Giáo trình Công nghệ vật liệu nhựa và khuôn mẫu

chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 1 NHIỆT ĐỊNH HÌNH (THERMOFORMING) 1 1 NGUYÊN LÝ. 2 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 2 GIA NHIỆT VẬT LIỆU TRƯỚC KHI ĐỊNH DẠNG KẸP 1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC ĐƯỜNG HÚT CHÂN KHÔNG HÌNH DẠNG SẢN PHẨM 3 ĐỊNH DẠNG CHÂN KHÔNG • Nhiệt định hình là một phương pháp chế biến h lâ đời à hổ biế 1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC n ựa u v p n nhất. 4 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 3 1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC • Tấm hoặc màng được tạo từ công nghệ đùn được gia nhiệt trên nhiệt độ mềm Tg, sau đó được biến dạng bởi lực tạo hình ( áp suất chân không, áp ất khô khí h ặ l h ) é ó à kh ô à à đ là ội C ốisu ng o c ực cơ ọc p n v o u n v v ược m ngu . u cùng sản phẩm sẽ có hình dạng của bề mặt khuôn. Các đặc tính: • Biến dạng trong nhiệt định hình được thực hiện trong khi vật liệu ở trạng thái mềm (không nóng chảy). Đó chính là điểm võng xuống 5 •Quá trình chủ yếu là biến dạng dài bề mặt tự do, nó tương tự quá trình thổi và thổi màng. •Ưu điểm -Giá thành máy thấp -Nhiệt độ yêu cầu thấp -Áp suất yêu cầu thấp ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM -Tạo chi tiết lớn dễ dàng -Chu kỳ khuôn nhanh -Vật liệu khuôn không yêu cầu cao •Nhược điểm -Polymer bị gia nhiệt hai lần -Giá vật liệu cao 6 -Phế liệu cao -Độ phức tạp của hình dáng sản phẩm bị hạn chế -Sản phẩm chỉ được tạo hình bởi một phía nhờ khuôn -Chiều dầy sản phẩm không đồng đều -Có nội ứng suất chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 4 2 SẢN PHẨM. 7 2.CÁC SẢN PHẨM NHIỆT ĐỊNH HÌNH 8 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 5 2.CÁC SẢN PHẨM NHIỆT ĐỊNH HÌNH 9 2.CÁC SẢN PHẨM NHIỆT ĐỊNH HÌNH 10 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 6 2.CÁC SẢN PHẨM NHIỆT ĐỊNH HÌNH 11 2.CÁC SẢN PHẨM NHIỆT ĐỊNH HÌNH 12 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 7 2.CÁC SẢN PHẨM NHIỆT ĐỊNH HÌNH 13 2.CÁC SẢN PHẨM NHIỆT ĐỊNH HÌNH 14 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 8 3 PHÂN LOẠI. 15 • Chân không • Áp suất • Hỗ trợ nhờ chày 3.PHÂN LOẠI • Kéo ngược • Tự do • Chày (Drape) • Cối (Snap-back) ố 16 • Chày và c i (Matched die) • Cơ chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 9 4 ĐỊNH DẠNG. BẰNG CHÂN KHÔNG 17 * Đây là dạng đơn giản nhất, dùng áp suất chân không để kéo tấm vào lòng khuôn. • Quá trình bắt đầu khi tấm ề 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG được gia nhiệt m m. • Sau đó áp suất chân không thông qua các lỗ nhỏ ở bên trong khuôn sẽ đẩy tấm vào sát khuôn nơi mà nó được làm nguội và có được hình dạng mong muốn ( hình dạng của lòng khuôn). 18 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 10 BƯỚC 1 19 Tấm chất dẻo được gia nhiệt đến nhiệt độ mềm BƯỚC 2 20 Tấm được đặt lên trên lòng khuôn chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 11 BƯỚC 3 21 Chân không sẽ kéo tấm vào trong lòng khuôn BƯỚC 4 Chất dẻo sẽ được làm nguội khi nó tiếp xúc với mặt khuôn có nhiệt độ nguội và sản phẩm sẽ được lấy đi 22 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 12 – Dùng khi chiều sâu cần thiết của sản phẩm lớn. – Kích thước của bóng bóng được giám sát bởi con mắt điện tử. Khi bóng thổi tới kích thước yêu cầu thì áp suất ngừng cung cấp vép vật liệu vào khuôn. Chà ẽ hỗ để hì h dá ủ ả hẩ 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ KÉO NGƯỢC – y s trợ tạo ra n ng c a s n p m. – Ưu điểm là chiều dầy đồng đều hơn. Nhược điểm là chu kỳ lớn – Áp suất chân không sẽ kéo vật liệu trước khi hình thành sản phẩm để sản phẩm có chiều dầy đồng đều hơn 23 • Nó là dạng khác của phương pháp ê ó kế h điể ủ h ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ BỀ NGOÀI CỦA KHUÔN NHƯNG NGƯỢC (Snap-back Forming) tr n n t ợp ưu m c a p ương pháp kéo ngược và định dạng nhiệt nhờ bề mặt ngoài của khuôn. • Tấm được gia nhiệt đến nhiệt độ mềm và kéo nhanh về phía khuôn. • Thường dùng cho chi tiết có hình dạng phức tạp. Chu kỳ tương đối ề ầ ẩ ồ 24 dài nhưng chi u d y sản ph m đ ng đều tốt. chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 13 • Chày sẽ hỗ trợ quá trình hình thành để cải thiện quá trình định dạng nhiệt nhờ chân không. Việc sử dụng chày ép ấ ề 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG CÙNG VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA CHÀY vào t m ở nhiệt độ m m vào khuôn trước khi có tác dụng của chân không • Đôi khi người ta có thể sử dụng với áp suất dư thay vì dùng áp suất chân không 25 •Phương pháp này là dạng khác của phương pháp hỗ trợ của chày. • Tấm sẽ được gia nhiệtđến nhiệt độ mềm và thổi nó xa khuôn (kéo vật liệu mỏng ở tâm của tấm vùng có chiều dầy lớn nhất trong quá trình dùng định dạng nhiệt nhờ chân không) trước khi dùng chày hỗ trợ. 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ KÉO NGƯỢC 26 Bước kéo ngược (tạo bóng) Bước dùng chày hỗ trợ và tạo hình sản phẩm chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 14 • Hai lớp được định dạng đồng thời • Có thể tạo nhiều mầu và trang trí ĐỊNH DẠNG NHIỆT HAI LỚP 27 5 ĐỊNH DẠNG. BẰNG ÁP SUẤT 28 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 15 – Áp suất dư thường (14.5 to 300 psi). – Ưu điểm là chu kỳ khuôn nhanh hơn so với phương pháp trên, tấm được tạo thành với nhiệt độ thấp hơn do áp suất ép cao hơn, kích thước sản phẩm có độ chính xác hơn và sản phẩm có hình dáng sắc nét hơn. Áp suất được tác dụng nhanh để ngăn ngừa bị nguội 5.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ ÁP SUẤT 29 Áp suất không khí sẽ ép tấm vào lòng khuôn 6 ĐỊNH DẠNG. TỰ DO 30 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 16 – Việc định dạng sản phẩm không cần khuôn. – Sản phẩm được phồng lên nhờ áp suất và sau đó được làm nguội. Vòng kẹp thiết kế có thể điều khiển hình dáng bán cầu 6.ĐỊNH DẠNG NHIỆT TỰ DO – Ví dụ làm sản phẩm dạng vòm của xe đua. – Ưu điểm là có độ trong suốt quang học cao. – Các sản phẩm được thổi – Không tiếp xúc với bề mặt khuôn, việc chạm sản hẩ à bề ặt kh ô ẽ là h hất l bề 31 p m v o m u n s m c o c ượng mặt của sản phẩm bị thay đổi – Độ phức tạp của sản phẩm bị giới hạn 6.ĐỊNH DẠNG NHIỆT TỰ DO 32 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 17 7.ĐỊNH DẠNG NHỜ LÒNG VÀ CHÀY 33 - Hai khuôn được dùng để hình thành sản phẩm mà không sử dụng áp suất – Dùng khi sản phẩm không có kéo lớn. – Ưu điểm là chất lượng kích thước bề mặt trong và ngoài tốt 7.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ LÒNG VÀ CHÀY KHUÔN (Matched Die Forming) 34 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 18 8.KHUÔN 35 ỗ KHUÔN Khuôn sợi thủy tinh Khuôn g 36 Khuôn kim loại chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 19 KHUÔN 37 • Khuôn cái (Female mold)- khuôn đực ( Male mold) KHUÔN 38 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 20 KHUÔN 39 9.THIẾT KẾ SẢN PHẨM 40 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 21 • Tỉ số kéo – Cần phải chọn hợp lý để chiều sâu không thừa quá mức. – Là thống số quan trọng dùng để xác định khối lượng sao cho sự thay đổi chiều dầy của sản phẩm không xảy ra. Tỉ số kéo cao sẽ gây ra sự thay đổi chiều dầy quá nhiều, hoặc quá mỏng có thể xảy ra. 9. THIẾT KẾ SẢN PHẨM – Tỉ số kéo = Chiều sâu của sản phẩm / chiều rộng của sản phẩm. – Tỉ số kéo cần phải nhỏ hơn • 2:1 đối với khuôn cái • 7:1 đối với khuôn đực •Tỷ số diện tích Tỉ số diện tích gần bằng khối lượng của sản phẩm. 41 – Tỉ số diện tích = Diện tích của tấm trước khi định dạng / diện tích của sản phẩm sau khi tạo hình – Ví dụ diện tích của tấm là 30 in2 và sản phẩm có diện tích là 60 in2, thì tỷ số là 1:2 và chiều dầy của sản phẩm sẹ là 50% chiều dầy của tấm. • Hình dáng và thiết kế sản phẩm – Undercuts • Các lõi kéo 9. THIẾT KẾ SẢN PHẨM – Kích thước • Chiều sâu, và diện tích bề mặt 42 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 22 10.THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ 43 – TỐC ĐỘ CỦA ÁP SUẤT CHÂN KHÔNG • Càng nhanh càng tốt – Nhiệt độ của kuôn 10. CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ • Thông thường là nhiệt độ phòng. Nếu nhiệt độ tăng thì thời gian chu kỳ và độ co rút sẽ tăng – Kích thước của bóng khi dùng phương pháp kéo ngược Kích thước của bóng không vướt quá 50% to 75% kích thước ngắn của tấm kẹp – Plug size • Chầy bằng70% đến 85% lòng khuôn và hính dáng của chày phải đối xứng với 44 lòng khuôn chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 23 45 11.THIẾT BỊ 46 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 24 • Máy 11. THIẾT BỊ 47 11. THIẾT BỊ 48 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 25 11. THIẾT BỊ 49 11. THIẾT BỊ 50 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 26 11. THIẾT BỊ 51 Máy định dạng nhiệt một trạm thường bao gồm : - Phần gia nhiệt phôi tấm - kẹp tấm 11. THIẾT BỊ - Khuôn -Di chuyển tấm và khuôn vào phần định dạng. Liên quan với hệ thống chân không và áp suất, và pittôn thủy lực để ép vào khuôn, - Hệ thống vận chuyển, 52 - Lò và quạt làm nguội chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 27 11. THIẾT BỊ 53 11. THIẾT BỊ 54 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 28 • Máy Máy đóng gói Máy có khuôn di chuyển qua lại Shuttle Mold Machine 11. THIẾT BỊ Máy đóng gói phồng 55 Máy định dạng chân không • Các điều cần chú ý – Vật liệu đóng gói ấ 11. THIẾT BỊ • T m • Cuộn – Bộ phận đóng gói • Quá trình thứ hai • Cắt – Phế liệu vật liệu 56 • Sử dụng lại/bỏ đi chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 29 12.VẬT LIỆU 57 • Ứng dụng được cho cả nhựa nhiệt dẻo và cả nhựa nhiệt rắn. Người ta sử dụng chủ yếu nhựa nhiệt dẻo. 12. VẬT LIỆU • Hầu như tất cả các loại nhựa nhiệt dẻo đều thích hợp với phương pháp định dạng nhiệt nhờ chân không. • Phổ biến nhất là Polystyrene (HIPS), vì giá thành tương đối rẻ, màu sắc đa dạng và rất dễ dàng để tạo hình. 58 chương 4 Các phương pháp gia công 3/31/2010 PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ 30 Vật liệu Tg Theat distortion@66ps i Tmold set Tlower forming limit Tnormal forming Tupper forming limit ABS 88-120°C 77-113°C 82°C 127°C 146°C 182°C PS 94°C 68-96°C 85°C 127°C 149°C 182°C 12. VẬT LIỆU HDPE -110°C 79-91°C 77°C 127°C 146°C 182°C PP 5°C 107-121°C 88°C 132°C 154-163°C 166°C PC 150°C 138°C 132°C 168°C 191°C 204°C 59 Thuộc tinh của vài loại nhựa dùng cho nhiệt định hình (theo Throne 1996, trang. 69) PMMA 100°C 74-113°C 85°C 149°C 177°C 193°C Vật liệu Tính dẫn nhiệt (cal/s cm °C) x 104 Khả năng chịu nhiệt (cal/g °C) Khả năng tỏa nhiệt (cm2/s) x 10-4 Giãn nở nhiệt Coef. (°C-1) x 10-6 12. VẬT LIỆU ABS 2-3 0.4 4.8-7.1 70 PS 4.3 0.54 7.66 60-130 LDPE 7.57-9.6 0.88-1.05 7.85-11.9 250 HDPE 9.0-12.1 0.88-1.15 8.1-14.3 200 60 Thuộc tinh của vài loại nhựa dùng cho nhiệt định hình (theo Throne 1996, trang. 85- 86)