa, tấm kim loại v.v.). Nguồn Laser tạo ra từng lớp mặt cắt bằng
cách cắt tấm vật liệu theo đường biên của mặt cắt vật thể. Các lớp mặt cắt được
dán lần lượt chồng lên nhau nhờ hệ thống con lăn gia nhiệt
LOM là một trong những biện pháp kinh tế kó thuật phổ biến trong quá
trình dựa trên sự nối mảnh cắt ra từ các tấm của quá trình RP. Những bản mỏng
của quá trình LOM được tạo ra từ một con lăn liên tục để tạo ra giấy hoặc
Polymer (hình 1.2). Những tấm vật liệu được sửa dụng trong LOM được phủ một
lớp keo có gia nhiệt. A 25W CO2 Laser được dùng để cắt lớp từ những tấm vật
liệu cần được xây dựng.

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN


Chương 1 – TỔNG QUAN

- 20 -

Luận văn Thạc sĩ

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lí của phương pháp LOM
Quá trình xây dựng bắt đầu với những vùng không cắt trên con lăn và nó
sẽ lăn qua vùng cần xây dựng dọc theo trục Z. Một con lăn gia nhiệt được dùng
để tạo ra sự liên kết với lớp vật liệu trước đó. Tia Laser sau đó sẽ cắt những bản
mỏng từ khối vật liệu. Quá trình là một ứng dụng vật liệu xây dựng trong việc
hỗ trợ sản xuất. Những mẫu gạch chéo trên một vùng diện tích nhỏ được cắt
thành những lát mỏng để hình thành nên cấu trúc hỗ trợ. Một vùng tam giác
ngoại vi được dùng để hoàn thiện vùng cần xây dựng theo cả hai phương X-Y
trước khi tiến hành cắt lớp tiếp theo. Quá trình này được lặp lại cho đến khi
hoàn thành khối 3D.
Cần lưu ý rằng trong công nghệ LOM, lượng vật liệu cần dùng cho mỗi bản
mỏng là như nhau, do đó sẽ phát sinh việc lãng phí vật liệu đối với những khối
có vùng hỗ trợ rộng. Quá trình này không cho phép sử dụng lại vật liệu. Quá
trình tách những lớp vật liệu thừa ra khỏi sản phẩm cũng là một thách thức của

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN


Chương 1 – TỔNG QUAN

- 21 -

Luận văn Thạc sĩ

công nghệ này do hình dạng của phần diện tích được gạch chéo không tương
thích với hình dáng hình học của khối vật liệu.
Công nghệ LOM điển hình có độ chính xác đến 0.5 mm dọc theo trục X-Y
và độ dày mỗi lớp không đổi, xấp xỉ 0.125mm.
Quá trình tạo hình từ việc lắng đọng nóng chảy FDM
Quá trình này sử dụng sự giãn dài tế vi của những sợi Polymer lắng đọng
lại để tạo ra khối 3D. Đầu giãn dài được lắp trên hệ trục X-Y sẽ hình thành nên
trung tâm của máp FDM. Đầu giãn dài gồm hai đường giãn dài riêng biệt cho
việc xây dựng cấu trúc và vật liệu. Con lăn gia nhiệt với động cơ servo sẽ đẩy
vật thể và các sợi vào những ống gia nhiệt. Vật liệu sẽ được rút ngắn hay kéo
giãn thông qua những vòi như hình 1.3. Những vòi có thể thay thế được lắp trên
máy FDM giữ vai tró mấu chốt trong việc quyết định đến tính chính xác của sản
phẩm.

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lí của phương pháp FDM

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN


Chương 1 – TỔNG QUAN

- 22 -

Luận văn Thạc sĩ

Những máy FDM sẵn có trên thị trường có khả năng tạo ra những mẫu
bằng vật liệu nhựa ABS, khuôn sáp, polycarbonate và vật liệu ABS y học. Thời

gian yêu cầu để xây dựng vật thể trong máy FDM là một hàm trong tổng thời
gian yêu cầu của hành trình của dụng cụ để lớp vật liệu chính và vật liệu hỗ trợ
có thể lắng xuống hoàn toàn, do đó nó có tỷ lệ tạo vật liệu chậm nhất trong các
loại công nghệ (khoảng 0.1 – 0.5 mm3/giây). Độ chính xác của các bộ phận
trong máy FDM theo phương X-Y là 0.178 mm.
Công nghệ này đã được thử nghiệm cho việc sản xuất vật liệu gốm, kim
loại và những loại vật liệu có chức năng riêng biệt. Việc sử dụng những đầu
giãn dài đa chức năng làm nó đơn giản hơn khi so sánh với hầu hết các quá trình
RP thương mại sẵn có trên thị trường để thực hiện điều khiển việc lắng xuống
của vật liệu trong một tấm mỏng.
1.2.5. Tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu nhanh
Công nghệ tạo mẫu nhanh có một vai trò quan trọng để đạt tới sự thành
công trong cạnh tranh kinh tế toàn cầu. Có thể thấy một số ưu điểm của công
nghệ tạo mẫu nhanh như sau:
- Tăng khả năng quan sát chi tiết.
- Chế tạo được những chi tiết có độ phức tạp cao.
- Giảm thời gian chế tạo chi tiết.
- Tăng khả năng tối ưu hoá và phát triển sản phẩm.
- Kiểm tra được tính chính xác của chi tiết.
- Tạo nên một kênh thông tin hiệu quả giữa những bộ phận có liên quan.
1.2.6. Sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN


Chương 1 – TỔNG QUAN

- 23 -

Luận văn Thạc sĩ

Nhu cầu sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh tăng rất nhanh tên thế giới, đặc
biệt là trong nghành chế tạo ở Châu u, Mỹ và Nhật Bản. Theo một cuộc khảo
sát gần đây thì người ta nhận thấy số công ty sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh
tăng rất nhanh, trong đó các công ty vận tải chiếm 24%, công ty hàng hoá
chiếm 23%, điện tử chiếm 14%, công ty chế tạo thiết bị văn phòng chiếm 11%.
Theo số liệu thống kê của tổ chức Wohlers Associates. Inc, tính đến năm
2000 đã có khoảng 1320 hệ thống máy được lắp đặt ở 58 quốc gia trên thế giới.
1.2.7. So sánh với công nghệ truyền thống
Công nghệ tạo mẫu nhanh có khả năng ứng dụng rất nhiều trong lónh vực
khoa học và công nghệ khác nhau. Ngoài lónh vực phát triển và chế tạo sản
phẩm, với những ưu việt có sẵn 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, xây dựng, hàng không, mỹ nghệ và trong y học…
1.2.8. Ứng dụng của tiến trình tạo mẫu nhanh
Công nghệ tạo mẫu nhanh có khả năng ứng dụng rất nhiều trong lónh vực
khoa học và công nghệ khác nhau. Ngoài lónh vực phát triển và chế tạo sản
phẩm, với những ưu việt có sẵn 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, xây dựng, hàng không, mỹ nghệ và trong y học…
1.2.8.1 Ứng dụng trong y học
Ứng dụng rõ ràng nhất của công nghệ tạo mẫu nhanh trong y học là việc
thiết kế, phát triển và chế tạo những bộ phận sinh học thay thế, dụng cụ y học
trong đào tạo, phục vụ cho kế hoạch trong phẩu thuật.
A. Thay thế các bộ phận giả
GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN

Chương 1 – TỔNG QUAN

- 24 -

Luận văn Thạc sĩ

Công nghệ tạo mẫu nhanh có thể mang lại những đổi mới trong những lónh
vực cấy và ghép 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 hoá 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 kì trường hợp nào, 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 với từng bệnh
nhân.
B. 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 hoạt động phức tạp trong công việc, đặc biệt là trong phẩu
thuật chỉnh hình như: xương sọ não và xương hàm trên. Cũng như những nghệ
thuật bằng tay, đòi hỏi sự khéo tay và độ chính xác lớn, phần nhiều công việc
tập trung vào đôi tay của nhà phẩu thuật. Những mô hình được trưng bày trong
phòng mổ được xem như những khuôn mẫu và những vật hướng dẫn.
C. Những mô hình và thiết bị đào tạo trong y học
RP có thể được sử dụng để tái tạo những mô hình của một phần chi tiết được
cho trước, một bộ phận bị khuyết tật hoặc ở điều kiện y học khác. Những mô
hình được tạo bởi nhà nghiên cứu và được sử dụng trong phòng học. Những mô
hình được phân loại theo mục đích sử dụng ở nhà trường, bảo tàng với mục đích

giáo dục hoặc trưng bày . Những mô hình này đựơc các nhà y khoa dùng để
huấn luyện , thực hành những ca phẩu thuật để không tạo ra nỗi lo lắng cho
bệnh nhân.
GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN


Chương 1 – TỔNG QUAN

- 25 -

Luận văn Thạc sĩ

1.2.8.2 Ứng dụng trong lónh vực pháp lý
Khi điều tra những trường hợp giết người, điều quan trọng là tái diễn lại
cảnh tượng. Những mô hình tạo mẫu nhanh sẽ cung cấp 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 đánh giá bằng mô hình này.
1.2.8.3 Ứng dụng trong kiến trúc và mỹ nghệ
Tạo mẫu nhanh đang được một số nghệ nhân 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 bằng những phương pháp khác.
1.2.8.4 Ứng dụng trong thiết kế và chế tạo sản phẩm
Hiện tại, công nghệ tạo mẫu nhanh đang được ứng dụng mạnh trong lónh
vực thiết kế và chế tạo sản phẩm. Những ứng dụng cơ bản cho tạo mẫu nhanh là
chế tạo những khuôn mẫu cho những kó sư thiết kế. Quá trình tạo mẫu được xác
định từ lúc nhận dữ liệu ban đầu đến khi hoàn thành việc chế tạo chi tiết chỉ

trong khoảng từ 2 giờ đến 10 ngày. Thời gian giảm đáng kể so với các phương
pháp gia công truyền thống (mất hàng tháng). Vì thế, với thời gian ngắn hơn
trong chu trình thiết kế, nhóm thiết kế 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,
việc tạo mẫu nhanh và mô hình hoá trên máy tính, những vấn đề nghiêm trọng
trong việc lắp ráp và thiết kế sẽ không hoặc rất ít xảy ra. Điều này tạo nên hai

GVHD: PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN

HVTH: NGUYỄN HỒNG NGUYÊN