CHƯƠNG 1 - Chương 4: Thử nghiệm mẫu - Chương 5: Tổng hợp kết quả sau kiểm bền - Chương 6: Kết luận 3 Downloaded by bong bong (bongbong1@gmail.com) lOMoARcPSD|39475011 CHƯƠNG 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Tổng quan về in 3D kim loại 2.1 In 3D kim loại là gì? Công nghệ in 3D đã ra đời từ khá lâu, nhưng chủ yếu chúng được sử dụng trên vật liệu nhựa nhằm tạo ra những sản phẩm dưới dạng mô hình. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp in này đó là sản phẩm có sức bền và sức chịu nhiệt kém. Sau đó, công nghệ in 3D kim loại ra đời.
Và đúng với tên gọi của mình, công nghệ này tạo ra các sản phẩm bằng kim loại và khắc phục những nhược điểm của công nghệ in 3D truyền thống trước đó, tạo nên những sản phẩm có độ bền cao. Bên cạnh đó, chúng còn giúp đẩy nhanh quá trình sản xuất, từ đó tiết kiệm được thời gian lẫn chi phí cho doanh nghiệp. Hiện nay công nghệ in 3D kim loại có 2 dạng chính là DMLS và SLM. Về căn bản, các phương pháp này khá giống nhau.
Trong khuôn khổ quá trình nghiên cứu lần này, nhóm sử dụng phương pháp là lợi dụng nhiệt từ hồ quang hàn TIG để đốt nóng chảy kim loại. Từ đó tạo thành từng lớp vật liệu 2.2 Công nghệ in 3D kim loại SLM và DMLS: a) Nguyên lý của công nghệ in 3D kim loại: DMLS áp dụng cho nhiều hợp kim khác nhau, cho phép các nguyên mẫu có độ cứng bằng với vật liệu tạo ra sản phẩm. Bởi vì các chi tiết được in theo từng lớp, có thể thiết kế hình dáng linh hoạt, các kết cấu bên trong và các hình dạng đặc biệt mà không thể tạo ra được bằng phương pháp đúc hoặc gia công truyền thống. Sản phẩm DMLS kim loại có độ cứng, độ bền cao do đó có thể được sử dụng làm nguôn mẫu hoặc làm thành phẩm.
Quá trình này bắt đầu bằng cách cắt file hình ảnh CAD 3D thành các lớp, thường có độ dày từ 20 đến 100 micromet, tạo thành các lớp hình ảnh 2D. Định dạng tệp này là tệp .stl theo tiêu chuẩn của ngành được sử dụng trên hầu hết các công nghệ in 3D hoặc công nghệ stereolithography hiện nay. Tập tin này sau đó được nạp vào một phần mềm chuyển đổi để gán các tham số, giá trị và hỗ trợ vật lý cho phép tệp được chuyển thành chương trình điều khiển và được in bởi các loại máy in 3D khác nhau. 4 Downloaded by bong bong (bongbong1@gmail.com) lOMoARcPSD|39475011 CHƯƠNG 2 Với SLM, các lớp kim loại mỏng, mịn, đồng đều được phủ lên một tấm đế kim loại, tấm đế này được gắn chặt vào bàn máy di chuyển theo trục thẳng đứng (Z).
Quá trình in dìn ra bên trong một buồng chứa khí trơ được kiểm soát chặt chẽ, hoặc argon hoặc nitơ có nồng độ dưới 5/10000. Khi một lớp vật liệu được phủ lên, các lớp cắt 2D của chi tiết sẽ được liên kết với nhau bằng cách làm nóng chảy bột. Điều này được thực hiện với một chùm tia laser công suất cao, thường là laser sợi ytterbium với hàng trăm watt. Tia laser được hướng theo trục X và Y với hai gương quét tần số cao.
Năng lượng laser đủ mạnh để cho phép sự nóng chảy của các hạt kim loại rắn dìn ra hoàn toàn. Quá trình này được lặp lại từ lớp này đến lớp khác cho đến khi hoàn thiện sản phẩm. Máy DMLS sử dụng laser quang Yb-fiber công suất 200W. Bên trong buồng in, có một đế đỡ vật liệu bột và một đế đỡ sản phẩm cùng với một con lăn được sử dụng để đẩy bột mới trên vùng in.
Công nghệ này sử dụng tia laser làm nóng chảy cục bộ bột kim loại theo mặt cắt 2D của sản phẩm, từ đó làm cho các hạt bột bị nóng chảy và hòa vào nhau tạo thành một thể đồng nhất. Các chi tiết được in theo từng lớp, thường có độ dày khoảng 20 micromet. b) Vật liệu sử dụng trong công nghệ in 3D kim loại: Với SLM: Vật liệu sử dụng gần như tối đa, vật liệu in 3D kim loại sau khi in xong, một phần được tái sử dụng giúp bạn tiết kiệm được nhiều vật liệu hơn so với gia công truyền thống. Các vật liệu có thể kể đến như: thép không gỉ, thép hiệu suất cao, hợp kim titan, hợp kim nhôm, hợp kim Co-Cr, Ni-base Superalloy, Đồng crom… Với DMLS: In 3D công nghệ DMLS dùng các vật liệu như: - Đồng - Thép không ghỉ hoặc tương đương - Hợp kim siêu bền Coban-Molipden-Crom - Hợp kim titan, nhôm, nikel (inconel).
c) Ứng dụng của in 3D kim loại: Với SLM: Quy trình SLM rất có lợi cho những người cần sản xuất các bộ phận kim loại của họ để tạo mẫu hoặc sản xuất một cách nhanh chóng. Nó cũng cho phép tạo ra các thiết kế phức tạp và có độ chi tiết cao mà bất kỳ công nghệ nào 5 Downloaded by bong bong (bongbong1@gmail.com) lOMoARcPSD|39475011 CHƯƠNG 2 khác không thể thực hiện được do những hạn chế của quy trình sản xuất truyền thống. Công nghệ in 3D SLM có các ứng dụng: - Các thành phân công nghiệp hàng không vũ trụ. - Bộ phận động cơ.
- Thiết bị nha khoa và thiết bị y tế (cấy ghép, bộ phận giả,. - Các thành phần chịu áp suất cao cho kỹ thuật cơ khí/ hoá học. - Phụ tùng thay thế cho các ứng dụng ô tô. - Các kênh làm mát trong bộ chèn công cụ sản xuất và nhiều hơn nữa.
Với DMLS: Các sản phẩm của công nghệ in 3D ngày càng được ứng dụng nhiều. Đặc biệt việc thay thế và chế tạo mới các lớp vỏ cho điện thoại và xe hơi. Nhờ công nghệ DMLS, các công ty có thế chế tạo được các mẫu nhanh chóng và không quá tốn kém. Cụ thể, sản phẩm được sử dụng trong các lĩnh vực: - Y học, khi chế tạo thử và cấy ghép răng giả.
- Hàng không vũ trụ, để chế tạo các chi tiết với các chức năng đầy đủ của động cơ và tuabin. - Sản xuất loạt (nhỏ): trong kỹ thuật robot và nghiên cứu khoa học, công nghệ này cho phép tăng đáng kể tốc độ sản xuất các chi tiết thường được sử dụng nhiều.3 Vật liệu sử dụng trong in 3D kim loại: Một vài loại vật liệu in 3D thường sử dụng phổ biến trong in kim loại như sau: a) Vật liệu thép: Thép là một vật liệu phổ biến sử dụng trong in 3D. Với đặc tính linh hoạt, ứng dụng tuyệt vời và được sử dụng rộng rãi trong cơ khí chính xác làm cho vật liệu thép in 3D trở thành lựa chọn hàng đầu để tạo ra các bộ phận, chi tiết chất lượng cao. Một vài ưu điểm nổi bật của thép khi sử dụng để in 3D: - Có độ cứng và độ bền cao.
- Đặc tính của vật liệu linh hoạt và phong phú. - Có thể xử lý ở nhiệt độ cao. Hầu hết các kim loại được làm từ thép đều có thể in được, nhưng có 2 loại được sử dụng phổ biến nhất là thép công cụ và thép không gỉ. 6 Downloaded by bong bong (bongbong1@gmail.com) lOMoARcPSD|39475011 CHƯƠNG 2 Các tính chất vật lý của thép có liên quan đến tính chất vật lý của vật liệu, chẳng hạn như mật độ, độ dẫn nhiệt, mô đun đàn hồi, tỷ lệ Poison.
Một số giá trị tiêu biểu cho tính chất vật lý của thép là: - Khối lượng riệng ρ = 7.30 - Khả năng truyền nhiệt κ = 11.3 [W/mK] - Khả năng dãn nở vì nhiệt α = 9 ÷27 [10-6 / K] b) Siêu hợp kim: Công nghệ in 3D kim loại tạo ra sự khác biệt lớn nhờ khả năng chế tạo ra các loại hợp kim có giá trị khá cao với chi phí tương đối thấp. Nếu thiết kế và sản xuất theo phương pháp gia công truyền thống thường sẽ gặp khó khăn và tốn kém nhiều hơn thì in 3D sẽ giúp cho các công ty sản xuất các bộ phận, chi tiết hiệu suất cao với chi phí hợp lý. Siêu hợp kim sử dụng để in 3D hoạt động mạnh trong môi trường khắc nghiệt như nơi có hóa chất ăn mòn, nơi có nhiệt độ cao hoặc cả hai. Mặc dù có nhiều siêu hợp kim có thể sử dụng để in được, nhưng 2 nhóm siêu hợp kim được sử dụng phổ biến nhất là Cobalt Chrome và Inconel.
Một vài ưu điểm khi sử dụng siêu hợp kim để in 3D như: - Có tính chất cơ học vô cùng tuyệt vời. - Khả năng chống nóng, chống ăn mòn tốt. - Ổn định bề mặt rất tốt. c) Vật liệu titan: Tuy đây không phải là loại được sử dụng phổ biến trong các hoạt động sản xuất thông thường, thế nhưng tỉ lệ sức mạnh trên giá thành và trọng lượng cao (bao gồm cả chi phí gia công và chi phí vật liệu).
Chính vì vậy mà Titan đã trở thành một lựa chọn hoàn hảo cho in 3D. Titan thường được in dưới 2 dạng khác nhau là: Titan tinh khiết và hợp kim Titan. Nhắc đến titan có thể nói đến những ưu điểm đặc trưng như: - So với thép, độ cứng của titan tương đối bằng nhưng lại nhẹ hơn đến 60%. - So với nhôm, độ cứng gấp 6 lần nhưng lại nặng hơn gấp rưỡi lần nhôm.
7 Downloaded by bong bong (bongbong1@gmail.com) lOMoARcPSD|39475011 CHƯƠNG 2 - Titan có khả năng chống ăn mòn tốt. Đặc biệt trong nhiệt độ cao, ít bị xỉn màu, màu sắc được giữ lại gần như là tối đa. Một vài thuộc tính nổi bật của Titan đối với công nghệ in 3D như: - Tỉ lệ sức mạnh trên trọng lượng cao. - Khả năng kháng hóa chất và chống nóng tốt.
- Tương thích sinh học (chúng còn tùy thuộc vào quá trình và hợp kim). d) Vật liệu đồng: Trong các loại vật liệu sử dụng có thể in 3D kim loại thì đồng thể hiện một giá trị vô cùng độc đáo. Chúng được sử dụng để dẫn điện và dẫn nhiệt thay vì các đặc tính cơ học của nó. Sử dụng đồng để in 3D cho phép các kỹ sư tạo ra các bộ phận được tối ưu hóa về mặt hình học như tay hàn, tản nhiệt, lối dẫn điện với chi phí thấp hơn nhiều.
Ngày nay, chỉ có một vài hệ thống có khả năng in bất kỳ phiên bản nào của kim loại đồng. Chúng còn có thể được in ở dạng nguyên chất hoặc phổ biến hơn hết là ở dạng hợp kim. Một vài thuộc tính nổi bật của đồng khi sử dụng để in 3D như: - Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. - D̀ uốn nắn theo nhiều hình dạng khác nhau.
- Khả năng chống ăn mòn cao. e) Vật liệu nhôm: Nhôm thường được lựa chọn và sử dụng trong một số máy in 3D kim loại, ít thấy trong các quy trình sản xuất thông thường.