Ứng vật liệu tổng hợp các bon để tăng hiệu suất sử dụng

Vật liệu tổng hợp (composite) thường được sử dụng trong máy bay và xe đua, nhưng nhờ trọng lượng nhẹ và độ bền cao mà chúng cũng mang lại nhiều lợi ích cho các công cụ máy. Trưởng phòng phát triển kinh doanh tại CompoTech, Humphrey Carter cho biết.

Nhu cầu về vật liệu tổng hợp gia cố bằng sợi các bon tiếp tục tăng, với mức tăng ước tính 10% vào năm 2019. Con số này đạt doanh số toàn cầu gần 18 tỷ USD, theo Carbon Composites – một mạng lưới các công ty và tổ chức nghiên cứu làm việc với các vật liệu tổng hợp sợi các bon.

Vật liệu các bon tổng hợp rất chuyên dụng và phần lớn giới hạn trong các ứng dụng công nghệ cao. Một ví dụ đáng chú ý là xe đua công thức 1, khi trọng lượng nhẹ và độ bền cao khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong khung xe. Đồng thời, các máy bay hiện đại như Boeing Dreamliner sử dụng hơn 50% vật liệu tổng hợp theo trọng lượng.

Tuy nhiên, một cách sử dụng vật liệu composit đáng ngạc nhiên là trong các công cụ máy. Các nhà chế tạo máy có thể sử dụng những vật liệu này vì những lý do tương tự với các nhà thiết kế xe hơi: để tạo ra các bộ phận nhẹ hơn, cứng hơn và cải thiện giảm xóc. Kết quả cuối cùng sẽ là các máy chạy nhanh hơn, với độ chính xác và độ tin cậy cao hơn. Điều này có ảnh hưởng tích cực đến năng suất và một phần chất lượng.

Mặc dù có những lợi thế rõ ràng, vẫn có một vài trở ngại cần khắc phục khi sử dụng vật liệu tổng hợp cho các công cụ máy. Một là chi phí lớn hơn, thường khiến chúng vượt quá khả năng của các ứng dụng chính. Một điều nữa là nhận thức về vật liệu tổng hợp vẫn nằm sau vật liệu truyền thống như thép và nhôm. Cũng có một sự miễn cưỡng khi chuyển từ các phương pháp sản xuất đã được thiết lập sang phương pháp mới để thiết kế và xây dựng máy.

Các nhà chế tạo máy cần phải nhận thức được những lợi ích cụ thể từ sử dụng vật liệu tổng hợp nếu họ muốn xem xét tận dụng lợi thế của chúng.

Lĩnh vực ứng dụng

Các nhà sản xuất công cụ máy móc công nghiệp và hệ thống tự động hóa đang chịu áp lực nâng cao công suất, chất lượng và năng suất. Điều này đòi hỏi họ phải cân bằng một số yêu cầu liên quan đến hiệu suất cạnh tranh.

Đầu tiên, họ đang chế tạo những cỗ máy lớn hơn, có thể cần di chuyển các bộ phận dài nhiều mét. Đồng thời, họ cần các hệ thống chuyển động tốc độ cao có thể tăng tốc và giảm tốc nhanh chóng. Một thách thức lớn hơn là, cần có độ ổn định, độ chính xác và độ lặp lại cao.

Ngoài những thách thức này, các nhà thiết kế cũng phải lựa chọn các yếu tố cấu trúc phù hợp. Chúng cần có khối lượng thấp, nhưng cung cấp đủ sức mạnh và độ cứng để hỗ trợ cả tải trọng tĩnh và động với độ võng tối thiểu.

Các bộ phận tổng hợp có thể lý tưởng trong các ứng dụng này vì sự kết hợp của chúng có độ bền cao và trọng lượng thấp. Ví dụ, một bộ phận máy bằng sợi carbon có thể nặng khoảng một phần tư thép, cho cùng một độ cứng. Những vật liệu này cũng có thể được thiết kế để giảm rung 20 lần so với thép hoặc để giãn nở nhiệt bằng không trong một chiều.

Các ứng dụng trong thế giới thực hiếm khi tập trung vào một thuộc tính vật lý duy nhất, nhưng các bộ phận máy bằng vật liệu tổng hợp các bon có thể được thiết kế chính xác để đưa ra sự hòa hợp giữa các đặc tính.

Đáp ứng những thách thức chính

Các bộ phận tổng hợp có thể giúp giải quyết một số thách thức chính trong thiết kế máy, bao gồm độ rung, ổn định nhiệt và tích hợp máy.

Nếu tần số tự nhiên của một bộ phận, hoặc các bức tường của nó (khung máy) quá gần với tần số hoạt động của máy, sự cộng hưởng có thể làm giảm hiệu suất. Điều này có thể dẫn đến sự mất ổn định hoặc không chính xác trong sử dụng.

Khối lượng thấp và độ cứng cao của các bộ phận tổng hợp các bon giúp giảm xóc tốt hơn so với các lựa chọn thay thế bằng thép hoặc nhôm. Điều này có thể được tăng cường bằng cách điều chỉnh một phần kích thước và độ dày của tường (khung máy), để điều chỉnh tần số tự nhiên của nó. Ngoài ra, các vật liệu giảm xóc như chất độn cao su và lớp bần, hoặc gia cố bọt bên trong, có thể được tích hợp vào cấu trúc.

Về độ ổn định nhiệt, vật liệu tổng hợp ít bị giãn nở nhiệt hơn kim loại, giúp giảm khả năng méo. Điều này đặc biệt quan trọng khi thời gian sản xuất dài.

Tất cả các bộ phận phải tích hợp hiệu quả vào cấu trúc tổng thể của một máy. Các điểm cố định phù hợp có thể được xây dựng thành cấu trúc của một bộ phận tổng hợp trong quá trình sản xuất. Chúng bao gồm các lớp vật liệu gia công thêm, để cho phép khoan lỗ, chèn kim loại hoặc miếng đệm để hỗ trợ các rãnh và giá đỡ.

Thuộc tính nâng cao

Vật liệu tổng hợp thường được làm bằng nhựa nhiệt rắn như epoxy, được gia cố bằng thành phần sợi. Sợi thường là thủy tinh, mặc dù sợi carbon cho hiệu suất cao hơn. Một khi sự kết hợp sợi nhựa được lưu hóa bằng nhiệt, nó tạo ra một vật liệu có tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao.

Các bộ phận hình trụ có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một kỹ thuật gọi là cuộn dây tóc (filament winding). Ở đây, sợi có dạng chuỗi liên tục, được ngâm tẩm nhựa, uốn khúc ở một góc quanh một hình trụ, sau đó được lưu hóa. Cấu trúc cuối cùng là rất chắc và nhẹ.

CompoTech đã hoàn thiện phiên bản uốn sợi của riêng mình, được gọi là bố trí sợi trục, trong 20 năm qua. Kỹ thuật này cải thiện khả năng chống chịu tải trọng uốn bằng cách cuộn các sợi dọc theo chiều dài của hình trụ, thay vì xung quanh chu vi của nó. Kỹ thuật này sắp xếp tất cả các sợi theo hướng dọc trục, làm tăng sức mạnh: độ cứng cao hơn 10-15%, trong khi độ bền uốn cao hơn khoảng 50%.

Công cụ phay tổng hợp

CompoTech gần đây đã phát triển một công cụ phay hỗn hợp thép-composit. Khi thử nghiệm, nó đã được chứng minh là hoạt động nhanh hơn và gia công chính xác hơn so với các tùy chọn thông thường.

Các công cụ cũng cải thiện độ nhám bề mặt. Điều này có nghĩa là, trong một số trường hợp nhất định, nó có thể thực hiện công việc mà thông thường cần đến hai bộ công cụ bằng thép, để gia công thô và gia công hoàn thiện. Điều này làm tăng năng suất phay, giảm thời gian gia công và giảm chi phí gia công.

Công cụ này được chế tạo bằng cách đặt các sợi carbon và than chì lên một phần thép sử dụng quy trình gọi là bố trí dây sợi (filament laying) được hỗ trợ bởi robot (RAFL). Thân thép hoạt động như một trục gá, đồng thời kết nối công cụ với bộ giữ công cụ và bộ giữ công cụ với trục chính. Nó cũng cung cấp một cách để gắn dụng cụ vào răng phay.

Vật liệu tổng hợp cũng có thể được sử dụng để chế tạo trục chính động cơ. Đây thường là các cấu trúc lai ghép, với thép được sử dụng trong các bề mặt mang và mạch.

Giáo sư Atsushi Matsubara của Đại học Kyoto ở Nhật Bản đã thực hiện một nghiên cứu chi tiết về hành vi của các trục quay với trục CFRP. Nghiên cứu của ông cho thấy trục của trục chính lai ghép nhẹ hơn 70% so với phiên bản thép có cùng thiết kế. Đồng thời, trục chính cho thấy độ dịch chuyển ít hơn 75% khi được làm nóng đến 70°C. Hành vi giảm xóc của trục chính composite tốt hơn 16 lần so với phiên bản thép.

Nghiên cứu cũng tiết lộ rằng trục chính lai ghép đạt tốc độ quay tối đa nhanh hơn 17% so với trục chính thép do quán tính thấp hơn. Đáng kể nhất cho các hoạt động gia công, các đường cong giới hạn ổn định cho thấy độ dày chip giới hạn gấp đôi có thể đạt được một cách an toàn ở nhiều tốc độ trục chính. Độ sâu cắt có thể tăng từ 5,5 đến 10 mm với trục chính lai ghép.

Hoàn lại vốn đầu tư

Là một nguyên liệu thô, sợi các bon đắt hơn nhiều so với thép hoặc nhôm. Điều này có thể đủ để ngăn các nhà thiết kế máy xem xét việc sử dụng các thành phần tổng hợp. Tuy nhiên, nhờ khả năng sản xuất các thành phần tổng hợp chính xác với yêu cầu xử lý trước ở mức tối thiểu có thể thu hẹp đáng kể khoảng cách chi phí. Trong một số trường hợp, vật liệu tổng hợp thực sự có thể là một lựa chọn chi phí thấp hơn so với các vật liệu kim loại.

Tuy nhiên, lợi ích chính của các bộ phận máy tổng hợp các bon thường đến từ những cải tiến về tốc độ, năng suất và chất lượng.

Văn phòng NSCL biên dịch