Tạo mẫu nhanh - in 3D - Rapid Prototyping

Tạo mẫu nhanh là một ý tưởng rất thiết thực phục vụ cho việc rút ngắn chu kỳ ra đời của một sản phẩm và đã đem lại hiệu quả kinh tế không nhỏ ở những nơi biết khai thác đúng bản chất của công nghệ này một cách linh hoạt.

Máy in 3d có thể in nhiều chất liệu và màu sắc trên mẫu

Thực chất đây là công nghệ tạo lớp tuỳ theo các đặc điểm của vật liệu và dạng hình học của vật thể. Sai số tạo hình không những phụ thuộc vào cách cắt lớp, độ dày phân lớp, mức di chuyển tạo độ dày từng lớp, mà quan trọng hơn là phần mềm xử lý khi được cập nhật thông tin về độ dày thực tế. Vì vậy việc nâng cao độ chính xác tạo hình vẫn được quan tâm nhiều nhất.

Một nhược điểm đang được quan tâm khắc phục là phải tạo hình qua giai đoạn trung gian dùng vật liệu chưa như vật liệu thật của sản phẩm, nên làm “chậm lại” quá trình “tạo mẫu nhanh”.



Gia công nhanh hay là gia công cao tốc (High Speed Machining - HSM) phải dùng đến các máy công cụ với tốc độ dao cắt có thể lên đến vài chục nghìn vòng/phút.

Tạo “khuôn nhanh” (Rapid tooling) hoặc “mẫu nhanh” (Rapid prototyping) đều là bước phát triển mới của CAD (Computer Aided Design). Nếu có thiết bị tạo mẫu nhanh (thiết bị RPT) nối ghép với máy tính thì từ những hình thể 3D được thiết kế và mô tả trên màn hình có thể nhanh chóng tạo ra vật thể 3 chiều thực, sờ thấy được, trên thiết bị RPT. Cho nên người ta còn gọi thiết bị RPT là “ máy in 3D ” (Three dimension printer).

Đặc điểm của phần lớn các phương pháp PRT là chế tạo ra các mẫu bằng cách đắp thêm vật liệu theo từng lớp. Muốn vậy phải cắt mô hình 3D đã thiết kế bằng CAD ra thành các lớp có chiều dày xác định. Để cho thuận tiện, trước khi cắt lớp, người ta chuyển mô hình 3D sang dạng tệp đặc biệt, ví dụ tệp STL.

Cho đến nay có hàng chục phương pháp RPT phụ thuộc vào khả năng tạo lớp của vật liệu được sử dụng. Dưới đây trình bày sơ lược về bản chất của một số phương pháp thông dụng.

Phương pháp SLA (Stereo lithography apparatus) tạo ra các mẫu từ vật liệu cao su bắt sáng (photocurable resin) lỏng. Như mô tả trên hình 1. Khi nguồn laser, được điều khiển theo tín hiệu của máy tính, quét phủ mặt cắt ngang của mô hình 3D làm hoá cứng một lớp. Sau đó thùng đựng cao su lỏng hạ xuống một nấc và cứ thế dần dần sẽ hình thành mẫu theo từng lớp một


Phương pháp SGC (Solid Ground Curing) cũng là phương pháp làm khô cứng từng lớp. Khác với SLA, ở đây không sử dụng nguồn laser điểm mà dùng chùm ánh sáng cực tím chiếu lên toàn bề mặt, đã được che chắn qua một mặt nạ (mask). Phần vật liệu hở sáng sẽ đông cứng thành một lớp. Mặt nạ là một tấm phim âm bản của tiết diện được cắt.

Phương pháp LOM (Laminated Object Manufacturing) dùng vật liệu dạng tấm có phủ keo dính (chủ yếu là giấy nhưng cũng có thể dùng tấm nhựa, tấm kim loại v.v.). Nguồn Laser tạo ra từng lớp mặt cắt bằng cách cắt tấm vật liệu theo đường biên của mặt cắt vật thể. Các lớp mặt cắt được dán lần lượt chồng lên nhau nhờ hệ thống con lăn gia nhiệt

Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering) là phương pháp thiêu kết bằng tia Laser. Sau khi con lăn trải ra trên mặt bàn công tác một lớp bột với chiều dày đã định trước, nguồn Laser sẽ quét phủ trên bề mặt cần tạo lớp. ở vùng đó các hạt vật liệu sẽ dính kết vào nhau tạo thành một lớp. Mỗi bước di chuyển thẳng đứng của hệ thống thiết bị sẽ hình thành ra lớp tiếp theo.
Phương pháp 3D Printing hoạt động theo nguyên tắc in “phun mực”. Một loại mực keo đặc biệt được phun lên lớp bột nhựa đã được trải phẳng và hoá cứng. Như thế là chúng đã tạo ra một lớp và từng lớp dần dần tạo ra vật thể.

Phương pháp FDM (Fused Deposition Manufacturing) dùng vật liệu dạng dây dễ chảy, ví dụ nhựa ABS. Như mô tả trên hình 4, sợi dây qua đầu gia nhiệt sẽ hoá dẻo và được trải lên mặt nền theo đúng biên dạng mặt cắt của mẫu, theo từng lớp có chiều dày bằng chiều dày lớp cắt. Nhựa dẻo sẽ liên kết theo từng lớp cho đến khi tạo xong mẫu.

Trên đây giới thiệu một số phương pháp điển hình trong công nghệ tạo mẫu nhanh sử dụng các dạng vật liệu khác nhau (lỏng, bột, tấm, dây) với những đặc tính khác nhau. Cái chung là đều xử lý qua từng lớp một. Các việc cắt lớp, tạo lớp và đo lớp đều không đơn giản và có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác tạo hình. Vì thế đòi hỏi thiết bị phải có độ chính xác cao, nên rất đắt tiền. Ngoài ra cần có chương trình phần mềm đủ mạnh, ví dụ, để xử lý ngay thông tin cập nhật về độ dày của lớp vật liệu vừa tạo ra và sau khi co ngót so với độ dày danh nghĩa khi phân lớp trên máy tính. Thuận tiện hơn là kiểm tra định kỳ độ cao của vật thể sau khi hoàn thành thao tác được một số lớp vật liệu.

(Theo tạp chí TĐH ngày nay)