2 KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG IN 3D TRONG ĐÚC MẪU CHẢY VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TẠO ĐIỆN CỰC EDM TỪ PHƯƠNG PHÁP ĐÚC MẪ
GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Để gia công các chi tiết cơ khí với hình dáng từ đơn giản đến phức tạp, người ta thường sử dụng phương pháp gia công truyền thống hoặc hiện đại như gia công CNC Đối với các chi tiết có biên dạng phức tạp hoặc độ cứng cao, phương pháp gia công truyền thống thường khó đáp ứng yêu cầu về dung sai kích thước và độ nhám bề mặt Hơn nữa, với nhu cầu sản phẩm đa dạng và vòng đời ngắn, thời gian sản xuất và tốc độ hoàn thiện sản phẩm trở thành yếu tố quan trọng trong thị trường tiêu dùng hiện nay.
Để khắc phục nhược điểm trong gia công, công nghệ gia công chính xác tiên tiến EDM (gia công tia lửa điện) đã được phát triển Phương pháp này cho phép gia công các vật liệu đã qua xử lý độ cứng, giúp tránh các vấn đề về biến đổi kích thước thường gặp trong quá trình luyện kim.
Có nhiều loại máy EDM, trong đó Die Sinking và Wire EDM là hai biến thể chính Nguyên lý hoạt động của gia công EDM là loại bỏ vật liệu mà không cần tiếp xúc giữa điện cực và phôi Quá trình này sử dụng vật liệu dẫn điện như đồng, vonfram hoặc đồng thau để tạo ra tia lửa giữa điện cực và phôi Điện cực và phôi được tách biệt bởi một khe hẹp, ngập trong chất lỏng điện môi không dẫn điện Khi đạt được điện áp và khoảng cách phù hợp, chất điện môi sẽ bị ion hóa, tạo ra tia lửa điện có khả năng đốt cháy chất lỏng, từ đó làm tan chảy hoặc bay hơi một lượng nhỏ vật liệu từ phôi và dụng cụ Đặc biệt, khi gia công trên máy Die Sinking EDM, điện cực phải được gia công theo biên dạng nghịch đảo của phôi sau khi hoàn thiện.
Quá trình gia công EDM được phân thành hai loại thông số chính: thông số quy trình và thông số hiệu suất, hay còn gọi là thông số đầu vào và đầu ra Thông số đầu vào bao gồm các yếu tố như điện (I, A, Ton, Toff, SV, WF, IT) và đặc điểm của điện cực (kích thước, hình dáng, vật liệu), giúp kiểm soát và điều chỉnh điều kiện gia công Những điều kiện này ảnh hưởng đến hiệu suất gia công, được đo lường qua các biện pháp thực nghiệm Trong khi đó, thông số đầu ra đo lường hiệu suất của quá trình EDM, bao gồm tỷ lệ loại bỏ vật liệu (MRR), tốc độ mài mòn điện cực (EWR), độ nhám bề mặt phôi (WSR) và độ nhám bề mặt điện cực (ESR).
Trong những bài nghiên cứu đã được thực hiện đều chỉ ra rằng trong quá trình gia công
Quy trình sản xuất điện cực cho EDM là một trong những bước tốn nhiều thời gian nhất, chiếm khoảng 50% toàn bộ quy trình gia công, đặc biệt với các điện cực có hình dạng phức tạp Việc áp dụng các kỹ thuật RP đã tạo ra ảnh hưởng tích cực đến ngành sản xuất hiện đại, giúp phát triển điện cực EDM phức tạp với nhiều ưu điểm như chi phí thấp, tiết kiệm thời gian, khả năng tạo hình phức tạp và linh hoạt trong việc thay đổi vật liệu Công nghệ in 3D đang được sử dụng hiệu quả trong việc đúc mẫu chảy để sản xuất điện cực cho quá trình EDM.
Đúc mẫu chảy (IC) là một phương pháp đúc chính xác chuyển đổi mẫu sáp thành kim loại qua quy trình nhiều bước, bao gồm sản xuất mẫu, tạo lớp vỏ gốm và quá trình đúc Phương pháp này cho phép sản xuất hàng loạt các bộ phận kim loại phức tạp từ các hợp kim cứng khó gia công, mang lại ưu điểm lớn về bề mặt nhẵn, thành mỏng và hình dạng phức tạp Sản phẩm từ IC rất phù hợp cho các ngành công nghiệp như điện tử, y tế, ô tô và hàng không vũ trụ Tuy nhiên, việc sản xuất khuôn truyền thống cho mẫu sáp gặp nhiều hạn chế về độ dày thành, góc cắt và chi phí, dẫn đến việc sử dụng dụng cụ thông thường có thể tốn thời gian và chi phí hơn, làm giảm lợi ích của phương pháp này.
3 pháp đó, đặc biệt đối với sản xuất hàng loạt [10]
Hình 1.2: Sơ đồ quy trình đúc mẫu chảy [11]
Những nhược điểm của đúc mẫu chảy có thể được khắc phục bằng công nghệ in 3D, hay còn gọi là tạo mẫu nhanh Nghiên cứu này áp dụng công nghệ in 3D vào phương pháp đúc mẫu chảy để tạo ra nguyên mẫu điện cực cho quá trình EDM In 3D là kỹ thuật sản xuất bồi đắp AM, cho phép chế tạo các cấu trúc phức tạp từ dữ liệu mô hình ba chiều thông qua việc in các lớp vật liệu liên tiếp Công nghệ này được Charles Hull phát triển vào năm 1986 với quy trình in li-tô lập thể (SLA), sử dụng tia UV để chiếu sáng lên lớp nhựa, khiến các monome chuyển đổi thành chuỗi polymer, tạo ra các lớp nhựa đông cứng SLA cho phép in mẫu chất lượng cao với độ phân giải lên tới 10μm, tuy nhiên, quá trình in này tương đối chậm, chi phí cao và hạn chế về vật liệu sử dụng.
Hình 1.3: Sơ đồ của máy in 3D SLA
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ in 3D trong quá trình đúc mẫu chảy và chế tạo điện cực cho gia công EDM đã được thực hiện, với nhiều bài viết nghiên cứu đáng chú ý trong lĩnh vực này.
Nghiên cứu trong lĩnh vực gia công điện cực EDM thường tập trung vào nhiều khía cạnh khác nhau nhằm tối ưu hóa hiệu suất Các hướng đi bao gồm tối ưu thông số đầu vào để đạt hiệu suất gia công tốt nhất, lựa chọn vật liệu phù hợp cho điện cực, và đánh giá hiệu suất của quy trình EDM Ngoài ra, nghiên cứu cũng mở rộng sang các phương pháp như tạo mẫu nhanh in 3D và tối ưu thiết kế mẫu điện cực từ các phương pháp này, cũng như khảo sát khả năng nứt vỡ trong quy trình đúc mẫu chảy.
Trước khi bắt đầu nghiên cứu, việc xác định các yêu cầu như chọn vật liệu in 3D, phương pháp in 3D, lớp phủ gốm cho đúc mẫu chảy, và vật liệu làm phôi EDM là rất quan trọng để đảm bảo thành công Công nghệ tạo mẫu nhanh có nhiều phương pháp như tạo khuôn mẫu silicon và các kỹ thuật in 3D như FDM, SLS, và SLA với các loại nhựa đa dạng như Epoxide resin, Epoxy, Polystyrenne, Polycarbonate, và ABS Đối với đúc mẫu chảy, vật liệu gốm phủ ngoài bao gồm Silica, Alumina, Zircon, và Yttria, trong khi vật liệu đúc có thể là Brass, Copper, Aluminum, hoặc Gold và Platinum Nghiên cứu gia công EDM cần tối ưu hóa các thông số và khảo sát ảnh hưởng của độ nhám ban đầu của điện cực đến hiệu suất gia công.
Trong quá trình gia công EDM, có năm loại liệu được sử dụng làm phôi, bao gồm SKD11, AISI H13, Steel, AISI P20 và Inconel 600 Để đạt hiệu suất gia công tốt nhất, việc áp dụng các phương pháp xử lý tối ưu cho thông số đầu là rất quan trọng.
Trong nghiên cứu này, điện cực EDM được chế tạo từ đồng thau bằng phương pháp đúc mẫu chảy, sử dụng nguyên mẫu sáp từ khuôn silicon và mẫu in 3D SLA với vật liệu epoxide resin Nghiên cứu cũng đánh giá các thông số hiệu suất như MRR, EWR, WSR và hình ảnh vi mô của phôi SKD11 sau gia công EDM Ba mẫu điện cực được thử nghiệm với các thông số đầu vào khác nhau, bao gồm I (3, 8, 15), Ton (26, 100, 200), Toff (15, 35, 50) Kết quả cho thấy điện cực chế tạo bằng phương pháp đúc mẫu chảy phù hợp cho gia công thô và thời gian chế tạo nhanh hơn 15,8% so với phương pháp CNC.
Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã phát triển điện cực từ hợp kim đồng với hình dạng logo, sử dụng phương pháp kỹ thuật đảo ngược kết hợp quét 3D để kiểm soát kích thước mẫu in 3D Mẫu được in bằng vật liệu sáp ThermoJet 88, lắp theo dạng cây và được phủ lớp gốm 6mm trước khi rót hợp kim đồng Với thông số đầu vào gồm điện áp trung bình 75V và dòng điện trung bình 10A, vật liệu phôi sử dụng là AISI H13 Kết quả thí nghiệm cho thấy các thông số đầu ra như MRR và TWR chứng minh rằng các điện cực RT-EDM này rất phù hợp cho gia công cắt thô hoặc bán tinh EDM.
Hiệu suất gia công EDM chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm vật liệu điện cực, phôi và các thông số đầu vào như I, Ton, Toff, Jump Nghiên cứu cho thấy độ nhám bề mặt ban đầu của điện cực có tác động đáng kể đến hiệu suất gia công Sử dụng điện cực bằng đồng để gia công vật liệu phôi AISI 1050 được thực hiện qua ba bước thô, với các thông số Ton và Toff cụ thể.
Quá trình thực nghiệm cho thấy độ nhám bề mặt ban đầu của điện cực ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của quá trình gia công tinh, bán tinh và thô Cụ thể, MRR có xu hướng giảm khi độ nhám của điện cực tăng lên, trong khi tốc độ mài mòn của điện cực lại tăng theo độ nhám ban đầu Độ nhám của bề mặt phôi sau gia công chỉ phụ thuộc một phần nhỏ vào độ nhám của điện cực, trong khi độ nhám bề mặt dụng cụ sau gia công chịu ảnh hưởng lớn từ các thông số gia công EDM.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng in 3D trong quy trình đúc mẫu chảy và đánh giá khả năng tạo điện cực từ phương pháp này Bài viết sẽ phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình in 3D và đúc mẫu chảy, đồng thời đề xuất các biện pháp khắc phục những vấn đề phát sinh Ngoài ra, điện cực EDM sẽ được sản xuất thông qua phương pháp in 3D kết hợp với đúc mẫu chảy, và sẽ được gia công bằng kỹ thuật EDM.
7 pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi sẽ tối ưu được loại vật liệu và bộ thông số phù hợp với yêu cầu hiệu suất gia công yêu cầu
Nghiên cứu về ứng dụng in 3D trong đúc mẫu chảy đã chỉ ra rằng công nghệ này có khả năng tạo ra điện cực với hiệu suất cao, mang lại ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong sản xuất Kết quả cho thấy việc ứng dụng in 3D không chỉ cải thiện quy trình sản xuất mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm điện cực từ đúc mẫu chảy.
• Phương án chế tạo điện cực mới
• Giảm thời gian gia công và chi phí chế tạo điện cực EDM
• Giải pháp cho gia công thô hoặc bán tinh với việc chế tạo số lượng hàng loạt kèm với chi phí thấp.
Mục đích nghuên cứu của đề tài
Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng công nghệ in 3D trong quá trình đúc mẫu chảy và đánh giá khả năng tạo điện cực từ phương pháp này Mục tiêu là xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ đầu vào trong gia công EDM, tối ưu hóa chúng với vật liệu phôi thép DC53, và tìm ra mối quan hệ giữa các thông số đầu vào và đầu ra, ảnh hưởng đến kích thước, độ nhám bề mặt cùng các thông số liên quan khác.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Vật liệu in 3D: Epoxy Resin HONY-01
- Vật liệu điện cực: CuZn5, CuZn30, FeCr24
- In mẫu bằng phương pháp in 3D
Trong nghiên cứu này, chúng tôi thực hiện 9 lần thí nghiệm gia công EDM, sử dụng các vật liệu điện cực khác nhau như CuZn5, CuZn30 và FeCr24 Các thí nghiệm được tiến hành với cường độ dòng điện (I) được điều chỉnh ở ba mức khác nhau để đánh giá hiệu quả của quá trình gia công.
3, 5, và 7 (A) Thời gian mở xung (Ton) với 3 mức 90, 120 và 150 (μs) Thời gian tắt xung (Toff) với 3 mức 30, 60 và 90 (μs) Các thông số khác được duy trì theo bộ thông số S-code
Máy hoạt động với điện áp cao (HV) là 1A (V) và khoảng cách giữa điện cực và phôi (GAP) là 9 mm Độ servo (SV) được thiết lập ở mức 62.5%, trong khi khoảng cách bước nhảy của máy (JT) là 2 mm Thời gian bắn tia lửa điện (WT) được cài đặt là 0.3 giây.
- Xác định vật liệu và thông số đầu ra tối ưu bằng phương pháp Taguchi và GRA.
Phương pháp nghiên cứu
1.5.1.Cơ sở phương pháp luận
- Phương pháp thu thập dữ liệu:
Trong tổng số mười hai điện cực in 3D SLA, hai điện cực sẽ được đo kích thước hình dáng với ba lần đo cho mỗi mẫu Đồng thời, độ nhám bề mặt cũng sẽ được kiểm tra tại hai vị trí khác nhau, với ba lần đo cho mỗi mẫu.
• Độ dày của lớp vỏ gốm sẽ được đo ngẫu nhiên ba trong tổng số mười hai mẫu
Mỗi phôi sẽ trải qua quá trình bắn điện một lần bằng điện cực, sau khi gia công EDM, chúng ta sẽ thu thập dữ liệu về thời gian gia công, tốc độ loại bỏ vật liệu, tốc độ mòn của điện cực và độ nhám bề mặt của phôi.
Phương pháp Taguchi là một công cụ hiệu quả giúp giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thực hiện, tiết kiệm thời gian gia công mà vẫn đảm bảo chất lượng của số liệu đầu ra.
- Phương pháp phân tích tổng hợp: Phương pháp Grey giúp tối ưu đa mục tiêu trong một lần cắt làm cải thiện chất lượng gia công
1.5.2.Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
Nghiên cứu ứng dụng in 3D trong đúc mẫu chảy và gia công bắn điện EDM đã thu hút sự quan tâm đáng kể từ các nhà khoa học Việc tham khảo các công trình nghiên cứu trước đó giúp nâng cao hiểu biết và phát triển công nghệ này Các ứng dụng in 3D không chỉ cải thiện hiệu quả sản xuất mà còn tối ưu hóa quy trình gia công, mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp.
- Sử dụng phần mềm Creo Parametric 8.0 để thiết kế mẫu
- Sử dụng Minitab để đánh giá và xử lý dữ liệu nhằm xác định vật liệu điện cực và bộ tham số lý tưởng cho quy trình gia công
1.6.Kết cấu của Đồ án tốt nghiệp Đồ án tốt nghiệp gồm 5 chương, trong đó:
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết của thí nghiệm
- Chương 3: Vật liệu và phương pháp
- Chương 4: Kết quả và thảo thuận
- Chương 5: Kết luận và kiến nghị
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA THÍ NGHIỆM
Cơ sở lý thuyết in 3D
In 3D là một kỹ thuật sản xuất bồi đắp (AM) cho phép chế tạo cấu trúc và hình học phức tạp từ dữ liệu mô hình ba chiều Quá trình này thực hiện bằng cách in các lớp vật liệu liên tiếp, tạo thành các sản phẩm chồng lên nhau Công nghệ này được phát triển bởi Charles Hull vào năm
Năm 1986, quy trình in li-tô lập thể (SLA) ra đời, mở đường cho các công nghệ in 3D tiếp theo như phản ứng tổng hợp, mô hình lắng đọng hợp nhất (FDM), in phun và tạo đường viền (CC) Công nghệ in 3D hiện nay bao gồm nhiều phương pháp, vật liệu và thiết bị khác nhau, đã trải qua sự phát triển mạnh mẽ và có khả năng cách mạng hóa quy trình sản xuất và logistics.
Trong những năm gần đây, công nghệ in 3D đã phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Công nghệ sản xuất additively (AM) đã trở thành phương pháp quan trọng để chế tạo các sản phẩm tiên tiến từ gốm, đặc biệt trong lĩnh vực vật liệu sinh học, như khung giàn giáo cho xương và răng.
Công nghệ sản xuất bồi đắp đã được áp dụng rộng rãi trong ngành xây dựng, với phương pháp chế tạo đường viền tương tự như in phun, sử dụng vòi phun lớn và áp suất cao để đùn hỗn hợp bê tông Để đạt được lớp hoàn thiện mịn mà không có vẻ ngoài từng lớp, thiết bị giống như cái bay được thiết kế để gắn vào đầu in Trong ngành cơ khí, công nghệ AM được sử dụng để chế tạo các mẫu có hình dạng phức tạp và độ nhám bề mặt thấp cho khuôn silicone, cũng như sản xuất mẫu trực tiếp cho quá trình đúc mẫu chảy.
Các phương pháp in 3D đã được cải tiến để đáp ứng nhu cầu tạo ra các cấu trúc phức tạp với độ phân giải cao Những yếu tố chính thúc đẩy sự phát triển của công nghệ in 3D bao gồm khả năng tạo mẫu nhanh, in các cấu trúc lớn, giảm thiểu lỗi trong quá trình in và cải thiện tính chất cơ học của sản phẩm.
Trong phương pháp in 3D FDM, sợi polyme nhiệt dẻo được sử dụng để tạo ra các lớp vật liệu bằng cách làm nóng và ép đùn sợi ở trạng thái bán lỏng Độ dẻo nhiệt của sợi polyme cho phép chúng kết hợp và đông đặc ở nhiệt độ phòng, ảnh hưởng đến tính chất cơ học của sản phẩm Các thông số như độ dày lớp, chiều rộng và hướng sợi là yếu tố quan trọng trong quá trình in FDM mang lại nhiều lợi ích như chi phí thấp, tốc độ sản xuất nhanh và quy trình đơn giản.
10 yếu, hình dạng từng lớp, chất lượng bề mặt kém và số lượng vật liệu nhựa nhiệt dẻo hạn chế là những nhược điểm chính của FDM [13]
Hình 2.1: Sơ đồ in 3D FDM [13]
Công nghệ in 3D SLA, được phát triển bởi Charles Hull vào năm 1986, là một trong những phương pháp sản xuất bồi đắp sớm nhất Nó sử dụng tia UV hoặc chùm tia điện tử để chiếu sáng lên lớp nhựa hoặc dung dịch monome, khiến các monome chuyển đổi thành chuỗi polymer Sau khi polyme hóa, lớp nhựa đông cứng và các lớp tiếp theo được tạo ra, trong khi nhựa không phản ứng được loại bỏ sau quá trình in Để đạt được hiệu suất cơ học mong muốn, một số bộ phận in có thể trải qua các phương pháp xử lý như gia nhiệt hoặc xử lý ảnh SLA cho phép in các mẫu chất lượng cao với độ phân giải lên tới 10μm, tuy nhiên, quy trình in SLA tương đối chậm, chi phí cao và phạm vi vật liệu còn hạn chế.
Hình 2.2: Sơ đồ in 3D SLA [13]
In 3D SLS: Công nghệ in 3D SLS sử dụng tia laser để nung chảy các vật liệu dạng bột
11 Được phát triển ban đầu bởi Carl Deckard và John Beaman tại Đại học Texas-Austin vào năm
Vào năm 1987, công nghệ SLS (Selective Laser Sintering) đã được phát triển, cho phép lắng đọng các lớp bột như protein, kim loại, gốm và nhựa với độ dày xác định trên một lớp vật liệu Mỗi lớp được tạo ra từ mẫu thiết kế trong tệp STL thông qua tia laser Sau khi hoàn thành một lớp, mặt bàn máy hạ xuống và con lăn tiếp tục lắng đọng lớp bột mới, lặp lại quá trình này cho đến khi sản phẩm hoàn thiện Bột thừa được loại bỏ bằng khí nén và thu gom để tái sử dụng Độ phân giải của máy in SLS, thường từ 10–15μm, phụ thuộc vào công suất tia laser và kích thước hạt bột Khi sử dụng hợp kim kim loại, quá trình này được gọi là nấu chảy laser chọn lọc, và SLS thường được ứng dụng trong chế tạo các bộ phận kim loại, đặc biệt trong ngành công nghiệp ô tô.
Hình 2.3: Sơ đồ in 3D SLS [13]
3D LOM là một trong những phương pháp in 3D thương mại đầu tiên, dựa trên việc cắt và cán từng lớp vật liệu từ các tấm hoặc cuộn Các lớp được cắt chính xác bằng máy cắt cơ học hoặc tia laser và sau đó được liên kết với nhau, giúp hình thành các đặc điểm bên trong bằng cách loại bỏ vật liệu dư thừa trước khi liên kết Phương pháp này đặc biệt hữu ích cho liên kết nhiệt của gốm sứ và kim loại, đồng thời cho phép tái chế vật liệu dư thừa sau quá trình cắt LOM có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu như polymer, gốm sứ, giấy và băng chứa kim loại, với các quy trình xử lý nhiệt độ cao có thể yêu cầu tùy thuộc vào loại vật liệu Công nghệ này đã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất giấy, công nghiệp đúc, điện tử và cấu trúc thông minh.
Hình 2.4: Sơ đồ in 3D LOM [29]
Phun 3D là một phương pháp quan trọng trong sản xuất gốm sứ phụ gia, cho phép in các cấu trúc gốm phức tạp cho ứng dụng kỹ thuật mô Quy trình sử dụng huyền phù gốm ổn định, như bột oxit zirconium trong nước, được phun thành giọt lên bề mặt, tạo thành mẫu liên tục đủ mạnh để hỗ trợ các lớp vật liệu in tiếp theo Phương pháp này nhanh chóng và hiệu quả, tăng tính linh hoạt trong thiết kế và in ấn Có hai loại gốm chính là mực gốc sáp, được nấu chảy và lắng đọng trên nền lạnh, và huyền phù lỏng, đông đặc bằng sự bay hơi Các yếu tố như kích thước hạt, độ nhớt của mực, hàm lượng chất rắn, tốc độ đùn và kích thước đầu phun ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm in Tuy nhiên, phương pháp này cũng gặp phải một số nhược điểm như khả năng làm việc hạn chế, độ phân giải thô và thiếu độ bám dính giữa các lớp.
Hình 2.5: Sơ đồ in phun 3D [13]
2.1.3.Ứng dụng của công nghệ in 3D
Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ đang tận dụng công nghệ in 3D để cung cấp đa dạng vật liệu và phương pháp thiết kế, giúp hiện thực hóa bất kỳ ý tưởng nào Công nghệ này cho phép sản xuất các chi tiết bộ phận phức tạp với khối lượng nhẹ, từ đó giảm tiêu hao năng lượng và tài nguyên trong quá trình sản xuất Việc sử dụng các bộ phận nhẹ không chỉ tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm chi phí vận hành Nhiều bộ phận quan trọng của máy bay như động cơ, cánh tua bin và thiết bị điện tử được chế tạo bằng công nghệ in 3D Đặc biệt, do các bộ phận động cơ thường xuyên bị hỏng, in 3D trở thành giải pháp hiệu quả để chế tạo các bộ phận thay thế cần thiết.
Công nghệ in 3D đã mang lại những đột phá trong ngành công nghiệp ô tô, cho phép thiết kế và sản xuất các bộ phận linh kiện nhẹ hơn và có hình dạng phức tạp hơn trong thời gian ngắn Năm 2024, Local Motors đã cho ra mắt xe ô tô điện đầu tiên ứng dụng công nghệ này, cùng với xe buýt chạy điện có khả năng tái chế Ford là công ty tiên phong trong việc sử dụng in 3D để tạo nguyên mẫu và bộ phận động cơ, trong khi BMW cũng áp dụng công nghệ này để sản xuất dụng cụ cầm tay phục vụ thử nghiệm và lắp ráp ô tô Việc ứng dụng in 3D giúp các công ty ô tô thử nghiệm nhiều phương án cải tiến, từ đó tạo ra thiết kế tối ưu và hiệu quả hơn, đồng thời giảm thiểu lãng phí nguyên liệu và tiết kiệm thời gian, chi phí trong quá trình phát triển sản phẩm.
Ngành y sinh học đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ nhờ công nghệ in 3D, cho phép in cấu trúc da, xương và sụn với chi phí thấp hơn Da in 3D không chỉ giúp tái tạo cấu trúc tự nhiên mà còn phục vụ cho nghiên cứu dược phẩm, mỹ phẩm và hóa chất Công nghệ này cũng có khả năng in sụn và xương để thay thế các khoảng trống do chấn thương hoặc bệnh tật, mở ra hướng đi mới trong điều trị y học, thay thế cho việc ghép xương Hơn nữa, in 3D thuốc giúp tăng hiệu quả điều trị, kiểm soát chính xác kích thước và liều lượng, đồng thời tạo ra các dạng bào chế với cơ chế giải phóng thuốc phức tạp.
Công nghệ in 3D cho phép sản xuất các mô thay thế có khả năng phục hồi và cải thiện chức năng của các mô, với mạng lưới lỗ rỗng liên kết, tính tương thích sinh học cao, bề mặt hóa học phù hợp và đặc tính cơ học tốt.
Ngành kiến trúc và xây dựng đang được cải thiện nhờ công nghệ in 3D, được xem là thân thiện với môi trường và có khả năng hiện thực hóa các mô hình phức tạp Kỹ thuật này đã được áp dụng để xây dựng toàn bộ công trình hoặc các kết cấu cụ thể, như công nghệ tạo đường viền (CC) do Khoshnevis phát triển, cho phép xây dựng tự động các tòa nhà và cơ sở hạ tầng Việc tận dụng vật liệu tại chỗ giúp công nghệ này trở nên lý tưởng cho việc xây dựng nhà ở cho người thu nhập thấp Một ví dụ nổi bật là vào năm 2014, công ty WinSun ở Trung Quốc đã in 3D hàng loạt nhà ở tại Thượng Hải chỉ trong 24 giờ Hơn nữa, công nghệ in 3D cũng cải thiện giao tiếp giữa kỹ sư xây dựng và khách hàng, giúp việc thể hiện ý tưởng xây dựng trở nên dễ dàng và trực quan hơn so với các phương pháp truyền thống.
Cơ sở lý thuyết đúc mẫu chảy
2.2.1.Giới thiệu đúc mẫu chảy Đúc mẫu chảy (IC), hay đúc "mất sáp", là phương pháp đúc chính xác trong đó các mẫu sáp được chuyển thành kim loại theo quy trình gồm nhiều bước bao gồm sản xuất mẫu, tạo lớp vỏ gốm và quá trình đúc IC cho phép sản xuất hàng loạt các bộ phận kim loại có hình dạng phức tạp từ kim loại, hợp kim có độ cứng cao khó gia công hoặc không thể gia công được [1] [3] [6] [2] Một trong những ưu điểm chính của quy trình này là khả năng tạo ra các vật đúc có bề mặt có độ nhám thấp, thành mỏng và các hình dạng phức tạp cao [7] Các sản phẩm tạo ra từ IC phù hợp cho các nghành công nghiệp như điện tử, y khoa, ô tô, hàng không vũ trụ [7] [8] Để tạo ra các mẫu sáp cho quá trình đúc mẫu chảy, khuôn thông thường sẽ được sản xuất thông qua quy trình gia công truyền thống Hơn nữa, khuôn được chế tạo bằng các phương pháp truyền thống sẽ có những hạn chế gia công bao gồm các hạn chế về độ dày thành
Việc loại bỏ các góc nhọn và giảm thiểu các đường cắt nghiêng có thể làm tăng chi phí chế tạo, trong khi sử dụng dụng cụ thông thường để sản xuất mô hình sáp có thể gây tốn thêm thời gian và chi phí, từ đó làm giảm hiệu quả của phương pháp này, đặc biệt trong sản xuất hàng loạt.
2.2.2.Quy trình đúc mẫu chảy
Quy trình đúc mẫu chảy bao gồm sáu bước chính [11]:
Trong quá trình đúc mẫu chảy, bước đầu tiên là tạo ra nguyên mẫu của bộ phận mong muốn, với mẫu có hình dạng chính xác nhưng có dung sai kích thước để bù lại độ co rút thể tích và độ co ngót hóa rắn của kim loại Các vật liệu tạo mẫu phổ biến bao gồm sáp, nhựa, polystyrene và thủy ngân đông lạnh, trong đó sáp được sử dụng rộng rãi nhất Sáp mẫu cần có độ giãn nở nhiệt thấp, điểm nóng chảy không cao hơn nhiệt độ môi trường để tránh biến dạng, khả năng chống gãy tốt, bề mặt nhẵn và dễ thấm nước để tạo ra bộ phận đúc hoàn thiện, độ nhớt thấp khi tan chảy để lấp đầy khuôn, dễ dàng tháo ra sau khi hình thành và hàm lượng tro rất thấp để không để lại tạp chất trong vỏ gốm.
Bước 2: Xây dựng vỏ gốm
Quá trình đúc mẫu chảy bắt đầu bằng việc chế tạo một lớp vỏ gốm mỏng, trong đó kim loại nóng chảy được đổ vào Lớp vỏ này cần trải qua nhiều lần phủ và làm khô để đạt được độ dày phù hợp Để đúc thành công bộ phận cần thiết, vỏ gốm phải đáp ứng một số yêu cầu quan trọng: có đủ độ bền xanh để chịu được việc loại bỏ sáp mà không bị hỏng, cường độ nung đủ để chịu được trọng lượng của kim loại, khả năng chống sốc nhiệt cao để tránh nứt trong quá trình đổ, độ ổn định hóa học cao để ngăn chặn sự tương tác giữa khuôn và kim loại, độ thấm của khuôn đủ để không khí bị mắc kẹt có thể thoát ra trong khi đổ kim loại, và độ dẫn nhiệt đủ để duy trì truyền nhiệt qua thành khuôn, giúp kim loại nguội đều.
Sau khi lớp vỏ gốm được tạo ra, sáp bên trong cần được loại bỏ Sáp thu hồi sẽ được xử lý để loại bỏ tạp chất và tái sử dụng cho các mẫu mới Việc loại bỏ sáp thường được thực hiện bằng cách nung nóng vỏ gốm, cho phép sáp nóng chảy chảy ra Các phương pháp tẩy sáp phổ biến bao gồm tẩy sáp bằng nồi hấp, lò nung hoặc khò lửa.
Có nhiều phương pháp để đưa kim loại nóng chảy vào vỏ gốm, bao gồm trọng lực, áp suất, chân không và ly tâm Sau khi kim loại được rót vào vỏ đã đông đặc và nguội, vật đúc có thể được lấy ra Tuy nhiên, cấu trúc vi mô của bộ phận đúc cần phải đạt tiêu chuẩn chấp nhận được, vì quá trình đổ và làm nguội có thể ảnh hưởng đến nó Trước khi rót kim loại, vỏ gốm cần được gia nhiệt từ 400-800°C.
Bước 5: Phá bỏ vỏ gốm
Sau khi kim loại đã đông đặc và nguội, lớp vỏ gốm cần được loại bỏ bằng máy móc hoặc bằng sức lao động Để đạt được sản phẩm hoàn thiện, mẫu và cổng rót sẽ được tách ra Quá trình này cần thực hiện cẩn thận nhằm giảm thiểu chi phí sau gia công.
Bước 6: Xử lý hoàn thiện
Quá trình đúc có thể được cải tiến thông qua các phương pháp như gia công, xử lý nhiệt hoặc hoàn thiện, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.
Hình 2.6: Các bước cơ bản của quá trình đúc mẫu chảy [11]
2.2.3.Ứng dụng của phương pháp đúc mẫu chảy Đúc mẫu chảy đã được phát hiện được sử dụng cách đây hàng nhiều thế kỷ, phương pháp này được ứng dụng để chế tạo ra các vật phẩm trang sức, tượng thần và vật đúc nghệ thuật Những đồ trang sức đúc như vậy không chỉ được tìm thấy trong kho báu của Pharaoh của Ai Cập, lăng mộ Inca ở Trung/ Nam Mỹ, nhưng cũng có ở Châu Âu, người Etruscans cổ đại, người Hy Lạp, Công nghệ đã có sự phát triển vượt bậc trong Thế chiến thứ hai, do nhu cầu các bộ phận chính xác có hình học phức tạp, bao gồm cả tuabin cho động cơ máy bay, các chi tiết linh kiện nhỏ phức tạp, Phương pháp đúc mẫu chảy còn được sử dụng để sản xuất các bộ phận từ bánh xe tăng áp cho đến đầu gậy chơi golf, các chi tiết thay thế cho bộ phận của con người: khớp háng, xương bị gãy và còn được ứng dụng sản suất cho các cơ sở kỹ thuật hàng không vũ trụ và quốc phòng [11].
Cơ sở gia công xung định hình (EDM)
2.3.1.Giới thiệu gia công xung định hình EDM
Gia công phóng điện (EDM) là một kỹ thuật tiên tiến không tiếp xúc, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các bộ phận cơ khí chính xác, đặc biệt trong lĩnh vực hàng không vũ trụ Phương pháp này hiệu quả trong việc chế tạo các bộ phận khuôn phức tạp và khoan lỗ nhỏ với độ sâu lớn trên vật liệu cứng mà gia công thông thường khó thực hiện EDM hoạt động dựa trên trình tự phóng điện có thể kiểm soát với độ chính xác cao, trong đó quá trình phóng điện giữa điện cực và phôi diễn ra liên tục trong chất lỏng điện môi Nhiệt độ trong quá trình này có thể đạt từ 8000 - 20000℃, tạo ra các vũng kim loại nóng chảy và dẫn đến mài mòn điện cực, ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Hiệu suất gia công được đánh giá qua tốc độ loại bỏ vật liệu (MRR), tốc độ mòn điện cực (EWR), và độ nhám bề mặt dụng cụ và phôi (Ra).
Dòng chất điện môi có khả năng loại bỏ mảnh vụn trong khe hở giữa điện cực và phôi, đóng vai trò quan trọng trong quy trình EDM Điện cực không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của các bộ phận gia công mà còn quyết định thời gian và tính kinh tế của quá trình chế tạo sản phẩm.
2.3.2.Các thông số đầu vào của máy
S CODE: mã chương trình đang thiết lập để thực hiện quá trình gia công được chọn ô nhớ từ 0 -999
TON (Pulse on time): Thời gian mở xung (μs), khoảng thời gian trong một lần phóng
Thời gian mở xung là 19 điện, và khi thời gian này tăng, thời gian gia công sẽ giảm nhưng độ nhám bề mặt gia công sẽ tăng lên, đồng thời tỷ lệ mòn điện cực cũng tăng Năng lượng phóng điện tỷ lệ thuận với thời gian mở xung Hệ thống được thiết lập sẵn gồm 24 bước với các giá trị từ
Thời gian tắt xung (TOFF) là khoảng thời gian ngưng phóng điện giữa các lần phóng, được đo bằng micro giây (μs) Tăng thời gian tắt xung sẽ kéo dài thời gian gia công, nhưng đồng thời cũng làm giảm độ nhám bề mặt và tỷ lệ hao mòn điện cực Hệ thống được thiết lập sẵn với 24 bước, có giá trị từ 2 đến 1000 μs.
H.V (High Voltage): Điện cao áp (V), giúp tăng độ ổn định khi làm việc
Khi cường độ dòng điện (A) tăng, nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ gia công, tốc độ loại bỏ vật liệu, tốc độ mòn điện cực và độ nhám bề mặt của phôi theo tỷ lệ thuận.
GAP (Distance between electrode and workpiece): khoảng cách giữa điện cực và phôi
(mm) Được thiết lập sẵn với 16 bước với giá trị từ 1 – 16
SVO (SERVO): Công suất hoạt động của Servo
WT (Duration of sparking): Thời gian phát tia lửa điện (s) Tối thiểu 0.1 giây và tối đa 10 giây
JT (Jump backward distance): Bước nhảy lùi khi gia công (mm)
Hình 2.7: Giao diện màn hình điều khiển máy EDM AccuteX DS-430S CM
Cơ sở lý thuyết phương pháp thống kê Taguchi
Phương pháp Taguchi, được phát triển bởi ông Genichi Taguchi, là một kỹ thuật thống kê nhằm tối ưu hóa các tham số quy trình để cải thiện chất lượng, năng suất và giảm chi phí Tối ưu hóa các tham số là bước quan trọng trong phương pháp này, giúp đạt được chất lượng cao mà không làm tăng chi phí và giảm số lần thí nghiệm, đồng thời vẫn đảm bảo độ tin cậy Phương pháp Taguchi sử dụng bảng trực giao đa nhân tố, được thiết lập và đánh giá theo quy trình liên kết, cho phép thực hiện với số lượng thí nghiệm ít nhưng vẫn cung cấp dữ liệu đầu ra đáng tin cậy.
Phương pháp Taguchi tập trung vào việc xác định các yếu tố đầu vào cần thiết để tối ưu hóa hiệu quả bằng cách giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu loạn Mỗi yếu tố đầu vào có thể tác động đến kết quả theo hai hướng: một là làm cho kết quả gần hơn với mục tiêu (gọi là "Tín" - S), và hai là làm cho kết quả xa rời mục tiêu (gọi là "Nhiễu" - N) Tỷ lệ "Tín - Nhiễu" S/N được sử dụng như một tiêu chí hiệu suất để đánh giá và lựa chọn các tham số Mục tiêu cuối cùng là tối đa hóa tỷ số S/N cho mọi bài toán.
Theo dạng bài toán có 2 phương pháp tính tỉ số S/N [32]:
Trong đó: u: thứ tự các phép thử n: số phép thử trong các thí nghiệm
Cơ sở lý thuyết phương pháp phân tích quan hệ GREY
Phương pháp phân tích quan hệ xám (Grey relational analysis) được giới thiệu bởi ông Deng vào năm 1982 nhằm nghiên cứu các yếu tố không chắc chắn và thông tin không đầy đủ trong hệ thống mô hình Phương pháp này giúp phân tích mối liên hệ giữa các hệ thống, thiết lập mô hình hóa, và đưa ra dự báo cũng như quyết định hiệu quả Ý nghĩa của thuật ngữ "Grey" trong phương pháp này phản ánh sự không rõ ràng và tính chất không chắc chắn của thông tin được sử dụng trong phân tích.
Hệ thống Grey được thể hiện qua đặc tính giữa màu đen và màu trắng, trong đó "Black" (màu đen) biểu thị thông tin cần thiết không có sẵn, còn "White" (màu trắng) cho thấy đã có đủ thông tin Mục tiêu của hệ thống Grey là thu hẹp khoảng cách giữa hai trạng thái này, tập trung vào thông tin mà hệ thống cung cấp và phác họa bức tranh tổng thể từ đó Nhiều nghiên cứu đã áp dụng phương pháp phân tích quan hệ Grey để khai thác thông tin hiệu quả.
Nguyên lý hoạt động máy đo độ nhám Mitutoyo SJ-201
Công thức tính độ nhám Ra:
Ra là giá trị trung bình của khoảng cách giữa các điểm trên đường nhấp nhô và đường trung bình, được tính theo giá trị tuyệt đối trong khoảng chiều dài chuẩn l.
Ra =|y1| + |y2| + ⋯ + |yn| n =1 n∑|yi| n i=1 Đường trung bình là đường chia các nhấp nhô bề mặt thành hai phần sao cho diện tích của hai phần đó là bằng nhau
Chiều cao trung bình của prophin theo 10 điểm Rz được tính bằng giá trị trung bình của 5 khoảng cách giữa 5 đỉnh cao nhất và 5 đáy thấp nhất trong phạm vi chiều dài chuẩn l.
Trước khi bắt đầu đo, bút đầu dò không tiếp xúc với phôi, và khi bộ truyền động di chuyển, máy dò sẽ hạ xuống bề mặt phôi Độ nhám của bề mặt phôi làm dịch chuyển đầu bút cảm ứng khoảng 12.5 mm, dẫn đến thay đổi độ tự cảm của cuộn cảm cảm biến và tạo ra tín hiệu cho độ nhám bề mặt Tín hiệu này được khuếch đại và chuyển đổi thành dữ liệu Khi phép đo kết thúc, đầu dò vẫn tiếp xúc với bề mặt đo, sau đó được nâng lên trước khi trở về vị trí ban đầu Kết quả đo được tính toán và hiển thị trên màn hình máy với các giá trị Ra, Ry, Rz.
Nguyên lý hoạt động máy đo VMM MS-4030
Giới thiệu máy đo VMM
Máy đo 2D VMM (Video Measurement Machine) là thiết bị đo tọa độ hai chiều, sử dụng công nghệ quang học, camera độ phân giải cao và phần mềm nhận diện hình ảnh để đo kích thước, chi tiết và bề mặt phẳng trong không gian 2D Thiết bị này thường được sử dụng trong kiểm tra chất lượng sản phẩm, đo kích thước, độ chính xác và hình dạng của linh kiện cơ khí, điện tử và các sản phẩm khác Máy VMM còn được biết đến với nhiều tên gọi khác như máy đo 2D, máy đo kích thước hình ảnh, máy đo lường hình ảnh, máy đo tọa độ 2D, máy đo hình ảnh, máy đo lường quang học, máy đo 2D VMS và máy VMS.
Nguyên lý hoạt động của máy đo VMM
Máy đo VMM hoạt động dựa trên nguyên lý quang học, sử dụng camera và phần mềm để chụp và xử lý hình ảnh chi tiết cần đo Phần mềm sẽ tính toán các thông số dựa trên các đặc điểm đã được định nghĩa trước Sản phẩm được đặt trên bàn di mẫu, di chuyển bằng vít me, trong khi thước quang cung cấp tọa độ di chuyển Phần mềm máy đo kích thước 2D kết hợp tọa độ và hình ảnh để đưa ra kích thước cần đo Đặc biệt, dòng máy VMM sử dụng hệ thống di chuyển camera bằng đệm khí, mang lại độ chính xác cao và hạn chế mài mòn so với hệ thống cơ học.
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Vật liệu
Mô hình điện cực EDM được thiết kế bằng phần mềm Creo Parametric 8.0 của Parametric Technology Corporation (PTC), nhằm tạo ra các hình dạng phức tạp và biên dạng khó gia công Hình dạng và kích thước của điện cực được minh họa trong Hình 3.1, với các kích thước chi tiết được trình bày trong Bảng 3.1 Sau khi hoàn thành thiết kế, tệp sẽ được chia lưới và chuyển đổi sang định dạng stl Quá trình in 3D sẽ được thực hiện bằng máy in Zongheng SLA-600, sử dụng độ dày lớp in 0.1 mm và vật liệu Epoxy resin HONY-01 với độ dày mẫu in là 2 mm.
Mẫu thiết kế 3D và mẫu in 3D SLA được trình bày trong Hình 3.1, bao gồm các yếu tố quan trọng như kích thước danh nghĩa của mẫu điện cực, hình chiếu bằng và hình chiếu cạnh của mẫu điện cực, cùng với hình chiếu bằng và hình chiếu cạnh của mẫu điện cực sau khi in 3D.
Bảng 3.1: Hình dạng và kích thước của điện cực
STT Hình dạng Kích thước
I Trụ ngoài Đường kính 30 mm
II Trụ trong Đường kính 28 mm
III Bề dày chữ Kích thước 0.5 mm
3.1.2.Điện cực đúc mẫu chảy
Các mẫu RP sau khi hoàn thiện từ quy trình in 3D SLA sẽ được đúc mẫu chảy để tạo ra các điện cực bằng vật liệu như CuZn5, CuZn30 và FeCr24, như thể hiện trong Hình 3.2 Các thành phần hóa học của vật liệu được xác định tại nơi sản xuất và do vật liệu đúc sử dụng từ phế liệu, nên các tỷ lệ thành phần hóa học có sự khác biệt Thông tin về tên vật liệu và các đặc tính tương đồng với CuZn5, CuZn30 và FeCr24 được tham khảo từ catalog của các hãng Kemper, Aurubis và MentalCor, cùng với nghiên cứu trong bài báo [34] trình bày tại Bảng 3.2 Tính chất vật lý của các vật liệu này được nêu rõ trong Bảng 3.3.
Bảng 3.2: Thành phần hóa học của các mẫu điện cực
Bảng 3.3: Tính chất vật lý của các mẫu điện cực
Thành phần (%) CuZn5 CuZn30 FeCr24
Tính chất vật lý Đơn vị CuZn5 CuZn30 FeCr24 Điểm nóng chảy ℃ 1030 954 1150 Độ dẫn điện MS/m 8.5 16 0.91 Độ dẫn nhiệt W/mK 71 121 17
Hình 3.2: Điện cực đúc mẫu chảy
Vật liệu CuZn5: a) Hình chiếu bằng; b) Hình chiếu cạnh Vật liệu CuZn30: c) Hình chiếu bằng; d) Hình chiếu cạnh Vật liệu FeCr24 e) Hình chiếu bằng; f) Hình chiếu cạnh
Gia công điện cực EDM thường được thực hiện thủ công, phụ thuộc vào tay nghề và kinh nghiệm của kỹ thuật viên, dẫn đến khó khăn trong việc sản xuất hàng loạt với điều kiện và thời gian gia công đồng nhất Do đó, hầu hết các điện cực hiện nay được gia công bằng CNC để đảm bảo kích thước và độ nhám bề mặt đồng đều Trong nghiên cứu này, mẫu điện cực được chế tạo từ vật liệu CuZn5, sử dụng phương pháp gia công CNC, như thể hiện trong Hình 3.3.
Hình 3.3: Điện cực CNC a) Hình chiếu bằng; b) Hình chiếu cạnh
Thép DC53, một loại thép crom cao, đã trở thành lựa chọn ưu việt trong sản xuất khuôn mẫu so với thép D2 và D3 nhờ vào độ cứng cao (67 HRC), độ dẻo dai tốt hơn và khả năng chống mài mòn vượt trội Với các ứng dụng đa dạng trong khuôn cán, rèn, ép phun, ép đùn và dập, thép DC53 không chỉ đảm bảo tính chất vật liệu tốt hơn mà còn duy trì hình dạng gần đúng kích thước yêu cầu sau quá trình xử lý nhiệt và gia công Khả năng chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt của thép DC53 cũng là một yếu tố quan trọng, giúp nó nổi bật hơn so với các loại thép khác.
Phôi được chuẩn bị cho quy trình EDM là khối thép DC53 được gia công cắt dây thành
36 mẫu có kích thước 50mm x 42mm x 10mm (dài, rộng, cao) như trong Hình 3.4 Các thành phần hóa học và đặc tính được trình bày ở Bảng 3.4
Hình 3.4: Phôi thép DC53 a) Hình chiếu bằng; b) Hình chiếu cạnh Bảng 3.4: Thành phần hóa học và đặc tính của thép DC53 [35]
Thành phần hóa học Đặc tính
(%) Tên Đơn vị Giá trị
Carbon (C) 1.10 Mô đun đàn hồi GPa 150
Chromium (Cr) 8.50 Mô đun độ cứng GPa 58.5
Molybdenum (Mo) 2.00 Độ cứng Rockwell HRC 64
Silicon (Si) 0.90 Tỷ lệ Poisson - 0.28
Vanadium (V) 0.30 Hệ số dẫn nhiệt W/m-K 23.86
Manganese (Mn) 0.35 Hệ số giãn nở nhiệt 1/℃ 13x10 -6
Phosphorous (P) 0.03 Khối lượng riêng kg/m 3 7.85x10 3
Thiết bị
Mẫu điện cực 3D được sản xuất bằng máy Zongheng SLA-600, như thể hiện trong Hình 3.5 Thông số kỹ thuật của máy được trình bày trong Bảng 3.5, với độ phân giải in mẫu điện cực đạt 0.1 mm trong nghiên cứu này.
Hình 3.5: Máy in Zongheng SLA-600
Bảng 3.5: Thông số của Máy in Zongheng SLA-600 Đặc trưng Miêu tả
Dòng sản phẩm SUPER MAKER SLA-600
Loại laser Xung, tia cực tím
Phương pháp phủ Lớp phủ hấp phụ chân không tự động Độ dày lớp in 0.05 - 0.2 mm
Nhập định dạng tệp SLC
Khối lượng vật liệu 180 L, khoảng 225 kG Đường kính điểm 0.12 - 0.6 mm
Hệ điều hành Window 7 (32-bit)
Phần mềm điều hành ZH6.0
Trọng lượng thiết bị Khoảng 860 kG
Dạng kết nối Ethernet Độ chính xác theo chiều dọc ± 0.002 mm Độ chính xác theo chiều ngang ± 0.001 mm
Trọng lượng sản phẩm sản xuất tối đa 70 kG
Trọng lượng chế tạo tham khảo 50-180 G/H
Thông số nguồn điện 220V/50 hZ Độ dày lớp in được đề xuất 0.1 mm
Thể tích hình thành tối đa 600 × 600 × 400 mm
Tốc độ quét phần được đề xuất 6000 mm/s
Tốc độ nhảy đề xuất của các bộ phận 1200 mm/s
Nhiệt độ môi trường làm việc 20 - 28 ℃
Kích thước thiết bị (W × D × H) 990 mm × 1300 mm × 18500 mm Độ ẩm tương đối của môi trường làm việc < 40%
Máy đo VMM MS-4030 được sử dụng trong nghiên cứu này để đo kích thước hình dạng bề mặt của điện cực in 3D SLA, nhằm đánh giá độ co ngót của vật liệu trong quá trình in Quy trình bắt đầu bằng việc khởi động máy đo, sau đó đặt mẫu điện cực in 3D lên bàn máy Tiếp theo, điều chỉnh trục Z để hạ camera quang học gần bề mặt mẫu, đồng thời điều chỉnh tiêu cự và độ sáng để hiển thị rõ ràng bề mặt trên màn hình Khi bề mặt được hiển thị rõ, trục X và Y sẽ được điều chỉnh để di chuyển bàn máy, tiến hành đo các vị trí cần thiết trên mẫu in 3D Kết quả kích thước đo được sẽ được hiển thị trên màn hình máy tính.
Hình 3.6: Máy đo VMM MS-4030 tại phòng Thí nghiệm đo lường nâng cao
3.2.3.Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ-201
Trước khi tiến hành đo độ nhám, mẫu và đầu dò cần được cố định chắc chắn để tránh rung động, điều này rất quan trọng để đảm bảo kết quả chính xác Đầu tiên, bật máy đo bằng nút Power và chọn chế độ đo Ra bằng nút Para-meter Đặt đầu dò lên vị trí cần đo và nhấn nút Start để đầu dò di chuyển 12.5 mm trên bề mặt mẫu, thu thập dữ liệu về độ nhấp nhô Kết quả độ nhám sẽ được hiển thị trên màn hình máy đo Mitutoyo SJ.
201 được trình bày tại Bảng 3.6
Hình 3.7: Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ-201 tại phòng Thí nghiệm đo lường nâng cao
Bảng 3.6: Thông số máy đo độ nhám Mitutoyo SJ-201
Nguồn cấp Thông qua nguồn điện/ pin sạc tích hợp
(12 giờ cho 500 lần đo) Tốc độ đo Đo: 0.25 mm/s, 0.5 mm/s Trở về: 0.8 mm/s
Phạm vi đo (trục X) 12.5 mm
Tiêu chuẩn đầu dò No 178-395
Phạm vi đo 350 àm (-200 àm đến +150 àm)
Thông số độ nhám Ra, Ry, Rz, Rq, S, Sm, Pc, R3z, mr, Rt, Rk, Rk,
Rpk, Rvk, Mr1,Mr2, A1, A2 Tiêu chuẩn độ nhám JIS, DIN, ISO, ANSI Đầu ra dữ liệu Thông qua cổng đầu ra RS-232C hoặc SPC
3.2.4.Máy gia công xung định hình AccuteX DS-430S CM
Trong nghiên cứu này, gia công bắn điện được thực hiện trên máy xung định hình AccuteX DS-430S CM, sản xuất bởi AccuteX Technologies Co., Ltd tại Đài Loan Sản phẩm của AccuteX được xuất khẩu trên toàn cầu, phục vụ cho các ngành công nghiệp như cơ khí chính xác, hàng không vũ trụ và linh kiện ô tô Thông số kỹ thuật của máy xung định hình AccuteX DS-430S CM được trình bày trong Bảng 3.7.
Hình 3.8: Máy AccuteX DS-430S CM Bảng 3.7: Thông số máy xung định hình AccuteX DS-430S CM
DS-430S CM Đặc trưng Thông số
Kích thước bàn làm việc 650 x 350 mm
Kích thước phôi (WxD) 920 x 505 mm
Trọng lượng phôi tối đa 550 kG
Trọng lượng điện cực tối đa 120 kG
Khoảng cách giữa đầu kẹp tới bàn máy 150 – 450 mm Kích thước máy (WxDxH) 3124 x 2306 x 2428 mm
Quy trình
Quá trình nghiên cứu được chia thành hai giai đoạn: đầu tiên, tạo điện cực đúc mẫu chảy bằng phương pháp in 3D SLA với ba vật liệu khác nhau; thứ hai, đánh giá khả năng gia công EDM từ điện cực này, khảo sát các thông số đầu vào như vật liệu điện cực, I, Ton, Toff Phương pháp Taguchi với mảng trực giao L9 sẽ được sử dụng để thu thập và xử lý dữ liệu Sau khi thực hiện gia công EDM và đo đạc, kết quả sẽ được tối ưu hóa trên phần mềm Minitab 18 thông qua các phương pháp Taguchi và GRA.
Dữ liệu tính toán cho phép xác định bộ thông số tối ưu cho từng giá trị đầu ra, đánh giá ảnh hưởng của thông số đầu vào đến đầu ra và tối ưu hóa đa mục tiêu Kết quả thí nghiệm cung cấp bộ thông số tối ưu liên quan đến tốc độ loại bỏ vật liệu, tốc độ mòn điện cực và độ nhám bề mặt phôi sau gia công EDM Sơ đồ trình tự tổng quan thí nghiệm được minh họa trong Hình 3.9.
Hình 3.9: Sơ đồ trình tự thí nghiệm
3.3.2.Quy trình in điện cực 3D SLA Để tạo mẫu điện cực bằng phương pháp tạo mẫu nhanh in 3D SLA sẽ có quy trình như Hình 3.10 Máy in 3D được sử dụng là máy in 3D Zongheng SLA-600 như Hình 3.10a và vật liệu được sử dụng để tạo lên mẫu RP là nhựa Epoxy Resin HONY-01 như Hình 3.10b Trước khi tiến hành in mẫu thì cần thiết lập các thông số trước khi in và tạo support cho mẫu để đảm bảo bề mặt logo rõ nét và mịn được thể hiện tại Hình 3.10c Các mẫu được in trong cùng một điều kiện và cùng chung một lần in được thể hiện tại Hình 3.10d Mẫu điện cực khi in ra sẽ chưa khô hoàn toàn để sử dụng nên sẽ cần qua một bước sấy bằng tia UV để nhựa sẽ được đông khô hoàn toàn như trong Hình 3.10e Hình 3.10f thể hiện các điện cực in 3D đã hoàn thành và có thể sử dụng để qua quy trình đúc mẫu chảy
Quá trình tạo mẫu bằng phương pháp in 3D SLA bao gồm các bước sau: sử dụng máy in Zongheng SLA-600, áp dụng nhựa Epoxy HONY-1, tạo hỗ trợ cho mẫu in, thực hiện in 3D, sấy khô mẫu và cuối cùng là hoàn thiện mẫu in 3D.
3.3.3.Quy trình tạo điện cực bằng đúc mẫu chảy
Mẫu điện cực được đúc mẫu chảy để tạo ra sản phẩm hoàn thiện thì trải qua quy trình đúc được thể hiện tại Hình 3.11
35 Hình 3.11: Sơ đồ quy trình đúc mẫu chảy
Tạo mẫu bằng phương pháp in 3D
Nhúng mẫu vào dung dịch huyền phù và cát
Gia nhiệt vỏ và rót kim loại
Bản vẽ mẫu in 3D File có đuôi stl hoặc ob
Bề dày : 2 mm Độ phân giải : 0.1 mm Loại nhựa: Epoxy Resin
Dung dịch huyền phù: colloidal silica 830 16.86%, zircon flour 83.3%
Mỗi lớp phủ đạt 26-28 C, độ ẩm 50-60%
Mẫu gốm đạt độ dày phù hợp
Phá vỏ , vệ sinh bề mặt điện cực
3.3.4.Quy trình gia công phôi thép DC53 Để chuẩn bị phôi thép DC53 cho quá trình gia công EDM thì sẽ trải qua các bước được trình bày tại Hình 3.12 Các phôi thép DC53 sau khi hoàn thiện sẽ có kích thước 50mm x 42mm x 10mm Bề mặt các phôi phải được mài phẳng
Hình 3.12: Sơ đồ chuẩn bị phôi thép DC53 cho quá trình EDM
Chuẩn bị phôi thép DC53
Xử lý nhiệt Đo độ cứng sau xử lý nhiệt
Mài phẳng và cắt nhỏ phôi
3.3.5.Gia công EDM phôi thép DC53 bằng điện cực đúc mẫu chảy
3.3.5.1.Tổng quan thí nghiệm EDM
Quá trình thử nghiệm được thực hiện trên máy AccuteX DS-430S CM với chất lỏng điện môi là hydrocarbon, cùng với các thiết bị như cân điện tử và máy đo độ nhám có sẵn trong phòng thí nghiệm Các thông số đầu vào bao gồm vật liệu điện cực, I, Ton và Toff, trong khi các thông số khác được duy trì theo bộ thông số S-code 1 Trước khi gia công EDM, phôi và điện cực được cân bằng điện tử Phôi được điều chỉnh và cố định trên bàn máy EDM, sau đó điện cực được kẹp vào đầu máy và đảm bảo độ vuông góc với bề mặt phôi Các hệ số đầu vào được nhập và độ sâu gia công được thiết lập ở mức 1.25 mm, sau đó chất lỏng điện môi được bơm vào khoang gia công Sau khi gia công, phôi và điện cực được rửa sạch, thổi khô và cân lại Cuối cùng, độ nhám bề mặt (Ra) được đo bằng cách cố định phôi và máy đo, di chuyển đầu dò trên bề mặt mẫu để thu thập dữ liệu, và kết quả được hiển thị trên màn hình máy đo với ba lần đo khác nhau để tính giá trị trung bình, nhằm tối ưu hóa các thông số hiệu suất.
Hình 3.13 mô tả sơ đồ tiến trình thí nghiệm với phôi thép DC53 và điện cực được lắp đặt trên máy EDM Các bước quan trọng bao gồm việc đo trọng lượng phôi trước và sau gia công bằng cân điện tử, cùng với việc đo độ nhám bề mặt phôi sau gia công bằng máy đo độ nhám Mitutoyo SJ-201 Hình ảnh cũng thể hiện quá trình gia công của điện cực, từ trước đến sau khi gia công.
Phôi Đồng hồ so Đầu đo
Phôi sau gia công e) Điện cực trước gia công f) Điện cực sau gia công
Thân kết nối đầu dò
Màn hình hiển thị kết quả
3.3.5.2.Thông số đầu vào của thí nghiệm
Khi hoàn thiện các điện cực bằng phương pháp đúc mẫu chảy, thí nghiệm bắn điện sẽ được thực hiện trên máy AccuteX DS-430S CM Các nghiên cứu EDM xác định nhiều thông số đầu vào như vật liệu, I, Ton, Toff, Tg để tối ưu hóa các mục tiêu như tốc độ loại bỏ vật liệu (MRR), tốc độ mòn dụng cụ (EWR) và chất lượng độ nhám bề mặt (WSR) Ba cấp độ được chọn cho các yếu tố đầu vào Nghiên cứu năm 2020 của Qi-Xuan Wu và cộng sự đã tạo điện cực bằng phương pháp IC và tối ưu hóa thông số EDM cho vật liệu thép SKD11 với các thông số I (3-15 A), Ton (26-200 μs) và Toff (15-50 μs) Cùng năm, C Pavan và cộng sự đã tìm ra vật liệu và thông số tối ưu cho quá trình EDM với thép Inconel 600, sử dụng các thông số I (9-15 A), Ton (200-900 μs), Toff (100-500 μs) và Vg (35-45 V) dựa trên phương pháp Taguchi Báo cáo gần đây năm 2023 của Van Tron Tran và cộng sự đã tối ưu hóa thông số EDM cho thép AISI P20 với I (2-6 A), Ton (60-120 μs) và Toff (30-90 μs) thông qua phương pháp Taguchi và ANOVA.
Năm 2021, nhằm tối ưu hóa hiệu suất gia công EDM với điện cực đồng và phôi thép P20, nghiên cứu đã áp dụng phương pháp Taguchi và ANOVA để phân tích các thông số kết quả như MRR và EWR Mục tiêu là tìm ra bộ thông số tối ưu với các tham số đầu vào gồm dòng điện I (4-6 A), thời gian kích hoạt Ton (80-120 μs) và thời gian tắt Toff (40-60 μs).
Dựa trên các thông số đầu vào từ những nghiên cứu trước, nghiên cứu này sẽ cung cấp bộ thông số đầu vào như được trình bày trong Bảng 3.8.
Bảng 3.8: Các yếu tố đầu vào và mức độ thí nghiệm
Thông số Đơn vị Ký hiệu Mức độ thí nghiệm Kết quả
MRR (g/min) EWR (g/min) WSR (àm)
Vật liệu M CuZn5 CuZn30 FeCr24
Thời gian đúng xung (às) Ton 90 120 150
Thời gian ngắt xung (às) Toff 30 60 90
Trong quá trình bắn điện, các thông số đầu vào sẽ được lựa chọn dựa trên bộ S-Code 1 của máy và sẽ được duy trì không thay đổi trong mỗi lần thí nghiệm Điều này nhằm đảm bảo rằng điều kiện bắn điện trong gia công luôn nhất quán.
Bảng 3.9 Thông số S-code 1 của máy
GAP (Distance between electrode and workpiece) 9
JI (Jump backward distance) 2 (mm)
3.3.5.3.Thông số đầu ra của thí nghiệm
Nghiên cứu này sẽ trình bày các thông số đầu ra quan trọng, bao gồm tốc độ loại bỏ vật liệu (MRR) tính bằng gam trên phút, tốc độ mòn điện cực (EWR) cũng tính bằng gam trên phút, và độ nhám bề mặt phôi (WSR) được đo bằng micromet.
Tốc độ loại bỏ vật liệu (MRR) là quá trình vật liệu được loại bỏ thông qua phương pháp phóng điện EDM MRR được tính bằng cách lấy hiệu khối lượng của phôi thép DC53 trước và sau khi gia công bắn điện, sau đó chia cho thời gian gia công.
Tốc độ loại bỏ vật liệu (EWR) là quá trình mòn của điện cực do tác động của phóng điện EDM, được tính bằng hiệu khối lượng điện cực trước và sau gia công chia cho thời gian gia công Độ nhám bề mặt (WSR) đề cập đến sự thay đổi đáng kể về cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của bề mặt gia công do các thông số đầu vào của EDM, và được đo bằng máy đo độ nhám Mitutoyo SJ-210.
Phương pháp
3.4.1.Phương pháp thống kê Taguchi
Nghiên cứu này áp dụng phương pháp Taguchi với mô hình mảng trực giao (OA) và thiết kế thí nghiệm L9, bao gồm 4 thông số và 3 cấp độ thay đổi Mảng trực giao L9 giúp giảm số lượng thí nghiệm cần thiết trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác, cho phép phân tích và đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến đầu ra Bốn thông số đầu vào được nghiên cứu bao gồm: vật liệu điện cực, cường độ dòng điện, thời gian mở xung và thời gian đóng xung, với các cấp độ được sắp xếp theo phương pháp thống kê Taguchi như trình bày trong Bảng 3.10.
Bảng 3.10: Thông số bắn điện EDM
STT Vật liệu I Ton Toff
Để đánh giá hiệu suất của quá trình EDM với FeCr24 7 120 30, các chỉ số MRR, EWR và WR sẽ được xem xét MRR và EWR được tính bằng cách chia hiệu số tỷ lệ trọng lượng của phôi và điện cực trước và sau khi gia công cho thời gian gia công.
Với W b là khối lượng phôi trước khi EDM, W a là khối lượng phôi sau khi EDM và t là thời gian EDM
Với E b là khối lượng phôi trước khi EDM, E a là khối lượng phôi sau khi EDM và t là thời gian EDM
3.4.2.Phương pháp phân tích quan hệ GREY (GRA)
Để tối ưu hóa hiệu suất gia công EDM, bao gồm tốc độ loại bỏ vật liệu, tốc độ mòn điện cực và độ nhám bề mặt phôi, phương pháp phân tích quan hệ Grey sẽ được áp dụng nhằm xác định bộ thông số tối ưu đa mục tiêu.