Tay dên in 3D bằng vật liệu Carbon Composite - Thứ gì chịu nổi thứ này?

Thật đấy chứ không đùa đâu các bạn. Đây là sản phẩm của các thanh niên đến từ Extreme Tuners (https://www.facebook.com/ExtremeTuners)- một công ty nhỏ của Hy Lạp. Các tay dên này được phát triển cho động cơ của một chiếc Mitsubishi Lancer Evo, đã vượt qua bài test với ngưỡng 3.000HP và 15.000RPM.

Ở đây mình muốn phân tích một chút các câu hỏi:

• Tại sao lại là tay dên?
• Tại sao lại là Carbon Composite?
• Tại sao lại là in 3D?

Phân tích để hiểu và để không bị thần thánh hoá vấn đề.

TẠI SAO LẠI LÀ TAY DÊN?

Nói một cách đại khái nhất thì một chiếc xe, mạnh hay yếu là do công suất của động cơ quyết định.

Công suất của động cơ đốt trong thì gồm hai thành phần: Mô-men xoắn và Số vòng quay. Muốn tăng Công suất, thì tăng một trong hai, hoặc cả hai thành phần này lên.

Muốn tăng Mô-men xoắn, phải tăng tỷ số nén, tăng hành trình piston, tăng đường kính xy-lanh... Tăng các thứ này thì đương nhiên động cơ phải to ra và nặng hơn. Động cơ diesel là một ví dụ điển hình.

Còn muốn tăng Số vòng quay, thì cần tăng hiệu suất nạp xả nhiên liệu, tăng hiệu suất của phản ứng cháy, và quan trọng nhất là phải tăng giới hạn bền và giảm khối lượng của các chi tiết chuyển động bên trong động cơ. Động cơ xăng là một ví dụ điển hình.

Các bạn để ý thì sẽ thấy, bên trong động cơ chỉ có hai thành phần chuyển động tịnh tiến là piston và tay dên. Không những tịnh tiến mà còn đảo chiều. Tịnh tiến và đảo chiều thì sẽ sinh ra Lực quán tính. Và chính Lực quán tính là thứ khiến Số vòng quay của động cơ bị giới hạn.

Lực quán tính = Gia tốc x Khối lượng

Không thể giảm Gia tốc, thì buộc phải giảm Khối lượng để giảm Lực quán tính xuống. Trong video về xy-lanh DiASil mình cũng có đề cập đến vấn đề này, các bạn có thể xem thêm tại ĐÂY. Người ta luôn cố gắng cải tiến vật liệu cũng như công nghệ chế tạo để giảm khối lượng của piston và tay dên. Piston nhôm nén chính là một điển hình.

Nói riêng về tay dên, thì ngoài vấn đề Lực quán tính, tay dên còn bị giới hạn bởi giới hạn bền mỏi. Hiện tượng mỏi của vật liệu là sao? Ví dụ như khi bẻ một sợi dây thép, bạn gật qua, rồi gật lại, gật vài cái thì chưa ăn thua, nhưng gật qua gật lại liên tục một hồi thì sợi dây thép sẽ đứt. Đó là sự phá huỷ do vượt giới hạn bền mỏi.

Khi tay dên làm việc, thân của nó sẽ phải chịu ứng suất uốn đảo chiều liên tục theo hướng lên và xuống của piston. Ứng suất đảo chiều thì cũng giống như bị gật qua gật lại. Số vòng quay càng lớn, thì tần suất đảo chiều càng cao. Sẽ phải giới hạn Số vòng quay để tần suất này không vượt quá giới hạn bền mỏi của tay dên. Nói ngược lại, nếu có thể tăng giới hạn bền mỏi của tay dên lên, thì đương nhiên có thể tăng Số vòng quay, từ đó tăng Công suất động cơ.

TẠI SAO LẠI LÀ CARBON COMPOSITE?

Vấn đề này chắc không cần nói nhiều. Carbon Composite vừa nhẹ lại vừa bền.

TẠI SAO LẠI LÀ IN 3D?

Hãy nhìn vào tháp Eiffel, cầu Long Biên, cầu sắt Bình Lợi hoặc đơn giản là các căn nhà thép tiền chế. Các công trình này có khối lượng nhẹ hơn nhiều so với bê tông đúc, nhưng vẫn đứng sừng sững giữa đất trời. Tất cả có được là nhờ kết cấu chịu lực dạng khung được thiết kế tối ưu. Kết cấu khung sẽ giúp giảm mật độ vật liệu đến mức tối thiểu nhưng vẫn đảm bảo được độ bền.

Trên các tay dên thép rèn thông thường, người ta cũng đã cố gắng giảm mật độ vật liệu bằng cách thiết kế các biên dạng chữ I hoặc chữ H. Nhưng đây vẫn chưa phải là kết cấu khung. Muốn tạo ra kết cấu khung trên một chi tiết nhỏ như tay dên, thì không thể rèn, tiện, phay, bào... được. Chỉ có một cách là in 3D.

Tới đây mình muốn nhấn mạnh, in 3D chẳng qua cũng chỉ là một trong các phương pháp gia công. Không nên thần thánh hoá đến mức lạm dụng thuật ngữ một cách mù quáng và thiếu hiểu biết như rất rất nhiều người đang mắc phải khi nói về CNC.

Quay lại vấn đề. Các thanh niên Extreme Tuners đã tối ưu kết cấu khung bằng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn. Tạo hình bằng phương pháp in 3D. Sử dụng một trong những vật liệu nhẹ và bền nhất hành tinh là Carbon Composite. Cuối cùng tạo ra những tay dên có khối lượng chỉ bằng 1/10 khi so với thép, 1/6.5 khi so với nhôm. Bảo sao mà không đỉnh?

Chẹp chẹp!... Thôi biết là thế hệ mình mơ không tới rồi, nên đành quảng cáo bán hàng kiếm tiền ăn cơm sườn tiếp vậy.