Nguyen Anh Dung
03-10-2009, 09:39 PM
TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP ÉP NÓNG TRONG KỸ THUẬT GIA CÔNG POLYMER - COMPOSITE
---------- ----------
1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIA CÔNG POLYMER - COMPOSITE
Sơ bộ, ta có thể định nghĩa kỹ thuật gia công polymer hay composite như sau: Kỹ thuật gia công polymer là một ngành kỹ thuật, nghiên cứu các quá trình và thiết bị dùng để tăng tính chất của vật liệu polymer và để gia công chúng thành những sản phẩm sử dụng theo yêu cầu. Trong quá trình gia công, trong nguyên liệu có thể xảy ra các phản ứng hóa học, các biến dạng và cuối cùng là sự thay đổi bất thuận nghịch các tính chất vật lý của vật liệu. Song có một điểm cần lưu ý là các phản ứng xảy ra trong quá trình tổng hợp polymer không lặp lại trong quá trình gia công chúng. (trừ một số trường hợp ngoại lệ).
Phương pháp gia công có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm, phương pháp gia công bị chi phối bởi tính chất của vật liệu polymer cũng như yêu cầu về hình dáng, tính chất của sản phẩm cuối cùng. Việc lựa chọn phương pháp gia công thích hợp nói chung là rất phực tạp, phải chú ý đến nhiều khía cạnh như tính chất của vật liệu ban đầu, yêu cầu về chất lượng sản phẩm, yêu cầu bề lợi ích kinh tế…Nói chung phải đảm bảo thu được sản phẩm có tính năng tốt và có lợi ích kinh tế.
Ví dụ đối với nhựa nhiệt rắn, phương pháp gia công thích hợp và có lợi hơn cả là phương pháp ép nóng, vì quá trình ép nhanh và có thể đạt năng suất cao, điều kiện nhiệt độ cao thích hợp cho việc đóng rắn vật liệu, khi ép xong không cần phải làm nguội vật liệu trong khuôn. Trái lại đối với nhựa nhiệt dẻo thì phương pháp ép nóng nói chung là không thích hợp vì sau khi thành hình phải làm nguội vật liệu trong khuôn, nên quá trình này không thể tiến hành nhanh vì như thế sẽ tạo ra những ứng suất nội làm giảm chất lượng sản phẩm. Để gia công nhựa nhiệt dẻo người ta thường dùng các phương pháp như đùn, đúc dưới áp suất…Tuy nhiên cũng phải tùy theo tính chất của vật liệu mà áp dụng phương pháp gia công. Ví dụ PE (polyetylen) và PS (polystyren) thì phương pháp đúc dưới áp suất là thích hợp, còn đối với PVC (polyvinylclorua), do nhiệt độ chảy nhớt của nhựa gần với nhiệt độ phân hủy nên loại nhựa này thường được gia công bằng phương pháp đùn.
Đối với các loại nhựa epoxy, người ta thường gia công bằng phương pháp đổ khuôn (hay đúc không áp suất). Đối với các loại celluloid, phương pháp gia công thường dùng là tạo hình nhiệt ở trạng thái mềm cao.
Kích thước, hình dạng và sự ổn định kích thước, hình dạng sản phẩm trong quá trình sử dụng cũng là những yêu cầu quan trọng và chịu ảnh hưởng của phương pháp gia công. Mặt khác, tác dụng của nhiệt có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của sản phẩm, có loại nhựa dưới tác dụng của nhiệt tính chất không đổi, nhưng cũng có loại nhựa không bền nhiệt. Do đó, việc chọn phương pháp gia công cần phải đảm bảo chế độ nhiệt thích hợp để tính chất sản phẩm thu được tốt nhất.
2. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG
Phương pháp gia công gắn liền với thiết bị dùng để thực hiện quá trình gia công và có liên quan đến sự biến đổi trạng thái của vật liệu trong thiết bị. Vì vậy, cho đến nay chưa có cách phân loại nào có thể nêu lên đầy đủ các yếu tố trên được.
Trong công nghiệp để dễ nắm bắt các quá trình gia công, người ta tạm thời xếp các quá trình gia công từng nhóm theo nhiệm vụ của quá trình hoặc trạng thái vật lý của nguyên liệu trong quá trình gia công.
Các quá trình gia công thường được xếp thành 3 nhóm nhiệm vụ chính là:
Nhóm các phương pháp tạo hình: có nhiệm vụ tạo cho vật liệu có hình dạng sản phẩm sử dụng thuộc nhóm này gồm các phương pháp gia công như ép, ép đúc, đúc dưới áp suất, đùn, tạo hình nhiệt, cắt gọt,…
Nhóm các phương pháp lắp ghép: có nhiệm vụ tạo liên kết giữa các chi tiết của sản phẩm với nhau. Trong nhóm này có thể kể đến phương pháp gia công như: hàn và phủ bề mặt (bao gồm dán hoặc phun).
Nhóm các phương pháp biến tính: có nhiệm vụ thay đổi cấu trúc polymer bằng phương pháp vật lý hoặc bằng phản ứng hóa học như các phương pháp trộn, hoạt hóa bề mặt, biến tính polymer…
Trong quá trình gia công, dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất, trạng thái vật liệu bị biến đổi. Tùy theo trạng thái vật liệu và điều kiện gia công các quá trình gia công polymer cũng được chia thành 6 nhóm chính:
Nhóm 1: Điều kiện nhiệt độ, áp suất cao, vật liệu ở trạng thái chảy nhớt trong quá trình gia công, như: ép, đúc dưới áp suất, đùn,…
Nhóm 2: Điều kiện nhiệt độ và áp suất, vật liệu ở trạng thái chảy mềm cao, phổ biến nhất là các phương pháp gia công vật liệu ở dạng tấm.
Nhóm 3: Nhiệt độ, áp suất gần như bình thường, vật liệu gia công cũng giữ nguyên các cấu hình ban đầu như quá trình gia công cơ khí.
Nhóm 4: Vật liệu ở trạng thái lỏng hoặc mềm cao ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ không cao lắm, như: đúc không áp suất, đúc ly tâm,…
Nhóm 5: Bằng cách nấu chảy và đổ vào khuôn, gia công các sản phẩm có kích thước lớn và PE (polyethylene) là loại polymer thường được gia công bằng phương pháp này.
Nhóm 6: Hàn và dán polymer.
3. GIA CÔNG POLYMER - COMPOSITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP ÉP NÓNG
Phương pháp gia công bằng cách ép khuôn đã có từ lâu, trước các phương pháp gia công khác. Phương pháp này có thể áp dụng được cho cả nhựa nhiệt rắn và nhiệt dẻo. Nhưng ngày nay do có các phương pháp khác dùng để gia công nhựa nhiệt dẻo có lợi hơn và chất lượng cao hơn như phương pháp đúc dưới áp suất. Vì vậy, phương pháp này chủ yếu chỉ để gia công các loại nhựa nhiệt rắn và hỗn hợp cao su.
Các loại nhựa nhiệt rắn thường được gia công bằng phương pháp này là PF (Phenol formandehyd), UF (Urea formandehyd), Melamin (dùng các sợi độn tăng cường). Các loại nhựa nhiệt độ dẻo thường được gia công bằng phương pháp này là các loại Celluloid như: Cellulose acetat, Cellulose acetat butirat, ethyl Cellulose, Acrylic, PS (polystyrel), PE (polyethylene), ...
3.1. Nguyên lý
Hình 1. Nguyên lý hoạt động của máy ép nóng
Công nghệ gia công polymer – composite bằng phương pháp ép nóng là khá đơn giản. Đầu tiên, nhựa được cho vào phần nửa dưới của khuôn ép (Bottom Plate), khuôn đã được gia nhiệt trước bằng các điện trở đặt bên trong. Tiếp theo, phần nửa trên của khuôn ép (Top Plate) cũng đã được gia nhiệt trước bằng điện trở, di chuyển xuống tiến hành ép nhựa, chuyển nhựa sang dạng chảy nhớt hay chảy mềm, áp suất tiếp tục được duy trì để nhựa nóng chảy điền đầy khuôn (mold cavity), sau đó đối với nhựa nhiệt dẻo sẽ được làm nguội để đóng rắn; còn đối với nhựa nhiệt rắn, phản ứng đóng rắn sẽ xảy ra ở nhiệt độ cao nên không cần làm nguội. Kết thúc quá trình mở khuôn lấy sản phẩm và vệ sinh khuôn. (Hình 1)
Trong quá trình gia công, việc tạo hình sản phẩm có thể chia làm 2 giai đoạn:
- Giai đoạn thành hình:
Dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất, nguyên liệu trong khuôn sẽ chuyển dần từ trạng thái rắn sang trạng thái chảy nhớt và lấp đầy vùng tạo hình của khuôn.
- Giai đoạn định hình:
Để có thể lấy sản phẩm ra khỏi khuôn mà không bị biến dạng và đạt hình dạng sử dụng cuối cùng của sản phẩm, nguyên liệu trong vùng tạo hình phải được chuyển qua trạng thái rắn. Đối với nhựa nhiệt rắn, quá trình chuyển trạng thái này được thực hiện nhờ các phản ứng hoá học xảy ra ở nhiệt độ gia công để tạo thành mạng lưới không gian. Đối với nhựa nhiệt dẻo thì quá trình chuyển trạng thái này xảy ra do quá trình làm nguội đến nhiệt độ dưới Tg của nhựa.
Tuỳ theo nhiệt độ của giai đoạn thành hình, người ta chia phương pháp ép trực tiếp thành 2 loại:
- Ép nóng: Nhiệt độ giai đoạn thành hình cao, thường trong khoảng 120 ÷ 1800C
- Ép nguội: Nhiệt độ giai đoạn thành hình là nhiệt độ thường
Phương pháp ép nóng thích hợp cho gia công nhựa nhiệt rắn vì nhiệt độ cao thuận lợi cho phản ứng đóng rắn xảy ra và khi lấy sản phẩm ra không cần phải làm nguội khuôn. Do đo, rút ngắn được chu kỳ, tiết kiệm được năng lượng.
3.2. Máy móc – cấu tạo – hoạt động
3.2.1. Máy ép
Dùng để tạo áp suất cho quá trình ép. Có nhiều loại và hoạt động chủ yếu bằng thuỷ lực, một số ít làm việc theo nguyên tắc cơ học hoặc kết hợp giữa cơ học và thủy lực. Trong đó, loại máy ép thủy lực được dùng nhiều hơn do cơ cấu tạo và vận hành đơn giản.
Đối với máy ép thủy lực, người ta thường sử dụng 2 hệ thống áp suất:
- Áp suất thấp: để đóng khuôn ép nhanh, giá trị của nó thấp hơn hoặc bằng 8 kg/cm2
- Áp suất cao: để tạo áp suất đủ cho quá trình ép, biến thiên từ 20 ÷ 300 kg/cm2
Giai đoạn đầu của quá trình đóng khuôn cần đặt hệ thống áp suất thấp để piston đẩy nửa khuôn dưới lên đến nửa khuôn trên nhanh hơn. Giai đoạn tiếp theo, khi hai nửa khuôn gần tiếp xúc với nhau thì cần hệ thống áp suất cao, tạo áp lực đủ lớn để ép sản phẩm và giảm tốc độ di chuyển của khuôn để nhựa có thể điền đầy khuôn.
3.2.2. Khuôn ép (Hình 2)
Có nhiều loại khác nhau và mỗi loại chỉ có thể dùng để ép một số vật liệu nhất định. Việc chọn khuôn phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Hình dạng sản phẩm
+ Tính chất vật liệu
+ Yêu cầu của quy trình công nghệ
Về cơ bản cấu tạo khuôn ép gồm 2 bộ phận chính là:
+ Cối khuôn
+ Chày ép
Ngoài ra còn có những bộ phận phụ như thiết bị gia nhiệt, thanh đẩy, lõi tạo hình, chốt định vị, thanh dẫn...
Việc phân loại khuôn có thể theo nhiều cách khác nhau:
- Theo cách lắp khuôn: Khuôn tháo rời, nữa cố định và cố định...
- Theo cách khép kín vùng tạo hình: Khuôn hở, khuôn kín và nữa kín
- Theo cách lấy sản phẩm:
+ Dùng thanh đẩy
+ Khí nén
+ Mâm trượt
- Theo mặt tháo rời: Thẳng đứng, nằm ngang
- Theo số lỗ khuôn: 1 lỗ hay nhiều lỗ khuôn
Hình 2. Khuôn ép trong kỹ thuật gia công ép nóng polymer - composite
3.2.3. Hoạt động
Hình 3. Quá trình ép sản phẩm
Trước khi tiến hành quá trình ép sản phẩm, người ta lắp khuôn ép vào 2 bàn ép ở vị trí tương ứng để khi bàn ép chuyển động xuống thì chày ép vào cối chính xác.
Sau khi cho bột ép vào đầy lỗ khuôn, nung nóng đều đến nhiệt độ ép, tiến hành ép sản phẩm. Nhờ piston thuỷ lực đẩy bàn ép có gắn chày ép từ trên xuống. Khi chày ép bắt đầu nén vật liệu thì bơm cao áp bắt đầu hoạt động để tăng áp suất nén ép đến áp suất cần thiết và duy trì ở áp suất này trong suốt thời gian sản phẩm lưu trong khuôn. Khi quá trình ép kết thúc piston sẽ đẩy bàn ép lên, mở khuôn ép để lấy sản phẩm khỏi cối khuôn bằng các thanh đẩy thuỷ lực. (Hình 3)
3.3. Chuẩn bị vật liệu trước khi ép
Khâu chuẩn bị vật liệu trước khi ép bao gồm nhiều vấn đề, từ bảo quản vật liệu, xác định các thông số kỹ thuật của vật liệu, xử lý vật liệu để đạt được các yêu cầu kỹ thuật, đến việc đong lường, nung nóng sơ bộ.
3.3.1. Bảo quản bột ép
Quá trình ép tiến hành bình thường, năng suất thiết bị cao, hư hỏng sản phẩm ít và chất lượng sản phẩm tốt, phần lớn là do việc bảo quản vật liệu quyết định. Thường vật liệu ép rất dễ thay đổi tính chất theo điều kiện bên ngoài như độ ẩm, nhiệt độ môi trường. Bản thân của vật liệu ép thường có khả năng hút ẩm lớn và sự hiện diện của hơi nước trong vật liệu thường đưa đến những hiệu ứng xấu đối với quá trình ép và chất lượng sản phẩm như tăng thể tích, làm cong vênh, phồng rộp sản phẩm, tính chất điện môi và bền nước giảm, chậm quá trình đóng rắn... cho nên phải giữ độ ẩm trong vật liệu đúng yêu cầu kỹ thuật của nó, thông thường độ ẩm tối đa cho phép là 4%. Cũng cần nên nhớ một hiệu ứng thuận lợi của hàm lượng ẩm trong vật liệu đó là độ linh động của vật liệu gia tăng theo hàm lượng ẩm, cho nên việc sấy vật liệu quá khô trước khi gia công không phải luôn luôn tốt.
Nhiệt độ bảo quản cũng là một thông số cần lưu ý đối với các bột ép nhựa nhiệt rắn có thể xảy ra quá trình đóng rắn ở nhiệt dộ không cao lắm, hậu quả là độ linh động khi gia công giảm và tính chất của sản phẩm cũng giảm. Thường nhiệt độ bảo quản bột ép nhựa nhiệt rắn từ 16 ÷ 200C.
Một số loại bột ép như nhựa Carbamid cần phải giữ sạch vì sản phẩm sẽ bị nhuộm màu do phản ứng khử của các chất bẩn.
3.3.2. Đong lường
Khâu đong lường có ảnh hưởng đến hình dáng, kích thước của sản phẩm bên cạnh yếu tố khuôn ép.
Nói chung, việc đong lường chính xác lượng vật liệu cho vào khuôn là cần thiết để đảm bảo kích thước sản phẩm. Có nhiều phương pháp để đong lường các vật liệu rời này, trong việc đong lường vật liệu có thể phân thành 3 loại chủ yếu:
+ Đong lường theo trọng lượng
+ Đong lường theo thể tích
+ Đong lường theo cách đếm hạt.
Việc đong lượng theo trọng lượng chính xác hơn nhưng ít sử dụng vì gặp một số khó khăn, nhất là năng suất thấp. Vì vậy, phương pháp này chỉ được sử dụng trong trường hợp đòi hỏi sự chính xác lớn mà các phương pháp khác không thực hiện được.
Việc đong lường theo thể tích không chính xác vì sợ ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau, song phương pháp này lại được sử dụng phổ biến vì đơn giản và nhanh chóng, nhất là khi sử dụng khuôn nhiều lỗ khuôn. Để tăng độ chính xác thì cần phái làm thế nào để khối lượng riêng gộp vật lý ít thay đổi trong các lần đo lường, tốt nhất là tạo hạt vì vật liệu hạt có khối lượng riêng gộp ổn định hơn dạng bột.
Hiện nay trong các nhà máy gia công vật liệu polymer, việc đong lường thường được thực hiện bằng cách đong thể tích của vật liệu dạng hạt. Việc sử dụng vật liệu dạng hạt có ưu điểm sau đây:
+ Do không khí bị đuổi ra khỏi vật liệu trong quá trình tạo hạt (nén ở áp suất cao) cho nên vật liệu sẽ chặt chẽ hơn, đưa đến việc truyền nhiệt hiệu quả hơn, cho phép rút ngắn thời gian nung nóng và thời gian lưu lại của sản phẩm trong khuôn ép dưới áp suất, cũng như chu kỳ ép.
+ Năng suất cao hơn do độ chính xác cao hơn dạng bột.
Ngoài ra do sự đốt nóng có hiệu quả và đồng đều hơn nên sản phẩm gia công từ dạng hạt có chất lượng tốt hơn, năng lượng nung nóng giảm 50%, phế phẩm giảm 2 ÷ 3%. Nhược điểm của việc sử dụng vật liệu dạng hạt là đòi hỏi phải có máy tạo hạt. Tuy nhiên nếu tính về kinh tế thì sử dụng vật liệu dạng hạt vẫn có lợi hơn.
3.3.3. Nung nóng sơ bộ
Việc nung nóng sơ bộ vật liệu trước khi cho vào khuôn thường được thực hiện ở các nhà máy ép nhựa nhiệt rắn, vì nó cho phép rút ngắn chu kỳ ép và tăng chất lượng sản phẩm.
Việc nung nóng sơ bộ thường được thực hiện trên các thiết bị chuyên dùng nên hiệu quả gia nhiệt sẽ tốt hơn là gia nhiệt trên khuôn. Cho nên nó sẽ tăng chất lượng sản phẩm, và tiết kiệm năng lượng.
Các dạng vật liệu thường được sử dụng cho phương pháp gia công ép nóng:
- SMC (Sheet Moulding Compound): dạng tấm, thường được đan bằng sợi thủy tinh, bên ngoài có phủ lớp nhựa polyester, và trong vật liệu SMC người ta có cho thêm chất độn. Bên ngoài vật liệu SMC thường được bao bởi lớp nhựa mỏng.
Hình 4. Vật liệu dạng SMC
- BMC (Bulk Moulding Compound): dạng khối nhỏ, được tạo thành bằng cách trộn nhựa (epoxy, phenolic,…) với sợi thủy tinh, chất độn và một số phụ gia.
Hình 5. Vật liệu dạng BMC
3.4. Ép sản phẩm
Sau khi đong lường, vật liệu được cho vào khuôn ép và tiến hành quá trình ép:
+ Đối với vật liệu đã được nung nóng sơ bộ cần phải cho vào khuôn nhanh và cho chày ép vào ngay để tránh sự mất nhiệt và vật liệu hút ẩm trở lại.
+ Đối với vật liệu chưa gia nhiệt thì cần phải tiến hành quá trình nung nóng trong khuôn ép trước khi đóng kín khuôn.
Tốc độ và thời gian đóng khuôn cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình ép, nó chịu ảnh hưởng của tính chất vật lý vật liệu, cũng như hình dáng sản phẩm. Vật liệu dạng bột phải được đóng khuôn thật chậm để vật liệu không bị trào ra khỏi khuôn. Đối với vật liệu chứa nhiều chất bay hơi thì cần phải đóng mở khuôn vài lần trước khi ép kín để các chất dễ bay hơi thoát ra. Đối với sản phẩm có nhiều chi tiết phức tạp, phải tiến hành đóng khuôn chậm để vật liệu phân phối đều vào các chi tiết đó.
Thông thường khi chày ép tiếp xúc với vật liệu trong khuôn, máy thuỷ lực sẽ hoạt động với áp suất thấp, tốc độ cao cho đến khi vật liệu khít lại nhau (vật liệu bị nén chặt lại) thì áp suất của máy ép mới tăng lên giá trị cài đặt và giữ ở giá trị này cho đến khi kết thúc quá trình ép.
Các thông số kỹ thuật quan trọng ở giai đoạn này cũng là thông số quan trọng của quá trình gia công, đó là:
+ Nhiệt độ ép
+ Áp suất ép
+ Thời gian lưu sản phẩm lại trong khuôn
Ba thông số này có mối liên hệ chặt chẽ với nhau và việc chọn lựa bộ 3 thông số này là vấn đề mà nhà kỹ thuật phải giải quyết để có được một sản phẩm chất lượng cao và hiệu quả kinh tế cao nhất.
3.4.1. Nhiệt độ ép
Nhiệt độ ép quyết định vận tốc đóng rắn của vật liệu và cơ chế của các phản ứng hoá học xảy ra trong quá trình đóng rắn cho nên ảnh hưởng đến thời gian đóng rắn và tính chất của sản phẩm. Nhiệt độ còn ảnh hưởng đến đường cong đóng rắn của vật liệu: thời gian đóng rắn, độ linh động của vật liệu thay đổi theo nhiệt độ.
Nhiệt độ gia công tăng sẽ rút ngắn thời gian đóng rắn. Tuy nhiên, nhiệt độ ép có giới hạn trên và giới hạn dưới:
+ Nếu vượt quá giới hạn trên của nhiệt độ, tính chất của sản phẩm sẽ suy giảm do phản ứng phân huỷ xảy ra và độ linh động giảm nhanh theo thời gian nên khó gia công, lượng phế phẩm tăng.
+ Nếu nhiệt độ dưới giới hạn dưới thì sản phẩm có kết cấu không chặt chẽ (do quá trình đóng rắn chưa hoàn toàn) nên tính chất cơ lý giảm, bên cạnh đó thời gian đóng rắn kéo dài.
3.4.2. Áp suất ép
Giúp khối vật liệu kết dính thành khối liên tục và tạo lực đẩy khối vật liệu lỏng lấp đầy vùng tạo hình của khuôn. Trong quá trình ép cần phải duy trì áp suất ép nhằm ngăn cản sự tạo xốp ở sản phẩm do khí thoát ra khỏi các phản ứng đóng rắn và các chất dễ bay hơi có trong vật liệu.
Áp suất ép có quan hệ mật thiết với nhiệt độ ép và thường được xác định bằng thực nghiệm. Áp suất ép phụ thuộc vào tính chất vật liệu ở nhiệt độ gia công như: độ linh động, tốc độ đóng rắn. Ngoài ra, áp suất ép còn phụ thuộc vào hình dáng sản phẩm (càng phức tạp thì áp suất càng lớn).
Trong điều kiện gia công nhất định, sự khiếm khuyết hình dạng của sản phẩm, sản phẩm có khối lượng riêng thấp thì một trong các nguyên nhân có thể là áp suất ép không đạt. Trái lại, áp suất ép quá cao thường tạo nhiều ba via trên sản phẩm và làm khuôn mau hư hỏng.
Khi tính áp suất ép cho quá trình gia công, cần chú ý là diện tích bề mặt ép sẽ bao gồm diện tích bề mặt chiếu đứng của sản phẩm, kể luôn cả các bề mặt chịu lực khác. Ví dụ: bề mặt chiếu đứng của vùng đệm trong khuôn nữa kín.
Sau khi khuôn đã được khép kín, áp suất ép gia tăng đến trị số cần thiết và áp suất này phải được duy trì trong một thời gian nhất định để ngăn cản sự tạo xốp ở trong khuôn và để sản phẩm được định hình chắc chắn đạt các tính năng cao trước khi lấy ra khỏi khuôn. Thời gian này gọi là thời gian lưu sản phẩm trong khuôn.
3.4.3. Thời gian lưu sản phẩm trong khuôn
Được tính từ lúc chày ép tiếp xúc với vật liệu ép trong khuôn (khi áp suất cực đại) đến khi lấy sản phẩm khỏi khuôn. Đây là thời gian đóng rắn của vật liệu, nó phụ thuộc vào tốc độ đóng rắn của vật liệu và thông thường phụ thuộc vào bề dày của sản phẩm. Trường hợp vật liệu được nung nóng sơ bộ bằng dòng điện cao tần thì thời gian lưu sản phẩm trong khuôn không phụ thuộc vào bề dày sản phẩm và được rút ngắn lại rất nhiều.
3.5. Lấy sản phẩm
Việc lấy sản phẩm có thể tiến hành trong hoặc ngoài máy ép. Công đoạn này cần tiến hành nhanh để tránh khuôn bị nguội. Để lấy sản phẩm ra khỏi khuôn mà không bị biến dạng thì phải lựa chọn phương pháp lấy sản phẩm thích hợp, việc lựa chọn này phụ thuộc vào:
+ Số lượng khuôn và cách bố trí lỗ khuôn
+ Hình dạng sản phẩm
+ Loại khuôn ép
+ Bề dày sản phẩm
Hình 6. Các phương pháp lấy sản phẩm ra khỏi khuôn
Cách lấy sản phẩm thông dụng nhất là dùng thanh đẩy, mâm trượt và khí nén. (Hình 4)
∗ Lấy sản phẩm bằng thanh đẩy (Ejector Pin)
Khi dùng thanh đẩy để lấy sản phẩm, thanh đẩy cần đặt tại phần có bề dày nhất của sản phẩm. Thường thì thanh đẩy ăn sâu vào sản phẩm khoảng 4 mm để không có vết lồi trên bề mặt sản phẩm. Đôi khi thanh đẩy được sử dụng làm lõi tạo hình. Vì thanh đẩy có thể di chuyển lên xuống trong chày ép hoặc khuôn nên sẽ làm mòn phần tiếp xúc giữa 2 bộ phận này và có thể tạo rìa do vật liệu đi vào khe hở ở phần này.
∗ Lấy sản phẩm bằng mâm trượt (EjectorRail)
Đối với sản phẩm đòi hỏi không có vết tì của thanh đẩy thì người ta có thể dùng mâm trượt để lấy sản phẩm khỏi khuôn. Khi đó sản phẩm được thiết kế dính lại trên chày ép khi ở khuôn, mâm trượt được bố trí trên chày ép. Do mâm trượt tác dụng đồng đều lên sản phẩm ít bị biến dạng.
∗ Lấy sản phẩm bằng khí nén (Bubbler)
Đối với sản phẩm có thành cao và vách mỏng, biện pháp lấy sản phẩm thường dùng là không khí nén. Không khí được thổi qua van đẩy sản phẩm khỏi khuôn. Khi chưa hoạt động van sẽ đóng kín ngăn không cho hình thành rìa trên sản phẩm.
Ngoài 3 cách lấy sản phẩm ở trên, sản phẩm còn có thể được tháo khỏi khuôn bằng phương pháp khác như dùng má khuôn hoặc các phương pháp kết hợp khác.
3.6. Làm sạch khuôn ép
Sau khi lấy sản phẩm ra khỏi khuôn, cần phải tiến hành làm sạch khuôn trước khi chu kỳ tiếp theo. Mục đích của công đoạn này là làm cho bề mặt bóng đẹp. Mặt khác, khuôn ép sạch cũng giúp cho vật liệu dễ chảy vào khuôn ép. Việc làm sạch khuôn có thể tiến hành bằng tay, không khí nén và đôi khi khuôn còn được phủ thêm lớp bôi trơn.
3.7. Ưu nhược điểm của phương pháp ép nóng
Ưu điểm của phương pháp ép nóng:
Lượng vật liệu dư thải bỏ trong quá trình ép rất thấp, và không có sự văng ra của vật liệu thừa và rãnh ngang khuôn đúc.
Không có sự bào mòn lỗ đúc khuôn hay rãng ngang khuôn đúc.
Áp suất nén được trải đều trên vật liệu đúc, ứng suất bên trong và hợp lực gây cong vênh rất thấp.
Việc làm lạnh, đun nóng sơ bộ vật liệu hay đun nóng phôi có thể được tiến hành một cách tự động.
Thuận lợi cho việc đúc các chi tiết có kích thước lớn.
Sự co ngót chi tiết sau đúc là rất thấp.
Một cách chung nhất, việc đúc các chi tiết dày dễ dàng hơn so với phương pháp ép đúc (đúc truyền)_transfer moulding.
Nếu khuôn đúc có nhiều lỗ (cavities) thì đòi hỏi áp suất đúc thấp hơn so với phương pháp đúc truyền.
Nhược điểm của phương pháp ép nóng:
Không dùng để ép đúc các chi tiết tinh xảo, mỏng, dễ vỡ.
Vệ sinh ống lót khuôn đúc thường gặp khó khăn.
Đúc vật gồ gề khó thiết kế khuôn.
Gia công làm sạch các rìa sau quá trình đúc tốn thời gian và chi phí.
Độ sâu của khuôn đúc giữ được giới hạn trong 2,5 lần bề dày.
Trọng lượng hạt vật liệu đúc phải được kiểm soát chặc chẽ.
3.8. Các ứng dụng của máy ép nóng
Máy ép nóng sử dụng trong lưu hóa vỏ xe hơi.
Máy ép nóng trong sản xuất polywood hoặc MDF (Medium Density Fiberboard).
Máy ép nóng trong sản xuất ống nhựa đường kính lớn có sợi thủy tinh.
Ở Việt Nam gần đây đã nghiên cứu thiết kế thành công khu đúc vỏ đèn trong chương trình đồ họa 3D; chế tạo khuôn ép vỏ đèn Master bằng thép SKD61; lựa chọn các thiết bị sản xuất vỏ đèn thích hợp như máy ép thủy lực đứng, tự động điều khiển được các tốc độ ép, thiết bị điều khiển nhiệt độ theo công nghệ FUZZY-LOGIC.
Một số sản phẩm cao su được gia công bằng phương pháp ép nóng:
Hình 7. Các sản phẩm bằng cao su
:kinhbu (:kinhbu (:kinhbu (
---------- ----------
1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIA CÔNG POLYMER - COMPOSITE
Sơ bộ, ta có thể định nghĩa kỹ thuật gia công polymer hay composite như sau: Kỹ thuật gia công polymer là một ngành kỹ thuật, nghiên cứu các quá trình và thiết bị dùng để tăng tính chất của vật liệu polymer và để gia công chúng thành những sản phẩm sử dụng theo yêu cầu. Trong quá trình gia công, trong nguyên liệu có thể xảy ra các phản ứng hóa học, các biến dạng và cuối cùng là sự thay đổi bất thuận nghịch các tính chất vật lý của vật liệu. Song có một điểm cần lưu ý là các phản ứng xảy ra trong quá trình tổng hợp polymer không lặp lại trong quá trình gia công chúng. (trừ một số trường hợp ngoại lệ).
Phương pháp gia công có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm, phương pháp gia công bị chi phối bởi tính chất của vật liệu polymer cũng như yêu cầu về hình dáng, tính chất của sản phẩm cuối cùng. Việc lựa chọn phương pháp gia công thích hợp nói chung là rất phực tạp, phải chú ý đến nhiều khía cạnh như tính chất của vật liệu ban đầu, yêu cầu về chất lượng sản phẩm, yêu cầu bề lợi ích kinh tế…Nói chung phải đảm bảo thu được sản phẩm có tính năng tốt và có lợi ích kinh tế.
Ví dụ đối với nhựa nhiệt rắn, phương pháp gia công thích hợp và có lợi hơn cả là phương pháp ép nóng, vì quá trình ép nhanh và có thể đạt năng suất cao, điều kiện nhiệt độ cao thích hợp cho việc đóng rắn vật liệu, khi ép xong không cần phải làm nguội vật liệu trong khuôn. Trái lại đối với nhựa nhiệt dẻo thì phương pháp ép nóng nói chung là không thích hợp vì sau khi thành hình phải làm nguội vật liệu trong khuôn, nên quá trình này không thể tiến hành nhanh vì như thế sẽ tạo ra những ứng suất nội làm giảm chất lượng sản phẩm. Để gia công nhựa nhiệt dẻo người ta thường dùng các phương pháp như đùn, đúc dưới áp suất…Tuy nhiên cũng phải tùy theo tính chất của vật liệu mà áp dụng phương pháp gia công. Ví dụ PE (polyetylen) và PS (polystyren) thì phương pháp đúc dưới áp suất là thích hợp, còn đối với PVC (polyvinylclorua), do nhiệt độ chảy nhớt của nhựa gần với nhiệt độ phân hủy nên loại nhựa này thường được gia công bằng phương pháp đùn.
Đối với các loại nhựa epoxy, người ta thường gia công bằng phương pháp đổ khuôn (hay đúc không áp suất). Đối với các loại celluloid, phương pháp gia công thường dùng là tạo hình nhiệt ở trạng thái mềm cao.
Kích thước, hình dạng và sự ổn định kích thước, hình dạng sản phẩm trong quá trình sử dụng cũng là những yêu cầu quan trọng và chịu ảnh hưởng của phương pháp gia công. Mặt khác, tác dụng của nhiệt có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của sản phẩm, có loại nhựa dưới tác dụng của nhiệt tính chất không đổi, nhưng cũng có loại nhựa không bền nhiệt. Do đó, việc chọn phương pháp gia công cần phải đảm bảo chế độ nhiệt thích hợp để tính chất sản phẩm thu được tốt nhất.
2. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG
Phương pháp gia công gắn liền với thiết bị dùng để thực hiện quá trình gia công và có liên quan đến sự biến đổi trạng thái của vật liệu trong thiết bị. Vì vậy, cho đến nay chưa có cách phân loại nào có thể nêu lên đầy đủ các yếu tố trên được.
Trong công nghiệp để dễ nắm bắt các quá trình gia công, người ta tạm thời xếp các quá trình gia công từng nhóm theo nhiệm vụ của quá trình hoặc trạng thái vật lý của nguyên liệu trong quá trình gia công.
Các quá trình gia công thường được xếp thành 3 nhóm nhiệm vụ chính là:
Nhóm các phương pháp tạo hình: có nhiệm vụ tạo cho vật liệu có hình dạng sản phẩm sử dụng thuộc nhóm này gồm các phương pháp gia công như ép, ép đúc, đúc dưới áp suất, đùn, tạo hình nhiệt, cắt gọt,…
Nhóm các phương pháp lắp ghép: có nhiệm vụ tạo liên kết giữa các chi tiết của sản phẩm với nhau. Trong nhóm này có thể kể đến phương pháp gia công như: hàn và phủ bề mặt (bao gồm dán hoặc phun).
Nhóm các phương pháp biến tính: có nhiệm vụ thay đổi cấu trúc polymer bằng phương pháp vật lý hoặc bằng phản ứng hóa học như các phương pháp trộn, hoạt hóa bề mặt, biến tính polymer…
Trong quá trình gia công, dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất, trạng thái vật liệu bị biến đổi. Tùy theo trạng thái vật liệu và điều kiện gia công các quá trình gia công polymer cũng được chia thành 6 nhóm chính:
Nhóm 1: Điều kiện nhiệt độ, áp suất cao, vật liệu ở trạng thái chảy nhớt trong quá trình gia công, như: ép, đúc dưới áp suất, đùn,…
Nhóm 2: Điều kiện nhiệt độ và áp suất, vật liệu ở trạng thái chảy mềm cao, phổ biến nhất là các phương pháp gia công vật liệu ở dạng tấm.
Nhóm 3: Nhiệt độ, áp suất gần như bình thường, vật liệu gia công cũng giữ nguyên các cấu hình ban đầu như quá trình gia công cơ khí.
Nhóm 4: Vật liệu ở trạng thái lỏng hoặc mềm cao ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ không cao lắm, như: đúc không áp suất, đúc ly tâm,…
Nhóm 5: Bằng cách nấu chảy và đổ vào khuôn, gia công các sản phẩm có kích thước lớn và PE (polyethylene) là loại polymer thường được gia công bằng phương pháp này.
Nhóm 6: Hàn và dán polymer.
3. GIA CÔNG POLYMER - COMPOSITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP ÉP NÓNG
Phương pháp gia công bằng cách ép khuôn đã có từ lâu, trước các phương pháp gia công khác. Phương pháp này có thể áp dụng được cho cả nhựa nhiệt rắn và nhiệt dẻo. Nhưng ngày nay do có các phương pháp khác dùng để gia công nhựa nhiệt dẻo có lợi hơn và chất lượng cao hơn như phương pháp đúc dưới áp suất. Vì vậy, phương pháp này chủ yếu chỉ để gia công các loại nhựa nhiệt rắn và hỗn hợp cao su.
Các loại nhựa nhiệt rắn thường được gia công bằng phương pháp này là PF (Phenol formandehyd), UF (Urea formandehyd), Melamin (dùng các sợi độn tăng cường). Các loại nhựa nhiệt độ dẻo thường được gia công bằng phương pháp này là các loại Celluloid như: Cellulose acetat, Cellulose acetat butirat, ethyl Cellulose, Acrylic, PS (polystyrel), PE (polyethylene), ...
3.1. Nguyên lý
Hình 1. Nguyên lý hoạt động của máy ép nóng
Công nghệ gia công polymer – composite bằng phương pháp ép nóng là khá đơn giản. Đầu tiên, nhựa được cho vào phần nửa dưới của khuôn ép (Bottom Plate), khuôn đã được gia nhiệt trước bằng các điện trở đặt bên trong. Tiếp theo, phần nửa trên của khuôn ép (Top Plate) cũng đã được gia nhiệt trước bằng điện trở, di chuyển xuống tiến hành ép nhựa, chuyển nhựa sang dạng chảy nhớt hay chảy mềm, áp suất tiếp tục được duy trì để nhựa nóng chảy điền đầy khuôn (mold cavity), sau đó đối với nhựa nhiệt dẻo sẽ được làm nguội để đóng rắn; còn đối với nhựa nhiệt rắn, phản ứng đóng rắn sẽ xảy ra ở nhiệt độ cao nên không cần làm nguội. Kết thúc quá trình mở khuôn lấy sản phẩm và vệ sinh khuôn. (Hình 1)
Trong quá trình gia công, việc tạo hình sản phẩm có thể chia làm 2 giai đoạn:
- Giai đoạn thành hình:
Dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất, nguyên liệu trong khuôn sẽ chuyển dần từ trạng thái rắn sang trạng thái chảy nhớt và lấp đầy vùng tạo hình của khuôn.
- Giai đoạn định hình:
Để có thể lấy sản phẩm ra khỏi khuôn mà không bị biến dạng và đạt hình dạng sử dụng cuối cùng của sản phẩm, nguyên liệu trong vùng tạo hình phải được chuyển qua trạng thái rắn. Đối với nhựa nhiệt rắn, quá trình chuyển trạng thái này được thực hiện nhờ các phản ứng hoá học xảy ra ở nhiệt độ gia công để tạo thành mạng lưới không gian. Đối với nhựa nhiệt dẻo thì quá trình chuyển trạng thái này xảy ra do quá trình làm nguội đến nhiệt độ dưới Tg của nhựa.
Tuỳ theo nhiệt độ của giai đoạn thành hình, người ta chia phương pháp ép trực tiếp thành 2 loại:
- Ép nóng: Nhiệt độ giai đoạn thành hình cao, thường trong khoảng 120 ÷ 1800C
- Ép nguội: Nhiệt độ giai đoạn thành hình là nhiệt độ thường
Phương pháp ép nóng thích hợp cho gia công nhựa nhiệt rắn vì nhiệt độ cao thuận lợi cho phản ứng đóng rắn xảy ra và khi lấy sản phẩm ra không cần phải làm nguội khuôn. Do đo, rút ngắn được chu kỳ, tiết kiệm được năng lượng.
3.2. Máy móc – cấu tạo – hoạt động
3.2.1. Máy ép
Dùng để tạo áp suất cho quá trình ép. Có nhiều loại và hoạt động chủ yếu bằng thuỷ lực, một số ít làm việc theo nguyên tắc cơ học hoặc kết hợp giữa cơ học và thủy lực. Trong đó, loại máy ép thủy lực được dùng nhiều hơn do cơ cấu tạo và vận hành đơn giản.
Đối với máy ép thủy lực, người ta thường sử dụng 2 hệ thống áp suất:
- Áp suất thấp: để đóng khuôn ép nhanh, giá trị của nó thấp hơn hoặc bằng 8 kg/cm2
- Áp suất cao: để tạo áp suất đủ cho quá trình ép, biến thiên từ 20 ÷ 300 kg/cm2
Giai đoạn đầu của quá trình đóng khuôn cần đặt hệ thống áp suất thấp để piston đẩy nửa khuôn dưới lên đến nửa khuôn trên nhanh hơn. Giai đoạn tiếp theo, khi hai nửa khuôn gần tiếp xúc với nhau thì cần hệ thống áp suất cao, tạo áp lực đủ lớn để ép sản phẩm và giảm tốc độ di chuyển của khuôn để nhựa có thể điền đầy khuôn.
3.2.2. Khuôn ép (Hình 2)
Có nhiều loại khác nhau và mỗi loại chỉ có thể dùng để ép một số vật liệu nhất định. Việc chọn khuôn phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Hình dạng sản phẩm
+ Tính chất vật liệu
+ Yêu cầu của quy trình công nghệ
Về cơ bản cấu tạo khuôn ép gồm 2 bộ phận chính là:
+ Cối khuôn
+ Chày ép
Ngoài ra còn có những bộ phận phụ như thiết bị gia nhiệt, thanh đẩy, lõi tạo hình, chốt định vị, thanh dẫn...
Việc phân loại khuôn có thể theo nhiều cách khác nhau:
- Theo cách lắp khuôn: Khuôn tháo rời, nữa cố định và cố định...
- Theo cách khép kín vùng tạo hình: Khuôn hở, khuôn kín và nữa kín
- Theo cách lấy sản phẩm:
+ Dùng thanh đẩy
+ Khí nén
+ Mâm trượt
- Theo mặt tháo rời: Thẳng đứng, nằm ngang
- Theo số lỗ khuôn: 1 lỗ hay nhiều lỗ khuôn
Hình 2. Khuôn ép trong kỹ thuật gia công ép nóng polymer - composite
3.2.3. Hoạt động
Hình 3. Quá trình ép sản phẩm
Trước khi tiến hành quá trình ép sản phẩm, người ta lắp khuôn ép vào 2 bàn ép ở vị trí tương ứng để khi bàn ép chuyển động xuống thì chày ép vào cối chính xác.
Sau khi cho bột ép vào đầy lỗ khuôn, nung nóng đều đến nhiệt độ ép, tiến hành ép sản phẩm. Nhờ piston thuỷ lực đẩy bàn ép có gắn chày ép từ trên xuống. Khi chày ép bắt đầu nén vật liệu thì bơm cao áp bắt đầu hoạt động để tăng áp suất nén ép đến áp suất cần thiết và duy trì ở áp suất này trong suốt thời gian sản phẩm lưu trong khuôn. Khi quá trình ép kết thúc piston sẽ đẩy bàn ép lên, mở khuôn ép để lấy sản phẩm khỏi cối khuôn bằng các thanh đẩy thuỷ lực. (Hình 3)
3.3. Chuẩn bị vật liệu trước khi ép
Khâu chuẩn bị vật liệu trước khi ép bao gồm nhiều vấn đề, từ bảo quản vật liệu, xác định các thông số kỹ thuật của vật liệu, xử lý vật liệu để đạt được các yêu cầu kỹ thuật, đến việc đong lường, nung nóng sơ bộ.
3.3.1. Bảo quản bột ép
Quá trình ép tiến hành bình thường, năng suất thiết bị cao, hư hỏng sản phẩm ít và chất lượng sản phẩm tốt, phần lớn là do việc bảo quản vật liệu quyết định. Thường vật liệu ép rất dễ thay đổi tính chất theo điều kiện bên ngoài như độ ẩm, nhiệt độ môi trường. Bản thân của vật liệu ép thường có khả năng hút ẩm lớn và sự hiện diện của hơi nước trong vật liệu thường đưa đến những hiệu ứng xấu đối với quá trình ép và chất lượng sản phẩm như tăng thể tích, làm cong vênh, phồng rộp sản phẩm, tính chất điện môi và bền nước giảm, chậm quá trình đóng rắn... cho nên phải giữ độ ẩm trong vật liệu đúng yêu cầu kỹ thuật của nó, thông thường độ ẩm tối đa cho phép là 4%. Cũng cần nên nhớ một hiệu ứng thuận lợi của hàm lượng ẩm trong vật liệu đó là độ linh động của vật liệu gia tăng theo hàm lượng ẩm, cho nên việc sấy vật liệu quá khô trước khi gia công không phải luôn luôn tốt.
Nhiệt độ bảo quản cũng là một thông số cần lưu ý đối với các bột ép nhựa nhiệt rắn có thể xảy ra quá trình đóng rắn ở nhiệt dộ không cao lắm, hậu quả là độ linh động khi gia công giảm và tính chất của sản phẩm cũng giảm. Thường nhiệt độ bảo quản bột ép nhựa nhiệt rắn từ 16 ÷ 200C.
Một số loại bột ép như nhựa Carbamid cần phải giữ sạch vì sản phẩm sẽ bị nhuộm màu do phản ứng khử của các chất bẩn.
3.3.2. Đong lường
Khâu đong lường có ảnh hưởng đến hình dáng, kích thước của sản phẩm bên cạnh yếu tố khuôn ép.
Nói chung, việc đong lường chính xác lượng vật liệu cho vào khuôn là cần thiết để đảm bảo kích thước sản phẩm. Có nhiều phương pháp để đong lường các vật liệu rời này, trong việc đong lường vật liệu có thể phân thành 3 loại chủ yếu:
+ Đong lường theo trọng lượng
+ Đong lường theo thể tích
+ Đong lường theo cách đếm hạt.
Việc đong lượng theo trọng lượng chính xác hơn nhưng ít sử dụng vì gặp một số khó khăn, nhất là năng suất thấp. Vì vậy, phương pháp này chỉ được sử dụng trong trường hợp đòi hỏi sự chính xác lớn mà các phương pháp khác không thực hiện được.
Việc đong lường theo thể tích không chính xác vì sợ ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau, song phương pháp này lại được sử dụng phổ biến vì đơn giản và nhanh chóng, nhất là khi sử dụng khuôn nhiều lỗ khuôn. Để tăng độ chính xác thì cần phái làm thế nào để khối lượng riêng gộp vật lý ít thay đổi trong các lần đo lường, tốt nhất là tạo hạt vì vật liệu hạt có khối lượng riêng gộp ổn định hơn dạng bột.
Hiện nay trong các nhà máy gia công vật liệu polymer, việc đong lường thường được thực hiện bằng cách đong thể tích của vật liệu dạng hạt. Việc sử dụng vật liệu dạng hạt có ưu điểm sau đây:
+ Do không khí bị đuổi ra khỏi vật liệu trong quá trình tạo hạt (nén ở áp suất cao) cho nên vật liệu sẽ chặt chẽ hơn, đưa đến việc truyền nhiệt hiệu quả hơn, cho phép rút ngắn thời gian nung nóng và thời gian lưu lại của sản phẩm trong khuôn ép dưới áp suất, cũng như chu kỳ ép.
+ Năng suất cao hơn do độ chính xác cao hơn dạng bột.
Ngoài ra do sự đốt nóng có hiệu quả và đồng đều hơn nên sản phẩm gia công từ dạng hạt có chất lượng tốt hơn, năng lượng nung nóng giảm 50%, phế phẩm giảm 2 ÷ 3%. Nhược điểm của việc sử dụng vật liệu dạng hạt là đòi hỏi phải có máy tạo hạt. Tuy nhiên nếu tính về kinh tế thì sử dụng vật liệu dạng hạt vẫn có lợi hơn.
3.3.3. Nung nóng sơ bộ
Việc nung nóng sơ bộ vật liệu trước khi cho vào khuôn thường được thực hiện ở các nhà máy ép nhựa nhiệt rắn, vì nó cho phép rút ngắn chu kỳ ép và tăng chất lượng sản phẩm.
Việc nung nóng sơ bộ thường được thực hiện trên các thiết bị chuyên dùng nên hiệu quả gia nhiệt sẽ tốt hơn là gia nhiệt trên khuôn. Cho nên nó sẽ tăng chất lượng sản phẩm, và tiết kiệm năng lượng.
Các dạng vật liệu thường được sử dụng cho phương pháp gia công ép nóng:
- SMC (Sheet Moulding Compound): dạng tấm, thường được đan bằng sợi thủy tinh, bên ngoài có phủ lớp nhựa polyester, và trong vật liệu SMC người ta có cho thêm chất độn. Bên ngoài vật liệu SMC thường được bao bởi lớp nhựa mỏng.
Hình 4. Vật liệu dạng SMC
- BMC (Bulk Moulding Compound): dạng khối nhỏ, được tạo thành bằng cách trộn nhựa (epoxy, phenolic,…) với sợi thủy tinh, chất độn và một số phụ gia.
Hình 5. Vật liệu dạng BMC
3.4. Ép sản phẩm
Sau khi đong lường, vật liệu được cho vào khuôn ép và tiến hành quá trình ép:
+ Đối với vật liệu đã được nung nóng sơ bộ cần phải cho vào khuôn nhanh và cho chày ép vào ngay để tránh sự mất nhiệt và vật liệu hút ẩm trở lại.
+ Đối với vật liệu chưa gia nhiệt thì cần phải tiến hành quá trình nung nóng trong khuôn ép trước khi đóng kín khuôn.
Tốc độ và thời gian đóng khuôn cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình ép, nó chịu ảnh hưởng của tính chất vật lý vật liệu, cũng như hình dáng sản phẩm. Vật liệu dạng bột phải được đóng khuôn thật chậm để vật liệu không bị trào ra khỏi khuôn. Đối với vật liệu chứa nhiều chất bay hơi thì cần phải đóng mở khuôn vài lần trước khi ép kín để các chất dễ bay hơi thoát ra. Đối với sản phẩm có nhiều chi tiết phức tạp, phải tiến hành đóng khuôn chậm để vật liệu phân phối đều vào các chi tiết đó.
Thông thường khi chày ép tiếp xúc với vật liệu trong khuôn, máy thuỷ lực sẽ hoạt động với áp suất thấp, tốc độ cao cho đến khi vật liệu khít lại nhau (vật liệu bị nén chặt lại) thì áp suất của máy ép mới tăng lên giá trị cài đặt và giữ ở giá trị này cho đến khi kết thúc quá trình ép.
Các thông số kỹ thuật quan trọng ở giai đoạn này cũng là thông số quan trọng của quá trình gia công, đó là:
+ Nhiệt độ ép
+ Áp suất ép
+ Thời gian lưu sản phẩm lại trong khuôn
Ba thông số này có mối liên hệ chặt chẽ với nhau và việc chọn lựa bộ 3 thông số này là vấn đề mà nhà kỹ thuật phải giải quyết để có được một sản phẩm chất lượng cao và hiệu quả kinh tế cao nhất.
3.4.1. Nhiệt độ ép
Nhiệt độ ép quyết định vận tốc đóng rắn của vật liệu và cơ chế của các phản ứng hoá học xảy ra trong quá trình đóng rắn cho nên ảnh hưởng đến thời gian đóng rắn và tính chất của sản phẩm. Nhiệt độ còn ảnh hưởng đến đường cong đóng rắn của vật liệu: thời gian đóng rắn, độ linh động của vật liệu thay đổi theo nhiệt độ.
Nhiệt độ gia công tăng sẽ rút ngắn thời gian đóng rắn. Tuy nhiên, nhiệt độ ép có giới hạn trên và giới hạn dưới:
+ Nếu vượt quá giới hạn trên của nhiệt độ, tính chất của sản phẩm sẽ suy giảm do phản ứng phân huỷ xảy ra và độ linh động giảm nhanh theo thời gian nên khó gia công, lượng phế phẩm tăng.
+ Nếu nhiệt độ dưới giới hạn dưới thì sản phẩm có kết cấu không chặt chẽ (do quá trình đóng rắn chưa hoàn toàn) nên tính chất cơ lý giảm, bên cạnh đó thời gian đóng rắn kéo dài.
3.4.2. Áp suất ép
Giúp khối vật liệu kết dính thành khối liên tục và tạo lực đẩy khối vật liệu lỏng lấp đầy vùng tạo hình của khuôn. Trong quá trình ép cần phải duy trì áp suất ép nhằm ngăn cản sự tạo xốp ở sản phẩm do khí thoát ra khỏi các phản ứng đóng rắn và các chất dễ bay hơi có trong vật liệu.
Áp suất ép có quan hệ mật thiết với nhiệt độ ép và thường được xác định bằng thực nghiệm. Áp suất ép phụ thuộc vào tính chất vật liệu ở nhiệt độ gia công như: độ linh động, tốc độ đóng rắn. Ngoài ra, áp suất ép còn phụ thuộc vào hình dáng sản phẩm (càng phức tạp thì áp suất càng lớn).
Trong điều kiện gia công nhất định, sự khiếm khuyết hình dạng của sản phẩm, sản phẩm có khối lượng riêng thấp thì một trong các nguyên nhân có thể là áp suất ép không đạt. Trái lại, áp suất ép quá cao thường tạo nhiều ba via trên sản phẩm và làm khuôn mau hư hỏng.
Khi tính áp suất ép cho quá trình gia công, cần chú ý là diện tích bề mặt ép sẽ bao gồm diện tích bề mặt chiếu đứng của sản phẩm, kể luôn cả các bề mặt chịu lực khác. Ví dụ: bề mặt chiếu đứng của vùng đệm trong khuôn nữa kín.
Sau khi khuôn đã được khép kín, áp suất ép gia tăng đến trị số cần thiết và áp suất này phải được duy trì trong một thời gian nhất định để ngăn cản sự tạo xốp ở trong khuôn và để sản phẩm được định hình chắc chắn đạt các tính năng cao trước khi lấy ra khỏi khuôn. Thời gian này gọi là thời gian lưu sản phẩm trong khuôn.
3.4.3. Thời gian lưu sản phẩm trong khuôn
Được tính từ lúc chày ép tiếp xúc với vật liệu ép trong khuôn (khi áp suất cực đại) đến khi lấy sản phẩm khỏi khuôn. Đây là thời gian đóng rắn của vật liệu, nó phụ thuộc vào tốc độ đóng rắn của vật liệu và thông thường phụ thuộc vào bề dày của sản phẩm. Trường hợp vật liệu được nung nóng sơ bộ bằng dòng điện cao tần thì thời gian lưu sản phẩm trong khuôn không phụ thuộc vào bề dày sản phẩm và được rút ngắn lại rất nhiều.
3.5. Lấy sản phẩm
Việc lấy sản phẩm có thể tiến hành trong hoặc ngoài máy ép. Công đoạn này cần tiến hành nhanh để tránh khuôn bị nguội. Để lấy sản phẩm ra khỏi khuôn mà không bị biến dạng thì phải lựa chọn phương pháp lấy sản phẩm thích hợp, việc lựa chọn này phụ thuộc vào:
+ Số lượng khuôn và cách bố trí lỗ khuôn
+ Hình dạng sản phẩm
+ Loại khuôn ép
+ Bề dày sản phẩm
Hình 6. Các phương pháp lấy sản phẩm ra khỏi khuôn
Cách lấy sản phẩm thông dụng nhất là dùng thanh đẩy, mâm trượt và khí nén. (Hình 4)
∗ Lấy sản phẩm bằng thanh đẩy (Ejector Pin)
Khi dùng thanh đẩy để lấy sản phẩm, thanh đẩy cần đặt tại phần có bề dày nhất của sản phẩm. Thường thì thanh đẩy ăn sâu vào sản phẩm khoảng 4 mm để không có vết lồi trên bề mặt sản phẩm. Đôi khi thanh đẩy được sử dụng làm lõi tạo hình. Vì thanh đẩy có thể di chuyển lên xuống trong chày ép hoặc khuôn nên sẽ làm mòn phần tiếp xúc giữa 2 bộ phận này và có thể tạo rìa do vật liệu đi vào khe hở ở phần này.
∗ Lấy sản phẩm bằng mâm trượt (EjectorRail)
Đối với sản phẩm đòi hỏi không có vết tì của thanh đẩy thì người ta có thể dùng mâm trượt để lấy sản phẩm khỏi khuôn. Khi đó sản phẩm được thiết kế dính lại trên chày ép khi ở khuôn, mâm trượt được bố trí trên chày ép. Do mâm trượt tác dụng đồng đều lên sản phẩm ít bị biến dạng.
∗ Lấy sản phẩm bằng khí nén (Bubbler)
Đối với sản phẩm có thành cao và vách mỏng, biện pháp lấy sản phẩm thường dùng là không khí nén. Không khí được thổi qua van đẩy sản phẩm khỏi khuôn. Khi chưa hoạt động van sẽ đóng kín ngăn không cho hình thành rìa trên sản phẩm.
Ngoài 3 cách lấy sản phẩm ở trên, sản phẩm còn có thể được tháo khỏi khuôn bằng phương pháp khác như dùng má khuôn hoặc các phương pháp kết hợp khác.
3.6. Làm sạch khuôn ép
Sau khi lấy sản phẩm ra khỏi khuôn, cần phải tiến hành làm sạch khuôn trước khi chu kỳ tiếp theo. Mục đích của công đoạn này là làm cho bề mặt bóng đẹp. Mặt khác, khuôn ép sạch cũng giúp cho vật liệu dễ chảy vào khuôn ép. Việc làm sạch khuôn có thể tiến hành bằng tay, không khí nén và đôi khi khuôn còn được phủ thêm lớp bôi trơn.
3.7. Ưu nhược điểm của phương pháp ép nóng
Ưu điểm của phương pháp ép nóng:
Lượng vật liệu dư thải bỏ trong quá trình ép rất thấp, và không có sự văng ra của vật liệu thừa và rãnh ngang khuôn đúc.
Không có sự bào mòn lỗ đúc khuôn hay rãng ngang khuôn đúc.
Áp suất nén được trải đều trên vật liệu đúc, ứng suất bên trong và hợp lực gây cong vênh rất thấp.
Việc làm lạnh, đun nóng sơ bộ vật liệu hay đun nóng phôi có thể được tiến hành một cách tự động.
Thuận lợi cho việc đúc các chi tiết có kích thước lớn.
Sự co ngót chi tiết sau đúc là rất thấp.
Một cách chung nhất, việc đúc các chi tiết dày dễ dàng hơn so với phương pháp ép đúc (đúc truyền)_transfer moulding.
Nếu khuôn đúc có nhiều lỗ (cavities) thì đòi hỏi áp suất đúc thấp hơn so với phương pháp đúc truyền.
Nhược điểm của phương pháp ép nóng:
Không dùng để ép đúc các chi tiết tinh xảo, mỏng, dễ vỡ.
Vệ sinh ống lót khuôn đúc thường gặp khó khăn.
Đúc vật gồ gề khó thiết kế khuôn.
Gia công làm sạch các rìa sau quá trình đúc tốn thời gian và chi phí.
Độ sâu của khuôn đúc giữ được giới hạn trong 2,5 lần bề dày.
Trọng lượng hạt vật liệu đúc phải được kiểm soát chặc chẽ.
3.8. Các ứng dụng của máy ép nóng
Máy ép nóng sử dụng trong lưu hóa vỏ xe hơi.
Máy ép nóng trong sản xuất polywood hoặc MDF (Medium Density Fiberboard).
Máy ép nóng trong sản xuất ống nhựa đường kính lớn có sợi thủy tinh.
Ở Việt Nam gần đây đã nghiên cứu thiết kế thành công khu đúc vỏ đèn trong chương trình đồ họa 3D; chế tạo khuôn ép vỏ đèn Master bằng thép SKD61; lựa chọn các thiết bị sản xuất vỏ đèn thích hợp như máy ép thủy lực đứng, tự động điều khiển được các tốc độ ép, thiết bị điều khiển nhiệt độ theo công nghệ FUZZY-LOGIC.
Một số sản phẩm cao su được gia công bằng phương pháp ép nóng:
Hình 7. Các sản phẩm bằng cao su
:kinhbu (:kinhbu (:kinhbu (