4. Cấu trúc luận văn
4.1. Thiết kế khuôn
Khuôn mẫu là sản phẩm đặc trƣng và đòi hỏi công nghệ chế tạo cao. Từ một bộ khuôn sẽ sản xuất ra một sản phẩm với số lƣợng hàng loạt hay đơn chiếc. Trong việc thiết kế và chế tạo khuôn thì lựa chọn vật liệu làm khuôn là một điều cực kỳ quan trọng quyết định tới chất lƣợng, tuổi thọ và sự phù hợp của khuôn. Với mỗi loại sản phẩm của khuôn có tính chất vật liệu và đặc điểm khác nhau sẽ tƣơng ứng có các vật liệu làm khuôn khác nhau.
Khuôn đƣợc làm từ vật liệu tùy ý, miễn sao đảm bảo đƣợc độ cứng và đảm bảo đƣợc khi thi công sẽ tạo đƣợc dáng sản phẩm với kích cỡ mong muốn. Điều quan trọng nhất là chất liệu khuôn phải chịu đƣợc các tác động hóa học của nhựa nền và không gây ảnh hƣởng tới tốc độ đông rắn của chúng. Theo [3], trên thực tế khuôn có thể tạo từ gỗ, gỗ dán, thạch cao, bê tông, kim loại. Kim loại chỉ dùng làm khuôn khi đã tráng thiếc hoặc nhôm, bởi vì chúng rất nhạy cảm với một số chất xúc tác có trong nhựa nền và có ảnh hƣởng tới tốc độ đông rắn của polymer.
Đối với những vật liệu rỗng thƣờng hút nƣớc và khi khuôn đã bị ẩm thƣờng sẽ làm chậm quá trình đông rắn. Vì vậy khi làm khuôn từ những vật liệu có độ rỗng cao thƣờng phải trát đầy và cách ly các lỗ rỗng trên bề mặt khuôn bằng một lớp paraphin, sáp, sơn lót, trát matit, kể cả những trƣờng hợp đã có lớp chống dính hoặc lớp bôi trơn trên bề mặt khuôn. Khuôn từ những vật liệu nhƣ thạch cao, bê tông, gỗ dán trƣớc khi dùng phải sấy khô thật kỹ
Khi chuẩn bị khuôn cần phải chú ý những điểm sau:
- Cấu trúc hình học của khuôn phải phù hợp với cấu trúc hình học của chi tiết kết cấu, có tính đến độ co vật liệu và dung sai kích cỡ
- Mặt của khuôn phải chế tạo sao cho sau khi xong thành phẩm, lấy kết cấu chi tiết ra khỏi khuôn dễ dàng
- Có thể đảm bảo đƣợc việc kiểm tra sự phân bố đều của các lớp vật liệu (cốt và nền) cũng nhƣ chất liệu tẩm nền của các cốt theo khuôn
Với yêu cầu kỹ thuật chế tạo cánh đòi hỏi mặt ngoài nhẵn, do vậy sử dụng khuôn theo mặt trái để chế tạo.
Để thuận tiện cho việc chế tạo khuôn và tạo hình sản phẩm, việc lựa chọn dùng khuôn bằng bê tông rất phù hợp để chế tạo cánh turbine gió có kết cấu nhƣ
hình 2.1. Khuôn đƣợc làm bằng bê tông có một số ƣu, nhƣợc điểm sau:
* Ƣu điểm: - Dễ chế tạo, dễ kiếm - Giá thành hạ - Độ bền cao
- Chịu đƣợc tác động hóa học của nhựa nền và không gây ảnh hƣởng tới tốc độ đông rắn của vật liệu
* Nhƣợc điểm: Bề mặt chi tiết không nhẵn
Với kết cấu chi tiết nhƣ vậy ta có thể thiết kế khuôn thành 2 nửa để thuận tiện cho việc chế tạo cánh
* Các bƣớc thực hiện: B1: Chế tạo dƣỡng làm khuôn
Dùng máy CNC cắt dƣỡng theo biên dạng đã vẽ. Có thể cắt bằng tôn, Aluminiun, hoặc bằng tấm formex
Dƣỡng sau khi gia công đƣợc kẹp chặt trên tấm gỗ (tấm gỗ đƣợc chế tạo có cữ, có thể di chuyển dọc theo khung gỗ)
Hình 4.2. Gá dưỡng trên khung gỗ
B2: Chế tạo khuôn
Quy trình chế tạo 2 nửa khuôn đƣợc thực hiện nhƣ sau:
- Trải lớp nilon hay bao tải phía dƣới khung gỗ phục vụ dỡ khuôn
- Trộn hỗn hợp cát – xi măng theo tỷ lệ 1:2 ở mức sệt nhƣ vữa dùng trong xây dựng
- Đổ hỗn hợp cát – xi măng đã trộn vào khung
- Dùng dƣỡng gạt dọc theo khung để định dạng cho khuôn
B3: Dỡ khung lấy sản phẩm
Thời gian đông cứng khuôn khoảng 2 ngày. Dỡ bỏ khung gỗ đƣợc khuôn nhƣ hình 4.4
Hình 4.4.Khuôn bê tông
4.2. Chế tạo cánh
Dựa vào quy trình chế tạo mẫu ở chƣơng 3 đã chỉ ra lựa chọn vật liệu nền epoxy, cốt vải sợi thủy tinh với tỷ lệ sợi/nhựa 35% và sử dụng chất đóng rắn TETA. Tác giả tiến hành chế tạo thử nghiệm cánh với các bƣớc nhƣ sau:
Bƣớc 1: Phủ vật liệu làm kín cho khuôn Vật tƣ và dụng cụ: - Nƣớc xi măng
- Chổi lông
Tiến hành: Dùng chổi lông (chổi quét sơn) phết nƣớc xi măng lên trên bề mặt khuôn để làm kín lỗ rỗ cát trên khuôn.
Bƣớc 2: Chống dính cho khuôn
Sau khi khuôn đã đƣợc phủ lớp xi măng làm kín, chờ bề mặt khuôn khô rồi mới tiến hành chống dính cho khuôn:
Dụng cụ và vật tƣ: - Tấm nilon - Máy sấy
Tiến hành: Dùng tấm nilon mỏng trải đều lên bề mặt khuôn, sau đó dùng máy sấy, sấy cho phẳng tấm nilon bám chặt vào bề mặt khuôn
Hình 4.6. Khuôn đã được chống dính
Bƣớc 3: Đổ lớp lớp tráng gel coat
Lớp gel coat có tác dụng bảo vệ lớp composite, chống lại các tác dụng của điều kiện khắc nghiệt ngoài trời nhƣ: nhiệt độ, ánh sáng, khí hậu,.... Để tiến hành bƣớc 3, cần sử dụng các dụng cụ và vật tƣ sau:
- Gel coat trắng: 300g - Chất đóng rắn butanox: 1g - Bát nhựa: 01 chiếc
- Chổi lông: 01 chiếc Cách thức tiến hành:
- Hòa hỗn hợp geloat trắng với chất đóng rắn theo tỷ lệ 100:1, dùng que ngoáy đều để chất đóng rắn tan đều trong gel coat.
Hình 4.7.Những hình ảnh ở công đoạn phủ gelcoat trắng trên khuôn
Bƣớc 4: Tiến hành gia công lớp composite
Để thực hiện gia công các lớp vật liệu composite trên 2 khuôn cần chuẩn bị những dụng cụ và vật tƣ sau:
- Vật liệu nền epoxy: 3000g - Chất đóng rắn TETA: 300g
- Vật liệu cốt vải sợi thủy tinh MAT 300 : 1000g - Bát nhựa: 01 chiếc
- Rulô bằng sắt: 01 chiếc - Chổi lông: 01 chiếc
Cách thức tiến hành gia công 1 lớp composite:
- Trải lớp vải sợi thủy tinh: Vải sợi thủy tinh đƣợc cắt với kích thƣớc (1500x250)mm. Đợi khoảng 15 phút lớp gel xe bề mặt, trải lớp vải sợi thủy tinh lên trên lớp gel, sau đó dùng ru lô bằng sắt lăn phẳng lớp vải sợi tạo sự kết dính và tránh hiện tƣợng rỗ khí giữa 2 lớp vật liệu nền và cốt.
Hình 4.8. Hình ảnh sau khi rải lớp sợi thủy tinh
- Phết lớp vật liệu nền epoxy: hòa 300g nhựa epoxy với 30g cốt vải sợi thủy tinh, dùng que ngoáy đều hỗn hợp. Sau đó dùng chổi quét sơn phết hỗn hợp đó lên
lớp vải sợi thủy tinh vừa trải, dùng chổi quét sơn dập hỗn hợp tăng độ kết dính. Lúc này đã hoàn thành xong 1 lớp composite.
Hình 4.9. Trải lớp vật liệu nền
Tiến hành gia công 4 lớp composite tiếp theo, đƣợc thực hiện lần lƣợt nhƣ gia công lớp composite thứ nhất.
Bƣớc 5:Tạo gờ cho cánh
Để dễ dàng và đảm bảo độ bền giữa các mối ghép khi ghép 2 nửa của cánh, học viên tiến hành tạo gờ cho 2 nửa cánh:
Dụng cụ và vật tƣ: - Nhựa epoxy: 300g
- Chất đóng rắn TETA: 30g
- Thanh kẽm hộp có kích thƣớc: (1400x400x200)mm Cách thức tiến hành: Khi lớp vật liệu nền trên cùng xe lại, dùng thanh kẽm ngăn cách để tạo gờ cho cánh. Khoảng cách giữa thanh kẽm và mép ngoài của cánh là 150mm. Dùng hỗn hợp nhựa epoxy và chất đóng rắn TETA đã hòa phết lên khoảng trống ngăn cách giữa thanh kẽm và mép ngoài của cánh.
Bƣớc 6: Dỡ khuôn lấy sản phẩm
Sau khi đổ xong 6 lớp, để sản phẩm đóng rắn ở nhiệt độ ngoài trời, chờ khoảng 24h cho hỗn hợp nhựa và sợi thủy tinh đông cứng tháo lấy sản phẩm. Sau khi lấy sản phẩm, để tránh cong vênh ta lại đặt sản phẩm trở lại khuôn. Sau đó để khoảng 48h lấy sản phẩm ra khỏi khuôn
Hình 4.11. Hai nửa cánh turbine sau khi dỡ khuôn
Bƣớc 7: Ghép 2 nửa cánh tạo thành cánh turbine hoàn chỉnh
Dụng cụ và vật tƣ: - Keo epoxy: 300ml
- Máy mài cầm tay, chổi trà, đá cắt. - Kéo, giấy giáp, dƣỡng
Cách thức tiến hành: Sau khi 2 nửa cánh đã tháo ra khỏi khuôn, dùng máy mài cầm tay có lắp chổi trà và đá cắt, cắt bỏ ba via. Dùng keo epoxy dán hai nửa
cánh tạo thành cánh hoàn chỉnh. Sau đó lại dùng dƣỡng, giấy giáp chỉnh sửa đúng biên dạng cánh đã khảo sát và đánh xung quanh bề mặt bên ngoài tạo độ nhẵn bóng cho cánh. Hoàn thành sản phẩm.
Hình 4.12. Cánh turbine gió chế tạo
4.3. Đánh giá kết quả
4.3.1. Độ chính xác kích thước và hình dáng
Xác định biên dạng
Sau chế tạo xong, đƣa cánh lên máy đo tọa độ 3 chiều CMM (phòng thí nghiệm trƣờng ĐH kỹ thuật Công nghiệp TN) để xác định biên dạng cánh sau khi chế tạo. Cách thức thực hiện trình bày trên hình 4.1 a),b),c),d)
a) b)
So sánh kết quả đo với biên dạng cánh đã khảo sát. Kết quả đƣợc hiển thị trên hình 4.2 a) và b)
a) b)
Hình 4.14. Biên dạng cánh khảo sát a) và cánh chế tạo b)
Xác định kích thƣớc chiều dài: Kích thƣớc chiều dài đƣợc đo bằng thƣớc dây
4.3.2. Xác định độ võng
a.Cơ sở lý thuyết để xác định độ võng
Để xác định độ võng của cánh cần tiến hành xác định lực tác dụng lên cánh ở vị trí lực cản của gió vuông góc với mặt cánh ở bão cấp 15
Hình 4.15. Vận tốc gió tác dụng lên cánh turbine
Hợp lực tác dụng lên cánh là F
F (4.4)
Trong đó: ρ – khối lƣợng riêng của không khí, ρ = 1,25kg/m3
S – Diện tích, đƣợc tính bằng (dây cung x chiều cao cánh) S =0, 22x1,4 =0,308m2
Cd – Hệ số cản, theo [8], Cd = 1,1 ÷1,3 chọn Cd = 1,3
221
,5
V – Vận tốc gió, chọn cấp gió 15 có V= 109mph ≈ 48,7m/s
Thay các giá trị ρ = 1,25kg/m3, S = 0,308m2, Cd = 1,3, V=48,7m/s vào biểu thức (4.4) ta có:
F = 593,5kg = 593,5N
Áp dụng công thức xác định độ võng của thanh chịu uốn ta có: ymax =
Với P = 593,5N, L = 700mm
E = 1667,4 (Mpa) = 1667,4 (N/mm2)
J = 1843657 (mm4) (sử dụng autocad để tính Jthể hiện trên hình 4.16)
Hình 4.16. Kết quả tính momen quán tính J trên autocad
Vậy thay số vào ta đƣợc: ymax =
b. Xác định độ võng
Tiến hành đặt cánh trên 2 gối đỡ, dùng lực tác dụng tại vị trí trung điểm của cánh, dùng đồng hồ so để xác định độ võng
Hình 4.17. Đo độ võng cánh
Tác dụng lực P=50N, độ võng của cánh đƣợc hiển thị trên đồng hồ so. Tăng dần lực tác dụng lên cánh đến khi lực tác dụng bằng với lực tác dụng dựa trên tính toán lý thuyết thì dừng lại.
Ta lập đƣợc bảng giá trị độ võng của cánh sau khi tính toán và làm thí nghiệm:
Bảng 4.1. Bảng so sánh giá trị độ võng của cánh khi tính toán và thí nghiệm
Lực tác dụng P (N) Độ võng tính toán y (mm) Độ võng y của cánh chế tạo TN (mm) Độ võng y của cánh khảo sát TN (mm) P = 50 y ≈ 0,11 y ≈ 0,05 y ≈ 0,04 P = 100 y ≈ 0,23 y ≈ 0,12 y ≈ 0,10 P = 150 y ≈ 0,35 y ≈ 0,25 y ≈ 0,22 P = 200 y ≈ 0,46 y ≈ 0,32 y ≈ 0,30 P = 300 y ≈ 0,69 y ≈ 0,54 y ≈ 0,49 P = 600 y ≈ 1,38 y ≈ 1,05 y ≈ 0,95
Đánh giá: Qua quá trình thí nghiệm và tính toán để xác định độ võng của cánh. So sánh giá trị độ võng tính toán và thí nghiệm đƣợc thể hiện trong bảng 4.1 cho thấy: độ võng của cánh khi thí nghiệm nhỏ hơn độ võng tính toán trên lý thuyết. Do vậy cánh chế tạo đảm bảo đƣợc độ bền uốn
4.3.3. Kiểm tra khuyết tật và sự phân bố sợi trong nhựa
Để kiểm tra khuyết tật và sự phân bố sợi trong nhựa của sản phẩm, học viên tiến hành cắt một mẫu nhỏ trên cánh chế tạo. Mặt cắt ngang của mẫu đƣợc mài phẳng và đo trên kính hiển vi quang học GX -71 (Phòng thí nghiệm trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên).
Hình 4.17. Kiểm tra khuyết tật và sự phân bố sợi, nhựa
Kết quả: Kết quảthí nghiệm đƣợc hiển thị trên hình 4.17 cho thấy: mẫu không có rỗ khí khuyết tật, sự phân bố sợi trong nhựa tƣơng đối đồng đều có sự phân biệt rõ rệt giữa các lớp.
4.4. Kết luận chƣơng
Dựa trên cơ sở chế tạo mẫu, luận văn thử nghiệm chế tạo cánh turbine gió bằng vật liệu composite lớp (nền nhựa epoxy, cốt vải sợi thủy tinh). Kết quả cho thấy, cánh turbine chế tạo có độ chính xác về kích thƣớc, hình dáng hình học; sự phân bố giữa nền và cốt tƣơng đối đồng đều và đảm bảo đƣợc độ bền uốn.
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
* Các kết quả đã đạt đƣợc:
Đề tài “thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo thử nghiệm cánh turbine trục đứng công suất 300W bằng vật liệu composite”. Các quá trình nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm đã đƣợc tiến hành. Các kết quả mà đề tài đã đạt đƣợc bao gồm:
- Khảo sát các loại vật liệu composite nền nhựa epoxy và cốt sợi thủy tinh đƣợc bán trên thị trƣờng tƣơng đối phổ biến và giá thành dao động khoảng 70-100 nghìn VNĐ.
- Chế tạo thử nghiệm mẫu là vật liệu composite bằng phƣơng pháp lăn ép để xác định tỷ lệ sợi/nhựa
- Xác định đƣợc các cơ tính của mẫu vật liệu composite: + Tỷ lệ sợi/nhựa = 0,35(%V)
+ Sự phân bố sợi trong nhựa tƣơng đối đồng đều, có sự phân biệt rõ rệt giữa các lớp
+ Thời gian chờ đông cứng của vật liệu nền sau mỗi lớp để thực hiện lớp tiếp theo + Kiểm tra các khuyết tật: không có rỗ khí, khuyết tật
+ Xác định đặc tính cơ học nhƣ: khả năng chịu kéo, chịu uốn tốt
- Lựa chọn đƣợc loại vật liệu nền là epoxy, cốt sợi thủy tinh, tỷ lệ pha chất đóng rắn 10:1và tỷ lệ sợi/nhựa theo phần trăm thể tích là 35%
- Xác định đƣợc quy trình công nghệ có thể dùng đƣợc để chế tạo cánh đảm bảo những yêu cầu kỹ thuật đã đề ra.
- Chế tạo thử nghiệm đƣợc cánh turbine trục đứng công suất 300W bằng vật liệu composite lớp nền nhựa epoxy, cốt vải sợi thủy tinh
* Hạn chế luận văn:
- Trong phạm vi đề tài, luận văn chỉ dừng lại ở việc thiết kế quy trình công nghệ và tiến tới thử nghiệm chế tạo cánh turbine gió trục đứng cho biên dạng cánh NACA 4621 bằng phƣơng pháp lăn ép. Tuy nhiên, chất lƣợng của sản phẩm khi sử dụng phƣơng pháp này phụ thuộc vào tay nghề của ngƣời thợ, nên chỉ phù hợp áp
dụng cho các kết cấu có biên dạng đơn giản. Với các kết cấu phức tạp, yêu cầu độ chính xác và cơ tính cao cần áp dụng các phƣơng pháp chế tạo khác nhƣ phƣơng pháp phun hỗn hợp, phƣơng pháp đúc chân không,…
* Các vấn đề nghiên cứu tiếp theo:
Tiếp tục phát triển đề tài, thiết kế quy trình công nghệ chế tạo cánh turbine trục đứng gió nói riêng và turbine gió nói chung bằng vật liệu composite lớp bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau.
* Tính toán giá thành sản phẩm (cho 1 cánh turbine)
TT Vật liệu, dụng cụ
và công lao động Đơn vị tính Số lƣợng
Đơn giá VNĐ Thành tiền VNĐ 1 Cát kg 50 1.000 50.000 2 Xi măng kg 25 1.200 30.000 3 Dƣỡng làm khuôn cái 2 25.000 50.000 4 Khung gỗ cái 1 70.000 70.000 5 Gel trắng kg 1 70.000 70.000 6 Nhựa epoxy kg 3,5 70.000 245.000 Keo epoxy kg 0,3 100.000 30.000
7 Vải sợi thủy tinh kg 1 100.000 100.000
8 Đóng rắn butanox kg 0,05 400.000 20.000
9 Đóng rắn TETA kg 0,3 400.000 120.000
10 Chổi lông chiếc 10 7.000 70.000
11 Rrulô bằng sắt chiếc 1 50.000 50.000
12 Găng tay đôi 5 15.000 75.000