Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành kỹ thuật hàng không và công nghiệp chế tạo, bánh công tác là bộ phận quan trọng chịu tác động lớn từ môi trường vận hành khắc nghiệt, dẫn đến hiện tượng mài mòn và hư hỏng sau thời gian dài sử dụng. Theo ước tính, việc thay thế bánh công tác truyền thống tiêu tốn nhiều chi phí và thời gian, đồng thời gặp khó khăn trong việc tái sản xuất do hạn chế từ nhà cung cấp. Để giải quyết vấn đề này, luận văn tập trung đánh giá khả thi của công nghệ in 3D kim loại, cụ thể là phương pháp lắng đọng kim loại bằng năng lượng laser trực tiếp (Laser Directed Energy Deposition - LDED), kết hợp với phay CNC nhằm phục hồi bánh công tác với độ chính xác cao.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng quy trình sửa chữa bánh công tác bằng công nghệ LDED, đảm bảo phục hồi hình dạng và chức năng tương đương sản phẩm gốc, đồng thời giảm thiểu chi phí và thời gian sản xuất. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng quá trình bồi đắp kim loại bằng phần mềm Simufact Welding, chế tạo mẫu thử thực tế và đánh giá chất lượng sản phẩm qua kỹ thuật quét 3D và thử nghiệm cắt trượt theo tiêu chuẩn ASTM A264. Nghiên cứu được thực hiện trong bối cảnh công nghiệp Việt Nam, với thời gian khảo sát và thử nghiệm trong năm 2023-2024.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc nâng cao hiệu quả sửa chữa bánh công tác trong ngành kỹ thuật hàng không mà còn mở rộng ứng dụng cho các ngành công nghiệp khác, góp phần tiết kiệm nguyên liệu, giảm phế thải và thúc đẩy phát triển bền vững. Qua đó, nghiên cứu cung cấp giải pháp công nghệ tiên tiến, giúp doanh nghiệp giảm thiểu gián đoạn sản xuất và tăng năng suất lao động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: công nghệ lắng đọng kim loại bằng laser (LDED) và mô phỏng truyền nhiệt trong quá trình bồi đắp kim loại. LDED là phương pháp sản xuất bồi đắp kim loại theo lớp, sử dụng nguồn năng lượng laser để nung chảy vật liệu dạng bột hoặc dây, tạo thành lớp kim loại liên kết chắc chắn trên bề mặt chi tiết. Công nghệ này cho phép sửa chữa chính xác các bộ phận bị hư hỏng, giảm thiểu phế liệu và tiết kiệm nguyên liệu.

Mô hình truyền nhiệt được mô phỏng dựa trên phương trình truyền nhiệt dạng ma trận dung tích nhiệt và ma trận dẫn nhiệt phụ thuộc nhiệt độ, giúp dự đoán sự phân bố nhiệt độ và biến dạng nhiệt trong quá trình bồi đắp. Phương trình biến dạng nhiệt liên quan đến hệ số giãn nở nhiệt và sự thay đổi nhiệt độ được sử dụng để phân tích ứng suất và biến dạng trong vật liệu.

Ngoài ra, tiêu chuẩn ASTM A264 được áp dụng để đánh giá độ bền cắt trượt của liên kết giữa lớp vật liệu bồi đắp và vật liệu nền, đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của sản phẩm sửa chữa. Các khái niệm chính bao gồm: lắng đọng kim loại bằng laser, mô phỏng truyền nhiệt, biến dạng nhiệt, thử nghiệm cắt trượt ASTM A264 và công nghệ phay CNC.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ quá trình quét 3D chi tiết bánh công tác bị hư hỏng bằng máy EinScan Pro 2X với độ chính xác 0.04 mm, kết hợp phần mềm Space Claim để thiết kế ngược mô hình số. Mô phỏng quá trình bồi đắp kim loại được thực hiện trên phần mềm Simufact Welding, sử dụng phương pháp tính toán gộp nguồn nhiệt (Advanced Thermal Cycle - ATC) nhằm tối ưu thời gian tính toán và đảm bảo độ chính xác.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm một chi tiết bánh công tác với 4 cánh, kích thước đường kính ngoài 165 mm, độ dày cánh 7 mm, được mô phỏng và chế tạo thực tế. Phương pháp chọn mẫu là lấy chi tiết thực tế từ đơn vị sản xuất, đảm bảo tính đại diện cho các trường hợp hư hỏng phổ biến.

Quy trình nghiên cứu gồm ba giai đoạn: (1) mô phỏng quá trình bồi đắp và phân tích ứng suất nhiệt, (2) chế tạo mẫu thử bằng công nghệ LDED kết hợp phay CNC để đạt dung sai ±0.05 mm, (3) đánh giá kết quả bằng kỹ thuật quét 3D so sánh với dữ liệu thiết kế và thử nghiệm cắt trượt theo tiêu chuẩn ASTM A264 để kiểm tra độ bền liên kết. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, từ khâu mô phỏng đến thử nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ chính xác hình học sau sửa chữa: Kết quả quét 3D cho thấy sai số kích thước các điểm đặc trưng trên cánh bánh công tác sau khi bồi đắp và phay CNC nằm trong khoảng ±0.03 mm, vượt yêu cầu kỹ thuật ±0.05 mm. So với kích thước thiết kế ban đầu, độ lệch trung bình giảm 40% so với phương pháp sửa chữa truyền thống.

  2. Khả năng chịu lực của lớp bồi đắp: Thử nghiệm cắt trượt theo tiêu chuẩn ASTM A264 cho thấy lực cắt tối thiểu đạt 150 MPa, vượt mức yêu cầu tối thiểu 140 MPa, chứng tỏ liên kết giữa lớp vật liệu bồi đắp và vật liệu nền có độ bền cao và ổn định.

  3. Hiệu quả mô phỏng nhiệt: Mô phỏng truyền nhiệt bằng phần mềm Simufact Welding với phương pháp ATC giảm thời gian tính toán xuống còn khoảng 10.7% so với mô phỏng truyền thống, trong khi vẫn giữ được độ chính xác về phân bố nhiệt và ứng suất. Điều này giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế và giảm thiểu sai sót trong sản xuất.

  4. Tiết kiệm thời gian và chi phí: So với phương pháp thay thế bánh công tác mới, quy trình sửa chữa bằng LDED kết hợp phay CNC rút ngắn thời gian sản xuất khoảng 30-40%, đồng thời giảm chi phí nguyên liệu và gia công khoảng 25-35%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của độ chính xác cao là do sự kết hợp hiệu quả giữa công nghệ bồi đắp kim loại bằng laser và phay CNC, giúp khắc phục sai số lớn trong quá trình in 3D kim loại. Kết quả thử nghiệm cắt trượt cho thấy liên kết vật liệu bồi đắp có chất lượng tương đương hoặc vượt trội so với vật liệu gốc, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật trong ngành hàng không.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này tương đồng với báo cáo của các nhóm nghiên cứu quốc tế về ứng dụng LDED trong sửa chữa cánh tuabin và khuôn mẫu, đồng thời mở rộng phạm vi ứng dụng cho bánh công tác trong ngành bơm công nghiệp. Việc mô phỏng nhiệt giúp giảm đáng kể thời gian và chi phí thử nghiệm vật lý, đồng thời nâng cao độ tin cậy của quy trình sản xuất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ sai số kích thước so với thiết kế ban đầu, biểu đồ lực cắt trượt so với tiêu chuẩn ASTM A264, và bảng so sánh thời gian, chi phí giữa phương pháp truyền thống và công nghệ LDED. Những kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng rộng rãi của công nghệ in 3D kim loại trong sửa chữa và sản xuất các chi tiết phức tạp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai quy trình sửa chữa LDED kết hợp phay CNC trong sản xuất: Đề nghị các doanh nghiệp kỹ thuật hàng không và công nghiệp bơm áp dụng quy trình này nhằm nâng cao hiệu quả sửa chữa, giảm thời gian và chi phí sản xuất. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 6-12 tháng để đào tạo và chuyển giao công nghệ.

  2. Đầu tư nâng cấp thiết bị quét 3D và phần mềm mô phỏng: Khuyến nghị đầu tư máy quét 3D có độ chính xác cao và phần mềm mô phỏng tiên tiến như Simufact Welding để tối ưu hóa quy trình thiết kế ngược và mô phỏng nhiệt, giúp giảm thiểu sai sót và nâng cao chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất.

  3. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật nội bộ cho sửa chữa bằng LDED: Thiết lập các tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng, bao gồm dung sai kích thước, độ bền liên kết và quy trình thử nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM A264 để đảm bảo tính đồng nhất và tin cậy của sản phẩm sửa chữa. Thời gian xây dựng tiêu chuẩn khoảng 3-6 tháng.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng công nghệ LDED: Khuyến khích các viện nghiên cứu và doanh nghiệp tiếp tục nghiên cứu ứng dụng công nghệ này cho các bộ phận máy móc khác trong ngành hàng không và công nghiệp nặng, nhằm đa dạng hóa sản phẩm và nâng cao giá trị gia tăng. Thời gian nghiên cứu tiếp theo dự kiến 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất và sửa chữa thiết bị công nghiệp: Luận văn cung cấp giải pháp công nghệ tiên tiến giúp giảm chi phí, rút ngắn thời gian sửa chữa và nâng cao chất lượng sản phẩm, phù hợp cho các đơn vị sản xuất máy bơm, tuabin và thiết bị cơ khí.

  2. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành kỹ thuật hàng không và cơ khí: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá về ứng dụng công nghệ in 3D kim loại, mô phỏng truyền nhiệt và thử nghiệm cơ học, hỗ trợ phát triển nghiên cứu và đào tạo chuyên sâu.

  3. Nhà quản lý và hoạch định chính sách công nghiệp: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ sản xuất tiên tiến, thúc đẩy đổi mới sáng tạo và phát triển bền vững trong ngành công nghiệp chế tạo.

  4. Nhà cung cấp thiết bị và phần mềm công nghệ: Các công ty cung cấp máy in 3D kim loại, máy phay CNC, phần mềm mô phỏng có thể sử dụng luận văn để hiểu rõ nhu cầu thực tế và phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ LDED là gì và ưu điểm chính của nó?
    LDED là phương pháp bồi đắp kim loại bằng laser trực tiếp, cho phép tạo hoặc sửa chữa chi tiết kim loại theo lớp với độ chính xác cao. Ưu điểm gồm khả năng sửa chữa chính xác, tiết kiệm nguyên liệu, giảm thời gian sản xuất và tạo ra cấu trúc vật liệu chất lượng cao.

  2. Phương pháp mô phỏng truyền nhiệt giúp gì trong nghiên cứu?
    Mô phỏng truyền nhiệt dự đoán phân bố nhiệt độ và biến dạng trong quá trình bồi đắp, giúp tối ưu tham số sản xuất, giảm sai sót và tiết kiệm chi phí thử nghiệm vật lý. Ví dụ, phương pháp ATC giảm thời gian tính toán xuống còn khoảng 10.7% so với mô phỏng truyền thống.

  3. Tiêu chuẩn ASTM A264 áp dụng như thế nào trong đánh giá sản phẩm?
    ASTM A264 quy định yêu cầu về độ bền cắt trượt của liên kết giữa lớp vật liệu bồi đắp và vật liệu nền. Thử nghiệm theo tiêu chuẩn này giúp đảm bảo sản phẩm sửa chữa có độ bền cơ học phù hợp, với lực cắt tối thiểu đạt khoảng 140 MPa.

  4. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác kích thước sau khi sửa chữa?
    Kết hợp công nghệ LDED để bồi đắp vật liệu với phay CNC để gia công tinh giúp đạt dung sai kích thước ±0.05 mm. Quét 3D được sử dụng để kiểm tra và so sánh với thiết kế ban đầu, đảm bảo độ chính xác cao.

  5. Ứng dụng của công nghệ này ngoài ngành hàng không là gì?
    Ngoài kỹ thuật hàng không, công nghệ LDED có thể ứng dụng trong sửa chữa máy bơm công nghiệp, khuôn mẫu, bánh răng và các chi tiết cơ khí phức tạp khác, giúp tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả sản xuất trong nhiều ngành công nghiệp.

Kết luận

  • Công nghệ LDED kết hợp phay CNC đã chứng minh khả năng sửa chữa bánh công tác với độ chính xác kích thước ±0.03 mm và độ bền liên kết vượt tiêu chuẩn ASTM A264.
  • Mô phỏng truyền nhiệt bằng phần mềm Simufact Welding với phương pháp ATC giúp giảm thời gian tính toán xuống còn khoảng 10.7%, nâng cao hiệu quả nghiên cứu và sản xuất.
  • Quy trình sửa chữa mới rút ngắn thời gian sản xuất 30-40% và giảm chi phí nguyên liệu 25-35% so với phương pháp truyền thống.
  • Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng rộng rãi công nghệ in 3D kim loại trong ngành kỹ thuật hàng không và các ngành công nghiệp khác, góp phần phát triển bền vững.
  • Đề xuất triển khai quy trình sửa chữa, đầu tư thiết bị và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật nhằm nâng cao năng lực sản xuất và bảo trì thiết bị công nghiệp trong thời gian 6-12 tháng tới.

Luận văn kêu gọi các doanh nghiệp và viện nghiên cứu tiếp tục ứng dụng và phát triển công nghệ LDED để nâng cao năng lực cạnh tranh và thúc đẩy đổi mới sáng tạo trong ngành công nghiệp chế tạo.