Xác định cấu tạo lớp và thành phần mat - Nhựa hợp lý để chế tạo cánh bơm nước chuyên dụng cho nuôi trồng thủy sản từ vật liệu compozite

tác nhiều thì rút ngắn thời gian đông, đóng rắn nếu nhiều quá thì quá trình sản xuất thao tác không kịp nó sẽ đông trước khi đưa vào khuôm tạo sản phẩm, ngoài ra hàn lượng xúc tác nhiều nó còn ảnh hưởng đến cơ tính vật liệu (sản phẩm), được nhà sản xuất khuyên dùng với hàm lượng tối thiểu là 1% và tối đa là 2,5%. Trong quá trình làm thực nghiệm có làm cho trường hợp tỉ lệ % Mat > 60 % thì thấy lượng nhựa không đủ để liên kết giữa các sợi mat làm cho sản phẩm bị sốp, xuất hiện nhiều bọng khí làm cho vật liệu yếu. - 52 - Bảng 2.6: Thành phần % vật liệu thành phần trong các lần thử. Thành phần S1(20%), N1(80%) S2 (30%), N2 (70%) S3(40%), N4 (60%) S4 (50%), N4(50%) X1(1,2%) S1, N1, X1 S2, N2, X1 S3, N3, X1 S4,N4,X1 X2(1,8%) S1, N1, X2 S2, N2, X2 S3, N3 ,X2 S4,N4,X2 X3(2,4%) S1, N1, X3 S2, N2, X3 S3, N3, X3 S4,N4,X3 II.4.2.2. Tính toán các thông số lý thuyết cho compozite. Các thông số của vật liệu thành phần [1,2]:  Nhựa polyester chưa no: + Tỉ trọng  =1,1-1,46 g/cm3 ta có  =1,2 g/cm3(nhựa sử dụng) + Ứng suất kéo σk = 42-91MN/m2(MPa) + Ứng suất uốn σu = 90-130 MN/m2 + Ứng sưất nén σn = 90-250 MN/m2 + Môđun kéo Ek= 2-4,5 GN/m2(GPa) + Môđun uốn Eu= 3-4 GN/m2  Sợi thủy tinh E: + Tỉ trọng  = 2,56 g/cm3 + Ứng suất kéo σk = 3500 MN/m2 + Môđun kéo Ek= 70-76 GN/m2 Trong tính toán sức bền cho vật liệu ta thường tính theo thành phần thể tích, nhưng trong thực tế sản xuất compozite thì lại theo thành phần khối lượng để việc tính toán được dễ dàng ta tính thành phần thể tích của các thành phần vật liệu theo công thức tổng quát của luật hòa trộn vật liệu [2,6]: Vn = (%)/...// / 2211 nn nn WWW W    ( 2,tr226) (1) Áp dụng cho compozite 2 pha nền và cốt sợi ta có công thức tính cho từng thành phần là: - 53 - VS = (%)// / NNSS SS WW W    (2) VN = (%)// / NNSS NN WW W    hoặc (VN = 1- VS (%)) (3) Tỉ trọng của compozite tính theo công thức: (2,tr228) C = Vs. S + Vn. N hoặc C = NNSS WW  // 1  (đơn vị g/cm3) (4) Môđun tính theo công thức: EC=k. ES.VS+ EN.VN (2,tr217) (5) Hệ số poisson tímh theo công thức: µC= µS.VS+ µN.VN (2,tr234) (6) Ứng suất kéo tính theo công thức: (σk)C = k. VS.σS +VN.σN(6,tr468) (7) Với sợi ngắn công thức tính là: (σk)C = k. VS.σS.(1- l lth 2 ) +VN.σN(6,tr468) (8) Trong đó: + C , S , N lần lượt là tỉ trọng của compozite, sợi thủy tinh E (mat sợi cắt ngắn), nhựa polyester tương ứng. + VC, VS, VN là thể tích của compozite, sợi thủy tinh E (mat sợi cắt ngắn), nhựa polyeste tương ứng. + µC, µS= 0.22, µN= 0.33(2,tr233) lần lượt là hệ số poison của compozite, sợi thủy tinh, nhựa nền. + σC, σS, σN là ứng suất của compozite, sợi thủy tinh, nhựa polyester tương ứng. + k = 1/8 là hệ số gia cường hữu ích[6,tr469]. Thành phần, sức bền kéo của compozite theo % các thành phần trong từng trường hợp, ở đây thành phần xúc tác nhỏ nên trong tính toán ta có thể bỏ qua. - 54 - Trường hợp 1: Trọng lượng sợi WS=20%; trọng lượng nhựa polyester WN= 1-20% = 80%. Ta có thành phần % theo thể tích là: VS= (%)// / NNSS SS WW W    = 2,1/8,056,2/2,0 56,2/2,0  ≈ 0,1056 = 10,56% → VN = 1-VS = 89,44% hoặc VN = (%)// / NNSS NN WW W    = 2,1/8,056,2/2,0 2,1/8,0  ≈ 89,44% Tỉ trọng của compozite trong th1là: áp dụng công thức và thay số vào C = Vs. S + Vn. N hoặc C = NNSS WW  // 1  (đơn vị g/cm3) → C = Vs. S + Vn. N = 0,1056. 2,56+ 0,8944.1,2 = 1,34 (g/cm 3) Môđun kéo của compozite, áp dụng công thức EC = k. ES.VS+ EN.VN thay số ta đựợc: (Ek)C = 8 1 .72.0,1056+ 3,4.0,8944 = 3,991 (GN/m2) = 3991 (MN/m2) hoặc (MPa) Hệ số poison tính theo công thức µC = µS.VS+ µN.VN µC = 0,22.0,1056+0,33.0,8944 = 0,3184 Chọn k=1/8 Mat sợi cắt ngắn phân bố ngẫu nhiên theo 3 chiều không gian ứng suất kéo là áp dụng công thức σC = k. VS.σS.(1- l lth 2 ) +VN.σN thay số ta được: (σk)C = 8 1 .3500. 0,1056(1- 5.2 1 )+ 40.0,8944 = 77,356(MPa) Trong đó lth= 1(mm), l = 5(mm) lần lượt là chiều dài tới hạn của sợi thủy tinh, chiều dài sợi ta cắt ngắn. Trường hợp2: Trọng lượng sợi WS = 30%; WN = 1-30% = 70%. Ta có thành phần % theo thể tích là: - 55 - VS = (%)// / NNSS SS WW W    = 2,1/7,056,2/3,0 56,2/3,0  ≈ 0,17 = 17% → VN = 1-VS=83% hoặc VN = (%)// / NNSS NN WW W    = 2,1/7,056,2/3,0 2,1/7,0  ≈ 83% Tỉ trọng của compozite trong th1là: áp dụng công thức và thay số vào C = Vs. S + Vn. N hoặc C = NNSS WW  // 1  (đơn vị g/cm3) → C = Vs. S + Vn. N = 0,17. 2,56+ 0,70.1,2 = 1,43 (g/cm 3) Môđun kéo của compozite áp dụng công thức EC = k. ES.VS+ EN.VN thay số ta đựợc: (Ek)C = 8 1 .72.0,17+ 3,4.0,83 = 4,199(GN/m2) = 4199 (MN/m2) hoặc (MPa) Hệ số poison tính theo công thức µC = µS.VS+ µN.VN µC = 0,22.0,17+0,33.0,83 = 0,3114 Chọn k = 1/8 Mat sợi cắt ngắn phân bố ngẫu nhiên theo 3 chiều không gian Ứng suất kéo tính theo công thức σC = k. VS.σS.(1- l lth 2 ) +VN.σN thay số ta được: (σk)C = 8 1 .3500. 0,17(1- 5.2 1 )+40.0,83 = 100,14(MPa) Trong đó lth = 1 (mm), l = 5 (mm) lần lượt là chiều dài tới hạn của sợi thủy tinh, chiều dài sợi ta cắt ngắn. Trường hợp3: Trọng lượng sợi WS = 40 %, WN = 60 %. Ta có thành phần % thể tích là:VS = (%)// / NNSS SS WW W    thay số ta được: VS = (%)// / NNSS SS WW W    = 2,1/6,056,2/4,0 56.2/4,0  ≈ 0,24 = 24% - 56 - → VN = 1-VS = 1-0,24 = 76 % Tỉ trọng compozite trong th2 là: áp dụng công thức C = Vs. S + Vn. N Thay số ta được: C = Vs. S + Vn. N = 0,24.2,56 + 0,76.1,2 = 1,53 (g/cm3) Môđun kéo của compozite là: (Ek)C = k. ES.VS+ EN.VN(MPa) → (Ek)C = 8 1 .72.0,24+3,4.0,76 = 4,744(GN/m2) = 4744(MPa) Hệ số poison tính theo công thức µC = µS.VS+ µN.VN µC = 0,22.0,24+0,33.0,76 = 0,3036 ứng suất kéo trong th2 là: σC = k.VS.σS.(1- l lth 2 ) +VN.σN(MPa) → (σk)C = 8 1 .3500. 0,24 (1- 5.2 1 ) + 40.0,76 = 124,9(MPa) Trường hợp 4: WS = 50%; WN = 50% ta có: Thành phần % thể tích là:VS = (%)// / NNSS SS WW W    → VS = (%)// / NNSS SS WW W    = 2,1/5,056,2/5,0 56,2/5,0  ≈ 0,32 = 32% → VN = 1- VS = 1-0,32 = 0,68 = 68 % Tỉ trọng của compozite là: C = Vs. S + Vn. N → C = Vs. S + Vn. N =0,32.2,56+0,68.1,2 = 1,64 (g/cm 3) Môđun kéolà: (Ek)C = k. ES.VS+ EN.VN(MPa) → (Ek)C = 8 1 .72.0,32 + 3,4.0,68 = 5,192(GN/m2) = 5192(MPa) Hệ số poison tính theo công thức µC = µS.VS+ µN.VN µC = 0,22.0,32+0,33.0,68 = 0,2948 ứng suất kéo là: σC = k. VS.σS.(1- l lth 2 ) +VN.σN(MPa) - 57 - → (σk)C = 8 1 .3500. 0,32(1- 5.2 1 ) + 40.0,68 = 153,2(MPa) II.4.2.3. Mục đích thực nghiệm. Kiểm tra các đặc tính cơ, lý, hóa của vật liệu compozite để từ đó lựa chọn được kết cấu vật liệu chế tạo cánh bơm nước chuyên dụng.  Kiểm tra cơ tính vật liệu về độ bền: kéo, uốn, nén, va đập.  Xác định thời gian động, đóng rắn của nhựa. Thời gian đông cứng và đóng rắn quyết định tiến độ quy trình công nghệ, năng suất chế tạo cũng như thời gian thực hiện các bước trong quy trình công nghệ.  Kiểm tra khả năng bị thấm nước biển.  Kiểm tra sự phân hủy của vật liệu compozite trong nước biển.  Kiểm tra khả năng trương nở trong nước biển của vật liệu compozite. ►Các bước thực hiện. Tất cả các thí nghiệm đều dùng vật liệu là nhựa polyeste chưa no (kí hiệu 9509) và mating sợi thủy tinh ( loại 300 g/ cm2 ), chất xúc tác MEKP. II.4.2.4. Kiểm tra cơ tính vật liệu compozite. + Tạo mẫu thử theo kích thước mẫu thử (chọn theo tiêu chuẩn) Yều cầu mẫu thử là: - Cho trường ứng suất, biến dạng đồng nhất tại miềm làm việc. - Phá hủy tại trung tâm miềm làm việc. - Khi gá lắp không gây tổn thương vật liệu. - Dễ chế tạo. - 58 - Hình 2.27: Kích thước mẫu thử cơ tính vật liệu compozite theo tiêu chuẩm ISO. - 59 - + Kết quả kiểm tra cơ tính. Mẫu thử được kiểm tra cơ tính trên máy thử của viện nghiên cứa chế tạo tàu thủy Nha trang. Máy kiểm tra (thử cơ tính): Máy kiểm nghiệm vạn năng HTE- H50KS. Thông số kỹ thuật cơ bản của máy: + Lực lớn nhất của máy là 50.000N + Dải tốc độ của máy từ 0,005m/s cho đến 250m/s. Kết quả kiểm tra cơ tính mẫu kéo, uốn được tổng hợp lại dưới bảng 3.7, bảng 3.8. Bảng 2.7: Ứng suất kéo và biến dạng của compozite khi % mat, xúc tác thay đổi. 20% Mat 30% Mat 40% Mat 50% Mat Thành phần σk(Mpa) εbd (mm) σk(Mpa) εbd (mm) σk(Mpa) εbd (mm) σk(Mpa) εbd (mm) 1,2%xt 33,88 0,943 43,88 0,953 47,64 1,218 53,53 1,540 1,8%xt 33,53 0,940 44,42 0,973 47,84 1,145 58,87 1,712 2,4%xt 35,27 1,060 42,56 1,072 46,97 1,292 55,23 1,516 Bảng 2.8 Ứng suất uốn của compozite khi % mat, xúc tác thay đổi. 20% Mat 30% Mat 40% Mat 50% Mat Thành phần σu(Mpa) Độvõng (mm) σu(Mpa) Độvõng (mm) σu(Mpa) Độvõng (mm) σu(Mpa) Độvõng (mm) 1,2%xt 59,14 3,477 90,26 3,169 128,33 2,898 117,49 3,047 1,8%xt 57,26 3,026 95,43 3,247 144,83 4,151 119,18 3,187 2,4%xt 51,68 2,881 107,93 3,031 127,50 3,455 100,86 3,53 Bảng 2.9: Môđun đàn hồi khi kéo và môđun đàn hồi khi uốn. 20% Mat 30% Mat 40% Mat 50% Mat Thành phần Ekéo Euốn Ekéo Euốn Ekéo Euốn Ekéo Euốn 1,2%xt 2146,6 5215,8 2782,3 6408,7 2346,8 8053,9 2085,0 8675,6 1,8%xt 2139,8 5803,2 2827,5 6613,3 2506,0 7850,1 2062,7 8413,7 2,4%xt 1974,8 5500,5 2382,9 8011,6 2180,5 8303,2 2186,5 7434.3 - 60 - Công thức tính các kết quả : - Ứng suất uốn: σu = X X W M (9) Trong đó MX = 4 .lF là mômen uốn (10) WX = 6 . 2hb là mômen chống uốn (11) - Môđun đàn hồi uốn Eu = yhb lF ...4 . 3 3 (Mpa). (12) Trong đó F là lực uốn, l = 90(mm) chiều dài tuyến tính, b = 10(mm) bề rộng, h = 6 (mm), y là độ võng. - Môđun đàn hồi kéo EK = hbBXAX lBFAF .)].()([ )].()([   (Mpa). (13) Trong đó F(A), F(B) là lực kéo tại điểm A và điểm B. X(A), X(B) là biến dạng tại A và biến dạng tại B. l = 60(mm) chiều dài tuyến tính. b = 10(mm), h = 4 (mm).là bề rộng và chiều cao. Do số mẫu thử lớn và tính EK như công thức trên thì gặp khó khăn là lực P, biến dạng X đo trên đồ thị không chính xác nên ta dùng công thức: EK =σK/εbd (14) Trong đó σK, εbd lần lượt là ứng suất kéo và biến dạng tương đối của mẫu kéo. II.4.2.5. Xác định thời gian đông, rỡ khuôm, đóng rắn. Thời gian đông đặc và đóng rắn là yếu tố quyết định thời gian thực hiện qua trình công nghệ gia công, quyết định số lượng sản phẩm làm gia trong thời gian nhất định như một buổi, một ngày….vì vậy cần phải kiểm tra thời gian đông đặc và thời gian đóng rắn. Kiểm tra thời gian đông đặc và đóng rắn bằng 2 cách, cách thứ nhất ta đo trực tiếp trong từng lượt tiến hành thí nghiện (bằng đồng hồ), cách thứ 2 ta kiểm tra thời gian đông bằng cách làm thêm 3 lần thí nghiệm là kiểm tra thời gian này - 61 - bằng cách pha nhựa với chất xúc tác mà không có mặt của thành phần cốt sợi, nhựa được chọn vẫn là loại nhựa trên nhưng có trọng lượng chỉ ở 1 mức, còn xúc tác chọn theo 3 mức là X1=1,2%; X2=1,8%; X3=2,4%. Em tiến hành kiểm tra theo cả 2 cách. Kết quả được ghi lại trong bảng 2.10, bảng 2.11. Bảng 2.10: Thời gian đông đặc, khi rỡ khuôm (ở nhiệt độ phòng). Thời gian(phút) Thành phần % Thời gian đông đặc (phút) Thời gian khi rỡ khuôm (phút) 1,2%xt, 20%mat, 80%nhựa 32 45 1,2%xt, 30%mat, 70%nhựa 33 46 1,2%xt, 40%mat, 60%nhựa 35 48 1,2%xt, 50%mat, 50%nhựa 34 47 1,8%xt, 20%mat, 80%nhựa 17 25 1,8%xt, 30%mat, 70%nhựa 18 27 1,8%xt, 40%mat, 60%nhựa 17 27 1,8%xt, 50%mat, 50%nhựa 19 26 2,4%xt, 20%mat, 80%nhựa 10 17 2,4%xt, 30%mat, 70%nhựa 12 18 2,4%xt, 40%mat, 60%nhựa 12 20 2,4%xt, 50%mat, 50%nhựa 13 19 Với cách này thì ta thì thời gian đông đặc của hỗn hợp và thời gian rỡ khuôm được xác định cũng chỉ gần đúng do quan sát bằng mắt và thời gian này phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ thời tiết. Bảng 2.11: Thời gian đông đặc và đóng rắn của nhựa (ở nhiệt độ phòng). Thời gian đông đặc (phút) Thời gian khi rỡ khuôm (phút) Thời gian đóng rắn đến hoàn toàn (phút) 100g nhựa, 0,5g xt 54 79 113 100g nhựa, 1,2g xúc tác 34 42 70 100g nhựa, 1,8g xúc tác 15 21 43 100g nhựa, 2,4g xúc tác 9 13 38 100g nhựa, 3g xúc tác 4 8 40 - 62 - Kiểm tra bằng cách này có ưu điểm quan sát được thời gian dỡ khuôm chính xác thông qua sự thay đổi màu của nhựa, khi nhựa hòa xúc tác trong thời gian đông rắn có màu hồng ngọc, thời gian khi nhựa bắt đầu chuyển dần sang màu tím đến khi hoàn toàn là màu tím là thời gian đóng rắn lúc này nhiệt độ trong nhựa là cao nhất, khi nhựa bắt đầu chuyển từ màu tím sang màu hồng ngọc là thời gian ta có thể rỡ khuôm, khoảng thời gian từ khi nhựa chuyển từ màu tím sang hoàn toàn màu hồng ngọc ta gọi là thời gian đóng rắn đến hoàn toàn đóng rắn, trường hợp xúc tác > 3% khi đóng rắn hoàn toàn nhựa có màu vàng nhạt. Chúng ta thấy thời gian rỡ khuôm trong 2 cách là gần như nhau, do vậy khi kiểm tra thời gian rỡ khuôm nên chọn cách thứ 2 vì quan sát được sự thay đổi màu của nhựa nên chính xác hơn, và ta có thể biết được thời gian đóng rắn hoàn toàn của nhựa. II.4.2.6. Kiểm tra khả năng thấm nước của vật liệu. Thực hiện trên 6 mẫu trong đó 3 mẫu không phủ lớp bảo vệ gelcoat, 3 mẫu được quét phủ lớp bảo vệ gelcoat dùng cân đo trọng lượng ban đầu của từng mẫu có đánh dấu và ghi lại, sau đó đem ngâm trong nước biển, sau 20 ngày lại lấy mẫu lên cân 1 lần. Kết quả đo bằng cân điện tử ( phòng tổng quan, lầu 3 khoa chế biến) được ghi lại dưới bảng 2.12. Bảng 2.12: kết quả kiểm tra khả năng thấm nước của compozite. Mẫu không gelcoat Khối lượng ban đầu Khối lượng đo lần 1 Khối lượng đo lần 2 Mẫu 1 27,708 27,723 27,725 Mẫu 2 28,640 28,645 28,650 Mẫu 3 30,549 30,556 30,579 Mẫu quét gelcoat Khối lượng đo ban đầu Khối lượng đo lần 1 Khối lượng đo lần 2 Mẫu 1 33,725 33,736 33,740 Mẫu 2 29,957 29,963 29,970 Mẫu 3 33,491 33,505 33,491 - 63 - Từ bảng 2.12 thấy khối lượng của các mẫu thay đổi rất bé ( vài % gram) chứng tỏ vật liệu không bị thấm nước. II.4.2.7. Kiểm tra khả năng trương nở của vật liệu compozite. Được thực hiện trên 6 mẫu trên trước khi đem ngâm trong nước biển ta cũng đo kích thước ( panme giới hạn đo (0 → 25)mm, ( 25→50), ( 50→75), độ chính xác 0,01mm) của từng mẫu ghi lại sau 20 ngày lại lấy lên đo 1 lần kết quả ghi lai dưới bảng 2.13. Bảng 2.13: Kết quả kiểm tra khả năng trương nở của compozite. Mẫu không quét gelcoat Kích thước ban đầu Kích thước đo lần 1 Kích thước đo lần 2 Mẫu 1 55,54x31,66 x10,86 55,66x31,70 x10,88 55,70x31,72 x10,91 Mẫu 2 55,76x30,60 x10,76 55,85x30,64 x10,78 55,90x30,62 x10,78 Mẫu 3 55,00x30,86 x11,17 55,12x30,90 x11,22 55,16x30,93 x11,23 Mẫu quét gelcoat Kích thước đo ban đầu Kích thước đo lần 1 Kích thước đo lần 2 Mẫu 1 56,38x31,28 x12,40 56,38x31,28 x12,40 56,38x31,28 x12,40 Mẫu 2 55,68x30,96 x11,82 55,68x30,96 x11,82 55,68x30,96 x11,82 Mẫu 3 56,08x31,28 x11,94 56,08x31,28 x11,94 56,08x31,28 x11,94 Từ bảng 2.13 thấy kích thước mẫu quét đo không thay đổi do đó ta có thể kết luận vật liệu làm mẫu có quét gelcoat không bị trương nở. với mẫu không phủ gelcoat thì thời gian đo lần 1 thấy kích thước có tăng nhưng rất nhỏ, sau khi đo lần hia kích thước cũng còn tăng nhưng không đáng kể. II.4.2.8. Kiểm tra độ phân hủy của vật liệu compozite. Do không có dụng cụ máy móc để kiểm tra nên việc kiểm tra được thực hiện thông qua việc quan sát bằng mắt sau mỗi lần lấy ra quan sát thì thấy mẫu - 64 - không phủ gelcoat bị bạc phấn có một lớp nhựa rất mỏng bị phân hủy, mẫu có quét gelcoat không hề bị phân hủy (kích thước và khối lượng không đổi), màu sắc cũng không thay đổi, nên có thể nói compozite có phủ gelcoat không bị phân hủy trong nước biển. Do đó khi chế tạo cánh bơm nhất thiết phải có lớp gelcoat bảo vệ diện tích bề mặt. II.4.3. Kết quả lựa chọn kết cấu vật liệu. II.4.3.1. Phân tích kết quả thực nghiện. Kết quả kiểm tra ứng suất kéo , uốn được tổng hợp lại dưới bảng 3.7, bảng 3.8. Từ từ kết quả kiểm tra ứng suất ta có các đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của ứng suất kéo, uốn vào tỉ lệ % mat và tỉ lệ % chất đông rắn ( xúc tác). Hình 2.27: Ứng suất kéo, uốn thay đổi theo tỉ lệ % mat ( xúc tác là 1,2%). - 65 - Hình 2.28: Ứng suất kéo, uốn thay đổi theo tỉ lệ % mat ( xúc tác là 1,8%). Hình 2.29: Ứng suất kéo, uốn thay đổi theo tỉ lệ % mat ( xúc tác là 2,4%). Chúng ta thấy ứng suất kéo trong 3 trường hợp đều tăng khi tỉ lệ thành phần % Mat tăng. Ứng suất uốn cũng tăng khi tăng tỉ lệ % Mat trong khoảng 20 % đến 40 %, ứng suất uốn giản dần khi tỉ lệ % Mat lớn hơn 40 %. - 66 - Hình 2.30: Ứng suất kéo compozite khi thay đổi % Mat và % xúc tác trên cùng biểu đồ. Tỉ lệ % chất xúc tác trong phạm vi cho phép ảnh hưởng rất ít tới giá trị ứng suất kéo, ứng suất kéo hầu như chỉ phụ thuộc vào tỉ lệ % mat (nhựa). Hình 2.31: Ứng suất uốn của compozite khi % mat, % xúc tác thay đổi trên cùng một biểu đồ. - 67 - Từ đồ thị ta thấy khi thay đổi tỉ lệ % xúc tác không làm thay đổi đáng kể đến ứng suất uốn của compozite mà chỉ làm thay đổi thời gian đông rắn của của nhựa, khi tỉ lệ chất xúc tác (đông rắn ) lớn hơn 2,4% (so với % nhựa) thì làm giản khả năng chịu uốn của vật liệu compozite và thời gian đông rắn quá nhanh làm đông rắn trước khi tạo thành sản phẩm. Ứng suất uốn đạt giá trị lớn nhất là 144,83(Mpa) khi tỉ lệ % mat 40%(nhựa 60%) và chất đông rắn là 1,8%. Hình 2.32: Thời gian rỡ khuôm phụ thuộc tỉ lệ % mat, % chất đông rắn. Khi tăng tỉ lệ chất xúc tác thì thời gian đông rắn giản nên dẫn đến thời gian rỡ khuôm cũng được rút ngắn chẳng hạn trong trường hợp với 30% mat nếu dùng 1,2% chất xúc tác thì thời gian rỡ khuôm là 46 phút , nếu dùng 1,8% chất xúc tác thì thời gian rỡ khuôm là 27 phút , nếu dùng 2,4% chất xúc tác thì thời gian rỡ khuôm là 18 phút. Khi dùng cùng một tỉ lệ % xúc tác thì khi tăng tỉ lệ % mat thì thời gian rỡ khuôm hầu như không thay đổi như trường hợp với 1,2% xúc tác nếu dùng 20% mat thời gian rỡ khuôm là 45 phút, nếu dùng 30% mat thì thời gian rỡ khuôm là 46 phút, nếu dùng 40% mat thì thời gian rỡ khuôm là 48 phút, nếu dùng 50% mat thì thời gian rỡ khuôm là 47 phút. - 68 - Nếu tỉ lệ xúc tác quá ít thì thời gian đông rắn có thể kéo dài tới vài giờ có khi vài cả ngày, nếu dùng quá nhiều chất xúc tác thì thời gian đông rắn nhanh chúng ta sẽ không thao tác kịp đông rắn trước khi tạo thành sản phẩm. Hình 2.33: Biểu đồ chung của ứng suất kéo, thời gian rỡ khuôm phụ thuộc vào tỉ lê % chất xúc tác, % mat. Từ đồ thị chúng ta thấy ứng suất đạt lớn nhất là 58,87 Mpa, khi chất xúc tác là 1,8% và thời gian rỡ khuôm sau 26 phút. - 69 - Hình 2.34: Biểu đồ chung của ứng suất kéo, thời gian rỡ khuôm phụ thuộc vào tỉ lê % chất xúc tác, % mat. Từ biểu đồ trên chúng ta thấy ứng suất uốn có giá trị lớn nhất 144,83(Mpa) khi tỉ lệ % mat là 40% khi tỉ lệ chất đông rắn là 1,8% nên ta có thời gian rỡ khuôm là 26 phút. ► Giá thành cho 1kg vật liệu compozite. Giá thành vật liệu thành phần: -1kg mat của Hàn quốc giá 30.000 đồng -1kg nhựa polyeste chưa no (nhựa 9509) của Malaysia giá 40.000 đồng. -1kg chất xúc tác giá 40.000 đồng. Bảng 2.14: Giá thành vật liệu tính cho 1kg ( mat + nhựa), chất xúc tác theo % nhựa. %vật liệu 1,2% xúc tác 1,8% xúc tác 2,4% xúc tác 20% mat 38.340 (đồng) 38.570 (đồng) 38.768 (đồng) 30% mat 37.336 (đồng) 37.504 (đồng) 37.672 (đồng) 40% mat 36.288 (đồng) 36.432 (đồng) 36.576 (đồng) 50%mat 35.240 (đồng) 35.336 (đồng) 35.480 (đồng) - 70 - Hình 2.35: Biểu đồ ứng suất kéo, giá thành theo %mat, xúc tác. Hình 2.36: Biểu đồ ứng suất uốn, giá thành theo %mat, xúc tác. Từ bảng 3.9 và biểu đồ chúng ta thấy giá vật liệu compozite khi thay đổi % mat (nhựa, xúc tác) thay đổi tương đối nhỏ khi thành phần mat càng tăng thì giá vật liệu compozite giản, cụ thể tăng lên 10% mat thì giá 1kg compozite giảm - 71 - đi hơn 1.000 đồng, tỉ lệ % chất xúc tác ảnh hưởng tới giá thành rất nhỏ có thể bỏ qua trong quá trình sản xuất với số lượng ít. II.4.3.2. Kết quả lựa chọn kết cấu vật liệu compozite chế tạo cánh bơm. ►Sau khi làm thực nghiệm và phân tích kết quả đạt được, chọn kết cấu vật liệu compozite như sau: - Tỉ lệ % mating sử dụng chế tạo cánh bơm là 40% thuộc khoảng ( 35- 45)%, mating là loại ( 250, 300, 450, 600 g/m2) của Hàn quốc. - Nhựa nền là polyester chưa no (9509) của Malaysia. - Thành phần xúc tác là 1,8% loại xúc tác Mekp. - Ứng suất kéo tùy thuộc vào % sợi mat trong compozite trọng lượng sợi 40 % có σk= 47,84Mpa, EK = 2506 (Mpa). - Ứng suất uốn tùy thuộc vào % sợi trong compozite trọng lượng sợi 40 % có σu=144,8 (Mpa), EU = 7850 (Mpa). ►Kết luận về kết quả lựa chọn kết cấu vật liệu compozite dùng chế tạo cánh bơm: - Vật liệu compozite dùng chế tạo cánh bơm là rất khả quan. - Đáp ứng đầy đủ các đòi hỏi về cơ tính cũng như môi trường làm việc của cánh bơm. - Compozite là vật liệu không thấm nước. - Không bị phân hủy, bào mòn trong nước biển. - Tỉ trọng ρ= 1,53g/cm3( theo tính toán lý thuyết) - Hệ số thấm nước (0,15-0,6) % [2] - Khả năng chịu hóa chất (nồng độ <20%) tốt, chịu được môi trường nước biển. - Không bị han gỉ. - Dễ dàng thực hiện quy trình công nghệ đúc. -Giá thành vật liệu, chế tạo hạ. So sánh với các vật liệu khác được dùng chế tạo cánh bơm thì compozite có tỉ trọng nhẹ hơn, khả năng chịu nước không bị han gỉ tốt hơn, độ kín nước là - 72 - tuyệt đối, chịu mài mòn cũng tốt, công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành vật liệu rẻ hơn rất nhiều do đó giá thành sản phẩm rẻ hơn. III.5 Tính toán cho cánh bơm chế tạo bằng vật liệu compozite. III.5.1. Tính toán độ bền cho cánh bơm chế tạo bằng vật liệu compozite. II.5.1.1. Lực tác dụng lên cánh bơm và phương pháp tính toán.  Vì đây là loại bơm cánh dẫn gần giống với chân vịt làm việc trong môi trường nước chảy rối chịu tác động của lực thủy động và lực khối lượng - lực ly tâm và trọng lượng - tác dụng lên rất phức tạp; các lực tác dụng lên cánh bao gồm lực đẩy dọc trục, lực tiếp tuyến tác dụng lên toàn bộ bề mặt và lực ly tâm tác dụng lên toàn bộ thể tích của cánh. Dưới tác dụng của các lực này trên cánh và trên phần củ của cánh xuất hiện các trạng thái ứng suất phức tạp bao gồm ứng suất uốn, kéo, nén, xoắn.  Lực tác dụng lên cánh bơm là lực phân bố rất phức tạp cho nên rất khó xác định được biên độ và quy luật phân bố của áp lực; lực tác dụng lên cánh bơm được xấp xỉ gần đúng sao cho áp dụng thuận tiện phương pháp phần tử hữu hạn; đồng thời có thể mô tả được tình trạng chịu lực của cánh bơm một cách phù hợp nhất có thể.  Mặc dù lực tác dụng lên cánh bơm rất phức tạp nhưng tại mỗi phần tử diện tích cánh được phân ra thành ba thành phần vuông góc với nhau: lực ly tâm, lực hướng trục, lực tiếp tuyến.  Để xác định được tình trạng chịu lực của cánh bơm sử dụng phương pháp phần tử hửu hạn với sự trợ giúp của máy tính để tính. Hiện nay, có rất nhiều phần mềm tính toán độ bền chi tiết cơ khí bằng phương pháp phần tử hửu hạn.  Phương pháp này cần xác định: Mô hình tính toán cánh bơm dưới dạng khối rắn đúng với các thông số hình học (phần mềm Cad/Cam) và xác định đúng lực tác dụng lên cánh cánh bơm: Coi lực hướng trục và lực tiếp tuyến tác dụng lên cánh bơm phân bố theo hệ tọa độ trụ. - 73 - Cánh bơm khi làm việc chịu tác động của hai loại lực chính là lực tiếp tuyến Pu và lực dọc trục Pz, các lực tác động lên cánh bơm là lực phân bố theo bán kính nên sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán với sự hỗ trợ của máy tính và phần mền Unigraphics, bằng cách rời rạc hoá gần đúng chia cánh ra thành 3 vùng có bán kính khác nhau : + Vùng thứ nhất có bán kính r từ 28 mm đến 38 mm. + Vùng thứ hai có bán kính r từ 38 mm đến 47 mm. + Vùng thứ ba có bán kính r từ 47 mm đến 56 mm. Các lực tác dụng lên mỗi vùng của cánh bơm là lực phân bố có giá trị là hằng số trên mỗi vùng. Các công thức được dùng để tính toán lực Pu, Pz như sau [13]: Hệ số tỷ tốc tính theo công thức : nS = 75 1000 . 4/3 . H Qn = 4/3 ..65,3 H Qn (15) Trong đó n (vòng/phút), Q (m3/s) Lượng xoáy vận tốc một cánh : Γ1  2 22 1 ... ...2 ....2 . ..2 DnK Z g Zn DnKg Z Hg H tltl H      (m2/s) (16) Trong đó H1- cột nước lý thuyết của bơm không kể tổn thất thuỷ lực Bước của lưới cánh t Z r.2  (với r là bán kính của tiết diện trụ) (17) Hình 2.37 :Áp suất phân bố Pz dọc theo trục cánh bơm trong hệ toạ độ trụ. Hình 2.38:Áp suất phân bố Putheo phương trong hệ toạ độ trụ. - 74 - Vận tốc theo của cánh khi cánh quay : u = r. (18) Hệ số cột áp KH = 22 .Dn H (n tính bằng vòng/s) (19) Hệ số lưu lượng KQ = 3.Dn Q (n tính bằng vòng/s) (20) Áp suất tác dụng lên cánh bơm theo phương u phân bố theo bán kính cánh r : PU = ρ.Γ1.vZ (N/m) (21) Áp suất tác dụng lên cánh bơm theo phương z phân bố theo bán kính cánh r : PZ = ρ.Γ1.W∞U (N/m) là hằng số (22) Trong đó : W∞U = r. -vu2/2= r. -Γ1.Z/4 r (23) Với vu2 tính bằng công thức vu2 = r Hg . .  (24) Như vậy PZ phụ thuộc vào bán kính r Vz = )1.( ..4 2d DnKQ  (25) Hoặc nếu biết lưu lượng Q thì VZ = )1(. 4 22 dD Q  (m3/s) (26) Với d là tỷ số bầu d = Dm/Db (27) Kết quả tính toán lực được ghi lại trong bảng 2.16 Bảng 2.15 : Bảng tính lực tác dụng lên cánh bơm [13 ,tr38]. Đại lượng Đơn vị Trị số Bán kính r mm 28 38 47 56 Lượng xoáy vận tốc Γ m2/s Hiệu suất thuỷ lực theo mẫu 0,90 0,88 0,87 0,86 Tốc độ quay n vòng/phút 2900 2900 2900 2900 Tốc độ quay n vòng/giây 48,3 48,3 48,3 48,3 Đường kính mút cánh D mm 113 113 113 113 Đường kính bầu cánh mm 56 56 56 56 Tỷ số bầu d 0,5 0,5 0,5 0,5 Hiệu suất toàn bộ của bơm 0, 55 0,55 0,55 0,55 - 75 - Đại lượng Đơn vị Trị số Mật độ chất lỏng ρ Kg.s2/m4 9,81 9,81 9,81 9,81 Số cánh Z 3 3 3 3 Lưu lượng Q m3/giờ 80 80 80 80 Lưu lượng Q m3/s 0,022 0,022 0,022 0,022 Cột áp H m 2 2 2 2 Omega ( ) (Rad/s) 303,69 303,69 303,69 303,69 Vận tốc VZ m/s 2,90 3,01 3,01 3,01 Vận tốc W∞U m/s 7,42 10,68 13,56 16,65 Lượng xoáy vận tốc 1 cánh Γ1 m2/s 0,15 0,15 0,15 0,15 Lực vòng Putác dụng lên từng diện tích hình vành khăn N 42.8 40.8 45.8 Lực hướng trục Pz tác dụng lên từng phần cánh vành khăn N 109.3 144.9 206.8 II.5.1.2. Tính toán độ bền cho cánh bơm.  Xác định điều kiện biên: Coi phần nắn dòng gần đúng như bản phẳng được ngàn vào phần củ cánh, thì ở vùng gốc cánh sát với củ có độ cứng cao nhất nên coi biến dạng tại vùng củ cánh bằng không, do vậy điều kiện biên ở đây là chuyển vị tại gốc cánh bằng không.  Áp dụng cho vật liệu compozite có các thông số cơ tính sau: Vật liệu: vật liệu compozite 40% mat + 60% nhựa (1,8% chất xúc tác) Khối lượng riêng: ρ = 1,53g/cm3 Mô đun đàn hồi kéo: EK = 2506 (Mpa). Độ bền kéo: σbk= 47,84 (Mpa). Môđun đàn hồi uốn: EU = 6613(Mpa). Độ bền uốn: σbu= 144,8 (Mpa). Hệ số poisson: µ = 0,304. ►Kết quả phân tích chuyển vị của vật liệu PA6: - 76 - Hình 2.39: Kết quả phân tích chuyển vị của cánh bơm theo phương pháp phần tử hữa hạn bằng phần mềm Unigraphics. Chuyển vị lớn nhất ở mép cánh là khá nhỏ ( 0,149 mm), biến dạng này là cho phép đối với cánh bơm. Chúng ta đã biết chuyển vị của vật liệu chỉ phụ thuộc vào môđun đàn hồi của vật liệu (lực tác dụng lên cánh bơm là không đổi đối với vật liệu bất kỳ.), chuyển vị này lại tỉ lệ nghịch với môđun đàn hồi, nên kết quả chuyển vị này hoàn toàn có thể áp dụng được cho vật liệu compozite [môđun của vật liệu compozite ((EK)C= 2506 (Mpa), (EU)C = 6613(Mpa) ) lớn hơn rất nhiều so với môđun đàn hồi của nhựa PA6 ( E = 595 Mpa ). Do đó chuyển vị của mép cánh bơm sử dụng vật liệu compozite cũng nhỏ hơn nhiều so với chuyển vị của cánh bơm bằng vật liệu PA6. ►Kết quả phân tích ứng suất theo thuyết bến 3 bằng phần mềm Unigraphics: - 77 - Hình 2.40: Kết quả phân tích ứng suất của cánh bơm theo phương pháp phần tử hữa hạn bằng phần mềm Unigraphics. Ứng suất lớn nhất ở gốc cánh σ = 0,897 (N/mm2) (Mpa). Ứng suất này nhỏ hơn rất nhiều so với ứng suất kéo và ứng suất uốn cho phép của vật liệu compozite dùng chế tạo cánh bơm. III.5.2. Xác định lượng vật liệu compozite chế tạo một cánh bơm theo phương pháp đúc. Theo phần mền Cad/cam tính thể tích cánh bơm là 150 cm3 . Ta có: Khối lượng riêng của compozite (40%sợi+ 60%nhựa) là: ρ = 1,53g/cm3 Khối lượng cánh bơm là: mc= 150 x 1,53= 230g Khối lượng sợi là: ms = 230 x 0,4(40%) = 92g Khối lượng nhựa là: mn = mc- ms= 138g Do khi đúc tạo bavia, hỗn hợp dính vào dụng cụ pha trộn nên ta tăng khối lượng tổng cộng lên để bù lượng thiếu hụt. Lấy khối lượng tổng là: 300g Khối lượng sợi cần là: ms = 300 x 0,4 =120g Khối lượng nhựa là: mn = 180 g nên Khối lượng xúc tác là mxt =180 x 0,018 = 3,24g Ta có Vxt=3,24 x 1,13 = 3,66cm3 - 78 - CHƯƠNG III QUY TRÌNH CHẾ TẠO CÁNH BƠM NƯỚC CHYÊN DỤNG TỪ VẬT LIỆU COMPOZITE III.1. Phương pháp đúc cánh bơm nước chuyên dụng từ vật liệu compozite. Phương pháp công nghệ chọn chế tạo cánh bơm là phương pháp đúc nguội ở nhiệt độ phòng có áp lực. Trong công nghệ compozite thì khuôm là thiết bị không thể thiếu, khuôm ở đây là yếu tố quan trọng nhất quyết định năng suất, chất lượng sản phẩm từ kiểu dáng bề mặt ngoài bóng, chính xác, còn tạo màu sắc đa dạng cho sản phẩm. Cánh bơm được chế tạo đơn chiếc bằng phương pháp đúc có áp lực ở điều kiện nhiệt độ phòng nên kết cấu khuôm đúc khá đơn giản, phương pháp đúc được thực hiện thủ công đầu tiên khuôm được làm sạch và đánh bóng sau đó phủ lớp gelcoat đến khi khô thì nhựa và xúc tác được trộn đều cùng với mat sợi thủy tinh cắt ngắn rồi điềm đầy vào lòng khuôm sau thời gian đóng rắn tháo khuôm chúng ta có sản phẩm là cánh bơm, cánh bơm này cần gia công cơ để có cánh bơm hoàn chỉnh. III.2.Lực chọn kết cấu khuôn đúc và đồ gá khuôm. Để chế tạo được cánh bơm theo kết cấu và vật liệu compozite ta phải thiết kế khuôm đúc và lõi (cốt khuôm). III.2.1. Lựa chọn mặt phân khuôm. Lựa chọn mặt phân khuôm để tách phôi làm ra các phần là tấm trên và tấm dưới hoặc có thêm phần giữa. - 79 - Hình 3.1: Mặt phân khuôm của khuôm chế tạo cánh bơm[13 tr49]. III.2.2. Kết cấu khuôm và đồ gá khuôm. Để quá trình lắp ráp 2 nửa khuôm được dễ dàng và chính xác cần bố trí phần dẫn hướng có thể là 2 chốt dẫn hướng, muốn tháo khuôm để lấy sản phẩm ra ta dùng 2 bu lông như (hình 3.2), 2 bu lông còn có tác dụng xiết chặt các tấm khuôm lại khi chế tạo cánh bơm để đảm bảo lực ép cho sản phẩm nhẫm bóng cả hai mặt và đạt được độ chính xác. Quá trình chế tạo khuôm được làm thủ công nên kết cấu khuôm khá đơn giản. Hình 3.2: Mô tả kết cấu khuôm và sản phẩm[13 tr50]. III.2.3. Chọn vật liệu chế tạo khuôm. Khuôm có thể được làm từ vật liệu tùy ý, miễn sao đảm bảo được độ cứng vững và đảm bảo được khi thi công sẽ tạo dáng sản phẩm với kích cỡ mong - 80 - muốn. Mặt khác chất liệu làm khuôm phải chịu được tác động hóa học của nhựa nền và không gây ảnh hưởng đến tốc độ đông rắn của chúng. Trên thực tế khuôm có thể được chế tạo từ gỗ, kim loại, chính vật liệu compozite: + Kim loại chỉ dùng làm khuôm khi đã được tráng thiếc hoặc nhôm, nếu làm bằng nhôm thì chịu được han gỉ, giễ gia công cắt gọt, giá thành vật liệu, giá thành gia công cao. + Khuôm đúc cánh bơm bằng chính vật liệu compozite, nhựa dùng làm khuôm là nhựa polyester đặc biệt có cơ tính cao hơn hẳn để đảm bảo độ chính xác của kích thước sản phẩn và độ bền của khuôm, bắt đầu việc làm khuôm từ việc làm cốt (khuôm đực), từ cốt khuôm tạo ra khuôm chủ cái hoàn chỉnh, từ khuôn chủ cái lại tạo ra khuôn chủ đực nên yều cầu cốt khuôm phải có độ chính xác càng cao càng tốt (độ bóng gương) cốt khuôm có hình dáng kích thước như sản phẩn. + Cánh bơm có kết cấu biên dạng phức tạp nên gỗ không được sử dụng làm khuôm vì độ chính xác gia công không cao. Cần lưu ý là khi khuôn bị ẩm thường sẽ làm chậm quá trình đông rắn. Vì vậy khi sử dụng khuôm cần bảo quản tốt tránh bụi, sự xâm nhập của yếu tố ảnh hưởng tới sản phẩm, khi đúc chi tiết cần phải cách ly trên mặt khuôn một lớp parafin, sáp, sơn lót, trát matít kể cả khi đã có lớp chống dính hoặc lớp bôi trơn trên mặt khuôn. III.2.4. Gia công khuôm đúc cánh bơm Khuôm đúc cánh bơm được gia công với số lượng phù hợp quá trình sản xúc đúc nếu khuôm làm bằng nhôm thì được gia công trên máy thô trên máy tiện máy phay gia công phần biên dạng được thực hiện trên máy phay CNC, nếu cần gia công số lựợng cánh bơm ít thì chỉ cần 1 khuôm là đủ, nếu gia công số lượng cánh bơm lớn thì gia công hàng loạt khuôn bằng nhôm nên giá thành gia công và vật liệu rất cao. Với khuôm làm bằng vật liệu compozite thì được làm thủ công, số cánh bơm ít thì cũng chỉ cần 1 khuôm là đủ, nếu số lượng cánh bơm lớn thì - 81 - cần gia công hàng loạt khuôm, khuôm bằng vật liệu compozite có giá thành vật liệu và gia công rẻ hơn. III.3.Quy trình công nghệ chế tạo cánh bơm nước chuyên dụng từ vật liệu compozite. Theo công nghệ chế tạo vật liệu compozite thì công nghệ đúc nguội có áp lực ở nhiệt độ phòng cho sản phẩm bóng, đẹp cả 2 mặt, vì vậy công nghệ này cũng được chọn chế tạo cánh bơm, do cánh bơm có kích thước nhỏ, biên dạng phần hướng dòng phức tạp, đảm bảo độ chính xác cao cả hai mặt, cũng như biên dạng, áp lực được tạo ra nhờ lực xiết bulông trên khuôm đúc (p=10-150 psi (KG/cm2)), hoặc lực ép của máy ( nếu khuôm gồm 2 tấm trên gắn trên máy tấm dưới được gá trên bàn máy), khuôm đúc được đánh bóng và phủ lớp chống dính (tác nhân tách khuôn wax), được phủ lớp gelcoat là nhựa đặc biệt làm lớp áo ngoài cùng cho sản phẩm bóng, đẹp, lớp này có cơ lý tính tốt nên chống bị xây xát, bảo vệ lớp bên trong, là lớp chống thấm nước, có độ co thích hợp nên làm dễ tách khuôn, lớp bên trong là hỗn hợp của nhựa+ sợi cắt ngắn+ xúc tác pha theo đúng tỉ lệ khuấy trộn đều. Yêu cầu nhiệt độ phòng khi gia công vật liệu compozite không giới 180C, do nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến khả năng đông và đóng rắn của nhựa, ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm. Thứ tự thực hiện quy trình công nghệ: - 82 - Hình 3.3: Sơ đồ quy trình chế tạo cánh bơm bằng vật liệu compozite. Trình tự các bước cụ thể: III.3.1. Bước 1: Chuẩn bị thiết bị,vật liệu, khuôm Đây là bước khởi đầu quan trọng quyết định cả qúa trình, thời gian chế tạo cũng như chất lượng sản phẩm.  Yêu cầu đối với vật liệu: + Sợi chọn loại Mat sợi cắt ngắn (250, 300, 450, 600 g/m2) của Hàn Quốc đây là loại mat cắt ngắn CSM gồm các sợi cắt ngắn tẩm plastic, không xoắn, phân bố ngẫu nhiên, ép lại và cuộn thành cuộn dài để đảm bảo chịu lực theo mọi hướng trong không gian, giá thành rẻ, sợi được cắt ngắn theo chiều dài khoảng 5mm do sản xuất đơn chiếc nên sợi được cắt thủ công bằng kéo nếu áp dụng sản xuất với số lượng lớn thì ta sử dụng máy cắt (giảm bớt sức lao động, hạn chế độc hại khi cắt sợi). + Nhựa nền là loại nhựa polyester chưa no (nhựa 9509 của Malaisia), là loại nhựa đa dụng được dùng phổ biến nhất, chịu thời tiết, hóa chất nhẹ (nồng độ <20%), chịu ma sát. Đặc tính của nhựa polyester chưa no[2], tỉ trọng 1,2g/cm3, độ co ngót (0,004-0,008)%, hệ số thấm nước (0,15-0,6)% nhỏ hơn nhiều so với nhựa PA6 (3%). + Nhựa dùng làm áo ngoài cho sản phẩm là loại nhựa đặc biệt (gelcoat ISO có màu trắng ) có pha màu, chất độn, loại gelcoat này bảo vệ nhựa và sợi bên - 83 - trong, có đặc tính cơ lý cao hơn nhựa nền chịu mài mòn tốt, có tính phủ kín chống thấm nước, chịu hóa chất tốt hơn, độ co thích hợp cho việc tách khuôm. +Xúc tác là xúc tác MEKP dạng dung dịch hoạt tính 9%. +Chất chống dính là Parafin ( Wax 8) có thể dạng lỏng hoặc rắn.  Yêu cầu với thiết bị + Phải có đủ trang thiết bị phục vụ quá trình gia công: kéo dùng cắt Mát sợi cắt ngắn, ca, chậu để trộn nhựa, chổi quét (quét gelcoat, nhựa, chống dính) + Vật liệu phải được chuẩn bị đầy đủ: Sợi được cắt ngắn theo kích thước yêu cầu khoảng 5mm, Mat sợi phải hoàn toàn sạch không dính tạp chất bụi, bẩn…  Yều cầu đối với khuôn: + Khuôm sử dụng lần đầu thì yêu cầu phải hoàn toàn sạch, không có tạp chất nào trên khuôn, khuôm phải được làm nhẵm bề mặt chính xác bằng giấy nhám, đây là công việc cần tỉ mỉ, thận trọng vì dễ gây hụt kích thước yêu cầu, sau khi trà nhám thì chỉ làm nhẵn bề mặt nhưng chưa bóng, ta phải đánh bóng bề mặt bằng compound (dạng lỏng hoặc kem), compound phải chọn đúng loại cho khuôm bằng kim loại, compozite, công việc này được thực hiện bằng cách đùng giẻ mền lau sạch bề mặt khuôm, sau đó thấm compound xoa nhẹ lên bề mặt khuôm, sau đánh bóng thì lại lau sạch bằng giẻ mền, dùng axeton lau sạch lại bề mặt khuôn để kiểm tra độ bóng và đẩy hết compound và wax dư thừa, sau đó lau sạch axeton để khỏi ảnh hưởng đến lớp gelcoat bảo vệ. + Yêu cầu đối với khuôm đã qua sử dụng: Khi sử dụng lại thì phải lau chùi sạch không còn bụi bặm, tạp chất, không còn wax, gelcoat, nhựa dư thừa do nguyên công trước để lại, nếu bề mặt khuôm bị xây xát nhẹ thì phải trà nhám rồi đánh bóng bằng compound, nếu khuôm bị hư hỏng không thể phục hồi thì phải bỏ. Tóm lại việc chuẩn bị khuôm đòi hỏi phải cẩn thận, tỉ mỉ yêu cầu khuôm phải luôn luôn sạch, bóng như gương để đảm bảo cho chi tiết tạo ra chính xác cao, không bị khuyết tật. Sau khi khuôm sạch chúng ta tiến hành phủ lớp chống dính. - 84 - III.3.2. Bước 2: Lau (wax) sáp chống dính. Lau wax là công việc cũng cần sự cẩn thận và tỉ mỉ wax được lau nhiều lần trên khuôm mới, hoặc khuôm sửa chữa (6lần), với khuôm đã qua sử dụng thì khi tách khuôm thấy dính thì ta phải lau wax ngay để đảm bảo sản phẩm của lần sản xuất sau không còn dính khuôm, thường thì khuôm đã qua sử dụng cứ khoảng (5-6) sản phẩn phải lau wax lại. Vậy chất chống dính ở đây là gì? Wax (Parafin) chống dính là loại este được tổng hợp từ axít hữu cơ và rượu bậc cao, cung cấp trên thị trường dưới dạng lỏng, sệt hoặc rắn tùy theo công nghệ mà ta sử dụng loại nào. Tác dụng của wax chống dính là:  Là tác nhân tách khuôm, nó không cho gelcoat bám lên bề mặt tự nhiên của khuôm, nhờ đó dễ tách khuôm để lấy sản phẩm ra khỏi khuôm dễ dàng.  Đảm bảo độ bóng láng cho sản phẩm, tăng độ bóng cho bề mặt khuôm. Quy trình đánh wax:  Dùng giẻ mền, sạch bôi wax (dạng lỏng) và xoa đều lên bề mặt khuôm, tránh sử dụng quá nhiều wax.  Đánh bóng kỹ bằng giẻ mền mới, bằng tay, trong một thời gian cho đến khi đạt độ bóng.  Phải thực hiện nhiều lớp khuôm mới (6lần), khuôm qua sử dụng thì chỉ cần 1 lần.  Sau khi đánh bóng bằng wax dùng giẻ mền, sạch lau kỹ để loại trừ wax dư thừa và bụi bặm. Sau khi đã phủ lớp chống dính ta tiến hành quét (phun gelcoat). III.3.3. Bước 3: Quét lớp gelcoat bề mặt. Tác dụng của việc quét (phun) gelcoat:  Gelcoat là lớp áo ngoài của sản phẩm bảo vệ lớp nhựa và sợi bên trong.  Chống mòn tốt (cơ tính cao hơn), chống thấm nước (tính phủ kín cao), chịu hóa chất, tăng bền cho sản phẩm. - 85 -  Làm cho sản phẩm bóng đẹp, đảm bảo độ chính xác.  Có độ co ngót thích hợp, dễ dàng cho việc tách khuôm. Gelcoat là một loại nhựa (keo) đặc biệt với những tác nhân thixotropic để tăng độ nhớt, tính chống uốn, chảy, có pha màu, chất độn để đảm bảo tính lưu chuyển, phủ kín, thời gian đông, đóng rắn. Gelcoat có đặc tính cơ lý cao hơn nhựa, cung ứng trên thị trường dưới dạng lỏng, gelcoat cũng có nhiều loại, loại dùng cho quét tay thì chế tạo sao cho khi quét bằng chổi mền thì tránh được vết chổi, bọt khí, loại dùng cho phun thì đảm bảo phân tán phân tử tốt, phủ đều trên mặt khuôm, mỗi loại có độ nhớt khác nhau. Yêu cầu đối với gelcoat:  Đàn hồi tốt, dễ ổn định, độ nhớt đảm bảo phù hợp từng loại công nghệ.  Không cong lõm, không chảy, kể cả khi quét ở mặt đứng nhờ đặc tính thixotropic.  Khi sử dụng đúng kỹ thuật không sinh bọt khí.  Chịu nước, hóa chất tốt, tránh rạn nứt, giột bề mặt, chịu mài mòn cao.  Thời gian đông, đóng rắn phải chuẩn xác, đảm bảo quy trình sản xuất liên tục đúng dự định, thời gian đông, đóng rắn chính xác còn giản được khuyết tật. Kỹ thuật quét (phun) gelcoat: loại gelcoat được chọn là loại ISO (chịu hóa chất, chống thấm tốt), được pha với xúc tác (xúc tác dùng cho gelcoat cũng là xúc tác MEKP như: Andonox LCR_S; Interox LA3; Butanox LA; M50; Peroximon K12; Luperox DHD.) theo đúng tỉ lệ (1-2,5)% thích hợp nhất là 1,8% được khuấy trộn đều và quét (phun) đều lên bề mặt khuôm khi đạt độ dày thích hợp (0,40- 0,65)mm, nếu lớp gelcoat mỏng quá thì sẽ gây hiện tượng không đóng rắn hoàn toàn, nếu dày quá thì lại kém dẻo (tăng giòn), độ dày lý tưởng (tiêu chuẩn) là (0,40-0,50)mm để đạt được cũng rất khó đòi hỏi tay nghề công nhân phải cao, khi đạt độ dày thích hợp thì có tính phủ kín hoàn toàn. Khi quét gelcoat thì lớp tiếp xúc với khuôm đóng rắn nhanh do không tiếp xúc với không khí, lớp ngoài tiếp xúc với không khí đóng rắn chậm, khi mặt ngoài khô không dính tay (ăn da tay) thì tiến hành lắp khuôm và điền đầy hỗn hợp nhựa + sợi+ xúc tác đã pha trộn đều. - 86 - Bảng 4.1: Đặc tính chủ yếu của gelcoat [2,tr66]. Đặc tính Chỉ số yêu cầu Độ nhớt Tỉ trọng Chỉ số thixotropic Độ võng uốn ở chiều dày chuẩn (0,4-0,5) mm Tính phủ kín bề mặt ở chiều dày chuẩn Khả năng áp dụng cho phun Năng suất phủ bề mặt chiều dày chuẩn 9.000-22.000 1,1-1,36g/cm3 5-7 Đáp ứng yêu cầu Luôn kín hoàn toàn bề mặt Rất tốt 1 lít/1,5m2 III.3. 4. Bước 4: Pha trộn nhựa, xúc tác, sợi cắt ngắn. Pha trộn nhựa được thực hiện ngay sau lớp gelcoat bảo vệ quét trên khuôm đã khô, nhựa, xúc tác, Mat sợi cắt ngắn được cắt ngắn cân theo tỉ lệ thành phần % đã chọn và đúng đủ khối lượng cho 1 cánh bơm. Trước tiên trộn xúc tác với nhựa trong thời gian ( t1=1 phút) đến khi nhựa và xúc tác thật đều thì ta đổ sợi cắt ngắn đã cân theo tỉ lệ % trọng lượng vào trộn trong thời gian (t2= 1 đến 3 phút) cho đến khi thật đều rồi tiến hành điền hỗn hợp vào khuôm (nếu khuôm đã được ghép lại bằng bu lông rồi xiết lại bu lông cho chặt) rồi ghép khuôm xiết chặt bu lông với khuôm không có hệ thống bu lông thì phải ép bằng máy hoặc thiết bị ép, để đảm bảo sản phẩm có độ chính xác kích thước khi tách khuôm. Yêu cầu của kỹ thuật trộn nhựa:  Tỉ lệ % các thành phần phải theo đúng yêu cầu đã chọn.  Khuấy trộn nhựa phải đúng kỹ thuật.  Thời gian trộn (t1+ t2) phải nhỏ hơn thời gian đông rắn của nhựa. Việc pha trộn nhựa là đòi hỏi phải cẩn thận chính xác đúng thành phần theo đúng tỉ lệ, cách khuấy trộn, yêu cầu thời gian trộn (t1+ t2) phải nhỏ hơn thời gian đông của nhựa, pha trộn nhựa đúng yêu cầu kỹ thuật thì đảm bảo chất lượng sản phẩm, thời gian sản xuất. Công việc trộn nhựa có thể thực hiện thủ công (sản xuất với số lượng nhỏ, đơn chiếc) nếu sản xuất với số lượng lớn thì thực hiện bằng máy. - 87 - Khi khuôm đã được điềm đầy và ép thì phải cố định khuôm cho đến khi rỡ khuôm tránh xê dịch, va chạm để hỗn hợp trong khuôm đông đặc và đóng rắn. III.3.5. Bước 5: Tách khuôm. Sau khi đúc điền đầy khuôm thì hỗn hợp sẽ đông và đóng rắn hoàn toàn thì ta tiến hành tách khuôm thời gian có thể để tách khuôm ( 27 phút ), việc tách khuôm cũng phải hết sức cẩn thận và nhẹ nhàng để đảm bảo khuôm, sản phẩm không bị xây xát, hư. Khuôm thì được bảo dưỡng để phục vụ quy trình sản xuất được liên tục. III.3. 6. Bước 6: Gia công cơ. Khi lấy sản phẩm ra thì phải cạo, cắt bavia, làm bóng bề mặt, có thể sơn phủ thêm lên bề mặt sản phẩm lớp bảo vệ ta sẽ được sản phẩm hoàn chỉnh. Hình : Sản phẩm cánh bơm hoàn chỉnh. III.4.. Thử nghiệm và hoàn chỉnh. Cánh bơm bằng vật liệu compozit đã được đúc thành công và lắp chạy thử tại xưởng cơ khí Trường Đại Học Nha Trang cho kết quả tốt. III.5. Hạch toán giá thành.  Giá thành sản phẩm tính theo công thức sau: C=V+H+K+P Trong đó: V là tiền mua vật liệu. H là tiền chi phí quản lý, tính theo phần % của K và P P là tiền lương cho công nhân, tính theo thời gian 100 đ/phút. K là tiền khấu hao máy và tài sản cố định, tính dựa theo giá thành ban đầu của máy, phần trăm khấu hao và số chi tiết chế tạo trong một năm.  Vật liệu thành phần: + Mat 0,12 kg x 30.000= 3.600 đồng + Nhựa nền 0,18 kg x 40.000= 7.200 đồng + Gelcoat 0,04 kg x 50.000= 2000 đồng + Wax(sáp) 0,03 kg x 30.000= 900 đồng - 88 - + Xúc tác 0,004 kg x 50.000= 200 đồng Tổng tiền vật liệu: V= 13.900 đồng  Lương của công nhân: + Thời gian cắt mat t1= 15 phút + Thời gian làm sạch khuôm t2= 10 phút + Thời gian pha trộn, quet gelcoat t3= 10 phút + Thời gian pha trộn nhựa nền+ mat+ xúc tác+ điền đầy khuôm t4= 10 phút + Thời gian đông đặc+ rỡ khuôm + thời gian đóng rắn hoàn toàn t5= 50 phút + Thời gian gia công cơ t6= 25 phút Tổng thời gian T=120 phút Tiền lương cho công nhân là: P= 120 phút x 100 = 12.000 đồng  Khấu hao tài sản cố định: + Khấu hao cho khuôm là 5.000 đồng + Khấu hao cho kéo, ca, xi lanh, chổi cọ là 1.000 đồng Tiền khấu hao là: K= 6.000 đồng  Tiền chi phí quản lý là: H= 5.000 đồng Giá thành sản phẩm cánh bơm là: C= V+ H+ P+ K C= 13.900 + 5.000+ 12.000+ 6.000= 36.900 đồng. - 89 - CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Sau khi làm và hoàn thành thời gian thực tập em có một số kết luận và ý kiến đề suất sau. IV.1. KẾT LUẬN: Bơm đảo nước trục ngang là loại bơm mới có hai công dụng ngoài tác dụng đảo nước sục khí còn có tác dụng cấp thoát nước như bơm li tâm, giá thành lại tương đối hạ mà hoạt động ổn định, hiệu quả cao cần được quảng bá và sản suất với lượng lớn phục vụ người nuôi trồng thủy sản. Trong quá trình nghiên cứu và thực tập đề tài: ” Xác định cấu tạo lớp và Mat - nhựa hợp lý chế tạo cánh bơm chuyên dụng cho nuôi trồng thủy sản bằng vật liệu compozite.” Em có một số kết luận: 1. Đã tìm ra tỉ lệ % thành phần vật liệu thành phần để chế tạo cánh bơm chuyên dụng bằng vật liệu compozite. 2. Đã chế tạo thành công cánh bơm bằng vật liệu compozite bằng phương pháp đúc có áp lực ở nhiệt độ phòng. 3. Cánh bơm đủ bền về cơ tính làm việc tốt trong nước biển. 4. Giá thành vật liệu và giá thành chế tạo cánh bơm thấp. 5. Việc chế tạo cánh bơm hoàn toàn thủ công nên việc kích thước sợi cắt không đều, việc trộn nhựa cũng chưa được hoàn toàn đều nên chất lượng cánh bơm chưa được tốt. IV.2. ĐỀ XUẤT Ý KIẾN Với những ưu điểm của bơm đảo nước-sục khí thì em đưa ra một số ý kiếm đề xuất sau: 1. Cần có cơ sở để chế tạo bơm đảo nước - sục khí với số lượng lớn để phục vụ cho người nuôi tôm với giá thành hạ. - 90 - 2. Các chi tiết trong bơm cần sản xuất hàng loạt để giản giá thành chế tạo. 3. Cần hướng dẫn cho người nuôi trồng thủy sản cách vận hành, thời gian vận hành, cách bố trí máy, sửa chữa khi có sự cố, bảo dưỡng định kỳ cho máy, thiết bị. 4. Với công nghệ chế tạo cánh bơm thì phải có đề tài nghiên cứu chế tạo máy cắt sợi và máy trộn nhựa ( đảm bảo việc hoà trộn hỗn hợp đồng đều ), hệ thống đùn-ép phun để đưa hỗn hợp đúc vào khuôm hạn chế độc hại khi cắt mat. 5. Nếu cánh bơm được sản xuất hàng loạt thì cần có đề tài nghiên cứu cho ra sản phẩm khuôm đúc bằng vật liệu compozite và tính toán lực ép khi đúc. Thay cho khuôm bằng kim loại để giản giá thành vật liệu, chế tạo khuôm, vật liệu kim loại chế tạo hàng loạt khuôm thì giá thành khá cao vì qua công nghệ gia công trên máy CNC. - 91 - TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trần Ích Thịnh Vật liệu compozit Cơ học và tính toán kết cấu NXB Giáo Dục, năm1994 [2].Nguyễn Đăng Cường Compozit Sợi thủy tinh và Ứng dụng NXB Khoa học và kỹ thuật, năm 2006 [3]. GS.TSKH Nguyễn Minh Tuyển Bơm, Máy nén, Quạt Trong công nghệ NXB Xây Dựng, năm 2005 [4]. Nguyễn Văn May Bơm, Quạt, Máy nén NXB Khoa học và kỹ thuật, năm 2003 [5]. Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức Vật liệu compozite Cơ học và Công nghệ NXB Khoa học và kỹ thuật năm 2001 [6]. Nguyên Hùng Vật liệu học cơ sở NXB Khoa học và kỹ thuật năm 2002 [7]. PGS.PTS Hoàng Trọng Bá. Sử dụng vật liệu phi kimloại trong ngành cơ khí NXB Khoa học và kỹ thuật năm 1998 [8]. Viện cơ điện Nông nghiệp và công nghệ sau thu hoạch Trung tâm nghiên cứu máy thủy khí và cơ giới hóa tới tiêu. Báo cáo chuyên đề đề tài KC-07-27: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế kỹ thuật các loại máy bơm chuyên dụng phục vụ cho mô hình nuôi tôm thương phẩm thâm canh quy mô trang trại. Hà Nội 12/2004. - 92 - [9]. Vũ Thế Trụ Kỹ sư canh nông Việt Nam Kỹ sư Ngư Nghiệp Hoa kỳ Cải tiến kỹ thuật nuôi tôm tại Việt Nam NXB Nông Nghiệp năm 2003 [10]. Luận văn tốt nghiệp “Tính toán thiết kế chi tiết trong bơm hướng trục theo hướng sử dụng vật liệu phi kim loại.” Sinh viên thực hiện: Võ Trần Thanh Chương – lớp 43CT. [11]. “Thiết kế và lập quy trình chế tạo ống nối hướng dòng trong bơm nước chuyên dùng phục vụ nuôi trồng thủy sản bằng vật liệu compozit.” Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tiến Khiêm – Lớp 43CT. [12]. Luận văn tốt nghiệp ”Tính toán_thiết kế bộ phận tản nhiệt cho động cơ chìm phục vụ nuôi trồng thuỷ sản công nghiệp”. Sinh viên thực hiện: Hoàng Văn Hiệp- Lớp 43CT. [13]. Báo cáo tổng kết đề tài-Mã số B2005-33-47 “Thiết kế - chế tạo bơm đảo nước chuyên dùng trong nuôi trồng thủy sản bằng vật liệu phi kim loại”. Th.S – Đặng Xuân Phương năm 2007 [14]. Nguyễn Cảnh Quy hoạch thực nghiệm Trường Đại Học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh năm 1993 [15]. A.A Lômakin Bơm ly tâm và bơm hướng trục NXB Khoa học và Kỹ thuật 1971 PHẦN PHỤ LỤC. I. Kết quả kiểm tra cơ tính mẫu kéo (phụ lục 1 → phụ lục 12). II. Kết quả kiểm tra cơ tính mẫu uốn (phụ lục 13 →phụ lục 24). Phụ lục 1 Phụ lục 2 Phụ lục 3 Phụ lục 4 Phụ lục 5 phụ lục 6 Phụ lục 7 Phụ lục 8 Phụ lục 9 Phụ lục 10 Phụ lục 11 Phụ lục 12 Phụ lục 13 Phu luc 14 Phụ lục15 Phụ lục 16 Phụ lục 17 Phụ lục 18 Phụ lục 19 Phụ lục 20 Phụ lục 21 Phụ lục 22 Phụ lục 23 Phụ lục 24