Vật liệu carbon fiber đang định hình lại ngành công nghiệp vũ trụ nhờ khả năng giảm trọng lượng đáng kể, nhưng ứng dụng loại vật liệu này vào các kết cấu tàu vũ trụ khổng lồ là thách thức kỹ thuật ở một cấp độ hoàn toàn khác. Các tấm composite lớn vốn đòi hỏi hàng trăm nghìn giờ gia công, thường phải dùng nhiều máy móc chiếm diện tích lớn, kéo theo hàng loạt bất hiệu quả trong quy trình — từ dụng cụ gá lắp đến bảo trì. Để giải quyết bài toán này cho một công ty hàng không vũ trụ hàng đầu chuyên sản xuất tên lửa tái sử dụng cao hơn 30 mét, Electroimpact đã phát triển cỗ máy đặt sợi tự động (AFP) lớn nhất từ trước đến nay — và giao phó hệ thống truyền động của nó cho các linh kiện chính xác cao của REDEX.

Quy mô chưa từng có trong chế tạo composite hàng không vũ trụ

Cỗ máy AFP do Electroimpact chế tạo có chiều cao gần 12 mét, trọng lượng 90 tấn và khả năng đặt sợi carbon composite với chiều dài tới 30 mét ở tốc độ 100 mét/phút — một thông số vận hành chưa có tiền lệ trong ngành. Nhiệm vụ của nó là sản xuất các tấm panel cấu thành đoạn liên tầng và fairing bảo vệ phi thuyền dài 28 mét, thân tầng một đường kính 7 mét, bình chứa nhiên liệu tầng hai đường kính 5 mét, cùng nhiều kết cấu nhỏ hơn của tên lửa. Sau khi hoàn thiện, tên lửa carbon composite này dự kiến mang tải trọng lên đến hơn 13 tấn lên quỹ đạo.

Để đảm bảo chất lượng trong từng lớp vật liệu, máy tích hợp hệ thống laser điểm có kích thước biến đổi (VSSL) giúp tăng tốc độ đặt lớp và giảm thời gian xử lý lỗi, kết hợp với hệ thống kiểm tra tự động thời gian thực quét liên tục bề mặt composite để phát hiện khuyết tật dù nhỏ nhất — trước khi lớp vật liệu tiếp theo được đặt xuống.

Trục này được dẫn động bởi bốn hộp giảm tốc hành tinh servo REDEX SRP6, tích hợp ổ đầu ra kích thước lớn nhằm đạt độ cứng vững và độ chính xác tối đa.

Hệ thống truyền động trục X: Dịch chuyển 90 tấn với độ chính xác ±0,02 mm

Trục X — trục di chuyển đầu đặt sợi theo phương ngang — phải dịch chuyển khối lượng động lên đến 90.000 kg với tốc độ tối đa 1,27 mét/giây, gia tốc 0,2g và hành trình 20 mét trong suốt vòng đời thiết kế 20 năm. Bốn động cơ servo Fanuc Alpha 500/3000 HVIS cung cấp lực dẫn động, trong khi bốn hộp giảm tốc hành tinh REDEX SRP6 đảm nhận vai trò truyền lực với tỷ số truyền 21:1. Dòng hộp số cỡ lớn này được thiết kế với vòng bi đầu ra khổng lồ để đạt độ cứng vững đầu ra cao nhất trên rack bánh răng, kết hợp với độ cứng vững xoắn cao, độ lùi góc thấp, khả năng chịu tải lệch và hiệu suất truyền động cao.

Toàn bộ trục X sử dụng 56 đoạn rack REDEX A11 Mod 10, mỗi đoạn dài gần 1 mét, nặng 69 kg với 30 răng xoắn được tôi cứng bề mặt và mài chính xác đạt cấp chất lượng AGMA 12. Thiết kế rack dạng module cho phép lắp nối tiếp để đạt bất kỳ chiều dài trục tuyến tính nào theo yêu cầu. Kết quả cuối cùng: độ chính xác định vị thiết kế đạt ±0,02 mm với phản hồi vị trí qua encoder. Đáng chú ý, sau khi nâng cấp lên bốn động cơ servo mới, tốc độ trục X tăng 50% mà vẫn duy trì nguyên hiệu suất gia tốc nhờ sự kết hợp giữa hộp số SRP và rack bánh răng xoắn Mod 10.

Mâm quay và trục C: Kiểm soát định hướng trong không gian ba chiều

Mâm quay giữ và xoay khuôn để sợi có thể được đặt chính xác theo mọi hướng phải xử lý mô-men quán tính lên đến 155.000 kg/m² với gia tốc góc 75°/giây². Hai hộp giảm tốc góc vuông REDEX SRP5 với tỷ số truyền 31:1 đảm nhận nhiệm vụ này, đạt mô-men đầu ra tối đa 10.050 Nm và mô-men nghiêng tối đa 30.000 Nm. Độ chính xác định vị góc của mâm quay đạt 6 giây cung với encoder tuyệt đối.

Trục C xoay đầu AFP sử dụng vòng bi xoay con lăn chéo Andantex đường kính 1.184 mm với răng ngoài, cung cấp độ chính xác cao, độ cứng vững lớn và lực cản xoay đồng đều — yêu cầu thiết yếu để đảm bảo hướng đặt sợi nhất quán trong suốt quá trình gia công.

Trục C đảm nhiệm việc xoay đầu máy AFP (Automated Fiber Placement) thông qua vòng quay con lăn chéo Andantex đường kính 3,88 ft, mang lại độ chính xác cao, độ cứng vững lớn và khả năng quay ổn định, đồng đều.

Hệ thống bôi trơn tự động: Đảm bảo độ tin cậy dài hạn

Duy trì độ tin cậy cho hệ thống rack-and-pinion lớn trong điều kiện vận hành liên tục không phải là bài toán nhỏ. Electroimpact giải quyết thách thức này bằng hệ thống bôi trơn tự động REDEX FlexxPump 411 thế hệ 2, sử dụng bánh răng bôi trơn bằng polyurethane xốp cấu trúc ô hở — cho phép cung cấp dầu mỡ đúng lượng, đúng độ nhớt mà không gây thiếu hoặc thừa bôi trơn. Hệ thống có thể lập trình trực tiếp trên máy hoặc tích hợp điều khiển qua PLC, với định lượng bôi trơn theo số liệu đo hành trình từ bộ điều khiển CNC — loại bỏ hoàn toàn can thiệp thủ công trong vận hành thường nhật.

Sau khi vượt qua các bài kiểm tra nghiệm thu cuối cùng, hệ thống AFP đang được lắp đặt tại cơ sở của công ty vũ trụ. Theo nhà sản xuất tên lửa, cỗ máy tự động này dự kiến tiết kiệm hơn 150.000 giờ gia công trong toàn bộ quá trình sản xuất — con số phản ánh rõ ràng giá trị của việc lựa chọn đúng linh kiện truyền động cho các ứng dụng không có chỗ cho sai số.