Kết quả nghiên cứu cho thấy tiềm năng lớn của công nghệ LDED trong việc sửa chữa và tái tạo các bộ phận máy, với khả năng ứng dụng rộng rãi không chỉ trong ngành kỹ thuật hàng không mà c
TỔNG QUAN
Tình hình nghiên cứu về ứng dụng công nghệ bồi đắp LDED
Trong những năm gần đây, công nghệ lắng lọng kim loại đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ trong ngành công nghiệp sản xuất bổ sung, đặc biệt là trong việc sửa chữa và tái chế tạo các bộ phận kim loại Các công trình nghiên cứu khác nhau đã khám phá tiềm năng, ưu điểm, và thách thức của công nghệ này, cung cấp cái nhìn toàn diện về khả năng ứng dụng và phát triển của LDED trong tương lai
Năm 2014, J Michael Wilson và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu [2] về việc tái chế các cánh tuabin bằng công nghệ lắng đọng trực tiếp bằng laser (Laser Direct Deposition - LDD) Mục đích của họ là để sửa chữa các khuyết tật trên cánh tuabin, giúp giảm thiểu tác động môi trường và tiêu thụ năng lượng liên quan đến việc sản xuất mới Công nghệ này cho phép sửa chữa chính xác các bộ phận bị hư hỏng mà không cần phải thay thế toàn bộ, từ đó kéo dài tuổi thọ sử dụng của các chi tiết và giảm chi phí sản xuất
Hình 2.1 a) Cánh gốc không bị hư hại, b) Cánh được phục hồi theo tiêu chuẩn và c) cánh được phục hồi bằng PCS [2]
Năm 2015, Jorge M.Laurenco và công sự đã tiến hành nghiên cứu [3] các đặc tính cơ học đối với vật liệu AerMet 100, một loại vật liệu thường được dùng trong hàng không quân đội như càng đáp của máy bay Nhóm đã ứng dụng phương pháp phủ một lớp vật liệu AerMet 100 lên vị trí có vết nứt của một thanh trụ có đường kính 31.85mm Sau hàng loạt các đánh giá về cơ tính, kết quả cho thấy tuổi thọ trung bình của mẫu được phủ vật liệu tăng lên đáng kể 184,290 so với mẫu đã có vết nứt là 16,087 lần [3] Ngoài ra, Kim và cộng sự đã ứng dụng công nghệ này để phát triển khuôn đúc có kênh làm mát theo hình dạng tối ưu, giúp tối ưu hóa thời gian làm mát cho sản phẩm đúc [4]
Hình 2.2 Hình ảnh so sánh giữa rãnh làm mát thông thường và rãnh làm mát tối ưu với công nghệ LDED [4]
Hình 2.3 Hình ảnh thể hiện cấu trúc bên trong của khuôn [4]
Trong bài nghiên cứu được công bố trên tạp chí "Physics Procedia" năm
2016 [5], Torsten Petrat và công sự đã tiến hành nghiên cứu về các quy trình chế tạo và sửa chữa các bộ phận sao cho gần giống nhất với hình dạng cuối cùng trong sản xuất Tác giả đã thực hiện sửa chữa trên chi tiết đầu đốt tuabin khí, mục đích giúp giảm thiểu lượng gia công cần thiết sau khi in, nhằm tối ưu hóa hiệu quả sản xuất và giảm lượng chất thải Công nghệ này cho phép sửa chữa chính xác các bộ phận bị hư hỏng mà không cần phải thay thế toàn bộ, từ đó kéo dài tuổi thọ sử dụng của chúng và giảm chi phí sản xuất
Ngoài ra trong lĩnh vực khuôn mẫu cũng quan tâm về ứng dụng này trong việc sửa chữa một phần của khuôn bị hư hỏng Trong nghiên cứu [6] Sagar H Nikam và Neelesh Kumar Jain đã thảo luận sâu về các quá trình sửa chữa các thiết bị bị hư hỏng như dập khuôn, khuôn mẫu và bánh răng Tác giả đã chỉ ra rằng sử dụng công nghệ laser trong sửa chữa là một phương pháp hiệu quả để khắc phục các hư hại như các vết nứt, mài mòn và biến dạng do nhiệt Laser cung cấp một lựa chọn sửa chữa nhanh chóng và chính xác, cho phép kiểm soát tốt hơn đối với vùng ảnh hưởng nhiệt và chất lượng lắng đặt [6]
Tổng hợp các công trình nghiên cứu cho thấy công nghệ LDED đang dần khẳng định vị thế của mình như một công nghệ quan trọng trong sản xuất bồi đắp và tái sản xuất Với khả năng áp dụng linh hoạt, tiết kiệm nguyên liệu và thời gian, cũng như khả năng sản xuất các bộ phận phức tạp, công nghệ này hứa hẹn sẽ mở rộng phạm vi ứng dụng và tạo ra cơ hội mới cho ngành công nghiệp sản xuất và sửa chữa trong tương lai Nhận thấy tiềm năng này, bài luận tập trung ứng dụng công nghệ LDED để phát triển một quy trình hiệu quả và toàn diện, nhằm giải quyết các thách thức cụ thể mà đơn vị hợp tác đang gặp phải.
Tình hình nghiên cứu về mô phỏng quá trình lắng đọng
Phương pháp mô phỏng số trong quá trình lắng đọng kim loại bằng năng lượng laser được áp dụng để dự đoán kết quả của các quá trình sản xuất trước khi tiến hành các thử nghiệm vật lý, qua đó tiết kiệm đáng kể thời gian và nguồn lực Điều này đặc biệt quan trọng đối với các bộ phận lớn và có giá trị cao, nơi mà chi phí và rủi ro của các thử nghiệm thực tế có thể rất lớn Mô phỏng cũng giúp phát hiện và giảm thiểu những sai sót tiềm ẩn trong quá trình sản xuất, từ đó nâng cao chất lượng và độ chính xác của sản phẩm cuối cùng Do tầm quan trọng ngày càng tăng của phương pháp này, các nghiên cứu về mô phỏng quá trình bồi đắp kim loại đã nhận được nhiều sự chú ý trong những năm gần đây Ví dụ, trong năm 2022, M Biegler và các cộng sự đã thực hiện bài nghiên cứu [7] dựa trên các mô phỏng số đã được thiết lập và xác thực trong những năm gần đây để giảm thiểu công sức thử nghiệm thực tế trong việc lập kế hoạch xây dựng, tìm kiếm tham số và giảm biến dạng trong quá trình lắng đọng bằng năng lượng laser Ngoài ra nhằm đảm bảo phương pháp mô phỏng của phần mềm Simufact Welding có độ tin cậy cao, B A
M Elsner và cộng sự đã thực hiện nghiên cứu [8] về việc đánh giá chất lượng kết quả của các mô phỏng lắng đọng với việc đơn giản hóa dần chuyển động nguồn nhiệt chuyển tiếp Mục đích của họ là để giảm thiểu số bước tính toán trong mô phỏng mà vẫn giữ được sự chính xác về mặt nhiệt động và năng lượng Nhóm tác giả đã kiểm định bằng cách so sánh lịch sử nhiệt mô phỏng với lịch sử nhiệt đo được trên chi tiết nền và vật liệu bồi đắp của một bộ phận minh họa Mô phỏng này cho thấy việc nhóm các giai đoạn nhiệt động lực học lại với nhau có thể giảm đáng kể số lượng bước tính toán mà vẫn giữ được ảnh hưởng của việc nung nóng và làm mát cục bộ trên cấu trúc Kết quả cho thấy phương pháp "chu kỳ nhiệt tiên tiến"
(ATC) có thể giảm thời gian tính toán xuống còn 10.7% so với mô phỏng tham chiếu mà không làm mất đi độ chính xác của kết quả
Dựa trên những tiến bộ đã đạt được từ các nghiên cứu mô phỏng quá trình lắng đọng kim loại bằng laser, chúng ta hoàn toàn có thể áp dụng những hiểu biết này vào việc giải quyết bài toán hiện tại Điều này sẽ giúp đề tài giảm thiểu sai sót đáng kể trong quá trình sửa chữa và nâng cao chất lượng sản phẩm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lắng đọng kim loại bằng Laser
3.1.1 Phương pháp lắng đọng trực tiếp
Phương pháp lắng đọng năng lượng trực tiếp, hay còn được biết đến với tên gọi khác là Laser Metal Deposition (LMD), đại diện cho một tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực chế tạo và sửa chữa chi tiết kim loại Được thiết kế để tạo ra các sản phẩm có độ phức tạp cao, phương pháp này đặt nền móng trên việc sử dụng đầu cung cấp vật liệu và nguồn nhiệt, được điều khiển một cách chính xác thông qua chuỗi lệnh được lập trình trước
Nguyên tắc cơ bản của phương pháp lắng đọng trực tiếp dựa trên việc bồi đắp vật liệu kim loại theo từng lớp, tạo nên chi tiết hoặc sản phẩm theo mô hình đã được thiết kế trước đó trên máy tính
Trong quy trình này sử dụng một nguồn năng lượng để làm tạo ra lượng nhiệt lớn tại một điểm cụ thể trên bề mặt nền được hàn Quá trình này có thể bắt đầu bằng việc áp dụng một tia laser hoặc nguồn nhiệt tương đương tại điểm hàn, tạo ra một điểm nóng chảy có thể kiểm soát Một phần của nhiệt lượng được tạo ra được hấp thụ bởi lớp bề mặt, trong khi phần còn lại được phản xạ và mất đi Nhiệt độ tác dụng lên lớp bề mặt cơ sở sau đó được truyền vào bên trong thông qua dẫn nhiệt, và tại vị trí này, vật liệu sẽ nóng chảy Vật liệu từ buồng chứa được bơm vào vị trí nóng chảy dưới dạng hạt bột hoặc dạng sợi, và chúng cũng trải qua quá trình nung chảy do tác động của nguồn năng lượng Trong quá trình này, hạt bột hoặc dây vật liệu cũng hấp thụ một lượng nhiệt lượng nhất định Điều này dẫn đến một hiệu ứng mất mát năng lượng, khiến cho công suất của nguồn nhiệt đến bề mặt hàn giảm xuống so với giá trị được thiết lập Lượng giảm này thường dao động khoảng 20% so với công suất được kỳ vọng trong quy trình LMD [9] Điều này làm nổi bật sự quan trọng của việc hiểu và kiểm soát các yếu tố tác động đến hiệu suất của quá trình LDED, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất và đảm bảo chất lượng của sản phẩm kim loại gia công
Vật liệu được cung cấp vào vị trí hàn không bị ảnh hưởng bởi trọng lực, được lắng đọng tại một không gian tương đối nhỏ mà chúng ta có thể kiểm soát được hướng và áp lực Nhờ vậy, quá trình lắng đọng không chỉ hiệu quả trong việc đặt chất theo hướng thẳng đứng mà còn hiệu quả khi thực hiện theo nhiều hướng khác nhau Nhờ tính linh hoạt này, phương pháp này có khả năng tích hợp với các hệ thống máy điều khiển đa trục như 4 trục, 5 trục, tăng cường khả năng điều khiển và đa dạng hóa quy trình sản xuất Do đó, phương pháp này có thể tạo ra các sản phẩm với chi tiết phức tạp mà các phương pháp truyền thống gặp khó khăn hoặc yêu cầu chi phí và tài nguyên lớn để thực hiện
Kích thước của điểm hàn trong quá trình làm lắng đọng kim loại phụ thuộc vào nguồn năng lượng được sử dụng Theo tài liệu [10], khi sử dụng nguồn năng lượng là laser, điểm hàn thường có "đường kính từ 0.25 mm – 1 mm và chiều cao 0.1 mm - 0.5 mm" Trong quá trình này, bột kim loại được đưa vào điểm hàn và làm nóng chảy khi tiếp xúc với tia laser Khi tia laser di chuyển đi, bột kim loại đông cứng và tạo thành điểm hàn mong muốn [10]
Ngoài ra quá trình làm lạnh rất nhanh và vật liệu nung chảy đóng cứng gần như ngay lập tức “Khi kích thước tại vị trí nóng chảy nhỏ và tốc độ di chuyển tương đối nhanh, điều này kết hợp để tạo ra tốc độ làm lạnh rất cao, thường nằm trong khoảng từ 10^3 đến 10^5 °C/s, và tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ lớn Tùy thuộc vào vật liệu hoặc hợp kim được chế tạo, những tốc độ làm lạnh này có thể tạo ra cấu trúc hạt mà không thể đạt được thông qua các phương pháp chế tạo truyền thống” [10]
3.1.2 Nguyên lý truyền dẫn vật liệu và các loại vật liệu
Vật liệu phun có thể được xử lý dưới hai dạng khác nhau (dây hoặc bột) và quy trình khác biệt đáng kể Điều này dẫn đến kết cấu của hệ thống dẫn vật liệu cũng khác nhau. Đối với vật liệu dạng bột
Mức độ phức tạp và độ chính xác của lớp bồi đắp trong công nghệ LDED phụ thuộc rất nhiều vào nguyên lý hoạt dẫn bột từ buồng chứa tới đầu hàn Có 4 nguyên lý để dẫn bột kim loại này [9]:
• Dựa trên nguyên lý trọng trường:
Vật liệu bột kim loại được cung cấp dựa trên nguyên tắc trọng lực và rơi xuống khe hở của một bánh xoay, bánh xoay này được thiết kế để duy trì sự đồng đều của bột, ngăn chúng đông cứng Trong quá trình xoay, một ống bơm khí với áp lực cao được sử dụng để đưa khí và bột được khuấy qua một ống khác, để dẫn tới đầu hàn Tốc độ xoay của bánh xoay sẽ ảnh hưởng đến lưu lượng của bột Đồng thời, áp lực của bột khi rời khỏi đầu hàn có thể được điều chỉnh thông qua áp lực của ống bơm khí [9].
Hình 3.1 Nguyên lý dựa dẫn bột bằng trọng lực[9]
• Dựa trên nguyên lý vít tải:
Dựa trên sự kết hợp giữa trọng lực của vật liệu và lực ma sát giữa vật liệu và thành máy Khi trục vít quay, lưỡi cắt tạo lực đẩy, đẩy vật liệu di chuyển tịnh tiến dọc theo đáy băng tải Phôi bột đến từ ngăn chứa phôi và rơi vào buồng kín chứa vít tải Vít tải này sẽ xoay để đẩy phôi về phía trước, do vậy lưu lượng của bột sẽ kiểm soát thông qua tốc độ quay của động cơ [9]
Hình 3.2 Nguyên lý dẫn bột bằng vít tải [9]
• Dựa trên nguyên lý hóa lỏng bột:
Hóa lỏng bột là 1 quá trình mà ở đó vật liệu hạt được chuyển từ trạng thái tĩnh (cô đặc như vật rắn) sang trạng thái động giống như chất lỏng Hiện tượng này xảy ra khi có dòng lưu chất (khí hoặc chất lỏng) chảy qua vật liệu hạt
Hình 3.3 Nguyên lý dẫn bột bằng hóa lỏng [9]
Hệ thống cấp liệu được thiết kế như sau: một dòng khí được cung cấp vào một bình chứa kín chứa bột Dòng khí này sau đó đi qua một bộ lọc nằm ở phía dưới đáy của bình, làm cho bột được phân tán và bắt đầu trở nên lỏng hơn Một khi bột đã được làm lỏng, dòng khí sẽ đi qua một chướng ngại vật để kiểm soát lượng bột được phát ra trước khi đến vòi phun LMD [9]
• Dựa trên nguyên lý giao động:
Bộ cấp liệu bột rung cũng có thiết kế đơn giản và dựa trên khay nghiêng được kích thích bởi một thiết bị rung bên ngoài Các hạt bột rời khỏi bình chứa sẽ nẩy trên khay cho đến khi chúng đạt đến lối ra Bộ cấp liệu dựa trên rung có thể cấp phôi với tốc độ khối lượng từ 8 đến 2000 gam mỗi phút với độ chính xác khoảng 1% Hình sau đây cho thấy sơ đồ của loại bộ cấp liệu bột này [9]
Hình 3.4 Nguyên lý dẫn bột bằng giao động [9]
Bộ rung này tuy đơn giản nhưng vẫn có thể kiểm soát được lượng bột nhất định Và kích thước bộ rung này khá nhỏ Nên việc tích hợp vào các dây chuyền hàn tự động hoàn toàn khả thi và giảm rất nhiều chi phí cho việc lắp đặt Đặc biết đối với các hệ thống tự động lâu đời
3.1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống đầu nguồn nhiệt
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống Laser Directed Energy Deposition gồm:
Hệ thống điều khiển và thiết lập thông số, buồng chứa bột, hệ thống điều hướng đầu hàn, đầu hàn Trong đó cấu tạo phức tạp nhất là đầu hàn vì cần có sự kết hợp của nhiều cơ cấu với kích thước vô cùng nhỏ và phải có độ bền cao vì luôn hoạt động với công suất cao và áp lực đẩy bột lớn. Đầu hàn bao gồm các thành phần sau [9]:
• Hệ thống đưa bột từ buồng chứa đến đầu hàn và tạo áp lực đưa bột ra khỏi đầu hàn
Mô phỏng số cho phương pháp lắng đọng kim loại bằng laser
Mô phỏng số cho phương pháp lắng đọng kim loại là một công cụ mạnh mẽ trong ngành chế tạo bồi đắp vật liệu (additive manufacturing), đặc biệt trong việc xây dựng các cấu trúc kim loại Mô phỏng số giúp đánh giá trước các vấn đề có thể xảy ra trong quá trình sản xuất, như biến dạng do nhiệt, ứng suất nội và các hiện tượng khác, từ đó tối ưu hóa các tham số quá trình để đạt được chất lượng sản phẩm mong muốn Ngày nay công cụ hiện được phát triển và có nhiều nghiên cứu liên quan là phần mềm Simufact Welding Để tối ưu hóa thời gian tính toán và hiệu quả của quá trình mô phỏng trong phần mềm Simufact Welding, một phương pháp mới đã được đưa ra, đó là phương pháp tính toán gộp nguồn nhiệt (ATC) Phương pháp này cho phép nhóm các bước tính toán lại với nhau, giúp rút ngắn đáng kể thời gian xử lý mà vẫn giữ được độ chi tiết cần thiết cho các đường hàn Cụ thể, ATC áp dụng nguồn nhiệt được sinh ra từ mỗi nhóm bước để lan truyền nhiệt đến các điểm lưới trên bề mặt vật thể Quá trình này tiếp tục cho đến khi nhiệt độ hội tụ, sau đó chuyển sang tính toán chuyển vị Khi chuyển vị hội tụ, bài toán sẽ tiếp tục với nguồn nhiệt tiếp theo Điều này không chỉ cải thiện tốc độ tính toán mà còn đảm bảo tính chính xác cần thiết cho mô phỏng Đây là một bước tiến quan trọng đối với các ứng dụng trong thực tế, nơi mà số lượng đường hàn có thể lên đến vài ngàn Bằng cách tối ưu hóa quy trình tính toán, phương pháp ATC giúp rút ngắn thời gian mô phỏng mà vẫn đảm bảo độ chính xác, làm tăng hiệu quả sửa chữa và sản xuất các sản phẩm phức tạp
Trong phần mềm Simufact Welding, mô phỏng quá trình lắng đọng bao gồm nhiều bước, từ thiết lập mô hình 3D ban đầu, chọn lựa vật liệu, đến cài đặt các thông số quá trình như công suất laser, tốc độ cho vật liệu, và điều khiển quá trình làm mát Mô phỏng giúp dự đoán và tối ưu hóa các thông số này để giảm thiểu các lỗi có thể xảy ra như biến dạng do nhiệt hay phân bố ứng suất trong quá trình sản xuất Để có thể tính toán được các dữ liệu đề cập trên cần hiểu rõ một số phương trình cơ bản sau
Phương trình truyền nhiệt có công thức cơ bản [17] là:
C(T): Ma trận dung tích nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ
K(T): Ma trận dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ
T: Vector nút nhiệt dT/dt: Đạo hàm vector nhiệt độ theo thời gian
Phương trình này mô tả sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian trong quá trình truyền nhiệt, nơ Đây là một phần của mô hình cơ bản để tính toán sự phân bố nhiệt trong một cấu trúc dưới tác động của nguồn nhiệt, đặc biệt quan trọng trong việc mô phỏng quá trình DED khi nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng và tính chính xác của sản phẩm cuối cùng
Phương trình biến dạng nhiệt được định nghĩa như sau [17]: th T
: Biến dạng nhiệt tổng thể của vật liệu
: Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu
T : Sự thay đổi nhiệt độ
Phương trình này mô tả mối quan hệ giữa biến dạng nhiệt và sự thay đổi nhiệt độ trong vật liệu Khi vật liệu bị nung nóng hoặc làm lạnh, nó sẽ giãn nở hoặc co lại tùy thuộc vào hệ số giãn nở nhiệt Phương trình này cần thiết trong việc dự đoán và phân tích biến dạng do nhiệt trong các quá trình chế tạo như DED, nơi mà sự kiểm soát nhiệt độ là yếu tố cần thiết để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Tiêu chuẩn ASTM A264
Tiêu chuẩn ASTM A264 - "Standard Specification for Stainless Chromium- Nickel Steel-Clad Plate" - xác định yêu cầu cho các tấm thép được mạ bằng thép không gỉ crôm-niken Vật liệu này chủ yếu dùng cho ứng dụng làm bình áp lực, trong đó thép cơ sở là thép carbon hoặc thép hợp kim thấp được phủ một hoặc cả hai mặt bằng thép không gỉ crôm-niken [18]
• Thành phần Hóa học: Thành phần hóa học của vật liệu phải tuân thủ các quy định được mô tả trong tiêu chuẩn A240/A240M cho thép không gỉ crôm-niken
• Liên kết: Liên kết giữa thép cơ sở và thép mạ phải được thực hiện một cách liên tục và toàn diện để đảm bảo tính toàn vẹn của bề mặt mạ
• Xử lý Nhiệt: Các tấm thép không gỉ phải trải qua xử lý nhiệt phù hợp để đảm bảo độ bền và đặc tính của lớp mạ
Thử nghiệm độ bền cắt
• Mục đích: Thử nghiệm cắt được thực hiện để đánh giá độ bền của liên kết giữa thép cơ sở và lớp mạ thép không gỉ
• Yêu cầu Thử nghiệm: Độ bền cắt tối thiểu của liên kết giữa lớp mạ và thép cơ sở phải đạt 20,000 psi (khoảng 140 MPa) [18]
• Quy trình Thử nghiệm: Thử nghiệm cắt phải được tiến hành theo phương pháp mô tả trong tiêu chuẩn, sử dụng mẫu thử với độ dày tối thiểu là 0.075 inch (1.9 mm) Thử nghiệm cắt được thực hiện bằng cách áp dụng lực cắt cho đến khi xảy ra sự hư hỏng hoặc khi đạt được giới hạn cường độ cắt đã quy định [18]
Hình 3.14 Mô tả thử nghiệm độ bền cắt ASTM A264 [18] Đánh giá và kiểm soát chất lượng
• Kiểm Tra Liên Tục: Các mẫu thử phải được kiểm tra liên tục để đảm bảo không có khiếm khuyết có thể ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm
• Phương pháp Kiểm Tra: Các phương pháp kiểm tra liên quan đến độ bền cắt phải tuân thủ theo các phương pháp và định nghĩa thử nghiệm cơ học được mô tả trong ASTM A370 [18].
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Xây dựng hình học
Ngày nay, việc áp dụng công nghệ số hóa trong các ngành công nghiệp đã mở ra những khả năng vô cùng rộng lớn, đặc biệt là trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo Nhờ vào sự phát triển vượt bậc của công nghệ quét 3D và các nghiên cứu không ngừng trong việc ứng dụng các phương pháp thiết kế ngược (reverse engineering), quá trình số hóa mô hình 3D ngày càng trở nên đơn giản và chính xác hơn Việc này không chỉ giúp rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm mà còn cải thiện đáng kể chất lượng và độ chính xác của các bộ phận máy
Trong nghiên cứu này, thiết bị được sử dụng để thực hiện quét 3D là EinScan Pro 2X, một trong những máy quét 3D có khả năng thu thập dữ liệu đám mây điểm nhanh chóng và chính xác Kết hợp với phần mềm Space Claim để thiết kế ngược
Sự kết hợp của hai công nghệ này không chỉ đảm bảo độ chính xác trong việc khôi phục chi tiết mà còn tối ưu hóa quy trình thiết kế và thời gian cần thiết cho việc xây dựng hình học từ một chi tiết bị hỏng
Hình 4.1 Máy scan EinScan Pro 2X [19]
Bảng 4.1 Thông số của máy EinScan Pro 2X [19]
Chế độ quét Quét HD cầm tay
Quét với bàn xoay và máy gá cố định
Quét không có bàn xoay và máy gá cố định Độ chính xác 0.045 mm 0.1 mm 0.04 mm 0.04 mm
Tầm quét 150×120 mm - 250×200 mm Độ sâu vùng quét 300 - 500 mm
Theo thông tin của bảng 4.2, phạm vi và kích thước yêu cầu của thiết bị hoàn toàn phù hợp để quét đối tượng Để đảm bảo có được thông tin hình học tốt nhất có thể, nên đối tượng nghiên cứu được quét ở chế độ “Quét với bàn xoay và máy gá cố định” Từ dữ liệu hình học này có thể nội suy các thông tin hình học cơ bản của đĩa và phục dựng gần đúng nhất có thể
Hình 4.2 a) Đối tượng bị hỏng b) Đối tượng sau khi scan3d
Sau khi thu thập và xử lý dữ liệu quét 3D, việc nội suy để xác định các thông số kỹ thuật của cánh là bước tiếp theo, giúp tạo ra một mô hình số mà từ đó có thể được sử dụng để chế tạo hoặc sửa chữa Tuy nhiên, để đảm bảo độ chính xác của mô hình này, cũng cần thực hiện đo kiểm thực tế trên sản phẩm phục hồi Đo kiểm này không chỉ cần thiết để xác nhận các thông số hình học mà còn đảm bảo rằng các tính toán và quy trình thiết kế ngược đã được thực hiện một cách chính xác
Bảng 4.2 Kích thước sơ bộ của cánh Đường kính trong (mm) 48 Đường kính ngoài (mm) 165 Độ dày cánh (mm) 7
Số cánh 4 Đường kính trục (mm) 14
Hình 4.3 Hình Học dựng theo thông tin sơ bộ
Hình 4.4 Hình học được so sánh với dữ liệu quét 3d
Hình 4.3 thể hiện mô hình hình học được dựng dựa trên thông tin sơ bộ thu thập được từ quá trình quét 3D và các phép đo đạc thực tiễn Mục tiêu là để tái tạo hình dạng ban đầu của bộ phận một cách chính xác nhất, đảm bảo kích thước gần giống với nguyên bản Trong quá trình bồi đắp kim loại, do sai số lớn (IT 15 – IT17) [20] có thể xuất hiện, việc kết hợp sử dụng công nghệ phay CNC là cần thiết để đạt được hình dạng cuối cùng chính xác nhất Do các thách thức về dung sai trong quá trình bồi đắp kim loại, mô hình hình học được sử dụng để lập trình cho quá trình này cần có lượng dư gia công khoảng 2mm so với kích thước nguyên bản trên tất cả các phương diện Điều này nhằm đảm bảo rằng sau khi quá trình phay tinh được thực hiện, chi tiết cuối cùng sẽ chính xác phù hợp với mô hình ban đầu
Hình 4.5 Dữ liệu hình học bồi đắp kim loại
Hình 4.5 là mô hình đã được tăng bề dày đều theo các phương của 4 cánh
Dữ liệu này dùng ở giai đoạn lập trình quá trình bồi đắp kim loại.
Thiết lập mô phỏng bằng phần mềm Simufact Welding
4.2.1 Thiết lập các thành phần cơ bản Để tạo ra một mô phỏng chính xác và hiệu quả của quá trình lắng đọng kim loại bằng laser, cần thiết lập một số thành phần và điều kiện biên cơ bản sao cho gần giống nhất với thực tế Mô phỏng này bao gồm các yếu tố sau: thành phần nền (substrate), đồ gá, nhiệt độ, vật liệu, nguồn nhiệt và G-code để điều khiển quá trình bồi đắp, cũng như tạo hình học cho vật liệu được bồi đắp
Quá trình này bao gồm việc định nghĩa thành phần nền là một đĩa bánh công tác làm từ SCS10, một vật liệu có đặc tính chống ăn mòn và độ bền cao Thành phần nền này sẽ được giữ chắc chắn trong quá trình lắng đọng bằng một mâm kẹp ba chấu, được thiết kế để đảm bảo lực kẹp ổn định mà không gây biến dạng
Ngoài ra mô hình được thiết lập nhiệt độ môi trường ở 27 °C, điều này rất quan trọng để kiểm soát quá trình làm nóng và làm lạnh vật liệu Nguồn nhiệt cho quá trình này được cung cấp bởi một laser với công suất 1100 W nhằm nung chảy bột kim loại (được đề xuất từ dữ liệu của nhà cung cấp) Mô phỏng này cũng đòi hỏi việc phát triển một G-code chính xác từ phần mềm tích hợp sẵn của hệ thống máy LDED, điều khiển chính xác vị trí và chuyển động của đầu phun Trong đó có 8,348 đường hàn (welding trajectory) được định nghĩa để tạo được 4 cánh Việc tạo ra hình học bồi đắp cũng được định nghĩa cẩn thận dựa trên G-code với mỗi điểm có kích thước đường kính là 1.2 mm và bề dày 0.4 mm, cho phép mỗi lớp vật liệu được bồi đắp chính xác, làm tăng hiệu quả và chất lượng của quá trình sản xuất
Hình 4.6 Mô hình sau khi thiết lập bằng phần mềm Simufact Welding
Trong quá trình mô phỏng LDED để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả, một bước quan trọng là định nghĩa cẩn thận các liên kết giữa các thành phần hình học Theo như đã thể hiện trong hình 4.6, nhận thấy rằng cấu trúc mô phỏng bao gồm ba loại liên kết chính Đầu tiên, liên kết giữa mâm kẹp ba chấu và đĩa bánh công tác được thiết lập dưới dạng tiếp xúc ma sát (Touching) Phương thức này cho phép mô phỏng chính xác sự truyền lực giữa hai bề mặt, phản ánh thực tế sự kẹp chắc và truyền động cơ học giữa mâm kẹp và đĩa Thứ hai, liên kết giữa đĩa bánh công tác và vật liệu bồi đắp được mô tả là liên kết hàn chết (Glued) Điều này đảm bảo không có sự dịch chuyển tương đối giữa đĩa và vật liệu bồi đắp, tạo điều kiện cho quá trình hàn nối các lớp kim loại một cách ổn định và bền vững Cuối cùng, liên kết giữa các lớp vật liệu bồi đắp cũng được nối bằng hàn chết, giúp đảm bảo tính liên kết mạnh mẽ và độ ổn định cấu trúc của sản phẩm cuối cùng Qua việc mô phỏng chính xác các liên kết này, chúng ta có thể hiểu rõ và phân tích được các yếu tố cơ học, nâng cao chất lượng và độ chính xác của quá trình LDED
4.2.2 Chia lưới hình học nền và hình học bồi đắp
Trong quá trình chia lưới cho mô phỏng kỹ thuật, việc cân bằng giữa độ chính xác và hiệu quả tính toán là cực kỳ quan trọng Độ tinh của lưới quyết định độ chi tiết và độ chính xác của mô hình mô phỏng, nhưng cũng ảnh hưởng đến tài nguyên tính toán và thời gian xử lý Trong nghiên cứu này, việc chọn loại lưới tứ diện nhằm giúp mô hình lưới bám sát với hình học nhất có thể và việc lựa chọn kích thước phần tử lưới là một quyết định quan trọng để đảm bảo rằng kết quả mô phỏng là chính xác mà vẫn duy trì được hiệu quả tính toán Sau nhiều lần chia lưới và dự đoán thời gian tính toán, việc áp dụng kích thước phần tử 2 mm cho vị trí bồi đắp cánh và 5 mm cho các vùng xung quanh giúp tối ưu hóa sự phân bổ nguồn lực tính toán ở thời điểm hiện tại Việc này không những giảm đáng kể thời gian tính toán từ cả tháng xuống còn chấp nhận được mà còn đảm bảo chất lượng lưới cần thiết cho mô phỏng Số lượng phần tử tổng cộng là 24,718 phần tử, phản ánh một sự cân bằng hiệu quả giữa độ chi tiết và thời gian xử lý
Hình 4.7 Mô hình lưới của đĩa bánh công tác
Chất lượng lưới cuối cùng được đánh giá là 0.306065, nằm trong khoảng chấp nhận của phần mềm Simufact Welding (0.3 - 0.5), cho thấy rằng lưới được chia đủ để đạt được kết quả mô phỏng mà không quá tốn kém thời gian và tài nguyên về mặt tính toán
Trong quá trình chia lưới cho hình học bồi đắp, việc sử dụng lưới hình hộp (hex mesh) được ưu tiên bởi tính năng vượt trội của nó trong mô phỏng quá trình lắng đọng kim loại Theo tài liệu "Infosheet Deposition Generation" [21], việc chọn lưới hex mesh trong quá trình tạo deposit chủ yếu dựa vào cấu trúc đặc thù của lưới này, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật của quy trình bồi đắp Hex mesh giúp khớp chính xác chiều cao của mỗi lớp deposit, điều này quan trọng trong quá trình lắng đọng kim loại do nó đảm bảo tính liên tục và đồng nhất giữa các lớp vật liệu Việc này không chỉ cải thiện độ chính xác của mô phỏng mà còn giảm thiểu rủi ro sai lệch giữa các lớp, góp phần nâng cao chất lượng cuối cùng của sản phẩm [21]
Hình 4.8 Mô hình lưới của hình học bồi đắp
Cùng hạn chế về mặt thời gian và tài nguyên máy tính nên kích thước phần tử của hình học bồi đắp được lựa chọn ở mức độ thô với kích thước 3.5×3.5×2mm theo mỗi cạnh Từ đó có tổng là 6,728 phần tử
Sự khác biệt giữa lưới tứ diện (Hình 4.7) và lưới hình hộp (Hình 4.8) chủ yếu nằm ở cách mỗi loại lưới xử lý hình học và độ chính xác của kết quả Lưới tứ diện, với các phần tử tứ diện, phù hợp cho các hình học phức tạp, chia lưới được các hình học có dạng đường cong phức tạp nhưng có thể dẫn đến số lượng phần tử nhiều và thời gian tính toán lâu hơn Ngược lại, lưới hình hộp gồm các phần tử hình hộp, được ưu tiên trong các mô phỏng có tính chất lớp, như bồi đắp, cung cấp độ chính xác cao hơn và giúp giảm thiểu sai lệch giữa các lớp Sự kết hợp cả hai loại lưới trong cùng một mô phỏng nhằm tối ưu hóa hiệu suất tính toán
Hình 4.9 Mô hình lưới của bài toán
4.2.3 Thiết lập bộ giải và các điều kiện biên Đối với mô hình bài toán hiện tại, việc mô phỏng quá trình LDED cho 4 cánh của bánh công tác, với các hình học phức tạp bao gồm nhiều góc và đường cong, yêu cầu một lượng lớn các đường hàn Cụ thể, với 8348 đường hàn, mỗi đường có từ 200 - 300 điểm hàn, điều này tạo ra một khối lượng dữ liệu đáng kể để xử lý Do vậy không chỉ yêu cầu một bộ giải có khả năng xử lý ma trận lớn mà còn cần hiệu quả trong môi trường tính toán song song Bộ giải MUMPS (Multifrontal Massively Parallel Sparse Direct Solver) là lựa chọn phù hợp nhất cho nhu cầu này
Là một bộ giải trực tiếp, MUMPS có khả năng xử lý hiệu quả các ma trận lớn và phức tạp, phù hợp với tính chất đòi hỏi của mô hình bài toán Khả năng này là rất quan trọng để đảm bảo tính toán được thực hiện một cách chính xác và nhanh chóng
Trong bài nghiên cứu [12], K Benarji và cộng sự (2019) đã khảo sát các tham số quan trọng trong quá trình lắng đọng kim loại bằng laser cho vật liệu thép không rỉ SS316 Các tham số cụ thể được điều chỉnh trong nghiên cứu bao gồm công suất laser, tốc độ quét và tốc độ cấp bột Trong đó công suất laser được thay đổi trong khoảng từ 1000 W đến 1400 W Kết quả cho thấy rằng việc tăng công suất laser dẫn đến việc tăng chiều rộng và chiều cao của dấu vết nạp, là do sự gia tăng năng lượng laser trên mỗi đơn vị chiều dài, tạo ra hồ quang nóng chảy lớn hơn Tuy nhiên, công suất cao hơn 1200 W gây ra mất vật liệu do bay hơi, ảnh hưởng tiêu cực đến cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của SS316 Công trình này nhấn mạnh sự cần thiết của việc điều chỉnh công suất laser, tốc độ quét và lượng vật liệu tiêu thụ để đạt được kết quả sản xuất tốt nhất Kết quả này cung cấp hướng dẫn về việc lựa chọn công suất laser phù hợp cho các ứng dụng của đề tài Cụ thể thông tin được trình bày trong bảng 4.3
Bảng 4.3 Thông tin điều kiện biên Điều kiện biên Thông số
Tốc độ di chuyển 66,67 mm/s
Hệ số truyền nhiệt đối lưu 30 W/m²K
Hệ số truyền nhiệt tiếp xúc 1000 W/m²K
Công suất laser 1100 W Đường kính mối hàn 1.2 mm
Chiều cao mối hàn 0.4 mm
Ngoài ra thiết bị được sử dụng để chạy mô phỏng cho bài toán này là máy tính với cấu hình mạnh mẽ, bao gồm CPU Intel Core I9 14900K có khả năng tăng tốc lên đến 6.0 GHz, 24 nhân và 32 luồng, cùng với 36 MB cache dòng Raptor Lake Refresh Máy cũng được trang bị RAM 32 GB với tốc độ 6000MHz và một ổ cứng SSD 512Gb để lưu trữ kết quả mô phỏng, đảm bảo hiệu suất xử lý cao và khả năng lưu trữ tốt cho các tác vụ nặng.
Thiết lập thử nghiệm độ bền cắt
Thử nghiệm độ bền cắt là một phần thiết yếu trong quá trình đánh giá tính chất liên kết của vật liệu trong công nghệ bồi đắp kim loại bằng laser, tuân thủ theo tiêu chuẩn ASTM A264 Thử nghiệm này giúp xác định khả năng chịu lực của vật liệu sau khi bồi đắp so với cơ sở vật liệu
Chuẩn bị mẫu thử với kích thước của bộ phận nền là 25.4 mm × 64.5 mm × 3 mm Kích thước của lớp kim loại bồi đắp có kích thước là 25.4 mm × 1.5 mm × 1 mm Quá trình này được kiểm soát bằng hệ thế máy in kim loại để đảm bảo đồng bộ về thông số kỹ thuật và độ chính xác về mặt kích thước
Hình 4.10 Quy trình chuẩn bị mẫu thử
Hình 4.11 Mẫu thử đã được xử lý
Quá trình tạo mẫu thử nghiệm được thực hiện thông qua bốn bước chính như hình 4.9, bắt đầu bằng việc chuẩn bị một tấm kim loại SCS10 với kích thước 150×64.5×3 mm Sau đó, một lớp kim loại SS316 được phủ lên bề mặt tấm gốc, với kích thước của lớp phủ là 140×15×1.5 mm, được định vị cách đầu tấm cơ sở 30 mm Tiếp theo, mẫu được đưa vào máy CNC để gia công, đảm bảo kích thước và hình dạng cuối cùng của mẫu thử phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật cho bài thử nghiệm Kết quả là mẫu thử với kích thước cuối cùng được chi tiết trong hình 4.10, sẵn sàng cho việc thực hiện các thử nghiệm độ bền cắt theo tiêu chuẩn đã đề ra
Hình 4.12 Mô hình bệ gá
Sau khi đạt được mẫu với kích thước như mong muốn thì lắp mẫu vào bệ gá như hình 4.11 để thử nghiệm lực cắt Sau đây là hình ảnh thực tế được thực hiện theo quy trình được đề cập ở trên
Hình 4.13 Bồi đắp kim loại lên tấm kim loại phẳng
Hình 4.14 Phay bề mặt để có được mẫu
Hình 4.15 Thiết lập mẫu lên bệ thử
Hình 4.16 Hệ thống thử nghiệm lực cắt
Thiết lập và thực hiện quá trình bồi đắp kim loại để sửa chữa cánh
Các bước được thực hiện như sau:
Bước 1: Gá đĩa bị hỏng lên mâm kẹp ba chấu cố định Việc kẹp chặt này cần phải thực hiện gá đảm bảo bề mặt đáy của đĩa được đặt vuông góc với bệ và lực siết đủ lớn để tránh đĩa di chuyển trong quá trình bồi đắp
Bước 2: Phay xử lý bề mặt chổ bị hỏng để đảm bảo mối hàn đạt được mức liên kết tốt nhất Quá trình xử lý được thực hiện dựa trên hình học thiết kế và lập trình sẵn trên máy phay
Hình 4.18 Đĩa sau khi xử lý bề mặt
Bước 3: Thực hiện lấy tâm và một số vị trí đặc trưng của đĩa bằng đầu dò để tiến hành bồi đắp kim loại theo các thông số đã được đề cập trước đó trong phần mô phỏng
Hình 4.19 Bồi đắp kim loại 4 cánh lên đĩa
Bước 4: Thực hiện phay loại bỏ các vật liệu thừa để đạt được hình học như mong muốn
Bước 5: Sau khi xử lý đối tượng sẽ được quét 3d như bước đầu đã thực hiện để thu lại dữ liệu hình học
Bước 6: Đánh giá một số vị trí đặc trưng trên cánh để đảm bảo độ chính xác của hình học
Khảo sát các điểm đặc trưng của từng cánh ở vị trí chính lần lượt theo bán kính 27.5 mm, 50 mm, 80 mm
Hình 4.20 Các vị trí cần khảo sát
Như hình 4.18 các vị trí được đặt theo tên của từng cánh và có tọa độ được trình bày cụ thể trong bảng 4.4 sau Trong đó gốc tọa độ XY được lấy từ tâm của đĩa và gốc tọa độ theo trục Z được xác định tại vị trí có bề mặt cao nhất
Bảng 4.4 Tọa độ các điểm cần khảo sát Điểm khảo sát Tọa độ (X,Y,Z) (mm) 1A (-25.5, -10.31,-0.68) 1B (-22.88, -44.46, -3.04) 1C (17.84, -77.99, -6.20) 2A (25.5, -10.31,-0.68) 2B (44.46, -22.88, -3.04) 2C (77.99, 17.84, -6.20) 3A (25.5, 10.31, -0.68) 3B (22.88, 44.46, -3.04) 3C (-17.84, 77.99, -6.20)
Bài toán sẽ xét sự dịch chuyển theo trục z của từng điểm tại mỗi mặt cắt Trong đó mặt cắt được tạo từ điểm khảo sát và trục z chính của cánh Từ đó sẽ đưa ra sai số chuyển vị theo trục Z.
KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH
Kết quả chạy mô phỏng
5.1.1 Phân tích phân bố ứng suất cắt
Kết quả mô phỏng đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá dự đoán ứng xử của mô hình và độ bền của cánh sau khi sửa chữa Ứng suất cắt (shear stress) là một trong những yếu tố quan trọng quyết định độ bền và độ ổn định của cánh impeller Việc phân tích ứng suất cắt giúp xác định các vùng có nguy cơ cao bị nứt hoặc tách lớp trong quá trình bồi đắp kim loại Hình dưới đây thể hiện phân bố ứng suất cắt theo 3 mặt cắt XY, YZ, XZ của cánh impeller sau khi mô phỏng
Hình 5.1 Kết quả ứng suất cắt XY
Hình 5.2 Kết quả ứng suất cắt YZ
Hình 5.3 Kết quả ứng suất mặt cắt ZX
Kết quả mô phỏng cho thấy phân bố ứng suất cắt trên toàn bộ cánh impeller trung bình trong khoảng từ -80 Mpa đến 80 MPa Các vùng màu đỏ biểu thị các vùng có ứng suất cắt cao nhất, trong khi các vùng màu xanh biểu thị các vùng có ứng suất cắt thấp hơn Điều này cho phép chúng ta xác định các vùng cần chú ý đặc biệt khi đánh giá độ bền của cánh Giá trị cụ thể của ứng suất cắt được hiển thị bên góc trái: từ -383.27 MPa (màu xanh biển) đến 399.73 MPa (màu đỏ) Điều này cho thấy sự chênh lệch đáng kể trong phân bố ứng suất Các khu vực có ứng suất âm thường ở các vị trí này có khả năng bị biến dạng do co ngót sau khi nhiệt độ cao của quá trình LDED giảm xuống Các khu vực có ứng suất dương và cao sẽ có thể gây ra phát hủy hoặc sẽ làm giảm độ bền mỏi Theo như phân bố các điểm chênh lệch này thường nằm ở vùng ngoài của cánh Do vậy cần điều chỉnh lại thông số nguồn nhiệt để giảm mức ảnh hưởng từ nhiệt độ xuống tốt nhất có thể Ngoài ra cần đưa sản phẩm sau khi in đi xử lý nhiệt để làm giảm ứng suất cắt tại các vị trí này
5.1.2 Phân tích phân bố nhiệt độ
Ngoài ra phân tích phân bố nhiệt độ sẽ giúp chúng ta dự đoán trước được những điểm cần cải thiện trong quá trình bồi đắp từ đó làm giảm sự chênh lệch nhiệt độ khi ở giai đoạn vừa kết thúc quá trình và đáp và chuyển sang giai đoạn làm mát Việc này có thể giúp giảm ứng suất cắt tại các vị trí
Hình 5.4 Phân bố nhiệt độ tại thời điểm kết thúc quá trình bồi đắp
Như vậy có thể thấy ở hình 5.4 cho thấy kết quả phân bố nhiệt độ tại thời điểm kết thúc quá trình bồi đắp (Tại thời điểm đường hàn thứ 8348) Các vùng màu đỏ sáng trong hình 5.4 biểu thị nhiệt độ cao nhất, lên đến khoảng 1450°C Các vùng này tập trung ở các khu vực gần nguồn nhiệt, tức là các vị trí vừa kết thúc bồi đắp vật liệu Các vùng màu đỏ đậm hơn có nhiệt độ trong khoảng 930°C đến 540°C Và cùng còn lại có nhiệt độ thấp nhất là 200°C Tại vị trí ở mép của cánh có nhiệt độ là 200°C có sự chênh lệch rất nhiều đối với phần thân của cánh (540°C) Sự chênh lệch này sẽ tạo ra ứng suất nén ở vùng nóng và ứng suất kéo ở vùng nguội Ứng suất nén và kéo này nếu không được kiểm soát có thể gây ra các hiện tượng biến dạng đáng kể.
Kết quả thử nghiệm độ bền cắt
Việc đánh giá độ bền cắt của vật liệu bồi đắp bằng các thử nghiệm tiêu chuẩn là không chỉ cần thiết mà còn mang tính quyết định trong việc sử dụng quy trình bồi đắp này vào các ứng dụng sửa chữa Thông qua những kết quả thử nghiệm này, ta có thể xác định được khả năng chịu đựng của vật liệu dưới tác động của lực cắt, từ đó đánh giá tính ổn định và độ tin cậy của vật liệu khi được ứng dụng vào thực tế
Và cũng là cơ sở để đánh giá khả năng của vật liệu trong việc chịu đựng các tác động lực trong điều kiện thực tế, và từ đó có những điều chỉnh phù hợp trong quá trình thiết kế và chế tạo các thành phần máy móc hay kết cấu
Vật liệu bồi đắp có thông số cơ học (Được cung cấp bởi nhà sản xuất) như sau:
Bảng 5.1 Bảng đặc tính cơ học của SS316
Phương Độ bền kéo tối đa
0.2% Ứng suất chảy dẻo (MPa) Độ giãn dài khi đứt (%)
Hình 5.5 Đồ thị lực cắt và hành trình của lực cắt
Biểu đồ ở hình 5.2 thể hiện mối quan hệ giữa lực tác động và hành trình biến dạng cho 5 mẫu, được ký hiệu là LMD1 đến LMD5 Các đường có hình dạng khá đồng bộ, với đỉnh ở gần giá trị hành trình khoảng 0.6 mm Điều này cho thấy tính nhất quán về liên kết của lớp bồi đắp trong quá trình bồi đắp kim loại Độ dốc trung bình của của đồ thị cho thấy vật liệu tương đối cứng và có chuyển vị thấp (0.6 mm) khi chịu lực tải lên đến xấp xỉ 18 KN Điều này có thể chỉ ra rằng vật liệu có độ cứng cao hoặc khả năng chịu lực tốt Thông số cụ thể ở vị trí tải trọng cắt lớn nhất được trình bày ở bảng sau
Bảng 5.2 Bảng thông số giá trị tại lực tải cao nhất
Tải trọng cắt lớn nhất
Cường độ cắt (Shear Strength) N/mm 2
Biên độ đến khi hỏng (Stroke to failure) mm
Như vậy kết quả trình bày trong bảng 5.1 cho thấy cường độ cắt cao nhất mà vật liệu này có thể chịu được là 470.98 N/mm 2
Với độ bền cắt thực nghiệm cao hơn giá trị ứng suất cắt tối đa từ mô phỏng được đề cập ở trên, điều này cho thấy vật liệu dùng trong mô hình có khả năng chịu đựng lực cắt tốt, ở mức an toàn dưới điều kiện tải trọng như đã mô phỏng Điều này quan trọng trong việc đảm bảo tính an toàn và độ tin cậy của cấu trúc hoặc máy móc khi hoạt động thực tế.
Kết quả sau khi bồi đắp và xử lý bề mặt
Sau quá trình phục hồi cánh quạt bằng công nghệ bồi đắp kim loại hoàn thành Tổng thời gian lấy điểm tọa độ và sửa chữa là 1 tiếng Kết quả ngoại quan cho thấy không xuất hiện bất kì vết nứt hay khuyết tật nào Tuy nhiên màu sắc sau khi của cánh sau khi phủ có màu sẫm như trong hình 5.3
Hình 5.6 Đối tượng sau khi bồi đắp kim loại
Hiện tượng màu sắc sẫm ở trên cánh có thể là dấu hiệu của quá trình oxy hóa vật liệu khi tiếp xúc với không khí ở nhiệt độ cao Tuy nhiên điều này không làm ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả của việc sửa chữa cánh
Hình 5.7 Đối tượng sau khi xử lý bề mặt
Do một số yêu cầu của bài toán cần giữa lại 1 cánh bồi đắp kim loại dùng để lưu trữ lại kết quả Nên việc xử lý bề mặt được thực hiện trên 3 cánh còn lại Việc xử lý này được thực hiện bằng công nghệ phay tự động nhằm đảm bảo dung sai hình sau khi xử lý
Kiểm tra ngoại quan cánh sau khi được xử lý bề mặt là một trong những bước định tính cơ bản nhằm đánh giá sơ bộ những điểm bất thường mà hiển thị rõ trên cánh
Hình 5.8 Cánh 1 sau khi xử lý
Hình 5.9 Một số góc cạnh của cánh sau khi xử lý
Dựa trên hình đối với vị trí in kim loại nhám bề mặt cao (hình dáng xù xì) Đối với các vị trí đã được xử lý bề mặt cho thấy không có lỗ hổng, rỗ, nứt hoặc các dạng khuyết tật khác xuất hiện Sự vắng mặt của khuyết tật ngoại quan có thể chỉ ra rằng vật liệu duy trì tính đồng nhất trong quá trình sản xuất, không có sự phân tách hay biến dạng đáng kể Mặc dù không có khuyết tật ngoại quan, vẫn nên thực hiện các kiểm tra chi tiết hơn như kiểm tra bằng tia X hoặc kiểm tra siêu âm để đảm bảo không có các khuyết tật ẩn như rỗ, lỗ hoặc các vấn đề liên kết nội bộ Tuy nhiên để thực hiện được cần đầu tư thêm thời gian và tài nguyên Do vậy bước kiểm tra này sẽ được đưa vào đề xuất phát triển
Việc kiểm tra lại dung sai kích thước giữa thực tế và thiết kế ban đầu là điều cần thiết Nhằm đảm bảo dung sai hình học cho việc khôi phục và sửa chữa các sản phẩm bị hỏng
Hình 5.10 Mô hình quét 3d của sản phẩm sau khi xử lý
Quá trình quét 3d được thực hiện như ở bước lấy dữ liệu hình học mà ban đầu đã thực hiện Mô hình được hiển thị trong hình 5.7 sẽ được sử dụng để đánh giá về mức độ đồng dạng hình học ở một số điểm đặc trưng của cánh Sau đây là bảng kết quả so sánh
Bảng 5.3 Kết quả so sánh một số điểm đặc trưng hình học của cánh
Vị trí Kích thước gốc
Chuyển vị trong thực tế (mm)
Chênh lệch sai số Δ (mm)
Các giá trị chênh lệch sai số trong bảng 5.2 đều khá nhỏ, chỉ từ 0.01 mm đến 0.14 mm Trên thực tế bánh guồng được đo đạc có dung sai kích thước (±0.4𝑚𝑚) Điều này được lý giải do phương pháp chế tạo bánh guồng trước đó là đúc khuôn cát Do vậy quá trình sửa chữa cánh này đã được kiểm soát kích thước tốt hơn Với sai số tối đa chỉ 0.14 mm, có thể thấy rằng quá trình sản xuất hoặc phục hồi này phù hợp với các ứng dụng sửa chữa các chi tiết với sai số cho phép (±0.4𝑚𝑚).