Ứng dụng vật liệu composite trongsản xuất đóng thùng xe tải

Nhất là trong việc vận chuyển, hàng hóa phảiđược bảo vệ ở điều kiện tránh mưa, nắng… Ngành công nghiệp sản xuất thùng xe vận tảihiện nay đang đối mặt với các thách thức, phải tìm ra giải

LỜI MỞ ĐẦU

Nền kinh tế nước ta đang ngày càng phát triển, kéo theo ngành dịch vụ vận chuyểncũng đòi hỏi môt nhu cầu vận chuyển rất cao Nhất là trong việc vận chuyển, hàng hóa phảiđược bảo vệ ở điều kiện tránh mưa, nắng… Ngành công nghiệp sản xuất thùng xe vận tảihiện nay đang đối mặt với các thách thức, phải tìm ra giải pháp mới cho công nghệ sản xuấtthùng xe, đảm bảo chất lượng tính năng linh hoạt, trọng lượng thùng nhẹ và khả năng chịu tảitrọng hàng hóa cao có thể vận chuyển trên mọi địa hình và đồng thời phản ứng tích cực vớivấn đề ngày càng gia tăng của giá xăng hiện nay

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hiện đại dẫn đến các nhu cầu to lớn về loạivật liệu đồng thời có nhiều tính chất mà các vật liệu như kim loại, ceramic, polymer khi đứngriêng lẽ không có được mà nổi bật là loại vừa bền, vừa nhẹ, rẻ lại có tính chống ăn mòn cao.Composite (hay còn gọi là vật liệu kết hợp) ra đời mấy chục năm gần đây đã đáp ứng đượccác yêu cầu đó, đã đáp ứng, ứng dụng và phát triển tới trình độ cao trong quy luật kết hợp –một quy luật phổ biến trong tự nhiên Ngành khoa học và công nghệ về composite đã cónhiều sản phẩm dùng trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội Vì thế, vật liệu composite làmột chìa khóa mới trong ngành công nghiệp ô tô

Vậy để tìm hiểu sâu hơn về chìa khóa mới này trong công nghiệp ô tô và đặc biệt làtrong công nghiệp ô tô vận tải, chúng em xin chọn đề tài “Ứng dụng vật liệu composite trongsản xuất đóng thùng xe tải”

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

1 Nghiên cứu về tính chất, đặc điểm, và đặc biệt tính chất ưu việt của vật liệu composite để

có thể ứng dụng nó trong công nghệ đóng thùng ô tô

2 Tìm hiểu về quy trình thiết kế sản xuất vật liệu composite

3 Tìm hiểu thực tế về quy trình đóng thùng ô tô tải bằng vật liệu composite ở một số garage

ở thành phố Hồ Chí Minh

4 Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composites trong đóng thùng ô tô IZUSU FTR33P

VẬT LIỆU COMPOSITE

1.1 Khái niệm

Composite bao gồm Com từ Complex và -posite từ position nghĩa là thành phần Vật

liệu Composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằmmục đích tạo ra một vật liệu mới có đặt tính sức bền cơ lý hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi

mà những vật liệu này làm việc riêng lẻ Nói cách khác vật liệu composite là vật liệu đa thànhphần

1.2 Lịch sử ra đời.

Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc composite trước tiên, đó là thân cây gỗ, có cấutrúc composite Vật liệu Composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000năm trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào cuộc sốngNgười Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu Composite từ khoảng 3.000 năm trước Công nguyên,sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau Và ở Việt Nam, ngày xưa truyền lại cách làmnhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà Sự phát triển của vật liệu composite đãđược khẳng định và mang tính đột phá vào những năm 1930 khi mà Stayer và Thomat đãnghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh; Fillis và Foster dùng gia cường cho Polyestekhông no phục vụ cho đại chiến thế giới lần thức hai Từ năm 1970 đến nay vật liệucomposite nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp vàdân dụng,y tế, thể thao, quân sự và ô tô, vv…

1.3 Đặc điểm

Vật liệu composite là vật liệu nhiều pha : trong đó các pha rắn khác nhau về bản chất,không hòa tan lẫn nhau và phân cách với nhau bằng ranh giới pha Phổ biến nhất là loạicomposite 2 pha :

 Pha liên tục trong toàn khối gọi là nền

 Pha phân bố gián đoạn được nền bao quanh gọi là cốt

1.4 Ưu, nhược điểm

a Ưu điểm

- Tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao,cứng vững, chịu va đập, uốn kéo tốt

- Chịu hóa chất, không sét rỉ, chống ăn mòn

- Chịu thời tiết, chóng tia UV, chống lão hóa nên rất bền

- Dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao

- Chịu nhiêt chịu lạnh chống cháy

Composite nền kim loại

B Phân loại theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc

1.6 Cấu tạo của vật liệu Composite

a Chất nền (pha nền)

Nền có vai trò sau đây:

 Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối composite thống nhất

 Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công vật liệu composite thành các chitiết thiêt kế

 Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng do tác dụng của môi trường

b Pha cốt

Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thường có tính chất cơ lý cao hơnnhựa Người ta đánh giá chất độn dựa trên các đặc điểm sau:

 Tính gia cường cơ học

 Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ

 Phân tán vào nhựa tốt

 Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt

 Thuận lợi cho quá trình gia công

 Giá thành hạ, nhẹ

c Chất xúc tác – Xúc tiến

Chất xúc tác và chất xúc tiến là thành phần thứ ba, chiếm một tỷ lệ rất nhỏ: 1,2 – 3% sovới trong lượng nhựa trong cấu trúc composite Polyester liến kết với sợi thủy tinh là thôngqua phản ứng hóa học liên kết nối ngang để đóng rắn cho vật liệu Nhưng phải có chất xúc tácthì phản ứng mới được khởi động và phải có chất xúc tiến thì tốc độ phản ứng diễn ra nhanhchóng làm cho thời gian đông đặc và đóng rắn được rút ngắn theo ý muốn Do đó, tỷ lệ phachế chất xúc tác và xúc tiến cũng khá chặt chẽ quyết định chất lượng đóng rắn của sản phẫmcomposite

1.7 Ứng dụng vật liệu composite trong đời sống.

Vật liệu composite đã được ứng dụng rất nhiều lĩnh vực

− Ngành hàng không vũ trụ

− Trong ngành công nghiệp điện tử

− Các ngành dân dụng như y tế

− Ngành thể thao, các đồ dùng thể thao

− Ngành công nghiệp ô tô

1.8 Một số phương pháp gia công và chế tạo vật liệu composite

a Công nghệ lăn tay

b.Công nghệ súng phun

c Công nghệ pulltrusion

…

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÙNG XE TẢI COMPOSITE

2.1 Lịch sử hình thành và phát triển

Sau nhiều thập kỉ bị giới hạn chỉ được ứng dụng trong các ngành công nghiệp hàng không vũtrụ, quân sự và thể thao thì nay vật liệu composite đã từng bước khẳng định chỗ đứng trongnhiều ngành công nghiệp khác nhau

Kim loại là một vật liệu truyền thống đã đi cùng và phát triển cùng với công nghệ ô tô

từ 1913, bởi chiếc xe đầu tiên của hãng Henry Ford Theo báo cáo, Hội đồng nghiên cứuquốc gia Mỹ (National Research Council - NRC), năm 2004 trung bình một chiếc ô tô chứakhoảng 2233 pound thép (chiếm khoảng 55% trọng lượng xe), và 331 pound còn lại (tương

đương 8% trọng lượng xe) là sắt

Năm 1994, các nhà sản xuất xe ô tô của Mỹ đã tin rằng vật liệu composite là chìa khóa thànhcông cho nền công nghiệp sản xuất ô tô trong tương lai để giảm trọng lượng xe đáng kể vàtiết kiệm nhiên liệu

2.2 Công nghệ đóng thùng xe tải ở Việt Nam.

Với lợi thế rất lớn về vốn, về công nghệ sản xuất, phương Tây đã đi đầu trong việcứng dụng vật liệu composite vào công nghiệp ô tô Ở Việt Nam, vật liệu composite đã đượcbiết đến khá lâu nhưng việc ứng dụng vật liệu mới này trong việc đóng thùng xe tải thì cònhạn chế

CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÙNG XE COMPOSITE.

3.1 QUY TRÌNH SẢN XUẤT VẬT LIỆU COMPOSITE

3.1.1 Nguyên liệu sản xuất vật liệu composite

a Gelcoat

- Tính đàn hồi tốt, dễ ổn định, dễ pha màu

- Không cong lõm, không chảy nhờ đặc tính thixotropic Nếu sử dụng đúng kỹ thuật gelcoatkhông tao ra bọt khí

- Thời gia đông và đóng rắn phải chuẩn xác đảm bảo cho quy trình theo đúng tiến độ

- Chịu nước tốt, tránh hiện tượng dộp bề mặt

- Khả năng phủ kính và đắp tốt, phải có tính ứng dụng tốt mỗi khi phải và, đắp các khuyết tậttrong sửa chữa và bảo trì

b Nhựa polyester chưa bão hòa 268 QBT - 268 QBTN

Nhựa 268 QBTN là 1 loại nhựa polyester chưa bảo hòa, đóng rắn nhanh, thuộc loạiorthopthalic, thường dùng để làm tẩm thấm thông thường Nó không chứa sáp nhưng có chấtxúc tiến Phản ứng tỏa nhiệt ở mức trung bình, thắm ướt sợi thủy tính tố, thời gian đông vàđóng rắn tương đối nhanh đảm bảo cường độ của các lớp gia cường, thường đựơc gia cườngbằng sợi thủy tinh Nó dể gia công, có thể sử dụng gia công bằng tay hay dùng súng phun.Nhựa 268 QBT được xem như một loại polyester thông dụng nhất, được sử dụng trong nhiềuloại lĩnh vực khác nhau Nhựa 268 QBT là loại nhựa Polyester tương tự như nhựa 268QBTN, nhưng khác ở chổ là nó chứa sáp

c Sợi thuỷ tinh: Trong ngành ô tô chúng ta đang sử dụng hai loại sợi thủy tinh là mat 300 vàroving 360

d Chất chống dính Frekote 770- NC: Chất chống dính ( FREKOTE® 770-NCTM) dùng đểngăn cản nhựa polyester 268 BQT bám trên bề mặt khuôn trong gia công chế tạo các chi tiếtcomposite của ô tô

d Tạo các lớp gia cường bằng tay

Trải vải thủy tính và thắm ướt keo nhựa

Sau khi lớp gelcoat đóng rắn hoàn toàn (khô hoàn toàn, không dính tay) thì tiến hành tạo cáclớp gia cường Vải thủy tinh bề mặt tiếp giáp với lớp gelcoat phải là loại sợi thủy tinh mềm,mỏng, min loại Mat 300 Còn các lớp tiếp theo là Mat kết kợp với Roving

3.2 Quy trình lắp ráp hoàn chỉnh thùng xe

Công đoạn chế tạo thùng xe

Công đoạn gia công khung sàn thùng

Công đoạn gia công khung thùng xe (vách, bửng)

Công đoạn lắp khung thùng

Công đoạn lắp sàn, vách, ốp trang trí lên khung thùng

Công đoạn lắp bửng, kèo, bạt lên thùng xe

Công đoạn xử lý xe cơ sở, lắp thùng lên xe và hoàn chỉnh

Lắp thùng lên xe

Kiểm tra chất lượng công đoạn

Làm sạch bề mặt xe

Chương 4 TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM BỀN THÙNG COMPOSITE

TRÊN XE TẢI IZUSU FRT33P 4.1 Tính toán vật liệu composite

4.1.1 Lựa chọn vật liệu composite

a Đăc tính cơ học

• Đặc tính về sức bền

Đặc tính sức bền kéo, uốn, nén phụ thuộc vào loại vật liệu resin và sợi thủy tinh, tỷ lệresin/sợi thủy tinh và cách trải vải thủy tinh theo hướng chịu lực đã dự kiến với điều kiện hệthống đóng rắn hoàn toàn Khi chịu lực căng chính là dung roving, chịu lực nén thì dùngMAT Chịu kéo lớn đến 1.000Mpa thì dùng sợi roving một chiều Tấm làm từ roving vàMAT kết hợp thì có sức uốn và kéo đều tăng cao

Composite FRP, khác với kim loại là không có điểm gãy, nên chịu va đập rất tốt Khi

va đập không tạo vết lõm, không thay đổi hình dạng, mà chủ yếu bị trầy xước, nếu vỡ thìdường như bị xé ra, nhiều sợi thủy tinh lộ ra.Đặc tính này tạo điều kiện dễ dàng sữa chữa

Do tỷ trọng của composite nhẹ hơn rất nhiều, cho nên khi chịu uốn và mang tải nhưnhau thì tiết diện của composite đều lớn hơn tiết diện của thép, nhưng trọng lượng lại thấphơn rất nhiều Riêng về dãn dài thì vật liệu composite phải có tiết diện và trọng lượng đềuhơn thép đáng kể, có nghĩa độ bền kéo của composite không cao so với thép

• Tiết diện, trọng lượng các vật liệu khi chịu ứng lực như nhau

- Với ứng lực như nhau thì composite chứa nhiều sợi thủy tinh gia cường có tiết diện nhỏhơn, vì cường độ chịu lực cao hơn

- Do tỷ trọng composite nhẹ hơn thép nhiều, cho nên khi chịu uốn và mang tải như nhau thìtiết diện của composite đều lớn hơn tiết diện của thép, nhưng trong lượng lại thấp hơn rấtnhiều Riêng về dãn dài thì vật liệu composite phải có tiết diện và trọng lượng đều hơn thépđáng kể, có nghĩa là độ bền kéo của composite không cao hơn so với thép

• Đặc tính về va đập

Đặc tính về va đập của vật liệu composite FRP so với một số vật liệu khác nhau (đượcgiới thiệu trong bảng sau) Từ bảng này ta thấy vật liệu composite FRP chịu chấn động do vađập khá tốt

b Đặc tính vật lý

Composite polymer sợi thủy tinh là loại vật liệu nhẹ, so với thép nhẹ hơn 5 lần, với bê tông1,5 – 2 lần và nói chung so với các vật liệu khác khoảng 1,7 lần Nó có thể đạt cường độ rấtcao tùy thuộc vào hàm lượng sợi thủy tinh phù hợp, điều này rất quan trọng trong côngnghiệp hàng không vũ trụ

Composite chịu nhiệt độ khá cao đến 260oC Cho nên có thể ứng dụng vào môi trường cónhiệt độ cao như buồng máy tàu thủy, ống khí xả, chứa nước nóng, Hệ số giãn nở cao hơnthép

d Đặc tính hóa học

Chịu hóa chất tốt là một trong những đặc tính ưu việt của FRP nói chung Tuy nhiênmức độ chịu hóa chất như thế nào còn tùy thuộc vào loại hóa chất, loại resin, sợi thủy tinh.FRP chịu tốt hóa chất trong môi trường tự nhiên như nước biển, bể bơi, nước khoáng…Đăc

biệt rất thích hợp với khí hậu biển cho nên nó được ứng dụng làm tàu thuyền, bể lọc, bể xí tụhoại.…Tuy nhiên với dung dịch kiềm hoặc axit mạnh thì phải sử dụng nhựa chuyên dụng.

e Đặc tính về điện

Vật liệu composite FRP có đặc tính ưu việt hiển nhiên về điên Nó cách điện rất tôt,

có thể chịu 300 – 500V/mil chiều dày (1mil = 1/1000 inches) Chính vì vậy nó được thay thếceramic làm vật liệu cách điện

f Các đặc tính khác

Các đặc tính khác của vật liệu composite FRP có thể kể đến như:

- Tạo dáng dễ dàng, đa dạng, màu sắc phong phú

- Bảo trì , bảo dưỡng, sửa chữa dễ dàng

- Đáp ứng đươc nhiều mục đích khác nhau, vì có nhiều loại resin, và công nghệ để lựachọn

- Trong sản xuất không đói hỏi trình độ công nhân cao, thiết bị nói chung không nặng

nề, phức tạp

So sánh vật liệu composite với kim loại

Yêu cầu của việc lựa chọn ứng dụng vật liệu composite và kim loại, cả hai được sosánh một cách ngắn gọn các đặt điểm dưới đây:

- Composite có khối lượng nhẹ hơn đáng kể so với kim loại, cấu trúc composite nhẹ hơn từ25% - 40% so với một cấu trúc nhôm thông thường được thiết kế để đảm bảo các yêu cầutương đương nhau

- Composite sợi có độ bền kéo theo một hướng cụ thể có độ bền khoảng 4 - 6 lần so với nhôm

- Composite sợi gia cường được thiết kế với tính năng tuyệt vời để đáp ứng yêu cầu của cơcấu giảm sóc Ưu điểm của nó là ít ồn ào và độ rung động thấp hơn so với kim loại

- Khả năng chống ăn mòn của composite giúp gia tăng thời gian sử dụng hơn so với kim loạithông thường

4.1.2 Thiết kế và tính toán vật liệu composite

t t

C

γ

Chiều dày lớp thủy tinh: tf = 3 × Gf×Ct=3×0,6×0,391=0,704mm

Chiều dày lớp resin: tm=4×Gm×Cm=4×0,6×0,833=1,999 mm

Chiều dày laminat: t= tf+ tm=0,704+1,999=2,703 mm

b Môđun kéo của vật liệu composite

• Hệ số gia cường hữu ích β

Với sợ mat600 ta chọn hệ số gia cường hữu ích β=0,375

c Môđun cắt của vật liệu composite

Môđun cắt của sợi thủy tinh:

2 1

f f

Ứng suất kéo của laminat:

e Ứng suất uốn tập trung vật liệu composite

Ta quy đổi thành mặt cắt tương đương có cùng vật liệu WR,

Chiều dày không đổi t1=1mm, lớp WR: t2=2,5mm

Nhưng chiều rộng phần vật liệu WR là b1, và phần vật liệu CSM theo tỷ lệ môđun là:

W

7500

0,515000

CSM R

E

E

Xác định vị trí trục trung hòa ( trục uốn) x-x

Vị trí trục trung hòa y được xác định theo công thức sau:

Giả sử panel ngàm 1 đầu , chịu lực uốn tác dụng P ở đầu kia thì công thức tổng quát là:

y0: Khoảng cách của điểm tính toán đến trục trung hòa x-x

Ey: Môđun đàn hồi của vật liệu tại điểm tính toán

EI: Sức bền uốn toàn phần của mặt cắt tương đương

Công thức trến sẽ giúp chúng ta khảo sát ứng suất ở bất cứ vị trí nào của laminat Bây giờ, ta hãy khỏa sát 4, vị trí 1, 2, 3, 4

mà chúng ta đã biết trong tài liệu về FRP:

σCSM=100MN/mm2 và σWR=280MN/mm2

Vấn đề đặt ra là vị trí nào chịu được mômen uốn thấp nhất thì ở đó là nơi nguy hiểm nhất, dễ bị phá hủy nhất của laminat Muốn vậy thay các trị số σCSM và σ WR nêu trên vào kết quả trên đây:

4.2 Tính toán kiểm nghiệm bền thùng xe tải ISUZU FRT33P.

4.2.1 Bố trí chung ô tô kiểm nghiệm ISUZU

a Bố trí chung trọng lượng

2 Trọng lượng ô tô cơ sở sau khi tháo thùng 4900 2830 2070

b Bố trí chung ô tô kiểm nghiệm:

• Hình chiếu bằng:

Hình chiếu cạnh:

4.2.2 Đặt tính kỹ thuật cơ bản của ô tô

STT CÁC NỘI DUNG CẦN THUYẾT MINH

2.5 Chiều dài đuôi xe, mm 3180

3.3 Số chỗ ngồi( kể cả lái xe) 03

3.4 Trọng lượng toàn bộ thiết kế,