4.1.1.1. Khuôn ựơn
Sử dụng khuôn ựơn khi sản phẩm có hình dạng dễ tháo khuôn, tháo khuôn do có ựộ nghiêng tự nhiên. Vắ dụ khuôn ựơn cho sản phẩm một mặt láng hình nón, hoặc sản phẩm một mặt láng dạng tấm phẳng
4.1.1.2. Khuôn nhiều mảnh
Trong một số trường hợp hình dạng của sản phầm có thể ựòi hỏi khuôn nhiều mảnh ựể có thể tách khuôn ra khỏi mô hình sản phẩm khi chép khuôn và tháo sản phẩm ra từ khuôn sau này. Cần xem xét kỹ việc dự kắến các phần của khuôn. Vì phải tháo các chi tiết của khuôn ra nên phải ựảm bảo góc của các chi tiết không lớn hơn 900, nghĩa là vị trắ mở khuôn là phần rộng nhất của khuôn
4.1.2. Theo yêu cầu sản phẩm4.1.2.1. Khuôn một mặt láng 4.1.2.1. Khuôn một mặt láng
Khi sản phẩm không có ựộ nghiêng thóat khuôn tự nhiên, yêu cầu một mặt láng: khuôn sẽ gồm nhiều mảnh khuôn ghép lại, có thể từ 2 ựến 6 mảnh. Vắ dụ sản phẩm dạng cánh quạt, ống hình trụ rỗng,Ầ
4.1.2.2. Khuôn 2 mặt láng
Sản phẩm có ựộ thóat khuôn tự nhiên và ựòi hỏi hai mặt láng, yêu cầu khuôn cần dạng hai mảnh
4.1.3. Theo hình dạng khuôn 4.1.3.1. Khuôn ựực
Khuôn cái và khuôn ựực là hai loại khuôn cơ bản, tuy nhiên, chúng lại khác nhau ựáng kể về cách lấy sản phẩm. Với khuôn ựực thì gia công nhanh hơn, ắt tốn kém hơn bằng cách bắt chước hình dạng của sản phẩm cần tạo hình bằng cách phủ lên bề mặt ngoài của khuôn. Cách làm này thực sự nhanh hơn, sản phẩm lấy ra thường có bề mặt ngoài gồ ghề, cần phải xử lý rất kỹ
Với khuôn ựực, chú ý là phải khuôn nhỏ ựi một chút so với kắch thuớc thật của sản phẩm ựể sản phẩm làm ra sẽ ựạt kắch thước mong muốn vì sản phẩm sẽ bị co ngót trong quá trình ựắp. Khuôn ựực thường dùng cho sản xuất nhỏ từ 5-10 sản phẩm. Nếu sản phẩm nhiều hơn thì dùng khuôn cái sẽ tiết kiệm thời gian nhưng chi phắ khuôn cao hơn
4.1.3.2. Khuôn cái
Khuôn cái thường có chi phắ cao hơn, thường ựược dùng khi sản xuất ựại trà. Thời gian hòan tất sản phẩm sẽ giảm ựáng kể do mỗi sản phẩm ựược ép với bề mặt khuôn trơn láng. Khuôn cái có thể dùng gia công sản phẩm có lõi vì lớp bên ngòai của sản phẩm lúc nào cũng trơn, láng không quan tâm ựến sự không ựồng nhất của các lõi bên trong. Mỗi loại khuôn có thể dùng cho thổi chân không, nhưng khuôn cái thường dễ hàn mà vẫn ựảm bảo tắnh chất bề mặt tốt. Khuôn cái dùng khi cần sản xuất lớn hơn 5-10 sản phẩm với yêu cầu bề mặt trơn láng
4.1.3.3. Khuôn kết hợp (khuôn nén)
Bằng cách sử dụng cả dạng khuôn âm và khuôn dưong, người ta thực hiện khuôn nén. Với khuôn nén, việc hợp khuôn rất quan trọng khi sản xuất các phần chắnh xác. Các khuôn này thường ựược quét nhựa và gia công trước khi ựóng chặt lại. Nhựa dư ựược ép hết ra làm giảm các chỗ trống, sản phẩm sẽ bóng láng ở cả 2 mặt. Khuôn nén có thể biến ựổi ựể dùng bơm hoặc phun nhựa vào khuôn
4.2. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP VÀ VẬT LIỆU LÀM NGUỘI4.2.1. Lựa chọn phương pháp 4.2.1. Lựa chọn phương pháp
Trang- 45 -
Trước khi thiết kế khuôn phải xem xét mức ựộ yêu cầu của nó. Việc thiết kế phải cân bằng các yếu tố như tắnh chất của khuôn, chi phắ và thời gian chế tạo khuôn. Việc cân nhắc này sẽ làm giảm các phát sinh có thể có ựối với kết quả cuối cùng
Khi lựa chọn vật liệu và phương pháp làm khuôn, cần phải xem xét các yếu tố như chiều dài của bộ khuôn và chất lượng bề mặt khuôn mong muốn. Thời gian và vật liệu rót vào khuôn lúc bắt ựầu sẽ quyết ựịnh là cần làm mấy phần và chất lượng của các phần này. Một số yếu tố cần xem xét nữa như việc gắn thêm các thiết kế phụ hỗ trợ ựể gia công như hút chân không, ép nén. Với khuôn có cạnh lớn thì việc gắn thêm phần phụ này sẽ dễ dàng hơn. Với khuôn phức tạp có nhiều mảnh ựòi hỏi phải thẳng hang, cần bắt chốt dọc theo cạnh khuôn và phải chú ý việc khuôn sẽ ựược giữ như thế nào trong lúc sử dụng; hoặc sử dụng một cấu trúc dạng khay ựựng trứng( egg-crate structure) ựể hỗ trợ và dễ ựiều khiển
Cách tháo sản phẩm khỏi khuôn cũng có ảnh hưởng ựến việc thiết kế và chế tạo khuôn. Yếu tố ựầu tiên là góc lấy khuôn, là góc tạo ra giữa một cạnh của khuôn với nền của nó. Một khuôn có góc lấy khuôn bằng không nghĩa là cạnh của nó vuông góc với ựáy. Với khuôn có góc lấy khuôn dương, nghĩa là các cạnh rộng ra ở phắa trên hơn là phắa dưới ựáy( hình thang ngược), ựiều này sẽ giúp cho việc lấy khuôn dễ dàng hơn. Với góc lấy khuôn âm( dạng hình thang), việc lấy khuôn sẽ gặp nhiều khó khăn. Các hình dạng cần lấy với góc khuôn âm thì phải làm khuôn nhiều mảnh, lúc này mỗi mảnh có góc lấy khuôn dương ựể dễ tháo khuôn, cho dù khi kết hợp lại chúng lại là dạng lấy khuôn âm
điểm mà các mảnh khuôn ghép lại với nhau ựược gọi là ựường ghép khuôn, ựó là ựường thẳng hay mặt phẳng tưởng tượng chia góc lấy khuôn âm thành hai góc dương. Khuôn có thể có nhiều ựường ghép khuôn tùy theo yêu cầu
đường phân khuôn thường chạy dọc theo cạnh dài nhất hay rộng nhất của mẫu. Khi ựịnh vị ựường này, có thể vẽ thử bằng bút dạ cho ựến khi thấy vừa ý hoặc có thể xem ựường hàn khuôn trên các mẫu ựồ chơi trẻ em ựể bắt chước
Bằng cách này ta chia khuôn thành từng ựoạn trong quá trình chép. Giống như mẫu, các phần be ựược làm bằng vật liệu ắt tốn kém mà vẫn có thể hỗ trợ quá trình ựóng rắn sau này. đất sét, gỗ, ván, tấm kim loại mỏng hay giấy cứng ,.... ựều có thể dùng làm be ựược. Với mẫu có hình ựối xứng ựơn giản, hình dạng của be sẽ ựược làm bằng gỗ và dán lại bằng ựất sét. Với mẫu phức tạp có thể dùng ván mỏng hay tấm carton ựể làm, dùng kéo ựể cắt các ựường viền của be trước sau ựó dán lại
Sản phẩm là khuôn lớn thì khó lấy khuôn, ngay cả khi các mép, rìa của chúng ựã ựược tách ra. Sự dắnh nhẹ giữa khuôn và sản phẩm ở các phần rộng và phẳng góp phần khó lấy khuôn. Trong trường hợp này ựể lấy khuôn dễ người ta khoan lỗ xuyên qua khuôn và gắn chốt khắ vào phắa sau, dùng ựất sét hoặc keo dán kắn lại ựể nhựa không vào làm bắt lỗ trong quá trình gia công. Cẩn thận vì khắ nén rất nguy hiểm có thể làm nứt hoặc bể khuôn. Dùng áp suất thấp ựể hỗ trợ tháo khuôn. Sau khi lấy khuôn xong nhớ tắt khắ nén. Nên ựể các chốt ở những vị trắ sẽ cắt bỏ sau khi lấy khỏi khuôn. Bằng cách này ở những chỗ dán sẽ không cần phải mài và ựánh bóng
Trong việc lựa chọn nhựa và sợi, phải xem vấn ựề là chế tạo khuôn hay tối thiểu chi phắ. Gần như tất cả các vật liệu composite có thể dùng làm khuôn. Với nhiều sản phẩm, khuôn làm từ polyester ựa dụng và sợi mát thủy tinh loại 1.5oz/sq.ft cắt ngắn sẽ có kết quả tốt. để làm giảm biến dạng có thể dùng nhựa loại isophthalic. Gelcoat lọai tốt dùng làm khuôn ựược phun với bề dày chắnh xác sẽ cho bề mặt khuôn tốt. Dùng gelcoat thường khi sản xuất không có yêu cầu cao về bề mặt hoặc khi lượng sản xuất nhỏ
Một số sản phẩm ựòi hỏi khuôn có ựộ cứng cao ựể có kắch thước chắnh xác hoặc ựể sử dụng lâu. Với yêu cầu này, dùng epoxy ựể phủ và quét vì loại
Trang- 47 -
nhựa này ắt co ngót. Không sử dụng mat với epoxy vì chúng không tương hợp. Có thể sử dụng sợi thủy tinh dạng vải dệt, cơ tắnh cao hoặc dùng sợi carbon cho khuôn cần ựộ cứng cao
4.2.2. Vật liệu làm khuôn 4.2.2.1. Thạch cao
Thạch cao là loại phổ biến và rẻ tiền dùng ựể tạo mẫu và làm khuôn. Có nhiều loại thạch cao chịu lực có thể ựáp ứng yêu cầu lúc làm khuôn và gia công. Người ta có thể tăng ựộ cứng của chúng bằng sợi gia cường. Ngoài ra có thể dùng khung và nền kim loại ựể làm giá ựỡ vì loại này có ựộ cứng, ổn ựịnh kắch thước, kháng ẩm cho thạch cao
Có nhiều phương pháp làm khuôn nhưng phương pháp khuôn tấm mỏng( loft template method) ựược sử dụng nhiều. Trong phương pháp này, các mẫu khuôn ựược ghép lại và ghắn chắc vào nền. Kim loại, các vật liệu gia cường, hoặc ựộn ựược ựăt giữa các tấm khuôn mở. Sau ựó, láng hỗn hợp thạch cao lên các tấm mẫu, láng nhiều lớp cho ựến khi ựường mép của mẫu ựạt yêu cầu
Khuôn ựực và khuôn cái có thể ựược chép từ một mô hình sản phẩm. Hỗn hợp ựược rót vào một góc của khung chắn ựể giảm thiểu lượng bọt khắ hoặc các lỗ trống, khi hỗn hợp thạch cao chảy phủ kắn mô hình. Rung mô hình khuôn ựể ựảm bảo sao chép ựầy ựủ, chắnh xác các chi tiết
Mô hình sản phẩm thủ công ựược làm bằng cách tráng lớp thạch cao lên mẫu sản phẩm ựất sét, sáp, gỗ hay khung kim loại. Có thể dùng ựá ựể tạo hình chung tổng quát. Sau khi ựã phủ lớp thạch cao bên ngòai, lớp ựá ựược lấy ựi và thay vào ựó bằng nhựa gia cường hoặc khung kim loại( hình 3) loại này sử dụng rất hiệu quả
Khuôn kắn hoặc khuôn hai mảnh ựược làm bằng cách ựổ khuôn theo nửa phần trên và nửa phần dưới của mẫu, sau ựó xử lý từng mảnh( hình 4)
Polymer (nhựa hay elastomers) ựược dùng như vật liệu làm khuôn, không chỉ dùng cho khuôn rỗng hoặc mà còn sử dụng làm mô hình sản phẩm, khuôn chuyền, lõi khuôn tấm, khuôn kéo,ựồ gá lắp, mẫu thử,Ầ
Khuôn polymer có nhiều thuận lợi như giảm chi phắ, kháng hóa chất, tiết kiệm thời gian, khối lượng thấp, ắt sử dụng máy móc
Polymer có ựộ ổn ựịnh, ựộ co ngót tốt, tuy nhiên chúng cần có kỹ thuật gia công ựặc biệt. Có thể dùng với gia cường hoặc ựộn cho các loại nhựa như epoxy, phenolic, polyester, polyurethane, polyamide, silicone, acrylic, polyimide. Nhôm và thép là loại ựộn thông dụng nhất dùng tăng cường ựộ dẫn nhiệt, tắnh gia công trên máy, ựộ bền và nhiệt ựộ làm việc
Các khuôn epoxy gia cường có chiều dài lớn hơn 30m ựược dùng trong sản xuất thân tàu thủy. Sau khi sử lý bề mặt khuôn với chất chống dắnh và gelcoat, gia công theo phương pháp ựắp tay và súng phun. Các khuôn lớn này thuộc dạng ngược(láng ngoài), thường phải có khung và nển hỗ trợ. Khuôn phải có khả năng chịu ựược nhiệt ựộ ựóng rắn khỏang 2000C
Khuôn kết hợp thường dùng cho loại ựịnh sẵn, MBC, SMC. Tấm và cấu trúc sandwich cũng ựược làm theo cách này, xem hình minh họa 5
Phần lớn các chi tiết composite ựuợc sản xuất bằng elastomer hoặc nhựa theo phương pháp khuôn ngược. Elastomer (chủ yếu silicone và PU) có khả năng ựổ khuôn chắnh xác, mềm dẻo và tháo khuôn rất tốt. Vật liệu polymer có thể ựổ khuôn, nhúng hoặc quét lên gỗ, thạch cao, kim loại hoặc nhựa. Dùng chân không ựể lấy bọt khắ trong hỗn hợp elastomer. Lớp ựóng rắn sau ựó ựược lấy ra bằng nhiều cách khác nhau. Xốp và tấm tổ ong dùng tăng ựộ cứng, nhẹ cho các khuôn lớn. Ngành nội thất dùng silicone và PU ựể chép các thiết kế gỗ. Yêu cầu là chúng phải dễ tháo khuôn và giữ ựược ựộ mềm dẻo ựể sử dụng lại
Khuôn polymer có ựộ chắnh xác khi chép khuôn rất cao, khuôn composie có ựộ bền, cứng, nhẹ ựối với các thiết kế lớn. Polymer cũng ựược dùng ựể ựổ khuôn có lõi thạch cao, sáp và sứ
Trang- 49 - 4.2.2.3. Khuôn gỗ
Trước ựây người ta sử dụng khuôn gỗ nhiều ựối với khuôn chắnh, khung ựỡ, khuôn ựịnh hình, sản xuất theo phương pháp quét, nhưng hiện nay, chúng ựược thay thế bằng khuôn composite. Người ta phủ lớp kim loại hay lớp polymer ựể cải thiện bề mặt sản phẩm và khả năng ựúc khuôn
4.2.2.4. Kim loại
Kim loại là vật liệu cần thiết trong chế tạo khuôn composite, nhất là các khuôn yêu cầu sản xuất lâu dài, bền, chắc. Khuôn kim loại dẫn nhiệt cao nên dễ dàng gia nhiệt và giải nhiệt cho khuôn trong quá trình gia công. Nó cũng chịu ựược khả năng mài mòn cao, vì vậy có thể sử dụng khuôn này ựể sản xuất liên tục mà vẫn ựảm bảo kắch thước sản phẩm. Các kim loại thường dùng trong sản xuất khuôn là nhôm(Al), ựồng ( Cu), kẽm ( Zn), thép ( Sn)Ầ
Bảng 1. Tắnh chất nhiệt của một số vật liệu kim loạI
Tắnh chất Be Mg Al Ti Fe Cu
Nhiệt ựộ chảy (o C) Hệ số dẫn nhiệt(W/m.K) Hệ số giãn nở nhiệt (ộm/ o C) Nhiệt dung ri êng (J/kg.K)
1277 146 0.29 1883 650 153 0.68 1046 660 222 0.59 900 1668 171 0.21 519 1536 75 0.30 460 1083 393 0.41 385 4.2.2.4.1. Nhôm (Aluminum)
Nhôm có hệ số giãn nở nhiệt tương tự như vật liệu composite dạng tấm mỏng và gấp khoảng 2 lần so với thép. Khuôn Nhôm dễ bị ăn mòn hoá học khi sử dụng với PVC và một số chất tạo xốp. Nhôm là kim loại mềm dẻo, ựộ cứng không cao, do ựó trong một số trường hợp cần ựộ bền và ựộ cứng cao, người ta hay nhôm bằng thép. Ngoài ra, nhôm có thể hợp kim hoá với một số kim loại khác tạo thành AlZnMgCu có hệ số dẫn nhiệt lớn gấp 4 lần so với thép và có tỷ trọng 2.75 g/cm3.
Khuôn nhôm thường ựược sử dụng trong khuôn thổi, khuôn nhiệt ựịnh hình, khuôn mẫu.
4.2.2.4.2. đồng (Copper)
Hợp kim ựồng có thể sử dụng thay thế nhôm, các loại như ựồng Ờ niken, ựồng Ờ beri, ựược sử dụng chủ yếu trong khuôn thổi. Mặc dù có ựộ cứng cao hơn nhiều so với nhôm nhưng hợp kim ựồng vẫn không ựủ ựộ bền và khả năng chịu mài mòn như thép ựối với các khuôn sản xuất lâu dài trong ép phun vật liệu composite.
4.2.2.4.3. Kẽm (Zenic)
Hợp kim kẽm với ựồng, nhôm, magie ựược dùng phổ biến ựể sản xuất các khuôn sử dụng trong thời gian ngắn. Loại này mềm, dễ uốn và các góc cạnh phải ựược bảo vệ bằng cách chèn vật vào ựể tránh ứng suất tập trung. Tắnh chất cơ học của hợp kim kẽm sẽ giảm nhiều ở nhiệt ựộ khoảng 100oC. Vì tắnh chất dễ gia công dễ làm khuôn nên hợp kim kẽm là vật liệu quan trọng dùng làm khuôn composite và khuôn ựúc. Khuôn kẽm ựược sử dụng vượt quá 500 ngàn lần tuỳ thuộc vào mức ựộ phức tạp của khuôn và sai số cho phép.
Hầu hết các kim loại như nhôm, ựồng, và hợp kim kẽm là những nguyên liệu rẻ tiền dùng cho các loại khuôn làm việc ở áp suất thấp và khuôn ựúc. Các loại khuôn thường thấy là: giãn nở hơi, bọt xốp hoá học, khuôn thổi, nhiệt ựịnh hình, ựắp tay, sung phun,Ầ các kim loại này cũng ựược sử dụng cho một số phương pháp lắng kim loại trong làm khuôn. đây là quá trình của sự lắng kim loại nóng chảy trên khuôn chắnh bằng thép hoặc trên trụ. Lớp phủ kế ựến ựược lấy ra và ựược làm nguội dần ựể tăng ựộ bền. Các khuôn và các trụ này ựược sử dụng lại ựể sản xuất nhiều khuôn giống nhau.
4.2.2.4.4. Thép
Thép là loại vật liệu quan trọng, dùng làm các khuôn sản xuất lâu dài với ựộ chắnh xác cao, sản phẩm chất lượng, chịu ựược mài mòn và có ựộ bền nhiệt cao. Ta có thể lựa chọn các loại thép khác nhau dựa vào tắnh chịu mài
Trang- 51 -
mòn, chống sốc và khả năng gia công. Người ta thường phân biệt thép làm 3 loại: thép không hợp kim, thép hợp kim, và thép có công dụng ựặc biệt.
Thép không hợp kim
Là thép chỉ có các bon, hàm lượng cacbon trong thép rất khác nhau có thể lên tới 2%. Thông thường hàm lượng cacbon trong thép thấp thì thép có ựộ bền va ựập tốt, thép có nhiều cacbon chịu mài mòn cao.
Thép hợp kim
Là thép có thêm các nguyên tố hợp kim (hàm lượng các nguyên tố hợp