BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật đề tài: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH ĐỂ GIA CÔNG CÁC CHI TIẾT CÓ BỀ MẶT PHỨC TẠP PGS. TS . Đặng Văn Nghìn 7442 10/7/2009 TP. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2004 Tài liệu này được chuẩn bò trên cơ sở thực hiện Đề tài cấp Nhà Nước mã số KC.05.01 DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN STT HỌ VÀ TÊN HỌC HÀM HỌC VỊ CHỨC DANH CƠ QUAN CÔNG TÁC 1 Đặng Văn Nghìn PGS. TS. Chủ nhiệm Trường ĐHBK TP.HCM 2 Trần Đại Nguyên KS Trợ lý Chủ nhiệm Trường ĐHBK TP.HCM 3 Nguyễn Anh Tuấn GS. TSKH Tham gia Trường ĐHBK Hà Nội 4 Hoàng Tử Hùng GS. TS Tham gia Trường ĐHY Dược TP.HCM 5 Trương Văn Việt TS Tham gia Bệnh Viện Chợ Rẫy 6 Võ Văn Nho TS Tham gia Bệnh Viện Chợ Rẫy 7 Phan Văn Minh CN Tham gia Bệnh Viện Chợ Rẫy 8 Thái Thò Thu Hà TS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM 9 Lê Trung Thực Th.S Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM 10 Lê Tâm Phước Th.S Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM 11 Đoàn Thò Minh Trinh PGS.TS. Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM 12 Nguyễn Văn Thành KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM 13 Huỳnh Hữu Nghò KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM 14 Bùi Anh Quốc KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM 15 Hoàng Lanh KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM 16 Nguyễn Ngọc Tâm KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM 17 Văn Ngọc Hiệp KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM 18 Lê Quang Bình KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM 19 Nguyễn Văn Cương KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM 20 Vũ Mộng Long KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM 21 Phạm Hồng Thanh KS Tham gia Trường ĐHBK TP.HCM DANH SAÙCH CAÙC CHÖÕ VIEÁT TAÉT RP - Rapid Prototyping SLA - Stereolithography Aparatus LOM - Laminated Object Manufacturing SLS - Selective Laser Sintering FDM - Fused Deposition Medeling SGC - Solid Ground Curing 3DP - 3D Printer SDM - Shape Deposition Manufacturing CAM-LEM - Computer Aided Manufacturing - Laminate Engineering Materials CT - Computer Tomography MRI - Magnetic Resonance Imaging RT - Rapid Tooling RE - Reverse Engineering PMMA - Polymethylmet Acrylate HA - Hydroxyapatite CF RP - Carbon Fiber Reinforced Plastic MIMICS - Materialise Interactive Medical Image Control System CMM - Coordinated Measuring Machine CAD/CAM - Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing CNC - Computer Numerical Control MỤC LỤC Danh sách những người thực hiện 4 Tóm tắt 5 Danh sách các chữ viết tắt 7 Lời mở đầu 8 Chương 1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 9 1.1 Khái niệm về công nghệ tạo mẫu nhanh 9 1.2 Mục đích của việc tạo mẫu nhanh 10 1.3 Mục tiêu của đề tài 10 1.4 Nội dung nghiên cứu 10 1.5 Các sản phẩm của đề tài nghiên cứu 10 1.6 Những công việc cần thực hiện 10 Chương 2. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 15 21. Sự ra đời của công nghệ tạo mẫu nhanh 15 2.2 So sánh các công nghệ tạo mẫu nhanh cơ bản 17 2.2.1 Các phương pháo tạo mẫu nhanh cơ bản 17 2.2.2 So sánh các phương pháp tạo mẫu nhanh 25 2.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 27 2.4 Tình hình nghiên cứu trong nước 28 2.5 Ưu nhược điểm của công nghệ tạo mẫu nhanh 30 2.6 Ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh 30 2.7 Nhu cầu về tạo mẫu nhanh ở Việt Nam 31 2.7.1 Trong lónh vực y học 31 2.7.2 Trong lónh vực công nghiệp 32 2.8 Nhận xét 33 Chương 3. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VỎ CON CHUỘT MÁY TÍNH TRÊN CƠ SỞ ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH 34 3.1. Tạo mẫu nhanh các sản phẩm công nghiệp 34 3.1.1 Quy trình công nghệ tạo mẫu nhanh trên máy SLA 34 3.1.2 Các lỗi của quá trình tạo mẫu nhanh 36 3.1.3 Khảo sát khả năng của máy SLA 44 3.1.4 Một số áp dụng thực tế 52 3.2. Thiết kế vỏ con chuột máy tính 54 3.2.1 Thiết kế đảm bảo tính năng sử dụng 55 3.2.2 Thiết kế hình dáng đảm bảo tính lắp ghép 57 3.2.3 Chọn vật liệu 58 3.3. Quy trình công nghệ tạo mẫu vỏ con chuột máy tính bằng công nghệ SLA 59 3.4. Chế tạo vỏ con chuột máy tính 63 3.5. Đánh giá kết quả 65 Chương 4. NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG KỸ THUẬT NGƯC TẠO CÁC BỘ KHUÔN MẪU NHỰA 66 4.1 Sự phát triển của ngành nhựa và nhu cầu về chế tạo khuôn mẫu nhựa 70 4.2 Khái niệm về kỹ thuật ngược 71 4.3 Các lý do sử dụng kỹ thuật ngược 71 4.4 Quá trình kỹ thuật ngược 72 4.4.1 Giai đoạn quét hình 73 4.4.2 Giai đoạn xây dựng mặt 75 4.5 Áp dụng kỹ thuật ngược để chế tạo bộ khuôn thổi 79 4.5.1 Sử dụng máy đo tọa độ CMM để quét hình 79 4.5.2 Xây dựng mặt 83 4.6 Một số ứng dụng thực tế 87 4.7 Đánh giá kết quả 90 Chương 5. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ PHẬN CẤY GHÉP 92 5.1. Tình hình tai nạn giao thông và nhu cầu chế tạo các bộ phận cấy ghép 92 5.2. Đặc điểm của các trường hợp chấn thương sọ não 95 5.2.1 Đặc điểm của hộp sọ khuyết 95 5.2.2 Đặc điểm của bộ phận cấy ghép 98 5.2.3 Phân loại bộ phận cấy ghép 98 5.3. Phân tích so sánh và lựa chọn vật liệu chế tạo bộ phận cấy ghép sọ não 100 5.3.1 Yêu cầu về vật liệu y học đối với bộ phận cấy ghép 100 5.3.2 Tình hình sử dụng vật liệu cấy ghép 101 5.3.3 Lựa chọn vật liệu chế tạo bộ phận cấy ghép để vá sọ 104 5.4. Các phương pháp vá sọ thông dụng. 106 5.5 Quá trình công nghệ chế tạo bộ phận cấy ghép sọ não 106 5.5.1 Áp dụng công nghệ tạo mẫu nhanh để chế tạo bộ phận cấy ghép sọ não.106 5.5.2 Áp dụng công nghệ CAD/CAM-CNC để chế tạo bộ phận cấy ghép sọ não132 5.6 Đánh giá kết quả 135 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO 141 PHỤ LỤC 151 LỜI MỞ ĐẦU Tạo mẫu nhanh là một công nghệ khá mới mẻ trên thế giới, trong đó có Việt Nam chúng ta. Trong vài năm gần đây, nhiều Trường Đại Học, Viện Nghiên Cứu, các Bệnh Viện đã bắt đầu quan tâm đến lónh vực này, đặc biệt là từ khi Bộ Khoa Học – Công Nghệ và Chương trình Nghiên cứu Khoa học cấp Nhà Nước về Công nghệ Chế Tạo Máy xét duyệt cho chúng tôi chủ trì đề tài: “Nghiên cứu Công nghệ Tạo mẫu nhanh để gia công các chi tiết có bề mặt phức tạp”. Trong quá trình triển khai đề tài, chúng tôi đã nhận được sự hỗ trợ của đơn vò chủ quản: Trường Đại Học Bách Khoa thuộc Đại Học Quốc Gia TP.HCM, sự chỉ đạo của Bộ Khoa học – Công nghệ, và Ban Chủ nhiệm Chương trình KC.05. Trong những kết quả ban đầu đạt được, có sự hợp tác chặt chẽ của các thành viên tham gia và đặc biệt là sự ủng hộ của các Bệnh viện Chợ Rẫy, Bệnh viên Nhân Dân 115, Bệnh viên Nhân dân Gia Đònh, công ty 3DSystems, Bút bi thiên Long, ARFA, Ngân Giang, Thăng Long, cùng nhiều công ty khuôn mẫu, công ty nhựa khác. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Bộ Khoa Học – Công Nghệ, Ban Chủ nhiệm Chương trình KC.05, Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh, cùng các đơn vò đã tham gia hợp tác trong suốt thời gian thực hiện đề tài. 9 Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1. KHÁI NIỆM VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH Hiện nay tạo mẫu nhanh là một công nghệ đang được nghiên cứu áp dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới đặc biệt là trong bối cảnh toàn cầu hóa và khu vực hóa nền kinh tế. Vậy tạo mẫu nhanh là gì? Từ khi ra đời cho đến nay có khá nhiều khái niệm về tạo mẫu nhanh:  Trước đây, hầu hết các tác giả như Kochan, Chen, Jack Zhou… đều quan niệm rằng tạo mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu vật lý từ những thiết kế 3D trên máy tính. Trình thiết kế này là quá trình thiết kế thuận.  Theo Kochan [53] thì tạo mẫu nhanh là tạo mẫu (mô hình vật lý) từ thiết kế 3D (mô hình ảo). Cũng theo Kochan thì ngoài tên gọi Tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping) người ta còn gọi là Layered Manufacturing, 3D Printing, Desktop Manufacturing và Solid Freeform Fabrication.  Trong bài giảng của mình, GS Chen – Đại học Quốc gia NTU của Đài Loan khẳng đònh: “Tạo mẫu nhanh là chế tạo nhanh mẫu sản phẩm từ mô hình thiết kế 3D”. Ngoài ra GS Chen cũng đưa ra thêm các tên gọi mới như: Automated Fabrication, Tool – less Manufacturing.  Tiến só Jack Zhou ở Đại học Drexel lại đưa ra khái niệm sau đây về tạo mẫu nhanh: “Tạo mẫu nhanh là kỹ thuật tạo “tự động” mô hình vật lý hoặc mẫu từ mô hình ảo 3D. Tạo mẫu nhanh là kỹ thuật sao chép 3 chiều (3D Photocopy) của sản phẩm”. Một số tác giả khác lại nêu khái niệm quá trình tạo mẫu nhanh dựa trên những nguyên tắc bồi đắp vật liệu, gia công theo lớp hoặc đặc điểm tạo mẫu không cần khuôn.  Joe Beaman cho rằng tạo mẫu nhanh là gia công trực tiếp chi tiết, bộ phận hoặc mẫu từ thiết kế 3D không cần khuôn mẫu đặc biệt và sự can thiệp của con người. 10  Giáo sư Fritz Kloeke ở Viện nghiên cứu công nghệ sản xuất Đại học Aechen – Đức đưa ra khái niệm tạo mẫu nhanh như sau: “Tạo mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu theo từng lớp trực tiếp từ dữ liệu thiết kế 3D và là quá trình tạo mẫu không cần dùng khuôn và dụng cụ”.  Tiến só Chris Zhang ở Đại học Saskatchewan quan niệm Tạo mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu theo nguyên tắc bồi đắp vật liệu (thêm vật liệu vào). Như vậy bản chất của công nghệ tạo mẫu nhanh là bồi đắp vật liệu dựa trên nguyên tắc gia công theo lớp.  Năm 2001 Terry Wohler – Chủ tòch Hiệp hội tạo mẫu nhanh thế giới trong báo cáo hàng năm của Hội đã đưa ra khái niệm sau đây: “Tạo mẫu nhanh là công nghệ chế tạo mô hình vật lý hoặc mẫu sản phẩm từ dữ liệu thiết kế 3D trên máy tính hoặc từ dữ liệu chụp cắt lớp điện toán CT, cộng hưởng từ MRI hoặc từ dữ liệu của các thiết bò số hóa 3D”. Đònh nghóa của Terry Wohler về tạo mẫu nhanh rất toàn diện, theo đònh nghóa này Tạo mẫu nhanh là công nghệ chế tạo mô hình vật lý hoặc mẫu sản phẩm từ những dữ liệu sau đây: - Thiết kế 3D trên máy tính. - Dữ liệu chụp cắt lớp điện toán CT và cộng hưởng từ MRI. - Dữ liệu từ các thiết bò số hóa 3D như các máy đo tọa độ CMM, máy quét 3D (3D scanner),… Đặc điểm thứ nhất của đònh nghóa này là quá trình tạo mẫu từ những kết quả của quá trình thiết kế thuận. Đặc điểm nổi bật thứ hai của đònh nghóa này là quá trình tạo mẫu các sản phẩm y học từ những dữ liệu của phương pháp kỹ thuật ngược bằng các công cụ máy chụp cắt lớp điện toán hoặc máy cộng hưởng từ. Đặc điểm nổi bật thứ ba của đònh nghóa này là quá trình tạo mẫu các sản phẩm công nghiệp từ những dữ liệu của phương pháp kỹ thuật ngược bằng các công cụ số hóa 3D. Như vậy, kỹ thuật ngược có vai trò quan trọng đối với tạo mẫu nhanh. 11 Trong hầu hết các cuốn sách về công nghệ tạo mẫu nhanh đều trình bày về kỹ thuật ngược. Khái niệm về kỹ thuật ngược sẽ được trình bày trong chương 4. 1.2. MỤC ĐÍCH CỦA VIỆC TẠO MẪU NHANH Tạo mẫu là một công việc quan trọng của quá trình thiết kế, chế tạo sản phẩm. Có thể nói tạo mẫu là mô hình hóa ý tưởng của người thiết kế. Cho nên trước đây trước khi sản xuất hàng loạt sản phẩm bao giờ người ta cũng tạo mẫu trước để nghiên cứu xem xét, phân tích sự phù hợp của mẫu so với những yêu cầu của sản phẩm. Ở đây, kỹ thuật ngược có quan hệ mật thiết với tạo mẫu nhanh và có vai trò quan trọng để sửa đổi cải tiến và thiết kế một cách sáng tạo mô hình ảo trên máy tính và được minh họa qua sơ đồ sau: ???vẽ sơ đồ Ngày nay với sự phát triển của công nghệ CAD/CAM, công nghệ tạo mẫu nhanh, thì việc tạo mẫu trở thành công đoạn cực kỳ quan trọng trong việc phát triển sản phẩm mới. Tạo mẫu nhanh cho phép rút ngắn chu kỳ chuẩn bò sản xuất và sản xuất để đưa nhanh sản phẩm ra thò trường. Do vậy, công nghệ tạo mẫu nhanh là một kỹ thuật để cạnh tranh sản phẩm của mỗi doanh nghiệp trong thời đại hiện nay. Ngoài ra công nghệ tạo mẫu nhanh có khả năng thay đổi mẫu mã sản phẩm một cách nhanh chóng. Chính vì lẽ đó mục đích của tạo mẫu nhanh hiện nay chính là để chào hàng và quảng cáo tiếp thò sản phẩm mới cũng như để nghiên cứu, xem xét và phân tích tính phù hợp của mẫu. Với mục đích như vậy, hiện nay tạo mẫu nhanh là một công nghệ có tốc độ phát triển như vũ bão và là công nghệ của thế kỷ 21. Công nghệ này áp dụng tích hợp các thành tựu của công nghệ thông tin, công nghệ tự động, cơ khí chính xác và quang học, laser, cũng như công nghệ vật liệu. [...]... đạt được là nghiên cứu nắm cững công nghệ tạo mẫu nhanh và áp dụng công nghệ này để tạo ra các chi tiết phức tạp và công cụ khuôn mẫu phức tạp trong các lónh vực công nghiệp 1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1 Nghiên cứu khảo sát nhu cầu về áp dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong y học và trong công nghiệp 2 Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ hợp lý để tạo mẫu con chuột máy tính trên máy tạo mẫu nhanh SLA sau... CỦA CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH Tạo mẫu nhanh có những ưu điểm sau đây: - Tăng khả năng quan sát trong quá trình thiết kế - Tạo được mẫu có độ phức tạp cao - Giảm chi phí, thời gian thiết kế và chế tạo - Cho phép giảm chu kỳ phát triển sản phẩm để mang sản phẩm ra thò trường nhanh hơn Tuy nhiên, công nghệ tạo mẫu nhanh cũng có những nhược điểm sau đây: - Độ bền của mẫu phụ thuộc vào vật liệu và công nghệ. .. kết quả nghiên cứu Cho đến nay, đã triển khai ứng dụng để phẫu thuật cho 22 bệnh nhân Nhóm nghiên cứu Tạo mẫu nhanh của Khoa Cơ Khí Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã cùng với Công ty Bút bi Thiên Long nghiên cứu và phát triển nhanh các 33 sản phẩm của công ty như các chi tiết bút bi, lọ keo, … cũng như công ty METRAN để tạo mẫu các chi tiết trang thiết bò y khoa Ngoài ra, chúng tôi đã nghiên cứu công nghệ SDM... cứu lý thuyết và thực nghiệm về công nghệ tạo mẫu nhanh đã được trình bày trong khoảng 20 cuốn sách chuyên về Công nghệ tạo mẫu nhanh Ngoài sách chuyên môn về tạo mẫu nhanh, các công trình nghiên cứu còn được công bố trên các tạp chí hàng tháng về Tạo mẫu nhanh của Mỹ, Anh và được in trong tạp chí các báo cáo hàng năm của Hội Tạo Mẫu Nhanh Thế Giới về phát triển nhanh sản phẩm Chẳng hạn, bài báo đăng... trình công nghệ chế tạo bộ khuôn thạch cao 5 Xây dựng quy trình công nghệ ép bộ phận cấy ghép 6 Xây dựng các quy trình công nghệ tổng thể chế tạo bộ phận cấy ghép 7 Chế tạo bộ phận cấy ghép sọ não 8 Chế tạo các bộ khuôn để ép các chi tiết của vỏ con chuột máy tính 9 Nghiên cứu thực nghiệm quá trình tạo mẫu nhanh trên máy SLA 16 Chương 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 2.1 SỰ RA ĐỜI VÀ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ TẠO... u nhanh quan trọ ng nhấ t FDM (Stratasys) Số lượ ng hệ Hệ thố ng (Hã ng) Từ biểu đồ này cho thấy: - công nghệ SLA có 2115 hệ thống, chi m tỉ lệ 31% - công nghệ FDM có 1216 hệ thống, chi m tỉ lệ 17,82% - công nghệ LOM có 692 hệ thống, chi m tỉ lệ 10,2% 19 - công nghệ SLS có 690 hệ thống, chi m tỉ lệ 9,8% 2.2 SO SÁNH CÁC CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH CƠ BẢN Cho đến nay, đã có khoảng 30 phương pháp công nghệ. .. ở các công nghệ đạt được cao nhất là SLA, còn thấp nhất là LOM • Khả năng gia công dụng cụ thì phương pháp SLS có thể tạo ra các loại công cụ (chi tiết, khuôn đúc, khuôn mẫu bằng phương pháp trực tiếp) Phương pháp SLA có thể dùng để đúc nhanh, tạo khuôn Silicon • 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. .. đều đã sản xuất mặt hàng này, nhưng ở Việt Nam, chưa có công ty nào đầu tư sản xuất Ở đây cần áp dụng công nghệ tạo mẫu nhanh và kỹ thuật ngược để thiết kế cải tiến các chi tiết Sản phẩm Chúng 3 và 4 của đề tài là các bộ khuôn thổi và bộ khuôn phun ép Chúng ta đều biết công nghệ thổi và công nghệ phun ép là những công nghệ cơ bản nhất để tạo ra các sản phẩm nhựa mà các bộ khuôn là các công cụ quan trọng... 2001, đã có khoảng 8000 hệ thống tạo mẫu nhanh được trang bò cho 53 nước trên thế giới.[74] Từ một phương pháp tạo hình lập thể SLA, chỉ sau gần hai chục năm, đã có khoảng 30 phương pháp công nghệ tạo mẫu nhanh khác nhau GS Chuchekai [12] đã phân loại các phương pháp tạo mẫu nhanh theo vật liệu để gia công như sau: - Dựa trên cơ sở chất lỏng : Trong các hệ thống tạo mẫu nhanh dạng này, vật liệu tạo mẫu. .. và các bệnh viện đã hợp tác cùng nhau nghiên cứu Điển hình nhất có dự án ứng dụng Tạo mẫu nhanh trong công nghiệp mang tên RAPTEC Đây là một dự án cộng tác nghiên cứu và phát triển công nghệ tạo mẫu nhanh gồm 10 thành viên thuộc các ngành công nghiệp và các trường Đại học của các nước Châu u, được sự bảo trợ của cộng đồng Châu u Mục đích của dự án là chuyển giao các kết quả nghiên cứu ra sản xuất công . là nghiên cứu nắm cững công nghệ tạo mẫu nhanh và áp dụng công nghệ này để tạo ra các chi tiết phức tạp và công cụ khuôn mẫu phức tạp trong các lónh vực công nghiệp. 1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. – Công Nghệ và Chương trình Nghiên cứu Khoa học cấp Nhà Nước về Công nghệ Chế Tạo Máy xét duyệt cho chúng tôi chủ trì đề tài: Nghiên cứu Công nghệ Tạo mẫu nhanh để gia công các chi tiết có. VÀ CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật đề tài: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH ĐỂ GIA CÔNG CÁC CHI TIẾT CÓ BỀ MẶT PHỨC TẠP