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.

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.