Ưu điểm:
Đơn giản, nhẹ
Thiết kế từ 3 tấm Carbon Composite riêng biệt nên có khả năng thay thế khi một trong 3 tấm hư hỏng.
Vì làm từ 3 tấm Carbon Composite riêng biệt nên độ cứng của mỗi tấm có thể thay đổi để phù hợp với nhu cầu của người sử dụng.
Tấm mu bàn chân
Tấm gót bàn chân
Trang 41 Có tính thẩm mỹ cao.
Nhược điểm:
Giữa các tấm dễ bị mất đi sự liên kết trong quá trình sử dụng.
Khó trong việc lựa chọn độ cứng của mỗi tấm để phù hợp với bệnh nhân
Mẫu thiết kế số 4:
Hình 2.4. Mơ hình chân giả bằng 2 tấm carbon composite kết hợp tấm đệm cao su
Ưu điểm:
Thiết kế đơn giản, dễ chế tạo
Tấm đệm cao su giúp giảm chấn và tích trữ năng lượng khi di chuyển
Làm từ 2 tấm carbon composite riêng biệt nên dễ dàng thay thế khi bị hư hỏng.
Nhược điểm:
Giữa các tấm dễ bị mất đi sự liên kết trong quá trình sử dụng. Tính thẩm mỹ khơng cao
2.2.2. Lựa chọn mẫu thiết kế.
Qua những phân tích về ưu nhược điểm từ 4 mơ hình chân giả khác nhau. Kết hợp với phương pháp chế tạo Composite Carbon mà tác giả sử dụng để nghiên cứu, thực hiện đề tài thì phương án 4 là phương án khả thi và dễ thực hiện hơn so với 3 phương án còn lại.
2.2.3. Cơ sở thiết kế.
Mẫu thiết kế tác giả lựa chọn được thiết kế dựa trên hình dáng của mẫu chân giả Rush Hipro của hãng Rush Foot. Đây là mẫu chân được chế tạo từ vật liệu sợi thủy tinh. Mẫu thiết kế đã được tác giả đơn giản hóa để phù hợp với phương pháp chế tạo thủ công mà tác giả sử dụng.
Tấm gan bàn chân
Tấm mu bàn chân Tấm đệm cao su
Trang 42
Hình 2.5. Mẫu chân giả Rush Hipro của hang Rush Foot
2.2.4. Lựa chọn vật liệu.
Tác giả lựa chọn vật liệu Composite Carbon vì đây là vật liệu chính mà đề tài này đề cập tới để nghiên cứu và phát triển. Ngồi ra, đây cịn là một vật liệu nhẹ - chắc – bền – khơng gỉ - chịu hóa chất – chịu thời tiết và có giá thành hợp lý.
Trang 43
CHƯƠNG 3. QUY TRÌNH CHẾ TẠO VẬT LIỆU CARBON COPOSITE CARBON COPOSITE
3.1. Phương pháp chế tạo vật liệu composite 3.1.1. Phương pháp chế tạo thủ công. 3.1.1. Phương pháp chế tạo thủ công.
Một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite là phương pháp chế tạo thủ công.
Quét phủ lớp hỗ trợ tháo khuôn lên bề mặt khuôn. Phủ lớp tạo bề mặt sản phẩm (gel-coat).
Phủ nhựa polymer trên lớp tạo bề mặt.
Rải lớp vật liệu gia cường trên nền nhựa polymer. Dùng con lăn để lăn ép vật liệu gia cường với nhựa. Phủ lớp tạo bề mặt trên lớp vật liệu gia cường cuối cùng.
Hình 3.1. Các lớp Carbon trong phương pháp chế tạo thủ cơng [1]
Sau khi q trình rải vật liệu gia cường và thấm nhựa đã hoàn thành, sản phẩm được để đông kết tại nhiệt độ môi trường. Tốc độ đông kết của sản phẩm phụ thuộc theo loại polymer, độ dày sản phẩm, nhiệt độ môi trường và độ dẫn nhiệt của vật liệu khuôn. Để tăng tốc độ đông kết và giảm thời gian tháo khn, các sản phẩm có kích thước nhỏ được đưa vào lị sấy; các sản phẩm có kích thước lớn hơn có thể được sấy bằng khí nóng. Phản ứng tỏa nhiệt trong q trình đơng kết có thể làm tăng nhiệt độ của sản phẩm. Tốc độ thay đổi nhiệt cũng là yếu tố quan trọng quyết định tới cơ tính và chất lượng sản phẩm. Do hệ số giãn nở của vật liệu gia cường và nhựa polymer
Trang 44
khác nhau, sự thay đổi nhiệt độ lớn trong q trình đơng kết có thể làm biến dạng liên kết giữa hai loại vật liệu.
Vật liệu sử dụng trong phương pháp thủ công thường là polyester không no và sợi thủy tinh. Phương pháp chế tạo thủ cơng có ưu điểm sử dụng khn mẫu đơn giản vì quá trình chế tạo ở nhiệt độ và áp suất không cao. Tuy nhiên, do phương pháp này sử dụng khuôn hở nên chất lượng hai bề mặt sản phẩm không đồng đều. Phương pháp thủ công thường được áp dụng cho các loạt sản phẩm có số lượng nhỏ hoặc sản phẩm đơn chiếc.
Hình 3.2. Chế tạo theo phương pháp thủ công [1]
3.1.2. Phương pháp phun hỗn hợp composite.
Trong phương pháp phun hỗn hợp, vật liệu gia cường có kích thước nhỏ được trộn với nhựa polymer theo tỷ lệ xác định. Súng phun được sử dụng để phun hỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cường vào khuôn. Vật liệu gia cường được cung cấp liên tục vào một đầu cấp của súng phun, nhựa polymer và chất khởi tạo phản ứng được cung cấp tới một đầu cấp khác của súng. Q trình hịa trộn được diễn ra trong thiết bị hòa trộn tĩnh hoặc động trong súng phun hoặc trong thiết bị khác. Tương tự như phương pháp chế tạo thủ công, chất hỗ trợ tháo khuôn được 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 cường được phun ép vào khuôn.
Vật liệu sử dụng trong phương pháp phun hỗn hợp composite tương tự như trong phương pháp thủ công. Sợi thủy tinh được cắt với chiều dài từ 10mm tới 40mm trước khi được trộn vào hỗn hợp.
Trang 45
Hình 3.3. Phun hỗn hợp Composite [1]
Phương pháp phun hỗn hợp composite được sử dụng trong chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp và các sản phẩm có u cầu cơ tính khơng cao. Tuy nhiên, phương pháp phun hỗn hợp composite có thể kiểm sốt tốt tỷ lệ của nhựa polymer và vật liệu gia cường trong hỗn hợp, qua đó đảm bảo tính thẩm mỹ và độ đồng đều về cơ tính của sản phẩm.
3.1.3. Phương pháp đúc chuyển nhựa.
Phương pháp đúc chuyển nhựa sử dụng khn kín, vật liệu gia cường được đặt trước trong khn. Với loạt sản phẩm có số lượng khơng lớn vật liệu gia cường được cắt thủ cơng và đặt trên nửa khn phía dưới. Nửa khn phía trên được đóng lại, nhựa polymer được điền đầy vào khuôn dưới áp suất cao. Sau khi nhựa polymer được điền đầy vào khuôn, hỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cường được để đông kết trong thời gian xác định. Sau đó sản phẩm được tháo khn để tiến hành sản xuất chi tiết tiếp theo. Để thúc đẩy q trình đơng kết có thể tiến hành gia nhiệt khn nhằm tăng năng suất chế tạo. Phương pháp đúc chuyển nhựa có thể áp dụng chế tạo các sản phẩm có kết cấu sandwich. Với các sản phẩm có kích thước khơng lớn, có thể sử dụng một đường cấp nhựa polymer cho toàn bộ sản phẩm; với sản phẩm có kích thước lớn hơn, nhiều đường cấp được sử dụng nhằm đảm bảo cung cấp đủ nhựa polymer cho từng bộ phận, chi tiết của sản phẩm. Đường cấp nhựa thường được đặt tại vị trí thấp nhất trong khn. Nhựa polymer được điền vào khuôn theo hướng từ dưới lên để đảm bảo đẩy các bọt khí trong khn và vật liệu gia cường ra ngồi, tránh tạo các rỗ khí trong sản phẩm sau khi hoàn thiện.
Trang 46
Hinh 3.4. Sơ đồ q trình đúc [1]
Trong cơng nghệ đúc chuyển nhựa cần đảm bảo độ nhớt của nhựa polymer trong giới hạn cho phép để có thể điền đầy nhựa tới các vị trí trong khn trong thời gian ngắn nhất. Do đó, cần duy trì nhiệt độ của nhựa và khuôn trong giới hạn hợp lý. Mặt khác, nếu duy trì nhiệt độ nhựa và khn q cao sẽ gây các phản ứng gây đông kết nhựa polymer trong q trình điền đầy khn.
Cơng nghệ đúc chuyển nhựa được sử dụng trong chế tạo sản phẩm mẫu cũng như loạt sản phẩm có số lượng lớn. Cơng nghệ này có thể tạo ra sản phẩm có hình dạng phức tạp và chất lượng bề mặt cao, đặc biệt thích hợp cho chế tạo các chi tiết trong cơng nghiệp ơ tơ, hàng khơng.
Hình 3.5. Một sản phẩm được làm từ phương pháp đúc chuyển nhựa. [1]
3.1.4. Phương pháp đúc chân không.
Phương pháp này sử dụng sự chênh lệch áp suất trong khuôn và thiết bị chứa nhựa polymer để điền nhựa vào khuôn. Khác với phương pháp đúc chuyển nhựa truyền thống sử dụng chân khơng hỗ trợ q trình điền nhựa vào khuôn dưới lực ép của thiết bị nén hoặc khí nén, cơng nghệ đúc chân khơng hồn tồn sử dụng lực hút chân không để đưa nhựa polymer vào khn. Nhựa polymer được chứa trong bình, khi độ chân không trong khuôn đã đạt tới yêu cầu, van dẫn bình chứa mở ra, nhựa trong bình chứa được điền vào khn theo hệ thống ống dẫn bố trí theo chu vi của
Trang 47
khn. Tốc độ điền nhựa vào khuôn phụ thuộc vào chi tiết được chế tạo, tỷ lệ vật liệu gia cường, chủng loại nhựa polymer, và phương án bố trí, thiết kế khn.
Ưu điểm của công nghệ này là chế tạo khn đơn giản, chi phí đầu tư khơng cao so với phương án đúc chuyển nhựa truyền thống, các thiết bị chính bao gồm bơm hút chân khơng, thiết bị chứa nhựa polymer và thiết bị hòa trộn nhựa polymer, các dụng cụ đo và hệ thống dẫn chân không. Nhược điểm của phương pháp này là chỉ kiểm soát được chất lượng một bề mặt của chi tiết gia cơng do sử dụng khn một mặt, khó kiểm sốt độ đồng đều của chiều dầy chi tiết cũng như tỷ lệ vật liệu gia cường và nhựa polymer.
Công nghệ đúc chân không được sử dụng chủ yếu để chế tạo các chi tiết có kích thước lớn, số lượng không nhiều như các kết cấu dàn khoan, xuồng, thân vỏ ô tô, toa xe tàu hỏa, kho đông lạnh. Cơng nghệ này có thể kết hợp với phương pháp chế tạo sandwich tạo ra sản phẩm có chất lượng và yêu cầu cao.
Hình 3.6. Sơ đồ cơng nghệ đúc chân khơng [1]
Bơm hút chân khơng có tác dụng hút chân khơng thể tích trong khn. Dưới tác dụng của chênh lệch áp suất, hỗn hợp nhựa polymer được điền vào khuôn theo hệ thống dẫn. Túi chân khơng có tác dụng làm kín khn như một nửa khn phía trên. Băng làm kín (sealant tape) có tác dụng làm kín thể tích trong khn. Quy trình cơng nghệ được thực hiện như sau:
Quét phủ lớp chống dính hỗ trợ tháo khn: Quét phủ lớp vật liệu tạo bề mặt (gel-coat); Đặt các lớp vật liệu gia cường vào khuôn;
Đặt các lớp hỗ trợ dẫn nhựa polymer lên trên lớp vật liệu gia cường;
Đặt túi chân khơng, sử dụng băng làm kín (sealant tape) để làm kín thể tích trong khn;
Trang 48 Hút chân khơng thể tích trong khn;
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 khn đơng kết và định hình.
3.2. Lựa chọn phương pháp.
Sản phẩm chân giả mà tác giả chế tạo sẽ dựa trên một số tiêu chí sau để lựa chọn được phương pháp tối ưu nhất:
Thiết bị, máy móc khơng q phức tạp. Dễ dàng thực hiện.
Không cần tới không gian rộng để thao tác.
Qua phân tích những ưu nhược điểm của 4 phương pháp trên, kết hợp với các tiêu chí mà tác giả đưa ra thì phương pháp chế tạo thủ công là phương pháp đáp ứng đủ các tiêu chí trên. Ngồi ra, phương pháp chế tạo thủ cơng có ưu điểm sử dụng khn mẫu đơn giản vì quá trình chế tạo ở nhiệt độ và áp suất không cao. Phương pháp này dễ dàng thực hiện ở những nơi thiếu thốn về không gian.
3.3. Quy trình chế tạo Carbon Composite.
Quy trình chế tạo Carbon Composite mà tác giả thực hiện được dựa trên phương pháp chế tạo thủ công dùng để chế tạo vật liệu Composite. Để chế tạo được một tấm Carbon Composite, ta cần chuẩn bị một số nguyên liệu sau:
Vải Carbon Fiber. Keo Polyester. Chất tháo khn.
Chất đóng rắn cho Polyester. Chất xúc tác.
Máy hút chân không.
Khuôn ép. (tác giả dùng 2 tấm kính có kích thước 20 x 20cm để làm khuôn khi chế tạo mẫu thử)
Khi đã chuẩn bị đầy đủ nguyên liệu, ta bắt đầu thực hiện theo các bước sau: B1: Cắt vải Carbon Fiber theo kích thước theo yêu cầu.
Trang 49
B2: Quét 1 lớp mỏng chất tháo khn lên bề mặt 2 tấm kính.
B3: Trộn keo polyester, chất đóng rắn, chất xúc tác theo tỷ lệ nhất định. B4: Quét 1 lớp keo mỏng lên bề mặt kính.
B5: Đặt vải Carbon Fiber đã cắt lên kính.
B6: Quy trình tiếp tục với 1 lớp keo rồi tới 1 lớp vải. Tại lớp vải cuối cùng ta quét thêm 1 lớp keo lên rồi lấy tấm kính cịn lại đặt lên.
B7: Đưa vào hút chân khơng trong vịng 45 phút. B8: Tách khuôn, lấy sản phẩm.
Hình 3.7 – 3.8. Đặt vải Carbon lên kính, quét keo và đậy tấm kính cịn lại lên để cố định sản phẩm
Trang 50
Hình 3.9 – 3.10. Đưa sản phẩm vào màng nhựa và tiến hành hút chân khơng trong vịng 45 phút
Một số lưu ý trong quá trình chế tạo:
Chất tháo khn: Trong q trình thực hiện, khơng cần qt q nhiều chất tháo
khuôn. Ta chỉ cần quét 1 lớp rất mỏng là đủ. Nếu quét lớp quá dày sẽ ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt của sản phẩm và chất lượng của keo.
Chất xúc tiến: Đây là một chất giúp đẩy nhanh q trình đóng rắn. Tùy vào từng
loại keo Polyester mà ta sử dụng lượng chất xúc tiến cho phù hợp. Thông thường, người ta dùng Corban làm chất xúc tiến. Khi sử dụng chất xúc tiến, hỗn hợp keo sẽ đóng rắn trong vịng 5 – 10 phút.
Chất đóng rắn: Đây là một chất khơng thể thiếu trong q trình phản ứng, nó
giúp hỗn hợp keo đóng rắn. Hỗn hợp Polyester, chất đóng rắn, Corban, được pha trộn theo tỷ lệ nhất định.
- Khi pha khơng đủ lượng chất đóng rắn, ta sẽ được sản phẩm như Hình 3.11. Nhìn vào hình ta có thể thấy giữa các lớp vải Carbon khơng có sự liên kết. Nguyên nhân: Do tỉ lệ chất đóng rắn q ít dẫn tới keo khơng thể đóng rắn.
Hình 3.11. Sản phẩm khi pha khơng đủ chất đóng rắn
- Khi pha với đủ lượng chất đóng rắn nhưng thời gian tách khn q sớm, ta sẽ được sản phẩm như Hình 3.12. Ta có thể thấy ở hình này, các lớp vải Carbon đã có sự liên kết nhưng sản phẩm vẫn rất mềm và dễ dàng bị uốn cong.
Trang 51
Nguyên nhân: Do tách khuôn sớm, keo chưa kịp khô để tạo thành một khối liên kết bền vững.
Hình 3.12. Sản phẩm khi tách khuôn sớm
- Khi pha với đủ lượng chất đóng rắn và thời gian đóng khn đủ lâu, ta sẽ được sản phẩm như Hình 3.13. Ta có thể thấy ở hình này, các lớp vải Carbon đã có sự liên kết, keo đã đóng rắn thành 1 khối vững chắc. Rất khó nếu muốn bẻ, uốn sản phẩm.
Nguyên nhân: Chất đóng rắn và polyester đã được pha ở tỉ lệ hợp lý và có đủ thời gian để đóng rắn tạo ra sự liên kết bền vững cho sản phẩm.
Trang 52
Pha trộn keo: Sau khi pha các chất theo tỉ lệ nhất đinh, ta sẽ tiến hành khuấy đều
hỗn hợp để các chất được trộn đều với nhau. Việc khuấy đều hộn hợp là rất quan trọng. Nếu ta khuấy chưa đủ lâu hoặc không đều tay, hỗn hợp sẽ không trộn đều với nhau, phản ứng sẽ xảy ra khơng đồng đều. Nếu ta khuấy q lâu thì hỗn hợp sẽ đóng rắn trước khi ta kịp sử dụng. Để đảm bảo việc pha keo đạt được kết quả tốt nhất, ta nên khuấy đều tay theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ.
Hình 3.14. Sản phẩm khi pha trộn keo khơng đều
3.4. Chế tạo mẫu thử và đo đạc đặc tính vật liệu 3.4.1. Tính tốn thơng số vật liệu.