Nghiên cứu độ bền mỏi của chi tiết dạng trục khi được chế tạo bằng phương pháp in 3D kim loại

Đồ án nghiên cứu độ bền mỏi của chi tiết dạng trục in 3D kim loại tại Trường ĐH SPKT TPHCM

• Tác giả: Nguyễn Tiến Đạt
• Người hướng dẫn: PGS. TS Phạm Sơn Minh
• 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 mỏi của chi tiết dạng trục khi được chế tạo bằng phương pháp in 3D kim loại
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về độ bền mỏi của chi tiết dạng trục in 3D kim loại

Công nghệ in 3D kim loại mở ra bước tiến lớn trong ngành cơ khí chế tạo máy hiện đại. Nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tập trung vào việc đánh giá độ bền mỏi của các chi tiết dạng trục. Chi tiết dạng trục giữ vai trò then chốt trong việc truyền chuyển động và mô men xoắn của hệ thống máy móc. Trong quá trình hoạt động, trục kim loại thường xuyên chịu tác động bởi tải trọng thay đổi chu kỳ. Tải trọng này sinh ra hiện tượng mỏi cơ học, dẫn đến nứt gãy bất ngờ mà không có biến dạng dẻo rõ rệt báo trước. Công nghệ bồi đắp hồ quang dây (WAAM) được ứng dụng nhờ tốc độ đắp cao và chi phí đầu tư phôi liệu thấp. Phương pháp này sử dụng nhiệt hồ quang để làm nóng chảy dây kim loại theo từng lớp xếp chồng. Tuy nhiên, tính bất đẳng hướng cơ tính và biến đổi nhiệt phức tạp đòi hỏi phải đánh giá toàn diện độ bền mỏi của trục thành phẩm. Việc xác định đường cong ứng suất và số chu kỳ phá hủy (S-N) giúp thiết lập các thông số làm việc an toàn. Điều này đảm bảo chi tiết đạt độ tin cậy cao trước khi ứng dụng vào sản xuất công nghiệp thực tế.

1.1. Khái niệm về công nghệ in 3D kim loại WAAM

Công nghệ bồi đắp hồ quang dây WAAM kết hợp thiết bị hàn hồ quang và hệ thống điều khiển tự động. Phương pháp sử dụng hồ quang điện từ mỏ hàn GMAW hoặc GTAW làm nóng chảy dây kim loại cấp liên tục. Lớp kim loại lỏng được xếp liên tiếp trên tấm nền để định hình phôi chi tiết dạng trục. WAAM sở hữu năng suất bồi đắp vượt trội so với các công nghệ bột kim loại. Chi phí nguyên liệu dây hàn rẻ hơn rất nhiều so với hạt bột hợp kim chuyên dụng. Hệ thống có khả năng chế tạo nhanh các cấu trúc kim loại kích thước lớn phục vụ ngành công nghiệp chế tạo. Các thông số vận hành như tốc độ hàn, dòng điện và điện áp quyết định trực tiếp tới chất lượng phôi.

1.2. Vai trò nghiên cứu độ bền mỏi tại ĐH SPKT TPHCM

Khoa Cơ khí Chế tạo máy tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tiên phong làm chủ công nghệ in 3D kim loại. Đề tài tốt nghiệp tập trung giải quyết bài toán cốt lõi về cơ tính mỏi của trục máy. Chi tiết dạng trục sau khi in cần chứng minh khả năng chịu tải tương đương phôi rèn hoặc cán truyền thống. Nhóm nghiên cứu tiến hành thiết kế quy trình thử nghiệm mỏi nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn quốc tế. Kết quả kiểm tra giúp xây dựng cơ sở dữ liệu vật liệu chuẩn xác cho ngành chế tạo máy Việt Nam. Nghiên cứu khẳng định tiềm năng ứng dụng công nghệ in bồi đắp trong sản xuất công nghiệp và đào tạo kỹ thuật chuyên sâu.

II. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng độ bền mỏi trục in 3D kim loại

Chi tiết dạng trục chế tạo bằng phương pháp in 3D kim loại đối mặt với nhiều nguyên nhân gây suy giảm độ bền mỏi. Quá trình nung nóng và làm nguội lặp đi lặp lại tạo ra trường nhiệt độ không đồng đều dọc theo thân trục. Hiện tượng này tích tụ mức ứng suất dư nhiệt cục bộ rất lớn bên trong liên kết kim loại. Ứng suất kéo dư làm tăng tốc độ mở rộng của các vết nứt tế vi khi trục chịu xoắn hoặc uốn chu kỳ. Ngoài ra, cấu trúc hạt tinh thể thường phát triển định hướng theo trục nhiệt, gây nên tính bất đẳng hướng cơ tính sâu sắc. Giới hạn bền mỏi theo phương ngang thường thấp hơn đáng kể so với phương dọc theo đường hàn bồi đắp. Những khuyết tật kim loại như lỗ xốp khí, lẫn xỉ hàn và vùng thiếu ngấu kim loại hoạt động như các điểm tập trung ứng suất gay gắt. Khi vận hành dưới ứng suất chu kỳ dao động, các vi nứt lập tức khởi sinh từ những điểm khiếm khuyết bề mặt này. Nứt mỏi lan truyền dần dần qua các chu kỳ tải trọng, khiến mặt cắt chịu tải suy giảm và dẫn đến gãy hỏng thảm họa.

2.1. Tác động của ứng suất dư và độ nhám bề mặt

Quá trình đắp kim loại tạo ra gradient nhiệt độ lớn giữa các lớp vật liệu. Ứng suất dư kéo hình thành trên bề mặt chi tiết dạng trục làm hạ thấp đáng kể giới hạn bền mỏi. Đồng thời, công nghệ WAAM tạo ra bề mặt gợn sóng với độ nhám tương đối cao. Các rãnh lồi lõm biên dạng bề mặt đóng vai trò như những rãnh khía tập trung ứng suất nguy hiểm. Dưới tác động uốn xoay liên tục, đáy rãnh khía là vị trí khởi sinh vết nứt mỏi đầu tiên. Nếu chi tiết không được gia công cắt gọt tinh, tuổi thọ mỏi sẽ sụt giảm nghiêm trọng. Việc kiểm soát trường ứng suất dư và cải thiện độ nhám bề mặt là yếu tố then chốt giúp nâng cao độ tin cậy cơ học cho trục.

2.2. Khuyết tật vi cấu trúc và quá trình lan truyền nứt

Vi cấu trúc của chi tiết in 3D kim loại chứa các dị thường nhiệt và khiếm khuyết hạt vi mô. Khí hòa tan không kịp thoát ra khỏi bể hàn tạo thành các lỗ xốp khí hình cầu. Sự liên kết yếu giữa các đường hàn kế tiếp dẫn tới khuyết tật thiếu ngấu kim loại. Những vị trí bất liên tục này chịu sự khuếch đại ứng suất rất cao trong quá trình làm việc. Vết nứt mỏi bắt đầu hình thành từ mép khuyết tật rồi lan truyền vuông góc với hướng tải trọng chính. Quá trình phát triển nứt diễn ra chậm rãi qua từng chu kỳ cho đến khi đạt kích thước tới hạn. Khi diện tích mặt cắt còn lại không đủ chịu tải, hiện tượng đứt gãy giòn lập tức diễn ra mà không kịp cảnh báo.

III. Phương pháp nâng cao độ bền mỏi cho chi tiết trục in 3D

Nâng cao độ bền mỏi cho chi tiết dạng trục in 3D đòi hỏi phải can thiệp đồng bộ từ thông số in tới các bước xử lý sau chế tạo. Trước hết, việc tối ưu hóa chế độ hàn WAAM đóng vai trò quyết định. Kỹ thuật viên cần điều chỉnh chính xác cường độ dòng điện hàn, tốc độ cấp dây và vận tốc di chuyển mỏ hàn nhằm ổn định thể tích bể chảy kim loại. Sự ổn định này giúp giảm thiểu tối đa các khiếm khuyết lỗ xốp và vùng thiếu ngấu. Sau giai đoạn tạo hình bồi đắp, phôi trục bắt buộc phải trải qua quá trình nhiệt luyện khử ứng suất. Phương pháp ủ đồng hóa nhiệt giúp triệt tiêu hoàn toàn trường ứng suất kéo dư tích tụ trong phôi. Cấu trúc tế vi thô to chuyển biến thành các pha kim loại mịn màng và phân bố đồng đều hơn. Tiếp theo, bề mặt trục cần được gia công cơ khí chính xác bằng phương pháp tiện hoặc mài tròn ngoài. Lớp vỏ sần sùi ban đầu biến mất, thay thế bằng bề mặt có độ nhẵn bóng cao nhằm triệt tiêu hiệu ứng tập trung ứng suất. Áp dụng kỹ thuật phun bi bề mặt tạo ra lớp ứng suất nén dư hữu ích, ngăn cản vết nứt mỏi hình thành.

3.1. Tối ưu hóa thông số công nghệ in WAAM

Việc kiểm soát chặt chẽ các thông số công nghệ WAAM quyết định độ đồng nhất của kim loại đắp. Năng lượng đường hàn cần duy trì ở mức tối ưu để vật liệu hòa tan hoàn toàn nhưng không gây chảy xệ phôi. Tốc độ cấp dây hàn được đồng bộ hóa với tốc độ di chuyển của mỏ hàn. Sự kết hợp chính xác này ngăn chặn tình trạng tạo bọt khí và rỗ xỉ bên trong cấu trúc trục. Nhiệt độ giữa các lớp đắp cũng được kiểm soát liên tục thông qua cảm biến hồng ngoại. Thời gian làm nguội phù hợp giữa các lượt in giúp hạn chế tối đa sự phát triển thô đại của hạt tinh thể. Nhờ đó, tính đẳng hướng cơ học của chi tiết dạng trục tăng lên rõ rệt.

3.2. Quy trình xử lý nhiệt và gia công cơ bề mặt

Xử lý nhiệt sau khi chế tạo là công đoạn then chốt nhằm hoàn thiện phẩm chất cơ học của chi tiết. Quá trình ủ nhiệt khử ứng suất ở nhiệt độ thích hợp giải phóng toàn bộ nội ứng suất dư thừa. Hạt kim loại được tái kết tinh đồng đều, mang lại khả năng dẻo dai và chống mỏi vượt bậc. Sau bước nhiệt luyện, chi tiết dạng trục trải qua công đoạn gia công tiện và mài bóng bề mặt ngoài. Thao tác gia công cơ khí loại bỏ hoàn toàn các lớp kim loại biên gợn sóng không hoàn hảo. Độ nhám bề mặt giảm về ngưỡng tiêu chuẩn kỹ thuật cao, loại trừ nguy cơ tập trung ứng suất. Sự kết hợp này kéo dài đáng kể số chu kỳ làm việc an toàn của trục máy.

IV. Kết luận và triển vọng ứng dụng độ bền mỏi trục in 3D kim loại

Nghiên cứu độ bền mỏi của chi tiết dạng trục in 3D kim loại tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh mang ý nghĩa thực tiễn to lớn. Công trình đã cung cấp dữ liệu thực nghiệm giá trị về quan hệ ứng suất và số chu kỳ phá hủy (đường cong S-N). Các trục in bằng công nghệ WAAM sau khi được ủ nhiệt khử ứng suất và gia công tinh bề mặt đạt độ bền mỏi tiệm cận vật liệu truyền thống. Thành công này mở ra tiềm năng ứng dụng mạnh mẽ trong ngành chế tạo máy, công nghiệp đóng tàu, năng lượng và hàng hải. Doanh nghiệp có thể chế tạo nhanh các trục kích thước lớn hoặc sửa chữa, phục hồi chi tiết máy hư hỏng với chi phí tiết kiệm. Thời gian cung ứng linh kiện được rút ngắn đáng kể so với việc chờ phôi đúc hay phôi rèn quy mô lớn. Trong tương lai, các mô hình tính toán số kết hợp trí tuệ nhân tạo sẽ dự đoán chính xác hơn hành vi mỏi phức tạp của chi tiết in 3D. Điều này thúc đẩy quá trình chuyển đổi số trong nền công nghiệp sản xuất thông minh.

4.1. Khả năng thay thế chi tiết máy truyền thống

Chi tiết dạng trục in 3D kim loại thể hiện tiềm năng thay thế xuất sắc phôi đúc và cán truyền thống. Thời gian chế tạo sản phẩm mẫu giảm từ vài tháng xuống còn vài ngày làm việc. Chi phí nguyên liệu đầu vào giảm đáng kể nhờ khả năng đắp kim loại chuẩn xác theo biên dạng định trước. Tỷ lệ hao hụt phôi gia công cắt gọt sau đó được giảm thiểu tối đa. Các bài kiểm tra độ bền mỏi tại phòng thí nghiệm chứng minh chi tiết đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn vận hành công nghiệp. Doanh nghiệp cơ khí hoàn toàn có thể ứng dụng giải pháp này để sản xuất phụ tùng thay thế đơn lẻ hoặc số lượng vừa mà không cần chế tạo khuôn mẫu phức tạp.

4.2. Định hướng hoàn thiện và nghiên cứu mở rộng

Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc mô phỏng phần tử hữu hạn để dự báo trường nhiệt và ứng suất dư thời gian thực. Sự phối hợp giữa phần mềm mô phỏng và hệ thống cảm biến quang học giúp kiểm soát bể hàn chính xác. Bên cạnh đó, việc áp dụng trí tuệ nhân tạo vào tối ưu hóa đường chạy mỏ hàn sẽ loại bỏ triệt để các khuyết tật bọt khí. Thử nghiệm mỏi đa trục kết hợp giữa lực kéo nén và xoắn đồng thời sẽ phản ánh trung thực hơn điều kiện làm việc thực tế của trục máy. Các kết quả mở rộng này hứa hẹn đưa công nghệ in 3D kim loại tại Việt Nam vươn lên tầm cao mới, đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe của ngành hàng không vũ trụ.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sản xuất bồi đắp kim loại (Additive Manufacturing - AM), đặc biệt là công nghệ in 3D kim loại, đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới nhờ khả năng tạo hình các cấu trúc phức tạp từng lớp một thay vì cắt gọt loại bỏ vật liệu như gia công truyền thống. Phần lớn các công nghệ in 3D kim loại thương mại hiện nay dựa trên nguyên liệu bột kim loại hoặc sợi nhựa, dẫn đến chi phí nguyên liệu đắt đỏ, nguy cơ thiếu hụt nguồn cung và hạn chế về độ cứng vững của chi tiết hoàn thiện quy mô lớn. Nhằm khắc phục các rào cản này, công nghệ sản xuất bồi đắp bằng hồ quang dây kim loại (Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM) và phương pháp đắp lớp tấm/vòng kim loại kết hợp hàn hồ quang đang thu hút sự chú ý lớn. WAAM tận dụng nguồn nhiệt hồ quang điện để làm nóng chảy dây hàn cấp liên tục lên nền kim loại, cho tốc độ đắp cao, tận dụng được nguồn vật tư hàn phổ thông giá thành thấp, rất phù hợp cho các cấu trúc lớn trong ngành hàng không vũ trụ, đóng tàu và năng lượng.

Tuy nhiên, chu kỳ gia nhiệt và làm nguội cục bộ lặp đi lặp lại trong quá trình bồi đắp kim loại thường sinh ra ứng suất dư lớn, nguy cơ khuyết tật, rỗ khí và biến dạng hình học. Tại Việt Nam, nghiên cứu về công nghệ bồi đắp kim loại dạng WAAM và bồi đắp tấm kim loại vẫn còn ở giai đoạn sơ khai; đặc biệt, các công trình đi sâu khảo sát mối liên hệ giữa thông số quy trình, cấu trúc vi mô và cơ tính động dưới tải trọng dao động tuần hoàn của chi tiết còn rất hạn chế. Chi tiết dạng trục là bộ phận cơ khí chịu tải động và ứng suất chu kỳ phổ biến nhất trong máy móc, đòi hỏi độ bền mỏi nghiêm ngặt để tránh hiện tượng phá hủy mỏi đột ngột. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài mã số CKM-116 do tác giả Nguyễn Tiến Đạt thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Phạm Sơn Minh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tập trung làm rõ độ bền mỏi của chi tiết trục chế tạo bằng công nghệ bồi đắp kim loại.

Theo văn bản đồ án, mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm 4 nhiệm vụ cụ thể:

1. Điều tra và đánh giá độ bền mỏi và hiệu suất của các mẫu trục được chế tạo bằng công nghệ in 3D kim loại.
2. Phân tích ảnh hưởng của các thông số in ấn, tính chất vật liệu và kỹ thuật xử lý sau in đối với hành vi mỏi của các trục in 3D.
3. So sánh hiệu suất mỏi của các trục in 3D với các trục được sản xuất theo phương pháp truyền thống để đánh giá các lợi ích và hạn chế tiềm năng của công nghệ sản xuất bồi đắp trong bối cảnh này.
4. Góp phần vào sự phát triển của công nghệ in 3D kim loại tại Việt Nam bằng cách cung cấp những hiểu biết quý giá về hiệu suất mỏi của các hình học phức tạp và thúc đẩy việc áp dụng phương pháp sản xuất này trong các ngành công nghiệp yêu cầu các thành phần có hiệu suất cao.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các lựa chọn hàn của công nghệ WAAM để đánh giá tác động lên cấu trúc vi mô và độ bền mỏi của chi tiết dạng trục. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc khảo sát hành vi mỏi của mẫu trục kim loại chế tạo bồi đắp thông qua thử nghiệm uốn chu kỳ trong điều kiện phòng thí nghiệm từ tháng 02/2024 đến tháng 07/2024, đánh giá tuổi thọ mỏi và sự phát triển vết nứt dưới tải trọng dao động tuần hoàn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án được xây dựng từ các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật cơ khí, công nghệ hàn bồi đắp và cơ học phá hủy mỏi:

• Lý thuyết về độ bền mỏi và tải trọng dao động: Tải trọng mỏi đặc trưng bởi các chu kỳ ứng suất biến thiên theo thời gian dẫn đến tích tụ tổn thương vi mô ngay cả khi ứng suất cực đại thấp hơn nhiều so với giới hạn bền kéo tĩnh của vật liệu. Quá trình phá hủy mỏi trải qua các giai đoạn: bắt đầu xuất hiện vết nứt tế vi tại các điểm tập trung ứng suất hoặc khuyết tật bề mặt, vết nứt lan truyền dưới tải trọng dao động chu kỳ, và cuối cùng gãy hỏng đột ngột khi tiết diện còn lại không đủ chịu tải. Đồ án sử dụng khái niệm đường cong S-N (ứng suất - số chu kỳ gãy), giới hạn mỏi ($N_0$), chu kỳ ứng suất (biên độ ứng suất, ứng suất trung bình) và quy tắc tổn thương tích lũy tuyến tính Miner để đánh giá tuổi thọ mẫu.
• Nguyên lý công nghệ bồi đắp hồ quang dây (WAAM): WAAM thuộc nhóm công nghệ gia công mũi hàn hướng năng lượng (Directed Energy Deposition - DED). Nguồn nhiệt hồ quang điện có thể là hàn hồ quang kim loại khí (GMAW/MIG) hoặc hàn hồ quang vonfram khí (GTAW/TIG). Về hệ thống chuyển động, WAAM có thể sử dụng cánh tay robot công nghiệp, hệ thống trục tọa độ Descartes dạng giàn, hoặc hệ thống bồi đắp lai (COLLAR) kết hợp cả robot và giàn. Quá trình tạo vũng hàn nóng chảy, chuyển dịch kim loại, hòa tan kim loại bổ sung với kim loại cơ bản và tốc độ nguội quyết định trực tiếp tới kích thước hạt tinh thể và khuyết tật mối đắp. Khí bảo vệ (Argon, Helium, $\text{CO}_2$, Oxy và các hỗn hợp) giữ vai trò then chốt trong việc bảo vệ vũng hàn khỏi sự xâm nhập của oxy và nitơ, quyết định độ ngấu và độ ướt mối hàn.
• Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi: Kỹ thuật thống kê tối ưu hóa thực nghiệm (Design of Experiments - DOE) nhằm thiết lập ma trận trực giao các yếu tố đầu vào, giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thực hiện mà vẫn xác định được tổ hợp thông số tối ưu, đồng thời hạn chế độ nhạy cảm của hệ thống trước các biến động ngẫu nhiên.
• Mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN) trên phần mềm MATLAB: Đồ án sử dụng mô hình học máy mạng nơ-ron để huấn luyện dữ liệu thực nghiệm, mô phỏng quan hệ phi tuyến giữa các thông số chế tạo đầu vào và tuổi thọ mỏi đầu ra, từ đó dự đoán độ bền mỏi và so sánh độ sai lệch giữa mô hình tính toán với dữ liệu đo thực tế.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm sự phối hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm:

• Phương pháp thực nghiệm chế tạo mẫu: Sử dụng máy hàn Jasic model MIG-270 (chế độ nguồn dòng một chiều điện áp không đổi - CV DC), mỏ hàn MIG có ống tiếp xúc và bép hàn, cấp dây tự động. Vật liệu bồi đắp là dây hàn lõi thuốc tiêu chuẩn AWS E71-T1 (SFA A5.20) đường kính 1,2 mm; vật liệu nền là thép tôi và ram; khí bảo vệ sử dụng $\text{CO}_2$. Phương pháp tạo phôi trục thực nghiệm kết hợp việc xếp các vòng thép (với độ dày và đường kính vòng thép xác định) sau đó hàn bồi đắp liên kết các lớp bằng đường hàn dạng String. Sau khi hoàn tất phôi thô bồi đắp, mẫu được gia công cắt gọt cơ khí và xử lý mài/đánh bóng bề mặt đạt kích thước tiêu chuẩn thử mỏi với các thông số hình học: đường kính đầu kẹp $D$, đường kính tại tiết diện chịu ứng suất uốn lớn nhất $d$, chiều dài cánh tay đòn chịu tải $L$, và khoảng cách dọc trục $x$.
• Phương pháp thử nghiệm cơ tính mỏi: Thực hiện trên thiết bị thử mỏi chuyên dụng, tác dụng lực uốn $F$ chu kỳ lên mẫu thử dạng trục quay, ghi nhận số chu kỳ làm việc cho đến khi mẫu xuất hiện vết nứt hoặc bị gãy hoàn toàn.
• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu gốc thu thập từ các thông số đo kiểm thực nghiệm trên 25 trường hợp mẫu thử mỏi được thiết lập theo quy hoạch thực nghiệm Taguchi, kết hợp dữ liệu mô phỏng dự đoán từ hộp công cụ Neural Network Toolbox trong phần mềm MATLAB.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này thiết lập tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh công nghệ AM nói chung và kỹ thuật WAAM nói riêng đang dịch chuyển mạnh mẽ từ phòng thí nghiệm ra ứng dụng thực tiễn nhưng còn mới mẻ tại Việt Nam. Tác giả phân tích những hạn chế của phương pháp bồi đắp bằng bột kim loại và nêu bật lợi thế kinh tế - kỹ thuật của phương pháp bồi đắp dùng dây hàn kết hợp phôi cơ sở. Chương 1 xác định rõ mục tiêu 4 điểm, đối tượng khảo sát là các chế độ hàn WAAM trên mẫu chi tiết dạng trục, phạm vi nghiên cứu thực nghiệm mỏi trong môi trường tải trọng dao động, cùng ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình trong việc hoàn thiện hướng dẫn thiết kế, công nghệ gia công chi tiết chịu tải động. Tác giả cũng chỉ rõ các hạn chế ban đầu về giới hạn vật liệu, hình học mẫu đơn giản và thời gian thử nghiệm mỏi ngắn hạn.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu

Chương 2 trình bày toàn diện về cơ chế vận hành của công nghệ sản xuất bồi đắp bằng hồ quang dây kim loại (WAAM) thuộc phân nhóm DED. Tác giả phân loại WAAM theo nguồn nhiệt (GMAW/MIG cho tốc độ đắp cao, GTAW/TIG cho độ chính xác cao) và theo hệ thống dẫn động (cánh tay robot, khung giàn Cartesian, hệ thống lai COLLAR). Ưu điểm nổi bật của WAAM là tốc độ đắp kim loại lớn, giảm thời gian chế tạo, tận dụng dây hàn thương mại giúp tiết kiệm chi phí và khả năng bồi đắp chi tiết kích thước lớn; tuy nhiên nhược điểm cốt lõi là ứng suất dư cao, độ nhám bề mặt lớn đòi hỏi gia công cơ sau in, và nguy cơ tạo khuyết tật rỗ khí.

Chương này phân tích sâu vai trò của các khí bảo vệ trong hàn MIG (Argon, Helium, $\text{CO}_2$, Oxy và các hỗn hợp hai/ba khí), nêu rõ tác động của từng loại khí lên độ ngấu, độ ướt, tính ổn định hồ quang và giá thành. Phần tiếp theo mô tả chi tiết thiết bị thực nghiệm: máy hàn Jasic model MIG-270 nguồn CV DC, mỏ hàn, hệ thống cấp khí, bình khí bảo vệ với van điều áp và lưu lượng kế; phân tích các thông số hàn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mối đắp (điện áp, dòng điện hàn, tốc độ cấp dây, tốc độ dịch chuyển mỏ hàn, nhiệt độ giữa các lớp đắp). Chương 2 kết thúc bằng các quy tắc chung trong chế tạo mẫu thử mỏi chuẩn hóa: kiểm soát vật liệu, duy trì dung sai hình học, kỹ thuật hoàn thiện bề mặt nhằm triệt tiêu điểm tập trung ứng suất ban đầu, và sơ đồ kích thước mẫu thử mỏi dạng trục ($D$, $d$, $F$, $L$, $x$).

Chương 3: Cơ sở lí thuyết

Chương 3 xây dựng nền tảng toán học và cơ học cho toàn bộ quá trình kiểm tra, phân tích độ bền mỏi. Tác giả trình bày bản chất phá hủy mỏi dưới tải trọng dao động, các dạng chu kỳ ứng suất, phương pháp xây dựng đường cong S-N, xác định giới hạn mỏi $N_0$ của vật liệu, và quy tắc cộng dồn tổn thất Miner. Điểm nhấn của chương là các yêu cầu chuyên biệt khi thử mỏi đối với chi tiết bồi đắp kim loại, nơi cấu trúc hạt và khuyết tật định hướng theo từng lớp in. Tiếp theo, chương làm rõ cơ sở lý thuyết của phương pháp Taguchi, phân tích ưu điểm tối ưu hóa ma trận thực nghiệm và hạn chế của phương pháp. Phần cuối chương giới thiệu môi trường tính toán MATLAB và kiến trúc mạng nơ-ron nhân tạo (ANN), nguyên lý huấn luyện mô hình nhằm xấp xỉ hàm phi tuyến để mô phỏng và dự báo hành vi mỏi của chi tiết bồi đắp.

Chương 4: Nghiên cứu, thiết kế và sản xuất mẫu kiểm tra mỏi

Nội dung chương 4 tập trung vào quy trình triển khai công nghệ chế tạo mẫu thử mỏi trong thực tế. Tác giả xây dựng kế hoạch kiểm tra chất lượng mối hàn trên mẫu thử nhằm phát hiện các khuyết tật nứt, ngậm xỉ hoặc rỗ khí. Kích thước mẫu thử mỏi được tính toán và thiết kế chuẩn hóa đảm bảo sự tập trung ứng suất xảy ra chính xác tại vị trí đường kính $d$. Quy trình chế tạo mẫu được thực hiện bằng giải pháp xếp các vòng thép theo phương pháp định vị không gian, sau đó sử dụng máy hàn MIG Jasic-270 đắp các lớp hàn liên kết bằng dây hàn AWS E71-T1 đường kính 1,2 mm trên nền thép tôi và ram với khí bảo vệ $\text{CO}_2$. Các thông số hàn thực tế được kiểm soát chặt chẽ: điện áp 22 - 23 V, dòng điện 145 - 175 A, tốc độ hàn 4,3, nhiệt độ giữa các lớp hàn duy trì 50 - 130 °C theo kỹ thuật hàn đường thẳng (String). Sau khi đắp xong, phôi thô được tiện và mài tinh đạt kích thước thiết kế phục vụ cho công tác kiểm tra mỏi.

Chương 5: Phân tích thống kê và đánh giá kết quả thử nghiệm

Chương 5 là chương thực nghiệm cốt lõi, mô tả quy trình thử nghiệm mỏi trên máy thử tải tuần hoàn từ khâu gá đặt mẫu, chuẩn bị dụng cụ đo đến các bước tiến hành gia tải. Sau khi thu thập dữ liệu thực nghiệm từ 25 mẫu thử theo quy hoạch Taguchi, tác giả tiến hành cài đặt chương trình phân tích mạng nơ-ron ANN trên MATLAB: thiết lập cửa sổ Neural Network, nhập tập dữ liệu đầu vào (Input) và dữ liệu đầu ra (Output), cấu hình tham số mô phỏng và tiến hành huấn luyện mạng (training). Kết quả đồ thị mô phỏng và dự đoán tuổi thọ mỏi từ MATLAB được đối chiếu trực tiếp với dữ liệu đo thực nghiệm. Tác giả chia 25 mẫu thử thành 5 nhóm so sánh (mẫu 1 đến 5, mẫu 6 đến 10, mẫu 11 đến 15, mẫu 16 đến 20, và mẫu 21 đến 25) để đánh giá chi tiết độ lệch giữa dự báo lý thuyết/mạng ANN và kết quả phá hủy mỏi thực tế.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối cùng tổng kết các kết quả đạt được của đề tài về khả năng ứng dụng công nghệ hàn bồi đắp dây kim loại để tạo hình chi tiết dạng trục có khả năng chịu mỏi. Tác giả khẳng định tính khả thi của việc kết hợp bồi đắp hàn MIG với quy hoạch Taguchi và mô hình hóa ANN, đồng thời vạch ra hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng trong công nghiệp cơ khí chế tạo.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công các mẫu thử nghiệm mỏi dạng trục bằng phương pháp bồi đắp kim loại GMAW/MIG từ dây hàn kết hợp phôi vòng thép, đồng thời thiết lập bộ thông số quy trình công nghệ hàn cụ thể được ghi nhận trong văn bản:

Thông số quy trình	Giá trị / Đặc tính kỹ thuật
Phương pháp hàn	GMAW (Hàn MIG)
Thiết bị hàn	Máy hàn Jasic model MIG-270 (Nguồn CV DC)
Vật liệu nền	Thép tôi và ram
Vật liệu hàn bổ sung	Dây hàn AWS E71-T1 (tiêu chuẩn SFA A5.20)
Đường kính dây hàn	1,2 mm
Khí bảo vệ	100% $\text{CO}_2$
Cường độ dòng điện hàn	145 - 175 A
Điện áp hàn	22 - 23 V
Tốc độ hàn	4,3
Kỹ thuật hàn	Hàn thẳng (String)
Nhi độ giữa các lớp hàn	50 - 130 °C
Độ dày vật liệu	8 mm

Về mặt dữ liệu thực nghiệm và tính toán:

• Đồ án đã hoàn thành chế tạo và thử nghiệm mỏi trên hệ thống 25 mẫu thử được phân bổ theo ma trận Taguchi.
• Xây dựng thành công quy trình mô phỏng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) trên môi trường MATLAB (sử dụng giao diện lệnh và Neural Network Toolbox), đưa dữ liệu đầu vào (các thông số hình học vòng thép, chế độ hàn) và dữ liệu đầu ra (tuổi thọ mỏi/chu kỳ chịu tải) để huấn luyện mạng.
• Thực hiện so sánh định lượng độ sai lệch giữa mô phỏng ANN và kết quả đo thực nghiệm trên toàn bộ 25 mẫu (chia thành 5 nhóm dữ liệu: 1–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–25), cho thấy mạng ANN có khả năng dự đoán xu hướng chịu mỏi của chi tiết dạng trục bồi đắp kim loại.

Giải pháp và đóng góp của tác giả:

• Đóng góp công nghệ: Đề xuất và kiểm chứng quy trình sản xuất mẫu trục chịu tải bằng phương pháp bồi đắp kết hợp giữa các vòng thép cơ sở và mối đắp hàn MIG dây AWS E71-T1. Đây là giải pháp thay thế hiệu quả về chi phí so với các công nghệ in 3D bột kim loại đắt tiền (SLM/DMLS), tận dụng được trang thiết bị hàn sẵn có trong nước.
• Đóng góp phương pháp luận: Kết hợp thành công kỹ thuật quy hoạch thực nghiệm Taguchi với công cụ học máy mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) trên MATLAB để phân tích, dự báo tuổi thọ mỏi của chi tiết bồi đắp, giúp giảm thiểu số lượng mẫu thử tốn kém mà vẫn đánh giá được tương quan giữa thông số chế tạo và độ bền mỏi.
• Đóng góp thực tiễn: Cung cấp bộ thông số hàn thực nghiệm chuẩn (dòng điện, điện áp, tốc độ hàn, khí bảo vệ) cho kỹ thuật bồi đắp thép tôi ram bằng dây AWS E71-T1, tạo tiền đề dữ liệu tham khảo cho việc ứng dụng công nghệ WAAM vào sản xuất và phục hồi các chi tiết dạng trục trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo tự đánh giá của tác giả trong văn bản đồ án, công trình tồn tại các hạn chế kỹ thuật sau:

• Phạm vi vật liệu và công nghệ: Nghiên cứu chỉ giới hạn trên một loại vật liệu kim loại cụ thể (nền thép tôi và ram, dây hàn thép AWS E71-T1) và một công nghệ bồi đắp nhất định (GMAW/MIG), do đó các kết luận chưa thể khái quát hóa hoàn toàn cho các hợp kim khác như nhôm, titan hay siêu hợp kim niken.
• Hình học mẫu thử: Mẫu thử được gia công theo hình dáng thanh tròn thử mỏi tiêu chuẩn phòng thí nghiệm với kích thước đơn giản ($D, d, L$), chưa phản ánh đầy đủ độ phức tạp về hình học, sự thay đổi tiết diện đột ngột, rãnh then hoặc mối lắp ghép như trên các trục máy thực tế.
• Điều kiện thử nghiệm: Các thử nghiệm mỏi được tiến hành trong môi trường phòng thí nghiệm có kiểm soát nhiệt độ và tải uốn định hình, chưa mô phỏng được các điều kiện làm việc khắc nghiệt ngoài thực tế (như tải va đập ngẫu nhiên, rung động phức hợp, môi trường ăn mòn, nhiệt độ cao).
• Quy mô mẫu và chu kỳ mỏi: Kích thước và số lượng mẫu thử còn giới hạn (25 trường hợp), chủ yếu tập trung vào đánh giá độ bền mỏi ngắn hạn và trung hạn, chưa khảo sát mỏi siêu chu kỳ ($N > 10^7$ chu kỳ).
• Thiếu hụt chỉ tiêu cơ tính bổ sung: Đề tài tập trung chuyên biệt vào độ bền mỏi, chưa đi sâu khảo sát các tính chất cơ học bề mặt quan trọng khác của lớp bồi đắp như độ cứng tế vi, khả năng chống mài mòn và khả năng chống ăn mòn hóa học.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất là mở rộng thử nghiệm trên nhiều nhóm vật liệu khác nhau, nghiên cứu tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động bồi đắp bằng hệ thống điều khiển tự động (robot/giàn CNC), nâng cao chất lượng xử lý nhiệt luyện sau in để triệt tiêu ứng suất dư, và tích hợp các bài toán thử nghiệm mỏi đa trục kết hợp mài mòn trong môi trường làm việc thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn rõ rệt cho nhiều đối tượng:

• Sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử: Tài liệu cung cấp một trường hợp nghiên cứu điển hình về quy trình thực hiện đồ án tốt nghiệp tích hợp giữa công nghệ chế tạo bồi đắp hiện đại (AM/WAAM), phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi và ứng dụng công cụ tính toán số/học máy (MATLAB ANN) để giải quyết bài toán cơ học độ bền.
• Cán bộ nghiên cứu và kỹ sư công nghệ hàn, chế tạo bồi đắp: Phần tổng quan về WAAM (Chương 2) cùng các bảng tra cứu đặc tính khí bảo vệ GMAW, bảng thông số hàn MIG cho thép carbon và thông số công nghệ thực nghiệm (Bảng 2.3) là nguồn tham khảo trực tiếp có giá trị cho việc thiết lập chế độ công nghệ hàn đắp phục hồi chi tiết dạng trục.
• Phần đáng tham khảo nhất trong công trình: Chương 4 và Chương 5, đặc biệt là quy trình tạo phôi mẫu thử mỏi từ việc xếp các vòng thép kết hợp đắp dây hàn MIG, và các bước thiết lập mạng nơ-ron nhân tạo ANN trong MATLAB để phân tích, dự báo sai lệch tuổi thọ mỏi trên 25 mẫu thực nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài sử dụng phương pháp in 3D kim loại cụ thể nào và tại sao lại lựa chọn phương pháp này?
Đề tài sử dụng công nghệ sản xuất bồi đắp bằng hồ quang dây kim loại (Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM) dựa trên quy trình hàn hồ quang kim loại khí trong môi trường khí bảo vệ (GMAW / hàn MIG). Tác giả lựa chọn công nghệ này vì WAAM có tốc độ đắp kim loại cao, chi phí vật liệu thấp do sử dụng dây hàn thương mại phổ biến thay vì bột kim loại đắt tiền, và trang thiết bị hàn MIG sẵn có, dễ triển khai trong điều kiện sản xuất tại Việt Nam.

2. Chi tiết phôi mẫu dạng trục được tạo hình ban đầu như thế nào trước khi thử nghiệm mỏi?
Phôi mẫu trục không được in trực tiếp hoàn toàn từ dây hàn đặc mà được chế tạo bằng phương pháp kết hợp: sắp xếp các vòng thép (có kiểm soát độ dày và đường kính) theo chiều dọc trục, sau đó dùng thiết bị hàn MIG đắp các đường hàn liên tục (kỹ thuật hàn String) để liên kết các vòng thép và đắp đầy phôi. Tiếp đó, phôi thô bồi đắp được gia công tiện và mài tinh bề mặt đạt kích thước hình học tiêu chuẩn mẫu thử mỏi (với các kích thước đường kính kẹp $D$, đường kính cổ trục $d$, chiều dài cánh tay đòn $L$).

3. Các thông số công nghệ hàn MIG chính được tác giả thiết lập trong nghiên cứu là gì?
Theo Bảng 2.3 của đồ án, các thông số bao gồm: thiết bị hàn Jasic model MIG-270 (nguồn CV DC), dây hàn AWS E71-T1 đường kính 1,2 mm, vật liệu nền thép tôi và ram, khí bảo vệ 100% $\text{CO}_2$, điện áp hàn 22 - 23 V, cường độ dòng điện hàn 145 - 175 A, tốc độ hàn 4,3, kỹ thuật hàn String, và nhiệt độ giữa các lớp đắp duy trì từ 50 °C đến 130 °C.

4. Vai trò của phần mềm MATLAB và mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) trong đồ án là gì?
Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) được xây dựng trên môi trường MATLAB đóng vai trò mô hình hóa mối quan hệ phi tuyến phức tạp giữa các yếu tố công nghệ đầu vào (thông số vòng thép, chế độ hàn) và chỉ tiêu độ bền mỏi đầu ra. Mô hình ANN sau khi được huấn luyện (training) được sử dụng để dự đoán số chu kỳ phá hủy mỏi và so sánh độ sai lệch với dữ liệu thực nghiệm trên 25 trường hợp mẫu thử.

5. Nghiên cứu thực hiện bao nhiêu mẫu thử mỏi và việc đánh giá sai lệch được tiến hành ra sao?
Nghiên cứu tiến hành thử nghiệm trên 25 mẫu thử được thiết kế theo các trường hợp của ma trận quy hoạch thực nghiệm Taguchi. Dữ liệu thử nghiệm mỏi thực tế sau đó được đối chiếu với kết quả tính toán mô phỏng của mạng ANN trên MATLAB thông qua 5 nhóm biểu đồ so sánh: từ mẫu 1 đến 5, mẫu 6 đến 10, mẫu 11 đến 15, mẫu 16 đến 20, và mẫu 21 đến 25.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Tiến Đạt đã giải quyết thành công bài toán nghiên cứu độ bền mỏi của chi tiết dạng trục được chế tạo bằng công nghệ bồi đắp hồ quang dây kim loại (WAAM-GMAW) kết hợp phôi vòng thép và dây hàn AWS E71-T1. Công trình kết hợp chặt chẽ giữa thiết kế chế tạo mẫu thực nghiệm, thử nghiệm cơ tính mỏi chuẩn hóa và phân tích thống kê tối ưu hóa bằng phương pháp Taguchi cùng mạng nơ-ron nhân tạo ANN trên MATLAB. Kết quả nghiên cứu cung cấp bộ thông số công nghệ hàn thực nghiệm tin cậy và chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ bồi đắp kim loại chi phí thấp vào sản xuất chi tiết máy chịu tải trọng tuần hoàn tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề In 3D kim loại, một phân nhánh của công nghệ sản xuất bồi đắp, ngày càng trở nên phổ biến trên toàn cầu. Tuy nhiên, tại Việt Nam, công nghệ tiên tiến này vẫn còn tương đối chưa được khai thác và ít được biết đến. Về cơ bản, in 3D kim loại khác biệt với các phương pháp sản xuất truyền thống dựa trên việc loại bỏ vật liệu để tạo hình đối tượng. Thay vào đó, nó áp dụng cách tiếp cận bồi đắp, xây dựng tỉ mỉ các đối tượng từng lớp một.

Trong lĩnh vực in 3D, nhiều công nghệ khác nhau đã xuất hiện, mỗi công nghệ sử dụng các vật liệu và quy trình riêng biệt. Tuy nhiên, phần lớn các kỹ thuật này chủ yếu sử dụng bột kim loại hoặc sợi nhựa làm nguyên liệu xây dựng. Sự phụ thuộc vào các vật liệu này thường gây ra những thách thức liên quan đến sự thiếu hụt vật liệu và không đạt được độ cứng mong muốn ở sản phẩm cuối cùng. Để đáp ứng những hạn chế này, sự ra đời của công nghệ in 3D tấm kim loại đã thu hút sự chú ý đáng kể.

Bằng cách sử dụng năng lượng laser để làm tan chảy các tấm kim loại, phương pháp này mang đến một hướng đi đầy hứa hẹn để vượt qua các trở ngại nêu trên. Đặc biệt, nó có tiềm năng to lớn cho các ứng dụng trong chế tạo các thành phần quy mô lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm kỹ thuật, kiến trúc và công nghiệp hàng hải. Tương tự như Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), sử dụng năng lượng hàn hồ quang để làm tan chảy dây kim loại và đắp vật liệu theo từng lớp, in 3D tấm kim loại là một phương pháp thay thế hấp dẫn. Tuy nhiên, trong khi WAAM dựa vào dây kim loại làm nguyên liệu chính, in 3D tấm kim loại lại sử dụng các tấm kim loại sẵn có.

Sự khác biệt này không chỉ đơn giản hóa quá trình thu mua vật liệu mà còn có thể tiết kiệm chi phí hơn so với các phương pháp sử dụng bột kim loại. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng cả in 3D tấm kim loại và WAAM đều đòi hỏi sự chú ý kỹ lưỡng đến độ bền của các lớp vật liệu đắp. Bằng cách kết hợp in 3D tấm kim loại với gia công CNC, các kỹ sư và nhà thiết kế có thể tối ưu hóa chiến lược hình học của các sản phẩm, từ đó nâng cao độ bền tổng thể của chúng. 1 Dự án nghiên cứu này nhằm điều tra hành vi mỏi của các mẫu trục được sản xuất thông qua công nghệ in 3D kim loại.

Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc đánh giá khả năng chịu tải tuần hoàn của các mẫu và khả năng chịu đựng căng thẳng lặp đi lặp lại theo thời gian. Bằng cách phân tích độ bền mỏi và xác định các cơ chế hỏng hóc tiềm ẩn, dự án này mong muốn cung cấp những hiểu biết quý giá về hiệu suất và độ tin cậy của các thành phần kim loại in 3D, đặc biệt trong các ứng dụng mà chúng phải chịu tải động. Tình hình trong nước Trong khi lĩnh vực in 3D kim loại và Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) đã bắt đầu nhận được sự quan tâm tại Việt Nam, nghiên cứu tập trung cụ thể vào in 3D tấm kim loại vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Đáng chú ý, có rất ít các nghiên cứu đi sâu vào mối quan hệ phức tạp giữa tổ chức vi cấu trúc và độ bền cơ học của các sản phẩm được chế tạo thông qua các kỹ thuật sản xuất bồi đắp (AM).

Lỗ hổng kiến thức này nhấn mạnh sự cần thiết phải có thêm các cuộc điều tra và phân tích để khai thác hết tiềm năng của công nghệ in 3D tấm kim loại trong bối cảnh Việt Nam. Do đó, lĩnh vực mới nổi này mang đến cơ hội độc đáo cho các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong nước đóng góp vào sự phát triển và tối ưu hóa công nghệ này, qua đó thúc đẩy sự đổi mới và tăng trưởng kinh tế. Tình hình quốc tế Tại nhiều quốc gia trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu sâu rộng về Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), khẳng định nó là một phương pháp thay thế hấp dẫn và khả thi cho các phương pháp sản xuất truyền thống. Nhiều nghiên cứu đã đi sâu vào việc tối ưu hóa các thông số quy trình phức tạp trong WAAM, khám phá một loạt các tùy chọn vật liệu đa dạng và phát triển các ứng dụng sáng tạo trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

Đáng chú ý, đã có những tiến bộ đáng kể trong việc cải thiện các tính chất cơ học, chẳng hạn như độ bền và độ dẻo của các thành phần được chế tạo bằng WAAM, đồng thời nâng cao độ chính xác về hình học của chúng. Những tiến bộ này đã mở đường cho việc sản xuất các cấu trúc phức tạp, quy mô lớn với hiệu suất cao hơn và giảm thiểu lãng phí vật liệu so với các kỹ thuật sản xuất truyền thống. 2 Hơn nữa, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc điều tra các đặc tính vi cấu trúc của các bộ phận được sản xuất bằng WAAM, nhằm hiểu rõ mối quan hệ giữa các thông số quy trình, lựa chọn vật liệu và vi cấu trúc thu được. Kiến thức này rất quan trọng để điều chỉnh các đặc tính của các thành phần nhằm đáp ứng các yêu cầu ứng dụng cụ thể và đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy lâu dài của chúng.

Tuy nhiên, các nỗ lực nghiên cứu đang diễn ra tiếp tục giải quyết các thách thức còn tồn tại liên quan đến WAAM, chẳng hạn như sự hiện diện của ứng suất dư và các vấn đề liên quan đến độ nhám bề mặt. Việc vượt qua những trở ngại này là rất cần thiết để mở rộng hơn nữa việc áp dụng công nghệ WAAM và khai thác toàn bộ tiềm năng của nó trong việc cách mạng hóa các quy trình sản xuất trên quy mô toàn cầu. Bằng cách liên tục cải tiến và phát triển kỹ thuật sản xuất bồi đắp này, các nhà nghiên cứu và kỹ sư đang sẵn sàng thúc đẩy sự đổi mới và định hình lại tương lai của ngành sản xuất trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Mục tiêu đề tài Đề tài nghiên cứu "Nghiên cứu độ bền mỏi của các chi tiết dạng trục khi được chế tạo bằng phương pháp in 3D kim loại" được thực hiện với các mục tiêu sau:  Điều tra và đánh giá độ bền mỏi và hiệu suất của các mẫu trục được chế tạo bằng công nghệ in 3D kim loại.

 Phân tích ảnh hưởng của các thông số in ấn, tính chất vật liệu và kỹ thuật xử lý sau in đối với hành vi mỏi của các trục in 3D.  So sánh hiệu suất mỏi của các trục in 3D với các trục được sản xuất theo phương pháp truyền thống để đánh giá các lợi ích và hạn chế tiềm năng của công nghệ sản xuất bồi đắp trong bối cảnh này.  Góp phần vào sự phát triển của công nghệ in 3D kim loại tại Việt Nam bằng cách cung cấp những hiểu biết quý giá về hiệu suất mỏi của các hình học phức tạp và thúc đẩy việc áp dụng phương pháp sản xuất này trong các ngành công nghiệp yêu cầu các thành phần có hiệu suất cao. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu đề tài 1.

Đối tượng nghiên cứu 3 Nghiên cứu về các lựa chọn hàn của công nghệ WAAM để đánh giá tác động lên cấu trúc vi cấu và độ bền mỏi của mẫu. Phạm vi nghiên cứu Mục tiêu chính của nghiên cứu này là khảo sát và đánh giá toàn diện độ bền mỏi của các mẫu trục được chế tạo bằng công nghệ in 3D kim loại. Điều này bao gồm phân tích toàn diện hiệu suất của chúng trong điều kiện tải trọng tuần hoàn, đánh giá khả năng chống độ mỏi và lan truyền vết nứt, và xác định độ bền và tuổi thọ tổng thể của chúng. Bằng cách kiểm tra ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau, chẳng hạn như thông số in, tính chất vật liệu và kỹ thuật xử lý hậu in, đối với ứng suất mỏi, nghiên cứu nhằm mục đích cung cấp những hiểu biết sâu sắc về tính toàn vẹn cấu trúc và độ tin cậy của các bộ phận kim loại in 3D.

Cuối cùng, những phát hiện của nghiên cứu này sẽ đóng góp vào việc phát triển các nguyên tắc thiết kế và chiến lược sản xuất được tối ưu hóa để sản xuất các bộ phận kim loại hiệu suất cao thông qua sản xuất bồi đắp, với trọng tâm cụ thể là các ứng dụng trục chịu tải lặp lại. Phương pháp nghiên cứu Sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết Tham khảo các tài liệu liên quan đến công nghệ đắp lớp bằng hồ quang Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). Ứng dụng phân tích phần mềm vào dữ liệu thực nghiệm, một chương trình sẽ được mô phỏng các quỹ đạo di chuyển khác nhau.

Những quỹ đạo mô này sau đó sẽ được so sánh để xác định giải pháp tối ưu nhất dựa trên các tiêu chí đánh giá. Nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu các phương án đặt vòng thép khác nhau để tìm ra độ bền mỏi tối ưu nhất mà trục có thể chịu được. Ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn đề tài 1. Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu này đóng góp đáng kể vào việc hiểu biết khoa học về chế tạo bổ sung bằng cách điều tra kỹ lưỡng độ bền mỏi của các trục kim loại in 3D.

Sự tập trung vào mặt hiệu suất quan trọng này giải quyết một khoảng cách kiến thức trong lĩnh vực này, mang đến những hiểu biết quý giá về hành vi của các thành phần in 3D dưới điều kiện tải tuần hoàn. Việc xác định các yếu tố ảnh hưởng chính như thông số in ấn, tính chất vật liệu và kỹ thuật xử lý sau in cho phép phát triển các hướng dẫn thiết kế và chiến lược sản xuất tối ưu hóa, từ đó dẫn đến sản xuất các bộ phận kim loại in 3D bền bỉ và đáng tin cậy hơn. Nghiên cứu này củng cố thêm tính khả thi của công nghệ in 3D kim loại cho các ứng dụng quan trọng bằng cách so sánh trực tiếp hiệu suất mỏi của các trục in 3D với những trục được sản xuất thông qua các phương pháp truyền thống. Sự xác thực này góp phần nâng cao sự chấp nhận và áp dụng của công nghệ đổi mới này trong các ngành yêu cầu các thành phần có hiệu suất cao với hình học phức tạp.