Hiệu suất máy in 3D quy mô lớn: Tốc độ, kích thước và độ chính xác

Kích thước xây dựng lớn nhất của DOWELL (mô hình DL1824-16) đạt 1.800 × 2.400 × 1.600 mm. Mô hình này được trang bị khung hợp kim nhôm dày 80 cm, khả năng in tốc độ cao lên đến 500 mm/giây và hệ thống cân bằng tự động độ chính xác cao, đảm bảo sự cân bằng tối ưu giữa tốc độ, kích thước và độ chính xác.

Kích thước, tốc độ và độ chính xác thường được trình bày như ba thông số kỹ thuật độc lập; tuy nhiên, trong máy in 3D định dạng lớn chúng chia sẻ cùng một "ngân sách"—nghĩa là chúng là những nguồn lực ràng buộc lẫn nhau. Việc cải thiện một yếu tố thường đòi hỏi phải hy sinh hai yếu tố còn lại.

Phần tiếp theo giải thích cơ chế của "ngân sách" này và cung cấp hướng dẫn về cách ưu tiên ba chỉ số trên dựa trên yêu cầu sản xuất cụ thể của bạn.

Ba thông số, một ngân sách

Nomáy in 3D công nghiệp giữ cả ba yếu tố ở mức tối đa. Một giá trị định vị 0,02 mm đo trên quãng đường di chuyển 300 mm và cùng giá trị đó đo trên quãng đường 2.400 mm không phải là thành tựu giống nhau chỉ khác ở con số.

Độ cứng, khối lượng chuyển động và hành trình đều tăng theo kích thước bao ngoài, trong khi tiết diện khung và mô-men xoắn động cơ phải tăng nhanh hơn để duy trì cùng kết quả. Đó là nghịch lý ba mặt được tóm gọn trong một câu: hai yếu tố bất kỳ có thể đạt được, còn yếu tố thứ ba sẽ trở thành sự đánh đổi. Kết hợp kích thước bao ngoài lớn với dung sai chặt thì tốc độ là điều bạn phải từ bỏ. Kết hợp tốc độ cao với dung sai chặt thì kích thước bao ngoài phải giữ ở mức khiêm tốn. Tuy nhiên, nếu đồng thời tăng cả kích thước bao ngoài và tốc độ, thì độ chính xác chỉ còn mang tính tương đối.

Tại sao Kích thước Làm Tăng Thời Gian In Nhanh Hơn Tốc Độ Mở Rộng Của Kích Thước Bao Ngoài

Thể tích xây dựng của máy in 3D là thông số mà người mua đọc trực tiếp từ bảng thông số kỹ thuật. Sợi in (filament) là vật liệu mà máy in đặt xuống, và lượng sợi này tỷ lệ với lập phương của kích thước. Khi phóng đại một chi tiết lên 50% — từ kích thước bao ngoài 1.200 mm lên 1.800 mm — cùng hình dạng đó sẽ tiêu thụ lượng sợi in gấp 3,4 lần.

Tỷ lệ nóng chảy là đặc tính của đầu nóng (hotend), chứ không phải của khung máy. DOWELL DMplus series đạt mức tối đa gần 400 gam mỗi giờ; các máy DMpro, DL và DF chứa được 1.000 gam; máy ép đùn trục vít DP-A, được cấp liệu bằng viên (pellets) thay vì sợi (strand), đạt mức 4.000–5.000 gam. Mở rộng vùng làm việc (envelope) thì ngưỡng tốc độ lắng đọng (ceiling on deposition) vẫn giữ nguyên.

Vậy một máy in 3D định dạng lớn thực tế mang lại điều gì? Không phải tốc độ nhanh hơn từng giây. Mà là khả năng in toàn bộ chi tiết trong một lần duy nhất. Một vỏ bao (shell) kích thước đầy đủ in xong trong một lượt thay thế cho bốn đoạn riêng biệt cần lắp ghép, căn chỉnh và hoàn thiện — tốn hàng giờ công, chưa kể đường nối (seam) xuất hiện ở bất kỳ vị trí nào.

Khoảng cách di chuyển là khoản phí đánh đổi lấy độ chính xác.

Sai số góc chuyển thành sai số tuyến tính theo tỷ lệ với khoảng cách. Một phút cung (arc-minute) lệch hướng — nhỏ đến mức không thể phát hiện bằng kiểm tra thị giác — làm vòi phun dịch chuyển lệch đi 0,47 mm trên quãng đường di chuyển 1.600 mm, và lệch 0,06 mm trên quãng đường 200 mm. Không có gì thay đổi về mặt thiết bị. Chỉ có vùng làm việc (envelope) là thay đổi.

Sự giãn nở nhiệt tuân theo quy tắc tương tự. Thép dài ra khoảng 12 micrômét trên mỗi mét cho mỗi độ Celsius, do đó một khung 1 800 mm dịch chuyển khoảng 0,065 mm qua một dao động nhiệt độ ba độ trong xưởng, trong khi một khung 300 mm dịch chuyển 0,011 mm. Một con số được in trên hai bảng thông số, và chỉ một trong số chúng vẫn đúng sau khi xưởng ấm lên.

Đó là lý do tại sao một tuyên bố 0,02 mm không có ý nghĩa gì cho đến khi nó đi kèm với khoảng cách và nhiệt độ. Một máy in 3D cỡ lớn cái trả lời cả hai thì đang mô tả một sản phẩm; cái không trả lời cả hai thì đang mô tả một tờ rơi.

Độ võng tăng theo lũy thừa bậc ba của nhịp

Một dầm được đỡ ở cả hai đầu sẽ võng với lũy thừa bậc ba của chiều dài không được đỡ: gấp đôi nhịp và điểm giữa sẽ võng xuống tám lần khoảng cách tại cùng một tiết diện. Đó là cơ sở toán học đằng sau mọi khung dày trong phân khúc này, và lý do tại sao một khung chịu lực nặng 80 mm được đặt dưới dòng DL.

Mở rộng điều đó thành một xe trượt giữ vị trí ở mức phần trăm milimét khi cách ổ bi hơn một mét, và độ cứng phải đến từ đâu đó: thanh thép tăng khối lượng, khối lượng tăng lực cần thiết để di chuyển nó, và lực đó lại tác động trở lại lên khung. Động cơ phanh trên cùng một trục giữ vị trí khi xe trượt dừng lại, do đó trọng lực không có tiếng nói nào giữa các lần di chuyển.

Máy lớn đạt tốc độ ở đâu, và ở đâu nó không thể

Hai đòn bẩy xác định tốc độ hoàn thành một chi tiết lớn: tốc độ nóng chảy tối đa của đầu in, và độ thô tối đa được phép của lớp in. Cả hai đều là những quyết định liên quan đến chi tiết.

Một vỏ toàn cỡ sẽ được chà nhám, sơn hoặc dán keo hiếm khi cần bề mặt mịn, nên có thể chạy với đường kính lỗ phun sợi 1,2 mm hoặc 1,6 mm, hoặc lỗ phun hạt 3,0 mm, và tạo lớp in dày. Tuy nhiên, một mặt ghép nối trên cùng chi tiết đó thì không thể. Đó chính là sự đánh đổi giữa tốc độ và độ chính xác trong thực tế: lỗ phun rộng cho tốc độ nhanh nhưng bề mặt thô, và độ thô gây chi phí về dung sai trên bất kỳ bề mặt nào phải tiếp xúc với bề mặt khác.

Độ chính xác định vị chỉ là một trong ba yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác ở quy mô này, và thường không phải yếu tố lớn nhất. Yếu tố thứ hai là co ngót: ABS và ASA co lại khoảng 0,5–0,8% khi nguội, điều này gần như không nhận thấy trên một giá đỡ dài 20 mm nhưng lại mang tính quyết định đối với vỏ toàn cỡ, nơi các lỗ bắt bu-lông cách nhau 1.500 mm có thể lệch tới 12 mm so với vị trí được thiết lập trong tệp mô hình. Yếu tố thứ ba là đường vệt in (bead) — bản thân nó không thể tái tạo chi tiết nào nhỏ hơn chiều rộng của chính nó. Một máy in 3D độ chính xác cao đường vệt có trục 0,02 mm vẫn không đảm bảo độ khít nếu hai yếu tố nói trên không được kiểm soát.

Xếp hạng theo Kích thước, Tốc độ và Độ chính xác dựa trên chi tiết gia công

Bắt đầu từ những ứng dụng mà dung sai không phải vấn đề then chốt: vỏ toàn cỡ, mẫu thử và đồ gá. Một dải dung sai rộng là hoàn toàn chấp nhận được cho cả ba tiêu chí, đồng thời cũng cho phép sử dụng đầu phun có đường kính lớn nhất; do đó, kích thước bao ngoài (envelope) và khả năng nóng chảy (melt capacity) sẽ quyết định lựa chọn máy. Thêm một khung máy chống biến dạng thì danh sách yêu cầu đã đầy đủ — độ chính xác cao không phải tiêu chí quyết định ở đây.

Các phụ kiện, đồ gá và cụm lắp ghép tương thích đảo ngược điều đó. Tính thay thế lẫn nhau là tiêu chí kiểm tra — chi tiết thứ mười phải vừa khít với chi tiết đầu tiên — và các điểm bắt vít phải trùng khớp, do đó điều khiển vòng kín và độ chính xác định vị trên một khoảng cách cụ thể quan trọng hơn dung sai bao ngoài bổ sung. Môi trường làm việc tự nhiên của chúng là kích thước xây dựng ở mức trung bình, chứ không phải loại lớn nhất trong xưởng.

Các chi tiết sản xuất theo lô lại thiên về hướng khác: lỗ khoan nhỏ, dung sai bao ngoài khiêm tốn và tốc độ được ưu tiên hàng đầu. Lỗ khoan nhỏ và dung sai bao ngoài lớn mâu thuẫn với nhau — mỗi đặc điểm sắc nét đều làm thu hẹp vệt vật liệu, còn mỗi lớp vật liệu mỏng đều kéo dài thời gian gia công. Các chi tiết chi tiết nên được xử lý trên máy nhỏ hơn; các chi tiết cỡ đầy đủ thì nên gia công trên máy lớn.

Chỉ sản xuất đơn chiếc ở quy mô trung bình mới đòi hỏi sự cân bằng: dung sai bao ngoài ở mức trung bình, dải nhiệt độ nóng chảy nằm ở giữa và dải dung sai được nêu theo đơn vị milimét thay vì phần trăm milimét.

Kết luận

Một máy không thể đồng thời mạnh ở cả ba yếu tố này: cùng một khung máy, khối lượng và hành trình đều ảnh hưởng đến hiệu suất. máy in 3D quy mô lớn mua một bộ phận thành một khối duy nhất và tính phí theo giờ để gia công — cộng thêm dải dung sai mở rộng dần theo từng mét di chuyển.

Xưởng của chúng tôi có diện tích 12.000 m² và chúng tôi đã dành hơn 12 năm để chế tạo những máy móc này; hơn 220 kỹ thuật viên hỗ trợ hơn 9.600 khách hàng hợp tác — thời gian đủ dài để xác định chính xác một công việc cụ thể cần loại nào trong ba loại trên.

Gửi cho chúng tôi bộ phận đó, các kích thước quan trọng của nó và số lượng yêu cầu — kỹ sư của chúng tôi sẽ phản hồi với mô hình và dải dung sai mà họ báo giá.