Ứng dụng phương pháp thiết kế sản phẩm theo mô đun trong thiết kế máy tạo mẫu nhanh thiêu kết Laser

Nội dung text: Ứng dụng phương pháp thiết kế sản phẩm theo mô đun trong thiết kế máy tạo mẫu nhanh thiêu kết Laser

1. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SẢN PHẨM THEO MÔ ĐUN TRONG THIẾT KẾ MÁY TẠO MẪU NHANH THIÊU KẾT LASER APPLYING PRODUCT DESIGNING METHOD FOR MODULARITY IN RAPID PROTOTYPING MACHINE DESIGN LASER SINTERING Trần Trung Kiên 1 và Nguyễn Thanh Nam 2 1 Học viên cao học khóa 2012-2014, Ngành Kỹ thuật cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM 2 DCSELAB, Trường Đại học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM TÓM TẮT : Trong đời sống công nghiệp hiện nay, các thiết bị tạo mẫu nhanh đóng vai trò quan trọng , đảm bảo tạo ra dòng sản phẩm có mẫu mã đa dạng kiểu dáng khác nhau trong một thời gian ngắn nhất: thiết kế mẫu công nghiệp, tạo mẫu nhanh các sản phẩm đúc, các sản phẩm nhựa để đưa sản phẩm nhanh ra thị trường. Đã góp phần quan trọng trong việc giảm thiểu thời gian, chi phí sản xuất và phân phối sản phẩm, vốn là yếu tố sống còn của nhà sản xuất. Mặt khác, nó cũng là điều kiện để nhà sản xuất tăng tính cạnh tranh, linh hoạt hơn, nhanh hơn trong việc đáp ứng nhu cầu đa dạng và phức tạp của khách hàng ( sản phẩm có chất lượng cao hơn, giá thành thấp hơn, mẫu mã đa dạng, công nghệ hiện đại và đảm bảo yêu cầu về môi trường và sức khỏe cho cộng đồng , ). Máy tạo mẫu nhanh SLS là một dạng của các thiết bị trong công nghệ tạo mẫu nhanh, được sử dụng trong nền công nghiệp thế giới đã hơn 10 năm , và ngày càng phát triển do các ưu điểm nổi bật của nó về thời gian , năng suất và tính hiệu quả. Từ đó, công tác nghiên cứu thiết kế các hệ thống tạo mẫu nhanh luôn được quan tâm, đặc biệt là đối với các hệ thống tạo mẫu nhanh SLS, có ưu điểm lớn có thể thiêu kết bột sắt và sản phẩm mẫu có thể sử dụng để lắp ráp các sản phẩm thay đổi linh hoạt. chiếm tỷ trọng lớn trong các ngành công nghiệp chủ đạo hiện nay. Sau khi hội nhập WTO, Việt Nam, với các thế mạnh lâu năm trong ngành sản xuất các sản phẩm nhựa và các sản phẩm thủ công mỹ nghệ, chế tác các sản phẩm từ bột đá và các sản phẩm trong ngành công nghệ cao ưu tiên phát triển của Việt Nam, đòi hỏi phải tăng khả năng cạnh tranh của các doanh nghiệp trong nước trước các doanh nghiệp nước ngoài. Do đó việc nghiên cứu thiết kế các hệ thống tạo mẫu nhanh trong nước là rất cần thiết. Tuy nhiên với phương pháp thiết kế truyền thống thì không có khả năng đáp ứng được sự thay đổi nhanh chóng của thị trường. Vì vậy, tác giả xin chọn đề tài “ Nghiên cứu thiết kế hệ thống tạo mẫu nhanh SLS theo mô đun ” để nghiên cứu. Sau một thời gian nghiên cứu hoàn thành đề tài, luận văn đã đạt được các kết quả như sau: 1/ Xây dựng được quy trình tính toán thiết kế theo mô đun cho các hệ thống tạo mẫu nhanh SLS. 2/ Áp dụng phương pháp tính toán thiết kế cho một hệ thống tạo mẫu nhanh SLS. Từ khóa: Máy tạo mẫu nhanh, hệ thống tạo mẫu nhanh, ABSTRACT: In today's industrial life, the rapid prototyping equipment plays an important role to ensure the product line creates various designs of different styles in a short time: industrial design, create rapid prototyping of molded products, plastic products to bring products to market faster. Have an important contribution in reducing the time and cost of production and distribution of products, which is a vital element of the manufacturer. On the other hand, it is also a condition for manufacturers more competitive, more flexible, faster to meet the needs of diverse and complex customer (products with higher quality, lower cost , various designs, modern technology and ensure environmental requirements and public health, ).
2. SLS rapid prototyping machine is a device in the form of rapid prototyping technology, which is used in industry, the world has more than 10 years, and growing due to its outstanding advantages in time, productivity and efficiency. Since then, research design and rapid prototyping systems is observed, especially for SLS rapid prototyping systems, has huge advantages can be sintered iron powder and products can form used to assemble the product change flexibility. large proportion of mainstream industry today. After WTO accession, Vietnam, with the perennial strengths in manufacturing plastic products and handicrafts products, crafted from granite products and the products in the high-tech industry pros Vietnam's first development, requiring increased competitiveness of domestic firms before foreign enterprises. Therefore the design study of rapid prototyping systems in the country is essential. However, with traditional design methods are not capable to meet the rapidly changing market. Therefore, the authors would select the topic "Research Design SLS rapid prototyping systems in a modular way" to study. After a period of research completed topic, the thesis has achieved the following results: 1 / Develop a process design calculations modular systems for rapid prototyping SLS. 2 / Apply computational methods designed for a rapid prototyping system SLS .Keywords: Rapid prototyping machine, rapid prototyping systems, nhanh trong nước với giá thành rẻ hơn so 1. ĐẶT VẤN ĐỀ với các thiết bị nhập ngoại. Nhu cầu tạo ra dòng sản phẩm mẫu mã đa 2.QUY TRÌNH THIẾT KẾ THEO MÔ- ĐUN dạng kiểu dáng khác nhau trong một thời gian ngắn là rất lớn: thiết kế mẫu công Việc thiết kế theo mô-đun được nghiên cứu và úng dụng trong hệ thống tạo nghiệp, các sản phẩm đúc, các sản phẩm mẫu nhanh thiêu kết lazer là một nội dung nhựa Theo các số liệu thống kê, hiện nay được quan tâm nghiên cứu trong bài báo. rất nhiều các doanh nghiệp trong và ngoài Sau đây là quy trình phục vụ cho nghiên cứu thiết kế một máy tạo mẫu nhanh theo nước mong muốn sử dụng công nghệ tạo phương pháp thiết kế mô-đun. mẫu nhanh, để thiết kế và đưa sản phẩm của mình nhanh ra thị trường. Hiện nay ở nước ta việc thiết kế, chế tạo các sản phẩm mẫu (prototype) bằng công nghệ tạo mẫu nhanh cũng như nghiên cứu để thiết kế và chế tạo hệ thống tạo mẫu nhanh chưa được phát triển mặc dù nhu cầu của thị trường là không nhỏ. Trên cơ sở đó đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống tạo mẫu nhanh SLS theo mô đun” được thực hiện nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế hiện nay, tiến tới chế tạo hệ thống tạo mẫu
3. Phân tích nhiệm vụ thiết kế 2.2 THIẾT LẬP MA TRẬN ĐỒNG DẠNG CỦA HỆ THỐNG TẠO MẪU Lập kế hoạch thực hiện Đường chéo của ma trận đồng dạng Xác định yêu cầu kỹ thuật được bỏ trống. Các hệ số khác trong ma Đưa ra ý tưởng trận đồng dạng xác định như sau: bài toán thiết kế Đánh giá ý tưởng, b11 b 12 b 1i c1 chọn phương án thiết kế b b b c 21 22 2i 2 Si, j ( a 1 a 2 a j ) 1 xj Xác định đặc tính hệ thống (SLS) b b b c j12 j ji jxi i ix1 Xác định ảnh hưởng của SLS & GFR Trong đó: Xác định hệ số tầm quan trọng của GFR Thiết lập (a1 a 2 a j ) 1 xj ma trận đồng dạng Hình thành mô đun là vectơ các đặc tính hệ thống tạo mẫu nhanh thiêu kết lazer ( j là số đặc tính hệ Mô đun 1 Mô đun 2 Mô đun n thống). b11 b 12 b 1i Thiết kế mô đun 1 Thiết kế mô đun 2 Thiết kế mô đun n b b b 21 22 2i Đánh giá mô đun 1 Đánh giá mô đun 2 Đánh giá mô đun n bj12 b j b ji jxi Hoàn chỉnh thiết kế sản phẩm là ma trận quan hệ giữa SLS và GFR (i là Hình 2 Quy trình thiết kế theo mô-đun số yêu cầu chức năng chung) ứng dụng cho máy tạo mẫu nhanh thiêu kết lazer c1 c 2 2.1 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TẦM QUAN TRỌNG CỦA GFR CỦA HỆ THỐNG c TẠO MẪU NHANH i ix1 Nhiều yêu cầu chức năng chung có là hệ số tầm quan trọng của các yêu cầu thể tồn tại cho một sản phẩm và một số yêu chức năng chung GFR cầu chức năng thì quan trọng hơn yêu cầu 2.3 HÌNH THÀNH CÁC MÔ ĐUN CỦA chức năng khác. Do đó, hệ số tầm quan HỆ THỐNG TẠO MẪU NHANH trọng sẽ được gán cho các yêu cầu chức năng khác nhau. Hệ số tầm quan trọng có Các bộ phận với mức tương thích giá trị nằm trong khoảng từ 0,1 đến 1. cao (thể hiện với giá trị lớn nhất) sẽ được nhóm với nhau trong các mô đun thiết kế. Ở đây, bốn yêu cầu chức năng Điếu này có thể thực hiện bằng thuật toán chung của hệ thống tạo mẫu nhanh đều nhận dạng nhóm CIA, hình thành ma trân quan trọng như nhau và có hệ số tầm quan theo mô-đun chức năng của máy tạo mẫu trọng đều bằng 1. nhanh như sau.
4. Mô đun 4: Bộ phận gia nhiệt . (S)1x2 Mô đun 5: Động cơ, bộ truyền đai răng, bộ chiếu Laser. Bảng 2. Ma trận mô-đun kết cấu của máy tạo mẫu nhanh (S)11x10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 Trên cơ sở tính toán ma trận sẽ hình thành 2 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 các bộ gia trị được ghi nhận trong bảng 1. 3 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 Bảng 1.Ma trận mô đun chức năng của hệ thống tạo mẫu nhanh 4 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 0 1 0 0 0 0 6 1 1 1 2 0 2 2 1 1 1 2 2 2 1 1 0 1 0 0 0 0 7 1 1 1 1 2 0 1 1 1 1 3 2 2 1 1 0 1 0 0 0 0 8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 9 1 1 1 1 2 1 0 1 0 1 1 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 1 1 1 1 2 1 1 0 1 0 1 6 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 7 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 Từ đó, theo kết cấu hệ thống có 5 mô đun 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 như sau: 9 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 Mô đun 1: Động cơ, khớp nối, trục vít me bi,thùng gia công mẫu. 10 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 Mô đun 2: Động cơ, khớp nối, trục vít me 11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 bi,thùng cấp bột. Từ đó, theo chức năng hệ thống có 5 mô Mô đun 3: Động cơ,đai răng, băng trượt, đun như sau: bộ phận đỡ, con lăn trải bột. Mô đun 1: Động cơ, khớp nối, trục vít me Mô đun 4: Bộ phận gia nhiệt . bi,thùng gia công mẫu. Mô đun 5: Động cơ, bộ truyền đai răng, bộ Mô đun 2: Động cơ, khớp nối, trục vít me chiếu Laser. bi,thùng cấp bột. Mô đun 3: Động cơ,đai răng, băng trượt, bộ phận đỡ, con lăn trải bột. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
5. Các kết quả phân tích theo mô-đun Trên cơ sở nghiên cứu và thiết kế đươc rút ra từ quá trình thiết kế theo mô- hệ thống theo mô-đun đã nêu trên sẽ hình đun được đề ra cho các cụm máy như sau: thành một hệ thống tạo mẫu nhanh thiêu kết lazer công suất 60W, trongg hình 6. Quá trình phân tích hình thành sản phẩm là một mẫu máy tạo mẫu nhanh thiêu kết lazer hoàn chỉnh đảm bảo các thông số kỹ thuật và được mô-đun thành các cụm chức năng. nghiên cứu có thực nghiệm chế tạo một mô hinh dùng cho nghiên cứu và đánh giá được độ tin cậy của phương pháp thiết kế từ đó sẽ có cơ sở để tiến hành hiệu chỉnh và phát triển phương pháp thực hiện. Hình 3 Mô hình mô-đun của cụm thiêu kết lazer Hình 4 Mô hình mô-đun của cụm con lăn Hình 6 Mô hình chế tạo thử nghiệm máy tạo mẫu nhanh thiêu kết lazer 4. KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu ứng dụng phương pháp thiết kế máy tạo mẫu nhanh theo phương pháp phân tích theo mô-đun có kết luận sau: - Ứng dụng phương pháp thiết kế theo mô-đun trong thiết kế máy là một nội Hình 5 Mô hình mô-đun của cụm cấp bột dung mới và chưa được ứng dụng nhiều
6. trong quá trình phát triển các sản phẩm [4] Contuzzi, N.; Campanelli, S.L & máy tạo mẫu nhanh thiêu kết lazer. Ludovico, A.D “ 3D finite element analusis in the selective lazer melting -Kết quả nghiên cứu đã thực hiện process ’’, Department of Management việc mô-đun các cụm chức năng của máy and Mechanical Engineering, Viale và hoàn thành một mô hình máy tạo mẫu Japigia,182,70126 Bari, Italia, 2011. nhanh thiêu kết lazer đảm bảo các thông số [5] Carliss Y. Baldwin Kim B, Clark, “ thiết kế với công suất 60W. Modularity in the Design of Complex -Nghiên cứu sẽ được ứng dụng cho Engineering Systems’’, 2004. việc phát triển các máy tạo mẫu nhanh [6] Carliss . Baldwin, Kim B. Clark, trích thiêu kết lazer với các dòng công suất là từ Design Rules, Volume 1: “The 25W, 30W,60W,120W. Option Value of Modularity in Design”, The Power of Modularity, Harvard Business School, 16/5/2002. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] , W.A.Y YUSOFF & A.J THOMAS, The effect of employing an effective laser sintering scanning strategy and energy density value on eliminating “orange peel” on a selective laser sintered part, International Islamic University Malaysia, Faculty of Manufacturing and Materials Engineering, P O Box 10, 50728 Kuala Lumpur, Malaysia. [2] M.S.Wahab, K.W.Dalgarno, R.F.Cochrane, S.Hassan Member, IAENG , Development of Polymer Nanocomposites for Rapid Prototyping Process, 2008. [3] Radovan HUDÁK, Martin ŠARIK,Róbert DADEJ, Jozef ŢIVČÁK,Daniela HARACHOV, Material and thermal analysis of laser sinterted products, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Biomedical Engineering and Measurement, Technical University of Košice, Letná 9, 042 00 Košice, Slovakia.
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.