I. Tổng quan công nghệ WAAM chế tạo lòng khuôn âm 2D tại HCMUTE
Công nghệ WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) là phương pháp bồi đắp kim loại từng lớp bằng hồ quang điện kết hợp cấp dây hàn liên tục. Đề tài tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mở ra hướng đi đột phá trong ngành cơ khí khuôn mẫu. Phương pháp này giúp rút ngắn chu kỳ gia công các phôi lớn so với phương pháp cắt gọt truyền thống. Các nhà nghiên cứu sử dụng nguồn nhiệt hồ quang để nung chảy kim loại nền và dây hàn. Vật liệu đắp được định hình theo biên dạng thiết kế số hóa 3D. Lòng khuôn âm đóng vai trò cốt lõi trong bộ khuôn ép nhựa. Bộ phận này quyết định trực tiếp độ chính xác và chất lượng bề mặt sản phẩm dạng tấm 2D. Sự kết hợp giữa in kim loại WAAM và phay CNC tinh tạo ra giải pháp sản xuất lai linh hoạt. Phôi thô bồi đắp đạt kích thước gần với hình dáng hoàn thiện. Nhờ đó, lượng vật liệu phôi hao phí giảm đáng kể. Thời gian chạy máy cắt gọt được tiết kiệm tối đa. Quy trình mang lại hiệu quả kinh tế cao cho việc chế tạo khuôn thử nghiệm và sản xuất đơn chiếc.
1.1. Nguyên lý hoạt động của công nghệ in kim loại WAAM
Công nghệ WAAM vận hành dựa trên cơ chế tích hợp nguồn nhiệt hàn hồ quang và hệ thống điều khiển dịch chuyển tự động. Nguồn nhiệt làm nóng chảy dây kim loại được đẩy liên tục qua mỏ hàn. Vũng kim loại lỏng đông đặc nhanh chóng trên bề mặt tấm đế. Các đường hàn được xếp lớp liên tiếp theo quỹ đạo lập trình sẵn. Khí bảo vệ như Argon hoặc hỗn hợp khí trơ ngăn chặn quá trình oxy hóa kim loại nóng chảy. Tốc độ cấp dây và điện áp hàn quyết định trực tiếp chiều rộng cùng chiều cao mỗi lớp bồi đắp. Quy trình tạo ra phôi thô đặc chắc trong thời gian ngắn với chi phí vật liệu thấp.
1.2. Vai trò của lòng khuôn âm 2D trong sản xuất cơ khí
Lòng khuôn âm 2D giữ vai trò then chốt trong quá trình định hình các chi tiết nhựa mỏng dạng tấm phẳng. Chi tiết này tiếp xúc trực tiếp với dòng chảy nhựa nóng chảy dưới áp suất nén lớn. Độ chính xác hình học của lòng khuôn quy định trực tiếp kích thước chuẩn xác của sản phẩm cuối. Bề mặt lòng khuôn đòi hỏi độ bóng cao và không có khuyết tật rỗ khí. Kênh dẫn chất lỏng làm mát phải được bố trí tối ưu nhằm rút ngắn chu kỳ làm nguội. Ứng dụng công nghệ gia công tiên tiến đảm bảo tuổi thọ khuôn và duy trì độ bền cơ học cao trong suốt chu kỳ ép phun liên tục.
II. Khó khăn kỹ thuật khi đắp WAAM lòng khuôn âm 2D tại ĐH SPKT
Nghiên cứu thực nghiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM ghi nhận nhiều rào cản kỹ thuật đặc thù. Quá trình bồi đắp WAAM sinh ra lượng nhiệt rất lớn. Sự tập trung nhiệt cao gây ra hiện tượng biến dạng nhiệt nghiêm trọng trên tấm đế. Khi các đường hàn chồng lên nhau, ứng suất dư nội tại phát triển nhanh chóng. Khuyết tật rỗ khí và nứt nẻ xuất hiện nếu thông số cấp dây hoặc lưu lượng khí che chắn không ổn định. Ngoài ra, việc duy trì độ đồng đều chiều cao giữa các đường hàn bồi đắp rất khó khăn. Bề mặt chi tiết sau khi đắp thô luôn có độ nhấp nhô lớn. Sai số hình học này đòi hỏi chiều sâu gia công phay cắt gọt lớn. Nghiêm trọng hơn, các khuyết tật rỗng bên trong khối hàn tạo ra nguy cơ rò rỉ nước làm mát. Vấn đề rò rỉ xuất hiện phổ biến tại vị trí khoan lỗ bạc cuống phun, bạc dẫn hướng và lỗ bu-lông liên kết. Nước áp lực thấm xuyên qua các vi kẽ hở giữa các lớp hàn. Sự cố này làm gián đoạn chu trình kiểm tra áp suất kín của bộ khuôn ép.
2.1. Biến dạng nhiệt và rỗ khí trong phôi bồi đắp WAAM
Hiện tượng tích tụ nhiệt trong quá trình bồi đắp hồ quang liên tục là nguyên nhân chính gây cong vênh tấm đế. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa vùng kim loại nóng chảy và vùng nền lạnh sinh ra ứng suất co ngót cực đại. Nếu không có đồ gá kẹp chặt và chu kỳ làm nguội hợp lý, phôi sẽ bị sai lệch kích thước ban đầu. Đồng thời, khí che chắn không bao phủ kín vũng hàn sẽ dẫn tới hiện tượng rỗ khí thể tích. Những bọt khí li ti bị kẹt lại bên trong đường hàn khi kim loại đông đặc nhanh. Rỗ khí làm giảm độ bền mỏi và làm suy yếu độ kín khít của kết cấu khuôn.
2.2. Sự cố xì nước kênh làm mát tại các vị trí lỗ kỹ thuật
Trong chế tạo lòng khuôn âm 2D, các đường dẫn nước làm mát đi sát bề mặt tạo hình để giải nhiệt. Quá trình lắp ráp yêu cầu gia công lỗ bạc cuống phun, lỗ bạc dẫn hướng và lỗ ren bắt bu-lông xuyên qua thân khuôn. Khi phay cắt gọt qua cấu trúc vật liệu đắp WAAM, mũi khoan mở rộng các vi khe hở liên kết giữa các lớp hàn liền kề. Nước làm mát tuần hoàn dưới áp lực cao dễ dàng rò rỉ qua các lỗ khoan kỹ thuật này. Sự cố rò rỉ gây sụt giảm áp lực nước, mất khả năng làm nguội đồng đều và gây nguy hiểm cho hệ thống điện trên máy ép.
III. Quy trình bồi đắp WAAM kết hợp CNC chế tạo lòng khuôn âm 2D
Để giải quyết triệt để các tồn tại kỹ thuật, quy trình chế tạo lai kết hợp bồi đắp WAAM và phay CNC được triển khai bài bản. Bước đầu tiên là tối ưu hóa mô hình 3D trên phần mềm CAD/CAM. Các kỹ sư tính toán lượng dư gia công chính xác cho bề mặt bồi đắp. Thông số chế độ hàn được kiểm soát chặt chẽ gồm điện áp hàn, dòng điện và tốc độ di chuyển mỏ hàn. Hệ thống đồ gá kẹp chặt đối xứng hạn chế biến dạng uốn vênh của tấm đế kim loại. Đối với hiện tượng rò rỉ nước tại các lỗ kỹ thuật, giải pháp khắc phục sáng tạo được ứng dụng. Tấm khuôn âm được phay khoét rộng các lỗ khoan thêm 10mm. Tiếp theo, các trụ thép đặc có kích thước tương ứng được ép vào lỗ và hàn kín liên kết chu vi. Sau khi xử lý kín nước, toàn bộ tấm khuôn được đưa lên máy phay CNC để vạt mặt phẳng chuẩn. Máy phay CNC tiến hành khoét lại lỗ bạc cuống phun, lỗ dẫn hướng và lỗ ren đúng tọa độ thiết kế. Giải pháp này xử lý triệt để bài toán kín nước cho hệ thống kênh làm mát khuôn.
3.1. Thiết lập thông số bồi đắp và kiểm soát biến dạng nhiệt
Kiểm soát chế độ hàn là chìa khóa đảm bảo cơ tính khối bồi đắp WAAM. Điện áp và cường độ dòng điện được thiết lập ổn định theo đường kính dây hàn chọn lọc. Tốc độ di chuyển của mỏ hàn được tính toán chuẩn xác nhằm duy trì bề rộng đường đắp đồng nhất. Lưu lượng khí trơ che chắn được duy trì liên tục để ngăn ngừa oxy xâm nhập vũng hàn. Quy trình bố trí khoảng thời gian nghỉ giữa các lớp đắp cho phép kim loại tản nhiệt tự nhiên. Biện pháp này làm giảm đáng kể ứng suất nhiệt dư tích tụ. Nhờ đó, tấm đế giữ được độ phẳng chuẩn mực trước khi chuyển sang giai đoạn phay tinh.
3.2. Kỹ thuật đóng trụ đặc và gia công CNC khắc phục rò rỉ
Phương pháp đóng trụ đặc giải quyết triệt để vấn đề rò rỉ nước làm mát qua các rỗ xốp hàn. Các lỗ lắp ráp trên tấm khuôn âm trước hết được doa rộng thêm 10mm bằng máy phay. Kế tiếp, kỹ thuật viên tiện các trụ thép đặc có độ dôi lắp ghép phù hợp và ép chặt vào vị trí rỗng. Mối hàn chu vi xung quanh đỉnh trụ khóa chặt đường rò của chất lỏng. Tấm khuôn sau đó được đưa lên trung tâm gia công CNC nhiều trục. Đầu dao phay vạt phẳng mặt đầu và phay chuẩn xác lại các lỗ chức năng theo bản vẽ. Kết cấu kim loại đặc khít ngăn cách hoàn toàn kênh làm mát với các lỗ kỹ thuật.
IV. Đánh giá ứng dụng công nghệ WAAM chế tạo khuôn 2D thực tế
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ WAAM tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM đạt kết quả thực nghiệm ấn tượng. Bộ khuôn hoàn thiện được lắp đặt thành công lên máy ép nhựa công nghiệp tại xưởng thực hành. Quá trình ép thử nghiệm sản phẩm tấm nhựa 2D mỏng 1mm diễn ra ổn định. Do thành sản phẩm rất mỏng, áp suất ép phun cần thiết được thiết lập ở mức cao để đảm bảo điền đầy lòng khuôn. Kết quả cho thấy lòng khuôn âm chịu áp lực tốt, không xảy ra hiện tượng rạn nứt hay rò rỉ chất lỏng làm mát. Chi tiết ép ra đạt độ chính xác kích thước cao và biên dạng hình học sắc nét. Bề mặt sản phẩm nhựa phẳng mịn, không xuất hiện khuyết tật cong vênh hay cháy nhựa. Sự thành công của đề tài chứng minh tính khả thi vượt trội của phương pháp sản xuất lai. Mô hình này mở ra tiềm năng lớn cho ngành chế tạo khuôn mẫu trong nước. Thời gian từ khâu thiết kế đến khi ra sản phẩm mẫu được rút ngắn rõ rệt. Giải pháp còn giúp doanh nghiệp tiết kiệm đáng kể phôi thép hợp kim đắt tiền.
4.1. Kết quả thử nghiệm ép phun sản phẩm nhựa 2D thực tế
Khuôn sau khi gia công hoàn thiện được đưa lên máy ép phun để kiểm tra khả năng tạo hình thực tế. Quá trình ép thử nghiệm sử dụng vật liệu nhựa kỹ thuật với thông số nhiệt độ nung chảy và áp suất phun được tính toán kỹ. Áp suất ép phun cao giúp điền đầy hoàn toàn khoảng trống dày 1mm của lòng khuôn 2D. Sản phẩm sau khi làm nguội và tách khuôn đạt độ phẳng cao, không có hiện tượng ba-vớ hay khuyết thiếu góc cạnh. Hệ thống làm mát hoạt động kín khít ổn định, bảo đảm thời gian chu kỳ ép đạt chuẩn kỹ thuật.
4.2. Tiềm năng mở rộng công nghệ WAAM trong ngành khuôn mẫu
Ứng dụng công nghệ WAAM mở ra hướng phát triển bền vững cho ngành công nghiệp phụ trợ cơ khí. Khả năng đắp kim loại cục bộ giúp giảm tới 60% lượng phôi thép cần gia công cắt gọt. Doanh nghiệp có thể chế tạo các bộ khuôn thử nghiệm kích thước lớn với chi phí đầu tư ban đầu thấp. Ngoài chế tạo mới, quy trình bồi đắp hồ quang này còn ứng dụng hiệu quả trong phục hồi các lòng khuôn bị mài mòn. Việc mở rộng nghiên cứu công nghệ WAAM tại các trường đại học kỹ thuật đóng góp thiết thực vào mục tiêu hiện đại hóa nền sản xuất cơ khí trong nước.
