Đồ án môn Chi tiết máy - Thiết kế khuôn và các thiết bị liên quan

I . Thiết kế khuôn và các thiết bị liên quan . Quá trình công nghệ RTM bao gồm việc dùng máy hút để hút chuyển nhựa vào trong khuôn và hút hết bọt khí xuất hiện trong lòng sản phẩm , nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cho sản phẩm .Do đó việc tính toán thiết kế bao gồm : +Chọn vật liệu chế tạo khuôn . +Tính toán thiết kế đường ống dẫn nhựa và hút nhựa . + Tính toán thiết kế khuôn bao gồm cả vị trí đặt ống dẫn và ống hút . +Tính toán thiết kế máy hút ,việc điều chỉnh áp suất hút thế nào là phù hợp Lựa chọn vật liệu khuôn Để quyết định chọn lựa vật liệu khuôn ,ta cần quan tâm tới tính chất cơ học ,hóa học của vật liệu .Việc sử dụng vật liệu mà có khả năng phản ứng hóa học với nhựa và chất xúc tác là điều cấm kỵ .Ngoài ra vật liệu phải có khả năng chống ăn mòn và bền về mặt cơ lý trong quá trình sản xuất sản phẩm . Ta phải quan tâm tới tính chất cơ học của khuôn vì khuôn phải đủ cứng vững để chịu được các lực tác động như : lực đóng khuôn ,áp suất nhựa trong quá trình bơm ,quá trình di chuyển khuôn ,.. Ngoài ra vật liệu làm khuôn phải có khả năng chống lại các tác động có thể có trong quá trình xử lý khuôn .Ví dụ như có thể tình cờ làm rơi các dụng cụ lên khuôn ,thực hiện bơm nhựa trong khi di chuyển khuôn , Tỉ trọng của vật liệu cũng rất quan trọng vì nó ảnh hưởng tới khối lượng của khuôn .Với những khuôn lớn ,nên tránh lựa chọn những vật liệu có tỉ trọng lớn .Điều này rất quan trọng nếu như việc sử dụng khuôn trong quá trình sản xuất là bằng tay . Quá trình sản xuất . ảnh hưởng đến thời gian gia công ,kích thước dung sai ,độ nhám bề mặt . Những vật liệu thường được lựa chọn để chế tạo khuôn là thép ,nhôm ,sắt đúc ,GFR (Nhựa được gia cường sợi thủy tinh ) ,CFR (Nhựa được gia cường sợi carbon ) ,sứ . Dưới đây ta sẽ đề cập đến những vật liệu đó để đưa ra cái nhìn tổng quan nhất trong việc lựa chọn vật liệu chế tạo khuôn cho chi tiết nắp che động cơ ô tô . a)Thép : *Ưu điểm : +Có độ bền lớn +Khi gia công khuôn thép sẽ cho dung sai tốt +Bề mặt làm việc tốt +Tương thích với hầu hết các loại nhựa *Nhược điểm : + Chi phí cao ,chỉ phù hợp với những khuôn loại nhỏ ,hình dáng phức tạp sản xuất với khối lượng lớn . + Thép có khối lượng riêng cao hơn so với các loại vật liệu khác. + Nhiệt độ khuyếc tán của thép là quá thấp ,những kênh làm mát hoặc gia nhiệt luôn phải được gia công thêm nên giá thành khuôn sẽ cao . b) Nhôm : *Ưu điểm : + Dung sai đạt được có thể rất tốt . + Khả năng dẫn nhiệt rất tốt. + Tương thích với bất kỳ loại nhựa nào , nhưng phải tránh môi trường ẩm ướt để ngăn ngừa sự ăn mòn . + Nhẹ hơn thép và sắt đúc . c) Sắt : *Ưu điểm : + Độ bền rất cao ,bề mặt có thể chịu được môi trường làm việc khắc nghiệt nhất . + Cho dung sai nhỏ khi gia công . + Việc gia công khuôn có thể hkông cần thiết nếu trong quá trình đúc đạt được mức độ yêu cầu .Điều này dẫn đến chi phí khuôn giảm đi . *Nhược điểm : + Bề mặt không tốt như khuôn bằng nhôm hay thép . + Tính dẫn nhiệt kém ,luôn phải thiết kế thêm kênh dẫn nhiệt . + Bề mặt dễ bị khuyết tật do môi trường ăn mòn . + Khối lượng riêng lớn . d)Nhựa được gia cường thêm sợi thủy tinh : *Ưu điểm : + Chi phí rất thấp . + Phù hợp với sản xuất với sản lượng thấp. Nếu môi trường làm việc chịu nhiệt độ cao và áp suất lớn thì không nên sử dụng bằng vật liệu này . *Nhược điểm : + Có thể dễ dàng bị hỏng hay trầy xước do tác động của quá trình xử lý . + Quá trình đóng rắn khó kiểm soát làm cho dung sai của sản phẩm lớn . + Không chịu được nhiệt độ và áp suất cao e) Nhựa được gia cường thêm sợi carbon : *Ưu điểm : +Cơ tính tốt hơn so với nhựa được gia cường bằng sợi thủy tinh +Tuổi thọ làm việc lâu hơn sovới nhựa được gia cường bằng sợi thủy tinh. +Tương thích hóa học với bất kỳ loại nhựa nào. +Dung sai kích thước tốt hơn . *Nhược điểm : + Rất khó để chế tạo ra những chi tiết có hình dáng phức tạp . f) Gốm : *Ưu điểm : +Tương thích với bất kỳ chất nhựa và dung môi nào . +Có thể làm việc ở nhiệt độ cao . +Chất lượng bề mặt rất tốt . +Có thể được gia công với dung sai nhỏ và ổn đinh trong suốt quá trình gia công . *Nhược điểm : +Dễ bị trầy xước do va đập . +Khó bền khi chịu những va đập . Hình dưới cho thấy tính chất cơ lý của những vật liệu ở trên . Nhìn vào bảng ta thấy cơ tính của vật liệu nhựa được gia cường thêm sợi thủy tinh là lớn nhất .Giá thành của vật liệu này hoàn toàn không cao .Mặt khác ,khuôn có kích thước khá lớn ,và việc chế tạo sản phẩm không hoàn toàn tự động nên để thuận tiện ,an toàn trong quá trình sản xuất ,vật liệu có khối lượng riêng nhẹ sẽ thích hợp hơn .Vậy vật liệu ta lựa chọn làm khuôn là nhựa PEKN được gia cường thêm sợi thủy tinh . * Steel alloy 1040 ** Alloy 2024 *** Grade G3000 **** E glass fibers-epoxy matrix (Vf = 0.60) ***** High modulus carbon fibers-epoxy matrix ( Vf = 0.60) ****** Graphite (*) Yêu cầu về Vf% trong vật liệu phải được tính toán trước khi thiết kế khuôn . Tỉ lệ khối lượng sợi được tính như sau : Trong đó : + n là số lượng lớp sợi trong khuôn . + ρ :mật độ sợi trong một tấm sợi [kg/m2] + ρ’ :mật độ sợi tre [kg/m3] + h :bề dày tương đối của chi tiết [m] Có nhiều loại sợi tre ,mật độ của nó từ kg/m3 đến kg/m3 .Việc ứng dụng sợi tre trong quá trình làm thực tế là khoảng kg/m3 . Chi tiết nắp che động cơ có bề dày trung bình là h= 50mm=0,05mm .Số lớp tre trong khuôn n = lớp .Vậy ta tính được tỉ lệ khối lượng sợi Vf= Áp lực chất lỏng bên trong khoang khuôn khi bơm nhựa vào phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ thẩm thấu vào sợi của nhựa ,độ nhớt của nhựa ,lưu lượng dòng chảy của chất lỏng ,kích thước của khoang khuôn .Áp lực trong khuôn có thể thay đổi từ vài kPa đến vài trăm kPa .Hầu hết các máy hút đều có khả năng hút ở áp suất không đổi .Áp lực của khuôn được bị ảnh hưởng của việc rò rỉ khí trong khuôn ,hở đường ống dẫn . Áp lực kẹp khuôn phải có độ lớn ít nhất bằng tổng áp lực nén sợi và áp suất hút nhựa . Hệ thống kẹp khuôn được đề cập đến dưới đây . Thiết kế đường ống dẫn và hút nhựa Để thiết kế đường ống đạt tiêu chuẩn kỹ thuật sao cho thuận lợi cho việc tính toán sau này ,ta sẽ ứng dụng những lý thuyết về dòng chảy trong quá trình RTM . +Chất lỏng Newton : Là dung dịch chất lỏng không chứa các phần tử lớn hơn kích thước phân tử chính . +Chất lỏng phi Newton :Là dung dịch chứa đáng kể các phân tử có kích thước phân tử lớn hơn kích thước phân tử chính . Do dòng chảy nhựa là hỗn hợp nhựa PEKN ,Styren và chất đóng rắn nên dòng chảy này là dòng chảy Newton .Mặt khác ,trong quá trình RTM ,do nhựa di chuyển trong khuôn ,nó sẽ thấm vào sợi vì vậy dòng nhựa chảy trong khuôn phải tuân theo định luật Dracy : (1) Trong đó : + v là vận tốc dòng chảy nhựa + là độ nhớt nhựa + K là hệ số độ thấm của sợi + là Gradient áp suất (Tức P đầu ra –P đầu vào khuôn ) Để dòng nhựa chảy trong khuôn tuân theo định luật Dracy thì dòng nhựa chảy trong ống dẫn trước khi vào khuôn phải là dòng chảy tầng .Để đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật ,dòng chảy tầng đó phải có hệ số Reynold nhỏ hơn 1 .Nếu ta thay đổi chiều dài và đường kính của đường ống thì những yếu tố của dòng chảy sẽ thay đổi . Quá trình RTM xảy ra dưới sự tác động của nhiều yếu tố như cấu trúc hình học của khuôn, thuộc tính của sợi (độ chịu thấm của sợi ,độ dai của sợi,), tính chất của nhựa, Có nhiều biến số trong quá trình RTM như áp lực hút ,vị trí và số lượng của miệng hút , nhiệt độ khi hút . Nhựa khi chảy trong đường ống phải là dòng chảy tầng và hệ số Reynold đóng vai trò rất quan trọng .Ta có công thức tính hệ số Reynold : Re = (2) Trong đó : + Mật độ chất lỏng của nhựa + Vận tốc chất lỏng + Độ nhớt chất lỏng + Đường kính ống . Các khe hở của mat là rất nhỏ so với kích thước của khuôn và độ căng bề mặt được bỏ qua, dòng chảy trong quá trình có thể được mô tả theo định luật dòng chảy Newton : (+) Thiết kế ống dẫn Trong quá trình RTM đường ống được nối từ bình chứa nhựa tới khuôn,nhựa sẽ chảy từ bình chứa vào trong khuôn. Để nghiên cứu tác động của đường ống tới quá trình này ,ta thiết kế đường ống như Hình1. Hình 1: Dạng đường ống Ở hình 2,ta xét những hình dạng khác nhau của đường ống ,đầu vào sẽ chia thành các chiều dài 50mm ,100mm ,150mm ,200mm với các bán kính có thể là 5mm ,8mm ,10mm ,12mm . Đoạn chuyển đổi 20mm . Đầu ra sẽ chia thành các chiều dài 20mm ,60mm với các bán kính có thể là 3mm ,5mm ,8mm. Hình 2 : Mô hình dòng chảy nhựa Để chứng minh cho quá trình tính toán ,không giảm tổng quát ta chọn chiều dài đoạn đầu vào là 50mm với bán kính 5mm ,chiều dài đoạn chuyển đổi là 20mm ,chiều dài đầu ra là 20mm với bán kính 3mm. Ta sẽ tìm hiểu mối quan hệ giữa tốc độ của đường ống ở đầu ra ,đường kính ống, chiều dài ống tác động thế nào tới hệ số Reynold. Giả sử rằng mật độ và độ nhớt của nhựa đã biết và là hằng số . = Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn,thể hiện qua phần mềm đồ họa ta thiết lập được mối quan hệ của đường kính đầu ra của ống và tốc độ có thể có trong Hình 3. A : Vị trí có đường kính 0mm B ,B’ : Vị trí có đường kính 1,5 mm C ,C’ : Vị trí có đường kính 3mm Hình 3 : Mối quan hệ của đường kính ống và tốc độ dòng chảy Từ mối quan hệ trong hình trên ta thấy rằng ở vị trí 1,5mm thì tốc độ tối đa là 41,939 mm/s .Giả sử vận tốc dòng chảy đạt giá trị lớn nhất bằng vận tốc của dòng chảy ở vị trí có bán kính 3mm ,ta thay vào phương trình (2) để tính hệ số Reynold cho phù hợp quá trình RTM . Tốc độ dòng chảy và tỉ lệ đường kính ống dẫn cũng có mối quan hệ như hình vẽ 4 . Quan hệ của chúng theo hàm số : Y = -0,47953 + 25,61355 X Hình 4 : Quan hệ giữa tốc độ dòng chảy với tỉ lệ đường kính đầu vào ống/đầu ra ống . Với sự thay đổi tỉ lệ đường kính đầu vào và đường kính đầu ra ,tốc độ dòng chảy cũng thay đổi theo. Từ kết quả trên thì tốc độ nhựa ở đầu vào và đầu ra phải tỉ lệ với đường kính ống ở đầu vào và đầu ra mà không phải là với chiều dài của ống .Giả sử tốc độ nhựa ở đầu vào và kiểu dáng ,kích thước đường ống là hằng số thì khi mà đường kính đầu ra là 6mm ,10mm ,15mm thì ta có mối liên hệ giữa tốc độ dòng chảy nhựa ở đầu ra và hệ số Reynold như hình vẽ 5. Hình 5: Quan hệ giữa tốc độ đầu ra và hệ số Reynold Quan hệ của chúng như sau : + 6mm : Y = 2,85239 .10^-6 + 0,00144 X + 10mm : Y = -1,05055 .10^– 6 + 0,0024 X + 16mm : Y = 7,97777 .10^– 7 + 0,00384 X Theo các công thức trên thì hệ số Reynold đều nhỏ hơn 1 .Bằng cách này ta có thể dễ dàng thay đổi ống dẫn nhựa cho những thí nghiệm khác nhau để điều khiển tốc độ dòng chảy nhựa tốt hơn . KẾT LUẬN : Trong quá trình RTM ,nhựa chảy trong ống dẫn phải phù hợp với hệ số Reynold ( Re<1 ) . Bằng cách thay đổi chiều dài và đường kính của đầu vào và đầu ra tốc độ ở đầu ra cho ta 4 phương trình ở trên . Thông qua 4 phương trình này ta có thể tính toán được kích thước đường ống ,tốc độ nhựa ở đầu ra ( tức tốc độ nhựa lúc vào trong khuôn) và hệ số Reynold để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật cho ra các sản phẩm phù hợp . Ví dụ : Khi đường kính của đầu vào là 6mm ,10mm ,16mm ,20mm + Đường kính đầu (b) là 6mm thì tốc độ phải được giới hạn từ 0- 700mm/s .Vì nếu tốc độ vượt quá giới hạn trên thì Re >1 . + Đường kính đầu (b) là 10mm thì tốc độ phải được giới hạn từ 0- 420mm/s . + Đường kính đầu (b) là 16mm thì tốc độ phải được giới hạn từ 0- 260mm/s . Chọn ống dẫn có đường kính 10mm và điều chỉnh tốc độ hút của bơm chân không trong khoảng 400 mm/s . Tính toán thiết kế khuôn : Chi tiết : Nắp che động cơ ô tô Bản vẽ chi tiết : Tính năng của sản phẩm : + Che cho động cơ ô tô tránh khỏi những tác động bên ngoài như nước hay những vật ở bên ngoài . Yêu cầu của sản phẩm : + Chi tiết không chịu tác động thường xuyên của ngoại lực nên độ cứng vững của chi tiết không đòi hỏi cao . + Do che chắn cho động cơ nên chi tiết thường xuyên tiếp xúc với môi trường có xăng dầu và nhiệt độ cao do động cơ tỏa ra,vì vậy bề mặt của chi tiết phải có khả năng chống lại sự oxy hóa của xăng dầu ,không thấm xăng dầu. Lựa chọn vật liệu chế tạo : +Như đã nói ở trên ,việc dần thay thế sợi thủy tinh bằng sợi thực vật là xu hướng tất yếu trong những năm tới .Vì thế chi tiết được làm từ nhự PEKN được gia cường thêm bằng sợi tre . Lựa chọn phương pháp : + Phương pháp RTM là phương pháp đơn giản ,dể làm ,chi phí thấp nên đã được áp dụng rất rộng rãi trên thế giới,nhưng còn khá mới mẻ ở Việt Nam .Do đó việc nghiên cứu và phát triển công nghệ này đang rất được quan tâm ở nước ta. Chi tiết nắp che động cơ ô tô không đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao như những chi tiết khác trong xe ô tô như các chi tiết nội ,ngoại thất ,nên việc sử dụng công nghệ RTM để chế tạo chi tiết là có thể thực hiện được . Lựa chọn vật liệu khuôn : +Có hai loại vật liệu làm khuôn : khuôn kim loại và khuôn composite .Chi tiết có kích thước khá lớn ,việc chế tạo khuôn bằng kim loại đòi hỏi chi phí về vật liệu và chi phí gia công cao .Trong khi việc chế tạo khuôn bằng composite khá đơn giản mà chi phí lại bình thường.Khuôn được sử dụng nhiều lần nên phải đảm bảo độ bền theo thời gian . Vì cơ tính rất tốt của sợi thủy tinh nên ta chọn vật liệu là nhựa PEKN được gia cường thêm bằng sợi thủy tinh . Yêu cầu kỹ thuật của khuôn : +Từ hình dáng thiết kế của chi tiết ,khuôn phải đáp ứng đúng các yêu cầu hình học của chi tiết như góc lượn ,độ dốc,.v.v (*) Tính toán vị trí đặt đầu ống hút và ống dẫn nhựa trên khuôn : (a) Tính toán vị trí đặt ống dẫn nhựa vào khuôn: Để biết vị trí đặt ống dẫn ,ta cần quan tâm tới lưu lượng dòng chảy vào khuôn tại mỗi vị trí của khuôn . Tổng lưu lượng dòng chảy tuân theo định luật Darcy : Trong đó : + v là vận tốc dòng chảy lúc vào khuôn . + K là độ thấm ướt của sợi + n là độ nhớt của nhựa + là Gradient của áp lực. Đối với sợi gia cường bất kỳ ta có 3 hướng trực giao được tính đến như sau : ; ; Tính thẩm thấu có thể khác nhau đáng kể giữa các loại vật liệu .Nếu sợi gia cường định hướng ngẫu nhiên thì cho Vf % thấp còn nếu định hướng 1 chiều thì cho Vf% cao. Độ thẩm thấu của sợi theo hướng Z thường được bỏ qua ,thậm chí đối với khuôn tương đối dày độ thẩm thấu theo hướng này cũng được bỏ qua . Nhiều sợi gia cường được đan thành tấm (như sợi thủy tinh ) cũng có thể được coi là cơ bản đẳng hướng trong mặt phẳng nhìn từ khái niệm thẩm thấu. Bỏ qua tính dị hướng của chúng,những tấm sợi gia cường (mà thường gọi là tấm mat ) sẽ đưa ra một cách tổng quát mô hình dòng chảy cơ bản trong khuôn . Giả sử bề mặt thấm là như nhau theo mọi hướng .Ta có phương trình : Trong đó : + T là thời gian thẩm thấu nhựa vào sợi + L là chiều dài đặc trưng của khuôn ( Hay chiều dài trung bình của khuôn) + C là hằng số phụ thuộc lựa chọn ban đầu Với đầu ống dẫn đặt ở cạnh thì C =1/4 Với đầu ống dẫn đặt ở vị trí các góc của khuôn thì C =1/6 Với đầu ống dẫn đặt ở vị trí giữa khuôn thì hằng số C được tính theo công thức .Trong đó X=( đường kính ống dẫn )/L Nếu đường kính ống dẫn (d) : d=1% L thì C =2 Nếu d =10% L thì C=0,9. Như vậy,với áp suất duy trì không đổi khi hút ta thấy rằng nếu đặt ống hút ở các mép ngoài cùng (ở 4 góc nếu khuôn có dạng hình hộp) thì T sẽ nhanh gấp 4 lần so với đặt ở cạnh khuôn. Do đó trong đa số trường hợp ta sẽ đặt đầu vào nhựa ở vị trí mép khuôn,chứ không đặt ở giữa khuôn . Vấn đề quan tâm khác là làm thế nào để biết được áp suất của nhựa phụ thuộc thế nào vào thời gian để kịp thời điều chỉnh máy cho phù hợp . Hình 6 cho thấy sự phân bố áp lực trong lòng khuôn ,nó thay đổi trong một chu kỳ bơm . Hình 6 Ta cũng sẽ thấy được sự thay đổi của áp lực tại một điểm trong khuôn . Với một bề rộng khuôn phẳng và không đồng nhất ,ống dẫn đặt tại mép khuôn ,áp lực hút nhựa tại đầu ống hút là không đổi ,áp suất trong khuôn ở những vị trí khác nhau cho những giá trị khác nhau. Hình 7 biểu diễn dạng chung của sự phân bố áp lực . Hình 7 Trường hợp phổ biến nhất có công thức phụ thuộc : T = n/P . [f(Vf ,kết cấu khuôn)] . [f(L)] Trong đó : K được thay thế bằng một vài chức năng về hình dáng hình học và vài tính chất khác của chất gia cường. L liên quan đến tính năng của khuôn và hình dáng hình học của đầu hút .Ảnh hưởng của hình dạng hình học sợi gia cường và Vf% đến giá trị K được nghiên cứu dưới đây . (*) Ảnh hưởng của cấu trúc và Vf% của chất gia cường lên tính thấm. Phường trình Kozeny –Carman về mối liên hệ này : Trong đó : + C là hằng số + d là đường kính sợi + B là độ xốp (tức 1 -Vf) Hình : Sự phụ thuộc của áp suất vào sự thay đổi vị trí của đầu hút kể từ điểm chính giữa của khuôn. Còn hình dưới đây biểu diễn sự phụ thuộc của áp suất vào sự thay đổi vị trí của đầu hút kể từ mép khuôn. Hình Từ 2 biểu đồ này ta thấy rằng nếu đặt ống dẫn tại mép khuôn thì việc giảm áp suất là thấp nhất và nhựa sẽ chảy vào khuôn nhanh nhất . (b) Tính Toán Vị Trí Đặt Ống Hút Do chi tiết có hình dạng đơn giản và tương đối đối xứng ,ta chọn vị trí đặt ống hút tại chính giữa mép bề rộng của khuôn . 3 .Tính toán máy hút chân không Hiện tượng thấm ướt Sự thấm ướt xảy ra một cách tự nhiên khi góc tiếp xúc giữa bề mặt bất kỳ và chất lỏng phảo nhỏ hơn 90 độ .Trong trường hợp nhựa epoxy được gia cường thêm sợi C thì góc tiếp xúc phải nhỏ hơn 20 độ .Bỏ qua những lực khác ,chỉ xem xét những gì xảy ra khi sự kéo của sợi gặp phải chất lỏng thấm ướt .Lấy một trường hợp giả định chỗ mà khối lượng nhựa tiếp xúc đều với sợi .Ở thời điểm tiếp xúc đầu tiên ,sự tiếp xúc nằm ở vị trí tiếp tuyến với sợi .Khi dòng chảy làm ướt sợi ,một hố lõm được hình thành và ban đầu làm ướt mặt trước và di chuyển vào bên trong để giảm thiểu năng lượng bề mặt .Hình vẽ Điều này tương tự như mao dẫn tăng lên trong ống hẹp Hình vẽ biểu thị khi nhựa tiếp xúc với bề mặt sợi và bắt đầu thấm ướt . Dưới tác dụng của sức căng bề mặt ,các phân tử nhựa tiếp tục di chuyển vào bên trong cho đến khi hố lõm trở nên bằng phẳng và không tồn tại sự khác biệt về áp suất quanh bề mặt chất lỏng . Ta có công thức về áp lực tồn tại trên bất kỳ một bề mặt chất lỏng cong nào : Trong đó : + Y là sức căng bề mặt chất lỏng (Với mỗi chất lỏng khác nhau thì giá trị này luôn xác định ) + R1, R2 là bán kính khái quát hóa Nếu R2 là vô hạn thì R1 có thể tính xấp xỉ bằng 0,5 lần khoảng cách giữa 2 sợi liên tiếp.Ví dụ với nhựa epoxy thì sức căng bề mặt là 40 dynes/cm và giả sử khoảng cách giữa 2 sợi liên tiếp bằng 0,4 lần bán kính sợi C (Vf% xấp xỏ bằng 63%) thì áp suất lớn nhất quanh bề mặt chất lỏng vào khoảng 28Kpa hay 4psi. Ngoại trừ vị trí ở gần đầu chảy vào của nhựa ,áp suất tại đây vượt qua áp suất ở những chỗ khác .Ngoài ra dòng chảy nhựa này cũng gây ra lực tác dụng có xu hướng co cụm tại từng nhóm sợi nhỏ. Giả thiết ở mức vi mô,các sợi là hoàn toàn thẳng thì lực này nhanh chóng làm co cụm những sợi này với nhau và ngăn cản hiệu quả dòng chảy nhựa tiếp tục thấm ướt vào trong. Trong những nhóm sợi cục bộ đó ,nếu các sợi có sự không đẳng hướng với nhau thì chúng sẽ làm tăng khả năng không hướng tâm của các sợi ,điều này chống lại khả năng co cụm lại của nhóm sợi ,tạo ra độ xốp trong bó (chính là những lỗ hổng tồn tại trong nhóm sợi ) làm cho dòng chảy nhựa có thể chảy vào. Các giai đoạn thấm ướt trong một bó sợi dưới tác dụng của sức căng bề mặt nhựa .Quá trình thấm ướt diễn ra tới trạng thái cân bằng ở thời điểm t5 .Để sự thấm ướt tiếp tực xảy ra thì bề mặt dòng chảy phải được mở rộng ,nghĩa là phải tăng thêm áp suất cho đến thời điểm t6 .Như hình vẽ dưới đây : Như đã nói ở trên,dòng chảy sẽ dừng lại nếu đạt được trạng thái cân bằng .Có những trường hợp mà trạng thái cân bằng xảy ra nhưng sự thấm ướt sợi lại không hoàn toàn .Để thấm ướt xảy ra hoàn toàn thì bề mặt chất lỏng phải tiếp xúc với sợi trước khi đạt trạng thái cân bằng. Có mối liên hệ giữa góc tiếp xúc của nhựa và khoảng cách giữa sợi với sợi .Xét một nhóm sợi đồng nhất nào đó ,sự phụ thuộc của khoảng cách sợi với sợi vào Vf% có thể được tính toán và dự đoán theo hình 6. Hình 6 Đối với những cụm sợi tạo thành hình lục giác như dưới hình 7 ,việc thấm ướt tự xảy ra mà không cần đến áp suất.Ở những vị trí có mật độ nhựa cao không cần tác động thêm áp lực để đạt được sự thấm ướt hoàn toàn. Vf% ở đây phụ thuộc vào goc tiếp xúc A . Với A = 0 , Vf% = 68% Với A = 10 , Vf = 69,2% Với A =20 , Vf = 72,2% Với A =30 , Vf = 78,2% Hình 7 Hầu hết nhựa có A nằm trong khoảng 10-20 nên nhóm sợi sẽ chắc chắn có Vf% nằm trong khoảng trên . Áp lực thấm ướt theo hướng của sợi sẽ tăng lên theo tỉ lệ thể tích .Sự thẩm thấu theo ước tính cảu Kozeny- Carman sẽ giảm nhanh chóng .Do đó tổng mức dòng chảy thấm ướt sẽ giảm nếu Vf% tăng lên (Hình 8): Hình 8 Giả định rằng việc thấm ướt sợi kéo theo việc xuất hiện áp lực làm tăng hoàn toàn dòng chảy xuyên tâm .Thực tế thì vẫn tồn tại áp lực tác động theo chiều dọc tương tự như hiện tượng mao mạch gia tăng trong các ống. Áp lực này được tính theo công thức : Với các loại nhựa epoxy có sức căng bề mặt khoảng 40Dynes/cm và góc tiếp xúc A khoảng 18°. Điều này dẫn đến một áp lực dọc xuất hiện trong quá trình thấm ướt vào khoảng 14 Kpa (2psi) ở 40Vf% và 40Kpa (5,8psi) ở 65Vf% .Áp lực tại các Vf% khác nhau cũng được thể hiện trong hình 8. Những áp lực này không cao nhưng chúng luôn tồn tại và vượt quá áp lực cần thiết trong vùng ẩm ướt . Mặt khác việc ngăn cản dòng chảy sẽ tăng lên nếu Vf% tăng ,như vậy việc thấm ướt được thúc đẩy bởi dòng chảy dọc ở trên những vùng Vf% cao sẽ nhanh hơn những vùng có Vf% thấp hơn. Quan sát ở những phần tinh cho thấy sự sắp xếp các vi sợi cso thể khá khác nhau từ điểm này tới điểm kia .Do đó dòng chảy nhựa làm thấm ướt sợi sẽ thấm ướt theo cả 2 hướng là hướng tâm và theo chiều dọc sợi Hình 9: Hình 9 Ngoài ra có một vài xu hướng lèn chặt các sợi với nhau làm cho việc thấm ướt diễn ra dọc theo trục sợi và theo cả chiều hướng tâm của sợi. Hình 10 cho thấy một phần của nhóm sợi (Vf% =50%) ,một tác dụng của sức căng bề mặt làm cho các sợi có xu hướng kéo ra cùng nhau. Điều này dễ dàng được kiểm nghiệm trong thực tế bằng cách nhúng sợi gia cường vào trong chất lỏng để thấm ướt . Khi nhựa thực hiện quá trình tiếp xúc với sợi và bắt đầu thấm ướt ,trên các mặt cong trên bề mặt sợi sẽ xuất hiện một lực có xu hướng kéo các sợi lại gần nhau như hình vẽ dưới đây. Kết hợp với những kinh nghiệm tính toán ở mục 3 ,ta điều chỉnh mức áp lực hút của máy bơm chân không vào khoảng . II .Chế Tạo Khuôn Tính Toán Chế Tạo Khuôn 1.Yêu Cầu Do khuôn ép có tác dụng tạo bề mặt định hình cho sản phẩm nên khuôn phải cứng vững ,phần tăng độ cứng vững đó được gọi là thân khuôn .Khuôn ép cần phải chế tạo để tránh độ cong vênh khi bắt vít 4 góc ,với những sản phẩm cần tính chính xác cao thì yêu cầu này đặc biệt quan trọng .Chi tiết nắp chắn cho động cơ ô tô không có yêu cầu cao về tính chính xác . 2 .Cấu tạo và tính toán khuôn . Khuôn ép bằng vật liệu composite –do chủ yếu dùng cho phương pháp ép nguội nên được gọi là khuôn ép nguội .Tùy thuộc vào hình dạng và cấu tạo của sản phẩm mà nó được sử dụng cho sản xuất hàng loạt nhỏ và vừa (khoảng vài trăm sản phẩm ). Một khuôn ép nguội bao gồm : 2.1 Bề mặt khuôn Lớp bề mặt là lớp làm việc của khuôn nên phải được thực hiện làm bề mặt thật cẩn thận .Do khuôn dùng để ép hút chân không nên trong quá trình làm việc ,bề mặt tiếp xúc trực tiếp với Styren có trong nhựa .Vì vậy ,để làm việc lâu dài ,lớp bề mặt này cần chống lại được tác dụng của styren và nhiệt độ 80°C và có độ dày phù hợp . Bề mặt khuôn có độ dày phù hợp là 0,4-0,7 mm và được làm từ nhựa UP vì . Để tăng độ quánh của nhựa UP thì người ta thêm chất độn , đôi khi không cần cho chất độn nhưng để giảm độ co ngót và cải thiện tính dẫn nhiệt ta thường trộn thêm bột sắt hoặc bột đồng . +Bột sắt : đường kính hạt 2 – 7 μm ,tỷ lệ so với nhựa là 10 %. +Bột đồng :đường kính hạt 2 - 7μm ,tỷ lệ so với nhựa là 75%. Ta chọn bề mặt khuôn có độ dày 0,5mm và dùng bột sắt có đường kính hạt 0,3μm (vì tiết kiệm chi phí hơn bột đồng ) . 2.2 Lớp gia cường Bao gồm :+Lớp trên cùng là lớp lụa thủy tinh ,khối lượng riêng 225 g/m2 ,có chức năng tăng mối liên kết giữa lớp bề mặt và lớp vải nền . +Dưới lớp lụa thủy tinh là các tấm mat thủy tinh định hướng ,khối lượng riêng là 450g/m2 (hình vẽ) . +Liên kết toàn bộ các lớp này với nhau là nhựa nhiệt rắn PEKN . Tiến hành : Đặt tấm mat thủy tinh đầu tiên lên bề mặt tạo khuôn ,quét đều một lớp nhựa PEKN lên tấm mat sau đó đặt tấm tiếp theo lên ,dùng con lăn để lăn qua lăn lại cho 2 tấm mat tiếp xúc đều nhựa với nhau .Tiếp tục thực hiện như vậy cho tới lớp cuối cùng tùy thuộc vào chiều dày yêu cầu của khuôn .Cuối cùng là đặt tấm lụa thủy tinh lên và tiếp tục lăn ép cho đều .Sau đó chờ nhựa đóng rắn .Phương pháp này gọi là lăn ép bằng tay (hand-lay-up) sẽ được dùng trong quá trình chế tạo sản phẩm được đề cập ở dưới . Chiều dày của lớp gia cường thường từ 5mm -8mm tùy thuộc vào kích thước của khuôn . Bao gồm những lớp vải thủy tinh xếp đè lên nhau .Giữa mỗi tấm mat thủy tinh ,ta quét một lớp nhựa nhiệt rắn để liên kết các tấm với nhau .Sau mỗi lần đặt tấm mat thủy tinh lên nhau ,ta thực hiện thao tác lăn ép bằng tay (dùng con lăn để lăn qua lăn lại bề mặt tấm mat ) . Ta chọn tấm mat thủy tinh có kích thước 30×30×1,5 mm ,khối lượng riêng 450g/m2. Tấm lụa thủy tinh có kích thước 1500×1500×1 mm ,khối lượng riêng là 225g/m2. Nhựa nhiệt rắn PEKN có thành phần : 2.3 Phần thân khuôn . Phần này thường có kích thước lớn và nặng vì có nhiệm vụ giữ vững và tăng độ cứng vững cho khuôn trong quá trình lăn ép bằng tay hay di chuyển khuôn ,v.v. Đây là phần đổ bê tông nhựa .Để cho độ co ngót ở đây là nhỏ nhất ,ngừoi ta dùng bê tông nhựa EP .Bê tông nhựa trong trường hợp này dùng cát khô ,kích thước hạt 1÷3mm ,tỷ lệ 500÷600 phần cát ,100phần nhựa EP . Để đảm bảo tính cứng vững cho phần này ,yêu cầu khi đổ bê tông phải được lèn chặt ,không có bọt khí ,vết nứt ,độ lồi lõm và các khuyết tật . Một khuôn ép nguội tùy thuộc vào kích thước của chúng cần có kết cấu vững chắc ,có đai hoặc không có đai như hình vẽ : Ta chọn tỷ lệ phần cát/phần nhựa là 550/100 . Khi sản xuất các sản phẩm có bề dày thành mỏng ,thường phải nung nóng khuôn ép nguội vì trong quá trình đồng trùng hợp ,nhiệt tỏa ra là không đủ nếu muốn đóng rắn nhanh (vì sản xuất đòi hỏi quá trình đóng rắn phải nhanh để đạt năng suất cao ) .Vì thế để chu kỳ ép nhỏ đi người ta sẽ thiết kế khuôn theo kiểu có thể đặt lên bàn máy gia nhiệt được sao cho đều .Với những khuôn có chiều dày thành khoảng dưới 2mm thì 2 nửa khuôn thường bằng phẳng để thuận tiện cho việc gia nhiệt từ bên ngoài .Do khuôn để chế tạo sản phẩm nắp che động cơ ô tô có kích thước lớn nên bề dày của khuôn cũng khá dày ,nên việc thiết kế khuôn bằng phẳng là không hợp lý vì không đảm bảo tính cứng vững cho khuôn ,do đó khuôn dưới phải được đổ bê tông .Như vậy việc gia nhiệt cho quá trình đóng rắn cũng sẽ khác với khuôn mỏng .Quá trình gia nhiệt cho khuôn được thực hiện qua máy sấy (sẽ đề cập tới ở dưới ). 3. Chế Tạo Khuôn . Để chế tạo khuôn hoàn chỉnh cần phải có mẫu vật hoàn thiện ,có đầy đủ kích cỡ như sản phẩm sẽ được sản xuất .Chất lượng của khuôn phụ thuộc vào chất lượng của mẫu vật .Do đó yêu cầu là không được có khuyết tật trên mẫu vật . Hình vẽ cho thấy các phần của vật mẫu bằng được làm bằng nhựa hoặc gỗ .Từ hình dáng của mẫu vật cho ta hình dạng thật của khuôn . 3.1 Chế tạo nửa khuôn dưới Hình vẽ :Nửa khuôn dưới Như vậy thì vật mẫu có hình dạng và kích thước như hình vẽ : Đầu tiên ta đặt những tấm mat thủy tinh lên toàn bộ bề mặt khuộn ,thực hiện lăn ép bằng tay đều khắp bề mặt .Sau đó thực hiện đổ bê tông cho riêng phần chân đế .Đổ bê tông xong , ta tiếp tục đặt tấm mat thủy tinh lên lòng của mẫu vật ,quét nhựa đều lên trên bề mặt và lại lăn ép bằng tay .Tiếp tục đặt tấm mat thủy tinh tiếp theo lên ,quét nhựa và thực hiện lăn ép cho đến khi độ dày của khuôn đạt được 5mm .Đặt lớp lụa thủy tinh lên trên tấm mat thủy tinh cuối .Sau cùng là quét một lớp mịn lên trên để tạo bề mặt cho lòng khuôn dưới .Chờ đến khi nhựa đóng rắn thì tháo khuôn . 3.2 Chế tạo nửa khuôn trên . Nửa khuôn trên có chức năng định hình bề mặt sản phẩm và ép chặt với lòng khuôn dưới để tạo thành khuôn kín hút chân không .Chế tạo khuôn dưới cũng tương tự như chế tạo khuôn trên .Do nửa khuôn dưới có chân đổ bê tông rồi nên nửa khuôn trên không cần đổ bê tông nữa . Điểm đặc biệt của nửa khuôn trên là trên bề mặt nửa khuôn trên có những đường rãnh lõm và hai chỏm lồi lên ở phần giữa của khuôn .Phần ở gần mép khuôn có đường lồi nhỏ . Hình chiếu đứng nửa khuôn trên Chế tạo nửa khuôn dưới ,ta cũng tạo vật mẫu tương tự hình dạng của sản phẩm . Hình vẽ mẫu vật của nửa khuôn trên Thực hiện việc đặt các tấm mat thủy tinh lên nhau ,quét nhựa đều khắp bề mặt và dùng con lăn để lăn ép . Trên mặt làm việc có đường viền lồi lên ,ta cắt những tấm mat thủy tinh có kích thước nhỏ hơn đường viền đó chừng 2-3 mm và đặt lên lớp mat thủy tinh ở vị trí phù hợp với yêu cầu của khuôn .Lớp trên cùng thì quét lớp mịn để tạo bề mặt cho nửa khuôn trên .Xong thì chờ đóng rắn và tháo khuôn ra .Tháo khuôn xong ,ta thực hiện bước khoan những lỗ đặt ống hút có đường kính 10mm ở những vị trí đã được tính toán ở trên . QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO NẮP CHE ĐỘNG CƠ Ô TÔ BẰNG PHƯƠNG PHÁP RTM 1.Các vật liệu thường dùng Việc sử dụng sợi tre cho quá trình chế tạo được đề cập đến ở trên với những tính năng và tính chất cần thiết của nó .Sợi tre được bung thành sợi từ những đoạn tre ngắn ,trỉa qua các quá trình tách sợi ,sấy khô và gắn kết sẽ tạo thành các mat tre như hình vẽ( có dạng tấm gần giống các tấm sợi ở trên ) . 2.Các bước tiến hành : Bước 1: Chuẩn bị khuôn và vật liệu Bước 2: Tạo túi chân không để cho khuôn vào Bước 3 : Chuẩn bị nhựa và máy hút Bước 4 : Tẩm nhựa và thực hiện lăn ép bằng tay Bước 5 : Hút chân không 3 .Ta đi sâu vào từng bước cụ thể : Bước 1: Chuẩn bị khuôn Khuôn được làm bằng kim loại hoặc vật liệu composite hoặc bằng gỗ ép (gỗ ép này được trộn với nhựa vinyl khi sản xuất ).Khuôn bằng kim loại thường là nhôm có tác dụng dẫn nhiệt tốt trong quá trình tiến hành . Bề mặt trong khuôn được bôi chất chống dính để sau khi đóng rắn dễ dàng tháo chi tiết ra khỏi khuôn .Hoặc dùng một tấm màng mỏng ngăn cách mặt trong khuôn với chi tiết . Vật liệu chế tạo bao gồm các tấm mat bằng sợi tre và nhựa PEKN Chi tiết nắp che động cơ ô tô có chức năng che chắn phần trên của động cơ, giúp ngăn cách động cơ với những chi tiết khác trong ô tô ,che chắn cho động cơ khỏi bị ảnh hưởng bởi những tác nhân bên ngoài như tránh nước hay những vật dụng rơi vào .Vật liệu chế tạo chi tiết là composite ,vừa nhẹ để làm giảm tổng khối lượng của ô tô ,vừa thuận tiện cho việc sử dụng sau này mà vẫn đảm bảo độ bền cần thiết của chi tiết .Vì quá trình chế tạo chi tiết không cần gia nhiệt nên vật liệu làm khuôn bằng composite . Sau quá trình lăn ép bằng tay ở khuôn dưới ,ta đặt khuôn trên lên và dùng 4 đai ốc M6 bắt chặt vào 4 góc khuôn rồi thực hiện quá trình VARTM. Kích thước chi tiết như hình Kích thước khuôn như hình Bước 2 .Túi chân không là túi nhựa tương đối dày và kín . Bước 3 : Nhựa là PEKN ,máy hút chân không có thông số dưới đây : Điều chỉnh máy hút dưới áp lực hút là để tốc độ ở đầu hút vào khoảng 400 m/s . Bước 4 .Quá trình lăn ép : Đặt tấm mat đầu tiên vào trong khuôn , quét nhựa lên đều lên tấm này .Dùng 1 tấm nilon dày đặt lên và thực hiện lăn ép bằng tay .Khi lăn ép đều xong tiếp tục đặt những tấm mat tiếp theo lên và thực hiện tương tự tới khi số lượng tấm mat đủ mức cần thiết so với tính toán . Bước 5 . Lắp ghép hệ thống ống dẫn nhựa và ống hút chân không vào những vị trí theo tính toán ở trên và thực hiện hút . 4 .Quá trình đóng rắn và gia nhiệt cho khuôn Quá trình đóng rắn bắt đầu tại thời điểm mà nhiều thành phần khác nhau của nhựa được pha trộn (Điều này không đúng lắm đối với nhựa PE vì có thể sử dụng cấc chất ức chế để trì hoãn sự khởi đầu đóng rắn cho đến khi chất đóng rắn được sử dụng hết thì PE mới bắt đầu đóng rắn dưới 1 nhiệt độ ban đầu nào đó .Khi hỗn hợp nhựa được trộn hợp thì hiệu quả đáng chú ý đầu tiên là sẽ có sự thay đổi độ nhớt và sẽ thấy rõ sự phụ thuộc của tốc độ đóng rắn vào nhiệt độ .Thậm chí chỉ cần một thay đổi nhỏ về nhiệt độ cũng cho sự thay đổi lướn về độ nhớt do đó kéo theo sự thay đổi về tốc độ đóng rắn . Hình : Đồ thị biểu diễn độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ Công thức : Trong đó là độ nhớt ở nhiệt độ T và là hằng số Nếu a =0,04 (1/°C) (tiêu biểu là nhựa PE) điều này nghĩa là độ nhớt rơi vào khoảng + 33% nếu nhiệt độ là 10°C + 56% nếu nhiệt độ là 20°C +70% nếu nhiệt độ là 30°C Kết quả rõ ràng nhất của công thức này là nếu nhựa lạnh mà được bơm vào khuôn nóng (hay nói chung là nhiệt độ của nhựa và khuôn là tương đối khác nhau ) thì không thể cho rằng việc sử dụng độ nhớt của nhựa trong mô hình dòng chảy trong khuôn là đúng được .Thêm vào đó nếu phản ứng đóng rắn bắt đầu ngay trong quá trình hút nhựa được hút vào khuôn thì độ nhớt của nhựa tiếp tục thay đổi khi vào trong khuôn .Thời gian ngắn sau đó nhiệt tỏa ra trong quá trình đóng rắn sẽ tăng lên ,dẫn đến nhiệt độ nhựa cũng tăng lên ,nhiệt độ tăng kéo theo độ nhớt tăng .Hai quá trình này tác động qua lại với nhau ,nghĩa là khi bắt đầu đóng rắn thì độ nhớt và nhiệt độ đều tăng .Với hầu hết các công nghệ RTM tiên tiến hiện nay ,tốc độ hút chân không khá chậm để đảm bảo hầu như ở bất kỳ thời điểm nào trong khuôn,người ta luôn duy trì được nhiệt độ sợi và nhựa là như nhau .Điều này rất quan trọng vì như vậy những lý thuyết về dòng chảy nhựa trong khuôn mới đúng ,do đó mới có thể áp dụng những lý thuyết đó dễ dàng thay đổi những thông số tính toán cho phù hợp với yêu cầu đặt ra. Ta sẽ gia nhiệt cho khuôn thêm 30° để tăng tốc độ đóng rắn của nhựa ,điều này làm cho năng suất tăng lên . Việc gia nhiệt được thực hiện bằng cách đưa toàn bộ khuôn sau khi đã thực hiẹn RTM xong qua bàn gia nhiệt .Bàn này chạy qua một đường cống gia nhiệt .Đường này có chiều dài 2m ,chiều cao vòm 1m ,tốc độ chạy là 2m/phút .