Nghiên cứu mô phỏng dòng nhựa điền đầy khuôn trong công nghệ chế tạo vật liệu composite bằng phương pháp đúc hút chân không VARTM

Tổng quan về vật liệu composite và ứng dụng trong ngành hàng không, vũ trụ; phương pháp hút chân không VARTM; mô phỏng dòng thấm trong VARTM bằng ANSYS FLUENT. Tổng quan về vật liệu composite và ứng dụng trong ngành hàng không, vũ trụ; phương pháp hút chân không VARTM; mô phỏng dòng thấm trong VARTM bằng ANSYS FLUENT.

PHƯƠNG PHÁP ĐÚC HÚT CHÂN KHÔNG-VARTM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Vũ Duy Thịnh

Đề tài luận văn: Nghiên cứu, mô phỏng dòng nhựa điền đầy khuôn trong công

nghệ chế tạo vật liệu composite bằng phương pháp phương pháp đúc hút chân

- Chỉnh sửa lại theo phần đã ghi chú trực tiếp trên thuyết minh

- Điều chỉnh lại để thống nhất trong đề tài tên tiếng Việt của công nghệ VARTM

- Bổ sung sơ đồ quy trình làm thí nghiệm

Giáo viên hướng dẫn

Ngày tháng năm 2019

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Tôi – Vũ Duy Thịnh, học viên lớp Cao học Kỹ thuật Cơ khí Động lực khóa 2018A Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – cam kết luận văn này là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Vũ Đình Quý – Viện Cơ khí Động lực – Đại học Bách khoa Hà Nội Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Tác giả

Vũ Duy Thịnh

cho phép bảo vệ:

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Giảng viên hướng dẫn

TS Vũ Đình Quý

MỤC LỤC

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN .3

LỜI NÓI ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG NGÀNH HÀNG KHÔNG, VŨ TRỤ 8

1 Tổng quan về vật liệu composite 8

1.1 Khái niệm 8

1.2 Thành phần cấu tạo 8

1.2.1 Thành phần cốt 8

1.2.2 Vật liệu nền 9

1.3 Phân loại vật liệu composite 9

1.4 Tầm quan trọng của vật liệu composite đối với ngành hàng không 9

2 Các phương pháp chế tạo vật liệu Composite 13

2.1 Phương pháp quét tay 13

2.2 Phương pháp dùng túi chân không 15

2.3 Phương pháp đúc 17

2.3.1 Đúc ép nóng và ép nguội 17

2.3.2 Đúc chuyển nhựa 18

2.4 Phương pháp phun 20

2.5 Phương pháp quấn sợi 22

2.6 Phương pháp kéo định hình 22

2.7 Phương pháp đùn 23

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP HÚT CHÂN KHÔNG – VACUUM ASSISTED RESIN TRANSFER MOLDING (VARTM) 24

1 Giới thiệu về phương pháp đúc hút chân không-VARTM 24

1.1 Sơ đồ nguyên lí và quy trình 24

1.3 Thực nghiệm dòng thấm trong phương pháp VARTM: 28

2 Nghiên cứu, tính toán dòng thấm trong công nghệ chế tạo composite bằng phương pháp đúc hút chân không 30

2.1 Các khái niệm 30

2.1.1 Hệ số thấm : K 30

2.1.2 Độ nhớt của chất lỏng: µ 31

2.1.3 Độ xố p 33

2.2 Tính toán giải tích dòng thấm trong VARTM 34

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG DÒNG THẤM TRONG VARTM BẰNG ANSYS FLUENT 39

1 Mô phỏng dòng thấm một chiều trong VARTM bằng ANSYS Fluent 39

1.1 Tính toán giải tích vị trí dòng thấm theo thời gian bài toán dòng thấm 1 chiều 39 1.2 Mô phỏng dòng thấm một chiều trong VAR TM bằng ANSYS fluent: 40

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến dòng thấm trong phương pháp VARTM 45

2 Ứng dụng mô phỏng dòng thấm VARTM trong sản xuất vật thể có hình dạng phức tạp 50

2.1 Sản phẩm thuyền có kích thước nhỏ 50

2.2 Sản phẩm đầu Dome tên lửa 61

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

Hình 1: Vải đan từ sợi Cacbon 8

Hình 2: Tỷ trọng vật liệu composite trên các dòng máy bay airbus và boeing 9

Hình 3: Tỷ trọng khối lượng các loại vật liệu trên máy bay boeing 777 10

Hình 4: Ống đẩy tên lựa được làm bằng composite Cacbon - cacbon 12

Hình 5: Vỏ động cơ máy bay cỡ nhỏ và thân máy bay đúc bằng VARTM 13

Hình 6: Phương pháp lăn tay 13

Hình 7: Phương pháp dung túi chân không 15

Hình 8: Phương pháp đúc chuyển nhựa 19

Hình 9: Phương pháp phun 21

Hình 10: Phương pháp cuốn sợi 22

Hình 11: Phương pháp kéo định hình 23

Hình 12: Phương pháp đùn 23

Hình 13: Sơ đồ nguyên lí trong phương pháp VARTM 24

Hình 14: Các lớp vật liệu sử dụng trong VARTM 25

Hình 15: Mô hình thực nghiệm dòng thấm trong VAR TM 28

Hình 16: Trình t ự dòng thấm trong VARTM 29

Hình 17: Độ nhớt của chất lỏng 31

Hình 18: Sự phụ thuộc độ nhớt vào nhiệt độ và áp suất 32

Hình 19: Độ xốp của vật liệu 33

Hình 20: Sơ đồ dòng thấm trong VARTM 35

Hình 21:Độ trễ của dòng nhựa trong phương pháp VARTM 38

Hình 22: Mô hình lưới tấm phân phối 40

Hình 23: Mô hình lưới vải gia cường 40

Hình 24: Phân bố áp suất trong khuôn 41

Hình 25: Biểu đồ vị trí dòng thấm theo thời gian 42

Hình 26: Độ trễ của dòng thấm 43

Hình 27:Quá trình điền đầy nhựa trong thực nghiệm và mô phỏng 44

Hình 28: Tên lửa VCM 01 61

Hình 29: Đầu dome tên lửa 62

Hình 30: Nhựa Epoxy Gurit SP106 63

Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp được chế tạo từ hai hay nhiều thành phần khác nhau, nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn những vật liệu thành phần ban đầu Tính ưu việt của vật liệu composite là khả năng thiết kế các kết cấu và vật liệu theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn Các thành phần cốt của composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền là thành phần liên kết tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường Đặc tính nổi bật của vật liệu composite là nhẹ, độ bền riêng cao, chịu môi trường, dễ lắp đặt, và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hóa học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp Khi chế tạo ở một nhiệt độ, áp suất nhất định dễ triển khai được các phương pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất

Ngày nay, nhu cầu về vật liệu cung cấp cho các ngành công nghiệp như hàng hải, ô tô, hàng không đang ngày càng lớn mạnh Do đó, một phần lớn vật liệu composite được sản xuất để đáp ứng nhu cầu này Với ưu điểm là độ bền riêng lớn,

có thể chế tạo được những chi tiết phức tạp Vật liệu composite đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong đời sống Trong luận văn này, em tìm hiểu tổng quan về vật liệu composite, phương pháp chế tạo vật liệu composite bằng đúc hút chân không, nghiên cứu về dòng thấm trong phương pháp đúc hút chân không, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc dòng thấm và mô phỏng dòng thấm của phương pháp này

Trong quá trình làm luận văn thạc sĩ em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện của các thầy cô giáo trong bộ môn, đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn TS Vũ Đình Quý để em có thể thực hiện tốt được những công việc trong đồ án tốt nghiệp Tuy nhiên với những hạn chế về thời gian, kiến thức và kinh nghiệm làm việc nên những sai sót xảy ra là không thể tránh khỏi Em rất mong nhận được những nhận xét thẳng thắn từ các thầy cô để em có thêm những kinh nghiệm viết báo cáo và kỹ năng làm việc

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG NGÀNH HÀNG KHÔNG, VŨ TRỤ

1 Tổng quan về vật liệu composite

1.1 Khái niệm

Vật liệu composite, còn gọi là Vật liệu compozit hay composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ

Hình 1: Vải đan từ sợi Cacbon

1.2 Thành phần cấu tạo

Nhìn chung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân

bố trong một pha liên tục duy nhất (Pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu composite) Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix), thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu tăng cường (reinforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn, chống xước

1.2.1 Thành phần cốt

- Nhóm sợi khoáng chất: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm;

- Nhóm sợi tổng hợp ổn định nhiệt: sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil

- Các nhóm sợi khác ít phổ biến hơn: sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô): giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa, sơ dừa, ; sợi gốc khoáng chất: sợi Amiăng, sợi Silic, ; sợi nhựa tổng hợp: sợi polyeste (tergal, dacron, terylene, ), sợi polyamit, ; sợi kim loại: thép, đồng, nhôm,

1.2.2 Vật liệu nền

- Chất liệu nền polyme nhiệt rắn

- Chất liệu nền polyme nhiệt dẻo

- Chất liệu nền cacbon

- Chất liệu nền kim loại

1.3 Phân loại vật liệu composite

- Theo bản chất vật liệu nền và cốt: Composite nền hữu cơ, Composite nền khoáng chất

- Theo hình dạng cốt liệu: composite cốt sợi, composite cốt hạt, composite cốt hạt

và sợi

1.4 Tầm quan trọng của vật liệu composite đối với ngành hàng không

Hình 2: Tỷ trọng vật liệu composite trên các dòng máy bay airbus và boeing

Trong những năm gần đây, composite được sử dụng chế tạo các bộ phận trên máy bay như kết cấu khung xương, thân máy bay, cánh, bộ phận dẫn hướng Theo thống

kê chiếc Boeing Dreamliner 787 sử dụng đến 48% hay chiếc airbus 900XWB sử dụng đến 53% composite trên toàn bộ trọng lượng Một trong những lý

A350-do quan trọng nhất của việc ứng dụng rộng rãi loại vật liệu này trong ngành Hàng không là độ bền riêng của composite lớn Điều này làm giảm trọng lượng của máy bay, tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường và tăng hiệu quả kinh tế Composite còn được sử dụng để chế tạo các chi tiết hình dáng phức tạp, góp phần làm giảm số lượng chi tiết trên máy bay, đồng thời giảm thời gian và chi phí lắp ghép sản phẩm Vật liệu composite cốt sợi thủy tinh có tính trong suốt đối với sóng rada, đặc tính này rất quan trọng trong các ứng dụng quân sự Composite còn được sử dụng nhiều trong công nghệ vũ trụ

Hình 3: Tỷ trọng khối lượng các loại vật liệu trên máy bay boeing 777

Một số vật liệu composite dùng trong hàng không – vũ trụ:

 Vật liệu composite polymer:

- Thành phần:

Chất nền: thường được dùng rộng rãi là các polymer nhiệt rắn (epoxy, polyeste…) và các polymer nhiệt dẻo khác

Chất cốt: sợi thủy tinh, sợi bazan, sợi cacbon, sợi hữu cơ, sợi bor, sợi tạp lai…

- Ưu điểm: nhẹ, độ bền cơ học cao, bền trong môi trường hóa học, dẫn điện, dẫn nhiệt thấp, công nghệ chế tạo không phức tạp Với các cấu trúc chịu lực quan trọng (gân cánh máy bay) chỉ có thể dùng sợi với biến dạng không thấp hơn 2%, ứng suất trượt lớn hơn 100MPa

- Công nghệ chế tạo bởi nhiều phương pháp, từ truyền thống như nén, dập, đổ khuôn và khuôn tiếp xúc chân không đến những phương pháp đặc biệt, quấn (khô hoặc ướt), đúc đùn, đúc giọt, phun…

- Ứng dụng: thân, vỏ, vách ngăn tàu vũ trụ sử dụng composite polymer sợi cacbon Một số chi tiết của máy bay chở khách được chế tạo từ composite nền epoxy cốt sợi thủy tinh và cacbon Mũi nắn dòng và thân vỏ tên lửa cũng được chế tạo từ composite Ngoài ra còn ứng dụng composite để làm ghế trên máy bay thương mại

 Vật liệu composite cacbon - cacbon:

- Thành phần: nền là cacbon, cốt là sợi cacbon

- Ưu điểm nổi trội: chịu nhiệt độ rất cao, lại rất nhẹ, rất bền với ứng suất nhiệt độ Khả năng làm việc lâu dài ở 773K môi trường oxi hóa, và đạt đến 3273K trong môi trường chân không hoặc trơ

- Sản xuất theo 3 phương pháp: phương pháp lắng, kết tủa Cacbon từ luồng khí nóng giữa các sợi cốt Phương pháp tẩm các sợi cốt bằng nhựa nền (phenol, furan, epoxy, polyeste…hoặc pec) rồi sau đó tiến hành quá trình Cacbon hóa Phương pháp tổ hợp cả 2 phương pháp trên là vừa tẩm sợi vừa lắng kết tủa

- Ứng dụng: Các hộp Pirocard - 400 mà chương trình Apollo sử dụng để bảo vệ an toàn các trang thiết bị và các nguồn đồng vị khi đưa về trái đất Thiết bị cách nhiệt trên tàu vũ trụ vận tải Shutle, hãng Vout của Mỹ như loa phụt, thân vỏ, xylanh, côn nạp nguyên liệu của tên lửa nhiên liệu rắn, chóp khí động của tên lửa đạn đạo

 Vật liệu composite gốm

- Thành phần: nền gốm, thủy tinh (ceramic, borsilicat, nhôm silicat), cốt có thể

là sợi kim loại hoặc phi kim loại (vonfram, molipden, thép, niobi)

- Phương pháp chế tạo: dập nóng nhiều lần dải sợi cốt và bột thủy tinh trong môi trường Agon

- Ưu điểm: dùng để chế tạo các chi tiết làm việc ở nhiệt độ lên tới 2073K Ứng dụng chế tạo cơ cấu ăngten ở mũi những vật thể bay vũ trụ cần phải thu hồi trở khi về trái đất, mũi nắn dòng tên lửa

Muốn phát huy được tất cả các ưu điểm của vật liệu composite thì có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng như: thành phần các nguyên liệu, chất lượng cốt - chất nền, chất độn, môi trường sử dụng… Để cho vật liệu composite sản xuất ở quy mô công nghiệp, tăng cơ tính yếu tố quan trọng không kém là công nghệ chế tạo vật liệu composite Quá trình này sẽ đảm bảo về độ đồng đều của các thành phần, kiểm soát quá trình đông cứng, chiều dày, bọt khí,…

Hình 4: Ống đẩy tên lựa được làm bằng composite Cacbon - cacbon

Hình 5: Vỏ động cơ máy bay cỡ nhỏ và thân máy bay đúc bằng VARTM

2 Các phương pháp chế tạo vật liệu Composite

2.1 Phương pháp quét tay

Kỹ thuật quét tay dùng để sản xuất các sản phẩm gia cường, thường bao gồm việc tẩm ướt sợi thủy tinh với nhựa lỏng Nhựa dùng trong công nghệ này là loại nhựa nhiệt rắn và đóng rắn ở nhiệt độ phòng với áp suất thường Sản phẩm gia cường làm từ quy trình quét tay là những sản phẩm quá lớn không thể sản xuất được

từ những kỹ thuật khác, kỹ thuật này dùng để sản xuất các sản phẩm có số lượng ít

Hình 6: Phương pháp lăn tay

và có đầu tư cho sản phẩm thấp ví dụ như bồn chứa hóa chất, hồ bơi,…

Phương pháp quét tay thường dùng khuôn đơn, có thể là khuôn đực hoặc khuôn cái Khuôn có thể được quét gelcoat trước hoặc chỉ dùng chất róc khuôn Các bước cần thiết trong kỹ thuật quét tay là chuẩn bị khuôn, quét khuôn, quét chất róc khuôn, chọn nhựa và chất gia cường thích hợp, đặt sợi gia cường vào trong khuôn, quét nhựa lên, dùng con lăn để phân bố nhựa đều và khử bọt khí, chờ cho đóng rắn, lấy sản phẩm ra khỏi khuôn và hoàn tất sản phẩm

Nhựa dùng trong công nghệ quét tay:

Là loại nhựa nhiệt rắn ở dạng lỏng, đóng rắn ở nhiệt độ phòng Các loại nhựa thường dùng là polyeste, vinyl este, và nhựa epoxy Tùy vào mục đích sử dụng

mà ta có thể chọn lựa vật liệu thích hợp để đạt được sản phẩm có tính năng cao Các loại nhựa sử dụng cho công nghệ này đòi hỏi thời gian đóng rắn không được quá ngắn, độ nhớt không được quá cao vì sẽ ảnh hưởng đến khả năng thấm ướt sợi gia cường

Chất đóng rắn

Kỹ thuật quét tay được đóng rắn ở nhiệt độ phòng, thường dùng xúc tác là MEKP và chất xúc tiến là cobalt napthenate, ngoài ra có thể dùng chất ức chế để làm chậm quá trình đóng rắn

Nhược điểm:

- Tốc độ sản xuất bị giới hạn, do tốn nhiều nhân công

- Chất lượng vật liệu composite phụ thuộc vào tay nghề của nhân công

- Sản phẩm chỉ có một mặt nhẵn

- Không an toàn sức khỏe cho người lao động và gây ô nhiễm môi trường do khi xảy ra phản ứng có một số sản phẩm phụ gây độc hại

2.2 Phương pháp dùng túi chân không

Vật liệu gia cường được gia công bằng phương pháp quét tay sau đó được đưa vào túi chân không Sử dụng bơm chân không để hút không khí ra Lượng nhựa thừa

sẽ được lớp vải thấm nhựa thừa rút ra khỏi lớp gia cường, đồng thời ép và giữ cố định các lớp vải gia cường lại với nhau Các loại nhựa dùng cho phương pháp này chủ yếu là nhựa nhiệt rắn, có thể đóng rắn ở nhiệt độ môi trường sau khi đã pha chất đóng rắn

Các thiết bị cần sử dụng cho quá trình:

- Khuôn: để tạo hình cho sản phẩm, có thể sử dụng khuôn âm hoặc khuôn dương

- Vật liệu làm kín: làm kín giữa màng và khuôn, thường ta sử dụng loại cao su non

do có khả năng biến dạng và giữ kín tốt

- Màng chân không: tạo 1 lớp màng cách li không khí của môi trường xung quanh với bên trong của khuôn Tạo sự chênh lệch áp suất, từ đó vật liệu gia cường được ép chặt vào khuôn

Hình 7: Phương pháp dung túi chân không

- Vật liệu thấm nhựa thừa: Có tác dụng thấm nhựa dư thừa từ trong vật liệu gia cường từ quá trình đắp tay nhờ sự hỗ trợ của áp suất chân không

- Bơm chân không: sử dụng để hút không khí ở giữa khuôn và màng, tạo môi trường chân không bên trong

Quy trình công nghệ của phương pháp sử dụng túi chân không cũng khá đơn giản Ban đầu chống dính cho khuôn bằng chất chống dính Tiếp theo sử dụng phương pháp quét tay để đắp nhựa và lớp gia cường theo yêu cầu Sau đó ta thêm một lớp vải poliamip là lớp thấm nhựa thừa lên trên bề mặt vật liệu gia cường Sử dụng vật liệu làm kín (cao su non) để dán xung quanh khuôn Tiếp theo ta trải 1 lớp màng lên trên, dán kín vào lớp cao su non Lúc dán màng cần lưu ý là tại những vùng có mặt cong bậc hai ta cần phải tạo bậc để màng có thể ép chặt xuống bề mặt khuôn

Ưu điểm, nhược điểm của phương pháp sử dụng túi chân không:

- Quá trình tạo chân không làm tăng giá thành sản phẩm

- Đòi hỏi kỹ năng thao tác cao hơn

2.3 Phương pháp đúc

2.3.1 Đúc ép nóng và ép nguội

Phương pháp gia công bằng cách ép khuôn đã có từ lâu Phương pháp này có thể áp dụng được cho cả nhựa nhiệt rắn và nhiệt dẻo Nhưng ngày nay do có các phương pháp khác dùng để gia công nhựa nhiệt dẻo có lợi hơn và chất lượng cao hơn như phương pháp đúc dưới áp suất Vì vậy, phương pháp này chủ yếu chỉ để gia công các loại nhựa nhiệt rắn và hỗn hợp cao su

Các loại nhựa nhiệt rắn thường được gia công bằng phương pháp này là PF (Phenol formandehyd), UF (Urea formandehyd), Melamin (dùng các sợi độn gia cường) Các loại nhựa nhiệt dẻo thường được gia công bằng phương pháp này là các loại Celluloid như: Cellulose acetat, Cellulose acetat butirat, ethyl Cellulose, Acrylic, PS (polystyrel), PE (polyethylene),

Công nghệ gia công polymer – composite bằng phương pháp ép: Nhựa được cho vào phần nửa dưới của khuôn ép, khuôn đã được gia nhiệt trước bằng các điện trở đặt bên trong Tiếp theo, phần nửa trên của khuôn ép cũng đã được gia nhiệt trước bằng điện trở, di chuyển xuống tiến hành ép nhựa, chuyển nhựa sang dạng chảy nhớt hay chảy mềm, áp suất tiếp tục được duy trì để nhựa chảy điền đầy khuôn, sau đó đối với nhựa nhiệt dẻo sẽ được làm nguội để đóng rắn còn đối với nhựa nhiệt rắn, phản ứng đóng rắn sẽ xảy ra ở nhiệt độ cao nên không cần làm nguội Kết thúc quá trình mở khuôn lấy sản phẩm và vệ sinh khuôn

Trong quá trình gia công, việc tạo hình sản phẩm có thể chia làm 2 giai đoạn:

Giai đoạn hình thành:

Dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất, nguyên liệu trong khuôn sẽ chuyển dần

từ trạng thái rắn sang trạng thái chảy nhớt và lấp đầy vùng tạo hình của khuôn

Giai đoạn định hình:

Để có thể lấy sản phẩm ra khỏi khuôn mà không bị biến dạng và đạt hình dạng

sử dụng cuối cùng của sản phẩm, nguyên liệu trong vùng tạo hình phải được

chuyển qua trạng thái rắn Đối với nhựa nhiệt rắn, quá trình chuyển trạng thái này được thực hiện nhờ các phản ứng hoá học xảy ra ở nhiệt độ gia công để tạo thành mạng lưới không gian Đối với nhựa nhiệt dẻo thì quá trình chuyển trạng thái này xảy ra do quá trình làm nguội đến nhiệt độ dưới nhiệt độ nóng chảy của nhựa

Tuỳ theo nhiệt độ của giai đoạn thành hình, người ta chia phương pháp ép trực tiếp thành 2 loại:

- Ép nóng: Nhiệt độ giai đoạn thành hình cao

- Ép nguội: Nhiệt độ giai đoạn thành hình là nhiệt độ thường

Ưu nhược điểm của phương pháp ép:

Ưu điểm:

- Lượng vật liệu dư thải bỏ trong quá trình ép rất thấp, và không có sự rơi vãi của vật liệu thừa vào rãnh ngang khuôn đúc

- Không có sự bào mòn lỗ đúc khuôn hay rãng ngang khuôn đúc

- Áp suất nén được trải đều trên vật liệu đúc, ứng suất bên trong và hợp lực gây cong vênh rất thấp

- Việc làm lạnh, đun nóng sơ bộ vật liệu hay đun nóng phôi có thể được tiến hành một cách tự động

- Sự co ngót chi tiết sau đúc thấp

Nhược điểm:

- Không dùng để ép đúc các chi tiết tinh xảo, mỏng, dễ vỡ

- Vệ sinh ống lót khuôn đúc thường gặp khó khăn

- Khó thiết kế cho các chi tiết nhiều góc cạnh

- Độ sâu của khuôn đúc giữ được giới hạn trong 2,5 lần bề dày

2.3.2 Đúc chuyển nhựa

Cũng giống với phương pháp đúc nóng và đúc nguội, phương pháp đúc chuyển nhựa sử dụng khuôn kín, tuy nhiên vật liệu gia cường được đặt trước trong khuôn Với loạt sản phẩm có số lượng không lớn vật liệu gia cường được cắt thủ công và đặt trên nửa khuôn phía dưới Nửa khuôn phía trên được đóng lại, nhựa polymer được điền đầy vào khuôn dưới áp suất cao Sau khi nhựa polymer được điền đầy vào khuôn, hỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cường được để đóng rắn trong thời gian xác định Sau đó sản phẩm được tháo khuôn để tiến hành sản xuất chi tiết tiếp theo Để thúc đẩy quá trình đông kết có thể tiến hành gia nhiệt khuôn nhằm tăng năng suất chế tạo Phương pháp đúc chuyển nhựa có thể áp dụng chế tạo các sản phẩm có kết cấu sandwich Với các sản phẩm có kích thước không lớn, có thể sử dụng một đường cấp nhựa polymer cho toàn bộ sản phẩm, với sản phẩm có kích thước lớn hơn, nhiều đường cấp được sử dụng nhằm đảm bảo cung cấp đủ nhựa polymer cho từng bộ phận, chi tiết của sản phẩm

Trong công nghệ đúc chuyển nhựa cần đảm bảo độ nhớt của nhựa polymer trong giới hạn cho phép để có thể điền đầy nhựa tới các vị trí trong khuôn trong thời

Hình 8: Phương pháp đúc chuyển nhựa

gian ngắn nhất Do đó, cần duy trì nhiệt độ của nhựa và khuôn trong giới hạn hợp

lý Nếu duy trì nhiệt độ nhựa và khuôn quá cao sẽ gây các phản ứng gây đóng rắn nhựa polymer trong quá trình điền đầy khuôn Công nghệ đúc chuyển nhựa được sử dụng trong chế tạo sản phẩm mẫu cũng như loạt sản phẩm có số lượng lớn Công nghệ này có thể tạo ra sản phẩm có hình dạng phức tạp và chất lượng bề mặt cao, đặc biệt thích hợp cho chế tạo các chi tiết trong công nghiệp ô tô, hàng không

Cũng sử dụng sự chênh lệch áp suất để đưa nhựa vào khuôn, đó là phương pháp đúc hút chân không Khác với phương pháp đúc chuyển nhựa truyền thống đó là

sử dụng các thiết bị nén hoặc khí nén để đưa nhựa vào khuôn, công nghệ đúc chân không hoàn toàn sử dụng lực hút chân không để đưa nhựa polymer vào khuôn Nhựa polymer được chứa trong bình, khi độ chân không trong khuôn đã đạt tới yêu cầu, van dẫn bình chứa mở ra, nhựa 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 nhựa polymer, và phương án bố trí, thiết kế khuôn

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 Công nghệ này có thể kết hợp với phương pháp chế tạo sandwich tạo ra sản phẩm có chất lượng và yêu cầu cao

2.4 Phương pháp phun

Trong phương pháp phun hỗn hợp vật liệu gia cường có kích thước nhỏ được trộn với nhựa polymer theo tỷ lệ xác định Súng phun được sử dụng để phun hỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cường vào khuôn Vật liệu gia cường được cung cấp liên tục vào một đầu cấp của súng phun, nhựa polymer và chất khởi tạo phản ứng được cung cấp tới một đầu cấp khác của súng Quá trình hòa trộn được diễn ra trong thiết bị hòa trộn tĩnh hoặc động trong súng phun hoặc trong thiết bị khác

Tương tự như phương pháp chế tạo thủ công, chất hỗ trợ tháo khuôn được phun hoặc quét lên mặt khuôn, tiếp theo là lớp gel-coat tạo bề mặt cho sản phẩm Sau đó hỗn hợp nhựa polymer, chất khởi tạo phản ứng 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 nhựa polymer 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

Hình 9: Phương pháp phun

2.5 Phương pháp quấn sợi

Phương pháp quấn sợi dùng sản xuất những sản phẩm dạng trụ rỗng, mặt cắt hình tròn hoặc oval Sợi sau khi được thấm nhựa qua bể nhựa, sợi sẽ đi qua kẹp quay để tới tang quay Như vậy góc của sợi sẽ phụ thuộc vào tốc độ quay của trục và tốc độ di chuyển của bàn trượt Nhựa được sử dụng trong phương pháp này chủ yếu là nhựa

epoxy, polyeste, vinylester Cốt sợi sử dụng là những loại sợi như sợi thủy tinh, sợi cacbon

2.6 Phương pháp kéo định hình

Phương pháp kéo định hình được sử dụng để tạo các biên dạng thẳng hoặc cong

có tiết diện không thay đổi và có độ bền cao

Hình 10: Phương pháp cuốn sợi

Vật liệu cốt: sợi, băng đi qua bể chứa nhựa và được tẩm thấm ở đây Vật liệu cốt tiếp tục đi qua khuôn chốt đã sấy nóng trong lò Quá trình tạo hình xảy ra đồng thời với quá trình polymer hóa của nhựa

Phương pháp kéo định hình cho năng suất cao, phù hợp với cả nhựa nhiệt cứng

và nhiệt dẻo Nhược điểm của phương pháp này là không chế tạo được những chi tiết phức tạp

2.7 Phương pháp đùn

Với phương pháp đùn cũng tương tự với phương pháp đúc kéo định hình Tuy nhiên phương pháp này áp dụng cho những sản phẩm có kích thước lớn hơn, yêu cầu độ bền cao hơn do đó thành phần cốt ngoài sử dụng sợi còn dùng thêm vải để tăng độ bền cho sản phẩm

Hình 11: Phương pháp kéo định hình

Hình 12: Phương pháp đùn

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP HÚT CHÂN KHÔNG – VACUUM

ASSISTED RESIN TRANSFER MOLDING (VARTM)

1 Giới thiệu về phương pháp đúc hút chân không-VARTM

1.1 Sơ đồ nguyên lí và quy trình

 Sơ đồ nguyên lí:

Phương pháp này sử dụng sự chênh lệch áp suất trong khuôn và thiết bị chứa nhựa polymer để điền nhựa vào khuôn Khác với phương pháp đúc chuyển nhựa truyền thống sử dụng chân không hỗ trợ quá trình điền nhựa vào khuôn dưới lực ép của thiết

bị nén hoặc khí nén, công nghệ đúc chân không hoàn toàn sử dụng lực hút chân không

để đưa nhựa polymer vào khuôn Nhựa polymer được chứa trong bình, khi độ chân không trong khuôn đã đạt tới yêu cầu, van dẫn bình chứa mở ra, nhựa 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 nhựa polymer, và phương án bố trí, thiết kế khuôn

Hình 13: Sơ đồ nguyên lí trong phương pháp VARTM

Bơm hút chân không có tác dụng hút chân không thể tích trong khuôn Dưới tác dụng của chênh lệch áp suất, hỗn hợp nhựa polymer được điền vào khuôn theo hệ thống dẫn Túi chân không có tác dụng làm kín khuôn như một nửa khuôn phía trên Băng làm kín (sealant tape) có tác dụng làm kín thể tích trong khuôn.

 Quy trình công nghệ:

- Quét phủ lớp chống dính hỗ trợ tháo khuôn

- Quét phủ lớp vật liệu tạo bề mặt (gel-coat)

- Đặt các lớp vật liệu gia cường vào khuôn

- Đặt các lớp hỗ trợ dẫn nhựa polymer lên trên lớp vật liệu gia cường

- Đặt túi chân không, sử dụng băng làm kín (sealant tape) để làm kín thể tích trong khuôn

- Hút chân không thể tích trong khuôn

- Mở van nhựa khi độ chân không đạt yêu cầu để điền nhựa polymer từ thiết bị chứa vào khuôn

- Tháo khuôn sau khi vật liệu trong khuôn đông kết và định hình

Hình 14: Các lớp vật liệu sử dụng trong VARTM

 Ưu điểm:

- Sản phẩm có thể định hình trên khuôn đơn

- Phun nhựa kết hợp với chân không giúp cho nhựa thấm vào sợi tốt hơn

- Khử bọt tốt, có thể sản xuất sản phẩm kích thước lớn

- Sản phẩm có tính đồng nhất hơn, chất lượng cao hơn

- Giảm độc hại do sử dụng khuôn kín, thân thiện với môi trường, ít phế liệu

- Không phải sử dụng các dung môi hữu cơ

- Chi phí tương đối thấp so với giá trị sản phẩm

 Nhược điểm:

- Phải sản xuất khuôn mẫu

- Năng suất thấp hơn phương pháp RTM do chỉ sử dụng áp suất chân không

- Tốc độ gia công sản phẩm kéo dài

- Điều chỉnh tỉ lệ thích hợp tránh đóng rắn ngay từ đầu

- Độ nhớt nhựa thấp ảnh hưởng đến tính chất cơ học của sản phẩm

1.2 Nhựa và vải gia cường sử dụng cho phương pháp VARTM

 Nhựa

Nhựa được sử dụng trong vật liệu composite thường là polyeste, vinyl-este, epoxy, nhựa nhiệt dẻo Nhựa epoxy là tốt nhất, nhưng giá thành cao và có nhiều thành phần gây ô nhiễm môi trường trong quá trình sản xuất Nhựa nhiệt dẻo là loại nhựa khó gia công nhất trong quá trình sản xuất do cần phải gia nhiệt để có được độ nhớt yêu cầu, do đó không phù hợp cho phương pháp VARTM Polyeste và vinyl-este là loại nhựa có độ nhớt thấp và giá thành thấp hơn do đó nó thường được sử dụng cho phương pháp VARTM

Nhựa polyeste và Vinyl este là nhựa nhiệt rắn là loại nhựa có thể đóng rắn khi có xúc tác ở điều kiện nhiệt độ phòng, chất xúc tác sẽ thúc đẩy quá trình nối mạch polymer Thời gian đóng rắn của nhựa là thông số rất quan trọng trong VARTM Nhựa phải được duy trì đủ để có thể thấm hết vào sợi trước khi đóng rắn Thời gian nhựa có thể sử dụng được là thời gian gel Các loại nhựa được sử dụng cho VARTM thường có thời gian gel dao động từ 20 phút tới 2 giờ

Độ nhớt cửa nhựa là thông số quan trọng trong quá trình điền nhựa vào khuôn Với những loại vải có hệ số thấm thấp, nếu độ nhớt của nhựa lớn, sẽ cần áp suất đưa vào cần phải lớn do đó sợi gia cường có thể bị trượt theo dòng nhựa

Độ nhớt lí tưởng trong VARTM là từ 300 đến 800 CP

 Vải, sợi gia cường

Vật liệu composite có cơ tính trên khối lượng riêng lớn, điều đặc biệt là có thể tạo ra vật liệu có cơ tính theo tùy từng yêu cầu như chống ăn mòn hóa học, cách nhiệt… bằng cách bổ sung một số chất vào vật liệu trong quá trình sản xuất Các chất sợi dụng trong vật liệu composite có thể là sợi thủy tinh (E-glass), sợi Cacbon, các loại vải dệt kim đa hướng hoặc các sợi có nguồn gốc từ thiên nhiên như sợi đay hay sơ dừa

Bảng 1: Cơ tính của các loại vật liệu

Cơ tính của polyeste và E-glass cũng như vật liệu composite được tổng hợp từ chúng được trình bày trong Bảng 1 Trong bảng này ta dùng vật liệu nhôm 6061-T6

để làm vật liệu so sánh Một điều ta có thể thấy rõ ràng đó là E-glass bền hơn rất nhiều so với polyeste Do đó các sợi được coi như là vật liệu chịu tải chính trong vật liệu composite Vai trò của nhựa là để gắn kết các sợi với nhau và bảo vệ sợi khỏi tác động của môi trường Thường thì tỉ lệ thể tích của sợi lớn sẽ cho ta một vật liệu composite có cơ tính tốt hơn Ngoài ra độ bền của vật liệu composite còn phụ thuộc vào sự bố trí của sợi, tức là phụ thuộc vào hướng đặt của sợi bên trong vật liệu Vật

liệu sẽ bền hơn theo hướng của sợi Để tối ưu được khối lượng ta cần so sánh độ bền kéo, bền uốn theo các phương của sợi cùng với tỉ lệ sợi có trong vật liệu

Như đã đề cập ở trên, sợi là thành phần chịu tải lớn của vật liệu composite Do tính kinh tế nên E-glass thường được sử dụng vì giá thành không cao Sợi thường được

sử dụng là loại vải dệt Ban đầu các sợi được bó lại, sau đó nó được dệt lại với nhau Các loại vải có thể có 2 dạng, thứ nhất là hướng của sợi được định hướng ngẫu nhiên, thứ 2 là sợi có định hướng cụ thể, có thể có 1 lớp hoặc nhiều lớp định hướng khác nhau Hầu hết các định hướng chung của sợi là 0, -45 +45, 90 độ

1.3 Thực nghiệm dòng thấm trong phương pháp VARTM:

Quá trình xâm nhập của nhựa vào vải gia cường trong tất cả các trường hợp đều có xu hướng tương tự như sau:

Hình 15: Mô hình thực nghiệm dòng thấm trong VARTM

Sau khi độ chân không đạt yêu cầu, mở van để nhựa di chuyển qua ống

Quá trình thấm của dòng nhựa diễn ra theo các bước như sau:

[1] Dòng nhựa đi vào tấm phân phối

[2] Dòng nhựa bắt đầu thấm vào vải gia cường

[3] Dòng nhựa thấm hết tấm phân phối

[4] Hoàn tất quá trình điền đầy, nhựa thấm toàn bộ vải gia cường

Trong sản xuất, quá trình này là cơ sở quan trọng để tính toán được vị trí, độ rộng của tấm phân phối và vị trí, khoảng cách của các cửa hút nhựa Từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất

Hình 16: Trình tự dòng thấm trong VARTM

2 Nghiên cứu, tính toán dòng thấm trong công nghệ chế tạo composite bằng phương pháp đúc hút chân không

2.1 Các khái niệm

2.1.1 Hệ số thấm : K

Hệ số thấm là thông số đặc trưng cho tốc độ thẩm thấu của chất lỏng trong một môi trường xốp Hệ số thấm không phải là một đại lượng có thể đo được mà phải tính toán thông qua các đại lượng khác Có hai phương pháp xác định hệ số thấm đó là giải tích và dùng thực nghiệm

Phương pháp giải tích có hai cách thức: thứ nhất đó là đặt các điều kiện biên để đơn giản bài toán cho một phần tử đơn vị sau đó dựa vào phương trình Stockes để tìm ra hệ số thấm, cách thứ hai là sử dụng công thức Kozeny-Caraman

Với cách đầu tiên, yêu cầu 1 phần tử đơn vị lý tưởng, phần tử đơn vị lý tưởng đại diện cho mô hình hình học thực tế của vật liệu cần tính Có nghĩa là ta đi xác định trên một phần tử lý tưởng bằng cách đơn giản hình học của sợi vải, sau đó mở rộng

áp dụng cho nhiều lớp Với phương pháp này đòi hỏi sự tính toán phức tạp và chỉ áp dụng chính xác cho những dạng hình học cụ thể của sợi vải

Sử dụng phương trình Darcy là cách thứ hai để xác định hệ số thấm của vải sợi gia cường Công thức Darcy để xác định hệ số thấm qua một môi trường xốp có dạng :

𝐾 = 𝑣µ.𝛥 𝑥

𝛥𝑃 (2.1) Với:

𝑣 là vận tốc của dòng chảy bề mặt xuyên qua môi trường xốp (vật liệu) (m/s)

K là độ thấm của môi trường (vật liệu) (m2)

µ là độ nhớt động học của chất lỏng (Pa·s)

𝛥𝑃 là độ thay đổi của áp suất (Pa)

Δx là độ dày của môi trường (vật liệu) (m)

2.1.2 Độ nhớt của chất lỏng: µ

Hình 17: Độ nhớt của chất lỏng

Độ nhớt là một đại lượng vật lý đặc trưng cho trở lực do ma sát nội tại sinh ra giữa

các phân tử khi chúng có sự chuyển động trượt lên nhau Vì vậy, độ nhớt có liên

quan đến khả năng thực hiện các quá trình bơm, vận chuyển chất lỏng trong các

hệ đường ống, khả năng thực hiện các quá trình phun, bay hơi của nhiên liệu trong

buồng cháy

Độ nhớt có thể được biểu diễn theo nhiều cách khác nhau:

 Độ nhớt tuyệt đối μ (hay độ nhớt động lực):

Theo định luật Newton cho chất lưu, với những dòng chảy tầng (có thể được hình dung

như những lớp dòng chảy song song với nhau), ứng suất tiếp tuyến τ giữa những lớp

này tỷ lệ tuyến tính với gradient của thành phần vận tốc 𝜕𝑢

𝜕𝑦 có hướng vuông góc với các lớp đó

τ= -µ𝜕𝑢

𝜕𝑦 (2.2)

theo như công thức trên, hằng số µ được gọi là độ nhớt động lực học hay còn gọi là độ

nhớt tuyệt đối (đơn vị kg m−1s−1 hay Pa.s)

Đối với dòng chảy tầng có độ nhớt động lực học η, ma sát trong được xác định theo

định luật Niu-tơn như sau:

τ=-η𝜕𝑣

𝜕𝑛 (2.3) trong đó : v là vận tốc tại điểm đang xét

n là tọa độ theo phương vuông góc với các lớp chất lỏng

 Độ nhớt động học ν (Kinematics Viscosity) :

Ngoài độ nhớt động lực học, khi nghiên cứu chuyển động của chất lưu, để kể đến ảnh hưởng của lực quán tính Fqt, mà thực chất là khối lượng riêng ρ, người ta còn đưa ra một đại lượng quan trọng khác là độ nhớt động học υ :

υ = µ

𝜌 (2.4)

Là tỉ số giữa độ nhớt động lực và trọng lượng riêng của nó Đơn vị của độ nhớt động học được tính bằng Stoke (St), thông thường thì người ta sử dụng ước của nó là centistokes (cSt)

Ngoài hai loại trên thì người ta còn sử dụng độ nhớt quy ước Đối với loại độ nhớt này thì tuỳ thuộc vào thiết bị sử dụng để đo mà ta có các tên gọi và các kết quả khác nhau như độ nhớt Engler (oE), độ nhớt Saybolt (SSU), độ nhớt Redwood

Sự phụ thuộc độ nhớt vào nhiệt độ và áp suất: nhiệt độ càng tăng thì độ nhớt của chất lỏng càng giảm (Đối với chất khí lại ngược lại, nhiệt độ càng tăng độ nhớt chất khí càng tăng) Sơ đồ biểu diễn sự phụ thuộc như hình dưới:

Hình 18: Sự phụ thuộc độ nhớt vào nhiệt độ và áp suất