Các phương pháp chế tạo vật liệu composite_báo cáo tiểu luận cơ học vật liệu hàng không

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG BỘ MÔN KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG o0o TIỂU LUẬN MÔN HỌC CƠ HỌC VẬT LIỆU HÀNG KHÔNG Đề tài CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU CO.

Mục tiêu của báo cáo

Mục tiêu chính của báo cáo là tìm hiểu về các phương pháp chế tạo vật liệu composite

C Ơ SỞ LÝ THUYẾT -L ITERATURE R EVIEW

Cơ sở lý thuyết - Literature Review

- Phần 1: Tổng quan về vật liệu composite;

- Phần 2: Vật liệu composite FRP;

- Phần 3: Quy trình sản xuất vật liệu composite.

Tổng quan về vật liệu composite

Ưu điểm của vật liệu composite

Vật liệu composite được tạo thành từ sự kết hợp của nhiều vật liệu khác nhau, giúp đổi mới cấu trúc hình học và nâng cao tính năng vượt trội Nhờ vào thành phần đa dạng này, composite mang lại những đặc tính vượt trội so với các vật liệu đơn lẻ, phù hợp với nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp hiện đại.

- Độ bền và độ cứng cao, độ uốn kéo tốt, là một loại vật liệu có độ vững chắc

Vật liệu chống ăn mòn hiệu quả, có khả năng chống oxy hóa và chịu đựng tốt môi trường khắc nghiệt Nhờ đó, sản phẩm phù hợp để sử dụng trong các ứng dụng chứa hóa chất hoặc axit, đảm bảo an toàn và độ bền cao trong mọi điều kiện.

- Tuổi thọ sử dụng lâu dài

- Khối lượng riêng nhỏ, trọng lượng nhẹ nên các sản phẩm được làm từ vật liệu composite rất tiện dụng trong di chuyển

- Chịu được tác động từ thời tiết, chống UV cao nên có thể sử dụng cho cả điều kiện trong nhà và ngoài trời

- Vật liệu kháng ăn mòn và kháng hóa chất, chống thấm nước và không độc hại với sức khỏe, môi trường

Composite có tính thẩm mỹ cao nhờ khả năng dễ dàng cắt, dời và sáng tạo hoa văn trên bề mặt Vật liệu này có khả năng gia công và tạo hình linh hoạt, giúp thiết kế các sản phẩm đa dạng về kiểu dáng và màu sắc Nhờ đó, các sản phẩm từ composite không chỉ đẹp mắt mà còn phong phú về mẫu mã, phù hợp với nhiều phong cách trang trí khác nhau.

- Sữa chữa dễ dàng, chi phí về bảo dưỡng hay về sản xuất không cao

Chất liệu composite có mức giá thấp hơn so với các loại chất liệu khác như gang và thép, giúp bạn tiết kiệm chi phí đáng kể khi đầu tư vào dự án Sử dụng vật liệu này không chỉ mang lại hiệu quả về mặt kinh tế mà còn đảm bảo chất lượng và độ bền phù hợp với nhiều ứng dụng Lựa chọn composite là giải pháp tối ưu để giảm thiểu chi phí mà vẫn đảm bảo độ bền và độ an toàn cho công trình của bạn.

Nhược điểm của vật liệu composite

- Trong quá trình sản xuất dễ sinh ra phế phẩm Vật liệu khó tái chế, tái sử dụng

- Nguyên liệu thô đầu vào có giá thành khá cao

- Gia công tốn nhiều thời gian, phân tích thành phần vật liệu phức tạp

- Chất lượng của vật liệu composite có thể bị tác động bởi trình độ người công nhân.

Vật liệu composite FRP

Ưu điểm của vật liệu FRP

Vật liệu FRP có những ưu điểm vượt trội so với các vật liệu khác:

- Khả năng chịu tác động từ môi trường như điều kiện thời tiết (chống UV), môi trường hóa chất

- Tính đa dạng trong thành phần

- Màu sắc vật liệu bắt mắt, khả năng tạo hình cao nên ứng dụng được nhiều lĩnh vực từ khoa học kỹ thuật đến các ứng dụng đời sống.

Ứng dụng của vật liệu FRP trong đời sống và sản xuất

Vật liệu FRP (composite gia cường bằng sợi thủy tinh) được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chống mài mòn vượt trội Nhờ vào khả năng hạn chế dung sai và dễ dàng gia công chính xác, vật liệu này phù hợp với nhiều công trình kỹ thuật và xây dựng yêu cầu cao về độ bền và tính chính xác.

Nhựa gia cố sợi thủy tinh được ứng dụng ở những lĩnh vực từ dân dụng đến công nghiệp như:

- Bàn ghế nhựa, ghế hồ bơi, đồ dùng nội – ngoại thất

- Các sản phẩm yêu cầu về tính trung tính điện

Nhựa gia cố bằng sợi carbon được ứng dụng trong các sản phẩm yêu cầu độ cứng cực kỳ cao và đặc biệt như:

- Linh kiện, động cơ máy bay, tên lửa, ô tô

- Vỏ thân ô tô cao cấp

- Dụng cụ, thiết bị cho tàu thuyền

Vật liệu bằng nhựa aramid được ứng dụng trong các cấu trúc chịu tải trọng và va đập.

Quy trình sản xuất vật liệu composite

Quy trình đúc hở

Vật liệu được đặt trong khuôn mở để tiếp xúc với không khí, giúp chúng cứng lại nhanh chóng, tạo ra sản phẩm phù hợp cho các mục đích thử nghiệm hoặc sản xuất trong thời gian ngắn Quy trình đúc này có lợi thế về chi phí thấp, thường được sử dụng để làm mẫu thử hoặc trong các dự án cần tiến độ ngắn Đây là phương pháp hiệu quả và tiết kiệm, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu nhanh chóng và kinh tế.

Các phương pháp đúc hở:

Lăn tay là phương pháp đắp cốt sợi thủ công vào khuôn, sử dụng chổi hoặc con lăn để quét phủ nhựa lên bề mặt Quy trình gia công này đơn giản, dễ chỉnh sửa thiết kế và phù hợp để gia công các sản phẩm có kích thước từ nhỏ đến lớn.

• Súng phun: Dùng súng cắt để cắt ngắn sợi gia cường và cho vào nhựa

Quá trình phun giúp kiểm soát độ dày của sản phẩm một cách chính xác, nhờ vào kỹ năng của người vận hành So với phương pháp đắp tay truyền thống, phun sợi mang lại lợi ích lớn về mặt tự động hóa, đặc biệt khi sản xuất hàng loạt với số lượng lớn Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo vật liệu composite cho các lĩnh vực như tàu thuyền, bồn chứa, thiết bị bồn tắm và phụ kiện phòng tắm, với nhiều kích thước đa dạng phù hợp với từng mục đích sử dụng.

Quấn sợi là quy trình tự động sử dụng trục quay làm khuôn và điều khiển bằng máy tính, giúp giảm đáng kể nguồn nhân lực so với các phương pháp truyền thống Quấn sợi tạo ra sản phẩm có lớp phủ bên trong và lớp cán mỏng ở mặt ngoài, phù hợp để sản xuất các cấu trúc rỗng như vỏ động cơ hoặc ống dẫn Phương pháp sử dụng trục gá trong quá trình quấn sợi mang lại hiệu quả cao và độ chính xác cho sản phẩm cuối cùng.

24 với kích thước và hình dáng theo yêu cầu của sản phẩm.

Quy trình đúc kín

Nguyên liệu nền và gia cường được đặt trong khuôn kín hoặc túi chân không để đảm bảo chúng không tiếp xúc với không khí, giúp quá trình gia cố hiệu quả hơn Phương pháp này thường được sử dụng trong sản xuất số lượng lớn hoặc các sản phẩm yêu cầu hoàn thiện cả hai bề mặt, nâng cao chất lượng và độ bền của sản phẩm cuối cùng.

Các phương pháp đúc kín:

Đúc túi chân không giúp loại bỏ không khí, hạn chế tối đa tình trạng bị rỗng trong sản phẩm Công nghệ đúc bao chân không còn loại bỏ phần nhựa thừa, từ đó tăng cường độ kết dính của hỗn hợp nhựa, đảm bảo độ bền và chất lượng cao cho sản phẩm.

Truyền chân không là phương pháp tạo ra các lớp mỏng có kết cấu đồng đều, độ bền cao và trọng lượng nhẹ Quá trình này sử dụng áp suất chân không để kéo nhựa vào trong khuôn, giúp dát mỏng, nén chặt và loại bỏ nhựa thừa cùng không khí, từ đó giảm thiểu hiện tượng rỗng trong thành phẩm.

Hút chân không là phương pháp gia cường vật liệu bằng cách đưa vật liệu vào khuôn kín rồi bơm nhựa vào bằng áp lực, giúp đảm bảo sự đồng đều và chất lượng cao cho sản phẩm Quá trình này có thể thực hiện tại nhiệt độ phòng, trong khi khuôn được gia nhiệt để rút ngắn thời gian chu kỳ sản xuất và tăng tính đồng nhất của thành phẩm.

Ép khuôn là phương pháp kẹp vật liệu composite giữa hai khuôn trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao để xử lý nhựa gia cố sợi thủy tinh với số lượng lớn Quy trình này diễn ra nhanh chóng, đảm bảo tính đồng nhất cao và bề mặt sản phẩm đẹp Nhờ áp dụng công nghệ tự động hóa, chi phí nhân công của quá trình này tương đối thấp, giúp tối ưu hóa hiệu quả sản xuất và giảm thiểu chi phí.

Đúc ép là quá trình kéo các sợi liên tục qua bể nhựa để đạt độ bão hòa, giúp tạo ra các sản phẩm vật liệu tổng hợp dạng thanh dài với cấu trúc cao cấp Phương pháp này thường được sử dụng để sản xuất các thành phần như ống dẫn và trục dầm, mang lại độ bền và chính xác cao cho các ứng dụng kỹ thuật.

Đúc ép phản lực là phương pháp nung riêng hai hoặc nhiều loại nhựa và kết hợp với sợi thủy tinh đã nghiền nhỏ để tạo thành hợp chất đặc biệt Sau đó, hỗn hợp nhựa và sợi thủy tinh được bơm vào khuôn dưới áp suất cao và nén lại để hình thành các chi tiết chính xác Phương pháp này thường được ứng dụng trong sản xuất các bộ phận ô tô, tấm chắn và vỏ lốp, nhờ khả năng tạo ra sản phẩm có độ bền cao và kích thước chính xác.

Đúc ly tâm là phương pháp đúc trong đó nền và cốt được lắng lại bên trong mặt khuôn quay nhờ lực ly tâm Phương pháp này sử dụng lực ly tâm để giữ các thành phần khi chúng đông lại, tạo ra các sản phẩm rỗng như ống, bể chứa hoặc bồn chứa một cách chính xác và chắc chắn.

Cán liên tục là quy trình sử dụng nền nhựa và cốt sợi được kẹp giữa hai tấm, trong đó các con lăn đóng vai trò tạo hình và cán mỏng vật liệu thành các tấm theo kích thước yêu cầu Quá trình này giúp sản xuất các vật liệu có độ dày và hình dạng chính xác, phù hợp sử dụng cho các ứng dụng như biển báo, vật liệu xây dựng và nhiều lĩnh vực khác Cán liên tục là công đoạn quan trọng trong sản xuất vật liệu tấm, đảm bảo chất lượng và độ bền của sản phẩm cuối cùng.

Quy trình đúc khuôn nhựa

Quy trình đúc hỗn hợp gồm nhựa và chất độn mà không có sự tham gia của cốt sợi thường được sử dụng để sản xuất các sản phẩm có hình dạng và kích thước theo yêu cầu Phương pháp này bao gồm hai kỹ thuật chính giúp tạo ra các sản phẩm đa dạng với độ chính xác cao Các quy trình này phù hợp để sản xuất các chi tiết có hình dạng phức tạp và độ bền đảm bảo, phù hợp với nhu cầu thị trường và ứng dụng kỹ thuật cao.

Đúc đá nuôi cấy tráng gel là kỹ thuật phủ một lớp gel lên bề mặt đá để nâng cao vẻ đẹp tự nhiên và tăng khả năng chống mài mòn bởi thời tiết khắc nghiệt Lớp gel này được tạo thành từ hỗn hợp nhựa và các chất độn khoáng như đá cẩm thạch, mã não hoặc hoa cương, giúp bảo vệ bề mặt đá và duy trì độ bền lâu dài.

Khuôn đúc bề mặt rắn là loại khuôn không có lớp phủ gel, giúp tạo ra bề mặt cứng, đồng nhất khi cắt, chà nhám hoặc kết dính Bề mặt rắn này không những đảm bảo độ bền và ổn định của sản phẩm mà còn hỗ trợ tạo kiểu đa dạng, nâng cao tính thẩm mỹ của thành phẩm.

C ÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE PHỔ BIẾN NHẤT - T HE M OST

P OPULAR M ETHODS OF C OMPOSITE F ABRICATION

Các phương pháp chế tạo vật liệu composite phổ biến nhất - The Most Popular Methods of Composite Fabrication

Trong phần này, chúng tôi sẽ làm rõ các phương pháp chế tạo vật liệu composite dựa trên các quy trình đã trình bày ở phần 2.3 Hai công nghệ phổ biến nhất hiện nay gồm có phương pháp lăn tay và phương pháp phun, đều được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế tạo vật liệu composite để đảm bảo chất lượng và hiệu quả sản xuất.

Nhóm chọn 4 phương pháp, trong đó 2 phương pháp đại diện cho quy trình đúc khuôn hở và 2 phương pháp đại diện cho quy trình đúc kín

- Phần 1: Phương pháp lăn tay (Hand lay-up)

- Phần 2: Phương pháp phun (Spray up)

- Phần 3: Phương pháp cán liên tục (Pultrusion)

- Phần 4: Phương pháp đúc ép phản lực (Reaction Reinforced Injection Molading)

Phương pháp lăn tay (Hand lay-up)

Ưu điểm của phương pháp lăn tay

- Sử dụng mẫu khuôn đơn giản bởi quá trình chế tạo ở nhiệt độ và áp suất không cao

Sau khi tách khỏi khuôn, sản phẩm có màu sắc đẹp, đa dạng và hoàn chỉnh mà không cần sơn phủ hay trang trí thêm Các sản phẩm từ công nghệ lần ép bằng tay không những đạt độ hoàn thiện cao mà còn rất bền màu, đảm bảo sự lâu dài và chất lượng cao cho người dùng.

Nhược điểm của phương pháp lăn tay

- Sản phẩm có chứa nhiều bọt khí

- Chất lượng bề mặt sản phẩm không đồng đều

Vì vậy, đối với những sản phẩm đơn chiếc hoặc các loạt sản phẩm số lượng nhỏ có thể áp dụng phương pháp này để gia công.

Ứng dụng của phương pháp lăn tay

- Vật liệu chịu hóa chất: như bồn chứa, ổng dẫn, van, bể điện phân

- Vật liệu điện: tấm cách điện, vỏ các thiết bị điện, máy biến thế,

Các bước thực hiện phương pháp lăn tay

Đầu tiên, cần thiết kế và vệ sinh sạch sẽ khuôn đúc để tránh bụi bẩn bám vào Tiếp theo, lau chùi kỹ khuôn để đảm bảo bề mặt hoàn toàn sạch sẽ Sau khi làm sạch, quét lớp sáp chống dính lên bề mặt khuôn nhằm ngăn polymer dính vào khuôn, giúp quá trình tháo sản phẩm ra dễ dàng hơn.

Bước 2: Tạo lớp bề mặt

Sau khi tạo khuôn và bôi lớp chống dính, bước tiếp theo là phủ lớp bề mặt cho sản phẩm để đảm bảo tính thẩm mỹ và độ bền Tùy vào loại sản phẩm và mục đích sử dụng, ta sẽ chọn phương pháp tạo lớp bề mặt phù hợp, thường sử dụng các chất như chất đóng rắn, sơn hoặc gelcoat Việc pha trộn các thành phần này với tỉ lệ phù hợp là yếu tố quan trọng để đạt chất lượng tốt nhất cho sản phẩm cuối cùng.

Sau khi tạo lớp bề mặt, đợi 20-30 phút để bề mặt khô ráo, chúng ta tiến hành phủ và trải lớp cốt phù hợp với từng loại sản phẩm Đối với các dòng sản phẩm như nắm hố ga hoặc chắn rác, nên chọn sợi thủy tinh làm vật liệu cốt để đảm bảo độ bền và ổn định Việc chọn loại cốt phù hợp là bước quan trọng giúp tăng tuổi thọ và chất lượng của công trình.

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

Bước 5: Trải sợi thủy tinh đổ nhựa mở tách khuôn

Bước 6: Hoàn thiện sản phẩm

Phương pháp phun (Spray up)

Ưu điểm của phương pháp phun

Ứng dụng của phương pháp phun

- Giao thông vận tải: vỏ cano, tàu thuyền, xe hơi, cabin

- Vật liệu gia dụng: bàn, ghế, tủ, giá, bồn tắm, tấm cách âm, đồ chơi,

Các bước thực hiện phương pháp phun

Quy trình tạo mẫu gồm các bước chính gồm phun lớp gel chống dính lên bề mặt khuôn để dễ tháo khuôn sau khi hoàn thiện Bước tiếp theo là phủ lớp gel-coat nhằm tạo bề mặt mịn, đẹp và chuẩn xác cho sản phẩm cuối cùng.

Sau đó hỗn hợp nhựa polymer, chất khởi tạo phản ứng và sợi gia cường được phun ép vào khuôn, làm lắng đọng và bão hòa nhựa trên khuôn

Quy trình cán mỏng được thực hiện để thấm đều các sợi thủy tinh và nén chặt xuống, đảm bảo độ đồng đều và chắc chắn của sản phẩm Các lớp bổ sung được thêm vào dựa trên yêu cầu về độ dày của từng loại sản phẩm, đồng thời có thể sử dụng các chất gia cố để tăng cường độ bền cho khâu quấn sợi Vật liệu cốt cùng loại thường được dùng để xếp lớp bằng tay, giúp đảm bảo tính chính xác và đồng nhất trong quá trình sản xuất Khuôn mẫu có đa dạng về kích thước, từ nhỏ đến lớn, giúp định hình sản phẩm theo đúng yêu cầu kỹ thuật và thiết kế mong muốn.

Trong phương pháp này, vật liệu gia cường có kích thước nhỏ được trộn đều với nhựa polymer theo tỷ lệ xác định để nâng cao tính chất vật lý của sản phẩm Súng phun được sử dụng để phun hỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cường vào khuôn một cách chính xác và đồng đều Quá trình cung cấp vật liệu gia cường liên tục vào một đầu của súng phun, trong khi nhựa polymer và chất khởi tạo phản ứng được cung cấp ở đầu còn lại nhằm đảm bảo quá trình hòa trộn hiệu quả Quá trình hòa trộn diễn ra trong thiết bị hòa trộn tĩnh hoặc động, giúp tạo ra hỗn hợp đồng nhất trước khi phun vào khuôn.

Phương pháp cán liên tục (Pultrusion)

Ưu điểm của phương pháp pultrusion

- Tỉ lệ phế liệu thấp

- Khả năng lựa chọn các loại nhựa, vật liệu gia cường Cũng như cường độ lao động, giá thành khuôn có thể điều chỉnh trong khoảng rộng

- Sản xuất được các profile có hình dạng phức tạp với độ dài liên tục

- Sự phân bố của vật liệu gia cường với vị trí chính xác.

Các bước thực hiện phương pháp pultrusion

Hình 3.2 - Quy trình hoạt động cơ bản của phương pháp pultrusion

Thiết bị bao gồm có 6 bộ phận chính : bộ phận cấp sợi, bể nhựa, khuôn định hình, khuôn gia nhiệt, máy kéo, máy cắt

Bộ phận cấp sợi là phần đầu của quy trình pultrusion, chịu trách nhiệm dự trữ và cung cấp các loại sợi cho hệ thống sản xuất Các loại sợi như roving, mat, fabric, veil được kéo qua các thiết bị dẫn hướng theo đúng yêu cầu của sản phẩm, đảm bảo quá trình liên tục và chính xác Vì quy trình pultrusion là liên tục, các loại sợi thường được cung cấp dưới dạng cuộn từ 15-25 kg, phù hợp với tiêu chuẩn sản xuất và tối ưu hóa hiệu suất Mỗi bộ phận cấp sợi có khả năng chứa từ 15-25 kg sợi, giúp duy trì hoạt động liên tục và hiệu quả.

Sợi roving được kéo theo phương tiếp tuyến với cuộn và hướng về bộ phận gom sợi trước khi đi vào bể nhựa hoặc khuôn định hình, đảm bảo quá trình kéo sợi diễn ra liên tục và chính xác Trong quá trình kéo, sợi được căng qua các hệ thống dẫn hướng hoặc trục để đảm bảo độ căng đều, tránh cọ sát không đều gây ảnh hưởng đến chất lượng sợi Đặc biệt, nếu sợi được kéo theo phương trục tâm của cuộn sợi, sẽ xảy ra hiện tượng xoắn gây mất ổn định trong quá trình sản xuất Đặt sau bộ phận cấp sợi roving là các thiết bị đặc biệt dùng đế để cung cấp các loại sợi như mat, fabric, veil, đảm bảo phân phối sợi đều và liên tục cho các bước tiếp theo của quá trình sản xuất.

Trong quy trình pultrusion, bộ phận thấm nhựa đóng vai trò quan trọng để đảm bảo sợi được thấm đều nhựa vào cấu trúc Sợi được dẫn qua hệ thống trục lăn hoặc thanh, giúp kéo căng và dàn trải sợi một cách đều đặn trên bề mặt trục, từ đó ngăn chặn tình trạng chùn sợi và đảm bảo tính đồng đều của sản phẩm cuối cùng.

33 xuống, sợi sẽ không bị rối vào nhau và cũng để dễ điều chỉnh hướng sợi

Sự dàn trải của sợi giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với nhựa, thúc đẩy quá trình thẩm ướt của sợi diễn ra hiệu quả hơn Bề mặt tiếp xúc giữa sợi và sợi, cùng với nhựa, được giữ lại nhiều hơn nhờ sức căng bề mặt, tạo điều kiện tối ưu cho quá trình liên kết Các trục nén giúp nhào trộn và ép ép nhựa sâu vào bên trong sợi, nâng cao độ bám dính và độ bền của vật liệu Tốc độ thấm ướt sợi phụ thuộc vào xử lý sơ bộ bề mặt sợi cùng công thức nhựa sử dụng, đồng thời ảnh hưởng bởi các chất hồ và chất bôi trơn còn sót lại trên bề mặt vải, cũng như các chất kết dính bên trong Mat, Veil.

Khuôn định hình là thành phần chính trong quy trình pultrusion, gồm hai loại chính là khuôn định hình và khuôn gia nhiệt, nhằm đảm bảo hình dạng chính xác của sản phẩm Quá trình hình thành hình dạng thường diễn ra sau khi tẩm nhựa, trong đó lớp Veil khô có tác dụng bao bọc bên ngoài và tăng thể tích nhựa trong bó sợi Khuôn định hình thường được liên kết với khuôn gia nhiệt để đảm bảo quá trình định hình và gia nhiệt diễn ra chính xác, nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Khuôn gia nhiệt phải được đặt vững chắc trên khung của máy pultrusion để chống lực kéo; lực kéo thường dao động từ 6-8 tấn, nhưng đối với máy sản xuất bộ phận rộng 1,52m cao 0,6m, có thể yêu cầu lực kéo lên đến 8-20 tấn, do đó khuôn cần được lắp ráp thẳng hàng, đúng tâm với lực kéo Việc kiểm soát nhiệt độ khuôn là yếu tố quan trọng nhất trong quy trình pultrusion; khuôn thường được gia nhiệt bằng các cặp nhiệt điện hoặc dầu nóng Quá trình đóng rắn nhiệt chậm do thép - công cụ làm khuôn có tốc độ truyền nhiệt kém, hạn chế sự đóng rắn đồng nhất của composite Năng lượng nhiệt phải được cấp qua mặt ngoài của composite để đảm bảo đông đặc toàn bộ vật liệu, đặc biệt khi composite có bộ phận dày, quá trình cấp nhiệt phải kéo dài hơn, làm chậm tốc độ sản xuất Tăng tốc độ gia nhiệt để nâng cao tốc độ kéo không phải là giải pháp tối ưu, vì dễ gây ra hiện tượng đóng rắn quá nhanh lớp ngoài, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

Nhiệt độ của lớp bể mặt có thể gây ra 34 nhiệt và làm nứt mặt ngoài của sản phẩm Để kiểm soát nhiệt độ khuôn hiệu quả, có thể điều chỉnh bằng cách lắp đặt các cặp nhiệt điện trong khuôn, giúp điều chỉnh nhiệt độ từng đoạn của khuôn Cần làm lạnh ngay tại đầu vào của khuôn để ngăn chặn nhựa bị gel sớm, đảm bảo quá trình sản xuất diễn ra suôn sẻ Ngoài ra, phương pháp gia nhiệt sơ bộ bằng sóng radio đã được áp dụng để nâng cao hiệu quả quá trình gia nhiệt Việc kết hợp công nghệ sóng radio với phương pháp gia nhiệt khuôn truyền thống có thể tăng đáng kể tốc độ sản xuất; tuy nhiên, công nghệ này hiện còn hạn chế khi áp dụng cho composite sợi cacbon.

➢ Máy kéo: Máy kéo dùng để kéo profile pultrusion trong toàn bộ quy trình

Trong quá trình vận hành máy kéo, hai yếu tố quan trọng cần được quan tâm là lực kéo và tốc độ kéo Tăng tốc độ kéo giúp quy trình diễn ra nhanh hơn, nâng cao năng suất sản xuất Tuy nhiên, tốc độ kéo còn phụ thuộc vào quá trình đóng rắn của nhựa trong khuôn, đòi hỏi sự điều chỉnh phù hợp để đảm bảo chất lượng sản phẩm Hiểu rõ mối liên hệ giữa lực kéo, tốc độ kéo và quá trình đóng rắn sẽ giúp tối ưu hóa quy trình gia công và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Máy cắt đảm nhận nhiệm vụ cắt profile pultrusion thành các đoạn có kích thước theo yêu cầu, đảm bảo độ chính xác và phù hợp với thiết kế kỹ thuật Để duy trì hiệu suất cao của quy trình sản xuất, bộ phận cắt sẽ di chuyển cùng với tốc độ kéo của quy trình, giúp giảm thiểu sai lệch và tăng năng suất Việc sử dụng máy cắt phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng và tối ưu hóa hiệu quả sản xuất.

Quy trình pultrusion bắt đầu bằng việc kéo dài một bó sợi liên tục qua một bể nhựa để đảm bảo sợi được thấm ướt hoàn toàn Việc này là bước đầu tiên quan trọng trong quá trình, giúp nhựa thấm đều từ bên ngoài vào bên trong của từng sợi, tạo nền tảng vững chắc cho việc định hình và cứng chắc của sản phẩm cuối cùng.

Bó sợi đã được thấm nhựa và kéo xuyên qua bộ phận dẫn hướng vào khuôn định hình sơ bộ để đảm bảo sắp xếp đúng vị trí theo thiết kế sản phẩm Quá trình này giúp hình dạng tiết diện mặt cắt của bó sợi phù hợp với hình dạng mặt cắt ngang của lỗ khuôn, ví dụ như hình chữ I.

Sau khi bó sợi nhựa được định hình, nó sẽ được kéo qua khuôn nhiệt để quá trình phản ứng đóng rắn diễn ra, chuyển nhựa từ trạng thái lỏng sang rắn chắc Quá trình này giúp hỗn hợp sợi-nhựa biến thành composite cứng vững, có hình dạng là một thanh dài với tiết diện mặt cắt ngang giống như tiết diện của khuôn.

Tiếp theo, thanh composite được kéo ra khỏi khuôn để làm nguội

Cuối cùng, thanh composite được cắt thành các đoạn thành có chiều dài theo yêu cầu Đến đây là kết thúc quy trình sản xuất sản phẩm composite pultrusion.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo composite bằng công nghệ pultrusion

- Quá trình chuyến trạng thái của nhựa trong khuôn

- Thể tích vật liệu gia cường

Các ứng dụng và sản phẩm của công nghệ pultrusion

Sản phẩm của công nghệ pultrusion bao gồm các profile hình chữ I, chữ U, chữ L, hình tròn, hình vuông, thường dùng trong các kết cấu công trình xây dựng và thay thế các profile làm từ vật liệu truyền thống như thép, nhôm Các loại profile này còn được sử dụng để thay thế các profile thép hình vuông, thép hình tròn, ống nước, máng nước trong các hệ thống cấu kiện như cửa, tủ, thường làm bằng nhôm Tuy nhiên, profiles pultrusion có khả năng thay thế vật liệu truyền thống mà vẫn đảm bảo tính chất sản phẩm không thua kém, mang lại giải pháp nhẹ, bền, phù hợp với nhiều ứng dụng xây dựng và công nghiệp.

Hình 3.3 - Các profile làm từ công nghệ pultrusion có thể dùng để thay thế profile làm từ nhôm

Quá trình pultrusion là phương pháp đúc hiện đại để sản xuất các cấu hình tuyến tính từ vật liệu FRP Trong quá trình này, sợi thủy tinh và các vật liệu gia cố liên tục khác được ngâm tẩm và tạo hình trước khi được đẩy qua khuôn đúc nóng để cứng lại Phương pháp này cho phép sản xuất liên tục các sản phẩm FRP chất lượng cao, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe.

Vật liệu FRP pultrusion được sử dụng rộng rãi trong xây dựng và công nghiệp nhờ đặc tính nhẹ, bền và chịu lực tốt Công dụng của vật liệu này bao gồm thay thế thép kết cấu truyền thống trong xây dựng, làm tay vịn cầu thang ngoài trời, cấu trúc cầu có tải trọng nhẹ, các tấm lợp trần nhà và tấm lót sàn chịu lực thay cho bê tông Ngoài ra, FRP còn được dùng để làm dây cáp treo trong các công trình cầu treo, thiết kế nội thất trong máy bay, cũng như kết cấu cho các công trình biển như giàn khoan dầu, mang lại độ bền cao và khả năng chống ăn mòn vượt trội.

Phương pháp đúc ép phản lực (Reaction Reinforced Injection Molading)

Ưu điểm của phương pháp RRIM

Sử dụng hỗn hợp nhựa hai thành phần có độ nhớt thấp giúp nâng cao hiệu quả thi công và độ bám dính của sản phẩm Hệ nhựa thông thường gồm hai thành phần chính là A (Polyol) và B (Isocyanate), trong đó tỷ lệ trộn thường là 1:1, phù hợp với yêu cầu chất lượng của từng sản phẩm Đảm bảo tỷ lệ trộn chính xác là yếu tố quyết định sự ổn định và độ bền của lớp phủ nhựa hai thành phần.

Để định lượng tỷ lệ hai thành phần trộn chính xác, cần sử dụng hệ thống bơm định lượng có độ chính xác cao Thiết bị này đảm bảo việc trộn các thành phần diễn ra theo tỷ lệ chính xác, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm Hệ thống bơm định lượng là giải pháp tối ưu cho các ứng dụng đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối trong quá trình pha chế Việc sử dụng thiết bị này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu lỗi trong quá trình trộn, mang lại hiệu quả sản xuất cao hơn.

RRIM chuyên sản xuất các sản phẩm kim loại đẹp mắt, không có đường cắt bavia, đảm bảo an toàn cho người sử dụng Sản phẩm được xử lý bóng loáng cả hai mặt, mang lại vẻ đẹp tinh tế và chất lượng cao Quá trình sản xuất của RRIM hạn chế tối đa tác động tiêu cực đến môi trường, góp phần bảo vệ hệ sinh thái và phát triển bền vững.

Công nghệ RRIM nổi bật với tốc độ nhanh và chu kỳ sản phẩm chỉ khoảng 2 phút, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất hàng loạt Công nghệ này rất phù hợp cho các đơn hàng lớn, đảm bảo tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu suất sản xuất Nhờ vào đặc điểm này, RRIM giúp đáp ứng nhanh chóng các yêu cầu của khách hàng với số lượng lớn, nâng cao năng suất và cạnh tranh trên thị trường.

Phản ứng giữa Polyol và Iso tạo ra nhiệt lượng lớn, giúp hỗ trợ quá trình gia nhiệt trong khuôn Tuy nhiên, vẫn cần cung cấp thêm nhiệt cho khuôn để đảm bảo quá trình làm mát giữa bề mặt sản phẩm và lõi khuôn diễn ra hiệu quả, từ đó nâng cao chất lượng và độ chính xác của sản phẩm cuối cùng.

- Độ tự động hóa của qui trình RRIM là rất cao.

Nhược điểm của phương pháp RRIM

- Chi phí đầu tư hệ thống máy móc, khuôn cao

- Hạn chế về chủng loại nguyên liệu đầu vào (hỗn hợp nhựa hai thành phần)

- Kích thước sản phẩm có phần bị hạn chế, thường dùng để tạo các sản phẩm có kích cở trung bình

Công nghệ RRIM có nhược điểm là chỉ sử dụng sợi gia cố ngắn dưới dạng bột hoặc sợi ngắn, nhằm tránh nghẹt trong hệ thống Điều này làm giới hạn khả năng nâng cao tính cơ lý của sản phẩm trên nền tảng công nghệ RRIM, dẫn đến hạn chế về đặc tính cơ lý của vật liệu.

Quy trình sản xuất composite bằng phương pháp RRIM

Hình 3.4 - Mô hình công nghệ RRIM

Hệ thống gồm các cụm chức năng:

➢ Hệ thống bồn chứa Polyol và Isocyanate (ngăn chứa)

➢ Hệ thống bơm xi lanh định lượng (bơm định lượng): Thiết bị bơm định lượng sử dụng bộ khuếch đại gồm có 3 phần:

Các tín hiệu xung phát từ bộ điều khiển máy được biến đổi bởi bộ khuếch đại để kích hoạt hoạt động của bơm, thường sử dụng động cơ bước Quá trình này có điểm đặc biệt giúp đạt được độ chính xác cao, với từng xung riêng lẻ tương ứng với một bước nhỏ trong bơm định lượng Tần số xung, có thể lên đến 10kHz tùy loại máy, quyết định tốc độ hoạt động của bơm và ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất.

Đầu phun trộn được điều khiển tự động bằng hệ thống máy tính, giúp nâng cao tính tự động hóa trong quá trình sản xuất Nguyên liệu được vi định lượng chính xác lần nữa tại đầu trộn để đảm bảo độ chính xác của hỗn hợp Chức năng chính của đầu trộn là trộn và phun hỗn hợp nhựa hai thành phần với tốc độ cao vào khuôn, đồng bộ với hệ thống bơm định lượng nhằm đảm bảo lượng nguyên liệu chính xác Hiện nay, có nhiều loại đầu trộn phù hợp với mục đích và yêu cầu sản phẩm, như đầu trộn 2, 4 đầu để đáp ứng đa dạng nhu cầu sản xuất.

Khuôn và hệ thống đóng khuôn (ngàm khuôn) phải được thiết kế dựa trên yêu cầu cụ thể của sản phẩm, cân bằng giữa tính chất của khuôn, chi phí và thời gian chế tạo nhằm giảm thiểu các vấn đề phát sinh trong quá trình sản xuất Khi chọn vật liệu và phương pháp làm khuôn, cần xem xét chiều dài của bộ khuôn và chất lượng bề mặt mong muốn, với các vật liệu như epoxy, niken, hợp kim hoặc thép, đảm bảo khuôn kín trong quá trình điền nhựa Ngàm khuôn đóng vai trò quan trọng trong việc mở, đóng và giữ kín khuôn suốt quá trình phun nhựa, đặc biệt khi sử dụng công nghệ phun RRIM với áp lực lớn 12 MPa yêu cầu hệ thống ngàm chặt để đảm bảo hiệu quả và độ chính xác của quá trình sản xuất.

Có thể dùng các loại ngàm:

+ Máy ép túi khí (airbag press)

Polyol và Isocyanate được bảo quản riêng biệt trong hai bồn chứa để đảm bảo an toàn và chất lượng sản phẩm Isocyanate là chất nhạy cảm với hơi nước, do đó cần lưu trữ trong điều kiện kín khí để tránh phản ứng không mong muốn Thường thì sợi gia cường được trộn chung với Polyol để tạo ra hỗn hợp đồng nhất Hệ thống bơm điều hòa áp lực và bơm định lượng giúp đưa lượng nhựa vào đầu trộn với độ chính xác cao, đảm bảo tỉ lệ phản ứng tối ưu trong quá trình sản xuất.

Vật liệu composite đang ngày càng được quan tâm và nghiên cứu mạnh mẽ tại Việt Nam, đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất nhựa Để nâng cao độ bền của vật liệu nhựa, việc bổ sung các cốt sợi như sợi kim loại, sợi thủy tinh, sợi bazan hoặc cacbon là cần thiết Việt Nam đã thành công trong việc chế tạo các bình chứa bằng vật liệu composite dùng để đựng hóa chất đặc biệt, bao gồm kiềm, axít, hóa chất lỏng và khí, góp phần nâng cao hiệu quả và an toàn trong công nghiệp.

Vật liệu composite có tiềm năng và ứng dụng vô cùng to lớn, được xem là vật liệu của hiện tại và tương lai Thế kỷ XXI là thời kỳ của công nghệ cao và vật liệu composite, còn gọi là các vật liệu tiên tiến, đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực Để chế tạo vật liệu mới, cần sự hợp tác của nhiều ngành khoa học như hóa học để phát triển thành phần, hợp chất và chất xúc tác; vật lý để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử, phân tử và các liên kết, cũng như ảnh hưởng của các tác động từ ánh sáng, điện tử; cơ học để tính toán kết cấu, dự báo độ bền, thử nghiệm và thiết kế sản phẩm; và công nghệ để xử lý các điều kiện như nhiệt độ, áp suất, chọn phương pháp gia công phù hợp nhằm tối ưu hóa chất lượng sản phẩm.

Chúng tôi tin tưởng rằng ngành vật liệu mới composite của Việt Nam sẽ nhận được sự đầu tư và quan tâm đúng mức, bao gồm nghiên cứu, đào tạo nguồn nhân lực, xây dựng cơ sở vật chất phòng thí nghiệm và phát triển ứng dụng sản xuất Với sự hỗ trợ này, ngành vật liệu composite hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ trong tương lai.

42 vững mạnh, góp phần to lớn và hiệu quả vào sự nghiệp hiện đại hoá, công nghiệp hóa và an ninh quốc phòng của đất nước.

Tài liệu tham khảo - References

[1] Carl Zweben, "Composite Materials," in Mechanical Engineers Handbook,

[2] "Composites Lab," [Online] Available: https://compositeslab.com/composites-manufacturing-processes/

[3] "Các phương pháp gia công vật liệu polyme composite," 2019 [Online] Available: https://123docz.net/document/6265145-cac-phuong-phap-gia- cong-vat-lieu-polyme-composite.htm

[4] Chris, 01 09 2021 [Online] Available: https://explorecomposites.com/articles/design-for-composites/basics- manufacturing-methods/

Hình ảnh mô tả các phương pháp chế tạo vật liệu composite

- Chế tạo vật liệu composite bằng phương pháp lăn tay

- Chế tạo vật liệu composite bằng phương pháp quấn sợi

- Chế tạo vật liệu composite bằng phương pháp phun sợi

- Mô hình thực tế của máy pultrusion

Hình ảnh các ứng dụng và sản phẩm composite được tạo ra từ các công nghệ

- Ứng dụng của phương pháp lăn tay

- Ứng dụng của phương pháp súng phun

- Sản phẩm của công nghệ pultrusion

Tiêu đề	Các phương pháp chế tạo vật liệu composite
Tác giả	Phan Thanh Tân, Nguyễn Hoàng Dung
Người hướng dẫn	PGS.TS Lý Hùng Anh
Trường học	Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ thuật Hàng Không
Thể loại	Tiểu luận môn học
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	48
Dung lượng	1,1 MB