Nhờ am hiểu sâu sắc các ưu, nhược điểm của composite qua hàng chục năm nghiên cứu, Ts. Nguyễn Hữu Sương và đồng nghiệp đã lựa chọn được một quy trình thích hợp sau nhiều lần thử nghiệm để đưa vật liệu composite vào chế tạo cánh máy bay bằng phương pháp in 4D. Cụ thể trong nghiên cứu với cánh máy bay: máy in tổng hợp 4D sẽ cuộn hỗn hợp nhựa sợi của nó thành các lớp siêu mỏng ở các góc 90 độ so với nhau. Sau đó, các lớp này được nén chặt lại và đóng rắn trong lò ở 180°C, rồi tiếp tục được làm nguội xuống 20°C để tạo ra một vật thể cứng nhưng không giòn. “Cách làm này giúp chúng tôi tạo ra một bộ phận có độ cong đồng nhất để nối bề mặt phía trên và phía dưới của cánh máy bay”, TS. Sương cho biết.
Theo đó, cánh máy bay do nhóm của TS. Sương in bằng composite có đủ độ linh hoạt và chắc chắn để chịu được sự biến dạng khoảng 20 độ. Đồng thời, bộ phận này cũng chịu được áp suất khoảng hơn 50 lbs/ft2(tương đương với khoảng 244 kg/m2). Sau khi được in ra dưới hình dạng phẳng, vật liệu này sẽ có thể biến đổi để cong theo hình thù mong muốn với sai số khoảng 10% tùy theo điều kiện kích thích của môi trường.
Tiềm năng ứng dụng đa dạng
Với những đặc điểm như vậy, phương pháp in 4D với composite sẽ có thể tạo ra được những chiếc cánh máy bay dễ dàng thay đổi hình dạng trong quá trình bay - một lợi ích lớn so với những máy bay có cánh cố định. Dù chưa thể chịu được sức nặng của những chiếc máy bay dân dụng, cánh máy bay này vẫn rất phù hợp cho những chiếc drone (máy bay không người lái) nhỏ gọn và cần độ linh hoạt cao - loại thiết bị đang ngày càng phát triển nở rộ trong lĩnh vực hàng không.
TS. Sương tin rằng công nghệ in 4D với vật liệu composite còn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực, chẳng hạn, như giúp cho việc vận chuyển đồ đạc đi xa thuận tiện hơn. Do hình dạng ban đầu của sản phẩm sau khi in rất phẳng, chúng có thể dễ dàng được đóng gói và gửi đến những nơi xa xôi hoặc gửi ra ngoài không gian mà không cần nhiều diện tích. “Chẳng hạn, để xây một căn nhà ngoài vũ trụ, chúng ta chỉ cần in một sản phẩm dưới dạng mặt phẳng rồi gửi đi. Khi tới nơi, chỉ làm nguội sản phẩm là miếng phẳng ấy sẽ biến thành một chiếc hộp để có thể ở được”, TS. Sương mường tượng những ứng dụng của phương pháp in 4D với composite trong tương lai.
Thêm vào đó, hiện nay, vật liệu composite mà nhóm sử dụng gồm hai thành phần là sợi carbon và chất epoxy - hai thành phần phổ biến để làm vật liệu composite. Tuy nhiên, theo TS. Sương, không nhất thiết cần phải sử dụng hai chất này mà có thể thay thế bằng các chất khác cũng có tính chất dị hướng, ví dụ như sợi thủy tinh thay cho sợi carbon để in với phương pháp 4D.Tất nhiên điều này sẽ đòi hỏi phải có thêm các nghiên cứu để hiểu về tính chất vật liệu và tạo ra một cấu trúc tốt, song về cơ bản mình có thể dùng phương pháp này với các vật liệu khác có cùng tính chất.
Và do sản phẩm chỉ cần in dưới dạng mặt phẳng rồi sau đó mới tự thay hình đổi dạng để có một hình hài mới, phương pháp in này không đòi hỏi phải sản xuất các khuôn in phức tạp - một bước tốn rất nhiều thời gian và tiền bạc. Hiện nay, ngoài cánh máy bay, nhóm của TS. Sương đã thử sử dụng phương pháp để in lò xo cho ô tô hay một số thử nghiệm vốn đòi hỏi có sự căn chỉnh độ cong tỉ mỉ. “Chúng tôi cũng đang tiến hành nghiên cứu để tinh chỉnh các phân tích, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm cấu trúc”, TS. Sương cho biết.
Nguồn: báo Khoa học và Phát triển, số tháng 6 năm 2022