Nghiên Cứu Vùng Nóng Chảy Trong Công Nghệ Bồi Đắp Kim Loại SLM

Nghiên cứu vùng nóng chảy trong công nghệ bồi đắp kim loại SLM, luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí mang đến kiến thức chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Hồ Văn Dũng
• Người hướng dẫn: PGS. Thái Thị Thu Hà
• Trường học: Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Vùng Nóng Chảy Trong Công Nghệ Bồi Đắp Kim Loại SLM
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU
• 1.1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI
• 1.2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
• 1.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU QUÁ TRÌNH MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG
• 2.1. GIỚI THIỆU VÙNG NÓNG CHẢY
• 2.2. SỰ HÌNH THÀNH CÁC KHUYẾT TẬT TRONG QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ SLM
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ BÀI TOÁN MÔ PHỎNG TRONG CÔNG NGHỆ SLM
• 3.1. CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC
• 3.2. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ ĐỐI TƯỢNG MÔ PHỎNG THEO HIỆN TƯỢNG VẬT LÝ MULTIPHYSIC
• 3.3. GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHÂN TỬ HỮU HẠN FEM
• 3.4. QUÁ TRÌNH GIẢI PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT
• 3.5. GIỚI THIỆU THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH TRƯỜNG NHIỆT TẠI CÁC NÚT EU
• 3.6. TRÌNH TỰ MÔ PHỎNG MỘT ĐỐI TƯỢNG
• 3.7. GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH ABAQUS
• 4. CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG VÙNG LÀM VIỆC DỰA TRÊN SỰ THAY ĐỔI CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHIỆP
• 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên cứu Vùng Nóng Chảy trong Công Nghệ Bồi Đắp Kim Loại SLM

Công nghệ bồi đắp kim loại SLM (Selective Laser Melting) đã trở thành một trong những phương pháp sản xuất tiên tiến nhất hiện nay. Nghiên cứu về vùng nóng chảy trong SLM không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất. Vùng nóng chảy là khu vực mà bột kim loại được làm nóng chảy bởi chùm tia laser, tạo ra các lớp vật liệu liên kết với nhau. Việc hiểu rõ về vùng nóng chảy sẽ giúp các kỹ sư thiết kế và điều chỉnh các thông số kỹ thuật để đạt được hiệu suất tối ưu.

1.1. Khái niệm về Công Nghệ Bồi Đắp Kim Loại SLM

Công nghệ SLM là một phương pháp sản xuất bồi đắp kim loại, sử dụng laser để làm nóng chảy bột kim loại thành các lớp mỏng. Quá trình này cho phép tạo ra các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao và tính chất cơ học tốt.

1.2. Tầm quan trọng của Vùng Nóng Chảy trong SLM

Vùng nóng chảy đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng sản phẩm cuối cùng. Nghiên cứu về vùng này giúp hiểu rõ hơn về sự phân bố nhiệt độ và ảnh hưởng của các thông số như công suất laser và tốc độ quét.

II. Các Thách Thức trong Nghiên cứu Vùng Nóng Chảy của SLM

Mặc dù công nghệ SLM mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc nghiên cứu vùng nóng chảy. Các vấn đề như sự không đồng nhất trong nhiệt độ, sự hình thành khuyết tật và độ chính xác của mô hình mô phỏng là những yếu tố cần được giải quyết. Việc tối ưu hóa các thông số trong quá trình SLM là rất cần thiết để cải thiện chất lượng sản phẩm.

2.1. Vấn đề về Nhiệt Độ và Thời Gian

Sự phân bố nhiệt độ không đồng nhất có thể dẫn đến các khuyết tật trong sản phẩm. Nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian trong quá trình nóng chảy.

2.2. Khuyết Tật trong Sản Phẩm

Khuyết tật như nứt, rỗ khí có thể xảy ra trong quá trình SLM. Việc nghiên cứu nguyên nhân và cách khắc phục các khuyết tật này là rất quan trọng để nâng cao chất lượng sản phẩm.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Vùng Nóng Chảy trong SLM

Để nghiên cứu vùng nóng chảy trong công nghệ SLM, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Một trong những phương pháp phổ biến là mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS, cho phép phân tích sự phân bố nhiệt độ và hình dạng vùng nóng chảy. Phương pháp này giúp dự đoán các đặc tính của sản phẩm trước khi tiến hành sản xuất thực tế.

3.1. Mô Phỏng Bằng Phần Mềm ABAQUS

Phần mềm ABAQUS được sử dụng để mô phỏng quá trình nóng chảy và thiêu kết trong SLM. Mô hình này giúp phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến vùng nóng chảy và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

3.2. Phân Tích Dữ Liệu Từ Các Nghiên Cứu Trước

Việc phân tích dữ liệu từ các nghiên cứu trước đây giúp rút ra các bài học kinh nghiệm và cải thiện quy trình SLM. So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm là một bước quan trọng trong nghiên cứu.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Nghiên Cứu Vùng Nóng Chảy trong SLM

Nghiên cứu về vùng nóng chảy trong công nghệ SLM không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn. Các sản phẩm được sản xuất từ công nghệ SLM có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như hàng không, y tế và chế tạo máy móc. Việc tối ưu hóa vùng nóng chảy sẽ giúp nâng cao chất lượng và hiệu suất của sản phẩm.

4.1. Ứng Dụng trong Ngành Hàng Không

Công nghệ SLM cho phép sản xuất các bộ phận phức tạp trong ngành hàng không với trọng lượng nhẹ và độ bền cao. Nghiên cứu về vùng nóng chảy giúp cải thiện tính năng của các bộ phận này.

4.2. Ứng Dụng trong Y Tế

Trong ngành y tế, SLM được sử dụng để sản xuất các thiết bị y tế tùy chỉnh. Nghiên cứu về vùng nóng chảy giúp đảm bảo tính chính xác và an toàn cho các sản phẩm này.

V. Kết Luận và Tương Lai của Nghiên Cứu Vùng Nóng Chảy trong SLM

Nghiên cứu về vùng nóng chảy trong công nghệ SLM là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Các kết quả nghiên cứu không chỉ giúp cải thiện quy trình sản xuất mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong các ứng dụng công nghiệp. Tương lai của công nghệ SLM hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với nhiều cải tiến và ứng dụng mới.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa vùng nóng chảy có thể cải thiện đáng kể chất lượng sản phẩm. Các thông số như công suất laser và tốc độ quét cần được điều chỉnh hợp lý.

5.2. Hướng Phát Triển Tương Lai

Tương lai của nghiên cứu vùng nóng chảy trong SLM sẽ tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới và cải tiến quy trình sản xuất. Việc áp dụng trí tuệ nhân tạo và học máy có thể mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ bồi đắp kim loại Selective Laser Melting (SLM) là một trong những phương pháp tiên tiến thuộc lĩnh vực tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping Technology - RPT), cho phép sản xuất các chi tiết kim loại phức tạp trực tiếp từ dữ liệu CAD với độ chính xác cao và tính chất cơ học vượt trội. Theo ước tính, công nghệ SLM đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, y học, và chế tạo máy công cụ, với khả năng tạo ra các chi tiết có hình dạng phức tạp mà các phương pháp gia công truyền thống khó thực hiện được.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là phân tích và mô phỏng vùng nóng chảy trong quá trình công nghệ SLM, nhằm hiểu rõ sự phân bố nhiệt độ và hình dạng vùng nóng chảy khi chùm tia laser tương tác với lớp bột kim loại. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình mô phỏng 3 chiều bằng phần mềm Abaqus, khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ như công suất laser, tốc độ quét, bán kính tia laser và chiều dày lớp bột đến kích thước và hình dạng vùng nóng chảy. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vật liệu hợp kim Inconel 718, với dữ liệu mô phỏng và phân tích được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 5 năm 2019 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa các thông số công nghệ SLM, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu khuyết tật như lỗ khí, hiện tượng Balling, và tăng hiệu quả sử dụng vật liệu. Kết quả mô phỏng cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế quy trình sản xuất phù hợp, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ SLM trong sản xuất công nghiệp và y học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết truyền nhiệt: Sử dụng phương trình truyền nhiệt Fourier trong môi trường rắn và lỏng, mô tả sự phân bố nhiệt độ trong vùng bột kim loại khi chịu tác động của nguồn nhiệt laser. Các hiện tượng truyền nhiệt bao gồm dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt và đối lưu được xem xét trong mô hình.

• Mô hình vật lý vùng nóng chảy: Vùng nóng chảy được định nghĩa là khu vực kim loại ở trạng thái lỏng, có nhiệt độ bằng hoặc cao hơn nhiệt độ nóng chảy của vật liệu (ví dụ, Inconel 718 có nhiệt độ nóng chảy khoảng 1300°C). Mô hình mô phỏng sự hình thành và phát triển vùng nóng chảy dựa trên sự tương tác giữa chùm tia laser và lớp bột kim loại, bao gồm các hiện tượng như giãn nở nhiệt, chuyển pha, và dòng chảy trong vùng nóng chảy.

• Mô hình mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM): Phương pháp FEM 3 chiều được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền nhiệt và hình thành vùng nóng chảy. Mô hình chia nhỏ đối tượng thành các phần tử nhỏ, tính toán nhiệt độ tại từng nút, từ đó xác định hình dạng và kích thước vùng nóng chảy.

• Khái niệm về các thông số công nghệ SLM: Bao gồm công suất laser (P), tốc độ quét tia laser (v), bán kính tia laser (r), chiều dày lớp bột (d), và khoảng cách quét giữa hai đường laser (h). Các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến năng lượng truyền vào bề mặt bột và sự hình thành vùng nóng chảy.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu từ các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước, các bài báo khoa học liên quan đến công nghệ SLM, đặc tính vật liệu Inconel 718, và các kết quả thực nghiệm từ các nghiên cứu trước. Dữ liệu thực nghiệm về thông số kỹ thuật máy in 3D kim loại EP-M250 và EP-M100T cũng được sử dụng làm cơ sở tham khảo.

• Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm Abaqus để xây dựng mô hình mô phỏng 3 chiều quá trình truyền nhiệt và hình thành vùng nóng chảy. Mô hình FEM được thiết lập với các điều kiện biên nhiệt, nguồn nhiệt laser được mô phỏng theo dạng Gaussian, và các đặc tính vật liệu phụ thuộc nhiệt độ được nhập đầy đủ.

• Phương pháp phân tích: Phân tích kết quả mô phỏng về sự phân bố nhiệt độ, hình dạng và kích thước vùng nóng chảy dưới các điều kiện công nghệ khác nhau. So sánh kết quả mô phỏng với các kết quả thực nghiệm và nghiên cứu trước để đánh giá độ chính xác và tính ứng dụng của mô hình.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2019, bao gồm các giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hình dạng và kích thước vùng nóng chảy: Mô phỏng cho thấy vùng nóng chảy có hình dạng bán nguyệt với nhiệt độ cao nhất tập trung tại tâm vùng. Kích thước vùng nóng chảy thay đổi theo công suất laser và tốc độ quét. Ví dụ, khi công suất laser tăng từ 75W lên 200W, chiều dài vùng nóng chảy tăng khoảng 20%, đồng thời nhiệt độ tối đa tại tâm vùng cũng tăng lên trên 1300°C.

2. Ảnh hưởng của công suất laser: Công suất laser là yếu tố quyết định năng lượng truyền vào bề mặt bột. Khi công suất quá thấp (<75W), vùng nóng chảy không đủ lớn, dẫn đến hiện tượng bột chưa tan chảy hoàn toàn và xuất hiện lỗ khí với mật độ lên đến 5%. Ngược lại, công suất quá cao (>200W) gây ra hiện tượng bốc hơi bột và hiện tượng Balling, làm giảm chất lượng bề mặt sản phẩm.

3. Ảnh hưởng của tốc độ quét tia laser: Tốc độ quét ảnh hưởng đến thời gian tia laser tác động lên bề mặt bột. Tốc độ quét thấp (khoảng 100 mm/s) làm tăng nhiệt độ và kích thước vùng nóng chảy, nhưng dễ gây hiện tượng quá nhiệt và Balling. Tốc độ quét cao (trên 300 mm/s) làm giảm kích thước vùng nóng chảy, có thể dẫn đến bột không được nung chảy hoàn toàn, gây khuyết tật.

4. Ảnh hưởng của chiều dày lớp bột và khoảng cách quét: Chiều dày lớp bột càng lớn (từ 30 µm đến 100 µm) giúp tăng năng suất sản xuất nhưng làm giảm độ đồng nhất của vùng nóng chảy. Khoảng cách quét hợp lý nằm trong khoảng 70-180 µm giúp các vùng nóng chảy chồng lấn vừa đủ, đảm bảo liên kết tốt giữa các lớp bột, giảm thiểu lỗ khí và khuyết tật.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết trước đây, khẳng định vai trò quan trọng của việc điều chỉnh các thông số công nghệ để kiểm soát vùng nóng chảy. Biểu đồ phân bố nhiệt độ theo thời gian và vị trí cho thấy sự giảm nhiệt độ dần từ tâm vùng nóng chảy ra ngoài, minh họa rõ ràng hiện tượng truyền nhiệt và chuyển pha trong quá trình SLM.

So sánh với nghiên cứu của nhóm tác giả tại Đại học Alabama và Viện tạo mẫu nhanh AG, kết quả mô phỏng của luận văn có độ chính xác cao, thể hiện qua sự tương đồng về kích thước vùng nóng chảy và nhiệt độ tối đa. Việc sử dụng mô hình FEM 3 chiều giúp mô phỏng chi tiết hơn so với các mô hình 2D truyền thống, từ đó cung cấp thông tin chính xác hơn cho việc thiết kế quy trình sản xuất.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp công cụ mô phỏng hiệu quả, giúp giảm thiểu chi phí và thời gian thử nghiệm thực tế, đồng thời hỗ trợ tối ưu hóa các thông số công nghệ nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất sản xuất trong công nghệ SLM.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu công suất laser và tốc độ quét: Đề xuất sử dụng công suất laser trong khoảng 100-150W kết hợp tốc độ quét từ 150-250 mm/s để đảm bảo vùng nóng chảy đủ lớn, giảm thiểu khuyết tật và hiện tượng Balling. Chủ thể thực hiện: kỹ sư vận hành máy in 3D kim loại. Thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn thiết lập quy trình sản xuất.

2. Điều chỉnh chiều dày lớp bột và khoảng cách quét: Khuyến nghị sử dụng chiều dày lớp bột từ 30-50 µm và khoảng cách quét 70-180 µm để cân bằng giữa năng suất và chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện: bộ phận thiết kế quy trình và kỹ thuật viên máy in. Thời gian áp dụng: trong quá trình chuẩn bị vật liệu và thiết lập máy.

3. Áp dụng mô phỏng FEM trong thiết kế quy trình: Khuyến khích các đơn vị sản xuất tích hợp phần mềm mô phỏng như Abaqus để dự đoán vùng nóng chảy và tối ưu hóa thông số trước khi sản xuất thực tế, giúp tiết kiệm chi phí thử nghiệm. Chủ thể thực hiện: phòng nghiên cứu và phát triển (R&D). Thời gian áp dụng: dài hạn, liên tục cải tiến quy trình.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ SLM và kỹ thuật mô phỏng cho kỹ sư và nhân viên vận hành nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu lỗi kỹ thuật. Chủ thể thực hiện: ban quản lý và phòng nhân sự. Thời gian áp dụng: định kỳ hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia công nghệ chế tạo kim loại: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa và mô phỏng vùng nóng chảy trong SLM, giúp họ tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, vật liệu: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá về phương pháp mô phỏng FEM, các thông số công nghệ SLM và ảnh hưởng của chúng đến sản phẩm, hỗ trợ nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

3. Doanh nghiệp sản xuất ứng dụng công nghệ in 3D kim loại: Các doanh nghiệp có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến quy trình sản xuất, giảm chi phí thử nghiệm và nâng cao hiệu quả sản xuất các chi tiết kim loại phức tạp.

4. Phòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu phát triển công nghệ: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp luận để phát triển các mô hình mô phỏng, hỗ trợ nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ SLM trong nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Vùng nóng chảy trong công nghệ SLM là gì?
   Vùng nóng chảy là khu vực kim loại ở trạng thái lỏng do năng lượng laser làm nóng chảy lớp bột kim loại. Đây là yếu tố quyết định hình dạng và kích thước lớp bồi đắp, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm.

2. Các thông số công nghệ nào ảnh hưởng lớn nhất đến vùng nóng chảy?
   Công suất laser, tốc độ quét tia laser, chiều dày lớp bột và khoảng cách quét là các thông số chính ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng vùng nóng chảy, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.

3. Tại sao cần mô phỏng vùng nóng chảy trong SLM?
   Mô phỏng giúp dự đoán sự phân bố nhiệt độ và hình dạng vùng nóng chảy, giảm thiểu chi phí và thời gian thử nghiệm thực tế, đồng thời hỗ trợ tối ưu hóa các thông số công nghệ để nâng cao chất lượng sản phẩm.

4. Hiện tượng Balling là gì và nguyên nhân do đâu?
   Balling là hiện tượng tạo thành các giọt kim loại nhỏ không liên kết tốt trên bề mặt do năng lượng laser quá cao hoặc tốc độ quét quá thấp, gây ra sự bốc hơi và co rút không đều của vùng nóng chảy.

5. Làm thế nào để giảm thiểu khuyết tật lỗ khí trong sản phẩm SLM?
   Điều chỉnh công suất laser và tốc độ quét hợp lý, đảm bảo vùng nóng chảy đủ lớn và đồng nhất, cùng với việc kiểm soát chất lượng bột kim loại và môi trường sản xuất giúp giảm thiểu lỗ khí và các khuyết tật khác.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng 3 chiều vùng nóng chảy trong công nghệ SLM sử dụng phần mềm Abaqus, mô phỏng chính xác sự phân bố nhiệt độ và hình dạng vùng nóng chảy của vật liệu Inconel 718.
• Các thông số công nghệ như công suất laser, tốc độ quét, chiều dày lớp bột và khoảng cách quét có ảnh hưởng rõ rệt đến kích thước và chất lượng vùng nóng chảy, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.
• Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết, cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa quy trình sản xuất SLM.
• Đề xuất các giải pháp điều chỉnh thông số công nghệ và áp dụng mô phỏng FEM nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu khuyết tật.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng mô hình mô phỏng cho các loại vật liệu khác và tích hợp các yếu tố cơ học để đánh giá toàn diện tính chất sản phẩm.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị nghiên cứu và sản xuất nên áp dụng mô hình mô phỏng này để thiết kế và tối ưu hóa quy trình công nghệ SLM, đồng thời đào tạo nhân lực chuyên môn để nâng cao năng lực vận hành và phát triển công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH TRUONG DAI HOC BACH KHOA HO VAN DUNG NGHIEN CUU VUNG NONG CHAY TRONG QUA TRINH CONG NGHE BOI DAP KIM LOAI SLM Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Khí Mã số: 60520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hỗ Chí Minh, tháng 06 năm 2019 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA —- DHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. Thái Thị Thu Hà Cán bộ chấm nhận xét 1: Cán bộ chấm nhận xét 2: Luận văn được bảo vệ tại trường Đại học Bach Khoa, ĐHQG Tp Hồ Chí Minh Ngày. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. Chủ tịch hội đồng 2.

Thư ký Hội đồng 3. Ủy viên phản biện 1 4. Ủy viên phản biện 2 5. Uy vién Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyền ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ PGS. Nguyễn Hữu Lộc ĐẠI HỌC QUOC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập — Tw do — Hanh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ Họ tên học viên: HỖ VĂN DUNG MSHV: 1770201 Ngày tháng năm sinh: 07/08/1987 Nơi sinh: Thừa Thiên Huế Chuyên ngành: Kỹ thuật Co Khí Mã số: 60520103 I. TEN DE TÀI: NGHIEN CUU VUNG NONG CHAY TRONG CONG NGHE SLM Il. NHIEM VU VA NOI DUNG: - Nghiên cứu co sở ly thuyết và các phương pháp kỹ thuật mô phỏng.

Nghiên cứu sử dụng chương trình mô phỏng Abaqus sử dụng mô hình mô phỏng phần tử hữu han 3 chiều. - Tiến hành mô phỏng quá trình chiếu Laser vào bột kim loại cho vật liệu hợp kim In718 theo đường biên dạng quét. Từ đó xác định hình dạng vùng nóng chảy và trường nhiệt độ phân bó. - Đưa ra các biéu đồ mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian, biéu đồ mối quan hệ giữa công suất nguồn Laser và nhiệt độ tương ứng.

Khái quát ảnh hưởng của các tham số của quá trình công nghệ SLM và vật liệu bột kim loại đến vùng nóng chảy kim loại. - Tiến hành sử dụng phương pháp thông kê phân tích dữ liệu của một số bài báo khoa học và so sánh kết quả phân tích mô phỏng đạt được. NGÀY GIAO NHIEM VU: 11/02/2019 IV. NGAY HOAN THANH NHIEM VU: 20/05/2019 V.

CAN BO HUONG DAN: PGS. THAI THỊ THU HÀ Tp Hỗ Chi Minh, ngày .năm 2019 CÁN BO HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ky) (Họ tên và chữ kỷ) PGS. Thái Thị Thu Hà TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên và chữ ký) PGS. Nguyễn Hữu Lộc LOI CAM ON Lời dau tiên, tôi xin cảm ơn Cô PGS.

Thái Thi Thu Hà đã hướng dan trong suốt quá trình nghiên cứu luận văn này. Những lời khuyên và các tài liệu nghiên cứu của Cô đã giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện, đảm bảo tiễn độ của luận văn “ Nghiên cứu vùng nóng chảy trong công nghệ bồi đắp kim loại SLM” Luận văn này là sự nô lực bản thân, nhưng đó còn là sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của giảng viên hướng dẫn. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô PGS. Thái Thị Thu Hà và Thầy PGS.

Đặng Văn Nghìn, người đã theo sát và hồ trợ trong suốt quá trình thực hiện, không chỉ là kiến thức chuyên môn, kinh nghiệm, mà còn là sự động viên, khích lệ tinh thân. Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn Quí Thầy Cô trong khoa Cơ Khí đã tham gia giảng dạy chương trình Thạc Sĩ trong thời gian tôi theo học ở trường. Qui Thay Cô đã trang bị cho tôi những kiến thức dé có thé hoàn thành luận văn. Cuối cùng, xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến tất cả những người thân trong gia đình, bạn bè đồng nghiệp cơ quan trường Đại học Nông Lâm Huế nơi tôi đang làm việc đã luôn thông cảm, giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Dai học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh.

Tôi xin chân thành cảm ơn! Tp. H6 Chi Minh, thang 6 năm 2019 Học viên HVTH: Hồ Văn Dũng i TÓM TẮT Công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại tập hợp một số quy trình để sản xuất các bộ phan, chi tiét hinh dạng phức tap trực tiếp từ dữ liệu CAD. Trong đó công nghệ bồi đắp kim loại (công nghệ SLM) sử dụng công nghệ để sản xuất các bộ phận, chỉ tiết băng kim loại có chức năng đầy đủ có tính chất cơ học cao, và trực tiếp từ bột hợp kim loại. Qui trình công nghệ bao gồm các quá trình sản xuất từng lớp một bằng cách nóng chảy từng lớp bột kim loại được cung cấp bởi chùm tỉa laser, sau đó là quá trình thiêu kết đông đặc.

Nghiên cứu phân tích vùng nóng chảy trong qui trình công nghệ SLM sử dụng phần mềm mô phỏng ABAQUS để nghiên cứu sự phân bố nhiệt độ trong vùng tương tác bột laser, từ đó chúng ta có thể ước lượng tính hình dang, kích thước vùng nóng chảy và nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ. Mô hình mô phỏng phan tử hữu hạn 3 chiều đã được sử dụng để mô phỏng lớp bột kim loại Inconel 718 nóng chảy, lang đọng, thiêu kết dựa trên hiện tượng dòng nhiệt chùm tia Laser di chuyển trên bề mặt được đưa vào mô hình hóa. Từ khóa: Công nghệ bồi dap kim loại SLM, Công nghệ bồi dap vật liệu, Tương tác chùm tia Laser và Bột kim loại, Phân tích mô phỏng Abaqus ABSTRACT Additive Manufacturing connects the several processes for manufacturing complex shape parts from CAD data. And selective laser melting is an additive manufacturing process that produce fully functional metal parts with high mechanical properties directly from powder.

It includes manufacturing parts layer-by-layer by a local melting which is provided by a laser irradiation, followed by an immediate consolidation. The analysic the molten pool of SLM process using ABAQUS software to investigate the temperature distribution in the laser-powder interaction zone, so that we can estimate the melt pool shape and understand the effects of the process parameters. Using simulation model with 3-dimensional finite element to simulate layer melting, deposition of Inconel 718 with a surface heat flux of Laser source moved into SLM process. Keywords: Selective laser melting, Additive Manufacturing, Laser-powder interaction, SLM technology, Abaqus simulation.

HVTH: Hỗ Văn Dũng ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu vùng nóng chảy trong công nghệ bồi dap kim loại SLM” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và tài liệu trong luận văn là trung thực và chưa được công bồ trong bat kỳ công trình nghiên cứu nào. Tất cả những tài liệu tham khảo va kế thừa đều được trích dẫn và tham chiễu day đủ. Học viên HVTH: Hỗ Văn Dũng iii DANH MỤC HÌNH ANH Hình 1.

Máy in 3D cầu trúc vật liệu nhựa.- + cccsxcc sec sei | Hình 1. Từ quá trình thiết kế file CAD đến mô hình sản phẩm thật. Sơ đồ các loại công nghệ in 3D kim loai. Mô tả quá trình in công nghệ FDM.

Mô tả sơ đồ công nghệ LOM. Mô tả công nghệ Material Jeffing. San phẩm thấu kính sản xuất băng công nghệ DL. cc cccccccessssceeeeeessseeeeeeeseeeeeenns 5 Hình 1.

Mô tả quá trình công nghệ SLS. Bộ phận than Valve tau vũ tru bang vật liệu Titanium chế tao băng công nghệ SLM ¬— 6 Hình 1. Vòi phun nhiên liệu động cơ phản lực sản xuất băng công nghệ SLM. Bộ phận cánh quạt bang Titanium 2.

(a) Mau xương 6 đỡ băng vật liệu Ti-óAl-4V (b) Răng gia chế tạo bang vật liệu Ti- 6AI-4V (c) Câu răng 3 nhịp băng vật liệu CL-1 I Ï-COCT. Tâm vá hộp so Titanium được tao từ công nghệ in 3D kim loại. Máy in 3D vật liệu kim loại EP-M250 oo. Chi tiết chế tạo bởi công nghệ in kim loại SLM trên máy EP-M250.

10 Thông số kỹ thuật máy được cho như bảng dưới đây: .- 2+ + + Stcv SE cxvEtEErtrksrrrerred 10 Hình 1. Mẫu sản phẩm của máy in 3D nha khoa mã hiệu EP-M100T. Quá trình mô hình hóa khung xe 6 tô băng phần mềm Catia. Mô phỏng khả năng chịu va đập của bánh xe 6 tô occ cccccccsssseceetteeeeenaes 14 (Theo giải pháp mô phỏng động lực học, Motionsolve, Công ty Vietbay).

Giới thiệu một số kết quả mô phỏng điện từ và nhiệt tần số thấp. 14 HVTH: Hồ Văn Dũng iv Hình 2. Sơ đồ qui trình công nghệ SLM [2]. Sự hình thành vung nóng chảy trong quá trình công nghệ SLM [30].

Các thông số anh hưởng trong quá trình công nghệ SLM [30]. Các lớp bột kim loại với chiều dày khác nhau [30]. -----2- 5xx vzvEvErzszxsrez 22 Hình 2. Vùng tiết diện của hai loại bột kim loại 316L [2].

M6 tả khoảng cách hai đường quét trong công nghệ SLM [25]. Hình ảnh các tiết diện ô vuông 10 x10 mˆ được quét bởi chùm tia laser trên một lớp bột với khoảng cách đường quét 6 khác nhau [ Š ]. Hình ảnh phóng đại SEM của bột WA. 1112 H1 nH HH ng ng khe 26 Hình 2.

Hình ảnh phóng dai SEM của vùng tiết diện bột kim loại thiêu kết GA [3]. Hình mặt cắt khối sản phẩm thử nghiệm. - 2 SE SEEESEEEEEEEESErErrrrrkrsre 27 Hình 2. Hình mặt cắt khối sản phẩm thử nghiệm.---- + SE E‡ESEE+EEEEEEEEEEEEEEErkek 28 (a) Hình mặt cắt khối sản phẩm thử nghiệm được sản xuất với mã bột GA-AISI316L-Coarse với một lớp độ dày băngTI00 wm va toc độ l7Ömm/S.

(a) Vùng biến thiên nhiệt độ và (b) Mô tả biên dạng hình học tại vùng. 30 NONG ChAY [4] HH. Mô hình phân tích chùm tia laser theo biên dang Gaussian [30]. Mô tả quá trình truyền nhiệt trong công nghệ SLM [30].

----2c55scs+xsse2 31 Hình 2. Cách xác định kích thước va hình dang vùng nóng chảy. Một số dạng khuyết tật trong công nghệ SLM [31] .---- 5s vcv£vzrzszxseez 33 Hình 3. Mô hình hóa, phân tích và số của mô hình trường pha phụ thuộc nhiệt độ để phân tách và phá hủy pha (theo tác gia Christiane Kraus, Thermodynamic Modeling and Analysis of Phase Transitions, Viện nghiên cứu vật liệu Vias, ĐứỨc).

Mô phỏng động học lưu chất khi không lọc sau 3300 lần và sau khi quá trình lọc hoàn toàn (Theo tác giả Ricotetal, J., Computational Fluid Dynamics LaboratOry) 0. Mô hình phân tích phan tử hữu hạn của tam đỡ động máy bay được thực hiện SimScale (tham khảo Ajay Harish, Applications of the Finite Element Method, Dai học )3/0i88ni. Mô hình của về sự phát triển đánh giá của kích thước theo các cấp độ Subatomic, Atomic, Micro, Meso, Macro (Tham khảo Jianwei Liu, Electron-lon collinder exploring the science of nuclear femtography, Jenferson Lab, Korea). Mô hình hệ tao sóng âm bề mặt (Theo qui trình thiết kế, mô phỏng cấu trúc dau phun mực thông minh, Hoang Cường, Dai học Công Nghệ Tp Hô Chí Minh) [32] .