Tại sao Asahi Kasei phát triển UD tape?

Tại sao chúng tôi phát triển UD tape? Giải quyết các dự án phát triển hấp dẫn hơn và thúc đẩy công ty tiến lên trong 100 năm tới

Năm 2022, chúng tôi kỷ niệm 100 năm thành lập Asahi Kasei—và ngay lập tức bắt tay vào hành động hướng tới 100 năm tiếp theo với những sáng kiến đầy thách thức nhằm xây dựng xã hội bền vững và tạo ra giá trị mới.

Hôm nay chúng tôi đã hỏi hai kỹ sư—Shunta Kimura, người đã làm việc về phát triển các sản phẩm như vải không dệt​ và UD tape(băng một chiều, vật liệu gia cố sợi một chiều) và Yuki Mori, một chuyên gia công nghệ đã đóng góp vào quá trình phát triển polyamide tại Asahi Kasei trong nhiều năm—sẽ cho chúng tôi biết về UD tape và cách Asahi Kasei phát triển nó.

――UD tape là loại sản phẩm gì?

Mori:​ ​UD tape (băng đơn hướng, vật liệu gia cường sợi một hướng), chúng tôi đã phát triển tại Asahi Kasei là vật liệu gia cường sợi được tạo ra bằng cách tẩm sợi carbon bằng nhựa polyamide (PA, nylon), tạo ra một chất trong đó sợi carbon chiếm khoảng một nửa thể tích. Nhựa polyamide được sử dụng cho quá trình tẩm này dựa trên công nghệ polyme được sử dụng để sản xuất nhựa polyamide LEONA™ của Asahi Kasei. Đặc điểm chính của UD tape là các sợi gia cường của nó thể hiện cấu trúc tiếp giáp một hướng, cho phép các sợi tối đa hóa hiệu ứng gia cường của chúng.

―― Các tính năng của UD tape phản ánh năng lực độc đáo của Asahi Kasei như thế nào?

Mori:​ ​UD tape  của chúng tôi cung cấp ba lợi thế quan trọng: tẩm nhựa polyamide dày đặc giữa các sợi carbon, độ bám dính mạnh và sự thay đổi tối thiểu về tính chất vật lý do hấp thụ nước. Đầu tiên, nhựa polyamide chuyên dụng mà chúng tôi sử dụng có độ nhớt cực thấp khi được đun nóng đến trạng thái nóng chảy, cho phép nó chảy tự do qua các khoảng hở giữa các sợi carbon để đạt được độ thâm nhập sâu—và tẩm dày đặc. Điều này tạo ra một vật liệu trong đó các sợi carbon và nhựa được đóng gói dày đặc với nhau trong một cấu trúc nguyên khối cao, tối đa hóa tác động gia cố của các sợi carbon. Nếu tẩm không đủ dày đặc, vật liệu sẽ kết thúc bằng việc kết hợp một số lượng lớn các vùng trống, được gọi là khoảng trống. Khoảng trống làm giảm tính chất vật liệu bằng cách đóng vai trò là vị trí ban đầu cho sự hỏng hóc vật liệu khi các sản phẩm đúc làm từ UD tape giàu khoảng trống phải chịu tải.

Chúng tôi cũng đã cải thiện các đặc tính kết dính bằng cách kiểm soát hành vi nóng chảy và đông đặc của nhựa polyamide chuyên dụng của chúng tôi. Nhựa polyamide được sử dụng trong UD tape thể hiện một đặc tính được gọi là nhiệt dẻo, có nghĩa là nó có thể được nấu chảy bằng cách nung nóng trong khuôn, sau đó đông đặc bằng cách làm mát để tạo ra các sản phẩm đúc. Khi các sản phẩm đúc được sản xuất bằng cách xếp chồng nhiều lớp UD tape trong máy ép nhiệt, các lớp UD tape bám dính vào nhau khá tốt. Tương tự như vậy, đối với các quy trình ép phun liên quan đến vật liệu được nung nóng đến trạng thái nóng chảy trên UD tape, chúng tôi quan sát thấy độ bám dính tốt giữa UD tape và vật liệu đúc phun. Cuối cùng, nhựa polyamide thông thường có vấn đề là các đặc tính vật liệu của chúng bị suy giảm do hấp thụ nước, nhưng đây là một lĩnh vực mà công nghệ polyme LEONA™ của chúng tôi đã được sử dụng hiệu quả.

UD tape tăng cường giá trị gia tăng của các sản phẩm đúc—trên nhiều kỹ thuật đúc khác nhau

――Băng UD tape có ứng dụng gì trong công nghệ đúc khuôn?

Kimura: Các thành phần được tạo thành từ UD tape, khi được sử dụng kết hợp với các kỹ thuật đúc phun, cho phép chúng tôi sản xuất các thành phần đúc phun vừa được gia cố cường độ vừa có hình dạng giống như sản phẩm cuối cùng. Ví dụ, bằng cách đưa một vòng băng UD đã định hình trước vào khuôn phun trước khi thực hiện quá trình đúc phun, chúng tôi có thể chế tạo các thành phần phức tạp với các vùng đầu vào được gia cố cường độ bằng sự hiện diện của vòng.

Đối với các thành phần được làm từ UD tape, một phương pháp đúc phổ biến là "ép nhiệt": Nhiều bản sao của một hình dạng mong muốn được cắt ra từ các tấm nguyên liệu thô, xếp chồng lên nhau trong khuôn, nung nóng trên nhiệt độ nóng chảy của UD tape, sau đó làm nguội dưới áp suất được áp dụng, hợp nhất các lớp băng thành một thành phần đúc liền khối. Một cách tiếp cận khác, khai thác một trong những điểm mạnh độc đáo của UD tape— tính liền kề của các sợi carbon — là cắt các tấm vật liệu thành các mảnh hình chữ nhật, với chiều dài cạnh có thể là vài cm, sau đó đóng gói ngẫu nhiên các mảnh này vào khuôn để ép nhiệt. Kỹ thuật này có thể được sử dụng để sản xuất các sản phẩm có hình dạng 3 chiều phức tạp.

Một cách tiếp cận khác là "đúc lay-up", trong đó UD tape được làm nóng chảy bằng cách nung nóng bằng laser khi nó được gắn vào một thành phần. Điều này cho phép UD tape chỉ được áp dụng ở những vùng và theo những hướng cần thiết, đảm bảo sử dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên vật liệu. Cuối cùng, phương pháp được gọi là "cuộn" bao gồm việc quấn UD tape quanh một trục quay trong khi nung nóng để làm tan chảy băng. Điều này cho phép chế tạo các ống, vòng và các hình dạng khác khó đạt được thông qua đúc ép.

Hậu trường: Lịch sử chưa kể về sự phát triển của UD tape

―― Asahi Kasei đã phát triển UD tape như thế nào?

Mori: Tôi sẽ phải bắt đầu từ khá lâu trước đây. Asahi Kasei đã tạo ra nhiều loại polyamide bằng cách pha trộn các loại monome khác nhau với polyamide-66 base. Vào cuối những năm 1990, điều này dẫn đến việc tạo ra dòng LEONA™ 90G, chắc chắn là một trong những dòng sản phẩm thành công của chúng tôi. Các loại nhựa này dựa trên polyme polyamide 66 thơm bán phần, mà chúng tôi tạo ra bằng cách pha trộn polyamide 66 với các thành phần thơm, và chúng cho phép chúng tôi phát triển các loại khuôn ép phun được gia cố bằng cách pha trộn các sợi thủy tinh có nồng độ cao và các chất gia cố khác.

Vào thời điểm đó, tôi phụ trách hỗ trợ kỹ thuật cho cả khách hàng trong và ngoài nước, với mục tiêu thúc đẩy doanh số bán các sản phẩm dòng 90G. Và chắc chắn là doanh số của chúng tôi tăng trưởng khá ổn định, nhưng cuối cùng chúng tôi bắt đầu nghe thấy những lời phàn nàn về chi phí từ khách hàng ở những nơi xa Nhật Bản, như Hoa Kỳ và Châu Âu. Lý do là cơ sở sản xuất mà chúng tôi pha trộn các polyme cơ bản nằm ở Nobeoka, thuộc Tỉnh Miyazaki của Nhật Bản, và chúng tôi vận chuyển các sản phẩm từ đó đến tận tay khách hàng ở nước ngoài. Vì vậy, điều đó đã thúc đẩy chúng tôi thiết kế và triển khai một chương trình sản xuất tại địa phương để giảm thiểu chi phí. Sau đó, vào năm 2018—khoảng 20 năm sau khi tạo ra dòng LEONA™ 90G—một loại polyme polyamide thơm bán phần mới đã xuất hiện với tỷ lệ thành phần thơm thậm chí còn cao hơn, tạo thành cơ sở cho dòng LEONA™ SG mà chúng tôi hiện đang tung ra thị trường.

 

――Có khoảnh khắc cụ thể nào khiến anh nhận ra chúng ta cần phải tiếp tục sử dụng UD tape không?

Mori: Thực ra, ý tưởng kết hợp vật liệu composite với ép phun là điều chúng tôi đã cân nhắc cho kế hoạch nghiên cứu năm 2017 của mình. Sau đó, vào năm 2019, tôi trò chuyện với một người bạn tốt, người đứng đầu bộ phận phát triển của một công ty Đức, và bạn tôi nói "Thực ra, chúng tôi đã cố gắng làm điều gì đó như thế này……” và cho tôi xem một video mô tả ứng dụng của UD tape. Đó thực sự là động lực thúc đẩy những nỗ lực phát triển của chúng tôi. Bởi vì, khi tôi xem bộ phim đó, một điều gì đó đã lóe lên trong tôi, và tôi nhận ra rằng việc kết hợp UD tape với vật liệu ép phun của Asahi Kasei sẽ cung cấp một giải pháp kịp thời cho những khách hàng muốn thay thế các thành phần kim loại bằng các giải pháp thay thế gốc nhựa. Cách tiếp cận này không chỉ loại bỏ các chu kỳ phát triển vật liệu kéo dài mà còn làm tăng giá trị gia tăng của vật liệu ép phun của chúng tôi, qua đó thúc đẩy doanh số bán hàng. Nó cũng thể hiện sự thay đổi khỏi chiến lược bán hàng thông thường của chúng tôi, chẳng hạn như phát triển vật liệu mới để đáp ứng yêu cầu của khách hàng, và hướng tới một tinh thần bán hàng mới, chẳng hạn như giúp khách hàng thay thế các thành phần kim loại bằng các giải pháp thay thế gốc nhựa. Cá nhân tôi thấy loại công việc năng động và sáng tạo này thú vị hơn nhiều—và bổ ích hơn nhiều.

 

――Asahi Kasei là người đến khá muộn trong lĩnh vực UD tape.

Mori: Đúng vậy. Các nhà sản xuất sợi carbon là những người đầu tiên tham gia trò chơi, và chúng tôi không tham gia cho đến tận một thời gian sau đó. Nhưng tôi nghĩ rằng, nếu Asahi Kasei không đảm nhận những thách thức mới như thế này, chúng tôi sẽ không bao giờ có thể phát triển đáng kể trong tương lai. Đó là lý do tại sao tôi, với tư cách là người phụ trách phát triển, đã lên phòng quản lý và cố gắng bắt đầu mọi việc: Chúng ta không thể cứ tiếp tục yêu cầu khách hàng hướng dẫn về những việc cần làm—sớm thôi chúng ta sẽ không thể tự đứng vững! Chúng ta cần bắt đầu giải quyết những thách thức lớn hơn! Và với các kỹ sư của mình, tôi đã nói "Này, chúng ta hãy cùng nhau phát triển thêm một số thứ thú vị nữa!"

 

―― Kimura-san, anh đã tham gia phát triển UD tape như thế nào?

Kimura: Tôi đã báo cáo với Mori-san từ năm 2019 và chúng tôi đã cùng nhau phát triển UD tape. Nhưng trước đó, tôi đã làm việc với sợi carbon tái chế (rCF) kể từ khi tôi gia nhập Asahi Kasei vào năm 2017. Một trong những dự án của tôi là phát triển các ứng dụng cho các loại vật liệu đúc phun được gia cố bằng rCF, mang lại độ bền riêng và độ cứng riêng tuyệt vời. Là một dự án phụ, để tạo điều kiện chuyển danh mục đầu tư của doanh nghiệp nhựa kỹ thuật khỏi đúc phun, tôi đã làm việc để phát triển các loại vải không dệt​​ bằng cách kết hợp sợi LEONA™ với rCF sợi dài, có chiều dài sợi khoảng vài cm

Các kỹ thuật đúc và quy trình đánh giá cần thiết cho vật liệu lai loại này hoàn toàn khác so với những kỹ thuật được sử dụng cho vật liệu đúc phun, và tôi đã cố gắng học mọi thứ có thể—tìm kiếm tài liệu học thuật, tham dự các hội thảo và hội nghị nghiên cứu, và thậm chí ngồi với những người vận hành thiết bị trên sàn nhà máy để cố gắng tối ưu hóa các điều kiện quy trình. Thật là mệt mỏi! Nhưng, khi nhìn lại, tôi sẽ không đánh đổi kinh nghiệm đó cho thế giới—những điều tôi học được trong quá trình đó, và các mối quan hệ tôi tạo ra với các nhà sản xuất khuôn và các viện nghiên cứu, vẫn đang mang lại lợi nhuận cho đến ngày nay để chúng tôi phát triển UD tape.

Tương lai của UD tape

――Băng UD tape sẽ phát triển như thế nào trong tương lai? Bạn thấy sản phẩm này sẽ phát triển như thế nào trong tương lai và bạn có thể hình dung ra những lĩnh vực ứng dụng mới nào?

Mori: Hiện tại, lịch trình phát triển của chúng tôi dựa trên kế hoạch đưa UD tape ra thị trường vào năm 2025 hoặc 2026. Chúng tôi hy vọng sẽ mở rộng triển vọng của mình để bao gồm các thiết bị điện và điện tử, sản phẩm thể thao và giải trí, vật liệu xây dựng—và cuối cùng là các thành phần ô tô và hàng không vũ trụ. Ví dụ, trong lĩnh vực thể thao, chúng tôi nghĩ sẽ có các ứng dụng cho các sản phẩm như gậy đánh gôn và giày thể thao.

Tôi cũng nghĩ rằng việc tìm kiếm các đối tác doanh nghiệp mới để hợp tác với chúng tôi sẽ rất quan trọng trong tương lai—đặc biệt là các công ty, dù lớn hay nhỏ, tham gia vào lĩnh vực đúc nhựa. Mọi người có thể hình dung Asahi Kasei là một công ty lớn, trưởng thành, đã thành danh—nhưng chúng tôi lại coi mình là một công ty khởi nghiệp nhỏ bé. Trên hết, mục tiêu của tôi là sử dụng UD tape để xây dựng các đề xuất kinh doanh hấp dẫn với các công ty đang tìm cách làm những điều thú vị và tạo dấu ấn trên thế giới.

Và tôi mong đợi thế hệ của Kimura sẽ giải quyết những thách thức mới để đưa Asahi Kasei phát triển thành một công ty—và đưa công ty tiến xa hơn nữa trong 100 năm tới.