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.