Chương 1 giới thiệu về đề tài nghiên cứu; Chương 2 trình bày về tổng quan nghiên cứu đề tài; Chương 3 là cơ sở lý thuyết; Chương 4 liệt kê phần chuẩn bị công nghệ; Chương 5 đề cập đến nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mẫu kéo; Chương 6 là phần kết luận và đánh giá kết quả. 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2. Trong ba thập kỷ qua, sản xuất bồi đắp (AM), còn được gọi là in 3D, đã nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn để sản xuất các hình học phức tạp và các bộ phận làm bằng vật liệu đắt tiền và khó gia công. Ví dụ, hợp kim titan và niken.
Trái ngược với quy trình gia công, công nghệ AM gia công sản phẩm bằng cách thêm từng lớp vật liệu từ chất nền mà không cần sử dụng bất kỳ tài nguyên bổ sung nào như dụng cụ cắt, chất lỏng làm mát hay hệ thống cố định. Ngày nay, các công nghệ AM - đặc biệt là AM dựa trên kim loại, đã được áp dụng hiệu quả trong các lĩnh vực khác nhau. Ví dụ, kỹ thuật hàng không vũ trụ, ô tô và y sinh… Hệ thống AM dựa trên kim loại có thể được phân loại dựa trên nguyên liệu vật liệu, nguồn năng lượng, v. Theo nguồn nhiệt được sử dụng trong AM, các công nghệ AM dựa trên kim loại có thể được phân loại dựa trên các nguyên liệu và kỹ thuật gia công như laser, chùm tia điện tử và hàn hồ quang.
So với các hệ thống AM dựa trên chùm tia laser và chùm tia điện tử, in 3D kim loại dựa trên hàn - còn được gọi là công nghệ in 3D kim loại sử dụng nguồn năng lượng hồ quang (WAAM) đã được chứng minh là một giải pháp tiềm năng để sản xuất các bộ phận kim loại cỡ trung bình và lớn. Hơn nữa, WAAM chứng minh được tỷ lệ lắng đọng vật liệu cao hơn, chi phí thiết bị thấp hơn và chi phí sản xuất thấp. Trong các hệ thống WAAM, robot công nghiệp hoặc máy công cụ CNC thường được sử dụng để cung cấp các chuyển động chính xác của mỏ hàn trong quá trình xây dựng các thành phần. Nguồn nhiệt hồ quang được sử dụng trong hệ thống WAAM có thể là hàn hồ quang kim loại khí (GMAW), hàn hồ quang vonfram khí (GTAW) và hàn hồ quang plasma (PAW).
Về năng suất, tỷ lệ lắng đọng của AM dựa trên GMAW cao gấp hai hoặc ba lần so với AM dựa trên GTAW và PAW. Đó là lý do tại sao AM dựa trên GMAW phù hợp hơn AM dựa trên GTAW và PAW để sản xuất mệnh kim loại với kích thước lớn. Phân loại công nghệ WAAM. [2] • GMAW-based (Gas Metal Arc Welding): Hàn hồ quang khí kim loại.
• GTAW-based (Gas Tungsten Arc Welding): Hàn hồ quang khí Volfram. • PAW-based (Plasma Arc Welding): Hàn hồ quang khí Plasma. Tỷ lệ lắng đọng GMAW cao gấp 2-3 lần so với kỹ thuật GTAW hoặc PAW. Mặt khác, GMAW kém ổn định hơn và tạo ra nhiều tia lửa và khói hàn hơn do dòng điện được cấp trực tiếp vào nguyên liệu thô.
Các điều kiện xử lý và năng suất của thành phần mục tiêu bị ảnh hưởng trực tiếp bởi việc lựa chọn công nghệ WAAM. [5] 5 Powder Lazer GTAW DED Wire Arc GMAW AM classified Feeding process capability Electron PAW Heat source End process Hình 2. Phân loại công nghệ WAAM. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài.
Các nghiên cứu ngoài nước. Trên thế giới, công nghệ in 3D kim loại WAAM đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi từ những năm 1990. Các nhà nghiên cứu hàng đầu trên thế giới đều quan tâm đến việc phát triển công nghệ này. Công nghệ WAAM đang thu hút sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu và công nghiệp trên toàn cầu.
Trong khoảng 15 năm gần đây, WAAM đã phát triển mạnh mẽ và trở thành một trong những công nghệ lõi của Công nghiệp 4. Đại học Cranfield (Vương quốc Anh) và công ty WAAM3D đã nghiên cứu và hoàn thiện hệ thống công nghệ WAAM, bắt đầu thương mại hóa trên thị trường từ năm 2022. Ngoài ra, Mỹ, Pháp, Trung Quốc, Hàn Quốc và Úc cũng là những quốc gia đầu tư và nghiên cứu mạnh về công nghệ này.2 giới thiệu các ứng dụng điển hình của công nghệ WAAM trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau. Trong đó, lĩnh vực công nghiệp hàng không vũ trụ chiếm một tỉ trọng lớn trong số các ứng dụng của WAAM.
Các chi tiết kích thước lớn được chế tạo từ hợp kim nhôm và titan bởi công nghệ WAAM đã được chế tạo và sử dụng trong máy bay, thân tàu vũ trụ và tên lửa,… Ví dụ NASA đã chế tạo toàn bộ thân vỏ tên lửa/ tàu vũ trụ bởi công nghệ WAAM (Hình 2. Trong công nghiệp đóng tàu, công nghệ WAAM được sử dụng để chế tạo các chi tiết như chân vịt (Hình 2. Trong lĩnh vực dụng cụ và khuôn mẫu, WAAM được sử dụng để chế tạo, sửa chữa và phục hồi các loại khuôn, chày, đặc biệt là phục hồi những khuôn rèn, dập có kích thước lớn làm việc trong điều kiện khắc nghiệt (Hình 2. Trong lĩnh vực xây dựng và kiến trúc, công nghệ WAAM cũng đã được áp dụng thành công để chế tạo các kết cấu lắp ghép, kết cấu cột, trụ đặc biệt, thậm chí là toàn bộ một cây cầu đi bộ (Hình 2.
Cây cầu đi bộ bằng thép dài 12m đầu tiên được in bởi công nghệ WAAM của công ty MX3D và được khánh thành tháng 7/2021 tại Amsterdam, Hà Lan. Cây cầu được chế tạo bằng cách sử dụng các thanh thép không gỉ được in bằng các cánh tay robot tại xưởng MX3D. Cầu thép nặng 6 tấn và cần 6 tháng để in 3D bằng robot trước khi đưa vào Odezijds Achterburgwal, một trong những con kênh lâu đời nhất của thành phố Amsterdam. 6 AEROSPACE FRAME a b d c Hình 2.
Các ứng dụng điển hình của công nghệ WAAM. Công nghệ WAAM đang có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm cả hàng không vũ trụ. Vì vậy, có thể khẳng định nghiên cứu và phát triển công nghệ WAAM là một lựa chọn phù hợp với điều kiện trong nước nhằm chế tạo các vật tư, phụ tùng thay thế, cũng như sửa chữa, phục hồi các chi tiết quan trọng trong các hệ thống thiết bị, máy móc, và hệ thống cơ khí. Các nghiên cứu trong nước.
Tại Việt Nam, các nghiên cứu liên quan đến công nghệ in 3D kim loại còn rất hạn chế. Hầu hết các máy in 3D có sẵn tại Việt Nam được đầu tư và sử dụng để in các vật liệu nhựa hoặc phi kim loại. Thực tế, chi phí cần đầu tư cho một hệ thống in 3D kim loại dạng bột rất tốn kém (lên đến hơn một triệu đô la), nên gần như các viện nghiên cứu và trường đại học chưa được đầu tư hệ thống công nghệ này để phục vụ nghiên cứu, đào tạo, và ứng dụng. Thêm vào đó, các lĩnh vực công nghiệp như hàng không vũ trụ và ô tô, nơi mà lợi ích và hiệu suất của công nghệ in 3D kim loại đã được chứng minh, vẫn chưa được phát triển tại Việt Nam.
Tuy nhiên, nghiên cứu về các công nghệ sản xuất tiên tiến, đặc biệt là in 3D kim loại, là rất quan trọng và cần thiết. Theo Quyết định số 2117/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ, ký ngày 16 tháng 12 năm 2020, công nghệ in 3D được xác định là một trong những công nghệ tiên tiến thuộc danh mục công nghệ ưu tiên nghiên cứu, phát triển và ứng dụng để chủ động tham gia cuộc Cách mạng Công nghiệp 4. Trong một vài năm trở lại đây, công nghệ in 3D kim loại nói chung và công nghệ WAAM đã bắt đầu được nghiên cứu và định hướng tới ứng dụng trong nước. Từ năm 2019, nhóm nghiên cứu của TS.
Lê Văn Thảo tại Học viện Kỹ thuật Quân sự lần đầu tiên triển khai đề tài nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu về công nghệ WAAM, do Quỹ NAFOSTED tài trợ. Trước đó, đã có một số nghiên cứu về công nghệ WAAM tại Việt Nam, tuy nhiên các nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở bước thử nghiệm khả năng in, hay chỉ đơn giản là đưa nguồn hàn lên máy công cụ CNC và hàn đắp các mẫu đơn giản. 7 So với các công nghệ in 3D kim loại khác (sử dụng vật liệu bột kim loại) thì công nghệ WAAM là phù hợp nhất với điều kiện hiện tại trong nước, không chỉ về chi phí đầu tư mà còn về miền ứng dụng, cũng như nền tảng kiến thức công nghệ hàn đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam. Công nghệ WAAM có thể đáp ứng được ngay các nhu cầu trong công nghiệp cơ khí trong nước.
Cụ thể, nhiều chi tiết quan trọng trong hệ thống cơ khí, máy móc có thể sửa chữa, phục hồi, hoặc chế tạo mới để thay thế bằng công nghệ WAAM. Ví dụ, các hệ thống truyền động bánh răng, các trục truyền động quan trọng, cánh tua bin, chân vịt của các loại tầu thủy bị hư hỏng và bị mài mòn,… đều có thể sửa chữa và phục hồi bằng công nghệ WAAM một cách hiệu quả, thay thế cho các phương pháp sửa chữa truyền thống (như hàn đắp và mài thủ công). Bên cạnh đó, nhiều chi tiết quan trọng được chế tạo bằng phương pháp gia công cắt gọt thông thường tiêu hao nhiều vật liệu, năng lượng, và công sức lao động có thể được chế tạo bằng phương pháp WAAM kết hợp với gia công lần cuối, cho phép tiết kiệm vật liệu và giảm thiểu chi phí tối đa. Các tồn tại của công nghệ WAAM.
Các tồn tại của công nghệ WAAM. Công nghệ in 3D kim loại sử dụng nguồn năng lượng hồ quang (WAAM) có nhiều ưu điểm, nhưng cũng tồn tại một số hạn chế: - Giới hạn về độ chính xác: So với công nghệ in 3D khác, WAAM có độ chính xác kém hơn. Điều này ảnh hưởng đến khả năng sản xuất các chi tiết có độ phức tạp cao hoặc yêu cầu độ chính xác cao. - Kích thước chi tiết: WAAM thích hợp cho việc chế tạo các chi tiết lớn, nhưng không phải là lựa chọn tốt cho các chi tiết nhỏ hoặc phức tạp.
- Chất lượng bề mặt: Bề mặt của sản phẩm từ WAAM thường không mịn bằng so với các phương pháp gia công truyền thống. Điều này có thể yêu cầu thêm gia công bề mặt sau khi in. - Tính kinh tế: Mặc dù WAAM giảm thời gian sản xuất và giá thành so với gia công truyền thống, nhưng vẫn cần đầu tư vào hệ thống máy móc và nguồn năng lượng hàn. Giải pháp cho các vấn đề còn thiếu sót.