Giới thiệu dự án

Công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại (Metal Additive Manufacturing - MAM), đặc biệt là công nghệ bồi đắp kim loại bằng hồ quang dây hàn (Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM), đang trở thành xu hướng đột phá trong nền công nghiệp sản xuất hiện đại. Theo các báo cáo thị trường công nghiệp toàn cầu, công nghệ in 3D kim loại đạt tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) trên 23%, tuy nhiên rào cản lớn nhất nằm ở chi phí thiết bị và nguyên vật liệu cực kỳ đắt đỏ của các hệ thống thiêu kết laser như SLM (Selective Laser Melting) hay DMLS (Direct Metal Laser Sintering).

Đứng trước bối cảnh đó, đồ án tốt nghiệp mã số CTM-96 thuộc Khoa Cơ khí Chế tạo máy – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE), do nhóm sinh viên Lê Hữu Phước, Nguyễn Văn Tuấn, Trần Văn Thiện Trí thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.S Trần Thái Sơn, đã tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: Nghiên cứu và thực nghiệm quá trình in 3D kim loại theo phương pháp hàn TIG (Tungsten Inert Gas) cấp bù dây tự động trên nền tảng máy CNC 3 trục.

                           +-------------------------------------+
                           |      HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC        |
                           |       (Mach3 CNC Controller)        |
                           +------------------+------------------+
                                              |
                                              v
+------------------------+        +-----------+-----------+        +------------------------+
|    BỘ CẤP DÂY TỰ ĐỘNG  |        |    CƠ CẤU CHUYỂN ĐỘNG |        |   NGUỒN HÀN TIG INVERTER|
|  - Arduino Microcontroller      |    3 TRỤC (X, Y, Z)   |        |  - Hồ quang điện cực W |
|  - Driver BTS7960 43A  |------->|   Gá mỏ hàn & đầu bù  |<-------|  - Khí bảo vệ Argon    |
|  - DC Motor 24V - 5A   |        |        dây hàn        |        |  - Dòng hàn < 250A     |
+------------------------+        +-----------+-----------+        +------------------------+
                                              |
                                              v
                                  +-----------------------+
                                  |    VÙNG TẠO MẪU IN    |
                                  |  - Phôi đế: Thép C45  |
                                  |  - Dây bù: Thép Phi 1.0|
                                  +-----------------------+

Vấn đề kỹ thuật và điểm nghẽn thực tế

  • Chi phí thiết bị quá cao: Các dòng máy SLM/DMLS thương mại nhập khẩu có giá từ vài trăm nghìn đến hàng triệu USD, phụ thuộc nguồn bột kim loại đắt tiền.
  • Sự thiếu đồng bộ nhiệt - cơ: Khó khăn lớn trong kiểm soát nhiệt độ hồ quang TIG dẫn đến hiện tượng cháy lẹm kim hàn Vonfram, làm mất ổn định cột hồ quang.
  • Độ trễ cấp dây: Lệch pha thời gian giữa thời điểm mồi hồ quang và thời điểm dây hàn tiếp cận vũng hàn nóng chảy (Melt Pool), gây hiện tượng trượt dây hoặc vón cục kim loại thừa trên bàn máy.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể

  1. Thiết kế và chế tạo thành công bộ cấp dây bù tự động điều khiển chính xác tốc độ và chu kỳ đùn dây thông qua vi điều khiển Arduino và mạch công suất PWM.
  2. Thiết kế cơ cấu đồ gá chuyên dụng gá đặt súng hàn TIG và đầu cấp dây tích hợp chính xác trên đầu trục Z của máy phay CNC 3 trục.
  3. Thực nghiệm chế tạo 13 bộ mẫu in kim loại với các tổ hợp thông số công nghệ biến thiên: Cường độ dòng hàn (CĐDH), tốc độ cấp dây ($v_f$), và tốc độ di chuyển bàn máy CNC ($v_w$).
  4. Đánh giá chất lượng cơ tính mẫu in thông qua phương pháp gia công mẫu chuẩn bằng máy cắt dây tia lửa điện (Wire EDM) và kiểm tra kéo bền tĩnh (Tensile Strength Test).

Phạm vi và giới hạn của đề tài

  • Vật liệu nền (Substrate): Thép kết cấu carbon chất lượng cao C45.
  • Vật liệu bồi đắp (Feedstock): Dây hàn hợp kim thép đường kính tiêu chuẩn $\Phi 1.0\text{ mm}$.
  • Khí bảo vệ: Khí trơ Argon nguyên chất ($99.99%$).
  • Nguồn cấp nhiệt: Nguồn hàn TIG biến tần Inverter công suất tối đa $250\text{A}$.
  • Phạm vi kiểm nghiệm: Đo lường hình học vũng hàn và đánh giá giới hạn bền kéo ($\sigma_b$) của 13 mẫu thực nghiệm.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Sự kết hợp giữa công nghệ hàn hồ quang và sản xuất bồi đắp (WAAM-TIG) mang lại hiệu quả vượt trội về tốc độ đắp vật liệu và tối ưu chi phí so với cả phương pháp gia công trừ lùi lẫn các công nghệ in 3D bột kim loại.

Tiêu chí so sánh Gia công cắt gọt truyền thống (Subtractive) In 3D bột Laser (SLM / DMLS) In 3D kim loại hàn TIG (WAAM-TIG)
Nguyên lý tạo hình Phay/tiện bóc tách phôi nguyên khối Thiêu kết từng lớp bột kim loại bằng Laser Nóng chảy dây kim loại bằng hồ quang TIG
Tỷ lệ sử dụng vật liệu (BTF) Kém ($10% - 30%$ thành phẩm) Trung bình ($70% - 85%$, bột tái sử dụng) Rất cao ($85% - 95%$ lượng dây đắp)
Tốc độ đắp vật liệu Không áp dụng Thấp ($0.05 - 0.2\text{ kg/h}$) Cao ($1.0 - 3.5\text{ kg/h}$)
Chi phí thiết bị Trung bình ($20,000 - $80,000$) Cực kỳ cao ($300,000 - $1,500,000$) Rất thấp (< $3,000$ khi tận dụng CNC)
Độ nhám bề mặt ($Ra$) Rất mịn ($Ra < 1.6\text{ }\mu\text{m}$) Mịn ($Ra \approx 5 - 15\text{ }\mu\text{m}$) Thô ($Ra > 50\text{ }\mu\text{m}$, cần gia công tinh)
Khả năng chế tạo chi tiết lớn Bị giới hạn bởi kích thước phôi thô Giới hạn buồng in (< $400\text{ mm}$) Linh hoạt theo hành trình bàn máy CNC

Phân tích yêu cầu chức năng hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must Have (Bắt buộc): Bộ cấp dây bước xung độc lập; cơ cấu điều tốc PWM biến thiên; đồ gá mỏ hàn TIG cách điện, chịu nhiệt bằng nhựa POM; bộ ngắt/mở đồng bộ dòng hàn.
  • Should Have (Nên có): Chế độ cấp dây nhanh (Fast-feed override) phục vụ mồi dây ban đầu; màn hình hiển thị trực quan thông số xung; khả năng điều chỉnh góc nghiêng đầu cấp dây.
  • Could Have (Có thể mở rộng): Tự động bù chiều cao hồ quang (Arc Voltage Height Control - AVC); hệ thống làm mát mỏ hàn bằng tuần hoàn nước.
  • Won't Have (Chưa thực hiện): Cảm biến camera nhiệt đa vùng theo dõi vũng hàn thời gian thực (Thermal pyrometry feedback).

Thiết kế hệ thống

Hệ thống in 3D kim loại WAAM-TIG là sự tích hợp liên ngành giữa cơ khí chính xác, công nghệ hàn nóng chảy và kỹ thuật điều khiển nhúng.

                           +------------------------------------------+
                           |           NGUỒN TỔ ONG CHÍNH             |
                           |               220VAC -> 24VDC - 10A      |
                           +--------------------+---------------------+
                                                |
                        +-----------------------+-----------------------+
                        |                                               |
                        v                                               v
          +---------------------------+                   +---------------------------+
          |    MODULE BUCK LM2596     |                   |    MẠCH CẦU H BTS7960     |
          |       24VDC -> 5VDC       |                   |       (Dòng tải 43A)      |
          +-------------+-------------+                   +-------------+-------------+
                        |                                               |
                        v                                               |
          +---------------------------+                                 |
          |  VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO    |                                 |
          |  - Đọc biến trở Analog    |===[ Tín hiệu điều khiển PWM ]===>|
          |  - Xử lý nút nhấn Feed    |                                 |
          +---------------------------+                                 |
                                                                        v
                                                          +---------------------------+
                                                          |     ĐỘNG CƠ CẤP DÂY       |
                                                          |   DC 24V - 5A (Rùa hàn)   |
                                                          +---------------------------+

Chi tiết thông số phần cứng và công nghệ

  1. Khối nguồn cấp: Nguồn tổ ong công nghiệp AC-DC $220\text{V} \to 24\text{V} - 10\text{A}$ (Công suất $240\text{W}$, điện áp ra điều chỉnh $\pm 10%$, bảo vệ ngắn mạch và quá tải).
  2. Khối hạ áp logic: Mạch hạ áp Buck DC-DC LM2596 (Hiệu suất $92%$, dải điện áp đầu ra ổn định $5\text{V} - 3\text{A}$ cấp cho bo mạch điều khiển).
  3. Khối chấp hành công suất: Mạch cầu H công suất cao BTS7960 ($43\text{A}$, cách ly quang tín hiệu điều khiển, bảo vệ quá nhiệt/quá dòng).
  4. Khối truyền động cấp dây: Motor cơ cấu rùa hàn $24\text{V} - 5\text{A}$, bộ con lăn kẹp khía rãnh $V$ tăng ma sát, hạn chế trượt dây hàn $\Phi 1.0\text{ mm}$.
  5. Cơ cấu đồ gá CNC: Thiết kế và gia công CNC từ vật liệu nhựa kỹ thuật Poly Oxy Methylene (nhựa POM) có điện trở suất thể tích cao, chịu nhiệt và triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ rò rỉ dòng cao tần (HF) từ súng hàn TIG sang hệ thống điều khiển máy CNC.
  6. Môi trường phần mềm:
    • Lập trình firmware điều khiển nhúng trên nền tảng Arduino IDE v2.1.
    • Bộ điều khiển chuyển động máy công cụ Mach3 CNC Controller v3.043.

Methodology (Phương pháp luận nghiên cứu)

Dự án áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm có đối chứng, phân tích đa nhân tố kết hợp giữa phương pháp thiết kế kỹ thuật (Waterfall kết hợp Agile trong chế tạo phần cứng) và phương pháp đánh giá cơ học vật liệu theo tiêu chuẩn quốc tế ASTM E8/E8M về thử nghiệm kéo tĩnh kim loại.

[Nhận đề tài & Khảo sát] 
       │
       ▼
[Thiết kế & Chế tạo bộ cấp dây] ──► [Lập trình vi điều khiển PWM]
       │
       ▼
[Thiết kế & Gia công đồ gá POM] ──► [Tích hợp lên máy phay CNC 3 trục]
       │
       ▼
[Thử nghiệm hàn bồi đắp 13 mẫu] ──► [Biến thiên: CĐDH, Tốc độ dây, Tốc độ bàn]
       │
       ▼
[Phay phẳng bề mặt lớp đắp] ──────► [Cắt mẫu kéo chuẩn bằng Wire EDM ALN400G]
       │
       ▼
[Kéo bền trên máy vạn năng] ─────► [Phân tích ứng suất & Chọn thông số tối ưu]

Ma trận đánh giá và quản trị rủi ro thực nghiệm

Rủi ro kỹ thuật Mức độ Khả năng Giải pháp xử lý & Triệt tiêu
Nhiễu hồ quang cao tần (HF) làm treo vi điều khiển Nghiêm trọng Cao Cách ly nguồn quang (Optocoupler), nối đất tập trung, bọc giáp chống nhiễu toàn bộ dây tín hiệu
Kim hàn Vonfram bị quá nhiệt, nóng chảy co ngắn Trung bình Trung bình Duy trì lưu lượng khí Argon $8 - 12\text{ l/min}$, cài đặt thời gian trễ khí bảo vệ (Post-flow) $3.5\text{s}$
Tích tụ nhiệt gây biến dạng phôi đế C45 Cao Cao Thiết kế thời gian nghỉ giữa các lớp đắp ($60\text{s}$), kẹp chặt phôi trên bàn gá ê-tô chuyên dụng

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình hiện thực hóa hệ thống được thực hiện qua các giai đoạn tích hợp cơ khí và thuật toán điều khiển xung cấp dây.

Thuật toán điều khiển cấp dây thông minh

Hệ thống điều khiển đùn dây sử dụng cơ chế điều chế độ rộng xung (Pulse-Width Modulation - PWM) trên dải giá trị $0 - 255$. Thuật toán chuyển đổi tín hiệu điện áp từ biến trở chiết áp (Analog input từ chân A0) sang giá trị PWM tương ứng, đồng thời tích hợp logic ngắt mềm qua nút bấm cấp dây nhanh.

// Chương trình điều khiển động cơ cấp dây hàn TIG tự động
// Tác giả: Nhóm CTM-96 (HCMUTE)
// Board: Arduino Uno R3 / ATmega328P

const int RPWM_PIN = 5;      // Chân PWM điều khiển quay thuận BTS7960
const int LPWM_PIN = 6;      // Chân PWM điều khiển quay nghịch
const int POT_PIN = A0;      // Đọc giá trị chiết áp điều tốc
const int FAST_BTN_PIN = 2;  // Nút nhấn cấp dây cưỡng bức (Fast Feed)

const int PWM_MIN_LIMIT = 20;   // Giới hạn tốc độ ra dây tối thiểu (22 mm/s)
const int PWM_MAX_LIMIT = 45;   // Giới hạn tốc độ ra dây tối ưu (30 mm/s)
const int PWM_FAST_OVERRIDE = 110; // Xung cực đại khi nạp dây nhanh

void setup() {
  pinMode(RPWM_PIN, OUTPUT);
  pinMode(LPWM_PIN, OUTPUT);
  pinMode(FAST_BTN_PIN, INPUT_PULLUP);
  analogWrite(LPWM_PIN, 0); // Khóa chiều quay nghịch
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int btnState = digitalRead(FAST_BTN_PIN);
  int outputPWM = 0;

  if (btnState == LOW) {
    // Kích hoạt chế độ đẩy dây nhanh khi nạp cuộn dây mới
    outputPWM = PWM_FAST_OVERRIDE;
  } else {
    // Chế độ in bồi đắp chuẩn: Đọc và map dải giá trị Analog (111 -> 1023)
    int potValue = analogRead(POT_PIN);
    outputPWM = map(potValue, 111, 1023, PWM_MIN_LIMIT, PWM_MAX_LIMIT);
    outputPWM = constrain(outputPWM, PWM_MIN_LIMIT, PWM_MAX_LIMIT);
  }

  // Xuất xung PWM điều khiển động cơ đùn dây
  analogWrite(RPWM_PIN, outputPWM);
  
  #ifdef DEBUG_MODE
  Serial.print("Tín hiệu chiết áp: "); Serial.print(analogRead(POT_PIN));
  Serial.print(" | Giá trị PWM xuất: "); Serial.println(outputPWM);
  #endif
  
  delay(20); // Chu kỳ ổn định đáp ứng vòng lặp 50Hz
}

( G-code điều khiển quỹ đạo in bồi đắp 3D trên Mach3 CNC )
( Vật liệu: Thép C45 - Dây hàn Phi 1.0mm )
G21 (Đơn vị Milimet)
G90 (Tọa độ tuyệt đối)
G00 Z15.000 (Nâng mỏ hàn an toàn)
G00 X0.000 Y0.000 (Đưa về gốc tọa độ bắt đầu in)
G01 Z3.000 F500 (Hạ súng TIG xuống khoảng cách đánh hồ quang)
M03 (Kích hoạt bộ mồi hồ quang & cấp dây tự động)
G04 P1.5 (Trễ 1.5 giây tạo vũng hàn nóng chảy ban đầu)
G01 X80.000 Y0.000 F150 (Đắp đường hàn lớp 1 với vận tốc bàn 150 mm/phút)
M05 (Tắt hồ quang và ngắt cấp dây)
G04 P3.0 (Xả khí trơ Argon bảo vệ vũng hàn nguội)
G00 Z6.000 (Nhấc trục Z lên lớp tiếp theo delta Z = 3.0mm)

Testing và validation

Sau khi hoàn tất quá trình in 3D bồi đắp 13 mẫu thử nghiệm trên nền thép C45, toàn bộ các mẫu được đưa qua quy trình xử lý sau in (Post-processing) nghiêm ngặt:

  1. Phay phẳng bề mặt: Sử dụng máy phay CNC loại bỏ bề mặt thô nhám lồi lõm của lớp đắp kim loại.
  2. Cắt dây tia lửa điện (Wire EDM): Cắt định hình biên dạng mẫu kéo tiêu chuẩn xương chó (Dog-bone specimen) trên máy cắt dây CNC cao cấp Sodick ALN400G với dung sai hình học đạt $\pm 0.005\text{ mm}$.
  3. Thực nghiệm kéo bền: Tiến hành thử nghiệm kéo đứt phá hủy trên máy kéo nén vạn năng tại phòng thí nghiệm Cơ học ứng dụng, ghi nhận trực tiếp biểu đồ ứng suất - biến dạng ($\sigma - \varepsilon$).
        +-------------------------------------------------------------+
        |                  MẪU THỬ KÉO TIÊU CHUẨN                     |
        |                      (Cắt bằng WEDM)                        |
        |                                                             |
        |   +-------+                                     +-------+   |
        |   |       |       +---------------------+       |       |   |
  F <---|   |  Kẹp  |=======|      Vùng đo biến   |=======|  Kẹp  |---> F
        |   |       |       |  dạng (Lớp hàn TIG) |       |       |   |
        |   +-------+       +---------------------+       +-------+   |
        +-------------------------------------------------------------+

Kết quả đạt được

Dưới đây là bảng tổng hợp các thông số công nghệ đầu vào và kết quả đo lường cơ học thực nghiệm của các mẫu đại diện trong tổng số 13 mẫu nghiên cứu:

Mã mẫu in CĐDH ($I$, Ampe) Tốc độ cấp dây ($v_f$, mm/s) Tốc độ bàn CNC ($v_w$, mm/min) Tiết diện đứt ($A_0$, $\text{mm}^2$) Lực kéo phá hủy ($P_{max}$, N) Ứng suất kéo ($\sigma_b$, $\text{N/mm}^2$)
Mẫu 01 90 22 120 22.45 10,450 465.48
Mẫu 02 100 24 120 23.10 11,820 511.68
Mẫu 03 (Tối ưu) 110 26 150 24.15 13,950 577.64
Mẫu 05 120 28 150 25.30 12,890 509.48
Mẫu 08 130 30 180 26.20 12,680 483.96
Mẫu 11 140 30 200 27.50 11,960 434.90

Phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ

  • Ảnh hưởng của Cường độ dòng hàn ($I$): Khi dòng hàn tăng từ $90\text{A}$ lên $110\text{A}$, năng lượng hàn cung cấp vừa đủ để làm nóng chảy triệt để dây cấp và kim loại cơ bản, giúp giảm thiểu hiện tượng rỗ khí và liên kết lớp yếu, đưa độ bền kéo đạt đỉnh $577.64\text{ N/mm}^2$. Tuy nhiên, khi tăng vượt ngưỡng lên $130 - 140\text{A}$, hiện tượng quá nhiệt làm hạt kim loại bị thô đại hóa, cấu trúc tinh thể phân nhánh lớn làm giảm mạnh giới hạn bền kéo xuống $434.90\text{ N/mm}^2$.
  • Ảnh hưởng của Tốc độ cấp dây ($v_f$): Tốc độ ra dây tối ưu đạt được tại khoảng PWM $35 - 40$ (tương đương $26\text{ mm/s}$). Tốc độ cấp dây quá nhanh dẫn đến kim loại dây không kịp nóng chảy hoàn toàn, tạo ra các khối vón cục (Lack of Fusion); ngược lại tốc độ quá chậm làm vũng hàn bị lõm, không đủ độ dày đắp lớp.

Đổi mới và đóng góp

  1. Làm chủ công nghệ chế tạo bộ cấp dây xung linh hoạt: Khắc phục nhược điểm của các bộ cấp dây công nghiệp cố định bằng cách phát triển bộ điều khiển nhúng Arduino kết hợp biến trở và nút nhấn ngắt quãng, cho phép thay đổi tốc độ cấp dây tức thời ngay trong quá trình in mà không cần can thiệp dừng chương trình CNC.
  2. Cơ chế tích hợp không xâm lấn lên máy công cụ: Giải pháp đồ gá cách điện hoàn toàn bằng nhựa kỹ thuật POM giúp tận dụng $100%$ các máy phay CNC 3 trục sẵn có tại các xưởng cơ khí chế tạo mà không cần đầu tư máy in 3D kim loại chuyên biệt đắt đỏ.
  3. Tiết kiệm chi phí đầu tư đến $95%$: So với giải pháp nhập khẩu hệ thống DMLS/SLM, việc cải tiến máy hàn TIG kết hợp bàn máy CNC mở ra khả năng tiếp cận công nghệ chế tạo bồi đắp kim loại với ngân sách chỉ bằng một phần rất nhỏ.
  4. Đóng góp học thuật và đào tạo: Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về mối tương quan giữa CĐDH, tốc độ cấp dây, tốc độ bàn máy và độ bền kéo cơ học, phục vụ trực tiếp cho tài liệu giảng dạy, nghiên cứu chuyên sâu của sinh viên và giảng viên Khoa Cơ khí Chế tạo máy – HCMUTE.

Ứng dụng thực tế và triển khai

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                     HỆ SINH THÁI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WAAM                    |
+-----------------------------------------------------------------------------+
|                                                                             |
|  [PHỤC HỒI & SỬA CHỮA]      [CHẾ TẠO MẪU NHANH]       [SẢN XUẤT ĐƠN CHIẾC]  |
|  - Đắp bù khuôn dập mòn     - Rút ngắn chu kỳ R&D     - Bánh răng, trục then|
|  - Phục hồi cổ trục hỏng    - Chế tạo mẫu thử hàm     - Chi tiết cơ khí     |
|  - Sửa chữa cánh bơm thủy   - Mẫu vỏ chi tiết phức      phi tiêu chuẩn      |
|    lực bị xâm thực            tạp                       trong máy công nghiệp|
|                                                                             |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Các kịch bản ứng dụng công nghiệp

  • Sửa chữa và phục hồi chi tiết máy giá trị cao: Đắp bồi hoàn bề mặt cho các chi tiết bị mài mòn như khuôn dập kim loại, cánh tuabin thủy điện, con lăn cán thép mà không cần phay bỏ toàn bộ để làm mới từ đầu.
  • Sản xuất đơn chiếc và tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping): Chế tạo các phôi thô có hình học phức tạp gần với hình dạng cuối (Near-Net-Shape), sau đó chỉ cần phay tinh một lượng nhỏ vật liệu, giúp giảm thời gian gia công cắt gọt tới $60%$.

Phân tích hiệu quả kinh tế (Cost-Benefit & ROI)

  • Chi phí cải tạo hệ thống: Ước tính khoảng $15 - 25$ triệu VNĐ (cho bộ cấp dây, linh kiện Arduino, đồ gá POM, phụ kiện súng hàn TIG), tận dụng hệ thống khung máy phay CNC hiện hữu.
  • So sánh chi phí phôi liệu: Gia công một chi tiết rỗng dạng vách từ phôi khối C45 tiêu tốn $80%$ khối lượng phoi bỏ đi; công nghệ WAAM-TIG chỉ tiêu thụ khối lượng dây hàn bằng $1.15$ lần khối lượng chi tiết thực tế, tiết kiệm trung bình $45 - 65%$ chi phí vật liệu.
  • Thời gian thu hồi vốn (ROI): Ước tính trong vòng 3 - 6 tháng đối với các xưởng gia công cơ khí vừa và nhỏ thường xuyên thực hiện công việc sửa chữa, phục hồi khuôn gá.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Độ nhám bề mặt còn thô: Bề mặt sau khi in 3D bằng hồ quang TIG vẫn tồn tại các gợn sóng lớp đắp, bắt buộc phải trải qua công đoạn gia công cơ khí cắt gọt hoàn thiện.
  • Ứng suất dư và biến dạng nhiệt: Nguồn nhiệt hồ quang lớn và tập trung cục bộ dễ gây cong vênh đối với các chi tiết có thành mỏng nếu không có đồ gá kẹp giữ đủ cứng vững.
  • Hệ thống điều khiển vòng hở: Chưa tích hợp cảm biến phản hồi điện áp hồ quang tự động để tự điều chỉnh khoảng cách trục Z khi chiều cao lớp đắp không đồng đều.

Hướng phát triển mở rộng

  • Tích hợp cánh tay Robot 6 bậc tự do (6-DOF Robotic Arm) để in các biên dạng 3D không gian phức tạp không cần giá đỡ (Supportless 3D Printing).
  • Ứng dụng hệ thống camera quang học và cảm biến nhiệt hồng ngoại (IR Thermal Sensor) để điều khiển vòng lặp kín (Closed-loop control) công suất nguồn nhiệt TIG theo thời gian thực.
  • Thử nghiệm mở rộng trên các hệ vật liệu cao cấp khác như hợp kim nhôm ($5xxx, 6xxx$), hợp kim titan ($Ti-6Al-4V$), và thép không gỉ ($SUS304, SUS316L$).

Đối tượng hưởng lợi

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                           ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI                               |
+-----------------------------------------------------------------------------+
|                                                                             |
|  [SINH VIÊN & NGHIÊN CỨU SINH]      --> Nắm vững nguyên lý WAAM thực tế,    |
|                                         thuật toán nhúng điều khiển cấp dây.|
|                                                                             |
|  [KỸ SƯ & CHUYÊN GIA TỰ ĐỘNG HÓA]   --> Mô hình tích hợp cơ-điện-hàn chuẩn, |
|                                         dễ dàng mở rộng cho các hệ CNC khác.|
|                                                                             |
|  [DOANH NGHIỆP CƠ KHÍ & XƯỞNG GIA CÔNG] -> Giải pháp chế tạo/phục hồi phôi |
|                                         với chi phí cực thấp, tối ưu ROI.   |
|                                                                             |
+-----------------------------------------------------------------------------+
  • Sinh viên, học viên ngành Cơ khí & Cơ điện tử: Được tiếp cận mô hình thực nghiệm trực quan, kết nối giữa lý thuyết chuyển pha kim loại hàn và công nghệ điều khiển số CNC.
  • Kỹ sư chế tạo máy & Lập trình viên CNC: Có tài liệu tham chiếu tin cậy về việc thiết lập các mã G-code đồng bộ mồi hồ quang và tốc độ bàn máy.
  • Doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ (SMEs): Sở hữu giải pháp công nghệ khả thi để hiện đại hóa năng lực sản xuất, tiếp cận công nghệ đắp kim loại bồi đắp tiên tiến mà không phải chịu áp lực tài chính từ các máy in nhập khẩu đắt tiền.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu phần cứng tối thiểu để tự chế tạo hệ thống in 3D WAAM-TIG là gì?

Hệ thống yêu cầu một máy phay CNC 3 trục có hành trình làm việc tối thiểu $300 \times 300 \times 200\text{ mm}$ chạy phần mềm Mach3 hoặc GRBL; một máy hàn TIG Inverter dòng ra ổn định tối thiểu $160\text{A} - 200\text{A}$; một bộ cấp dây động cơ DC $24\text{V}$; bo mạch Arduino (Uno/Nano); mạch công suất cầu H BTS7960 ($43\text{A}$); nguồn tổ ong $24\text{V}-10\text{A}$; và đồ gá mỏ hàn bằng vật liệu cách điện chịu nhiệt cao (nhựa POM/Teflon).

2. Làm thế nào để giải quyết hiện tượng hồ quang cao tần làm hỏng bo mạch Arduino?

Cần áp dụng các giải pháp triệt tiêu nhiễu đồng bộ: Sử dụng đồ gá nhựa POM cách ly cơ khí và điện thế giữa súng hàn và bàn máy CNC; lắp đặt mạch cách ly quang (Optocoupler) cho toàn bộ đường truyền tín hiệu; sử dụng dây dẫn có lưới bọc kim chống nhiễu (Shielded Cables); nối đất (Grounding) độc lập cho vỏ máy CNC và máy hàn TIG.

3. Tại sao chọn thép C45 làm đế in và dây hàn thép hợp kim đường kính $\Phi 1.0\text{ mm}$?

Thép C45 là loại thép kết cấu carbon thông dụng, có cơ tính tốt, giá thành rẻ và dễ gia công bề mặt láng để tạo liên kết hàn ban đầu vững chắc. Dây hàn hợp kim đường kính $\Phi 1.0\text{ mm}$ là kích thước tiêu chuẩn, cân bằng hoàn hảo giữa tốc độ nóng chảy ở dải dòng hàn $90 - 140\text{A}$ và khả năng định hình chiều rộng đường đắp, hạn chế chảy tràn vũng hàn.

4. Sản phẩm in 3D kim loại bằng phương pháp TIG có đạt độ bền như gia công đúc hoặc rèn không?

Kết quả kiểm tra cơ tính thực nghiệm cho thấy mẫu in tối ưu (Mẫu 03) đạt ứng suất kéo $\sigma_b = 577.64\text{ N/mm}^2$, hoàn toàn tương đương và thậm chí cao hơn độ bền kéo của thép kết cấu C45 ở trạng thái ủ thông thường ($\approx 500 - 600\text{ N/mm}^2$). Nhờ quá trình nguội cưỡng bức nhanh của vũng hàn trong khí Argon bảo vệ, tổ chức hạt kim loại đắp đạt mật độ sít đặc cao, loại bỏ hoàn toàn bọt xỉ nứt nẻ.

5. Chi phí nguyên vật liệu cho một giờ in bồi đắp kim loại TIG là bao nhiêu?

Chi phí vận hành bao gồm: Dây hàn thép ($\approx 35,000 - 50,000\text{ VNĐ/kg}$); khí bảo vệ Argon tiêu hao trung bình $10\text{ lít/phút}$ ($\approx 30,000 - 45,000\text{ VNĐ/giờ}$); điện năng tiêu thụ máy hàn và CNC ($\approx 3.5\text{ kWh} \approx 10,000\text{ VNĐ/giờ}$). Tổng chi phí nguyên vật liệu trực tiếp chỉ dao động từ $75,000 - 110,000\text{ VNĐ/giờ}$, thấp hơn hàng chục lần so với chi phí in bột laser kim loại.

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 giải quyết trọn vẹn và xuất sắc mục tiêu nghiên cứu từ thiết kế lý thuyết đến thực nghiệm cơ tính chuyên sâu. Bằng việc kết hợp sáng tạo giữa máy hàn TIG công nghiệp, bộ điều khiển cấp dây xung nhúng Arduino và hệ thống máy phay CNC 3 trục, đề tài đã chứng minh tính khả thi vượt trội của công nghệ WAAM-TIG trong việc chế tạo các chi tiết kim loại chất lượng cao với cơ tính đạt giới hạn bền kéo lên đến $577.64\text{ N/mm}^2$.

Thành công của đề tài không chỉ đóng góp một giải pháp công nghệ giá thành thấp, dễ triển khai cho nền sản xuất cơ khí trong nước mà còn đặt nền móng vững chắc cho các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo về in 3D kim loại đa trục và tự động hóa điều khiển nhiệt bồi đắp. Đây chính là minh chứng rõ nét cho năng lực nghiên cứu ứng dụng thực tiễn của sinh viên khối ngành kỹ thuật công nghệ Việt Nam.