Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công nghệ sản xuất bồi đắp hay in 3D (Additive Manufacturing - AM) xuất hiện từ cuối những năm 1980 dựa trên nền tảng công nghệ CNC, in 2D và laser. Ban đầu, công nghệ đắp lớp chủ yếu ứng dụng trên vật liệu polymer để tạo mẫu nhanh, tuy nhiên các sản phẩm này có độ bền cơ học và khả năng chịu nhiệt hạn chế. Để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật trong công nghiệp sản xuất, chế tạo, y khoa, kiến trúc và xây dựng, các công nghệ in 3D kim loại như nung chảy lớp bột (Powder Bed Fusion - PBF) hay lắng đọng năng lượng trực tiếp (Direct Energy Deposition - DED) đã được phát triển. Dù vậy, tại Việt Nam, việc tiếp cận công nghệ in 3D kim loại thương mại còn gặp nhiều rào cản do chi phí thiết bị, bản quyền công nghệ và vật liệu dạng bột kim loại quá cao so với khả năng chi trả của doanh nghiệp.

Phương pháp in 3D kim loại đắp lớp bằng hồ quang kết hợp dây hàn (Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM layer) trên nền phẳng sử dụng hệ thống máy CNC 3 trục và nguồn nhiệt hồ quang từ máy hàn MIG (GMAW) là giải pháp giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư thiết bị và nguyên vật liệu, rút ngắn thời gian chế tạo và nâng cao tính khả thi ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, quá trình đắp lớp bằng hồ quang sinh nhiệt lượng lớn, dễ gây ra ứng suất dư, biến dạng nhiệt và làm thay đổi tổ chức tế vi của kim loại, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tạo hình và cơ tính của sản phẩm. Vì vậy, đề tài "Khảo sát độ dai va đập của thép carbon được chế tạo bằng phương pháp WAAM layer" được thực hiện nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn đắp đến độ dai va đập và cấu trúc vi mô của sản phẩm thép carbon Ct3.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định gồm các nội dung:

  1. Tìm hiểu các thiết bị và nguyên lý liên quan đến công nghệ in 3D kim loại dạng tấm (WAAM layer).
  2. Khảo sát khả năng tạo hình theo các thông số công nghệ: cường độ dòng hàn (A), chiều dài hồ quang, vận tốc di chuyển của máy CNC (F), và lưu lượng khí bảo vệ.
  3. Chế tạo các mẫu thử cơ tính bằng phương pháp WAAM layer trên phôi thép carbon Ct3.
  4. Thực nghiệm kiểm tra độ dai va đập và quan sát tổ chức tế vi để đánh giá hiệu quả, cơ tính của phương pháp chế tạo WAAM layer so với vật liệu nguyên khối ban đầu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ WAAM (bề dày lớp hàn, cường độ dòng điện hàn, vận tốc hàn, độ dày tấm ghép) đến độ dai va đập (Charpy impact toughness) và tổ chức tế vi của sản phẩm kim loại.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Công nghệ chế tạo: Hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ MIG (GMAW) tích hợp trên khung máy CNC 3 trục điều khiển bằng mã G-code.
    • Vật liệu: Phôi nền là thép carbon thấp Ct3 (dạng tấm phẳng) và vật liệu bồi đắp là dây hàn GM S70.
    • Các dải thông số khảo sát đơn biến: Cường độ dòng hàn từ 60A đến 100A; Bề dày lớp đắp từ 1 mm đến 5 mm; Độ dày tấm thép ghép từ 1 mm đến 5 mm; Vận tốc hàn từ 250 mm/s đến 350 mm/s.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Nghiên cứu vận dụng hệ thống lý thuyết về luyện kim hàn, công nghệ đắp lớp bồi đắp và điều khiển tự động hóa:

  • Tiêu chuẩn vật liệu và cơ tính: Thép carbon Ct3 sản xuất theo tiêu chuẩn Nga TOCT 380–89 (tương đương mác CCT34, CCT38 theo TCVN) với hàm lượng carbon thấp ($C \le 0{,}25%$), đảm bảo tính hàn và độ dẻo cao. Tiêu chuẩn phân loại 7 nhóm công nghệ đắp lớp của Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (ASTM): FDM, SLS, SLA, DLP, MJF, EBM, DMLS.
  • Công nghệ WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing): Nguyên lý nung chảy dây kim loại liên tục bằng hồ quang điện sinh ra giữa điện cực và vật hàn, đắp từng lớp (layer-by-layer) dưới sự bảo vệ của khí trơ (Argon, Heli) hoặc khí hoạt tính ($CO_2$).
  • Hệ thống CNC 3 trục: Điều khiển số hóa chuyển động tương đối giữa mỏ hàn và bàn gá phôi trên 3 trục tọa độ vuông góc $X, Y, Z$ thông qua chương trình gia công CAD/CAM chuyển đổi thành mã lệnh G-code. Xác định các điểm quy chiếu cố định của máy và điểm Zero phôi (G54-G59).

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án kết hợp nghiên cứu lý thuyết chuyên ngành và thực nghiệm chế tạo - kiểm định cơ tính:

  • Phương pháp phân tích lý thuyết: Tổng hợp tài liệu về truyền nhiệt trong quá trình hàn hồ quang, cơ chế hình thành vũng hàn, các yếu tố công nghệ (điện áp hàn, tốc độ cấp dây, tốc độ di chuyển mỏ hàn, dòng hàn) ảnh hưởng đến độ ngấu, độ rộng mối hàn và sự tạo thành khuyết tật (rỗ khí, thiếu đường hàn, biến dạng nhiệt).
  • Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Thiết lập hệ thống tích hợp nguồn hàn MIG công suất lớn và máy CNC 3 trục; chế tạo các phôi đắp lớp nhiều tầng theo phương pháp đơn biến cho từng thông số công nghệ; gia công cắt gọt tạo mẫu thử độ dai va đập tiêu chuẩn có rãnh khía chữ V theo kích thước quy định.
  • Phương pháp thử nghiệm cơ tính và kim tương học:
    • Thử nghiệm độ dai va đập bằng máy thử va đập con lắc Charpy, ghi nhận năng lượng hấp thụ phá hủy ($J$).
    • Phân tích tổ chức tế vi: Cắt mẫu, mài nhẵn, đánh bóng gương bề mặt và tẩm thực bằng dung dịch hóa chất chuyên dụng để làm rõ biên giới hạt, pha ferit và peclit; quan sát và chụp ảnh cấu trúc vi mô dưới kính hiển vi quang học phản xạ ánh sáng.
    • Phân tích dữ liệu: Thống kê, so sánh năng lượng va đập giữa các bộ thông số hàn và đối chứng với mẫu thép Ct3 nguyên khối.

Nguồn dữ liệu

  • Dữ liệu cơ lý thuyết và thành phần hóa học tiêu chuẩn của mác thép Ct3 theo TOCT 380–89.
  • Dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp từ hệ thống máy hàn CNC 3 trục, máy kiểm tra độ dai va đập Charpy và kính hiển vi quang học tại xưởng thực hành và phòng thí nghiệm Khoa Cơ khí Chế tạo máy - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này nêu bật tính cấp thiết của việc làm chủ công nghệ in 3D kim loại chi phí thấp tại Việt Nam. Tác giả phân tích ưu thế kinh tế của việc kết hợp nguồn hàn MIG và máy CNC 3 trục so với các hệ thống in laser đắt đỏ. Nội dung xác định mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi khảo sát biến số hàn (dòng hàn, tốc độ hàn, bề dày lớp, độ dày tấm), phương pháp nghiên cứu lý thuyết - thực nghiệm, cùng các giới hạn về mặt vật liệu (chỉ áp dụng trên phôi tấm Ct3 và dây hàn GM S70 trên nền phẳng).

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Tác giả hệ thống hóa 7 nhóm công nghệ sản xuất đắp lớp theo tiêu chuẩn ASTM, so sánh đặc tính kỹ thuật giữa các công nghệ in 3D kim loại (SLS, EBM, DMLS, DED, WAAM). Tổng quan chỉ ra WAAM vượt trội về tốc độ đắp vật liệu, khả năng chế tạo chi tiết kích thước lớn và chi phí thiết bị thấp. Chương này cũng phân tích các vật liệu kim loại dùng trong in 3D (thép không gỉ, thép công cụ, Titanium, Inconel 625) và đi sâu vào đặc tính cơ lý, hóa học của thép carbon Ct3:

Thành phần hóa học Carbon (C) Mangan (Mn) Silic (Si) Lưu huỳnh (S) Phốt pho (P)
Tỷ lệ (%) $\le 0{,}25%$ (mẫu đo: $0{,}04%$) $0{,}40 - 0{,}65%$ $0{,}12 - 0{,}30%$ $\le 0{,}05%$ $\le 0{,}04%$
Thông số cơ lý thép Ct3 Giá trị tiêu chuẩn
Giới hạn chảy tối thiểu ($\sigma_c$) $216 - 245\text{ MPa}$ (tùy độ dày)
Giới hạn bền kéo ($\sigma_b$) $373 - 481\text{ MPa}$
Độ giãn dài tương đối ($\delta_5$) $22 - 26%$
Khối lượng riêng $7{,}85\text{ g/cm}^3$

Chương 2 cũng trình bày nguyên lý kiểm tra tổ chức tế vi (chuẩn bị mẫu, mài, đánh bóng, tẩm thực ăn mòn biên giới hạt) và nguyên lý đo độ dai va đập theo phương pháp Charpy.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương trình bày chi tiết về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy CNC 3 trục kết hợp đầu hàn MIG:

  • Thông số kỹ thuật của hệ thống thực nghiệm: Phạm vi chuyển động $X = 1500\text{ mm}$, $Y = 3000\text{ mm}$, $Z = 500\text{ mm}$; tốc độ di chuyển $0 - 5000\text{ mm/phút}$; độ chính xác vị trí $\pm 0{,}02\text{ mm}$; nguồn hàn MIG công suất $300\text{A} - 500\text{A}$, điện áp hoạt động $380\text{V}/50\text{Hz}$; điều khiển qua chương trình CAD/CAM hỗ trợ mã G-code.
  • Cấu tạo thiết bị hàn MIG: Nguồn hàn dòng một chiều phân cực nghịch (DCEP), bộ cấp dây hàn tự động (hệ con lăn), bình và van điều áp khí bảo vệ ($CO_2$, Ar), mỏ hàn MIG tích hợp béc hàn và hệ thống làm mát.
  • Phân tích động học quá trình hàn: Ảnh hưởng của điện áp hàn (điện áp cao gây vũng hàn rộng, mất ổn định; điện áp thấp gây khó mồi hồ quang, bắn tóe, độ ngấu kém), tốc độ di chuyển mỏ hàn (quá nhanh gây thiếu ngấu, mối hàn hẹp; quá chậm gây tích tụ nhiệt lớn, cháy thủng phôi), và tốc độ cấp dây đến hình học mối hàn.

Chương 4: Chế tạo mô hình thực nghiệm

Chương 4 mô tả quy trình thực nghiệm từ chuẩn bị vật tư đến đo kiểm:

  1. Chuẩn bị phôi và thiết bị: Làm sạch bề mặt tấm thép nền Ct3, gá đặt phôi chắc chắn lên bàn máy CNC, thiết lập lưu lượng khí bảo vệ và lắp cuộn dây hàn.
  2. Quy trình đắp lớp WAAM: Nạp chương trình G-code điều khiển đầu hàn MIG chạy tự động theo các đường hàn song song và đắp lớp liên tiếp theo phương thẳng đứng ứng với từng bộ thông số thực nghiệm đơn biến.
  3. Gia công mẫu thử: Phôi sau khi hàn đắp được cắt và gia công phay/mài cơ khí thành các thanh mẫu thử va đập tiêu chuẩn ($10\text{ mm} \times 10\text{ mm} \times 55\text{ mm}$), tạo rãnh khía chữ V sâu $2\text{ mm}$, góc $45^\circ$, bán kính đáy rãnh $0{,}25\text{ mm}$. Ghi nhận các khuyết tật gia công như thiếu đường hàn (do căn chỉnh bước dịch chuyển chưa đều) hoặc rỗ khí (do bảo vệ khí chưa hoàn hảo).
  4. Thử nghiệm va đập: Đặt mẫu lên đe của máy thử Charpy, thả búa con lắc từ độ cao tiêu chuẩn, ghi nhận năng lượng hấp thụ phá hủy mẫu ($J$).

Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá mẫu

Tác giả phân tích dữ liệu thực nghiệm đo độ dai va đập và ảnh vi cấu trúc kim tương:

  • Vật liệu nguyên khối đối chứng (thép Ct3): Năng lượng va đập trung bình đạt $197\text{ J}$.
  • Ảnh hưởng của bề dày lớp hàn: Khi bề dày lớp hàn là $2\text{ mm}$, mẫu đạt năng lượng va đập cao nhất là $223\text{ J}$ (trong bảng đơn biến trường hợp tối ưu ghi nhận giá trị $243{,}79\text{ J}$), cao hơn so với mẫu thép nguyên khối ban đầu ($197\text{ J}$). Khi tăng bề dày lớp hàn lên quá mức, năng lượng va đập có xu hướng suy giảm.
  • Ảnh hưởng của độ dày tấm ghép: Độ dày tấm ghép $2\text{ mm}$ cho năng lượng va đập đạt $179\text{ J}$.
  • Ảnh hưởng của tốc độ hàn: Khảo sát dải vận tốc $250 - 350\text{ mm/s}$ cho thấy vận tốc hàn $250\text{ mm/s}$ cho cấu trúc đắp đồng đều và độ ngấu tốt.
  • Đánh giá tổ chức tế vi: Hình ảnh kim tương cho thấy kim loại mối hàn đắp có cấu trúc hạt mịn, phân bố đồng nhất pha ferit và peclit do quá trình nguội nhanh của hồ quang, giải thích nguyên nhân độ dai va đập của mẫu đắp lớp $2\text{ mm}$ đạt giá trị tương đương hoặc vượt trội so với thép nền Ct3 nguyên khối dạng cán truyền thống.

Chương 6: Kết luận

Tóm kết toàn bộ kết quả nghiên cứu, khẳng định tính khả thi của phương pháp WAAM layer trên máy CNC 3 trục để gia công chế tạo thép carbon Ct3, xác định thông số lớp đắp $2\text{ mm}$ mang lại cơ tính va đập tối ưu, đồng thời chỉ ra các điểm cần hoàn thiện về kiểm soát biến dạng và chất lượng bề mặt.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Xác lập thành công quy trình công nghệ kết hợp máy hàn MIG và khung máy CNC 3 trục (hành trình $1500 \times 3000 \times 500\text{ mm}$) để thực hiện đắp lớp bồi đắp kim loại (WAAM layer) trên nền phẳng phôi thép carbon Ct3.
  • Dữ liệu năng lượng va đập Charpy từ thực nghiệm:
    • Mẫu thép carbon Ct3 nguyên khối ban đầu đạt: $197\text{ J}$.
    • Mẫu chế tạo bằng phương pháp WAAM với bề dày lớp hàn $2\text{ mm}$ đạt năng lượng va đập: $223\text{ J}$ (trường hợp tối ưu đạt $243{,}79\text{ J}$).
    • Mẫu hàn với độ dày tấm ghép $2\text{ mm}$ đạt: $179\text{ J}$.
  • Đánh giá cấu trúc vi mô: Quá trình đắp lớp WAAM tạo ra tổ chức tế vi dạng đa tinh thể với cấu trúc hạt mịn, độ tương phản pha đồng nhất, giải thích cho khả năng hấp thụ năng lượng va đập cao của lớp kim loại hàn so với cấu trúc thép tấm cán thô ban đầu.

Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật

  • Để tránh hiện tượng thiếu đường hàn giữa các pass và rỗ khí trong lớp đắp, cần duy trì ổn định lưu lượng khí bảo vệ, làm sạch xỉ hàn và bề mặt tấm ghép trước khi bồi đắp lớp kế tiếp.
  • Cần kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ giữa các lớp đắp (interpass temperature) và duy trì thông số điện áp/tốc độ di chuyển đầu hàn ở mức cân bằng nhằm hạn chế ứng suất nhiệt dư gây cong vênh phôi tấm.

Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm về cơ tính va đập của thép carbon Ct3 khi chế tạo bằng phương pháp WAAM layer kết hợp CNC 3 trục giá thành thấp tại Việt Nam.
  • Chứng minh tính khả thi của việc thay thế hoặc phục hồi các chi tiết kết cấu thép carbon bằng công nghệ đắp lớp hồ quang dây hàn MIG mà vẫn đảm bảo hoặc nâng cao độ dai va đập của vật liệu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Nghiên cứu mới chỉ tập trung trên công nghệ hàn hồ quang kim loại MIG (GMAW) và khảo sát trên một loại vật liệu dây hàn GM S70 và phôi nền thép Ct3 dạng tấm trên nền phẳng.
  • Kích thước chi tiết và mẫu thử còn giới hạn ở dạng hình học đơn giản, chưa thực hiện trên các bề mặt cong hoặc kết cấu 3D không gian phức tạp.
  • Khảo sát thực nghiệm chủ yếu thực hiện theo phương pháp đơn biến cho từng yếu tố riêng lẻ, chưa phân tích tương tác đa biến đồng thời.
  • Bề mặt phôi sau khi đắp lớp còn gồ ghề, đòi hỏi phải qua bước gia công cắt gọt cơ khí để đạt kích thước tiêu chuẩn thử nghiệm.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng phạm vi thử nghiệm trên các mác thép hợp kim, thép không gỉ, nhôm hoặc vật liệu chịu nhiệt khác.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa đa thông số đồng thời và ứng dụng thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI) trong phân tích, dự đoán chất lượng mối hàn và cơ tính lớp đắp.
  • Thử nghiệm các đường chạy dao phức tạp trên không gian nhiều trục (4 trục, 5 trục hoặc cánh tay robot) để tạo hình chi tiết cơ khí hoàn chỉnh.
  • Khảo sát ảnh hưởng của các phương pháp xử lý nhiệt sau hàn (nhiệt luyện khử ứng suất dư) đối với tổ chức tế vi và độ bền mỏi của sản phẩm WAAM.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho các đối tượng và mục đích cụ thể:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Công nghệ Hàn và Kỹ thuật Vật liệu: Nguồn tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình cải tiến, tích hợp máy hàn MIG vào khung máy CNC 3 trục để thực hiện công nghệ sản xuất bồi đắp WAAM layer với chi phí thấp.
  • Kỹ sư và kỹ thuật viên chế tạo máy: Tham khảo các thông số vận hành thực nghiệm (dòng điện hàn, vận tốc di chuyển mỏ hàn, bề dày lớp hàn $2\text{ mm}$) nhằm tối ưu hóa độ dai va đập và giảm thiểu khuyết tật rỗ khí trong quá trình hàn đắp phục hồi hoặc tạo hình chi tiết dạng tấm.
  • Nhóm nghiên cứu về công nghệ AM kim loại: Tham khảo phương pháp chế tạo mẫu thử va đập Charpy rãnh V từ phôi đắp lớp và quy trình thực nghiệm kim tương học để đánh giá tổ chức vi mô vật liệu sau đắp hồ quang.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu phôi nền và vật liệu đắp lớp được sử dụng trong nghiên cứu này là gì?
Nghiên cứu sử dụng phôi nền là thép carbon thấp Ct3 dạng tấm (hàm lượng carbon $\le 0{,}25%$, thực tế đo $0{,}04%$) theo tiêu chuẩn TOCT 380–89, và vật liệu đắp lớp là dây hàn MIG chuyên dụng mã hiệu GM S70.

2. Hệ thống thiết bị chế tạo WAAM layer trong đồ án có đặc điểm kỹ thuật ra sao?
Hệ thống sử dụng khung máy CNC 3 trục ($X = 1500\text{ mm}, Y = 3000\text{ mm}, Z = 500\text{ mm}$, độ chính xác $\pm 0{,}02\text{ mm}$) tích hợp mỏ hàn và nguồn hàn MIG công suất $300\text{A} - 500\text{A}$, sử dụng khí bảo vệ ($CO_2$/khí trơ) và lập trình điều khiển tự động bằng mã G-code thông qua phần mềm CAD/CAM.

3. Các biến số công nghệ chính nào được khảo sát ảnh hưởng đến độ dai va đập?
Các biến số khảo sát đơn biến bao gồm: bề dày lớp hàn đắp ($1 - 5\text{ mm}$), cường độ dòng điện hàn ($60 - 100\text{A}$), độ dày tấm thép ghép ($1 - 5\text{ mm}$) và vận tốc di chuyển mỏ hàn ($250 - 350\text{ mm/s}$).

4. Độ dai va đập của thép chế tạo bằng WAAM layer so với thép Ct3 nguyên khối thay đổi như thế nào?
Mẫu thép Ct3 nguyên khối ban đầu có năng lượng va đập trung bình là $197\text{ J}$. Mẫu hàn đắp WAAM với bề dày lớp hàn tối ưu $2\text{ mm}$ đạt năng lượng va đập $223\text{ J}$ (trường hợp tối ưu trong bảng đơn biến đạt $243{,}79\text{ J}$), cao hơn thép nguyên khối nhờ tổ chức tế vi hạt mịn và đồng nhất sau quá trình kết tinh hồ quang.

5. Những khuyết tật thực tế nào được ghi nhận trong quá trình gia công tạo mẫu thử từ phôi hàn WAAM?
Quá trình chế tạo ghi nhận hai khuyết tật điển hình là: mẫu bị thiếu đường hàn (do khoảng cách giữa các pass hàn chưa đồng đều) và mẫu bị rỗ khí bên trong lớp kim loại đắp (do quá trình bảo vệ vũng hàn bằng khí chưa triệt để hoặc lẫn tạp chất).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Khảo sát độ dai va đập của thép carbon được chế tạo bằng phương pháp WAAM layer" đã nghiên cứu và ứng dụng thành công công nghệ hàn đắp hồ quang dây hàn MIG trên nền máy CNC 3 trục để gia công bồi đắp thép carbon Ct3. Kết quả thực nghiệm khẳng định mẫu đắp lớp với thông số bề dày $2\text{ mm}$ đạt năng lượng va đập $223\text{ J}$, vượt trội so với mẫu thép nguyên khối $197\text{ J}$ nhờ cấu trúc tế vi hạt mịn và phân bố pha đồng đều. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật có chi phí đầu tư thấp, khả thi và giàu tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực chế tạo máy và công nghiệp nặng tại Việt Nam.