Nghiên cứu và thiết kế mô hình máy tạo mẫu nhanh kiểu kết tụ nóng chảy fdm phục vụ đào tạo
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.98 MB, 128 trang )
NGUYỄN NGỌC LONG
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ
NGÀNH : CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH MÁY
TẠO MẪU NHANH KIỂU KẾT TỤ NĨNG CHẢY
FDM PHỤC VU ĐÀO TẠO
NGUYỄN NGỌC LONG
2005 - 2007
HÀ
NỘI
2007
HÀ NỘI 2007
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH MÁY
TẠO MẪU NHANH KIỂU KẾT TỤ NĨNG CHẢY FDM
PHỤC VU ĐÀO TẠO
NGÀNH : CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ
MÃ SỐ:23.04.3898
NGUYỄN NGỌC LONG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. NGUYỄN HUY NINH
HÀ NỘI 2007
3
Trang phụ bìa
1
Lời cam đoan
2
Mục lục
3
Danh mục các hình vẽ
8
Mở đầu
11
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH
1. Tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh.
1.1 Giới thiệu chung.
15
Các khái niệm về tạo mẫu nhanh:
17
1.3 Nguồn gốc của cơng nghệ tạo mẫu nhanh
19
1.4 Các đặc điểm chính của nguyên lý tạo mẫu nhanh
20
1.5 Ưu điểm của các quá trình tạo mẫu nhanh:
21
2 Các đặc trưng cơ bản của quá trình tạo mẫu nhanh:
23
1.2
2.1 Nguyên lý chung của qúa trình RP
23
2.1.1 Đầu vào
25
2.1.2 Phương pháp
25
2.1.3 Vật liệu
25
2.1.4 Sự ứng dụng
26
2.2 Các loại hệ thống tạo mẫu nhanh và các đặc trưng công nghệ:
26
2.3 Các bước công nghệ trong quá trình tạo mẫu nhanh
30
4
2.3.1 Mơ hình hố CAD
30
2.3.2 Xuất dạng STL.
31
2.3.3 Cắt lát
31
2.3.4 Hợp nhất
31
2.3.5 Chuẩn bị.
32
2.3.6 Chế tạo.
32
2.3.7 Xử lý sau chế tạo
32
3 Ứng dung công nghệ tạo mẫu nhanh và lợi ích của nó
32
3.1 Ứng dụng cơng nghệ tạo mẫu nhanh
33
3.1.1 Khuôn đúc vỏ mỏng:
33
3.1.2 Chế tạo dụng cụ:
33
3.1.3 Tạo mẫu nhanh trong chế tạo sản xuất:
33
3.1.4 Tạo mẫu nhanh trong những ứng dụng y học:
34
3.2 Lợi ích của người thiết kế sản phẩm.
35
3.3 Lợi ích đến người sản xuất và cung cấp vật liệu.
36
3.4 Tiếp thị
36
3.5 Lợi ích của người sử dụng
37
CHƯƠNG 2 :TẠO MẪU NHANH THEO PHƯƠNG PHÁP KẾT TỤ NÓNG CHẢY
2. Phương pháp tạo mẫu nhanh FDM:
2.1 Sơ lược về hãng sản xuất STRATASY:
38
38
5
2.2 Nguyên lý hoạt động của quá trình FDM:
39
2.3 Vật liệu sử dụng trong quá trình FDM:
45
2.4 Các sản phẩm:
47
2.4.1. FDM Vantage SE:
49
2.4.2. FDM Titan:
50
2.4.3. FDM Maxum:
52
2.5. Một số vấn đề gặp phải trong quá trình FDM:
53
2.5.1. Vấn đề với file định dạng STL:
53
2.5.2. Các định dạng chuyển đổi khác:
56
2.6 Ưu điểm và nhược điểm của FDM:
57
2.7 Ứng dụng của q trình FDM:
59
CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÁY VÀ NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN.
1. Lựa chon kết cấu của mô hình máy và cơ cấu truyền động
60
1.1. Chọn kết cấu máy.
60
1.2. Lựa chọn cơ cấu truyền động.
62
1.2.1. Vít me đai ốc thường
62
1.2.2. Vit me đai ốc bi
63
1.3. Kêt cấu dẫn hướng các trục:
65
6
2 – Kết cấu cơ khí chính của máy.
67
2.1. Kết cấu chung của máy .
67
2.1.1. Phần cố định.
68
2.1.2. Phần di chuyển dọc theo trục Z.
68
2.1.3. Phần di chuyển dọc theo trục X.
69
2.1.4. Phần di chuyển dọc theo trục Y.
70
2.1.5. Cơ cấu đẩy vật liệu và dầu dùn nhựa.
70
2.2.Các chi tiết chính trong máy
71
2.2.1.Chi tiết Đế mang cá.
71
2.2.2. Chi tiết dẫn hướng trung gian giữa trục X và trục Y.
72
2.2.3. Chi tiết sống trượt mang cá trục Z.
73
2.2.4. Chi tiết rãnh trượt mang cá trục Z.
73
2.2.5. Chi tiết bàn máy.
74
3 – Nguyên lý điều khiển máy.
75
3.1. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển
75
3.1.1. Khối nguồn.
75
3.1.2. Khối máy tính.
76
3.1.3. Khối Vi điều khiển.
76
3.1.4. Khối cách ly quang.
76
3.1.5. Khối mạch công suất và Role đóng điện động cơ .
76
3.1.6. Khối cơ cấu chấp hành.
77
3.2.Các phương pháp điều khiển gia công (các phương pháp nội suy ):
77
3.2.1. Nội suy tuyến tính (Nội suy đường thẳng).
78
3.2.2. Nội suy đường tròn.
79
7
3.2.3. Nội suy cung parabol.
80
3.2.4. Nội suy đường cong bất kì.
80
CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN
81
4.1. Mạch điều khiển.
81
4.1.1. Yêu cầu của mạch điều khiển.
81
4.1.2. Động cơ một chiều (DC).
82
4.1.3. Động cơ bước.
84
4.1.4. Sơ đồ khối.
94
4.2. Phần mềm điều khiển.
101
4.2.1. Ngơn ngữ lập trình phần mềm.
101
4.2.2. lập trình điều khiển.
102
4.2.2.1.
Sử dụng thư viện Serial.
102
4.2.2.2.
Thuật toán nội suy.
4.2.2. Giao diện và hoạt động của phần mềm điều khiển.
103
115
Kết luận chung
116
Tài liệu tham khảo
117
3
Trang phụ bìa
1
Lời cam đoan
2
Mục lục
3
Danh mục các hình vẽ
8
Mở đầu
11
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH
1. Tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh.
1.1 Giới thiệu chung.
15
Các khái niệm về tạo mẫu nhanh:
17
1.3 Nguồn gốc của cơng nghệ tạo mẫu nhanh
19
1.4 Các đặc điểm chính của nguyên lý tạo mẫu nhanh
20
1.5 Ưu điểm của các quá trình tạo mẫu nhanh:
21
2 Các đặc trưng cơ bản của quá trình tạo mẫu nhanh:
23
1.2
2.1 Nguyên lý chung của qúa trình RP
23
2.1.1 Đầu vào
25
2.1.2 Phương pháp
25
2.1.3 Vật liệu
25
2.1.4 Sự ứng dụng
26
2.2 Các loại hệ thống tạo mẫu nhanh và các đặc trưng công nghệ:
26
2.3 Các bước công nghệ trong q trình tạo mẫu nhanh
30
2.3.1 Mơ hình hố CAD
30
4
2.3.2 Xuất dạng STL.
31
2.3.3 Cắt lát
31
2.3.4 Hợp nhất
31
2.3.5 Chuẩn bị.
32
2.3.6 Chế tạo.
32
2.3.7 Xử lý sau chế tạo
32
3 Ứng dung công nghệ tạo mẫu nhanh và lợi ích của nó
32
3.1 Ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh
33
3.1.1 Khuôn đúc vỏ mỏng:
33
3.1.2 Chế tạo dụng cụ:
33
3.1.3 Tạo mẫu nhanh trong chế tạo sản xuất:
33
3.1.4 Tạo mẫu nhanh trong những ứng dụng y học:
34
3.2 Lợi ích của người thiết kế sản phẩm.
35
3.3 Lợi ích đến người sản xuất và cung cấp vật liệu.
36
3.4 Tiếp thị
36
3.5 Lợi ích của người sử dụng
37
CHƯƠNG 2 :TẠO MẪU NHANH THEO PHƯƠNG PHÁP KẾT TỤ NÓNG CHẢY
2. Phương pháp tạo mẫu nhanh FDM:
38
2.1 Sơ lược về hãng sản xuất STRATASY:
38
2.2 Nguyên lý hoạt động của quá trình FDM:
39
5
2.3 Vật liệu sử dụng trong quá trình FDM:
45
2.4 Các sản phẩm:
47
2.4.1. FDM Vantage SE:
49
2.4.2. FDM Titan:
50
2.4.3. FDM Maxum:
52
2.5. Một số vấn đề gặp phải trong quá trình FDM:
53
2.5.1. Vấn đề với file định dạng STL:
53
2.5.2. Các định dạng chuyển đổi khác:
56
2.6 Ưu điểm và nhược điểm của FDM:
57
2.7 Ứng dụng của q trình FDM:
59
CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÁY
VÀ NGUYÊN LÝ ĐIỀU
KHIỂN.
1. Lựa chon kết cấu của mô hình máy và cơ cấu truyền động
60
1.1. Chọn kết cấu máy.
60
1.2. Lựa chọn cơ cấu truyền động.
62
1.2.1. Vít me đai ốc thường
62
1.2.2. Vit me đai ốc bi
63
1.3. Kêt cấu dẫn hướng các trục:
65
6
2 – Kết cấu cơ khí chính của máy.
67
2.1. Kết cấu chung của máy .
67
2.1.1. Phần cố định.
68
2.1.2. Phần di chuyển dọc theo trục Z.
68
2.1.3. Phần di chuyển dọc theo trục X.
69
2.1.4. Phần di chuyển dọc theo trục Y.
70
2.1.5. Cơ cấu đẩy vật liệu và dầu dùn nhựa.
70
2.2.Các chi tiết chính trong máy
71
2.2.1.Chi tiết Đế mang cá.
71
2.2.2. Chi tiết dẫn hướng trung gian giữa trục X và trục Y.
72
2.2.3. Chi tiết sống trượt mang cá trục Z.
73
2.2.4. Chi tiết rãnh trượt mang cá trục Z.
73
2.2.5. Chi tiết bàn máy.
74
3 – Nguyên lý điều khiển máy.
75
3.1. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển
75
3.1.1. Khối nguồn.
75
3.1.2. Khối máy tính.
76
3.1.3. Khối Vi điều khiển.
76
3.1.4. Khối cách ly quang.
76
3.1.5. Khối mạch công suất và Role đóng điện động cơ .
76
3.1.6. Khối cơ cấu chấp hành.
77
3.2.Các phương pháp điều khiển gia công (các phương pháp nội suy ):
77
3.2.1. Nội suy tuyến tính (Nội suy đường thẳng).
78
3.2.2. Nội suy đường tròn.
79
7
3.2.3. Nội suy cung parabol.
80
3.2.4. Nội suy đường cong bất kì.
80
CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN
81
4.1. Mạch điều khiển.
81
4.1.1. Yêu cầu của mạch điều khiển.
81
4.1.2. Động cơ một chiều (DC).
82
4.1.3. Động cơ bước.
84
4.1.4. Sơ đồ khối.
94
4.2. Phần mềm điều khiển.
101
4.2.1. Ngơn ngữ lập trình phần mềm.
101
4.2.2. lập trình điều khiển.
102
4.2.2.1.
Sử dụng thư viện Serial.
102
4.2.2.2.
Thuật toán nội suy.
4.2.2. Giao diện và hoạt động của phần mềm điều khiển.
103
115
Kết luận chung
119
Tài liệu tham khảo
121
8
DANH MỤC HÌNH VẼ
NỘI DUNG
HÌNH
Hình 1.1
Sơ đồ tạo mẫu theo hai phương pháp truyền thống và tạo mẫu nhanh
Hình 1.2
Sơ đồ khối q trình Rapid Prototyping
Hình 1.3
Sơ đồ bước cơng nghệ tạo mẫu nhanh
Hình 1.5
Ứng dụng tạo mẫu nhanh trong y học để tạo sọ người
Hình 2.1
Các bước cắt lát mơ hình CAD
Hình 2.2
Ngun lý FDM
Hình 2.3
Hình 2.3 Mơ hình cắt lát và contour trên từng lớp
Hình 2.4
Hình 2.4 Các phương dịch chuyển trong quá trình FDM
Hình 2.5
Sơ đồ khối của quá trình tạo mẫu FDM
Hình 2.6
Tạo mẫu kiểu FDM
Hình 2.7
Mẫu
Hình 2.8
Đầu đùn vật liệu
Hình 2.9
Hệ thống FDM Vantage SE
Hình 2.10 Hệ thống FDM Titan
Hình 2.11 Hệ thống FDM Maxum
Hình 2.12 Các lỗ hổng và hướng pháp tuyến không đồng nhất
Hình 2.13 Chỗ giao nhau khơng đúng
Hình 2.14 Lỗi các kết cấu đỡ bên trong
Hình 3.1 : Kết cấu máy được lựu chọn
Hình 3.2
Truyền động Vít me – Đai ốc
Hình 3.3
Bộ truyền vít me – đai ốc bi
9
Hình 3.4
Bộ truyền vit me – đai ốc bi với rãnh hồi bi theo lỗ khoan trên đai ốc
và rãnh hồi bi giữa 2 vịng ren kế tiếp
Hình 3.5
Dẫn hướng bằng mang cá trượt
Hình 3.6
Kết cấu chính của máy
Hình 3.7
Phần cố định của máy
Hình 3.8
Cơ cấu di chuyển theo trục Z
Hình 3.9
Bàn máy di chuyển theo trục X
Hình 3.10 Cơ cấu di chuyển theo trục Y và dẫn hướng trục X
Hình 3.11 Cơ cấu đùn vật liệu
Hình 3.12 Chi tiết đế máy
Hình 3.13 Chi tiết dẫn hướng trung gian
Hình 3.14 Chi tiết sống trượt trục Z
Hình 3.15 Chi tiết mang cá trượt trục Z
Hình 3.16 Chi tiết bàn máy
Hình 3.17 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Hình 3.18 Nội suy tuyến tính
Hình 3.19 Nội suy đường trịn.
Hình 4.1
Động cơ một chiều
Hình 4.2
Động cơ bước
Hình 4.3
Cấu trúc động cơ bước kiểu lai
Hình 4.4
Mặt cắt dọc động cơ bước kiểu lai
Hình 4.5
Sơ đồ nối dây động cơ bước kiểu lai
Hình 4.6
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ bước.
Hình 4.7
Chống dao động bước
10
Hình 4.8
Sơ đồ khối mạch điều khiển
Hình 4.9
Khối nguồn
Hình 4.10 Khối tín hiệu vào.
Hình 4.11 Khối truyền dẫn
Hình 4.12 Khối vi điều khiển
Hình 4.13 Mạch cách ly quang
Hình 4.14 Cách ly quang
Hình 4.15 Giao diện phần mềm VC++
Hình 4.16 Giao diện chính của phần mềm điều khiển
Hình 4.17 Các chức năng điều khiển
Hình 4.18 Phần hiển thị G.Code
Hình 4.19 Phần hiển thị hình vẽ.
11
MỞ ĐẦU
Trong giai đoạn hiện nay, các yếu tố chủ đạo để cạnh tranh trong hầu hết
các ngành công nghiệp thiết kế và chế tạo là đạt chất lượng, năng suất, giảm giá
thành sản phẩm, sự hài lòng của khách.
Trong khi sản xuất mẫu thử, bản thiết kế sẽ được sửa đổi, nâng cấp ngay
nếu phát hiện ra các lỗi hoặc do tìm ra được giải pháp thiết kế tốt hơn, hiệu quả
hơn từ việc nghiên cứu, kế thừa các mẫu thiết kế trước. Tuy nhiên, nhược điểm
chính của phương pháp tạo mẫu thông thường là mất rất nhiều thời gian để sản
xuất ra một mẫu. Cần nhiều tháng để chuấn bị dụng cụ và việc chế tạo các bề
mặt phức tạp bằng các nguyên công gia công thông thường là rất khó khăn.
Trong khi đó phương pháp tạo mẫu nhanh có thể tạo ra vật thể khơng gian ba
chiều trực tiếp từ dữ liệu của mơ hình CAD với thời gian ngắn. Trong q trình
thiết kế cơ khí, kỹ thuật này góp phần tiết kiệm đáng kể thời gian và chi phí thiết
kế. Lợi ích của phương pháp tạo mẫu nhanh bao gồm: rút ngắn được thời gian
sản xuất ra các thành phần mẫu, cải thiện khả năng từ các mẫu ảo trên máy tính
đến các mẫu thật, phát hiện sớm và giảm bớt được các thiết kế bị lỗi, tăng khả
năng tính tốn các đặc tính của các bộ phận và các cụm lắp ghép, RP còn rất có
lợi ích trong việc loại trừ các phần thừa và tốn kém khi thay đổi các mẫu thiết kế.
So với phương pháp gia cơng cổ điển, cơng nghệ này có ưu điểm như: không cần
chuẩn bị cắt gọt, không tốn tiền đồ gá, giảm thời gian sửa đổi thiết kế lại chi tiết
có thể thiết kế những chi tiết có hình dạng phức tạp.
RP là một quá trình bổ xung dần vật liệu để tạo hình chi tiết gia cơng. Mơ
hình chi tiết được tạo dựng trên máy tính, được cắt lớp và các lớp này được sắp
xếp gắn kết với nhau, lớp này trên lớp khác trong không gian thực.
12
RP là một phương pháp gia công mới tiên tiến trong công nghệ CAD/CAM.
RP là sự kết hợp của nhiều ngành như hoá học Polyme, vật lý laser, toán
ứng dụng, phần mềm máy tính, mơ hình hố CAD, động lực chất lỏng nhớt, vật
liệu học, quang học cũng như kỹ thuật điện và cơ học…
Phương pháp gia công này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như
kỹ thuật cơ khí ( thiết kế chế tạo khn mẫu, dụng cụ, chế tạo sản phẩm...), trong
y học ( chế tạo các khớp xương có hình dáng phức tạp dùng để thay thế trong
phẫu thuật chỉnh hình…), trong sản xuất cơng nghiệp tạo ra các sản phẩm sinh
hoạt…
Mục đích của đề tài
Nghiên cứu thiết kế mơ hình máy tạo mẫu nhanh theo kiểu kết tụ nóng chảy
FDM phục vụ trong đào tạo nhằm giúp sinh viên có thể nắm được một số kiến
thức cơ bản về phương pháp tạo mẫu nhanh và có mơ hình thiết bị để quan sát và
tìm hiểu.
Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu phương pháp tạo mẫu nhanh của các nước phát triển và nguyên lý
hoạt động của máy tạo mẫu nhanh theo kiểu kết tụ nóng chảy FDM từ đó ta thiết
kế mơ hình máy dựa theo nguyên lý hoạt động này.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Kết quả của việc thiết kế mơ hình là tạo ra một mơ hình máy tạo mẫu theo
kiểu kết tụ nóng chảy nhằm giúp sinh viên ngành cơng nghệ chế tạo máy có một
thiết bị thí nghệm về phương pháp tạo mẫu nhanh.
Nội dung của luận văn
Toàn bộ nội dung của luận văn được chia làm 4 chương
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về phương pháp tạo mẫu nhanh
13
Chương 2: Nghiên cứu phương pháp tạo mẫu nhanh theo kiểu kết tụ nóng
chảy của các hãng sản xuất máy.
Chương 3: Thiết kế kết cấu cơ khí và nguyên lý điều khiển của mơ hình
máy tạo mẫu.
Chương 4: Thiết kế hệ điều khiển cho mơ hình máy
Kết luận chung
Bản luận văn chắc chắn cịn nhiều thiếu sót, rất mong các thây, cơ và các
bạn đồng nghiệp góp ý bổ sung và chỉ bảo để luận văn này được hoàn chỉnh hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Huy Ninh đã tận tình truyền đạt kiến
thức và những chỉ dẫn q báu giúp tơi hồn thành luận văn này. Bên cạnh đó tơi
xin cảm ơn ban lãnh đạo bộ mơn cơng nghệ chế tạo máy - khoa Cơ khí - Trường
Đại học Bách khoa Hà nội cùng các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi nghiên cứu đề tài
này.
Tôi xin trân trong cảm ơn
Hà nội, ngày tháng năm 2007
Tác giả
Nguyễn Ngọc Long
14
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU
NHANH
2. Tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh.
3.6 Giới thiệu chung.
Trong giai đoạn hiện nay, các yếu tố chủ đạo để cạnh tranh trong hầu hết
các ngành công nghiệp thiết kế và chế tạo là đạt chất lượng, năng suất, giảm giá
thành sản phẩm, sự hài lòng của khách.
Khi bắt đầu sản xuất một sản phẩm mới nhà sản xuất cần tạo ra một sản
phẩm mẫu trước khi quyết định đầu tư chính thức cho sản phẩm đó. Việc tạo
mẫu là cần thiết để nhà sản xuất lường trước mọi vấn đề khi xuất xưởng và kiểm
nghiệm bản thiết kế trước khi bắt đầu sản xuất hàng loạt.
Trong khi sản xuất mẫu thử, bản thiết kế sẽ được sửa đổi, nâng cấp ngay
nếu phát hiện ra các lỗi hoặc do tìm ra được giải pháp thiết kế tốt hơn, hiệu quả
hơn từ việc nghiên cứu, kế thừa các mẫu thiết kế trước. Tuy nhiên, nhược điểm
chính của phương pháp tạo mẫu thông thường là mất rất nhiều thời gian để sản
xuất ra một mẫu. Cần nhiều tháng để chuấn bị dụng cụ và việc chế tạo các bề
mặt phức tạp bằng các nguyên công gia công thông thường là rất khó khăn, trong
khi đợi làm mẫu thì vẫn phải chi phí cho các thiết bị và nhân viên.
Cịn một vấn đề quan trọng nữa là tốc độ ra đời một sản phẩm từ ý tưởng
đến thị trường. Trong cơ chế thị trường, rõ ràng rằng các sản phẩm được giới
thiệu nhanh hơn, trước các đối thủ cạnh tranh của nó sẽ mang lại lợi nhuận nhiều
hơn và chiếm được thị phần lớn hơn.
15
Kỹ thuật tạo mẫu nhanh là kỹ thuật in ảnh nổi mẫu là khái niệm mới mẻ
trong lĩnh vực chế tạo máy ở nước ta hiện nay, nó có thể tạo ra vật thể không
gian ba chiều trực tiếp từ dữ liệu của mơ hình CAD với thời gian ngắn. Trong
q trình thiết kế cơ khí, kỹ thuật này góp phần tiết kiệm đáng kể thời gian và
chi phí thiết kế. Lợi ích của phương pháp tạo mẫu nhanh bao gồm: rút ngắn được
thời gian sản xuất ra các thành phần mẫu, cải thiện khả năng từ các mẫu ảo trên
máy tính đến các mẫu thật, phát hiện sớm và giảm bớt được các thiết kế bị lỗi,
tăng khả năng tính tốn các đặc tính của các bộ phận và các cụm lắp ghép, RP
cịn rất có lợi ích trong việc loại trừ các phần thừa và tốn kém khi thay đổi các
mẫu thiết kế. So với phương pháp gia cơng cổ điển, cơng nghệ này có ưu điểm
như: khơng cần chuẩn bị cắt gọt, không tốn tiền đồ gá, giảm thời gian sửa đổi
thiết kế lại chi tiết có thể thiết kế những chi tiết có hình dạng phức tạp.
Nâng cao tiêu chuẩn thiết kế và rút ngắn vòng đời của sản phẩm tạo nên
những yêu cầu mới của sự phát triển sản phẩm mới. Việc sử dụng kỹ thuật tạo
mẫu nhanh là sự lựa chọn tối ưu để tạo được chất lượng mong muốn và nâng
cao năng suất trong việc thiết kế sản phẩm.
Với mỗi loại vật liệu khác nhau thì độ chính xác, giá thanh và bề mật sản
phẩm cuối cùng cũng khác nhau. Ra đời vào năm1997, kỹ thuật tạo nguyên mẫu
dang tồn tại hơn 30 công nghê khác nhau như LOM, SLA, FDM, SLS, DMLS …
RP là một quá trình bổ xung dần vật liệu để tạo hình chi tiết gia cơng. Mơ
hình chi tiết được tạo dựng trên máy tính, được cắt lớp và các lớp này được sắp
xếp gắn kết với nhau, lớp này trên lớp khác trong không gian thực.
RP là một phương pháp gia công mới tiên tiến trong công nghệ CAD/CAM.
16
RP là sự kết hợp của nhiều ngành như hoá học Polyme, vật lý laser, toán
ứng dụng, phần mềm máy tính, mơ hình hố CAD, động lực chất lỏng nhớt, vật
liệu học, quang học cũng như kỹ thuật điện và cơ học…
Phương pháp gia công này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như
kỹ thuật cơ khí ( thiết kế chế tạo khuôn mẫu, dụng cụ , chế tạo sản phẩm...),
trong y học ( chế tạo các khớp xương có hình dáng phức tạp dùng để thay thế
trong phẫu thuật chỉnh hình…), trong sản xuất cơng nghiệp tạo ra các sản phẩm
sinh hoạt…
3.7 Các khái niệm về tạo mẫu nhanh:
Công nghệ tạo mẫu nhanh chứa đựng một lĩnh vực đa dạng, rộng lớn về các
phương pháp mới, các công nghệ và ứng dụng và đã làm say mê rất nhiều nhà
nghiên cứu. Rất nhiều cơng ty đã tìm ra các phương pháp mới để cải thiện quá
trình phát triển sản phẩm và thúc đẩy lợi nhuận. Vậy thực chất tạo mẫu nhanh là
gì?
Cơng nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping) là tên gọi chung của các
công nghệ liên quan đến việc tạo hình và gia cơng các mơ hình các chi tiết sản
phẩm theo cách thực hiện trực tiếp từ những dữ liệu của mơ hình thiết kế ảo ba
chiều trên máy tính (CAD) một cách nhanh chóng, hồn tồn tự động và có tính
linh hoạt cao. Theo báo cáo của “Wohler’s Report 2000” thì RP được định nghĩa
là: một phương pháp cơng nghệ đặc biệt có khả năng chế tạo mẫu và các bộ phận
mẫu một cách nhanh chóng có sử dụng dữ liệu 3D thiết kế mơ phỏng hình dáng
mẫu. Các định nghĩa trên là các định nghĩa cổ điển (Classic definitions) để mô tả
các hệ thống công nghệ và kỹ thuật của nền công nghiệp tạo mẫu nhanh từ
những năm 80.
17
Như đã đề cập ở trên, RP là phương pháp cơng nghệ mới đã có hiệu quả sâu
sắc trong sự phát triển của các quá trình thiết kế và chế tạo sản phẩm của các nền
công nghiệp các nước trên thế giới. Nó được gọi là tạo mẫu nhanh vì nó có khả
năng chế tạo các bộ phận mẫu một cách rất nhanh chóng trong hầu hết các
trường hợp mà các q trình đó chỉ mất vài giờ, ít hơn nhiều so với hàng ngày
hay hàng tuần trước đây. Công nghệ này đã được mở rộng rất nhanh chóng với
các lĩnh vực bao gồm: Rapid tooling và Rapid manufacturing. Vì thế, nhóm các
thuật ngữ: Rapid prototyping, Tooling và Manufacturing (viết tắt là RPTM) đã
được sử dụng rộng rãi trong những năm gần đây.
Đặc trưng nhất của RP là tạo mẫu với một lớp hay nhiều lớp liên tiếp. Một
nhóm các thuật ngữ được sử dụng khác mà nhấn mạnh đặc điểm trên bao gồm:
Layered Manufacturing, Material Deposit Manufacturing and Material Addition
Manufacturing.
Sự phát triển của tạo mẫu nhanh có quan hệ mật thiết với sự phát triển ứng
dụng của máy tính trong công nghiệp. Với việc giảm giá thành của các loại máy
tính, đặc biệt là máy tính cá nhân và máy tính mini đã làm thay đổi phương thức
làm việc ở các phân xưởng của các nhà máy.
Việc gia tăng sử dụng máy tính đã thúc đẩy dự tiến bộ trong nhiều lĩnh vực
liên quan đến máy tính bao gồm thiết kế (CAD–Computer Aided Design), chế
tạo (CAM–Computer Aided Manufacturing), gia cơng điều khiển số nhờ máy
tính (CNC – Computer Numerical Control). Cụ thể, sự nổi lên của hệ thống RP
không thể thiếu sự hiện diện của CAD.
18
3.8 Nguồn gốc của công nghệ tạo mẫu nhanh
RP xuất phát từ sự phát triển phần mềm CAD ,cụ thể hơn là từ mơ hình hố
vật thể đặc của CAD .Mơ hình khối rắn là một phần của thiết kế CAD trong
khơng gian 3D có các thuộc tính đặc nó có đặc tính vật chất là một khối có độ
dày và các thơng số hình học được đưa ra khác nhau cho phù hợp với máy RP
Để làm được việc này các kỹ sư và người thiết kế phải có kinh nghiệm , có
năng lực tạo ra phần mềm kết nối điều khiển máy RP cùng với số lượng máy tính
điều khiển .
Trước khi mơ hình khối rắn năm 1980, mơ hình 3D Được tạo ra từ mơ hình
khung dây và mơ hình bề mặt. Mơ hình khung dây biểu diễn gần đúng vật thể 3D
như một bức vẽ phác với một cái bút chì hay vẽ trên bảng. Sau khi mơ hình
khung dây được phát triển lên thành mơ hình bề mặt giúp người thiết kế qaun sát
rõ và phân tích cụ thể chi tiết hơn. Ví dụ : một mơ hình lập phương được biểu
diễn với sáu mặt phẳng vng góc có giao tuyến trong khơng gian là các cạnh
theo 3 chiều ox, oy, oz( trong hệ toạ độ 0xyz) , mơ hình bề mặt của hình lập
phương có các cạnh và các mặt nhưng bên trong rỗng. mơ hình bề mặt có thể
tích nhưng khơng có khối lượng và cũng có thể tơ bóng, che khuất như mơ hình
khối rắn ( solid) .
Điểm khác nhau giữa mơ hình bề mặt và mơ hình khối rắn cơ sở là bề mặt
khơng có dữ liệu hình học liên kết để liên kết các bề mặt, khơng có khả năng
biểu diễn phần bên trong của vật thể như mơ hình khối rắn. Chính vì vậy mơ
hình khối rắn là mục tiêu nghiên cứu phát triển của kỹ sư thiết kế, tạo ra các dữ
liệu hình học kết nối điều khiển máy RP.
CHARLES HULL tìm ra hệ thống 3D vào năm 1986 đã nghiên cứu phát
triển quá trình RP đầu tiên, qúa trình này gọi là “nguyên lý tạo mẫu nhanh”
19
Vật thể được tạo ra bởi sự lưu hóa những lát cắt mỏng liên tục bằng nguồn
chiếu sáng laze vào vật liệu chế tạo.
Với lời giới thiệu khái quát về nguồn gốc qua trình RP chúng ta có thể tin
tưởng rằng RP là một cơng cụ đắc lực có tính năng rất mạnh trong việc thiết kế
vật mẫu và có tầm quan trọng trong vấn đề phát triển kỹ thuật cao.
3.9 Các đặc điểm chính của nguyên lý tạo mẫu nhanh
- Chế tạo được những chi tiết phức tạp mà những phương pháp gia công
thông thường không thể chế tạo được hoặc khó chế tạo.
- Sử dụng cơng nghệ này để tao mẫu trước bằng phương pháp RP nào đó ví
dụ như FDM, SLA hay LOM. Sau đó căn cứ trên mẫu tạo ra này để hiệu chỉnh
thiết kế, trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt. Như vậy sử dụng cơng nghệ này
làm tăng khả năng hình dung, phát hiện những lỗi thiết kế, trước khi tiến hành
sản xuất hàng loạt, tối ưu hố thiết kế, giảm chi phí và thời gian quá trình từ
khâu thiết kế đến khi chế tạo ra sản phẩm .
- trên thế giới, công nghệ này đã phát triển và ứng dụng hiệu quả với trên 30
phương pháp, với nhiều loại vật liệu từ các loại nhựa polime, bột gốm cho đến
các bột kim loại.
20
Tạo mẫu ảo(Virtual Prototyping)
-Mơ hình hóa (Modelling)
-Hiện thực hóa(Virtual reality)
-Mơ tả thực bằng ảnh(Photo realistic imaging)
-Mô tả động học và phần tử hữu hạn
(Kinematic & Finite element simulation)
Các phương pháp truyền thống
-Phay NC (NC - milling)
-Phay chép hình (copy - milling)
-Tiện (turning)
-Mài (Grinding)
-…
Vật liệu ở trạng thái rắn như:
khối, tấm ….
Công nghệ tạo mẫu nhanh
-Phương pháp in không gian (SL)
-Phương pháp thiêu kết bằng laser có chon
lựa(SLS)
-Phương pháp tạo vật thể băng xếp lớp(LOM)
-Phương pháp tạo vật thể bằng lắng đọng vật
liệu chảy lỏng (FDM)
…
Vật liệu có thể ở trạng thái rắn
và lỏng
Các mẫu thực
(Prototype)
Hình 1.1 Sơ đồ tạo mẫu theo hai phương pháp truyền thống và tạo mẫu nhanh
3.10
Ưu điểm của các quá trình tạo mẫu nhanh:
Các quá trình tạo mẫu nhanh khi ra đời thực sự đã có nhiều ưu điểm đóng
góp đáng kể vào sự phát triển của tất cả các ngành kỹ thuật. Nổi bật là các ưu
điểm và ứng dụng sau:
Các vật mẫu của sản phẩm được tạo ra từ các file dữ liệu CAD có thể được
chế tạo chỉ trong vài giờ, cho phép đánh giá nhanh chóng khả năng chế tạo và
hiệu quả thiết kế. Tạo mẫu nhanh như một công cụ quan trọng để hình dung và
