Giới thiệu công nghệ tạo mẫu nhanh (RP)

GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH
1. Mở đầu
Sự phát triển của tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping- RP) có quan hệ mật thiết với sự phát triển ứng dụng của máy tính trong công nghiệp. 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 công 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. Tuy nhiên từ các cuộc thi cẩn thận của hàng loạt các hệ thống RP ngày nay, có thể dễ dàng suy luận rằng ngoài CAD ra, nhiều công nghệ và nhiều sự tiến bộ khác như các hệ thống chế tạo và vật liệu cũng có tính quyết định đến sự phát triển của hệ thống RP.

Có thể hiểu tạo mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu sản phẩm giúp cho nhà sản xuất quan sát nhanh chóng sản phẩm cuối cùng. Quá trình này nhờ các thiết bị RP như những máy in ba chiều cho phép người thiết chuyển những dữ liệu CAD 3D thành những mẫu thực một cách nhanh chóng. Tùy thuộc vào kích thước và độ phức tạp của mẫu mà thời gian để tạo ra một mẫu mới mất khoảng từ 3 – 72 giờ, thậm chí ít hơn. Như vậy so với việc tạo mẫu bằng máy truyền thống thường mất từ nhiều tuần đến nhiều tháng thì việc tạo mẫu bằng RP nhanh hơn rất nhiều. Do mất ít thời gian nên RP giúp cho nhà sản xuất nhanh chóng đưa sản phẩm ra thị trường và giảm chi phí sản xuất. Đó cũng là ưu điểm nổi bật của quá trình tạo mẫu nhanh.
2. Ba thời kỳ của quá trình tạo mẫu.
Quá trình tạo mẫu được phân ra làm ba thời kỳ. Hai thời kỳ sau chỉ mới ra đời trong khoảng 20 năm trở lại đây. Tương tự như quá trình tạo mẫu trên máy vi tính, tính chất vật lý của mẫu chỉ được nghiên cứu phát triển trong thời kỳ thứ ba.
a. Thời kỳ đầu : tạo mẫu bằng tay
Thời kỳ đầu tiên ra đời cách đây vài thế kỷ. Trong thời kỳ này, các mẫu điển hình không có độ phức tạp cao và chế tạo một mẫu trung bình mất khoảng 4 tuần. Phương pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề và thực hiện công việc một cách cực kỳ nặng nhọc.
b. Thời kỳ thứ hai: phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo
Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển rất sớm, khoảng giữa thập niên 70. Thời kỳ này đã có phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo. Việc ứng dụng CAD/CAE/CAM đã trở nên rất phổ biến. Phần mềm tạo mẫu sẽ phát họa trên máy vi tính những suy tưởng, ý tưởng mới. Các mẫu này như là một mô hình vật lý: được kiểm tra, phân tích cũng như đo ứng suất và sẽ được hiệu chỉnh cho phù nếu chúng chưa đạt yêu cầu. Thí dụ như phân tích ứng suất và sức căng bề mặt chất lỏng có thể dự đoán chính xác được bởi vì có thể xác định chính xác các thuộc tính và tính chất của vật liệu.
Hơn nữa, các mẫu trong thời kỳ này trở nên phức tạp hơn nhiều so với thời kỳ đầu (khoảng trên hai lần). Vì thế, thời gian yêu cầu cho việc tạo mẫu có khuynh hướng tăng lên khoảng 16 tuần, tính chất vật lý của mẫu vẫn còn phụ thuộc vào các phương pháp tạo mẫu cơ bản trước. Tuy nhiên, việc vận dụng các máy gia công chính xác đã cải thiện tốt hơn các tính chất vật lý của mẫu.
Cùng với sự tiến bộ trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh trong thời kỳ thứ ba, có sự trợ giúp rất lớn của quá trình tạo mẫu ảo. Tuy nhiên, vẫn còn tranh cãi về những giới hạn của công nghệ tạo mẫu nhanh như: Sự giới hạn về vật liệu (hoặc bởi vì chi phí cao hoặc cách sử dụng cho từng vật liệu không giống nhau để tạo chi tiết).
c. Thời kỳ thứ ba: quá trình tạo mẫu nhanh
Tính chất vật lý từng phần của sản phẩm trong quá trình tạo mẫu nhanh cũng được biết đến. Quá trình tạo mẫu rỗng thích hợp cho việc sản xuất trên bàn nâng hay công nghệ sản xuất lớp. Công nghệ này thể hiện quá trình phát triển tạo mẫu trong thời kỳ thứ ba. Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh là một phát minh quan trọng. Những phát minh này đã đáp ứng được yêu cầu của giới kinh doanh trong thời kỳ này: giảm thời gian sản xuất, độ phức tạp của mẫu tăng, giảm chi phí. Ở thời điểm này người tiêu dùng yêu cầu các sản phẩm cả về chất lượng lẫn mẫu mã, nên mức độ phức tạp của chi tiết cũng tăng lên, gấp ba lần mức độ phức tạp mà các chi tiết đã được làm vào những năm của thập niên 70. Nhưng nhờ vào công nghệ tạo mẫu nhanh nên thời gian trung bình để tạo thành một chi tiết chỉ còn lại 3 tuần so với 16 tuần ở thời kỳ thứ hai. Năm 1988, hơn 20 công nghệ tạo mẫu nhanh đã được nghiên cứu.
3. Nền tảng của quá trình tạo mẫu nhanh.
a. Mẫu hay một bộ phận chi tiết được thiết kế trên hệ thống CAD/CAM. Mẫu phải thể hiện đầy đủ tính chất vật lý như sản phẩm thật thể hiện bằng những mặt cong khép kín với kích thước giới hạn rõ ràng. Đó la, phải xác định các dữ liệu bên trong, bên ngoài và cả phạm vi giới hạn của mẫu. Yêu cầu này thực sự không cần thiết đối với mô hình dạng khối. Mô hình dạng khối sẽ tự động giới hạn thể tích. Yêu cầu này đảm bảo rằng tất cả các mặt cắt ngang đều là những đường cong kín để tạo ra khối vật thể.
b. Mô hình dạng khối hay mô hình bề mặt sẽ được chuyển sang file định dạng “. STL” (StereoLithography) mà các file này khởi đầu các hệ thống 3D. File định dạng .STL xấp xỉ các bề mặt dưới dạng các đa giác. Các mặt cong bậc cao phải dùng rất nhiều đa giác, điều này có nghĩa là các file .STL dùng cho các chi tiết mặt cong phải có dung lượng rất lớn. Tuy nhiên có một vài hệ thống tạo mẫu nhanh chỉ chấp nhận các dữ liệu .IGES (Initial Graphics Exchange Specification) để cung cấp chính xác các đặc tính.
c. Máy tính phân tích file .STL để xác định rõ ràng mô hình cho sản xuất và các lớp mỏng trên mặt cắt ngang. Bề mặt cắt ngang được tạo ra theo phương pháp hạ dần xuống trong suốt quá trình hóa cứng của chất lỏng hay bột và sau đó kết hợp thành mẫu 3D. Một khả năng khác là bề mặt cắt ngang có thể là những lớp mỏng hay ở dạng khối, những lớp mỏng có thể được liên kết với nhau để hình thành nên một mẫu 3D. Các phương pháp tạo mẫu tương tự khác cũng có thể dùng cho công việc tạo mẫu.
Nói một cách khác, sự phát triển của quá trình tạo mẫu nhanh được thể hiện qua bốn mặt cơ bản: dữ liệu vào, phương pháp tạo mẫu nhanh, vật liệu và các ứng dụng.
– Dữ liệu vào.
Dữ liệu 3D cung cấp được chuyển đến bằng các tín hiệu điện tử theo yêu cầu để mô tả các vấn đề có liên quan đến vật thể. Có thể bắt đầu từ hai dạng mô hình sau: mô hình trên máy tính hay một mô hình từ vật thể. Hệ thống CAD đã tạo ra mô hình trên máy tính ở dạng mặt hay dạng khối. Ở một khía cạnh khác, không phải tất cả các mô hình từ vật thể đều rõ ràng. Dữ liệu của nó thu được bằng một phương pháp gọi là kỹ thuật ngược. Trong kỹ thuật ngược, có thể sử dụng các thiết bị như: máy đo tọa độ và bút vẽ bằng laser.
– Phương pháp tạo mẫu nhanh.
Tùy từng phương pháp xử lý của nhà sản xuất mà ta có thể phân tích thành một số dạng như: xử lý quang hóa (Photo-curing), cắt và dán liên kết (Cutting and Glucing/Joining), nóng chảy và đông đặc (Melting and Solidifying/Fusing)… Việc xử lý quang hóa còn có thể phân tích thành từng nhóm nhỏ: chùm laser đơn , chùm laser đôi và đèn mạ.
– Vật liệu.
Tùy thuộc vào những nét đặc trưng của vật liệu ta có thể lựa chọn vật liệu: dạng khối, dạng lỏng hay dạng bột bụi. Ở dạng khối có thể có các hình thức khác nhau như là: viên, dây hay phiến mỏng. Một số vật liệu hiện đang được sử dụng như là: giấy, nilon, nhựa, sáp, kim loại và gốm, …
4. Phân loại:
Do có nhiều phương diện sản xuất nên hình thành nhiều loại hệ thống tạo mẫu nhanh trên thị trường, để phân loại một cách bao quát các hệ thống tạo mẫu nhanh là dựa trên cơ sở vật liệu sản xuất. Ở kiểu phân loại này tất cả các hệ thống tạo mẫu nhanh có thể dễ dàng phân thành ba loại:
– Dựa trên cơ sở vật liệu dạng lỏng.
– Dựa trên cơ sở vật liệu dạng khối.
– Dựa trên cơ sở vật liệu dạng bột.

4.1. Dựa trên cơ sở vật liệu dạng lỏng.
Các hệ thống tạo mẫu nhanh dựa trên cơ sở nền tảng chất lỏng bắt đầu với vật liệu ở trạng thái lỏng. Quá trình tạo mẫu là một quá trình lưu hóa, vật liệu chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Sau đây là một số phương pháp tạo mẫu nhanh dựa trên cơ sở vật liệu dạng lỏng:
1. Thiết bị tạo mẫu lập thể SLA của 3D Systems
2. Thiết bị xử lý dạng khối SGC của Cubital
3. Thiết bị tạo mẫu dạng khối SCS của Sony
4. Thiết bị in sử dụng tia tử ngoại tạo vật thể dạng khối SOUP của Misuibishi
5. Thiết bị tạo ảnh nổi của EOS
6. Thiết bị tạo ảnh khối của Teijin Seiki
7. Thiết bị tạo mẫu nhanh của Meiko cho ngành công nghiệp đồ trang sức.
8. Thiết bị tạo mẫu nhanh SLP của Denken.
9. Thiết bị tạo mẫu nhanh COLAMM của Mitsui.
10. Thiết bị tạo mẫu nhanh LMS của Fockele và Schwarze.
11. Thiết bị điêu khắc bằng ánh sáng
12. Thiết bị hai chùm tia laser

4.2. Dựa trên cơ sở vật liệu dạng khối.Ngoại trừ các vật liệu dạng bột, các hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu cơ bản dạng khối có liên quan đến tất cả các hình thức vật liệu dạng khối bao gồm các dạng: dây, cuộn, dát mỏng và dạng viên. Sau đây là một số phương pháp tạo mẫu nhanh tượng trưng cho phương pháp này:
1. Thiết bị tạo lớp mỏng LOM của Helisys
2. Thiết bị phun nhiều lớp FDM của Stratasys
3. Thiết bị dập nóng có sử dụng chất liên kết SAHP (của KiRa.
4. Thiết bị tạo mẫu nhanh của Kinergy.
5. Thiết bị tạo mẫu nhiều đầu phun MJM của 3D System
6. Hệ thống tạo mẫu nhanh RPS của IBM.
7. Thiết bị tạo mẫu MM-6B của công ty Sanders Prototype
8. Thiết bị tạo mẫu nhanh Hot Plot của Sparx AB’s
9. Thiết bị tạo mẫu nhanh Laser CAMM của Scale Model Unlimited

4.3. Dựa trên cơ sở vật liệu dạng bột.
Trong khả năng được giới hạn, dạng trạng thái bột vẫn còn được xem như dạng trạng thái khối. Tuy nhiên, nó được tạo ra trên ý định là một loại thiết bị không phụ thuộc vào hệ thống thiết bị tạo mẫu nhanh vật liệu trạng thái khối cơ sở. Sau đây là một số phương pháp tạo mẫu nhanh tượng trưng cho phương pháp này:
1. Thiết bị thiêu kết bằng laser SLS của DTM
2. Thiết bị đúc khuôn vỏ mỏng trực tiếp DSPC của Soligen
3. Thiết bị định hình nhiều giai đoạn hoá cứng MJS của Fraunhofer
4. Hệ thống các thiết bị EOSINT của EOS.
5. Thiết bị in phun (Ink-Jet) hay còn gọi là BPM của BPM Technology
6. Thiết bị in ba chiều 3DP của MIT

5. Ứng dụng
1. Đúc khuôn vỏ mỏng.
Đúc khuôn vỏ mỏng là một quá trình đúc chính xác để chế tạo là những chi tiết có hình dáng sắc cạnh từ các hợp kim. Hiệu quả chủ yếu khi áp dụng phương pháp tạo mẫu nhanh trong công nghệ đúc khuôn vỏ mỏng là khả năng tạo ra mẫu có độ chính xác cao, chi phí thấp và thời gian để tạo mẫu ngắn.
2. Chế tạo dụng cụ.
Người ta ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong chế tạo dụng cụ như điện cực trong gia công tia lửa điện, chế tạo các khe hở hoặc ruột của khuôn phun nhựa, ống dẫn hệ thống điều hòa nhiệt độ…
3.Tạo mẫu nhanh trong chế tạo sản xuất.
Tạo mẫu nhanh có thể được sử dụng cho chế tạo sản phẩm. Cùng một sản phẩm như nhau có thể có các động cơ khác nhau và những nét kỹ thuật khác nhau. Các nét kỹ thuật khác nhau có thể đơn giản như sự khác nhau về vật liệu, nút bấm, phích cắm điện, hay là màu sắc hoặc cũng có thể phức tạp như sự khác nhau ở cấu tạo bên trong. Những khác biệt đó là cần thiết để phục vụ cho yêu cầu riêng của người sử dụng hoặc để phân biệt nó. Thêm nữa thời gian tồn tại của sản phẩm đang trở nên ngắn hơn buộc người thiết kế phát triển những sản phẩm mới trong một khoảng thời gian ngắn. Trong quá trình phát triển, một vấn đề gặp phải là sự lựa chọn một trong hai việc là: kéo dài thời gian phát triển hoặc tăng nguồn lực sản xuất để cho kịp thời hạn. Trong hoàn cảnh như vậy, thời gian bán sản phẩm trở thành nhân tố quyết định khả năng lợi nhuận.
Thực trạng này đòi hỏi những thay đổi như thế nào trên sản phẩm được phát triển. Các nhóm khác nhau như: nhóm thiết kế, kỹ thuật, tiếp thị và nhóm sản xuất phải hợp tác chặt chẽ hơn nữa cùng hướng về một mục tiêu chung và hoạt động thống nhất với nhau. Mục tiêu phải rõ ràng cho các nhóm có liên quan. Nếu sự cộng tác có hiệu quả sẽ tránh được những vấn đề trong việc truyền đạt thông tin. Tạo mẫu nhanh cho một mô hình vật lý có thể sử dụng được ngay như là một mô hình CAD 3D có sẵn. Mô hình vật lý là một công cụ truyền đạt thông tin hoàn hảo. Nếu hình ảnh bằng một ngàn lời nói thì mô hình vật lý bằng một ngàn hình ảnh.
Thêm nữa các vật thể chế tạo bằng tạo mẫu nhanh ngày càng được sử dụng thường xuyên để kiểm tra chức năng và có thể kiểm tra trước khi sản xuất hàng loạt. Bằng cách đó người ta có thể kịp thời phát hiện các lỗi ở giai đoạn khi mà sự thay đổi chưa tốn kém lắm. Những yêu cầu tinh tế và dễ hiểu hơn dẫn tới những sản phẩm tốt hơn, đáp ứng được đòi hỏi của thị trường. Người ta ước lượng nếu việc sử dụng phương pháp tạo mẫu nhanh có hiệu quả, thời gian phát triển cho các công cụ có thể giảm một nửa.
4.Tạo mẫu nhanh với các công nghệ truyền thống.
Tạo mẫu nhanh sẽ không thay thế hoàn toàn các công nghệ truyền thống như: NC và cán tốc độ cao hoặc ngay cả những phần làm bằng tay, đúng hơn nên coi tạo mẫu nhanh là một sự lựa chọn trong công cụ để chế tạo các bộ phận.
Người ta cho rằng bộ phận có thể được chế tạo với những yêu cầu về vật liệu và dung sai trục không chuẩn, những yếu tố này phụ thuộc lẫn nhau. Tạo mẫu nhanh cho thấy lợi thế rõ ràng phải sao chép nhiều lần bộ phận phức tạp.
Ngoài ra, không thể xác định chính xác sự phức tạp của bộ phận. Nhưng chắc chắn bao gồm những thành phần sau: kích cỡ, mô hình, chiều cao, độ dầy và tổng số bề mặt trong mô hình CAD, yêu cầu về dung sai, kiểu của hệ thống CAD dùng để tạo công cụ.
5. Tạo mẫu nhanh trong những ứng dụng y học.
Ứng dụng phương pháp tạo mẫu nhanh trong y học là một lĩnh vực mới. Nhiều ứng dụng đã trở nên rất quan trọng do sự hội tụ của ba công nghệ riêng biệt đó là: hình ảnh nội soi, đồ họa điện toán, CAD và tạo mẫu nhanh. CT (Computer-Assisted Tomography) và URI (Magnectic Resonance Imaging) cung cấp những hình ảnh để giải quyết tốt những cấu trúc bên trong của cơ thể con người. Ví dụ các cấu trúc của xương và các cơ quan. Những hình ảnh này được xử lý bằng những công cụ phần mềm thích hợp. Nó có thể chuyển kết quả cho quá trình tạo mẫu nhanh và tạo ra vật thể vật lý, mô hình này được gọi là mô hình y học. sau đây là một số hình ảnh về tạo sọ người bằng RP.
ds
fd
Cùng với việc đó, những công nghệ này cung cấp cho bác sĩ và nhà phẫu thuật những công cụ mới. Những mô hình vật lý của cấu trúc bên trong là cơ sở để hội chẩn và chuẩn bị cho những trường hợp phẩu thuật phức tạp một cách tốt hơn. Nếu những cuộc phẩu thuật có thể được thực hiện thành công nhiều hơn thì chi phí điều trị và chi phí mổ giảm xuống, thêm nữa nó sẽ giảm được những rủi ro, giảm được nỗi đau đớn của người bệnh, cải thiện chất lượng của kết quả công việc.

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s

%d bloggers like this: