Đồ án tốt nghiệp công nghệ kỹ thuật cơ khí khảo sát độ bền kéo chi tiết dạng trục được chế tạo bằng phương pháp waam layer

Đồ án kỹ thuật nghiên cứu tốt nghiệp công nghệ kỹ thuật cơ khí khảo sát độ bền kéo chi tiết dạng trục được chế tạo bằng, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn,

• Tác giả: Lê Minh Tú
• Người hướng dẫn: PGS. TS Phạm Sơn Minh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Khảo sát độ bền kéo chi tiết dạng trục được chế tạo bằng phương pháp WAAM Layer
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Kết cấu của ĐATN
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
• 2.1. Phân loại công nghệ WAAM
• 2.2. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
• 2.3. Các nghiên cứu ngoài nước
• 2.4. Các nghiên cứu trong nước
• 2.5. Các tồn tại của công nghệ WAAM
• 2.6. Giải pháp cho các vấn đề còn thiếu sót
• 2.7. Công nghệ hàn GMAW
• 2.8. Công nghệ hàn MIG
• 2.9. Thiết bị sử dụng trong hàn MIG
• 2.10. Thiết bị cấp khí bảo vệ
• 2.11. Súng hàn MIG
• 2.12. Ưu điểm và nhược điểm của hàn MIG
• 2.13. Mẫu thử kéo
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Lý thuyết về độ bền kéo
• 3.2. Modul đàn hồi
• 3.3. Độ dẻo vật liệu
• 3.4. Độ giãn dài khi kéo
• 3.5. Phương pháp thử độ bền kéo
• 3.6. Ý nghĩa của độ bền kéo
• 3.7. Phương pháp Taguchi
• 3.8. Các bước áp dụng phương pháp Taguchi
• 3.9. Ứng dụng của phương pháp Taguchi
• 3.10. Mạng thần kinh nhân tạo ANN
• 3.11. Các loại mạng thần kinh nhân tạo ANN
• 3.12. Cách hoạt động của mạng Nơ ron nhân tạo ANN
• 3.13. Các chiến lược học máy ANN
• 3.14. Ứng dụng của mạng thần kinh nhân tạo ANN
• 4. CHƯƠNG 4: CHUẨN BỊ CÔNG NGHỆ
• 4.1. Thiết bị hỗ trợ in 3D kim loại bằng phương pháp WAAM của chi tiết dạng trục
• 4.2. Thiết bị hỗ trợ đo độ bền kéo
• 4.3. Phần mềm hỗ trợ tính toán và xử lí số liệu
• 5. CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU KÉO
• 5.1. Thông số thiết kế mẫu kéo
• 5.2. Kích thước của mẫu
• 5.3. Thiết kế phôi nền
• 5.4. Điều chỉnh thông số máy đi kèm
• 5.5. Thiết lập bảng thông số
• 5.6. Chọn 5 thông số để khảo sát mẫu kéo
• 5.7. Bảng thông số mẫu kéo thiết lập theo phương pháp Taguchi
• 5.8. Minh họa các thông số khi hàn
• 5.9. Vận tốc mỏ hàn
• 5.10. Cường độ dòng điện
• 5.11. Khoảng cách giữa các đường hàn (Offset)
• 5.12. Chiều dày lớp hàn
• 5.13. Thiết lập chế độ hàn bằng G-code
• 5.14. Gia công mẫu kéo
• 6. CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 6.1. Dữ liệu thu được thì máy kéo
• 6.2. Hình ảnh mẫu kéo
• 6.3. Biểu đồ Stress-Strain thu được từ kết quả kéo
• 6.4. Tiến hành train mạng ANN (Artificial Neural Network)
• 6.5. Bộ dữ liệu training ANN
• 6.6. Độ chính xác của công cụ train ANN
• 6.7. Tìm và đánh giá bộ thông số tối ưu
• KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Khảo sát độ bền kéo chi tiết trục chế tạo bằng WAAM là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực cơ khí và công nghệ chế tạo. WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) là công nghệ in 3D kim loại tiên tiến, sử dụng hồ quang điện để tạo ra các chi tiết kim loại lớn với chi phí thấp và thời gian ngắn. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số quy trình sản xuất để cải thiện độ bền kéo của các chi tiết trục. Mục tiêu chính là đánh giá tính chất cơ học của các mẫu thử được chế tạo bằng WAAM, đồng thời áp dụng các phương pháp như Taguchi và ANN (Artificial Neural Network) để phân tích và tối ưu hóa kết quả.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ WAAM đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, nhưng nghiên cứu về độ bền kéo của các sản phẩm chế tạo bằng phương pháp này tại Việt Nam còn hạn chế. Việc khảo sát độ bền kéo của các chi tiết trục không chỉ giúp hiểu rõ hơn về tính chất cơ học của vật liệu mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực công nghệ chế tạo. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp Taguchi để thiết lập các thông số thí nghiệm và ANN để phân tích dữ liệu, từ đó tìm ra các thông số tối ưu cho quy trình sản xuất.

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu này không chỉ cung cấp thông tin chi tiết về độ bền kéo của các chi tiết trục mà còn áp dụng AI để tối ưu hóa các thông số quy trình. Điều này giúp giảm thiểu thời gian và chi phí thí nghiệm, đồng thời mở rộng khả năng nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực công nghệ in 3D kim loại. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong các ngành công nghiệp sản xuất, đặc biệt là trong việc chế tạo các chi tiết có yêu cầu cao về tính chất cơ học.

II. Tổng quan nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích độ bền kéo của các chi tiết trục được chế tạo bằng WAAM. Các phương pháp nghiên cứu bao gồm thí nghiệm kéo, phân tích độ bền, và mô hình hóa bằng ANN. Các thông số chính được khảo sát bao gồm cường độ dòng điện, vận tốc mỏ hàn, khoảng cách giữa các đường hàn, và chiều dày lớp hàn. Kết quả thí nghiệm được phân tích để đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số này đến độ bền kéo của sản phẩm.

2.1 Công nghệ WAAM và ứng dụng

WAAM là công nghệ in 3D kim loại sử dụng hồ quang điện để tạo ra các chi tiết kim loại lớn. Công nghệ này có ưu điểm là chi phí thấp và thời gian sản xuất ngắn. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số quy trình để cải thiện độ bền kéo của các chi tiết trục. Các ứng dụng của WAAM bao gồm chế tạo các chi tiết lớn trong ngành hàng không, ô tô, và công nghiệp nặng.

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp Taguchi để thiết lập các thông số thí nghiệm và ANN để phân tích dữ liệu. Các mẫu thử được chế tạo bằng WAAM và sau đó được thử nghiệm kéo trên máy kéo vạn năng. Kết quả thí nghiệm được phân tích để đánh giá độ bền kéo, giới hạn chảy, và độ dãn dài của các mẫu thử. Phương pháp ANN được sử dụng để tối ưu hóa các thông số quy trình và dự đoán kết quả thí nghiệm.

III. Kết quả và phân tích

Kết quả nghiên cứu cho thấy độ bền kéo của các chi tiết trục chế tạo bằng WAAM phụ thuộc nhiều vào các thông số quy trình như cường độ dòng điện, vận tốc mỏ hàn, và chiều dày lớp hàn. Phương pháp ANN đã giúp tối ưu hóa các thông số này, từ đó cải thiện tính chất cơ học của sản phẩm. Kết quả cũng cho thấy tiềm năng ứng dụng của WAAM trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ chính xác và độ bền cao.

3.1 Đánh giá độ bền kéo

Các mẫu thử được thí nghiệm kéo để đánh giá độ bền kéo, giới hạn chảy, và độ dãn dài. Kết quả cho thấy các thông số quy trình có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học của sản phẩm. Phương pháp ANN đã giúp dự đoán chính xác các kết quả thí nghiệm và tối ưu hóa các thông số quy trình.

3.2 Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này mở ra hướng ứng dụng mới cho WAAM trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ bền và độ chính xác cao. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để cải thiện quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm trong các ngành công nghiệp như hàng không, ô tô, và công nghiệp nặng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công nghệ sản xuất bồi đắp (Additive Manufacturing - AM), đặc biệt là công nghệ in 3D kim loại, đang trở thành xu hướng công nghệ then chốt trong lĩnh vực chế tạo máy và cơ khí chính xác. Trong số các công nghệ in 3D kim loại, phương pháp lắng đọng hồ quang kim loại dây (Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM) nổi bật nhờ khả năng chế tạo các chi tiết kim loại có kích thước từ trung bình đến lớn với chi phí thiết bị thấp, tốc độ bồi đắp vật liệu cao và tiết kiệm đáng kể thời gian gia công so với các công nghệ sử dụng bột kim loại như EBM hay DED. Tại Việt Nam, công nghệ in 3D đã được xác định là một trong những công nghệ ưu tiên nghiên cứu và phát triển theo Quyết định số 2117/QĐ-TTg ngày 16/12/2020 của Thủ tướng Chính phủ nhằm chủ động tham gia cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ tư. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu về WAAM trong nước hiện nay phần lớn mới dừng lại ở việc thử nghiệm khả năng in định hình trên máy CNC đơn giản, trong khi các khảo sát chuyên sâu về đặc tính cơ lý, đặc biệt là khả năng chịu tải kéo của chi tiết sau khi tạo hình, vẫn còn hạn chế.

Đề tài khóa luận “Khảo sát độ bền kéo chi tiết dạng trục được chế tạo bằng phương pháp WAAM Layer” (Mã số đề tài: CKM-114) do nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Phạm Sơn Minh, nhằm giải quyết bài toán tối ưu hóa thông số công nghệ hàn đắp để nâng cao cơ tính cho chi tiết dạng trục. Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đồ án bao gồm:

1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, tiêu chuẩn thử bền kéo vật liệu kim loại và thiết lập ma trận thực nghiệm theo phương pháp Taguchi với 5 thông số công nghệ đầu vào.
2. Thiết kế quỹ đạo chuyển động, lập trình G-code và chế tạo 25 mẫu thử nghiệm dạng trục bằng công nghệ WAAM Layer kết hợp nguồn hàn MIG trên hệ thống máy CNC 4 trục.
3. Thực hiện gia công tinh mẫu kéo theo tiêu chuẩn TCVN-5400:1991 và tiến hành thử nghiệm cơ tính trên máy kéo nén vạn năng WE-1000B để trích xuất dữ liệu ứng suất - biến dạng.
4. Ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và thuật toán tối ưu hóa (GA, Minitab) để mô hình hóa mối quan hệ phi tuyến giữa các thông số công nghệ và độ bền kéo, từ đó xác định bộ thông số tối ưu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mẫu kim loại hàn đắp dạng trục được chế tạo trên phôi nền thép carbon SS400 bằng công nghệ WAAM Layer sử dụng dây hàn MIG GEMINI GM-70S.
• Phạm vi khảo sát 5 thông số công nghệ hàn:
  • Cường độ dòng điện hàn ($I$): 5 mức giá trị trong khoảng từ 110 A đến 130 A.
  • Khoảng cách giữa các đường hàn / Độ dịch chuyển tâm ($Offset$): 5 mức giá trị trong khoảng từ 2 mm đến 3 mm.
  • Vận tốc di chuyển của mỏ hàn ($v$): 5 mức giá trị trong khoảng từ 400 mm/phút đến 500 mm/phút.
  • Bước xoắn quỹ đạo hàn ($Pitch$): 5 mức giá trị gồm 0 mm (hàn tròn xoay), 20 mm, 40 mm, 60 mm và $+\infty$ mm (hàn thẳng).
  • Chiều dày mỗi lớp hàn đắp ($t$): 5 mức giá trị trong khoảng từ 2 mm đến 3 mm.
• Chỉ tiêu cơ tính đánh giá: Độ bền kéo ($\sigma_k$), giới hạn chảy ($\sigma_{ch}$) và độ dãn dài tương đối sau khi đứt ($\delta%$).

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận kết hợp chặt chẽ giữa cơ sở lý thuyết luyện kim hàn, lý thuyết biến dạng cơ học kim loại, quy hoạch thực nghiệm và trí tuệ nhân tạo:

• Khung lý thuyết cơ tính và thử bền kéo: Nghiên cứu dựa trên lý thuyết bền vật liệu và đồ thị ứng suất - biến dạng ($\sigma - \varepsilon$) để xác định các đặc tính cơ học cơ bản: giới hạn chảy ($\sigma_{ch}$), độ bền kéo tức thời ($\sigma_k$), mô đun đàn hồi ($E$), độ dẻo và độ dãn dài tương đối ($\delta%$). Mẫu thử và quy trình kéo tuân thủ tiêu chuẩn TCVN-5400:1991.
• Công nghệ hàn GMAW/MIG: Áp dụng cơ chế hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ với nguồn điện một chiều phân cực nghịch DCEP (Direct Current Electrode Positive). Chế độ DCEP tập trung khoảng 2/3 nhiệt lượng tại đầu điện cực, giúp tăng tốc độ nóng chảy dây hàn, tăng tỷ lệ lắng đọng kim loại và duy trì hồ quang ổn định, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bồi đắp từng lớp.
• Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi: Tác giả sử dụng ma trận trực giao của phương pháp Taguchi để thiết kế 25 phương án thí nghiệm với 5 yếu tố công nghệ ở 5 mức biến thiên khác nhau, giúp giảm thiểu số lượng mẫu cần in mà vẫn đảm bảo tính bao quát và phản ánh chính xác tác động của từng thông số.
• Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN): Sử dụng cấu trúc mạng nơ-ron nhiều lớp (Feedback/Feedforward ANN) có giám sát thông qua công cụ Neural Network Fitting Tool (nnstart) trong phần mềm MATLAB. Mạng được cấu hình với lớp đầu vào (5 thông số công nghệ), lớp ẩn (Hidden layer) và lớp đầu ra (độ bền kéo, giới hạn chảy, độ dãn dài), được huấn luyện để nhận dạng quy luật phi tuyến phức tạp của quá trình truyền nhiệt và đông đặc kim loại.
• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm chế tạo 25 mẫu in tại xưởng cơ khí; dữ liệu đo biến dạng cơ học thực tế trích xuất trực tiếp từ cảm biến lực và hệ thống ghi dữ liệu của máy kéo vạn năng WE-1000B; dữ liệu đối chứng thực nghiệm từ mẫu thép CT38 tiêu chuẩn.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Do đặc thù của đề tài là nghiên cứu thực nghiệm công nghệ chế tạo cơ khí bồi đắp kết hợp gia công cắt gọt, quy trình công nghệ và hệ thống thiết bị được thiết lập chi tiết qua các giai đoạn sau:

Thành phần hệ thống / Công đoạn	Thiết bị & Thông số kỹ thuật triển khai	Chức năng kỹ thuật trong quy trình
Nguồn hàn và cấp dây	Máy hàn MIG/GMAW, bộ cấp dây tự động liên tục, súng hàn MIG làm mát khí, van giảm áp khí bảo vệ	Cung cấp hồ quang ổn định, nung chảy dây hàn GM-70S trong môi trường khí bảo vệ $CO_2$ / Argon
Cơ cấu dẫn động tạo hình	Máy công cụ CNC 4 trục tích hợp mâm cặp xoay (trục A) và đầu gá mỏ hàn trên trục Z	Điều khiển chuyển động phối hợp giữa tịnh tiến mỏ hàn và xoay phôi theo quỹ đạo lập trình sẵn
Vật liệu chế tạo	Phôi nền thép SS400 ($\varnothing16, \varnothing17, \varnothing18$ mm); Dây hàn GEMINI GM-70S ($\sigma_k \ge 480\text{ N/mm}^2, \sigma_{ch} \ge 400\text{ N/mm}^2$)	Phôi nền làm cốt tạo hình; dây hàn mạ đồng khử oxy hóa bằng Mn, Si để đắp bồi lớp kim loại cơ tính cao
Lập trình quỹ đạo đắp (G-code)	Phần mềm CAD/CAM xuất mã lệnh G-code cho 3 chiến lược: hàn đường thẳng, hàn đường tròn xoay, hàn đường xoắn ốc	Tối ưu hóa sự phân bố trường nhiệt, giảm tích tụ nhiệt cục bộ và kiểm soát độ dày từng lớp bồi đắp
Gia công tinh sau in	Máy tiện CNC gia công gọt bỏ lớp vỏ ngoài gồ ghề sau khi hàn đắp	Tạo hình mẫu thử kéo tiêu chuẩn TCVN-5400:1991, đảm bảo độ đồng tâm và chất lượng bề mặt kiểm tra
Hệ thống đo kiểm cơ tính	Máy thử kéo vạn năng thủy lực WE-1000B kết hợp phần mềm xuất dữ liệu số	Tác dụng tải trọng kéo tĩnh dọc trục đến khi phá hủy mẫu, ghi nhận biểu đồ lực - độ giãn dài

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu trình bày bối cảnh phát triển của công nghệ in 3D kim loại trên thế giới và tại Việt Nam, phân tích tính cấp thiết của việc nghiên cứu độ bền chịu lực cho các sản phẩm chế tạo bằng công nghệ WAAM Layer. Tác giả xác định mục tiêu trọng tâm là tối ưu hóa 5 thông số công nghệ hàn đắp để nâng cao độ bền kéo của sản phẩm dạng trục, đồng thời xác lập đối tượng nghiên cứu trên phôi thép SS400 kết hợp dây hàn GM-70S, phạm vi khảo sát thực nghiệm và cấu trúc 6 chương của khóa luận.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 2 tổng hợp bức tranh toàn diện về công nghệ WAAM, phân loại theo nguồn nhiệt gồm GMAW, GTAW và PAW. Tác giả phân tích ưu thế vượt trội về tốc độ bồi đắp của hệ thống GMAW (gấp 2-3 lần so với GTAW và PAW) và điểm lại các ứng dụng thực tế trên thế giới trong ngành hàng không vũ trụ (NASA), đóng tàu (chân vịt) và xây dựng (cầu đi bộ MX3D tại Amsterdam). Chương này đi sâu vào nguyên lý hàn MIG, vai trò của khí bảo vệ ($CO_2$, Argon, khí hỗn hợp), so sánh đặc tính phân cực thuận DCEN và nghịch DCEP, đặc tính kỹ thuật của dây hàn hợp kim GM-70S và các yêu cầu tiêu chuẩn mẫu thử kéo TCVN-5400:1991.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 3 xây dựng nền tảng lý thuyết về cơ học biến dạng và phá hủy vật liệu khi chịu tải kéo, định nghĩa các công thức tính toán ứng suất kéo $\sigma_k = \frac{F}{A}$, độ dãn dài tương đối $\delta%$, độ thắt diện tích $\psi%$ và phân tích các vùng đặc trưng trên đường cong ứng suất - biến dạng. Tiếp theo, chương phân tích nguyên lý dãy ma trận trực giao của phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi. Cuối cùng, tác giả trình bày kiến trúc mạng nơ-ron nhân tạo ANN, cơ chế truyền lan tiến (FeedForward) và lan truyền ngược có phản hồi (Feedback), nguyên lý cập nhật trọng số liên kết và chiến lược học có giám sát phục vụ hồi quy dữ liệu phi tuyến.

Chương 4: Chuẩn bị công nghệ

Chương này mô tả chi tiết toàn bộ trang thiết bị kỹ thuật phục vụ chế tạo và thử nghiệm, bao gồm hệ thống thiết bị hàn GMAW cơ bản (nguồn điện, bộ cấp dây, bình khí Argon, van điều áp, súng hàn MIG), hệ thống máy CNC 4 trục kết hợp bàn xoay định vị, máy tiện CNC gia công mẫu và máy kéo vạn năng WE-1000B. Ngoài ra, chương cũng giới thiệu các phần mềm hỗ trợ tính toán và xử lý số liệu như MATLAB (công cụ nnstart và giải thuật di truyền Genetic Algorithm - GA) cùng phần mềm Minitab.

Chương 5: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mẫu kéo

Chương 5 trình bày chi tiết quá trình thiết kế kích thước mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn TCVN-5400:1991, lựa chọn phôi nền thép SS400 đường kính $\varnothing16, \varnothing17, \varnothing18$ mm và gá đặt trên máy. Tác giả thiết lập bảng ma trận thực nghiệm 25 mẫu dựa trên 5 thông số (dòng điện, offset, tốc độ mỏ hàn, bước xoắn, chiều dày lớp). Đồng thời, chương minh họa chi tiết 3 giải pháp lập trình G-code cho quỹ đạo hàn (hàn thẳng, hàn tròn xoay, hàn xoắn ốc) và quy trình tiện CNC chính xác mẫu kéo sau khi kết thúc quá trình bồi đắp WAAM.

Chương 6: Thực nghiệm - Đánh giá kết quả

Chương 6 tập trung vào phân tích các kết quả đo từ máy kéo WE-1000B. Tác giả biểu diễn các đường cong ứng suất - biến dạng ($\sigma - \varepsilon$) tiêu biểu của từng nhóm mẫu (mẫu 8 hàn xoắn, mẫu 14 hàn tròn, mẫu 21 hàn thẳng) và so sánh trực tiếp với mẫu thép CT38. Số liệu thực nghiệm được đưa vào huấn luyện mạng ANN trên MATLAB; đồ thị hồi quy cho thấy độ chính xác và độ tương quan rất cao giữa giá trị dự đoán và thực nghiệm. Từ mô hình ANN, tác giả sử dụng thuật toán GA và công cụ Taguchi Design trong Minitab để xuất ra bộ thông số tối ưu, đồng thời vẽ biểu đồ đơn biến đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng thông số công nghệ đến độ bền kéo của chi tiết.

---

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm và tối ưu hóa thông số

Khóa luận đã chế tạo thành công 25 mẫu thử kéo dạng trục bằng phương pháp WAAM Layer và thực hiện kéo đứt trên máy WE-1000B. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy sự biến thiên rõ rệt của cơ tính chi tiết phụ thuộc vào các chế độ công nghệ hàn:

• Đặc tính ứng suất - biến dạng: Các mẫu hàn theo quỹ đạo xoắn ốc và tròn xoay có xu hướng liên kết tổ chức kim loại đồng đều hơn so với hàn đường thẳng, giúp hạn chế ranh giới bất liên tục giữa các đường hàn. Đa số các mẫu hàn WAAM đạt độ bền kéo tương đương hoặc vượt trội so với mẫu thép chuẩn CT38.
• Mô hình hóa bằng mạng ANN: Mạng ANN sau khi huấn luyện trên MATLAB bằng tập dữ liệu thực nghiệm đã thể hiện hiệu suất khớp dữ liệu cao với sai số MSE rất nhỏ; hệ số tương quan hồi quy $R$ tiệm cận giá trị 1. Đường cong Stress-Strain dự đoán của mạng ANN cho các mẫu kiểm chứng (mẫu 2, 8, 17, 21) bám sát chặt chẽ đường cong thực nghiệm.
• Kết quả tối ưu hóa: Thông qua giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) trên MATLAB và công cụ Taguchi Design trên Minitab, nghiên cứu đã trích xuất được bộ thông số công nghệ tối ưu trong miền khảo sát:

Thông số công nghệ hàn	Đơn vị đo	Giá trị khảo sát (Dải thực nghiệm)	Xu hướng ảnh hưởng đến độ bền kéo
Cường độ dòng điện ($I$)	A	110 – 130	Dòng điện ở mức trung bình-cao đảm bảo độ ngấu sâu nhưng không gây quá nhiệt vũng hàn
Khoảng cách đường hàn ($Offset$)	mm	2 – 3	Khoảng cách dịch chuyển phù hợp giúp các đường đắp liền kề hòa tan hoàn toàn, tránh rỗ khí
Vận tốc mỏ hàn ($v$)	mm/phút	400 – 500	Tốc độ hàn ổn định giúp kiểm soát nhiệt lượng cấp trên một đơn vị chiều dài đường bồi đắp
Bước xoắn ($Pitch$)	mm	0 (tròn), 20, 40, 60, $+\infty$ (thẳng)	Dạng quỹ đạo xoắn ốc phân bố nhiệt đều, tạo độ bền kéo tối ưu nhất dọc theo trục
Chiều dày lớp hàn ($t$)	mm	2 – 3	Chiều dày lớp đắp hợp lý hạn chế khuyết tật giữa các lớp tiếp giáp

2. Đóng góp khoa học và thực tiễn của đề tài

• Tính thực tiễn: Khẳng định tính khả thi của việc tích hợp nguồn hàn MIG thông dụng với máy công cụ CNC nhiều trục sẵn có trong nước để chế tạo hoặc phục hồi các chi tiết dạng trục chịu tải trọng lớn, mở ra giải pháp công nghệ giá thành thấp thay thế cho các hệ thống in 3D bột kim loại đắt tiền.
• Tính phương pháp luận: Ứng dụng thành công mô hình trí tuệ nhân tạo (ANN) kết hợp giải thuật di truyền (GA) và quy hoạch thực nghiệm Taguchi để giải quyết bài toán phi tuyến phức tạp trong công nghệ hàn bồi đắp, giúp rút ngắn thời gian thử nghiệm và giảm thiểu chi phí vật tư gia công.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế của đồ án:
  • Nghiên cứu chỉ tập trung khảo sát trên một loại vật liệu dây hàn duy nhất (thép carbon GM-70S) kết hợp cốt thép nền SS400; chưa khảo sát trên các nhóm hợp kim khác như thép không gỉ, hợp kim nhôm hay titan.
  • Phân tích cơ tính mới dừng lại ở thử nghiệm kéo tĩnh (độ bền kéo, giới hạn chảy, độ dãn dài); chưa tiến hành phân tích tổ chức kim loại học (tế vi microstructure), kiểm tra ứng suất dư nhiệt và kiểm tra khuyết tật ngầm bằng phương pháp không phá hủy (NDT như siêu âm, tia X).
  • Dải thông số khảo sát của 5 yếu tố công nghệ bị giới hạn trong 5 mức rời rạc đã thiết lập trước theo bảng Taguchi.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Mở rộng khảo sát công nghệ WAAM trên các dòng vật liệu hợp kim màu và thép hợp kim chất lượng cao phục vụ ngành khuôn mẫu và chi tiết chịu mài mòn.
  • Nghiên cứu ảnh hưởng của các phương pháp xử lý nhiệt sau khi hàn (nhiệt luyện ủ, ram) nhằm giải tỏa ứng suất dư và tăng độ dẻo dai va đập cho sản phẩm.
  • Ứng dụng hệ thống cảm biến nhiệt độ và thị giác máy để kiểm soát vòng lặp kín (closed-loop real-time control) hình dạng vũng hàn trong quá trình in 3D kim loại.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu thực nghiệm có giá trị cao cho:

• Sinh viên, học viên cao học và giảng viên ngành Cơ khí Chế tạo máy, Công nghệ Hàn và Kỹ thuật Vật liệu: Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm chi tiết về thông số hàn MIG bồi đắp, quy trình lập trình G-code cho máy CNC 4 trục và phương pháp ứng dụng công cụ MATLAB ANN để mô hình hóa thực nghiệm.
• Kỹ sư và doanh nghiệp cơ khí chế tạo: Cung cấp giải pháp công nghệ khả thi để phục hồi, đắp sửa chữa hoặc chế tạo mới các chi tiết dạng trục truyền động, trục cán, bánh răng hoặc phụ tùng thay thế với chi phí hợp lý trên cơ sở máy móc thiết bị sẵn có tại Việt Nam.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại dây hàn và vật liệu phôi nền nào để chế tạo mẫu thử kéo?
Nghiên cứu sử dụng phôi nền là thép carbon SS400 dạng trục tròn với các đường kính $\varnothing16, \varnothing17, \varnothing18$ mm và dây hàn MIG GEMINI GM-70S (dây hàn mạ đồng có hàm lượng Carbon thấp, Mangan và Silic cao, có độ bền kéo tiêu chuẩn tối thiểu $\ge 480\text{ N/mm}^2$).

2. Năm thông số công nghệ đầu vào được khảo sát trong quy hoạch thực nghiệm Taguchi là gì?
Năm thông số bao gồm: (1) Cường độ dòng điện hàn ($110 - 130\text{ A}$), (2) Khoảng cách dịch chuyển giữa các đường hàn ($2 - 3\text{ mm}$), (3) Vận tốc mỏ hàn ($400 - 500\text{ mm/phút}$), (4) Bước xoắn quỹ đạo hàn ($0\text{ mm}$, $20\text{ mm}$, $40\text{ mm}$, $60\text{ mm}$, $+\infty\text{ mm}$), và (5) Chiều dày lớp hàn đắp ($2 - 3\text{ mm}$).

3. Ba chiến lược quỹ đạo hàn đắp chi tiết dạng trục trong đồ án được lập trình như thế nào?
Tác giả lập trình G-code điều khiển máy CNC 4 trục theo 3 dạng quỹ đạo: hàn thẳng dọc trục (bước xoắn $+\infty$), hàn tròn xoay khép kín theo chu vi trục (bước xoắn $0\text{ mm}$) và hàn xoắn ốc liên tục quanh thân trục (với các bước xoắn $20\text{ mm}, 40\text{ mm}, 60\text{ mm}$).

4. Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và các công cụ thuật toán nào được ứng dụng để xử lý số liệu?
Nghiên cứu sử dụng công cụ Neural Network Fitting (nnstart) trong phần mềm MATLAB để huấn luyện mạng ANN mô hình hóa mối quan hệ giữa 5 thông số đầu vào và độ bền kéo đầu ra; sau đó kết hợp giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA) và công cụ Taguchi Design trong Minitab để tìm bộ thông số hàn tối ưu.

5. Thiết bị và tiêu chuẩn nào được sử dụng để kiểm tra độ bền kéo của các mẫu in?
Mẫu sau khi in và tiện CNC được kiểm tra theo tiêu chuẩn TCVN-5400:1991 trên máy thử kéo nén vạn năng thủy lực WE-1000B để ghi nhận tải trọng kéo đứt và vẽ biểu đồ ứng suất - biến dạng.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu và triển khai thành công quy trình chế tạo chi tiết dạng trục bằng công nghệ in 3D kim loại bồi đắp hồ quang dây (WAAM Layer) kết hợp gia công tiện CNC trên nền thiết bị hiện có tại Việt Nam. Thông qua phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi trên 25 mẫu thử và kiểm tra cơ tính trên máy kéo WE-1000B, nhóm nghiên cứu đã xác định rõ quy luật tác động của 5 thông số công nghệ hàn đến độ bền kéo của sản phẩm. Việc ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo ANN kết hợp thuật toán tối ưu hóa di truyền đã chứng minh độ chính xác cao trong việc dự đoán và tìm ra bộ thông số công nghệ tối ưu, đóng góp một giải pháp kỹ thuật hữu ích và mở rộng tiềm năng ứng dụng công nghệ in 3D kim loại trong ngành cơ khí chế tạo trong nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.