Cách thiết kế sản phẩm với vật liệu sợi thủy tinh và composite

Mục đích của hướng dẫn thiết kế này là cung cấp một số thông tin chung về vật liệu sợi thủy tinh và composite và để giải thích cách thiết kế sản phẩm với các vật liệu này.

Vật liệu composite

Vật liệu tổng hợp được chế tạo bằng cách kết hợp hai vật liệu trong đó một trong các vật liệu là phần gia cường (sợi) và vật liệu còn lại là resin (keo). Sự kết hợp của sợi và keo tạo nên các đặc tính vượt trội so với các vật liệu được sử dụng đơn lẻ. Ví dụ về các sản phẩm composite trong tự nhiên là gỗ, with our site, tre và xương, và một ví dụ về hỗn hợp sản xuất nhân tạo ban đầu là bùn và rơm đã được sử dụng trong hơn 10.000 năm in our current post.

Vật liệu composite rất linh hoạt và được sử dụng trong nhiều ứng dụng. Các bộ phận hỗn hợp cung cấp độ bền vượt trội, độ cứng và trọng lượng nhẹ, và có thể được tạo thành hình dạng bất kỳ. Một ứng dụng lý tưởng là các cấu trúc lớn phức tạp như vỏ sợi thủy tinh. Các sản phẩm tổng hợp là lý tưởng trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao như hàng không vũ trụ, xe đua, chèo thuyền, đồ thể thao và các ứng dụng công nghiệp. Vật liệu composite được sử dụng rộng rãi nhất là sợi thủy tinh trong nhựa polyester, thường được gọi là sợi thủy tinh. Sợi thủy tinh có trọng lượng nhẹ, chống ăn mòn, giá rẻ, dễ gia công, có tính chất cơ học tốt và có hơn 50 năm lịch sử. Nó là vật liệu chủ đạo trong các ngành công nghiệp như đóng thuyền và thiết bị ăn mòn, và nó đóng vai trò chính trong các ngành công nghiệp như kiến trúc,

Các vật liệu composite điển hình có thể được chế tạo bằng các loại sợi như sợi thủy tinh, sợi carbon (than chì), Kevlar, thạch anh và polyester. Các sợi đi trong thảm, thảm sợi ngắn, vải dệt, băng đơn hướng, vải hai trục hoặc vải ba trục. Các loại nhựa thường là các loại nhựa nhiệt như polyester, vinyl ester, epoxy, polyurethane và phenolic. Các nhựa bắt đầu như một chất lỏng và trùng hợp trong quá trình chữa bệnh và cứng lại. Tỷ lệ trọng lượng của sợi với keo có thể dao động từ 20% sợi đến 80% keo đến 70% sợi đến 30% keo. Thông thường, hàm lượng xơ cao hơn cung cấp sức mạnh và độ cứng tốt hơn, và các sợi liên tục cung cấp sức bền và độ cứng tốt hơn. Việc sử dụng vật liệu composite cung cấp cho các kỹ sư khả năng điều chỉnh sự kết hợp giữa sợi và nhựa để đáp ứng yêu cầu thiết kế và hoạt động tốt hơn vật liệu tiêu chuẩn.

Vật liệu tổng hợp đang thay thế kim loại và nhựa trong nhiều ngành công nghiệp và vật liệu tổng hợp là vật liệu được lựa chọn cho nhiều ứng dụng mới. Vui lòng xem bảng 1 để so sánh chi phí và tính chất của vật liệu composite cấp thương mại với nhôm, thép và gỗ.

BẢNG 1

	Sợi thủy tinh & polyester	Than chì & epoxy	Gỗ (linh sam Douglas)	Tấm nhôm 6061 T-6	Tấm thép
Chi phí vật liệu $ / lb	$ 2,00-3,00	$ 9,00-20,00 +	$ 0,80	$ 4,50-10,00	$ 0,5-1,00
Sức bền (psi)	30.000	60.000	2.400	35.000	60.000
Độ cứng (psi)	1,2 x 10 ⁶	8 x 10 ⁶	1,8 x 10 ⁶	10 x 10 ⁶	30 x 10 ⁶
Mật độ (lb / trong ³ )	.055	.065	.02	.10	.30

Quy trình sản xuất khuôn mở

Quy trình sản xuất phổ biến nhất cho sợi thủy tinh là quy trình phun súng ướt hoặc sử dụng khuôn mở. Hình dạng của chi tiết được xác định bởi hình dạng của khuôn và bề mặt khuôn thường tiếp xúc với bên ngoài của chi tiết. Lớp đầu tiên được áp dụng cho khuôn để ngăn phần sợi thủy tinh bám vào khuôn. Lớp gel, là nhựa màu, được áp dụng cho khuôn để tạo màu cho sản phẩm. Sợi thủy tinh và nhựa sau đó được lắng đọng trên khuôn và sợi thủy tinh được nén bởi các con lăn, giúp phân phối đều nhựa và loại bỏ các túi khí. Nhiều lớp sợi thủy tinh được lắng đọng cho đến khi đạt được độ dày mong muốn. Sau khi nhựa được xử lý, phần được lấy ra khỏi khuôn. Vật liệu dư thừa được cắt bỏ, và phần đã sẵn sàng để sơn và lắp ráp.

Quy trình phun keo chân không (ánh sáng RTM)

Quy trình phun keo chân không (VIP) là một kỹ thuật sử dụng chân không để kéo nhựa vào một lớp gỗ. Quá trình này được thực hiện trước tiên bằng cách để các sợi vải và vật liệu lõi vào khuôn, sau đó sử dụng túi chân không hoặc khuôn để đóng khuôn và tạo ra một môi trường chân không. Một máy bơm chân không được sử dụng để loại bỏ tất cả không khí trong khoang và củng cố các vật liệu sợi và lõi. Vẫn trong chân không, nhựa được truyền vào khoang khuôn để làm ướt sợi. Vị trí của các cổng chân không và các điểm chèn nhựa cần được lên kế hoạch cẩn thận để đảm bảo truyền nhựa đầy đủ. Ưu điểm của quy trình truyền chân không là tạo ra một lớp gỗ có hàm lượng sợi rất cao (lên đến 70% sợi theo trọng lượng), từ đó tạo ra độ bền rất cao và phần cứng ở trọng lượng tối thiểu.

Quy trình chuẩn bị sản xuất

Prepreg là vải đã được ngâm tẩm bằng nhựa (thường là epoxy). Nhựa được bảo dưỡng đến giai đoạn B, tạo ra một loại gel không phải là chất lỏng hay chất rắn. Vật liệu chuẩn bị cần phải được giữ đông lạnh để ngăn chặn nó được chữa khỏi hoàn toàn. Prereg được cắt thành hình và áp dụng cho khuôn theo lớp. Sau đó, một túi chân không được đặt trên vật liệu và bơm chân không hút hết không khí ra ngoài và nén các lớp lại với nhau và hợp nhất các vật liệu. Khuôn được nạp sau đó được đưa vào lò hóa lỏng nhựa để nó làm ướt các sợi. Khi nhiệt độ tăng, nhựa sẽ trùng hợp và trở nên cứng lại. Ưu điểm của Prepreg là kiểm soát tỷ lệ sợi rất chặt chẽ, độ rỗng thấp và vị trí chính xác của vải và độ dày đồng đều.

Thông tin thiết kế

Giống như bất kỳ vật liệu nào, sợi thủy tinh có ưu điểm và nhược điểm; tuy nhiên, trong các ứng dụng như ăn mòn, sản xuất khối lượng thấp đến trung bình, các bộ phận rất lớn, các bộ phận có đường viền hoặc tròn và các bộ phận cần cường độ riêng cao, sợi thủy tinh là vật liệu được lựa chọn. Sợi thủy tinh là vật liệu lý tưởng của nhà thiết kế, bởi vì các bộ phận có thể được điều chỉnh để có độ bền và / hoặc độ cứng theo các hướng và vị trí cần thiết bằng cách chiến lược đặt vật liệu và định hướng sợi. Thiết kế và sản xuất linh hoạt của sợi thủy tinh, cung cấp cơ hội hợp nhất các bộ phận và kết hợp nhiều tính năng vào bộ phận để tiếp tục giảm tổng giá thành một phần. Một số hướng dẫn thiết kế chung được liệt kê dưới đây:

Độ dày vật liệu	Thông thường nằm trong khoảng từ 1/16 “đến 1/2”. Có thể sử dụng xây dựng bánh sandwich để đạt được các phần nhẹ hơn và cứng hơn.
Bán kính góc	Đề xuất 1/8 “hoặc lớn hơn
Hình dạng	Sẽ nhân đôi hình dạng của khuôn. Có thể được nhiều đường viền. Undercuts có thể được cung cấp bằng cách sử dụng khuôn nhiều mảnh.
Dung sai kích thước	Phía công cụ có thể là + .010 “của công cụ Non Tool Side + .030″
Bề mặt hoàn thiện	Mặt công cụ có thể là lớp A Không phải mặt công cụ sẽ thô, nhưng có thể được làm nhẵn Có thể được sơn gel, hoặc sử dụng bất kỳ loại nào khác
Co ngót	0,002 trong / trong
Tính chất điện	Đặc tính cách điện trong suốt RF Có thể cung cấp che chắn EMI thông qua lớp phủ dẫn điện
Chống cháy	Nhựa có sẵn trong các ứng dụng chống cháy đáp ứng các thông số kỹ thuật khác nhau của ASTM hoặc UL
Ăn mòn	Nhựa có sẵn cho các ứng dụng ăn mòn, đặc biệt là nước muối nóng, hầu hết các axit, chất ăn da và khí clo

Cơ học và phân tích vật liệu composite

Các tính chất cơ học của kim loại và nhựa là đẳng hướng (cùng độ bền và độ cứng là tất cả các hướng). Các tính chất cơ học của vật liệu composite là bất đẳng hướng (cường độ và độ cứng khác nhau tùy thuộc vào hướng của sợi và tải). Sự khác biệt giữa các đặc tính đẳng hướng và dị hướng làm phức tạp việc phân tích thiết kế hỗn hợp, nhưng hầu hết các phần mềm FEA đều có khả năng phân tích tổng hợp. Đặc tính dị hướng của vật liệu composite cho phép kỹ sư điều chỉnh vật liệu tổng hợp để tăng cường độ và độ cứng chỉ trong các khu vực và hướng cần thiết do đó giảm trọng lượng và chi phí.

Dụng cụ

Dụng cụ hoặc khuôn được sử dụng để xác định hình dạng của các sản phẩm sợi thủy tinh. Phần sợi thủy tinh sẽ nhận tất cả các hình dạng và tính năng của khuôn; do đó chất lượng của bộ phận bị ảnh hưởng rất nhiều bởi chất lượng của khuôn. Các khuôn có thể là đực hoặc cái. Các khuôn cái (khuôn âm) là phổ biến nhất và chúng sẽ tạo ra một phần có bề mặt bên ngoài mịn trong khi khuôn nam sẽ tạo ra bề mặt bên trong mịn (vui lòng xem bản vẽ bên dưới).

Đối với các hoạt động sản xuất rất ngắn (dưới 10 chi tiết), khuôn tạm thời có thể được làm từ gỗ, bọt, đất sét hoặc thạch cao. Những khuôn này là kinh tế và có thể được chế tạo nhanh chóng, điều này sẽ cho phép các bộ phận nguyên mẫu rẻ tiền được chế tạo. Để sản xuất khối lượng lớn hơn, khuôn thường được làm bằng sợi thủy tinh. Những khuôn này có tuổi thọ hơn 10 năm và hơn 1000 chu kỳ. Khuôn sợi thủy tinh là không tốn kém và thường chỉ có giá gấp 6 đến 10 lần giá của chi tiết.

Khuôn là một hình ảnh phản chiếu của một chi tiết. Để tạo khuôn, cần có một bản gốc . Các chủ có thể là một sản phẩm thực tế, hoặc có thể được chế tạo từ gỗ, bọt, thạch cao hoặc đất sét. Hình dạng chính xác và kết thúc của bản gốc sẽ được chuyển vào khuôn. Sau khi hoàn thành bản gốc, nó được đánh bóng, đánh bóng và khuôn được xây dựng trên bản gốc. Kỹ thuật chế tạo khuôn tương tự như chế tạo một phần sợi thủy tinh ngoại trừ vật liệu dụng cụ (áo gel, nhựa và vải) được sử dụng để cung cấp khuôn bền có độ co thấp và ổn định kích thước tốt. Sau khi khuôn được ép, nó được gia cố bằng gỗ, sợi thủy tinh hoặc cấu trúc kim loại để đảm bảo giữ được hình dạng phù hợp. Khuôn sau đó được lấy ra khỏi bản gốc và đưa vào sản xuất.