Tổng quan nghiên cứu
Công nghệ in 3D kim loại, đặc biệt là phương pháp hàn đắp, đang trở thành xu hướng quan trọng trong ngành cơ khí chế tạo hiện đại. Theo báo cáo của ngành, việc ứng dụng công nghệ in 3D kim loại có thể làm thay đổi đến 50% phương pháp gia công truyền thống, đồng thời nâng cao chất lượng và tuổi thọ sản phẩm. Tuy nhiên, tại Việt Nam, nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số công nghệ in 3D kim loại đến độ bền kéo của sản phẩm vẫn còn khá mới mẻ và hạn chế. Đề tài “Nghiên cứu phân bố độ bền kéo giữa các lớp in 3D kim loại theo phương pháp hàn đắp” nhằm mục tiêu khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của hướng bồi đắp và liên kết giữa các lớp bồi đắp đến độ bền kéo của chi tiết in 3D kim loại.
Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mẫu thử thép được chế tạo bằng công nghệ in 3D kim loại kết hợp hàn MAG và máy CNC, theo tiêu chuẩn TCVN 197, thực hiện tại thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2018. Việc thử nghiệm độ bền kéo được tiến hành ở nhiệt độ phòng bằng phương pháp phá hủy, một phương pháp phổ biến trong ngành sản xuất kim loại và kiểm định vật liệu. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần làm rõ cơ tính của các lớp in 3D kim loại mà còn hỗ trợ nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và tăng tuổi thọ chi tiết trong các ứng dụng công nghiệp.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về độ bền kéo và công nghệ hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ (GMAW). Độ bền kéo (ký hiệu: δ) được định nghĩa là khả năng chịu lực kéo đứt của vật liệu, phản ánh tính chịu lực và độ bền của kim loại. Các chỉ tiêu như giới hạn chảy, giới hạn bền, độ giãn dài tương đối được sử dụng để đánh giá cơ tính của mẫu thử.
Công nghệ hàn GMAW, đặc biệt là phương pháp hàn MAG (Metal Active Gas), được áp dụng để tạo các lớp kim loại đắp trong quá trình in 3D. Hàn MAG sử dụng dây hàn nóng chảy và khí bảo vệ hoạt tính như CO2 hoặc hỗn hợp khí Ar-CO2, giúp tạo mối hàn có độ ngấu sâu, ít bắn tóe và chất lượng cao. Các kiểu chuyển dịch giọt kim loại như chuyển dịch tia, chuyển dịch cầu, chuyển dịch ngắn mạch và chuyển dịch hỗn hợp được nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình hàn đắp.
Ngoài ra, các khái niệm về tính hàn của kim loại, các phương pháp hàn đắp (hàn hồ quang tay, hàn tự động dưới lớp thuốc, hàn tự động bằng dây lõi thuốc, hàn đắp tự động trong khí bảo vệ) cũng được áp dụng để lựa chọn phương pháp phù hợp cho việc chế tạo mẫu thử.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu chính là các mẫu thử thép được chế tạo bằng công nghệ in 3D kim loại kết hợp hàn MAG và máy CNC, theo tiêu chuẩn TCVN 197. Cỡ mẫu thử được thiết kế theo tiêu chuẩn quốc gia, với kích thước và dung sai được kiểm soát nghiêm ngặt. Mẫu thử được gia công và hàn đắp tại Công ty cổ phần tư vấn kiểm định Sài Gòn Á Châu.
Phương pháp phân tích sử dụng thử nghiệm độ bền kéo bằng phương pháp phá hủy ở nhiệt độ phòng, sử dụng máy thử kéo-nén vạn năng điện tử Jingyuan WEW-1000B với tải trọng tối đa 1000 kN. Quá trình thử nghiệm được điều khiển vi xử lý, ghi lại biểu đồ lực kéo và biến dạng mẫu thử. Các thông số như cường độ dòng điện, tốc độ đẩy dây, góc nghiêng mỏ hàn, tầm với điện cực được điều chỉnh theo bảng tiêu chuẩn để đảm bảo tính ổn định của hồ quang và chất lượng mối hàn.
Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 2 năm, bao gồm giai đoạn thiết kế mẫu, chế tạo mẫu, thử nghiệm và phân tích kết quả. Phương pháp chọn mẫu là mẫu thép tiêu chuẩn, đại diện cho các vật liệu kim loại phổ biến trong công nghiệp chế tạo.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Ảnh hưởng của hướng hàn đến độ bền kéo: Kết quả thử nghiệm cho thấy mẫu thử có hướng hàn song song với chiều kéo đạt độ bền kéo trung bình khoảng 520 N/mm², cao hơn 12% so với mẫu có hướng hàn vuông góc với chiều kéo (khoảng 465 N/mm²). Điều này chứng tỏ hướng hàn ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng chịu lực kéo của chi tiết in 3D kim loại.
Phân bố độ bền kéo giữa các lớp in: Độ bền kéo của lớp hàn đắp lớp thứ nhất đạt trung bình 530 N/mm², lớp thứ hai giảm còn khoảng 500 N/mm², và lớp thứ ba giảm tiếp xuống khoảng 480 N/mm². Sự giảm dần này phản ánh ảnh hưởng của nhiệt độ và quá trình làm nguội trong quá trình hàn đắp nhiều lớp.
Ảnh hưởng của thứ tự lớp hàn: Mẫu thử với thứ tự hàn lớp I, II, III cho thấy độ bền kéo cao hơn khoảng 8% so với mẫu thử với thứ tự lớp III, II, I. Điều này cho thấy thứ tự hàn ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô và liên kết giữa các lớp kim loại.
So sánh với phương pháp truyền thống: Độ bền kéo của mẫu in 3D kim loại theo phương pháp hàn đắp đạt khoảng 85-90% so với mẫu thép được chế tạo theo phương pháp truyền thống, cho thấy công nghệ in 3D kim loại có tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao.
Thảo luận kết quả
Nguyên nhân chính của sự khác biệt độ bền kéo giữa các mẫu là do ảnh hưởng của hướng hàn và nhiệt độ trong quá trình hàn đắp nhiều lớp. Hướng hàn song song với lực kéo giúp mối hàn chịu lực tốt hơn do liên kết kim loại đồng nhất và ít khuyết tật hơn. Sự giảm độ bền kéo theo thứ tự lớp hàn phản ánh hiện tượng ứng suất nhiệt tích tụ và biến dạng trong quá trình hàn.
So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này tương đồng với báo cáo của trường Cranfield University Mỹ về việc ứng dụng hàn hồ quang kết hợp robot trong in 3D kim loại, khi cũng ghi nhận ảnh hưởng lớn của thông số hàn đến cơ tính sản phẩm. Kết quả nghiên cứu có thể được trình bày qua biểu đồ lực kéo - biến dạng và bảng thống kê độ bền kéo theo từng lớp và hướng hàn, giúp minh họa rõ ràng sự phân bố cơ tính trong mẫu thử.
Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn thông số hàn và hướng bồi đắp tối ưu, từ đó nâng cao chất lượng và độ bền của sản phẩm in 3D kim loại, góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ in 3D trong ngành cơ khí Việt Nam.
Đề xuất và khuyến nghị
Tối ưu hóa hướng hàn: Khuyến nghị sử dụng hướng hàn song song với chiều lực kéo trong quá trình hàn đắp để tăng độ bền kéo của chi tiết. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư công nghệ hàn, thời gian áp dụng ngay trong các dự án sản xuất.
Kiểm soát thứ tự lớp hàn: Đề xuất xây dựng quy trình hàn đắp với thứ tự lớp hàn hợp lý, ưu tiên hàn từ lớp dưới lên trên theo trình tự I, II, III để giảm ứng suất nhiệt và tăng độ bền. Thời gian áp dụng trong vòng 6 tháng cho các dây chuyền sản xuất.
Giám sát nhiệt độ và làm nguội: Áp dụng hệ thống kiểm soát nhiệt độ và làm nguội giữa các lớp hàn nhằm hạn chế biến dạng và giảm giảm độ bền kéo. Chủ thể thực hiện là phòng thí nghiệm và bộ phận kỹ thuật, thời gian triển khai trong 1 năm.
Nâng cao chất lượng vật liệu hàn: Sử dụng dây hàn và khí bảo vệ đạt chuẩn, đảm bảo sạch và không bị oxy hóa để giảm khuyết tật trong mối hàn, nâng cao cơ tính sản phẩm. Chủ thể là nhà cung cấp vật liệu và bộ phận sản xuất, áp dụng liên tục.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Sinh viên và nghiên cứu viên ngành cơ khí: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ in 3D kim loại và phương pháp hàn đắp, hỗ trợ nghiên cứu và học tập chuyên ngành.
Kỹ sư công nghệ hàn và sản xuất: Tham khảo để áp dụng các quy trình hàn đắp tối ưu, nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất trong các nhà máy cơ khí.
Doanh nghiệp sản xuất chi tiết kim loại: Hỗ trợ đánh giá và cải tiến công nghệ in 3D kim loại, giảm chi phí và tăng tuổi thọ sản phẩm trong các ngành công nghiệp chế tạo.
Cơ quan kiểm định và quản lý chất lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn kiểm định độ bền kéo cho sản phẩm in 3D kim loại, đảm bảo an toàn và độ tin cậy.
Câu hỏi thường gặp
Công nghệ in 3D kim loại là gì?
In 3D kim loại là phương pháp tạo chi tiết kim loại bằng cách đắp từng lớp kim loại nóng chảy hoặc bột kim loại theo thiết kế số hóa, giúp chế tạo các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao.Phương pháp hàn đắp MAG có ưu điểm gì?
Hàn MAG sử dụng khí hoạt tính bảo vệ, cho mối hàn có độ ngấu sâu, ít bắn tóe, năng suất cao và chất lượng mối hàn tốt, phù hợp với nhiều loại thép và hợp kim.Tại sao hướng hàn ảnh hưởng đến độ bền kéo?
Hướng hàn ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô và liên kết giữa các lớp kim loại, hướng hàn song song với lực kéo giúp mối hàn chịu lực tốt hơn và giảm khuyết tật.Phương pháp thử độ bền kéo được thực hiện như thế nào?
Mẫu thử được kẹp trên máy thử kéo-nén, kéo đến khi đứt, ghi lại biểu đồ lực kéo và biến dạng để xác định các chỉ tiêu cơ tính như giới hạn chảy, độ bền kéo và độ giãn dài.Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này là gì?
Nghiên cứu giúp tối ưu hóa quy trình in 3D kim loại và hàn đắp, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất và tăng tuổi thọ chi tiết trong các ngành công nghiệp như hàng không, đóng tàu và cơ khí chế tạo.
Kết luận
- Luận văn đã nghiên cứu thành công ảnh hưởng của hướng hàn và thứ tự lớp hàn đến độ bền kéo của các lớp in 3D kim loại theo phương pháp hàn đắp MAG.
- Kết quả thử nghiệm cho thấy hướng hàn song song với lực kéo và thứ tự hàn lớp từ dưới lên trên giúp tăng độ bền kéo lên đến 12%.
- Phân bố độ bền kéo giảm dần theo thứ tự lớp hàn do ảnh hưởng của nhiệt độ và ứng suất nhiệt tích tụ.
- Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa quy trình hàn đắp trong công nghệ in 3D kim loại, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.
- Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quy trình áp dụng trong vòng 6-12 tháng nhằm cải thiện độ bền kéo và tính ổn định của sản phẩm in 3D kim loại.
Tiếp theo, cần triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong sản xuất thực tế và mở rộng nghiên cứu với các loại vật liệu và công nghệ in 3D kim loại khác. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích tham khảo và phát triển thêm các ứng dụng từ kết quả này để thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp in 3D kim loại tại Việt Nam.