Đồ gá kiểm in 3D cho ô tô, xe máy: thiết kế, độ ổn định kích thước và so với CNC nhôm

Đồ gá kiểm in 3D là lựa chọn nhanh và rẻ để kiểm tra linh kiện nhựa, chi tiết dập trong giai đoạn chạy thử và sản xuất loạt nhỏ của ngành ô tô, xe máy. Điểm cần cân nhắc kỹ là độ ổn định kích thước: nhựa giãn nở theo nhiệt nhiều hơn nhôm, nên thiết kế phải bù lại bằng đế cứng, chốt kim loại và quy trình kiểm định định kỳ.

Bài viết đi qua cách thiết kế, những giới hạn vật lý cần biết và bảng so sánh với đồ gá gia công CNC nhôm.

Đồ gá kiểm là gì và dùng ở đâu

Đồ gá kiểm (checking fixture) là một khung định vị chi tiết theo đúng vị trí lắp trên xe, để công nhân hoặc kỹ sư chất lượng kiểm tra nhanh các điểm quan trọng: khe hở, độ phẳng mép, vị trí lỗ, vị trí ngàm cài. Kèm theo thường có calip lọt không lọt (go/no-go) và thước đo khe.

Trong ngành ô tô, xe máy, đồ gá kiểm hay dùng cho:

• Ốp nhựa nội thất, ốp cản, yếm và dè xe máy.
• Cụm đèn, mặt nạ, chụp gương.
• Chi tiết dập tấm nhỏ, giá đỡ, ống dẫn.
• Chi tiết thay thế trong dịch vụ hậu mãi.

Formlabs dẫn trường hợp hãng tái sản xuất hộp số và động cơ JASPER dùng in 3D để làm nhanh mẫu thử, calip lọt không lọt, đồ gá và dụng cụ thử. Đây là nhóm dụng cụ có số lượng ít, thay đổi theo từng đời sản phẩm, rất hợp với in 3D.

Nguyên tắc thiết kế đồ gá kiểm in 3D

Phần in 3D chỉ là thân đồ gá. Độ chính xác nằm ở hệ định vị.

1. Theo đúng hệ chuẩn của bản vẽ chi tiết. Định vị chi tiết theo các điểm chuẩn mà bản vẽ đã chỉ định, thường theo nguyên tắc 3-2-1: ba điểm đỡ mặt chính, hai điểm cho cạnh thứ hai, một điểm chặn cuối.
2. Chốt và mặt chuẩn bằng kim loại. Chốt định vị, bạc lót, tấm đỡ tại điểm chuẩn nên là thép hoặc nhôm cấy vào thân in, không dùng trực tiếp nhựa in làm mặt chuẩn vì dễ mòn.
3. Mặt đỡ cách bề mặt chi tiết một khe đo. Thay vì ôm sát, mặt kiểm cách bề mặt chi tiết một khe danh nghĩa để đưa thước khe vào đo.
4. Đế cứng. Đồ gá dài đặt trên tấm đế nhôm hoặc thép, phần in chỉ là khối đỡ gắn lên đế. Cách này giảm rõ ảnh hưởng của cong vênh và giãn nở.
5. Đánh số điểm đo. In nổi số điểm đo và ký hiệu ngay trên thân để công nhân không phải nhìn bản vẽ.
6. Thiết kế cho công nghệ in. Thành đủ dày, gân tăng cứng, tránh mặt chuẩn nằm ở vùng có vết đỡ. Nguyên tắc chi tiết cho từng công nghệ có trong bài thiết kế 3D để in 3D theo DfAM.

Độ ổn định kích thước: điểm yếu cần tính trước

Nhựa giãn nở nhiệt nhiều hơn kim loại nhiều lần. Theo bảng tính chất trên Wikipedia, ABS có hệ số giãn nở dài khoảng 12 × 10⁻⁵ /K, còn nhôm khoảng 22,87 × 10⁻⁶ /K ở 20 °C.

Áp vào một đồ gá dài 500 mm, khi nhiệt độ xưởng thay đổi 10 °C:

• Thân ABS dài thêm khoảng 500 × 0,00012 × 10 = 0,6 mm.
• Thân nhôm dài thêm khoảng 500 × 0,0000229 × 10 ≈ 0,11 mm.

Với chi tiết nhựa có dung sai khe vài phần mười milimet, 0,6 mm là đáng kể. Vì vậy:

• Đồ gá dài nên dùng đế kim loại; phần in chỉ làm khối đỡ cục bộ.
• Vật liệu in nên chọn loại cứng, chịu nhiệt; Formlabs giới thiệu Rigid 10K là resin độn thủy tinh, rất cứng và chịu nhiệt, đã được dùng làm đồ gá hàn.
• Nylon hút ẩm, nên bảo quản và kiểm định lại nếu môi trường ẩm.
• Đặt lịch kiểm định định kỳ bằng scan 3D hoặc CMM, so với CAD. Cách kết hợp hai phương pháp này có trong bài kiểm tra 3D bằng máy scan và CMM.

So sánh đồ gá kiểm in 3D với CNC nhôm

Theo trang ứng dụng dụng cụ sản xuất của Formlabs, đồ gá in có thể đi từ thiết kế tới thử nghiệm trong khoảng 24 giờ. Trong trường hợp nhà cung cấp linh kiện ô tô Brose mà Formlabs mô tả, một đồ gá hàn in trên máy Form 4L mất chưa tới hai giờ in, và được lắp lên robot khoảng 45 phút sau khi lấy khỏi máy. Những con số này cho đồ gá hàn, nhưng cho thấy lợi thế thời gian của thân đồ gá in.

Quy trình làm đồ gá kiểm in 3D 6 bước

1. Nhận file CAD chi tiết, bản vẽ có hệ chuẩn và danh sách điểm kiểm.
2. Thiết kế đồ gá: đế, khối đỡ, chốt, kẹp, khe đo, số điểm đo.
3. Chọn công nghệ và vật liệu cho từng khối; xem bài so sánh công nghệ in 3D SLA, FDM, SLS/MJF, SLM để chọn.
4. In, cấy chốt và bạc kim loại, lắp lên đế.
5. Kiểm định đồ gá bằng scan 3D hoặc CMM, lập báo cáo sai lệch so với CAD.
6. Thử với chi tiết mẫu đạt chuẩn, rồi đưa vào sử dụng và đặt lịch kiểm định lại.

Câu hỏi thường gặp

Đồ gá kiểm in 3D có đủ chính xác cho ngành ô tô không?

Đủ cho nhiều trường hợp kiểm khe hở, vị trí lỗ và ngàm cài ở giai đoạn chạy thử và loạt nhỏ, với điều kiện có đế kim loại, chốt kim loại tại điểm chuẩn và được kiểm định bằng scan 3D hoặc CMM. Chi tiết dung sai rất chặt và dùng lâu năm vẫn nên làm đồ gá kim loại.

Nên in đồ gá kiểm bằng vật liệu gì?

Ưu tiên vật liệu cứng, ít co ngót và chịu nhiệt như resin độn thủy tinh, nylon độn sợi hoặc ABS, ASA công nghiệp. Chọn theo kích thước khối, môi trường xưởng và độ bền mài mòn cần có. Mặt chuẩn và chốt vẫn nên là kim loại cấy vào.

Bao lâu nên kiểm định lại đồ gá kiểm in 3D?

Tùy tần suất sử dụng và môi trường. Nên kiểm định khi đưa vào dùng, sau mỗi va chạm, khi đổi phiên bản chi tiết và theo lịch định kỳ do bộ phận chất lượng đặt ra. Ghi nhận kết quả để thấy xu hướng biến dạng theo thời gian.

Có thể kết hợp thân in 3D với phần CNC nhôm không?

Có, và đó thường là phương án tốt nhất. Đế và các mặt chuẩn chính gia công CNC nhôm để giữ ổn định, còn khối đỡ bám biên dạng phức tạp in 3D để nhanh và rẻ. Cách này cân bằng giữa độ chính xác, thời gian và chi phí.

Nguyễn Cường tổng hợp