Giới thiệu dự án

Sự phát triển mạnh mẽ của cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 đã đưa công nghệ sản xuất bồi đắp (Additive Manufacturing - AM hay in 3D) trở thành trụ cột quan trọng trong nền cơ khí chế tạo hiện đại. Theo báo cáo thị trường toàn cầu, ngành sản xuất bồi đắp kim loại dự kiến đạt giá trị hơn 11,6 tỷ USD vào năm 2030 với tốc độ tăng trưởng kép (CAGR) trên 20%. Tuy nhiên, phần lớn các công nghệ in 3D kim loại thương mại hiện nay như thiêu kết laser chọn lọc (SLM - Selective Laser Melting), nung chảy chùm tia điện tử (EBM) hoặc lắng đọng kim loại trực tiếp (DED) đều đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu khổng lồ (hàng trăm nghìn đến hàng triệu USD), chi phí nguyên liệu bột kim loại đắt đỏ và yêu cầu khắt khe về buồng chân không bảo vệ.

Tại Việt Nam, rào cản chi phí khiến các doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs) khó tiếp cận công nghệ này. Xuất phát từ thực trạng đó, đồ án tốt nghiệp “Thử nghiệm qui trình in 3D kim loại với phương pháp nóng chảy tấm kim loại” của nhóm sinh viên Võ Văn Hải, Lê Minh Huy dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Minh Thế Uyên (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM - HCMUTE) đã đề xuất một giải pháp đột phá: Kết hợp chuyển động định tuyến của máy phay CNC 3 trục và nguồn nhiệt hồ quang Vonfram khí trơ (TIG - Tungsten Inert Gas) để nung chảy trực tiếp các lớp thép tấm xếp chồng trên nền phẳng.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể

  1. Khảo sát và tích hợp hệ thống phần cứng: Tích hợp mỏ hàn TIG công nghiệp lên trục Z của hệ máy CNC 3 trục nhằm tự động hóa hành trình hồ quang hàn với sai số dịch chuyển trục $\le 0.05\text{ mm}$.
  2. Xây dựng ma trận thông số công nghệ (Process Parameter Matrix): Khảo sát ảnh hưởng của 5 thông số cốt lõi: Cường độ dòng điện ($I$), Tốc độ hàn ($F$), Chiều dài hồ quang ($L_{arc}$), Khoảng cách dịch chuyển giữa 2 đường hàn liên tiếp ($d$), và Lưu lượng khí bảo vệ Argon ($Q$).
  3. Đánh giá đặc tính cơ lý tính và tổ chức tế vi: Thực nghiệm chế tạo mẫu kéo đạt chuẩn, kiểm tra giới hạn chảy ($\sigma_s$), giới hạn bền kéo ($\sigma_b$), phân tích cấu trúc tổ chức tế vi bằng kính hiển vi quang học (OM), kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích thành phần hóa học bằng phương pháp quang phổ phát xạ.

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu

  • Vật liệu khảo sát: Thép carbon thấp dạng tấm mác C08 (tiêu chuẩn tương đương JIS G3141 SPCC), chiều dày tiêu chuẩn $t = 2.0\text{ mm}$, gia công đắp lớp trên nền phẳng.
  • Nguồn năng lượng hàn: Sử dụng máy hàn biến tần Jasic TIG-250A W227 kết hợp điện cực hàn Vonfram $\varnothing 2.4\text{ mm}$.
  • Môi trường bảo vệ: Sử dụng 100% khí trơ Argon (Ar) tinh khiết.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Để định vị rõ ưu thế kỹ thuật và kinh tế của phương pháp nung chảy tấm kim loại bằng hồ quang TIG so với các công nghệ AM kim loại hiện hữu, bảng phân tích ma trận kỹ thuật dưới đây làm rõ các đặc tính:

Tiêu chí kỹ thuật / Kinh tế In 3D bột kim loại (SLM / DMLS) In 3D dây hàn hồ quang (WAAM Wire) In 3D tấm kim loại hồ quang TIG (Đề tài)
Dạng vật liệu cấp (Feedstock) Bột kim loại siêu mịn (15 - 45 $\mu\text{m}$) Dây kim loại cuốn cuộn (Spool wire) Thép tấm công nghiệp cán nguội C08 (2.0 mm)
Nguồn năng lượng Laser sợi quang (Fiber Laser 200 - 1000W) Nguồn hàn MIG/MAG/CMT Nguồn hồ quang TIG Inverter ổn định
Chi phí nguyên vật liệu Rất đắt (100 - 300 USD/kg) Trung bình (5 - 15 USD/kg) Thấp nhất (< 1.5 USD/kg)
Tốc độ đắp (Deposition rate) Thấp (0.1 - 0.2 kg/h) Cao (1.0 - 4.0 kg/h) Cao và đồng đều theo diện tích tấm (1.5 - 3.0 kg/h)
Độ rỗng xốp (Porosity) Rất thấp (< 0.5%) Trung bình (1.0 - 3.0%) Kiểm soát tốt nếu đạt độ ngấu sâu (< 1.0%)
Ứng suất dư và biến dạng Cao do gradient nhiệt lớn Lớn, dễ lệch biên dạng hình học Trung bình, tấm nền giữ ổn định kết cấu
Độ phức tạp cơ cấu cấp phôi Rất phức tạp (Bộ gạt rải bột + buồng kín) Động cơ đẩy dây + ống dẫn dễ kẹt Đơn giản (Gá đặt phôi tấm trực tiếp)

Yêu cầu kỹ thuật theo chuẩn MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc có): Hồ quang hàn TIG cháy ổn định, không dính điện cực Vonfram; nung chảy hoàn toàn chiều dày 2 mm của tấm thép C08 để liên kết hoàn toàn vào lớp đáy; biên dạng đường hàn đồng đều, không rỗ khí bề mặt.
  • Should have (Nên có): Độ bền kéo của khối kim loại sau khi đắp đạt $\ge 85%$ so với kim loại gốc C08 nguyên bản; chuyển động CNC phối hợp mượt mà không dừng giật làm biến dạng vũng hàn.
  • Could have (Có thể có): Khả năng tự động điều chỉnh cao độ trục Z để bù trừ lượng co ngót sau khi nguội; tích hợp hệ thống làm mát trung gian.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Buồng kín hút chân không chứa khí trơ áp suất âm; in các biên dạng hình học 3D rỗng bên trong không có liên kết phẳng.

Thiết kế hệ thống và thiết bị thực nghiệm

  1. Hệ thống dẫn động CNC 3 trục:

    • Khung máy kết cấu thép vững chắc, loại bỏ rung động bậc cao khi thay đổi hướng chạy dao đột ngột.
    • Hệ thống truyền động vít me bi (Ball screw) bước 5 mm kết hợp động cơ bước (Stepper motor) bước góc $1.8^\circ$ cho độ phân giải định vị đạt $0.01\text{ mm}$.
    • Tốc độ chạy bước công tác được kiểm soát chặt chẽ trong khoảng $F = 35 - 55\text{ mm/phút}$.

  2. Nguồn cấp năng lượng hàn TIG:

    • Thiết bị: Máy hàn Jasic TIG-250A (Model W227), dải điều chỉnh dòng hàn từ $10\text{ A}$ đến $250\text{ A}$, tần số biến tần cao (Inverter IGBT) giúp duy trì hồ quang cực kỳ ổn định.
    • Mỏ hàn TIG chuẩn WP-26, gắn cố định vuông góc $90^\circ$ trên trục Z của máy CNC, trang bị chụp khí gốm sứ (Ceramic Nozzle) số 6 giúp định hình cột khí Argon bảo vệ tối ưu.
    • Điện cực: Kim hàn Vonfram pha Lanthanum (WL20) hoặc Thoriated (WT20) đường kính $\varnothing 2.4\text{ mm}$, góc mài đầu kim $30^\circ$ để tập trung mật độ dòng năng lượng.

  3. Cơ cấu gá đặt và cấp khí bảo vệ:

    • Bình khí Argon chứa khí nén áp suất $150\text{ bar}$, đi qua van giảm áp hai cấp tích hợp ống đo lưu lượng (Flowmeter) thang đo $0 - 25\text{ lít/phút}$.
    • Đồ gá mặt phẳng kết hợp đòn kẹp cơ khí (Clamp fixture) cố định phôi đế và tấm đắp phẳng, triệt tiêu độ vênh do co ngót nhiệt khi hồ quang quét qua.

Quy trình và phương pháp nghiên cứu (Methodology)

Nghiên cứu áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đơn yếu tố kết hợp đánh giá kiểm chứng cơ tính phá hủy và không phá hủy:

  • Giai đoạn 1: Khảo sát thông số công nghệ đơn lẻ (Single-factor experiments):
    • Khảo sát biến thiên dòng hàn: $I \in [160, 165, 170, 175, 180, 185, 190]\text{ A}$.
    • Khảo sát biến thiên tốc độ hàn: $F \in [30, 35, 40, 45, 50, 55, 60]\text{ mm/phút}$.
    • Khảo sát biến thiên chiều dài hồ quang: $L_{arc} \in [1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5]\text{ mm}$.
    • Khảo sát khoảng cách hai đường hàn liên tiếp: $d \in [6.0, 7.0, 8.0, 9.0, 10.0]\text{ mm}$.
    • Khảo sát lưu lượng khí Argon: $Q \in [8, 10, 12, 15, 18]\text{ lít/phút}$.
  • Giai đoạn 2: Tạo mẫu đắp khối 3D nhiều lớp:
    • Tiến hành hàn đắp phủ theo chiến lược xen kẽ đường song song (Raster pattern) với độ chồng lấp (Overlap ratio) tối ưu.
  • Giai đoạn 3: Gia công mẫu và thử nghiệm cơ tính:
    • Sử dụng máy phay CNC làm phẳng bề mặt trên/dưới.
    • Sử dụng máy cắt dây tia lửa điện (Wire-EDM) để cắt mẫu thử kéo tiêu chuẩn theo định dạng hình quả tạ (Dog-bone specimen) tuân thủ tiêu chuẩn ASTM E8/E8M.

Implementation và kết quả thực nghiệm

Quá trình thực thi và điều khiển G-Code

Để tự động hóa hoàn toàn chuyển động của mỏ hàn TIG trên tấm thép C08, chương trình G-code được tối ưu hóa nhằm loại bỏ các điểm dừng (dwell time) không cần thiết, tránh gây tích tụ nhiệt cục bộ:

(===== CHUONG TRINH DIEU KHIEN IN 3D TAM THEP C08 VOI HO QUANG TIG =====)
G21 (Thiet lap don vi tinh: Millimeter)
G90 (Toa do tuyet doi Absolute Programming)
G17 (Chon mat phang gia cong X-Y)

(Thiet lap vi tri an toan ban dau)
G00 Z10.000 F1500
G00 X0.000 Y0.000

(Giam toc va ha mo han xuong chieu dai ho quang chuan L = 2.0mm)
G00 Z2.000
M08 (Bat van cap khi Argon bao ve vung han - Pre-flow 2.0s)
G04 P2000
M03 (Kich hoat relay danh lua ho quang may han TIG)
G04 P1000 (Dung 1s de on dinh vung nong chay khoi dau)

(Duong han so 1 - Dòng dien 175A, Toc do 45mm/phut)
G01 X100.000 Y0.000 F45.0
(Nang truc Z ngan ngat ho quang hoac chuyen tiep lien tuc)
G00 Z5.000
G00 X100.000 Y8.000 (Dich chuyen buoc cach d = 8.0mm)
G00 Z2.000
G04 P500

(Duong han so 2 - Chay nguoc chieu de can bang truong nhiet)
G01 X0.000 Y8.000 F45.0

M05 (Ngat ho quang han)
M09 (Duy tri khi Argon bao ve sau khi ngat ho quang - Post-flow 5.0s)
G04 P5000
G00 Z50.000 (Nang dau han ve vi tri an toan ket thuc chu trinh)
M30 (Ket thuc chuong trinh)

Phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ

  1. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn ($I$):

    • Khi $I < 165\text{ A}$: Năng lượng đường hàn $E = \eta \cdot \frac{U \cdot I}{v}$ không đủ để làm chảy thấu tấm thép dày 2 mm. Kim loại tấm không tan chảy hoàn toàn vào đế, dẫn đến hiện tượng thiếu ngấu (Lack of fusion), tạo khe hở phân lớp (Delamination).
    • Khi $165\text{ A} \le I \le 185\text{ A}$: Tấm thép $2\text{ mm}$ nóng chảy hoàn toàn tạo thành vũng hàn đồng nhất với lớp nền, bề mặt vảy hàn mịn, liên kết luyện kim hoàn hảo.
    • Khi $I > 185\text{ A}$: Quá nhiệt (Overheating), máy hàn báo lỗi quá tải nhiệt chu kỳ tải (Duty cycle), kim loại lỏng bị sụp và chảy tràn sang hai bên mép, làm mất độ cao đắp và rỗ xốp do phản ứng oxy hóa mãnh liệt.

  2. Ảnh hưởng của tốc độ hàn ($F$):

    • Khi $F < 35\text{ mm/phút}$: Tốc độ di chuyển quá chậm làm tích tụ nhiệt lớn trên đầu kim Vonfram khiến điện cực bị bo tròn, mất khả năng tập trung chùm tia hồ quang, vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) mở rộng làm tăng ứng suất dư.
    • Khi $35\text{ mm/phút} \le F \le 55\text{ mm/phút}$: Đạt trạng thái cân bằng nhiệt động tối ưu, đường hàn thẳng đều, độ lồi lớp đắp đạt chuẩn $\approx 1.8 - 2.2\text{ mm}$.
    • Khi $F > 55\text{ mm/phút}$: Tấm thép không kịp hấp thụ nhiệt để nóng chảy hoàn toàn, khí hòa tan trong vũng hàn không kịp thoát ra ngoài tạo thành các bọt khí (Porosity defects).

  3. Ảnh hưởng của chiều dài hồ quang ($L_{arc}$):

    • Dải tối ưu được xác định từ $1.5\text{ mm} \le L_{arc} \le 3.0\text{ mm}$. Khi $L_{arc} < 1.5\text{ mm}$, hiện tượng dao động bề mặt kim loại lỏng dễ gây chạm dính kim Vonfram vào vũng hàn, làm bẩn mối hàn và gãy kim. Khi $L_{arc} > 3.0\text{ mm}$, điện áp hồ quang tăng làm phân tán chùm plasma, năng lượng bị loãng khiến vũng hàn mở rộng nhưng thiếu chiều sâu ngấu.

  4. Ảnh hưởng của khoảng cách hai đường hàn ($d$):

    • Khoảng cách bước dịch chuyển tối ưu $d = 7.0 - 9.0\text{ mm}$ cho phép đường hàn sau chồng lấn khoảng $30 - 40%$ lên mép đường hàn trước, tạo thành bề mặt phẳng liên tục không có rãnh khuyết. Nếu $d > 9.0\text{ mm}$, giữa hai đường hàn xuất hiện rãnh thiếu liên kết rõ rệt.

Kết quả kiểm định cơ tính và tổ chức tế vi

Các mẫu thử nghiệm sau khi đắp khối và cắt dây theo chuẩn ASTM E8 được đưa lên máy kéo nén vạn năng thủy lực để đo biểu đồ ứng suất - biến dạng ($\sigma - \varepsilon$):

Nhóm mẫu thử nghiệm Dòng hàn $I$ (A) Tốc độ hàn $F$ (mm/ph) Lực kéo chảy $F_s$ (kN) Lực kéo đứt $F_b$ (kN) Giới hạn chảy $\sigma_s$ (MPa) Giới hạn bền $\sigma_b$ (MPa)
Vật liệu gốc C08 (Chưa hàn) - - 13.82 19.45 230.33 324.17
Mẫu đắp tối ưu #1 175 45 12.65 18.20 210.83 303.33
Mẫu đắp tối ưu #2 180 50 12.40 17.95 206.67 299.17
Mẫu đắp tối ưu #3 170 40 12.15 17.50 202.50 291.67
Mẫu dòng thấp (160A) 160 45 8.45 11.20 140.83 186.67
Mẫu tốc độ cao (60mm/p) 175 60 9.10 12.80 151.67 213.33 
Giới hạn bền kéo (Tensile Strength - MPa)
Vật liệu gốc C08    ████████████████████████████████ 324.2 MPa (100%)
Mẫu đắp tối ưu #1   ██████████████████████████████   303.3 MPa (93.6%)
Mẫu đắp tối ưu #2   █████████████████████████████▌   299.2 MPa (92.3%)
Mẫu dòng thấp 160A  ██████████████████               186.7 MPa (57.6%)
  • Phân tích tổ chức tế vi (Optical Microscopy): Cấu trúc vùng kim loại nóng chảy tái kết tinh chủ yếu gồm pha Ferit hạt mịn phân tán đều trên nền Peclit dạng tấm. Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) có hiện tượng biến tính hạt thô do chu trình nhiệt hàn nhưng không xuất hiện các vết nứt tế vi (micro-cracks) nguy hiểm.
  • Phân tích bề mặt đứt gãy qua SEM (Scanning Electron Microscope): Bề mặt đứt gãy của các mẫu hàn tối ưu đặc trưng bởi các hố lõm dẻo (dimples) sâu và đồng đều, chứng minh cơ chế phá hủy dẻo (ductile fracture) chiếm ưu thế, không bị giòn gãy cục bộ.
  • Kiểm tra thành phần quang phổ: Hàm lượng Carbon ($C \approx 0.07 - 0.09%$), Mangan ($Mn \approx 0.35 - 0.45%$), Silic ($Si \le 0.03%$) được bảo toàn ổn định dưới lớp khí Argon bảo vệ, không bị suy hao quá mức do hiện tượng bốc hơi nguyên tố hợp kim.

Đổi mới và đóng góp kỹ thuật

  1. Sáng kiến tiếp cận vật liệu tấm (Laminated Sheet Metal Fusion): Thay vì sử dụng dây hàn phức tạp hoặc bột kim loại dễ gây cháy nổ và độc hại, đề tài tiên phong sử dụng thép tấm công nghiệp cán nguội C08 tiêu chuẩn. Điều này giúp tận dụng nguồn vật liệu phôi thép dồi dào, giá rẻ và đồng nhất cơ lý tính có sẵn trên thị trường.
  2. Cắt giảm chi phí đầu tư đến $90%$: Hệ thống máy in 3D kết hợp TIG - CNC tự chế tạo có tổng kinh phí lắp ráp chỉ dưới 30 triệu VNĐ, thấp hơn hàng chục lần so với máy in 3D kim loại SLM thương mại (từ 3 đến 10 tỷ VNĐ).
  3. Hiệu suất cơ tính vượt trội: Các mẫu in thử nghiệm đạt giới hạn bền kéo $\sigma_b = 303.33\text{ MPa}$, tương đương $93.57%$ so với vật liệu gốc C08 nguyên bản, chứng minh khả năng ứng dụng chế tạo các chi tiết chịu lực thực tế mà không lo nguy cơ bong tách lớp.
  4. Bộ thông số công nghệ chuẩn hóa: Xác lập ma trận thực nghiệm chuẩn hóa ($I = 165 - 185\text{ A}$, $F = 35 - 55\text{ mm/phút}$, $L_{arc} = 1.5 - 3.0\text{ mm}$, $d = 7 - 9\text{ mm}$, $Q = 10 - 15\text{ L/min}$) làm tài liệu tham chiếu tin cậy cho các nghiên cứu sản xuất bồi đắp kim loại hồ quang tiếp theo.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng trong sản xuất thực tế

  • Chế tạo đồ gá và khuôn mẫu định hình (Jigs & Fixtures): Sản xuất nhanh các bộ đồ gá hàn, đồ gá phay chuyên dụng hoặc lõi khuôn dập tấm kim loại với chi phí gia công thô cực thấp.
  • Phục hồi và đắp bù chi tiết máy mòn hỏng: Ứng dụng quy trình nung chảy tấm để đắp bù các bề mặt kim loại bị mài mòn của trục truyền động, thanh dẫn hướng, cánh khuấy công nghiệp trước khi đưa lên máy phay hoàn thiện biên dạng.
  • Tạo phôi thô cho cơ khí chính xác (Near-net-shape manufacturing): Giảm thiểu lượng phôi thừa cần cắt gọt bằng máy phay/bào truyền thống, tiết kiệm đến $60%$ thời gian gia công cắt gọt và giảm hao phí dao cụ.
                           LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI THỰC TẾ

Phân tích hiệu quả kinh tế và thời gian hoàn vốn (ROI)

  • Chi phí thiết bị: Đầu tư máy CNC 3 trục kết hợp nguồn TIG 250A ước tính $\approx 35.000.000\text{ VNĐ}$.
  • Chi phí vận hành: Điện năng tiêu thụ ($3.5\text{ kW/h}$) + Khí Argon ($15.000\text{ VNĐ/m}^3$) + Thép C08 ($25.000\text{ VNĐ/kg}$).
  • So sánh chi phí sản xuất 1 phôi kim loại phức tạp kích thước $100 \times 100 \times 30\text{ mm}$:
    • Gia công cắt gọt từ phôi thép khối đặc: Mất $6.5\text{ giờ}$, chi phí phôi và hao mòn dao cụ $\approx 450.000\text{ VNĐ}$.
    • In 3D đắp tấm TIG + phay tinh biên dạng: Mất $2.0\text{ giờ}$, tổng chi phí $\approx 180.000\text{ VNĐ}$ (Tiết kiệm $60%$ chi phí).
  • Thời gian hoàn vốn dự kiến: Khoảng 4 - 6 tháng đối với các xưởng cơ khí chế tạo vừa và nhỏ khi gia công đơn hàng loạt nhỏ lẻ.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Vấn đề tích tụ nhiệt và biến dạng góc: Do nguồn nhiệt hồ quang TIG liên tục, quá trình tích lũy nhiệt độ trên các lớp đắp cao dễ gây cong vênh tấm đế nếu không có hệ thống đồ gá kẹp giữ thủy lực chuyên dụng.
  • Giới hạn hình học in: Hiện tại đề tài chỉ mới khảo sát trên nền phẳng 2D và các lớp đắp song song, chưa hỗ trợ in các biên dạng nhô vươn (Overhangs) hoặc cấu trúc thành mỏng phức tạp không có giá đỡ.
  • Độ nhám bề mặt sau khi hàn đắp: Bề mặt biên dạng bên ngoài còn gợn sóng vảy hàn, bắt buộc phải qua nguyên công phay tinh CNC bổ trợ để đạt độ bóng bề mặt $Ra \le 1.6\ \mu\text{m}$.

Hướng phát triển và mở rộng

  1. Tích hợp cảm biến nhiệt độ hồng ngoại và bù cao độ tự động: Ứng dụng cảm biến đo nhiệt độ vũng hàn theo thời gian thực (Real-time IR Thermal Sensor) kết hợp thuật toán điều khiển thích nghi PID để tự động điều chỉnh cường độ dòng hàn $I$ khi nhiệt độ phôi tăng cao.
  2. Nghiên cứu trên các mác vật liệu cao cấp hơn: Mở rộng thực nghiệm trên thép không gỉ (Inox 304, Inox 316L) và hợp kim nhôm dạng tấm.
  3. Phát triển hệ thống làm mát chủ động (Active Cooling Bed): Lắp đặt bàn gá phay làm mát bằng dòng nước tuần hoàn giúp tản nhiệt nhanh, rút ngắn chu kỳ in giữa các lớp và làm mịn hạt tổ chức tế vi.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Cơ khí & Chế tạo máy: Tiếp cận nguồn tài liệu thực nghiệm bài bản, hiểu rõ mối quan hệ tương tác giữa nhiệt động lực học hồ quang, quá trình dịch chuyển kim loại lỏng và lập trình CNC thực tế.
  • Kỹ sư và nhà phát triển (R&D Engineers): Nắm bắt kiến trúc tích hợp phần cứng giá rẻ để tự chế tạo máy in 3D kim loại dạng tấm phục vụ nghiên cứu thử nghiệm nguyên mẫu nhanh trong xưởng.
  • Doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs Cơ khí): Sở hữu giải pháp công nghệ khả thi với vốn đầu tư thấp, tối ưu hóa quy trình sản xuất đồ gá, phục hồi chi tiết máy và giảm thiểu chi phí phôi liệu thừa.
  • Các nhà nghiên cứu vật liệu: Bổ sung bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về cơ tính, tổ chức tế vi pha Ferit - Peclit và phân tích biến dạng đứt gãy SEM của thép C08 dưới tác động nhiệt hồ quang TIG.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để thiết lập hệ thống in 3D kim loại tấm bằng hồ quang TIG là gì?

Hệ thống yêu cầu tối thiểu một bàn máy CNC 3 trục có hành trình tối thiểu $300 \times 300 \times 150\text{ mm}$ với độ lặp lại vị trí $\le 0.05\text{ mm}$; nguồn hàn TIG Inverter dòng điện ổn định từ $10 - 250\text{ A}$ (như Jasic TIG-250A); mỏ hàn TIG WP-26 có kẹp kim Vonfram $\varnothing 2.4\text{ mm}$; bình khí bảo vệ Argon tinh khiết $\ge 99.99%$ cùng hệ thống đồ gá đè kẹp phôi phẳng chống biến dạng nhiệt.

2. Giới hạn chiều dày tấm và kích thước đắp lớp tối đa của phương pháp này là bao nhiêu?

Với nguồn hàn TIG $250\text{ A}$, chiều dày tấm thép tối ưu để nóng chảy hoàn toàn là $1.5 - 2.5\text{ mm}$ (trong đề tài là $2.0\text{ mm}$). Nếu tấm dày $> 3.0\text{ mm}$, đáy tấm sẽ không nóng chảy thấu vào lớp dưới, sinh ra khuyết tật tách lớp. Kích thước đắp lớp theo phương ngang phụ thuộc vào hành trình máy CNC, trong khi chiều cao đắp phương Z phụ thuộc vào độ cứng vững và khả năng tản nhiệt của chi tiết.

3. Làm thế nào để loại bỏ khuyết tật rỗ khí (Porosity) trong quá trình nung chảy?

Để triệt tiêu hoàn toàn rỗ khí, cần đảm bảo 3 yếu tố:

  • Làm sạch tuyệt đối bề mặt tấm thép C08 (tẩy dầu mỡ, đánh bóng gỉ sét trước khi gá).
  • Duy trì lưu lượng khí Argon bảo vệ trong dải chuẩn $10 - 15\text{ lít/phút}$, tránh để gió ngoài thổi tạt cột khí bảo vệ.
  • Khống chế tốc độ chạy hàn $F \le 55\text{ mm/phút}$ để vũng hàn có đủ thời gian đông đặc, đẩy toàn bộ khí hòa tan ra ngoài.

4. Quy trình xử lý nhiệt sau khi in (Post-processing) có bắt buộc không?

Đối với các chi tiết cơ khí yêu cầu khả năng chịu tải trọng động hoặc chống mỏi cao, quy trình ủ khử ứng suất dư (Stress Relief Annealing) ở nhiệt độ $550 - 650^\circ\text{C}$ trong thời gian $1 - 2\text{ giờ}$ rồi làm nguội chậm cùng lò là cần thiết để triệt tiêu ứng suất nhiệt sinh ra trong quá trình hồ quang quét qua, đồng thời đồng đều hóa tổ chức tế vi Ferit - Peclit.

5. Chi phí đầu tư và thời gian hoàn vốn cho hệ thống này so với máy in 3D SLM như thế nào?

Máy in 3D kim loại bột SLM đòi hỏi vốn đầu tư từ 3 đến 10 tỷ VNĐ, thời gian hoàn vốn kéo dài 3 - 5 năm. Trong khi đó, hệ thống nung chảy tấm TIG - CNC tự tích hợp có chi phí chỉ từ 30 - 50 triệu VNĐ, tận dụng được máy phay CNC sẵn có trong xưởng, giúp doanh nghiệp hoàn vốn chỉ sau 4 - 6 tháng hoạt động thực tế.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp “Thử nghiệm qui trình in 3D kim loại với phương pháp nóng chảy tấm kim loại” đã giải quyết thành công bài toán tiếp cận công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại chi phí thấp tại Việt Nam. Bằng việc kết hợp sáng tạo giữa máy hàn Jasic TIG-250A và hệ thống định tuyến máy phay CNC 3 trục trên nền vật liệu thép tấm C08 dày 2 mm, nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi vượt trội về mặt kỹ thuật lẫn hiệu quả kinh tế.

Các kết quả thực nghiệm cơ tính phá hủy và phân tích kim loại học khẳng định mẫu đắp đạt giới hạn bền kéo lên tới $303.33\text{ MPa}$ (đạt $93.57%$ so với kim loại gốc), cấu trúc vi mô Ferit - Peclit mịn màng và không xuất hiện khuyết tật nứt nẻ. Đây là nền tảng thực nghiệm giá trị, mở ra hướng đi mới đầy triển vọng cho việc ứng dụng công nghệ in 3D kim loại tự động trong các cơ sở đào tạo, viện nghiên cứu và các doanh nghiệp sản xuất cơ khí vừa và nhỏ.