BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật đề tài:
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH
ĐỂ GIA CÔNG CÁC CHI TIẾT
CÓ BỀ MẶT PHỨC TẠP

PGS. TS . Đặng Văn Nghìn 7442
10/7/2009 TP. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2004


DANH SAÙCH CAÙC CHÖÕ VIEÁT TAÉT

RP - Rapid Prototyping
SLA - Stereolithography Aparatus
LOM - Laminated Object Manufacturing
SLS - Selective Laser Sintering
FDM - Fused Deposition Medeling
SGC - Solid Ground Curing
3DP - 3D Printer
SDM - Shape Deposition Manufacturing
CAM-LEM - Computer Aided Manufacturing - Laminate Engineering
Materials
CT - Computer Tomography
MRI - Magnetic Resonance Imaging
RT - Rapid Tooling
RE - Reverse Engineering
PMMA - Polymethylmet Acrylate
HA - Hydroxyapatite
CF RP - Carbon Fiber Reinforced Plastic
MIMICS - Materialise Interactive Medical Image Control System

CMM - Coordinated Measuring Machine
CAD/CAM - Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing
CNC - Computer Numerical Control
MỤC LỤC

Danh sách những người thực hiện 4
Tóm tắt 5
Danh sách các chữ viết tắt 7

3.2.2
Thiết kế hình dáng đảm bảo tính lắp ghép 57
3.2.3 Chọn vật liệu 58
3.3. Quy trình công nghệ tạo mẫu vỏ con chuột máy tính bằng công nghệ SLA 59
3.4. Chế tạo vỏ con chuột máy tính 63
3.5. Đánh giá kết quả 65
Chương 4. NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG KỸ THUẬT NGƯC TẠO CÁC BỘ KHUÔN
MẪU NHỰA 66
4.1 Sự phát triển của ngành nhựa và nhu cầu về chế tạo khuôn mẫu nhựa 70
4.2 Khái niệm về kỹ thuật ngược 71
4.3 Các lý do sử dụng kỹ thuật ngược 71
4.4 Quá trình kỹ thuật ngược 72
4.4.1 Giai đoạn quét hình 73
4.4.2 Giai đoạn xây dựng mặt 75
4.5 Áp dụng kỹ thuật ngược để chế tạo bộ khuôn thổi 79
4.5.1 Sử dụng máy đo tọa độ CMM để quét hình 79
4.5.2 Xây dựng mặt 83
4.6 Một số ứng dụng thực tế 87
4.7 Đánh giá kết quả 90

Chương 5. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ PHẬN CẤY GHÉP 92
5.1. Tình hình tai nạn giao thông và nhu cầu chế tạo các bộ phận cấy ghép 92
5.2. Đặc điểm của các trường hợp chấn thương sọ não 95
5.2.1 Đặc điểm của hộp sọ khuyết 95
5.2.2 Đặc điểm của bộ phận cấy ghép 98
5.2.3 Phân loại bộ phận cấy ghép 98
5.3. Phân tích so sánh và lựa chọn vật liệu chế tạo bộ phận cấy ghép sọ não 100
5.3.1 Yêu cầu về vật liệu y học đối với bộ phận cấy ghép 100
5.3.2 Tình hình sử dụng vật liệu cấy ghép 101
5.3.3 Lựa chọn vật liệu chế tạo bộ phận cấy ghép để vá sọ 104

trình KC.05, Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh, cùng
các đơn vò đã tham gia hợp tác trong suốt thời gian thực hiện đề tài.

9
Chương 1:
GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. KHÁI NIỆM VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH
Hiện nay tạo mẫu nhanh là một công nghệ đang được nghiên cứu áp dụng
rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới đặc biệt là trong bối cảnh toàn cầu hóa và khu vực
hóa nền kinh tế. Vậy tạo mẫu nhanh là gì?
Từ khi ra đời cho đến nay có khá nhiều khái niệm về tạo mẫu nhanh:
 Trước đây, hầu hết các tác giả như Kochan, Chen, Jack Zhou… đều quan niệm
rằng tạo mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu vật lý từ những thiết kế 3D trên máy
tính. Trình thiết kế này là quá trình thiết kế thuận.
 Theo Kochan [53] thì tạo mẫu nhanh là tạo mẫu (mô hình vật lý) từ thiết kế 3D
(mô hình ảo). Cũng theo Kochan thì ngoài tên gọi Tạo mẫu nhanh (Rapid
Prototyping) người ta còn gọi là Layered Manufacturing, 3D Printing, Desktop
Manufacturing và Solid Freeform Fabrication.
 Trong bài giảng của mình, GS Chen – Đại học Quốc gia NTU của Đài Loan
khẳng đònh:
“Tạo mẫu nhanh là chế tạo nhanh mẫu sản phẩm từ mô hình thiết kế 3D”. Ngoài ra
GS Chen cũng đưa ra thêm các tên gọi mới như: Automated Fabrication, Tool – less
Manufacturing.
 Tiến só Jack Zhou ở Đại học Drexel lại đưa ra khái niệm sau đây về tạo mẫu
nhanh:
“Tạo mẫu nhanh là kỹ thuật tạo “tự động” mô hình vật lý hoặc mẫu từ mô hình ảo 3D.
Tạo mẫu nhanh là kỹ thuật sao chép 3 chiều (3D Photocopy) của sản phẩm”.
Một số tác giả khác lại nêu khái niệm quá trình tạo mẫu nhanh dựa trên những
nguyên tắc bồi đắp vật liệu, gia công theo lớp hoặc đặc điểm tạo mẫu không cần
khuôn.

3D.
Như vậy, kỹ thuật ngược có vai trò quan trọng đối với tạo mẫu nhanh.

11
Trong hầu hết các cuốn sách về công nghệ tạo mẫu nhanh đều trình bày về kỹ thuật
ngược. Khái niệm về kỹ thuật ngược sẽ được trình bày trong chương 4.
1.2. MỤC ĐÍCH CỦA VIỆC TẠO MẪU NHANH
Tạo mẫu là một công việc quan trọng của quá trình thiết kế, chế tạo sản
phẩm. Có thể nói tạo mẫu là mô hình hóa ý tưởng của người thiết kế. Cho nên trước
đây trước khi sản xuất hàng loạt sản phẩm bao giờ người ta cũng tạo mẫu trước để
nghiên cứu xem xét, phân tích sự phù hợp của mẫu so với những yêu cầu của sản
phẩm.
Ở đây, kỹ thuật ngược có quan hệ mật thiết với tạo mẫu nhanh và có vai trò
quan trọng để sửa đổi cải tiến và thiết kế một cách sáng tạo mô hình ảo trên máy
tính và được minh họa qua sơ đồ sau:
???vẽ sơ đồ
Ngày nay với sự phát triển của công nghệ CAD/CAM, công nghệ tạo mẫu
nhanh, thì việc tạo mẫu trở thành công đoạn cực kỳ quan trọng trong việc phát triển
sản phẩm mới. Tạo mẫu nhanh cho phép rút ngắn chu kỳ chuẩn bò sản xuất và sản
xuất để đưa nhanh sản phẩm ra thò trường.
Do vậy, công nghệ tạo mẫu nhanh là một kỹ thuật để cạnh tranh sản phẩm
của mỗi doanh nghiệp trong thời đại hiện nay. Ngoài ra công nghệ tạo mẫu nhanh có
khả năng thay đổi mẫu mã sản phẩm một cách nhanh chóng.
Chính vì lẽ đó mục đích của tạo mẫu nhanh hiện nay chính là để chào hàng
và quảng cáo tiếp thò sản phẩm mới cũng như để nghiên cứu, xem xét và phân tích
tính phù hợp của mẫu.
Với mục đích như vậy, hiện nay tạo mẫu nhanh là một công nghệ có tốc độ phát triển
như vũ bão và là công nghệ của thế kỷ 21. Công nghệ này áp dụng tích hợp các
thành tựu của công nghệ thông tin, công nghệ tự động, cơ khí chính xác và quang
học, laser, cũng như công nghệ vật liệu.


13
Đây là 4 sản phẩm điển hình của đề tài nghiên cứu có tầm quan trọng trong xã hội
chúng ta hiện nay.
Trước hết là các bộ phận cấy ghép sọ não. Đây là các chi tiết đặc thù của y học có
các bề mặt đa dạng phức tạp và đơn lẻ cho từng bệnh nhân nhưng lại có nhu cầu rất
lớn.
Thiết kế các chi tiết này khác hẳn với việc thiết kế các chi tiết cơ khí trong công
nghiệp. Ở đây cần phải dụng kỹ thuật ngược để tái tạo các sản phẩm y học.
Sản phẩm thứ hai là vỏ con chuột máy tính. Đây là một trong những sản phẩm của
công nghệ thông tin có nhu cầu cực kỳ lớn, bao gồm 4 chi tiết lắp ghép với nhau.
Mỗi chi tiết đều có những bề mặt phức tạp.
Các nước trên thế giới và một số nước trong khu vực đều đã sản xuất mặt hàng này,
nhưng ở Việt Nam, chưa có công ty nào đầu tư sản xuất. Ở đây cần áp dụng công
nghệ tạo mẫu nhanh và kỹ thuật ngược để thiết kế cải tiến các chi tiết.
Sản phẩm Chúng 3 và 4 của đề tài là các bộ khuôn thổi và bộ khuôn phun ép.
Chúng ta đều biết công nghệ thổi và công nghệ phun ép là những công nghệ cơ bản
nhất để tạo ra các sản phẩm nhựa mà các bộ khuôn là các công cụ quan trọng quyết
đònh đến chất lượng sản phẩm.
Điều quan trọng ở đây là dùng kỹ thuật ngược để thiết kế nhanh các sản phẩm nhựa
để từ đó thiết klế các bộ khuôn.
Để thực hiện các sản phẩm này, chúng tôi thấy cần phải sử dụng các kỹ thuật sau
đây:
- Kỹ thuật ngược trong y học như phương pháp chụp cắt lớp điện toán, phương
pháp cộng hưởng từ.
- Kỹ thuật xử lý dữ liệu hình ảnh CT thành mô hình 3D trên máy tính.
- Kỹ thuật ngược để thiết kế các sản phẩm công nghiệp.
- Công nghệ tạo mẫu nhanh để tạo ra các sản phẩm y học và mẫu sản phẩm
công nghiệp.


15
18 ThiÕt kÕ 1 chi tiÕt cđa c«ng nghƯ phun Ðp
19 Nghiªn cøu c«ng nghƯ Thermojet
20 Nghiªn cøu vËt liƯu y tÕ (®Ĩ chÕ t¹o bé phËn cÊy ghÐp)
21 ThiÕt kÕ 1 chi tiÕt cho khu«n thỉi b»ng kü tht ng−ỵc
22 ThiÕt kÕ 1 chi tiÕt cho khu«n phun Ðp b»ng kü tht ng−ỵc
23 ThiÕt kÕ 1 chi tiÕt cho khu«n quay b»ng kü tht ng−ỵc
24 ThiÕt kÕ 1 bé khu«n thỉi b»ng kü tht ng−ỵc
25 ThiÕt kÕ 1 bé khu«n quay b»ng kü tht ng−ỵc
26 ChÕ t¹o 1 lo¹i m« h×nh chÊn th−¬ng sä n·o trªn m¸y SLA
27 ChÕ t¹o 1 lo¹i m« h×nh x−¬ng hµm d−íi trªn m¸y SLA
28 ChÕ t¹o 1 lo¹i m« h×nh x−¬ng gß m¸ trªn m¸y SLA
29 ChÕ t¹o 1 bé khu«n ®Õ giµy theo c«ng nghƯ SLA
30 ChÕ t¹o 1 bé khu«n thỉi theo ph−¬ng ph¸p kü tht ng−ỵc
31 ChÕ t¹o 1 bé khu«n quay theo ph−¬ng ph¸p kü tht ng−ỵc
32 T¹o mÉu mỈt n¹ chèng ®éc (®· ®Ị nghÞ sưa)
33 Thư nghiƯm 2 mÉu chÊn th−¬ng sä n·o
34 Thư nghiƯm 2 mÉu x−¬ng gß m¸
35 ThiÕt kÕ bé khu«n cho chi tiÕt mỈt n¹ chèng ®éc (®· ®Ị nghÞ sưa)
36 Thư nghiƯm 1 bé khu«n thỉi
37 Thư nghiƯm 1 bé khu«n quay
38 Thư nghiƯm 1 bé khu«n thỉi ®−ỵc thiÕt kÕ tõ ph−¬ng ph¸p kü tht ng−ỵc
39 Thư nghiƯm 1 bé khu«n quay ®−ỵc thiÕt kÕ tõ ph−¬ng ph¸p kü tht ng−ỵc
40 ChÕ t¹o 1 chi tiÕt con cht m¸y tÝnh theo c«ng nghƯ SLA
41 ChÕ t¹o 1 chi tiÕt ch©n vÞt tµu thđy theo c«ng nghƯ SLA
42 ChÕ t¹o 1 chi tiÕt ®å ch¬i trỴ em

Ngoài các nhiệm vụ kể trên, trong quá trình thực hiện chúng tôi thấy cần phải bổ
sung những nhiệm vụ tiếp theo như:


- Dựa trên cơ sở chất lỏng :
Trong các hệ thống tạo mẫu nhanh dạng này, vật liệu tạo mẫu ban đầu ở trạng thái
lỏng, mà suốt quá trình thực hiện được biết đến như sự lưu hóa , vật liệu chuyển từ
trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Cho đến nay, đã có 12 phương pháp, mà điển
hình là các công nghệ như: SLA, SGC, SCS,…
- Dựa trên cơ sở dạng tấm cứng (solid):
Hệ thống tạo mẫu nhanh với vật liệu dạng khối cơ bản có liên quan đến tất cả các
hình thức vật liệu dạng khối bao gồm các dạng : dây, cuộn, tấm mỏng. Hiện nay, đã
có 8 phương pháp, mà điển hình là LOM, FDM,…
- Dựa trên cơ sở dạng bột:
Có 6 phương pháp dựa trên cơ sở dạng bột, mà điển hình là SLS, 3DP,…

18
Sau khi nghiên cứu phân tích các phương pháp kể trên chúng tôi thấy có thể
phân loại thêm theo sự tồn tại của nguồn laser.
Các phương pháp có sử dụng nguồn laser bao gồm: SLA, SLS, LOM, CAM-
LEM.
Các phương pháp không sử dụng nguồn laser bao gồm: FDM, SGC, 3D P,
SDM
Rất nhiều công ty trên thế giới đã đầu tư để thương mại hóa các công nghệ
khác nhau như: công ty 3D Systems, Stratasys, Helisys, ATM Coorperation của Mỹ,
các công ty Denken, D-MEC, Meiko Corp., Mitsubishi, Mitsui của Nhật, Electro-
Optical System (EOS) của Đức, Cubital của Israel, SpaxrxaAB của Thụy Điển,…
Theo GS. Clocke, số lượng hệ thống tạo mẫu nhanh được sử dụng tăng lên
không ngừng hàng năm, được minh họa trên đồ thò sau:

Số lượng các hệ thống tạo mẫu nhanh lắp đặt trên thế
giới
0
200

riêng biệt, nên số lượng thiết bò của từng loại cũng khác nhau theo như biểu đồ sau
đây:

Xếp hạng các hệ thống tạo mẫu nhanh quan trọng nhất
2115
1216
692 690
646 599 366 331
0
500
1000
1500
2000
2500
SL (3D
Systems)
FDM
(Stratasys)
LOM
(Helisys)
SLS (EOS,
3D System)
ModelMaker
(Solidcape)
MJM (3D
System)
Genisys
(Stratasys)
3DP (Z
Corp.)

c¶m quang sÏ ®«ng cøng l¹i. S¬ ®å nguyªn lý cđa hƯ thèng SLA ®−ỵc thĨ hiƯn trªn h×nh
2.1.
HƯ thèng gåm cã mét thïng (Vat) chøa dung dÞch c¶m quang (Liquid
Photopolymer) trong st, mét tÊm ®Õ (platform) nhóng trong bĨ cã kh¶ n¨ng n©ng lªn
vµ h¹ xng nhê mét thiÕt bÞ ®iỊu khiĨn ®−ỵc (Elevator) mét hƯ thèng cung cÊp ngn
lade (HeCd Laser) , cïng víi hƯ thÊu kÝnh (Lenses) vµ g−¬ng ph¶n x¹ (Mirror), dïng
lµm ®«ng cøng nhùa láng, mét hƯ thèng cung cÊp ngn lade (HeNe laser) vµ mét
g−¬ng ®Ĩ kiĨm tra møc nhùa trong thïng, mét hƯ thèng dao g¹t (Sweeper) dïng g¹t
nhùa trªn tÊm ®Õ t¹o mÉu ®Ĩ t¹o ra mét líp nhùa ®ång ®Ịu.
Qu¸ tr×nh t¹o mÉu x¶y ra nh− sau:
1. D−íi t¸c dơng cđa chïm tia lade ®−ỵc ®iỊu khiĨn tõ m¸y tÝnh, mét líp nhùa láng
®Çu tiªn sÏ bÞ ®«ng cøng l¹i.
2. Khi t¹o xong líp ®Çu tiªn, tÊm ®Õ sÏ h¹ xng mét nÊc cho nhùa láng trµn lªn,
sau ®ã n©ng lªn mét l−ỵng sao cho líp tr−íc n»m c¸ch mỈt nhùa kho¶ng 0,1- 0,5
mm t theo yªu cÇu.
3. TiÕp theo chïm tia lade sÏ qt lªn bỊ mỈt líp nhùa láng (theo tiÕt diƯn líp c¾t
cđa m« h×nh 3D) ®Ĩ lµm ®«ng cøng líp thø hai. Líp nµy ®−ỵc ®«ng cøng vµ dÝnh
kÕt víi líp tr−íc ®ã.
4. Qu¸ tr×nh cø tiÕp tơc lỈp l¹i cho ®Õn khi t¹o xong líp ci cïng cđa mÉu.
Qu¸ tr×nh t¹o mÉu nhanh b»ng c«ng nghƯ SLA bao gåm 5 b−íc:
1. T¹o m« h×nh 3D trªn m¸y tÝnh b»ng c¸c hƯ thèng CAD/CAM kh¸c nhau.
2. BiÕn ®ỉi m« h×nh 3D sang d¹ng file.STL.
3. KiĨm tra file .STL vµ chn bÞ file.BFF.
4. X©y dùng mÉu trªn m¸y t¹o mÉu nhanh.
5. HËu xư lý.
Vật liệu sử dụng ở đây là các loại nhựa cảm quang SL5170, SL5190
Ưu điểm:
• Tự động hoá cao: hệ thống này được tự động hoá hoàn toàn mà không
đòi hỏi bất kỳ sự tham gia nào trong suốt quá trình vận hành
• Độ chính xác cao

hai bên.
Đầu tiên vật liệu từ xy lanh cập bột nâng lên cao khỏi mặt bàn và được con
lăn gạt bột sang xy lanh tạo mẫu với bề dày khoảng 0,05-0,38 mm. Ở đây vật liệu
được nung nóng và thiêu kết bởi chùm tia laser CO
2
qua các hệ thấu kính và gương
phản xạ. Bước tiếp theo xy lanh tạo mẫu sẽ hạ xuống một lớp với bề dầy tương ứng
với bề dầy của lớp bột đã được thiêu kết. Chu kỳ của quá trình được thực hiện lại
tương tự như trên. Tại bàn tạo mẫu lớp vật liệu thứ hai được nung nóng, thiêu kết và
kết dính vào lớp thứ nhất. Quá trình cứ tiếp tục như vậy cho đến khi tạo được mẫu
hoàn chỉnh.
Vật liệu bột ở đây có thể sử dụng: nhựa nhiệt dẻo, ABS, PVC, nylon, sáp, gốm và
bột kim loại.
Ưu Điểm:
• Phương pháp SLS có khả năng tạo mẫu từ nhiều loại vật liệu khác nhau
hoặc từ những vật liệu tổ hợp nói trên.
• Không cần hậu lưu hoá do các mẫu SLS hình thành từ bột .
• Không cần gân hỗ trợ khi tạo mẫu.
Nhược điểm:
• Mật độ của mẫu không đồng đều
• Độ bóng bề mặt thấp
• Cài đặt máy phức tạp
• Giá thành thiết bò vàbảo trì rất cao
c. Phương pháp LOM
Phương pháp LOM được sáng chế bởi Michael Feygin và được thương mại
hóa bởi tập đoàn Helisys, Corp. Torrance, CA, Mỹ. Sản phẩm của Helisys là 2 kiểu
LOM-1015 và LOM-2030.

24
Máy LOM-1015 và LOM-2030 có cấu trúc tương tự nhau: phần cứng và

Phương pháp này được thương mại hố bởi cơng ty Stratasys vào năm 1989.
Sơ đồ ngun lý của FDM được trình bày trên hình 4.
Sản phẩm chính của cơng ty là máy FDM-1600, FDM-1650.
Vật liệu sử dụng ở đây là các loại nhựa nhiệt dẻo ABS, Polyamid, Nylon và
sáp. Sơ đồ ngun lý của máy FDM được trình bày như trong hình.
Q trình tạo mẫu theo cơng
nghệ này gồm các bước sau:
- Mơ hình của sản phẩm được
tạo ra bởi phần mềm CAD sử
dụng file .IGES hoặc file
.STL.
- File CAD được cắt thành
từng lớp, sau đó được xử lí bởi
phần mềm Quickslide® và
Supportwork™. Cấu trúc đỡ
chi tiết được tự động tạo ra nếu
cần thiết.
- Vật liệu cung cấp sau khi qua
đầu gia nhiệt sẽ nóng chảy và
đùn ra tấm đế theo đường dẫn bởi QuicklideR t
ạo ra lớp mong muốn. Chiều
rộng của vật liệu thốt ra có thể khác nhau và nằm trong khoảng 0,254mm –
2,54mm. Khi một lớp vật liệu hồn thành, đầu phun của máy FDM sẽ di chuyển
theo phương Z để tạo ra lớp kế tiếp. Lớp vật liệu vừa đùn ra sẽ liên kết với lớp
vật liệu trước đó. Q trình lặp lại cho đến khi mẫu được tạo ra hồn chỉnh.
A. Ưu điểm:
• Dễ sử dụng.
• Vật liệu khơng độc, có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau .
• Máy làm việc trong mơi trường bình thường.
Hình 4. S

Quá trình tạo mẫu theo công nghệ SGC bao gồm 3 bước: Chuẩn bò dữ liệu, tạo ra lớp
vỏ và chế tạo mẫu.
Trong bước chuẩn bò dữ liệu, công việc tạo ra mô hình CAD để tạo mẫu được
chuẩn bò và mặt cắt ngang được số hoá và chuyển sang tạo lớp vỏ.
Phần mềm tạo mẫu nhanh của Cubital là phần mềm DFE (Data Front End) sẽ
xử lý mô hình dạng khối rắn trước khi trước khi gởi nó tới hệ thống Solider . Phần
mềm DFE chấp nhận file CAD dạng STL hoặc những dạng thông dụng khác bởi hầu
hết hệ thống CAD đã thương mại hóa.
Sau khi dữ liệu được chấp nhận tấm thuỷ tinh được chuyển sang dạng “ảnh
trong suốt”. Một đầu phun ion bắn ion lên tấm thuỷ tinh để chuyển tới đóa mặt nạ
thuỷ tinh với độ phân giải 118 điểm/cm. Một ảnh ngược của của lớp được tạo thành.
Một lớp đen được phủ lên khắp bề mặt, ion được phân bố trên tấm và kính thuỷ tinh
phản ánh chính xác hình ảnh của mặt cắt.
Trong bước tạo mô hình, một lớp mỏng nhựa cảm quang được trải trên bề mặt
làm việc của mặt nạ thuỷ tinh đặt ở vò trí gần sát trên phần làm việc và hướng trực
chuẩn với đèn UV. Đèn UV mở trong vài giây, phần diện tích nhựa được chiếu sáng