5. Ý nghĩa
1.2. Công nghệ chế tạo các kết cấu dạng tấm, vỏ bằng vật liệu composite
Hiện nay có nhiều phƣơng pháp chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite. Các công nghệ chế tạo đƣợc lựa chọn tùy theo yêu cầu của sản phẩm và yêu cầu của sản xuất. Các công nghệ đƣợc sử dụng trong chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite bao gồm:
Phƣơng pháp lăn ép (phƣơng pháp chế tạo thủ công)
Một trong những phƣơng pháp đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite là phƣơng pháp chế tạo thủ công. Phƣơng pháp thủ công sử dụng khuôn hở, có thể sử dụng khuôn dƣơng hoặc khuôn âm.
Quy trình chế tạo đƣợc thực hiện nhƣ hình 1.6.
Vật liệu sử dụng trong phƣơng pháp thủ công thƣờng là polyester không no hoặc epoxy và sợi thủy tinh.
* Ƣu điểm: Sử dụng khuôn mẫu đơn giản vì quá trình chế tạo ở nhiệt độ và áp suất không cao.
* Nhƣợc điểm: Phƣơng pháp này sử dụng khuôn hở nên chất lƣợng hai bề mặt sản phẩm không đồng đều. Phƣơng pháp thủ công thƣờng đƣợc áp dụng cho các loạt sản phẩm có số lƣợng nhỏ hoặc sản phẩm đơn chiếc.
Hình 1.6. Chế tạo vật liệu composite bằng phương pháp lăn ép.
Phƣơng pháp phun hỗn hợp composite
Trong phƣơng pháp phun hỗn hợp, vật liệu gia cƣờng có kích thƣớc nhỏ đƣợc trộn với nhựa polymer theo tỷ lệ xác định. Súng phun đƣợc sử dụng để phun hỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cƣờng vào khuôn. Vật liệu gia cƣờng đƣợc cung cấp liên tục vào một đầu cấp của súng phun, nhựa polymer và chất khởi tạo phản ứng đƣợc cung cấp tới một đầu cấp khác của súng. Quá trình hòa trộn đƣợc diễn ra trong thiết bị hòa trộn tĩnh hoặc động trong súng phun hoặc trong thiết bị khác. Tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp chế tạo thủ công, chất hỗ trợ tháo khuôn đƣợc phun hoặc quét lên mặt khuôn, tiếp theo là lớp gel-coat tạo bề mặt cho sản phẩm. Sau đó hỗn hợp nhựa polymer, chất khởi tạo phản ứng và sợi gia cƣờng đƣợc phun ép vào khuôn.
Vật liệu sử dụng trong phƣơng pháp phun hỗn hợp composite tƣơng tự nhƣ trong phƣơng pháp thủ công. Sợi thủy tinh đƣợc cắt với chiều dài từ 10mm tới 40mm trƣớc khi đƣợc trộn vào hỗn hợp.
* Ƣu điểm: Nhanh, chi phí dụng cụ thấp. * Nhƣợc điểm:
- Hàm lƣợng nhựa cao
- Phƣơng pháp phun hỗn hợp composite có thể kiểm soát tốt tỷ lệ của nhựa polymer và vật liệu gia cƣờng trong hỗn hợp, qua đó đảm bảo tính thẩm mỹ và độ đồng đều về cơ tính của sản phẩm.
Hình 1.7. Phương pháp phun hỗn hợp composite
Phƣơng pháp thấm nhựa trƣớc
Trong phƣơng pháp này, vật liệu gia cƣờng đƣợc thấm nhựa polymer và đƣợc bảo quản trong môi trƣờng nhiệt độ thấp.
Quy trình chế tạo sản phẩm đƣợc thực hiện nhƣ sau: vật liệu gia cƣờng đã thấm nhựa polymer đƣợc lấy ra khỏi thùng bảo quản lạnh, để trao đổi nhiệt tự nhiên và đạt tới nhiệt độ môi trƣờng trƣớc khi tiến hành gia công. Trong quá trình trao đổi nhiệt tự nhiên, vật liệu gia cƣờng thấm nhựa polymer đƣợc để trong bao bì bảo quản để tránh ngƣng tụ hơi nƣớc trên bề mặt. Vật liệu gia cƣờng đã thấm nhựa polymer đƣợc cắt thành hình dạng theo thiết kế. Quá trình cắt có thể tiến hành thủ công hoặc tự động. Sau khi vật liệu đƣợc cắt theo thiết kế, tiến hành bóc lớp bảo vệ, đặt vật liệu lên khuôn theo từng lớp. Quá trình đƣợc lặp lại tới khi đạt đƣợc yêu cầu về độ dầy của sản phẩm.
Vật liệu đƣợc lựa chọn trong phƣơng pháp gia công này là nhựa epoxy, polyester, vinylester và các loại sợi thông thƣờng.
* Ƣu điểm:
- Nhanh, hiệu quả kinh tế cao
- Tỷ lệ sợi/nhựa có thể điều chỉnh đƣợc khi sợi đi qua bể nhựa
- Giá thành sợi giảm thiểu do không qua công đoạn dệt sợi thành vải
- Tính chất của sản phẩm tốt do có thể điều chỉnh phƣơng của sợi phù hợp. * Nhƣợc điểm:
- Hạn chế ở một số dạng sản phẩm nhất định (rỗng, mặt cắt tròn, oval,..)
- Khó điều chỉnh chính xác vị trí sợi dọc theo chiều dài sản phẩm
- Giá thành đối với những sản phẩm lớn là rất cao
- Yêu cầu nhựa có độ nhớt thấp nên ảnh hƣởng tính chất cơ học và vấn đề an toàn sức khoẻ
Phƣơng pháp đùn ép
Quy trình chế tạo: Nhựa polymer dƣới dạng bột hoặc hỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cƣờng có chiều dài ngắn đƣợc cấp vào trống chứa hỗn hợp vật liệu của máy đùn ép. Trục vít đƣợc sử dụng để đẩy hỗn hợp vật liệu về phía trƣớc của trống, nén hỗn hợp vật liệu đồng thời đẩy không khí chứa trong vật liệu ra ngoài. Trong quá trình hòa trộn ma sát làm tăng nhiệt độ của hỗn hợp, năng lƣợng nhiệt này làm vật liệu chuyển sang trạng thái lỏng trƣớc khi đƣợc chuyển tới buồng phun ép. Do quá trình nén cắt trong trục vít, chiều dài của sợi gia cƣờng giảm. Dƣới lực ép của trục vít, vật liệu đƣợc đùn ép vào khuôn, hệ thống van một chiều đƣợc sử dụng để ngăn vật liệu bị nén ngƣợc lại trống chứa. Khi vật liệu đã đƣợc nén vào trong khuôn, trục vít đƣợc giữ nguyên vị trí để duy trì áp suất trong khuôn. Khi vật liệu đã đông kết trong khuôn, trục vít đƣợc di chuyển theo chiều ngƣợc lại để chuẩn bị cho chu trình đùn ép sản phẩm tiếp theo.
* Ƣu điểm: Khả năng tự động hóa cao, năng suất lớn, hiệu quả cao, phù hợp với loạt sản phẩm có số lƣợng lớn. Phƣơng pháp này có thể sử dụng để chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp.
Hình 1.8. Phương pháp đùn ép.
* Nhƣợc điểm: Cơ tính của sản phẩm không cao do tỷ lệ vật liệu gia cƣờng thấp, độ dài của vật liệu gia cƣờng ngắn, tính đẳng hƣớng của vật liệu không đều. Do các hạn chế nêu trên công nghệ đùn ép hỗn hợp composite thƣờng đƣợc sử dụng chế tạo các sản phẩm có kích thƣớc không lớn với yêu cầu về cơ tính không cao.
Phƣơng pháp đúc chuyển nhựa
Phƣơng pháp đúc chuyển nhựa sử dụng khuôn kín, vật liệu gia cƣờng đƣợc đặt trƣớc trong khuôn. Với loạt sản phẩm có số lƣợng không lớn vật liệu gia cƣờng đƣợc cắt thủ công và đặt trên nửa khuôn phía dƣới. Nửa khuôn phía trên đƣợc đóng lại, nhựa polymer đƣợc điền đầy vào khuôn dƣới áp suất cao. Sau khi nhựa polymer đƣợc điền đầy vào khuôn, hỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cƣờng đƣợc để đông kết trong thời gian xác định. Sau đó sản phẩm đƣợc tháo khuôn để tiến hành sản xuất chi tiết tiếp theo.
Với các sản phẩm có kích thƣớc không lớn, có thể sử dụng một đƣờng cấp nhựa polymer cho toàn bộ sản phẩm; với sản phẩm có kích thƣớc lớn hơn, nhiều đƣờng cấp đƣợc sử dụng nhằm đảm bảo cung cấp đủ nhựa polymer cho từng bộ phận, chi tiết của sản phẩm. Đƣờng cấp nhựa thƣờng đƣợc đặt tại vị trí thấp nhất trong khuôn. Nhựa polymer đƣợc điền vào khuôn theo hƣớng từ dƣới lên để đảm bảo đẩy các bọt khí trong khuôn và vật liệu gia cƣờng ra ngoài, tránh tạo các rỗ khí trong sản phẩm sau khi hoàn thiện.
Vật liệu: Nhựa: epoxy, polyester, vinylester và phenolic; có thể đóng rắn trong điều kiện nhiệt độ thƣờng hoặc nhiệt độ cao.
Hình 1.9. Phương pháp đúc chuyển nhựa
Sợi: bất kỳ loại vật liệu dệt nào nếu đảm bảo điều kiện có khoảng trống cho phép dòng nhựa lỏng đi qua. Một số loại vải đƣợc phát triển riêng hỗ trợ cho dòng nhựa lỏng.
* Ƣu điểm:
- Vật liệu lớp đƣợc tạo thành với tỷ lệ sợi cao, lỗ bọt ít - Khống chế đƣợc vấn đề môi trƣờng
- Giảm nhân công
- Hai mặt của sản phẩm đƣợc định dạng theo bề mặt khuôn * Nhƣợc điểm:
- Trang thiết bị đắt tiền
- Phù hợp với sản phẩm kích thƣớc nhỏ
Phƣơng pháp đúc chân không
Phƣơng pháp này sử dụng sự chênh lệch áp suất trong khuôn và thiết bị chứa nhựa polymer để điền nhựa vào khuôn. Nhựa polymer đƣợc chứa trong bình, khi độ chân không trong khuôn đã đạt tới yêu cầu, van dẫn bình chứa mở ra, nhựa trong bình chứa đƣợc điền vào khuôn theo hệ thống ống dẫn bố trí theo chu vi của khuôn.
Tốc độ điền nhựa vào khuôn phụ thuộc vào chi tiết đƣợc chế tạo, tỷ lệ vật liệu gia cƣờng, chủng loại nhựa polymer, và phƣơng án bố trí, thiết kế khuôn.
Quy trình công nghệ đƣợc thực hiện nhƣ sau: - Quét phủ lớp chống dính hỗ trợ tháo khuôn: - Quét phủ lớp vật liệu tạo bề mặt (gel-coat); - Đặt các lớp vật liệu gia cƣờng vào khuôn;
- Đặt các lớp hỗ trợ dẫn nhựa polymer lên trên lớp vật liệu gia cƣờng;
- Đặt túi chân không, sử dụng băng làm kín (sealant tape) để làm kín thể tích trong khuôn;
- Hút chân không thể tích trong khuôn;
- Mở van nhựa khi độ chân không đạt yêu cầu để điền nhựa polymer từ thiết bị chứa vào khuôn;
- Tháo khuôn sau khi vật liệu trong khuôn đông kết và định hình.
Hình 1.10. Phương pháp đúc chân không
* Ƣu điểm: Chế tạo khuôn đơn giản, chi phí đầu tƣ không cao so với phƣơng án đúc chuyển nhựa truyền thống, các thiết bị chính bao gồm bơm hút chân không, thiết bị chứa nhựa polymer và thiết bị hòa trộn nhựa polymer, các dụng cụ đo và hệ thống dẫn chân không.
* Nhƣợc điểm: Chỉ kiểm soát đƣợc chất lƣợng một bề mặt của chi tiết gia công do sử dụng khuôn một mặt, khó kiểm soát độ đồng đều của chiều dầy chi tiết cũng nhƣ tỷ lệ vật liệu gia cƣờng và nhựa polymer.