Các tấm sợi carbon nhiệt dẻo có thể được khoan bằng phương pháp cấp liệu cực nhanh trong tương lai.
Sản xuất hàng không vũ trụ và ô tô là hai ngành phản ánh rõ nhất năng lực công nghiệp và tính hoàn chỉnh của chuỗi cung ứng trong các lĩnh vực công nghiệp hiện đại, liên quan đến vô số công nghệ và vật liệu. Vật liệu sợi carbon và composite hiện đang là loại vật liệu mới rất phổ biến trong sản xuất công nghiệp, được ứng dụng thuận lợi nhờ tính chất cơ học vượt trội. Trong các ứng dụng thực tế, sợi carbon đóng vai trò là vật liệu gia cố có thể kết hợp với các vật liệu ma trận khác nhau, cho phép nó được xử lý thành nhiều hình dạng khác nhau của các bộ phận công nghiệp, một số trong đó có thể được áp dụng trong lĩnh vực sản xuất ô tô và hàng không vũ trụ.
Hiện nay, sợi carbon nhiệt rắn chủ đạo cũng như sợi carbon nhiệt dẻo có lợi thế hơn trong tương lai được coi là vật liệu composite hiệu suất cao khó có đối thủ vượt qua. Tuy nhiên, việc xử lý các vật liệu tổng hợp sợi carbon này thành sản phẩm hoàn chỉnh đặt ra những thách thức nhất định, đòi hỏi sự phối hợp của nhiều thiết bị và máy móc khác nhau. Các hoạt động cơ bản như khoan, cắt và làm rỗng là rất cần thiết. Tuy nhiên, không nên đánh giá thấp các bước xử lý cơ bản này vì các hoạt động gia công cũng có liên quan chủ yếu đến hiệu suất của các sản phẩm sợi carbon. Bài viết này tham khảo các tài liệu học thuật quốc tế để giới thiệu phương pháp khoan cấp liệu cực nhanh và so sánh với hai phương pháp gia công khác: rung siêu âm và cắt tia nước có hạt mài.
Ba phương pháp khoan cho tấm cán mỏng sợi carbon nhiệt dẻo (CF/PA6)
1.Khoan cấp liệu cực nhanh (UFFD): Nhiệt cắt và nhiệt ma sát có thể dẫn đến sự nóng chảy của ma trận nhựa nhiệt dẻo, ảnh hưởng đến hiệu quả và kết quả khoan. Để nghiên cứu tác động thực tế của phương pháp khoan cấp liệu cực nhanh, tấm sợi carbon nhiệt dẻo được cố định và tốc độ cấp liệu 3000, 5000 và 7000 mm/phút được chọn, sử dụng lực kế ba thành phần để đo.
2.Khoan rung siêu âm (UVD): Một bộ dao động tinh thể áp điện được lắp đặt trên thiết bị để cung cấp tần số không đổi 70 kHz, cho phép quan sát tác động thực tế của rung động siêu âm khi khoan vào các tấm sợi carbon nhiệt dẻo.
3. Khoan tia nước mài mòn (AWJ): Gia công tia nước mài mòn hiện là phương pháp chủ đạo để cắt các sản phẩm sợi cacbon nhiệt rắn. Quỹ đạo của tia nước được thiết kế theo hình tròn, áp dụng một áp lực nước nhất định để khoan vào tấm sợi carbon nhiệt dẻo, quan sát thấy hiệu quả thực tế.
Trình diễn tác dụng thực tế của việc khoan cấp liệu cực nhanh
1.So sánh hiệu quả khoan: Khi so sánh tốc độ tiến dao 3000 mm/phút với tốc độ tiến dao thấp 50 mm/phút, tốc độ tiến dao thấp đạt được khả năng hoàn thành cắt nhanh hơn, chỉ loại bỏ một lượng phoi nhỏ và không để lại vệt nào gần lỗ khoan. Ngược lại, loại thứ hai cho thấy sự biến dạng đáng kể khi mũi khoan xuyên qua lớp màng phía trước, với lượng cặn phoi lớn hơn và các vệt giống vương miện xung quanh lỗ. Lực đẩy cực đại 3000 mm/phút gấp sáu lần so với 50 mm/phút, đạt gần 22N, trong khi thời gian khoan chỉ bằng 1/60 so với sau này, giúp tăng đáng kể hiệu suất khoan và cải thiện chất lượng khoan.
2. Tình trạng phân tách và Burr: Các quan sát bằng kính hiển vi đo 3D cho thấy sự phân tách và vệt xuất hiện liên quan đến hướng vào mũi khoan, với 20 μm đóng vai trò là đường phân chia. Khi tốc độ tiến dao là 3000 mm/phút, không quan sát thấy sự phân tách bất kể tốc độ trục chính. Tuy nhiên, khi tốc độ tiến vượt quá 3000 mm/phút và tốc độ trục xoay vượt quá 20.000 phút⁻¹, khối lượng phân tách sẽ tăng lên khi tốc độ tiến dao tăng. Điều này được cho là do lực đẩy lớn hơn được tạo ra ở tốc độ cấp liệu cao hơn.
Ngoài ra, khi tốc độ trục chính tăng lên, số lượng các vệt xuất hiện sẽ giảm đi. Qua nhiều thử nghiệm, người ta nhận thấy rằng ở tốc độ nạp 3000 mm/phút và tốc độ trục chính là 20.000 phút⁻¹, không có vấn đề tách lớp, đồng thời duy trì thể tích lưỡi dao nhỏ hơn. Nhìn chung, điều này mang lại hiệu suất khoan tốt hơn.
3.So sánh với hai phương pháp khoan khác: Để so sánh rõ hơn về hiệu quả khoan, hình ảnh hiển vi của từng phương pháp khoan đã được quan sát trong thí nghiệm. Trong khoan cấp liệu cực nhanh (UFFD), mỗi lớp sợi carbon hiện rõ trên thành lỗ, trong khi đó trong khoan rung siêu âm (UVD) và khoan tia nước mài mòn (AWJ), thành lỗ được bao phủ bởi ma trận nóng chảy , dẫn đến bề mặt mờ hơn. Khi phóng to hình ảnh hiển vi, thành lỗ AWJ cho thấy sự khuếch tán đáng kể của sợi nylon, trong khi các cạnh của lỗ từ UFFD thể hiện chất lượng tốt hơn. Dựa trên việc so sánh chất lượng bề mặt lỗ, độ chính xác về hình dạng và thời gian xử lý, khoan cấp liệu cực nhanh (UFFD) chứng tỏ là một phương pháp khoan hứa hẹn hơn đối với các tấm sợi carbon nhiệt dẻo.
Khoan lỗ trên tấm sợi carbon nhiệt dẻo là phương pháp xử lý cơ bản, cho phép kết nối ổn định với các thành phần công nghiệp khác và nâng cao giá trị thương mại của chúng. Hiện nay, việc ứng dụng rộng rãi vật liệu tổng hợp sợi carbon nhiệt dẻo vẫn đang ở giai đoạn đầu và việc chuẩn bị vật liệu tổng hợp sợi carbon nhiệt dẻo một chiều đặt ra những thách thức đáng kể, hạn chế việc ứng dụng các vật liệu này ngay từ đầu. Là một trong số ít các công ty ở Trung Quốc có khả năng độc lập sản xuất băng keo một chiều tổng hợp nhựa nhiệt dẻo sợi carbon liên tục, Zhishang New Materials tin rằng việc phát triển sợi carbon nhiệt dẻo phải bắt đầu từ cấp độ cơ bản và tiến bộ công nghệ là điều kiện hàng đầu để giải quyết các vấn đề hiện có.
