Tạo mẫu nhanh bằng phương pháp SLA (Stereo Lithography Aparatus)

Phương pháp SLA (Stereo Lithography Aparatus) được phát minh tại Mỹ vào năm 1984. Năm 1986 Charles W. Hull thành lập công ty 3D SYSTEMS và ông là một trong những người đầu tiên phát minh ra hệ thống tạo mẫu lập thể 3D và được cấp bằng sáng chế vào năm 1986. Trong số các hệ thống tạo mẫu nhanh đã được thương mại hoá thì hệ thống thiết tạo mẫu lập thể hay còn gọi là phương pháp tạo mẫu nhanh SLA là tiên phong được đưa ra thị trường 1988. Năm 1991 hãng 3D SYSTEMS chiếm 90% thị phần.

Kiểu máy có sẵn và thường được sử dụng như là: SLA-190, SLA -250, SLA-350, SLA- 500, SLA-3500, SLA-5000, SLA-7000, Viper si2, Viper Pro.

Model SLA và kích thước buồng công tác
Model SLA và kích thước buồng công tác

1/ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Phương pháp SLA dựa vào nguyên tắc đông cứng vật liệu lỏng photopolymer thành một hình dạng rõ ràng khi nó được chiếu bởi một chùm tia laser cường độ cao. Có thể sử dụng laser He-Cd với bước sóng 325nm hoặc laser rắn Nd: YVO4 với bước sóng 354,7nm.

1.1/ Cấu tạo hệ thống

  • Một thùng chứa đầy dung dịch lỏng photopolymer.
  • Trong thùng có một bệ đỡ (bàn gá) có thể nâng hạ được
  • Chất lỏng là hỗn hợp của các monome acrylic, các oligome và một photoinitiator (nhựa quang hóa).
  • Hệ thống nguồn Laser (He-Cd Laser).
  • Hệ thấu kính và gương phản xạ.
  • Hệ thống dao gạt dùng gạt nhựa trên tấm để tạo ra 1 lớp nhựa đồng đều.

Khi bệ đỡ ở vị trí cao nhất (ở độ sâu a) thì trên tấm là một lớp chất lỏng cạn. Máy phát laser phát ra chùm tia cực tím tập trung trên một diện tích của dung dịch photopolymer và di chuyển theo hướng X-Y. Chùm tia cực tím làm đông hết phần dung dịch được chiếu sáng và hình thành nên một khối đặc. Bệ đỡ được hạ xuống một lượng vừa đủ để một lượng chất lỏng phủ lên phần polyme đã đông đặc và quá trình được lặp lại. Quá trình tiếp diễn cho đến khi đạt được mức b. Lúc này ta đã tạo nên một chi tiết hình trụ có bề dày không đổi. Chú ý rằng lúc này bệ đỡ đã di chuyển theo phương thẳng đứng một lượng ab.

Tại mức b, chuyển động theo phương X-Y của chùm tia rộng hơn, vì thế ta tạo được một mặt bằng phẳng như mặt bích bên trên phần đã tạo từ trước. Sau khi đạt được bề dày thích hợp, quá trình được tiếp tục để tạo nên phần hình trụ giữa mức b và c. Chú ý rằng phần dung dịch xung quanh vẫn đang ở trạng thái lỏng vì nó không bị đông kết bởi tia cực tím và chi tiết được tạo thành từ đáy lên trên theo từng “lát” riêng biệt có chiều dày từ 0,05 – 0,2mm. Các lát này liên kết lại với nhau thành khối. Phần chất lỏng không bị đông kết có thể được sử dụng lại để tạo chi tiết khác trong quá trình tạo mẫu khác.

 

Sơ đồ nguyên lý SLA
Sơ đồ nguyên lý SLA

 

Thông số sản phẩm khi chế tạo bằng SLA
Thông số sản phẩm khi chế tạo bằng SLA

 

Bởi vì chi tiết được tạo thành trong môi trường chất lỏng và bên trong vật thể còn chứa chất lỏng polyme, do đó cần phải thêm các kết cấu trợ giúp (supports) 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 polymer sao chụp rắn lại và thời gian để lớp cuối cùng rắn lại). Quá trình tạo mẫu nói trên được thực hiện qua các giai đoạn.

Sau khi lấy chi tiết ra khỏi hệ thống SLA, chi tiết phải trải qua một loạt các quá trình hậu xử lý (post-processing). Đầu tiên, những chất polymer dư ra được làm sạch hết. Những chi tiết được làm sạch bằng những phương pháp chuẩn để bỏ đi những chất nhựa dư với: Tri-propylene Glycol Monomethyl Ether, rửa bằng nước, sau cùng rửa bằng iso-propyl alcohol, và chi tiết được làm khô trong không khí. Do tia laser không cung cấp đủ năng lượng để xử lý hoàn toàn chi tiết, nên ở quá trình xử lý tinh chi tiết được thực hiện bằng thiết bị xử lý tinh PCA (Post-Curing Apparatus). PCA là một buồng với một bàn quay và những bóng đèn chiếu tia tử ngoại. Thông thường, người ta đặt chi tiết trong PCA khoảng từ 30 phút đến một giờ. Chi tiết sẵn sàng để lấy ra khỏi cơ cấu phụ trợ và để xử lý bề mặt như: đánh bóng, mạ phủ,… nếu có yêu cầu.

1.2/ Phần mềm được sử dụng trong các hệ thống SLA là MeastroTM bao gồm một số môđun sau

Môđun kiểm tra (3D verifyTM Module): Môđun này cho phép đọc file .STL và chỉnh sửa trực tiếp mà không cần phải trở về phần mềm thiết kế CAD 3D ban đầu.

Môđun quan sát (ViewTM Module): Module có thể hiển thị file .STL và file .SLI (Slice File) dưới dạng đồ hoạ. Chức năng quan sát được dùng để kiểm tra trực quan và định hướng các dữ liệu này sao cho tối ưu hoá quá trình tạo mẫu.

Môđun kết hợp (Merge Module): Module này kết hợp tất cả các files . SLI thành một file thống nhất chuẩn bị cho quá trình tạo mẫu

Môđun hỗ trợ (VistaTM Module): Module này công cụ mạnh của phần mềm. Nó tự động thiết kế thêm các kết cấu hổ trợ (supports) sản phẩm khi sản phẩm ở trạng thái lơ lửng trong khối chất lỏng trong suốt quá trình tạo mẫu.

Môđun quản lý sản phẩm (Part ManagerTM Module): Đây giai đoạn đầu tiên của quá trình chuẩn bị tạo mẫu. Môđun này chuyển các file .STL sang dạng bảng (spreadsheet).

Môđun tạo lớp (SliceTM Module): Đây giai đoạn thứ hai của quá trình chuẩn bị tạo mẫu. Nó chuyển đổi các thông tin dưới dạng bảng từ Part ManagerTM Module sang dạng mô hình là những lớp mỏng

Môđun tạo mẫu (ConvergeTM Module): Đây giai đoạn thứ ba và cuối cùng của quá trình chuẩn bị tạo mẫu. Module này tạo ra file dữ liệu cuối cùng và được sử dụng bởi các thiết bị tạo mẫu SLA.

2/ Ưu và nhược điểm của phương pháp SLA

2.2/ Ưu điểm

  • Hệ thống cứng vững và hoàn toàn tự động
  • Độ chính xác kích thước cao. Dung sai kích thước điển hình khoảng 0,0125mm.
  • Độ bóng bề mặt tốt.
  • Độ phân giải cao phù hợp với các chi tiết phức tạp.
  • Với sự hỗ trợ của phần mềm MeastroTM cho phép tạo mẫu cho quá trình đúc khuôn kim loại nhanh chóng và chính xác.

2.3/ Nhược điểm

  • Sản phẩm bị cong vênh.
  • Giá thành hơi cao, vật liệu sử dụng bị hạn chế.
  • Phải qua giai đoạn hậu xử lý, chi phí vận hành và bảo trì cao.

 

3/ Các lĩnh vực ứng của phương pháp SLA

  • Tạo mô hình từ ý tưởng, tạo mô hình chính xác, tạo công cụ mẫu.
  • Tạo mẫu phục vụ cho quá trình đúc khuôn kim loại, khuôn cát và tạo khuôn.

4/ Hướng nghiên cứu và phát triển

3D Systems và Ciba-Geigy đang hợp tác nghiên cứu những loại vật liệu mới với các đặt tính về cơ học tốt hơn, quá trình xử lý nhanh hơn và dễ dàng hơn. Đồng thời có khả năng chịu được nhiệt độ cao hơn.

Một lĩnh vực quan trọng được quan tâm nghiên cứu là tạo công cụ nhanh RT (Rapid Tooling). Trong lĩnh vực này, 3D Systems đã và đang hợp tác với 15 công ty và trường đại học nhằm tạo ra những công cụ nhanh cả bằng vật liệu cứng và vật liệu mềm.

 

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.