Nghiên cứu độ bền của mẫu chế tạo từ phương pháp WAAM cải tiến

Đồ án nghiên cứu độ bền của mẫu chế tạo từ phương pháp WAAM cải tiến - ĐH SPKT TPHCM

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Đại
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Thức
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
• Đề tài: Nghiên cứu độ bền của mẫu chế tạo từ phương pháp WAAM cải tiến
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về phương pháp WAAM cải tiến tại ĐH SPKT TPHCM

Công nghệ in 3D kim loại đang phát triển mạnh mẽ trong nền sản xuất hiện đại. Trong đó, Wire Arc Additive Manufacturing là giải pháp chế tạo bồi đắp nổi bật. Phương pháp này tận dụng nguồn nhiệt hồ quang kết hợp dây hàn nóng chảy liên tục. Đề tài tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung nghiên cứu phương pháp WAAM cải tiến. Nghiên cứu tích hợp bộ nguồn hàn MIG với hệ thống máy phay CNC đa trục. Cơ chế điều khiển số giúp kiểm soát quỹ đạo đắp kim loại chính xác. Quá trình bồi đắp diễn ra tuần tự theo từng lớp chồng khít lên nhau. Kim loại đông đặc nhanh tạo nên phôi sản phẩm có hình dáng mong muốn. So với phương pháp đúc hoặc gia công cắt gọt truyền thống, công nghệ này tiết kiệm đáng kể phôi liệu. Thời gian sản xuất các chi tiết cơ khí cỡ lớn được rút ngắn rõ rệt. Năng lượng tiêu hao trong chu trình vận hành cũng giảm đi nhiều. Nghiên cứu mở ra hướng đi bền vững cho các xưởng chế tạo trong nước. Đề tài đóng góp cơ sở dữ liệu quan trọng cho ngành cơ khí chính xác Việt Nam.

1.1. Bản chất công nghệ bồi đắp kim loại GMAW

Công nghệ GMAW sử dụng hồ quang giữa dây điện cực nóng chảy và bể hàn kim loại. Khí trơ argon hoặc khí trộn argon cùng CO2 đóng vai trò bảo vệ mối đắp. Vùng hồ quang được che chắn hoàn toàn khỏi sự xâm nhập của không khí. Hiện tượng oxy hóa mối hàn bị ngăn chặn triệt để. Tốc độ cấp dây hàn được duy trì đồng đều theo lệnh máy. Kim loại nóng chảy dịch chuyển vào vũng hàn qua các dạng chuyển dịch xác định. Chế độ hồ quang ngắn mang lại độ ổn định cao và vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp. Nhờ đó, lớp kim loại mới bám dính chắc chắn vào bề mặt lớp trước. Cơ chế này bảo đảm khối lượng kim loại đắp đạt tỷ lệ liên kết vật lý tối ưu.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu đồ án tại ĐH SPKT TPHCM

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là hoàn thiện hệ thống chế tạo WAAM cải tiến. Đề tài tại ĐH SPKT TPHCM tích hợp mỏ hàn MIG vào hệ thống máy CNC. Thiết bị có thể dịch chuyển chính xác theo ba chiều không gian. Hệ thống kiểm soát dòng điện và điện áp hồ quang chặt chẽ. Nghiên cứu hướng tới việc xác lập bộ thông số công nghệ tối ưu. Các thông số gồm tốc độ đẩy dây, góc nghiêng mỏ và vận tốc hàn. Mẫu thử nghiệm cần có biên dạng chuẩn và ít khuyết tật rỗ khí. Nhóm thực hiện cung cấp dữ liệu đánh giá qua các phép thử cơ học. Giới hạn bền và giới hạn chảy của mẫu được đo đạc tỉ mỉ. Kết quả tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng sản xuất thực tế.

II. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng độ bền mẫu WAAM cải tiến

Quá trình tạo mẫu bằng công nghệ WAAM chịu sự chi phối của hàng loạt thông số vận hành. Độ bền cơ học của mẫu phụ thuộc trực tiếp vào sự liên kết giữa các lớp vật liệu hàn. Nếu nguồn nhiệt cung cấp không ổn định, bể hàn sẽ bị xáo trộn. Hiện tượng bắn tóe kim loại diễn ra mạnh làm hao hụt vật liệu và giảm chất lượng bề mặt. Ngoài ra, tốc độ đẩy dây hàn không phù hợp gây ra tình trạng thiếu ngấu hoặc chảy xệ lớp đắp. Khi tốc độ di chuyển của mỏ hàn quá nhanh, bề dày lớp phủ không đạt yêu cầu tiêu chuẩn. Ngược lại, vận tốc di chuyển quá chậm dẫn đến lượng nhiệt tích tụ quá mức trong cấu trúc. Nhiệt lượng dư thừa dễ làm cong vênh phôi và tạo ra ứng suất dư nguy hiểm. Các khuyết tật như rỗ khí, ngậm xỉ và nứt tế vi cũng xuất hiện từ đây. Sự biến đổi cơ tính theo các phương khác nhau là vấn đề cần giải quyết triệt để. Do đó, việc xác định chế độ hàn tối ưu mang tính quyết định đối với độ bền kéo của mẫu.

2.1. Ảnh hưởng của các kiểu chuyển dịch giọt kim loại

Trong hàn GMAW, kim loại chuyển dịch vào bể hàn qua bốn hình thức cơ bản. Các kiểu bao gồm chuyển dịch ngắn mạch, chuyển dịch cầu, dòng xung và dạng phun tia. Mỗi kiểu chuyển dịch tạo ra mức nhiệt năng và độ ổn định hồ quang khác nhau. Chuyển dịch cầu thường gây nhiều tia bắn tóe và tạo biên dạng lớp đắp gồ ghề. Ngược lại, chuyển dịch ngắn mạch giúp kiểm soát vũng hàn tốt hơn ở mức nhiệt thấp. Dạng chuyển dịch này duy trì hồ quang cháy êm và hạn chế biến dạng nhiệt của phôi mẫu. Tuy nhiên, nếu chỉnh dòng điện không cân đối, khuyết tật dính lớp rất dễ xảy ra. Việc điều chỉnh chính xác thông số điện áp là nhân tố sống còn để ổn định giọt hàn.

2.2. Vấn đề khuyết tật liên kết và bất đối xứng cơ tính

Sự bất đối xứng về cơ tính là thách thức lớn nhất trong phương pháp WAAM truyền thống. Vật liệu đắp chịu nhiều chu kỳ nhiệt nung nóng và làm nguội liên tiếp. Quá trình này tạo nên cấu trúc hạt kim loại không đồng nhất theo hướng phát triển. Độ bền kéo dọc theo chiều dài mối đắp thường cao hơn độ bền theo phương đứng. Giữa các lớp đắp thường xuất hiện các vết nứt tế vi hoặc lỗ xốp li ti. Sự tích tụ oxit kim loại chưa tan hết tạo ra điểm tập trung ứng suất phá hủy. Dưới tải trọng kéo, vết nứt lan nhanh từ các khuyết tật này. Mẫu kim loại có thể bị đứt gãy đột ngột trước khi đạt giới hạn bền tính toán. Do đó, việc tối ưu hóa chu trình nhiệt là yêu cầu cấp thiết.

III. Giải pháp thử nghiệm độ bền mẫu WAAM cải tiến theo TCVN

Để đánh giá chính xác độ bền mẫu WAAM cải tiến, quy trình thử nghiệm được xây dựng nghiêm ngặt. Nghiên cứu áp dụng tiêu chuẩn quốc gia TCVN 197-1:2014 tương đương ISO 6892-1:2009. Phương pháp này quy định cụ thể quá trình thử nghiệm kéo cơ tính kim loại ở nhiệt độ phòng. Mẫu kim loại sau khi đắp được gia công cắt gọt về kích thước tiêu chuẩn. Trước khi tiến hành kéo tải, hệ thống đo lực trên máy thử phải được hiệu chỉnh điểm không. Bước điều chỉnh này diễn ra sau khi lắp đặt bộ truyền động để loại bỏ sai lệch trọng lượng ngàm kẹp. Trong suốt chu trình thử tải, cảm biến đo lực được giữ cố định trạng thái cân bằng. Vận tốc kéo được thiết lập phù hợp để ghi nhận trung thực phản ứng dẻo của mẫu. Hệ thống máy tính liên tục ghi lại biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng. Thông qua biểu đồ, giới hạn bền kéo và giới hạn chảy của mẫu được xác định rõ ràng. Dữ liệu thử nghiệm phản ánh mức độ thành công của phương pháp cải tiến.

3.1. Kỹ thuật kẹp chặt mẫu thử tránh biến dạng uốn

Phương pháp kẹp giữ mẫu thử giữ vai trò then chốt trong phép thử cơ học. Mẫu kim loại được cố định bằng chấu kẹp có gờ vai hoặc mặt kẹp song song. Hướng tác dụng của lực kéo phải tuyệt đối song song với trục tâm mẫu. Yêu cầu này giúp loại bỏ hoàn toàn mô men uốn phụ sinh ra khi kéo. Đối với vật liệu kim loại hàn dẻo, sự lệch trục sẽ làm sai lệch điểm giới hạn chảy. Kỹ thuật viên áp dụng một lực sơ bộ nhỏ hơn 5% giới hạn chảy quy định. Lực sơ bộ này nhằm kéo thẳng mẫu và định tâm chắc chắn các chấu kẹp. Hệ thống máy tự động hiệu chỉnh độ dãn nở ban đầu trước khi tính kết quả. Nhờ vậy, sai số đo lường cơ học được hạn chế ở mức thấp nhất.

3.2. Đo kiểm và tính toán độ giãn dài giới hạn chảy

Quá trình kéo đứt cung cấp các thông số cơ tính cốt lõi của phôi đắp WAAM. Giới hạn chảy quy ước xác định khả năng chịu tải dẻo của vật liệu. Máy đo độ giãn dài sau khi mẫu đứt để đánh giá độ dẻo dai. Thiết bị đo chuyên dụng được gắn trực tiếp lên thân mẫu kiểm tra. Mọi biến dạng vi mô trong chu trình chịu tải đều được ghi nhận chuẩn xác. Dữ liệu thực nghiệm giúp nhóm nghiên cứu đánh giá mức độ đồng đều giữa các lớp hàn. Các thông số này là căn cứ để tối ưu hóa quy trình cấp dây và nhiệt hồ quang. Vật liệu sau tối ưu duy trì độ dẻo cao và hạn chế nứt gãy. Kết quả khẳng định tính đúng đắn của phương pháp thực nghiệm tại phòng thí nghiệm.

IV. Đánh giá độ bền mẫu WAAM cải tiến và định hướng ứng dụng

Kết quả nghiên cứu tại ĐH SPKT TPHCM chứng minh tính khả thi của phương pháp WAAM cải tiến. Mẫu thử nghiệm đạt độ bền kéo ấn tượng và cấu trúc hạt kim loại tương đối đồng nhất. Sự kết hợp giữa bộ điều khiển CNC và mỏ hàn MIG tối ưu hóa việc phân bổ nhiệt lượng. Nhờ kiểm soát tốt bể hàn, các khuyết tật rỗ khí hay tách lớp được hạn chế đáng kể. Công nghệ này mang lại lợi thế vượt trội khi sản xuất các chi tiết kim loại có hình học phức tạp. Thời gian gia công cơ khí được rút ngắn đáng kể so với việc phay từ phôi đúc nguyên khối. Lượng kim loại phoi thừa thải ra môi trường cũng giảm thiểu tối đa. Đây là giải pháp phù hợp với xu hướng sản xuất xanh và tự động hóa công nghiệp. Các lĩnh vực như đóng tàu, giao thông vận tải và cơ khí nặng có thể áp dụng ngay quy trình này. Nghiên cứu tạo nền tảng chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp cơ khí trong nước. Hướng phát triển tiếp theo sẽ mở rộng trên nhiều dòng vật liệu hợp kim chuyên dụng.

4.1. Tiềm năng ứng dụng trong ngành công nghiệp phụ trợ

Công nghệ WAAM cải tiến mở ra giải pháp tối ưu cho công nghiệp phụ trợ. Phương pháp này đặc biệt hữu ích khi phục hồi chi tiết máy bị mài mòn. Bề mặt trục quay, bánh răng lớn hoặc cánh bơm có thể hàn đắp bổ sung nhanh chóng. Chi phí chế tạo phôi mới giảm xuống đáng kể so với việc đúc khuôn đắt đỏ. Các xưởng sản xuất có thể tận dụng máy CNC sẵn có để nâng cấp hệ thống. Quá trình bồi đắp diễn ra tự động, giảm bớt sự phụ thuộc vào thợ bậc cao. Ngoài ra, chu kỳ phát triển mẫu thử nghiệm cơ khí được rút ngắn từ vài tháng xuống vài ngày. Đây là bước đệm lớn để nâng cao năng lực cạnh tranh cho doanh nghiệp.

4.2. Hướng nghiên cứu mở rộng và tối ưu hóa quy trình

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài tập trung vào việc tự động hóa giám sát chất lượng. Các cảm biến nhiệt độ hồng ngoại sẽ được tích hợp để đo nhiệt độ giữa các lớp đắp. Việc kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp giúp ổn định kích thước hạt tinh thể kim loại. Đồng thời, các thuật toán trí tuệ nhân tạo có thể được ứng dụng để điều chỉnh thông số hàn thời gian thực. Hệ thống tự động bù trừ dòng điện khi phát hiện bể hàn quá nhiệt. Bên cạnh đó, việc thử nghiệm mở rộng trên các dòng hợp kim titan hoặc thép không gỉ là hướng đi tiềm năng. Các tiêu chuẩn đánh giá mỏi và độ dai va đập cũng cần được nghiên cứu bổ sung. Những cải tiến này sẽ nâng tầm công nghệ WAAM trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công nghệ sản xuất bồi đắp (Additive Manufacturing - AM), đặc biệt là in 3D kim loại, đang phát triển mạnh mẽ trên phạm vi toàn cầu nhằm khắc phục những giới hạn cốt lõi của công nghệ in 3D trên nền vật liệu polyme, nhất là về độ bền cơ học và khả năng chịu nhiệt. Tại Việt Nam, việc ứng dụng các hệ thống in 3D kim loại dạng bột như nung chảy laser chọn lọc (SLM) hay thiêu kết laser kim loại trực tiếp (DMLS) gặp rào cản rất lớn do chi phí đầu tư thiết bị lên đến hàng triệu USD, đòi hỏi nguồn vốn đầu tư vượt quá khả năng tiếp cận của phần lớn các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ. Trước thực tiễn đó, phương pháp chế tạo bồi đắp bằng hồ quang dây (Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM) kết hợp giữa nguồn hàn MIG (Gas Metal Arc Welding - GMAW) và hệ thống máy phay CNC 3 trục mở ra giải pháp công nghệ có chi phí đầu tư thấp, tận dụng tốt hạ tầng máy móc sẵn có, tốc độ đắp lớp cao và giảm thiểu đáng kể lãng phí phôi liệu. Tuy nhiên, thách thức kỹ thuật lớn nhất của phương pháp này nằm ở việc tích tụ nhiệt lượng cao, dẫn đến ứng suất dư, biến dạng cong vênh và ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tế vi cũng như cơ tính của chi tiết sau khi tạo hình.

Đề tài "Nghiên cứu độ bền của mẫu chế tạo từ phương pháp WAAM cải tiến" được nhóm tác giả tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện nhằm giải quyết các yêu cầu kỹ thuật trên, với ba mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Tìm hiểu các tiêu chuẩn thử độ bền kéo áp dụng cho vật liệu kim loại.
2. Chế tạo các mẫu thử độ bền theo phương pháp WAAM cải tiến bằng cách gá đặt súng hàn MIG lên đầu trục máy phay CNC.
3. Khảo sát khả năng tạo hình và mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đầu vào (bao gồm: cường độ dòng điện, chiều dài hồ quang/độ nhú điện cực, vận tốc dịch chuyển của bàn máy CNC, độ dày tấm cơ sở và độ dày lớp đắp) đến giới hạn bền kéo của sản phẩm.

Về đối tượng nghiên cứu, đề tài tập trung khảo sát khả năng tạo hình và độ bền kéo của mẫu in kim loại dạng tấm được chế tạo bằng phương pháp tích hợp máy hàn MIG trên máy phay CNC 3 trục. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở quá trình đắp lớp bằng vật liệu dây hàn thép carbon/hợp kim thấp trên nền phôi thép tấm, khảo sát thực nghiệm trên 17 mẫu thử với các bộ thông số công nghệ khác nhau và kiểm tra độ bền kéo tĩnh cùng tổ chức kim tương tại phòng thí nghiệm của trường.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết về công nghệ bồi đắp năng lượng định hướng (Directed Energy Deposition - DED), cụ thể là công nghệ WAAM sử dụng phương pháp hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ (GMAW/MIG/MAG). Cơ chế nóng chảy và dịch chuyển kim loại từ dây hàn vào bể hàn được phân tích thông qua bốn trạng thái chuyển dịch giọt kim loại điển hình: chuyển dịch ngắn mạch (hồ quang ngắn, dòng điện 60–180 A, điện áp 16–22 V), chuyển dịch cầu (dòng điện dưới mức tới hạn, hồ quang kém ổn định, bắn tóe cao), chuyển dịch phun (dòng điện trên mức tới hạn, hồ quang dạng plasma êm, hạt mịn) và chuyển dịch dòng xung (kết hợp dòng nền thấp và xung đỉnh cao).

Cơ sở lý thuyết về kim thái học được áp dụng để đánh giá tổ chức hạt đa tinh thể, sự định hướng biên giới hạt và mối quan hệ giữa tiết diện hạt trung bình ($S_{tb}$) với cấp hạt theo thang đo từ cấp -3 đến cấp 14:

Cấp hạt	Tiết diện hạt nhỏ nhất ($\mu m^2$)	Tiết diện hạt trung bình ($\mu m^2$)	Tiết diện hạt lớn nhất ($\mu m^2$)
-3	640	1024	1280
-2	320	512	640
-1	160	256	320
0	80	128	160
1	40	64	80
2	20	32	40
4	5	8	10
6	1,25	2	2,5
8	0,312	0,5	0,625
10	0,078	0,125	0,156
12	0,019	0,031	0,039
14	0,005	0,008	0,01

Phương pháp nghiên cứu thực tế là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và phương pháp thực nghiệm cơ học phá hủy:

• Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Thiết lập hệ thống WAAM cải tiến bằng cách gá súng hàn MIG lên trục chính máy CNC 3 trục; điều khiển tốc độ dịch chuyển bàn máy thông qua mã lệnh G-code từ phần mềm CAM; sử dụng nguồn hàn một chiều (DC) phân cực nghịch (DCEP) với đặc tính điện áp không đổi (CV).
• Phương pháp gia công cơ khí: Phay phẳng bề mặt lớp hàn đắp trên máy phay CNC OKUMA và gia công cắt gọt tạo hình biên dạng mẫu thử kéo phẳng.
• Phương pháp kiểm tra cơ tính: Áp dụng tiêu chuẩn quốc gia TCVN 197-1:2014 (tương đương chuẩn quốc tế ISO 6892-1:2009) về thử nghiệm kéo kim loại ở nhiệt độ phòng. Quy trình kiểm tra bao gồm việc triệt tiêu tải trọng về điểm không (zeroing), định vị kẹp chặt mẫu thử dọc trục truyền lực và kéo phá hủy trên máy thử kéo nén vạn năng tại xưởng cơ khí.
• Phương pháp phân tích tổ chức tế vi: Mài, đánh bóng gương bề mặt mặt cắt mẫu, tẩm thực bằng dung dịch hóa chất chuyên dụng và quan sát phản xạ ánh sáng dưới kính hiển vi quang học để xác định hình thái pha và kích thước hạt so với mẫu đối chứng thép nền CT38.
• Nguồn dữ liệu và vật liệu: Dây hàn thép hợp kim thấp GM 70S-6 mạ đồng; khí bảo vệ hoạt tính $CO_2$ hoặc hỗn hợp khí trộn ($Ar + CO_2$); phôi nền bằng thép tấm.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của công nghệ in 3D kim loại trong bối cảnh sản xuất hiện đại và phân tích bức tranh nghiên cứu trong nước cũng như quốc tế. Về mặt quốc tế, công nghệ WAAM đã được thương mại hóa và ứng dụng trong các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, đóng tàu và ô tô (điển hình là các công trình tiên phong của Đại học Cranfield và công ty WAAM3D tại Anh chế tạo các chi tiết titan, nhôm cỡ lớn như chân vịt, khung thân vỏ). Tại Việt Nam, các nghiên cứu in 3D kim loại còn hạn chế do chi phí đầu tư máy in bột quá lớn. Tác giả xác lập ý nghĩa khoa học của đề tài là xây dựng mối tương quan định lượng giữa các thông số công nghệ đắp lớp và giới hạn bền kéo của chi tiết, đồng thời xác lập ý nghĩa thực tiễn trong việc hỗ trợ các cơ sở gia công cơ khí vừa và nhỏ tiếp cận công nghệ bồi đắp kim loại với chi phí trang bị thấp.

Chương 2: Tổng quan

Chương 2 tổng thuật toàn diện các nhánh công nghệ in 3D hiện đại, phân loại theo ba trạng thái vật liệu: dạng bột (SLM, DMLS, SLS, EBM, BJM), dạng lỏng (SLA, DLP, PolyJet) và dạng rắn (FDM, FFF, LOM). Đi sâu vào nhóm công nghệ bồi đắp năng lượng định hướng (DED), tác giả so sánh ưu thế vượt trội của WAAM về tốc độ lắng đọng kim loại cao, giá thành vật tư dây hàn thấp và khả năng đắp chi tiết kích thước lớn so với các công nghệ nền laser/chùm electron. Chương này mô tả chi tiết nguyên lý hàn hồ quang GMAW, cấu tạo thiết bị (nguồn hàn DC-CV, cơ cấu cấp dây tự động từ 1–18 m/phút, bộ cấp khí bảo vệ, súng hàn) và các thông số ảnh hưởng trực tiếp đến biên dạng đường hàn như: cường độ dòng điện, điện áp, tầm với điện cực (độ nhú), góc nghiêng mỏ hàn, tốc độ hàn và loại khí bảo vệ ($CO_2$, $Ar$, khí trộn). Ngoài ra, chương 2 phân tích cơ chế hình thành ba nhóm khuyết tật phổ biến khi in WAAM: rỗ khí (do tạp chất, ẩm hoặc khí bảo vệ không ổn định), cong vênh (do phân bố nhiệt không đều sinh ra ứng suất dư) và nứt tế vi (do tốc độ làm nguội nhanh gây co ngót cục bộ), từ đó đề xuất các giải pháp công nghệ phòng ngừa.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 3 xây dựng mô hình toán học và nguyên lý vận hành của hệ thống WAAM tích hợp máy phay CNC theo quy trình ba bước: lập mô hình CAD/CAM chuyển đổi sang G-code, gá đặt phôi nền và làm sạch bề mặt, điều khiển mỏ hàn đắp lớp tự động. Tác giả luận giải cơ sở khoa học của việc lựa chọn bốn thông số đầu vào cốt lõi:

1. Cường độ dòng điện: Quyết định năng lượng đường, lượng nhiệt sinh ra và tốc độ chảy dây. Dòng điện quá thấp gây thiếu chảy, đường hàn gồ cao; dòng điện quá cao gây cháy biên, bắn tóe và quá nhiệt làm suy giảm cơ tính.
2. Tốc độ in (vận tốc bàn máy): Tác động đến chu trình nhiệt và tốc độ làm nguội. Tốc độ cao làm tăng gradient nhiệt gây ứng suất dư và nguy cơ nứt; tốc độ thấp làm tăng lượng đắp cục bộ.
3. Độ dày tấm cơ sở: Quyết định khả năng tản nhiệt của khối chi tiết trong suốt quá trình đắp lớp liên tục.
4. Độ dày lớp in: Ảnh hưởng đến sự phân bố ứng suất nhiệt giữa các lớp kế tiếp và độ mịn của tổ chức tinh thể.

Chương này cũng thiết lập phương pháp tính toán kích thước hạt trung bình ($I_{tb}$) theo công thức đo thị kính vuông góc:

$$I_{tb} = \frac{1}{2}(I_d + I_{ng})$$

và tiết diện hạt trung bình:

$$S_{tb} = \frac{\pi}{4} \cdot I_{tb}^2$$

làm căn cứ đối chiếu với Bảng 1 để xác định cấp hạt kim tương. Đồng thời, chương 3 trình bày các yêu cầu nghiêm ngặt của tiêu chuẩn TCVN 197-1:2014 về điều kiện thử kéo, phương pháp kẹp ngàm song song/chấu ren và hiệu chỉnh lực sơ bộ dưới 5% giới hạn chảy quy ước.

Chương 4: Chế tạo mẫu

Chương 4 chi tiết hóa quá trình thực nghiệm chế tạo mẫu. Nhóm tác giả lựa chọn dây hàn GM 70S-6 kết hợp nguồn hàn MIG và máy phay CNC 3 trục tại xưởng trường. Sau các thử nghiệm mồi hồ quang ban đầu để ổn định thông số cấp dây và lưu lượng khí bảo vệ, nhóm tiến hành hàn đắp tạo hình tổng cộng 17 mẫu thử với sự biến thiên có hệ thống của các thông số công nghệ.

Nhóm thông số thực nghiệm	Đại lượng khảo sát thực tế
Vật liệu dây đắp	GM 70S-6 (mạ đồng, cơ tính theo Bảng 2, thành phần hóa học theo Bảng 3)
Cường độ dòng điện hàn ($I$)	Khảo sát theo các mức trong Bảng 5 và Bảng 10
Độ dày tấm phôi nền	Khảo sát theo các cấp độ dày trong Bảng 6 và Bảng 10
Tốc độ bàn máy CNC ($v$)	Điều chỉnh theo các dải tốc độ trong Bảng 7 và Bảng 10
Độ dày lớp đắp ($h$)	Thiết lập theo từng mức tương ứng trong Bảng 8 và Bảng 10
Tổng số lượng mẫu chế tạo	17 mẫu thử nghiệm độc lập (Bảng 10)

Sau khi hàn đắp, các mẫu được gá đặt lên ê-tô máy phay CNC để phay phẳng lớp bề mặt xù xì, sau đó đưa sang máy phay CNC OKUMA cắt gọt biên dạng hình học tiêu chuẩn phục vụ thử kéo. Quy trình thử nghiệm cơ tính phá hủy kéo tĩnh được triển khai trên máy kéo nén tại xưởng: đóng cầu dao MCCB, kiểm tra hệ thống điều khiển, khởi tạo file dữ liệu trên phần mềm, gá kẹp chặt hai đầu ngàm, mở van điều áp kéo mẫu đến khi đứt gãy và trích xuất đường cong biến dạng. Song song đó, các lát cắt kim thái được mài bóng và tẩm thực để chụp ảnh cấu trúc tế vi so sánh với thép nguyên khối CT38.

Chương 5: Tổng hợp kết quả

Chương 5 phân tích định lượng kết quả đo độ bền kéo của 17 mẫu thử thông qua các bảng số liệu và biểu đồ tương quan:

• Ảnh hưởng của tốc độ in (Bảng 11, Biểu đồ 5.1): Giới hạn bền kéo thay đổi rõ rệt theo vận tốc dịch chuyển bàn máy; tồn tại khoảng tốc độ in tối ưu giúp hạt kim loại kết tinh đồng đều, giảm thiểu khuyết tật ngậm xỉ và rỗ khí.
• Ảnh hưởng của độ dày tấm cơ sở (Bảng 12, Biểu đồ 5.2): Tấm nền dày đóng vai trò như một khối tản nhiệt cưỡng bức lớn, làm thay đổi tốc độ nguội của những lớp đắp đầu tiên, tác động trực tiếp đến độ bền kéo tổng thể của liên kết đắp.
• Ảnh hưởng của độ dày lớp in (Bảng 13, Biểu đồ 5.3): Chiều cao mỗi lớp đắp quyết định mức độ nung chảy lại (re-melting) của lớp liền kề trước đó; lớp quá mỏng làm tăng chu kỳ nhiệt nung nóng nhiều lần, trong khi lớp quá dày dễ sinh khuyết tật thiếu ngấu giữa các tầng bồi đắp.
• Ảnh hưởng của cường độ dòng điện (Bảng 14, Biểu đồ 5.4): Dòng điện tác động tỷ lệ thuận với nhiệt lượng đưa vào vũng hàn; dòng điện quá cao làm mở rộng vùng ảnh hưởng nhiệt và thô đại hóa kích thước hạt, làm suy giảm giới hạn bền kéo của vật liệu đắp.
• Đặc điểm tổ chức tế vi: Cấu trúc tế vi của vùng kim loại hàn đắp GM 70S-6 thể hiện sự phân hóa rõ rệt so với tổ chức ferrite-pearlite thông thường của thép cán nguyên khối CT38. Biên giới hạt tại vùng đắp chịu ảnh hưởng của các hướng truyền nhiệt dị hướng dọc theo phương bồi đắp lớp.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 đúc kết toàn bộ kết quả nghiên cứu: khẳng định tính khả thi của hệ thống WAAM cải tiến dựa trên máy phay CNC; đánh giá mức độ tương thích giữa công nghệ hàn MIG và điều khiển số CNC; nêu rõ các khuyến nghị về việc kiểm soát chế độ công nghệ và định hướng các bước nghiên cứu mở rộng trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

1. Tích hợp thành công súng hàn MIG lên trục chính máy phay CNC 3 trục, điều khiển quỹ đạo đắp lớp tự động thông qua G-code và chế tạo hoàn chỉnh 17 mẫu thử nghiệm dạng tấm phẳng.
2. Xây dựng quy trình công nghệ gia công hoàn thiện mẫu WAAM: từ khâu hàn đắp phôi thô, phay khỏa mặt trên máy CNC để loại bỏ nhấp nhô bề mặt, đến khâu gia công cắt gọt tạo biên dạng mẫu thử kéo phẳng theo đúng tiêu chuẩn TCVN 197-1:2014.
3. Thu thập và hệ thống hóa bộ dữ liệu thực nghiệm về giới hạn bền kéo của 17 mẫu thử (được tổng hợp chi tiết qua các Bảng 10, 11, 12, 13, 14), chỉ ra quy luật biến thiên của giới hạn bền kéo theo bốn thông số công nghệ: tốc độ in, độ dày tấm cơ sở, độ dày lớp đắp và cường độ dòng điện.
4. Ghi nhận và so sánh sự khác biệt về hình thái tổ chức tế vi, kích thước hạt giữa vùng kim loại bồi đắp từ dây hàn GM 70S-6 và thép tấm nguyên khối CT38.

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

• Kiểm soát rỗ khí: Duy trì lưu lượng và áp suất khí bảo vệ ($CO_2$ hoặc khí trộn) ổn định qua van điều áp có sấy khí; làm sạch tuyệt đối dầu mỡ, gỉ sét trên bề mặt tấm phôi trước khi hàn; sấy khô dây hàn và kiểm soát tầm với điện cực thích hợp để tránh xáo trộn dòng khí che chắn vũng hàn.
• Kiểm soát cong vênh và ứng suất nhiệt: Tối ưu hóa tốc độ in và độ dày lớp đắp nhằm kiểm soát năng lượng đường; tránh dồn nhiệt cục bộ bằng cách bố trí khoảng thời gian làm mát hợp lý giữa các lớp in; kẹp chặt phôi nền trên bàn máy phay CNC bằng đồ gá cứng vững trong suốt quá trình đắp lớp.
• Phòng ngừa nứt và thiếu ngấu: Kiểm soát tốc độ cấp dây tương ứng với cường độ dòng điện; tránh tốc độ dịch chuyển mỏ hàn quá nhanh gây ra khuyết tật undercut hoặc làm lạnh đột ngột vùng kết tinh.

Đóng góp so với nghiên cứu trước

• Tự thiết kế và chế tạo giải pháp gá kẹp mỏ hàn MIG tích hợp trực tiếp vào đầu trục máy phay CNC 3 trục có sẵn tại xưởng trường, thay vì sử dụng cánh tay robot công nghiệp đắt đỏ và phức tạp trong lập trình như các hệ thống thương mại quốc tế (Cranfield, WAAM3D).
• Cung cấp giải pháp chế tạo chi tiết kim loại với chi phí thiết bị và nguyên vật liệu thấp, phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất của các trường kỹ thuật và doanh nghiệp gia công cơ khí vừa và nhỏ tại Việt Nam.
• Thiết lập bộ thông số thực nghiệm đầy đủ gồm 17 chế độ công nghệ cụ thể cho dòng dây hàn thép GM 70S-6, cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm phục vụ việc tính toán, dự đoán cơ tính cho các kết cấu bồi đắp kim loại quy mô phức tạp hơn.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

• Nghiên cứu mới chỉ khảo sát quá trình đắp lớp tạo hình trên các mẫu dạng tấm phẳng đơn giản, chưa thực hiện trên các mô hình hình học 3D phức tạp hoặc có thành mỏng, phần nhô (overhang).
• Bề mặt phôi sau khi đắp lớp bằng phương pháp WAAM còn có độ nhấp nhô và xù xì lớn, bắt buộc phải trải qua công đoạn phay khỏa mặt và gia công cơ khí lại mới có thể đưa vào sử dụng hoặc thử nghiệm.
• Các thử nghiệm cơ tính phá hủy mới chỉ dừng lại ở phép đo độ bền kéo tĩnh và quan sát tổ chức tế vi quang học; chưa tiến hành các thử nghiệm cơ tính chuyên sâu khác như độ bền uốn, độ dai va đập, độ cứng tế vi hoặc thử nghiệm độ bền mỏi dưới tải trọng chu kỳ.
• Phạm vi vật liệu mới khảo sát duy nhất trên cặp vật liệu dây hàn thép carbon/hợp kim thấp GM 70S-6 và tấm nền thép CT38.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Mở rộng thuật toán lập trình CAM và quỹ đạo chuyển động của máy CNC để in các chi tiết có biên dạng không gian 3D phức tạp, có góc nghiêng và thành cong.
• Nghiên cứu áp dụng các chế độ xử lý nhiệt sau khi in (nhiệt luyện ủ, thường hóa hoặc khử ứng suất) nhằm đồng đều hóa tổ chức hạt, triệt tiêu ứng suất dư và nâng cao độ dẻo dai của chi tiết.
• Thử nghiệm trên các nhóm vật liệu kim loại màu và hợp kim đặc thù có giá trị kinh tế cao như hợp kim nhôm, hợp kim titan hoặc thép không gỉ.
• Tích hợp thêm các cảm biến nhiệt độ (như camera nhiệt hồng ngoại) để giám sát và điều khiển hồi tiếp nhiệt độ của vũng hàn theo thời gian thực trong quá trình đắp lớp liên tục.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu học thuật thực nghiệm có giá trị thực tiễn cao cho:

• Sinh viên và học viên cao học ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ kỹ thuật và Kỹ thuật Vật liệu: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về phương thức kết hợp công nghệ gia công bồi đắp (AM) với gia công cắt gọt truyền thống (CNC).
• Kỹ sư và kỹ thuật viên ngành Hàn và Chế tạo kết cấu: Tham khảo phương án cải tiến thiết bị, biến đổi máy phay CNC thông dụng thành máy in 3D kim loại dạng dây đắp với chi phí thấp; nắm bắt mối liên hệ giữa các thông số công nghệ hàn MIG và chất lượng tạo hình.
• Các phần nội dung đáng tham khảo nhất:
  • Quy trình thiết kế gá đặt và phối hợp điều khiển mỏ hàn MIG trên máy phay CNC 3 trục tại Chương 3 và Chương 4.
  • Ma trận 17 chế độ thông số thực nghiệm (cường độ dòng điện, tốc độ bàn máy, độ dày phôi, độ dày lớp đắp) tại Bảng 10.
  • Quy trình gia công phay cắt mẫu kéo và phương pháp thử nghiệm kéo kim loại tuân thủ tiêu chuẩn TCVN 197-1:2014 (ISO 6892-1:2009).
  • Phương pháp chuẩn bị mẫu tẩm thực kim tương và bảng tra cứu mối quan hệ giữa kích thước hạt và cấp hạt tinh thể tại Chương 3.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp "WAAM cải tiến" trong đồ án này được hiểu và cấu hình như thế nào?
Phương pháp "WAAM cải tiến" trong đồ án là giải pháp kết hợp giữa nguồn hàn hồ quang kim loại nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GMAW/MIG) và máy phay CNC 3 trục. Thay vì sử dụng cánh tay robot công nghiệp đắt tiền để di chuyển mỏ hàn như các hệ thống tiêu chuẩn quốc tế, nhóm tác giả đã thiết kế đồ gá để gắn súng hàn MIG trực tiếp lên đầu trục chính của máy phay CNC, sử dụng bàn máy CNC để định vị phôi và dịch chuyển theo các quỹ đạo lập trình sẵn bằng mã G-code.

2. Nhóm tác giả sử dụng loại vật liệu và khí bảo vệ nào trong quá trình thực nghiệm?
Nghiên cứu sử dụng vật liệu đầu vào là dây hàn thép hợp kim thấp GM 70S-6 có mạ đồng bên ngoài (đường kính thông dụng trong hàn MIG/MAG), hàn đắp lên tấm phôi nền bằng thép (mẫu đối chứng kim tương là thép CT38). Môi trường khí bảo vệ được sử dụng là khí $CO_2$ hoạt tính hoặc hỗn hợp khí trộn ($Ar + CO_2$) nhằm ngăn ngừa sự xâm nhập của oxy và nitơ vào bể hàn kim loại lỏng.

3. Đề tài đã chế tạo bao nhiêu mẫu và khảo sát những thông số công nghệ nào ảnh hưởng đến độ bền kéo?
Nhóm tác giả đã tiến hành đắp lớp và chế tạo hoàn chỉnh tổng cộng 17 mẫu thử nghiệm (được quy định chi tiết tại Bảng 10). Bốn thông số công nghệ cốt lõi được thay đổi để khảo sát mức độ ảnh hưởng đến giới hạn bền kéo gồm: cường độ dòng điện hàn ($I$), tốc độ dịch chuyển của bàn máy CNC ($v$), độ dày của tấm phôi nền và độ dày của từng lớp đắp ($h$).

4. Mẫu thử độ bền kéo được gia công và kiểm tra theo tiêu chuẩn kỹ thuật nào?
Mẫu sau khi hàn đắp được phay phẳng lớp bề mặt xù xì, sau đó gia công cắt gọt tạo hình biên dạng mẫu thử kéo phẳng trên máy phay CNC OKUMA. Phép thử nghiệm kéo tĩnh phá hủy được tiến hành trên máy thử kéo tại xưởng trường theo đúng quy trình và điều kiện kỹ thuật của Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 197-1:2014 (hoàn toàn tương đương với tiêu chuẩn quốc tế ISO 6892-1:2009).

5. Những khuyết tật chính nào dễ phát sinh trong quá trình in WAAM và cách khắc phục được đưa ra là gì?
Ba khuyết tật phổ biến được phân tích là rỗ khí, cong vênh và nứt tế vi. Tác giả đề xuất giải pháp: đảm bảo hệ thống cấp khí bảo vệ sạch, có bộ phận sấy khí và lưu lượng ổn định để chống rỗ khí; kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ nung nóng và tốc độ làm mát đồng đều, điều chỉnh độ dày lớp và tốc độ in vừa phải để giảm chênh lệch nhiệt độ cục bộ nhằm hạn chế tối đa cong vênh và nứt do ứng suất dư.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu độ bền của mẫu chế tạo từ phương pháp WAAM cải tiến" của nhóm sinh viên Nguyễn Ngọc Đại, Trần Xuân Hòa và Nguyễn Kim Bảo đã chế tạo thành công hệ thống bồi đắp kim loại bằng dây hàn MIG tích hợp trên máy phay CNC 3 trục. Bằng việc thực nghiệm đắp lớp và thử kéo phá hủy 17 mẫu thép GM 70S-6 theo tiêu chuẩn TCVN 197-1:2014, nghiên cứu đã làm sáng tỏ ảnh hưởng có tính quy luật của dòng điện, tốc độ in, độ dày tấm và độ dày lớp đắp đến giới hạn bền kéo của sản phẩm. Công trình cung cấp một phương án công nghệ thực tiễn, kinh tế, mở ra hướng tiếp cận khả thi trong việc làm chủ kỹ thuật in 3D kim loại cho các cơ sở sản xuất và nghiên cứu tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu đề tài - Chương 2: Tổng quan - Chương 3: Cơ sở lý thuyết - Chương 4: Chế tạo mẫu - Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá mẫu - Chương 6: Kết luận 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Công nghệ in 3D Công nghệ in 3D là một phương pháp tạo ra các sản phẩm ba chiều từ một mô hình 3D được thiết kế trên máy tính. Quá trình này bao gồm các bước chính như sau: - Thiết kế mô hình 3D: Bắt đầu với việc tạo ra một mô hình số 3 chiều trên các phần mềm thiết kế CAD như SolidWorks, Inventor, ProE, AutoCAD, v. Mô hình này sẽ là biểu diễn số hóa của sản phẩm cần tạo ra. - Chuyển đổi sang Gcode: Mô hình 3D sau khi hoàn thiện sẽ được chuyển đổi thành dữ liệu điều khiển (Gcode) thông qua phần mềm cắt lớp (Slicer).

Quá trình này chia mô hình thành từng lớp mỏng và xác định các lệnh điều khiển máy in 3D cần thực hiện để tạo ra từng lớp đó. - Sản xuất vật phẩm 3D: Dữ liệu Gcode sau đó được đưa vào máy in 3D để điều khiển quá trình sản xuất. Tại đây, vật liệu được áp dụng và xây dựng lên nhau từng lớp một để tạo thành sản phẩm cuối cùng, giữ được độ chính xác và chi tiết theo thiết kế ban đầu. Công nghệ in 3D có nhiều ưu điểm quan trọng: - Tạo hình dạng phức tạp: Cho phép sản xuất các sản phẩm có hình dạng và cấu trúc phức tạp mà trước đây khó có thể đạt được bằng các phương pháp truyền thống.

- Tiết kiệm vật liệu: Vật liệu chỉ được sử dụng đúng lượng cần thiết cho mỗi lớp, giúp giảm lãng phí so với các phương pháp gia công truyền thống. - Tăng tốc độ sản xuất và giảm chi phí: Quá trình sản xuất tự động hóa, có thể thực hiện nhanh hơn so với các phương pháp truyền thống, giúp tối ưu hóa quy trình và giảm chi phí lao động. - Đa dạng vật liệu: Công nghệ in 3D có thể áp dụng với nhiều loại vật liệu như chất lỏng quang hóa, chất rắn (như giấy, gỗ), và cả kim loại để tạo ra các sản phẩm khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu và mục đích sử dụng. 5 Với những ưu điểm này, công nghệ in 3D không chỉ đang được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp mà còn có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong các ngành khác như y tế, giáo dục, và nghệ thuật.

Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ này cần có sự đầu tư về cả nguồn lực và kiến thức để tối đa hóa hiệu quả và tiềm năng của nó[8].1 Yêu của vật liệu tạo mẫu  Vật liệu tạo mẫu trong công nghệ in 3D cần có tính năng sau: Khả năng chuyển đổi: Khi nhiệt độ tăng cao, vật liệu sẽ chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng. Điều này cho phép dễ dàng tạo hình và điều chỉnh dung tích của vật liệu theo mong muốn và xác định độ mỏng của mỗi lớp hình thành. Thời gian đông cứng: Khi vật liệu được sấy khô và hình thành, nó sẽ trở nên cứng khi tiếp xúc với nhiệt độ môi trường. Càng cứng nhanh, vật liệu càng có độ cứng cao sau khi hoàn tất quá trình tạo hình, và đảm bảo độ chính xác cao cho mẫu thiết kế cuối cùng.

Khả năng kết nối: Các lớp vật liệu mỏng cần dính chặt với nhau khi tạo mẫu để sản phẩm cuối cùng có độ bền và độ chắc. Đây là yếu tố rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của sản phẩm tạo hình. Độ lưu biến của vật liệu: Khi vật liệu ở trạng thái lỏng, nó sẽ xác định được khả năng chuyển động.