Mở đầu Chương 2: Tổng Quan Chương 3: Cơ sở lý thuyết Chương 4: Phương pháp nghiên cứu Chương 5: Kết Quả và phân tích Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Tài liệu tham khảo: Trích dẫn các tài liệu liên quan phục vụ cho mục đích nghiên cứu của đề tài. TỔNG QUAN Chương này sẽ trình bày tổng quan về các nghiên cứu trước đó về lĩnh vực liên. Tình hình nghiên cứu về ứng dụng công nghệ bồi đắp LDED Trong những năm gần đây, công nghệ lắng lọng kim loại đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ trong ngành công nghiệp sản xuất bổ sung, đặc biệt là trong việc sửa chữa và tái chế tạo các bộ phận kim loại. Các công trình nghiên cứu khác nhau đã khám phá tiềm năng, ưu điểm, và thách thức của công nghệ này, cung cấp cái nhìn toàn diện về khả năng ứng dụng và phát triển của LDED trong tương lai.
Michael Wilson và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu [2] về việc tái chế các cánh tuabin bằng công nghệ lắng đọng trực tiếp bằng laser (Laser Direct Deposition - LDD). Mục đích của họ là để sửa chữa các khuyết tật trên cánh tuabin, giúp giảm thiểu tác động môi trường và tiêu thụ năng lượng liên quan đến việc sản xuất mới. Công nghệ này cho phép sửa chữa chính xác các bộ phận bị hư hỏng mà không cần phải thay thế toàn bộ, từ đó kéo dài tuổi thọ sử dụng của các chi tiết và giảm chi phí sản xuất.1 a) Cánh gốc không bị hư hại, b) Cánh được phục hồi theo tiêu chuẩn và c) cánh được phục hồi bằng PCS [2] 5 Năm 2015, Jorge M.Laurenco và công sự đã tiến hành nghiên cứu [3] các đặc tính cơ học đối với vật liệu AerMet 100, một loại vật liệu thường được dùng trong hàng không quân đội như càng đáp của máy bay. Nhóm đã ứng dụng phương pháp phủ một lớp vật liệu AerMet 100 lên vị trí có vết nứt của một thanh trụ có đường kính 31.
Sau hàng loạt các đánh giá về cơ tính, kết quả cho thấy tuổi thọ trung bình của mẫu được phủ vật liệu tăng lên đáng kể 184,290 so với mẫu đã có vết nứt là 16,087 lần [3]. Ngoài ra, Kim và cộng sự đã ứng dụng công nghệ này để phát triển khuôn đúc có kênh làm mát theo hình dạng tối ưu, giúp tối ưu hóa thời gian làm mát cho sản phẩm đúc [4].2 Hình ảnh so sánh giữa rãnh làm mát thông thường và rãnh làm mát tối ưu với công nghệ LDED [4] 6 Hình 2.3 Hình ảnh thể hiện cấu trúc bên trong của khuôn [4] Trong bài nghiên cứu được công bố trên tạp chí "Physics Procedia" năm 2016 [5], Torsten Petrat và công sự đã tiến hành nghiên cứu về các quy trình chế tạo và sửa chữa các bộ phận sao cho gần giống nhất với hình dạng cuối cùng trong sản xuất. Tác giả đã thực hiện sửa chữa trên chi tiết đầu đốt tuabin khí, mục đích giúp giảm thiểu lượng gia công cần thiết sau khi in, nhằm tối ưu hóa hiệu quả sản xuất và giảm lượng chất thải. Công nghệ này cho phép sửa chữa chính xác các bộ phận bị hư hỏng mà không cần phải thay thế toàn bộ, từ đó kéo dài tuổi thọ sử dụng của chúng và giảm chi phí sản xuất.
Ngoài ra trong lĩnh vực khuôn mẫu cũng quan tâm về ứng dụng này trong việc sửa chữa một phần của khuôn bị hư hỏng. Trong nghiên cứu [6] Sagar H. Nikam và Neelesh Kumar Jain đã thảo luận sâu về các quá trình sửa chữa các thiết bị bị hư hỏng như dập khuôn, khuôn mẫu và bánh răng. Tác giả đã chỉ ra rằng sử dụng công nghệ laser trong sửa chữa là một phương pháp hiệu quả để khắc phục các hư hại như các vết nứt, mài mòn và biến dạng do nhiệt.
Laser cung cấp một lựa chọn sửa chữa nhanh chóng và chính xác, cho phép kiểm soát tốt hơn đối với vùng ảnh hưởng nhiệt và chất lượng lắng đặt [6]. 7 Tổng hợp các công trình nghiên cứu cho thấy công nghệ LDED đang dần khẳng định vị thế của mình như một công nghệ quan trọng trong sản xuất bồi đắp và tái sản xuất. Với khả năng áp dụng linh hoạt, tiết kiệm nguyên liệu và thời gian, cũng như khả năng sản xuất các bộ phận phức tạp, công nghệ này hứa hẹn sẽ mở rộng phạm vi ứng dụng và tạo ra cơ hội mới cho ngành công nghiệp sản xuất và sửa chữa trong tương lai. Nhận thấy tiềm năng này, bài luận tập trung ứng dụng công nghệ LDED để phát triển một quy trình hiệu quả và toàn diện, nhằm giải quyết các thách thức cụ thể mà đơn vị hợp tác đang gặp phải.
Tình hình nghiên cứu về mô phỏng quá trình lắng đọng Phương pháp mô phỏng số trong quá trình lắng đọng kim loại bằng năng lượng laser được áp dụng để dự đoán kết quả của các quá trình sản xuất trước khi tiến hành các thử nghiệm vật lý, qua đó tiết kiệm đáng kể thời gian và nguồn lực. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các bộ phận lớn và có giá trị cao, nơi mà chi phí và rủi ro của các thử nghiệm thực tế có thể rất lớn. Mô phỏng cũng giúp phát hiện và giảm thiểu những sai sót tiềm ẩn trong quá trình sản xuất, từ đó nâng cao chất lượng và độ chính xác của sản phẩm cuối cùng. Do tầm quan trọng ngày càng tăng của phương pháp này, các nghiên cứu về mô phỏng quá trình bồi đắp kim loại đã nhận được nhiều sự chú ý trong những năm gần đây.
Biegler và các cộng sự đã thực hiện bài nghiên cứu [7] dựa trên các mô phỏng số đã được thiết lập và xác thực trong những năm gần đây để giảm thiểu công sức thử nghiệm thực tế trong việc lập kế hoạch xây dựng, tìm kiếm tham số và giảm biến dạng trong quá trình lắng đọng bằng năng lượng laser. Ngoài ra nhằm đảm bảo phương pháp mô phỏng của phần mềm Simufact Welding có độ tin cậy cao, B. Elsner và cộng sự đã thực hiện nghiên cứu [8] về việc đánh giá chất lượng kết quả của các mô phỏng lắng đọng với việc đơn giản hóa dần chuyển động nguồn nhiệt chuyển tiếp. Mục đích của họ là để giảm thiểu số bước tính toán trong mô phỏng mà vẫn giữ được sự chính xác về mặt nhiệt động và năng lượng.
Nhóm tác giả đã kiểm định bằng cách so sánh lịch sử nhiệt mô phỏng với lịch sử nhiệt đo được trên chi tiết nền và vật liệu bồi đắp của một bộ phận minh họa. Mô phỏng này 8 cho thấy việc nhóm các giai đoạn nhiệt động lực học lại với nhau có thể giảm đáng kể số lượng bước tính toán mà vẫn giữ được ảnh hưởng của việc nung nóng và làm mát cục bộ trên cấu trúc. Kết quả cho thấy phương pháp "chu kỳ nhiệt tiên tiến" (ATC) có thể giảm thời gian tính toán xuống còn 10.7% so với mô phỏng tham chiếu mà không làm mất đi độ chính xác của kết quả. Dựa trên những tiến bộ đã đạt được từ các nghiên cứu mô phỏng quá trình lắng đọng kim loại bằng laser, chúng ta hoàn toàn có thể áp dụng những hiểu biết này vào việc giải quyết bài toán hiện tại.
Điều này sẽ giúp đề tài giảm thiểu sai sót đáng kể trong quá trình sửa chữa và nâng cao chất lượng sản phẩm. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương này sẽ trình bày các nguyên lý cơ bản về hoạt động của công nghệ lắng đọng trực tiếp, một phương pháp sản xuất tiên tiến trong lĩnh vực công nghệ in 3D kim loại. Kết hợp với trình bày một số phương trình cơ bản thường được sử dụng trong mô phỏng môi trường số của công nghệ này. Ngoài ra, chương này cũng giới thiệu về tiêu chuẩn ASTM A264, một tiêu chuẩn quan trọng dùng để thử nghiệm lực cắt trượt, giúp đánh giá chất lượng và độ tin cậy của các vật liệu được sản xuất qua công nghệ bồi đắp kim loại.
Lắng đọng kim loại bằng Laser 3. Phương pháp lắng đọng trực tiếp Phương pháp lắng đọng năng lượng trực tiếp, hay còn được biết đến với tên gọi khác là Laser Metal Deposition (LMD), đại diện cho một tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực chế tạo và sửa chữa chi tiết kim loại. Được thiết kế để tạo ra các sản phẩm có độ phức tạp cao, phương pháp này đặt nền móng trên việc sử dụng đầu cung cấp vật liệu và nguồn nhiệt, được điều khiển một cách chính xác thông qua chuỗi lệnh được lập trình trước. Nguyên tắc cơ bản của phương pháp lắng đọng trực tiếp dựa trên việc bồi đắp vật liệu kim loại theo từng lớp, tạo nên chi tiết hoặc sản phẩm theo mô hình đã được thiết kế trước đó trên máy tính.
Trong quy trình này sử dụng một nguồn năng lượng để làm tạo ra lượng nhiệt lớn tại một điểm cụ thể trên bề mặt nền được hàn. Quá trình này có thể bắt đầu bằng việc áp dụng một tia laser hoặc nguồn nhiệt tương đương tại điểm hàn, tạo ra một điểm nóng chảy có thể kiểm soát. Một phần của nhiệt lượng được tạo ra được hấp thụ bởi lớp bề mặt, trong khi phần còn lại được phản xạ và mất đi. Nhiệt độ tác dụng lên lớp bề mặt cơ sở sau đó được truyền vào bên trong thông qua dẫn nhiệt, và tại vị trí này, vật liệu sẽ nóng chảy.
Vật liệu từ buồng chứa được bơm vào vị trí nóng chảy dưới dạng hạt bột hoặc dạng sợi, và chúng cũng trải qua quá trình nung chảy do tác động của nguồn năng lượng. Trong quá trình này, hạt bột hoặc dây vật 10 liệu cũng hấp thụ một lượng nhiệt lượng nhất định. Điều này dẫn đến một hiệu ứng mất mát năng lượng, khiến cho công suất của nguồn nhiệt đến bề mặt hàn giảm xuống so với giá trị được thiết lập. Lượng giảm này thường dao động khoảng 20% so với công suất được kỳ vọng trong quy trình LMD [9].
Điều này làm nổi bật sự quan trọng của việc hiểu và kiểm soát các yếu tố tác động đến hiệu suất của quá trình LDED, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất và đảm bảo chất lượng của sản phẩm kim loại gia công. Vật liệu được cung cấp vào vị trí hàn không bị ảnh hưởng bởi trọng lực, được lắng đọng tại một không gian tương đối nhỏ mà chúng ta có thể kiểm soát được hướng và áp lực. Nhờ vậy, quá trình lắng đọng không chỉ hiệu quả trong việc đặt chất theo hướng thẳng đứng mà còn hiệu quả khi thực hiện theo nhiều hướng khác nhau.