Công nghệ sản xuất đột phá: Laser-assisted cold spray và ứng dụng trong hàng không vũ trụ


Summary

Bài viết này khám phá công nghệ sản xuất đột phá mang tên LACS (Laser-assisted cold spray) và những ứng dụng của nó trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Nó không chỉ mở ra những khả năng mới cho việc chế tạo linh kiện mà còn giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của các bộ phận động cơ, điều này thực sự làm mình cảm thấy hào hứng với tương lai của ngành công nghiệp này. Key Points:

  • Công nghệ LACS kết hợp các kỹ thuật tiên tiến như in 3D và nano để tạo ra cấu trúc đa vật liệu ưu việt.
  • Mô phỏng quy trình LACS bằng AI giúp tối ưu hóa chất lượng sản phẩm, tiết kiệm thời gian và chi phí sản xuất.
  • LACS đang được ứng dụng mạnh mẽ trong chế tạo động cơ hàng không, với khả năng tạo ra lớp phủ chống ăn mòn và chịu nhiệt tốt.
Tóm lại, bài viết đã nêu bật tiềm năng to lớn của công nghệ LACS trong việc cách mạng hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng linh kiện trong ngành hàng không vũ trụ.

Công nghệ sản xuất mới với phun lạnh hỗ trợ laser

Công nghệ sản xuất mới mang tên phun lạnh hỗ trợ laser (LACS) vừa được Trung tâm Photonics Công nghiệp (CIP) thuộc Viện Sản xuất (IfM) phát triển, đánh dấu một bước tiến đột phá trong lĩnh vực chế tạo. Quy trình này sử dụng việc gia nhiệt cục bộ cho dòng bột siêu âm bằng laser để phủ lên các vật liệu kim loại và cermet, từ đó xây dựng, phủ hoặc sửa chữa các linh kiện. Với công nghệ này, những hạn chế về nhiệt độ cao và vật liệu của những phương pháp tương tự như phun nhiệt đã được khắc phục.

Đội ngũ CIP đã chứng minh tính hiệu quả của LACS trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, nơi mà việc phân phối vật liệu chính xác và có kiểm soát là cực kỳ quan trọng. Kỹ thuật này cho phép chế tạo theo yêu cầu các lớp phủ chất lượng cao và sửa chữa linh kiện một cách nhanh chóng, kéo dài tuổi thọ cho máy bay. Bên cạnh đó, LACS cũng giúp giảm thiểu lãng phí vật liệu và tiêu thụ năng lượng so với các phương pháp truyền thống, góp phần vào nỗ lực chuyển đổi ngành công nghiệp hướng tới mục tiêu phát thải ròng bằng không.

Sự khác biệt giữa sản xuất truyền thống và sản xuất bổ sung

Các kỹ thuật sản xuất truyền thống thường sử dụng phương pháp cắt gọt để loại bỏ vật liệu thừa từ một khối rắn nhằm đạt được hình dạng mong muốn. Ngược lại, sản xuất bổ sung, hay còn gọi là in 3D, xây dựng các cấu trúc theo từng lớp một. Quy trình LACS có khả năng tạo ra các bộ phận từ đầu hoặc thêm lớp phủ và tính năng cho các linh kiện hiện có, đặc biệt hữu ích trong việc chế tạo lớp phủ hiệu suất cao, sửa chữa các thành phần quan trọng và sản xuất bổ sung trong các ngành hàng không, quy trình công nghiệp, năng lượng và y sinh. Phương pháp sản xuất sáng tạo này mang lại nhiều lợi thế so với các kỹ thuật truyền thống như khả năng sản xuất nhanh chóng các bộ phận tùy chỉnh phức tạp với lượng chất thải vật liệu tối thiểu. Nó cho phép tích hợp nhiều loại vật liệu khác nhau để đạt được những tính chất vượt trội hơn, giúp các linh kiện được điều chỉnh phù hợp với ứng dụng cụ thể. Công nghệ này cũng kết hợp giữa năng lượng laser và hạt vật liệu để tạo ra lớp phủ có chất lượng cao, thường sử dụng kim loại, hợp kim hoặc gốm sứ với ưu điểm về khả năng chịu nhiệt tốt và chống ăn mòn hiệu quả.
Extended Perspectives Comparison:
Tiêu đềNội dung
Công nghệ LACSPhun lạnh hỗ trợ laser (LACS) là công nghệ mới trong sản xuất, kết hợp gia nhiệt cục bộ bằng laser với việc phun bột kim loại và cermet.
Ưu điểm chínhGiảm thiểu lãng phí vật liệu và tiêu thụ năng lượng, cải thiện khả năng bám dính và hiệu suất lắp đặt.
Ứng dụngĐặc biệt hữu ích trong ngành hàng không vũ trụ, sản xuất bổ sung, sửa chữa linh kiện phức tạp.
Thách thứcChi phí heli cao khi sử dụng trong quy trình phun lạnh truyền thống; LACS giúp giảm chi phí này.
Tiềm năng tương laiCông nghệ có thể hỗ trợ quá trình chuyển đổi sang phát thải carbon bằng không thông qua sản phẩm nhẹ hơn và hiệu quả hơn.

LACS mang lại lợi ích gì cho ngành hàng không

Ngoài ra, phương pháp này còn loại bỏ nhu cầu về khuôn mẫu tốn kém hoặc gia công phức tạp, điều này đặc biệt có giá trị cho các ngành công nghiệp cần sản xuất các bộ phận chính xác với số lượng thấp. Khi áp dụng cách tiếp cận này, các nhà sản xuất có thể đạt được sự linh hoạt trong thiết kế, hiệu quả và độ chính xác cao trong quá trình sản xuất. Tính đến năm 2023, Vương quốc Anh chiếm khoảng 7.6% thị trường sản xuất additive toàn cầu, với một tỷ lệ nhỏ hơn nữa trong hệ thống phủ dựa trên công nghệ additive. Dự báo rằng thị trường sản xuất additive toàn cầu sẽ tăng trưởng đáng kể, với giá trị dự kiến đạt từ 70 tỷ đến 88 tỷ USD vào năm 2030, tùy thuộc vào nhiều phân tích khác nhau của thị trường. Sự phát triển tiềm năng này mở ra những cơ hội lớn cho đổi mới và phát triển trong ngành công nghiệp đang bùng nổ này.

Quy trình phun lạnh và vai trò của khí helium

Tại Trung tâm Công nghệ Quang học Công nghiệp (CIP) thuộc Viện Sản xuất (IfM), dưới sự dẫn dắt của Giáo sư Bill O'Neill cùng đội ngũ kỹ sư laser và chuyên gia sản xuất, đang tiên phong phát triển các phương pháp sản xuất bổ sung tiên tiến bằng cách sử dụng cả phun lạnh và nung chảy bột. Phun lạnh là một kỹ thuật cho phép kết hợp nhanh chóng kim loại bột, cermet (hợp chất gốm và kim loại) hoặc polymer mà không cần làm nóng chảy chúng, từ đó có thể được sử dụng để xây dựng, phủ hoặc sửa chữa các bộ phận. "Lần đầu tiên tôi biết đến công nghệ phun lạnh khi làm việc tại Đại học Liverpool và đã thiết lập cơ sở đầu tiên dành riêng cho nó ở đó," Bill chia sẻ. "Ban đầu, chúng tôi tập trung vào việc sử dụng khí nitơ làm khí mang cho bột."

Trong quá trình này, vai trò của khí helium trở nên cực kỳ quan trọng vì nó giúp tăng tốc độ hạt vật liệu cũng như cải thiện chất lượng lớp phủ. Helium với mật độ thấp và áp suất cao tạo ra dòng chảy ổn định hơn so với các loại khí khác. Việc lựa chọn vật liệu phun thích hợp như hợp kim nhôm hay titan cũng góp phần lớn vào hiệu suất và ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ.


Quy trình phun lạnh và vai trò của khí helium Free Images


Giải pháp LACS giúp giảm chi phí và tăng hiệu suất

Khi làm việc với các vật liệu có độ bền cao như titan và hợp kim nhôm - thường được sử dụng trong ngành hàng không - chúng tôi nhận thấy rằng heli là yếu tố thiết yếu để đạt được kết quả tối ưu trong quá trình phun lạnh. Điều này là do heli, với trọng lượng phân tử thấp hơn, cho phép tốc độ hạt cao hơn trong quá trình phun lạnh, tăng cường năng lượng va chạm và cải thiện khả năng bám dính vào nền tảng. Tuy nhiên, yêu cầu sử dụng heli đã gây ra một thách thức lớn vì chi phí của nó khoảng 80 bảng mỗi phút hoạt động. Ngay cả những nỗ lực tái chế tiên tiến nhất cũng chỉ thu hồi được khoảng 85% helium. Hơn nữa, thiết bị cần thiết cho việc tái chế lại hạn chế kích thước của các bộ phận có thể chế tạo rất nhiều, bởi vì chúng phải vừa vặn trong một buồng có kích thước giới hạn nhằm thu giữ khí heli dư thừa.

"Hãy tưởng tượng cố gắng áp dụng một lớp phủ lên một phần của vỏ máy bay," Dr Andrew Cockburn, Nghiên cứu viên cao cấp tại phòng CIP chia sẻ. "Việc thực hiện điều đó trong khuôn khổ hệ thống tái chế heli là khá không thực tế." Để loại bỏ những rào cản do helium gây ra, nhóm nghiên cứu đã phát minh ra một quy trình hiện nay được gọi là "phun lạnh hỗ trợ laser (LACS)". LACS giúp cải thiện hiệu suất lắp đặt vật liệu dạng bột bằng cách thêm laser để làm nóng khu vực lắp đặt cục bộ (giảm ứng suất thu hồi trên nền tảng), dẫn đến sự liên kết mạnh mẽ hơn giữa các vật liệu mà không cần phải nung chảy.

Ngoài việc giảm chi phí do loại bỏ helium, LACS còn mang lại một số lợi thế đáng kể so với các phương pháp phun lạnh khác:
- **Khả năng bám dính và hiệu suất lắp đặt nâng cao**. Việc làm nóng cục bộ bằng laser **làm mềm nền tảng**, cải thiện khả năng liên kết hạt và hiệu quả lắp đặt. Kết quả là **các lớp phủ chắc chắn hơn** so với phun lạnh truyền thống và các quy trình phun nhiệt khác, đặc biệt đối với những vật liệu có độ bền cao như titan và kim loại chịu nhiệt.
- **Quá trình lắp đặt diễn ra ở tốc độ hạt thấp hơn**, nghĩa là cấu trúc của bột sẽ được giữ nguyên trong lớp phủ/bộ phận. Đây là một lợi thế quan trọng cho những vật liệu có tính chất chuyên biệt dễ bị tổn thương như lớp phủ nano hoặc nam châm đất hiếm.
- **Cải thiện khả năng tương thích giữa các vật liệu**.

Ưu điểm vượt trội của LACS so với các phương pháp khác

Công nghệ phun lạnh hỗ trợ laser (LACS) cho phép chúng ta tạo ra các lớp phủ từ những vật liệu khó xử lý hơn, vốn thường có độ bám dính kém khi dùng phương pháp phun lạnh thông thường. Những vật liệu như cermet, kim loại chịu nhiệt và hợp kim chống oxi hóa đều được ứng dụng hiệu quả trong kỹ thuật này. Thêm vào đó, LACS giúp giảm thiểu ứng suất còn lại và độ rỗng trong lớp phủ. Năng lượng từ laser làm giảm căng thẳng bên trong lớp coating, điều này dẫn đến việc cải thiện đáng kể các tính chất cơ học. Đồng thời, nó cũng hạn chế tình trạng rỗng khí, tăng cường độ bền và khả năng chịu lực của lớp phủ.

Một điểm nổi bật khác của LACS là tác động nhiệt tối thiểu lên bề mặt substrate. Khác với các phương pháp phun nhiệt truyền thống, công nghệ này giữ cho substrate không bị nóng chảy, tránh được sự biến đổi pha hay biến dạng không mong muốn. Nhờ đó, quá trình xử lý diễn ra hiệu quả hơn mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Tiềm năng ứng dụng của LACS trong ngành hàng không

Công nghệ phun lạnh hỗ trợ laser (LACS) thực sự rất lý tưởng cho những vật liệu nhạy cảm với nhiệt và các ứng dụng mà việc bảo tồn tính chất của nguyên liệu gốc là vô cùng quan trọng. Một điểm nổi bật nữa là quy trình này khá nhanh chóng, có thể thêm lớp phủ với tốc độ lên đến 10 kg mỗi giờ. Bên cạnh đó, nhiệt độ tổng thể của quy trình cũng thấp hơn nhiều; sự hỗ trợ từ laser giúp quá trình hoạt động ở nhiệt độ khí thấp hơn, ví dụ như từ 400 đến 700 độ C, trong khi công nghệ phun lạnh truyền thống có thể đạt tới 1200 độ C. Điều này không chỉ làm giảm tiêu thụ năng lượng mà còn đơn giản hóa thiết kế hệ thống.

Hơn nữa, khả năng điều chỉnh các đặc tính của lớp phủ bằng cách tạo ra các loại bột được tùy chỉnh cho phép giới thiệu những đặc điểm chuyên biệt như từ tính, bôi trơn trạng thái rắn và khả năng chống mài mòn cao vào trong các lớp phủ. Điều này thật sự mang lại lợi ích lớn cho việc cải thiện hiệu suất sản phẩm trong môi trường khắc nghiệt của ngành hàng không vũ trụ.

Khả năng sửa chữa và tạo hình linh hoạt của LACS

Việc phân loại vật liệu cho phép kiểm soát các thuộc tính tại địa phương và giảm bớt căng thẳng tại các giao diện giữa những vật liệu khác nhau. **"Phát triển một thế hệ công nghệ sản xuất sáng tạo mới với khả năng xử lý tiên tiến có thể hỗ trợ đáng kể trong quá trình chuyển đổi sang mức phát thải carbon bằng không," Bill giải thích.** "Khả năng tùy chỉnh các thuộc tính của vật liệu là một bước đột phá thực sự và mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng; ví dụ như sản xuất các linh kiện nhẹ cho xe điện và hàng không, tạo ra hệ thống lưu trữ hydro, cải thiện bảo trì tuabin gió, chế tạo pin tiết kiệm năng lượng và các thành phần tế bào nhiên liệu, cũng như phát triển các bộ trao đổi nhiệt tiên tiến để tiết kiệm năng lượng công nghiệp cùng với lớp phủ xúc tác cho việc thu giữ carbon."

Tương lai phát triển công nghệ LACS tại CIP lab

Một lợi thế đặc biệt của LACS là khả năng sản xuất và sửa chữa các bộ phận tùy chỉnh, điều này rất hữu ích trong ngành hàng không vũ trụ. Ngành này thường yêu cầu việc chế tạo các bộ phận phức tạp với độ chính xác cao, sức mạnh lớn và khối lượng tương đối thấp. Theo phương pháp sản xuất truyền thống, cách tiết kiệm chi phí nhất là sản xuất tất cả các bộ phận cần thiết cho một mô hình cùng một lúc và lưu trữ chúng trong kho cho đến khi cần sử dụng. Tuy nhiên, điều này dẫn đến hai vấn đề chính: việc lưu trữ đòi hỏi không gian lớn và tốn kém; hơn nữa, khi các bộ phận đã được sử dụng hết thì sẽ không còn gì để sửa chữa.

LACS góp phần vào mục tiêu phát triển bền vững

Kết quả là, các máy bay có thể trở nên không sử dụng được do thiếu linh kiện thay thế để sửa chữa chúng - Concorde G-BBDG là một ví dụ nổi bật trước khi mẫu này cuối cùng bị nghỉ hưu vào năm 2003. Công nghệ LACS cung cấp một lựa chọn bền vững, hiệu quả và tiết kiệm chi phí cho việc sửa chữa, và trong những trường hợp nghiêm trọng hơn, có thể tái chế từ một bộ phận cơ bản. Các kỹ thuật sửa chữa truyền thống như hàn thường không phù hợp với các ứng dụng hiệu suất cao, chẳng hạn như nhôm series 6000. Nhiệt độ cần thiết để kết nối vật liệu mới với vật liệu cũ có thể ảnh hưởng đến sức mạnh và độ tin cậy của bộ phận đã được sửa chữa. Bill và nhóm của anh ấy đã chứng minh rằng phương pháp gia nhiệt bằng laser ở nhiệt độ thấp và tập trung mà LACS áp dụng cho phép thêm vật liệu mới mà không gây ra tác động tiêu cực nào. Hơn nữa, giống như in 3D, thiết bị LACS có khả năng được lập trình để xây dựng theo thiết kế cụ thể từ mô hình máy tính, cho phép biến những thiết kế số phức tạp thành sản phẩm hữu hình nhanh chóng. "Điều này mang tính chuyển mình cho nhiều ngành công nghiệp, cho phép tạo ra và sửa chữa các bộ phận tùy chỉnh ngay khi cần trong khoảng thời gian ngắn với chi phí thấp hơn, lượng năng lượng tiêu thụ ít hơn và sử dụng nguyên liệu hiệu quả," Dr Martin Sparkes, nhà nghiên cứu chính tại phòng thí nghiệm CIP nói. "Chúng tôi rất hào hứng khi hợp tác với các đối tác trong ngành để hiện thực hóa tiềm năng của công nghệ độc đáo và có ảnh hưởng này."

**Tiềm năng vô hạn** Bước tiếp theo của phòng thí nghiệm CIP là nâng cao khả năng của LACS để "in 3D" một hình dạng. Nhóm đang khám phá nhiều hướng khác nhau để đạt được mục tiêu này, bao gồm việc gắn bộ phận lên một cánh tay di chuyển nhằm cho phép nó di chuyển trong không gian ba chiều và tăng cường kiểm soát hướng dòng bột nhằm tạo ra các cạnh sắc nét mịn màng hơn. "Hiện tại, chúng tôi chưa kiểm soát tốt hình dạng của việc lắng đọng bột. Điều này không phải là vấn đề đối với lớp phủ nhưng lại tạo ra rào cản lớn đối với các ứng dụng xây dựng bộ phận," Bill nói thêm. "Tiềm năng ứng dụng cho LACS là vô hạn và chúng tôi rất quyết tâm phát triển công nghệ có thể hỗ trợ đáng kể trong quá trình chuyển đổi sang mô hình phát thải net zero thông qua cả công nghệ sản xuất hiệu quả ít chất thải hơn cũng như những khả năng mà nó mở ra cho sự phát triển sản phẩm bền vững."

Reference Articles

Radar laser cơ học 32 đường hàng đầu của Trung Quốc

Các mô-đun phát và nhận laser được tích hợp cao, có hiệu suất ổn định và đáng tin cậy hơn, khả năng chống sốc và rung tốt hơn và phù hợp hơn cho sản xuất hàng ...

Source: Troysupply.com

TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số 314, tháng 4 năm 2024 ...

4 thg 5, 2024

Source: cokhivietnam.vn

Liệt kê theo tên luận án

Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của một số cấu trúc lượng tử trên cơ sở CdSe. ... Hàm lượng và thành phần các hợp chất auxin và polyphenol trong mối liên ...

J O U R N A L O F C L I N I C A L ...

hen và đợt cấp như kỹ thuật sử dụng dụng cụ hít không chính xác (có thể gặp ở 80% bệnh nhân). [7], tuân thủ điều trị kém (tới 75% bệnh nhân hen). [6], bệnh ...

Tìm kiếm

Giải pháp dẫn đầu thị trường ... Một giải pháp được tích hợp đầy đủ dùng cho xác định hàm lượng nước bằng phương pháp chuẩn độ thể tích và điện lượng Karl Fischer ...

Source: Metrohm

MỤC LỤC

Công ty chịu tr|ch nhiệm đưa sản phẩm ra thị trường v{ nh{ sản xuất l{ Công ty. TNHH mỹ phẩm Hoa Mai V{ng. Nguyên nh}n thu hồi l{ do nh~n sản.

Source: TCVN

CÔNG NGHỆ HÓA SINH VÀ PROTEIN

TÓM TẮT. Trầm tích biển là bề mặt giàu dinh dưỡng, tốt cho vi sinh vật nói chung, vi nấm nói riêng, sinh trưởng và phát triển. Các chất chuyển hóa thứ cấp ...


黒橋 禎夫 (Sadao Kurohashi)

Expert

Related Discussions

❖ Related Articles