Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh 3d printer trong phát triển nhanh sản phẩm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (16.28 MB, 144 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
_____o0o_____
ĐẶNG XUÂN PHONG
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG
CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH 3D PRINTER
TRONG PHÁT TRIỂN NHANH SẢN PHẨM
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 07 năm 2011
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 Thái Thị Thu Hà .................
Cán bộ chấm nhận xét 1: ............................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: ............................................................
Luận văn thạc sỹ được bảo vệ tại trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG
Tp.HCM ngày…. Tháng…. Năm 2011.
Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ gồm:
(ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc
sỹ)
1. ............................................
2. ............................................
3 ............................................ .
4. ...........................................
5. ............................................
Xác định của hội đồng đánh giá luận văn và bộ môn quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
Chủ tịch hội đồng đánh giá LV
Bộ mơn quản lý chuyên ngành
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
---oOo---
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 07 năm 2011
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Đặng Xuân Phong
Giới tính: Nam
Ngày tháng năm sinh: 15-09-1983
Nơi sinh: Đồng Nai
Chun ngành: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
MSHV: 09040372
Khóa 2009
1. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG
CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH 3DPRINTER
TRONG PHÁT TRIỂN NHANH SẢN PHẨM
2. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-
Nghiên cứu tổng quan công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printer.
-
Nắm vững cơng nghệ tạo mẫu nhanh 3D printing.
-
Tính tốn thiết kế hệ thống cấp bột cho công nghệ tạo mẫu nhanh
3D printing.
3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (ngày ký quyết định giao đề tài ):
4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
5. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ
Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông
qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHŨ NHIỆM BỘ MÔN
( Họ tên và chữ ký)
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
( Họ tên và chữ ký)
PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ
LỜI CẢM ƠN
Trước hết em xin chân thành cảm ơn Cơ hướng dẫn chính là PGS.TS Thái
Thị Thu Hà đã tận tình hướng dẫn, chia sẻ những kinh nghiệm quý báu
trên con đường nghiên cứu khoa học. Cô đã chân tình động viên và tạo
mọi điều kiện tốt nhất cho tơi để tơi có thể hồn thành luận văn này.
Lời cảm ơn chân thành cũng xin được gửi đến phòng thí nghiệm trọng
điểm quốc gia điều khiển số và kỹ thuật hệ thống đã tạo điều kiện thuận
lợi cho em hoàn thành lận văn này.
Lời cảm ơn sâu sắc em xin gửi Thầy hướng dẫn là PGS.TS Đặng Văn
Nghìn đã truyền đạt những kiến thức q báu, giúp em hồn thành luận
văn này.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn các bạn cao học cơng nghệ chế tạo
máy khóa 2009 đã ủng hộ em, tạo điều kiện tốt nhất cũng như đã đóng
góp những ý kiến qúy giá cho em, giúp em hồn thành được cơng việc của
mình.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 06 năm 2011
ABSTRACT
Three-Dimensional Printer (3D Printer) is rapid prototyping technology based on its
technical background – the ink jet printing as known from the printer and plotter
industry – a classification structure has been developed and proposed. 3D Printer
had been known in the early decades of the 90th century with the introduction of
other rapid prototyping technologies, but 3D Printer have an outstanding growth
rate. Around the world many scientists from different fields have been studying
three dimensional printing technology with remarkable achievements. In Vietnam,
3D Printer technology is a new technology, not widely used in production. With the
advantages of this technology, in the not too distant future 3D Printer will certainly
become popular and are widely used in many industries in VietNam.
This thesis is the first steps in research on rapid prototyping equipment in threedimensional printer machine design that is mostly powder supply system for the
rapid prototyping machine of 3D printing technology. To go into the machine
design, the first step to master the technology and structure of the system rapid
prototyping 3D printing technology. Then proceed to calculate the powder supply
system designed for rapid prototyping machine 3D printing technology.
Design problem is to conduct the following steps:
The first step of the design problem is to list, compare and analyze system
design options for powder system after selecting the design, conduct
structural design for powder supply system
Once completed the structural design, conduct modeling, editing, and
evaluation criteria designed by the model.
A CAD-3D models and detailed drawings of the powder supply system is
formed as a result of this thesis.
Luận Văn Thạc Sỹ
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN.
LỜI CÁM ƠN.
TÓM TẮT LUẬN VĂN.
MỤC LỤC.
DANG SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................... 3
CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG ĐỀ TÀI ........................................................................ 4
DANH SÁCH CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN ...................................... 6
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI................................................................................ 7
1.1
Vai trị của cơng nghệ tạo mẫu nhanh trong việc phát triển nhanh sản phẩm . 7
1.2
Sơ Lược về Công nghệ tạo mẫu nhanh. ......................................................... 9
1.3
Mục tiêu của đề tài ...................................................................................... 11
1.4
Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 11
CHƯƠNG 2 : CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH 3D PRINTER ............................ 12
2.1
Thời gian hình thành và tốc độ phát triển của công nghệ 3D printer ............ 12
2.2
Tạo mẫu nhanh theo công nghệ 3D printer .................................................. 13
2.3
Bảng phân loại công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printer................................... 43
2.4
Khả năng ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printer ..................... 44
CHƯƠNG 3 : PHÂN TÍCH SO SÁNH LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ
THỐNG CẤP BỘT ...................................................................................................... 47
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
Trang 1
HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372)
Luận Văn Thạc Sỹ
3.1
Cấu trúc tổng thể hệ thống cấp bột theo công nghệ tạo mẫu nhanh 3D
printting ...................................................................................................... 47
3.2
Hệ thống cấp bột theo công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printting ..................... 48
3.2
Xây dựng, đánh giá và chọn phương án thiết kế hệ thống cấp bột ............... 53
3.3
Đánh giá các phương án theo các chi tiêu và chon lựa phương án ............... 70
3.4
Chọn phương án thiết kế ............................................................................. 72
CHƯƠNG 4 : TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP BỘT ................................. 73
4.1
Thông số kỹ thuật thiết kế hệ thống cấp bột ................................................ 74
4.2
Tính tốn thiết kế cho cụm nâng hạ thùng chính.......................................... 75
4.2
Tính tốn thiết kế cho cụm cấp bột .............................................................. 84
CHƯƠNG 5 : THIẾT KẾ KẾT CẤU ........................................................................... 89
5.1
Thiết kế kết cấu ........................................................................................... 89
5.2
Xây dựng mơ hình....................................................................................... 98
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN .......................................................................................... 103
6.1
Kết luận .................................................................................................... 103
6.2
Hướng phát triển đề tài.............................................................................. 104
Tài Liệu Tham Khảo .................................................................................................. 105
PHỤ LỤC ................................................................................................................... 108
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
Trang 2
HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372)
Luận Văn Thạc Sỹ
DANG SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
CMM
Coordinate-Measring Machine
MRI
Magnetic Resonance Imaging
CT
Computed Tomography
3D PRINTING
Three Dimensional Printing
FDM
Fused Deposition Modeling: Mơ hình đùn kết dính
LOM
Stereo Lithography Apparatus
SLA
Stereo Lithography Apparatus
3D plotting
Three Dimensional Plotting
Metal 3DP
Metal Three Dimensional Printing
MIT
Massachusetts Institute of Technology
3D printer
Three Demensional Printer ( in ba chieu)
MJM
Multi Jet Modeling
DOD
Drop On Demand
CJ
Continuous Jet
PolyJet
Photopolymer Phase Change Inkjet
PolyJetTM
Tên một công nghệ của công ty Objet Geometries Inc.
SLS
Selective Laser Sintering: Thiêu kết laser chọn lọc
.STL
Streolithography ( file format): tên riêng
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
Trang 3
HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372)
Luận Văn Thạc Sỹ
CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG ĐỀ TÀI
Ký hiệu
Đơn vị
Hệ số
1
2
3
d1
mm
Đường kính trong của trục vít
db
mm
Đường kính bi của đai ốc bi
p
mm
Bước ren của trục vít
r1
mm
Bán kính rãnh lăn của đai ốc bi
Dtb
mm
Đường kính vịng trịn qua các tâm bi
D1
mm
Đường kính trong của đai ốc
h1
mm
Chiều sâu của profile ren trục vít
d
mm
Đường kính ngồi của trục vít
D
mm
Đường kính ngồi của đai ốc
Z1
Số răng bánh đai chủ động
Z2
Số răng bánh đai bị động
Zb
Số bi trên vòng ren đai ốc bi
mm
Khe hở hướng tâm
mm
Khe hở tương đối
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
Trang 4
HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372)
Luận Văn Thạc Sỹ
1
2
3
ft
Hệ số ma sát lăn
μ
Hệ số ma sát (giữa ron cao su và cyline)
g/cm 3
Trọng lượng riêng của bột
Hiệu suất của bộ truyền vít me
K
N/m
Hệ số đàn hồi của cao su
E
GPa
Module đàn hồi Young của cao su
P
N
Tải trọng cần nâng hạ
Fms
N
Lực ma sát ( giữa piston và cyline)
V1
dm 3
Thể tích thùng chính ( thùn làm việc)
V
dm 3
Thể tích lượng bột cần cấp
V2
dm 3
Thể tích thùng bột cấp
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
Trang 5
HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372)
Luận Văn Thạc Sỹ
DANH SÁCH CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Tên gọi
Trang
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của máy Zprinter 400 System
38
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của máy Zprinter 406 System
39
Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của Máy ZTM Z810 3D printer
40
Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của máy ZPrinter® 650
41
Bảng 2.5 Thơng số kỹ thuật của máy ZPrinter® 350
42
Bảng 2.6 Bảng phân loại cơng nghệ tạo mẫu nhanh 3D Printer
43
Bảng 3.1 Các cụm chính trong hệ thống cấp bột theo cơng nghệ 3D printing
48
Bảng 4.1
Trình tự hoạt động của một chu kỳ cấp bột
74
Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật vật liệu bột
74
Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật vật liệu kết dính
75
Bảng 4.4 Thơng số kỹ thuật hệ thống cấp bột
75
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
Trang 6
HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372)
Luận Văn Thạc Sỹ
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1 Vai trị của cơng nghệ tạo mẫu nhanh trong việc phát triển nhanh sản
phẩm
-
Tạo mẫu là mơ hình hố ý tưởng của người thiết kế. Trước đây, trước khi sản
xuất hàng loạt một sản phẩm nào đó, bao giờ người ta cũng tạo mẫu trước để nghiên
cứu, xem xét, phân tích sự phù hợp của mẫu so với những yêu cầu của sản phẩm
thực. Trong thế kỷ 21, nhu cầu của thị trường luôn luôn thay đổi với 1 một tốc độ
rất nhanh, và cùng với tốc độ internet thì thị trường mang tồn cầu và bão hịa. Việc
phát triển sản phẩm phải được điều chỉnh dựa trên nhu cầu luôn luôn thay đổi của
khách hàng. Các sản phẩm phải được cung cấp ra thị trường với nhiều phiên bản và
phù hợp từng đối tượng khách hàng khác nhau . Ngày nay có các sản phẩm khác
nhau dành cho cho nam, nữ, hoặc trẻ em, người lớn, và các sản phẩm phục vụ cho
kinh doanh, cho giải trí…. Ngồi ra, tuổi thọ của sản phẩm càng ngày càng ngắn.
Mặt khác, các sản phẩm ngày càng có nhiều chức năng nhiều hơn và hình dàng
phức tạp hơn, trong khi thời gian sản xuất phải được càng ngắn càng tốt.
-
Như vậy: Phát triển nhanh sản phẩm là một quá trình đưa sản phẩm mới
nhanh chóng ra thị trường. Tất cả các cơng ty để đạt được lợi thế chiến lược trước
đối thủ cạnh tranh thì họ cần phải tìm cách nhanh chóng phát triển sản phẩm họ để
đáp ứng nhanh với nhu cầu của khách hàng. Việc phát triển nhanh sản phẩm có thể
đạt được bằng nhiều cách và nhiều phương pháp khác nhau (có thể áp dụng tự động
hóa q trình sản xuất, có thể áp dụng các phương pháp của sản xuất tinh gọn…).
Một trong những chìa khóa thành cơng trong việc phát triển nhanh sản phẩm là ứng
dụng có hiệu quả cơng nghệ tạo mẫu nhanh vào trong qui trình sản xuất sản phẩm.
-
Công nghệ tạo mẫu nhanh cho phép chúng ta rút ngắn được nhiều lần quá
trình chuẩn bị sản xuất và sản xuất so với các phương pháp truyền thống. Khơng
những thế, tạo mẫu nhanh cịn giúp tăng độ linh hoạt, độ phức tạp của sản phẩm đặc
biệt là các sản phẩm có kích thước nhỏ. Do đó, mục đích của tạo mẫu nhanh hiện
nay chính là để chào hàng và quảng cáo tiếp thị sản phẩm mới cũng như để nghiên
cứu, xem xét và phân tích tính phù hợp của sản phẩm.
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
Trang 7
HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372)
Luận Văn Thạc Sỹ
Thiết kế sản phẩm
Thiết kế
nhờ máy
tính
(CAD)
Chế tạo mẫu bằng tay
Làm khuôn
Tạo mẫu
nhanh
Tạo mẫu thử
Sản
suất
Kiểm tra và chỉnh sửa
Sản xuất
Qui trình sản xuất truyền thống
Qui trình sản xuất sử dụng cơng nghệ tạo
mẫu nhanh
Hình 1.1: So sánh giữa quy trình sản xuất truyền thống và qui trình sản xuất sử
dụng công nghệ tạo mẫu nhanh
-
Các hệ thống tạo mẫu nhanh hiện nay đều là tự động, không cần khn mẫu
mà vẫn có thể chế tạo trực tiếp các chi tiết trong khả năng chất lượng giới hạn, các chi
tiết được chế tạo từ phương pháp này có độ chính xác nhưng chất lượng bề mặt kém
vì khơng được gia cơng tinh trong ngun cơng cuối. Vì thế các sản phẩm thường
được gia công tinh lại bằng phương pháp gia công khác. Công nghệ tạo mẫu nhanh
rút ngắn thời gian chế tạo một chi tiết rất nhiều và các dữ liệu thiết kế vẫn có thể sử
dụng lại nên lợi nhuận từ công nghệ này rất khổng lồ, lợi nhuận trực tiếp và lợi nhuận
gián tiếp. Lợi nhuân trực tiếp từ người thiết kế chế tạo, từ máy gia công và kỹ sư chế
tạo, lợi nhuận gián tiếp từ bộ phận tiếp thị và từ khách hàng.
Luận Văn Thạc Sỹ
1.2 Sơ Lược về Công nghệ tạo mẫu nhanh.
1.2.1 Khái Niện Tạo Mẫu Nhanh
Theo định nghĩa về tạo mẫu nhanh của Terry Wohler (Chủ tịch Hiệp hội tạo mẫu
nhanh thế giới) trong báo cáo năm 2001 của Hội tạo mẫu nhanh thế giới:
“Tạo mẫu nhanh là công nghệ chế tạo mơ hình vật lý hoặc mẫu sản phẩm từ dữ liệu
thiết kế ba chiều trên máy tính hoặc từ dữ liệu chụp cắt lớp điện toán CT, cộng
hưởng từ MRI hoặc từ dữ liệu của các thiết bị số hóa ba chiều.”
Theo định nghĩa này, tạo mẫu nhanh là cơng nghệ chế tạo mơ hình vật lý hoặc mẫu
sản phẩm từ những dữ liệu sau đây:
+ Thiết kế ba chiều trên máy tính.
+ Dữ liệu chụp cắt lớp điện toán CT hoặc cộng hưởng từ MRI.
+ Dữ liệu từ các thiết bị số hóa ba chiều như các máy đo tọa độ CMM, máy quét ba
chiều (3D scanner).
1.2.2 Sự Ra đời và Phát Triển của Công Nghệ Tạo Mẫu Nhanh.
-
Lịch sử ra đời của công nghệ tạo mẫu nhanh được đánh dấu bằng sáng chế
của Hull vào năm 1984 về thiết bị tạo hình lập thể (Stereo Lithography Apparatus –
SLA), được công nhận vào năm 1986 và được thương mại hố bởi cơng ty 3D
System vào năm 1987. Sau khi thương mại hóa vào năm 1987, 34 hệ thống đã được
cung cấp cho thị trường vào năm 1998.
-
Tuy chỉ mới chính thức ra đời từ năm 1998 nhưng công nghệ tạo mẫu nhanh
đang là mục tiêu nghiên cứu và ứng dụng trong ngành cơ khí cơng nghệ cao, cho
phép tạo nhanh các sản phẩm công nghiệp: chế tạo khn nhanh (rapid tooling) có
thể dùng các cơng nghệ khác nhau như vật liệu lỏng quang hóa, vật liệu rắn (gỗ),
kim loại, đặc biệt là trong công nghệ tạo mẫu đế giày, tạo ra các tượng mỹ nghệ
trong ngành kim hồn, tạo khn mẫu cho ngành nhựa với kích thước lớn nhỏ khác
nhau, ứng dụng trong các ngành sản xuất chế tạo ô tô, xe máy, điện dân dụng, máy
điều hịa nhiệt độ, vỏ ti vi, máy nơng nghiệp… với hiệu quả kinh tế rất lớn.
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
Trang 9
HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372)
Luận Văn Thạc Sỹ
-
Ngoài ra, trong lĩnh vực y học, công nghệ tạo mẫu nhanh được dùng để chế
tạo các mơ hình y học, các bộ phận cấy ghép thay thế xương và các công cụ trợ giúp
phẫu thuật.
- Theo báo cáo của Wohlers (2006) thì khả năng phạm vi ứng dụng cơng nghệ tạo
mẫu nhanh: [6]
Hình 1.2 : Phạm vi ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh
Người ta chia sự phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh thành ba giai đoạn lớn.
Giai đoạn 1: Từ những năm đầu của thập kỷ 80 của thế kỷ 20 đến năm 1994.
Sự ra đời của công nghệ tạo mẫu nhanh với bằng sáng chế của Hull về thiết
bị tạo hình lập thể, được thương mại hóa năm 1987 bởi công ty 3D System
Giai đoạn 2: Từ 1994 – 1998. 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 công nghệ tạo mẫu
nhanh ở nhiều nước trên thế giới.
-
Tính đến nay có hơn 30 công nghệ tạo mẫu nhanh đã được ra đời và phát
triển với rất nhiều phạm vi ứng dụng đa dạng, trong đó có một số cơng nghệ đã trở
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
Trang 10
HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372)
Luận Văn Thạc Sỹ
nên phổ biền và được thương mại hóa: Cơng nghệ tạo mẫu SLA (Stereo
Lithography Aparatus) và cơng nghệ tạo mẫu 3D Printing của công ty 3D systems,
Công nghệ tạo mẫu LOM (Laminated Object Manufacturing) của công ty Helisy,
công nghệ SLS (Selective Laser Sintering), công nghệ tạo mẫu FDM (Fused
Deposition Modeling) thuộc sở hữu của công ty Stratasys, …Trong các cơng nghệ
tạo mẫu nhanh được thương mại hóa thì cơng nghệ 3D printing (Three Dimensional
Printing) thuộc nhóm cơng nghệ tạo mẫu nhanh in ba chiều (3D printer) có khả
năng ứng dụng rất cao (có thể tạo ra những sản phẩm có màu sắc) và có lợi thế về
tốc độ gia công chi tiết rất tốt
1.3 Mục tiêu của đề tài
Nắm vững công nghệ tạo mẫu nhanh theo phương pháp 3D printing.
Thiết kế hệ thống cấp bột cho máy tạo mẫu nhanh theo phương pháp 3D
printing.
1.4 Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan công nghệ tạo mẫu nhanh in ba chiều, đặc biệt là
công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printing.
Nghiên cứu tổng quan cấu trúc của hệ thống tạo mẫu nhanh theo công
nghệ in ba chiều 3D printing
Thiết kế kết cấu hệ thống cấp bột cho máy tạo mẫu nhanh theo công nghệ
in ba chiều 3D printing.
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
Trang 11
HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372)
Luận Văn Thạc Sỹ
CHƯƠNG 2 : CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH 3D PRINTER
2.1 Thời gian hình thành và tốc độ phát triển của công nghệ 3D printer
-
Công nghệ tạo mẫu nhanh 3D printer (in ba chiều) là một công nghệ có
nguồn gốc từ kỹ thuật in phun đã có từ rất lâu, công nghệ in ba chiều dựa vào sự
thay đổi trạng thái của vật liệu (từ rắn qua lỏng) phun nguyên liệu vật liệu thành các
lớp mỏng, sau đó lớp nguyên liệu này sẽ được làm đông đặc lại để tạo nên liên kết
hình thành nên sản phẩn 3D. Công nghệ tạo mẫu nhanh in ba chiều được xem như
là một cơng nghệ có tốc độ tạo ra sản phẩm nhanh nhất trong các cơng nghệ tạo
mẫu nhanh (có thể gấp 40 lần so với các công tạo mẫu nhanh khác). Nó cho phép
tạo ra sản phẩm có màu sắc thực tế hơn, nguyên liệu sử dụng rất đa dạng như: gốm,
nhưa nhiêt dẻo-kim loại, các photopolymer, nhựa tổng hợp…
Cùng với sự ra đời của các loại công nghệ tạo mẫu nhanh khác, công nghệ tạo mẫu
nhanh in ba chiều lần đầu tiên xuất hiện thông qua sự ra đời và phát triển của công
nghệ tạo mẫu nhanh 3D printing.
Ký hiệu
Năm phát triển đầu tiên
Stereo Lithography Aparatus
SLA
1986-1988
Laminated Object Manufacturing
LOM
1985-1991
Selective Laser Sintering,
SLS
1987-1992
3D Printing
1985-1997
Tên công nghệ
Three-Dimensional Printing
-
Cùng với sự phát triển của các công nghệ tạo mẫu nhanh khác công nghệ tạo
mẫu nhanh 3D printer (in ba chiều) từ khi xuất hiện và phát triển đã có sự cạnh
tranh khác biệt với các công nghệ tạo mẫu nhanh khác về tốc độ, giá thành máy, khả
năng ứng dụng của sản phẩm. Bảng 2.1 cho ta thấy được tốc độ gia tăng về số lượng
các máy tạo mẫu nhanh theo phương pháp in 3 chiều được bán (tính đến năm 2007 theo báo cáo của wholers 2008) [7]
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
Trang 12
HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372)
Luận Văn Thạc Sỹ
Hình 2.1: Tốc độ bán máy tạo mẫu nhanh 3D printer tính đến năm 2007
2.2
Tạo mẫu nhanh theo công nghệ 3D printer
-
Từ đầu những năm đầu của thập niên 1990, nhiều công nghệ tạo mẫu nhanh
3D printer (in ba chiều) đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng trong nhiều
nghành cơng nghiệp, trong đó có các công nghệ như: FDM, PolyJet, 3D Printing...
Các công nghệ này đều giống nhau là sử dụng đầu phun vật liệu để tạo thành lớp
mỏng trong q trình gia cơng chi tiết. Tùy thuộc vào phương pháp phun mà có thể
phân ra các loại như: Drop-on-Drop deposition, Drop-on-Powder deposition,
Continuous deposition.[10]
Quá trình phun
Kỹ thuật
Drop-on-Drop deposition ( Phun trực tiếp)
3D Plotting
PolyJet
Drop-on-Powder deposition ( Phun gián tiếp)
3D Printing
Metal 3DP
FDM
Continuous deposition ( Phun liên tục)
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
Trang 13
HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372)
Luận Văn Thạc Sỹ
2.2.1 Quá trình phun trực tiếp (Drop-on-Drop)
2.2.1.1 Công nghệ tạo mẫu nhanh 3D Plotting:
Công nghệ 3D plotting có nguồn
gốc từ cơng ty Sanders Prototype,
bây giờ được biết đến với tên là
Soidcape. Công nghệ 3D plotting
sử dụng 2 đầu phun, một đầu phun
sẽ phun nguyên liệu nền là nhựa
nhiệt dẻo tạo chi tiết, một đầu phun
sẽ phun sáp (wax) để tạo hệ thống
đỡ. Nguyên liệu sáp hỗ trợ sẽ được
phun và đông đặc cùng lúc với
nhựa nhiệu dẻo. Nguyên liệu nền
dùng để tạo chi tiết được gia nhiệt
trong đầu phun trở thành trạng thái
Hình 2.2 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động
Công nghệ 3D ploting
lỏng, nguyên liệu này được phun ra khỏi đầu phun với một áp suất và sẽ đông đặc
lại khi tiếp xúc với lớp nguyên liệu trước đó. Sau khi mỗi lớp hồn tất. Lưỡi dao sẽ
gạt bóc bỏ đi một lớp khoảng 0,025mm để tạo nên bề mặt có độ nhẵn cho lớp kế
tiếp. Mặt đế được hạ thấp xuống dưới theo chiều Z, để chuẩn bị cho qua trình phun
lớp tiếp theo. Quá trình này được lập đi lập lại cho đến khi lớp cuối cùng của chi tết
được hồn tất. Q trình này là sự kết hợp của phương pháp FDM và 3D printing,
và công ty Solidscap gọi đây là 3D plotting.
Luận Văn Thạc Sỹ
Một số chủng loại máy đã được thương mại hóa
T612TM
T66TM
PaternMasterTM
2.2.1.2 Cơng nghệ tạo mẫu nhanh PolyJet
-
Cơng nghệ PolyJet sử dụng vật liệu là các polyme cảm quang, và đầu phun
có diện tích rộng để phun cả ngun liệu chính và nguyên liệu bổ xung tạo giàn đỡ.
Các lớp nguyên liệu này sẽ được nóng chảy và dưới ánh sáng của tia cực tím được
chiếu vào ngay khi nguyên liệu được phun ra, sau đó nguyên liệu này sẽ đông đặc
lại tạo ra một lớp cho chi tiết. Hiện tại công nghệ PolyJet được phát triển bởi công
ty Objet Geometries.
Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động công nghệ tạo mẫu nhanh in ba chiều PolyJet
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
Trang 15
HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372)
Luận Văn Thạc Sỹ
-
Hệ thống đầu phun có thể di chuyển theo 2 phương X và Y.
-
Khay bàn máy có thể di chuyển tịnh tiến theo phương Z
-
Hệ thống đầu phun chứa vât liệu tạo chi tiết (chưa khoảng 1536 miệng phun
nhỏ), hai bên hơng đầu phun có lắp đèn tia cực tím, đèn này tạo hai dãy chiếu sáng
hai bên hông đầu phun, cung cấp năng lượng để đông đặc nguyên liệu sau khi được
phun ra khỏi đầu phun. Vật liệu được sử dụng là vật liệu cảm quang (cả vật liệu
chính và vật liệu hỗ trợ). Chiều dày của mỗi lớp vật liệu có thể đạt được là 16 μm.
Chiều dày của các thành chi tiết sau khi được gia cơng có thề đạt tới 0,6 mm. [11]
Hệ thống đầu phun theo công nghệ tạo mẫu nhanh PolyJet : Theo Patent số US
7500846 B2 (10/03/2009) [12]
Hình 2.4a
Nguyên lý hoạt động
-
Hình 2.4b
Sau khi nhận được dữ liệu là file “.STL” từ mơ hình máy tính, máy sẽ thực
hiện q trình chia lớp cho mơ hình. Để tạo lớp thứ nhất đầu phun di chuyển và
phun một lớp vật liệu rất mỏng trên khay bàn máy, đồng thời lúc này đèn cực tím
cũng được quét qua lớp vật liệu này và làm đông đặc lớp vật liệu này ngay lập tức,
sau đó khay bàn máy thực hiện một chuyển động tiện tiến hướng xuống theo chiều
Z bằng khoảng cách chiều dày của lớp gia công, tiếp tục đầu phun sẽ di chuyển và
phun lớp vật liệu thứ 2, đèn tia cực tím cũng quét lên lớp vật liệu này làm cho nó
đơng đặc ngay, sau đó bàn máy tiếp tục chuyển động tịnh tiến xuống dưới một
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
Trang 16
HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372)
Luận Văn Thạc Sỹ
khoảng cách bằng chiều của một lớp gia cơng. Q trình gia cơng này được thực
hiện từng lớp từng lớp và lập đi lập lại cho đến khi hình dạng chi tiết được hồn
thành. Sau khi gia cơng hồn tất sản phẩm trên máy, người ta tiến hành quá trình
hậu sử lý bằng cách phun nước nhằm loại bỏ vật liệu tạo giàn đỡ (support material)
ra khỏi sản phẩm để đạt được sản phẩm mong muốn.
Qui trình thực hiện
Thiết kế mơ hình 3D
bằng các phần mềm
CAD sau đó lưu thành
file .STL
Kiểm tra hiệu chỉnh
Inport
Chia lớp, tính
file
tốn
STL
lượng ngun
vào
liệu, chạy thử
khay
mơ hình
Gia
Q
Sản
mơ
cơng
trình
phẩm
hình
hồn
hậu
tất
sử lý
Gia cơng
khối
file .STL bằng phần
mền chun dùng
Ưu nhược điểm
Ưu điểm:
Linh hoạt : có thể thay đổi các loại vật liệu có các cơ tính khác nhau và màu
khác nhau.
Chất lượng bề mặt cao: độ phân giải cao.
Độ chính xác cao: Các lớp cộng vật liệu khoảng 600μm hoặc nhỏ hơn phụ
thuộc vào vật liệu
Tốc độ gia cơng nhanh, cơng nghệ có thể in nhiều chi tiết cùng một lúc.
Quá trình hậu sử lý dễ dàng.
Nhược điểm:
Vật liệu tạo mẫu đắt.
Giá thành máy,giá đầu phun, chi phí bảo trì cịn cao.
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
Trang 17
HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372)
Luận Văn Thạc Sỹ
Các chủng loại máy đã được thương mại hóa
EdenTM 260
EdenTM 330
EdenTM 350
2.2.2 Qúa trình phun liên tục (Continuous Deposition)
2.2.2.1 Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM
-
Phương pháp tạo mẫu nhanh in ba chiều theo công nghệ FDM là của Công ty
Stratasys. Công ty Stratasys được thành lập vào năm 1989, công ty tập trung
nghiên cứu và phát triển phương pháp tạo mẫu nhanh in 3 chiều bằng công nghệ
FDM. Công nghệ FDM được phát triển lần đầu tiên bới Ơng Scott Crump vào năm
1988 và đã có bằng sáng chế được được giải thưởng cao tại Mỹ vào năm 1992.
Công nghệ FDM xây dựng chi tiết bằng cách đùn vật liệu qua đầu phun. Máy FDM
đầu tiên là máy 3D modeler® được đưa ra vào năm 1992. Ngày nay cơng nghệ
FDM là một hệ thống sản xuất có tính thương mại đứng thứ hai trên thế giới.
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
Trang 18
HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372)
Luận Văn Thạc Sỹ
Nguyên lý hoạt động của Công Nghệ tạo mẫu nhanh FDM
Hình 2.5 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động công nghệ tạo mẫu nhanh FDM
- Vật liệu chính dùng để tạo chi tiết và vật liệu hỗ trợ dùng để tạo chi tiết đỡ
đều ở dạng dây. Đầu phun được gắn trên một hệ thống di chuyển có thể di chuyển
trên một mặt phẳng song song với đế (mặt phẳng XY của hệ trục tọa độ trên máy).
- Các bánh xe đưa vật liệu chính và vật liệu hỗ trợ vào ống gia nhiệt, trong ống
gia nhiệt vật liệu chuyển từ trạng thái rắn qua trạng thái lỏng và được phun qua
miệng phun, thực hiện quá trình tạo lớp trên khay bàn máy. Sau khi một lơp được
tạo, đế di chuyển xuống dưới theo phương thẳng đứng (trục Z của máy), đầu phun
tiếp tục di chuyển và phun vật liệu để tạo thành lớp tiếp theo. Lớp vật liệu sau khi
được phun khỏi đầu phun thì tạo liên kết với lớp vật trước đó do đặc tính của vật
liệu mà khơng cần chất kết dình nào. Q trình này được thực hiện cho đến khi chi
tiết gia cơng được hồn tất.
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
Trang 19
HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372)
Luận Văn Thạc Sỹ
Một số hệ thống đầu phun theo công nghệ tạo mẫu nhanh FDM
Theo Patent số 5900207 ngày 04/05/1999 [13]
Hình 2.6a
Theo Patent số 5764521 ngày 09/06/1998 [14]
Hình 2.6b
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà
Trang 20
HVTH: Đặng Xuân Phong (09040372)
