Cơ khí chế tạo máy - Công nghệ tạo mẫu nhanh thành tựu và triển vọng

PGS.TS Đặng Văn Nghìn Viện Cơ học và Tin học ứng dụng CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH THÀNH TỰU VÀ TRIỂN VỌNG NỘI DUNG I. Giới thiệu chung 1. Làm như thế nào để tạo được mẫu phức tạp. 2. Phân loại các phương pháp tạo mẫu nhanh. 3. Tình hình nghiên cứu. 4. Tốc độ phát triển. II. Những thành tựu công nghệ III. Triển vọng thế kỷ 21. 1. Làm như thế nào để tạo được mẫu phức tạp. I. SỰ RA ĐỜI VÀ PHÁT TRIỂN Các công nghệ tạo mẫu nhanh Công nghệ Nguyên lý làm việc Vật liệu Sơ đồ nguyên lý SLA Sử dụng tia laser  làm đông đặc  Polymer nhạy  quang Polymer nhạy  quang (tính độc hại cao) SLS Sử dụng tia laser  để thiêu kết vật  liệu Bột kim loại, bột  thạch cao, LOM Dụng cụ cắt các  tấm cứng theo  biên dạng, sau đó  dán từng lớp lại  với nhau Giấy, tấm gỗ FDM Vật liệu được đùn  qua đầu gia nhiệt,  sau đó đông dặc  tạo hình Sáp, nhựa ABS,  Stereo Lithography Appratus (SLA) Selective Laser Sintering (SLS) • Có thể sử dụng cho cả nhựa nhiệt dẻo và kim loại. • Sử dụng Laser thiêu kết • Lớp có độ dày < 0,1 mm • Được thương mại hóa bởi 3DSystem & EOS Selective Laser Sintering (SLS) Laminated Object Manufacturing (LOM) Laminated Object Manufacturing (LOM) Fused Deposition Modeling (FDM) • Phát minh bởi S. Scott  Crump vào năm 1989 và được thương mại  hóa vào năm 1992 bởi Stratasys Inc. Fused Deposition Modeling (FDM) Three dimensional Printing (3D printing) ƒ Tạo ra các lớp cắt theo phương pháp in phun 2D và liên kết chúng lại với nhau để tạo nên vật thể. Three dimensional Printing (3D printing) • Phân loại ƒ Theo dạng vật liệu ƒ Theo nguồn laser • Phạm vi ứng dụng • Tình hình nghiên cứu: ƒ Trong nước ƒ Ngoài nước II. Những thành tựu công nghệ Phân loại 1. Theo dạng vật liệu có thể chia ra như: • Vật liệu dạng lỏng: SLA, SOUP • Vật liệu dạng khối, rắn, tấm cứng: FDM, LOM. • Vật liệu dạng bột: SLS, EOS, 3D printing. 2. Theo nguồn laser có thể chia ra 2 loại: • Sử dụng nguồn laser: SLA, SLS, • Không sử dụng nguồn laser: FDM, 3D printing, 3. 3D printer Phân loại 3D printer 3D Printers Kỹ thuật Tên công nghệ Tên công ty Máy Dop on  demand  printing Dop On Dop (phun  trực tiếp) Polyjet Objet Geometries  Ltd., Eden™330 EdenTM260 Muti‐Jet Modeling  (MJM) 3D systems Thermojet InvisionTM 3D printer InvisionTM HR 3D printer 3D plotting Solidscape T612 T66 PatternMaker Sanders design  international Rapid tool Maker Drop On Bed (phun gián đoạn) Metal 3DP Extrude home  (proMetal) R2 R10 Three dimensional  printing (3DPrinting) Z corp Z406 Z810 Zprinter 310 Continuous  printing Continuous  deposition  (phun liên tục) Fused  deposition  modeling (FDM) Stratasys Prodigy Dimension  Dimension SST CÔNG NGHỆ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VẬT LIỆU SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ Polyjet Đầu in phun vật liệu và đóng  rắn các lớp bằng đèn UV. Polymer cảm quang Muti‐Jet Modeling (MJM) Một loạt các đầu phun sẽ  phun vật liệu tạo hình thành  từng lớp mỏng, đắp với nhau  tạo thành chi tiết. Sáp, nhựa nhiệt dẻo 3D plotting Sử dụng 2 đầu phun, một  đầu sẽ phun nguyên liệu nền  là nhựa nhiệt dẻo tạo chi  tiết, một đầu sẽ phun sáp  (wax) để tạo hệ thống đỡ. Sáp, nhựa nhiệt dẻo CÔNG NGHỆ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VẬT LIỆU SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ Metal 3DP Sử dụng hệ thống đầu in phun  kiểu tĩnh điện để phun vật liệu  là chất kết dính lên vật liệu lớp   bột kim loại Chất kết dính và bột  kim loại. Three dimensional Printing  (3D printing) Tạo ra các lớp cắt theo phương pháp in phun 2D và liên kết chúng lại với nhau để tạo nên vật thể. Vật liệu dạng bột FDM Đầu đùn ép vật liệu thành từng lớp với biên dạng giống biên dạng lớp cắt, các lớp liên kết lại với nhau tạo thành sản phẩm. Nhựa ABS, PLA,..  Phạm vi ứng dụng • Công nghệ tạo mẫu nhanh được áp dụng rộng rãi  để phát triển nhanh sản phẩm trong nhiều lĩnh  vực khác nhau như an ninh quốc phòng, công  nghiệp, y học, khảo cổ, nữ trang, đào tạo, Tình hình nghiên cứu. Nghiên cứu ngoài nước: ¾ Caùc hoäi thaûo quoác teá. ¾ Caùc döï aùn taïo maãu nhanh trong coâng nghieäp (RAPTEC,) ¾ Caùc döï aùn taïo maãu nhanh trong y hoïc (NIMBUS, INCS, ANATOMICS, PHIDIAS,). ¾ Saùch, taïp chí, caùc luaän vaên Thaïc só, Tieán só. Caùc coâng trình nghieân cöùu ñaõ coâng boá ñaõ taäp trung vaøo nhöõng vaán ñeà chính sau ñaây: ƒ Quy trình coâng ngheä saûn xuaát. ƒ Thieát bò caét lôùp ñieän toaùn CT. ƒ Caùc phöông phaùp coâng ngheä taïo maãu nhanh. ƒ Vaät lieäu söû duïng ñeå taïo saûn phaåm. ƒ Phaàn meàm ñeå bieán ñoåi döõ lieäu. ƒ Ñoä chính xaùc hình hoïc cuûa saûn phaåm. ƒ Phaïm vi öùng duïng ƒ Tính töông thích treân cô theå ngöôøi. Xu theá chung cuûa theá giôùi laø ñaàu tieân nghieân cöùu veà taïo maãu nhanh (RP), keá ñeán laø taïo duïng cuï nhanh (RT) ñeå ñi tôùi saûn xuaát nhanh saûn phaåm (RM). Tình hình nghiên cứu. ƒ Đại học Bách Khoa TPHCM có máy SLA và đã ứng dụng để thực hiện đề tài KC05 ‘Nghiên cứu công nghệ tạo mẫu nhanh để gia công các bề mặt phức tạp’ do PGS.TS Đặng Văn Nghìn làm chủ nhiệm. ƒ Đại học Bách Khoa Hà Nội có máy Polyjet tại trung tâm công nghệ cao. ƒ Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia điều khiển số và kỹ thuật hệ thống có máy SLS và Polyjet. ƒ Đại học Thái Nguyên đã đầu tư máy in 3 chiều 3D Printing. ƒ Viện Máy và dụng cụ (IMI) có máy LOM. ƒ Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã đầu tư máy FDM tại khu công nghệ cao. ƒ Từ đầu năm 2011 nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia  Điều khiển số và kỹ thuật hệ thống đã triển khai thực hiện đề tài nghiên cứu  thiết kế và chế tạo máy tạo mẫu nhanh theo công nghệ LOM (Laminated  Object Manufacturing) Tình hình nghiên cứu trong nước. III. Triển vọng CÁC CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH CỦA THẾ KỶ 21 THEO BÁO CÁO ĐÁNH GIÁ (NĂM 2008) CỦA HIỆP HỘI TẠO MẪU NHANH THẾ GIỚI. FDM SẼ LÀ 1 TRONG 10 CÔNG NGHỆ QUAN TRỌNG TRÊN THẾ GIỚI ĐẾN NĂM 2020 • Biểu đồ tăng trưởng công nghệ tạo mẫu nhanh trên thế giới. FDM LÀ “CÔNG NGHỆ NGUỒN” PATENT ĐẦU TIÊN Năm 1989, công nghệ FDM được sáng chế bởi S. Scott Crump và được thương mại hóa vào năm 1992 bởi Stratasys Inc (patent số 5121329) Support Material Modeling Material NGUYÊN LÝ FDM Nhu cầu về các dòng máy tạo mẫu giá rẻ • Mọi người đều có thể sử dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực: giáo dục, đào tạo, • Có thể dễ dàng chế tạo và phát triển sản phẩm theo ý muốn. Các tiêu chí : 1. Hạ giá thành 2. Rút ngắn thời gian tạo mẫu 3. Sử dụng ngay 4. Thiết kế nhỏ gọn 5. Đảm bảo độ chính xác Sự ra đời và phát triển RepRap. • Mendel là phiên bản ổn định nhất của RepRap hiện nay. Tuy nhiên cộng đồng người dùng luôn tìm tòi đổi mới và làm cho nó tốt hơn, và những cải tiến này có thể được tích hợp vào các bản phát hành về sau. Tiến sĩ Adrian Bowyer Ý tưởng hình thành. • Reprap là máy tạo mẫu nhanh tự tái tạo, nguồn mở, vật liệu nóng dẻo và được thiết kế có khả năng tự sinh ra những bộ phận quan trọng của chính nó. • Những bộ phận còn lại được chọn từ vật liệu và chi tiết tiêu chuẩn, dễ tìm, giá rẻ. Vì là nguồn mở, bất cứ ai cũng có thể tạo ra bao nhiêu bản sao cũng được, sử dụng chính cái máy đó để tạo ra nó, mà không cần trả phí bản quyền. Các dòng máy hiện nay Darwin 02-2007 Prusa Mendel 08-2010 Fab@Home MODEL 2 2009 Fab@home “Fab@Home is a project dedicated to making and using fabbers - machines that can make almost anything, right on your desktop” Bản đồ thế giới về Reprap. Reprap là công nghệ mới ra đời trên thế giới. Tuy nhiên nó đã xuất hiên ở nhiều nước trên thế giới. Chính sự đơn giản và tính thực tiễn cao của nó đã đem nó đến gần với công chúng hơn. Nhiều dự án cả tư nhân và nhà nước đang được tiến hành trên khắp thế giới. Bản đồ thế giới về Reprap. Ở Việt Nam khái niệm Reprap vẫn còn khá mới mẻ. Nguồn tài liệu trên mạng bằng tiếng Việt hầu như không có, hy vọng trong những năm tiếp theo công nghệ này sẽ được phổ biến sâu vào các trường đại học của Việt Nam, hấp dẫn nhiều bạn trẻ nghiên cứu phát triển và nhân rộng. Bản đồ thế giới về Reprap. Kết luận • Máy tạo mẫu nhanh theo phương  pháp đùn vật liệu có giá thành thấp  cho mọi người có thể sử dụng. Đặc  biệt là trong lĩnh vực giáo dục, với  ưu điểm giá thành thấp, dễ dàng chế  tạo và phát triển sản phẩm theo ý  mình. Mô hình máy Fab@home và Prusa Mendel tại Viện Cơ học và Tin Học ứng dụng TP.HCM.