Phương pháp đúc tiền ngập resin sợi carbon truyền thống

Trong thế giới tinh vi của ngành hàng không vũ trụ và sản xuất cao cấp, prepreg bằng sợi cacbon công nghệ đúc giống như một "nghệ nhân vô hình", tạo hình các vật liệu cao cấp với độ tinh xảo cực cao, kết hợp giữa độ bền và trọng lượng nhẹ. Là một quy trình kinh điển trong lĩnh vực vật liệu composite, phương pháp đúc tấm carbon fiber ngâm tẩm nhựa truyền thống đã trải qua hàng chục năm cải tiến và vẫn là trụ cột của sản xuất cao cấp. Ngày nay, chúng ta sẽ đi sâu vào phân tích từng khía cạnh cốt lõi của công nghệ này để hiểu rõ cách nó chuyển hóa từ một tấm vải carbon ngâm tẩm nhựa thành bộ phận then chốt của tàu vũ trụ hay khung sườn thân xe đua.

Carbon fiber prepreg là gì?

Để hiểu được phương pháp đúc, trước tiên chúng ta phải nắm được khái niệm cơ bản về "prepreg". Nói một cách đơn giản, sợi carbon prepreg là sự "kết hợp hoàn hảo" giữa sợi carbon và nhựa nền – trong môi trường nhiệt độ và áp suất được kiểm soát nghiêm ngặt, các loại nhựa nền như nhựa epoxy, nhựa phenolic được thấm đều vào vải sợi carbon để tạo thành cuộn hoặc tấm vật liệu composite dính có độ nhớt nhất định.
Đặc điểm "ngâm trước" này phân biệt nó với quy trình đúc sợi khô: hàm lượng nhựa và sự phân bố đã được thiết lập từ trước, quá trình đúc sau đó chỉ cần tập trung vào việc làm sao cho vật liệu vừa khít khuôn và đóng rắn hoàn toàn, giảm đáng kể độ phức tạp của thao tác tại chỗ. Nó giống như bột đã được chuẩn bị sẵn trước khi nướng, công thức đã được điều chỉnh, việc còn lại chỉ là kiểm soát nhiệt độ và thời gian nướng.

Phương pháp đúc thông thường

（1）Đúc bằng thiết bị hấp áp lực (Autoclave Molding)
Quy trình tiêu chuẩn vàng trong sản xuất vật liệu composite hiệu suất cao cấp hàng không vũ trụ. Quy trình này bao gồm việc bịt kín lớp phủ sợi carbon đã tẩm nhựa và khuôn trong túi chân không, sau đó đặt vào một thiết bị chịu nhiệt độ và áp suất cao lớn, gọi là bồn ép nhiệt. Trong quá trình đóng rắn, áp suất cao đồng đều (vài atmosphere) và nhiệt độ cao được đồng thời tác động lên bồn, giúp nhựa chảy hoàn toàn và nén chặt các sợi, tạo ra các chi tiết có hàm lượng sợi cực cao và độ xốp thấp.
Ưu điểm của quy trình này là tạo ra các chi tiết cấu trúc phức tạp với chất lượng vượt trội, tính cơ học tuyệt vời và độ đồng nhất cao. Tuy nhiên, nhược điểm cũng rất rõ ràng: thiết bị ép nhiệt bản thân nó cực kỳ đắt đỏ, tiêu thụ nhiều năng lượng và có chu kỳ sản xuất dài, tốn kém, do đó thường chỉ giới hạn trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và xe đua F1, nơi yêu cầu hiệu suất cực cao.
（2）Đúc nén
Một quy trình cực kỳ hiệu quả cho sản xuất số lượng trung bình đến lớn. Quy trình này đưa một lượng cố định vật liệu tiền ngâm tẩm (prepreg) hoặc hợp chất đúc (như SMC) vào khuôn kim loại đã được đun nóng trước, sau đó đóng khuôn lại và áp dụng áp suất cao cùng nhiệt độ cao, khiến vật liệu chảy ra bên trong buồng khuôn, lấp đầy toàn bộ khoang, rồi hóa rắn và tạo hình sau khi giữ nhiệt và áp suất.
Ưu điểm của quy trình này là mức độ tự động hóa cao, sản xuất nhanh, độ chính xác kích thước sản phẩm cao và cả hai mặt đều nhẵn mịn. Tuy nhiên, do phải sử dụng khuôn cứng chịu được áp suất cao nên chi phí đầu tư ban đầu cao hơn. Quy trình rất phù hợp để sản xuất các chi tiết cấu trúc số lượng lớn yêu cầu chất lượng bề mặt tốt, ví dụ như các tấm thân ô tô, hộp đựng pin và thiết bị thể thao hiệu suất cao.
（3）Đúc túi chân không
Một quá trình cơ bản và thường được sử dụng, tận dụng áp suất khí quyển để nén các vật liệu composite. Một loạt các vật liệu phụ trợ được phủ bằng lớp keo dán tay hoặc lớp prepreg và toàn bộ hệ thống được bịt kín bằng túi chân không, liên tục được bơm hút bởi một máy bơm chân không để tạo ra áp suất âm, nhờ đó áp suất khí quyển được tác dụng đều lên bề mặt sản phẩm, từ đó loại bỏ không khí và nén chặt cấu trúc.
Phương pháp này có thể tăng đáng kể hàm lượng sợi, giảm độ rỗng và cải thiện độ đồng đều trong phân bố nhựa, đồng thời chi phí của nó thấp hơn nhiều so với buồng ép nhiệt. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ có thể cung cấp áp suất tối đa khoảng 0,1 MPa, giới hạn trên về hiệu năng không tốt bằng quy trình áp suất cao, và được sử dụng rộng rãi trong đóng tàu, chế tạo mẫu thử và các chi tiết composite yêu cầu hiệu năng trung bình.
（4）Quấn bằng con lăn
Một quy trình định hướng chuyên sản xuất các ống thành mỏng hiệu suất cao. Tấm sợi carbon đã ngâm tẩm nhựa (prepreg) được cắt ở một góc cụ thể, sau đó được quấn chính xác dưới lực căng lên một trục mẫu (mandrel), thường được tiếp nối bằng việc bọc thêm một dải nén để tạo áp lực ép chặt, rồi được đun nóng và đóng rắn trong lò, sau đó tháo khuôn để thu được ống.
Quy trình này cho phép kiểm soát chính xác hướng sắp xếp sợi (ví dụ: tổ hợp 0°, ±45°), đạt được tính cơ học ngược trục tuyệt vời với độ chính xác kích thước và chất lượng bề mặt tốt. Tuy nhiên, phương pháp này phụ thuộc vào prepreg và trục mẫu, có hiệu suất sản xuất hạn chế và chủ yếu được sử dụng trong các sản phẩm thể thao cao cấp như cán gậy golf, cần câu cá và càng xe đạp.
（5）Quấn sợi
Một quy trình tự động để sản xuất các chi tiết hình tròn có độ bền cao. Sợi carbon liên tục được tẩm ngập trong bể nhựa và sau đó được đặt chính xác bởi đầu quấn điều khiển bằng máy tính lên một trục quay theo các biên dạng và góc đã cài đặt trước cho đến khi đạt được độ dày thiết kế, sau đó được làm cứng để định hình.
Ưu điểm lớn nhất của quy trình này là các sợi liên tục và được căng đều, cho phép đạt được hàm lượng thể tích sợi và mức độ sử dụng độ bền cực cao, đặc biệt đối với các bình chịu áp lực bên trong. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ giới hạn ở các hình dạng lồi đúc quay và yêu cầu thiết bị đắt tiền. Điển hình sẢN PHẨM bao gồm các bình khí áp suất cao (CNG/Hydrogen), ống dẫn và vỏ động cơ tên lửa.
（6）Đùn kéo
Một quy trình cực kỳ hiệu quả để sản xuất liên tục các thanh composite có mặt cắt ngang không đổi. Giống như "mì spaghetti", quy trình này kéo các sợi carbon liên tục hoặc vải qua bồn nhựa để tẩm, sau đó đưa chúng đi qua khuôn thép chính xác được đun nóng, nơi chúng được tạo hình sơ bộ, nén chặt và đóng rắn liên tục, rồi cuối cùng được kéo ra bởi một máy kéo và cắt thành độ dài cố định.
Quy trình này có năng suất rất cao, cho phép sản xuất liên tục tự động hóa, sử dụng hiệu quả nguyên liệu thô và đạt hiệu quả chi phí đáng kể. Tuy nhiên, sản phẩm bị giới hạn ở các thanh thẳng có mặt cắt ngang không đổi, và độ bền dọc theo chiều dài cao hơn nhiều so với chiều ngang. Các sản phẩm phổ biến bao gồm các thanh dàn cầu, cầu cáp, cột thang, và nhiều loại thanh cũng như profile khác.
（7）Ép khuôn bằng túi khí
Có thể xem đây là phiên bản nâng cao của phương pháp đúc túi chân không. Dựa trên hệ thống túi chân không, toàn bộ khuôn được bao kín sẽ được đặt trong một bồn áp lực có thể bịt kín, không chỉ hút chân không bên trong mà còn đưa khí nén vào bồn, tạo ra áp suất dương cao hơn (thường là 0,4-0,6MPa) lên mặt ngoài túi chân không, do đó cung cấp áp lực định hình lớn hơn so với chỉ dùng chân không.
Phương pháp này cải thiện đáng kể hàm lượng sợi và độ đặc chắc của chi tiết mà không cần đầu tư lớn vào bồn ép nhiệt, và vượt trội hơn so với quy trình chỉ dùng túi chân không. Phương pháp rất phù hợp để sản xuất các chi tiết lớn mà không thể đặt vừa vào bồn ép nhiệt, ví dụ như thân tàu nhỏ và trung bình, các bộ phận toa xe lửa và vòm radar lớn.

So sánh các phương pháp tạo hình tiền ngâm tẩm sợi carbon

Tương lai: Đổi mới trong Di sản

Truyền thống không có nghĩa là trì trệ. Ngày nay, ngành công nghiệp đang đột phá qua các điểm nghẽn thông qua "các cải tiến nhỏ": ví dụ như việc phát triển các loại nhựa nhiệt rắn hóa nhanh ở nhiệt độ thấp giúp rút ngắn thời gian đóng rắn từ 2 giờ xuống còn 30 phút; việc áp dụng thiết bị cán tự động thay thế cho việc xếp lớp thủ công để nâng cao hiệu suất; và thậm chí cả việc đưa các thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI) vào thiết kế khuôn nhằm tối ưu hóa phân bố áp lực, giảm thiểu khuyết tật.
Những cải tiến này đã giúp các quy trình truyền thống duy trì lợi thế về hiệu suất đồng thời từng bước chuyển đổi sang mô hình "hiệu quả cao và chi phí thấp", tiếp tục đảm nhận vai trò quan trọng trong lĩnh vực vật liệu composite.
Từ tàu vũ trụ đến thiết bị thể thao, phương pháp đúc tiền ngâm sợi carbon truyền thống diễn giải triết lý sản xuất "chậm mà chắc" bằng kỹ thuật chế tạo vững chắc. Nó có thể không phải là phương pháp tiên tiến nhất, nhưng trong những tình huống đòi hỏi độ tin cậy cực cao, chính sự "truyền thống" này lại là bảo đảm chất lượng quý giá nhất.