GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ in 3D, hay còn gọi là Gia công đắp lớp, đang ngày càng trở nên quan trọng trong nhiều lĩnh vực như sản xuất, y khoa, và kiến trúc Phương pháp này chủ yếu sử dụng vật liệu nhựa để tạo ra các mô hình sản phẩm Tuy nhiên, nhược điểm lớn của in 3D bằng nhựa là sức bền và khả năng chịu nhiệt kém Để khắc phục vấn đề này, công nghệ in 3D kim loại đã ra đời, mang lại giải pháp hiệu quả hơn cho các ứng dụng cần độ bền cao.
Công nghệ in 3D kim loại đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới, nhưng tại Việt Nam, việc tiếp cận công nghệ này vẫn còn hạn chế do chi phí máy móc và vật liệu cao Công nghệ in 3D sử dụng vật liệu dạng tấm trên nền phẳng với hệ thống máy CNC và năng lượng hồ quang của hàn TIG giúp giảm chi phí thiết bị và nguyên vật liệu, đồng thời rút ngắn thời gian chế tạo Điều này tạo điều kiện cho các doanh nghiệp Việt Nam dễ dàng tiếp cận công nghệ, thúc đẩy sự phát triển khoa học kỹ thuật trong nước Tuy nhiên, quá trình đắp lớp liên quan đến hàn có thể gây ra ứng suất dư và biến dạng sản phẩm do nhiệt độ cao, ảnh hưởng đến khả năng tạo hình Vì vậy, đề tài “khảo sát khả năng tạo hình của quá trình in 3D kim loại với vật liệu dạng tấm trên nền phẳng” được thực hiện nhằm nghiên cứu khả năng tạo hình của phương án này.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Khảo sát khả năng tạo hình của các phương pháp in 3D kim loại dạng tấm nhằm phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp Bài viết cũng phát hiện những khó khăn trong công nghệ in 3D kim loại tấm sử dụng máy hàn TIG Kết quả thu thập được sẽ tạo nền tảng cho nghiên cứu và phát triển công nghệ in 3D kim loại với vật liệu dạng tấm trong tương lai.
Phương pháp in 3D kim loại kết hợp máy hàn TIG và máy CNC mang lại sản phẩm với chi phí đầu tư thấp, giúp doanh nghiệp Việt Nam dễ dàng tiếp cận công nghệ in 3D kim loại.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Đề tài “khảo sát khả năng tạo hình của quá trình in 3D kim loại với vật liệu dạng tấm trên nền phẳng” được thực hiện với mục đích:
– Tìm hiểu các thiết bị liên quan đến in 3D kim loại dạng tấm
– Khảo sát khả năng tạo hình bao gồm các thông số: Cường độ dòng điện, chiều dài hồ quang, vận tốc của máy CNC, lượng khí bảo vệ
– Thực nghiệm tạo hình sản phẩm theo nhiều phương án khác nhau, đánh giá ưu nhược điểm cua từng phương án.
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Khảo sát khả năng tạo hình của quá trình in 3D kim loại dạng tấm bằng phương pháp kết hợp máy hàn TIG và máy phay CNC
Nghiên cứu này tập trung vào quá trình đắp lớp bằng phương pháp hàn TIG sử dụng vật liệu thép Mục tiêu chính là khảo sát khả năng tạo hình sản phẩm thông qua công nghệ in 3D kim loại với vật liệu dạng tấm trên bề mặt phẳng, đồng thời tiến hành tổng hợp và phân tích số liệu thu được.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến công nghệ in 3D, công nghệ hàn TIG và máy CNC
Khảo sát tính khả thi và khả năng tạo hình của in 3D kim loại dạng tấm từ nhiều hướng khác nhau giúp phát hiện khó khăn trong quá trình in 3D Qua đó, bài viết cũng chỉ ra các ưu nhược điểm của từng phương án in 3D kim loại, cung cấp cái nhìn tổng quan về công nghệ này.
Giới hạn của đề tài
Chỉ nghiên cứu phôi thép C50 có dạng tấm và trên nền phẳng
Khảo sát đánh giá khả năng tạo hình của quá trình in 3D kim loại với một số phương pháp khác nhau
Sử dụng máy hàn TIG Jasic 250A W227
Kết cấu đồ án
Nội dung đồ án gồm 4 chương sau:
Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu thiết bị in 3D kim loại bằng phương pháp hàn trong và ngoài nước
Tổng quan về công nghệ in 3D kim loại và tình hình nghiên cứu ở trong và ngoài nước
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Trình bày các yếu tố, thông số ảnh hưởng đến quá trình in 3D kim loại
Chương 4: Mô hình thực nghiệm
Trình bày các thiết bị hỗ trợ cho quá trình thực nghiệm
Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả
Trình bày quá trình thực nghiệm và đánh giá kết quả thực nghiệm
TỔNG QUAN
Công nghệ in 3D
Công nghệ in 3D, hay còn gọi là công nghệ tạo mẫu nhanh, là phương pháp in 3D với nhiều loại sản phẩm và vật liệu khác nhau như khối, lỏng và bột bụi Mỗi loại vật liệu có các phương pháp in riêng, bao gồm in bằng đùn ép nhựa, cắt laser và dụng cụ cắt, với hai dạng in chính là từ dưới lên và từ trên xuống.
Công nghệ in 3D, ra đời vào năm 1998, đã nhanh chóng trở thành một lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng quan trọng trong ngành cơ khí công nghệ cao và nhiều lĩnh vực khác Nhờ khả năng sản xuất nhanh chóng, in 3D cho phép sử dụng đa dạng vật liệu như photopolimer, giấy, gỗ và kim loại để tạo khuôn mẫu Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong các ngành như nhựa, kim hoàn, giày dép, ô tô, xe máy và thiết bị dân dụng Đặc biệt, trong y học, in 3D được sử dụng để chế tạo mô hình y học, các bộ phận cấy ghép thay thế xương và công cụ hỗ trợ phẫu thuật.
2.1.1 Sơ lược các giai đoạn phát triển:
Stereolithography Apparatus (SLA) được phát triển từ những năm 1980 và đến năm 1994, đã được thương mại hóa bởi Công ty 3Dsystems tại Hoa Kỳ, đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong công nghệ tạo hình lập thể.
− Từ 1994-1997, thiết bị kỹ thuật và công nghệ RPM phát triển theo hướng hoàn thiện;
− Từ 1997 đến nay, triển khai ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới
Công nghệ in 3D đã xuất hiện tại Việt Nam hơn 20 năm, nhưng do chi phí vật liệu còn cao, nên việc ứng dụng vẫn hạn chế Hiện nay, công nghệ này chủ yếu được sử dụng trong nghiên cứu và giảng dạy.
2.1.2 Các phương pháp cơ bản:
Trên toàn cầu, hơn 30 công nghệ chế tạo mẫu nhanh đang được áp dụng và thương mại hóa Các công nghệ in 3D này đều có chung nguồn năng lượng và nguyên vật liệu Chúng có thể được phân loại thành ba nhóm chính dựa trên đặc điểm vật liệu sử dụng: công nghệ sử dụng vật liệu dạng bột, lỏng và rắn.
Các ngành công nghệ chế tạo mẫu nhanh có thể được phân chia thành nhiều nhóm khác nhau, mỗi nhóm sở hữu những ưu điểm và nhược điểm riêng, cũng như giới hạn phù hợp với các ứng dụng cụ thể Việc lựa chọn công nghệ phù hợp phụ thuộc vào tính chất sử dụng và các yêu cầu đã được đặt ra Những công nghệ này đã đóng góp quan trọng cho lĩnh vực chế tạo mẫu nhanh và giữ vai trò thiết yếu trong quá trình sản xuất công nghiệp hiện đại.
Công nghệ tạo mẫu nhanh Stereo Lithography Apparatus (SLA) đã được áp dụng từ cuối những năm 1980 và vẫn giữ được tính ứng dụng cao đến nay SLA hoạt động dựa trên nguyên lý chiếu một chùm tia laser vào bể chứa chất lỏng epoxy cao su cảm quang, tạo ra các lớp đông tương ứng với từng mặt cắt ngang của mẫu thông qua hiện tượng polymer hóa.
Công nghệ Laminated Object Manufacture (LOM) sử dụng tia laser CO2 để cắt các tấm vật liệu mỏng theo đường biên của mẫu trên mỗi mặt cắt Sau đó, keo trên các mặt được dán lại với nhau nhờ nhiệt độ cao, khi các tẩm chảy ở nhiệt độ này Phương pháp LOM rất phù hợp cho việc sản xuất các mẫu có kích thước lớn.
Công nghệ Selective Laser Sintering (SLS) hoạt động dựa trên nguyên lý sintering chọn lọc, sử dụng tia laser CO2 để nung nóng bột nguyên liệu SLS nổi bật với tính linh hoạt, cho phép dễ dàng tìm kiếm nguyên vật liệu và có khả năng uốn cong cao.
Công nghệ Fused Deposition Modeling (FDM) không sử dụng tia laser mà thay vào đó, sử dụng đầu ép phun CNC để đùn chất dẻo từ nguồn vật liệu, tạo thành từng mặt cắt của mẫu Phương pháp này mang lại giá trị thương mại cao, cho phép sản xuất các sản phẩm với độ chính xác và chi phí hợp lý.
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của phương pháp FDM e) Solid Ground Curing (SGC): Đây là công nghệ khác biệt vì nó có độ phức tạp nhất
Công nghệ SGC sử dụng vật liệu lỏng nhạy sáng và tia cực tím để chiếu qua tấm phim âm bản, tương ứng với hình dạng của mẫu ba chiều đã được tạo ra Khi ánh sáng cực tím tác động, lớp vật liệu với độ dày xác định sẽ đông cứng lại.
Công nghệ in 3D (3DP) hoạt động dựa trên nguyên lý của máy in, sử dụng vật liệu bột để chế tạo sản phẩm Quá trình này bao gồm việc phun một loại keo kết dính lên lớp bột, giúp tạo sự kết dính giữa các hạt bột và giữa các lớp với nhau.
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của phương pháp 3DP 2.1.3 Vật liệu tạo mẫu
Yêu cầu đối với vật liệu tạo mẫu trong công nghệ in 3D:
Khả năng hóa dẻo của vật liệu cho phép nó chuyển từ trạng thái rắn sang dạng dẻo khi chịu tác động của nhiệt độ cao Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc định hình và điều chỉnh thể tích của vật liệu theo yêu cầu, đồng thời quyết định độ dày của từng lớp trong quá trình tạo hình.
Sau khi trải qua quá trình sấy và định hình, vật liệu sẽ đông cứng khi tiếp xúc với nhiệt độ phòng Thời gian đông cứng nhanh giúp đạt được độ cứng cao, đảm bảo mẫu thiết kế cuối cùng có độ chính xác tối ưu.
Vật liệu cần có khả năng liên kết tốt giữa các lớp mỏng trong quá trình tạo mẫu, điều này rất quan trọng để đảm bảo tính cơ và độ cứng của sản phẩm khi hoàn thành.
Công nghệ in 3D kim loại
Công nghệ in 3D đang nổi bật với nhiều ưu điểm và được xem là tương lai của ngành công nghệ chế tạo máy Đây là một bước tiến quan trọng trong ngành công nghiệp trị giá hàng trăm tỷ đô la Nhiều công ty lớn hiện đang đầu tư mạnh vào nghiên cứu và phát triển công nghệ in 3D, đặc biệt là khai thác tiềm năng của in 3D kim loại.
Lợi thế của in 3D từ kim loại:
− Sản xuất trực tiếp từ file 3D CAD
− Thiết kế mẫu 3D theo ý cá nhân mình
− Hình dáng và kích thước dễ dàng chỉnh sửa
− Giúp giảm chi phí và tăng năng suất trong các doanh nghiệp sản xuất
In 3D kim loại phổ biến nhất là 2 công nghệ: FDM và SLM
2.2.1 Công nghệ in 3D kim loại FDM
Hình 2.7: Máy in 3D FDM Flashforge Creator 3
Công nghệ in 3D FDM (Fused Deposition Modeling) sử dụng vật liệu đầu vào là kim loại dạng sợi hoặc dạng cây, được gia nhiệt đến nhiệt độ nóng chảy Quá trình này cho phép đắp lên nhiều lớp kim loại, từ đó tạo ra sản phẩm in 3D kim loại chất lượng cao.
Hình 2.8: Quy trình in 3D bằng công nghệ FDM a) Ưu điểm của công nghệ in 3D FDM
Công nghệ in 3D FDM nổi bật với chi phí thấp và vật liệu giá rẻ, đồng thời máy in có thiết kế đơn giản và tiết kiệm năng lượng Những ưu điểm này giúp rút ngắn thời gian tạo mẫu Với kích thước nhỏ gọn, máy in 3D FDM có thể hoạt động hiệu quả trong không gian hạn chế, dễ dàng di chuyển và tháo lắp.
Công nghệ in 3D FDM cho phép tạo ra nhiều mẫu với nhiệt độ vật liệu khác nhau và màu sắc đa dạng, làm cho quá trình in trở nên trực quan hơn và giúp các chi tiết trở nên rõ ràng hơn.
Công nghệ in 3D FDM mang lại lợi ích cho người thiết kế bằng cách giúp họ đánh giá chất lượng sản phẩm một cách hiệu quả và cải thiện quy trình sửa chữa nhanh chóng, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc Tuy nhiên, công nghệ này cũng có những nhược điểm cần được xem xét.
− Tuy nhiên, một nhược điểm đáng chú ý của công nghệ in FDM là khả năng liên kết không đồng đều, gây hiện tượng tách lớp trong sản phẩm in
− Độ phân giải và độ mịn bề mặt của sản phẩm in cũng bị ảnh hưởng
Máy in nhỏ gọn có hạn chế khi in sản phẩm lớn, dẫn đến tốc độ chậm do sử dụng vật liệu có diện tích nhỏ, không phù hợp cho sản xuất hàng loạt.
− Công nghệ in FDM ít được sử dụng trong việc lắp ghép do độ chính xác không cao
12 c) Vật liệu dùng để in
Hình 2.10: Dây inox d) Sản phẩm
Hình 2.11: Một số sản phẩm được in dùng công nghệ in 3D kim loại bằng phương pháp FDM
2.2.2 Công nghệ in 3D kim loại SLM
Hình 2.12: Mô hình công nghệ in 3D SLM
Công nghệ làm nóng chảy kim loại bằng tia Laser (Selective Laser Melting Technology) sử dụng tia laser cường độ cao để làm nóng chảy từng lớp hạt bụi kim loại, tạo ra các chi tiết phức tạp mà không cần đến dao cụ cắt gọt hay máy móc CNC Ưu điểm của công nghệ in 3D SLM bao gồm khả năng sản xuất các hình dạng phức tạp, giảm thiểu lãng phí vật liệu và tiết kiệm thời gian trong quá trình chế tạo.
Vật liệu in 3D kim loại được sử dụng tối đa, giúp giảm chi phí vật liệu Sau khi hoàn thành quá trình in 3D, một phần vật liệu có thể được tái sử dụng, tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và giảm lãng phí.
− Việc sử dụng triệt để vật liệu (~95%) giúp bạn tiết kiệm được nhiều vật liệu hơn so với gia công truyền thống và tiết kiệm chi phí
− Các chi tiết in 3D kim loại có mật độ hạt kim loại gần đạt 100%, đảm bảo độ cứng vững và tính bền, cơ tính tốt của các chi tiết
Công nghệ in 3D kim loại SLM ngày càng được ưa chuộng nhờ khả năng tạo ra sản phẩm cứng cáp và bề mặt hoàn thiện đẹp mắt Tuy nhiên, công nghệ này cũng tồn tại một số nhược điểm cần được xem xét.
− Chi phí tương đối cao c) Qui trình in bằng 3D SLM [12]
Quy trình in 3D kim loại bằng công nghệ SLM bắt đầu bằng việc nung nóng thùng bột đến một nhiệt độ nhất định Sau đó, vòng phun sẽ quét một lớp bột mỏng khoảng 0.1mm lên khay đỡ.
Bước 2: Tia laser sẽ chiếu sáng lên bề mặt, tác động để làm đông cứng lớp bột theo thiết kế từ CAD, tạo ra một mặt cắt ngang chính xác.
Trong bước 3, khay đỡ sẽ hạ xuống một độ dày tương ứng với một lớp in, giữ lại bột chưa bị làm cứng để hỗ trợ các lớp tiếp theo, cho phép tạo ra các chi tiết phức tạp mà không cần vật liệu hỗ trợ Vòi phun sẽ quét một lớp bột mới lên lớp bột đã được quét trước đó, sau đó chùm tia laser sẽ tạo liên kết giữa bột mới và lớp mặt cắt đã đông cứng Quá trình này được lặp lại cho đến khi sản phẩm hoàn thiện.
Hình 2.18: Bột đồng e) Sản phẩm [12]
Công nghệ in 3D kim loại bằng phương pháp hàn
Công nghệ in 3D kim loại hiện nay có nhiều phương pháp như SLM, EBM, LOM và FDM, mỗi phương pháp đều mang lại hiệu quả kinh tế cao và dễ tiếp cận cho doanh nghiệp Trong đó, công nghệ in 3D kim loại bằng phương pháp hàn (FDM) được ưa chuộng nhờ khả năng tạo ra máy in 3D đơn giản, chi phí thấp và tiết kiệm năng lượng Thời gian tạo mẫu được rút ngắn đáng kể, cùng với khả năng sử dụng đa dạng vật liệu, giúp công nghệ này có tiềm năng phát triển cao và ứng dụng rộng rãi trong các doanh nghiệp cả trong nước và quốc tế.
2.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam,chưa có nhiều nghiên cứu thử nghiệm và chế tạo máy theo hướng in 3D kim loại, ít tài liệu thảo luận và đi sâu vào việc thực thi ý tưởng này mà mới chỉ dừng lại ở
Máy in 3D kim loại hiện đang được ứng dụng rộng rãi trên toàn cầu, với nhiều công nghệ tiên tiến tương tự có mặt ở nước ngoài Những thiết bị này có khả năng sản xuất các sản phẩm phức tạp, từ linh kiện cơ khí đến các chi tiết trong ngành hàng không và y tế Việc so sánh với các máy móc quốc tế giúp hiểu rõ hơn về tiềm năng và ứng dụng đa dạng của máy in 3D kim loại trong sản xuất hiện đại.
2.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Đến thời điểm hiện tại, đã có nhiều nghiên cứu và thử nghiệm về việc kết hợp công nghệ in 3D kim loại và phương pháp hàn Một số công trình và dự án tiêu biểu trên thế giới đã được thực hiện, đóng góp vào phát triển của công nghệ này
Công nghệ in 3D kim loại bằng phương pháp hàn đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trên toàn cầu, mang lại tiềm năng lớn cho ngành công nghiệp Công nghệ này không chỉ giúp giải quyết các thách thức trong sản xuất mà còn tạo ra sản phẩm chất lượng cao và giảm chi phí gia công Những lợi ích nổi bật bao gồm khả năng đa dạng hóa sản phẩm, tiết kiệm vật liệu và thời gian, đồng thời tăng cường tính linh hoạt và hiệu suất trong quy trình sản xuất Hơn nữa, công nghệ này mở ra nhiều cơ hội phát triển trong các lĩnh vực công nghiệp và sáng tạo.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Công nghệ phay CNC 3 trục
Trong các máy công cụ thao tác bằng tay, việc điều chỉnh và điều khiển dao, cũng như thay đổi vận tốc của các bộ phận, thường mất nhiều thời gian do phụ thuộc vào con người Sự không nhất quán trong khả năng lặp lại hành động và năng suất làm việc của con người dẫn đến độ chính xác thấp trong gia công Để khắc phục vấn đề này, phương pháp gia công tự động với công nghệ điều khiển số đã được áp dụng nhằm giảm thời gian hao phí và tăng tính ổn định Tuy nhiên, trong trường hợp sản xuất với số lượng nhỏ, phương pháp gia công cổ điển có thể hiệu quả hơn do tiết kiệm thời gian trong thiết kế và điều chỉnh.
Máy công cụ điều khiển bằng chương trình số, hay còn gọi là máy NC (Numerical Control), là một công nghệ quan trọng trong gia công cơ khí Ở thế hệ đầu tiên, máy NC sử dụng cáp logic trong hệ thống điều khiển, với phương pháp điều khiển theo điểm và đoạn thẳng, không có mối quan hệ hàm số giữa các chuyển động tọa độ Hệ thống điều khiển này mang tính "cứng", dẫn đến việc chương trình đơn giản và chỉ có khả năng gia công những chi tiết cơ bản như lỗ và các đường thẳng song song với chuyển động của máy.
Các thế hệ máy NC hiện nay đã tích hợp các cụm vi tính và bộ vi xử lý, cho phép điều khiển hoàn toàn “mềm” Phương pháp điều khiển theo đường biên tạo ra mối quan hệ hàm số giữa các chuyển động tọa độ Những máy NC này được gọi là CNC (Computer Numerical Control), với chương trình được soạn thảo tỉ mỉ, cho phép gia công các chi tiết có hình dáng phức tạp Hiện nay, máy CNC đã trở nên phổ biến trong ngành công nghiệp.
3.1.1 Mô hình khái quát máy phay CNC
Hình 3.1: Mô hình khái quát một máy phay CNC Phần chấp hành: [14]
− Bộ phận chấp hành gồm thân, đế máy, bàn máy, trục chính, ụ trục chính, trục vít me, đai ốc, ổ tích dụng cụ,…
Có 2 loại cụm điều khiển chính trên máy phay CNC
Cụm điều khiển MCU là trái tim của máy CNC, với bàn phím chữ và số cho phép nhập dữ liệu trực tiếp hoặc thủ công (MDI) các chương trình gia công Lệnh CNC được thực hiện trong bộ điều khiển sẽ điều khiển mô tơ quay đúng số vòng cần thiết, từ đó khiến trục vít me bi quay tương ứng và tạo ra chuyển động thẳng cho bàn máy và dao.
Cụm dẫn động là tập hợp các thành phần như động cơ, cảm biến phản hồi, phần tử điều khiển, khuếch đại và hệ dẫn động, có nhiệm vụ liên kết các chức năng để điều khiển máy Các chức năng này bao gồm: số liệu vào (Data input), xử lý số liệu (Data processing), số liệu ra (Data output) và ghép nối vào (Machine I/O interface) Phần cứng điều khiển bao gồm 6 thành phần cơ bản: máy tính CPU, bộ nhớ RAM, ROM, hệ thống BUS, điều khiển trình tự PMC, điều khiển SERVO và bộ phận ghép nối.
3.1.2 Hệ trục tọa độ máy phay CNC a) Hệ tọa độ trên máy:
Hình 3.2: Hệ tọa độ trên máy phay CNC
Trục X ảo song song với cạnh trước của bàn máy, trục Y ảo nằm song song vởỉ cạnh bên của bàn máy, trục Z đứng vởi bàn máy
Giá trị trục Z giảm khi di chuyển hướng dao xuống phía phôi, giá trị sẽ tăng khi di chuyển theo hướng ngược lại
Hệ tọa độ với chương trình tuyệt đối xác định gốc tọa độ ảo trên chuẩn máy M, tiếp theo là chuẩn offset trên chuẩn chi tiết W Mỗi điểm trong hệ tọa độ này được mô tả thông qua việc chỉ định riêng từng trục X, Y và khoảng cách Z.
Hệ tọa độ với chương trình tương đối: Gốc của hệ tọa độ ảo nằm trên điểm tham chiếu
N hoặc ở đỉnh dưới mặt đỉnh dao khi gọi dao.Với chương trình tương đối đường chạy dao hiện tại được mô tả từ điểm đến điểm
Hình 3.3: Các chuẩn trên máy phay CNC M: Điểm chuẩn máy
Một điểm tham chiểu khổng thay đổi được thiết lập bởi nhà chế tạo
Từ điểm này toàn bộ máy được đo
"M” là hệ tọa độ gốc của máy
Một vị trí trong vùng làm việc của máy, vị trí này được xác định chính xác bởi một giới hạn
Máy sẽ trở về chuẩn này sau mỗi lần mất điện
N: Chuẩn tham chiếu của dao Điểm bắt đầu cho phép đo của dao N là điểm tồn tại ảo trên hệ thống các cán dao và được qui định bởi nhà chế tạo
W: Chuẩn chỉ tiết Điểm bắt đầu cho kích thước trong từng phần chương trình Có thể được thiết lập tự do bởi người lập trình và được di chuyển như ý muốn bên trong từng phần chương trình
Công nghệ hàn TIG
3.2.1 Khái niệm và nguyên lý hàn TIG
Hàn TIG, viết tắt của "Tungsten Inert Gas", là một quá trình hàn hồ quang sử dụng khí trơ để bảo vệ mối hàn, với điện cực làm từ vonfram không nóng chảy Để bảo vệ vùng hồ quang khỏi không khí bên ngoài, quá trình này sử dụng các loại khí trơ như Argon (Ar), Heli (He), hoặc sự kết hợp giữa Argon và Heli, cũng như Argon và Hidro Nhiệt lượng từ hồ quang giữa điện cực và vật hàn sẽ làm nóng chảy kim loại, tạo ra mối hàn bền vững.
Hình 3.4: Sơ đồ cấu tạo máy hàn TIG Cấu tạo máy hàn TIG [15]
- Bình khí và van điều chỉnh áp
Hình 3.5: Bình khí và van điều chỉnh áp
+ Bộ biến dòng có sơ đồ sau:
Hình 3.6: Sơ đồ bộ biến dòng
+ Bộ biến dòng có hồi tiếp:
Hình 3.7: Bộ biến dòng hồi tiếp
+ Bộ biến dòng theo kiểu Inverter:
Hình 3.8: Bộ biến dòng inverterMỏ hàn và kẹp mass
Hình 3.9: Cấu tạo mỏ hàn
- Ngoài những bộ phận trên máy hàn còn có các bộ phận khác, như:
+ Một số máy còn có bộ điều khiển dòng bằng chân
Nguyên lý hoạt động của máy hàn TIG [15]
Trong hàn TIG, hồ quang giữa điện cực và vật hàn tạo ra nhiệt lượng làm nóng chảy kim loại Tùy thuộc vào kích thước mối hàn, kim loại bù có thể không cần thiết Các kim loại nóng chảy, điện cực Vonfram và vùng hàn được bảo vệ khỏi không khí bên ngoài nhờ dòng khí trơ Hiện nay, khí trơ thường sử dụng là Argon, Heli, hoặc hỗn hợp của cả hai.
Hình 3.10: Sơ đồ hoạt động hàn Tig
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy hàn điện tử hàn tig Ưu điểm
Hàn TIG có khả năng hàn tất cả các loại kim loại từ mỏng đến dày nhờ vào phạm vi điều chỉnh thông số hàn rộng, từ vài ampe đến hàng trăm ampe Phương pháp này không sử dụng thuốc hàn, do đó không tạo ra xỉ, và điện cực không nóng chảy, giúp nguồn điện tập trung đạt nhiệt độ cao Việc quan sát vũng chảy hồ quang cho phép kiểm soát độ ngấu và hình dạng vũng hàn một cách dễ dàng.
Hàn TIG yêu cầu sử dụng que hàn phụ và khí Argon, dẫn đến chi phí đầu tư thiết bị cao Cường độ hồ quang mạnh tạo ra lượng tia cực tím lớn, ảnh hưởng đến sức khỏe của người thợ hàn.
3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hàn
Khí bảo vệ không chỉ có chức năng che chắn vũng hàn và Vonfram khỏi khí trong khí quyển mà còn ảnh hưởng đến đặc tính mối hàn Trong hàn TIG, ba loại khí bảo vệ phổ biến là Argon, Helium và hỗn hợp giữa Argon và Helium, và chúng có thể được áp dụng cho tất cả các loại vật liệu.
Khí Argon tạo ra hồ quang ban đầu ở tần số cao hơn nhờ vào khả năng ion hóa thấp, giúp duy trì hồ quang ổn định hơn so với khí Helium.
Khí Helium tạo ra nhiệt độ đầu cao, giúp tăng độ ngấu và hỗ trợ tạo ra hồ quang rộng, đặc biệt hiệu quả khi hàn vật liệu dày Tuy nhiên, cần lưu ý rằng hồ quang ban đầu có thể không ổn định.
– Hỗn hợp Argon và Helium thường được sử dụng để có nhiệt độ cao do Helium và tạo ra hồ quang ổn định của Argon
Hình 3.12: Khí Helium và Argon trong hàn TIG Lưu lượng khí bảo vệ [16]
Hình 3.13: Lưu lượng khí bảo vệ
Sự lựa chọn lưu lượng khí tùy vào điều kiện môi trường Lưu lượng hàn TIG thường từ
10 đến 35 feet khối mỗi giờ (cfh) Lưu lượng khí được điều chỉnh dễ dàng bằng van giảm áp, đồng hồ khí
Chụp sứ, hay còn gọi là chụp khí, có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau, cho phép tạo ra các dòng khí và chiều dài dòng chảy tầng đa dạng Đường kính của chụp sứ càng lớn thì dòng chảy càng ổn định Có ba hình dạng chụp sứ chính: thẳng, hội tụ và phân tán, trong đó hình dạng hội tụ tạo ra dòng chảy dài nhất Điện cực hàn thường được làm bằng wolfram nhờ vào khả năng chịu nhiệt tốt, với nhiệt độ nóng chảy lên đến 3410℃, khả năng phát xạ điện tử tương đối tốt, giúp ion hóa hồ quang và duy trì tính ổn định của hồ quang, đồng thời có tính oxy hóa cao.
Trong hàn Tig, có nhiều loại điện cực phổ biến như điện cực pure (sơn màu xanh lá), chứa 99.5% wolfram nguyên chất, giá thành rẻ, nhưng khả năng chống nhiễm bẩn kém, phù hợp cho hàn nhôm với dòng AC Điện cực Thorium (sơn màu đỏ) chứa 1-2% Thorium, cho dòng hàn cao, dễ mồi và ổn định, thích hợp cho hàn thép hoặc inox với dòng DC Điện cực Ziconium (sơn màu nâu) có chứa 0.15 đến 0.4% zirconium, cung cấp chất lượng dòng hàn trung gian, lý tưởng cho hàn nhôm với nguồn AC và không có tính phóng xạ Cuối cùng, điện cực Cerium (sơn màu cam), chứa 2% Cerium, không phóng xạ, dễ mồi và có độ bền cao, có thể sử dụng tốt với cả dòng AC và DC, tương tự như điện cực Lathanum.
Hình 3.14: Một số loại điện cực Để sử dụng điện cực một cách hiệu quả cần lưu ý:
Khi lựa chọn dòng điện cho điện cực, cần đảm bảo rằng dòng điện phù hợp với loại điện cực được sử dụng Dòng điện quá cao có thể gây hỏng hóc cho điện cực, trong khi dòng điện quá thấp sẽ dẫn đến sự hình thành hồ quang không ổn định.
– Đầu điện cực phải được mài phù hợp với chức năng sử dụng
– Điện cực phải được sử dụng và bảo quản cẩn thận, tránh nhiễm bẩn
– Dòng khí bảo vệ phải được duy trì không chỉ trước và trong khi hàn mà cả sau khi ngắt hồ quang cho đến khi điện cực nguội
– Phần điện cực nhô ra phía ngoài mỏ hàn phải được để ở mức ngắn nhất có thể đê đảm bảo được khí bảo vệ
Mỏ hàn có 3 nhiệm vụ chính:
– Cung cấp khí bảo vệ và làm nguội điện cực
– Bảo đảm dòng điện hàn liên tục và ổn định
Hàn TIG tạo ra nhiệt độ cao, do đó dây dẫn thường có đường kính nhỏ và chỉ chịu được mật độ dòng điện thấp Khi hàn với dòng điện cao, cần chờ cho dây dẫn nguội trước khi tiếp tục Các mỏ hàn được thiết kế để khí lưu thông quanh dây dẫn điện, giúp làm mát dây và đồng thời làm nóng khí.
Nguồn điện hàn TIG đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện cho quá trình hàn, với chức năng biến đổi điện áp, nắn dòng và tạo xung Nó có khả năng cung cấp dòng hàn một chiều, xoay chiều hoặc cả hai, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể Nguồn điện hàn thường bao gồm biến áp, chỉnh lưu hoặc máy phát hàn, và cần có đường đặc tính ngoài dốc để đảm bảo hiệu suất Để tăng tốc độ ổn định hồ quang, điện áp không tải cần đạt từ 70 đến 80V Bộ phận điều khiển đi kèm với nguồn điện hàn bao gồm các thiết bị như contacto ngắt dòng, bộ gây hồ quang tần số cao, và bộ điều khiển tuần hoàn nước làm mát, cùng với hệ thống cánh tản nhiệt và quạt làm mát, cũng như bộ khống chế thành phần dòng một chiều.
– Nguồn điện xoay chiều (AC)
Hàn nhôm, magie và hợp kim của chúng yêu cầu kỹ thuật đặc biệt Trong quá trình hàn, nửa chu kỳ dương của điện cực giúp loại bỏ lớp oxit trên bề mặt, trong khi nửa chu kỳ âm làm nóng kim loại cơ bản.
– Nguồn điện một chiều (DC)
Để ngăn ngừa Wolfram lẫn vào mối hàn hoặc hiện tượng tự nắn dòng khi hàn nhôm bằng dòng xoay chiều, cần chú ý đến quy trình hàn Hầu hết các máy hàn một chiều sử dụng phương pháp nối thuận, giúp 2/3 lượng nhiệt của hồ quang được truyền vào vật hàn hiệu quả hơn.
3.2.3 Vận hành, sử dụng thiết bị hàn TIG Đấu nối nguồn điện: [19]
– Cắm nguồn điện cho máy, trước khi cắm đảm bảo là máy hàn đã tắt
Khi nối cáp hàn, cần đảm bảo tất cả các mối nối điện đều sạch sẽ và kín để tránh rủi ro Cáp dẫn nên được bố trí ở vị trí an toàn, tránh xa tia lửa hồ quang và không cản trở đường đi của thợ hàn để hạn chế nguy cơ bị giẫm lên.
Nối thiết bị cấp khí [19]
MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
Máy CNC
Máy CNC được thiết kế, chế tạo và lắp ráp bởi giảng viên và sinh viên trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật trong suốt quá trình thực nghiệm này.
Máy CNC có khả năng di chuyển 3 trục, với:
– Trục X: di chuyển trái phải, chiều dương hướng về phía bên phải
– Trục Y: di chuyển ra vào, chiều dương hướng ra ngoài phía người vận hành
– Trục Z: di chuyển lên xuống, chiều dương hướng lên trên
Máy CNC trong đề tài này hỗ trợ việc di chuyển hồ quang và đảm bảo hồ quang di chuyển với tốc độ mong muốn trong quá trình in 3D, từ đó nâng cao độ tin cậy của kết quả thực nghiệm.
Nguồn hàn
Máy hàn cung cấp dòng hàn liên tục, tạo ra hồ quang nóng chảy kim loại trong suốt quá trình in 3D Đề tài này sử dụng máy hàn Jasic 250A W227
Súng hàn TIG là thiết bị dẫn dòng điện từ máy hàn và khí trơ từ bình bảo vệ đến khu vực cần tác động Bên trong súng, điện cực Vonfram được giữ cố định bằng chụp kẹp kim hàn và thân giữ kẹp kim hàn, được vặn chặt bằng đuôi súng Chụp sứ có vai trò định hình dòng chảy, trong khi công tắc được sử dụng để bật tắt hồ quang.
Hình 4.3: Cấu tạo súng hàn
Nguồn khí bảo vệ bao gồm van điều chỉnh áp suất và bình khí bảo vệ, trong đó bình khí lưu trữ khí Argon, loại khí được chọn vì khả năng tạo ra hồ quang ổn định, đảm bảo sự ổn định trong quá trình thực nghiệm Van điều chỉnh áp suất có chức năng điều chỉnh áp suất và lưu lượng khí cung cấp trong quá trình khảo sát.
Phôi
Thép C50 là loại thép có hàm lượng carbon cao và tổ chức đồng đều, giúp tăng cường khả năng chịu lực và va đập Với thành phần hóa học ưu việt, thép C50 có khả năng chịu nhiệt và chống oxy hóa tốt Ngoài ra, loại thép này còn bền bỉ trước tác động của khí hậu, không bị ảnh hưởng hay mài mòn.
Bảng 4.1: Thành phần hóa học của thép C50
Bảng 4.2: Cơ tính của thép C50 Độ bền kéo Độ bền uốn Độ dãn dài
Chọn thép C50 cho đề tài này vì thép có những đặc tính tốt và giá thành phù hợp
Trong quá trình thực nghiệm, phôi thép C50 được sử dụng, được dập từ máy dập cắt hoặc cắt bằng công nghệ cắt laser Nhằm tối ưu chi phí cho đồ án, nhóm nghiên cứu đã chọn 3 loại đế: 150x150x2 mm để kiểm tra các thông số ảnh hưởng trên một lớp, 200x200x20 mm để khảo sát khả năng tạo hình của quá trình in 3D khi hàn đắp nhiều lớp mà không có hệ thống làm mát, và 200x200x30 mm làm đế làm mát Bên cạnh đó, các lớp sản phẩm và miếng thử cũng được cắt laser theo kích thước đã thiết kế.
Hình 4.5: Bản vẽ đế 150x150x2 (mm)
Hình 4.6: Bản vẽ đế 200x200x20 (mm)
Hình 4.7: Bản vẽ đế 200x200x30 (mm)
THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Lên ý tưởng và thiết kế sản phẩm
- Sản phẩm được nhóm lên ý tưởng khảo sát là mô hình kênh giải nhiệt 3D dùng để đưa đường nước bám sát vào lòng khuôn để giải nhiệt
- Cắt laser từng lớp của sản phẩm theo bản vẽ: a) b) c) d) e) f)
Hình 5.8: Phôi thực tế sau khi cắt laser a) Lớp A; b) Lớp B; c) Lớp C; d) Lớp D; e) Lớp E; f) Lớp F
Hình 5.9: Sản phẩm dự kiến a) Lớp A; b) Lớp B; c) Lớp C; d) Lớp D; e) Lớp E; f) Lớp F
Các phương án in 3D kim loại tấm
Phương án 1: Thổi chảy lần lượt hết từng lớp phôi đã cắt laser trên nền phẳng để tạo thành sản phẩm, không có hệ thống giảm nhiệt
Phương án 2: Thổi chảy lần lượt từng lớp phôi đã cắt laser trên nền phẳng để tạo thành sản phẩm, có hệ thống làm mát dưới đế nền phẳng
Phương án 3: Tạo thành sản phẩm bằng cách hàn liên kết bốn biên của các lớp laser lại với nhau.
Khảo sát tính khả thi của từng phương án
Các thông số ảnh hưởng đến quá trình in 3D kim loại tấm bao gồm:
– Cường độ dòng điện I (Ampe) do máy hàn tạo ra
– Tốc độ di chuyển hồ quang F (mm/phút) được thực hiện bởi máy CNC
– Chiều dài hồ quang L (mm) là khoảng cách giữa điện cực Vonfram và phôi được để ở khoảng 1,8~2 (mm) để tạo ra hồ quang ổn định
– Lượng khí bảo vệ luôn luôn để ở mức ≥10 (L/phút) để duy trì nguồn hồ quang ổn định trong suốt quá trình nóng chảy kim loại
Phôi dày giúp tiết kiệm thời gian trong quá trình in 3D, với bề dày 2 mm, đây là kích thước tối đa mà nguồn hàn Jasic 250A W227 có thể xử lý.
5.3.1 Phương án 1: Thổi chảy lần lượt hết từng lớp phôi đã cắt laser trên nền phẳng để tạo thành sản phẩm, không có hệ thống giảm nhiệt
Quá trình thử nghiệm thông số:
Sau nhiều lần thử nghiệm, chúng tôi nhận thấy rằng với tốc độ F = 40 mm/phút và dòng điện I = 160~180 Ampe, đường hàn đạt được độ đẹp và ổn định tương đối Cụ thể, thông số F40, 170A cho ra kết quả hàn với vảy hàn đẹp, chiều rộng vũng chảy lớn khoảng 10 mm, vượt trội hơn so với chiều rộng các cạnh sản phẩm và ổn định hơn cả Do đó, nhóm đã quyết định chọn thông số này để tiến hành khảo sát.
Sản phẩm được thiết kế với nhiều lớp đặc biệt, trong đó kim loại được thổi chảy mà không có nền đỡ phía dưới Do đó, cần tiến hành thử nghiệm để xác định số lớp kim loại có khả năng chịu đựng được F40, 170A.
Hình 5.18: Một số lớp đặc biệt
Hình 5.19: Thử nghiệm số lớp kim loại chịu được F40, 170A
Kết quả thử nghiệm cho thấy, để chịu được F40, 170A mà không có nền, cần tối thiểu 5 lớp 2mm Do đó, số lớp cho các lớp C, D, F được xác định là 5 lớp Các lớp còn lại không yêu cầu đặc biệt, chỉ cần 3 lớp để đảm bảo sản phẩm được cân đối.
Như vậy: cần 3 lớp A, 3 lớp B, 5 lớp C, 5 lớp D, 3 lớp E và 5 lớp F Tổng tất cả là 26 lớp
Quá trình khảo sát khả năng tạo hình:
Hình 5.21: Lớp A thứ hai, ba
Hình 5.22: Lớp B thứ nhất – Lớp B thứ hai
– Lớp C là lớp đặc biệt đầu tiên Lớp C thứ nhất
Hình 5.27: Thổi chảy một cạnh biên
Hình 5.28: Thổi chảy ba cạnh biên
Hai cạnh ở giữa không có nền đỡ, vì vậy chỉ thổi chảy ở chính giữa, giữ lại hai cạnh đó Sau khi hoàn thành lớp thứ năm, sẽ thực hiện thổi chảy một lần nữa như trong thí nghiệm ban đầu.
Hình 5.29: Thổi chảy lần lượt các lớp ở giữa
Khi thổi chảy kim loại chỉ còn lại hai cạnh đặc biệt, giữa hai cạnh này và phần còn lại sẽ xuất hiện sự chênh lệch về độ cao Nguyên nhân là do phần kim loại đã bị thổi chảy ngấu xuống dưới Nếu tiếp tục đắp lớp C lên, chênh lệch độ cao giữa hai lớp sẽ trở nên rất lớn, khiến cho kim loại không thể ngấu xuống được.
– Để bù lượng kim loại bị chênh lệch nhóm tiến hành cắt laser biên bên ngoài để thổi bù vào
Hình 5.31: Các miếng bù vào lượng hao hụt biên
Vấn đề đáng lo ngại trong quá trình thổi chảy kim loại là khi nâng cao, kim loại thường bị chảy tràn hai bên, dẫn đến việc đế sau nhiều lớp đắp với nhiệt độ cao bị biến dạng cong Hơn nữa, việc thiếu hệ thống giữ nhiệt khiến lượng kim loại bù bị hao hụt nghiêm trọng, với khoảng 75% hao hụt, chỉ đạt được 2mm biên cao sau 4 lớp đắp 2mm Cuối cùng, sau nhiều lớp bù, chi tiết in 3D có dấu hiệu quá nhiệt và chảy loang, dẫn đến tình trạng “sạt lở” ở các lớp vật liệu bên dưới.
Hình 5.32: Các lớp kim loại bị chảy
– Nhóm phay bỏ phần kim loại bị lở để khảo sát xem nếu tiếp tục đắp lên sẽ như thế nào
Hình 5.33: Phay bỏ phần kim loại bị chảy
Hình 5.34: Các lớp kim loại tiếp tục bị chảy
Hình 5.35: Chênh lệch độ cao giữa lớp đắp và bề mặt sản phẩm
Sau nhiều nỗ lực khắc phục, tình trạng chảy xệ vẫn tiếp diễn và lượng kim loại ngày càng hao hụt Do đó, nhóm quyết định ngừng khảo sát phương án "Thổi chảy lần lượt từng lớp phôi đã cắt laser trên nền phẳng để tạo thành sản phẩm, không có hệ thống giảm nhiệt".
Sau khi khảo sát phương án đầu tiên, nhóm nhận thấy một số khó khăn, bao gồm việc tạo hình sản phẩm do sự chênh lệch độ cao giữa điểm mồi hồ quang và bề mặt chi tiết, yêu cầu phải mồi từ dưới và di chuyển chéo lên Tuy nhiên, ưu điểm nổi bật là các lớp kim loại liên kết chặt chẽ, tạo ra sản phẩm có độ bền cao, đồng thời tiết kiệm chi phí và thời gian trong quá trình tạo hình các chi tiết có chiều cao thấp.
Nhiệt độ cao trong quá trình hàn TIG có thể gây cong vênh cho đế và làm cho các lớp kim loại ở độ cao thấp bị ngấu với nhau Mặc dù hàn TIG tạo hình rất tốt, nhưng đặc tính đốt chảy kim loại có thể làm nóng chảy lớp kim loại đắp thêm, dẫn đến việc các lớp kim loại phía dưới cũng bị ảnh hưởng Khi khí bảo vệ thổi qua, cấu trúc sản phẩm có thể bị sụp đổ Do đó, sau khi hoàn thành quá trình in 3D, cần phải phay lại biên dạng để tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh.
Những khó khăn rút ra sau khi thực nghiệm phương án thứ nhất:
Nếu hồ quang dừng lại giữa bề mặt chi tiết, sẽ hình thành một lỗ lớn Ngược lại, nếu hồ quang di chuyển ra ngoài và sau đó ngắt, nó sẽ kéo theo một lượng kim loại nóng chảy, dẫn đến việc 4 góc của chi tiết bị hụt kích thước so với phần còn lại.
– Khi sử dụng dòng cao điện cực nhanh bị mòn, phải tháo súng hàn ra để mài lại điện cực và canh lại chuẩn rất mất thời gian
Trong quá trình hàn, việc theo dõi điện cực liên tục là rất quan trọng Nếu tia kim loại bắn lên từ vũng hàn dính vào điện cực, điều này sẽ gây ra hiện tượng hồ quang phun không đều.
Nhiệt độ cao có thể gây cong vênh đế, dẫn đến sự chênh lệch về độ cao Để tránh hiện tượng dính trong quá trình hàn, cần phải canh chiều dài hồ quang một cách cẩn thận.
Khi tạo hình chi tiết, hồ quang làm nóng chảy lớp kim loại đắp thêm, đồng thời làm nóng chảy các lớp kim loại bên dưới Khí bảo vệ thổi qua hai bên có thể dẫn đến sự sụp đổ cấu trúc sản phẩm.
5.3.2 Phương án 2: Thổi chảy lần lượt từng lớp phôi đã cắt laser trên nền phẳng để tạo thành sản phẩm, có hệ thống làm mát
Khi thực hiện khảo sát với phương án 1, dòng điện sử dụng quá cao (170A) khiến kim loại bị chảy tràn ra hai bên Do đó, nhóm đã tiến hành điều chỉnh lại thông số, giảm dòng điện xuống mức thấp nhất có thể.
Quá trình thử nghiệm thông số: