Các phương pháp tạo mẫu nhanh cơ khí

Các phương pháp tạo mẫu nhanh cơ khí

I Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA (Stereo Lithography Aparatus).
Phương pháp SLA được phát minh bởi (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

a. Nguyên lý :
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. Một thùng chứa đầy dung dịch lỏng photopolymer. Trong thùng có một bệ đỡ (bàn gá) có thể nâng hạ được (như một cái thang máy). Chất lỏng là hỗn hợp của các monome acrylic, các oligome và một photoinitiator.
Trên hình 6.3, 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.
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 trên hình 6.4.

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.
b. Các loại thiết bị tạo mẫu và thông số kỹ thuật
Các bộ phận chính của hệ thống SLA là máy tính điều khiển, panel điều khiển, nguồn laser, hệ thống quang học và buồng xử lý.
Trên hình 6.5 là sơ đồ của thiết bị tạo mẫu SLA.

kiểu máy có sẳn và thường được sử dụng như là: SLA-190, SLA -250, SLA-350, SLA- 500
Thiết bị tạo mẫu SLA – 190 là thiết bị đầu tiên của phương pháp tạo mẫu nhanh và sử dụng tia laser He-Cd.
Thiết bị tạo mẫu SLA – 250 là loại thiết bị được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tạo mẫu nhanh và sản xuất RP&M (Rapid Prototyping and Manufacturing) trên thế giới. Kích thước mẫu mà thiết bị này tạo được thích hợp với nhiều ứng dụng khác nhau. Thiết bị sử dụng tia laser He-Cd.
Thiết bị tạo mẫu SLA – 350 là thế hệ mới của công nghệ SLA, tia laser ở trạng thái rắn Nd: YVO4 và cho năng suất cao hơn 35% so với máy SLA – 250 khi cùng tạo một chi tiết.
Máy SLA – 500 là đỉnh cao của thiết bị sản xuất của 3D Systems, nó sử dụng tia laser argon-ion rất mạnh.
Tất cả các thiết bị đều sử dụng chung một loại vật liệu sản xuất là loại nhựa lỏng có khả năng đông đặc dưới tác dụng của các tia tử ngoại như: tia gama, tia cực tím, tia x, tia electron, phóng xạ của trường điện từ, … như: expoxy, actylates, … Nét đặc trưng của chi tiết phù hợp cho từng loại nhựa được dùng cho sản xuất. Một chức năng chính khác của thiết bị là dung môi làm sạch phần nhựa dư của chi tiết sau khi chi tiết được sản xuất hoàn tất trên máy.

Phần mềm được sử dụng trong các hệ thống SLA là MeastroTM bao gồm một số môđun sau :
1. Môđun kiểm tra (3D verifyTM Module):
Môđun này cho phép đọc file định dạng .STL và chỉnh sửa trực tiếp mà không cần phải trở về phần mềm thiết kế CAD 3D ban đầu.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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).
6. 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.
7. 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.
c. Ưu và nhược điểm của phương pháp SLA.
* 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 QuickCastTM cho phép tạo mẫu cho quá trình đúc khuôn kim loại nhanh chóng và chính xác.
* 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.
d. 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.
e. 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.

Đây là đoạn đầu của PP Laser :

Laser là từ viết tắt của Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation nghĩa là quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức. Laser là loại ánh sáng có đặc tính đặc biệt, là loại sóng điện từ nằm trong dãy ánh sáng có thể nhìn thấy được. Bản chất của chùm tia laser là chùm ánh sáng đơn sắc có bươc sóng rất ngắn và góc phân kỳ rất nhỏ. Bước sóng phụ thuộc vào vật liệu phát ra tia laser.
Tia laser đầu tiên được phát minh vào tháng 5 năm 1960 bởi Maiman. Nó là loại laser hồng ngọc (rắn). Nhiều loại laser đã được phát minh ngay sau laser hồng ngọc – laser uranium đầu tiên bởi phòng thí nghiệm IBM (tháng 11 năm 1960), laser khí Helium-Neon đầu tiên bởi Phòng thí nghiệm Bell vào năm 1961, laser bán dẫn đầu tiên bởi Robert Hall ở phòng thí nghiệm General Electric năm 1962, laser khí CO2 và Nd:YAG đầu tiên bởi phòng thí nghiệm Bell năm 1964, laser hóa năm 1965, laser khí kim loại năm 1966,…Điều này cho thấy nhiều loại có thể tạo ra laser.
Để sử dụng gia công vật liệu, laser phải có đủ năng lượng. Người ta thường dùng các laser sau để gia công vật liệu : laser CO2, laser Nd-YAG hoặc laser Nd-thủy tinh và laser excimer. Trong lĩnh vực gia công kim loại thường dùng laser rắn vì công suất chùm tia tương đối lớn và có kết cấu thuận tiện.

5.3.1 Nguyên lý gia công
Gia công bằng chùm tia laser là quá trình gia công nhiệt trong đó năng lượng của chùm tia laser tập trung vào phần nhỏ của chùm tia laser làm cho phần vật liệu đó nóng chảy và bốc hơi đi. Máy gia công bằng tia laser được sử dụng trong khoan, xẻ rãnh, cắt, tạo hình, …
Theo định luật cơ học lượng tử, năng lượng của sự chuyển động tương đối của hệ thống các phần tử liên kết bất kỳ không phải là tùy ý, mà được xác định bởi hàng loạt các giá trị, được gọi là các mức năng lượng E0, E1, E2, E3 … nằm trong hệ thống phổ năng lượng.
Trong trạng thái cân bằng nhiệt động, phân bố nguyên tử theo các mức năng lượng khác nhau tuân thủ theo định luật Bolzman :
(5.25)
Trong đó :
-N1, E1, N2, E¬2 : số lượng nguyên tử và năng lượng của chúng ở mức 1 và 2 .
-K : hằng số Boizman;
-T : nhiệt độ.
Trạng thái của một phần tử bất kỳ có thể thay đổi, khi nó tác động tương hỗ với trường điện từ hoặc với các phần tử khác.
Khi chuyển năng lượng từ mức cao En¬ xuống mức thấp Em, các phần tử phát xạ sóng điện từ . Tần số của sóng điện từ V được xác định bởi biểu thức :
V = (En - Em)/h. (5.26)
Với h = 6,62.10-34 (J.s) là hằng số Planck.
Ngược lại khi chuyển năng lượng lên mức cao, các phần tử có thể hấp thu sóng điện từ cùng tần số.
Như vậy, trong các quỹ đạo dừng của nguyên tử electron chỉ chuyển động xung quanh hạt nhân theo những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định có bán kính hoàn toàn xác định gọi là quỹ đạo dừng.
Sóng điện từ ở tần số bất kỳ, kể cả sóng ánh sáng tự bản chính là dòng của các tầng năng lượng , các photon có tần số khác nhau. Năng lượng của một photon chính bằng :
En - Em = h.v (5.27)
Công thức trên phản ánh luật bảo toàn năng lượng khi có sự tác động tương hỗ của các photon với nhau. Theo đó, năng lượng phát xạ hoặc hấp thụ photon được xác định bởi sự thay đổi năng lượng của nguyên tử :
Như vậy, trong các trạng thái dừng của các nguyên tử chỉ xảy ra khi có sự tác động tương hỗ với photon ở tần số cộng hưởng.
Theo thuyết lượng tử của Anhxtanh, quá trình tác động tương hỗ gữa sóng điện từ và vật chất bao gồm 3 tác động cơ bản: Hấp thụ photon tự nhiên, phát xạ photon cưỡng bức. Nếu nguyên tử nằm ở trạng thái kích thích, tức năng lượng của nó vượt quá giá trị cho phép ở trạng thái dừng xác lập thì trạng thái kích thích đó không thể tồn tại được lâu. Ngay cả khi hoàn tòan cô lập với môi trường bên ngoài các nguyên tử kích thích sau một thời gian ngắn cũng tự động chuyển về mức năng lượng thấp hơn và phát xạ photon. Sự chuyển trạng thái như vậy được gọi là sự phát xạ photon tự nhiên và có kèm theo tiếng ồn.
Khi các nguyên tử bị tác động bởi sóng điện từ có tần số cộng hưởng chúng có thể chuyển trạng thái sang mức năng lượng thấp hơn và phát xạ photon có cùng tần số, độ phân cực và có khả năng lan truyền. Sự chuyển trạng thái như vậy được gọi là sự phát xạ photon cảm ứng hay cưỡng bức....................

Gia công tia lửa điện được phát triển vào năm 1943 ở Liên Xô bởi hai vợ chồng người Nga tại trường đại học Moscow là Giáo sư, Tiến sĩ Boris Lazarenko và Tiến sĩ Natalya Lazarenko. Cho đến nay phương pháp gia công này đã được phổ biến rộng rãi khắp nơi trên thế giới. Nguyên tắc của phương pháp này là bắn phá chi tiết để tách vật liệu. Có hai loại máy với dụng cụ khác nhau là :
- Máy EDM dùng điện cực thỏi (hay còn gọi là máy xung định hình). Điện cực trên máy này có dạng thỏi được chế tạo sao cho biên dạng của nó giống với bề mặt cần gia công. Thuật ngữ tiếng Anh của phương pháp này là EDM Die Sinking hoặc Ram-EDM.
- Máy EDM dùng điện cực dây (hay còn gọi là máy cắt dây). Điện cực trên máy này là một dây mảnh được cuốn liên tục và được chạy theo một contour cho trước. Thuật ngữ tiếng Anh của phương pháp này là Wire-cut EDM hoặc Wire EDM.
Mục đích của phương pháp gia công này là :
- Gia công những vật liệu dẫn điện khó gia công như thép tôi, thép hợp kim khó gia công, hợp kim cứng.
- Tạo hình chi tiết hệ lỗ có hình dáng phức tạp và những ứng dụng khác.
5.1.1 Bản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện
Gia công tia lửa điện hay ăn mòn điện là sự ăn mòn kim loại bằng tia lửa điện. Trong quá trình gia công, dụng cụ và chi tiết là hai điện cực, trong đó dụng cụ là catốt, chi tiết là anốt của một nguồn điện một chiều có tần số 50  500kHz, điện áp 50  300V và cường độ dòng điện 0,1  500A. Hai điện cực này được đặt trong dung dịch cách điện được gọi là chất điện môi. Khi cho hai điện cực tiến lại gần nhau thì giữa chúng có điện trường. Khi điện áp tăng lên thì từ bề mặt cực âm có các điện tử phóng ra, tiếp tục tăng điện áp thì chất điện môi giữa hai điện cực bị ion hóa làm cho chúng trở nên dẫn điện, làm xuất hiện tia lửa điện giữa hai điện cực. Nhiệt độ ở vùng có tia lửa điện lên rất cao, có thể đạt đến 12.0000C, làm nóng chảy, đốt cháy phần kim loại trên cực dương. Trong quá trình phóng điện, xuất hiện sự ion hóa cực mạnh và tạo nên áp lực va đập rất lớn, đẩy phoi ra khỏi vùng gia công. Toàn bô quá trình trên xảy ra trong thời gian rất ngắn từ 10-4  10-7s. Sau đó mạch trở lại trạng thái ban đầu và khi điện áp của tụ được nâng lên đến mức đủ để phóng điện thì quá trình trên lại diễn ra ở điểm có khỏang cách gần nhất.
Phoi của quá trình gia công là các giọt kim loại bị tách ra khỏi các điện cực và đông đặc lại thành những hạt nhỏ hình cầu. Khi các hạt này bị đẩy ra khỏi vùng gia công, khe hở giữa hai điện cự lớn lên, sự phóng điện không còn nữa. Để đảm bảo quá trình gia công liên tục, người ta điều khiển điện cực dụng cụ đi xuống sao cho khe hở giữa hai điện cực là không đổi và ứng với điện áp nạp vào tụ C.
Mạch điện trong gia công EDM phải cung cấp dòng điện “xung” một chiều qua khe hử điện cực. Có nhiều kiểu mạch điện khác nhau để tạo dòng “xung”. Hầu hết các kiểu mạch đều có một tụ điện để nạp điện, tích điện trước khi phóng điện. Hình 5.1a là sơ đồ máy phát xung RC đơn giản. Nguyên lý hoạt động của nó như sau : Điện áp cung cấp U0 qua điện trở R nạp điện cho tụ C. Khi điện áp của tụ tích lên đến U0 bằng điện áp mồi tia lửa điện thì quá trình phóng điện bắt đầu và duy trì đến lúc U0 giảm xuống đến trị số điện áp tắt. Sau đó tiếp diễn lại quá trình nạp điện cho tụ lặp lại như trước.

PP Tia lửa điện:
Gia công tia lửa điện được phát triển vào năm 1943 ở Liên Xô bởi hai vợ chồng người Nga tại trường đại học Moscow là Giáo sư, Tiến sĩ Boris Lazarenko và Tiến sĩ Natalya Lazarenko. Cho đến nay phương pháp gia công này đã được phổ biến rộng rãi khắp nơi trên thế giới. Nguyên tắc của phương pháp này là bắn phá chi tiết để tách vật liệu. Có hai loại máy với dụng cụ khác nhau là :
- Máy EDM dùng điện cực thỏi (hay còn gọi là máy xung định hình). Điện cực trên máy này có dạng thỏi được chế tạo sao cho biên dạng của nó giống với bề mặt cần gia công. Thuật ngữ tiếng Anh của phương pháp này là EDM Die Sinking hoặc Ram-EDM.
- Máy EDM dùng điện cực dây (hay còn gọi là máy cắt dây). Điện cực trên máy này là một dây mảnh được cuốn liên tục và được chạy theo một contour cho trước. Thuật ngữ tiếng Anh của phương pháp này là Wire-cut EDM hoặc Wire EDM.
Mục đích của phương pháp gia công này là :
- Gia công những vật liệu dẫn điện khó gia công như thép tôi, thép hợp kim khó gia công, hợp kim cứng.
- Tạo hình chi tiết hệ lỗ có hình dáng phức tạp và những ứng dụng khác.
5.1.1 Bản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện
Gia công tia lửa điện hay ăn mòn điện là sự ăn mòn kim loại bằng tia lửa điện. Trong quá trình gia công, dụng cụ và chi tiết là hai điện cực, trong đó dụng cụ là catốt, chi tiết là anốt của một nguồn điện một chiều có tần số 50  500kHz, điện áp 50  300V và cường độ dòng điện 0,1  500A. Hai điện cực này được đặt trong dung dịch cách điện được gọi là chất điện môi. Khi cho hai điện cực tiến lại gần nhau thì giữa chúng có điện trường. Khi điện áp tăng lên thì từ bề mặt cực âm có các điện tử phóng ra, tiếp tục tăng điện áp thì chất điện môi giữa hai điện cực bị ion hóa làm cho chúng trở nên dẫn điện, làm xuất hiện tia lửa điện giữa hai điện cực. Nhiệt độ ở vùng có tia lửa điện lên rất cao, có thể đạt đến 12.0000C, làm nóng chảy, đốt cháy phần kim loại trên cực dương. Trong quá trình phóng điện, xuất hiện sự ion hóa cực mạnh và tạo nên áp lực va đập rất lớn, đẩy phoi ra khỏi vùng gia công. Toàn bô quá trình trên xảy ra trong thời gian rất ngắn từ 10-4  10-7s. Sau đó mạch trở lại trạng thái ban đầu và khi điện áp của tụ được nâng lên đến mức đủ để phóng điện thì quá trình trên lại diễn ra ở điểm có khỏang cách gần nhất.
Phoi của quá trình gia công là các giọt kim loại bị tách ra khỏi các điện cực và đông đặc lại thành những hạt nhỏ hình cầu. Khi các hạt này bị đẩy ra khỏi vùng gia công, khe hở giữa hai điện cự lớn lên, sự phóng điện không còn nữa. Để đảm bảo quá trình gia công liên tục, người ta điều khiển điện cực dụng cụ đi xuống sao cho khe hở giữa hai điện cực là không đổi và ứng với điện áp nạp vào tụ C.
Mạch điện trong gia công EDM phải cung cấp dòng điện “xung” một chiều qua khe hử điện cực. Có nhiều kiểu mạch điện khác nhau để tạo dòng “xung”. Hầu hết các kiểu mạch đều có một tụ điện để nạp điện, tích điện trước khi phóng điện. Hình 5.1a là sơ đồ máy phát xung RC đơn giản. Nguyên lý hoạt động của nó như sau : Điện áp cung cấp U0 qua điện trở R nạp điện cho tụ C. Khi điện áp của tụ tích lên đến U0 bằng điện áp mồi tia lửa điện thì quá trình phóng điện bắt đầu và duy trì đến lúc U0 giảm xuống đến trị số điện áp tắt. Sau đó tiếp diễn lại quá trình nạp điện cho tụ lặp lại như trước...........................

Nguồn:Tài liệu giảng dạy môn học: Phương pháp gia công phi cổ điển Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM