Công nghệ tạo mẫu nhanh

Với lịch sử hình thành từ những năm 80 và bắt đầu được sử dụng ở nhiều quốc gia từ năm 1997, Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping Engineering) hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Với những tính năng vượt trội, công nghệ này đã giúp các kỹ sư chế tạo giảm bớt thời gian gia công, đáp ứng nhanh nhu cầu của khách hàng.

Trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là lĩnh vực cơ khí, ở bước thiết kế sơ bộ, việc chế tạo một mô hình mẫu bằng các vật liệu kim loại hoặc phi kim theo tỷ lệ 1/1 hoặc thu nhỏ để xem xét hình dáng, đánh giá cấu trúc phục vụ cho công tác lựa chọn mẫu thiết kế là hoạt động thường xuyên phải thực hiện. Tuy nhiên quá trình này lại tốn khá thời gian, công sức cũng như vật liệu nhưng độ chính xác của mẫu thử lại không cao. Vì vậy, đây là lý do mà công nghệ Tạo mẫu nhanh (RP) đã ra đời. Tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping – RP) là quá trình sản xuất nhanh chóng mô hình vật lý từ mô hình CAD 3D trên máy tính. Tùy thuộc vào kích thước và độ phức tạp của mẫu mà thời gian để tạo ra một mẫu mới mất khoảng từ 3 đến 72 giờ. Như vậy, so với việc tạo mẫu bằng máy truyền thống thường mất hàng tuần đến hàng tháng thì việc tạo mẫu bằng thiết bị RP nhanh hơn rất nhiều. Ngoài ra công nghệ này không cần chuẩn bị dụng cụ cắt gọt, không tốn đồ gá, cho phép sửa đổi nhanh và thiết kế lại chi tiết thuận lợi, hơn nữa có thể tạo được những mẫu chi tiết phức tạp. Ngày nay, yêu cầu “Thời gian đưa sản phẩm ra thị trường (Time to Market – TTM)” ngày càng rút ngắn. Các sản phẩm ngoài chất lượng tốt phải có giá thành thấp và đáp ứng thị hiếu của người tiêu dùng. Với những yêu cầu này, tạo mẫu nhanh là khâu không thể thiếu trong quy trình sản xuất để rút ngắn thời gian ra thị trường và giảm chi phí. Tạo mẫu nhanh giúp các nhà sản xuất đánh giá nhanh chóng sản phẩm cuối cùng của mình về các tiêu chí: Kiểu dáng, ý tưởng, thông điệp thiết kế (design communication); kiểm định các chức năng sử dụng, sự thuận tiện cho người dùng…; kiểm tra lỗi kỹ thuật (độ chính xác, lệch tâm, lỗi bề mặt, lỗi lắp ghép…). Thời gian đưa sản phẩm ra thị trường càng ngắn thì lợi nhuận mang lại càng cao. Có thể kể đến một số xu hướng ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong các lĩnh vực:

• Chế tạo các chi tiết làm mẫu cho quá trình thiết kế sơ bộ
• Chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp, kích thước nhỏ
• Đúc mẫu chảy, đúc mẫu cháy: Máy tạo mẫu nhanh có thể in ra hàng loạt mẫu bằng loại vật liệu dễ nóng chảy như sáp hay nhựa dùng trong đúc khuôn mẫu, độ chính xác cao, chi tiết nhỏ, đồng đều, hình dạng có thể phức tạp, số lượng lớn trong thời gian ngắn. Sản xuất nữ trang là một ví dụ trong ứng dụng này.
• Ứng dụng trong y học: Tạo mẫu nhanh ứng dụng trong chế tạo chi tiết cấy ghép xương, sọ
• Ứng dụng trong quảng cáo tiếp thị: Tạo các mô hình sản phẩm dùng trong quảng cáo.
• Văn hóa và giải trí: Trong công nghiệp giải trí, tạo mẫu nhanh tạo các mô hình nhân vật phim ảnh, hoạt họa, sản xuất đồ chơi, các bộ sưu tập…

Trên thế giới hiện nay có khoảng hơn 30 công nghệ chế tạo mẫu nhanh đang được sử dụng và thương mại hoá. Dưới dây xin trình bày một số công nghệ tạo mẫu nhanh như sau:

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

• Phương pháp SGC (Solid Ground Curing): Khác với SLA, SGC 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 SGC (nguồn internet)

• 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…). 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, với vật liệu tạo mẫu có thể là kim loại, nhựa, thủy tinh, gốm. Sau khi con lăn trải ra trên mặt bàn công tác một lớp bột vật liệu với chiều dày đã được xác định trước, nguồn laser sẽ quét phủ trên bề mặt cần tạo lớp, giúp các hạt vật liệu dính kết với 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”, gần giống với các phương pháp trên nhưng sử dụng vật liệu được kết dính bằng keo. Một loại mực keo đặc biệt được phun lên lớp bột nhựa đã được trải phẳng và hoá cứng, giúp tạo ra vật thể mẫu theo từng lớp một.

• Phương pháp FDM (Fused Deposition Manufacturing): Dùng vật liệu dạng dây dễ chảy, ví dụ nhựa ABS. 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.

• Phương pháp MJM (Multi Jet Modeling): Đây là phương pháp độc quyền của hãng 3D Systems. Phương pháp sử dụng ma trận các đầu in phun in vật liệu nhựa nóng chảy thành hình mặt cắt tiết diện (lớp cắt). Từng lớp được hóa cứng nhờ tia UV trước khi in lên lớp mới.

Rất hy vọng rằng, công nghệ Tạo mẫu nhanh sẽ được ứng dụng ở nhiều các doanh nghiệp Việt Nam trong thời gian sắp tới.

 Văn phòng NSCL tổng hợp