Công nghệ chế tạo các vật liệu từ Composite

[Chống thấm composite]Nhiều phương pháp đã được áp dụng trong chế tạo các sản phẩm bằng vật liệu composite. Bài báo này giới thiệu các phương pháp phổ biến nhất trong lĩnh vực chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite như phương pháp chế tạo thủ công, phương pháp thấm nhựa trước, đùn ép, đúc chuyển nhựa, đúc chân không, v.v. Ưu nhược điểm và khả năng ứng dụng của mỗi phương pháp được đánh giá, phân tích. Bài báo cũng nêu lên hướng lựa chọn công nghệ có thể áp dụng trong ngành công nghiệp đóng tàu Việt Nam.

Nhiều phương pháp đã được áp dụng trong chế tạo các sản phẩm bằng vật liệu composite. Bài báo này giới thiệu các phương pháp phổ biến nhất trong lĩnh vực chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite như phương pháp chế tạo thủ công, phương pháp thấm nhựa trước, đùn ép, đúc chuyển nhựa, đúc chân không, v.v. Ưu nhược điểm và khả năng ứng dụng của mỗi phương pháp được đánh giá, phân tích. Bài báo cũng nêu lên hướng lựa chọn công nghệ có thể áp dụng trong ngành công nghiệp đóng tàu Việt Nam.

Giới thiệu chung
Do các đặc tính vượt trội so với các loại vật liệu truyền thống khác, vật liệu composite được sử dụng trong nhiều lĩnh vực và đáp ứng tốt các yêu cầu khắt khe về chất lượng cũng như tính thẩm mỹ. Trong ngành vận tải, vật liệu composite được sử dụng chế tạo toa xe, các chi tiết, các kết cấu chịu lực trên ô tô và các phương tiện vận tải. Vật liệu composite cũng được sử dụng rộng rãi trong quân sự, công nghệ vũ trụ, ngành năng lượng. Các ngành công nghệ hàng hải, đóng tàu cũng cho thấy ứng dụng ngày càng rộng rãi và tiềm năng lớn của vật liệu composite. Do đó, cần có những công trình nghiên cứu nhằm ứng dụng và phát triển loại vật liệu này trong lĩnh vực hàng hải, đóng tàu. Điều này là cần thiết với xu hướng phát triển và yêu cầu công nghệ ngày càng cao của thị trường đóng tàu quốc tế.

Công nghệ chế tạo composite

​

Hiện nay có nhiều phương pháp chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite. Các công nghệ chế tạo được lựa chọn tùy theo yêu cầu của sản phẩm và yêu cầu của sản xuất. Các công nghệ được sử dụng trong chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite bao gồm:

Phương pháp chế tạo thủ công
Một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite là phương pháp chế tạo thủ công. Phương pháp thủ công sử dụng khuôn hở, có thể sử dụng khuôn dương hoặc khuôn âm. Quy trình chế tạo được thực hiện như sau:

- Quét phủ lớp hỗ trợ tháo khuôn lên bề mặt khuôn;

- Phủ lớp tạo bề mặt sản phẩm (gel-coat);

- Phủ nhựa polymer trên lớp tạo bề mặt;

- Rải lớp vật liệu gia cường trên nền nhựa polymer;

- Dùng con lăn để lăn ép vật liệu gia cường với nhựa;

- Phủ lớp tạo bề mặt trên lớp vật liệu gia cường cuối cùng.

Sau khi quá trình rải vật liệu gia cường và thấm nhựa đã hoàn thành, sản phẩm được để đông kết tại nhiệt độ môi trường. Tốc độ đông kết của sản phẩm phụ thuộc theo loại polymer, độ dày sản phẩm, nhiệt độ môi trường và độ dẫn nhiệt của vật liệu khuôn. Để tăng tốc độ đông kết và giảm thời gian tháo khuôn, các sản phẩm có kích thước nhỏ được đưa vào lò sấy; các sản phẩm có kích thước lớn hơn có thể được sấy bằng khí nóng. Phản ứng tỏa nhiệt trong quá trình đông kết có thể làm tăng nhiệt độ của sản phẩm. Tốc độ thay đổi nhiệt cũng là yếu tố quan trọng quyết định tới cơ tính và chất lượng sản phẩm. Do hệ số giãn nở của vật liệu gia cường và nhựa polymer khác nhau, sự thay đổi nhiệt độ lớn trong quá trình đông kết có thể làm biến dạng liên kết giữa hai loại vật liệu.

Vật liệu sử dụng trong phương pháp thủ công thường là polyester không no và sợi thủy tinh. Phương pháp chế tạo thủ công có ưu điểm sử dụng khuôn mẫu đơn giản vì quá trình chế tạo ở nhiệt độ và áp suất không cao. Tuy nhiên, do phương pháp này sử dụng khuôn hở nên chất lượng hai bề mặt sản phẩm không đồng đều. Phương pháp thủ công thường được áp dụng cho các loạt sản phẩm có số lượng nhỏ hoặc sản phẩm đơn chiếc.

Phương pháp phun hỗn hợp composite
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.

Phương pháp thấm nhựa trước

Trong phương pháp này, vật liệu gia cường được thấm nhựa polymer và được bảo quản trong môi trường nhiệt độ thấp. Quy trình chế tạo sản phẩm composite sử dụng vật liệu thấm nhựa trước được thực hiện như sau: vật liệu gia cường đã thấm nhựa polymer được lấy ra khỏi thùng bảo quản lạnh, để trao đổi nhiệt tự nhiên và đạt tới nhiệt độ môi trường trước khi tiến hành gia công. Trong quá trình trao đổi nhiệt tự nhiên, vật liệu gia cường thấm nhựa polymer được để trong bao bì bảo quản để tránh ngưng tụ hơi nước trên bề mặt. Vật liệu gia cường đã thấm nhựa polymer được cắt thành hình dạng theo thiết kế. Quá trình cắt có thể tiến hành thủ công hoặc tự động. Sau khi vật liệu được cắt theo thiết kế, tiến hành bóc lớp bảo vệ, đặt vật liệu lên khuôn theo từng lớp. Quá trình được lặp lại tới khi đạt được yêu cầu về độ dầy của sản phẩm.
Vật liệu thấm nhựa polymer trước được sử dụng trong những loạt sản phẩm có số lượng không lớn. Do độ dầy của vật liệu thấm nhựa polymer trước thường không lớn nên quá trình rải đặt các lớp yêu cầu độ chính xác cao. Thông thường quá trình này được thực hiện tự động hoặc với sự hỗ trợ của máy tính. Tương tự như phương pháp lăn tay thủ công, khuôn mẫu sử dụng trong phương pháp thấm nhựa trước khá đơn giản, tuy nhiên với các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao như các chi tiết trên máy bay, khuôn mẫu thường được chế tạo bằng kim loại hoặc vật liệu composite để có thể chịu được tải trọng lớn trong quá trình chế tạo.

Với các chi tiết yêu cầu tính năng kỹ thuật cao thường sử dụng nén ép để đạt được độ liên kết tốt giữa các lớp vật liệu. Chi phí chế tạo khuôn cho các chi tiết này thường khá cao. Túi chân không có thể được sử dụng trong quá trình nén các lớp vật liệu với nhau. Sau khi các lớp vật liệu được đặt trên khuôn, lớp phim hỗ trợ tháo khuôn được đặt trên vật liệu đã thấm nhựa. Lớp phim n ôn trong quá trình gia công. Tiếp theo người ta sử dụng lớp phim phủ bên ngoài lớp phim hỗ trợ tháo khuôn. Lớp phim này còn có tác dụng hấp thụ phần nhựa thừa bị nén ra khỏi sản phẩm trong quá trình chế tạo. Lớp vật liệu cuối cùng dưới túi chân không là phim thông hơi. Lớp phim thông hơi có tác dụng giúp thoát khí dư trong sản phẩm và khuôn ra ngoài để tránh các rỗ khí. Ngoài ra lớp phim này có tác dụng điều hòa áp suất trong khuôn và trên toàn bộ bề mặt sản phẩm. Lớp phim thông khí thường được chế tạo từ vải, sợi hoặc các vật liệu có tính năng tương tự. Lớp ngoài cùng là túi chân không được làm kín với khuôn bằng băng dính đặc biệt (sealant tape).

Trong phương pháp vật liệu thấm nhựa trước, sợi carbon và epoxy thường được sử dụng là vật liệu gia cường và vật liệu nền. Phương pháp này được ứng dụng chế tạo các sản phẩm trong ngành hàng không. Tuy nhiên phương pháp này đang dần được áp dụng trong chế tạo các dụng cụ thể thao và giải trí như cần câu cá, gậy chơi golf, ván trượt, v.v.

Đa số các loại nhựa polymer sử dụng trong phương pháp thấm nhựa trước đông kết tại nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bình thường trong phòng. Do đó, người ta thường tiến hành gia nhiệt trong quá trình hoàn thiện sản phẩm. Việc gia nhiệt cho quá trình đông kết vật liệu có thể được thực hiện bằng gia nhiệt môi trường hoặc gia nhiệt khuôn với các loại nhựa polymer có nhiệt độ đông kết thấp.

Phương pháp đùn ép


Hình 2: Các thiết bị và vật liệu trong công nghệ đúc chân không





Hình 3: Sơ đồ công nghệ đúc chân không


Trong phương pháp này nhựa polymer dưới dạng bột hoặc hỗn hợp nhựa polymer và vật liệu gia cường có chiều dài ngắn được cấp vào trống chứa hỗn hợp vật liệu của máy đùn ép. Trục vít được sử dụng để đẩy hỗn hợp vật liệu về phía trước của trống, nén hỗn hợp vật liệu đồng thời đẩy không khí chứa trong vật liệu ra ngoài. Trong quá trình hòa trộn ma sát làm tăng nhiệt độ của hỗn hợp, năng lượng nhiệt này làm vật liệu chuyển sang trạng thái lỏng trước khi được chuyển tới buồng phun ép. Do quá trình nén cắt trong trục vít, chiều dài của sợi gia cường giảm. Dưới lực ép của trục vít, vật liệu được đùn ép vào khuôn, hệ thống van một chiều được sử dụng để ngăn vật liệu bị nén ngược lại trống chứa. Khi vật liệu đã được nén vào trong khuôn, trục vít được giữ nguyên vị trí để duy trì áp suất trong khuôn. Khi vật liệu đã đông kết trong khuôn, trục vít được di chuyển theo chiều ngược lại để chuẩn bị cho chu trình đùn ép sản phẩm tiếp theo.

Ưu điểm của phương pháp này là khả năng tự động hóa cao, năng suất lớn, hiệu quả cao, phù hợp với loạt sản phẩm có số lượng lớn. Phương pháp này có thể sử dụng để chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp. Hạn chế lớn nhất của công nghệ này là cơ tính của sản phẩm không cao do tỷ lệ vật liệu gia cường thấp, độ dài của vật liệu gia cường ngắn, tính đẳng hướng của vật liệu không đều. Do các hạn chế nêu trên công nghệ đùn ép hỗn hợp composite thường được sử dụng chế tạo các sản phẩm có kích thước không lớn với yêu cầu về cơ tính không cao.

Phương pháp đúc chuyển nhựa
Phương pháp đúc chuyển nhựa sử dụng khuôn kín, 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 đông kết 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. Đường cấp nhựa thường được đặt tại vị trí thấp nhất trong khuôn. Nhựa polymer được điền vào khuôn theo hướng từ dưới lên để đảm bảo đẩy các bọt khí trong khuôn và vật liệu gia cường ra ngoài, tránh tạo các rỗ khí trong sản phẩm sau khi hoàn thiện.

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 gian ngắn nhất. Do đó, cần duy trì nhiệt độ của nhựa và khuôn trong giới hạn hợp lý. Mặt khác, nếu duy trì nhiệt độ nhựa và khuôn quá cao sẽ gây các phản ứng gây đông kết 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.

Phương pháp đúc chân không
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.

Ưu điểm của công nghệ này là chế tạo khuôn đơn giản, chi phí đầu tư không cao so với phương án đúc chuyển nhựa truyền thống, các thiết bị chính bao gồm bơm hút chân không, thiết bị chứa nhựa polymer và thiết bị hòa trộn nhựa polymer, các dụng cụ đo và hệ thống dẫn chân không. Nhược điểm của phương pháp này là chỉ kiểm soát được chất lượng một bề mặt của chi tiết gia công do sử dụng khuôn một mặt, khó kiểm soát độ đồng đều của chiều dầy chi tiết cũng như tỷ lệ vật liệu gia cường và nhựa polymer.

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.

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 được thực hiện như sau:

- 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.

Quá trình điền nhựa polymer vào khuân trong chế tạo vỏ ôtô


Kết luận
Các sản phẩm từ nhựa composite được chế tạo theo nhiều phương pháp khác nhau như chế tạo thủ công, phương pháp thấm nhựa trước, đùn ép, đúc chuyển nhựa, đúc chân không, v.v. Các phương pháp này có các ưu nhược điểm khác nhau. Với yêu cầu trong công nghệ đóng tàu hiện nay, phương pháp đúc chân không là sự lựa chọn phù hợp do đáp ứng tốt về năng suất, chất lượng trong chế tạo các sản phẩm đơn chiếc, loạt sản phẩm nhỏ, kích thước lớn. Công nghệ này ít có tác động xấu tới môi trường. Do đó, cần có đầu tư nghiên cứu để có thể ứng dụng vào ngành công nghiệp đóng tàu và công nghệ hàng hải Việt Nam hiện nay và trong tương lai.