Thế giới vật liệu – nền tảng cơ bản của ngành cơ khí
Vật liệu phát triển sản phẩm cơ khí trong kỹ thuật
Vật liệu mới đã và đang giúp con người có cuộc sống tốt hơn. Chúng quan trọng đến mức các nhà sử học đã đặt tên hai giai đoạn tiền sử là thời kỳ đồ sắt và đồ đồng. Đó là khởi nguồn của vật liệu phát triển sản phẩm cơ khí. Ở thời điểm hiện tại, vật liệu đóng vai trò quan trọng trong phát triển công nghệ mới. Silicon là thành phần cơ bản của công nghệ bán dẫn, vốn là nền tảng cho cuộc đua AI của các gã khổng lồ OpenAI, Google, Microsoft,… Ví dụ vật liệu khác như nhựa chỉ mới được tìm ra vào giữa thế kỷ XX. Tuy nhiên, chúng lại là thành phần không thể thiếu trong các sản phẩm kỹ thuật.
Các loại vật liệu khác nhau
Cho đến thời điểm hiện tại, chúng ta đã biết được hơn 100,000 cơ bản và chức năng. Mỗi ngày trôi qua, chúng ta lại tìm ra hoặc đăng ký bản quyền một vật liệu mới. Chúng bao gồm kim loại phổ thông như thép, nhôm, magnesium hay các polymer và gốm sứ kỹ thuật. Trong ngành cơ khí, những vật liệu khác như gỗ, xi măng, đá thì kém quan trọng hơn. Tuy nhiên, chúng lại vô cùng cần thiết trong ngành xây dựng. Đồng thời, nhiều sự cải tiến cũng bắt nguồn từ vật liệu mới.
Mặc dù có sự đa dạng như vậy, thế giới vật liệu vẫn tuân theo quy luật sau:
- Các kiểu liên kết phân tử khác nhau giúp vật liệu được chia thành nhiều nhóm rõ ràng.
- Cấu trúc bên trong, hay tổ chức tế vi (microstructure) đóng vai trò quan trọng trong tính chất vật liệu.
Chúng ta có thể tác động tổ chức tế vi bằng nhiều cách khác nhau. Nhờ vậy, tính chất của vật liệu có thể đáp ứng nhu cầu kỹ thuật lẫn nhu cầu thị trường vốn đang ngày càng phức tạp.
Vai trò của vật liệu phát triển sản phẩm cơ khí
Lựa chọn vật liệu phù hợp đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển sản phẩm. Vật liệu và quy trình sản xuất có sự liên quan mật thiết với nhau. Chúng cùng ảnh hưởng đến khả năng và giới hạn thiết kế của chi tiết sản phẩm. Mối quan hệ giữa lựa chọn vật liệu, thiết kế và sản xuất có thể được hiểu rõ bằng các sản phẩm kỹ thuật.
Ví dụ: khung xe đạp
Nếu khung xe đạp cần nhẹ hơn, bạn dùng polymer gia cố sợi carbon với khung nhôm hoặc titan. Polymer gia cố sợi carbon có tên tiếng Anh là Carbon Fibre Reinforced Polymer hay CFRP.
Đối với khung nhôm, người ta hàn cắt các ống trụ ra rồi hàn vào nhau. Đây gọi là phương pháp gia công liên kết hay joining. Khung nhôm này được gọi là bán thành phẩm được bán ở ngoài thị trường. Các đơn vị sản xuất cắt ống và hàn sẽ bán khung này cho các nhà sản xuất xe đạp.
Đối với khung CFRP, người ta kết hợp gò ống và hàn nối trong một công đoạn. Bạn có thể tìm hiểu thêm về công nghệ này qua V frames của công ty Đức Isoco. Thông thường, bán thành phẩm CFRP được cuộn quanh khung lõi thành nhiều lớp trong khuôn thổi. Khung lõi giúp định hình khung xe ở giai đoạn đầu. Sau đó, khung lõi được rút ra, khuôn được khép lại và làm nóng. Khí phun vào khuôn đi theo đường dẫn để lại của khung lõi, ép CFRP thành 1 lớp dày. Các lớp CFRP có thể cuộn quanh toàn bộ khung để thích nghi với tải trọng yêu cầu. Nhờ vậy, khung CFRP không có điểm yếu ở các vị trí nối ống như khung nhôm truyền thống.
Bạn có thể thấy ảnh hưởng của vật liệu đến concept khung xe đạp lớn như thế nào. Chỉ cần khác về vật liệu, cách thiết kế và sản xuất sản phẩm sẽ đi theo. Do đó, lựa chọn vật liệu, thiết kế, sản xuất có liên kết vô cùng chặt chẽ với nhau.
Nguồn tham khảo: Maschinenbau – Ein Lehrbuchfür das ganze Bachelor-Studium (2018)