CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG CƠ 2.1 GIA CÔNG SIÊU ÂM (Ultrasonic Machining - USM) 2.1.1 Cơ sở lý thuyết nguyên lý gia công a Một số khái niệm Nguồn âm vật đàn hồi, nói xác môi trường đàn hồi tạo truyền dao động vào môi trường tiếp xúc với Âm lượng công suất âm tính đơn vò diện tích bề mặt (erg/s.cm2 = 10-7 W/cm2) p suất âm áp suất âm sinh môi trường dao động âm (dyn/cm2 = bar) Cường độ âm thông số vật lý âm lượng áp suất xác đònh (phôn) Âm nghe có tần số từ 20 Hz đến 15 KHz Âm có tần số 20 Hz gọi âm hồng ngoại Âm có tần số 16KHz gọi siêu âm Âm có cường độ 130 phôn gọi siêu cao âm Hình 2.1 mô tả vùng âm khác : - Trục tung ghi âm lượng - Trục hoành ghi tần số Công suất (W/m2) 104 Âm tuyệt hảo 102 100 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 Tạp âm 10-14 102 104 106 108 1010 Tần số (Hz) Hình 2.1 Các vùng âm Nguồn phát dao động vùng siêu âm khảo sát với tính cách nguồn âm Cơ chế kích thích dao động không ảnh hưởng đến xác suất xuất dao động, xác suất phụ thuộc vào lượng nguồn âm tính đàn hồi http://www.ebook.edu.vn 2-1 môi trường dao động Vì nguồn âm dùng để kích thích siêu âm, âm lượng giảm đến mức thích hợp Ngày nguồn phát âm học, thay phải tạo tần số cao, người ta đòi hỏi phải cho âm lượïng lớn, vùng siêu cao âm việc gia công vật liệu tiến hành điều kiện thuận lợi Các yêu cầu nguồn âm: - Có khả hòa âm - Âm lượng biến đổi - Ổn đònh - Khả phát sóng tốt - Có tần số thích hợp - Công suất lớn Trong kỹ thuật siêu âm, thông thường tác dụng vật lý dòng điện dùng để kích thích dao động Qui trình thuận biến dao động điện thành dao động cơ, qui trình nghòch biến dao động thành dao động điện Như thiết bò chuyển đổi sử dụng nguồn âm, mà sử dụng thu âm Công việc quan trọng phải lựa chọn xác nguyên lý phương tiện để làm phát âm có hiệu suất cao, công suất lớn, có giải tần số phát âm rộng Chỉ có chuyển đổi dao động thỏa mãn yêu cầu Các thiết bò gia công sử dụng công nghệ chế tạo máy chủ yếu hoạt động với máy phát dùng từ giảo làm nguồn phát dao động, dùng điện giảo Do đề cập đến loại từ giảo b Hiện tượng từ giảo lo Δh lma Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý tượng từ Khi đặt ống vật liệu từ từ trường song song với trục dọc nó, chiều dài bò biến đổi Sự biến đổi xác đònh công thức sau: http://www.ebook.edu.vn 2-2 σr = ƒ (Β , εr ) ; Η = ƒ′ (Β , εr ) (2.1) Trong đó: σr : Ứng suất đàn hồi từ trường gây ra, εr : Biến đổi hình dáng từ trường, H : Cường độ từ trường Đạo hàm toàn phần hàm σr H : ∂σ r = ∂σ r ∂σ r dB + dε r ∂ε r ∂B ∂H = ∂H ∂H dB + dε ∂B ∂ε r Ký hiệu: ∂σ r = γ : Được gọi hệ số hiệu ứng từ giảo thuận, ∂B ∂H =δ : ∂ε r Được gọi hệ số hiệu ứng từ giảo nghòch, ∂σ r = E : Được gọi môđun đàn hồi, ∂ε r ∂ε r = : ∂B μ Được gọi hệ số nghòch đảo từ thẩm Hệ số hiệu ứng từ giảo thuận nghòch có quan hệ với sau: δ = πγ (2.2) Từ thẩm chân không: μo = 4.10-7 Vo Am-1 = 4π 10-7 Henry / m (2.3) (4Π sinh từ hệ số từ thẩm) Vậy trạng thái vật liệu từ với biến đổi hình dạng từ trường diễn đạt phương trình: dσr = γdB + Edεr (thuận) (2.4) Phương trình (2.4) thể biến đổi từ sang năng: σr = γB http://www.ebook.edu.vn dεr = (bò nén) 2-3 (2.6) dH = μ dB + 4πdε r (nghòch) εr= -γB/E= -βB dσr = (tự do) (2.5) (2.7) Phương trình (2.6) cho ta quan hệ biến đổi từ sang từ : B= -4πγμεr dH = (2.8) H = 4πεr = 4πβσr dB = (2.9) Mức độ hiệu ứng từ giảo biểu thò thông số, gọi tỉ lệ từ giãn từ giảo Δl/lo γ Δl =− β (2.10) lo E Với β= γ E Trong : Δl : Độ biến đổi kích thước, l0 : Chiều dài vật liệu sắt từ Phương trình biến dạng đàn hồi viết sau: Δl = −lo γ E B (2.11) Độ biến đổi kích thước độc lập với hướng từ trường, phụ thuộc vào cường độ từ trường, nhiệt độ trạng thái từ hóa trước đó, chất lượng vật liệu Độ biến đổi kích thước tương đối εr có độ lớn 10-5 – 10-6 ghi phương pháp quang học (hình 2.3) Hình 2.3 cho thấy độ biến đổi kích thước dọc tương đối phụ thuộc vào cường độ từ trường http://www.ebook.edu.vn 2-4 ΔL/L 100 : 70% Co + 50% Fe : 49% Co +49% Fe + 2%V 80 60 : 50%Ni + 50% Fe 40 : Có đúc 20 : Fe 6: Co : Ni - Zn - Ferrit 20 40 500 1000 1500 2000 H Hình 2.3 Biến đổi chiều dài tương đối cường độ từ trườngvới vật liệu có từ tính khác Trên hình vẽ trò số dương giãn dài, trò số âm co rút Hiệu ứng từ giảo gây nên biến đổi kích thước chiều dài, mà gây nên biến đổi thể tích với cường độ từ trường nhỏ, có biến đổi kích thước chiều dài, thông thường lợi dụng tượng để tạo siêu âm c Sự ăn mòn xâm thực Nếu siêu âm phóng qua chất lỏng, phát sinh áp lực cục Với âm lượng thích hợp tạo nên biến đổi áp lực làm sinh nội ứng suất lớn đến mức làm liên kết phân tử chất lỏng làm cho chất lỏng bò phá hủy Hiện tượng biết thấy bọt khí, gọi bọt khí xâm thực Những bọt khí tồn thời gian ngắn Khi chúng bò tan có áp lực cục lớn, gần 1000 atm http://www.ebook.edu.vn 2-5 Người ta ứng dụng tượng để làm chi tiết, để đánh rỉ, xúc tiến nhanh trình hóa học Hiện tượng xảy trình gia công siêu âm d Tác dụng học Khi phân tích tác dụng siêu âm môi trường mang siêu âm, người ta liên tưởng đến trình cọ xát học Âm trường kích thích dao động phần tử nhỏ, rắn môi trường, có trọng lượng riêng khác khác với môi trường Những phần tử nhỏ chuyển động, với khối lượng quán tính riêng cọ xát với phần tử lớn đứng yên cọ xát làm nảy sinh tác dụng cọ xát đặc trưng siêu âm (h 2.4) (a) (b) Hình 2.4 Âm trường chuyển động phần tử nhỏ lơ lững âm trường a Những phần tử nhỏ chuyển động theo âm trường b Những phần tử lớn chuyển động chậm Trên hình 2.4 thấy trạng thái phân tử rắn nhỏ lơ lửng âm trường siêu âm Tất phân tử nhỏ chuyển động âm lượng quy đònh Vì hình chụp tế vi ta thấy vạch Trên hình 2.2 b thấy lẫn lộn phân tử nhỏ lẫn phân tử lớn Những phần tử nhỏ chuyển động giống trường hợp trước, phần tử lớn không theo hoàn toàn chuyển động trường Có phân tử có khối lượng lớn không chuyển động, điều thể hình chụp tế vi chấm tròn hoàn toàn Hiện tượng luôn có hệ thống hai pha Sự chuyển động tương đối phân tử xảy phân tử lơ lững quán tính lớn không hoàn toàn theo kòp chuyển động môi trường Trong trường hợp phân tử chuyển động lại quán tính chúng trình chúng gây nên cọ xát Tùy theo tính chất, ma sát hai môi trường, kích cỡ phân tử nhỏ, đồng kích thước phân tử nhỏ, v.v…, mà có nhóm http://www.ebook.edu.vn 2-6 tượng khác nhau, hệ chúng tạo hóa động, sựï chuyển thể phân tán tác dụng siêu âm ( gọi tán sắc) âm e Nguyên lý gia công Gia công siêu âm vật thể rắn chủ yếu ứng dụng tán sắc siêu Gia công siêu âm vật thể rắn thực chất ứùng dụng cọ xát học môi trường hai pha để tạo nên tác dụng gia công Giả thiết môi trường chất lỏng tồn chất rắn có sợi xốp Dưới tác dụng sóng siêu âm có tần số trung bình, phân tử chất lỏng chuyển động theo chuyển động âm trường, phân tử chất sợi đứng yên Sau tác dụng cọ xát chất lỏng, có phân tử nhỏ rơi rụng từ sợi vật thể rắn Người ta tăng cường tác dụng cách rắc thêm vào bột thạch anh mòn pha thứ ba Các bột thạch anh cứng, sắc cạnh, lơ lửng chuyển động theo âm trường, chất lỏng với mức độ chuyển động nhiều hay tương ứng với kích thước chúng Trong trình chuyển động, chúng gọt giũa vật thể rắn Sơ đồ nguyên lý gia công kim loại siêu âm : Bàn máy Chi tiết gia công Dụng cụ Thanh truyền sóng Biến từ Máy phát siêu âm Dung dòch hạt mài Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý gia công siêu âm Dao động có tần số từ 18 – 25 kHz phát máy phát siêu âm (6) truyền đến biến từ (5) Tại dao động điện biến thành dao động học, có tần số, biên độ dao động khoảng – 10 μm Để nhận dao động cần thiết cho việc gia công (30 – 80 μm) cần phải có truyền (4) đặt sau biến từ (5) Dụng cụ (3) có hình dạng theo yêu cầu bề mặt gia công, lắp vào đầu truyền (4) Dung dòch hạt mài (7) đưa vào vùng gia công phía đầu dụng cụ Tổng hợp chuyển động dao động đầu dụng cụ tác dụng hạt mài chép lại hình thù dụng cụ (3) vật (2) gá đặt bàn máy http://www.ebook.edu.vn 2-7 (1) Bàn máy có khả chuyển động theo hai phương nằm vuông góc với chuyển động theo phương thẳng đứng đầu máy thực Khi chi tiết gia công cố đònh thực lỗ thông lỗ không thông, lỗ đònh hình cong, cắt rãnh, cắt đứt… Nếu cung cấp cho phôi dụng cụ thêm chuyển động phụ thực nguyên công phay, mài, tiện, cắt đứt, cắt ren… 2.1.2 Thiết bò dụng cụ Hình 2.6 giới thiệu thiết bò gia công siêu âm 1- Dụng cụ 2- Đầu nối 3- Thanh truyền sóng 4- Đầu từ giảo 5- Vỏ máy Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo thiết bò gia công siêu âm Bên dụng cụ có bàn máy, mặt đáy bồn chứa dung dòch hạt mài số phụ kiện khác - Dụng cụ : Thường dụng cụ có nhiều hình dạng kích thước khác tùy theo yêu cầu Sử dụng nhiều dụng cụ có biên dạng giống biên dạng chi tiết gia công Vật liệu làm dụng cụ thép 45, thép dụng cụ Y8A, Y10A,… - Đầu nối : Giao tiếp truyền sóng dụng cụ có phận gọi đầu nối Đầu nối chế tạo đặc biệt cho lắp dụng cụ vào truyền sóng - Thanh truyền sóng : phận truyền dao động từ đầu từ giảo cho dụng cụ Một công việc mà người ta quan tâm giải nhiệt lượng sinh trình làm việc đầu từ giảo cách thổi gió lưu chuyển dòng chất lỏng Để đạt âm lượng lớn đầu từ giảo phải ý đến http://www.ebook.edu.vn 2-8 làm mát nhiệt lượng sinh lớn Có thể tăng âm lượng cách điều chỉnh biên độ tần số Việc nâng cao tần số bò giới hạn, lúc hợp lý : - Tác dụng siêu âm tốt vào khoảng 20 kHz - Trường hợp sinh cộng hưởng gia tăng tần số làm giảm công suất - Chủ yếu gia tăng âm lượng biên độ Dao động có thểõ gây nên ứng suất học lớn vật liệu làm đầu từ giảo Vì đầu từ giảo phải có sức bền học lớn, đồng thời phải có tổn hao từ nhỏ Nếu lựa chọn vật liệu thích hợp, công nghệ gia công, lắp ráp tốt, làm mát thiết bò tốt, hiệu suất thiết bò đạt 70% Hiệu suất cao đạt thiết bò thiết kế chế tạo sau xem xét cân nhắc mặt Đầu chấu bắt dụng cụ không đơn có ren để vặn vào, mà cần đánh bóng bôi trơn lớp mỡ mỏng khắp bề mặt tiếp xúc để truyền hết dao động Trong màng mỡ sinh ứng suất kéo gây tượng xâm thực, bên cạnh đó, phải ép chặt phận nối dài (thanh truyền sóng) chấu bắt dụng cụ có ren nối vào truyền sóng, có đường sinh dạng hình nón mà chóp phía đầu lắp dụng cu Công việc có ý nghóa làm cho âm lượng tăng phía đầu dụng cụ ta khuếch đại dao động từ giảo lên đến 100 lần Điểm đặc biệt biên độ dao động hai đầu thiết bò chênh lệch nguyên nhân sinh ứng suất học lớn Một thiết bò hoàn chỉnh sau thử với dụng cụ khác nhau, có dao động học với tần số cộng hưởng 2.1.3 Các thông số công nghệ Các thông số công nghệ chủ yếu gia công phương pháp siêu âm là: suất, chất lượng bề mặt, độ xác gia công, độ mòn dụng cụ Trong thông số nêu có số thông số có liên quan với ảnh hưởng lẫn a Năng suất Năng suất gia công siêu âm thể tích vật liệu (phoi) lấy đơn vò thời gian: Vd (mm3/phút) Gọi: e : tốc độ tiến dụng cụ (mm/phút) v : thông số xác đònh sở thể tích phôi trung bình Năng suất gia công phụ thuộc vào độ sâu gia công mặt cắt ngang dụng cụ Vì thông số Vd e để đánh giá xác suất phải http://www.ebook.edu.vn 2-9 nêu rõ suất đạt với độ sâu gia công dụng cụ có prôphin mặt cắt Trường hợp gia công lỗ có đáy không sâu, tốc độ tiến dao trung bình (không kể đến việc nâng dụng cụ lên) là: l e = 1 t (2.12) Trong đó: l1: Chiều sâu lỗ có đáy (mm) t1: Thời gian gia công (phút) Trường hợp gia công lỗ sâu có đáy, tốc độ tiến dao trung bình (có kể đến việc nâng dụng cụ lên) là: n+l e = t + nt t (2.13) Trong đó: n: số lần nâng dụng cụ t2: thời gian lần nâng dụng cụ (phút) Thể tích vật liệu lấy đơn vò thời gian trường hợp dùng dụng cụ đặc biệt là: Vd = e.Asz (2.14) Trong đó: Asz: Diện tích làm việc dụng cụ (mm2) Trường hợp gia công lỗ thông, với dụng cụ hình xuyến, thông số suất đặc trưng tốc độ tiến dao e Năng suất trung bình thể tích vật liệu lấy đơn vò thời gian tính diện tích làm việc dụng cụ: V ⎛ mm3 mm ⎞⎟ (2.15) e = D ⎜⎜ = ⎟ A ph ⎠ sz ⎝ ph.mm Như tốc độ tiến dao với suất trung bình So sánh phoi với độ mòn dụng cụ : e= V D x100 % V sz (2.16) Với: Vsz: Độ mòn dụng cụ (mm3/ph) http://www.ebook.edu.vn 2-10 CAD/CAM Thiêu kết laser Khuôn dập Điện cực EDM Hình 6.31 Tạo mẫu nhanh điện cực để chế tạo khuôn dập Laser 3D Dassault Aviation Việc hợp tác hai công ty Pháp có kết khả quan Họ có hai chương trình ứng dụng RP để chế tạo dụng cụ: thứ việc chế tạo trực tiếp lỗ khuôn sử dụng nhựa thủy tinh (glass-filled resin), gồm 70% hạt thủy tinh Những vật liệu sử dụng để chế tạo nửa khuôn đúc cát cho ống nối hệ thống điều hòa nhiệt độ hãng Dassault (hình 6.28) Chương trình thứ hai sử dụng phương pháp quang ảnh lập thể (stereophotography) máy đo thủy lực ba chiều mà sau sử dụng để chế tạo cần điều khiển máy bay chiến đấu Mirage 2000 Cần điều khiển có hình dạng phức tạp có hình dáng nhân dạng học Trong ví dụ máy quét thủy lực quét lên chi tiết nhựa máy công cụ gia công theo phương pháp chép hình Theo Dassault phương pháp tiết kiệm 1/3 chi phí đem so sánh với phương pháp gia công máy CNC Hình 6.32 Mẫu laser chiều để chế tạo ống dẫn hệ thống điều hòa nhiệt độ http://www.ebook.edu.vn 338 Hình 6.33 Ruột khuôn Dassault từ mẫu laser chiều Hãng công nghiệp TOKUDA TOKUDA phân xưởng chế tạo mẫu, thiết bò dập tạo hình, đồ gá, mẫu kiểm tra hầm gió sản phẩm mẫu chép, công ty sử dụng máy Kira KSC-50 TOKUDA đưa ứng dụng khuôn kim loại có kích thước 250mm x150mm x 93mm, họ so sánh máy Kira loại máy CNC theo tiêu chuẩn về: (a) chi phí, (b) thời gian sản xuất, (c) độ xác, (d) đặc tính cắt gọt Trong RP giảm chi phí rủi ro chế tạo sản phẩm nhiên độ xác thời gian gian công máy RP không vượt qua máy CNC Họ nhấn mạnh đến cần thiết điều chỉnh hiệu ứng bậc thang lớp giấy dán lên phủ công cụ với vật liệu chuyên dùng mài tay Hình 6.35 so sánh phương pháp Hình 6.34 Mô hình khuôn kim loại TOKUDA http://www.ebook.edu.vn 339 Gia công truyền thống Gia công CNC So sánh chi phí Gia công tay Thời gian Gia công bề mặt Phương pháp tạo mẫu nhanh STL Hình 6.36 So sánh chi phí thời gian chế tạo sản phẩm máy LOM phương pháp khác 6.8.3 Tạo mẫu nhanh chế tạo sản xuất Tạo mẫu nhanh (RP) sử dụng cho chế tạo sản phẩm Cùng sản phẩm có động khác nét kỹ thuật khác Các nét kỹ thuật khác đơn giản khác vật liệu, nút bấm, phích cắm điện, màu sắc phức tạp khác cấu tạo bên Những khác biệt cần thiết để phục vụ cho yêu cầu riêng người sử dụng để phân biệt Thêm thời gian tồn sản phẩm trở nên ngắn buộc người thiết kế phát triển sản phẩm khoảng thời gian ngắn Trong trình phát triển, vấn đề gặp phải lựa chọn hai việc là: kéo dài thời gian phát triển tăng nguồn lực sản xuất kòp thời hạn Trong hoàn cảnh vậy, thời gian bán sản phẩm trở thành nhân tố đònh khả lợi nhuận Thực trạng đòi hỏi thay đổi sản phẩm phát triển Các nhóm khác : nhóm thiết kế, kỹ thuật, tiếp thò nhóm sản xuất phải hợp tác chặt chẽ hướng mục tiêu chung hoạt động thống với Mục tiêu phải rõ ràng cho nhóm có liên quan Nếu cộng tác có hiệu tránh vấn đề việc truyền đạt thông tin Tạo mẫu nhanh cho mô hình vật lý sử dụng mô hình CAD 3D có sẵn Mô hình vật lý công cụ truyền đạt thông tin hoàn hảo Nếu hình ảnh ngàn lời nói mô hình vật lý ngàn hình ảnh http://www.ebook.edu.vn 340 Thêm vật thể chế tạo tạo mẫu nhanh ngày sử dụng thường xuyên để kiểm tra chức kiểm tra trước sản xuất hàng loạt Bằng cách người ta kòp thời phát lỗi giai đoạn mà thay đổi chưa tốn Những yêu cầu tinh tế dễ hiểu dẫn tới sản phẩm tốt hơn, đáp ứng đòi hỏi thò trường Người ta ước lượng việc sử dụng phương pháp tạo mẫu nhanh có hiệu quả, thời gian phát triển cho công cụ giảm nửa Khía cạnh quan trọng giá thay đổi đưa vào thiết kế sản phẩm Trong phương diện phát triển sản phẩm vật lý không khác biệt với phát triển phần mềm Tạo mẫu nhanh công cụ hiệu cho việc đònh giá phác thảo trước phạm phải sai lầm tốn gia công Những sai lầm ảnh hưởng đến giá chế tạo chủ yếu giá cuối sản phẩm Việc phát triển phần mềm tạo mẫu để khắc phục cho nguyên nhân Tuy nhiên tạo mẫu nhanh sử dụng hiệu không dùng hệ thống CAD 3D để tạo mô hình sản phẩm 6.8.4 Tạo mẫu nhanh với công nghệ truyền thống Tạo mẫu nhanh không thay hoàn toàn công nghệ truyền thống như: NC cán tốc độ cao phần làm tay, nên coi tạo mẫu nhanh lựa chọn công cụ để chế tạo phận Người ta cho phận chế tạo với yêu cầu vật liệu dung sai trục không chuẩn, yếu tố phụ thuộc lẫn Tạo mẫu nhanh cho thấy lợi rõ ràng phải chép nhiều lần phận phức tạp Ngoài ra, xác đònh xác phức tạp phận Nhưng chắn bao gồm thành phần sau: kích cỡ, mô hình, chiều cao, độ dầy tổng số bề mặt mô hình CAD, yêu cầu dung sai, kiểu hệ thống CAD dùng để tạo công cụ 6.8.5 Tạo mẫu nhanh ứng dụng y học Ứng dụng phương pháp tạo mẫu nhanh y học lónh vực Nhiều ứng dụng trở nên quan trọng hội tụ ba công nghệ riêng biệt : hình ảnh nội soi, đồ họa điện toán, CAD tạo mẫu nhanh http://www.ebook.edu.vn 341 Computer-Assisted Tomography (CT) Magnectic Resonance Imaging (URI) cung cấp hình ảnh để giải tốt cấu trúc bên thể người Ví dụ cấu trúc xương quan Những hình ảnh xử lý công cụ phần mềm thích hợp Nó chuyển kết cho trình tạo mẫu nhanh tạo vật thể vật lý, mô hình gọi mô hình y học Cùng với việc đó, công nghệ cung cấp cho bác só nhà phẩu thuật công cụ Những mô hình vật lý cấu trúc bên sở để hội chuẩn chuẩn bò cho trường hợp phẩu thuật phức tạp cách tốt Nếu phẩu thuật thực thành công nhiều chi phí điều trò chi phí mổ giảm xuống, thêm giảm rủi ro, giảm nỗi đau đớn người bệnh, cải thiện chất lượng kết công việc 6.8.5 Giá phương pháp tạo mẫu nhanh Sau hỏi ý kiến người thực phương pháp tạo mẫu cân nhắc, xem xét nhiều nhân tố (ví dụ như, giá cả, vật liệu…) Phòng thí nghiệm tạo mẫu nhanh MSFC”s điều chỉnh giá theo yếu tố Có thể tìm thấy dẫn trợ giúp đầy đủ để lựa chọn phương pháp tối ưu theo chi phí gần để chế tạo chi tiết bảng 6.10 Bảng 6.10 So sánh đặc tính số phương pháp tạo mẫu nhanh Máy Fused-Deposition Modelr 1600 Laminated Object Manufacturing http://www.ebook.edu.vn Giá Thời gian (USD/giờ) (tuần) 10 18 342 Vật liệu ng dụng ABS Tạo vật đặc sáp đúc Giấy - Vật lớn (giống gỗ) - Mẫu thử nghiệm Sanders Model Maker Selective laser Sintering 2000 3,3 Sáp Mẫu đúc 44 - Mẫu đúc - Mẫu thử nghiệm Stereolithography 250 ⎭ Corp ⎭ 402 33 27,5 Poly arbonate - Vật liệu thật - Dạng cát Nhựa epoxy Sáp, dạng bột http://www.ebook.edu.vn 343 - Thành mỏng - Mô hình bền Mẫu thử nghiệm 6.9 HƯỚNG DẪN KỸ NĂNG TẠO MẪU NHANH 6.9.1 Giới thiệu Tạo mẫu nhanh (RP) công nghệ nên việc tiếp cận sử dụng việc khó khăn Đặc biệt sinh viên kỹ sư trường Công nghệ RP đưa vào môi trường giáo dục Nước ta bắt đầu đưa vào dạy học ứng dụng vào sản xuất Phần giới thiệu bước sử dụng RP, toàn trình tạo mẫu chia bước sau: Thiết kế kỹ thuật (Engineering Design) Thiết kế mô hình (Model Desing) Chọn phương pháp RP (Choosing a RP technique) Cải tiến mô hình tạo file CAD (Model refinement and CAD file creation) Biến đổi đònh dạng file Stl (Converting to Stl format) Dự kiến thiết bò tạo mẫu (Scheduling a build appointement) Quá trình tạo mẫu (Building) Quá trình kết thúc (Post-processing) Chỉ có RP mô tả cách toàn diện bước Thông thường ta phải tiến hành bước theo thứ tự từ 1-8 Từ bước 1-6 đơn giản làm Từ bước 7-8 phải có hướng dẫn 6.9.2 Bước 1: Thiết kế mỹ thuật (Engineering design) "Thiết kế mỹ thuật" liên quan đến thiết kế hệ thống thiết bò Nếu có mô hình hoàn chỉnh vẽ kỹ thuật qua bước hai trước Nếu sử dụng RP để tạo mẫu cho sản phẩm việc thiết kế kỹ thuật không cần quan tâm đến kỹ thuật tạo khuôn Nếu có ý đònh dùng máy RP để chế tạo nhanh (rapid manufacturing ) thiết kế mỹ thuật phải diễn đạt khả hạn chế kỹ thuật đặc biệt 6.9.3 Bước 2: Thiết kế mô hình (model design) Theo đònh nghóa, mẫu đồng với sản phẩm Mẫu xây dựng với tỷ lệ, vật liệu khác với độ xác hơn… so với sản phẩm Sở dó có điều để giảm thời gian chi phí tạo mô hình http://www.ebook.edu.vn 342 Do có thay đổi nên mô hình chức sử dụng giống sản phẩm thật Người thiết kế phải đònh yếu tố thiết bò quan trọng, ta không quan tâm Điều thường phụ thuộc vào mục đích sử dụng mô hình Dùng mô hình với yêu cầu mỹ thuật? Dụng cụ dạy học?… Mỗi mục đích có yêu cầu riêng đònh Màu sắc bề mặt yếu tố quan trọng cho mô hình tham khảo Trong độ xác kích thước điều quan trọng mẫu thử hình thái thích ứng (form-fit test prototype) Khi thiết kế mô hình, phải ý đến mục đích sử dụng mô hình Hơn nữa, thiết kế phải nghó đến điều kiện hoạt động (ứng suất, nhiệt độ, tác động hóa học…) mà mô hình phải chòu ảnh hưởng Ví dụ, mô hình plastic bò thay đổi kích thước mẫu giấy điều kiện ẩm ướt (chẳng hạn sản phẩm LOM) Thiết kế mô hình cho sản phẩm, trước tiên, phải xác đònh mục đích sử dụng sau xác đònh yêu cầu độ xác đặc biệt Khi xác đònh yêu cầu trên, ta chuyển qua bước để lựa chọn công nghệ RP thích hợp 6.9.4 Bước 3: Lựa Chọn Công Nghệ Tạo Mẫu RP Các công nghệ tạo mẫu nhanh có ưu khuyết điểm khác nhau, phải lựa chọn phương pháp cho phù hợp với yêu cầu kỹ thuật tối ưu Bảng 6.11 đưa số tính chất số hệ thống tạo mẫu nhanh Bảng 6.11: Một số tính chất số hệ thống tạo mẫu nhanh LOM FDM SLA SLS SGC Ink-Jet Model LOM1015 FDM1650 SLA-250 Sinterstation 2000 Solider SGC 5600 Model Maker MM-II- Công ty Helisys Stratasy 3D Sytems DTM Crop Cubital Sander Giá máy (USD) 120.000 100.000 100.000 300.000 470.000 65.000 Vật liệu Giấy kết dính ABS, Sáp đúc khuôn Nhựa cảm quang Nylon, thép bột, cát, polycar bonate Photopolymer Thermo plastic Giới hạn bền kéo N/A Thay đổi 60Mpa Biến đổi Biến đổi N/A Độ cứng N/A Biến đổi 80Sh.D Biến đổi Biến đổi N/A http://www.ebook.edu.vn 343 Giá vật liệu $200/lb Thay đổi Độ xác (mm) 0,254 0,127 Kích thước mẫu lớn (cm) 38x25x36 Chiều dày vật liệu (mm) Phần mềm Files fortmats $25– 32/lb $35/lb $100/lb 0,2 N/A 0,15 0,05 25x25 25x25 50x35 30x15 x25 x25 Đường kính 30, chiều cao 38 x50 x23 0,0050,38 0,05- 0,762 0,15 0,0762-0,508 0,07620,203 0,01270.127 LOMSlice Quickslice Meastroary Proprietary DataFont End Model Works STL STL STL STL STL,DXF STL, SLC, DXF, OBJ SLC VDA, EFL Kích thước máy (m) 1,27x1,22 x0,99 1,07x0,66 1,64 x 0,69 x 1,24 1,93x3,03x1, 83 x 0,69 1,98 0,69 x 1,42 x 0,38 x 1,83 x 0,69 6.9.5 Bước 4: Quá Trình cải Tiến Mô Hình Và Tạo File CAD Cải tiến mô hình tạo file CAD cho máy LOM 1015 Ví dụ: bước ta chọn máy LOM, muốn thay đổi mô hình tạo file CAD cho phù hợp Cải tiến mô hình Để cải tiến mô hình cho công nghệ LOM cần tuân theo bước sau: - Loại bỏ bề mặt lõm bên (hollowed- out sections) không cần thiết - Chẳng hạn có mô hình mà bề mặt chúng lõm không lõm nên chọn bề mặt không lõm, thời gian cho trình hậu xử lý nhỏ Nhưng cần lưu ý phận không lõm không sử dụng nhiều vật liệu Nhưng với công nghệ LOM sử dụng vật liệu - Lọai bỏ tất chi tiết bề mặt không cần thiết http://www.ebook.edu.vn 344 Tạo file CAD Chương trình CAD thiết kế cải tiến mô hình tiện lợi Nếu có file CAD trước, ta tạo mô hình cách cải tiến mô hình sẵn có, giảm thời gian so với việc tạo mô hình hoàn toàn CAD có phần mềm thực Campus Pro/ENGINEER phù hợp cho việc tạo mẫu nhanh Bởi phần mềm tạo mô hình 3D thật AutoCAD tốt thường có lỗi khó hiểu Nếu dùng AutoCAD phải kiểm tra thông tin facet trình chuẩn bò Nếu số lượng facet không liên kết (unconnected) 20% mô hình xây dựng thành mô hình thật * Các bước xuất File Stl Từ Pro/ ENGINEER Hồi phục file Pro/Engineer Từ menu Part chọn Iterface > Export > STL Menu STL cho phép ta thay sửa chữa vài thông sốcủa file STL xuất Lệnh Chord Height Angle Control cho phép ta điều chỉnh kích thước độ xác file Stl Bởi mô hình STL có cấu trúc planar striangles Cấu trúc xác cho bề mặt cong Chẳng hạn đường tròn có dạng polygon Độ xác cải tiến cách tăng số cạnh polygon (triangle subregion) file Có cách để làm điều giảm tới mức tối đa Chord Height cho phép Giảm Chord Height cách tăng số triangel file Stl Điều làm tăng độ xác tăng kích thước file Phải cẩn thận để lựa độ xác thích hợp dễ điều khiển, kích thước file Stl lớn làm hư hại đến ProE phần mềm chuẩn bò gia công (pre-processing) Angle control cho phép ta điều chỉnh độ xác bán kính cong nhỏ Phạm vi từ (độ xác thấp nhất, file nhỏ nhất) tới (độ xác lớn nhất) Khi bắt đầu sửa lại độ xác cho phù hợp Ở phía menu, ta lựa STLASCII STL Binar Highlight Binary lựa Cutaif để dòch chuyển http://www.ebook.edu.vn 345 ProE hỏi cho dẫn hệ thống phối hợp file Stl Hệ thống phối hợp chủ yếu thường làm việc tốt Khi nhắc nhở, nhập tên (không có phần mở rộng) cho file Stl ProE cảnh báo có vài điểm xắp xếp hoàn toàn (nonpositive coordinate) Điều thường vấn đề Hãy chọn Yes để tiếp tục Khi hoàn chỉnh, file Stl lưu vào thư mục làm việc ProE tên ta đặt • Quá trình tạo file.Stl AutoCAD R.14 Mở bảng vẽ mẫu AutoCAD Kiểm tra chi tiết muốn xuất có nằm octant dương không Nếu không ta phải dời đến octant dương Từ menu File chọn Export Lựa chọn thư mục mong muốn tên file cho file Stl Chọn Lithcgraphy Save as Type sau click Save Lựa chọn vật muốn xuất (object) cách nhấn chuột lên 6.9.6 Bước 5: biến đổi file theo Stl Format Quá trình xuất file Stl format thường biến đổi theo phần CAD Pri/Engineer, AutoCAD phần mềm khác Sau tạo file Stl, ta phải sử dụng chương trình tiền xử lý RP khác để thẩm đònh xem có phù hợp không 6.9.7 Bước 6: Dự kiến thiết bò tạo mẫu Khi hoàn thành file Stl, phải đưa thiết bò dự kiến để tạo mẫu Thông thường để làm việc phải nhờ đến chuyên gia, liên hệ với công ty Leaning Factory 6.9.8 Quá trình tạo mẫu Quá trình tạo mẫu bao gồm bước sau: Chuẩn bò: khởi động máy, chọn đường dẫn, tên file, sửa chữa kích thước, vò trí đònh hướng chi tiết http://www.ebook.edu.vn 346 Xây dựng mô hình: trước tiên phải sửa thông số tạo mẫu cho đúng, ví dụ tốc độ cắt, tốc độ nguồn nhiệt, công suất laser, kích thước tile… Nhập thông số cần thiết tiến hành gia công Lấy chi tiết làm sạch: sau hoàn tất, lấy chi tiết khỏi máy làm chi tiết theo yêu cầu Lưu ý: hệ thống tạo mẫu nhanh máy có nhiều nguy hiểm dạng tiềm tàng Máy tạo laser, nguồn nhiệt tất phận khác nguy hiểm Ngoài ra, hệ thống đắt tiền, để tránh gây nguy hiểm cho người sử dụng cho máy phải theo dẫn sau đây: - Luôn mang kiếng bảo hộ lúc làm việc - Luôn theo dẫn người hướng dẫn - Không chạm vào phận máy chưa có hướng dẫn chuyên gia Trong sau gia công nhiệt độ lên đến 500o F nguy hiểm Việc thực bước tạo mẫu phải người nắm vững phương pháp tạo mẫu nhanh thao tác chúng đa dạng phức tạp 6.9.9 Bước 8: trình hậu xử lý cho sản phẩm Quá trình nhằm để cải thiện tính chất hình dạng bên sản phẩm, bao gồm bước sau: - Làm nhẵn bề mặt cách đánh bóng giấy nhám Chú ý đánh mạnh làm tróc lớp chi tiết lộ lớp vật liệu bên - Lau bụi tack rag rag ướt với lớp sơn mỏng - Đánh cát saelent theo dẫn Sealent giúp cho chi tiết chống ẩm làm hư hại chi tiết máy điều hòa nhiệt độ hay đổ mồ hôi gây - Khi sealent khô, đánh bóng lau bụi - Cuối chi tiết sơn lớp bảo vệ Thực xong bước này, ta tạo sản phẩm theo phương pháp tạo mẫu nhanh Hình 6.37 giới thiệu số công đọan tạo mẫu nhanh SLA http://www.ebook.edu.vn 347 a b e f h g Hình 6.36 Các công đoạn tạo mẫu nhanh phương pháp SLA a &b: rót nhựa lỏng vào khuôn c & d: tách khuôn e lấy chi tiết khỏi khuôn f rửa chi tiết http://www.ebook.edu.vn 348 g sấy khô chi tiết h Các dụng cụ tách khuôn 6.10 PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA PHƯƠNG PHÁP TẠO MẪU NHANH Tạo mẫu nhanh (RP) thay đổi phương thức thiết kế tạo mẫu cho sản phẩm Một thay đổi thiết yếu tăng tốc độ tạo mẫu Với việc sử dụng máy tính có tốc độ nhanh hơn, hệ thống điều khiển phức tạp hơn, vật liệu cải thiện, nhà sản xuất RP giảm bớt đáng kể thời gian cho việc tạo mẫu Ví dụ: (1/1998) Stratasys giới thiệu máy FDM Quantum tạo mô hình cho chất dẻo ABS nhanh gấp 2,5 – lần máy FDM trước Trong tương lai RP tạo mô hình có chất lượng bề mặt độ xác cao Những máy RP có độ xác ≈ 0,08mm mặt phẳng X-Y, phương Z Sự cải tiến hệ thống quang học, hệ thống tia laser, động điều khiển, tăng thêm độ xác cho phương Thêm vào công ty RP phát triển chất polymer mới, vật liệu polymer gốm, kim loại, composite hy vọng đem lại phát triển tốt nhiều khả cho RP Những mẫu chất dẻo tốt cho việc thiết kế khó để kiểm tra Kim loại vật liệu composite mở rộng phạm vi sản phẩm làm phương pháp chế tạo nhanh Hiện nhiều phòng thí nghiệm công ty RP làm việc để phát triển vật liệu Một phát triển quan trọng khác tăng kích thước chi tiết Hiện đa số máy tạo mẫu nhanh cho chi tiết ≤ 0,125m, chi tiết lớn phải làm phần kết dính tay Để khắc phục điều này, nhà nghiên cứu đưa kỹ thuật “mẫu lớn” (large prototype) Trong kỹ thuật này, khuôn tạo từ lớp bột silic dioxity (cát chất lượng cao) với sáp parafin Khuôn sử dụng vật liệu sợi thủy tinh, epoxy, foam tạo mô hình đặc biệt có kích thước lên đến 3,3 x 1,2m Giáo sư Charles Thomas thuộc trường đại học Utal phát triển hệ thống cắt tạo hình phức tạp khoảng 1,2 – 2,4m từ giấy bột (foam) Một ý tưởng tương lai đời trình Distance Manufacturing on Demand, kết hợp RP Internet cho phép thực việc tạo mẫu từ xa gửi đến nhà sản xuất thông qua Internet, nhờ trình RP linh hoạt hơn, nhanh giảm thiểu chi phí Những tiến máy tính, điều khiển số, máy động lực học làm tăng tốc độ độ xác gia công RP Cuối phát triển RP kéo theo phát triển phương pháp gia công truyền thống khác http://www.ebook.edu.vn 349 Với ứng dụng đònh trên, đặc biệt vật liệu kim loại, RP tiếp tục phương pháp gia công hữu ích, phương pháp không lỗi thời, phải thường xuyên bổ sung, nâng cấp cho chúng http://www.ebook.edu.vn 350 ... Người công nhân chóng mệt mỏi c Phạm vi ứng dụng khác gia công siêu âm đặc tính công nghệ Gia công siêu âm ‰ Khoan ‰ Mài ‰ Cắt ‰ Gia công rãnh, ren ‰ Tẩy bavia Gia công siêu âm phối hợp với gia công. .. cụ vật gia công - Độ mòn dụng cụ - Hình dáng hình học dụng cụ - Độ sâu gia công Đối với gia công lỗ, đặc điểm khác mà người ta phân biệt gia công lỗ thông lỗ không thông ♦ Độ xác gia công lỗ... động học với tần số cộng hưởng 2.1.3 Các thông số công nghệ Các thông số công nghệ chủ yếu gia công phương pháp siêu âm là: suất, chất lượng bề mặt, độ xác gia công, độ mòn dụng cụ Trong thông số