Chương 1: Mở đầu. Trình bày mục đích của việc thực hiện đè tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. 18 Trình bày lý thuyết về in 3D kim loại.
Các yếu tố, thông số ảnh hưởng đến quá trình. Chương 3: Nghiên cứu chế tạo mẫu thử. Tiến hành thiết kế và chế tạo mẫu thử. Chương 4: Kiểm tra và đánh giá mẫu.
Trình bày các bước cũng như phương pháp trước khi tiến hành kiểm tra mẫu. Chương 5: Thống kê và đánh giá kết quả kiểm tra mẫu. Trình bày các thông số kết quả cũng như đưa ra các biểu đồ lực và đánh giá kết quả. Chương 6: Kết luận.
Tài liệu tham khảo. 19 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về công nghệ gia công đắp lớp AM Công nghệ gia công đắp lớp (AM) coi là một cuộc cách mạng công nghiệp mới sau cách mạng công nghiệp 3. Khác với gia công cắt gọt, như các quy trình gia công, đúc và rèn thông thường, AM xây dựng cấu trúc ba chiều (3D) bằng cách liên tục thêm từng lớp vật liệu với sự lập trình của mô hình thiết kế có sự trợ giúp của máy tính (CAD). Nhiều loại vật liệu khác nhau gồm polyme, kim loại, gốm sứ, thủy tinh, vật liệu sinh học và vật liệu composite, chúng đều xuất hiện trong phương pháp AM.1 minh họa lộ trình công nghệ của AM [1].1 Nguyên lý hoạt động của AM [11] Công nghệ đắp lớp AM (in 3D) hiện được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác như công nghiệp đóng tàu, hàng không, ô tô, y sinh, …Chúng đã và đang tiếp tục nghiên cứu và có thể coi là công nghệ đầy tiềm năng trong tương lai.2 Phân loại công nghệ đắp lớp AM Hình 2.2 Các phương pháp đắp lớp Theo tiêu chuẩn ASTM 2013 (American Society of Testing and Materials), có 7 phương pháp đắp lớp [2]: 20 Binder Jetting: vật liệu dạng bột đã được trải phẳng được liên kết với nhau theo từng lớp bởi một lớp nhựa được phun ra và sau đó lắng đọng tại những vị trí được lập trình lại để tạo ra sản phẩm.
Material Jetting: giọt dung dịch phun và hóa rắn theo từng lớp riêng do tia UV (Ultraviolet Light). Sheet Lamination: gồm công nghệ ultrasonic additive manufacturing (UAM) và laminated object manufacturing (LOM). Các tấm kim loại liên kết với nhau bằng hàn siêu âm sau đó được gia công cơ để hoàn thiện chi tiết. Vat Photopolymer: dung dịch nhựa photopolymer được chứa trong bồn dung dịch và sau đó được hóa rắn bởi tia UV tại những vị trí xác định theo từng lớp.
Material Extrusion: tương tự như FDM. Sợi nhựa được đùn qua một đầu phun được gia nhiệt từ đó đắp thành từng lớp đã được xác định vị trí bởi phần mềm chuyên dụng. Powder Bed Fusion (PBF): gồm các công nghệ như SLS, SLM, EBM. PBF là phương pháp mà nguồn nhiệt (laser hoặc chùm tia electron) để làm nóng chảy và thiêu kết biên dạng kim loại dạng bột đã được trải phẳng.
Direct Energy Deposition (DED): bao gồm LMD, LENS, EBAM. DED là nguồn năng lượng nhiệt (laser hoặc chùm tia electron) dùng để làm nóng chảy và thiêu kết bột kim loại được phun ra từ đầu phun đồng trục với nguồn nhiệt. Ưu điểm, nhược điểm so với phương pháp gia công cắt gọt truyền thống: Ưu điểm: Tốc độ hình thành sản phẩm nhanh so với công nghệ truyền thống. Ứng dụng, vật liệu chế tạo đa dạng.
Dễ dàng chuẩn bị, sử dụng và bảo dưỡng. Nhiều màu sắc khi tạo mẫu. Tạo ra cấu trúc bất kì, độ phức tạp cao. Không sử dụng dụng cụ cắt gọt.
Giảm được nhiều bước và nguyên công. Tối ưu hóa trong việc thiết kế sản phẩm. Nhược điểm: Tốc độ tạo sản phẩm còn chậm. Kinh phí về vật liệu cao.
Kích thước bị giới hạn. Tỷ lệ đắp thấp. 21 Wire Are Additive Manufacturing (WAAM) là một trong những công nghệ đắp lớp kim loại đã được nghiên cứu khoảng 30 năm và công nghệ này nhận được sự chú ý lớn do có thể tạo ra các chi tiết bằng kim loại với cấu trúc gần tinh, kích thước lớn và tỷ lệ đắp cao. WAAM kết hợp nhiều công nghệ hàn MIG, MAG hoặc TIG với hệ thống robot hoặc máy CNC.
Nó giúp giảm tỉ lệ lãng phí kim loại trong quá trình gia công (BTF- BuyTo Fly ratios). Gia công đắp lớp bằng hồ quang (Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM) Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) là một quy trình sản xuất được sử dụng để in 3D hoặc sửa chữa các bộ phận kim loại. Thuộc phương pháp đắp lớp Direct Energy Deposition (DED). WAAM tạo hình 3D bằng cách hàn và tạo các lớp đắp lên nhau với hình dạng mong muốn.
Nó là sự kết hợp của hai quy trình sản xuất: Hàn hồ quang kim loại bằng khí (GMAW) và gia công đắp lớp. GMAW là một quy trình hàn được sử dụng để nối các bộ phận kim loại bằng hồ quang điện và gia công đắp lớp là thuật ngữ công nghiệp cho in 3D. Việc sản xuất các bộ phận sử dụng WAAM được thực hiện bởi rô-bốt hàn tích hợp với nguồn điện. Một mỏ hàn gắn vào rô-bốt hoặc đầu trục máy CNC làm nóng chảy nguyên liệu dây để chế tạo các bộ phận 3D [3].3 Cấu tạo hệ thống WAAM [12] So với các phương pháp gia công đắp lớp trên, WAAM vượt trội hơn các quy trình sản xuất thông thường và các kỹ thuật DED khác theo một số cách.
Những lợi thế này gồm: Kích thước lớn: Kích thước có thể in tối đa chủ yếu phụ thuộc vào tầm với của robot hàn hoặc máy được sử dụng. WAAM cung cấp khả năng sản xuất các bộ phận có kích thước trên một mét khối. Kích thước có thể in tối đa có thể được tăng lên bằng việc sử dụng đường ray rô-bốt và bộ điều khiển hàn. Thiết kế đắp lớp tự do: WAAM và các phương pháp gia công đắp lớp khác cho phép sản xuất các hình dạng tương đối phức tạp.
Điều này cũng có nghĩa 22 là việc tối ưu hóa cấu trúc liên kết và sản xuất các bộ phận được thiết kế chung trở nên dễ tiếp cận hơn. Chi phí đắp lớp thấp: So với các hệ thống DED khác như thiêu kết laser kim loại trực tiếp hoặc gia công đắp lớp chùm tia điện tử, WAAM có chi phí thấp hơn. WAAM cung cấp tỷ lệ đắp lớp cao hơn so với các kỹ thuật AM khác, điều này cũng giúp cho chất lượng và chi phí của quy trình hiệu quả hơn. Sử dụng được với nhiều loại vật liệu khác nhau: WAAM sử dụng dây tiêu hao làm nguyên liệu.
Tùy thuộc vào yêu cầu của sản phẩm mà sử dụng các loại dây hàn có chất liệu khác nhau. Cung cấp nhiều loại vật liệu và tính chất cơ học để thiết kế và sản xuất một bộ phận. Gia công kết hợp: WAAM có thể được sử dụng kết hợp với các phương pháp sản xuất khác để thêm các đặc điểm cụ thể vào các bộ phận được sản xuất theo cách truyền thống. Tổng hợp vật liệu: WAAM có khả năng thiết kế các bộ phận được phân loại theo chức năng, trong đó nhiều vật liệu có thể được kết hợp để thiết kế một bộ phận, ví dụ: hợp kim coban Stellite 6 và hợp kim sắt AISI 316L.
Giảm thiểu lượng dư: vật liệu đắp WAAM được đắp lớp ở những nơi cần thiết, nhờ vậy có khả năng giảm được 50% lượng dư. Từ các khối rắn hoặc các bộ phận được làm từ vật liệu đắt tiền, ví dụ như titan việc này phù hợp với WAAM để tránh mất mát chi phí. Tối ưu hóa cấu trúc liên kết từ đó có thể tối đa hóa hiệu quả trong việc sử dụng vật liệu. Tính chất cơ học: WAAM có thể vượt trội hơn các tính chất cơ học của quy trình sản xuất đúc và rèn.
MIG hoặc MAG sẽ thích hợp khi thực hiện đắp lớp với chi tiết bằng nhôm hoặc thép do nguyên liệu cấp đồng trục với súng hàn nên dễ dàng trong việc đắp lớp. TIG làm tốt khi đắp lớp với chi tiết bằng titan để cải thiện được chất lượng của chi tiết. Tuy nhiên, hê thống cấp dây cần tách riêng với súng hàn làm cho việc lập trình sẽ phức tạp hơn. Có một số nhược điểm làm hạn chế công nghệ WAAM là biến dạng và ứng suất dư sinh ra với lượng nhiệt hàn lớn sẽ dẫn đến chính xác không cao, biến dạng và chất lượng bề mặt thấp, không thể tạo ra được chi tiết có độ phức tạp cao như các phương pháp đắp lớp khác.
Công nghệ WAAM có thể được áp dụng để tạo ra các sản phẩm có kích thước lớn trong các lĩnh vực hàng không, đóng tàu, ô tô,… 23 Hình 2.4 Một số chi tiết từ WAAM 2.1 Xử lý sản phẩm sau quy trình WAAM Quy trình WAAM cần một số hình thức xử lý gia công để đảm bảo yêu cầu kĩ thuật. Có 2 vấn đề chính cần giải quyết do tác dụng phụ của WAAM: Ứng suất dư và độ nhám bề mặt. Để khắc phục được ứng suất dư trong chi tiết, quá trình cần xử lý ở nhiệt độ cao nhằm tránh nguy cơ hỏng hóc sớm và tăng hiệu suất cũng như độ bền của sản phẩm. Trong một số trường hợp, một phương pháp xử lý nhiệt cụ thể được áp dụng để điều chỉnh các đặc tính của vật liệu.
Độ nhám bề mặt là một trong những bước xử lí quan trọng. Sản phẩm của phương pháp WAAM sau khi được gia công có thể thấy được các lớp đắp bằng mắt thường. Để tối ưu hóa độ bền chảy, kéo và khả năng chống ăn mòn, ta có thể thêm vào các bước gia công cơ như phay hoặc mài để hoàn thiện sản phẩm.2 Một số vật liệu sử dụng trong gia công đắp lớp kim loại 2.1 Thép Thép được sử dụng phổ biến trong gia công đắp lớp bởi sự linh hoạt và khả năng ứng dụng được rộng rãi trong cơ khí chính xác, chi tiết có chất lượng cao. Hầu hết, các kim loại làm từ thép đều có thể in được, với 2 loại thép được sử dụng phổ biến nhất là thép công cụ và thép không gỉ.
Siêu hợp kim Siêu hợp kim sử dụng giúp tạo ra sản phẩm có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt để tránh bị hư hại trong quá trình làm việc ở những nơi có hóa chất ăn mòn, nơi có nhiệt độ cao… Có nhiều siêu hợp kim có thể sử dụng để gia công đắp lớp, có 2 loại siêu hợp kim phổ biến nhất là Cobalt Chrome và Inconel.