{{NOADS}}

Trong thời đại mà việc chế tạo chỉ một chiếc máy bay hoặc trực thăng có thể tiêu tốn hàng triệu đô la, các nhà sản xuất luôn tìm cách giảm chi phí và đẩy nhanh sản xuất mà không làm giảm hiệu suất. Một động lực lớn trong lĩnh vực này là việc ngày càng áp dụng vật liệu composite cho nhiều bộ phận hơn, khi các nhóm kỹ sư liên tục tìm cách giảm trọng lượng tổng thể của các thiết kế máy bay mới.

Một quy trình mới đang trong giai đoạn phát triển ban đầu để áp dụng tấm bảo vệ mép trước bằng kim loại cho cánh quay gia cố sợi carbon, và quy trình này có thể giảm đáng kể chi phí đồng thời rút ngắn thời gian sản xuất.

Alpha Metalcraft Group, một nhà sản xuất các sản phẩm dùng trong ngành hàng không vũ trụ và quốc phòng, đang hợp tác với một số công ty kỹ thuật composite để cải tiến quy trình gắn các tấm bảo vệ mép trước này lên cánh quạt dựa trên composite, với mục tiêu cụ thể là giải quyết sự tăng trưởng được dự báo sẽ bùng nổ trong các phân khúc thị trường như máy bay eVTOL.

Tiến sĩ Luigi Cazzaniga, Giám đốc Kỹ thuật của AMG, sẽ trình bày thông tin về phương pháp sản xuất mới được đề xuất này tại CAMX, the Composites and Advanced Materials Expo. Hội chợ triển lãm sẽ diễn ra từ ngày Sept. 21-24 tại Atlanta.

Tấm bảo vệ mép trước rất quan trọng cho hiệu suất của cánh quay. Cánh composite dễ bị mài mòn do thời tiết, cát, bụi và các yếu tố khác. Tấm bảo vệ mép trước bằng kim loại bảo vệ cánh và kéo dài tuổi thọ sử dụng.

Mặc dù đã có các phương pháp gắn tấm bảo vệ kim loại được chế tạo riêng lên cánh composite, quy trình này đòi hỏi nhiều lao động, kiểm tra và chi phí vận chuyển. Thêm vào đó, quy trình sản xuất tiêu chuẩn hiện nay yêu cầu sử dụng các công cụ bằng thép không gỉ đắt tiền (mandrels) tái tạo chính xác hình dạng của cánh quay, với chi phí đầu tư có thể lên tới $100,000 cho mỗi công cụ. 

AMG đang tìm cách phát triển một phương pháp khác và đang hợp tác với các nhà cung cấp hàng không vũ trụ trong việc thiết kế một cánh composite mới cho phép phủ trực tiếp nickel. “Khả năng mạ trực tiếp một lớp nền nickel lên cấu trúc composite gia cố sợi carbon loại bỏ nhu cầu của nhiều bước lắp ráp và có thể giảm chi phí sản xuất tổng thể,” theo Tiến sĩ Cazzaniga.

Tiến sĩ Cazzaniga giải thích rằng cánh quay composite gia cố sợi carbon mang lại lợi ích đáng kể cho ngành hàng không vũ trụ. Các cụm composite mở đường cho các bộ phận nhẹ hơn nhưng vẫn giữ được hiệu năng cấu trúc, cho thấy độ bền được cải thiện và cho phép thiết kế phức tạp nhằm giảm tiếng ồn và rung động.

Tuy nhiên, cánh composite thiếu khả năng chống mài mòn đủ mạnh, điều này có thể dẫn đến tổn hại quá mức và hỏng hóc sớm của chi tiết. Cánh dễ bị suy giảm do môi trường như khu vực nhiều cát, không khí mặn ven biển và thậm chí là sét đánh.

Các tấm bảo vệ mép trước được sản xuất bằng phương pháp electroforming, một quy trình hóa học có thể so sánh với in 3D nhưng đặc trưng ở chỗ nó cung cấp độ linh hoạt lớn trong xử lý các hình học khác nhau và yêu cầu về tính chất cơ học. “Việc quản lý dung sai chặt chẽ, trọng lượng tổng thể của chi tiết, tính bền kéo và khả năng chống mài mòn là rất quan trọng,” Tiến sĩ Cazzaniga cho biết. 

Quy trình electroforming diễn ra chậm — chỉ một vài phần nghìn inch mỗi giờ trên mỗi foot vuông — nhưng có thể tiến hành ngoài giờ làm việc và không đòi hỏi nhân viên phải theo dõi liên tục quá trình. Mandrel được đặt vào dung dịch và để qua đêm. Bằng cách mở rộng kích thước bể, electroforming cũng cho phép sản xuất số lượng lớn.

Sau khi hoàn thiện thêm để đạt dung sai về hình dạng và độ dày chặt chẽ theo yêu cầu của khách hàng hàng không, các tấm chống mài mòn được gửi đến các nhà cung cấp bên thứ ba để xử lý bề mặt trước khi giao cho nhà cung cấp composite để lắp ráp cuối cùng lên cánh quay.

Mạ trực tiếp lên composite loại bỏ nhiều bước quy trình riêng lẻ này bằng cách sử dụng chính cánh composite làm công cụ điện phân hoặc mandrel. “Mạ trực tiếp lên một chi tiết composite đẩy lợi ích phân bổ/giảm trọng lượng của electroforming lên cao hơn nữa, vì phần mép trước vẫn có thể được làm rất dày, nơi xảy ra phần lớn sự mài mòn, nhưng các hạn chế về xử lý ở mép sau được loại bỏ nên những phần này có thể làm mỏng hơn nữa, giảm trọng lượng tổng thể của chi tiết”, Tiến sĩ Cazzaniga giải thích, “Việc tiết kiệm thêm trọng lượng, cùng với việc loại bỏ nhiều bước lắp ghép, sẽ mang lại tiết kiệm chi phí đáng kể.”

Một trong những thách thức chính mà AMG gặp phải khi phát triển quy trình xoay quanh độ bám dính của các tấm bảo vệ lên cánh quạt. Có nhiều kỹ thuật mạ lên nhựa, chủ yếu nhằm mục tiêu về ngoại quan, chống ăn mòn, chống sét và chắn nhiễu điện từ (EMI).  Những quy trình nhiều bước này phức tạp, liên quan đến hóa chất nguy hại, tốn kém và chủ yếu phù hợp cho sản xuất quy mô lớn các chi tiết nhỏ hơn. AMG đã tập trung vào các vấn đề về độ bám khi quy trình được chuyển giao sang các chi tiết nặng, chẳng hạn như tấm chống mài mòn nặng tới vài pound. 

“Thay vì bắt đầu từ góc độ cố gắng sửa đổi các cấu trúc composite hiện có để thích ứng với một giải pháp mạ điện, chúng tôi đã tập trung hợp tác với các nhà cung cấp hàng không vũ trụ trong việc thiết kế một cánh composite sẵn sàng cho quá trình mạ điện, cho phép mạ trực tiếp nickel, tạo độ bám tuyệt vời và giảm đáng kể cả thời gian lẫn chi phí để sản xuất các thiết kế cánh quạt sẵn sàng lắp ráp,” Tiến sĩ Cazzaniga nói.

Quy trình mạ trực tiếp lên composite của AMG sẽ đòi hỏi chứng nhận để đạt sản xuất toàn quy mô. Phát triển quy trình này song song với việc áp dụng một chiến lược tấm bảo vệ mép trước tiêu chuẩn có thể rất hữu ích để hỗ trợ thị trường eVTOL, vốn được kỳ vọng sẽ mở rộng đáng kể trong thập kỷ tới. Các chuyên gia ngành dự đoán thị trường có thể đạt $41.8 billion trong giai đoạn 2030 đến 2034, với mỗi chiếc máy bay đòi hỏi 30-50 cánh quạt riêng lẻ. 

“Việc lắng đọng trực tiếp các tấm bảo vệ mòn bằng nickel lên cấu trúc cánh composite gia cố sợi carbon là một bước tiến thú vị trong lĩnh vực kỹ thuật vật liệu và thiết kế cánh quay,” Tiến sĩ Cazzaniga nói. “Khả năng mạ trực tiếp một lớp nền nickel lên một cấu trúc composite gia cố sợi carbon loại bỏ nhu cầu của nhiều bước lắp ráp và có thể giảm chi phí sản xuất tổng thể, đồng thời vẫn đảm bảo độ bám thích hợp của tấm bảo vệ nickel lên bề mặt composite. Công việc trong tương lai sẽ tập trung vào tối ưu hóa các tham số điện phân và khảo sát khả năng mở rộng của công nghệ này cho sản xuất cánh eVTOL số lượng lớn.”