Khảo sát độ bền mỏi của mẫu trục được chế tạo bằng công nghệ in 3D kim loại

Nghiên cứu độ bền mỏi của mẫu trục được chế tạo bằng phương pháp in 3D kim loại, khám phá ứng dụng và tiềm năng trong công nghiệp.

• Tác giả: Le Dinh
• Người hướng dẫn: MSc. Nguyen Van Minh
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Machine Manufacturing Technology
• Đề tài: Khảo Sát Độ Bền Mỏi Của Mẫu Trục Chế Tạo Bằng Phương Pháp In 3D Kim Loại
• Loại tài liệu: Graduation Thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Put the problem
• 1.2. Thesis project goals
• 1.3. Objects, research scope of the topic
• 1.4. Research scope of the topic
• 1.5. Scientific and practical influence of the topic
• 1.6. Limitations of the topic
• 1.7. Structure of the thesis
• 2. CHAPTER 2: OVERVIEW OF THE RESEARCH
• 2.1. Introduction of WAAM
• 2.2. Define of WAAM
• 2.3. Classification of WAAM technology
• 2.4. Materials used in WAAM
• 2.5. General concept of protective gasses in MIG Welding
• 2.6. Welding materials, parameter and equipment
• 2.7. MIG weld formation and organization
• 2.8. General rules in the manufacture of fatigue specimens
• 3. CHAPTER 3: THEORETICAL BASIS
• 3.1. Fatigue strength test method
• 3.2. Theoretical basis of fatigue testing
• 3.3. Fatigue strength theory
• 3.4. Some requirements of testing fatigue strength
• 3.5. Theoretical basis of Taguchi Method
• 3.6. Advantages of Taguchi Method
• 3.7. Limitations of the Taguchi Method
• 3.8. Artificial Neural Networks (ANN)
• 4. CHAPTER 4: RESEARCH, DESIGN AND MANUFACTURE OF FATIGUE TEST SAMPLES
• 4.1. Testing welding strategy for testing sample
• 4.2. Result of testing welding strategy
• 4.3. Fatigue testing sample design
• 4.4. The conditions of making testing sample
• 4.5. Manufacturing the fatigue testing sample
• 4.6. Prepare tools and equipment
• 4.7. Manufacturing the sample
• 5. CHAPTER 5: ANALYSIS AND EVALUATION OF TEST RESULTS
• 5.1. Fatigue testing process
• 5.2. Preparing tools and equipment
• 5.3. Fatigue test description
• 6. CHAPTER 6: CONCLUSION AND RECOMMENDATION
• REFERENCES OF INFORMATION
• REFERENCES OF FIGURE
• REFERENCES OF TABLE

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào khảo sát độ bền mỏi của các mẫu trục được chế tạo bằng phương pháp in 3D kim loại, cụ thể là công nghệ Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). WAAM là một kỹ thuật sản xuất phụ gia kim loại sử dụng hồ quang điện để nấu chảy dây kim loại và lắng đọng từng lớp lên đế, tạo ra hình dạng ba chiều mong muốn. Phương pháp in 3D kim loại này tận dụng các quy trình hàn hiện có, mang lại hiệu quả chi phí và tính linh hoạt cao. Mục tiêu chính của nghiên cứu là đánh giá độ bền vật liệu của các mẫu trục trong điều kiện tải trọng tuần hoàn, từ đó cung cấp dữ liệu quan trọng cho việc ứng dụng công nghệ này trong các ngành công nghiệp yêu cầu độ bền cao.

1.1. Bối cảnh và mục tiêu

Công nghệ in 3D kim loại đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, nhưng tại Việt Nam, nó vẫn còn khá mới mẻ. Nghiên cứu này nhằm thu hẹp khoảng cách kiến thức bằng cách tập trung vào khảo sát độ bền mỏi của các mẫu trục được chế tạo bằng WAAM. Mục tiêu cụ thể là đánh giá ảnh hưởng của các thông số in, tính chất vật liệu và kỹ thuật hậu xử lý đến độ bền mỏi của sản phẩm.

1.2. Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo trục bằng WAAM, sử dụng vật liệu thép C45. Các mẫu thử nghiệm được thiết kế theo tiêu chuẩn ISO 1143:2021 và trải qua quy trình kiểm tra độ bền mỏi nghiêm ngặt. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc tối ưu hóa các thông số in và phân tích kết quả thử nghiệm để đưa ra kết luận về hiệu suất của mẫu trục.

II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp Taguchi để thiết kế thí nghiệm và phân tích dữ liệu. Phương pháp Taguchi là một kỹ thuật thống kê mạnh mẽ giúp tối ưu hóa các thông số đầu vào để đạt được chất lượng sản phẩm tốt nhất. Ngoài ra, nghiên cứu cũng áp dụng phân tích phương sai (ANOVA) để xác định ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến độ bền mỏi của mẫu trục. Quy trình thử nghiệm tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế, đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.

2.1. Phương pháp Taguchi

Phương pháp Taguchi được sử dụng để xác định sự kết hợp tối ưu của các thông số in, bao gồm tốc độ hàn, cường độ dòng điện và độ dày vật liệu. Phương pháp này giúp giảm thiểu sự biến động trong quá trình sản xuất và cải thiện chất lượng sản phẩm.

2.2. Quy trình thử nghiệm mỏi

Các mẫu trục được chế tạo bằng WAAM sẽ trải qua quy trình thử nghiệm độ bền mỏi nghiêm ngặt. Máy kiểm tra mỏi sẽ mô phỏng các ứng suất tuần hoàn mà trục gặp phải trong thực tế, ghi lại số chu kỳ cho đến khi hỏng. Dữ liệu thu được sẽ được phân tích để xác định độ bền mỏi và giới hạn độ bền của vật liệu.

III. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp in 3D kim loại WAAM có tiềm năng lớn trong việc sản xuất các mẫu trục với độ bền mỏi cao. Các thông số in được tối ưu hóa giúp cải thiện đáng kể chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu này không chỉ góp phần vào sự phát triển của công nghệ in 3D kim loại tại Việt Nam mà còn mở ra cơ hội ứng dụng trong các ngành công nghiệp yêu cầu độ bền cao như hàng không, đóng tàu và năng lượng.

3.1. Phân tích kết quả

Kết quả thử nghiệm cho thấy các mẫu trục được chế tạo bằng WAAM đạt độ bền mỏi cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Các thông số in như tốc độ hàn và cường độ dòng điện có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả cuối cùng.

3.2. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy ứng dụng công nghệ in 3D kim loại tại Việt Nam. Các kết quả thu được có thể được áp dụng trong sản xuất các bộ phận máy móc yêu cầu độ bền cao, góp phần nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công nghệ in 3D kim loại (Metal Additive Manufacturing) đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu như một giải pháp thay thế hiệu quả cho các phương pháp gia công cắt gọt truyền thống. Tuy nhiên, tại Việt Nam, công nghệ này vẫn còn tương đối mới mẻ và chưa được ứng dụng rộng rãi. Phần lớn các công nghệ in 3D kim loại hiện nay sử dụng bột kim loại làm nguyên liệu đầu vào, dẫn đến chi phí sản xuất cao, hạn chế về nguồn cung vật liệu và khó khăn trong việc kiểm soát độ cứng yêu cầu cho các chi tiết cơ khí tải trọng lớn.

Trong bối cảnh đó, công nghệ sản xuất phụ gia bằng hồ quang dây (Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM) và phương pháp đắp kim loại kết hợp gia công cơ khí nổi lên như một hướng tiếp cận kinh tế và khả thi. WAAM sử dụng năng lượng hồ quang điện từ các quy trình hàn quen thuộc để làm nóng chảy dây kim loại thương mại, đắp từng lớp (layer-by-layer) lên bề mặt phôi đế. Phương pháp này có tốc độ đắp cao (high deposition rate), chi phí vật liệu thấp và có khả năng chế tạo các kết cấu kích thước lớn. Tuy nhiên, các chi tiết dạng trục chế tạo bằng phương pháp đắp kim loại thường xuyên phải làm việc trong điều kiện chịu tải trọng chu kỳ (cyclic loading), dễ phát sinh ứng suất dư và khuyết tật tế vi, dẫn đến nguy cơ phá hủy mỏi.

Đề tài "Khảo sát độ bền mỏi của mẫu thử dạng trục được chế tạo bằng phương pháp in 3D kim loại" (mã số đồ án: CTM-184) được nhóm sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí và Công nghệ Chế tạo máy thuộc Khoa Đào tạo Quốc tế, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện nhằm giải quyết các vấn đề sau:

1. Khảo sát và đánh giá độ bền mỏi cũng như khả năng làm việc của các mẫu trục kim loại chế tạo bằng công nghệ in 3D/WAAM.
2. Phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn/in, đặc tính vật liệu và kỹ thuật gia công đến hành vi mỏi và tuổi thọ chu kỳ của mẫu trục.
3. So sánh hiệu suất mỏi của chi tiết dạng trục in 3D với chi tiết chế tạo bằng phương pháp truyền thống, xác định ưu và nhược điểm kỹ thuật.
4. Đóng góp dữ liệu thực nghiệm và tài liệu khoa học cho sự phát triển của công nghệ in 3D kim loại tại Việt Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Các chiến lược hàn/đắp kim loại trong công nghệ WAAM, ảnh hưởng của thông số công nghệ đến tổ chức kim loại và độ bền mỏi của chi tiết dạng trục.
• Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát mẫu thử nghiệm dạng trục tròn xoay chế tạo từ phôi vòng thép C45 kết hợp hàn MIG (dây hàn AWS E71-T1, bảo vệ bằng khí CO2 và hỗn hợp Argon), kiểm tra độ bền mỏi uốn quay theo tiêu chuẩn quốc tế trong điều kiện phòng thí nghiệm.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ

• Công nghệ WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing): Phân nhóm theo quy trình hàn gồm GMAW-WAAM (sử dụng hàn MIG/MAG với nguồn cấp dây liên tục) và GTAW-WAAM (sử dụng hàn TIG cho chất lượng mối hàn cao); phân nhóm theo hệ thống điều khiển chuyển động gồm hệ thống cánh tay robot (Robotic Arm-Based), hệ thống cổng trục (Gantry-Based) và hệ thống lai ghép (Hybrid Additive Manufacturing System).
• Vật liệu chế tạo trong WAAM: Thép carbon, thép không gỉ, thép hợp kim, hợp kim nhôm, hợp kim titan, siêu hợp kim gốc niken (nickel-based superalloys) và hợp kim đồng.
• Lý thuyết độ bền mỏi (Fatigue Strength Theory): Hiện tượng phá hủy mỏi của vật liệu kim loại dưới tác dụng của ứng suất biến đổi chu kỳ; đường cong độ bền mỏi (S-N curve / Wöhler curve); giới hạn mỏi ($N_0$); cơ chế khởi sinh và phát triển vết nứt mỏi.
• Tiêu chuẩn thử nghiệm: Mẫu thử mỏi được thiết kế và chế tạo theo tiêu chuẩn ISO 1143:2021 (Metallic materials — Rotating bar bending fatigue testing).
• Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi: Tối ưu hóa chất lượng sản phẩm và quá trình, sử dụng tỷ số tín hiệu trên nhiễu ($S/N$ ratio) và phân tích phương sai (Analysis of Variance - ANOVA) để xác định mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào.
• Mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Networks - ANN): Ứng dụng mô hình mạng nơ-ron nhân tạo kết hợp phần mềm mô phỏng Matlab để phân tích, mô phỏng và dự đoán tuổi thọ mỏi của mẫu thử.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

• Nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp tài liệu về công nghệ WAAM, khí bảo vệ trong hàn MIG, lý thuyết mỏi kim loại, xây dựng thuật toán tối ưu hóa Taguchi và mô hình mạng nơ-ron ANN trên Matlab.
• Nghiên cứu thực nghiệm: Thực hiện chế tạo mẫu thử mỏi trục tròn bằng cách gá đặt các vòng thép C45, hàn đắp liên kết bằng máy hàn MIG Jasic MIG-270 tích hợp trên hệ thống điều khiển CNC, sau đó gia công tiện và phay CNC để hoàn thiện bề mặt theo tiêu chuẩn.
• Thực nghiệm mỏi: Tiến hành thử nghiệm độ bền mỏi trên máy kiểm tra mỏi uốn quay chuyên dụng, ghi nhận số chu kỳ chịu tải ($N$) cho đến khi phá hủy hoàn toàn.

---

Thiết kế và quy trình chế tạo mẫu thử nghiệm

Thiết bị và thông số chế tạo

Hệ thống thiết bị và vật liệu sử dụng trong nghiên cứu được chuẩn hóa nhằm đảm bảo tính lặp lại của thực nghiệm:

Hạng mục	Thông số / Chủng loại kỹ thuật
Vật liệu cơ sở (Base Metal)	Vòng thép C45 (C45 ring steels)
Dây hàn bổ sung (Filler Metal)	Dây hàn AWS E71-T1, đường kính $\varnothing 1.20\text{ mm}$
Nguồn hàn (Power Source)	Máy hàn Jasic MIG-270 (Nguồn DC điện áp không đổi - CV)
Khí bảo vệ (Shielding Gas)	$100%\text{ CO}_2$, hỗn hợp Argon/$CO_2$ ($75/25$, $80/20$), $100%\text{ Argon}$
Cường độ dòng điện hàn (Current)	$145 - 175\text{ A}$
Điện áp hàn (Voltage)	$22 - 23\text{ V}$
Tốc độ hàn (Travel Speed)	$4.0\text{ mm/s}$ ($24\text{ cm/min}$)
Nhiệt độ giữa các đường hàn (Interpass)	$130 - 150\text{ }^\circ\text{C}$
Phương pháp dẫn động gá đặt	Hệ thống bàn xoay/gá phôi kết hợp điều khiển CNC

Quy trình công nghệ chế tạo mẫu

1. Chuẩn bị và định vị phôi: Gia công các vòng thép C45 có kích thước xác định, lắp đặt đồng tâm lên trục gá nhằm đảm bảo độ đồng tâm khi gia công cắt gọt sau này.
2. Hàn đắp liên kết (CNC-MIG Welding): Sử dụng mỏ hàn MIG cấp dây tự động, thiết lập chế độ dòng điện $145 - 175\text{ A}$, điện áp $22 - 23\text{ V}$, lớp khí bảo vệ ngăn chặn hiện tượng oxy hóa và rỗ khí mối đắp.
3. Gia công cơ khí tinh: Phôi sau khi hàn đắp được chuyển sang máy tiện và máy gia công CNC để gia công kích thước hình học, bán kính lượn và độ nhám bề mặt theo đúng tiêu chuẩn thử mỏi ISO 1143:2021.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu mở đầu (Introduction)

Chương 1 trình bày tổng quan về tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh công nghệ in 3D kim loại và sản xuất phụ gia dây hồ quang (WAAM) tại Việt Nam. Tác giả xác định mục tiêu đánh giá độ bền mỏi của mẫu trục in 3D, nêu rõ đối tượng, phạm vi nghiên cứu, phương pháp kết hợp lý thuyết - thực nghiệm, đồng thời phân tích ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài đối với ngành chế tạo máy.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu (Overview of the Research)

Chương 2 cung cấp cơ sở tổng quan toàn diện về công nghệ WAAM:

• Định nghĩa và nguyên lý hoạt động của công nghệ WAAM thuộc nhóm lắng đọng năng lượng có định hướng (DED).
• Phân loại WAAM theo nguồn nhiệt hàn (GMAW-WAAM, GTAW-WAAM) và hệ thống điều khiển chuyển động (Robotic, Gantry, Hybrid).
• Khảo sát các nhóm vật liệu kim loại dùng trong WAAM (thép cacbon, thép hợp kim, nhôm, titan, hợp kim niken, đồng).
• Phân tích cơ chế và đặc tính của các loại khí bảo vệ trong hàn MIG ($100%\text{ Ar}$, $100%\text{ CO}_2$, hỗn hợp $\text{Ar/CO}_2$, $\text{Ar/O}_2$, khí Tri-mix) cùng tác động của chúng đến độ ổn định hồ quang, độ ngấu và độ ướt mối hàn.
• Tổng hợp bảng thông số quy trình hàn (WPS) và giới thiệu các trang thiết bị thực nghiệm như máy hàn Jasic MIG-270, súng hàn MIG, bình khí và đồng hồ điều áp Argon/$\text{CO}_2$.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết (Theoretical Basis)

Chương 3 tập trung vào nền tảng lý thuyết kiểm tra cơ tính và phương pháp luận tính toán:

• Lý thuyết về độ bền mỏi kim loại, các dạng tải trọng chu kỳ, quy luật phá hủy mỏi, xây dựng đường cong S-N và xác định giá trị chu kỳ cơ sở $N_0$ cho các mác vật liệu.
• Các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt khi thử nghiệm độ bền mỏi.
• Phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi: Khái niệm, ưu điểm trong việc giảm số lần thí nghiệm mà vẫn xác định được tổ hợp thông số tối ưu, các hạn chế của phương pháp.
• Ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và thuật toán trên Matlab để mô phỏng, xử lý số liệu thực nghiệm và dự báo độ bền mỏi.

Chương 4: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mẫu thử mỏi (Research, Design and Manufacture of Fatigue Test Samples)

Chương 4 mô tả chi tiết quá trình triển khai chế tạo thực tế:

• Thử nghiệm các chiến lược hàn khác nhau để đảm bảo độ liên kết và độ đồng tâm của các vòng thép trên trục.
• Thiết kế hình học mẫu thử mỏi dựa trên các kích thước và dung sai quy định trong tiêu chuẩn ISO 1143:2021.
• Chuẩn bị dụng cụ, đồ gá và thiết bị gia công (máy hàn MIG, máy tiện, máy phay CNC).
• Quy trình chế tạo thực tế từng bước: Gá đặt vòng thép, hàn đắp liên kết MIG, gia công cắt gọt tạo hình mẫu thử nghiệm.

Chương 5: Phân tích và đánh giá kết quả thử nghiệm (Analysis and Evaluation of Test Results)

Chương 5 trình bày toàn bộ dữ liệu thực nghiệm và phân tích thống kê:

• Quy trình lắp đặt và vận hành mẫu thử trên máy thử mỏi uốn quay.
• Ghi nhận số chu kỳ phá hủy của các mẫu thử theo ma trận thực nghiệm Taguchi.
• Phân tích ảnh hưởng của 5 thông số công nghệ chính đến số chu kỳ mỏi:
  1. Đường kính vòng thép (Ring's diameter).
  2. Tốc độ hàn (Welding speed).
  3. Chiều dày đắp (Thickness).
  4. Độ dịch chuyển/độ lệch (Offset).
  5. Cường độ dòng điện hàn (Current intensity).
• Phân tích phương sai ANOVA để xác định mức độ đóng góp của từng biến số.
• Đồ thị hiệu ứng chính cho tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Main Effects Plot for SN ratios) và giá trị trung bình (Main Effects Plot for Means).
• Kết quả mô phỏng và dự đoán độ bền mỏi bằng mô hình mạng nơ-ron ANN trên Matlab.

Chương 6: Kết luận và kiến nghị (Conclusion and Recommendation)

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được của đồ án tốt nghiệp, khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ đắp kim loại hồ quang kết hợp gia công cơ khí để chế tạo chi tiết dạng trục chịu tải trọng động, đồng thời nêu các khuyến nghị kỹ thuật để hoàn thiện công nghệ.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

• Chế tạo thành công các mẫu thử mỏi dạng trục từ phôi vòng thép C45 kết hợp công nghệ hàn đắp CNC-MIG (dây hàn AWS E71-T1 đường kính $1.20\text{ mm}$, khí bảo vệ $\text{CO}_2$) đạt yêu cầu hình học theo tiêu chuẩn ISO 1143:2021.
• Thu thập và xử lý toàn bộ số liệu chu kỳ phá hủy mỏi trên thiết bị thử nghiệm chuyên dụng thông qua ma trận trực giao Taguchi.
• Xác định được quy luật ảnh hưởng của các thông số công nghệ (đường kính vòng thép, tốc độ hàn, chiều dày lớp đắp, độ lệch offset và cường độ dòng điện hàn) đến tuổi thọ mỏi của chi tiết trục.
• Phân tích định lượng mức độ ảnh hưởng của các yếu tố thông qua bảng phân tích phương sai ANOVA và đồ thị hiệu ứng chính (SN ratios, Means).
• Xây dựng mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) trên môi trường Matlab hỗ trợ mô phỏng và dự đoán chính xác tuổi thọ mỏi của chi tiết dạng trục in 3D.

Đóng góp khoa học và thực tiễn

• Giá trị khoa học: Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm về hành vi mỏi của chi tiết trục kim loại chế tạo bằng công nghệ đắp hồ quang kết hợp gá phôi vòng thép C45; kiểm chứng hiệu quả của phương pháp Taguchi và mạng ANN trong tối ưu hóa quy trình sản xuất phụ gia kim loại.
• Giá trị thực tiễn: Chứng minh tính khả thi của quy trình công nghệ hàn đắp MIG - gia công CNC để chế tạo các chi tiết dạng trục chịu tải chu kỳ với chi phí thấp hơn so với in 3D bột kim loại; mở ra giải pháp ứng dụng công nghệ WAAM cho các doanh nghiệp cơ khí chế tạo tại Việt Nam.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Theo công bố của nhóm tác giả trong văn bản:

1. Phạm vi vật liệu: Nghiên cứu chỉ giới hạn trên vật liệu thép C45 và dây hàn kết hợp AWS E71-T1, chưa mở rộng khảo sát các mác thép hợp kim đặc thù, nhôm hoặc titan.
2. Hình học mẫu thử nghiệm: Mẫu thử nghiệm được chuẩn hóa dạng trục tròn trơn theo tiêu chuẩn ISO 1143:2021 nhằm phục vụ đo kiểm mỏi, chưa phản ánh hết mức độ phức tạp về hình học của các loại trục thực tế trong máy móc công nghiệp.
3. Môi trường thử nghiệm: Thực nghiệm chỉ được tiến hành trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn, chưa mô phỏng các môi trường làm việc khắc nghiệt có nhiệt độ cao hoặc có tính ăn mòn hóa học.
4. Phạm vi cơ tính khảo sát: Đề tài tập trung chuyên sâu vào độ bền mỏi ngắn hạn và số chu kỳ phá hủy mỏi, chưa khảo sát các đặc tính cơ lý quan trọng khác như độ bền chống mài mòn, độ dai va đập hay khả năng chống ăn mòn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm trên các hệ vật liệu kim loại khác sử dụng trong WAAM như thép không gỉ, hợp kim nhôm hoặc siêu hợp kim gốc niken.
• Nghiên cứu ảnh hưởng của các chế độ nhiệt luyện, ủ khử ứng suất dư sau khi hàn đắp nhằm nâng cao hơn nữa giới hạn mỏi của chi tiết.
• Khảo sát độ bền mỏi của các chi tiết trục có biên dạng phức tạp (có rãnh then, bậc trục, lỗ dầu) trong điều kiện làm việc thực tế.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp CTM-184 là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

• Sinh viên và học viên cao học các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy, Kỹ thuật Vật liệu đang thực hiện đồ án, luận văn liên quan đến công nghệ sản xuất phụ gia kim loại (WAAM) và thử nghiệm cơ tính vật liệu.
• Kỹ sư cơ khí và cán bộ R&D tại các nhà máy, viện nghiên cứu cần tài liệu hướng dẫn quy trình thiết lập thông số hàn MIG/WAAM, quy trình gia công mẫu thử mỏi theo tiêu chuẩn ISO 1143:2021.
• Nhà nghiên cứu về tối ưu hóa công nghệ: Tham khảo phương pháp ứng dụng quy hoạch thực nghiệm Taguchi, phân tích ANOVA và mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) trên Matlab trong giải quyết bài toán kỹ thuật cơ khí.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Công nghệ in 3D kim loại cụ thể nào được sử dụng trong nghiên cứu này?

Đề tài sử dụng công nghệ sản xuất phụ gia bằng hồ quang dây (Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM), cụ thể là phương pháp hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ (GMAW/MIG) tích hợp trên hệ thống điều khiển CNC để đắp kim loại lớp theo lớp.

2. Vật liệu cơ sở và vật liệu đắp bổ sung trong đề tài là gì?

Nghiên cứu sử dụng phôi cơ sở là các vòng thép cacbon C45 (C45 ring steels) kết hợp với vật liệu hàn đắp là dây hàn thương mại tiêu chuẩn AWS E71-T1 có đường kính $1.20\text{ mm}$.

3. Tiêu chuẩn nào được áp dụng để thiết kế và thử nghiệm mẫu mỏi?

Mẫu thử nghiệm độ bền mỏi dạng trục được thiết kế kích thước, dung sai và quy trình thử nghiệm uốn quay theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 1143:2021 (Metallic materials — Rotating bar bending fatigue testing).

4. Những thông số công nghệ nào được khảo sát để đánh giá ảnh hưởng đến độ bền mỏi?

5 thông số công nghệ đầu vào được phân tích gồm: đường kính vòng thép (ring's diameter), tốc độ hàn (welding speed), chiều dày đắp (thickness), độ lệch gá đặt (offset) và cường độ dòng điện hàn (current intensity).

5. Những công cụ toán học và phần mềm nào được dùng để xử lý số liệu và dự đoán tuổi thọ mỏi?

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi kết hợp phân tích phương sai (ANOVA) để tối ưu hóa tỷ số $S/N$, đồng thời sử dụng mô hình Mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Networks - ANN) lập trình trên phần mềm Matlab để mô phỏng và dự đoán số chu kỳ phá hủy mỏi.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp "Khảo sát độ bền mỏi của mẫu thử dạng trục được chế tạo bằng phương pháp in 3D kim loại" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã nghiên cứu thành công quy trình công nghệ kết hợp giữa đắp hồ quang kim loại CNC-MIG (WAAM) và gia công cắt gọt chính xác. Thông qua việc ứng dụng tiêu chuẩn ISO 1143:2021, phương pháp Taguchi, phân tích ANOVA và mạng nơ-ron ANN trên Matlab, đề tài đã làm rõ quy luật ảnh hưởng của các thông số chế tạo đến độ bền mỏi của chi tiết dạng trục. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng và khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ sản xuất phụ gia kim loại chi phí thấp trong ngành cơ khí chế tạo tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION THESIS MAJOR: MACHINE MANUFACTURING TECHNOLOGY INVESTIGATION OF FATIGUE STRENGTH OF SHAFT SPECIMENS FABRICATED BY METAL 3D PRINTING METHOD INSTRUCTOR: NGUYEN VAN MINH STUDENT: LE DINH NGO NGUYEN THANH DANH DUONG LE MINH HAI Ho Chi Minh city, July 2024 HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION *********** GRADUATION THESIS INVESTIGATION OF FATIGUE STRENGTH OF SHAFT SPECIMENS FABRICATED BY METAL 3D PRINTING METHOD SUPERVISOR: MSc. Nguyen Van Minh (THN) STUDENT’S NAME: STUDENT’S ID: 19144002 LE DINH STUDENT’S ID: 19143066 NGO NGUYEN THANH DANH STUDENT’S ID: 19143073 DUONG LE MINH HAI Academic year: 2019 – 2023 Ho Chi Minh city, July 2024 HO CHI MINH CITY UNIVERCITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION _______________________ GRADUATION THESIS INVESTIGATION OF FATIGUE STRENGTH OF SHAFT SPECIMENS FABRICATED BY METAL 3D PRINTING METHOD SUPERVISOR: MSc. Nguyen Van Minh (THN) STUDENT’S NAME: LE DINH STUDENT’S ID: 19144002 NGO NGUYEN THANH DANH STUDENT’S ID: 19143066 DUONG LE MINH HAI STUDENT’S ID: 19143073 Academic year: 2019 – 2023 Ho Chi Minh city, July 2024 HO CHI MINH UNIVERSITY OF SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM TECHNOLOGY AND EDUCATION Independence - Freedom - Happiness INTERNATIONAL EDUCATION FACULTY GRADUATION PROJECT TASKS Semester II/School year 2024 Instructor: MSc. Nguyen Van Minh (THN) Student: Le Dinh STUDENT’S ID: 19144002 Contact: 0797726257 Ngo Nguyen Thanh Danh STUDENT’S ID: 19143066 Contact: 0392313624 Duong Le Minh Hai STUDENT’S ID: 19143073 Contact: 0937805787 1.

Project ID number: CTM-184 -Topic name: INVESTIGATION OF FATIGUE STRENGTH OF SHAFT SPECIMENS FABRICATED BY METAL 3D PRINTING METHOD 2. Initial Figures and documents: - WAAM technology documents. - Fatigue testing equipment. - Standards for fatigue testing.

- Equipment used for the detailed manufacturing process using the WAAM method. Main contents of the project: - Research in WAAM 3D printing technology. - Fabrication of fatigue test specimens for axial parts. - Create table of parameters for samples.

- Fatigue endurance testing and statistics, synthesis of results. Expected products: Investigate the process of fatigue testing, endurance results, analysis report and experimental sample. Project delivery date: 01/03/2024 6. Date of submission of the project: 06/07/2024 7.

Presentation Language: The report: English  Vietnamese  Protection presentation: English  Vietnamese  DEAN OF FACULTY DEAN OF MAJOR INSTRUCTOR (Sign, specify full name) (Sign, specify full name) (Sign, specify full name)  Permitted to present the research project: …………………. (Instructor sign, specify full name) Topic name: INVESTIGATION OF FATIGUE STRENGTH OF SHAFT SPECIMENS FABRICATED BY METAL 3D PRINTING METHOD Instructor: MSc. Nguyen Van Minh (THN) Student name: Le Dinh STUDENT’S ID: 19144002 Contact: 0797726257 Address: 43, road 475, Phuoc Long B ward, Thu Duc city, Ho Chi Minh.vn Ngo Nguyen Thanh Danh STUDENT’S ID: 19143066 Contact: 0392313624 Address: 30B, road 58, Phuoc Long A ward, Thu Duc city, Ho Chi Minh.vn Duong Le Minh Hai STUDENT’S ID: 19143073 Contact: 0937805787 Address: 05B6, 11 quarter, Tan Phong ward, Bien Hoa city, Dong Nai.vn Class: 19143CLA2, 19143CLA3, 19144CLA1. Thesis submission date: 06/07/2024 Commitment: “We promise this is an article that we researched.

We do not copy or arbitrarily use materials, quotes, or articles without citing the source. If there is a violation, we will take all responsibility.” Ho Chi Minh City, 06 July 2024 Signature SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence - Freedom - Happiness ******* Ho Chi Minh city, day month year FINAL GRADUATION THESIS MISSION Student’s name: Le Dinh Student’s ID: 19144002 Major: Mechanical Engineering Class: 19144CLA1 Student’s name: Ngo Nguyen Thanh Danh Student’s ID: 19143066 Major: Manufacture Engineering Class: 19143CLA3 Student’s name: Duong Le Minh Hai Student’s ID: 19143073 Major: Manufacture Engineering Class: 19143CLA2 Supervisor: Nguyen Van Minh (THN) Contacts: Project receive day: 01/03/2024 Project turn in day: 1. Project name: Investigation of fatigue strength of shaft specimens fabricated by metal 3d printing method. Input data: Test model: According to metal fatigue strength standards.

Materials: C45 ring steels. Modeling method: CNC-MIG welding. Project description: Overview of WAAM technology. Overview of steel materials.

Fabrication of test samples. Test and analyze fatigue strength results. Product: DEAN OF MAJOR SUPERVISOR Faculty of international education – HCM City University of technology and education SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence - Freedom - Happiness ******* Ho Chi Minh city, day month year TEACHER REVIEW FORM Student’s name: Le Dinh Student’s ID: 19144002 Major: Mechanical Engineering Class: 19144CLA1 Student’s name: Ngo Nguyen Thanh Danh Student’s ID: 19143066 Major: Manufacture Engineering Class: 19143CLA3 Student’s name: Duong Le Minh Hai Student’s ID: 19143073 Major: Manufacture Engineering Class: 19143CLA2 Thesis advisor: Comment 1. Project description and amount of works:.

Ho Chi Minh city, day month year Supervisor (Sign and name) Faculty of international education – HCM City University of technology and education THANK YOU In order to enable our team to successfully complete our graduation project to the best of our ability, I would like to express my profound gratitude and admiration to MSc. Nguyen Van Minh (THN), Professor Pham Son Minh, Ph. Tran Minh The Uyen and MSc. Nguyen Thanh Tan.

Their support and direction have been priceless. Nguyen Van Minh(THN), your knowledge and guidance have been invaluable to the accomplishment of our project. We've been pushed and motivated to do our best by your extensive expertise, perceptive criticism, and unrelenting dedication to our growth. Your time and work in guaranteeing the quality of our project is really appreciated.

We are incredibly grateful to Professor Pham Son Minh and Ph. Tran Minh The Uyen for your insightful comments, helpful critiques, facilities providing and words of support along the way. Your knowledge and varied viewpoints have enhanced our work and increased our comprehension of the issue. We are inspired to push limits and pursue excellence by your unwavering support and faith in our abilities.

We feel privileged and humbled to have had the chance to work under your direction and oversight. Your passion, devotion, and hard work toward our academic advancement have had a profound effect on our professional development. Additionally, we would like to thank the entire faculty for giving us the tools and a supportive environment that allowed us to complete our project successfully. Your steadfast assistance and dedication to promoting our academic development have been priceless.

We want to thank MSc. Nguyen Van Minh(THN) and all of the faculty committee professors once more for their tremendous help and encouragement along the way. We sincerely appreciate your conviction in our talents and the chance to learn from your experience. We are now better people as a result of your advice, and we are more equipped to tackle our future goals.

We would like to thank teachers Nguyen Van Minh(THN), Pham Son Minh, Tran Minh The Uyen and Nguyen Thanh Tan for supporting our group in using the machines as well as giving them dedicated guidance during the graduation project process. SUMMARY TOPIC NAME INVESTIGATION OF FATIGUE STRENGTH OF SHAFT SPECIMENS FABRICATED BY METAL 3D PRINTING METHOD This research aims to investigate the fatigue strength of shaft specimens fabricated by metal 3D printing, focusing on Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). WAAM, a metal additive manufacturing technology, utilizes an electric arc to melt a continuously fed metal wire and deposit it layer by layer onto a substrate, gradually building the desired three-dimensional shape. WAAM leverages well-established welding processes, making it a relatively cost-effective and versatile manufacturing technique.

One of the main advantages of WAAM is its ability to achieve high deposition rates, allowing for the rapid fabrication of large and complex components that would be challenging or time-consuming to produce using traditional manufacturing methods. This makes WAAM particularly attractive for industries such as aerospace, shipbuilding, and energy, where large-scale metallic structures are often required. Additionally, WAAM offers significant cost savings due to the utilization of readily available welding wire as the primary feedstock material, eliminating the need for expensive metal powders often used in other AM processes. Furthermore, the process parameters in WAAM, such as travel speed, wire feed rate, and arc voltage, can be precisely controlled to achieve desired material properties and geometrical accuracy.

This research aims to bridge the knowledge gap in metal sheet 3D printing in Vietnam by evaluating the fatigue behavior of 3D printed shafts under cyclic loading conditions, analyzing the influence of printing parameters, material properties, and post- processing techniques. The findings will contribute to the advancement of metal 3D printing technology in Vietnam, promoting its adoption in industries requiring high- performance components. The research will employ a combination of theoretical and experimental approaches, utilizing the Taguchi method for experimental design and analysis. The study will also adhere to standardized fatigue testing procedures and specimen fabrication guidelines to ensure the reliability and validity of the results.

By addressing the limitations of previous research and focusing on the specific context of Vietnam, this project aims to provide valuable insights into the fatigue performance of 3D printed metal shafts, ultimately contributing to the growth and development of this emerging technology in the country. This research will apply the Taguchi method, a robust statistical technique for optimizing product and process quality. The Taguchi method helps identify the optimal combination of input factors to achieve the desired quality and reduces the system's sensitivity to sources of variation. By using statistical techniques such as Analysis of Variance (ANOVA), the Taguchi method allows for the analysis of experimental data and the determination of optimal parameter settings.

In the fabrication stage of fatigue test specimens, different welding strategies will be evaluated to ensure the concentricity of steel rings on the shaft, a critical factor for precise lathe machining of the specimens. The fatigue test specimen will be designed according to ISO 1143:2021, with strictly controlled dimensions and tolerances. The fabrication process will involve MIG welding, lathe machining, and CNC machining to achieve the desired shape and surface finish. The fatigue test specimens will undergo a rigorous fatigue strength testing process using a specialized fatigue testing machine.

The machine will simulate the cyclic stresses that shafts encounter in real-world applications and record the number of cycles until failure. The collected data, including crack initiation and propagation behavior, will be statistically analyzed to determine fatigue strength, endurance limit, and confidence intervals for the 3D printed metal shafts. This research is expected to make significant contributions to the field of metal additive manufacturing by providing comprehensive insights into the fatigue behavior of 3D printed metal shafts. These findings will help optimize printing parameters, material selection, and post-processing techniques, leading to the production of more durable and reliable 3D printed metal parts.

Furthermore, the research will promote the adoption of metal 3D printing technology in Vietnam by demonstrating its feasibility and performance advantages, particularly in industries that require complex, high- performance components. BẢN TÓM TẮT TÊN CHỦ ĐỀ KHẢO SÁT ĐỘ BỀN MỎI CỦA MẪU THỬ DẠNG TRỤC ĐƯỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP IN 3D KIM LOẠI Nghiên cứu này nhằm mục đích kiểm tra độ bền mỏi của các mẫu trục được chế tạo bằng công nghệ in 3D kim loại, tập trung vào Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). WAAM, một công nghệ sản xuất phụ gia kim loại, sử dụng hồ quang điện để nấu chảy dây kim loại được cấp liên tục và lắng đọng từng lớp một lên đế, dần dần xây dựng hình dạng ba chiều mong muốn. WAAM tận dụng các quy trình hàn được thiết lập tốt và có thể truy cập rộng rãi, làm cho nó trở thành một kỹ thuật sản xuất tương đối hiệu quả về chi phí và linh hoạt.

Một trong những lợi thế chính của WAAM là khả năng đạt được tốc độ lắng đọng cao, cho phép chế tạo nhanh chóng các thành phần lớn và phức tạp mà sẽ rất khó khăn hoặc tốn thời gian để sản xuất bằng các phương pháp sản xuất truyền thống.