Moderator
I. TỔNG QUAN
Công nghệ AM (gọi dễ hiểu hơn là in 3D kim loại) được nghiên cứu từ thập niên 1980. Khác với công nghệ gia công truyền thống là loại bỏ vật liệu từ phôi ban đầu, AM thực hiện quá trình đắp vật liệu theo từng lớp trực tiếp lên vật thể thông qua mô hình CAD. Một cách hiểu khác thì AM là "quá trình liên kết vật liệu để chế tạo từ dữ liệu 3D, thường được dải từng lớp lên nhau, ngược với phương pháp loại bỏ dần vật liệu” . Trải qua hơn 20 năm phát triển, AM đã hình thành nên một dòng các phương pháp theo các nguyên lý khác nhau và được thương mại hóa rất thành công như: Stereolithography (SLA), Fused Deposition Modeling (FDM), Selective Laser Sintering (SLS), Laminated Objective Manufacturing (LOM), Three Dimensional Printing (3DP) , Laser Metal Deposition (LMD). Công nghệ tạo được ưu thế vượt trội trong gia công tiên tiến do đáp ứng được nhiều yếu tố công nghệ:
- Chế tạo được các chi tiết có hình dáng phức tạp, đặc biệt các chi tiết có cấu trúc bên trong;
- Rút ngắn thời gian sản xuất do không cần qua nhiều bước công nghệ, không cần đồ gá cũng như dụng cụ cắt gọt khác;
- Giảm thiểu tối đa vật liệu dư thừa so với gia công truyền thống;
- Quá trình sản xuất giảm đáng kể khí thải CO2, không tiêu thụ và thải dung dịch trơn nguội nên khá thân thiện môi trường;
- Là một phương pháp chế tạo phôi vạn năng đáp ứng mọi thiết kế hình học.
Với những ưu điểm đó, ngày nay AM không ngừng được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều ngành công nghiệp khác nhau như: y học, ô tô, hàng không vũ trụ, quốc phòng. Trong tương lai, công nghệ đang tiệm cận đến sự thay đổi hoàn toàn tư duy về sản xuất công nghiệp công nghệ cao.
Phương pháp sử dụng chùm tia electron nóng chảy EBM được phát triển tại Thụy Điển bởi công ty công nghệ Arcam đưa đến một cuộc cách mạng mới trongAM. Vật liệu chủ yếu được dùng trong phương pháp này là kim loại. Về cơ bản, phương pháp EBM có nhiều điểm giống với phương pháp gia công kim loại trực tiếp, thiêu kết bằng laser (Direct Metal Laser Sintering- DMLS), trong việc tạo hình sản phẩm cuối từ bột kim loại. Điểm khác biệt chính nằm ở nguồn nhiệt, ở đây, với phương pháp EBM chính là chùm tia điện từ. Để sử dụng được chùm tia điện từ này môi trường gia công cần thiết phải được đặt trong điều kiện chân không, do đó cơ tính vật liệu gia công cũng có sự khác biệt đáng kể.
II. THỰC NGHIỆM
1. Vật liệu và cơ tính
Công nghệ AM hiện nay được sử dụng thành công với nhiều loại vật liệu khác nhau bao gồm: hợp kim nhôm-titan, thép công cụ, siêu hợp kim nền niken, đồng. Các kết quả này chứng minh khả năng ứng dụng đa dạng của AM, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm. Các kết quả thử nghiệm sau đây sử dụng vật liệu Ti-Al-4V, Bảng 1 trình bày so sánh cơ tính của vật liệu Ti-6Al-4V với các phương pháp chế tạo khác nhau, bảng 2 thể hiện thành phần vật liệu của bột kim loại Ti-6Al-4V
2. Kiểm tra cơ tính: độ cứng và giới hạn bền
Để nghiên cứu cơ tính, mô hình thí nghiệm được xây dựng trên cơ sở sử dụng EBM tạo một chi tiết mới trên nền Ti-6Al-4V có sẵn, kích thước 150x150x25 (mm). Hình 2a mô tả 5 chi tiết tấm mòng chữ nhật, kích thước 7x2x15 mm được xây dựng trên nền, mô hình này dùng để thử độ cứng và cấu trúc tế vi của vật liệu; hình 2b xây dựng một tấm mỏng theo tiêu chuẩn kéo kích thước 6x2x15 mm để thử nghiệm giới hạn bền đứt.
Để xây dựng mô hình, một tấm nền vật liệu Ti-6Al-4V được sử dụng. Trước khi tiến hành AM, chùm tia electron quét trên tấm nền để làm nóng vật liệu, quá trình dải đắp vật liệu tiến hành khi nhiệt độ nền đạt 740oC. Một cảm biến nhiệt độ được đặt dưới tấm nền để đo nhiệt độ, quá trình nghiên cứu cho thấy độ biến thiên nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới chênh nhau 20oC, do đó khi cảm biến đo được nhiệt độ mặt dưới đạt 720oC thì nhiệt độ trên mặt trên đạt được 740oC, khi đó quá trình xây dựng chi tiết mới trên nền bắt đầu. Hình 3 mô tả quá trình trên.
Giá trị độ cứng và tới hạn bền cụ thể dưới đây:
Còn tiếp...
(Nguồn thực nghiệm: TS Lê Văn Thảo, thực hiện tại phòng thí nghiệm Viện nghiên cứu G-SCOP, Pháp)
Công nghệ AM (gọi dễ hiểu hơn là in 3D kim loại) được nghiên cứu từ thập niên 1980. Khác với công nghệ gia công truyền thống là loại bỏ vật liệu từ phôi ban đầu, AM thực hiện quá trình đắp vật liệu theo từng lớp trực tiếp lên vật thể thông qua mô hình CAD. Một cách hiểu khác thì AM là "quá trình liên kết vật liệu để chế tạo từ dữ liệu 3D, thường được dải từng lớp lên nhau, ngược với phương pháp loại bỏ dần vật liệu” . Trải qua hơn 20 năm phát triển, AM đã hình thành nên một dòng các phương pháp theo các nguyên lý khác nhau và được thương mại hóa rất thành công như: Stereolithography (SLA), Fused Deposition Modeling (FDM), Selective Laser Sintering (SLS), Laminated Objective Manufacturing (LOM), Three Dimensional Printing (3DP) , Laser Metal Deposition (LMD). Công nghệ tạo được ưu thế vượt trội trong gia công tiên tiến do đáp ứng được nhiều yếu tố công nghệ:
- Chế tạo được các chi tiết có hình dáng phức tạp, đặc biệt các chi tiết có cấu trúc bên trong;
- Rút ngắn thời gian sản xuất do không cần qua nhiều bước công nghệ, không cần đồ gá cũng như dụng cụ cắt gọt khác;
- Giảm thiểu tối đa vật liệu dư thừa so với gia công truyền thống;
- Quá trình sản xuất giảm đáng kể khí thải CO2, không tiêu thụ và thải dung dịch trơn nguội nên khá thân thiện môi trường;
- Là một phương pháp chế tạo phôi vạn năng đáp ứng mọi thiết kế hình học.
Với những ưu điểm đó, ngày nay AM không ngừng được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều ngành công nghiệp khác nhau như: y học, ô tô, hàng không vũ trụ, quốc phòng. Trong tương lai, công nghệ đang tiệm cận đến sự thay đổi hoàn toàn tư duy về sản xuất công nghiệp công nghệ cao.
Phương pháp sử dụng chùm tia electron nóng chảy EBM được phát triển tại Thụy Điển bởi công ty công nghệ Arcam đưa đến một cuộc cách mạng mới trongAM. Vật liệu chủ yếu được dùng trong phương pháp này là kim loại. Về cơ bản, phương pháp EBM có nhiều điểm giống với phương pháp gia công kim loại trực tiếp, thiêu kết bằng laser (Direct Metal Laser Sintering- DMLS), trong việc tạo hình sản phẩm cuối từ bột kim loại. Điểm khác biệt chính nằm ở nguồn nhiệt, ở đây, với phương pháp EBM chính là chùm tia điện từ. Để sử dụng được chùm tia điện từ này môi trường gia công cần thiết phải được đặt trong điều kiện chân không, do đó cơ tính vật liệu gia công cũng có sự khác biệt đáng kể.
II. THỰC NGHIỆM
1. Vật liệu và cơ tính
Công nghệ AM hiện nay được sử dụng thành công với nhiều loại vật liệu khác nhau bao gồm: hợp kim nhôm-titan, thép công cụ, siêu hợp kim nền niken, đồng. Các kết quả này chứng minh khả năng ứng dụng đa dạng của AM, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm. Các kết quả thử nghiệm sau đây sử dụng vật liệu Ti-Al-4V, Bảng 1 trình bày so sánh cơ tính của vật liệu Ti-6Al-4V với các phương pháp chế tạo khác nhau, bảng 2 thể hiện thành phần vật liệu của bột kim loại Ti-6Al-4V
2. Kiểm tra cơ tính: độ cứng và giới hạn bền
Để nghiên cứu cơ tính, mô hình thí nghiệm được xây dựng trên cơ sở sử dụng EBM tạo một chi tiết mới trên nền Ti-6Al-4V có sẵn, kích thước 150x150x25 (mm). Hình 2a mô tả 5 chi tiết tấm mòng chữ nhật, kích thước 7x2x15 mm được xây dựng trên nền, mô hình này dùng để thử độ cứng và cấu trúc tế vi của vật liệu; hình 2b xây dựng một tấm mỏng theo tiêu chuẩn kéo kích thước 6x2x15 mm để thử nghiệm giới hạn bền đứt.
Để xây dựng mô hình, một tấm nền vật liệu Ti-6Al-4V được sử dụng. Trước khi tiến hành AM, chùm tia electron quét trên tấm nền để làm nóng vật liệu, quá trình dải đắp vật liệu tiến hành khi nhiệt độ nền đạt 740oC. Một cảm biến nhiệt độ được đặt dưới tấm nền để đo nhiệt độ, quá trình nghiên cứu cho thấy độ biến thiên nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới chênh nhau 20oC, do đó khi cảm biến đo được nhiệt độ mặt dưới đạt 720oC thì nhiệt độ trên mặt trên đạt được 740oC, khi đó quá trình xây dựng chi tiết mới trên nền bắt đầu. Hình 3 mô tả quá trình trên.
Giá trị độ cứng và tới hạn bền cụ thể dưới đây:
(Nguồn thực nghiệm: TS Lê Văn Thảo, thực hiện tại phòng thí nghiệm Viện nghiên cứu G-SCOP, Pháp)
Last edited: