Hiện nay, vật liệu composite đang trở thành xu hướng chủ đạo trong chế tạo thân vỏ UAV. So với vật liệu kim loại truyền thống, composite có lợi thế lớn về tỷ số bền/trọng lượng và khả năng thiết kế theo hướng chịu lực. Thông qua việc lựa chọn loại sợi, hệ nhựa nền, chiều dày lớp, hướng đặt sợi và trình tự xếp lớp, có thể tối ưu kết cấu theo yêu cầu chịu tải thực tế của từng chi tiết.
Sản xuất composite theo phương thức thủ công hoặc bán thủ công có thể phù hợp với chế tạo mẫu, sản xuất nhỏ lẻ hoặc sản phẩm dân dụng đơn giản. Tuy nhiên, khi chuyển sang chế tạo thân vỏ UAV với yêu cầu sản xuất loạt, phương thức này bộc lộ nhiều hạn chế như năng suất thấp, chất lượng không ổn định, khó kiểm soát tỷ lệ sợi/nhựa, khó kiểm soát khuyết tật bên trong và khó truy xuất dữ liệu sản xuất. Trong khi đó, sản phẩm composite chịu ảnh hưởng rất lớn bởi các yếu tố công nghệ như điều kiện bảo quản vật liệu, độ sạch bề mặt khuôn, trình tự trải sợi, độ kín chân không, tốc độ truyền nhựa, chu trình đóng rắn, điều kiện tháo khuôn và kiểm tra sau sản xuất. Do đó, việc nghiên cứu làm chủ công nghệ sản xuất vật liệu composite là điều tiên quyết.
.jpg)
Mẫu UAV trưng bày do Nhà máy Z131 nghiên cứu, chế tạo từ vật liệu khung thân vỏ composite. Ảnh: CTV
Bộ khung thân vỏ của UAV-BXL01 sau giai đoạn đề tài vẫn còn tương đối nặng, bề mặt thân vỏ vẫn chưa nhẵn và đồng đều, có thể làm giảm hiệu suất khí động khi bay, dẫn đến tốn năng lượng hơn. Ngoài ra, thân vỏ hiện sử dụng vật liệu tổ hợp (composite) nền nhựa epoxy gia cường vải sợi thủy tinh và được tạo hình chủ yếu theo phương pháp đắp thủ công. Công nghệ này phù hợp với giai đoạn nghiên cứu, chế tạo mẫu, nhưng còn phụ thuộc nhiều vào tay nghề, khó kiểm soát chính xác tỷ lệ nhựa, sợi và lượng bọt khí, đồng thời tính lặp lại giữa các sản phẩm chưa cao. Vì vậy, sau quá trình nghiên cứu, Nhà máy đã đưa ra các giải pháp như sau:
Một là, nghiên cứu, thay thế loại nguyên vật liệu phù hợp.
Thành phần vật liệu chính được sử dụng để chế tạo khung thân vỏ cho UAV gồm nhựa epoxy căn bản, chất đóng rắn kết hợp với vải sợi thủy tinh và một số phụ gia khác. So với composite sợi carbon, sợi thủy tinh có cường độ riêng thấp hơn nhưng vẫn đáp ứng tốt yêu cầu chịu tải đối với UAV cỡ nhỏ; đồng thời có ưu điểm về giá thành, tính sẵn có và dễ gia công thủ công. Keo epoxy hai thành phần được lựa chọn làm vật liệu nền nhờ đặc tính bám dính tốt, độ bền cơ học cao, khả năng đóng rắn ổn định ở điều kiện thường và tương thích tốt với sợi thủy tinh. Sau quá trình tìm hiểu, nhóm nghiên cứu đã xác định được loại keo và sợi được sử dụng trong sản xuất loạt "0" gồm vải sợi thủy tinh E glass Woven roving 200g/m2, EWR200-100cm; vải sợi thủy tinh ±45° biaxial, E-BX600-1270; nhựa Epoxy LASB-R-F111. Việc kết hợp giữa EWR200 (lớp bên trong) và E-BX600-1270 (lớp bên ngoài) cho phép chỉ cần sử dụng 2 lớp sợi là đã đạt được yêu cầu về cơ tính. Mặt khác, giúp giảm đáng kể khối lượng của sản phẩm.
Composite có lợi thế lớn về tỷ số bền/trọng lượng và khả năng thiết kế theo hướng chịu lực. Thông qua lựa chọn loại sợi, hệ nhựa nền, chiều dày lớp, hướng đặt sợi và trình tự xếp lớp, có thể tối ưu kết cấu theo yêu cầu chịu tải thực tế của từng chi tiết thân vỏ UAV.
Hai là, cải tiến thiết kế các bộ khuôn gá và vật liệu làm khuôn.
Các bộ khuôn dùng cho chế tạo trong giai đoạn đề tài được chế tạo từ vật liệu nhựa ABS. Ưu điểm của các loại khuôn này là khối lượng tương đối nhẹ, gia công nhanh, tách khuôn thuận lợi, tuy nhiên, độ bền và độ ổn định nhiệt còn nhiều hạn chế, giãn nở nhiệt lớn, khả năng chịu dung môi hạn chế. Giai đoạn loạt "0" cần cải tiến thiết kế của khuôn đảm bảo dễ thao tác, dễ sử dụng. Đồng thời, cần thay đổi vật liệu làm khuôn, kết hợp cả khuôn nhựa, khuôn từ vật liệu composite và khuôn kim loại đối với mỗi bề mặt và chi tiết đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật khác nhau.
.jpg)
Công đoạn trải sợi, quét keo thân vỏ UAV. Ảnh: CTV
Ba là, cải tiến công nghệ gia công.
Để đảm bảo cơ tính cũng như bề mặt, công nghệ gia công cũng cần được nghiên cứu, tính toán lại, đặc biệt là khi công nghệ được ứng dụng để sản xuất loạt lớn. Các tiêu chí về định lượng vật liệu, trình tự, hướng sắp xếp lớp, các quy trình ép nửa khuôn và tháo khuôn cũng cần được chuẩn hóa, cải tiến và tối giản, giúp quá trình sản xuất hàng loạt đạt độ đồng bộ cao và không còn phụ thuộc nhiều vào tay nghề. Về mặt cơ học, khả năng chịu tải của composite phụ thuộc chủ yếu vào số lượng lớp sợi thủy tinh, tỷ lệ nhựa sợi, chất lượng bám dính giữa các lớp. Qua quá trình nghiên cứu, thử nghiệm và hiệu chỉnh, Nhà máy đã thực nghiệm nhiều công thức phối trộn và số lớp sợi thủy tinh khác nhau để đảm bảo sự cân bằng giữa độ bền, độ cứng kết cấu và khối lượng thân vỏ UAV, đáp ứng yêu cầu bay và mang tải của hệ thống. Quy trình chế tạo khung thân vỏ composite sau cải tiến gồm: Chuẩn bị khuôn, chuẩn bị vật liệu, công đoạn dán vải sợi thủy tinh, quá trình đóng rắn và tháo khuôn.
Để bảo đảm chất lượng thân vỏ composite trong sản xuất loạt "0", quá trình chế tạo được kiểm soát từ khâu chuẩn bị vật liệu đến khi hoàn thiện và nghiệm thu sản phẩm. Trên cơ sở kết quả kiểm tra, các sản phẩm được phân loại theo mức độ phù hợp với yêu cầu kỹ thuật. Đồng thời, các dữ liệu về loại khuyết tật, vị trí xuất hiện, nguyên nhân dự kiến và phương án khắc phục được tổng hợp để cập nhật tài liệu công nghệ. Qua nhiều sản phẩm của loạt "0", việc thống kê các sai lệch sẽ giúp xác định những công đoạn còn chưa ổn định, từ đó tiếp tục điều chỉnh khuôn, vật liệu và chế độ công nghệ. Như vậy, công tác kiểm tra chất lượng còn là một bộ phận của quá trình làm chủ công nghệ. Việc kết hợp giữa kiểm tra sản phẩm và phân tích dữ liệu sản xuất tạo cơ sở để Nhà máy Z131 từng bước xây dựng được hệ thống kiểm soát chất lượng thân vỏ composite ổn định, có khả năng áp dụng cho các lô sản phẩm tiếp theo.
Việc xây dựng và chuẩn hóa quy trình chế tạo thân vỏ composite đã tạo được sự chuyển biến từ phương thức chế tạo chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của người thực hiện sang phương thức sản xuất có quy trình và tiêu chí kiểm soát tương đối rõ ràng. Các công đoạn từ chuẩn bị vật liệu, chế tạo khuôn, cắt và xếp lớp, tạo hình, đóng rắn đến hoàn thiện và kiểm tra sản phẩm đã được xác định theo trình tự thống nhất. Đây là cơ sở quan trọng để áp dụng công nghệ vào sản xuất loạt "0" UAV tại Nhà máy Z131.
Trung tá, TS. NGUYỄN VĂN HUẤN; Thượng úy, ThS. VÕ VĂN TRUNG; Thiếu tá, ThS. TRẦN MINH THÀNH
Nhà máy Z131, Tổng cục Công nghiệp quốc phòng
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
1. Drones, The Russo-Ukrainian war, and the future of armed conflict, Neil Renic&Johan Christensen, 2024.
2. Tổng cục Công nghiệp quốc phòng, Định hướng phát triển UAV giai đoạn 2021-2030.
3. Các công trình nghiên cứu về UAV cánh bằng trong và ngoài nước.