Công nghệ tạo mẫu nhanh

1/ Công nghệ tạo mẫu nhanh là gì?

Khi phát triển một sản phẩm mới, lúc nào cũng vậy, có một nhu cầu là chế tạo một mẫu đầu tiên (prototype) của bộ phận hay hệ thống được thiết kế trước khi cấp một lượng vốn lớn cho các phương tiện sản xuất hoặc dây chuyền lắp ráp. Lý do chính cho nhu cầu này là chi phí quá cao và tốn nhiều thời gian chuẩn bị công cụ sản xuất. Vì vậy, việc tạo mẫu là cần thiết để xử lý sự cố và đánh giá thiết kế trước khi một hệ thống phức tạp sẵn sàng sản xuất và tung ra thị trường.

Một quá trình giúp cho nhà sản xuất đẩy mạnh việc phát triển sản phẩm là tạo mẫu nhanh – Rapid Prototyping (RP).

Tạo mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu sản phẩm giúp cho nhà sản xuất quan sát nhanh chóng sản phẩm cuối cùng.

Tạo mẫu nhanh là công nghệ thiết kế mẫu tự động nhờ quá trình CAD với những “máy in ba chiều” cho phép người thiết kế nhanh chóng tạo ra những mẫu hữu hình, truyền ý tưởng thiết kế của họ đến công nhân hoặc khách hàng, ngoài ra tạo mẫu nhanh còn được sử dụng để thiết thử những sản phẩm mới.

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. Công nghệ tạo mẫu nhanh bắt đầu từ giữa thập niên 80. Đặc điểm của tạo mẫu nhanh là :

  • Thực hiện việc tạo mẫu trong thời gian rất ngắn, đây chính là điểm mạnh của phương pháp này.
  • Sản phẩm của tạo mẫu nhanh là có thể dùng để kiểm tra các mẫu được sản xuất bằng các phương pháp khác.
  • Mẫu tạo ra có thể hỗ trợ cho quá trình sản xuất

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.

2/ Nền tảng của quá trình tạo mẫu nhanh

2.1/ 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 là, 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.

2.2/ Mô hình dạng khối hay mô hình bề mặt được chuyển sang định dạng “. STL”

“STL” (Stereo Lithography) là các file dữ liệu mà các file này là 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.

2.3/ Máy tính phân tích file .STL

Việc phân tích này 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. 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, …

Các ứng dụng

Hầu hết tất cả các sản phẩm được tạo ra bằng phương pháp tạo mẫu nhanh cần phải được chỉnh sửa hay gia công tinh lại trước khi đưa vào sử dụng. Các ứng dụng có thể phân thành từng nhóm: Thiết kế, phân tích kỹ thuật và lập kế hoạch, tạo công cụ và sản xuất .

sơ đồ tạo mẫu nhanh
Hình : Sơ đồ công nghệ tạo mẫu nhanh

Công nghệ tạo mẫu nhanh đã đem lợi nhuận khổng lồ trong các lĩnh vực như sản phẩm của các ngành: cơ khí, vũ trụ không gian, ôtô, y-sinh học, điện-điện tử, công nghiệp da giày, thời trang, kim hoàn, sản phẩm tiêu dùng,…

3/ Ưu nhược điểm của công nghệ tạo mẫu nhanh

3.1/ Ưu điểm

Cải tiến quá trình vì:

  • Sự lặp lại thiết kế làm giảm thời gian và những vấn đề khó được phát hiện.
  • Kiểm tra trước việc lắp ráp và chỉnh sửa mẫu.
  • Kiểm tra trước ứng suất và độ bền sản phẩm.

Cải tiến chất lượng sản phẩm bởi vì:

  • Dễ dàng lập kế hoạch trước.
  • Những vấn đề khó được loại trừ trong suốt giai đoạn thiết kế-chế tạo.
  • Hình dung ra sản phẩm tốt hơn so với bản vẽ.

Cải tiến khả năng sản xuất bởi vì:

  • Khắc phục những lỗi trước khi vào dây chuyền sản xuất hay tế bào sản xuất
  • Khuôn có khả năng dẫn nhiệt cao
  • Những kênh nước làm mát khuôn được chế tạo trong máy RP

Cải tiến thị trường bởi vì:

  • Sản phẩm được đưa ra thị trường sớm hơn và đáng tin cậy hơn
  • Dự đoán được nhu cầu thị trường một cách thực tế hơn
  • Tài liệu và những nguyên vật liệu được chuẩn bị trước

3.2/ Nhược điểm

  • Giá thành cao
  • Hiện tại chưa sản xuất trực tiếp khuôn kim loại được
  • Độ chính xác thấp, đặc tính vật lý thấp
  • Mật độ phân tử kim loại sau gia công thấp, độ bóng bề mặt không cao
  • Ứng suất sản phẩm chưa đo được, mức độ đàn hồi giới hạn.

3.3/ Những lợi nhuận và rủi ro của RP

Tạo mẫu nhanh và công cụ nhanh đem đến lợi nhuận rất lớn cho cả nhà thiết kế, chế tạo, cả người mua và sử dụng sản phẩm. Tuy nhiên những rủi ro do nó mang lại cũng rất cao bởi vì kỹ thuật này vẫn còn đang nghiên cứu và phát triển.

4/ So sách các phương pháp tạo mẫu nhanh

Đặc trưng các phương pháp tạo mẫu nhanh : SLA, SLS, LOM, FDM, SGC, Actua có thể minh họa trên bảng sau:

Đặc trưng các phương pháp tạo mẫu nhanh
Đặc trưng các phương pháp tạo mẫu nhanh

 

Kết luận về phương pháp tạo mẫu nhanh

  • Nếu so sánh trung bình về kích thước thì thiết bị Thermojet có giá thành rẻ nhất và thiết bị SLS là đắt nhất
  • Độ chính xác đạt được cao nhất là SLA, thấp nhất là SGC
  • Qua bảng so sánh trên, khi sản xuất cùng một chi tiết trên các loại máy khác nhau ta thấy rằng chi phí cho chi tiết gia công bằng công nghệ SLA là thấp nhất, cao nhất là SLS trên cùng 1 số chỉ tiêu và thông số kỹ thuật đặt ra.
  • Nhìn chung ta có thể thấy rằng nếu tính đến chi phí đầu tư cũng như các công dụng và ưu nhược điểm thì công nghệ SLA có nhiều ưu điểm và được dùng phổ biến 2115 thiết bị, chiếm 31% trên thế giới.

Bài viết liên quan

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.