Hiện nay, có nhiều quy trình sản xuất kết cấu vật liệu composite, có thể áp dụng để sản xuất và chế tạo các kết cấu khác nhau.Tuy nhiên, xét đến hiệu quả sản xuất công nghiệp và chi phí sản xuất của ngành hàng không, đặc biệt là máy bay dân dụng, việc cải tiến quy trình xử lý để giảm thời gian và chi phí là điều cấp thiết.Tạo mẫu nhanh là một phương pháp sản xuất mới dựa trên nguyên tắc tạo mẫu rời rạc và xếp chồng lên nhau, đây là một công nghệ tạo mẫu nhanh với chi phí thấp.Các công nghệ phổ biến bao gồm đúc nén, tạo hình chất lỏng và tạo hình vật liệu composite nhựa nhiệt dẻo.
1. Công nghệ tạo mẫu nhanh ép khuôn
Công nghệ tạo mẫu nhanh của đúc là một quá trình đặt các phôi đã được chuẩn bị sẵn vào khuôn đúc, và sau khi đóng khuôn, các phôi này được nén và đông đặc thông qua quá trình gia nhiệt và áp suất.Tốc độ đúc nhanh, kích thước sản phẩm chính xác và chất lượng đúc ổn định và đồng đều.Kết hợp với công nghệ tự động hóa, nó có thể đạt được sản xuất hàng loạt, tự động hóa và sản xuất chi phí thấp các thành phần kết cấu composite sợi carbon trong lĩnh vực hàng không dân dụng.
Các bước đúc:
① Lấy khuôn kim loại có độ bền cao phù hợp với kích thước của các bộ phận cần thiết để sản xuất, sau đó lắp khuôn vào máy ép và nung nóng.
② Tạo hình các vật liệu composite cần thiết thành hình dạng của khuôn.Tạo hình trước là một bước quan trọng giúp cải thiện hiệu suất của các bộ phận đã hoàn thiện.
③ Đưa các chi tiết đã được tạo hình sẵn vào khuôn đã được gia nhiệt.Sau đó nén khuôn ở áp suất rất cao, thường dao động từ 800psi đến 2000psi (tùy thuộc vào độ dày của bộ phận và loại vật liệu được sử dụng).
④ Sau khi giải phóng áp suất, lấy chi tiết ra khỏi khuôn và loại bỏ các gờ.
Ưu điểm của khuôn:
Vì nhiều lý do, đúc khuôn là một công nghệ phổ biến.Một phần lý do khiến nó được ưa chuộng là vì nó sử dụng vật liệu composite tiên tiến.So với các bộ phận kim loại, những vật liệu này thường bền hơn, nhẹ hơn và chống ăn mòn tốt hơn, dẫn đến vật thể có tính chất cơ học tốt hơn.
Một ưu điểm khác của khuôn là khả năng sản xuất các bộ phận rất phức tạp.Mặc dù công nghệ này không thể đạt được hoàn toàn tốc độ sản xuất khuôn ép nhựa nhưng nó cung cấp nhiều hình dạng hình học hơn so với vật liệu composite nhiều lớp thông thường.So với ép phun nhựa, nó cũng cho phép sợi dài hơn, làm cho vật liệu chắc chắn hơn.Vì vậy, đúc khuôn có thể được coi là trung gian giữa ép phun nhựa và sản xuất vật liệu composite nhiều lớp.
1.1 Quá trình hình thành SMC
SMC là tên viết tắt của vật liệu composite tạo thành kim loại tấm, nghĩa là vật liệu composite tạo thành kim loại tấm.Nguyên liệu thô chính bao gồm sợi đặc biệt SMC, nhựa không bão hòa, phụ gia có độ co thấp, chất độn và các chất phụ gia khác nhau.Đầu những năm 1960, nó xuất hiện lần đầu tiên ở châu Âu.Khoảng năm 1965, Mỹ và Nhật Bản lần lượt phát triển công nghệ này.Vào cuối những năm 1980, Trung Quốc đã giới thiệu các dây chuyền và quy trình sản xuất SMC tiên tiến từ nước ngoài.SMC có những ưu điểm như hiệu suất điện vượt trội, khả năng chống ăn mòn, trọng lượng nhẹ và thiết kế kỹ thuật đơn giản và linh hoạt.Tính chất cơ học của nó có thể so sánh với một số vật liệu kim loại nhất định, vì vậy nó được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như vận tải, xây dựng, điện tử và kỹ thuật điện.
1.2 Quá trình hình thành BMC
Năm 1961, hợp chất đúc tấm nhựa không bão hòa (SMC) do Bayer AG ở Đức phát triển đã được ra mắt.Vào những năm 1960, Hợp chất đúc khối (BMC) bắt đầu được quảng bá, còn được gọi là DMC (Hợp chất đúc bột) ở Châu Âu, không được làm dày trong giai đoạn đầu (những năm 1950);Theo định nghĩa của Mỹ thì BMC là BMC đặc.Sau khi tiếp nhận công nghệ châu Âu, Nhật Bản đã đạt được những thành tựu đáng kể trong việc ứng dụng và phát triển BMC, đến những năm 1980, công nghệ này đã rất trưởng thành.Cho đến nay, nền được sử dụng trong BMC là nhựa polyester chưa bão hòa.
BMC thuộc nhóm nhựa nhiệt rắn.Dựa trên đặc tính vật liệu, nhiệt độ thùng vật liệu của máy ép phun không được quá cao để tạo điều kiện thuận lợi cho dòng nguyên liệu.Vì vậy, trong quá trình ép phun của BMC, việc kiểm soát nhiệt độ của thùng nguyên liệu là rất quan trọng và phải có hệ thống điều khiển để đảm bảo nhiệt độ phù hợp, nhằm đạt được nhiệt độ tối ưu từ khâu cấp liệu đến khâu ép phun. vòi phun.
1.3 Đúc polycyclopentadiene (PDCPD)
Đúc Polycyclopentadiene (PDCPD) chủ yếu là một ma trận tinh khiết chứ không phải là nhựa gia cố.Nguyên lý quy trình đúc PDCPD, xuất hiện vào năm 1984, thuộc cùng loại với đúc polyurethane (PU) và được phát triển lần đầu tiên bởi Hoa Kỳ và Nhật Bản.
Telene, công ty con của công ty Zeon Corporation của Nhật Bản (có trụ sở tại Bondues, Pháp), đã đạt được thành công lớn trong việc nghiên cứu phát triển PDCPD cũng như các hoạt động thương mại của nó.
Bản thân quy trình đúc khuôn của RIM dễ tự động hóa hơn và có chi phí nhân công thấp hơn so với các quy trình như phun FRP, RTM hoặc SMC.Chi phí khuôn mà PDCPD RIM sử dụng thấp hơn nhiều so với SMC.Ví dụ, khuôn mui xe động cơ của Kenworth W900L sử dụng vỏ niken và lõi nhôm đúc, bằng nhựa có mật độ thấp với trọng lượng riêng chỉ 1,03, không chỉ giúp giảm chi phí mà còn giảm trọng lượng.
1.4 Tạo hình trực tiếp trực tiếp vật liệu composite nhựa nhiệt dẻo gia cường sợi (LFT-D)
Khoảng năm 1990, LFT (Long Fiber Reinforced Thermoplastics Direct) được giới thiệu ra thị trường ở Châu Âu và Châu Mỹ.Công ty CPI ở Hoa Kỳ là công ty đầu tiên trên thế giới phát triển thiết bị đúc nhựa nhiệt dẻo gia cố bằng sợi tổng hợp trực tiếp trong dây chuyền và công nghệ tương ứng (LFT-D, Trộn trực tiếp).Nó đi vào hoạt động thương mại vào năm 1991 và là công ty dẫn đầu thế giới trong lĩnh vực này.Diffenbarcher, một công ty của Đức, đã nghiên cứu công nghệ LFT-D từ năm 1989. Hiện tại, chủ yếu có LFT D, Tailored LFT (có thể đạt được cốt thép cục bộ dựa trên ứng suất kết cấu) và Advanced Surface LFT-D (bề mặt nhìn thấy được, bề mặt cao). chất lượng) công nghệ.Từ góc độ dây chuyền sản xuất, trình độ ép của Diffenbarcher rất cao.Hệ thống ép đùn D-LFT của công ty Hợp tác Đức đang ở vị trí hàng đầu trên thế giới.
1.5 Công nghệ sản xuất đúc không khuôn (PCM)
PCM (Sản xuất đúc ít mẫu) được phát triển bởi Trung tâm tạo mẫu nhanh bằng laser của Đại học Thanh Hoa.Công nghệ tạo mẫu nhanh nên được áp dụng cho quy trình đúc cát nhựa truyền thống.Đầu tiên, lấy mô hình CAD đúc từ mô hình CAD bộ phận.Tệp STL của mô hình CAD đúc được xếp lớp để lấy thông tin mặt cắt ngang, sau đó được sử dụng để tạo thông tin điều khiển.Trong quá trình đúc, vòi phun đầu tiên phun chính xác chất kết dính lên từng lớp cát bằng điều khiển máy tính, trong khi vòi phun thứ hai phun chất xúc tác theo cùng một đường dẫn.Cả hai trải qua phản ứng liên kết, làm cứng từng lớp cát và tạo thành một đống.Cát ở khu vực mà chất kết dính và chất xúc tác phối hợp với nhau sẽ đông cứng lại với nhau, trong khi cát ở những khu vực khác vẫn ở trạng thái dạng hạt.Sau khi xử lý một lớp, lớp tiếp theo được liên kết và sau khi tất cả các lớp được liên kết, sẽ thu được một thực thể không gian.Cát ban đầu vẫn là cát khô ở những chỗ không được phun keo nên dễ dàng loại bỏ hơn.Bằng cách làm sạch cát khô chưa được xử lý ở giữa, có thể thu được khuôn đúc có độ dày thành nhất định.Sau khi quét hoặc tẩm sơn lên bề mặt trong của khuôn cát, có thể dùng để đổ kim loại.
Điểm nhiệt độ đóng rắn của quá trình PCM thường là khoảng 170oC.Quá trình trải nguội và tước nguội thực tế được sử dụng trong quy trình PCM khác với quá trình đúc khuôn.Đắp nguội và tước nguội bao gồm việc đặt dần prereg lên khuôn theo yêu cầu về cấu trúc sản phẩm khi khuôn ở đầu nguội, sau đó đóng khuôn bằng máy ép tạo hình sau khi quá trình đặt hoàn tất để tạo ra một áp suất nhất định.Tại thời điểm này, khuôn được làm nóng bằng máy nhiệt độ khuôn. Quy trình thông thường là tăng nhiệt độ từ nhiệt độ phòng lên 170oC và tốc độ gia nhiệt cần được điều chỉnh theo các sản phẩm khác nhau.Hầu hết chúng đều được làm bằng nhựa này.Khi nhiệt độ khuôn đạt đến nhiệt độ cài đặt, việc bảo quản cách nhiệt và áp suất được thực hiện để xử lý sản phẩm ở nhiệt độ cao.Sau khi đóng rắn xong cũng cần dùng máy nhiệt độ khuôn để làm nguội nhiệt độ khuôn về nhiệt độ bình thường, tốc độ gia nhiệt cũng được đặt ở mức 3-5oC/phút, sau đó tiến hành mở khuôn và chiết một phần.
2. Công nghệ tạo hình chất lỏng
Công nghệ tạo hình chất lỏng (LCM) đề cập đến một loạt công nghệ tạo hình vật liệu composite, trước tiên đặt phôi sợi khô vào khoang khuôn kín, sau đó bơm nhựa lỏng vào khoang khuôn sau khi đóng khuôn.Dưới áp lực, nhựa chảy và thấm các sợi.So với quy trình tạo hình hộp ép nóng, LCM có nhiều ưu điểm như phù hợp để chế tạo các bộ phận có độ chính xác kích thước cao và hình thức phức tạp;Chi phí sản xuất thấp và hoạt động đơn giản.
Đặc biệt là quy trình RTM áp suất cao được phát triển trong những năm gần đây là HP-RTM (High Pressure Resin Transfer Molding), viết tắt là quy trình đúc HP-RTM.Nó đề cập đến quá trình đúc bằng cách sử dụng áp suất cao để trộn và bơm nhựa vào khuôn kín chân không được đặt trước bằng vật liệu gia cố bằng sợi và các thành phần nhúng trước, sau đó thu được các sản phẩm vật liệu composite thông qua quá trình đổ đầy dòng nhựa, ngâm tẩm, đóng rắn và đúc khuôn .Bằng cách giảm thời gian phun, dự kiến sẽ kiểm soát thời gian sản xuất các bộ phận kết cấu hàng không trong vòng hàng chục phút, đạt được hàm lượng sợi cao và sản xuất các bộ phận hiệu suất cao.
Quy trình tạo hình HP-RTM là một trong những quy trình tạo hình vật liệu composite được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp.Ưu điểm của nó nằm ở khả năng đạt được chi phí thấp, chu kỳ ngắn, sản xuất hàng loạt và sản xuất chất lượng cao (với chất lượng bề mặt tốt) so với các quy trình RTM truyền thống.Nó được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau như sản xuất ô tô, đóng tàu, sản xuất máy bay, máy móc nông nghiệp, vận tải đường sắt, sản xuất điện gió, hàng thể thao, v.v.
3. Công nghệ tạo hình vật liệu composite nhiệt dẻo
Trong những năm gần đây, vật liệu composite nhiệt dẻo trở thành điểm nóng nghiên cứu trong lĩnh vực sản xuất vật liệu composite cả trong nước và quốc tế nhờ ưu điểm chịu va đập, độ dẻo dai cao, khả năng chịu hư hỏng cao và khả năng chịu nhiệt tốt.Hàn bằng vật liệu composite nhựa nhiệt dẻo có thể làm giảm đáng kể số lượng kết nối đinh tán và bu lông trong kết cấu máy bay, cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất và giảm chi phí sản xuất.Theo Airframe Collins Aerospace, nhà cung cấp cấu trúc máy bay hạng nhất, các cấu trúc nhựa nhiệt dẻo có thể hàn được không ép nóng có khả năng rút ngắn 80% chu kỳ sản xuất so với các thành phần hỗn hợp kim loại và nhiệt rắn.
Việc sử dụng lượng vật liệu phù hợp nhất, lựa chọn quy trình tiết kiệm nhất, sử dụng sản phẩm ở những bộ phận thích hợp, đạt được các mục tiêu thiết kế định trước và đạt được tỷ lệ chi phí hiệu suất lý tưởng của sản phẩm luôn là định hướng nỗ lực của những người thực hành vật liệu composite.Tôi tin rằng trong tương lai sẽ có nhiều quy trình đúc khuôn hơn để đáp ứng nhu cầu thiết kế sản xuất.
Thời gian đăng: 21-11-2023
