Các phương pháp mới để sản xuất vật liệu, sản phẩm nhựa cũng được phát triển dựa trên những thành tựu, khảo học kỹ thuật của thời đại; cùng với đó, những phương pháp gia công truyền thốn
Trang 1- o0o
-TIỂU LUẬN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ CAO
SU VÀ COMPOSITE – CH4102
Đề tài: Structure reaction injection molding – Tìm hiểu phương
pháp phản ứng và phun nhựa vào khuôn với vật liệu kết cấu
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Huy Tùng
GS.TS Bùi Chương
Sinh viên:
HÀ NỘI – 2021
Trang 2GVHD: PGS.TS Nguyễn Huy Tùng, GS.TS Bùi Chương
MỤC LỤC
Trang 3Hình 1: Sơ đồ công nghệ của phương pháp phản ứng và phun nhựa vào 6
khuôn cấu trúc 6
Hình 2: Sơ đồ bố trí các thiết bị trong dây chuyền phương pháp SRIM trước khuôn 9 Hình 3: Đầu trộn trong phương pháp SRIM 10
Hình 4: Khuôn nhôm được sử dụng trong phương pháp SRIM 11
Hình 5: Hình ảnh đa dạng các sản phẩm nhựa được sản xuất bằng phương pháp SRIM 14
Hình 6: Hình ảnh một sô sản phẩm SRIM trong lĩnh vực y tế 14
Hình 7: Hình ảnh một số sản phẩm SRIM trong lĩnh vực thể thao 14
Hình 8: Ứng dụng vật liệu composite trong ngành công nghiệp ô tô 15
Trang 4GVHD: PGS.TS Nguyễn Huy Tùng, GS.TS Bùi Chương
I LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, các sản phẩm từ nhựa đã trở nên vô cùng quen thuộc vào đời sống của con người, từ những vật dụng gia đình phổ biến đến các trang thiết
bị máy móc công nghiệp Sản phẩm làm từ nhựa mang tính đột phá thay thế cho nhũng vật liệu khác làm tăng cao hiệu năng sử dụng cũng như mang lại nhiều lợi nhuận kinh tế Các phương pháp mới để sản xuất vật liệu, sản phẩm nhựa cũng được phát triển dựa trên những thành tựu, khảo học kỹ thuật của thời đại; cùng với đó, những phương pháp gia công truyền thống cũng được cải tiến một cách
Với đề tài: “ Phương pháp phản ứng và phun nhựa vào khuôn với vật liệu kết cấu”, chúng ta sẽ hiểu được phương pháp phản ứng và phun nhựa vào khuôn như nào, ưu nhược điểm và ứng dụng Đánh giá được vai trò của phương pháp đến sản phẩm nhựa
Chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy GS.TS Bùi Chương và thầy PGS.TS Nguyễn Huy Tùng đã hướng dẫn tận tình, chi tiết, giúp chúng em hoàn thành tiểu luận môn học này Trong quá trình thực hiện
đề tài này, chúng em đã rất cố gắng để hoàn thành tốt nhưng có lẽ vốn kiến thức còn hạn hẹp cũng như các yếu tố khách quan khác mà không thể tránh khỏi những thiếu ót Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, phê bình và hướng dẫn thêm của thầy
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Trang 5
II PHẦN NỘI DUNG
1 Giới thiệu phương pháp phản ứng và phun nhựa vào khuôn với vật liệu kết cấu
Đúc phun phản ứng – Reaction injection molding (RIM) là một công nghệ sản xuất tương đối mới để sản xuất các bộ phận nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo chủ yếu là polyurethane chất lượng cao, công nghệ này được nhà khoa học Bayer phát triển vào năm 1969 Công nghệ này đã trở thành quy trình đúc nhựa hàng đầu mang lại tính linh hoạt trong các lựa chọn xử
lý và hệ thống hóa chất được sử dụng để sản xuất các sản phẩm nhựa chất lượng cao (1)
Đúc phun phản ứng cấu trúc – Structural reaction injection molding (SRIM) là một quy trình RIM biến thể bổ sung các yếu tố cấu trúc vào khuôn trước khi ép, được sử dụng để sản xuất vật liệu tổng hợp polyurethane có chứa các thảm sợi thủy tinh liên tục ngẫu nhiên SRIM là một quy trình tương đối mới kết hợp tốc độ sản xuất cao của RIM với đặc tính mô đun cao, mạnh mẽ cho các bộ phận do RIM thực hiện Không giống như "urethane" RIM, sợi gia cường có thể được sử dụng cho SRIM để tăng
độ cứng, độ dẻo dai và sức bền Polyurethane, vật liệu phổ biến nhất được tạo ra bởi quy trình RIM tiêu chuẩn, được bơm vào khuôn (công cụ) đã được gia cố trước ở độ nhớt rất thấp, nơi nó phản ứng hóa học và đóng rắn
Vì vật liệu có độ nhớt thấp như vậy tạo ra rất ít ứng suất lên dụng cụ, nên dụng cụ SRIM có thể chế tạo các bộ phận 3 chiều lớn và phức tạp chỉ bằng một phần nhỏ so với đầu tư dụng cụ đúc phun tương đương
Ngoài ra, vật liệu SRIM có thể được xây dựng để phản ứng nhanh với năng suất sản xuất cao Giống như tên gọi của phương pháp, sản phẩm tổng hợp thông qua SRIM mạnh hơn và cứng hơn các sản phẩm urethane được làm bằng RIM thông thường Điểm mạnh và mô-đun của SRIM biến vật liệu tổng hợp mạnh nhất gấp hai đến mười lần hoặc hơn vật liệu RIM gia cố
Trang 6GVHD: PGS.TS Nguyễn Huy Tùng, GS.TS Bùi Chương
Khả năng chống chịu nhiệt độ cao cho phép các bộ phận SRIM được sử dụng trong khi urethan RIM thì không thể Các ứng dụng hiện tại của SRIM tập trung vào các bộ phận yêu cầu độ bền cao Giảm trọng lượng có thể đạt được khi thay thế thép hoặc thậm chí nhựa dày hơn các bộ phận được làm bằng SRIM Chi phí lắp ráp có thể được giảm bớt bằng cách giảm tổng số
bộ phận xuống Bởi vì các bộ phận được làm bằng SRIM rất mạnh và cứng, các phương pháp thiết kế bộ phận khác với các phương pháp thông thường urethan hoặc vật liệu nhiệt dẻo phản ứng Các bộ phận mỏng có hình dạng nhẹ nhưng rất bền Thiết kế phức tạp hơn, có thể bị loại bỏ bằng cách sử dụng các kỹ thuật thiết kế sáng tạo của kỹ sư
2 Đặc điểm công nghệ phương pháp
Khi so sánh với phương pháp phản ứng và phun nhựa vào khuôn (RIM) thông thường, phương pháp phản ứng và phun nhựa vào khuôn cấu trúc (SRIM) có sự khác biệt ở quá trình lắp cấu trúc gia cường vào khuôn trước như đã trình bày ở phần trên Trong phần “2 Đặc điểm công nghệ phương pháp” này, quá trình tiến hành phương pháp, những yếu tố kỹ thuật liên quan cũng như yêu cầu của nguyên liệu sử dụng sẽ được trình bày. (2)
2.1 Quy trình tiến hành
Đối với phương pháp SRIM, quy trình công nghệ bao gồm 4 bước chính: Chuẩn bị nguyên liệu, Chuẩn bị hệ cấu trúc trong khuôn, Phun nguyên liệu vào khuôn cấu trúc và Làm nguội san phẩm
Quy trình công nghệ này được mô tả trong sơ đồ công nghệ ở hình ảnh bên dưới
Trang 7Sơ đồ công nghệ:
Hình 1: Sơ đồ công nghệ của phương pháp phản ứng và phun nhựa vào
khuôn cấu trúc
Quy trình công nghệ mô tả từ sơ đồ ở trên bao gồm những đặc điểm sau:
Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu
Hai hoặc nhiều loại nhựa nóng chảy, chẳng hạn như polyisocyanate được đổ vào các bể chứa chất phản ứng riêng biệt nhau được trang bị cơ chế kiểm soát nhiệt độ và nguồn cấp dữ liệu Sau đó, chất lỏng được giải phóng vào các đường cung cấp tương ứng của chúng và được chuyển vào một buồng đo lường có chức năng điều chỉnh áp suất và luân chuyển nhựa vào đầu trộn
Bước 2: Chuẩn bị hệ thống cấu trúc trong khuôn
Các thành phần cấu trúc được đặt vào khuôn thành một tổng thể chung, kết nối với nhau từ trước
Trang 8GVHD: PGS.TS Nguyễn Huy Tùng, GS.TS Bùi Chương
Có nhiều phương pháp để sản xuất cấu trúc gia cường của khuôn:Đối với các cấu trúc sợi ngẫu nhiên, một trong những phương pháp đó là phun sợi (spray-up), các cuộn sợi liên tục được cắt thành các đoạn dài từ
10 đến 80 mm bằng cách sử dụng súng cắt và các sợi đã cắt nhỏ được phun lên khung đã được định hình trước hình dạng sản phẩm Hút chân không được áp dụng để giữ cố định các sợi trên khung Nhựa kết dính nhiệt rắn được phun với các sợi giữ cho chúng ở đúng vị trí và duy trì hình dạng đã định hình sẵn
Với các cấu trúc dạng sợi liên tục có chứa các sợi dài ngẫu nhiên được tạo ra bằng quá trình dập bằng cách sử dụng máy ép đơn giản cùng khuôn định hình trước Cả hai chất kết dính nhựa nhiệt dẻo và nhiệt rắn đều có thể sử dụng để duy trì hình dạng đã hình thành sau khi dập cảu cấu trúc
Với các loại vải dệt thoi có chứa các sợi hai chiều, phương pháp 'cắt
và dệt' được sử dụng trong đó các sợi khác nhau ban đầu được cắt từ vải
và sau đó được khâu lại với nhau bằng polyester, thủy tinh,…
Bước 3: Phun nguyên liệu vào khuôn cấu trúc
Sau khi ở đầu trộn nhựa áp dụng áp suất khoảng 1.500 đến 3.000 psi để trộn nhựa, các phản ứng tạo liên kết giữa các mạch polymer xẩy ra dựa trên quá trình trộn thay vì dựa trên quá trình tăng nhiệt độ Sản phẩm sau trộn được bơm vào khuôn ở vận tốc cao Đầu trộn ngừng giải phóng chất phản ứng khi khuôn đầy Phản ứng hóa học tỏa nhiệt xảy ra bên trong khuôn, dẫn đến hiện tượng trùng hợp nhựa
Bước 4: Làm nguội
Sau khi polyme đông đặc, hoặc "đóng rắn", sản phẩm được tháo ra khỏi khuôn theo hình dạng của khuôn
Trang 92.2 Các yêu cầu làm việc của phương pháp
Trong quá trình chuẩn bị và tiến hành phương pháp phản ứng và phun nhựa vào khuôn cấu trúc (SRIM), ngoài yếu tố liên quan tới cấu trúc gia cường, điều kiện phản ứng của nguyên liệu nhựa, những yêu cầu về nguyên liệu đầu vào, nhiệt độ ép khuôn và áp suất ép khuôn cũng ảnh hưởng tới mức độ hiệu quả của phương pháp (3)
phương pháp SRIM cần phải đáp ứng những yêu cầu sau (5):
- Độ nhớt duy trì thấp trong quá trình phun
- Tương thích với thiết bị của phương pháp RIM
- Khả năng tương thích tốt với kết cấu gia cường
Đối với yếu tố độ nhớt của polymer nguyên liệu, độ nhớt của hỗn hợp nguyên liêu được phun vào phải đủ thấp để cho phép nhựa chảy qua cấu trúc gia cường mà không phá hủy hoàn toàn hoặc biến dạng nó Ở điều kiện tối ưu nhất, độ nhớt phải duy trì đủ lâu để khuôn được lấp đầy và các sợi gia cường được tương tác với nguyên liệu nhựa
Thời gian: Thời gian trong một vòng sản xuất sản phẩm trong phương
pháp phản ứng và phun nhựa vào khuôn cấu trúc (SRIM) ngắn, thường mất khoảng 30 giây để quá trình phản ứng diễn ra Tổng thời gian cho cả quá trình đóng và mở khuôn là khoảng 1 phút, ngắn hơn nhiều lần so với các phương pháp khác Thời gian phản ứng nhanh của các loại nhựa nhiệt dẻo sử dụng cũng như thời gian của một vòng sản xuất ngắn giúp cho năng suất trong sản xuất của phương pháp này ở mức cao
Trang 10GVHD: PGS.TS Nguyễn Huy Tùng, GS.TS Bùi Chương
Nhiệt độ và áp suất : Trong phương pháp phản ứng và phun nhựa vào
khuôn cấu trúc, ngoài nhiệt độ cần để làm nóng chảy nguyên liệu nhựa dẻo thì nhiệt độ ở mức thấp Nhiệt độ nằm ở khoảng 60oC tới 120oC Ngoài yếu tố liên quan tới nhiệt độ, áp suất phun khuôn được sử dụng trong phương pháp này nằm trong khoảng từ 0,5 đến 1,5 Mpa
3 Thiết bị
Ngoài các yếu tố khác nhau về khuôn, hệ thống thiết bị vận hành trong phương pháp SRIM giống với phương pháp RIM Trong phần này, các thiết
bị dùng trong vận hành sản xuất phương pháp SRIM sẽ được trình bày
3.1 Các thiết bị trong vòng tuần hoàn nguyên liệu.
Các thiết bị trong vòng tuần hoàn nguyên liệu bao gồm Bể chứa nguyên liệu, Bơm nguyên liệu, Piston điều chỉnh dòng nguyên liệu và thiết bị trao đổi nhiệt (4)
Hình 2: Sơ đồ bố trí các thiết bị trong dây chuyền phương pháp SRIM trước khuôn
Trang 11phun Dòng nguyên liệu tuần hoàn sau khi tới vị trí của đầu phun sẽ đi qua thiết bị trao đổi nhiệt để điều chỉnh lại nhiệt độ trước khi quay trở về bể chứa nguyên liệu
Bơm nguyên liệu là thiết bị cung cấp động lực chuyển cho dòng nguyên liệu Trong khi đó, để điều chỉnh áp suất của dòng nguyên liệu chính xác thì thiết bị Piston điều chỉnh được sử dụng Trong một số dây chuyền, hai thiết
bị này có thể được kết hợp lại với nhau trong một thiết bị thực hiện đồng thời cả hai nhiệm vụ cung cấp động lực và điều chỉnh áp suất
Với nhiệt độ không quá cao, thiết bị trao đổi nhiệt thường sử dụng chất lỏng trao đổi nhiệt là nước Vị trí đặt của thiết bị trao đổi nhiệt có thể ở trước đầu trộn hoặc sau đầu trộn, ngay trước khi dòng nguyên liệu trở lại bể chứa
3.2 Đầu trộn
Ở đầu trộn, các phản ứng tạo liên kết giữa các mạch polymer xảy ra khi quá trình trộn diễn ra
Sau khi trộn, van ở đầu trộn mở, hỗn hợp chất phản ứng lỏng đi vào khoang ở đầu trộn và được bơm vào khuôn ở vận tốc và áp suất cao Khi hỗn hợp được bơm ra khuôn, pit- tong bên trong đầu trộn sẽ chuyển động ngược lại, hút chất phản ứng rồi lại thực hiện tiếp chu trình phun nhựa thành dòng vào khoang khuôn
Trang 12GVHD: PGS.TS Nguyễn Huy Tùng, GS.TS Bùi Chương
Hình 3: Đầu trộn trong phương pháp SRIM
3.3 Khuôn trong phương pháp SRIM
Hình 4: Khuôn nhôm được sử dụng trong phương pháp SRIM
Đối với phương pháp SRIM, khuôn được sử dụng trước khi được lắp đặt thêm kết cấu cần phải được kiểm định trước khi đưa vào vận hành sản xuất, những yêu cầu đối với khuôn bao gồm:
- Đảm bảo độ chính xác về kích thước, hình dáng biến dạng sản phẩm;
- Đảm bảo độ bóng cần thiết cho cả lòng khuôn và lõi để đảm bảo độ bóng của sản phẩm;
- Đảm bảo vị trí chính xác về tương quan giữa 2 nửa khuôn;
- Đảm bảo lấy sản phẩm ra khỏi khuôn một cách dễ dàng;
- Vật liệu chế tạo khuôn phải có tính chống mòn cao và dễ gia công;
Trang 13và định hình nhanh chóng trong lòng khuôn từ đó rút ngắn thời gian cho một san phẩm và tăng năng suất
- Khuôn phải có kết cấu hợp lý không quá phức tạp sao cho phù hợp với khả năng công nghệ hiện có
Sau khi polyme đông đặc, hoặc "đóng rắn", nó được đẩy ra khỏi khuôn theo hình dạng của khuôn Các đường dẫn nước lạnh được mở ra để làm mát, loại
bỏ nhiệt làm nguội và được tháo ra khỏi khuôn
Do nhiệt độ và áp suất khuôn đối với trong phương pháp SRIM thấp hơn
so với những phương pháp khác, những khuôn sử dụng có thể được chế tạo bằng vật liệu nhẹ, tiết kiệm chi phí nhưng chắc chắn như nhôm (2)
4 Ưu điểm, nhược điểm
4.1 Ưu điểm
Trong nhiều năm trở lại đây, SRIM đang trở nên được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất nhựa vì những ưu điểm của chúng, những
ưu điểm có thể được kể tới như:
- Ở công nghệ SRIM, sợi được tạo hình trước (do đó có thể định hướng sợi trước, tạo kết cấu sợi, tăng độ bền cơ lý) và sợi được đưa vào khuôn trước rồi mới phun hỗn hợp nhựa vào khuôn;
- Không cần sản phẩm trung gian;
- Nhiệt độ xử lý thấp;
- Giảm yêu cầu về áp suất kẹp;
- Độ tự động hóa của quy trình SRIM rất cao;
- Có các đặc tính tốt của sản phẩm cuối cùng;
- Thời gian của một vòng sản xuất ra sản phẩm ngắn, dẫn đến năng suất cao;
Các sản phẩm được sản xuất bằng phương pháp SRIM có độ cứng rất cao khi so sánh với các phương pháp đúc khác Modun uốn trung bình của một sản phẩm sản xuất từ phương pháp này là từ 500 đến 1500 ksi, trong khi
Trang 14GVHD: PGS.TS Nguyễn Huy Tùng, GS.TS Bùi Chương
độ bền kéo là từ 7 đến 18,5 ksi Ngoài độ cứng, sản phẩm làm từ phương pháp SRIM còn có độ bền, chắc, chống va đập cao Điều này dẫn đến SRIM được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ cũng như trong sản xuất các loại máy móc và thiết bị khác nhau
Phương pháp SRIM dựa vào các phản ứng hóa học thay vì sử dụng ảnh hưởng nhiệt để sản xuất các sản phẩm cuối cùng Nhờ vậy, nhiệt độ trong phương pháp SRIM sử dụng thấp hơn so với các phương pháp khác Điều này đồng nghĩa với việc yêu cầu lao động ít hơn, làm cho SRIM trở thành một phương pháp hiệu quả về thời gian và chi phí cao hơn đáng kể so với các phương pháp sản xuất khác
4.2 Nhược điểm
Ngoài những ưu điểm vừa trình bày ở trên, phương pháp SRIM giống như các phương pháp khác cũng có những nhược điểm riêng, dưới đây là một số những nhước điểm đáng chú ý của phương pháp SRIM:
- Không thể sơn trong khuôn – In - Mold Painting (IMP) với các sản phẩm SRIM, do phải đặt tấm lót, lưới hoặc khuôn đúc sẵn vào khuôn khi bắt đầu quá trình sản xuất;
- Các bộ phận được sản xuất bằng SRIM thường yêu cầu công việc sơn sau khuôn (có khả năng gây hại cho sức khỏe, tùy thuộc vào loại sơn) và hầu hết thường không có lớp hoàn thiện loại A;
- Chi phí đầu tư hệ thống máy móc, khuôn cao;
- Công nghệ SRIM chưa tạo được bề mặt láng bóng, cần phải gia công
bề mặt thêm;
5 Ứng dụng
Đúc phun phản ứng cấu trúc (SRIM) là một trong hai biến thể phổ biến nhất của quy trình đúc phun phản ứng (RIM) Trong khi biến thể phổ biến