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 kim thêm vào phải nhỏ hơn 5%.). Những nguyên tố này ựược thêm vào ựể khắc phục các khuyết ựiểm của thép cacbon. Thép nitril hoá ựược sử dụng chống lại sự mài mòn của vật liệu composite. Hơn nữa, chúng cũng chịu ựược ăn mòn và ổn ựịnh ở nhiệt ựộ 427oC. để cải thiện tắnh gia công của thép, ựôi khi người ta thêm các nguyên tố như lưu huỳnh, chì, mangan, ựồng thời kết hợp với quá trình ủ và thường hoá trong qúa trình gia công. Selen ựược cho vào thép không rỉ ựể cải thiện tắnh gia công và ựộ cứng.
Bảng 2: Tác dụng của các loại thép hợp kim
Kim loại % Tác dụng
Nhôm <2 Hỗ trợ cho quá trình nitrát hoá, chất khử oxy hoá.
Crôm 0.3 Ờ 4 Gia tăng ựộ cứng, chịu ựược mài mòn và chống ăn mòn.
Chì 0.05 Ờ 0.3 Cải thiện khả năng gia công.
Mangan 0.3 Ờ 2 Gia tăng ựộ cứng, chịu ựược mài mòn.
Molip ựen 0.1 Ờ 0.5 Gia tăng ựộ cứng, tăng ựộ bền nhiệt, bền dẻo. Niken 0.3 Ờ 5 Tăng ựộ cứng, ựộ dẻo dai và chịu ựược mài
mòn.
mòn.
Silion 0.2 Ờ 3 Tăng ựộ cứng, ựộ dẻo dai, chống ăn mòn. Lưu huỳnh 0.07 Ờ 0.3 Cải thiện khả năng gia công cùng với mangan. Vanadium 0.1 Ờ 0.3 Tăng ựộ cứng, ựộ dẻo dai và chịu ựược mài
mòn.
Nói chung, thép có hàm lượng cacbon và crôm cao ựược dùng làm khuôn lồi (làm cốc khuôn), khuôn ép phun, khuôn ép nén, dao cắt kỹ thuật, ựầu ựùn.
Thép ựặc biệt
Cũng là thép hợp kim, trong ựó hàm lượng của một số nguyên tố hợp kim sẽ cao hơn trong thép hợp kim thông thường tuỳ theo mục ựắch và công dụng riêng. Loại thép cứng, dễ gia công và dẻo dai thì thắch hợp cho làm khuôn. Hai nguyên tố hợp kim ựược sử dụng nhiều trong loại thép ựặc biệt là crôm, mangan. đối với thép làm khuôn cho composit ta nên chú ý loại thép ngoài chịu ựược ựộ cứng, ựộ bền phải chịu ựược ăn mòn hoá học.
4.3. Qui trình làm khuôn composite
Trong tất cả các ưu ựiểm của vật liệu composite, có lẽ khả năng tạo khuôn có hình dạng phức tạp là thông dụng nhất. Gia công vật liệu composite ắt tốn chi phắ ngay cả khi sản xuất ựại trà các chi tiết nhựa. Khuôn phải có hình dạng rõ nét và tốn ắt thời gian ựể hoàn tất sản phẩm.
Dưới ựây sẽ mô tả các bước cần thiết ựể tạo khuôn sản xuất các chi tiết composit chắnh xác, chất lượng và ắt bị biến dạng. điều này sẽ giúp cho những người mới vào nghề có thể ựạt kết quả tốt hơn. Trong khi tất cả các nguyên tắc ựã ựược biết ựến cũng giống nhau về các ựiều kiện kỹ thuật, cách này chỉ cần sử dụng xưởng nhỏ, garage ựể sản xuất.
Các bước trong qui trình làm khuôn: Ớ Lập bản vẽ sản phẩm.
Trang- 53 - Ớ Chép khuôn
Ớ Làm sản phẩm mẫu 4.3.1. Lập bản vẽ sản phẩm
Phác thảo sơ bộ hình dạng sản phẩm, dự kiến sản phẩm làm bằng vật liệu gì, dự ựoán các biến dạng hình học của sản phẩm, ựộ co ngót khi gia công sản phẩm. Mô hình sản phẩm sẽ có kắch thước bằng với kắch thước thật của