Công nghệ tạo mẫu nhanh – Rapid Prototyping

Trước những đòi hỏi về hiệu quả sản xuất, người ta đã nghiên cứu ra những phương pháp tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping ) với nhiều công nghệ và thiết bị khác nhau.  Đặc biệt, in 3D là công nghệ tạo mẫu nhanh tiên tiến mới mẻ và có sức bùng nổ nhất trong số các phương pháp chế tạo sản phẩm nhanh hiện nay.

Tạo mẫu nhanh nghĩa là: Tạo ra chi tiết/sản phẩm nhanh chóng và rẻ nhất có thể mà vẫn đảm bảo đủ/đúng yêu cầu kiểu dáng và chức năng hoạt động (thử nghiệm hoặc sử dụng thực tế)
Tạo mẫu nhanh nghĩa là: Tạo ra chi tiết/sản phẩm nhanh chóng và rẻ nhất có thể mà vẫn đảm bảo đủ/đúng yêu cầu kiểu dáng và chức năng hoạt động (thử nghiệm hoặc sử dụng thực tế)

Tạo mẫu nhanh là gì?

Tạo mẫu nhanh (Rapid prototyping) là phương pháp gia công đơn chiếc thông qua các máy công cụ tự động ( CNC, 3DPrinter,..) Cần phải nhấn mạnh tính “đơn chiếc” để phân biệt với sản xuất hàng loạt với nhiều nguyên công riêng lẻ. Tạo mẫu nhanh có thể được thực hiện bằng cách cắt gọt hoặc bồi đắp vật liệu để thành hình hài vật thể. Tạo mẫu nhanh còn được biết đến với những cái tên khác như: chế tạo khối rắn dạng tự do (Solid free-form manufaturing), sản xuất tự động hóa (Automated manufacturing), hay là sản xuất theo lớp (Layer manufacturing)… Tạo mẫu nhanh được áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực từ sản xuất, y tế,  giáo dục cho đến giải trí…

Tạo mẫu bằng máy CNC

Máy CNC (computer numerical controlled) là những công cụ gia công hết sức tinh xảo, cứng cững, độ chính xác cao. Ta có thể bắt gặp CNC dưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nước có hạt mài, máy đột rập và nhiều công cụ công nghiệp khác.

Máy phay CNC
Máy phay CNC
Cấu trúc tổng thể máy CNC
Cấu trúc tổng thể máy CNC
Máy cắt tia nước
Máy cắt tia nước

Tạo khuôn nhanh (Rapid tooling)

Là bước phát triển mới của CAD (Computer Aided Design). Nếu có thiết bị tạo mẫu nhanh (thiết bị RPT) nối ghép với máy tính thì từ những hình thể 3D được thiết kế và mô tả trên màn hình có thể nhanh chóng tạo ra vật thể 3 chiều thực, sờ thấy được, trên thiết bị RPT. Cho nên người ta còn gọi thiết bị RPT là “máy in 3 chiều” (Three dimension printer).

Tạo mẫu bằng máy in 3D

IN 3D là phương pháp đắp từng lớp vật liệu tương ứng với mô hình 3D CAD thông qua các máy in 3D. Để thực hiện quy trình đó, dữ liệu thiết kế được xử lý và chuyển về dạng lưới tam giác STL ( Stereolithography),rồi phần mềm chuyên dụng đi kèm theo máy in 3D sẽ chia mô hình thành các lớp phục vụ cho quá trình tạo mẫu.

Tạo mẫu nhanh, Rapid prototyping , 3d-printing-process
Máy in 3D một công cụ tạo mẫu nhanh hiệu quả số 1

Theo dự báo của Hiệp hội tạo mẫu nhanh thế giới, đến năm 2020, công nghệ tạo mẫu nhanh FDM sẽ là 1 trong 10 công nghệ quan trọng trên thế giới .

Đặc điểm của phần lớn các phương pháp PRT là chế tạo ra các mẫu bằng cách đắp thêm vật liệu theo từng lớp. Muốn vậy phải cắt mô hình 3D đã thiết kế bằng CAD ra thành các lớp có chiều dày xác định. Để cho thuận tiện, trước khi cắt lớp, người ta chuyển mô hình 3D sang dạng tệp đặc biệt, ví dụ tệp STL.

dich-vu-in-3D-gia-re-chai-nhua-chi-tiet-may-hcmCho đến nay có hàng chục phương pháp RPT phụ thuộc vào khả năng tạo lớp của vật liệu được sử dụng. Dưới đây trình bày sơ lược về bản chất của một số phương pháp thông dụng:

Phương pháp SLA (Stereo lithography apparatus) tạo ra các mẫu từ vật liệu cao su bắt sáng (photocurable resin) lỏng.  Khi nguồn laser, được điều khiển theo tín hiệu của máy tính, quét phủ mặt cắt ngang của mô hình 3D làm hoá cứng một lớp. Sau đó thùng đựng cao su lỏng hạ xuống một nấc và cứ thế dần dần sẽ hình thành mẫu theo từng lớp một

Phương pháp SGC (Solid Ground Curing) cũng là phương pháp làm khô cứng từng lớp. Khác với SLA, ở đây không sử dụng nguồn laser điểm mà dùng chùm ánh sáng cực tím chiếu lên toàn bề mặt, đã được che chắn qua một mặt nạ (mask). Phần vật liệu hở sáng sẽ đông cứng thành một lớp. Mặt nạ là một tấm phim âm bản của tiết diện được cắt.

Phương pháp LOM (Laminated Object Manufacturing) dùng vật liệu dạng tấm có phủ keo dính (chủ yếu là giấy nhưng cũng có thể dùng tấm nhựa, tấm kim loại v.v.). Nguồn Laser tạo ra từng lớp mặt cắt bằng cách cắt tấm vật liệu theo đường biên của mặt cắt vật thể. Các lớp mặt cắt được dán lần lượt chồng lên nhau nhờ hệ thống con lăn gia nhiệt

Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering) là phương pháp thiêu kết bằng tia Laser. Sau khi con lăn trải ra trên mặt bàn công tác một lớp bột với chiều dày đã định trước, nguồn Laser sẽ quét phủ trên bề mặt cần tạo lớp. ở vùng đó các hạt vật liệu sẽ dính kết vào nhau tạo thành một lớp. Mỗi bước di chuyển thẳng đứng của hệ thống thiết bị sẽ hình thành ra lớp tiếp theo.
Phương pháp 3D Printing hoạt động theo nguyên tắc in “phun mực”. Một loại mực keo đặc biệt được phun lên lớp bột nhựa đã được trải phẳng và hoá cứng. Như thế là chúng đã tạo ra một lớp và từng lớp dần dần tạo ra vật thể.

Phương pháp in 3D FDM (Fused Deposition Manufacturing) dùng vật liệu dạng dây dễ chảy, ví dụ nhựa in 3D ABS, PLA. Như mô tả trên hình 4, sợi dây qua đầu gia nhiệt sẽ hoá dẻo và được trải lên mặt nền theo đúng biên dạng mặt cắt của mẫu, theo từng lớp có chiều dày bằng chiều dày lớp cắt. Nhựa dẻo sẽ liên kết theo từng lớp cho đến khi tạo xong mẫu.

Phương pháp FDM (Fused Deposition Manufacturing)

Trên đây giới thiệu một số phương pháp điển hình trong công nghệ tạo mẫu nhanh sử dụng các dạng vật liệu khác nhau (lỏng, bột, tấm, dây) với những đặc tính khác nhau. Cái chung là đều xử lý qua từng lớp một. Các việc cắt lớp, tạo lớp và đo lớp đều không đơn giản và có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác tạo hình. Vì thế đòi hỏi thiết bị phải có độ chính xác cao, nên rất đắt tiền. Ngoài ra cần có chương trình phần mềm đủ mạnh, ví dụ, để xử lý ngay thông tin cập nhật về độ dày của lớp vật liệu vừa tạo ra và sau khi co ngót so với độ dày danh nghĩa khi phân lớp trên máy tính. Thuận tiện hơn là kiểm tra định kỳ độ cao của vật thể sau khi hoàn thành thao tác được một số lớp vật liệu.

Tạo mẫu nhanh là một ý tưởng rất thiết thực phục vụ cho việc rút ngắn chu kỳ ra đời của một sản phẩm và đã đem lại hiệu quả kinh tế không nhỏ ở những nơi biết khai thác đúng bản chất của công nghệ này một cách linh hoạt.

Ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh – in 3D

 

Thực chất đây là công nghệ tạo lớp tuỳ theo các đặc điểm của vật liệu và dạng hình học của vật thể. Sai số tạo hình không những phụ thuộc vào cách cắt lớp, độ dày phân lớp, mức di chuyển tạo độ dày từng lớp, mà quan trọng hơn là phần mềm xử lý khi được cập nhật thông tin về độ dày thực tế. Vì vậy việc nâng cao độ chính xác tạo hình vẫn được quan tâm nhiều nhất. Ở Việt Nam, bạn có thể tìm tới dịch vụ in 3D.

 

5/5 - (4 votes)
Bạn cũng có thể thích
Subscribe
Notify of
guest

1 Comment
most voted
newest oldest
Inline Feedbacks
View all comments