(Đồ án hcmute) thiết kế và chế tạo mô hình in 3d kim loại hàn tích hợp trên máy phay cnc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT CƠ KHÍ THIẾT KẾ VÀ CHÉ TẠO MƠ HÌNH IN 3D KIM LOẠI HÀN TÍCH HỢP TRÊN MÁY PHAY CNC GVHD: TS NGUYỄN VĂN THỨC SVTH: LÊ MINH HẬU CHÂU ĐĂNG KHOA HỨA THIÊN LONG SKL009928 Tp.Hồ Chí Minh, Tháng 2/2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH IN 3D KIM LOẠI HÀN TÍCH HỢP TRÊN MÁY PHAY CNC Sinh viên thực hiện: Giảng viên hướng dẫn: LÊ MINH HẬU MSSV: 18144094 CHÂU ĐĂNG KHOA MSSV: 18144110 HỨA THIÊN LONG MSSV: 18144123 TS NGUYỄN VĂN THỨC Tp Hồ Chí Minh, tháng 02/2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thức Sinh viên thực hiện: Lê Minh Hậu MSSV: 18144094 ĐThoại: 0855574771 Châu Đăng Khoa MSSV: 18144110 ĐThoại: 0859824263 Hứa Thiên Long MSSV: 18144123 ĐThoại: 0932712737 Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mơ hình in 3D kim loại hàn tích hợp máy phay CNC Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Giáo trình Cơng nghệ hàn – TS Nguyễn Thúc Hà - Giáo trình Thiết bị công nghệ hàn – TS Phạm Sơn Minh - Luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu ảnh hưởng thông số hàn đắp đến độ bền kéo lớp đắp” – Nguyễn Cơng Chính - Cơng nghệ WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) - Bộ tiêu chuẩn ASTM E8/E8M-13 Nội dung đồ án: - Tổng quan công nghệ in 3D kim loại - Thiết kế mẫu in 3D kim loại hàn - Chế tạo, lắp ráp thực nghiệm Các sản phẩm dự kiến - Mơ hình thực tế - Báo cáo phân tích Ngày giao đồ án: ngày 10 tháng năm 2022 Ngày nộp đồ án: ngày 18 tháng năm 2023 Ngơn ngữ trình bày: Tiếng Anh  Tiếng Việt  Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh  Tiếng Việt  Bản báo cáo: TRƯỞNG KHOA TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO Độc lập – Tự – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên hướng dẫn) Họ tên sinh viên: Lê Minh Hậu MSSV: 18144094 Châu Đăng Khoa MSSV: 18144110 Hứa Thiên Long MSSV: 18144123 Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mơ hình in 3D kim loại hàn tích hợp máy phay CNC Ngành đào tạo: Cơng nghệ kỹ thuật Cơ khí Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thức Ý KIẾN NHẬN XÉT Nhận xét tinh thần, thái độ làm việc sinh viên Nhận xét kết thực ĐATN 2.1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN: 2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn khả ứng dụng đồ án, hướng nghiên cứu tiếp tục phát triển) i 2.3 Kết đạt được: 2.4 Những tồn (nếu có): Đánh giá Mục đánh giá TT Điểm tối đa Hình thức kết cấu ĐATN 30 Đúng format với đầy đủ hình thức 10 nội dung mục Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan đề tài 10 Tính cấp thiết đề tài 10 Nội dung ĐATN 50 Khả ứng dụng kiến thức toán học, khoa học kỹ thuật, khoa học xã hội Khả thực / phân tích / tổng hợp 10 / đánh giá Khả thiết kế chế tạo hệ thống, thành phần, quy trình đáp ứng yêu 15 cầu đưa với ràng buộc thực tế Khả cải tiến phát triển 15 Khả sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành Đánh giá khả ứng dụng đề 10 tài Sản phẩm cụ thể ĐATN 10 ii Điểm đạt Tổng điểm 100 Kết luận  Được phép bảo vệ  Không phép bảo vệ TP Thủ Đức, ngày tháng năm 2023 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) iii TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO Độc lập – Tự – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên phản biện) Họ tên sinh viên: Lê Minh Hậu MSSV: 18144094 Châu Đăng Khoa MSSV: 18144110 Hứa Thiên Long MSSV: 18144123 Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mơ hình in 3D kim loại hàn tích hợp máy phay CNC Ngành đào tạo: Cơng nghệ kỹ thuật Cơ khí Giảng viên phản biện: ThS Huỳnh Đỗ Song Toàn Ý KIẾN NHẬN XÉT Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN Nội dung đồ án (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn khả ứng dụng đồ án, hướng nghiên cứu tiếp tục phát triển) 2.1 Kết đạt iv 2.2 Những thiếu sót tồn ĐATN 2.3 Câu hỏi Đánh giá Mục đánh giá TT Điểm tối đa Điểm đạt Hình thức kết cấu ĐATN 30 Đúng format với đầy đủ hình thức nội 10 dung mục Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan đề tài 10 Tính cấp thiết đề tài 10 Nội dung ĐATN 50 Khả ứng dụng kiến thức toán học, khoa học kỹ thuật, khoa học xã hội Khả thực / phân tích / tổng hợp / 10 đánh giá Khả thiết kế chế tạo hệ thống, thành phần, quy trình đáp ứng yêu cầu 15 đưa với ràng buộc thực tế Khả cải tiến phát triển 15 Khả sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành Đánh giá khả ứng dụng đề tài v 10 Sản phẩm cụ thể ĐATN 10 Tổng điểm 100 Kết luận  Được phép bảo vệ  Không phép bảo vệ TP Thủ Đức, ngày tháng năm 2023 GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN (Ký ghi rõ họ tên) vi LỜI CẢM ƠN Quá trình thực đồ án tốt nghiệp giai đoạn xem quan trọng quãng đời sinh viên, tiền đề nhằm trang bị cho chúng em kỹ cần thiết, kiến thức quý báu trước lập nghiệp Trước hết, chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy/cô khoa CKM trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh đặc biệt thầy Nguyễn Văn Thức, thầy Phạm Sơn Minh, thầy Trần Minh Thế Uyên cô Vương Thị Ngọc Hân đã tận tình dạy giúp đỡ cho nhóm em kiến thức, thiết bị cần thiết suốt trình thực đồ án Cảm ơn thầy/cơ đã theo dõi cho nhóm em nhận xét quý báu, chỉnh sửa kịp thời sai sót chúng em mắc phải, giúp chúng em hồn thiện mơn học hồn thiện thân từ làm tảng để chúng em đến ngày hơm hành trang để chúng em vững bước sau Lời cuối cùng, chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, tập thể sinh viên khoa CKM nói chung, sinh viên trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh nói chung, người ln sẵn sàng sẻ chia giúp đỡ học tập sống Xin trân trọng cám ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2023 Nhóm sinh viên thực đồ án vii Độ giãn (%) Độ giãn dài tương đối tổng lực kéo lớn 45 40 35 30 25 20 15 10 32 33 31 34 34 36 37 35 36 38 40 38 10 11 12 Mẫu Hình 4.2.6 Độ giãn dài tương đối tổng lực kéo lớn phương án Độ giãn dài tương đối tổng đứt 70 60 Độ giãn (%) 50 54 52 48 56 56 55 10 57 54 46 41 41 41 40 30 20 10 11 12 Mẫu Hình 4.2.7 Độ giãn dài tương đối tổng đứt phương án 4.2.4 Nhận xét Thông qua việc kiểm tra tổ chức tế vi phần 4.1 ta đã biết điện áp, dòng hàn tốc độ hàn có ảnh hưởng gián tiếp đến kích thước hạt thông qua việc thay đổi tốc độ tới hạn Theo biểu thức Hall – Petch, kích thước hạt nhỏ, giới hạn chảy (còn gọi độ dẻo) giới hạn bền (còn gọi độ bền) cao - Phương án 1, 2, (U= 22V, I = 170A): Dựa vào hình 4.2.3 – 4.2.5 ta thấy phương án có modun đàn hồi cao nhất, đạt 5061 MPa Khi tốc độ hàn tăng lên, modun đàn hồi giảm dần Theo lý thuyết, kích thước hạt nhỏ độ bền độ dẻo cao Phương án có cấp hạt nhỏ 67 phương án, phần lớn đạt cấp 11 phương án có độ bền độ dẻo cao Khi tốc độ hàn tăng dần, giới hạn chảy giới hạn bền giảm dần - Phương án 4, 5, (U= 24V, I = 120A): Khi tốc độ hàn tăng, modun đàn hồi giảm từ 4034 MPa xuống 3757 MPa, sau tăng lên 4492 MPa Phương án có nhiều hạt cấp 10 nên có độ dẻo độ bền thấp Kích thước hạt phương án nhỏ nhất, có lượng hạt cấp 11 12 nhiều phương án lại nên độ dẻo vả độ bền cao nhất, độ giãn dài tương đối lại thấp Phương án có hạt phân bố cấp 9, 10, 11 nên có độ giãn dài tương đối cao - Phương án 7, 8, (U= 24V, I = 170A) Khi tốc độ hàn tăng, modun đàn hồi giảm từ 4955 MPa xuống cịn 3662 MPa Phương án có số hạt đạt cấp 11 nhiều nhất, đạt 1/3 số lượng hạt có độ bền độ dẻo thấp Phương án có 20% số hạt đạt cấp 11 có độ bền độ dẻo lớn nhất, độ giãn dài tương đối nhỏ Phương án đa số hạt đạt cấp 10 nên độ bền độ dẻo thấp phương án 8, có độ giãn dài tương đối gần phương án - Phương án 10, 11, 12 (U= 22V, I = 120A) Khi tốc độ hàn tăng, modun đàn hồi tăng từ 3091 MPa lên 4338 MPa Phương án 10 có nửa số hạt đạt cấp 1/3 số hạt đạt cấp 10 nên giới hạn chảy giới hạn bền thấp Phương án 11 có phần lớn hạt cấp 10 nên giới hạn chảy phương án 10, có giới hạn bền độ biến dạng tương đối lớn Phương án 12 có số lượng hạt cấp 11 12 lớn nên có giới hạn chảy giới hạn bền cao nhất, có độ giãn dài với cấp 10 68 4.2.5 Kiểm tra bề mặt vết đứt mẫu thử sau kéo Trong đồ án sử dụng kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) để quan sát bề mặt vết đứt mẫu thử sau kéo Kính hiển vi điện tử quét SEM sử dụng chùm điện tử electron hội tụ bề mặt mẫu Việc tạo ảnh mẫu vật thực thông qua việc ghi nhận phân tích xạ phát từ tương tác chùm điện tử với bề mặt mẫu vật Hình 4.2.1 thể bề mặt vết đứt mẫu thử sau kéo 12 trường hợp Bề mặt vết đứt thể nhiều vết lõm đồng trục, từ cho thấy tính dẻo tính cứng mẫu thử Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu 69 Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu 10 Mẫu 11 70 Mẫu 12 Hình 4.2.8 Bề mặt vết đứt mẫu thử sau kéo - Trường hợp 1, 2, (U= 22V, I = 170A): Phương án 2, lần lượt tương ứng với f = 300 mm/ph f = 350 mm/ph, cho vết lõm có kích thước gần tương đương Ngược lại, phương án (f = 400 mm/ph) có vết lõm to sâu Điều dự đốn trước mà phương án có độ bền thấp so với trường hợp lại Suy ra, với điện áp 22V dòng hàn 170A, tốc độ nhanh, kích thước vết lõm lớn - Trường hợp 4, 5, (U= 24V, I = 120A): Mẫu cho thấy vết lõm có kích thước nhỏ nông Trường hợp cho thấy vết lõm có kích thước gần giống Như đã đề cập trước đây, phương án có kích thước hạt nhỏ độ bền lớn Suy ra, hàn với điện áp 24V dịng hàn 120A, tốc độ nhanh kích thước vết lõm nhỏ Khi đạt tốc độ tới hạn, tốc độ nhanh vết lõm lớn - Trường hợp 7, 8, (U= 24V, I = 170A): Trường hợp có vết lõm to sâu Ngược lại mẫu có kích thước vết lõm nhỏ Suy ra, hàn với điện áp 24V dòng hàn 170A, tốc độ nhanh kích thước vết lõm nhỏ - Trường hợp 10, 11, 12 (U= 22V, I = 120A): Trường hợp 10 (f = 300 mm/phút) có kích thước hạt lớn độ bền nhỏ nhất, nên có vết lõm lớn Ngược lại, trường hợp 12 (f = 400 mm/phút) có vết lõm nhỏ nơng có kích thước hạt nhỏ Suy ra, hàn với điện áp 22V dòng hàn 120A, tốc độ nhanh kích thước vết lõm nhỏ 71 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN Sau trình thử kéo ta bảng 4.2.4 thể giá trị modun đàn hồi, giới hạn chảy giới hạn bền Ta thấy trường hợp hợp (U = 22 V, I = 170 A, f = 300 mm/phút) trường hợp (U = 24 V, I = 170 A, f = 350 mm/phút) cho kết độ dẻo độ bền kéo lớn Các trường hợp có đặc điểm chung kích thước hạt phân bố tập trung cấp 10 11 Điều chứng tỏ thông số hàn trường hợp tối ưu trường hợp lại Qua kết nghiên cứu cho thấy tốc độ hàn tăng, độ ngấu tăng lên Độ ngấu cao khiến hạt bị nén lại, tạo hạt có kích thước nhỏ Nói cách khác độ ngấu cao, kích thước hạt nhỏ nên độ bền chi tiết cao Khi đạt tới tốc độ tới hạn, độ ngấu giảm nên kích thước hạt tăng, độ bền chi tiết giảm Thí nghiệm cho thấy dịng hàn cao (I = 170 A), chuyển dịch phun xuất với độ ngấu mối hàn không cao Việc tăng điện áp làm thay đổi tốc độ tới hạn phạm vi nhỏ Ngược lại, dòng hàn thấp (I = 120 A), chuyển dịch cầu xuất làm tăng mạnh độ ngấu mối hàn Việc tăng điện áp làm thay đổi tốc độ tới hạn phạm vi lớn Tóm lại, việc thay đổi tốc độ hàn (f) làm tăng giảm độ bền chi tiết in 3D kim loại phụ thuộc vào tốc độ tới hạn Việc thay đổi điện áp hàn (U) dòng điện hàn (I) gián tiếp ảnh hưởng đến độ bền chi tiết thông qua việc thay đổi tốc độ tới hạn Bên cạnh đó, sản phẩm tạo từ phương pháp đáp ứng so với vật liệu khác thép hàm lượng carbon trung bình Sự bất cập - Theo lý thuyết sử dụng phương pháp hàn MAG khơng tạo xỉ hàn, trình thực nghiệm lại xuất xỉ hàn gây ảnh hưởng đến liên kết phân tử - Hệ thống đắp lớp hạn chế - Sai số q trình gia cơng - Chưa theo dõi nhiệt q trình thực - Thơng số hàn chưa thử nghiệm phạm vi lớn - Số lần đo kích thước hạt mẫu cịn hạn chế nên cấp hạt chưa xác - Số lượng mẫu thử cịn dẫn đến độ tin cậy kết chưa cao 72 Giải pháp khắc phục - Yêu cầu máy hàn phải ổn định, công suất lớn - Theo dõi nhiệt trình thực để xem xét rõ thay đổi độ bền thay đổi thông số - Thử nghiệm phạm vi thông số lớn - Số lượng mẫu thử phương án cần nhiều để đảm bảo độ xác 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Alessandro Busachia, John Erkoyuncub, Paul Colegrovec, Filomeno MAGtinac, Chris Wattsd, Richard Drake (2017) A Review of Additive Manufacturing Technology and Cost Estimation Techniques for the Defence Sector Manufacturing Science and Technology Vol 19, p 117-128 [2] MAGco A Velasco, Yadira Lancheros, Diego A Garzón-Alvarado (2016) Geometric and mechanical properties evaluation of scaffolds for bone tissue applications designing by a reaction-diffusion models and manufactured with a material jetting system Journal of Computational Desgin and Engineering, Vol 3, p 385–397 [3] Van Thao Le, Dinh Si Mai, Manh Cuong Bui, Kilian Wasmer, Van Anh Nguyen, Duc Manh Dinh, Van Canh Nguyen, Duong Vu (2022) Influences of the process parameter and thermal cycles on the quality of 308L stainless steel walls produced by additive manufacturing utilizing an arc welding source Welding in the World, Vol 66, p 1565–1580 [4] Lavinia Tonelli, Vittoria Laghi, Michele Palermo, Tomaso Trombetti, Lorella Ceschini (2021) AA5083 (Al–Mg) plates produced by wireandarc additive manufacturing: effect of specimen orientation on microstructure and tensile properties Progress in Additive Manufacturing 6, p 479–494 [5] A Vranić, N Bogojević, S, Ćirić Kostić, D Croccolo, G Olmi (2017) Advantages and Drawbacks of Additive Manufacturing IMK-14-Istrazivanje i razvoj [6] Thapliyal, S (2019) Challenges associated with the wire arc additive manufacturing (WAAM) of aluminum alloys – Mater Res Express 2019, 6, 112006 [7] Edward R.Bohnart (2018) Welding principles and Practices McGraw Hill Education, p 710-717 [8] ASTM-International ISO/ASTM52900-15 Standard Terminology for Additive Manufacturing – General Principles – Terminology; ASTM-International: PA, USA, West Conshohocken, 2015; Volume 3, p 74 [9] ASTM-International Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials ASTM E8/E8M-13, p [10] ASTM-International Standard Test Methods for Determining Average Grain Size ASTM E112-10 [11] TCVN Vật Liệu Kim Loại - Thử Kéo TCVN 197-1:2014 [12] Nguyễn Cơng Chính (2019) Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số hàn đắp đến độ bền kéo lớp đắp (Luận văn Thạc sĩ) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh [13] TS Phạm Sơn Minh, ThS Trần Văn Trọn (2014) Giáo trình Thiết Bị Và Công Nghệ Hàn Cơ Bản NXB Đại Học Quốc Gia, TP Hồ Chí Minh, trang 23 [14] TS Nguyễn Thúc Hà, TS Bùi Văn Hạnh, Th.S Võ Văn Phong (2006) Giáo trình Cơng Nghệ Hàn NXB Giáo Dục, trang 104-109 [15] Nguyễn Văn Thức, Phạm Thị Hồng Nga, Nguyễn Tử Định (2020) Giáo trình Thí Nghiệm Vật Liệu Học NXB Đại Học Quốc Gia, TP Hồ Chí Minh, trang 9-11 [16] Đặng Vũ Ngoạn (2003) Thí nghiệm Vật Liệu Học Và Xử Lý NXB Đại Học Quốc Gia, TP Hồ Chí Minh, trang 40 75 PHỤ LỤC Biểu đồ mục 4.2: Biểu đồ thể lực kéo đứt lực kéo chảy mẫu thử kéo Hình 4.2.9 Biểu đồ lực – vị trí mẫu Hình 4.2.10 Biểu đồ lực – vị trí mẫu Hình 4.2.11 Biểu đồ lực – vị trí mẫu 76 Hình 4.2.12 Biểu đồ lực – vị trí mẫu Hình 4.2.13 Biểu đồ lực – vị trí mẫu Hình 4.2.14 Biểu đồ lực – vị trí mẫu 77 Hình 4.2.15 Biểu đồ lực – vị trí mẫu Hình 4.2.16 Biểu đồ lực – vị trí mẫu Hình 4.2.17 Biểu đồ lực – vị trí mẫu 78 Hình 4.2.18 Biểu đồ lực – vị trí mẫu 10 Hình 4.2.19 Biểu đồ lực – vị trí mẫu 11 Hình 4.2.20 Biểu đồ lực – vị trí mẫu 12 79 S K L 0