Khác với các công nghệ chế tạo vật liệu truyền thống, trong công nghệ chế tạo composite nhất thiết phải có khuôn. Sau khi tách khỏi khuôn thì sản phẩm có bề mặt (một hoặc cả hai mặt) bóng láng, màu sắc đa dạng, hoàn chỉnh không phải sơn phủ hay trang trí gì thêm đồng thời rất bền màu. Khuôn là yếu tố quan trọng nhất quyết định chất lượng, vẻ đẹp của sản phẩm.
Phương pháp chế tạo vật liệu composite điển hình được áp dụng rộng rãi nhất là phương pháp đúc tiếp xúc, gồm 2 loại:
- Phương pháp trải lớp bằng tay (thủ công): hoàn toàn thao tác bằng tay.
- Phương pháp trải lớp bằng phun bắn: chất xúc tác, resen và sợi thủy tinh được phun bắn đồng thời trên bề mặt khuôn để tạo các lớp gia cường nhờ thiết bị chuyên dùng được gọi là súng phun.
Hai phương pháp nêu trên đều được gọi là công nghệ đúc tiếp xúc và chỉ cho sản phẩm bóng láng một mặt.
Để có sản phẩm bóng nhẵn cả hai mặt người ta sử dụng các phương pháp sau: - Phương pháp đúc chuyển resin RTM (Resin transfer moulding)
- Phương pháp đúc nén (Compression moulding) - Phương pháp quấn sợi (Filament winding) - Phương pháp đúc kéo (Fultrusion)
- Phương pháp đúc chân không
- Phương pháp tạo lớp liên tục (Continuous laminating) - Phương pháp đúc vữa thủy tinh (Plaster glass)
- Phương pháp ép phun (Injection moulding thermoplastics)
- Phương pháp ép phun phản ứng RRIM (Reinforced reaction injection moulding)
Hiện nay có nhiều phương pháp chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite. Các công nghệ chế tạo được lựa chọn tùy theo yêu cầu của sản phẩm và yêu cầu của quá trình sản xuất. Dựa trên cơ sở nguyên lý tạo ra sản phẩm, ta có thể phân loại các loại công nghệ sau đây:
1) Phương pháp bằng tay (thủ công)
Đây là công nghệ chế tạo sản phẩm theo khuôn hở, hoàn toàn bằng tay ở tất cả các công đoạn từ hoà trộn nguyên liệu cho đến khi lấy sản phẩm từ khuôn. Sau khi xoa chất phụ gia tách khuôn trên bề mặt khuôn, thì quy trình có thể tóm tắt như sau:
- Quét gelcoat có pha chất xúc tác lên bề mặt khuôn bằng chổi mềm; - Trải vải thuỷ tinh kín trên bề mặt khuôn đã phủ gelcoat;
- Quét thấm ướt resin đã hoà chất xúc tác lên trên vải thuỷ tinh đồng thời lăn ép bằng các con lăn bông, sắt để liên kết chúng;
- Sau khi đóng rắn - tách khuôn lấy sản phẩm.
Công đoạn trải vải thuỷ tinh và thấm lăn ép resin được lặp đi lặp lại theo số lượng lớp được dự kiến cho đến khi đạt chiều dày sản phẩm. Đây là công nghệ không đòi hỏi thiết bị, dụng cụ phức tạp, không đòi hỏi trình độ công nhân cao, thiết kế tương đối thoải mái nên chi phí đầu tư thấp. Công nghệ bằng tay là công nghệ cho các sản phẩm có sản lượng thấp và trung bình, phù hợp cho chế tạo tàu thuyền, thùng xe, bồn chứa, nhà cửa, panel hoặc các sản phẩm lớn khác đòi hỏi chịu lực cao.
Hình 2.16 Quy trình công nghệ chế tạo composite bằng tay
2) Phương pháp trải lớp bằng phun bắn
Trong phương pháp này hỗn hợp vật liệu gia cường (sợi thủy tinh) có kích thước nhỏ được trộn với resin theo tỷ lệ xác định, súng phun được sử dụng để phun hỗn hợp này vào khuôn.
Vật liệu gia cường được cung cấp liên tục vào một đầu cấp của súng phun, resin và các chất phụ khác được đưa tới một đầu cấp khác của súng. Quá trình hòa trộn được diễn ra trong súng phun hoặc có thể trong thiết bị khác. Tương tự như phương pháp chế tạo thủ công, chất phụ gia tách khuôn được phun hoặc quét lên mặt khuôn, tiếp
theo là lớp gelcoat tạo bề mặt cho sản phẩm, sau đó hỗn hợp resin, chất xúc tác 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.
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 yêu cầu cơ tính không cao. Tuy nhiên, phương pháp phun hỗn hợp composite có thể kiểm soát tốt tỷ lệ của resin 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) Phương pháp đúc chuyển resin RTM
Đây là công nghệ sử dụng gồm 2 nửa khuôn liên kết với nhau trong việc chế tạo sản phẩm composite. Khuôn gồm 2 nửa và có thể thực hiện theo hai cách:
- Đối với khuôn hở: Gelcoat được phủ trên bề mặt của 2 nửa khuôn (đực và cái) bằng phun hoặc quét tay và để khô như các phương pháp khác. Sau đó vải thủy tinh được trải tay trên khuôn rồi lăn thấm resin và ngay sau đó (resin còn ướt) ghép 2 nửa khuôn và xiết chặt bằng bulong để tạo lực nén. Sau khi đóng rắn, tháo bulong lấy sản phẩm.
- Đối với khuôn kín: Sau khi trải vải thủy tinh thì ghép 2 nửa lại và tạo ra một khuôn kín. Sau đó dùng bơm (súng phun) dưới áp lực ép phun resin đã hòa xúc tác vào khuôn. Sau khi đóng rắn, tháo 2 nữa khuôn để lấy sản phẩm ra.
4) Phương pháp tạo lớp liên tục (Continuous laminating)
Đây là công nghệ làm các lớp liên tục để chế tạo các panel, các tấm liên tục theo chiều dài, chiều rộng không giới hạn, hoặc những vách ngăn định hình trong công nghiệp xây dựng để làm mái nhà hoặc các bức tường.
Sợi roving được cắt ngắn trên các màng resin và được kẹp giữa giấy bóng kín hoặc loại tương tự, để chạy theo chuyển động của máy. Sau khi đóng rắn các tấm này được cắt theo chiều dài mong muốn. Công nghệ này hết sức linh hoạt trong việc chọn chiều rộng, chiều dày và chiều dài theo mục đích sử dụng.
5) Phương pháp đúc chân không
Phương pháp này sử dụng sự chênh lệch áp suất trong khuôn và thiết bị chứa resin để điền nhựa vào khuôn. Khác với phương pháp đúc chuyển nhựa truyền thống
sử dụng lực ép của thiết bị nén hoặc khí nén để điền resin vào khuôn, công nghệ đúc chân không hoàn toàn sử dụng lực hút chân không để đưa resin vào khuôn. Resin được chứa trong bình, khi độ chân không trong khuôn đã đạt tới yêu cầu van dẫn bình chứa mở ra, resin trong bình chứa được 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 được chế tạo, tỷ lệ vật liệu gia cường, chủng loại resin và phương án bố trí thiết kế khuôn.
Hình 2.17 Các thiết bị và vật liệu trong công nghệ đúc chân không
Ưu điểm của công nghệ này là chế tạo khuôn đơn giản, chi phí đầu tư không cao so với phương án đúc chuyển nhựa truyền thống. Các thiết bị chính bao gồm bơm hút chân không, thiết bị chứa resin và thiết bị hòa trộn resin, 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 công do sử dụng khuôn một mặt, khó kiểm soát độ đồng đều của chiều dày chi tiết cũng như tỷ lệ vật liệu gia cường và resin.
Hình 2.18 Sơ đồ công nghệ đúc chân không
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...
Hình 2.19 Quá trình điền nhựa polymer vào khuôn trong chế tạo vỏ ô tô
6) Phương pháp ép phun
Phương pháp ép phun là phương pháp tiên tiến đang được ứng dụng rộng rãi hiên nay với sản lượng sản xuất lớn và chất lượng tốt.
Hình 2.20 Phương pháp ép phun
Trên hình 2.20 là sơ đồ phương pháp ép phun. Nguyên liệu chính là chất dẻo nhiệt (ví dụ chất PA) ở dạng hạt, tao sợi cắt ngắn và sợi roving được nạp đồng thời vào hệ thống đùn - ép phun theo tỷ lệ đã được xác định. Trong quá trình trục đùn ép vận chuyển nguyên liệu thì tao sợi cắt ngắn và sợi roving được tự động hoàn trộn và phân bổ cùng với nguyên liệu chính là chất dẻo, tạo thành hỗn hợp để sau đó được ép phun vào khuôn. Hệ thông này có gia nhiệt. Phương pháp này có ưu điểm là dễ dàng kiểm soát và điều chỉnh tỷ lệ nguyên liệu chính xác, cho phép chế tạo các sản phẩm có khuôn phức tạp với sản lượng lớn.