Thiết kế khả năng kiểm tra của chi tiết in 3D: Dự trữ chuẩn đo kiểm và phương án đo lường

Tại sao thiết kế khả năng kiểm tra lại quan trọng

Trong lĩnh vực kỹ thuật chính xác, có một câu châm ngôn: bạn không thể kiểm soát thứ bạn không thể đo lường. Đối với các chi tiết in 3D, do bản thân quy trình có tính biến động, việc kiểm tra chất lượng và xác minh kích thước còn quan trọng hơn so với chế tạo truyền thống. Thiết kế khả năng kiểm tra là một phương pháp luận xem xét đầy đủ nhu cầu kiểm tra về sau ngay từ giai đoạn thiết kế, bảo đảm rằng sau khi in xong, chi tiết có thể được kiểm tra kích thước và xác minh hiệu năng một cách hiệu quả, chính xác và kinh tế. Hình học phức tạp của chi tiết in 3D đặt ra thách thức rất lớn cho các phương pháp kiểm tra truyền thống. Đầu dò của máy đo tọa độ 3 chiều có thể không với tới được các khu vực kín; máy quét quang học có thể tạo ra thiếu dữ liệu do rãnh sâu hoặc vùng bóng; CT tia X tuy có thể phát hiện khuyết tật bên trong nhưng chi phí lại cực kỳ cao. Nếu không xét đến khả năng tiếp cận kiểm tra ngay trong giai đoạn thiết kế, chi tiết có thể không thể được xác minh, từ đó dẫn đến rủi ro chất lượng.

Nguyên tắc thiết kế chuẩn đo kiểm

Chuẩn đo kiểm là khung tham chiếu cho tất cả các phép đo kích thước ở các bước sau, và chất lượng thiết kế của nó trực tiếp quyết định độ tin cậy cũng như tính lặp lại của kết quả đo. Theo tiêu chuẩn GD&T, chuẩn đo kiểm nên tuân theo các nguyên tắc: ưu tiên tối đa, ưu tiên chức năng, ưu tiên ổn định. Trong chi tiết in 3D, do mặt phẳng của bàn in thường có độ phẳng cao, có thể lấy bề mặt tiếp xúc với bàn in làm chuẩn chính. Khi thiết kế chuẩn đo kiểm, cần bảo đảm đặc trưng chuẩn có đủ kích thước và độ ổn định. Độ phẳng của mặt chuẩn nên được kiểm soát trong phạm vi 0,05mm, dung sai đường kính của lỗ chuẩn không được vượt quá H7. Đối với các chi tiết bề mặt cong phức tạp không thể cung cấp ba mặt chuẩn trực giao, có thể thiết kế các đặc trưng chuẩn đo kiểm chuyên dụng như lỗ công nghệ để đo, mặt phẳng đo hoặc bệ nhô đo kiểm. Những đặc trưng này có thể bố trí ở khu vực không quan trọng, và nếu cần có thể loại bỏ bằng xử lý sau khi kiểm tra hoàn tất.

Thiết kế khả năng tiếp cận đo lường

Khả năng tiếp cận đo lường là năng lực để cảm biến hoặc đầu dò của thiết bị đo chạm tới đặc trưng cần đo. Trong thiết kế chi tiết in 3D, cần chủ động tránh hình thành các “điểm mù” đo lường. Các điểm mù thường gặp bao gồm đáy lỗ sâu có tỷ lệ chiều sâu trên đường kính lớn hơn 5:1, bên trong khoang kín, các kênh hẹp dưới 3mm, và bề mặt đáy bị bao quanh bởi các vách bên cao. Các chiến lược thiết kế nhằm nâng cao khả năng tiếp cận đo lường bao gồm: thiết kế cửa sổ kiểm tra trên khoang kín, với kích thước cửa sổ cho phép đầu dò hoặc trường nhìn của máy quét quang học đi vào; với đặc trưng lỗ sâu, thiết kế lỗ thông thay vì lỗ mù; với các khoang buộc phải kín, chừa lỗ hy sinh để kiểm tra, sau khi kiểm tra xong dùng nút bịt để niêm kín; với bề mặt cong phức tạp, thiết kế mặt phẳng hỗ trợ đo lường, chuyển kích thước bề mặt cong thành đặc trưng có thể đo trên mặt phẳng.

Ứng dụng GD&T trong chi tiết in 3D

GD&T là tiêu chuẩn quốc tế để biểu đạt chính xác ý đồ thiết kế, và đặc biệt quan trọng đối với chi tiết in 3D. Ký hiệu dung sai truyền thống không thể đầy đủ biểu đạt yêu cầu lắp ráp và chức năng của hình học phức tạp, còn GD&T thông qua việc định nghĩa chuẩn, hình dạng và vị trí vùng dung sai, cung cấp một ngôn ngữ giao tiếp kỹ thuật chính xác hơn. Trong chi tiết in 3D, nên tập trung áp dụng các ký hiệu GD&T sau: độ phẳng và độ thẳng để kiểm soát chất lượng bề mặt của bàn in; độ tròn và độ trụ để kiểm soát độ chính xác của các đặc trưng quay; độ vị trí để kiểm soát mối tương quan vị trí giữa hệ lỗ và các đặc trưng lắp đặt; độ biên dạng để kiểm soát độ chính xác hình dạng của các bề mặt tự do. Khi ghi chú GD&T, phải xác định rõ hệ chuẩn, nếu không việc ghi dung sai sẽ mất khung tham chiếu.

Thiết kế và lựa chọn phương án đo kiểm

Mỗi loại chi tiết in 3D khác nhau cần tương ứng với một phương án đo kiểm khác nhau. Với các chi tiết hình học đơn giản, đo bằng CMM tiếp xúc đã là đủ; với các chi tiết có bề mặt tự do, quét quang học hoặc máy theo dõi laser sẽ phù hợp hơn; với kiểm tra khuyết tật bên trong, CT công nghiệp là lựa chọn tốt nhất; với sản xuất hàng loạt, có thể cân nhắc đồ gá kiểm chuyên dụng để nâng cao hiệu quả kiểm tra. Việc xác định phương án đo kiểm ngay từ giai đoạn thiết kế có thể định hướng ngược lại cho tối ưu hóa thiết kế. Ví dụ, nếu xác định dùng quét quang học làm phương tiện kiểm tra chính, nên tránh thiết kế các rãnh lõm có tỷ lệ sâu rộng lớn; nếu xác định dùng CMM, cần bảo đảm xung quanh đặc trưng cần đo có đủ không gian tiếp cận cho đầu dò. Đối với các chi tiết quan trọng cần kiểm tra 100% toàn bộ, khi thiết kế nên cân nhắc tính khả thi của kiểm tra tự động.

Số hóa toàn quy trình từ thiết kế đến kiểm tra

Các hệ thống quản lý chất lượng hiện đại hỗ trợ số hóa toàn bộ quy trình từ thiết kế đến kiểm tra. Bằng cách đánh dấu trực tiếp GD&T và các yêu cầu kiểm tra trong mô hình CAD, có thể tự động tạo chương trình kiểm tra, hiện thực hóa quy trình hiệu quả “thiết kế tức là kiểm tra”. Hồ sơ kiểm tra số hóa còn có thể liên kết với các tham số quy trình in 3D, xây dựng chuỗi dữ liệu truy xuất nguồn gốc chất lượng. Các bước then chốt để triển khai số hóa toàn bộ quy trình bao gồm việc trong phần mềm CAD