Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy, sự chuyển dịch từ các phương pháp gia công bóc tách vật liệu truyền thống (như tiện, phay, bào, mài) sang công nghệ sản xuất phụ gia (in 3D) đang mở ra khả năng chế tạo các chi tiết có biên dạng hình học phức tạp với thời gian thiết kế và định hình ngắn. Mặc dù công nghệ in 3D trên vật liệu polyme (nhựa) đã phát triển mạnh mẽ, các sản phẩm tạo ra từ phương pháp này có nhược điểm cố hữu là độ bền cơ học và khả năng chịu nhiệt thấp, khó đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật trong môi trường làm việc công nghiệp. Để giải quyết vấn đề này, các công nghệ in 3D kim loại dạng thiêu kết laser chọn lọc như SLM (Selective Laser Melting) và DMLS (Direct Metal Laser Sintering) đã ra đời nhưng đòi hỏi kinh phí đầu tư thiết bị rất cao, hệ thống buồng chân không/khí trơ phức tạp và nguồn nguyên liệu bột kim loại đắt đỏ.

Xuất phát từ thực tiễn sản xuất và điều kiện nghiên cứu tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, đề tài "Thực nghiệm quá trình in 3D kim loại theo phương pháp hàn TIG" (Mã số đề tài: CTM – 96) được thực hiện nhằm khai thác nguồn nhiệt hồ quang vonfram trong môi trường khí trơ (TIG) kết hợp cơ cấu cấp dây bù tự động để tạo hình kim loại từng lớp trên nền tảng máy công cụ CNC có sẵn, tạo giải pháp chế tạo phụ gia kim loại với chi phí thấp.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định gồm 4 nội dung chính:

  1. Nghiên cứu tổng quan về công nghệ in 3D kim loại (nguyên lý, vật liệu, ứng dụng và các phương pháp chính).
  2. Thực nghiệm tạo mẫu in 3D kim loại với các tổ hợp thông số công nghệ khác nhau.
  3. Thử nghiệm cơ tính mẫu in (gia công bề mặt, cắt dây biên dạng và kéo nén kiểm bền).
  4. Tổng hợp, phân tích số liệu thực nghiệm và xác định chế độ công nghệ tối ưu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quá trình tạo hình bồi đắp kim loại từng lớp bằng nhiệt hồ quang hàn TIG sử dụng dây hàn hợp kim thép cấp bù đường kính 1,0 mm.
  • Phạm vi không gian: Thực hiện chế tạo, gá đặt thiết bị, in thử nghiệm tại xưởng cơ khí Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; gia công cắt dây mẫu thử tại xưởng gia công ngoài và kiểm bền tại phòng thí nghiệm cơ tính của trường.
  • Phạm vi thời gian và học thuật: Đồ án tốt nghiệp khóa 2019 – 2023, thực hiện trong học kỳ I năm học 2023 – 2024.
  • Giới hạn thông số công nghệ khảo sát: Khảo sát mối quan hệ giữa 3 tham số biến thiên chính gồm cường độ dòng hàn TIG (CĐDH < 250A), tốc độ ra dây hàn tự động (feeding speed) và tốc độ dịch chuyển bàn máy CNC (travel speed) trên tấm nền thép C45, đánh giá thông qua 13 mẫu thực nghiệm được kéo đứt để đo diện tích mặt cắt, lực kéo và ứng suất phá hủy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên nguyên lý sản xuất phụ gia (Additive Manufacturing - thêu kết/đắp vật liệu theo từng lớp 2D để tạo vật thể 3D) đối sánh với sản xuất trừ lùi (Subtractive Manufacturing - cắt gọt bóc tách phoi). Văn bản hệ thống hóa các công nghệ in kim loại công nghiệp gồm:

  • SLM (Selective Laser Melting) và DMLS (Direct Metal Laser Sintering): Sử dụng nguồn nhiệt laser sợi quang ytterbium (công suất từ 200W đến hàng trăm watt) quét trên các lớp bột kim loại có độ dày từ 20 đến 100 micromet trong buồng kín kiểm soát nồng độ khí trơ argon hoặc nitơ dưới 5/10000.
  • Các nhóm vật liệu in 3D kim loại: Thép công cụ và thép không gỉ (khối lượng riêng $\rho = 7{,}30$, hệ số truyền nhiệt $\kappa = 11{,}3\text{ W/mK}$, hệ số giãn nở nhiệt $\alpha = 9 \div 27 \times 10^{-6}\text{ K}^{-1}$); siêu hợp kim gốc Coban-Crom (Co-Cr) và Inconel; hợp kim Titan; đồng và hợp kim nhôm.
Tiêu chí so sánh Thêu kết vật liệu (In 3D kim loại) Bóc tách vật liệu (Gia công cắt gọt)
Nguyên lý tạo hình Tạo ra sản phẩm bằng cách thêm từng lớp vật liệu Bóc tách vật liệu thừa để tạo hình sản phẩm
Quy trình sản xuất Sản xuất trực tiếp từ dữ liệu CAD 3D sang lớp cắt 2D Sử dụng máy công cụ điều khiển tay, máy tiện, phay CNC
Hệ thống điều khiển Vận hành bởi máy tính và hệ thống in 3D chuyên dụng Vận hành bởi máy tính và robot hỗ trợ gia công truyền thống
Chất lượng bề mặt Các lớp in để lại bề mặt thô, yêu cầu gia công xử lý lại Chất lượng bề mặt kiểm soát được theo cấp độ gia công
Khả năng tạo hình Chế tạo dễ dàng các vật thể rỗng hoặc cấu trúc phức tạp Khó tạo hình các góc lẹm, hốc khuất do giới hạn chạy dao
Quy mô và chi phí Chi phí cho sản phẩm đơn chiếc thấp, không tối ưu cho loạt lớn Chi phí chế tạo đơn chiếc cao, hiệu quả khi sản xuất hàng loạt

Về nguyên lý hàn TIG (Tungsten Inert Gas): Quá trình hàn hồ quang sử dụng điện cực vonfram không nóng chảy trong môi trường khí trơ (khí argon, heli hoặc hỗn hợp). Nhiệt lượng giải phóng giữa điện cực vonfram và vật hàn làm nóng chảy kim loại tấm nền cùng kim loại dây bù. Cấu tạo hệ thống gồm nguồn biến dòng kiểu Inverter, bình khí bảo vệ có van điều áp và lưu lượng kế, mỏ hàn TIG làm mát, kẹp mass và cáp dẫn. Khi áp dụng vào in 3D, hệ thống phải giải quyết các vấn đề nhiệt học và điều khiển: kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhựa, đòi hỏi tính đồng bộ chính xác về thời gian giữa thời điểm mồi hồ quang và tốc độ đẩy dây bù, kiểm soát tốc độ hao hụt/ngắn lại của kim hàn vonfram do nhiệt tích tụ, và duy trì lưu lượng khí trơ bảo vệ ổn định để chống oxy hóa vũng hàn.

Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm:

  • Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo cơ cấu cấp dây tự động; gia công chế tạo đồ gá cách điện lắp đặt mỏ hàn TIG lên máy CNC 3 trục; lập trình điều khiển Mach3 CNC và mạch xung PWM; in đắp 13 mẫu thực nghiệm; phay phẳng bề mặt; cắt dây tia lửa điện WEDM; kéo thử nghiệm phá hủy mẫu trên máy kéo chuyên dụng.
  • Phương pháp thu thập và phân tích số liệu: Đo đạc kích thước tiết diện mặt cắt đứt, ghi nhận tải trọng kéo lớn nhất từ đồng hồ đo lực thủy lực, tính toán ứng suất kéo cơ học và phân tích ảnh hưởng của từng thông số công nghệ.

Thiết kế và triển khai hệ thống thực nghiệm

Hệ thống thực nghiệm được nhóm tác giả tích hợp từ 4 phân hệ chính: cơ cấu cấp dây tự động, mạch điện tử điều khiển, đồ gá mỏ hàn gắn trên máy CNC và hệ thống gia công hoàn thiện mẫu.

       [Nguồn tổ ong 220VAC -> 24VDC (10A)]
             |                   |
             |                   v
             |        [Module LM2596 (Buck 5V)]
             |                   |
             v                   v
    [Mạch cầu H BTS7960] <-- [Arduino] <-- [Chiết áp / Nút bấm]
             |
             v
   [Động cơ DC 24V - 5A] --> [Con lăn đùn dây] --> [Đầu dẫn hướng MIG]
                                                           |
  [Máy hàn TIG] ------------> [Mỏ hàn TIG] --------------->| (Vùng vũng chảy)
                                   |                       |
  [Máy CNC (Mach3)] --------> [Đồ gá nhựa POM] ----------->|
                                                           v
                                            [Phôi đế thép C45 trên ê-tô]

1. Khảo sát và lựa chọn thiết bị cấp dây

Nhóm tác giả tiến hành khảo sát 5 dòng thiết bị cấp dây hiện có trên thị trường:

Thiết bị khảo sát Điện áp / Dòng điện định mức Công suất Tốc độ cấp dây Khối lượng / Kích thước dây Đánh giá lựa chọn
Motor cấp dây SS-5A 24V DC – 5A 80W 2,6 m/phút 3 kg; con lăn $\Phi 35 \times \Phi 25 \times 8\text{ mm}$ Tốc độ cấp dây thấp, không tùy biến
Bộ cấp dây rùa hàn $\text{CO}_2$ đầu ra 24V DC – 5A Theo tải 1,5 ~ 18 m/phút 9,6 kg; cuộn dây $25\text{ kg}$; trục $50\text{ mm}$ Được chọn (kết cấu vững, dải tốc độ phù hợp, chi phí hợp lý)
Motor cấp dây SS-21 24V DC – 2,5A Tiêu chuẩn Phụ thuộc tải Kích thước nhỏ Công suất nhỏ, độ bền hạn chế
Bộ rùa hàn $\text{CO}_2$ đầu ra Binzel 24V DC – 5A Theo tải 1,5 ~ 18 m/phút 9,6 kg; tương thích bép Binzel Chi phí linh kiện thay thế cao
Motor cấp dây SS-17 24V/42V – 5A/10A 80W / 250W 2 ~ 12 m/phút Rãnh lăn $\Phi 1{,}0 \div 33\text{ mm}$ Nguồn 42V không đồng bộ hệ thống

2. Cải tạo khối điều khiển thiết bị cấp dây

Thiết bị cấp dây rùa hàn nguyên bản cần tín hiệu từ nguồn hàn công nghiệp, do đó nhóm đã thiết kế hệ thống điều khiển độc lập:

  • Nguồn cấp: Nguồn tổ ong AC 220V sang DC 24V - 10A (công suất 240W, phạm vi điện áp 85 ~ 132VAC / 180 ~ 264VAC, dòng rò < 1mA, kích thước $199 \times 109 \times 50\text{ mm}$, trọng lượng 0,68 kg).
  • Vi điều khiển trung tâm: Bo mạch Arduino (vi xử lý 8-bit Atmel AVR) kết nối và lập trình qua cổng USB trên phần mềm Arduino IDE bằng ngôn ngữ tương tự C/C++.
  • Mạch hạ áp: Module Buck DC-DC LM2596 (dòng đỉnh 3A) hạ áp từ nguồn 24V xuống 5V cấp cho Arduino.
  • Mạch công suất: Mạch cầu H BTS7960 (dòng tải cực đại 43A), sử dụng tín hiệu điều chế độ rộng xung PWM từ chân Arduino cấp vào chân điều khiển (RPWM hoặc LPWM).
  • Thuật toán điều khiển: Chuyển đổi tín hiệu analog từ chiết áp (giá trị 111 đến 1023) thông qua hàm map() thành giá trị xung PWM từ 0 đến 255. Do tốc độ cấp dây quá nhanh sẽ gây hiện tượng không kịp nóng chảy và trượt đùn dây trên bàn máy, giá trị PWM tối đa được giới hạn phần mềm ở mức 110. Khoảng xung PWM làm việc thực nghiệm được xác định từ 20 đến 45 (tương ứng với tốc độ ra dây từ 22 đến 30 mm/s). Một nút nhấn phụ trợ được tích hợp để kích hoạt tức thời xung PWM lên cực đại (110) nhằm phục vụ thao tác mồi dây nhanh ra đầu bép khi bắt đầu in.
  • Dây hàn và đầu dẫn: Sử dụng dây hàn thép hợp kim MIG/MAG đường kính 1,0 mm cuộn lại. Đầu cấp dây được cải tạo từ đầu súng hàn MIG gắn cố định góc nghiêng hướng vào tâm vũng hàn. Toàn bộ mạch điều khiển được bố trí trong hộp nhựa chuyên dụng.

3. Thiết kế đồ gá và tích hợp trên máy CNC

  • Máy công cụ: Máy phay CNC 3 trục tại xưởng trường, điều khiển bằng phần mềm Mach3 CNC thông qua giao diện G-code.
  • Đồ gá: Thiết kế gồm chi tiết đỡ trên, chi tiết đỡ dưới và đế kẹp được liên kết bằng bu lông tiêu chuẩn. Vật liệu chế tạo các khối đỡ là nhựa POM (Poly Oxy Methylene) nhằm cách điện hoàn toàn mỏ hàn TIG với thân máy CNC, ngăn ngừa dòng điện cao tần phóng ngược làm hư hại hệ thống điều khiển và máy tính.
  • Phôi đế: Sử dụng thanh phôi thép C45, kẹp chặt trên bàn máy CNC thông qua ê-tô cơ khí.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chương này mở đầu bằng việc phân tích lý do chọn đề tài từ nhu cầu thực tiễn của sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí trong việc tìm kiếm các phương thức chế tạo linh hoạt, thay thế gia công truyền thống. Phân tích tính cấp thiết của việc áp dụng in 3D kim loại và xác định ý nghĩa khoa học (tăng hiệu suất thiết kế, mở rộng hiểu biết về công nghệ tạo hình phụ gia) cùng ý nghĩa thực tiễn (cung cấp tài liệu học tập, nghiên cứu cho sinh viên kỹ thuật). Chương 1 công bố 4 mục tiêu nghiên cứu, xác định đối tượng là phương pháp in 3D hàn TIG bù dây 1,0 mm trên phôi thép C45, phạm vi khảo sát xoay quanh 3 thông số công nghệ (cường độ dòng điện hàn, tốc độ cấp dây, tốc độ bàn máy CNC), nêu các phương pháp nghiên cứu áp dụng và tóm tắt kết cấu 6 chương của đồ án.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

Chương 2 trình bày tổng quan lý thuyết về công nghệ sản xuất phụ gia kim loại. Giới thiệu chi tiết nguyên lý làm việc của hai công nghệ in kim loại bột là SLM và DMLS, quy trình cắt lớp từ tệp CAD định dạng .stl với chiều dày lớp từ 20 đến 100 micromet dưới chùm laser sợi quang Yb-fiber. Liệt kê các nhóm vật liệu dùng trong in 3D (thép không gỉ, siêu hợp kim Co-Cr, Inconel, hợp kim titan, đồng dẫn nhiệt và hợp kim nhôm). Bảng 1 so sánh toàn diện giữa sản xuất phụ gia (thêu kết vật liệu) và sản xuất trừ lùi (bóc tách phoi). Tiếp theo, chương phân tích nguyên lý hàn hồ quang TIG bằng điện cực Vonfram trong môi trường khí trơ, sơ đồ bộ biến dòng Inverter, cấu tạo bình khí argon, mỏ hàn TIG làm mát và kẹp mass. Phần cuối chương nêu rõ các thách thức khi áp dụng công nghệ TIG vào in 3D (chênh lệch nhiệt độ nóng chảy, sai lệch thời gian ra dây - mồi hồ quang, hiện tượng ngắn kim hàn vonfram do nhiệt) và xác lập quy trình thực hiện đồ án gồm 10 bước nối tiếp từ chuẩn bị thiết bị đến tổng hợp kết quả.

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM TẠO MẪU IN

Chương 3 tập trung vào công tác chế tạo thiết bị và thực nghiệm in. Nhóm phân tích nguyên lý đẩy dây bằng động cơ thay vì dùng xung nhịp cơ học, khảo sát thông số 5 hệ thống cấp dây và quyết định chọn bộ cấp dây rùa hàn $\text{CO}_2$ (Bảng 3). Mô tả quy trình cải tạo hệ thống điện: lắp ráp nguồn tổ ong 24V - 10A (Bảng 7), module buck LM2596, mạch cầu H BTS7960, vi điều khiển Arduino. Chi tiết hóa giải thuật điều khiển xung PWM (0 - 255), chuyển đổi giá trị chiết áp (111 - 1023) qua hàm map(), thiết lập ngưỡng tốc độ an toàn (PWM 20 - 45, tương đương tốc độ ra dây 22 - 30 mm/s) và nút ấn mồi dây nhanh (PWM 110). Trình bày việc lựa chọn dây thép hợp kim đường kính 1,0 mm và tái sử dụng đầu súng MIG làm bép dẫn dây. Phần thiết kế đồ gá trình bày bản vẽ các chi tiết đỡ gia công bằng nhựa POM (Bảng 9) chống rò điện. Cuối chương, tác giả trình bày việc thiết lập thông số hàn ban đầu và lập ma trận thông số thực nghiệm in cho 13 mẫu (Bảng 10, 11, 12, 13, 14) trên thanh phôi thép C45 được kẹp ê-tô trên máy CNC chạy phần mềm Mach3.

CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM MẪU

Chương 4 mô tả quy trình hoàn thiện và kiểm tra cơ tính mẫu. Do lớp đắp kim loại sau khi hàn có biên dạng bề mặt thô và không phẳng, các mẫu trước tiên được đưa lên máy phay cơ khí để phay phẳng bề mặt kim loại đắp. Tiếp theo, mẫu được gia công cắt biên dạng theo tiêu chuẩn thử kéo bằng phương pháp cắt dây tia lửa điện WEDM (Wirecut Electric Discharge Machining) trên máy Sodick ALN400G sử dụng chất điện môi chuyên dụng. Phần thử nghiệm cơ tính mô tả các bước thao tác trên máy thử kéo tại xưởng trường: kiểm tra nguồn và mở MCCB an toàn, khởi động phần mềm đo lường tải trọng trên máy tính, gá kẹp chặt hai đầu mẫu thử, điều chỉnh van thủy lực tác dụng lực kéo tăng dần cho đến khi mẫu bị kéo đứt hoàn toàn, đồng thời ghi nhận dữ liệu lực kéo và biểu đồ biến dạng.

CHƯƠNG 5: TỔNG HỢP KẾT QUẢ

Chương 5 lượng hóa toàn bộ kết quả thực nghiệm. Trình bày số liệu diện tích mặt cắt đứt của 13 mẫu đo đạc sau khi kéo (Bảng 15), giá trị lực kéo lớn nhất tại thời điểm phá hủy (Bảng 16) và tính toán ứng suất kéo của từng mẫu (Bảng 17). Phân tích chi tiết quy luật ảnh hưởng của từng thông số độc lập:

  • Ảnh hưởng của cường độ dòng hàn (CĐDH) đến lực kéo và ứng suất kéo (Hình 5.4, Hình 5.5).
  • Ảnh hưởng của tốc độ ra dây đến lực kéo và ứng suất kéo (Hình 5.6, Hình 5.7).
  • Ảnh hưởng của tốc độ bàn máy CNC đến lực kéo và ứng suất kéo (Hình 5.8, Hình 5.9). Chương xác định mẫu số 3 là mẫu đạt thông số tối ưu nhất về cơ tính (Bảng 18, Hình 5.10). Đồng thời, nhóm tác giả xây dựng các bảng đối sánh định lượng mức độ chênh lệch cơ tính giữa mẫu số 3 với các mẫu khác khi thay đổi cường độ dòng hàn (Bảng 19 - so sánh mẫu 2 và mẫu 3), thay đổi tốc độ cấp dây (Bảng 20) và thay đổi tốc độ chạy bàn máy CNC (Bảng 21 - so sánh mẫu 3 và mẫu 6).

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN

Chương cuối tóm tắt lại toàn bộ các công việc đã hoàn thành: cải tạo thành công hệ thống cấp dây bù điều khiển bằng Arduino, thiết kế chế tạo đồ gá cách điện POM trên máy phay CNC, thực hiện in đắp thành công 13 mẫu thực nghiệm và xác lập được chế độ công nghệ hàn TIG tối ưu cho cơ tính mối đắp kim loại.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả kỹ thuật và số liệu cụ thể:

  1. Chế tạo thành công thiết bị cấp dây tự động độc lập: Hoàn thiện mạch điều khiển vi điều khiển Arduino kết hợp mạch cầu H BTS7960 và nguồn tổ ong 24V - 10A, kiểm soát xung PWM ổn định ở dải 20 - 45, đạt tốc độ đùn dây thực tế từ 22 đến 30 mm/s, tích hợp nút mồi dây xung PWM 110.
  2. Tích hợp hệ thống in 3D kim loại trên máy CNC: Gia công và lắp đặt cụm đồ gá bằng nhựa POM, đảm bảo cách điện hoàn toàn mỏ hàn TIG với máy CNC, vận hành dẫn động 3 trục thông qua phần mềm Mach3 CNC.
  3. Thực nghiệm chế tạo và kiểm tra 13 mẫu in: Thực hiện in đắp 13 mẫu trên nền thép C45, gia công phay phẳng bề mặt và cắt dây WEDM trên máy ALN400G để tạo mẫu kéo tiêu chuẩn.
  4. Cơ sở dữ liệu cơ tính và xác định thông số tối ưu:
    • Toàn bộ 13 mẫu được kéo đứt để thu thập diện tích mặt cắt đứt (Bảng 15), lực kéo cực đại (Bảng 16) và ứng suất phá hủy (Bảng 17).
    • Xác định được mẫu số 3 là mẫu có thông số công nghệ tối ưu nhất (Bảng 18), mang lại cơ tính liên kết cao nhất.
    • Định lượng được mức độ biến động cơ tính khi thay đổi CĐDH (so sánh mẫu 2 và 3), thay đổi tốc độ cấp dây và thay đổi tốc độ bàn máy (so sánh mẫu 3 và 6) qua các Bảng 19, 20, 21.

Các giải pháp và kiến nghị kỹ thuật do nhóm tác giả đề xuất:

  • Giải pháp vật liệu đồ gá: Sử dụng nhựa POM làm vật liệu chế tạo chi tiết đỡ súng hàn để triệt tiêu hiện tượng rò điện hồ quang sang máy công cụ, đảm bảo an toàn cho mạch điều khiển CNC.
  • Giải pháp điều khiển cấp dây: Ứng dụng điều biến độ rộng xung PWM kết hợp biến trở và nút bấm xung cực đại giúp người vận hành linh hoạt mồi dây và kiểm soát chính xác lượng kim loại đắp, tránh hiện tượng thừa/thiếu dây hàn.
  • Quy trình hoàn thiện: Bắt buộc phải tích hợp bước phay phẳng bề mặt và cắt dây tia lửa điện WEDM để xử lý bề mặt thô và tạo hình chuẩn xác cho chi tiết in 3D bằng hồ quang TIG.

Về mặt đóng góp: Đề tài tự khẳng định tính khả thi của giải pháp in 3D kim loại chi phí thấp bằng phương pháp hàn TIG kết hợp cấp dây tự động trên máy CNC tại Việt Nam; cung cấp bộ thông số thực nghiệm ban đầu về chế độ công nghệ đắp lớp thép trên đế C45 phục vụ nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Chất lượng bề mặt chi tiết in còn thô, gồ ghề, bắt buộc phải sử dụng các phương pháp gia công cắt gọt phụ trợ để đạt kích thước yêu cầu.
  • Hiện tượng hao mòn, ngắn điện cực vonfram do nhiệt sinh ra từ hồ quang TIG duy trì liên tục trong thời gian dài, dẫn đến thay đổi khoảng cách phóng tia và làm lệch tâm nhiệt vũng chảy.
  • Việc canh chỉnh áp lực khí và thời gian trễ khí argon bảo vệ còn thủ công, gây khó khăn nhất định trong việc duy trì ổn định vũng hàn.
  • Phạm vi tạo hình mới dừng lại ở việc đắp đường thẳng tạo mẫu thử nghiệm trên phôi tấm phẳng, chưa in thử các biên dạng 3D phức tạp hoặc cấu trúc không gian nhiều lớp liên tục.
  • Dây hàn sử dụng là cuộn dây đã qua sử dụng nhằm tiết kiệm chi phí, có thể gây sai số nhất định đến tính đồng nhất vật liệu.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Nghiên cứu cơ chế tự động bù trừ chiều dài điện cực Vonfram hoặc ứng dụng mỏ hàn TIG làm mát bằng nước tuần hoàn áp lực cao để hạn chế tổn hao kim hàn.
  • Tích hợp tín hiệu điều khiển bật/tắt hồ quang hàn TIG và bộ cấp dây tự động trực tiếp vào mã lệnh G-code của phần mềm Mach3 CNC.
  • Mở rộng thực nghiệm trên các chủng loại vật liệu khác như thép không gỉ, hợp kim nhôm, titan; khảo sát thêm cấu trúc tế vi kim loại (tổ chức kim đồ) và các chỉ tiêu cơ tính bổ sung (độ cứng, độ dai va đập).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cho:

  • Sinh viên, học viên chuyên ngành Cơ khí chế tạo máy, Cơ điện tử, Kỹ thuật Hàn đang thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc các đề tài nghiên cứu về công nghệ sản xuất phụ gia kim loại (WAAM - Wire Arc Additive Manufacturing).
  • Các kỹ sư xưởng cơ khí cần giải pháp cải tạo máy phay CNC cũ kết hợp máy hàn TIG thủ công thành hệ thống đắp phủ phục hồi chi tiết hoặc tạo phôi kim loại chi phí thấp.
  • Các nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao gồm: sơ đồ mạch và giải thuật điều khiển động cơ DC cấp dây qua Arduino kết hợp cầu H BTS7960; thiết kế đồ gá cách điện bằng nhựa POM; quy trình phối hợp công nghệ giữa hàn đắp, phay cơ khí và cắt dây tia lửa điện WEDM Sodick ALN400G; cùng phương pháp phân tích ảnh hưởng của chế độ hàn đến độ bền kéo của lớp kim loại đắp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn phương pháp hàn hồ quang TIG thay vì công nghệ laser SLM hay DMLS để thực nghiệm in 3D kim loại?

Theo phân tích của nhóm tác giả, công nghệ SLM và DMLS đòi hỏi vốn đầu tư thiết bị rất lớn, vận hành trong buồng khí trơ kiểm soát nghiêm ngặt và sử dụng nguyên liệu bột kim loại đắt tiền. Ngược lại, phương pháp hàn TIG sử dụng nguồn nhiệt hồ quang điện cực vonfram có chi phí đầu tư thấp, tận dụng được máy hàn điện tử và dây hàn kim loại thông dụng trên thị trường, đồng thời dễ dàng gá lắp tích hợp lên hệ thống máy công cụ CNC sẵn có tại xưởng thực hành.

2. Hệ thống cấp dây hàn tự động trong đồ án được cải tạo và điều khiển như thế nào?

Nhóm tác giả đã lựa chọn bộ cấp dây rùa hàn $\text{CO}_2$ sử dụng động cơ DC 24V - 5A và cải tạo mạch điều khiển độc lập gồm: nguồn tổ ong 24V - 10A (240W), module hạ áp LM2596 (24V xuống 5V), vi điều khiển Arduino và mạch cầu H công suất BTS7960 (43A). Tốc độ động cơ được điều khiển qua xung PWM (0 - 255) biến thiên theo chiết áp (giá trị đọc 111 - 1023), trong đó dải xung làm việc thực tế được giới hạn từ 20 đến 45 (tốc độ ra dây 22 - 30 mm/s) và tích hợp nút bấm kích xung cực đại 110 để mồi nhanh dây hàn.

3. Cụm đồ gá mỏ hàn TIG trên máy CNC được chế tạo bằng vật liệu gì và nhằm mục đích gì?

Cụm đồ gá mỏ hàn được gia công từ vật liệu nhựa POM (Poly Oxy Methylene). Việc sử dụng nhựa POM nhằm mục đích cách điện và cách nhiệt tuyệt đối giữa mỏ hàn TIG với trục máy CNC, ngăn chặn hiện tượng rò rỉ điện hoặc dòng hồ quang hàn truyền ngược vào thân máy, bảo vệ an toàn cho hệ thống điện tử điều khiển và máy tính vận hành Mach3.

4. Quy trình gia công hoàn thiện mẫu thử kéo sau khi in đắp gồm những bước công nghệ nào?

Do bề mặt lớp hàn đắp kim loại để lại độ nhấp nhô và thô ráp cao, quy trình gia công hoàn thiện gồm 2 bước: đầu tiên, mẫu đắp được đưa lên máy phay để phay phẳng lớp bề mặt; sau đó, mẫu phẳng được chuyển sang máy cắt dây tia lửa điện (WEDM) Sodick ALN400G để cắt biên dạng chuẩn xác theo tiêu chuẩn thử kéo cơ tính trước khi đưa lên máy kéo thủy lực.

5. Kết quả kiểm bền 13 mẫu thực nghiệm cho thấy mẫu nào đạt thông số tối ưu nhất?

Dựa trên kết quả tổng hợp diện tích mặt cắt đứt (Bảng 15), lực kéo (Bảng 16) và ứng suất kéo (Bảng 17) tại Chương 5, mẫu số 3 là mẫu đạt thông số tối ưu nhất về độ bền cơ học. Tác giả đã lập bảng chế độ công nghệ tối ưu riêng cho mẫu số 3 (Bảng 18) và phân tích định lượng độ chênh lệch cơ tính giữa mẫu số 3 với mẫu số 2 (khác cường độ dòng hàn) và mẫu số 6 (khác tốc độ chạy bàn máy CNC).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thực nghiệm quá trình in 3D kim loại theo phương pháp hàn TIG" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã nghiên cứu và triển khai thành công mô hình sản xuất phụ gia kim loại chi phí thấp thông qua việc tích hợp mỏ hàn TIG và cơ cấu cấp dây tự động lên máy phay CNC 3 trục. Đề tài đã tự thiết kế, lập trình hoàn thiện mạch điều khiển cấp dây bằng Arduino với giải thuật PWM, gia công đồ gá cách điện bằng nhựa POM và thực hiện tạo hình đắp lớp 13 mẫu kim loại trên nền thép C45. Quy trình xử lý mẫu bài bản qua phay phẳng, cắt dây WEDM ALN400G và thử nghiệm kéo đứt đã xác định được quy luật ảnh hưởng của chế độ hàn đến ứng suất cơ học, trong đó mẫu số 3 đạt giá trị tối ưu nhất. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm và tài liệu kỹ thuật có tính ứng dụng cao cho việc nghiên cứu phát triển công nghệ in 3D kim loại tại các cơ sở đào tạo kỹ thuật.