KỸ THUẬT hút CHÂN KHÔNG

Đây là tài liệu trình bày quy trình hút chân không khi đóng tàu bằng vật liệu composite. Tài liệu mô tả các kỹ thuật hút chân không cũng như các phương pháp thực hiện và quy trình thi công một cách cụ thể. Tài liệu dành cho các bạn đang học tập và nghiên cứu về việc đóng tàu bằng vật liệu composite

KỸ THUẬT HÚT CHÂN KHƠNG MỞ ĐẦU Với nhiều tính ưu việt, vật liệu composite sử dụng ngày rộng rãi, nhiều lĩnh vực: Hàng không, ô tô, tàu thủy… Vật liệu composite vật liệu tổ hợp từ thành phần Một thành phần phải “khoẻ” cứng (gọi cốt), thành phần thứ hai (“nền”) phải cứng bao quanh hạt khoẻ với liên kết chặc chẽ Nói chung, vật liệu composite làm việc tốt có tỉ lệ phần khoẻ lớn lượng nhất, đủ để làm ướt sợi điền đầy lỗ trống Khi vật liệu composite có sức bền tính xấp xỉ với riêng vật liệu cốt Phương pháp thi cơng đóng vai trò định đến tỉ lệ – cốt vật liệu composite Bài viết giới thiệu với bạn đọc phương pháp phổ biến hiệu để tạo nên vật liệu composite có độ bền cao: Phương pháp hút chân không I GIỚI THIỆU Hầu hết sản phẩm composite thương mại sử dụng sử dụng Polymer với sợi gia cường sợi thủy tinh, sợi aramid sợi carbon Kỹ thuật cung cấp nhựa với trợ giúp chân không trở nên phổ biến chế tạo vật liệu composite có độ bền cao Phương pháp cung cấp nhựa chân tên gọi khác nhau: - VARTM: Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding - VARIM: Vacuum Assisted Resin Infusion Moulding - VBRTM: Vacuum Bag Resin Transfer Moulding - VARI: Vacuum Assisted Resin Infusion process Tất phương pháp đòi hỏi kỹ thuật, miêu tả thấm ướt vật liệu gia cường (khô) nhựa lỏng nhiệt rắn áp lực chân khơng Quy trình cơng nghệ chế tạo composite thực với trợ giúp chân không gọi VARIM Theo quy trình nhựa đưa vàơ khuôn nhờ sử dụng phương pháp chân không Phương pháp trở thành kỹ thuật chế tạo composite cao cấp hiệu nay, do: dụng cụ thi công có giá thành thấp khả chế tạo sản phẩm có kích thước lớn (như thân tàu), hàm lượng bọt khí bên sản phẩm đúc ít, giảm mùi bốc ra, phế liệu so với kỹ thuật gia cơng khác II MƠ TẢ PHƯƠNG PHÁP VARIM VARIM quy trình cơng nghệ composite để chế tạo sản phẩm có kích thước lớn, chất lượng cao Trong quy trình này, sợi khơ đặt vào khuôn mở túi nhựa hút chân không gắn lên khn Một phía khn nối với nguồn nhựa bơm chân không Nhựa lỏng truyền vào vật liệu gia cường từ đầu đến cuối khn (hình 2) Các bước quy trình hút chân không: Bước 1: Khuôn - Chuẩn bị khuôn - Lựa chọn vật liệu gia cường - Lựa chọn môi trường truyền nhựa vật liệu lõi Bước 2: Đường dẫn nhựa chân không - Lựa chọn ống dẫn nhựa - Lựa chọn ống dẫn chân không Bước 3: Bao chân khơng - Đóng bao chân khơng Bước 4: Bơm chân không - Đảm bảo bơm phù hợp - Gắn bơm Bước 5: Chuẩn bị chất lỏng - Lựa chọn nhựa - Bố trí thùng đựng nhựa Bước 6: Truyền nhựa - Pha chất xúc tác vào nhựa - Mở khóa ống dẫn nhựa Bước 7: Thí nghiệm kiểm tra để cải tiến - Lợi ích việc cung cấp nhựa phương pháp truyền chân không - Sự khác biệt điển hình việc lắp đặt hệ thống hút chân khơng III THIẾT BỊ HÚT CHÂN KHƠNG Bơm chân không Bơm chân không trái tim hệ thống chân không, bơm chân không giống máy nén khí, làm việc theo chiều ngược với chiều nén (hút), khơng khí hút từ hệ thống kín rút ngồi đến áp suất khí Bơm chân khơng thiết kế có khả tạo: áp lực chân không “Hg tối đa” (Hg ký hiệu hóa học Thủy ngân); Độ dịch chuyển khơng khí tính đơn vị ft3/ph (CFM) công suất yêu cầu truyền động đến bơm Áp suất chân khơng Bơm có mức Hg max mức chân không tối đa bơm (được đo inches thủy ngân) Mức chân không biến thành tổng áp lực ép chặt, áp suất khơng khí với inches Hg (2 ’’Hg) = pound/inches2 (1psi) = 6894,75 N/m2 (1 atm = 29,92 inches Hg = 14,7 psi = 101352,93 N/m2) Nếu đóng bao chân khơng dát lớp 1ft2với độ chân không 20’’Hg mang lại lực ép chặt 10 psi 1440 pounds (6405 N) lực ép chặt tồn diện tích dát lớp Nếu dát có kích thước 4’ x 8’ với độ chân không 20’’Hg (10 psi) mang lại lực ép chặt lớn 46000 pounds trải rộng toàn Độ dịch chuyển khơng khí Thể tích khơng khí bơm có khả hút tính tốc độ dịch chuyển khơng khí ft 3/ph (viết tắt CFM), thông số quan trọng để cân nhắc lựa chọn bơm Nếu hệ thống chân không (bơm, khuôn, túi chân không, hệ ống, tất đường nối mối nối) tuyệt đối kín khí, bơm cỡ kéo độ chân không cực đại với khả bất chấp kích cỡ hệ thống Tuy nhiên, để tạo hệ thống chân không kín hồn hảo gần khơng thể, đặc biệt hệ thống lớn hình dáng phức tạp Bộ phận khép kín bơm đạt độ chân khơng tối đa trì lực ép thích hợp tốc độ CFM lớn chống lại độ lọt khí tích lũy hệ thống Một bơm chân khơng có tốc độ CFM cao đạt lực ép chặt nhanh chóng, hiệu Đây điều đáng quan tâm thời gian kết dính giới hạn yêu cầu đủ lực ép chặt đảm bảo liên kết tốt lớp Công suất hiệu suất Công suất yêu cầu máy bơm thị cho thấy bơm hoạt động hiệu phù hợp bơm với kỹ thuật đóng bao chân không Khi lựa chọn bơm, sử dụng thông số “Hg tối đa” CFM dẫn công suất Bơm nhỏ thiết kế cho ứng dụng riêng, bỏ mức chân không CFM phù hợp cho công việc riêng biệt Thơng thường, để có hai thông số cao: “Hg tối đa” CFM, việc thêm cơng suất cần thiết Bơm có phạm vi từ ¼ đến HP hữu ích cho kỹ thuật hút chân khơng xưởng đóng tàu vừa, hoạt động sản xuất lớn bơm lớn 20HP 30HP Lựa chọn bơm Kích cỡ hình dáng khn, kiểu số lượng vật liệu thi công xác định yêu cầu tối thiểu bơm Nếu dát Panel phẳng gồm: vài lớp thủy tinh, gỗ dán phẳng vật liệu lõi, cần áp suất 5” – 6” Hg (2,5-3 Psi) cung cấp đủ áp lực ép chặt cho liên kết tốt tất lớp Nếu diện tích panel giới hạn tới vài ft 2, bơm có hệ số CFM thích hợp trì áp lực ép chặt Khi diện tích panel tăng, yêu cầu CFM tăng tương ứng Dung tích bơm 3,5 CFM thích hợp cho Panel có diện tích đến 14’ Đối với công việc lớn hơn, bơm với dung tích 10 CFM sử dụng Những mối nối (của hệ thống ống, lớp bao chân khơng) có lớp đệm khó kín khí, u cầu bơm có cơng suất lớn để trì đủ áp lực chân khơng Hệ thống kín khí cần bơm có cơng suất nhỏ Hình thể mối quan hệ tốc độ hút khơng khí mức chân không – Làm sở cho việc lựa chọn công suất bơm theo yêu cầu hút chân khơng; Bơm có hệ số “Hg tối đa” lớn yêu cầu cần thêm áp lực ép chặt đến lực ép thích hợp với khn có hình dáng phức tạp Khn có độ cong khn ghép dát lớp với nhiều lớp ván ép cứng vật liệu lõi u cầu độ chân khơng 20-28” Hg để cung cấp lực ép chặt thích hợp Mặt khác, kích cỡ Panel giới hạn vài ft2, bơm có thơng số CFM với độ chân không cao sử dụng, lớp bao kín khí Tuy nhiên, Panel hay vỏ tàu lớn lấy bơm tối thiểu 10 CFM để đạt trì đủ lực ép chặt, nén tất lớp dát đến sát biên dạng khuôn tạo vật đúc thành khối đồng Nói chung, bơm tốt cho kỹ thuật hút chân khơng bơm có khả hút khối lượng khơng khí lớn, tạo áp lực chân không đạt yêu cầu công suất hợp lý IV CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN Để đánh giá đúng, đầy đủ kỹ thuật truyền nhựa với hỗ trợ chân không, thiết phải hiểu nguyên lý ảnh hưởng thông số: Thời gian điền đầy t Thời gian điền đầy t việc cấp nhựa cho hình chữ nhật tính theo phương trình (1) Trong đó: φ: Tỉ lệ thể tích (độ xốp) vật liệu gia cường K: Độ thấm vật liệu gia cường η : Độ nhớt nhựa xf: Khoảng cách chảy (chiều dài tấm) ΔP: Độ chênh áp suất (hằng số suốt trình truyền nhựa) Phương trình (1) cho thấy ảnh hưởng thông số khác đến thời gian điền đầy Những thông số phân cho đặc trưng vật liệu, sản phẩm quy trình thực hiện: - Đặc trưng vật liệu: Độ nhớt nhựa: Độ nhớt nhựa thường thường giới hạn từ 100 đến 500mPa Thời gian điền đầy có liên quan trực tiếp đến độ nhớt (xem phương trình 1) Độ xốp độ thấm vật liệu gia cường: hầu hết độ xốp vật liệu gia cường từ 0,5-0,8 Tuy nhiên, độ thấm vật liệu gia cường có khác biệt lớn Để tối ưu thời gian điền đầy cần cung cấp thêm ống dẫn nhựa tạo độ thấm cao cho vật liệu - Đặc trưng sản phẩm: Kích cỡ, thể tích khoảng cách truyền nhựa - Đặc tính q trình: Độ chênh lệch áp suất: Với sản phẩm lớn chế tạo phương pháp hút chân không, để đảm bảo chất lượng, độ chênh áp lớn xấp xỉ bar, địi hỏi khn chắn, giá trị đầu tư cao Thực trình truyền (ảnh hưởng khoảng cách chảy): việc truyền nhựa hình dạng sản phẩm ảnh hưởng đến khoảng cách chảy tính nhạy trình chảy rối Tổng quát, thời gian điền đầy ảnh hưởng bởi: + Khoảng cách truyền + Tỉ lệ chiều dài dịng truyền chiều dài phía trước dòng chảy Đối với sản phẩm lớn, áp dụng hướng chảy vài nhánh chảy hướng cịn lại Lưu lượng nhựa truyền: tính theo biểu thức (2) Trong đó: Q: Lưu lượng nhựa ν : Vận tốc di chuyển chất lỏng A= h*w: Diện tích hút MCN φ: Tỉ lệ thể tích sợi K: Độ thấm ΔP: Áp suất chênh lệch η : Độ nhớt s : Khoảng cách nhựa phía trước Vận tốc chảy nhựa (3) (3) V QUY TRÌNH THI CƠNG Q trình thi cơng phương pháp hút chân không sau: Một khối lượng lớn vật liệu khơ dát đặt khn kín Lớp màng dẻo kín khí (thường túi hút chân khơng) đặt nhiều lớp dán lên khn ngồi đường bao Lớp màng đúc dùng lại Túi chân không thực tối thiểu hai nhiệm vụ: Một cho phép loại bỏ khơng khí túi chân khơng khn; hai cho phép dung dịch nhựa chảy vào Nhựa truyền qua ống dẫn, thấm vào lớp cốt sợi với tốc độ phụ thuộc áp suất hút Quá trình bao gồm bước: Ống dẫn nhựa vào tạm thời đóng, khoang túi chân không khuôn tạo chân không nhờ bơm hút chân không Mức chân không cần thiết thay đổi phụ thuộc vào độ thấm vật liệu (nghĩa khơng khí nhựa dễ dàng lưu thơng suốt vật liệu), vào độ phức tạp vào chất lượng mong muốn sản phẩm cuối Kết tốt đạt bơm chân không đạt 95% độ chân không cực đại bơm, ngoại trừ bị hư hại lực nén mức (ví dụ: lõi foam mật độ thấp) Sau đạt độ chân không (giữa túi chân không khn) ngắt bơm chân khơng trì mức chân không hệ thống, quan sát đồng hồ chân khơng Nếu mức chân khơng trì số (hằng số chấp nhận lọt khí), tiếp tục thực bước Tuy nhiên, mức chân không giảm nhanh mức chấp nhận, khơng khí bị lọt qua khoang chân khơng q trình khơng tiếp tục Trong trường hợp này, khe hở phải tìm thấy đánh giá trước tiếp tục thực thêm Tốc độ rị khí chấp nhận thay đổi phụ thuộc vào kích cỡ sản phẩm chất lượng dát mong muốn Đối với sản phẩm lớn chẳng hạn vỏ tàu, tốc độ rị khí 3mbar/ph (xấp xỉ 1’’Hg 10 phút) chấp nhận Đối với sản phẩm nhỏ, phận quan trọng tốc độ rị khí chấp nhận 10% giá trị trên: 3mbar 10 phút 0,1’’Hg 10 phút Khi thỏa mãn mức kín khí, đường nối với bơm chân không mở Thùng cung cấp nhựa đổ đầy với nhựa pha đông rắn ống cung cấp nhựa mở Dung dịch nhựa hút vào chi tiết đúc nhờ chênh lệch áp suất khí mức chân không chi tiết, cộng trừ áp suất tĩnh cột nhựa xuất từ chiều cao tương đối cung cấp nhựa đến chi tiết Nếu ống cấp nhựa ống chân không đặt vị trí quanh vật liệu gia cường khơ trước túi chân không lắp đặt, dung dịch nhựa thấm truyền suốt toàn Phụ thuộc vào loại nhựa sử dụng, mức chân không suốt q trình truyền phải điều chỉnh cho với mức thấp khả bơm chân không Đặc biệt áp dụng cho nhựa chứa dung mơi dễ bay sơi áp suất chân không Cả hai loại nhựa Polyester Vinylester thường thường phải truyền mức nhỏ độ chân không cực đại Khi nhựa nhiệt rắn sử dụng, lưu ý đến khoảng thời gian cho phép nhựa lưu hóa sau q trình dát lớp truyền nhựa hồn thành Thời gian thay đổi từ vài phút đến vài phụ thuộc vào loại nhựa kích cỡ chi tiết chế tạo Sau nhựa hóa rắn hồn tồn, túi chân khơng chi tiết hút loại bỏ khỏi khuôn Sản phẩm cấu trúc đồng với tất thành phần liên kết nhựa VI ÁP SUẤT HƠI BÃO HỊA Sự bốc thăng hoa chân khơng gọi tượng khí Chất lỏng có áp suất hóa nhỏ, tượng khí trở thành hệ trọng áp suất chân không giảm xuống áp suất hóa Trong cơng nghệ hút chân khơng, khí có tác dụng tương tự rị khí hạn chế mức chân khơng đạt Hơi nước thường ngun nhân vơ hình trục trặc bơm chân khơng Nó bắt nguồn từ nước khí Hơi nước hấp thụ vào loại vải, bề mặt khuôn màng nhựa hút chân không Dưới điều kiện định chân không nhiệt độ môi trường xung quanh biểu đồ sôi nước (hình 5), nước bốc từ vật liệu chuyển đến bơm chân không Đặc biệt bơm lạnh, nước ngưng tụ thành nước ống xả bơm chân khơng Nước tuần hồn với dầu bơm số trường hợp điều gây hại cho bơm Nó chuyển đổi trở lại thành khối lượng lớn nước cửa vào bơm chân không diện làm giảm hiệu suất bơm Nước bơm gây ăn mòn chi tiết bơm ngừng hoạt động khoảng thời gian dài Một vài dạng hóa nước có mặt hầu hết trường hợp chân khơng, có gia tăng lớn thể tích nước bắt đầu sôi Nước sôi nhiệt độ giảm tăng độ chân không Bất kỳ kết hợp nhiệt độ độ chân không đường cong điểm sôi tạo lượng lớn nước tất nước đun sôi hết Suy giảm hiệu suất bơm chân không nên dự kiến cho bơm để loại bỏ nước thải từ ống xả bơm Nguồn hóa khác dung môi nhựa Đặc biệt nhựa Polyeste Vinylesters thải khí áp suất chân khơng Mức độ chân không cho hiệu ứng diễn phụ thuộc vào áp suất hóa dung mơi có loại nhựa Những nhà cung cấp nhựa tư vấn áp suất hóa mức độ xác chân khơng áp dụng vào cuối q trình truyền nhựa để tránh khí khơng cần thiết dung mơi u cầu cho q trình lưu hóa Vì vậy, việc sử dụng nhựa đặc biệt truyền chân khơng khơng có độ nhớt thấp, mà cịn ngăn ngừa vấn đề khí Hầu hết loại nhựa epoxy tránh vấn đề Một số loại foam biết có khí thoát ra, lý chọn CoreCell làm lõi chi tiết composite thân tàu Để tránh vấn đề hóa nước, cần giữ cho ngun liệu khơ suốt q trình lưu trữ (tách ẩm khu vực lưu trữ) giữ cho khu vực làm việc khơ Để ngăn ngừa vấn đề hóa hơi, nhựa sử dụng loại nhựa phù hợp điều chỉnh mức độ chân không sau truyền cách trì mức độ chân khơng xấu chút so với áp suất hóa dung môi nhựa Nếu chất lượng chân không tiếp cận tới miền xấu (xuất bất thường – hình 6) tất rị rỉ dán kín cẩn thận, áp suất hóa cao thủ phạm Khi kiểm tra rò rỉ, thực việc tăng áp kiểm tra rò rỉ chân không xấu (hoặc áp suất tuyệt đối cao hơn) áp lực điểm sơi Ví dụ, kiểm tra rị rỉ túi chân không nhiệt độ môi trường xung quanh 30°C (86°F) bắt buộc tăng áp suất kiểm tra rị rỉ chân khơng xấu 95% chân không áp suất tuyệt đối cao 50 mbar VII MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ THI CƠNG VỎ TÀU BẰNG CÔNG NGHỆ HÚT CHÂN KHÔNG TẠI UNINSHIP Trải vải trước hút chân không Trải vải Nối ống cấp đầu hút chân không Hệ thống ống đầu hút Bỏ lớp phủ sau hút Sản phẩm sau hút chân không VII NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN Kết kiểm tra sức bền vật liệu composite thi công theo phương pháp hút chân không cho thấy tiêu đồ bền mô đun đàn hồi lớn khoảng 40-50% so với loại vật liệu thi công theo phương pháp trát lớp tay; Bề mặt vỏ tàu thi cơng phương pháp VARIM có độ phẳng độ đồng tốt hẳn so với phương phát trát tay; Trang bị phục vụ công nghệ VARIM khơng nhiều, chi phí thi cơng tăng khoảng 10% so với phương pháp thông thường; Các sản phẩm composite cao cấp (vỏ tàu cao tốc, nội thất máy bay, nội thất tơ, chi tiết cần tính thẩm mỹ độ bền cao…) nên thi công theo phương pháp VARIM VII TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] Manufacturing of polymer matrix composites using vacuum assisted resin infusion molding – A Goren, C Atas [2] Guide to resin infusion [3] Vacuum infusion – The equipment and process of resin infusion [4] Resin infusion – Michael Hau [5] Vacuum bagging techniques – Published by Gougeon Brothers Inc [6] Understanding vacuum ... phương pháp truyền chân khơng - Sự khác biệt điển hình việc lắp đặt hệ thống hút chân không III THIẾT BỊ HÚT CHÂN KHƠNG Bơm chân khơng Bơm chân không trái tim hệ thống chân không, bơm chân khơng giống... tốt cho kỹ thuật hút chân không bơm có khả hút khối lượng khơng khí lớn, tạo áp lực chân không đạt yêu cầu cơng suất hợp lý IV CÁC THƠNG SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN Để đánh giá đúng, đầy đủ kỹ thuật truyền... bơm chân không đạt 95% độ chân không cực đại bơm, ngoại trừ bị hư hại lực nén mức (ví dụ: lõi foam mật độ thấp) Sau đạt độ chân không (giữa túi chân không khuôn) ngắt bơm chân không trì mức chân