Đồ án tốt nghiệp
Chương I
CÔNG NGHỆ TẠO KHUÔN MẪU NHANH RT
RAPID TOOLING
I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO KHUÔN MẪU NHANH RT.
1. Khái niệm chung
Công nghệ tạo mẫu nhanh là một lĩnh vực đã được phát triển từ khá lâu .
Hiện nay công nghệ này càng được phát triển mạnh mẽ về qui mô và sự đa
dạng .Từ đó có thể cho phép tạo ra các chi tiết có độ chính xác cao với vật
liệu được đổi mới kèm theo thời gian và chi phí ngày càng đuợc cải thiện .
Do đó một công nghệ mới ra đời : Công nghệ tạo khuôn mẫu nhanh RT –
Rapid Tooling . Cơ sở căn bản của phương pháp này là hoặc sử dụng các
mẫu RP để tạo ra một khuôn mẫu ( phương pháp gián tiếp ) hoặc sử dụng
các quá trình công nghệ tạo mẫu nhanh RP để tạo ra trực tiếp các lòng
khuôn ( phương pháp trực tiếp ) . Phương pháp này có các uu điểm hơn hẳn
các công nghệ tạo khuôn truyền thống ( khuôn kim loại ) ở chỗ thời gian và
chi phí tạo khuôn thấp hơn nhiều lần .Tùy thuộc vào kích cỡ và độ phức tạp
của khuôn mà thời gian có thể chỉ mất dưới 1/5 và chi phí có thể dưới 5%
chi phí tạo khuôn theo phương pháp thông thường. Tuy nhiên nhược điểm
của phương pháp này là độ bền và độ chính xác của khuôn thấp hơn so với
khuôn thông thường . Để tổng quan về công nghệ này chúng ta có mô hình
sau.(Hình 1.1).

1


Đồ án tốt nghiệp
Hệ thống gia công ảo
Thiết kế
ảo



Vật
thật

CIM

RP

CAM

SLA

SLS

LOM

3DP

FDM

…

Vật mẫu

Khuôn gia
công bằng gỗ
hoặc thạch cao

Khuôn mẫu nhanh
RT


Khuôn
mềm
(Soft
Tooling)

Khuôn
cứng
(Hard
Tooling)

Phương pháp trực
tiếp

Khuôn cứng(HardTooling)

Khuôn bền (FirmTooling)
Direct AIM TM

EOS DirectTool TM

DTM Coper PA

DTM Rapid Tool

DTM SanForm

LOM (Gốm)

EOS DirectCroning TM

Chemical bonded
Metal Powder

Arc metal Spray
Express Tool TM

EDM Electrode

NVD

Khuôn chính xác

Khuôn
gốm

Lost Foam
casting

Abrading
Process

Copper
Electroforming

Investment
casting

Plaster
casting


nhanh RP & M. Các vật mẫu thường được tạo ra bằng các phương pháp như:
FDM, LOM, SLS, SGC,SL…vv.
Các yêu cầu cơ bản của vật mẫu cho khuôn RTV là phải đảm bảo:
• Không hạn chế sự lưu hoá của khuôn cao su
• Phải đạt được độ chính xác kích thước yêu cầu
• Cho phép đánh bóng để đạt được chất lượng bề mặt yêu cầu.
Cần lưu ý rằng khuôn RTV có khả năng tái tạo lại các đường nét rất tốt.
Các đường nét rất bé của vật mẫu cũng được khuôn RTV sao chép lại và
chuyển sang cho chi tiết. Điều này vừa có lợi ích lại vừa có hại. Điều có lợi
ở đây là nhờ tính chất này mà khuôn RTV có thể sao chép tỉ mỉ ,chi tiết các
đường nét của mẫu , nhưng ngược lại nó cũng làm khó khăn ở chỗ chúng ta
phải rất cẩn thận trong công đoạn xử lý bề mặt cuối vì nếu không khéo vô
tình chúng ta có tạo vết xước rất nhỏ trên mẫu từ đó lại được chuyển vào bề
mặt khuôn và chi tiết .

5


Đồ án tốt nghiệp
o Bước 2: Tạo các đường thông khí và đậu rót ,bố trí mẫu trong
hòm khuôn.
Đậu rót được đưa lên trên vật mẫu và được gắn bằng một loại keo tốt.
Sau đó đậu rót và vật mẫu được lau chùi bằng một miếng vải dấp ướt rượu
iso propyl để loại trừ bụi bẩn và dấu vân tay. Vật mẫu và đậu rót được treo
lên trong một hộp gỗ hoặc hộp khung kim loại sạch.
o Bước 3: Tạo khuôn
Vật liệu cao su silicon lỏng được trộn đều và được đổ lên trên vật mẫu
trong môi trường chân không để loại trừ các bọt khí.
. Sau đó toàn bộ lại được đưa vào một lò lưu hoá nhiệt độ thấp với nhiệt
độ duy trì khoảng 800C ( 1220F) trong thời gian 6 – 12h.

H ình1.2 .Chế tạo khuôn mềm: soft rapid tooling.
Hình a)Vỏ khuôn cùng với đường làm mát.
Hình b) Mẫu chính xác được chế tạo bằng phương pháp SL được đặt
trong hộp khuôn trước khi đổ nhựa Epoxy.
Hinh c) Chi tiết được chế tạo.
Việc chế tạo khuôn RT bắt đầu
bằng việc đặt mẫu RP đúng vị trí
theo đường phân khuôn.Các rãnh
rót và rãnh ngang có thể được bổ
sung và được cắt bỏ sau khi khuôn
được đúc xong. Mặt ngoài của

H ình 1.3.Khuôn Epoxy điền nhôm

mẫu được phủ bằng chất trợ tháo
khuôn và bắt đầu rót nhựa lên mẫu .Thông thường bột nhôm được thêm vào
7


ỏn tt nghip
nha Epoxy, ng lm mỏt bng ng ng mm c t vo giai on
ny tng kh nng dn nhit ca khuụn.
Sau khi Epoxy ó ụng rn hon ton tm phõn khuụn c thỏo ra, o
ngc khuụn li v to lũng khuụn th 2 tng t. Sau khi khuụn hon ton
úng rn, tỏch hai na khuụn ,ly mu RP ra nha Epoxy đợc rót vào
để tạo hình phần bên kia của khuôn đúc. Khi phần thứ hai
của khuôn đúc đợc lu hoá, hai nửa của khuôn đúc đợc tách
ra và mẫu đúc đợc tháo ra.
Tuy nhiên, sự hóa rắn epoxy là phản ứng toả nhiệt, nhiệt
này có thể làm hỏng mô hình RP. Trong trờng hợp này,


200 - 3000

Acetal

100 1000

Nylon

250 3000

Nylon(trộn thuỷ tinh)

50 200

PBT

100 500

PC/ABS

100 1000

Polycarbonate

100 1000

Polyethylence

500 - 5000

Trộn với tỉ lệ
SiC phù hợp

Hút chân
không

Lấy khỏi khuôn và
xử lý trong lò đối
lu trong 4 h ở
nghiệt độ 130 0C
và hạ xuống nhiệt
độ bình thờng
trong 8 giờ

Đổ vào khuôn và
xử lý trong 24 giờ
trong nhiệt độ
trong phong

Hình 1.4 . Quy trình chế tạo khuôn gốm điền đầy bằng
epoxy.
Các giai đoạn tạo ra hai nửa
khuôn đúc gốm CBC hơi khác
với các

bớc tạo khuôn đúc

epoxy nêu trên. Các gốm CBC
chỉ tạo ra một lợng nhiệt nhỏ
trong khi xử lý (xấp xỉ 50 0C).

Việc chế tạo khuôn đúc kim loại thờng mất nhiều thời gian
và tốn kém, nhng nếu kết hợp công nghệ RP với các công
nghệ tạo khuôn gián tiếp, có thể chế tạo khuôn một cách
nhanh chóng với giá thành hợp lý. Tùy theo công nghệ chế tạo
các loại khuôn chế tạo theo phơng pháp này có tuổi thọ từ
vài chục đến hàng nghìn
sản phẩm đúc

11
Hình 1.6. Khuôn, mẫu chảy
và vật đúc (MPC Goup).


ỏn tt nghip
a) Đúc bằng mẫu chảy.
Phơng pháp đúc bằng mẫu chảy đợc dùng để đúc các chi
tiết phức tạp và chính xác. Phơng pháp này đợc sáng chế
bởi ngời Ai cập trớc đây và đợc gọi là sáp tan. Nh tên gọi của
nó, các mẫu đúc sáp đợc sử dụng để xác định hình dạng
chi tiết sau đó chảy đi. Các mẫu đúc từ vật liệu bọt, giấy,
polycarbonat và các vật liệu RP khác có thể chảy hoặc làm
bốc hơi một cách dễ dàng. việc sử dụng các mô hình RP dễ
chảy trong đúc mẫu chảy là một trong những các ứng dụng
RP đầu tiên. Ngày nay, các mẫu chảy có thể đợc chế tạo
bằng hầu hết máy RP một cách trực tiếp.

Các bớc đúc mẫu chảy bao gồm:
1. Chế tạo mẫu đúc (H. a)
2. Ghép các mẫu đúc thành nhóm và đặt đậu rót (H. b).
3. Đặt nhóm chi tiết vào trong vỏ (H. c)


g

l.

h

m.

Hình 1.7. Các bớc chế tạo khuôn đúc bằng mẫu chẩy dùng
thiết bị của MCP Metal Part Casting.
b) Đúc với mẫu là kim loại dễ nóng chảy.
Công nghệ đúc với mẫu kim loại dễ nóng chảy là một phơng pháp mới để tạo ra các chi tiết chất dẻo liền khối, rỗng,
phức tạp khó có thể tạo ra đợc bằng các phơng pháp khác.
Công nghệ này có thể xem nh một biến thể của phơng
13


ỏn tt nghip
pháp đúc bằng mẫu chảy. Sự khác biệt giữa hai phơng pháp
này là ở vật liệu dùng làm các mẫu. ở đây, các hợp kim có
nhiệt độ nóng chảy thấp đợc sử dụng làm mẫu thay cho
sáp. Các công nghệ RP đợc sử dụng để chế tạo chi tiết và
các mô hình làm mẫu đúc.
Các mẫu đúc phải có hình dạng bên trong của chi tiết.
Thông thờng, mẫu đúc đợc thiết kế để đặt vào trong vị
trí lơ lửng trong khuôn đúc và đợc chứa trong khoang đúc.
Các chi tiết đã đúc bao lấy các mẫu đúc và các mẫu này đợc loại bỏ bằng cách nung nóng hoặc bằng nhúng trong nớc
hoặc dầu nóng. Các mẫu đúc có thể có điểm nóng chảy tới
2200C tuỳ thuộc vào hợp kim sử dụng.


15


ỏn tt nghip

Hình 1.8. Quy trình đúc kim loại sử dụng máy Zcast.
Công nghệ RP có thể đợc sử dụng để tạo ra các mẫu đúc
cho chế tạo các khuôn đúc cát. Các khuôn đúc này đợc tạo
ra bằng cách đặt các mẫu đúc RP trong hòm khuôn cát sau
đó đợc điền đầy và nèn bằng cát để tạo ra khoang đúc.

Các mẫu này đợc chế tạo chính xác và dễ dàng hơn, hơn
nữa có thể thực hiện điều chỉnh lợng bù co ngót cũng nh
thêm các phần gia công phụ ở những chỗ cần gia công sau
khi đúc. Hãng Zcorp còn đa ra công nghệ chế tạo khuôn cát
trực tiếp trên hệ thống ZCast nh hình vẽ. Tuy nhiên ứng
dụng của công nghệ này vẫn cha đợc quan tâm nhiều.
e) Đúc áp lực.

16


ỏn tt nghip
Phơng pháp chế tạo khuôn đúc áp lực bằng gốm giống nh
quá trình chế tạo khuôn đúc gốm, loại khuôn này dùng để
đúc bằng hợp kim nhôm. Sau đó khuôn đúc gốm làm việc
nh khuôn đúc áp lực nhng có thể đợc sử dụng chỉ để chế
tạo một khuôn đúc kim loại.
Mục đích sử dụng mô hình RP cho đúc kim loại là để

B. Phng phỏp trc tip.
Các phơng pháp gián tiếp dùng cho sản xuất khuôn đúc
nh đợc mô tả ở phần trớc cần tối thiểu một quá trình tạo
bản sao trung gian. Điều này làm giảm độ chính xác và có
thể làm tăng thời gian xây dựng khuôn đúc. Để khắc phục
nhợc điểm này của các phơng pháp gián tiếp, một vài nhà
sản xuất thiết bị RP đã đề xuất các phơng pháp tạo khuôn
đúc nhanh mới : các khuôn đúc đợc xây dựng trực tiếp từ
các mô hình CAD 3D. Chơng này mô tả các giải pháp RT
trực tiếp đã đợc thơng mại hoá .
Các phơng pháp RT trực tiếp cho phép tạo ra các khuôn
Hình 1.9. Các bớc công nghệ chế tạo khuôn mẫu nhanh
đúc có thể thực hiện hàng chục nghìn chu kỳ và là lựa
chọn tốt hơn đối với các công nghệ làm khuôn đúc truyền
thống. Độ bền hoặc tuổi thọ dự tính của các khuôn đúc tạo
ra bởi các phơng pháp này thay đổi đáng kể tuỳ thuộc vào
vật liệu và phơng pháp RT sử dụng. Điều này khiến cho lĩnh
vực ứng dụng của các phơng pháp RT trực tiếp rất rộng bao
18


ỏn tt nghip
chùm tạo khuôn đúc bằng mẫu, tạo khuôn đúc bằng tái tạo
và tạo khuôn đúc sản xuất. Tuỳ theo ứng dụng, các phơng
pháp RT trực tiếp có thể đợc chia thành hai nhóm chính.
Chế tạo khuôn nhanh theo phơng pháp trực tiếp đợc chia
thành hai nhóm, nhóm thứ nhất bao gồm các phơng pháp có
chi phí thấp và thời gian thực hiện ngắn hơn thích hợp với
yêu cầu chế tạo các vật đúc ít và thời gian ngắn. Phơng
pháp này giúp đánh giá nhanh sản phẩm chế tạo để có


dùng trong đúc áp lực các
chi tiết nhựa nhiệt dẻo. Do
độ bền nhiệt của các nhựa
epoxy lu hoá khoảng 2000C
và các chất dẻo đợc phun ở
các nhiệt độ 3000C (5720F)
nên kiểu khuôn đúc áp lực
này phải tuân theo quy

Hình 1.10. Các đờng làm
mát trong khuôn.

trình riêng. Khuôn đúc áp lực đợc vẽ bằng phần mềm 3D
CAD, Sau đó, các đậu rót vào chốt đẩy đợc bổ sung và
khuôn đúc đợc bọc với chiều dày thích hợp (khoảng
1,27mm). Khuôn đúc sau đó đợc xây dựng trên máy tạo
hình lập thể. Các chân đỡ sau đó đợc tháo bỏ và khuôn
đúc đợc đánh bóng. Khả năng dẫn nhiệt của nhựa tạo hình
lập thể thấp hơn thép khuôn đúc thông thờng khoảng 300
lần. Để giảm nhiệt trong khuôn đúc và giảm thời gian phun,
đờng ống đồng làm mát bằng nớc đợc đặt thêm trong
khuôn và mặt sau của khuôn đúc đợc điền đầy bằng hỗn
hợp với 30% thể tích hạt nhôm và 70% của nhựa epoxy. Việc
làm mát khuôn đúc đợc thực hiện bằng thổi khí trên các bề
mặt khuôn đúc khi chúng đợc tách riêng sau khi thực hiện
đúc áp lực.
20



2. Các khuôn đúc sản xuất vật thể dạng lớp (LOM).
Phơng pháp LOM ban đầu tạo ra các chi tiết làm mẫu và
mô hình bằng các tấm giấy, nhng hiện nay có nhiều công
ty đang chào bán công nghệ và thiết bị đi kèm có khả năng
chế tạo dụng cụ trực tiếp bằng phơng pháp LOM.

Hình 1.12. Thiết bị theo công nghệ LOM của CAM-LEM và
quá trình hoạt động.
22


ỏn tt nghip
Tuy vậy, các khuôn chế tạo bằng phơng pháp trên chỉ có
thể dùng cho các nhựa dẻo nhiệt có nhiệt độ nóng chẩy thấp
mà không thích hợp cho đúc áp lực hoặc phun bằng các
chất dẻo nhiệt thông thờng. Vì vậy, ngời ta đã dùng các vật
liệu mới dựa trên epoxy hoặc gốm để có thể chịu đợc các
điều kiện làm việc khó khăn hơn. Các composit polyme
đang đợc nghiên cứu và có khả năng đợc đa vào ứng dụng
trong thời gian tới.
- Các tấm polyme : các tấm này bao gồm sợi thuỷ tinh và
gốm trong nền epoxy B-star. Các chi tiết đợc làm bằng vật
liệu này đòi hỏi hậu xử lý ở 1750C trong 1 giờ. Ngay khi xử lý
xong, chúng có độ bền nén tốt và chỉ bị biến dạng ở nhiệt
độ 2900C.
- Các tấm gốm: Hai vật liệu gốm đã đợc phát triển cho
LOM, gốm AIN có thể thiêu kết và SiC gốm có thể thâm
nhập silicon. Hai vật liệu vật liệu trộn với 55% thể tích chất
liên kết polyme.
Phơng pháp bằng hợp chất polyme đang đợc kiểm tra và

dụng

cho

thiết

bị

DTM

Sinterstation.
* LaserFormTM Đây là loại bột làm từ các hạt thép không
rỉ 420, đợc phủ bằng chất kết dính nhựa nhiệt dẻo. Phơng
pháp này có thể chia thành 2 giai đoạn. Giai đoạn đầu (giai
đoạn sơ chế), các chi tiết của khuôn đợc xây dựng từng lớp
bằng cách nung chẩy chất kết dính trong máy SLS. Trong
24


ỏn tt nghip
giai đoạn thứ 2 (giai đoạn nung), chi tiết sơ chế đợc nung
thành dạng kim loại có cấu trúc chặt bằng cách điền đầy
các khe hở bằng đồng thanh. Trong giai đoạn nung, ở
khoảng nhiệt độ 450 - 650

0

C polyme bay hơi và từ 700

0