Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu vùng nóng chảy trong quá trình công nghệ bồi đắp kim loại SLM

Khái quát ảnh hưởng của cáctham số của quá trình công nghệ SLM và vật liệu bột kim loại đến vùng nóng chảy Tp Hỗ Chi Minh, ngày ...thang ...năm 2019CÁN BO HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO

3.5 QUÁ TRÌNH GIẢI PHƯƠNG TRÌNH TRUYEN NHIET [30] - 42

3.7 TRINH TỰ MÔ PHONG MOT DOI TƯỢNG -5- +52 5255 c2 453.8 XÂY DỰNG BÀI TOÁN MO PHỞNG - 5c St 2x 1212111211111 ke 453.8.1 CÁC LỰA CHON DE XUẤTT -:- - + SE E2 E3 1515212151521 1111 111111111 L.0 453.8.2 PHAN TÍCH LỰA CHON CAC DOI TƯỢNG - 5-52 ccccscrscce 463.9 GIO] THIỆU VE CHƯƠNG TRÌNH ABAQUS - ¿256cc scsEsesesesesesed 50

3.10.1 QUA TRINH KHAI BAO CAC THONG SO unecccccccccececesecececeececeveveveveveees 513.11 KET QUA MO PHONG VỮNG NÓNG CHAY ccccsssssssssececececececececseseveveveveveees 55

4.3 KET QUA MÔ PHONG VUNG NÓNG CHAY cececesccscscecscecscececececceceveveveveveveees 584.4 ĐÔ THỊ MÔ TA MOI QUAN HE GIỮA NHIET ĐỘ VA THỜI GIAN 614.5 PHAN TÍCH KET QUÁ MO PHONG DOI VOI VAT LIEU TI-6AL-4V [24] 624.6 SO SANH VOI MÔ HÌNH THUC TTỂ - - 252 E 2 SE£E+ESEE£ESEEEEEEeErkrrrreee 64

CAC THONG SO CONG NGHỆP, - 2 1223 1E E1 151521111511 71111 11111111 66

DOI THONG SO DAU VÀO 6c c2 1 12111111211 111111 1101111 01112111101 21111111110 70

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHAT TRIEN DE TÀI 5-5¿ 75 5.1 KẾT LUẬN -:- - SE E11 1 11111 1151511111111111111 1111101111111 1101011111111 75 5.2 HƯỚNG PHAT TRIEN DE TÀI 2 2 52 SE+E+EEEE£E#EEE£ESEEEEEEEEErErkrrrrkrkee 75

HVTH: Hỗ Văn Dũng xiii

Tom tat nội dung: Chương một trình bày tổng quan về công nghệ tao mau nhanh, đề cập đến các công nghệ in 3D hiện nay, sau đó tập trung vào vai trò và ứng dụng công nghệ SLM trong công nghiệp và y học Đông thời, chương giới thiệu quá trình mô phỏng và mô hình hóa dé tai hiện lại vùng nóng chảy trong công nghệ SLM, một số dé tài nghiên cứu ở trong nước và trên thé giới, từ đó dua ra mục dich va phương pháp nghiên cứu và dé tài.

1.1 Đặt vẫn đề 1.1.1 Tổng quan về công nghệ tạo mẫu nhanh Đề đáp ứng những đòi hỏi về hiệu quả sản xuất, người ta đã nghiên cứu ra phương pháp tạo mẫu nhanh Phương pháp này viết tắt là RPT với nhiều công nghệ và thiết bị khác nhau Hệ thống 3D lần đầu tiên giới thiệu tạo mẫu nhanh vào năm 1988.

Trong thực tế có thể tạo ra sản phẩm nhanh băng các cách là gia công nhanh, tạo khuôn nhanh và tạo mẫu nhanh Tạo mẫu nhanh là một phần không thể thiếu trong quá trình thiết kế hệ thống và hữu ích trong việc giảm thiểu chỉ phí các dự án sản xuất và mức độ rủi ro Đặc biệt in 3D là công nghệ tạo mẫu nhanh tiên tiến và có sức bùng nô nhất trong số các phương pháp chế tạo sản phẩm nhanh Tao mẫu nhanh có tiềm năng to lớn trong tương lai vì nó dẫn đến sự phát triển của nguyên mẫu sản phẩm Các bộ phận liên quan đến quá trình tạo mẫu nhanh Prototyping thường được sử dụng trong quá trình phát triển sản phẩm mới.

M6 hinh vật lp với vat liệu nhựa

Hình 1.1, May in 3D cấu trúc vật liệu nhựa

(Theo Rapid Protyping Technology, SLM Solution Group) Đối với quá trình gia công nhanh High Speed Machining (viết tắt là HSM) thì cần phải dùng đến các máy công cụ với tốc độ dao cắt tốc độ cao, khoảng vải chục nghìn vòng/phút. Đối với quá trình tạo khuôn nhanh hoặc quá trình tạo mẫu nhanh (Rapid prototyping), đó là bước phát triển mới của CAD (viết tắt của từ Computer Aided Design) Có thể hiểu được là thiết bị tạo mẫu nhanh (thiết bị RPT) nối ghép với máy tính thì từ những hình thể 3D được thiết kế trên màn hình có thể nhanh chóng tạo ra vật thể 3 chiều thực, sờ thay được, trên thiết bị tạo mẫu nhanh Đặc điểm của phan lon các phương pháp PRT là chế tạo ra các mau bang cách đắp thêm vat liệu theo từng lớp.

Chính vì vậy phải cắt mô hình 3D đã thiết kế băng CAD ra thành các lớp có chiều dày xác định Dé cho thuận tiện, trước khi cat lớp, người ta chuyển mô hình 3D sang dạng tệp đặc biệt, ví dụ tệp STL.

Tạo mau nhanh oS ee - a `

Hình 1.2 Từ quá trình thiết kế file CAD đến mô hình sản phẩm thật

(Theo Enhance the Quality of Product with Rapid Prototyping, Alessia Fernandez)

Phương pháp tạo mau nhanh có nhiều phương pháp, mỗi phương pháp phụ thuộc vào khả năng tạo lớp của vật liệu được sử dụng Dưới đây trình bày sơ lược về bản chất của một số phương pháp thông dụng:

[ Công nghệ tạo mẫu nhanh RPT | Ỳ Ỷ

[ Vật liệu Phi kim loại nhựa,cao su, chất lỏng | Vật liệu kim loại

Cong Cong Cong Công Công Công nghệ nghệ nghệ nghệ in nghệ in nghệ in FDM SLA Material kim loai kim loai kim loai

Công Công Công nghệ nghệ in nghệ in LOM vật liệu kim gốm sứ loại DLM LMD

Hình 1.3 Sơ đồ các loại công nghệ in 3D kim loại Đầu tiên chúng ta xét các phương pháp công nghệ tạo mẫu nhanh mà vật liệu phi kim loại như nhựa, cao su, chất lỏng.

Công nghệ in 3D FDM viết tắt của từ Fused Deposition Manufacturing, dùng vật liệu dạng dây dễ chảy, ví dụ nhựa in 3D ABS, PLA Sợi dây qua đầu gia nhiệt sẽ hoá dẻo và được trải lên mặt nền theo đúng biên dạng mặt cắt của mẫu, theo từng lớp có chiều day băng chiều dày lớp cắt Nhựa dẻo sẽ liên kết theo từng lớp cho đến khi tạo xong mau.

Hình 1.4 Mô ta quả trình in công nghệ FDM

(theo sản phẩm của công ty Bethel, Connecticut United States ofAmerica)

Công nghệ SLA viết tat của từ Stereo Lithography Apparatus, tao ra các mẫu từ vật liệu cao su bắt sáng dạng lỏng Khi nguồn Laser được điều khiến theo tín hiệu của máy tính, nó sẽ quét phủ mặt cắt ngang của mô hình 3D làm hoá cứng một lớp Sau đó cơ cau đựng cao su lỏng hạ xuống một nắc va cứ thé dan dan sẽ hình thành mẫu theo từng lớp một.

Công nghệ LOM viết tat của từ Laminated Object Manufacturing dùng vật liệu dang tam có phủ keo dính, cũng có thé dùng tam nhựa, tấm kim loại Nguồn Laser tạo ra từng lớp mặt cắt bang cách cắt tam vật liệu theo đường biên của mặt cắt vật thể.

Các lớp mặt cắt được dán lần lượt chồng lên nhau nhờ hệ thống con lăn gia nhiệt.

Hình 1.5 Mô tả sơ đồ công nghệ LOM

(theo Laminated Object Manufacturing, Gregory Reinhard, Engineering Gateway 4218)

Công nghệ Material Jetting là phương pháp bồi đắp kim loại như máy in 2D.

Trong vật liệu in, một đầu in tương tự như các đầu in được sử dụng cho in phun tiêu chuẩn phân phối các giọt của vật liệu hóa cứng ran dưới ánh sáng tia cực tím UV, sản phẩm được xây dựng theo từng lớp, từng phần Các vật liệu được sử dụng trong

Material Jetting là photopolymer nhiệt có dạng lỏng.

HVTH: Hồ Văn Dũng 4 Đầu phưn / Truck

M6 hùnh vật liệu hink thành

Hình 1.6 M6 ta công nghệ Material Jetting

(theo Material Jetting 3D Printing Simply Explained, Alkaios Bournias Varotsis)

Công nghệ DLM viết tat của từ Direct Laser Microfusion, trong đó hình thành quá trình chiếu trực tiếp Laser cho phép sản xuất các yếu tố kiến trúc vô cùng phức tạp mà không cần gia công, đúc và xử lý trong lò nhiệt độ cao Chùm Laser Microfusion chiếu trực tiếp trên gốm sứ cho phép phù hop với kích thước của cay ghép trong suốt mỗi bước thiết kế và sản xuất Kết quả là sự phù hợp hoàn hảo của các bộ phận giải phẫu được sản xuất Hiện nay chỉ giới hạn trong vật liệu gốm thay thế xương (HA, TCP) và quá trình cực kỳ phức tạp do tính chất của gốm sứ tiên tiến.

Hình 1.7 Sản phẩm thấu kinh sản xuất bằng công nghệ DLM

(theo Gregory Reinhard Engineering Gateway 4218)

Tiếp đến chúng ta xét các phương pháp công nghệ tạo mau nhanh ma vật liệu là kim loại như Titan, Aluminium, Zn

Công nghệ SLS viết tat của từ Selective Laser Sintering là phương pháp thiêu kết bang tia Laser Sau khi con lăn trải ra trên mặt ban công tac một lớp bột với chiều day đã định trước, nguồn Laser sẽ quét phủ trên bề mặt cần tạo lớp, ở vùng đó các hạt vật liệu sẽ dính kết vào nhau tạo thành một lớp Mỗi bước di chuyên thăng đứng của hệ thống thiết bị sẽ hình thành ra lớp tiếp theo Ứng dụng trong lĩnh vực in 3D, thủy tinh, gốm sứ hoặc kim loại.

Hình 1.8 Mo ta qua trình công nghệ SLS

(theo san phẩm cua công ty SLM Solution Group)

Công nghệ SLM viết tat của từ Selective Laser Melting Các máy in 3D sử dung công nghệ SLM sử dụng chùm tia Laser UV hoặc một nguồn năng lượng mạnh tương đương để làm đông cứng các lớp vật liệu Thiết lập các chế độ cũng tương tự như công nghệ SLS Chỉ áp dụng trong lĩnh vực in 3D kim loại Công nghệ này tạo ra các mô hình có độ chính xác cao, sắc nét và chính xác Công nghệ bồi đắp kim loại SLM là một trong những phương pháp gia công tiên tiễn và là ngành sản xuất có tiềm năng trong những năm gần đây Nó đang được ứng dụng trong chế tạo tuabin động cơ trong máy bay, máy công cụ, dụng cụ nha khoa, y tẾ

Hình 1.9 Bộ phán than Valve tau vũ trụ bằng vat liệu Titanium chế tao bang cong nghé SLM

Nhờ có tốc độ và sự linh hoạt của công nghệ nay mà đã nhanh chóng áp dụng vào sản xuât và phát triên các thiệt kê sản phầm.

Như vậy trong công nghệ tạo mẫu nhanh, công nghệ in 3D kim loại có những ưu điểm nhất định trong việc sản xuất những sản phẩm chế tạo ngay vả sử dụng ngay.

Giá trị mật độ độ dan Giá trị mật độ độ dan Giá trị mật độ độ dan nhiệt mang tính chât nhiệt mang tính chât nhiệt mang tính chât vật liệu bột vật liệu chuyên pha vật liệu đặc

Trường nhiệt hiện tại cho N nut (tại thời diém t+ At )

Hình 3.9 Thuật toán xác dữ liệu về vật liệu cho qua trình tính toán trường nhiệt tại mỗi bước thời gian [30]

3.7 Trình tự mô phỏng một đối tượng

Khi tiến hành mô phỏng môt đối tượng, ta cần hiểu rõ các van đề đồng thời cần xác định những bước tiêp cận và giải bài toán mô phỏng sao cho phù hợp Các bước cơ bản bên dưới thê hiện chung cho quá trình mô phỏng một đôi tượng bât kỳ.

Bước 1: Xác định đối tượng mô phỏng.

Bước 2: Lựa chọn phan mém phù hợp cho đối tượng.

Bước 3: Lựa chọn mô hình mô phỏng và mô hình hóa đối tượng.

Bước 4: Phân tích điều kiện đầu vào, hàm tương quan tính toán cho từng đối tượng khảo sát.

Bước 5: Thiết kế mô hình mô phỏng.

Bước 6: Nhập dữ liệu, tiến hành mô phỏng và thu thập kết quả.

Bước 7: Nhận xét, phân tích kết quả mô phỏng đồng thời kiểm tra tương quan với thực nghiệm và rút ra kêt luận.

Cụ thê hơn, việc nghiên cứu và mô phỏng một đôi tượng còn được thê hiện ở các phân tiệp theo.

3.8 Xây dựng bài toán mo phỏng

3.8.1 Các lựa chọn đề xuất.

Như vậy, với mục tiêu đặt ra là mô phỏng sự phan bố nhiệt độ trong quá trình laser di chuyển trên bề mặt bột băng phương pháp FEM Với phương pháp này, ta có các lựa chọn dé xuất đưa ra dé ta đánh giá và sự dung sao cho phu hợp với điều kiện thực hiện cũng như mục đích mô phỏng được dé cập ở bảng 3.1.

Bảng 3.1 Các phương án lựa chọn dé xuất cho từng doi tượng trong phép mô phỏng. Đối tượng Phương án đề xuất Nguồn nhiệt Phân bố Gaussian dạng xung

Loại mô hình Mô hình 3D Vật liệu Hợp kim Inconel 718, hợp kim Ti-6AI-4V, hợp kim AISI 316L.

Co so ly ` À " A ry x " thuy ết Phương trình truyền nhiệt, định luật Fourier cho quá trình truyên nhiệt.

Mo hình phân Phan tử hữu hạn ba chiều (bậc 1 hoặc 2): tứ diện, luc diện tử hữu hạn

Chế độ quột Lan cà ơ tok Ng xg tia Laser Chê độ quét theo một đường va quét theo nhiêu đường

Mục đích Đánh giá ảnh hưởng của các yêu tô quá trình và các thông sô vật liệu lên đặc tính của vùng nóng chảy được tạo ra trong quá trình di chuyển nghiên cứu + na dr ĐA của tia laser trên lớp bột.

3.8.2 Phân tích lựa chọn các đối tượng

Về mặt lí thuyết, giữa các tác giả có những điểm chung và điểm riêng nhất định, sao đây phần bên dưới của luận văn sẽ tiến hành phân tích những điểm mạnh và yếu trên các phương diện cụ thé của hai mô hình nham đưa ra phương án lựa chon phủ hợp. a) Lựa chọn nguồn nhiệt

Trong công nghệ SLM, nguồn nhiệt Laser có hai dang: dạng liên tục va dạng nguồn xung Nguồn nhiệt ở đây được lựa chọn là nguồn laser liên tục Nd: YAG (chất kích thích là Yttrium-Aluminum-Garnet) có phân bố Gaussian đã được dé cập ở chương 2 đặc trưng bởi công suất và bán kính Nguồn liên tục có các đặc điểm vượt trội hơn so với nguồn dạng xung như sau:

- Tính phô biến và dé dàng kiểm soát hơn nguồn xung, việc có nhiều bién kiểm soát sẽ làm quá trình trở nên phức tạp hơn.

- Do tính chất xung phụ thuộc vào biến tần cũng như sự thay đổi khoảng thời gian giữa các lần quét (tính trên nano giây) Chính vì vậy, vận tốc quét cũng như các thông số khác ảnh hưởng rất lớn đến thông số độ phủ lớp của xung sau so với xung trước Độ phủ lớp nảy ảnh hưởng rất lớn đến vùng nóng chảy.

- Laser dạng xung có thể dẫn đến chiều rộng lớp quét không đều do khoảng cách các xung không đủ gan tức là độ phủ lớp bé hoặc là lớp quét không liên tục Điều này rất hạn chế ở nguồn Laser dạng liên tục. b) Sự trao doi nhiệt và các điều kiện về nhiệt.

Các tính chất về sự trao đổi nhiệt, sự truyền nhiệt nhiệt, quá trình chuyển pha hay trạng thái của vật liệu cũng như điều kiện nhiệt ở biên sẽ được lựa chọn sao cho bám sát với thực tế nhất Cụ thể như sau:

- Quá trình trao đổi nhiệt: hầu hết các công cụ CAE (Computer-Aided Engineering) đều giải quyết bài toán truyền nhiệt dựa trên nguyên lí từ phương trình cân bằng nhiệt Các phương trình của hai chiều được quy về từ phương trình truyền nhiệt trong không gian ba chiều Do đó, ta sử dụng cơ sở nay làm dữ liệu cho bài toán.

- Điều kiện ban dau, điều kiện biên: do được gia nhiệt bởi tam gia nhiệt nên mặt đáy luôn được kiểm soát với nhiệt độ không đổi Ở đây, nhiệt độ ban đầu của toàn bộ lớp bột là T= Const (K) Điều kiện nhiệt độ này được xem xét cho mô hình dự kiến thiết kế Các mặt bên được xem như cách nhiệt tốt với độ dẫn nhiệt rất thấp và gân như đoạn nhiét.

Tóm lại, lớp bột ban đầu sẽ được đặt với giá tri là hăng số trên toàn bộ miền thể tích lớp bột Cơ bản, lớp bột kim loại được gia nhiệt một khoảng thời gian trước khi thiêu kết sao cho đạt nhiệt độ là đông nhất và chiều dày lớp bột thử nghiệm khá bé xem như chênh lệch nhiệt độ hai bề mặt là không đáng kê.

HVTH: Hỗ Văn Dũng 46 c) Đặc trưng vật liệu

Chúng ta biết rằng, các tính chất của vật liệu được xác định thay đôi dựa trên nhiệt độ mà chúng đạt được Bao gém:

- Khối lượng riêng: Khối lượng riêng của vật liệu bột được xác định từ vật liệu đặc dựa trên độ rỗng (hay mật độ) nếu nhiệt độ tối đa của bột vượt quá nhiệt độ nóng chảy, vị trí đó được xem như là đã thiêu kết và mang những đặc trưng của vật liệu đặc.

- Độ dẫn nhiệt: Độ dẫn nhiệt ở trạng thái bột được quy định bởi một hàm thực nghiệm phụ thuộc vào mật độ của bột và tỉ lệ với độ dẫn nhiệt ở trạng thái đặc của nó.

Hệ số thực nghiệm được xác định bởi nhiều lần thí nghiệm va xây dựng đường cong liên hệ của chúng Mỗi vật liệu có phương trình liên hệ giữ độ dẫn nhiệt, nhiệt độ, mật độ khác nhau song về cơ bản, khi sau khi được thiêu kết chúng sẽ mang trạng thái của vật liệu đặc.

Hình 3.10 Sự thay doi mật độ theo nhiệt độ của vật liệu bột

Tóm tat chương 4: Như vậy, qua ba chương vừa roi, cơ sở lý thuyết và xây dựng bài toán mô phỏng cho các chế độ quét đối với vật liệu đã tìm hiểu rõ và phân tích cụ thể Chương này trình bày cách xây dựng vùng làm việc dựa trên quá trình mô phỏng đối với vật liệu bột kim loại Inconel 718 Sau đó, mô tả mối quan hệ các thông số công suất, vận tốc quét tia Laser với kích thước bột kim loại Đồng thời dựa vào một số kết qua bài bdo khoa học của các tác giả trên thé giới so sảnh kết qua vùng làm việc được mô tả, mục dich cuối cùng là dé đảm bảo chất lượng sản phẩm trong công nghệ SLM.

4.1 Tóm tắt thiết lập mô hình mô phỏng.

Mô hình dé tiền hành mô phỏng trên bột kim loại Inconel có kích thước 0,57 x 0,26 x 0,13mm theo 3 trục tọa độ x.y.z, và kích thước phan tu la 0.026mm Qui dao quét cu thé của chùm tia Laser với chiều dài 0.4 mm được lập trình trong chương trình băng cách xác định vị trí trung tâm nguồn nhiệt di chuyển dọc theo đường biên dạng là một hàm của thời gian.

Mô hình quá trình chỉ tiết và các tham số thể hiện như hình dưới đây.

Hình 4.1 Mô hình phan tie hữu han dùng cho mô phỏng một đường quét trên lớp bột Inconel 718

Ba đường quét tia tãsể£f

Hình 4.2 Mô hình phan tử hữu hạn dùng cho mô phỏng trên ba đường quét trên lớp bột Inconel 718

Quá trình gia nhiệt bắt đầu ở bé mặt bột trên cùng và di chuyển dọc theo đường biên dang chum tia Laser với tốc độ không đổi Điều kiện ban đầu cho toàn bộ miễn tính toán đã được đặt thành nhiệt độ đồng nhất Các điều kiện biên nhiệt đối với ton thất nhiệt do đối lưu bề mặt và bức xạ trên bé mặt trên cùng cũng đã được xem xét trong mô hình.

4.2 Thiết lập thông số mô phóng bột kim loại trên vật liệu Inconel 718

Tham khảo tác giả Bo Cheng và Kevin Chou, Khoa Cơ Khí, Đại học Alabama,

Hoa Kỳ với đề tài “Nghiên cứu vùng nóng chảy trong công nghệ bồi đắp kim loại”.

Dưới đây là bảng thiết định thông số bột kim loại Ineonel 718 dùng để đưa vào phân tích và đánh giá băng phần mềm Abaqus.

Bang 4.1 Thông số sử dụng dé mô phỏng cho bột hợp kim loại Inconel 71822]

Thông số Giá trị dữ liệu đầu vào Nhiệt độ hóa pha rắn 1260°C

Nhiệt độ hóa pha lỏng TL 1336°C Nhiệt chuyển pha Lz 227k]/kg

Vận tốc quét v 1000mm/s Công suất nguồn Laser P 450W Đường kính chùm tia Laser ¢ 0.15mm

Chiều dày lớp bột tayer 0.030mm Độ thắm của bột 0.5 Chiều sâu chùm Laser tham qua bột dp 0.062mm

Nhiệt độ ban dau Tbandau 100°C

Khối lượng riêng p 8.192kg/cm? Độ phát xạ ¢ 0.3

Nhiệt dung riêng C,(7) C, (7) = 0.24377 + 338.98 Độ dan nhiệt k(7) k = 0.0157 +5.331

4.3 Kết qua mô phỏng vùng nóng chảy

Quá trình mô phỏng đã được tiễn hành bang cách di chuyển chùm tia Laser dọc theo quỹ đạo quét tia Laser theo đường thang dài 0.4 và Imm, kích thước lưới phan tử là 0.026mm (cạnh ô vuông) Sự phân bố nhiệt độ và kích thước vùng nóng chảy được thể hiện như bên dưới.

Vào hộp thoại Animate, kích chon chế độ Time History ta thu được đường dịch chuyển của chùm tia Laser theo biên dạng đã thiết định.

Hình 4.3 Ving nóng cháy trong quỹ đạo quét 0.4 mm tia Laser Đề có thể đánh giá vùng nóng chảy rõ ràng hơn, chúng ta lựa chọn chế độ Tool

= View Cut Chọn Manager => Kích chon chế độ cắt theo trục X va trục Y Sau đó, vùng nóng chảy được xem xét và đánh giá như bên dưới.

Hình 4.4 Sự phân bố nhiệt độ tại vùng nóng chảy trong chu trình quét tia Laser theo mặt cat trục X,Y [20]

Trong đó hình dang của vùng nóng chảy được xác định với giá trị lớn nhất của điểm nhiệt độ lớn nhất của hợp kim Inconel 718 với màu trang Sự phát triển nhiệt độ cho thấy rõ ràng vùng nóng chảy được theo sau bởi vật liệu đã đông cứng với nhiệt độ giảm dan, như trong hình 4-31 Như vay, theo biểu đồ mô tả nhiệt độ tối đa của vùng nóng chảy đã tăng dan từ nhiệt độ 1260°C lên 1336°C.

Vùng nóng chảy có kích thước dài 312 um, rộng 208 um và sâu 104 wm.

4.4 Đồ thị mô ta mối quan hệ giữa nhiệt độ va thời gian

Vì cần đánh giá nhiệt độ trong vùng nhiệt độ chuyển pha nóng chảy của bột kim loại Iconel 718 nên chúng ta cần thiết lập giá trị nhiệt độ giới hạn trên và giới hạn dưới như hình Vào Contour = Contour Plot Options = Limits Tại mục Min/Max, chúng ta nhập giá trị nhiệt độ lớn nhất là 1335 độ C và bé nhất là 100 độ C Vào thanh thư mục chon Tool = XY Data —=Create O thu mục Create XY data chung ta chon ODB Field Output O muc Variable chung ta chon Unique Nodes, con 6 muc Elements/Nodes chúng ta chon mục Pick from Viewpoint và chon nút phan tử trên mô hình Sau đó chúng ta nhắn Plot dé hiển thị đồ thị nhiệt độ theo thời gian.

Dưới đây là biểu đồ mối quan hệ giữa nhiệt độ T và thời gian t từ 0 đến 0.006s được trích từ kết quả mô phỏng. Đối với quỹ đạo 1 đường quét tia Laser: ial fi | [x1.E23] peg 8 3.5 : T r T r T T T T B- Be 3.0L Vung nhiệt độ | ty OE: bột kim loại bat

Be a 25 da z hả -| | s2 âu nóng chảy

"- Time ds | — NT11 PI: PART-1-1 N: 1183 |

Hình 4.5 Do thi mô tả nhiệt độ thay đổi theo thời gian t (giá trị từ Os đến 0.003 s)

Từ hình trên ta có thé thay được sự thay đổi nhiệt độ do chuyển pha ở các vị trí gấp khúc của đồ thị Khi đối chiếu với trục thời gian, ta có thể xác định được thời gian kết tinh lại của vị trí thiêu kết, cu thé ở đây là vào khoảng 10's Nhiệt độ cực đại đạt được là 3490K và đạt được sau 0,55ms, thời gian ở trạng thái lỏng cua vi trí khảo sat là vào khoảng 0,6ms.

4.5 Phân tích kết qua mô phỏng đối với vật liệu Ti-6Al-4V [24]

Tham khảo công trình nghiên cứu của tác giả Chadrakanth Kusuna và cộng sự,

Trường đại học Kakatiya, Hoa Kỳ đề tài “Ảnh hưởng công suất nguồn Laser và tốc độ quét đến vùng nóng chảy vật liệu Ti-6Al-4V” Trong đó, quá trình khảo sát kết quả mô phỏng thu được từ mô hình thử nghiệm với vật liệu Ti-6AIl-4V với mật độ là

90%, điều kiện nhiệt độ ban đầu là 800K, áp suất chân không (103 atm).

Bang 4.2 Thông số sử dụng dé mô phỏng cho bột hợp kim loại Ti-6Al-4V [24]

Thông số Giá trị dữ liệu đầu vào để mô phỏng Nhiệt độ hóa lỏng, 7; 1933°C

Nhiét d6 héa ran, 7; 1873°C Khối lượng riờng, ứ 4450 kg/cm?

Nhiệt chuyển pha, Ly 275k]/kg

Nhiệt dung riêng C (7) 0,611.T + 332,26 J/kg.K' Độ dẫn nhiệt, &(7) 0,015.T — 1,334 W/m.K"! Độ phản xa R 0.75

Duong kinh chum tia Laser 100um

Tốc độ quét chùm tia Laser 220 vs mm/s

Chiêu dày lớp bột kim loại 40um

Quá trình mô phỏng thực hiện trên lưới phan tử có kích thước 0,026mm va thực hiện quét trên một đoạn thăng đài 0.5mm.

Hình 4.6 Hình dáng và sự phân bố nhiệt độ bê mặt của vùng nóng chảy

Hình 4.7 Hình dáng và sự phân bố nhiệt mặt cat vuông góc trục Oy của vùng nóng chảy của vật liệu Ti-6Al-4V

3.0E ˆ sa bột kim loại bắt đâu nóng chảy

Hinh 4.8 Do thi thé hién su thay đổi nhiệt độ theo thời gian của mot vị trí tâm quỹ đạo quét (IxE3 ứng với 10°)

Từ hình 4.8 ra thay rang, nhiệt độ tối đa đạt được trong khoảng thời gian rat ngăn, trong vòng chưa đến 0,45ms Nguyên nhân là do công suất Laser khá lớn, và tốc độ quét của Laser khá thấp.

4.6 So sánh với mô hình thực tế

Xét mô hình thí nghiệm mô phỏng của tác giả Cheng, Kevin Chou và cộng sự,

Khoa Cơ Khí, Trường đại học Alabama, Hoa Kỳ [26] đối với vật liệu Inconel 718 với cùng điều kiện bảng 4.1 được thể hiện hình 4.9 bên dưới.

R 600 b + Melt pool length 40 s 500 & Me pool width

(a) (b) Hình 4.9 Kết quả thi nghiệm mô phỏng a) Mô hình thực nghiệm trên vat liệu Inconel 718 [26]

(b) Mô hình mô phỏng của luận văn

Xét mô hình của Chadrakanth Kusuna, Truong đại học Kakatiya, Hoa Ky [24] với vật liệu Ti-6AI-4V, với cùng điều kiện ở mục 1.1.1 bang 1 nhưng với công suất nguôn là 100W và vận tốc là 800mm/s được thể hiện ở hình 4 10. b)

Hình 4.10 So sảnh mô hình thực nghiệm trên vat liệu Ti-6Al-4V (a) Cua Chadrakanth Kusuna

(b)Cua mô hình mô phóng luận văn

Dựa trên các kết quả so sánh trên, ta rút ra bảng đánh giá sai số tương đối và sự khác biệt cũng như nguyên nhân gây ra các sai số này dối với hai vật liệu trên Tất cả được thể hiện ở bảng 4.3.

Bảng 4.3 Bảng đánh giá các thông số mô phỏng

Kích thước mô Quá trình : & Kích thước mô R `

Ineonel Có quátrình nee} 390um | 215um | 312um | 208um | 20% | 32% | 187" xâm nhập 718

AV 335um | 240um | 364um | 182um | 7.9% | 24.16% | quá trình xâm nhập

Như vay, có sự sai lệch kích thước chiều dài vùng nóng chảy là do chúng ta chưa đánh giá hoàn toàn đúng độ dẫn nhiệt của lớp bột của các tác giả Sự sai lệch kích thước chiều cao vùng nóng chảy không chỉ từ hệ quả của độ dẫn nhiệt mà còn đến từ sự thâm nhập của laser vào bề mặt lớp bột khi kích thước hạt lớn hoặc phân bố không đồng đều Kích thước tổng thể của vùng nóng chảy có sự khác biệt là do chúng ta không đánh giá đúng độ hap thu của laser hoặc sự thay đổi độ hấp thụ là một ham của nhiệt độ.

Như vay, để có kết quả mô phỏng đúng dan hon, chúng ta thay đối các thông số mô phỏng sao cho phù hợp với mô hình thực tế.

4.7 Quá trình xây dung vùng làm việc dựa sự thay đỗi các thông số công nghệ

Như vậy, sau qua trình mô phỏng với vật liệu Inconel 718 với điều kiện nhiệt độ ban đầu là 100K, chiều day lớp bột là 30um, đường kính laser là 150 um với vật liệu bột và tam đỡ là như nhau Các thông số mô phỏng đối với công suất nguồn Laser lần lượt là P = 60, 65, 75, 200, 300, 350, 450 (W), còn vận tốc sẽ thay đối cho đến khi thỏa mản điều kiện từng vùng.

Dữ liệu nhập vảo quá trình mô phỏng bằng chương trình Abaqus được thiết lập như bảng bên dưới.

Bảng 4.4 Dữ liệu thông số tốc độ quét Laser và công suất nguon Laser ding dé mô phỏng kết quả

La, x chim tia F TS NA ở So thứ tự nguôn L Ket qua nhan xét

Như vậy, trải qua bốn chương tìm hiểu công nghệ SLM nói chung va quá trình mô phỏng, qui hoạch vùng nóng chảy bột kim loại nói riêng chúng ta có thể rút ra một số kết luận và hướng phát triển như dưới đây.

Sau thời gian thực hiện đề tài, luận văn đã hoàn thành và đạt được kết quả như sau:

- Tim hiéu cac thong số kỹ thuật của bột kim loại mã hiệu Inconel 718 dùng để phân tích trong mô hình 3D phan tử hữu hạn 3 chiều.

- Tìm hiểu chương trình mô phỏng Abaqus va cách link chương trình mô phỏng với phần mềm Visual Studio 2013 và Parallel Studio XE 2016 (updated 4).

- Đã mô phỏng thành công vùng nóng chảy bột kim loại Inconel 718 với chế độ 1 biện dạng và chế độ 3 biên dạng đường quét Laser.

- Đã đưa ra đỗ thị mô tả nhiệt độ thay đổi theo thời gian trong đó mô tả thời điểm vùng nhiệt độ nóng chảy của bột kim loại Inconel 718 va bột kim loại Ti-6AI-

- Đã đưa ra kết quả các đồ thị mô tả sự thay đôi kích thước vùng nóng chảy khi công suất nguồn Laser thay đối, đồng thời cũng đưa ra qui luật xu hướng biến thiên vùng nóng chảy theo sự biến thiên của công suất.

- Đã dua ra đồ thị mô tả sự thay đổi kích thước vùng nóng chảy khi tốc độ quét tia Laser thay đối, đồng thời cũng đưa ra qui luật xu hướng biến thiên vùng nóng chảy theo sự biến thiên của tốc độ quét.

5.2 Hướng phát triển đề tài

Từ những kết quả đạt được trong nghiên cứu này, do thời gian làm luận văn còn hạn chế nên để phát triển đề tài nghiên cứu, tôi xin được kiến nghị như sau:

- Mở rộng đánh giá vùng nóng chảy cho vật liệu bột kim khác (ví dụ bột kim loaiAISI 316L) và các vật liệu hợp kim khác.

- Tiến hành quy hoạch thực nghiệm thực tế để đánh giá vùng nóng chảy của bột kim loại Inconel 718.

- Nghiên cứu thêm một số phần mềm phân tích mô phỏng mô hình 3D theo phương pháp phần tử hữu hạn ba chiều như Ansys, Matlab

CODE CHƯƠNG TRÌNH MO PHONG BANG PHAN MEM

SUBROUTINE DFLUX(FLUX,SOL,KSTEP,KINC, TIME,NOEL,NPT,

@ cooRDS, JLTYP, TEMP, PRESS, SNAME )

INCLUDE 'ABA_ PARAM INC' DIMENSION FLUX(2) , TIME(2) , COORDS(3) CHARACTER*8@ SNAME

SUSK=9 do SUS=@ dô C - Nhap cong suat nguon Laser P - C C Input of laser power (P)

C Input of scan speed (V) VY9 dô

C - Nhap kich thuoc cua san bot - C C H defines as the height of the powder bed

C Input of radius of laser beam (B) BY.d-3

C Define Actual time of process C Define 5 steps of scanning process Xô=coords(1)

C Process of laser moving in every step X=Xô-V*time(1)

C Variable of laser distribution function W2=B*B

C Definition of Gaussian distributed energy input (FLUX(1)) SUSK=(X*X)+(Y*Y)

SUS=-2*SUSK*W22 ESUS=EXP (SUS) RAM=2*P*H2*@.31831*W22 C There is no heat input for nodes that are not located at the top surface of the C powder bed

IF (Z LE H3) THEN FLUX(1)=RAM*ESUS Flux(2)=0

ELSE IF (Z GT H3) THEN FLUX(1)=ô

FLUX(2)=ô END TF RETURN END

SUBROUTINE USDFLD(FTELD,STATEV, PNEWDT,DIRECT,T,CELENT,

@ TIME ; DTTME , CMNAME , ORNAME ,NFIELD,NSTATV, NOEL, NPT, LAYER, B KSPT,KSTEP,KINC,NDI,nshr, coord, jmac, jmtyp, matlayo, laccf1A)

C INCLUDE 'ABA_PARAM.INC ' CHARACTER*8@ CMNAME , ORNAME CHARACTER*8 FLGRAY(15) DIMENSION FIELD(NFIELD) , STATEV(NSTATV) , DIRECT(3,3),1(3,3),

RMTEMP = STATEV(1) CALL GETVRM( ' TEMP ' , ARRAY, JARRAY, FLGRAY, jrcd,

TEMP = ARRAY(1) FIELD(1) = MAX(TEMP, RMTEMP) STATEV(1) = FIELD(1)

SUBROUTINE UMATHT(u, dudt, dudg, f1ux, dfdt, dfdg, statev, temp,

R dtemp, dtemdx, time , dt1me, predef ,dpred, cmname, ntgrd,nstatv, L| props, nprops ;, coords, pnewdt,noel,npt, layer ,kspt,kstep,kinc) include “aba_param.inc ' character*8@ cmname dimension dudg(3) ,f1ux(3) , dfdt(3), dfdg(3, 3, 3), statev (4), dtemdx(3),

| time(2),predef(1),dpred(1), props(3),coords(4)

Tsolid=props(1) Tliquid=props(2) LatenHeat=props(3) SpecHeat=9 dô Temp T=temp dTempT=dtemp TempTdT=temp+dtemp beta132260.d-3 beta234.d-6 dens=0.6d0 theta.d-6 ulatn1=9 dô ulatn2=9 dô slope=9 dô ulatnp=9 do ulatnpx=9 do

HVTH: Hỗ Văn Dũng 78 frac=0.25d0

C wn 2 nnn ee ne nn ene eee an Ham khai bao nhiet dung rieng - //

C Input specific heat (SpecHeat) if (TempT LT Tliquid) then alphai=0.d@ alpha1=TempT*9.661 alpha2=alpha1+beta1 SpecHeat=alpha2 end 1f if (TempT GE Tliquid) then alphai=0.d@ alpha126 dô SpecHeat=alpha1 end 1f statev(6)=SpecHeat dudt=SpecHeat deltu=dudt*dtemp

C - Ham nhap du lieu he so truyen nhiet - C C Input thermal conductivity (cond)

C C Thermal conductivity of powder if maximal temperature (rmaxtemp) C < Tliquid K

C rmaxtemp=statev(1) rmaxtemp=max(TempT, rmaxtemp ) statev(1)=rmaxtemp if (rmaxtemp LT Tliquid and TempT GE Tsolid) then dens247986.d-6 zeta43.d-7 cond=zeta*TempT - dens2 statev(4)=cond end if C - oe eee enn ene eee Truong hop nhiet do > T pha long K - C C - ( TEMP >= Tliquid K ) if (rmaxtemp LT Tsolid) then cond=theta*TempT conds* (cond-beta2) statev(4)=cond end if

C Thermal conductivity of dense Fe if maximal temperature >= Tliquid K C if (rmaxtemp GE Tliquid) then cond=theta*TempT cond=cond-beta2 statev(4)=cond end 1f

C - Dinh nghia ham vi phan do dan nhiet - C C Define derivative of thermal conductivity to temperature (dcond) if (rmaxtemp LT Tsolid) then dconds*theta*dTempT statev(2)nd

C - eee ee ee eee eee eee eee (T pha ran K< T nhiet do < T pha long K - 3-2 - nner nn rn en ee nnn eee eee eee C

K ) end if if (rmaxtemp GE Tsolid AND rmaxtemp LT Tliquid) then zeta43.d-7 dcond=zeta*dTempT statev(2)nd end if

C - ee eee (Nhiet do >= T pha long K -C

2 ( Temp >= Tliquid K) if (rmaxtemp GE Tliquid) then dcond=theta statev(2)nd end if

C - Nhap ham mieu ta qua trinh nong chay C Input latent heat of fusion of Fe

C if (TempT gt Tsolid and TempT 1t Tliquid) then ulatn1 = (TempT-Tsolid)*LatenHeat/(Tliquid-Tsolid) else if (TempT gt Tliquid) then ulatn1 = LatenHeat end if

C if (TempTdT gt Tsolid and TempTdT 1t Tliquid) then ulatn2 = (TempTdT-Tsolid)*LatenHeat/(Tliquid-Tsolid) slope = LatenHeat/(Tliquid-Tsolid) else if (TempTdT gt Tliquid) then ulatn2 = LatenHeat slope = 0.d@ end if C if (ulatn2 ne ulatn1) then deltu = deltu+ulatn2-ulatn1 dudt = dudt+slope if (slope eq @.d@) then tempp = TempTdT-frac*dtemp if (tempp gt Tsolid and tempp 1t. ulatnpx = (tempp-Tsolid)*LatenHeat ulatnp=ulatnpx/(Tliquid-Tsolid) slope = LatenHeat/(Tliquid-Tsolid) else if (tempp gt Tliquid) then ulatnp = LatenHeat slope=9 dô end 1f if (ulatnp ne ulatn2) then

T11quid) then dudt = dudt+slope end 1f end if

C Input heat flux (Fourier's law) do i=1, ntgrd flux (i)=-cond*dtemdx(i) dfdg(i,i,i)=-cond dfdt (i )=-dcond*dtemdx (i) end do return

CÁCH XU LY LOI LINKING ABAQUS 2017 VA INTEL PARALLEL STUDIO XE 2016 (VISUAL FORTRAN) KHI SU DUNG HE DIEU HANH WINDOW

Quá trình này hướng dẫn cho chúng ta cách sử dung phần mềm Fortran có thé linking (kết nối) với phần mềm Abaqus 2017.

Hướng dẫn này được thử nghiệm với sự kết nỗi các phần mềm sai đây

- Microsoft Comunity Visual Studio 2013 - Abaqus 2017

- Intel Parallel Studio XE 2016 updated 4

Những hướng dan này có thé thích hợp với các phiên an phần mềm khác nhưng chúng ta cần kiểm tra chương trình Intel Pallel Studio có thé tích hợp với chương trình MS Visual Studio và chương trình Intel Parallel Studio không thể hủy bỏ phiên bản

MS MPI với sự cài đặt Abaqus.

Chúng ta lưu ý những hướng dẫn này cho chúng ta cách tiếp cận đúng với Window 10 Hãy liên lạc tôi nếu bạn có những dé nghị và tôi sẽ trả lời các câu hỏi.

Hướng dẫn cách cài đặt băng cách sử dụng các phần mềm theo thứ tự như sau:

Phan mém mién phi, duoc tai tu trang https://www visualstudio.com/en-us/news/releasenotes/vs2013- community-vs

2 Intel Parallel Studio XE 2016 updated 4 (đã bao gồm Intel Visual Fortran va

Ban cài miễn phi cho sinh viên (yêu cầu đăng ký tai khoản), được tải trừ trang hitps://software.intel.com/en-us/qualify-for-free-software/student

Lưu ý: Ban Cluster Edition bao gồm nhiều gói phan mềm hồ trợ, chủ yếu cho mục đích C++ và chương trình biên dịch FORTRAN cần thiết (tuy nhiên trong hướng dẫn này áp dụng cho mục tiêu cài đặt mặc định)

Phải đảm bảo răng phần mềm Parallel Studio được linked với phần mềm Visual Studio 2013 trong quá trình cai đặt (Tuy nhiên can phải trải qua hai lần kiếm tra nêu bạn chọn chê độ cài đặt cá nhân)

3 Phan mềm Abaqus 2017 Solver và môi trường phân tích CAE

Quá trình cài đặt Abaqus sẽ kiểm tra FORTRAN sau khi người sử dung linking thủ tục con nếu như chúng ta tìm thấy đường dẫn cho quá trình biên dịch FORTRAN.

Chúng ta thực hiện các thao tác như dưới đây

Thiết lập chế độ “environment variable path” cho chương trình Visual Studio và trình biên dịch FORTRAN

1 Chọn đến thư mục chứa file chương trình studio.bat file (vevars64.bat) Mac định nó ở trong thư mục C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 12.0\VC\bin\amd64

2.Chon đến thư mục chứa trình biên dich FORTRAN compiler.bat file (ifortvars.bat) Mặc định nó ở trong đường dẫn: C:\Program Files

(x86)\IntelSWTools\compilers_and_libraries_2016.4.246\windows\bin

3.Vao thu muc Control Panel => Chon System => Advanced System

Information => Advanced tab =>Environment Variables (Yéu cầu luôn chọn chế độ

Tu thu muc System Variable section, chon chế độ đường dẫn PATH và nhân nút đường dẫn này, sau đó chọn chế độ Environment Variable Windown, chọn edit và thêm đường dẫn chứa file vevars64.bat và ifortvars.bat Bây giờ chúng ta có thể thiết lập chế độ system environment variables cho chương trình Studio và trình dịch

Qua trinh cai dat Microsoft Comunity Visual Studio 2013

A Fưii-f eatured IDE - FREE mem

Microsoft Visual Studio Emutator for Android Setup requires up to 437 MB across af dewes.

> Recent [ NET Framework 4.5 ~ | Sort by: [Default “| = Search installed Templates (Ctrl+E) /Ð + + Instaited ce ^ˆ °

| ] Bank App (Universal Apps) Visual C# Type: Visual C#

4 Templates A project for a three-page universal app b Visual Basic E ] Windows Forms Application Visual C# for Windows and Windows Phone that ce

+ WuslCE uses 8 Hub control and the Windows ae ce Runtime Dedicated pages display group é Visual Côô eg | WPF Application Visual C# and item details.

SAL Server ex Console Application Visual C# ce b JavaScript

Python eT ằ TypeScript = b Other Project Types S| ASP.NET Web Application Visual C# › ce

> Onlfne BLT Class Library Visual C# cr

BLS Class Library (Portable) Visual C# ce

I | WebView Ano (Windows Phone} Visual C# = (+

Click here to go online and find templates

Location: (c:\users\mikew, 000\documents\visual studio 2013\Projects_ “) [Browse]

Solution name: HubApp]1 [Vi Create directory for solution

[} Add to source control lf == ]Ì

Hình 5.1 M6 ta quả trình cài đặt chương trình Visual Studio Community 2013 Quá trình cài đặt Parallel Studio XE 2016 Updated 4.

Tiêu đề	Nghiên cứu vùng nóng chảy trong quá trình công nghệ bồi đắp kim loại SLM
Tác giả	Hỗ Văn Dũng
Người hướng dẫn	PGS.TS. Thái Thị Thu Hà
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa
Chuyên ngành	Kỹ thuật Cơ Khí
Thể loại	Luận văn Thạc sĩ
Năm xuất bản	2019
Thành phố	Tp Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	110
Dung lượng	63,98 MB