Hệ thống sản xuất tiên tiến ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHƯƠNG PHÁP TẠO MẪU NHANH FDM – FUSED DEPOSITION MODELING GVHD: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH : ĐẶNG ĐỨC QUANG MSHV: 12040471 Tp Hồ Chí Minh ngày … tháng 11 năm 2012 HVTH: Đặng Đức Quang Trang 1 Hệ thống sản xuất tiên tiến Mục lục 1. Khái quát về các phương pháp tạo mẫu nhanh. 1.1. Giới thiệu sơ lược các phương pháp tạo mẫu nhanh. 1.2. Sự phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh 1.3. Lý do để chọn công nghệ FDM 1.4. Các sản phẩm FDM 2. Công nghệ FDM 2.1 Quá trình tạo mẫu nhanh trên máy FDM 2.2 Nguyên lý hoạt động 2.3 Đầu đùn (extrudsion heads) 2.4 Vật liệu 2.5 Phân loại máy FDM 3. Các bằng sáng chế (patent) 4. Tính cấp thiết của đề tài Tài liệu tham khảo: HVTH: Đặng Đức Quang Trang 2 Hệ thống sản xuất tiên tiến 1. Khái quát về các phương pháp tạo mẫu nhanh (RP) 1.1. Giới thiệu sơ lược các phương pháp tạo mẫu nhanh Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping – RP) ngày càng được ứng dụng nhiều trong công nghiệp và chứng tỏ ưu thế vượt trội trong quá trình tạo mẫu vật lý để nghiên cứu trước khi chế tạo sản phẩm. Công nghệ này đề cập đến việc tạo hình và gia công các mô hình các chi tiết sản phẩm theo cách thực hiện trực tiếp từ những dữ liệu của mô hình thiết kế ảo 3 chiều trên máy tính. Khác với công nghệ truyền thống là hớt bớt vật liệu đi, bản chất của RP là tạo hình và gia công các mô hình, các chi tiết sản phẩm trên cơ sở bồi đắp và dính kết vật liệu từng lớp với nhau (add and bone materials). Tuy chỉ mới chính thức ra đời từ năm 1986, nhưng công nghệ tạo mẫu nhanh đang là mục tiêu nghiên cứu và ứng dụng trong ngành cơ khí công nghệ cao, ngoài ra nó còn được ứng dụng đa dạng cho nhiều ngành khác, cho phép tạo nhanh các sản phẩm công nghiệp: chế tạo khuôn nhanh (rapid tooling), tạo khuôn mẫu cho ngành nhựa với kích thước lớn nhỏ khác nhau, ứng dụng trong các ngành sản xuất chế tạo ô tô, xe máy, điện dân dụng, máy điều hòa nhiệt độ, vỏ ti vi, máy nông nghiệp, với hiệu quả kinh tế rất lớn. Trong lĩnh vực y học, công nghệ tạo mẫu nhanh được dùng để chế tạo các mô hình y học, các bộ phận cấy ghép thay thế xương và các công cụ trợ giúp phẫu thuật. Trên thế giới hiện nay có khoảng hơn 30 công nghệ chế tạo mẫu nhanh đang được sử dụng và thương mại hoá. Trong đó, nhiều công nghệ có những đặc điểm chung về vật liệu sử dụng, nguồn năng lượng, phương pháp tạo mẫu. Có thể phân chia các công nghệ tạo mẫu nhanh theo các đặc điểm trên, song cách phân loại này có ba nhóm công nghệ tạo mẫu nhanh chủ yếu: công nghệ sử dụng vật liệu dạng bột, công nghệ sử dụng vật liệu dạng lỏng, công nghệ sử dụng vật liệu dạng rắn. Sau đây là một số công nghệ tạo mẫu nhanh đặc trưng đã được ứng dụng và thương mại hoá trên thế giới: - Stereo Lithography Apparatus(SLA): Công nghệ này được sử dụng vào cuối những năm 1980. Đến nay đây vẫn là công nghệ có tính thương mại cao. Công nghệ này dựa trên nguyên lý cơ bản là sử dụng chùm tia laser chiếu vào một bể chất lỏng epoxy cao su cảm quang theo mặt cắt ngang của mẫu và do hiện tượng polimer hoá dưới tác động của tia laser làm đông cứng lớp chất lỏng này tạo nên một lớp của vật mẫu. HVTH: Đặng Đức Quang Trang 3 Hệ thống sản xuất tiên tiến - Laminated Object Manufacture (LOM): phương pháp này dùng tia laser CO2 cắt các vật liệu dạng tấm mỏng (thường là giấy) theo đường biên các mặt cắt của mẫu, sau đó dùng nhiệt độ làm nóng chảy keo trên bề mặt tấm để dán các mặt cắt với nhau. Phương pháp này phù hợp cho các vật mẫu có kích thước rộng. - Selective Laser Sintering (SLS): Công nghệ này dựa trên nguyên lý thiêu kết làm nóng chảy vật liệu bột bằng chùm tia laser CO2. Công nghệ này áp dụng đối với hầu hết các vật liệu có tính dẻo nỏng. - Fused Deposition Modeling (FDM): Khác với các công nghệ khác là thay vì tạo nên các lớp mặt cắt khác nhau bằng cách sử dụng tia laser chiếu lên bề mặt vật liệu làm đông cứng vật liệu tạo thành một lớp mặt cắt thì trong công nghệ này vật liệu dưới dạng chảy dẻo được đùn ra từ một đầu ép phun điều khiển CNC để tạo nên một mặt cắt của mẫu. Công nghệ này có giá trị thương mại cao chỉ đứng sau SLA. - Solid Ground Curing (SGC): Đây là công nghệ phức tạp nhất. Quá trình thực hiện giống với công nghệ SLA, sử dụng vật liệu lỏng sáng nhưng lại dùng một nguồn năng lượng là tia cực tím chiếu đồng thời trên bề mặt vật liệu qua một tấm phim âm bản so với biên dạng mặt cắt của mẫu ba chiều, được tạo ra trước đó. Dưới tác động của ánh sáng cực tím, lớp vật liệu có chiều dày xác định sẽ hoá cứng. - In 3 chiều (3DP): Đây là công nghệ rất phổ biến để tạo mô hình ý tưởng (mẫu concept). Công nghệ này được phát triển bởi viện công nghệ Massachusetts (MIT) và cấp phép độc quyền cho Zcorp của Burlington, MIT. Thiết bị phổ thông là máy in Z400 có giá khoảng 33 500$ và có thể in mẫu lớn nhất tới 200x250x200 mm. Máy Z405 có giá 66 500$ do tốc độ in mẫu lớn hơn, còn máy Z810 lên tới 175 000$ với kích thước mẫu in 400x500x600 mm và có thể chạy tự động hoàn toàn ngay sau khi nhập dữ liệu CAD. Cũng giống với các hệ thống tạo mẫu nhanh khác, đầu vào cho mô hình là tập tin định dạng STL, phần mềm sẽ chia mô hình thành các lớp. Máy 3DP sẽ in các lớp bằng các bột kết dính lại với nhau. Để bắt đầu quá trình, một lớp mỏng bột dày khoảng 0,076 đến 0,254 mm sẽ được dải bởi một con lăn trên nền đặt trên một piston, đầu phun dải một lớp vật liệu theo hình ảnh cắt ngang (lát cắt) của chi tiết, lớp keo sẽ gắn kết các lớp vật liệu với nhau. Sau mỗi lớp hoàn tất, piston sẽ dịch xuống hành trình bằng chiều dày lớp vật liệu trước đó để quá trình lặp lại cho các lớp tiếp theo. HVTH: Đặng Đức Quang Trang 4 Hệ thống sản xuất tiên tiến 1.2. Sự phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh FDM Hình 1: Sự phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh Hình 2: Tỷ lệ phần trăm của công nghệ FDM trong các phương pháp tạo mẫu nhanh HVTH: Đặng Đức Quang Trang 5 Hệ thống sản xuất tiên tiến 1.3. Lý do để chọn công nghệ FDM Nhiều công ty thấy được lợi ích mà các công nghệ tạo mẫu nhanh mang lại cho hãng để sản xuất ra các chi tiết thay cho việc thiết kế sơ bộ, công đoạn kiểm tra và tạo mẫu chuyên dụng. Các hệ thống Stereolithography và Lazer Sintering không thể được thực hiện trong văn phòng. Các máy Stereolithography sử dụng chất lỏng cơ khí ô nhiễm, chúng phải được xử lý cẩn thận. Phương pháp Lazer Sintering sử dụng các hạt kim loại nhỏ hoặc bột plastic có thể gây ô nhiễm. Cả hai quá trình này đều sử dụng năng lượng tia lazers có thể gây nguy hiểm cho mắt. Những đặc điểm này đã nói nên hê thống Stereolithography và Lazer Sintering được lắp đặt cho một phần các thiết bị từ phòng kỹ thuật. Từ việc các công ty muốn tạo ra các mẫu nhanh nhưng lại không muốn tốn nhiều kinh phí cho việc lắp đặt một bộ phận thực hiện việc tạo mẫu nhanh FDM có thể cung cấp một sự lựa chọn tốt nhất. So sánh với phương pháp Stereolithography và Lazer Sintering thì có vẻ như FDM rõ ràng là một công nghệ thấp. Các sản phẩm FDM cứng và bền hơn so với các chi tiết sản xuất bằng stereolithography nhưng chúng có chất lượng bề mặt kém và không sắc cạnh. Vật liệu ASB, polycacbonate, polyphenyl sulfone có khả năng chịu nhiệt, cơ học, và chịu ẩm do vậy chi tiết FDM có thể sử dụng cho giới hạn rộng các mẫu chuyên dụng, phụ thuộc vào từng ứng dụng. Chi tiết FDM không bị rỗ và không cần thấm tôi lần hai. Không như stereolithography hoặc Lazer sintering, máy FDM có thể được sử dụng trong môi trường văn phòng và vật liệu FDM không cần nhiều xử lý đặc biệt. Nhiều hệ thống FDM có giá rẻ hơn so với stereolithography và Lazer sintering. Đối với những công ty muốn sản xuất ra những mẫu bền và chính xác cho hãng. FDM có thể là một lựa chọn tốt. HVTH: Đặng Đức Quang Trang 6 Hệ thống sản xuất tiên tiến (nguồn: 3dprinting.com) 1.4. Ứng dụng của FDM: trong các ngành công nghiệp như: hàng không, y tế, xe hơi, nữ trang, kiến trúc, quân sự, … Hình 3: US Navy’s M4A1 machine gun, an ABS prototype stock. Prototype was built on FDM system from Stratasys. HVTH: Đặng Đức Quang Trang 7 Hệ thống sản xuất tiên tiến Hình 4 Hình 5 HVTH: Đặng Đức Quang Trang 8 Hệ thống sản xuất tiên tiến Hình 6 Hình 7: Máy pha café (nhựa PPSF) HVTH: Đặng Đức Quang Trang 9 Hệ thống sản xuất tiên tiến 2. Công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) 2.1. Quá trình tạo mẫu nhanh trên máy FDM Bảng 1: Quá trình tạo mẫu nhanh trên máy FDM STT Quá trình 1 Xuất file Cad sang định dạng STL (bằng chương trình Quickslide). 2 Cắt lát mô hình vật thể ở file Cad theo trục thẳng đứng (bằng chương trình Quickslide). 3 Đưa vật liệu hỗ trợ (support material) và vật liệu chính (build material) vào các lát cắt (Quickslide). 4 Cài đặt các thông số của vật cần tạo mẫu (Quickslide). 5 Xuất sang file ASCII text với tất cả lệnh tạo hình (Quickslide). 6 Làm nóng đầu đùn (extrudsion head) để cho các dây sáp tạo hình đến nhiệt độ chảy. 7 Chuẩn bị tấm đế hoặc miếng lót để tạo hình trên đó. 8 Chuyển file ASCII text sang máy FDM (chương trình ssend). 9 Máy FDM bắt đầu thực hiện chương trình tạo mẫu. 10 Điều khiển đầu đùn để tạo lớp đầu tiên. 11 Điều khiển đầu đùn để tạo lớp thứ hai, ba, … cho đến lớp cuối cùng. 12 Tách tấm đế ra khỏi vật mẫu. 13 Tách các lớp vật liệu hỗ trợ (support material) của vật mẫu. HVTH: Đặng Đức Quang Trang 10 [...]... đề tài : Với các lợi ích và hiệu quả đem lại từ phương pháp tạo mẫu nhanh như: phát triển sản phẩm mới, đa dạng hóa sản phẩm, tạo ra các sản phẩm dùng trong y học, hàng không, quân sự, Trong đó, tạo mẫu nhanh bằng phương pháp FDM là kỹ thuật được phát triển và ứng dụng rất rộng rãi (theo số liệu năm 2009, thì FDM chiếm 20% trong các phương pháp tạo mẫu nhanh) Chính vì thế mà chúng ta cần phải hiểu rõ... rõ về đặc tính về động lực học của quá trình đùn, cũng như là phải biết về cấu tạo và các thông số điều chỉnh của đầu đùn Từ đó thì chúng ta mới có thể phát triển mạnh kỹ thuật đùn vật liệu trong tạo mẫu nhanh Tài liệu tham khảo: [1]: Soft Elastomers for Fused Deposition Modeling [2]: Variable Fused Deposition Modelling – Concept Design and Tool Path Generation - H BROOKS1, A.E.W RENNIE1, T.N ABRAM1,... Hình 14: FDM filament spools (source: Stratasys) HVTH: Đặng Đức Quang Trang 17 Hệ thống sản xuất tiên tiến Một số vật liệu được thương mại hóa cho quá trình này bao gồm nhựa ABS và sáp đúc Nhựa ABS được sử dụng rất nhiều, và gần đây vật liệu nhựa polycarbonate polysulfone đã được giới thiệu theo đó mở rộng khả năng của phương pháp FDM hơn nữa về khả năng linh hoạt Cấu trúc hỗ trợ cũng được tạo ra để... Stratasyst, Inc Leavitt đã sử dụng 2 đầu phun vật liệu riêng biệt với đầu phun thứ nhất nhằm tạo ra lớp vật liệu chính cho mẫu và đầu phun thứ 2 nhằm tạo ra chất làm nhiệm vụ kết dính bề mặt của lớp vật liệu sau lên lớp vật liệu đầu tiên HVTH: Đặng Đức Quang Trang 22 Hệ thống sản xuất tiên tiến Hình 18: Cấu tạo của đầu đùn FDM 2 vòi phun 3.3 Phát minh của Jams W.Comb: [5], 2010 Jams W.Comb phát minh vào năm... tiến Hình 7: Mô hình máy FDM 1600 2.1.1 Chuẩn bị file CAD: Trước khi gia công, ta chuyển file cad sang file STL, rồi từ file STL ta lại chuyển sang ngôn ngữ thích hợp cho từng dòng máy FDM (chương trình QS được sử dụng cho mục đích này) Khi đó, chương trình này sẽ hiển thị vật thể trong hệ tọa độ 3 chiều Casterian đồng thời cho ta nhiều lựa chọn trong việc tạo mẫu như: vật liệu tạo hình, vật liệu hỗ trợ,... Trang 13 Hệ thống sản xuất tiên tiến 2.3.1 Nguyên lý làm việc: Hình 11: Đầu đùn FDM (FDM head) Chức năng chính của đầu đùn là nung nóng, cung cấp nguyên liệu tạo hình cho đầu phun (tip) và đùn vật liệu để tạo mô hình vật thể Động cơ DC làm cho 2 bánh dẫn (đường kính ½ in, được bao phủ bởi vật liệu đàn hồi) quay ngược chiều nhau tạo ra lực lên đến 10 lbs để kéo nguyên liệu filament qua buồng hóa lỏng (liquefier)... năng linh hoạt Cấu trúc hỗ trợ cũng được tạo ra để hỗ trợ việc tạo hình cho sản phẩm và sau đó nó được loại bỏ bằng cách phá vỡ chúng ra khỏi đối tượng Một số chất hỗ trợ có thể hòa tan trong nước, khi đó chỉ đơn giản là ta cho rữa sạch mẫu là xong Hình 15: Mô hình máy FDM với vật liệu hỗ trợ Bảng 2: Các loại vật liệu được sử dụng cho máy FDM gồm có Thuộc tính/ ABSi ABS-M30 PC-ABS PC Vật liệu Màu sắc... hiệu quả hơn Hình 8 (http://www.forecast-3d.com /fdm. html) HVTH: Đặng Đức Quang Trang 12 Hệ thống sản xuất tiên tiến Hình 9 Hình 10 2.3 Đầu đùn (extrusion head) Trong máy FDM có rất nhiều cụm như cụm thân máy, cụm nâng đỡ mẫu, cụm điều khiển, cụm cấp liệu và cụm đầu phun Trong đó cụm đầu phun là bộ phận quan trong nhất, quyết định quá trình hình thành mẫu (Thể hiện trong hình 11) HVTH: Đặng Đức Quang... inch, whichever is greater (+/- 089 mm or +/- 0015 mm per mm, whichever is greater).* b FDM Stratasys.Inc (http://www.padtinc.com/rm /fdm/ default.htm) HVTH: Đặng Đức Quang Trang 20 Hệ thống sản xuất tiên tiến • Build Volume: 10" x 10" x 10" • Materials:ABS, Casting Wax • Build Step Size: 0.005" to 0.030" Advantages of FDM Process  High strength  Cost-effective  Waterproof  ABS material  Multiple material... cấu cơ khí, giúp nó có thể di chuyển được trong mặt phẳng xy Khi vòi phun di chuyển theo một chương trình định sẵn, nó tạo ra một lớp mỏng vật liệu và các lớp vật liệu cứng lại nhanh chóng sau khi bị đùn qua vòi phun và kết dính với các lớp bên dưới Khi một lớp xây dựng xong, khung đỡ mẫu được hạ xuống theo chiều z để chuẩn bị cho các lớp tiếp theo Toàn bộ hệ thống được đặt trong một buồng, giúp kiểm . về các phương pháp tạo mẫu nhanh. 1.1. Giới thiệu sơ lược các phương pháp tạo mẫu nhanh. 1.2. Sự phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh 1.3. Lý do để chọn công nghệ FDM 1.4. Các sản phẩm FDM 2. Công. xuất tiên tiến 1. Khái quát về các phương pháp tạo mẫu nhanh (RP) 1.1. Giới thiệu sơ lược các phương pháp tạo mẫu nhanh Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping – RP) ngày càng được ứng dụng nhiều. tiến 1.2. Sự phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh FDM Hình 1: Sự phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh Hình 2: Tỷ lệ phần trăm của công nghệ FDM trong các phương pháp tạo mẫu nhanh HVTH: Đặng Đức Quang Trang