Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Vật liệu composite ngày càng giữ vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp hiện đại như chế tạo hàng không vũ trụ, công nghiệp ô tô, tàu thủy, xây dựng và sản xuất năng lượng tái tạo nhờ các đặc tính cơ lý vượt trội về tỷ lệ độ bền trên trọng lượng, khả năng kháng ăn mòn hóa học và tính linh hoạt trong thiết kế kết cấu. Tại Việt Nam, nghiên cứu và ứng dụng composite đã mở rộng từ các sản phẩm hàng hải, dân dụng đến các công trình thủy lợi và linh kiện kỹ thuật cao.

Trong các phương pháp sản xuất composite tiên tiến phục vụ ngành hàng không, công nghệ đóng rắn vật liệu tiền tẩm nhựa (pre-preg) trong thiết bị nồi hấp công nghiệp (Autoclave) dưới tác động đồng thời của nhiệt độ và áp suất là giải pháp chủ đạo nhằm đạt độ nén cao và giảm thiểu độ xốp bên trong kết cấu. Tuy nhiên, khi hấp các chi tiết composite có kích thước lớn và biên dạng phức tạp, sự phân bố nhiệt độ không đồng đều giữa các vị trí trong buồng hấp và trên bề mặt khuôn gây ra hiện tượng gradient nhiệt độ. Điều này dẫn đến sự tích tụ ứng suất nhiệt dư trong quá trình làm mát và đóng rắn, gây ra biến dạng hình học (cong vênh) của chi tiết sau khi tháo khuôn, làm sai lệch kích thước lắp ghép và giảm chất lượng sản phẩm.

Từ thực tiễn kỹ thuật trên, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ chế tạo máy tại Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng đã tập trung thực hiện đề tài nhằm phân tích, tìm kiếm giải pháp cân bằng trường nhiệt trong khuôn và tối ưu hóa quá trình hấp trong nồi hấp Autoclave.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể theo 4 nội dung:

  1. Nghiên cứu tổng quan về vật liệu composite: nguồn gốc lịch sử, cấu tạo các pha nền và pha cốt, phân loại, đặc tính cơ lý và phạm vi ứng dụng trong các ngành công nghiệp.
  2. Khảo sát các công nghệ sản xuất composite hiện nay, bao gồm các phương pháp đúc khuôn mở, khuôn đóng và quy trình 7 bước chế tạo chi tiết hàng không tiêu chuẩn.
  3. Phân tích nguyên lý làm việc, thông số kỹ thuật và cấu tạo các hệ thống chức năng của nồi hấp Autoclave công nghiệp.
  4. Tìm hiểu nguyên nhân gây ra sự biến dạng của chi tiết composite kích thước lớn trong quá trình hấp; đề xuất phương pháp cân bằng nhiệt độ bằng tấm cách nhiệt cục bộ LIS (Local Insulation Sheet); ứng dụng phần mềm ANSYS Workbench R22 2022 để thiết lập mô hình, mô phỏng số truyền nhiệt, tính toán ứng suất dư và biến dạng nhằm đánh giá hiệu quả giải pháp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quá trình truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức, sự phân bố trường nhiệt độ, sự hình thành ứng suất dư và biến dạng cơ học của chi tiết composite kích thước lớn khi xử lý nhiệt trong nồi hấp Autoclave.
  • Phạm vi không gian và kỹ thuật: Không gian làm việc buồng nồi hấp, kết cấu khuôn đúc và tấm composite nhiều lớp; giải pháp đặt tấm cách nhiệt LIS; công cụ mô phỏng phần tử hữu hạn trên phần mềm ANSYS Workbench R22 2022 (tích hợp các module Fluent, ACP, Transient Thermal, Static Structural).
  • Phạm vi thời gian và tài liệu: Đồ án thực hiện hoàn thành năm 2022 - 2023, kèm theo hồ sơ 07 bản vẽ kỹ thuật khổ A0 theo quy chuẩn đào tạo kỹ sư cơ khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu dựa trên các nguyên lý nhiệt - cơ học vật liệu nhiều pha và lý thuyết đóng rắn vật liệu polyme composite:

  • Khung lý thuyết vật liệu composite: Cấu trúc composite gồm hai pha cơ bản là pha liên tục (vật liệu nền) có vai trò liên kết khối, định hình hình học và bảo vệ chất cốt khỏi tác động môi trường; pha gián đoạn (vật liệu cốt) đóng vai trò chịu ứng suất tập trung, tăng cường độ bền kéo, uốn, nén và cải thiện tính truyền nhiệt.
  • Lý thuyết truyền nhiệt và nhiệt động lực học trong nồi hấp: Quá trình truyền nhiệt trong Autoclave chủ yếu diễn ra theo phương thức đối lưu cưỡng bức giữa dòng khí nóng tuần hoàn tốc độ cao và bề mặt khuôn/chi tiết. Hiện tượng chênh lệch nhiệt độ theo thời gian và không gian chi phối sự đóng rắn của nhựa nhiệt rắn và tạo ra trường biến dạng nhiệt.
  • Cơ học vật liệu composite nhiều lớp (laminate): Mô hình hóa sự phân bố ứng suất và biến dạng dựa trên lý thuyết xếp lớp các tấm pre-preg đơn hướng với góc định hướng sợi xác định, tính toán các thành phần ứng suất dư sinh ra do co ngót nhiệt và hệ số giãn nở nhiệt bất đẳng hướng.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Nghiên cứu, kế thừa thông số kỹ thuật và phương pháp luận từ các bài báo khoa học quốc tế đã công bố về công nghệ hấp composite trong Autoclave.
  • Phương pháp mô phỏng số đa trường vật lý (Multi-physics Numerical Simulation): Sử dụng nền tảng ANSYS Workbench R22 2022 thông qua quy trình liên kết các module chuyên dụng:
    • Module Ansys Fluent (Fluid Flow): Thiết lập mô hình buồng nồi hấp và khuôn, chia lưới khí động học và giải hệ phương trình dòng chảy nhằm xác định phân bố vận tốc khí và hệ số truyền nhiệt đối lưu (Heat Transfer Coefficient - HTC) trên các bề mặt.
    • Module Ansys Composite PrepPost (ACP Pre): Thiết lập thông số vật liệu pre-preg, định nghĩa các lớp vải (fabrics), thứ tự xếp chồng (stackup), hướng sợi gia cường (oriented) và mô hình hóa hình học kết cấu composite nhiều lớp.
    • Module Transient Thermal: Nhận dữ liệu HTC từ Fluent làm điều kiện biên nhiệt để phân tích trường nhiệt độ không dừng theo chu trình thời gian của quá trình hấp.
    • Module Static Structural: Nhận kết quả trường nhiệt độ quá độ từ Transient Thermal, kết hợp với các điều kiện biên cơ học gá đặt (fixed support) để giải bài toán cơ học kết cấu, xuất kết quả phân bố ứng suất dư và tổng biến dạng của chi tiết.

Nguồn dữ liệu nghiên cứu:

  • Dữ liệu thông số vận hành của nồi hấp công nghiệp: Tốc độ điều áp trung bình 2 bar/phút, vận tốc dòng khí tuần hoàn 1 - 2 m/s, giới hạn nhiệt độ vỏ ngoài dưới 25°C.
  • Dữ liệu cơ lý và nhiệt của vật liệu composite cốt sợi carbon, nền nhựa nhiệt rắn epoxy và thông số hình học tấm cách nhiệt LIS từ các công bố khoa học quốc tế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan vật liệu composite

Chương 1 cung cấp cái nhìn tổng quan về lịch sử, thành phần cấu tạo, phân loại, ưu nhược điểm và ứng dụng của vật liệu composite trong nhiều lĩnh vực:

  • Khái niệm và thành phần: Vật liệu composite là vật liệu đa thành phần kết hợp từ hai hay nhiều pha khác nhau không hòa tan. Thành phần cốt bao gồm dạng cốt sợi (sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi aramid, sợi gốm, sợi nhiệt dẻo Kermel, Nomex, Kynol, Apyeil; sợi tự nhiên từ gỗ, đay, gai, dứa, xơ dừa; sợi khoáng amiăng, silic; sợi kim loại) và dạng cốt hạt (hạt kim loại, silicac, vảy mica, cao lanh, đất sét, bột talc, graphite carbon, bột đá, bột gỗ). Thành phần nền gồm chất nền polyme nhiệt rắn (epoxy, polyester không no, phenol, furan, amin, benzoxazine), polyme nhiệt dẻo (PVC, polyetylen, polypropylen, polyamit), nền carbon (picocacbon, thủy tinh carbon), nền kim loại (hợp kim titan, hợp kim nhôm) và nền gốm/khoáng chất.
  • Phân loại: Dựa trên bản chất nền - cốt (composite nền hữu cơ chịu nhiệt 200 - 300°C; composite nền khoáng chất và nền kim loại chịu nhiệt từ 600 đến 1000°C) và dựa trên hình dạng cốt liệu (cốt sợi, cốt hạt, cốt hỗn hợp sợi và hạt).
  • Tiến trình lịch sử: Ghi nhận từ các dạng sơ khai như gạch bùn trộn rơm năm 7000 TCN, gỗ ép Lưỡng Hà năm 3400 TCN, bê tông của Vitruvius năm 25 TCN đến giai đoạn vật liệu tổng hợp hiện đại từ năm 1907 khi Baekeland tạo ra Bakelite kết hợp cellulose; sợi thủy tinh phát triển năm 1935 bởi Owens Corning; sợi Kevlar của DuPont thập niên 1970; và ứng dụng công nghệ nano carbon đầu những năm 2000. Tại Việt Nam, composite sợi thủy tinh được ứng dụng từ năm 1988 để chế tạo cano, mở rộng mạnh mẽ từ năm 1995 trong sản xuất bồn bể, tàu thuyền và ứng dụng thủy lợi năm 2016.
  • Ứng dụng thực tiễn: Phân tích các lĩnh vực kiến trúc, nội ngoại thất, ô tô (giảm khối lượng, chống rung ồn, bề mặt hoàn thiện loại A), năng lượng (cánh tuabin gió), hạ tầng xây dựng (thanh dầm và tấm FRP gia cường cầu, sàn bê tông), hàng hải (du thuyền giảm 50% trọng lượng so với kết cấu thép), đường ống, bồn bể hóa chất, dụng cụ thể thao và giao thông vận tải đường bộ. Đặc biệt trong hàng không vũ trụ: Boeing 787 sử dụng tỷ lệ lớn composite ở thân, cánh lật, cánh tà (ailerons), radome, cánh nâng (elevators); Boeing 777 sử dụng khoảng 20% khối lượng composite; Airbus A320 đạt 28% khối lượng khung vỏ; máy bay trực thăng V-22 Osprey đạt tỷ trọng composite 50% khối lượng; cùng các ứng dụng vỏ động cơ tên lửa và tấm chắn nhiệt tàu vũ trụ của NASA.

Chương 2: Quy trình sản xuất và chế tạo vật liệu composite

Chương 2 mô tả hệ thống các công nghệ sản xuất composite, phân loại thành hai nhóm chính là phương pháp đúc khuôn mở và phương pháp đúc khuôn đóng, đồng thời trình bày chi tiết quy trình 7 bước gia công chi tiết hàng không.

Phương pháp gia công Nhóm công nghệ Nguyên lý và đặc điểm chính Ưu điểm Nhược điểm
Đắp lớp bằng tay (Hand lay-up) Khuôn mở Trải cốt sợi lên khuôn đã quét gelcoat, quét nhựa lỏng và dùng con lăn ép bọt khí thủ công. Dụng cụ đơn giản, chi phí khuôn thấp, dễ thay đổi thiết kế sản phẩm. Năng suất thấp, chất lượng bề mặt không đều, phụ thuộc tay nghề công nhân.
Súng phun (Spray lay-up) Khuôn mở Dùng súng phun hỗn hợp nhựa, chất đóng rắn và sợi cắt ngắn trực tiếp lên bề mặt khuôn. Tốc độ gia công nhanh hơn đắp tay, chế tạo được chi tiết kích thước lớn. Yêu cầu kỹ thuật vận hành cao, kiểm soát bề mặt khó đồng nhất.
Quấn sợi (Filament winding) Khuôn mở Kéo các sợi liên tục nhúng qua bể keo và quấn quanh trục gá quay bằng máy chuyên dụng. Độ bền kéo rất cao, kiểm soát tốt hướng sợi, tự động hóa cao, giá nhân công thấp. Giá thành thiết bị cao, chỉ gia công được các dạng ống tròn hoặc lăng trụ rỗng.
Đúc túi chân không (Vacuum bag molding) Khuôn đóng Phủ màng dẻo lên lớp laminate ướt, dán kín mép và hút chân không để tạo áp suất khí quyển nén lớp vải. Khử khí tốt, giảm thiểu lỗ xốp, tăng tỷ lệ cốt sợi trong kết cấu. Kích thước chi tiết bị giới hạn bởi diện tích khuôn và màng hút.
Đúc chuyển nhựa (RTM) Khuôn đóng Đặt cốt sợi vào hai nửa khuôn kim loại kẹp chặt, bơm nhựa nhiệt rắn độ nhớt thấp với áp suất 3 - 7 bar. Bề mặt hai phía nhẵn bóng, dung sai kích thước chặt chẽ, chu kỳ nhanh gấp 5 - 20 lần khuôn mở. Chi phí chế tạo khuôn cao, đòi hỏi sản lượng lớn để bù đắp đầu tư.
Đúc ép phản lực (RIM/RRIM/SRIM) Khuôn đóng Phối trộn áp suất cao hai dòng nhựa phản ứng độ nhớt thấp và sợi ngắn trước khi bơm vào khuôn gia nhiệt. Chu kỳ lưu hóa rất ngắn, bề mặt mịn, tiêu thụ năng lượng thấp, phế liệu ít. Nguyên liệu đắt tiền, thời gian thiết lập quy trình lâu, đòi hỏi thử nghiệm phức tạp.
Quy trình đùn ép (Pultrusion) Khuôn đóng Kéo liên tục bó sợi qua bể nhựa rồi qua khuôn nhiệt định hình thành thanh profile dài (chữ U, I, O). Tự động hóa liên tục, định vị cốt chính xác, phế liệu thấp, cơ tính sản phẩm đồng đều. Giới hạn thời gian sống của nhựa, khó khăn khi thay đổi chủng loại vật liệu.
Đúc ly tâm (Centrifugal casting) Khuôn đóng Rót hỗn hợp nhựa và sợi vào khuôn hình trụ quay tốc độ cao để lực ly tâm ép dạt vật liệu vào thành trong. Bề mặt ngoài hoàn thiện tốt, hiệu quả kinh tế cao cho các chi tiết dạng ống và bồn chứa. Bề mặt trong gồ ghề, dung sai trong lớn, yêu cầu vận tốc quay phải tuyệt đối ổn định.

Quy trình chế tạo chi tiết hàng không bằng công nghệ tiền tẩm (pre-preg) trong Autoclave gồm 7 bước:

  • Bước 1: Chuẩn bị khuôn (vệ sinh bằng dung môi axeton, quét chất chống dính khuôn, để khô tối thiểu 15 phút).
  • Bước 2: Chuẩn bị vật liệu (cắt định hình các tấm pre-preg theo kích thước yêu cầu kỹ thuật).
  • Bước 3: Đắp lớp (Lay-up các lớp pre-preg theo đúng thứ tự, số lớp và góc định hướng sợi thiết kế).
  • Bước 4: Hút chân không (dán băng dính làm kín, phủ film chống dính, phủ lớp bông hút breather, đặt cổng hút chân không, bọc túi hút vacuum bag và thực hiện hút chân không kiểm tra rò rỉ).
  • Bước 5: Hấp trong Autoclave (gắn các cặp nhiệt điện thermocouple trên bề mặt chi tiết để kiểm soát nhiệt, vận hành chu trình cấp nhiệt - tăng áp).
  • Bước 6: Tách khuôn (lấy cụm túi chân không ra, tháo cặp nhiệt điện, kiểm tra khuyết tật bề mặt, vệ sinh keo dư bằng dao cạo và axeton).
  • Bước 7: Gia công hoàn thiện (cắt gọt các đường viền keo thừa bám mép bằng máy cắt chuyên dụng).

Chương 3: Nồi hấp Autoclave

Chương 3 trình bày chi tiết về thiết bị nồi hấp công nghiệp, nguyên lý hoạt động đối lưu cưỡng bức và cấu tạo 7 hệ thống chính:

  • Nguyên lý hoạt động: Nồi hấp vận hành dựa trên nguyên tắc chênh lệch áp suất khí và nhiệt độ. Túi chân không duy trì áp suất âm để loại bỏ không khí và chất bay hơi, trong khi môi trường buồng nồi hấp cung cấp áp suất khí nén và nhiệt độ đồng nhất giúp quá trình đóng rắn vật liệu đạt độ nén tối đa.
  • Cấu tạo các phân hệ chức năng:
    1. Thành vỏ nồi: Buồng chịu áp lực kín, trang bị lớp cách nhiệt bên trong đảm bảo nhiệt độ bề mặt vỏ ngoài không vượt quá 25°C để an toàn vận hành.
    2. Cửa nồi: Cơ cấu khóa nhanh bằng các mặt bích có răng khớp với cơ chế khóa chuyển động linh hoạt và chịu lực cao.
    3. Hệ thống tuần hoàn cưỡng bức: Gồm máy thổi ly tâm hút khí dọc trục xả ra theo phương hướng tâm qua các dàn gia nhiệt, điều hướng dòng khí qua ống dẫn đạt vận tốc 1 - 2 m/s tại khu vực chi tiết.
    4. Hệ thống làm nóng: Sử dụng dàn gia nhiệt điện trở từ dây hợp kim nichrome/kanthal, bọc cách điện magie oxit và vỏ incoloy/thép đấu hình sao hoặc tam giác, hoặc sử dụng hệ thống đốt khí gián tiếp.
    5. Hệ thống làm mát: Vòng lặp làm mát khép kín gồm cuộn dây trao đổi nhiệt bên trong, tháp làm mát, bơm tuần hoàn và hệ thống van điều tiết lưu lượng nước/không khí để kiểm soát tốc độ hạ nhiệt chu trình.
    6. Hệ thống áp suất: Bao gồm máy nén sơ cấp, trạm sản xuất khí Nitơ, máy nén tăng áp và bình tích khí; sử dụng khí trơ Nitơ để ngăn ngừa cháy nổ ở nhiệt độ cao; tốc độ điều áp trung bình đạt 2 bar/phút.
    7. Hệ thống chân không: Gồm hệ thống máy bơm chân không, bình chứa đệm, đường ống đo và các van điều khiển vòng kín đa cổng để duy trì áp suất âm ổn định cho từng túi chân không riêng biệt.

Chương 4: Mô phỏng thiết kế

Chương 4 tập trung giải quyết bài toán biến dạng của chi tiết composite kích thước lớn trong quá trình hấp:

  • Nguyên nhân kỹ thuật: Chi tiết kích thước lớn đặt trên khuôn có sự bất đồng đều về tốc độ gia nhiệt giữa các vùng rìa và vùng trung tâm, sinh ra gradient nhiệt độ. Khi nhựa chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái đóng rắn (gelation), độ co ngót nhiệt và co ngót hóa học không đồng thời dẫn đến tích tụ ứng suất dư nội tại lớn, làm chi tiết biến dạng cong vênh sau khi tách khuôn.
  • Giải pháp đề xuất: Đặt tấm cách nhiệt cục bộ LIS (Local Insulation Sheet) tại các vị trí tiếp nhiệt nhanh nhằm cản trở bớt dòng nhiệt đối lưu, tạo sự cân bằng nhiệt độ trên toàn bộ bề mặt khuôn và tấm composite.
  • Trình tự mô phỏng số trên phần mềm ANSYS Workbench R22 2022:
    • Mô phỏng thủy động lực học nhiệt (Fluent): Thiết lập mô hình buồng nồi hấp, khuôn đúc và tấm LIS, thực hiện chia lưới phần tử thể tích, gán điều kiện biên dòng khí và giải bài toán truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức để trích xuất trường hệ số truyền nhiệt HTC.
    • Thiết lập vật liệu composite (ACP Pre): Gán thông số vật liệu pre-preg sợi carbon/nhựa epoxy, định vị hệ trục tọa độ, hướng xếp lớp và chiều dày cho từng lớp vải composite.
    • Phân tích nhiệt quá độ (Transient Thermal): Nhận trường phân bố HTC từ Fluent để tính toán động thái biến thiên nhiệt độ theo chu trình thời gian của cả hai trường hợp: khi không có tấm LIS và khi có tấm LIS.
    • Phân tích cơ học tĩnh (Static Structural): Nhận dữ liệu nhiệt độ từ Transient Thermal, áp đặt các ngàm liên kết cố định (fixed support) để tính toán trường ứng suất dư và biến dạng tổng cộng của chi tiết.

Kết quả và đóng góp

Kết quả mô phỏng thu được trong đồ án chứng minh tính hiệu quả của phương pháp cân bằng nhiệt:

  • Phân bố trường nhiệt độ và hệ số HTC: Kết quả mô phỏng Fluent cho thấy khi bố trí tấm cách nhiệt LIS tại vị trí định trước, hệ số truyền nhiệt đối lưu được điều hòa đồng đều hơn giữa các khu vực trên bề mặt khuôn.
  • Độ chênh lệch nhiệt độ: Biểu đồ nhiệt độ theo thời gian tại các điểm đo xác nhận giải pháp sử dụng tấm LIS giúp giảm rõ rệt độ chênh lệch nhiệt độ cực đại giữa các vùng trên chi tiết trong suốt giai đoạn gia nhiệt và làm mát của chu trình hấp.
  • Ứng suất dư và biến dạng kết cấu: Kết quả trích xuất từ Ansys Static Structural (thể hiện qua các biểu đồ phân bố và biểu đồ biến thiên theo thời gian) khẳng định:
    • Mức độ tập trung ứng suất dư nội tại trong chi tiết khi có tấm LIS giảm đáng kể so với khi không sử dụng tấm LIS.
    • Tổng biến dạng hình học của chi tiết composite sau khi hoàn tất chu trình nhiệt và dỡ tải ngàm kẹp giảm rõ rệt, bảo toàn độ chính xác hình học biên dạng theo thiết kế ban đầu.
  • Hồ sơ bản vẽ kỹ thuật hoàn chỉnh: Đồ án hoàn thành 07 bản vẽ khổ A0 phục vụ công tác nghiên cứu và triển khai sản xuất:
    • 01 bản vẽ mô hình nồi hấp vật liệu composite.
    • 02 bản vẽ quy trình thực hiện mô phỏng.
    • 01 bản vẽ thiết kế mô phỏng thử nghiệm.
    • 02 bản vẽ đồ thị kết quả mô phỏng.
    • 01 bản vẽ quy trình chế tạo vật liệu composite.

Đóng góp kỹ thuật:

  • Đồ án đã kế thừa các nghiên cứu quốc tế để xây dựng thành công quy trình mô phỏng số liên hoàn kết hợp Fluent - ACP - Transient Thermal - Static Structural trên ANSYS Workbench R22 2022.
  • Chứng minh tính khả thi của giải pháp sử dụng tấm cách nhiệt LIS để kiểm soát biến dạng nhiệt, cung cấp căn cứ tính toán cho việc thiết kế khuôn và chế tạo chi tiết composite cỡ lớn trong thực tế sản xuất cơ khí.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Toàn bộ kết luận tối ưu hóa và đánh giá hiệu quả giải pháp tấm cách nhiệt LIS mới dừng lại ở kết quả mô phỏng số (numerical simulation) trên phần mềm ANSYS Workbench R22 2022 dựa trên tài liệu lý thuyết và công bố quốc tế, chưa có điều kiện kiểm chứng đối chiếu bằng thực nghiệm đo đạc vật lý trên mẫu thật trong nồi hấp do hạn chế về kinh phí và trang thiết bị chế tạo.
  • Nghiên cứu chưa khảo sát ảnh hưởng của nhiều loại vật liệu cách nhiệt LIS khác nhau hoặc tối ưu hóa kích thước hình học tấm LIS cho nhiều biên dạng chi tiết có độ phức tạp cao hơn.

Hướng phát triển đề tài:

  • Chế tạo khuôn mẫu thực tế và tích hợp tấm cách nhiệt LIS trong chu trình hấp tại nồi hấp Autoclave công nghiệp.
  • Ứng dụng hệ thống cặp nhiệt điện và thiết bị quét 3D quang học để đo đạc biến dạng thực tế của sản phẩm sau tách khuôn, từ đó hiệu chỉnh các thông số trong mô hình mô phỏng ANSYS nhằm đạt độ chính xác cao hơn.
  • Nghiên cứu thuật toán tối ưu hóa tự động vị trí và chiều dày của tấm LIS cho các kết cấu composite hàng không phức tạp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học, giảng viên và kỹ sư hoạt động trong các chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy, Cơ khí kỹ thuật, Kỹ thuật vật liệu và Công nghệ hàng không.

Nội dung đồ án cung cấp giá trị chuyên môn nổi bật ở ba phần:

  • Tài liệu hệ thống hóa toàn diện về 8 phương pháp gia công composite và quy trình chuẩn 7 bước đắp lớp pre-preg hàng không tại Chương 2.
  • Tài liệu kỹ thuật chi tiết về cấu tạo cơ khí và nguyên lý hoạt động của 7 phân hệ trong nồi hấp Autoclave công nghiệp tại Chương 3.
  • Hướng dẫn phương pháp luận thiết lập chuỗi mô phỏng liên kết đa trường vật lý (CFD sang phân tích ứng suất kết cấu laminate ACP) trên ANSYS Workbench R22 2022 tại Chương 4, đóng vai trò quy trình mẫu cho các nghiên cứu giải quyết bài toán nhiệt - biến dạng trong công nghệ vật liệu mới.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng biến dạng chi tiết composite kích thước lớn sau khi hấp trong Autoclave là gì?
Nguyên nhân do sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trong buồng hấp và trên bề mặt khuôn, tạo ra gradient nhiệt độ lớn giữa các vùng trên chi tiết. Sự co ngót nhiệt và quá trình đóng rắn hóa học không diễn ra đồng thời làm tích tụ ứng suất nhiệt dư nội tại, dẫn đến cong vênh hình học sau khi tháo khuôn.

2. Tác giả đề xuất giải pháp kỹ thuật nào để khắc phục hiện tượng biến dạng này?
Tác giả đề xuất sử dụng tấm cách nhiệt cục bộ LIS (Local Insulation Sheet) đặt tại các vị trí tiếp nhiệt nhanh trên bề mặt khuôn nhằm cân bằng trường nhiệt độ truyền vào chi tiết, giảm sự chênh lệch nhiệt và triệt tiêu ứng suất dư.

3. Đồ án sử dụng bộ phần mềm và các module cụ thể nào để thực hiện mô phỏng?
Đồ án sử dụng phần mềm ANSYS Workbench R22 (phiên bản 2022) với 4 module chức năng liên kết: Fluent (tính toán dòng khí và hệ số truyền nhiệt đối lưu HTC), ACP Pre (mô hình hóa vật liệu và cấu trúc xếp lớp pre-preg), Transient Thermal (mô phỏng truyền nhiệt quá độ) và Static Structural (tính toán ứng suất dư và biến dạng kết cấu).

4. Nồi hấp composite Autoclave trong nghiên cứu bao gồm những phân hệ kỹ thuật cơ bản nào?
Nồi hấp gồm 7 phân hệ chính: thành vỏ nồi cách nhiệt (< 25°C bên ngoài), cửa khóa nhanh mặt bích có răng, hệ thống tuần hoàn khí cưỡng bức bằng máy thổi ly tâm (vận tốc 1 - 2 m/s), hệ thống gia nhiệt điện trở, hệ thống làm mát tuần hoàn kín, hệ thống áp suất (dùng khí Nitơ, tốc độ điều áp 2 bar/phút) và hệ thống hút chân không vòng kín đa cổng.

5. Quy trình công nghệ chế tạo chi tiết composite hàng không bằng phương pháp Autoclave gồm những bước cụ thể nào?
Quy trình gồm 7 bước tuần tự: (1) Chuẩn bị và vệ sinh khuôn bằng axeton, quét chất tách khuôn; (2) Chuẩn bị vật liệu pre-preg; (3) Đắp lớp (lay-up) theo góc và số lớp thiết kế; (4) Đóng gói và hút chân không kiểm tra độ kín; (5) Gắn cặp nhiệt điện và hấp trong Autoclave; (6) Tách khuôn và vệ sinh keo bám; (7) Gia công cắt gọt hoàn thiện bavia viền.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Phân tích tối ưu quá trình hấp trong Autoclave" của sinh viên Nguyễn Lương Đức Hồng Thái đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết composite, công nghệ chế tạo và cấu tạo thiết bị nồi hấp công nghiệp. Bằng việc đề xuất giải pháp tấm cách nhiệt cục bộ LIS kết hợp quy trình mô phỏng số đa trường vật lý trên phần mềm ANSYS Workbench R22 2022, nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả làm giảm rõ rệt gradient nhiệt độ, ứng suất dư và biến dạng hình học của chi tiết composite kích thước lớn. Kết quả nghiên cứu và hệ thống 07 bản vẽ kỹ thuật khổ A0 cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho công tác nghiên cứu, giảng dạy và ứng dụng chế tạo composite trong ngành cơ khí và hàng không.