Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu nâng cao độ điền đầy trong chế tạo bộ khuôn silicone với sự hỗ trợ của rung siêu âm

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Lịch sử phát triển khuôn silicone

Kỹ thuật khuôn chân không sử dụng silicone được bắt nguồn ở Châu Âu vào khoảng những năm 1960, tại các trường đại học kỹ thuật Dresden và Cottbus thuộc Cộng hòa Dân chủ Đức cũ với mong muốn khắc phục những hạn chế của khuôn cứng Các khuôn mềm dẻo như cao su cũng được các nhà phục chế và điêu khắc sử dụng để tạo ra các tác phẩm điêu khắc với khuôn được thiết kế tự động và tạo ra các đối tượng có hình học và cấu trúc phức tạp mà không làm hỏng chúng và có thể thu hồi khuôn

Hình 2.1 Khuôn silicone và sản phẩm Medusa [1]

Vào khoảng những năm 70 của thế kỉ XX, người Nhật đã mua kỹ thuật này và đã ứng dụng nó vào sản xuất công nghiệp các bộ phận ô tô Vài năm sau đó, công nghệ này đã được giới thiệu lại ở Châu Âu và nó được sử dụng rộng rãi trên khắp lục địa

Năm 1980 là năm ra đời của nhựa nhiệt rắn vào quy trình khuôn chân không Những loại nhựa này có thể bắt chước một cách hoàn hảo các đặc tính và thể hiện việc sử dụng vật liệu trong sản xuất hàng loạt Kể từ đó, nhiều cải tiến hơn đã đạt được, kết hợp thêm việc sử dụng CAD (Computer Aids Design) hiện đại đã cho phép khuôn chân không được thực hiện nhanh hơn, rẻ hơn và chính xác hơn

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 6

Hình 2.2 Khuôn Silicone và sản phẩm được chế tạo từ khuôn silicone [1]

Hiện nay ở hầu hết các quốc gia châu Âu, công nghệ này được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu và phát triển năng lực công nghiệp nhằm cung cấp sản xuất hàng loạt với sản phẩm được yêu cầu chất lượng tốt.

Vật liệu silicone

Silicone được sử dụng làm khuôn để sản xuất các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy thấp như nhựa, cao su, thạch cao và hợp kim nhiệt độ thấp

Silicone là một dạng elastome của silicon, là những hợp chất có chứa silic, cacbon, hydro, oxy và các loại nguyên tử khác nên có nhiều tính chất vật lý và hóa học rất khác nhau Tuỳ vào tính chất ứng dụng của silicone mà nghiên cứu cho ra tỉ lệ các thành phần trong hợp chất của silicone cũng sẽ khác nhau Một số dạng phổ biến của silicone thường thấy bao gồm dầu silicone, mỡ silicone, cao su silicone, nhựa silicone và keo silicone

Dưới chiếu xạ gamma, silicone có ba loại được chia theo dạng liên kết phân tử, bao gồm: chuỗi tuyến tính của polysiloxan, chất đàn hồi polysiloxane liên kết chéo và siloxan tuần hoàn [2] Tùy thuộc vào loại monomer được sử dụng, các hợp chất cao su silicone được biết đến rộng rãi trong sản xuất như methyl silicone, vinyl methyl silicone, phenyl methyl silicone, fluoroankeyl methyl silicone

Hình 2.3 Cấu trúc phân tử các hợp chất silicone

2.2.1 Tính chất chung của silicone v Tính chất hóa học: [3] [4]

−𝑆𝑖 − 𝑂 − 𝑆𝑖 − 𝑂 − 𝑆𝑖 − Silicone hoặc polysiloxanee là một polyme được tạo thành từ siloxane (− R2Si

− O − SiR2 –, trong đó R = nhóm hữu cơ) Chúng thường là dầu không màu hoặc các chất giống như cao su

Chính xác hơn khi gọi là siloxane polyme hóa hoặc polysiloxanee, silicone bao gồm chuỗi xương sống silicone – oxy vô cơ (⋯ −Si − O − Si − O − Si − O− ⋯) với hai nhóm hữu cơ gắn vào mỗi tâm silicone, thường là metyl

Bằng cách thay đổi độ dài chuỗi −Si – O−, nhóm bên và liên kết chéo, silicone có thể được tổng hợp với nhiều đặc tính và thành phần khác nhau Chúng có thể thay đổi về độ đặc từ lỏng sang gel, cao su đến nhựa cứng Siloxane phổ biến nhất là polydimethylsiloxane tuyến tính (PDMS), một loại dầu silicone Nhóm vật liệu silicone lớn thứ hai dựa trên nhựa silicone, được hình thành bởi các oligosiloxane dạng lồng và phân nhánh

Các liên kết siloxanee tạo thành mạch chính của Silicone rất ổn định Năng lượng liên kết của Si – O cao hơn năng lượng liên kết C – C (355 kJ/mol)

Bảng 2.1 So sánh liên kết Si – O và liên kết C – C [3]

Si – O C – C Độ dài liên kết (nm) 0.164 0.153 Năng lượng liên kết (kJ/mol) 444 355 Cấu trúc polymer có thể được mô tả bằng cách sử dụng các chữ cái M, D, T và Q để chỉ định các đơn vị monome Chất lỏng silicone tuyến tính được cấu tạo chủ yếu từ các đơn vị D Các polyme cơ bản cho chất đàn hồi silicone hoặc cao su silicone bao gồm các đơn vị là các nhóm liên kết ngang Đặc điểm cấu trúc chính của nhựa silicone phân nhánh cao là các đơn vị T, thường được kết hợp với các đơn vị D để làm cho nhựa linh hoạt hơn Nhựa silicon cũng có thể chứa các đơn vị Q và M [5]

Hình 2.5 Nguồn gốc, chức năng, lĩnh vực ứng dụng của các đơn vị cấu trúc silicone [5]

Vì silicone có mạch chính là một chuỗi các nguyên tử Si và O sắp xếp xen kẽ luân phiên nhau, thay vì liên kết C-C như các loại cao su khác Điều này tạo nên những tính chất đặc trưng riêng biệt cho silicone Do đó, khi so sánh với polymer hữu cơ thông thường thì silicone có tính chịu nhiệt cao hơn, ổn định hóa học hơn và cách điện tốt hơn v Đặc trưng vật lý [4] [6] Độ nhớt cao: Độ nhớt của silicone phụ thuộc vào trọng lượng phân tử của hợp chất silicone Mức độ trùng hợp càng lớn, trọng lượng phân tử càng cao và trọng lượng phân tử càng cao, polymer càng dài Polyme càng dài thì độ nhớt càng cao và độ nhớt càng cao, polymer sẽ chảy càng chậm Vật liệu silicone thể hiện các hành vi lưu biến Newton khi chúng có trọng lượng phân tử thấp và chúng không phụ thuộc vào tốc độ cắt được áp dụng trong quá trình xử lý Độ nhớt có ảnh hưởng tương đối nhỏ đến tính chất hóa học của cao su silicon, nhưng nó ảnh hưởng đến đặc tính dòng chảy và độ hòa tan

Sự gia tăng nhiệt độ của các silicon đó tạo ra hai hiệu ứng khác nhau về độ nhớt: Khi nhiệt độ tăng, độ nhớt giảm, nhưng khi phản ứng đóng rắn bắt đầu, độ nhớt

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 10 trở nên cao hơn do sự gia tăng trọng lượng phân tử của silicone, được tạo ra bởi các liên kết chéo Do đó, khi quá trình đóng rắn diễn ra, độ nhớt silicone cũng bắt đầu tăng lên gây cản trở dòng chảy silicone

Một minh họa về cách các tính chất vật lý thay đổi theo độ nhớt và trọng lượng phân tử được đưa ra trong Bảng 2.2 đối với chất lỏng methylpolysiloxane

Bảng 2.2 Tính chất vật lý gần đúng ở 25 ° C của chất lỏng methylpolysiloxane Độ nhớt ở 25°C, cSt

Hệ số nhớt/nhiệt độ

Hệ số giãn nở từ 25 đến 100°C

Trọng lượng riêng ở 25°C Điểm đóng rắn, °C

Sức căng bề mặt ở 25°C, mN/m Áp suất hơi ở

- Tính ổn định cao với nhiệt độ: Silicone có tính ổn định của các đặc tính trong phạm vi nhiệt độ rộng từ −100°C đến 250°C (duy trì mức 200°C trong vòng

- Khả năng chống chịu thời tiết và bức xạ: silicone có tính chịu thời tiết rất đặc biệt Hầu hết các loại cao su hữu cơ thông thường đều nhanh chóng bị làm

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 11 hỏng bởi Ozone nhưng lại không ảnh hưởng đến silicone Silicone không chứa các liên kết đôi trong mạch chính nên nó có tính kháng lão hóa rất tốt với các yếu tố môi trường nhớt Có thể tiếp xúc trực tiếp với gió mưa, ánh sáng và tia

UV trong thời gian dài mà hầu như không thay đổi tính chất vật lý của nó

Hình 2.6 Khả năng chịu nhiệt của các loại silicone ở điều kiện nhiệt độ cao và thấp [6] Bảng 2.3 Kết quả kiểm tra phơi nhiễm ngoài trời dài hạn nhiều loại cao su khác nhau [6]

Loại cao su Điều kiện

Thời gian cho đến khi các vết nứt trên bề mặt lần đầu tiên xuất hiện (năm)

Thời gian tiếp xúc với ánh sáng mặt trời cho đến khi độ giãn dài bằng 1/2 giá trị ban đầu (năm)

Panama Rock Island Panama Rock Island

(methyl vinyl) Hơn 10 năm Hơn 10 năm Hơn 10 năm Trên 10 năm giảm xuống 75% Silicone

(methylphenyl) – – Hơn 10 năm Hơn 10 năm

Ethylene propylene – – 10 Trên 8.5 năm giảm xuống 75%

Fluorine 10 10 Trên 10 năm giảm xuống 90%

- Khả năng chịu dầu, dung môi và phản ứng hóa học thấp: Đặc tính này đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi silicone trong ngành xây dựng (ví dụ như lớp phủ, chống cháy, con dấu bằng kính) và ngành công nghiệp ô tô (miếng đệm bên ngoài, trang trí bên ngoài)

Bảng 2.4 Khả năng kháng dầu và các hóa chất của Vinyl methyl silicone thông thường [6]

Loại dầu/hóa chất Điều kiện ngâm Thuộc tính °C x h Điểm độ cứng

Giới hạn bền kéo % Độ giãn dài %

Hóa chất Acid Conc Nitric acid 25 x 168 +10 +10 -80 30

Hình 2.7 Đồ thị thể hiện độ tương quan giữa độ trương của cao su với chỉ số hòa tan của dung môi [6] Đặc tính cách điện: Vì silicone có thể được chế tạo để có tính cách điện hoặc dẫn điện, nên nó phù hợp cho nhiều ứng dụng điện khác nhau

Khuôn silicone

2.3.1 Quá trình tạo khuôn silicone

Tùy vào độ phức tạp của sản phẩm và phương pháp tạo khuôn silicone mà chi tiết quá trình tạo khuôn silicone cũng sẽ khác Tuy nhiên, về cơ bản, quá trình đúc khuôn silicone sẽ có các bước như sau: [8]

Bước 1: Lựa chọn silicone và chất đóng rắn

Bước 2: Chuẩn bị các thành phần phụ gia (nếu có)

Bước 3: Trộn silicone và thêm các chất xúc tác

Bước 4: Hút chân không, loại bỏ bọt khí

Bước 8: Tạo phôi sản phẩm từ khuôn đúc silicone

Theo nguyên lý quá trình đúc sản phẩm, khuôn đóng vài trò rất quan trọng quyết định trực tiếp đến hình dạng, chất lượng sản phẩm

Dựa trên số lượng mảnh khuôn, khuôn đúc silicone thông thường được chia thành 2 loại bao gồm: khuôn một mảnh và khuôn hai mảnh

Khuôn một mảnh hay còn gọi là khuôn khối, được tạo ra bằng cách tạo thành một giá đỡ khuôn xung quanh nguyên mẫu (mold support) và đổ silicone để bao phủ chủ và lấp đầy giá đỡ khuôn (hình 2.13)

Hình 2.13 Bố trí đúc khuôn silicone một mảnh

Hình 2.14 Khuôn một mảnh và nguyên mẫu

Sau khi silicone đóng rắn, khuôn silicone (silicone rubber mold) được hình thành, đáy của giá đỡ khuôn được gỡ bỏ, tách nguyên mẫu ra khỏi khuôn silicone, làm lộ khoang khuôn (mold cavity) để đúc sản phẩm (như mô tả hình 2.14)

Khuôn hai mảnh hay còn gọi là khuôn tách, được hình thành từ việc đổ lần lượt hai nửa khuôn Quá trình hình thành khuôn hai mảnh bao gồm ba bước:

Bước 1: đặt nguyên mẫu trong giá đỡ khuôn Đặt một dải phân cách tạo mặt phân chia khuôn Chốt cố định (keyway) được tích hợp tại mặt phân khuôn để đảm bảo sự liên kết của hai nửa khuôn mỗi lần đổ Sau đó, đổ nửa đầu của khuôn silicone và để nó đóng rắn (hình 2.15)

Hình 2.15 Đổ nửa khuôn đầu của khuôn silicone hai mảnh

Hình 2.16 Đổ nửa khuôn còn lại của khuôn silicone hai mảnh

Bước 2: Tháo chốt cố định Sử dụng dầu tách khuôn trên nửa khuôn silicone đầu để ngăn hai nửa khuôn dính vào nhau Đổ nửa khuôn thứ hai của khuôn silicon và để nó đóng rắn (hình 2.16)

Bước 3: Sau khi nửa khuôn thứ hai được hoàn thiện, thao tác tách khuôn và gỡ bỏ giá đỡ được thực hiện Tách nguyên mẫu ra khỏi khuôn silicone, hai thành phần khuôn silicone và khoang khuôn để đúc sản phẩm được mô tả như hình

Khi đổ khuôn hai mảnh, tại mặt phân chia khuôn sẽ hình thành đường chia khuôn (Parting line) Do đó, quá trình thiết kế khuôn hai mảnh cần đưa ra phương án loại bỏ hoặc hạn chế ảnh hưởng đường phân chia khuôn đến chất lượng sản phẩm đúc

Hình 2.17 Khuôn hai mảnh hoàn thiện

Bên cạnh khuôn một mảnh và khuôn hai mảnh, khuôn găng tay cũng là một trong những phương pháp đổ khuôn silicone hiệu quả Với cấu tạo khuôn bao gồm hai mảnh ghép, khuôn găng tay còn có thêm một lớp khuôn mỏng bên trong, nhằm xoá bỏ sự hình thành của đường phân khuôn cũng như hỗ trợ cho việc tách nguyên mẫu và sản phẩm đúc ra khỏi lòng khuôn một cách dễ dàng hơn so với mô hình khuôn một mảnh Để tạo lớp khuôn găng tay mỏng phía bên trong như hình 2.18, có hai cách là đổ lớp khuôn mỏng hoặc quét lên nguyên mẫu v Khuôn găng tay đổ:

Bước 1: Để bắt đầu một khuôn găng tay đổ, đặt một lớp đất sét đồng nhất lên trên nguyên mẫu như hình 2.18

Bước 2: Tương tự khuôn hai mảnh, thiết lập giã đở, chốt định vị và đổ nửa khuôn thứ nhất như hình

Bước 3: Đổ nửa khuôn còn lại

Bước 4: Tách khuôn và loại bỏ lớp đất sét ra khỏi nguyên mẫu

Bước 5: Sau khi loại bỏ đất sét ra khỏi nguyên mẫu và thiết lập mô hình như hình 2.21, hình 2.22 Tiếp tục đổ silicone vào rãnh, hình thành lớp khuôn mỏng bên trong hai mảnh khuôn

Bước 6: Tách nguyên mẫu ra khỏi khuôn, khoang khuôn hình thành như hình

Hình 2.18 Bước 1 trong quy trình đúc khuôn găng tay đổ

Hình 2.19 Bước 2 trong quy trình đúc khuôn găng tay đổ

Hình 2.20 Bước 3 quy trình đúc khuôn găng tay đổ

Hình 2.23 Hình chiếu mô hình khuôn găng tay đổ

Hình 2.24 Khuôn găng tay và nguyên mẫu v Khuôn găng tay quét:

Khuôn găng tay đặt không cho độ dày đồng đều như khuôn găng tay đổ Chúng cũng có thể cần được xử lý theo từng lớp để có được độ dày mong muốn Các bước thực hiện như sau:

Bước 1: Quét hai lớp silicone trên toàn bề mặt nguyên mẫu để tạo lớp khuôn mỏng bên trong Có thể gia cố thêm các thành phần khác như sợi vải hoặc composite để silicone không bị chảy xuống

Hình 2.25 Bước 1 trong quy trình đúc khuôn găng tay quét

Bước 2: Tương tự khuôn găng tay đổ, tạo nửa khuôn thứ nhất như hình 2.25 Bước 3: Tạo nửa khuôn thứ 2

Bước 4: Tách sản phẩm ra khỏi khuôn, lòng khuôn được mô tả như hình Tiến hành đúc sản phẩm

Hình 2.26 Bước 2 trong quy trình đúc khuôn găng tay quét

Hình 2.27 Bước 3 quy trình đúc khuôn găng tay quét

Hình 2.28 Bước 4 quy trình đúc khuôn găng tay quét v Nhận xét: Các mô hình khuôn đều có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau Tuỳ vào đặc tính và yêu cầu sản phẩm mà thiết kế mô hình khuôn silicone phù hợp

Khuôn một mảnh: có cấu tạo đơn giản, khuôn được hình thành từ một lần đổ nên thời gian tạo khuôn nhanh Ngoài ra, khuôn một mảnh hạn chế được sự hình thành đường phân chia khuôn so với khuôn hai mảnh Tuy nhiên, đối với các sản phẩm có độ dày lớn và độ phức tạp cao, quá trình tháo khuôn gặp khó khăn hơn, khuôn sẽ dễ bị biến dạng và xước

Khuôn hai mảnh: có cấu tạo phức tạp hơn, thời gian tạo bộ khuôn tốn nhiều thời gian hơn khuôn một mảnh Quá trình tạp khuôn hai mảnh hình thành đường phân chia khuôn tại mặt phân khuôn, do đó cần có phương án thiết kế khuôn cụ thể cho từng sản phẩm để loại bỏ ảnh hưởng của nó Ưu điểm của phương án chế tạo khuôn hai mảnh là có thể dễ dàng tách khuôn và sản phẩm, ứng dụng được cho nhiều loại hình sản phẩm

Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ điền đầy khuôn silicone

Độ điền đầy khuôn silicone chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố liên quan đến đặc tính vật liệu, kích thước nguyên mẫu và một phần vào mô hình chế tạo bộ khuôn Trong đó, vật liệu và nguyên mẫu có tác động nhiều nhất đến khả năng điền đầy khuôn silicone: v Đặc tính vật liệu: Độ nhớt: Có một số thang đo kích thước có thể được sử dụng để đánh giá độ chính xác của khuôn Thứ nhất, có kích thước siêu nhỏ của thành phần, xác định các đặc tính bề mặt như độ bóng, xúc giác hoặc độ nhám, cũng như chất lượng của chữ khắc Ở đây, độ lệch kích thước dao động từ nano đến micromet Loại sai lệch kích thước này chủ yếu phụ thuộc vào độ nhớt của silicone hoặc PUR tương ứng [16]

Silicone ở trạng thái lỏng đã có độ nhớt cao, khi quá trình đóng rắn bắt đầu, độ nhớt của silicone cũng bắt đầu tăng lên Sự thay đổi độ nhớt của silicone ảnh hưởng đến tốc độ và làm mất cân bằng dòng chảy silicone trong quá trình đúc khuôn Thêm vào đó, tính chất kết tính của silicone cũng làm cản trở dòng chảy silicone, vận tốc của các phân tử silicone giảm dần tại các vị trí tiếp xúc với thành khuôn và nguyên mẫu

Thời gian đóng rắn: Thời gian hoạt động hai thành phần bắt đầu phản ứng hóa học từ thời điểm trộn, nếu thời gian trộn quá lâu, các khuyết tật đúc sẽ xuất hiện cho sự thay đổi thanh khoản vật liệu [17] v Kích thước nguyên mẫu:

Hình 2.30 Sai lệch kích thước của những nguyên mẫu có độ phức tạp cao [16]

Hình dạng sản phẩm càng phức tạp, tác động đến kích thước của độ chính xác của khuôn càng lớn và dễ gây ra ứng suất leo của bộ phận tạo hình Đồng thời, sau khi khuôn silicone được xử lý hoàn toàn, nó không chỉ làm tăng độ khó mở khuôn mà còn dễ gây ra sự mài mòn bề mặt của khuôn cho nguyên mẫu và sẽ có độ chính xác bề mặt kém [17]

Thiệt hại bề mặt ở những chu kỳ đúc xuất hiện đầu tiên có thể nhìn thấy tùy thuộc vào diện tích bề mặt cụ thể tương ứng [16] Với những nguyên mẫu có diện tích bề mặt nhỏ nhưng có độ dầy lớn, những ảnh hưởng từ độ nhớt, độ bám dính của silicone làm cho dòng vật liệu không chảy đến được, làm thiếu liệu tại các vị trí này

Trên là một số các yếu tố có ảnh hưởng đến dòng chảy silicone, làm mất cân

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 39 bằng dòng chảy silicone trong quá trình đúc khuôn Dòng chảy silicone không được cân bằng dẫn đến việc silicone không chảy đến được các vị trí có kích thước hẹp, làm giảm khả năng điền đầy của silicone.

Sóng âm

Nhiễu động lặp lại và định kỳ di chuyển qua một môi trường từ vị trí này sang vị trí khác được gọi là sóng Sóng di chuyển qua môi trường rắn có thể là sóng ngang hoặc sóng dọc Tuy nhiên, sóng truyền qua phần lớn chất lỏng hoặc chất khí luôn là sóng dọc

Sóng ngang là sóng trong đó các hạt của môi trường di chuyển theo hướng vuông góc với hướng mà sóng di chuyển Sóng dọc là sóng trong đó chuyển động của các hạt riêng lẻ của môi trường theo hướng song song với hướng vận chuyển năng lượng

Nếu môi trường không cứng như trường hợp của chất lỏng và chất khí, các hạt sẽ trượt qua nhau Hành động trượt này là đặc trưng của chất lỏng và chất khí ngăn một hạt thay thế hạt xung quanh nó theo hướng vuông góc với hướng vận chuyển năng lượng Chính vì lý do này mà chỉ có sóng dọc được quan sát thấy di chuyển qua phần lớn chất lỏng [18] Âm thanh là một sóng cơ học được tạo ra bởi một vật thể rung và lan truyền trong môi trường chất rắn, chất lỏng và chất khí, không truyền trong chân không Các rung động của vật thể đặt các hạt trong môi trường xung quanh theo chuyển động rung động mà qua đó sóng âm thanh đang di chuyển và vận chuyển năng lượng qua môi trường

Qua chất rắn, sóng âm có thể được truyền dưới dạng cả sóng dọc và sóng ngang Sóng âm trong không khí và bất kỳ môi trường chất lỏng nào là sóng dọc vì các hạt của môi trường mà qua đó âm thanh được vận chuyển rung động song song với hướng mà sóng âm thanh di chuyển

Nguồn âm là những vật dao động phát ra âm thanh Có thể phân nguồn âm thành hai loại là nguồn âm tự nhiên (tiếng sấm, tiếng thác nước chảy, v.v) và nguồn âm nhân tạo (tiếng đàn, loa, tiếng động cơ, v.v)

Theo tần số âm, âm thanh được chia làm ba loại bao gồm sóng hạ âm, âm nghe được và sóng siêu âm

Những âm có tác dụng làm cho màn nhĩ trong tai ta dao động, gây ra cảm giác âm gọi là âm nghe được hay còn được gọi là ngưỡng nghe Âm nghe được có tần số nằm trong khoảng từ 16 Hz đến 20 000 Hz Âm có tần số nhỏ hơn 16 Hz (dưới ngưỡng nghe) thì tai người không nghe được và gọi là hạ âm Tuy nhiên, một số loài vật như voi, chim bồ câu có thể nghe được hạ âm Âm có tần số lớn hơn 20 000 Hz (trên ngưỡng nghe) thì tai người cũng không nghe được và gọi là siêu âm Một số loài vật như dơi, chó, cá heo, v.v có thể nghe được siêu âm

2.5.3 Sự truyền âm của sóng âm

Môi trường các chất rắn, chất lỏng và chất khí đều có thể truyền được âm thanh Khi các nguồn âm dao động, các hạt cấu tạo nên chất đó cũng dao động khiến âm thanh được truyền đi Âm thanh không thể truyền trong chân không vì trong chân không có các hạt không được cấu tạo liên kết với nhau Âm cũng không truyền được qua các chất xốp như bông, len, v.v Vì vậy mà chúng được xem như vật liệu cách âm dùng trong xây dựng và đời sống

Tốc độ của sóng được định nghĩa là khoảng cách mà một điểm trên sóng (chẳng hạn như nén hoặc hiếm) di chuyển trên một đơn vị thời gian, nó thường được biểu thị bằng đơn vị mét / giây (viết tắt là m/s) Ở dạng phương trình, đây là:

Tốc độ = Khoảng cách/Thời gian Sóng âm thanh truyền đi càng nhanh, nó sẽ bao phủ càng nhiều khoảng cách trong cùng một khoảng thời gian Sóng nhanh hơn bao phủ nhiều khoảng cách hơn trong cùng một khoảng thời gian Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào tính chất của môi trường mà nó truyền qua, bao gồm bản chất cấu tạo, tính đàn hồi, mật độ, nhiệt độ

Thông thường có hai loại thuộc tính thiết yếu ảnh hưởng đến tốc độ sóng là thuộc tính quán tính và tính chất đàn hồi Tính chất đàn hồi là những tính chất liên

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 41 quan đến xu hướng của vật liệu để duy trì hình dạng của nó và không biến dạng bất cứ khi nào một lực hoặc ứng suất được tác dụng lên nó Một vật liệu như thép sẽ trải qua một biến dạng rất nhỏ về hình dạng và kích thước khi ứng suất được áp dụng cho nó Thép là một vật liệu cứng với độ đàn hồi cao Mặt khác, một vật liệu như dây cao su rất linh hoạt Khi một lực được tác dụng để kéo căng dây cao su, nó sẽ biến dạng hoặc thay đổi hình dạng của nó một cách dễ dàng Một ứng suất nhỏ trên dây cao su gây ra biến dạng lớn Nhìn chung, chất rắn có sự tương tác mạnh nhất giữa các hạt, tiếp theo là chất lỏng và sau đó là chất khí Vì lý do này, tốc độ truyền âm trong chất rắn lớn hơn chất lỏng, và trong chất lỏng lớn hơn chất khí Khi sóng âm truyền từ môi trường này sang môi trường khác thì tần số của sóng không đổi

Vchất rắn > Vchất lỏng > Vchất khí Tính chất quán tính là những tính chất liên quan đến xu hướng chậm chạp của vật liệu đối với những thay đổi trong trạng thái chuyển động của nó Mật độ của một môi trường là một ví dụ về tính chất quán tính Quán tính càng lớn (tức là mật độ khối lượng) của các hạt riêng lẻ của môi trường, chúng sẽ càng ít phản ứng với các tương tác giữa các hạt lân cận và sóng sẽ càng chậm Như đã nêu ở trên, sóng âm thanh truyền đi nhanh hơn trong chất rắn so với trong chất lỏng so với trong khí Tuy nhiên, trong một pha duy nhất của vật chất, tính chất quán tính của mật độ có xu hướng là thuộc tính có tác động lớn nhất đến tốc độ âm thanh Sóng âm thanh sẽ truyền nhanh hơn trong một vật liệu ít đặc hơn so với vật liệu dày đặc hơn

2.5.4 Những đặc trưng vật lý của sóng âm

Sóng âm thường được đơn giản hóa để mô tả dưới dạng sóng mặt phẳng hình sin, được đặc trưng bởi các tính chất chung sau: Tần số, hoặc nghịch đảo của nó là bước sóng; Cường độ âm hoặc biên độ, áp suất âm thanh; Mức cường độ âm v Tần số âm:

Tần số âm là một trong những đặc trưng vật lý quan trọng nhất của âm Một sóng âm thanh, giống như bất kỳ sóng nào khác, được đưa vào môi trường bởi một vật thể rung Các vật thể rung là nguồn gốc của nhiễu di chuyển qua môi trường Đối tượng rung tạo ra sự xáo trộn có thể là dây thanh âm của một người, dây rung và bảng âm thanh của guitar hoặc violin, các thiếc rung điều chỉnh hoặc màng

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 42 loa rung của loa radio Bất kể vật thể rung nào đang tạo ra sóng âm thanh, các hạt của môi trường mà qua đó âm thanh di chuyển đang rung theo chuyển động qua lại ở một tần số nhất định Tần số của sóng đề cập đến tần suất các hạt của môi trường rung động khi sóng đi qua môi trường Tần số của sóng được đo bằng số lượng rung động qua lại hoàn toàn của một hạt của môi trường trên một đơn vị thời gian

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Mục đích nghiên cứu thực nghiệm

Trong chương 2 đã tổng hợp các cơ sở lý thuyết, những phân tích về khuôn silicone cũng như những tác động của rung siêu âm đến chất lượng khuôn silicone, làm cơ sở cho quá trình chế tạo khuôn silicone chất lượng cao, nâng cao độ điền đầy khuôn Tuy nhiên, mối quan hệ của các thành phần trong quá trình chế tạo đối với chất lượng khuôn silicone không thể mô tả bằng lý thuyết Do đó, cần phải tiến hành nghiên cứu thực nghiệm thực tế để đánh giá được sự ảnh hưởng của các yếu tố chính trong quá trình chế tạo đến độ điền đầy của khuôn silicone

Mục đích của quá trình nghiên cứu bằng thực nghiệm là đánh giá tác động của rung siêu âm đến chất lượng khuôn silicone, cụ thể là độ điền đầy khuôn, từ đó xây dựng mối quan hệ giữa các thông số đầu vào với các chỉ tiêu đầu ra dưới dạng mô hình thực nghiệm sao cho vừa nhận được thông tin chính xác, đầy đủ về đối tượng nghiên cứu vừa đảm bảo tính hiệu quả

Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm được thể hiện ở hình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm

X - Các yếu tố đầu vào (thông số đầu vào), X ở đây gồm 3 thông số: Tỉ lệ chất đóng răn, thời gian rung siêu âm và tần số rung siêu âm

Z - Các yếu tố điều khiển được (cố định trong quá trình thí nghiệm)

S/N - Các yếu tố không điều khiển được, còn được gọi là các “nhiễu‟‟ trong nghiên cứu thực nghiệm

Y - Các chỉ tiêu đầu ra để đánh giá đối tượng nghiên cứu, Y ở đây là độ điền đầy khuôn.

Mô hình và thiết bị thực nghiệm

Lựa chọn mô hình thực nghiệm đáp ứng yêu cầu đánh giá chất lượng khuôn giữa quy trình chế tạo khuôn silicone trong trường hợp không áp dụng và có áp dụng phương án rung siêu âm trong quá trình chế tạo

Quá trình thực nghiệm được tiến hành tại phòng Lab 3 – Xưởng C1 – Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh

Tiến hành thực nghiệm theo sơ đồ khối như sau:

Hình 3.2 Sơ đồ quá trình thực nghiệm

Lựa chọn mô hình thực nghiệm

Chuẩn bị trang thiết bị, nguyên vật liệu dùng trong thực nghiệm Đúc thâm dò Đánh giá sơ bộ và nhận xét

Quy hoạch và tổ chức thực nghiệm

Kiểm tra kết quả Đánh giá và bàn luận khoa học

3.2.1 Thiết kế và chế tạo nguyên mẫu v Thiết kế nguyên mẫu

Tác giả tham khảo và lựa chọn nguyên mẫu thực hiện thí nghiệm dựa trên nghiên cứu khoa học “The Deterioration Mechanism of Silicone Molds in Polyurethane Vacuum

Casting” [16] Nghiên cứu đã chỉ ra rằng “Thiệt hại bề mặt ở những chu kỳ đúc xuất hiện đầu tiên có thể nhìn thấy tùy thuộc vào diện tích bề mặt cụ thể tương ứng.” [16]

Hình 3.3 Nguyên mẫu và những phân tích trong bài báo [16]

Mô hình là một điển hình của lỗi thiếu vật liệu (hay lỗi short shot) tại các vị trí có khe hẹp, góc nhọn Kích thước của mẫu thí nghiệm được thể hiện rõ như hình 3.4

Hình 3.4 Bản vẽ sản phẩm thực nghiệm

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 53 v Chế tạo nguyên mẫu

Tác giả lựa chọn phương án chế tạo sản phẩm bằng phương pháp in 3D, tham khảo những phân tích hiệu quả của phương án qua nghiên cứu “Design guidelines for plastic casting using 3D printing” [23], “Dựa trên các thử nghiệm được thực hiện và phân tích định lượng các thông số được kiểm tra, có thể khẳng định rằng các công nghệ bồi đắp kết hợp với đúc thông thường với việc sử dụng nhựa mô hình có thể được sử dụng để tạo ra các đợt sản xuất ngắn và đặc biệt là để chế tạo các mô hình nguyên mẫu, có thể được một giải pháp thay thế cho các công nghệ truyền thống tốn thời gian và tốn kém.” [23]

Do đó, phương án chế tạo nguyên mẫu bằng phương pháp in 3D phù hợp với mô hình nghiên cứu của tác giả với vật liệu in được sử dụng là nhựa lỏng ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)

Các tính chất quan trọng khi lựa chọn phương pháp chế tạo nguyên mẫu thực nghiệm trong nghiên cứu của tác giả:

- Phương pháp in 3D cho phép chế tạo ra nguyên mẫu có độ chính xác cao với chi phí thấp và thời gian sản xuất nhanh

- Nhựa ABS có độ bền kéo cao, khả năng chịu ứng suất cao với biến dạng tối thiểu Ngoài ra, nhựa ABS có giá thành rẻ, phổ biến trong các vật liệu in 3D hiện nay

Hình 3.5 Nguyên mẫu được chế tạo bằng công nghệ in 3D

Tác giả lựa chọn phương án thiết kế khuôn 2 mảnh với mô hình thiết kế như hình 3.6:

Hình 3.6 Thiết kế khuôn silicone hai mảnh

Hình 3.7 Hình dạng khuôn âm được thiết kế trên phần mềm CAD

Hình 3.8 Thiết kế mô hình chế tạo khuôn trên phần mềm CAD

Kích thước tổng quát của mô hình chế tạo khuôn là 130x130x80mm, với các thành phần được liệt kê trong bảng 3.1

Bảng 3.1 Bảng liệt kê các thành phần buồng cách ly và nguyên mẫu

STT Tên chi tiết Số lượng Vật liệu Gia công

1 Đế khuôn 1 Mica 20mm Cắt laser

2 Gá đỡ 1 Mica 10mm Cắt laser

3 Thành khuôn 4 Mica 10mm Cắt laser

4 Nắp 1 Mica 10mm Cắt laser

5 Cổng rót 1 Mica 2mm Cắt laser

6 Cổng thoát 1 Mica 2mm Cắt laser

7 Chốt định vị 1 Mica 10mm Cắt laser

8 Nguyên mẫu 1 Nhựa ABS In 3D

3.2.3 Thiết kế mô hình truyền rung siêu âm

Mô hình truyền rung siêu âm là cơ cấu rất quan trọng đối với thực nghiệm và ý nghĩa của đề tài Tác giả lực chọn thiết kế mô hình truyền rung siêu âm dựa trên mô

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 56 hình nghiên cứu làm sạch bằng rung siêu âm như hình 3.9 [24]:

Hình 3.9 Hệ thống siêu âm hỗ trợ làm sạch [24]

Hình 3.10 Mô tả dao động và tần số của hệ thống rửa siêu âm [25]

Theo hệ thống siêu âm được mô tả như hình 3.9, mô hình truyền rung siêu âm với các thiết bị và cơ cấu chính bao gồm: máy phát sóng siêu âm, transducer và tấm rung Với thiết kế như trên, khi lựa chọn một loại transducer cho mô hình, với 3 tần số thay đổi “biên độ ở mỗi tần số không đổi ở mức gấp ba lần mức có thể đạt được bằng cách sử dụng ba transducer trên một bề mặt bức xạ duy nhất” [25] (hình 3.10) v Các thiết bị siêu âm được sử dụng trong luận văn:

HVTH: TRẦN THỊ NGÂN_2070319 Trang 57 v Máy rung siêu âm: Thực nghiệm sử dụng máy sóng siêu âm Ultrasonic Generator Aquatron – 625 Thông tin chi tiết máy rung siêu âm:

- Điện áp cung cấp chính: ~ 200V

- Công suất đầu vào tối đa: 600W

- Tần số điều chỉnh tối đa: 25kHz

- Kích thước chung (dài x rộng x cao): 400x600x200mm

Hình 3.11 Máy phát sóng siêu âm Aquatron - 625 v Transducer được sử dụng trong thực nghiệm là transducer loại sandwich, MPI-C-28 (hình 3.11)

Hình 3.12 Transducer dùng trong thực nghiệm

- Tổng chiều dài trục là 66 mm,

- Đường kính trục trước 45 mm, chiều cao là 30mm Đường kính trục sau là 67 mm, chiều cao là 36mm

- Dạng sóng truyền: sóng dọc

- Tần số hoạt động: 28 kHz

- Công suất hoạt động liên tục: 100 Watts, với kết quả tốt nhất sẽ đạt được với bộ nguồn MMM

- Yếu tố chất lượng cơ học cao

- Trở kháng: 10 – 20 W Trở kháng cộng hưởng rất thấp (điện áp truyền động thấp hơn) và trở kháng cộng hưởng song song rất cao (tổn thất thấp)

- Được làm bằng thép không gỉ cao cấp, nhôm chất lượng cao và PZT mật độ cao Đặc tính tần số của transducer trên vùng tần số cộng hưởng có thể được mô tả bằng cách sử dụng mô hình Butterworth-Van Dyke (BVD) Các bộ phận cơ khí (Rs,

Ls, Cs) và các bộ phận điện (tụ Co) của transducer được thể hiện trên hình 3.14 [26]

Hình 3.14 Mô hình Butterworth-Van Dyke [26]

Trở kháng đầu vào (zs) transducer:

Tần số cộng hưởng (𝜔 ' ) của transducer có thể đạt được bằng:

Tiêu đề	Nghiên cứu nâng cao độ điền đầy trong chế tạo bộ khuôn silicone với sự hỗ trợ của rung siêu âm
Tác giả	Trần Thị Ngân
Người hướng dẫn	PGS.TS Trần Anh Sơn
Trường học	Đại học Quốc gia Tp. HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật Cơ khí
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	118
Dung lượng	5,22 MB