Các phương pháp gia công tiên tiến

Chia sẻ: Nguyễn Sang | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:46

1
435
lượt xem
206
download

Các phương pháp gia công tiên tiến

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Việc chế tạo máy tính, nổi bật là máy tính cá nhân (PC) và máy tính mini đã làm thay đổi các phương thức làm việc ở xí nghiệp. Đặc biệt là máy tính đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: thiết kế (CAD-Computer Aided Design) ,chế tạo (CAM- Computer Aided Manufacturing), gia công điều khiển số nhờ máy tính (CNC- Computer Numerical Control). Và hệ thống tạo mẫu nhanh ra đời với sự tạo mẫu trên môi trường CAD. Bảng 1 dưới đây chỉ ra lịch sử của nhiều công nghệ khác nhau từ việc đánh...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Các phương pháp gia công tiên tiến

  1. Các phương pháp gia công tiên tiến Các phương pháp gia công tiên tiến Công nghệ tạo mẫu nhanh 1
  2. Các phương pháp gia công tiên tiến I. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN I. 1 . Giới thiệu: Việc chế tạo máy tính, nổi bật là máy tính cá nhân (PC) và máy tính mini đã làm thay đổi các phương thức làm việc ở xí nghiệp. Đặc biệt là máy tính đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: thiết kế (CAD-Computer Aided Design) ,chế tạo (CAM- Computer Aided Manufacturing), gia công điều khiển số nhờ máy tính (CNC- Computer Numerical Control). Và hệ thống tạo mẫu nhanh ra đời với sự tạo mẫu trên môi trường CAD. Bảng 1 dưới đây chỉ ra lịch sử của nhiều công nghệ khác nhau từ việc đánh giá bắt đầu các giai đoạn. Bảng 1 Năm Công nghệ 1770 Cơ giới hoá 1946 Máy tính đầu tiên 1952 Máy gia công điều khiển kỹ thuật số tự động 1960 Đầu tiên thương mại hoá thiết bị laser 1961 Đầu tiên thương mại hoá robot 1963 Hệ thống sơ đồ tác động tự động 1988 Hệ thống tạo mẫu nhanh tự động I. 2. Khái niệm chung về tạo mẫu nhanh: Tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping –RP) là công nghệ thiết kế mẫu tự động nhờ quá trình CAD (thiết kế với sự trợ giúp của máy tính). Với những máy in ba chiều cho phép người thiết kế tạo ra những mấu hữu hình, truyền ý tưởng thiết kế của họ đến công nhân hoặc khách hàng , ngoài ra tạo mẫu nhanh còn được sử dụng thiết kế thử những sản phẩm mới. Tất nhiên “nhanh” là một thời gian tương đối. thong thường, thời gian tạo ra một mẫu mới mất khoảng 3 -72 giờ phụ thuộc vào độ phức tạp của mẫu. So với việc tạo mẫu bằng máy truyên thống thì mất nhiều tuần đến nhiều tháng thì việc tạo mẫu ở đây là nhanh hơn nhiều.Vì vậy, RP giúp các nhà sản xuất nhanh chóng đưa sản phẩm ra thị trường và giảm chi phí sản xuất.đó là ưu điểm nổi bật của quá trình tạo mẫu nhanh. I. 3. Ba thời kì của quá trình tạo mẫu nhanh: Mục đích của công nghệ này là mô hình hoá các ý tưởng thiết kế.như vậy mẫu được làm theo yêu cầu ban đầu của người thiết kế trước khi bắt đầu quá trình sản xuất thực. Các hình thức tạo mẫu như:hớt vật liệu, gia công cắt gọt, tạo mẫu khuôn,…với nhiều loại vật liệu như:kẽm, urethanes,…Do đó , trong phạm vi thí nghiệm thì tạo mẫu nhanh là thích hợp nhất. Bảng tóm tắt các thời kỳ tạo mẫu và tạo mô hình: Mô hình hình học Quá trình tạo mẫu Thời kỳ 1:khung tạo toạ độ 2D Thời kỳ 1: tạo mẫu thô sơ • Giữa thập niên 60 • Thực hiện cách đây nhiều thế • Khuynh hướng: kỷ. -Sơ đồ mạch đưa ra trong các bo mạch • Thực hiện tạo mẫu xem như Công nghệ tạo mẫu nhanh 2
  3. Các phương pháp gia công tiên tiến -Qua sát kế hoạch cho từng thành phần một nghề khéo léo: kỹ thuật. -Mẫu được làm theo truyền thống và • Kỹ thuật tạo mẫu có trong tự làm bằng tay. nhiên. -Dùng vật liệu truyền thống để tạo ra mẩu. • Công nghệ tạo mâu rất tự nhiên. Thời kỳ 2: mô hình mặt và đường cong 3D. Thời kỳ 2: phần mềm hay quá trình tạo • Giữa thập niên 70. mẫu ảo. • Gia tăng mức độ phức tạp. • Giữa thập niên 70. • Thể hiện nhiều thong tin cấp độ • Gia tăng mức độ phức tạp. chính xác về tạo dáng, kích thước và đường • Phần mềm có thể cung cấp ứng viền bề mặt của từng chi tiết. suất, có thể mô phỏng và kiểm tra vớ các thiết bị chính xác và các tính chất đặc trưng khác. Thời kỳ 3: mô hình dạng khối. Thời kỳ 3: tạo mẫu nhanh. • Từ những năm đầu của thập • Từ những năm đầu của thập niên 80. niên 80. • Các góc, các bề mặt, lỗ được • Lợi ích của việc tạo mẫu nhanh lien kết với nhau tạo thành chi tiết. là thực hiện việc tạo mẫu trong thời gian • Từ bên ngoài máy tính có thể rất ngắn, đây là ưu điểm nổi bật của tính chính xác các các bộ phận bên trong phương pháp này. của chi tiết. tuy nhiên vấn đề là nó không • Sản phẩm của tạo mẫu nhanh có còn dấu vết trên bề mặt và các phần giao thể dung để kiểm tra các mẫu được sản của bề mặt và gốc. xuất bằng các phương pháp khác. • Mô hình vẫn chưa được rõ rang • Thiết bị có thể trợ giúp mẫu nhưng có độ chính xác cao. trong quá trình sản xuất. I. 3. a :Thời kỳ 1: tạo mẫu bằng tay: Ra đời cách đây vài thế kỷ , các mẫu điển hình không có độ phức tạp cao và chế độ tạo mẫu mất khoảng 4 tuần. Phương pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề và thực hiện công việc một cách cực kỳ nặng nhọc. I.3.b:Thời kỳ 2: phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo. Khoảng đầu 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 hoạ 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 hợp nếu chúng chưa đạt yêu cầu. Thí dụ nhu phân tích ứng suất và sức căng bề mặt chất lỏng có thể dự đoán bởi vì có thể xác định chính xác các thuộc tính và tính chất của vật liệu. Các mẫu trong thời kỳ này trở nên phức tạp hơn rất nhiều so với thời kỳ đầu khoảng trên 2 lần, tức khuynh hướng cho việc tạo mẫu tăng lên khoảng 16 tuần.Việc vận dụng tốt hơn các máy gia công chính xác đã cải thiện tốt hơn các tính chất vật lý của mẫu. Sự tiến bộ trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh trong thời kỳ 3 có sự trợ giúp rất lớn của quá trình tạo mẫu ảo nhưng vẫn còn những giới hạn tồn tại so với công nghệ tạo mẫu nhanh. Các vấn đề đó bao gồm: Công nghệ tạo mẫu nhanh 3
  4. Các phương pháp gia công tiên tiến  Sự giới hạn về vật liệu (bởi vì các chi phí và cách sử dụng cho từng vật liệu không giống nhau để tạo chi tiết).  Không có khả năng thực hiện quá tình như những gì ghi trên bản thảo.  Có thể độ tin cậy dữ liệu thấp hay không có. Những vấn đề này được tập hợp từ qui trình công nghệ tạo mẫu nhanh đến quá trình phân tích giới hạn các bộ phận cấu tạo.trong ứng dụng phân tích động học và động lực học, phần mềm sẽ phân tích các tính chất vật lý của nhiều oại vật liệu khác nhau như: thép, nước đá, nhựa, đất sét, hay một số vật liệu truyền thống khác. Phần mềm sẽ tính toán như là trên một mô hình thật sự, điều này có ý nghĩa rất lớn cho quá trình sản xuất- hạn chế phế phẩm. I.3. c :Thời kỳ 3: quá trình tạo mẫu nhanh: 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 3. Việc phát minh ra các thiết bị tạo mẫu nhanh là một phát minh quan trọng, đã đáp ứng yêu cầu của giới kinh doanh trong thời kỳ này: giảm thời gian sản xuất, độ phức tạp của mẫu tăng, giảm chi phí. Mức độ phức tạp của chi tiết tăng lên gấp ba lần mức độ phức tạp mà các chi tiết đã được làm vào những năm của thập niên 70 do người tiêu dung đòi hỏi cao về chất lượng lẫn mẫu mã,.. 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 2. Năm 1988, hơn 20 công nghệ tạo mẫu nhanh đã được đưa vào sử dụng. Nền tảng của quá trình tạo mẫu nhanh: Các phương pháp tạo mẫu nhanh khác nhau nhưng thường có chung một nền tảng cơ sở như sau:  Mẫu hay một bộ phận chi tiết được thiết kế trên những phần mềm cad và gia công bằng kỹ thuật số. Mẫu phải thể hiện đấy đủ lý tính để có thể sản xuất và phải thể hiện như một mặt kín với kích thước giới hạn rõ ràng. Đó là các dữ liệu bên trong, bên ngoài và cả phạm vi giới hạn của mẫu.  Mô hình dạng khối hay mô hình bề mặt dung để tạo ra lớp kế tiếp có thể thay đổi được ở file kích thước “.STL” mà các file này khở đầu các hệ thống 3D. file kích thước “ .stl” có kích thước gần đúng các bề mặt của mô hình đa giác. Các mặt cong bậc cao phải dùng nhiều mô hình 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 để cung cấp chính xác các đặc tính.  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 hoá cứng của chất lỏng hay bột và sau đó hợp thành mẫu 3D. Một khả năng khác là bề mặt cắt ngang có thể là 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 dung cho công việc tạo mẫu. Tóm lại, sự phát triển của quá trình tạo mẫu nhanh được thể hiện qua 4 vấn đề quan trọng: cung cấp dữ liệu, các phương pháp, vật liệu và các ứng dụng.  Cung cấp dữ liệu: Dữ liệu 3D cung cấp được chuyển đến bằng các tín hiệu điện tử theo yêu cầu để mô tả các vấn đề có lien quan đến vật thể. Có 2 vấn đề quan trọng: mô hình trên máy hay một mô hình vật thể. Hệ thống cad đã tạo ra mô hình trên máy tính, mô hình này có thể ở dạng mặt phẳng hay dạng khối. không phải tất cả các mô hình vật thể đều đơn giản, nó yệu Công nghệ tạo mẫu nhanh 4
  5. Các phương pháp gia công tiên tiến cầu thu thập dữ liệu để đưa ra một phương pháp đối lập.trong công nghệ đối lập này được trang bị đầy đủ như các thiết bị đo toạ độ (cmm) và bộ mã hoá laser.  Các phương pháp: Hiện nay đã có hơn 20 nhà sản xuất hệ thống tạo mẫu nhanh, ta có thể phân tích thành một số cấp bậc sau: xử lý quang hoá (chùm laser đơn, chùm laser đôi và đèn mạ), gia công và dán lien kết, sự nung nóng và sự hoá rắn/sự hoá lỏng và sự lien kết sự bó buộc.  Vật liệu: Vật liệu có thể ở dạng khối (rắn), dạng lỏng và dạng bột. ở dạng khối có các hình thức khác nhau như: viên , dây hay phiến mỏng. một số vật liệu đang sử dụng hiện nay là giấy, nilon, sáp, kim loại và đất sét.  Các ứng dụng: Các ứng dụng có thể phân chia thành từng nhóm như: (1) thiết kế, (2) công nghệ, phân tích và lập kế hoạch, (3) gia công cắt gọt và sản xuất. tạo mẫu nhanh đem lại lợi nhuận khổng lồ trong các lĩnh vực như: vũ trụ không gian, tự động hoá, y-sinh học, điện-điện tử,…. Lợi thế của công nghệ tạo mẫu nhanh: Các hệ thống tạo mẫu nhanh hiện nay đều là tự động, không gia công, không cần khuôn 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 cao nhưng chất lượng bề mặt rất kém vì không được gia công đến nguyên công cuối. vì thế, các sản phẩm này 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 II. PHÂN LOẠI TẠO MẪU NHANH: Dựa trên cơ sở vật liệu sản xuất có thể chia thành các ba loại:  Dựa trên cơ sở chất lỏng.  Dựa trên cơ sở dạng khối.  Dựa trên cơ sở dạng bột. II.1 : TẠO MẪU NHANH DỰA TRÊN CƠ SỞ CHẤT LỎNG: II.1.1: Khái niệm chung: Quá trình tạo mẫu dựa trên cơ sở chất lỏng là một quá trình lưu hoá, vật liệu chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. một số phương pháp tạo mẫu nhanh dựa trên cơ sở chất lỏng: 1. Thiết bị tạo mẫu lạp thể SLA. 2. Thiết bị xử lý dạng khối cubital (SGC). 3. Thiết bị tạo mẫu dạng khối sony (SCS). 4. Thiết bị laser- tử ngoại tạo vật thể dạng khối misuibishi (SOUP). 5. Thiết bị tạo ảnh nổi của EOS. 6. Thiết bị tạo ảnh khối của Teijin Seikils. 7. Thiết bị tạo mẫu nhanh của Meiko cho ngành công nghệ đồ trang sức. Công nghệ tạo mẫu nhanh 5
  6. Các phương pháp gia công tiên tiến 8. SLP của Denken. 9. COLAMM của Misui. 10. LMS của Fockele và Schwarze. 11. Thiết bị điêu khắc bằng ánh sang. 12. Thiết bị hai chùm laser. II.1.2: Phương pháp tạo mẫu lập thể (SLA): a. Nguyên lý hoạt động: Đầu tiên người ta đặt thiết bị nâng cách bề mặt chất lỏng một khoảng bằng với độ dày của lớp vật liệu đầu tiên (tức là lớp nằm dưới cùng). Sau đó, chùm tia laser sẽ quét bề mặt theo những đường viền của mặt cắt, bên trong đường viền được vạch dấu bằng những vạch song song bằng cách dùng một mẫu vạch. Chất lỏng polime sao chép khi bị tác động của chùm tia laser tử ngoại sẽ rắn lại hoặc là được xử lý. Bộ phận nâng được dịch chuyển xuống phía dưới, và các lớp sau đó được chế tạo tương tự như vậy. các lớp liên kết lại với nhau thành khối. Cuối cùng vật thể được lấy ra từ thùng đụng chất lỏng và chất lỏng còn lại thong thường được sử lý trong lò nung đặc biệt. Chùm tia laser làm rắn chất lỏng là HeCd-laser được cho thấy ở góc bên trái của hình 4 dưới đây. Chùm laser được dùng để đảm bảo bề mặt của chất lỏng ở vị trí đúng. Thanh quét phá sức căng bề mặt giảm tối đa thời gian chế tạo mỗi lớp. Bởi vì chi tiết được tạo thành trong môi trường chất lỏng và bên trong vật thể còn chứa chất lỏng polymer, do đó cần thiết phải thêm các kết cấu trợ giúp để tăng độ cứng chi tiết và để tránh cho phần chi tiết đã được tạo thành chìm trong chất lỏng không bị nổi lên hoặc không bị trôi nổi tự do ở trong thùng. Thời gian quét chùm tia laser phụ thuộc vào hình dạng hình học của những đường viền, mẫu vạch, tốc độ của tia laser và thời gian bao phủ (thời gian để một lớp của polyme sao chụp chất rắn lại và thời gian để lớp cuối cùng rắn lại). HeCd-laser Thaáu kính Göông Cô caáu thanh naâng queùt Chaát loûng polyme Hene-laser Công nghệ tạo mẫu nhanhBaøn gaù 6 Hình 4. Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa phöông phaùp SLA
  7. Các phương pháp gia công tiên tiến SLA không phải là quy trình công nghệ duy nhất trên cơ sở tạo mẫu lập thể (tạo hình lập thể). Ngoài ra, SFF cũng tạo mẫu theo nguyên lý này, theo SFF, phương pháp laser photolithograpy tạo ra những chi tiết bằng vật liệu acrylic hoặc epoxy trực tiếp từ một thùng chất lỏng polymer bằng một tia laser quét qua.Cơ cấu nâng hạ trong thùng một khoảng rất nhỏ (0.254 mm- 2.54 mm) để chóng đổ vỡ đã đông kết và việc tạo hình chi tiết được chính xác. b. Hệ thống thiết bị tạo mẫu nhanh với vật liệu chất lỏng: Hầu hết chất lỏng của quá trình tạo mẫu nhanh để sản xuất chi tiết được chứa trong một thùng to chứa chất lỏng, nhựa được sấy khô hay đông đặc dưới ánh sáng bức sạ của tia laser. Việc sấy khô nhựa bằng tia laser trên bề mặt định hình làm cho nhựa được tôi lớp bề mặt. Một khi lớp bên ngoài của chi tiết được hình thành thì lớp này được hạ xuống bằng một hệ thống điều khiển cho phép lớp kế tiếp được tạo hình giống như lớp được tạo hình trước đó. Công việc này cứ tiếp tục cho đến khi kết thúc. Chất lỏng được dẫn vào hệ thống rót và chi tiết được chuyển đi xử lý điều này là cần thiết. Có nhiều thay đổi trong công nghệ này do có nhiều nhà sản xuất và sự thay đổi này phụ thuộc vào phương pháp quét laser, sấy khô nhựa lỏng, kiểu mẫu điển hình và cách sử dụng hệ thống quang học. c.Hệ thống thiết bị tạo hình lập thể 3D: Nhà doanh nghiệp Raymond – S – Freed là những người đầu tiên phát minh ra hệ thống tạo mẫu lập thể 3d vào những năm 1986. Một vài kiểu máy thường được sử dụng như: SLA-250,SLA-190, SLA-350, SLA-500, -Công nghệ của máy SLA-190 là công nghệ đầu tiên của phương pháp tạo mẫu nhanh và sử dụng tia laser He-Cd. -Máy cong nghệ SLA-250 là loại máy được sử dụng rộng rãi trên thế giới. -Máy công nghệ SLA-350 là thế hệ mới của sla, tạo sản phẩm dạng khối ND: YV4 laser và cho năng suất cao hơn 35% so với máy SLA-250 khi cùng tạo một chi tiết. -Máy SLA-500 là đỉnh cao của thiết bị sản xuất 3D, nó sử dụng tia laser argon rất mạnh. Bảng tóm tắt các đặc tính kỹ thuật của hệ thống sla: Thieát bò SLA-190 SLA-250 SLA-350 SLA-500 Loaïi laser He-Cd He-Cd YVO 4 Argon Cöôøng ñoä laser (mW) 7,5 16 160 132-264 Ñöôøng kính tia laser (mm) 0,2-0,29 0,2-0,29 0,25 0,2-0,25 Ñoä phaân giaûi theo ñöôøng 0,0025 0,0025 0,0018 0,0018 thaúng ñöùng cuûa maùy naâng (mm) Theå tích chöùa (lít) - 29,5 99,3 253,6 Khoâng gian laøm vieäc, XYZ 190.190.250 250.250.250 350.350.4 508.508.5 (mm.mm.mm) 00 80 Khoái löôïng lôùn nhaát cuûa _ 9,1 56,8 68,04 chi tieát (kg) Công nghệ tạo mẫu nhanh 7
  8. Các phương pháp gia công tiên tiến Beà daøy lôùp nhoû nhaát 0,1 0,1 0,05 0,1 (mm) Kích thöôùc töøng ñôn vò 0,7x1,2x1,6 0,7x1,2x1,6 1,0x1,0x2, 1,8x1,2x2, (m.m.m) 0 0 Ñôn vò ñieàu khieån döõ PC PC PC PC lieäu Nguoàn naêng löôïng cung 115V AC 115V AC 200-240 200- caáp 15A 15A V AC 240VAC 220V AC 220V AC 16 A 3 pha, 8A 8A 100A/pha Toác ñoä queùt treân truïc X- 0,762 0,762 5 5 Y Giaù caû (US$) 70.000 100.000 380.000 490.000 -170.00 Tất cả các máy đều sử dụng chung một loại vật liệu sản xuất là loại nhựa lỏng được xử lý để tạo ảnh. Chỉ có một vài loại nhựa sử dụng được và khả năng này phụ thuộc vào loại tia laser trên máy và yêu cầu cơ học của chi tiết. d.Các loại nhựa cảm quang polymer: Có nhiều loại nhựa lỏng tạo hình, chúng sẽ bị hoá cứng khi được chiếu tia điện tử bức xạ, tia gamma, tia X, ….Phần lớn các loại tạo hình bình thường được xử lý trong trong tầm tác dụng của tia tử ngoại. Nhựa tạo hình bằng tia tử ngoại là loại nhựa được biết đến từ sự nổ phát quang và gây chất lỏng từ những đơn chức và chúng có thể có chứa một số chất độn và các chất gây biến tính hoá học khi gặp điều kiện do những yêu cầu cần thiết của máy. Mẫu tạo thành từ silicon. Có thể định nghĩa nhựa cảm quang polymer là quy trình lien kết các phần tử nhỏ (đơn chất) tạo thành chuỗi phân tử lớn (hợp chất cao phân tử).khi các chuỗi cao phân tử liên kết với chuỗi khác tạo thành một dạng lien kết ngang của polymer. Quang hoá polymer bắt đầu bằng quang hoá do một điểm xuất phát cảm ứng với nguồn năng lượng bức xạ. Sự polymer hoá quang hoá polymer thường phụ thuộc vào nguồn năng lượng có ích hay là phản ứng phát nhiệt. chất xúc tác được đưa vào theo yêu cầu của sự trùng hợp, vào thời gian thích hợp với tỷ lệ thích hợp. Công nghệ tạo mẫu nhanh 8
  9. Các phương pháp gia công tiên tiến Nguồn gốc của sự phát sinh nguồn năng lượng quang hoá là sự nổ phát quang, là phản ứng quang hoá photon để tạo ra gốc của chật xúc ta1ccho quy trình polymer hoá. Một số photon kết hợp lại tạo nên nổ phát quang và nâng trạng thái kích thích lên cao. Một số trạng thái thay đổi gây phản ứng nổ giữa các phân tử, sau khi thay đổi thành phần hoá học làm nguồn năng lượng thay đổi. sau đó, các phần tử phản ứng với chuỗi đầu tiên trong bước, phản ứng trong chuỗi truyền đi cho đến khi kết thúc phản ứng trùng hợp mới dừng lại. Ở thời điểm polymer hoá là rất quan trọng, polymer có đầy đủ các liên kết ngang bởi vì thế các phân tử trùng hợp sẽ không có phản ứng ngược lại tạo chất lỏng đơn chất. Do vậy, các dạng phân tử polymer có liên kết đủ bền để khống chế điều kiện bền của cấu trúc, trong khi nhựa đã được xử lý hoàn tất để có thể chịu những tác động khác nhau. Sự hoá cứng nhự lỏng phụ thuộc vào mật độ năng lượng trên mỗi diện tích hoá cứng (thời gian chiếu sang), trong lúc tiêu điểm nằm trên bề mặt của nhựa trùng hợp. Thời gian chiếu sáng phải đủ để nhựa trùng hợp tạo thành khối cứng. Để duy trì được độ chính xác và tính nhất quán trong tạo mẫu bằng phương pah1p SLA, phải xử lý chiều sâu và bề rộng của đường gia công. Thông số ảnh hưởng đến năng suất và cấu trúc của mẫu là tính chất lý-hoá của nhựa, tốc độ và độ phân giải của hệ thống quét quang học, nguồn năng lượng, song dài và loại tia laser được sử dụng, kích thước và vị trí của tia laser, hệ thống bảo vệ và quá trình xử lý vị trí. Sản phẩm và khuôn làm bằng phương pháp SLA. II.1.3. Phương pháp xử lý trên cơ sở khối (SGC): a. Khái quát chung: Solid Ground Curing (SGC) do Công ty Cubital Ltd (Israel) phát triển. Công nghệ này cũng dựa trên cơ sở của STL: sử dụng tia cực tím và vật liệu chất dẻo cảm quang. Điểm khác biệt ở phương pháp này là thực hiện cùng lúc cho tất cả các đối tượng trên 1 lớp, thông qua nhiều đèn chiếu tia cực tím. b. Nguyên lý làm việc: Chi tiết được xây dựng từng lớp một từ vật liệu lỏng photopolymer. Loại vật liệu này sẽ bị động cứng dưới tác dụng của tia cực tím. Bao gồm các bước được tiến hành như sau: Chuẩn bị dữ liệu :dữ liệu được tạo từ cao phần mềm thiết kế. Tạo mặt nạ : Mặt nạ này được tạo từ dữ liệu CAD nhập và in trên một nền trong suốt (thủy tinh) bằng phương pháp tĩnh điện, giống như quá trình được sử dụng trong máy Công nghệ tạo mẫu nhanh 9
  10. Các phương pháp gia công tiên tiến photocopy và máy in laser. Một lớp màu đen sẽ phủ lên toàn bộ bề mặt trừ những tiết diện của sản phẩm thể hiện bằng những miền trong suốt phản ánh chính xác mặt cắt ở lớp hiện hành của sản phẩm. Lớp màu đen này có thể xóa được để tạo mặt nạ cho những lớp vật liệu tiếp theo. Dưới tác dụng của chùm tia tử ngoại xuyên qua tấm thuỷ tinh khi tấm thuỷ tinh di chuyển đến vị trí gần phía trên đỉnh của lớp mỏng chất lỏng polymer và chiếu vào thùng vật liệu bên dưới. Phần vật liệu bị chiếu bởi tia tử ngoại sẽ được đông đặc nhanh chóng, cùng lúc này hình ảnh trên tấm thuỷ tinh sẽ được xoá đi để chuẩn bị cho lớp tiếp theo. Vật liệu dư không bị đông đặc sẽ được thu hồi lại, và khoảng trống xung quanh sản phẩm đang được chế tạo sẽ được điền đầy bằng sáp (wax), có tác dụng như là bộ phận hỗ trợ trong suốt quá trình tạo sản phẩm. Để đảm bảo cho quá trình hoá rắn nhanh, sáp lỏng được đông đặc bằng một tấm làm nguội sáp. Sau đó, đầu phay sẽ làm nhẵn bề mặt sản phẩm và xác định đúng bề dày của một lớp. Bộ phận đỡ sản phẩm sẽ dịch xuống đúng bằng chiều dày của một lớp và quá trình được lặp lại cho đến khi hoàn thành sản phẩm. c. Ưu và nhược điểm của phương pháp SGC. Ưu điểm: -Hệ thống xử lý song song: quá trình tạo mẫu và xử lý tinh xảy ra song song do đó tiết kiệm thời gian từ 25-50%, giảm ứng suất bên trong và độ cong vênh sản phẩm. -Không cần thiết kế kết cấu hỗ trợ . -Đặc tính sản phẩm đồng nhất. -Có thể chế tạo cùng lúc nhiều sản phẩm. Nhược điểm: -Giá thành hơi cao, thiết bị làm việc hơi ồn. -Vật liệu sử dụng bị hạn chế. -Phải qua giai đoạn hậu xử lý. -Chi phí vận hành và bảo trì cao. -Phải lấy sáp ra khỏi sản phẩm khi chế tạo xong. d. Các lĩnh vực ứng của phương pháp SGC: các ứng dụngcủa GSC được chia Ñeøn thuûy thành bốn vùng sau: ngaân -Trong những ứng dụng chung như: kiểm tra kỹ thuật, phân tích chức năng, trưng bày sản phẩm, nghiên cứu thị trường… -Tạo mẫu đúc và tạocông cụ: đúc khuôn mẫu chảy, phaän laømcát, sản xuất tự do công Maët naï Boä đúc khuôn cụ nhanh bằng vật liệu nhựa. saïch -Tạo khuôn và công cụ: tạo công cụ bằng vật liệu Silicon-Rubber, epoxy, phun kim loại, Saùp dö acrylic, khuôn đúc thạch cao. -Ứng dụng trong y học: chuẩn đoán, phẫu thuật, thiết kế các bộ phận giả thay thế Ñaàu phay Taám baûo veä Chaát loûng polyme Saùp Ñeá Công nghệ tạo mẫu nhanh 10 Nguyeân lyù gia coâng treân cô sôû khoái (SGC).
  11. Các phương pháp gia công tiên tiến Công nghệ tạo mẫu nhanh 11
  12. Các phương pháp gia công tiên tiến II.2. TẠO MẪU NHANH DỰA TRÊN CƠ SỞ KHỐI : II.2.1. Khái niệm chung : Công nghệ tạo mẫu nhanh 12
  13. Các phương pháp gia công tiên tiến Ngoại trừ các vật liệu dạng bột, các hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu cơ bản dạng khối có lien quan đến tất cả các hình thức vật liệu dạng khối bao gồm các dạng: dây, cuộn, dát mỏng và dạng viên. Một số phương pháp tạo mẫu nhanh tượng trưng cho phương pháp này: 1. Thiết bị chế tạo vật iệu từng lớp mỏng (LOM). 2. Thiết bị mẫu làm nóng chảy của Stratasy (FDM). 3. Thiết bị dập nóng và chọc chất kết dính của KiRa. 4. Thiết bị tạo mẫu nhanh của Kenergy. 5. Thiết bị tạo mẫu 3D của Multi-Jet. 6. Thiết bị tạo mẫu nhanh của IBM. 7. Thiết bị tạo mẫu cát của công ty Model Maker MM-6B. 8. Sparx AB’S Hot Plot. 9. Tạo mẫu không gian giới hạn của Laser CAMM. II.2.2. Phương pháp tạo mẫu nhanh Laminate Object Manufacturing (LOM ). Công nghệ tạo mẫu LOM được phát minh bởi Michael Feygin vào năm 1985 và được tung ra thị trường bởi công ty Helisy. a . Nguyên lý làm việc của quá trình LOM : Được thể hiện trên hình vẽ bên dưới. Đầu tiên, thiết bị nâng (đế) ở vị trí cao nhất cách con lăn nhiệt một khoảng bằng đúng độ dày của lớp vật liệu, tiếp theo con lăn nhiệt sẽ cán lớp vật liệu này, dưới bề mặt của vật liệu có chất kết dính mà khi được ép và gia nhiệt bởi trục lăn nó sẽ giúp lớp này liên kết với lớp trước. Hệ thống quang học sẽ đưa tia laser đến để cắt vật liệu theo hình dạng hình học của mô hình đã tạo từ CAD. Vật liệu được cắt bởi tia laser theo đường viền của mặt cắt lát. Phần vật liệu dư sẽ được thu hồi bằng con lăn hồi liệu. Sau đó đế hạ xuống cấu nâng hạ xuống thấp và vật liệu mới được nạp vào, cơ cấu lại nâng lên chậm đến vị trí thấp hơn chiều cao trước đó, trục cán sẽ tạo liên kết giữa lớp thứ hai với lớp thứ bằng đúng chiều dày lớp vật liệu kế tiếp Chu kỳ này được lặp lại cho đến khi kết thúc. Những vật liệu dư đóng vai trò như cơ cấu phụ trợ để đỡ cho chi tiết. Vật liệu dư này cũng được cắt thành những đường ngang dọc (cross-hatch). Những đường giao tuyến song song này làm bong những vật liệu dư để nó được lấy đi dễ dàng sau khi chế tạo Sau đó, bề mặt của chi tiết có thể được đánh bóng, xi mạ, hoặc sơn phủ theo yêu cầu. b. Vật liệu: Theo nguyên tắc tất cả các vật liệu dạng tấm đều có thể sử dụng cho hệ thống LOM. Nhưng thông thường LOM sử dụng nhiều nhất là giấy, plastic, gốm và vật liệu composite. Công nghệ tạo mẫu nhanh 13
  14. Các phương pháp gia công tiên tiến Nguyên lý quá trình tạo mẫu LOM. Công nghệ tạo mẫu nhanh 14
  15. Các phương pháp gia công tiên tiến Hình 3: Máy tạo mẫu LOM c. Tấm mỏng (tấm kim loại): Chúng ta có thể kết hợp những tấm kim loại mỏng thành những tấm dày hay mỏng, cùng hay khác vật liệu trong một chi tiết. một lợi điểm của phương pháp sử dụng tấm mỏng là chi tiêt chỉ bị cắt chu vi, trong khi hầu hết các phương pháp khác toàn bộ diện tích của chi tiết phải được gia công. Do đó, kỹ thuật tấm mỏng có khả năng cho tốc độ sản xuất cao.  Kết dính giữa các tấm: - Một lớp phủ polyme được sử dụng để kết dính các tấm lại với nhau bằng cách tăng dần nhiệt độ. - Một phương pháp khác được đề nghị là việc sử dụng những từ trường, vật liệu từ tính có thể sử dụng như vật liệu tấm. từ tính sẽ kết dính các tấm với nhau, quá trình kết dính không phụ thuộc vào nhiệt độ và những lớp phủ. - Một giải pháp khác là sử dụng những tấm phẳng để chúng tự kết dính với nhau. Một phương pháp ít phổ biến hơn dùng rung động. rung động có thể chứng minh việc chế tạo trực tiếp những chi tiết kim loại kế tiếp bằng việc tạo mẫu tự do. d. Một số đặc điểm kỹ thuật của LOM: Công nghệ tạo mẫu nhanh 15
  16. Các phương pháp gia công tiên tiến  -LOM-1015 và LOM-2030 đều dùng laser CO2,  LOM-1015 hoạt động ở công suất 25W và LOM-2030 là 50W. Bảng tóm tắt đặc điểm kỹ thuật: LOM-1015 LOM-2030 Quaù trình Caùn vaø caét laser Loaïi laser CO2 CO2 Coâng suaát laser (W) 25 50 Kích thöôùc veát (mm) 0,25-0,35 0,203-0,254 Toác ñoä caét theo XY (m/s) 0,38 0,61 Ñoä chính xaùc (mm) ± 0,25 ± 0,25 Loaïi vaät lieäu taám Chieàu daøy vaät lieäu taám Giaáy vaø nhöõng vaät lieäu khaùc ñöôïc phuû chaát (mm) keát dính Quy trình caùn 0,05-0,38 0,05-0,38 Kích thöôùc laøm vieäc (mm) Eùp con laên nhieät Chieàu daøy lôùp nhoû 380x 250x 350 810x 550x 500 nhaát (mm) Kích thöôùc maùy (m) 0,05 0,05 Heä thoáng ñieàu khieån döõ 1,2 x 0,99x 1,27 2,08x 1,47x 1,42 lieäu Nguoàn ñieän Maùy 486, MS Window NT, MS-DOS vaø LOMSlice Giaù (USD, naêm 1996) 140.000 272.000 e. Một số ưu nhược điểm của phương pháp LOM. Ưu điểm. -Vật liệu đa dạng, rẻ tiền. Về nguyên tắc có thể sử dụng các loại vật liệu: giấy, chất dẻo, kim loại, composites và gốm. - Độ chính xác cao đạt được tốt hơn 0,25 mm. Bằng việc cắt vật liệu thay vì hóa rắn nó, hệ thống có thể bảo vệ được những đặc tính ban đầu của vật liệu. - Tốc độ cao, nhanh hơn các phương pháp tạo lớp khác bởi vì tia laser không cắt toàn bộ diện tích mà chỉ quét theo chu vi bên ngoài. Do đó, vật liệu dày và mỏng có tốc độ cắt bằng nhau. - Không có sự thay đổi pha trong quá trình chế tạo chi tiết nên tránh được độ co rút của vật liệu. - Không độc hại và ô nhiễm môi trường. -Hệ thống đơn giản gọn nhẹ. -Tạo ra những mẫu phức tạp, giảm chi phí và thời gian tạo mẫu. Nhược điểm. - Không thu hồi được vật liệu dư. Sự cong vênh của chi tiết thường là vấn đề chính của phương pháp LOM. - Lấy sản phẩm ra khỏi kết cấu hỗ trợ khó khăn. - Độ bóng bề mặt không cao. Công nghệ tạo mẫu nhanh 16
  17. Các phương pháp gia công tiên tiến - Giá thành thiết bị khá đắc. - Quá trình chuẩn bị và gia công rất tốn thời gian. II.3. TẠO MẪU NHANH DỰA TRÊN CƠ SỞ DẠNG BỘT : II.3.1. Khái niệm chung: 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. một số phương pháp tạo mẫu nhanh tượng trưng: 1. Thiết bị in laser của DTM (SLS). 2. Thiết bị sản xuất khuôn đúc trực tiếp của Soligen (DSPC). 3. Thiết bị xử lý hoá cứng nhiều giai đoạn của Fraunhofer (MJS). 4. Hệ thống các thiết bị Eosint của EOS. 5. Thiết bị sản xuất công nghệ đường đạn đạo (BPM). 6. Thiết bị sản xuất in 3d của mit (3DP). Phương pháp này không có tính đồng nhất trong các hệ thống, thể hiện bằng việc một số sử dụng tia laser, trong khi đó một số khác lại sử dụng chất kết dính/keo để đạt mức độ lien kết. II.3.2. Phương pháp thêu kết laser: II.3.2.A. Thiêu kết vật liệu phi kim loại: Thay vì chất lỏng polymer, bột của những vật lieu khác nhau được phunn lên khắp tấm đỡ (platform) bởi trục lăn. Laser sẽ gia nhiệt những vùng hạt để làm nóng chảy các hạt đó, sau đó làm rắn lại. không giống như các phương pháp đã đề cặp ở trên, chỉ có một pha chuyển tiếp, trong quá trình tạo vật thể từ vật liệu dạng bột (sintering) ở đây có 2 pha: từ rắn chuyển sang lỏng rồi lại trở về rắn. A.1. Phương pháp thiêu kết laser chọn lọc SLS (Selective Laser Sintering) Phương pháp này được phát minh bởi Carl Deckard vào năm 1986 ở trường đại học Texas và được bằng sáng chế 1989, được đưa ra thị trường bởi tập đoàn DTM (được thành lập 1987). Thiết bị đầu tiên được thương mại hoá vào 1992. Đây là một trong những phương pháp đầu tiên và được công nhận sau SLA. Phương pháp này cũng dựa trên quá trình chế tạo từng lớp nhưng chất polymer lỏng được thay bằng vật liệu bột. a.Nguyên lý làm việc: Phương pháp SLS sử dụng tính chất của vật liệu bột là có thể hóa rắn dưới tác dụng của nhiệt (như nylon, elastomer, kim loại). Một lớp mỏng của bột nguyên liệu được trải trên bề mặt của xy lanh công tác bằng một trống định mức. Sau đó, tia laser hóa rắn (kết tinh) phần bột nằm trong đường biên của mặt cắt (không thực sự làm chảy chất bột), làm cho chúng dính chặt ở những chỗ có bề mặt tiếp xúc. Trong một số trường hợp, quá trình nung chảy hoàn toàn hạt bột vật liệu được áp dụng. Quá trình kết tinh có thể được điều khiển tương tự như quá trình polymer hoá trong phương pháp tạo hình lập thể SLA. Sau đó xy lanh hạ xuống một khoảng cách bằng độ dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu được đưa vào và quá trình được lặp lại cho đến khi chi tiết được hoàn thành. Trong quá trình chế tạo, những phần vật liệu không nằm trong đường bao mặt cắt sẽ được lấy ra sau khi hoàn thành chi tiết, và được xem như bộ phận phụ trợ để cho lớp mới Công nghệ tạo mẫu nhanh 17
  18. Các phương pháp gia công tiên tiến được xây dựng. Điều này có thể làm giảm thời gian chế tạo chi tiết khi dùng phương pháp này. Phương pháp SLS có thể được áp dụng với nhiều loại vật liệu khác nhau: Policabonate, PVC, ABS, nylon, sáp,… Những chi tiết được chế tạo bằng phương pháp SLS tương đối nhám và có những lỗ hỗng nhỏ trên bề mặt nên cần phải xử lý sau khi chế tạo (xử lý tinh). Nguyên lý gia công SLS. b. Vật liệu sử dụng: Polycacbonate (PC), nylon, sáp, bột kim loại (copper polyamide, rapid steel), bột gốm (ceramic), glass filled nylon, vật liệu đàn hồi (elastomer). A. 2. Quá trình tạo mẫu: Sản phẩm được chia thành các lát cắt từ file định dạng” .STL” tạo một lớp bằng cách trải các lớp bột, thiêu kết bằng nguồn laser CO2 theo các bước sau: Bước 1: Một lớp vật liệu bột nóng chảy được đặt vào buồng chứa sản phẩm Bước 2: Lớp vật liệu bột đầu tiên được quét bằng tia laser CO2 và đông đặc lại. Vật liệu bột không được xử lý sẽ được đưa trở về thùng chứa liệu. Bước 3: Khi lớp thứ nhất đã hoàn thành thì lớp vật liệu bột thứ hai được cấp vào thông qua con lăn cơ khí chuẩn bị cho quá trình quét lớp thứ hai. Bước 4: Bước hai và bước ba được lặp lại cho đến khi sản phẩm được hoàn thành. Sau khi quá trình kết thúc, sản phẩm được lấy ra khỏi buồng xử lý và có thể qua giai đoạn hậu xử lý hoặc đánh bóng lại như phun cát tùy từng ứng dụng của sản phẩm. Công nghệ tạo mẫu nhanh 18
  19. Các phương pháp gia công tiên tiến Máy Sinterstation 2500plus Máy Sinterstation HiQ SLS Ưu điểm: - Số lượng vật liệu đưa vào quá trình cao (Hight Through-put) giúp cho quá trình tạo mẫu nhanh chóng. - Vật liệu đa dạng, không đắt tiền. - Vật liệu an toàn. - Không cần cơ cấu hỗ trợ (Support). - Giảm sự bóp méo do ứng suất. - Giảm các giai đoạn của quá trình hậu xử lý như chỉ cần phun cát. - Không cần xử lý tinh (Post-curing). - Chế tạo cùng lúc nhiều chi tiết. Nhược điểm: - Độ bóng bề mặt thô. - Chi tiết ở trạng thái rỗ. - Lớp đầu tiên có thể đòi hỏi một đế tựa để giảm ảnh hưởng nhiệt (như uốn quăn). - Mật độ chi tiết không đồng nhất. - Thay đổi vật liệu cần phải làm sạch máy kỹ càng Công nghệ tạo mẫu nhanh 19
  20. Các phương pháp gia công tiên tiến Một số sản phẩm từ phương pháp thiêu kết laser: DuraForm Somos 201 Công nghệ tạo mẫu nhanh 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản