Nghiên cứu này sử dụng vật liệu BMC để ứng dụng chế tạo chi tiết đế chân cầu dao điện. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm chế tạo cho độ tương hợp cao. Sản phẩm nhận được đạt yêu cầu thiết kế…
Fabrication of the circuit breaker bottom using BMC composite material from unsaturated polyester resin and reinforced with short glass fiber
Lê Thái Hùng1, Nguyễn Kim Chính1, Nguyễn Đức Thái1, Vũ Đình Thắng1, Nguyễn Mạnh Hùng2, Tạ Hồng Dương2
1Đại học Bách khoa Hà Nội, 2Công ty cổ phần khí cụ điện 1 – VINAKIP
mail liên lạc: hung.lethai@hust.edu.vn
Ngày nhận bài: 16/11/2015, Ngày duyệt đăng: 24/1/2016
Tóm tắt
BMC (Bulk Moulding Compounds) là vật liệu compozit nền polyme nhiệt rắn dạng khối, gia cường bởi sợi thuỷ tinh ngắn. Chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp điện, công nghiệp ôtô để sản xuất các chi tiết có cơ tính cao, bề mặt nhẵn bóng, tỷ trọng thấp và hình dạng phức tạp. Trong nghiên cứu trước, chúng tôi đã chế tạo thành công vật liệu compozit BMC từ nền nhựa polyeste không no và gia cường bởi sợi thủy tinh trên máy trộn trục Z. Nghiên cứu này sử dụng vật liệu BMC để ứng dụng chế tạo chi tiết đế chân cầu dao điện. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm chế tạo cho độ tương hợp cao. Sản phẩm nhận được đạt yêu cầu thiết kế.
Từ khóa: BMC, Compozit nền polyme, Sợi thủy tinh, polyeste không no.
Abstract
BMC (Bulk Moulding Compounds) is a composite material of thermosetting polymer, reinforced by short glass fibers. They are widely used in electric and automotive industries to produce parts with high mechanical properties, glossy surface, low density and complex shapes. In the previous study, we have successfully made BMC com- posite material from unsaturated polyester resin and reinforced with short glass fiber by Z axis mixer. In this study, BMC composite material is used to produce the circuit breaker bottom. In general, a good agreement between the numerical and the experimental results is obtained. The product obtained is of good quality.
Keywords: Bulk Moulding Compounds, glass fiber, unsaturated polyester.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
BMC là vật liệu compozit, được chế tạo từ hỗn hợp chất độn nhiệt rắn nền polyme gia cường bởi sợi thuỷ tinh ngắn. Chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp điện, công nghiệp ô tô để sản xuất các chi tiết có cơ tính cao, bề mặt nhẵn bóng, tỷ trọng thấp và hình dạng phức tạp [1,2]. Hiện nay trên thế giới, cùng với việc chế tạo vật liệu com- pozit BMC truyền thống thì nhiều tập đoàn cũng đang quan tâm chế tạo vật liệu BMC thân thiện với môi trường như chế tạo từ đậu tương kết hợp với các sợi đay, dứa, [3]. Trong khi đó vật liệu compozit BMC ở nước ta vẫn chưa chủ động được về vật liệu cũng như công nghệ chế tạo. Nguyên liệu để chế tạo vật liệu compozit BMC chủ yếu là nhập khẩu từ Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản với giá thành cao [4]. Các nghiên cứu trong nước bước đầu cũng đã tiếp cận nghiên cứu vật liệu compozit nền polyme tăng cường sợi thủy tinh và sợi tre nhưng cũng mới chỉ dừng ở mức độ chế tạo vật liệu theo kinh nghiệm, chưa có sản phẩm ứng dụng cụ thể [5]. Qua đó cho thấy việc nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu compozit BMC là rất cần thiết, nó được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp đặc biệt là công nghiệp điện và công nghiệp ôtô.
Trong công trình nghiên cứu trước, chúng tôi đã chế tạo và đánh giá tính chất vật liệu compozit BMC nhận được, cho thấy vật liệu này đáp ứng các yêu cầu chế tạo các chi tiết kỹ thuật điện [6]. Bài báo này đi sâu nghiên cứu ứng dụng vật liệu này để chế tạo chi tiết đế chân cầu dao điện.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Thành phần vật liệu compozit BMC
Bảng 1 là thành phần sử dụng để chế tạo vật liệu compozit BMC.
Bảng 1. Thành phần vật liệu compozit BMC nghiên cứu
|
Thành phần |
Tính chất |
| Nhựa nền | Nhựa polyeste không no (PEKN) |
| Sợi thủy tinh | E-glass loại 360g/m2 dài 25 mm, đường kính 14 μm |
| Chất độn | Bột đá (CaCO3), MgO |
| Chất phụ gia khác | ức chế DCP, bôi trơn BYK, chống dính… |
2.2. Quá trình chế tạo vật liệu compozit BMC
Quá trình chế tạo vật liệu compozit BMC được mô tả như hình 1a. Sau khi chuẩn bị hóa chất và các dụng cụ cần thiết, tiến hành cân các thành phần của vật liệu BMC theo tỷ lệ tính toán lý thuyết, sau đó khuấy hỗn hợp nền (PEKN, PS, BYK, CaCO3, MgO, kẽm Stearate) trên máy khuấy với thời gian là 20 phút mục đích nhằm đồng đều thành phần. Khi hỗn hợp các chất nền được khuấy đồng nhất với nhau, tiến hành trộn nền với cốt sợi thủy tinh trong máy trộn trục Z, thời gian trộn là 30 phút. Sau khi hỗn hợp được trộn xong tiến hành ép mẫu trong khuôn đã được gia nhiệt ở nhiệt độ 150 oC với áp suất ép 8 MPa trong 10 phút để kiểm tra tính chất cơ học. Nếu các tính chất đạt yêu cầu theo nhánh (Đ) thì ta nhận được vật liệu compozit BMC (hình 1b). Nếu tính chất chưa đạt yêu cầu theo nhánh (S) quay lại điều chỉnh các thông số vật liệu ban đầu. Kiểm tra các tính chất vật liệu nhận được đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, sau đó tiến hành ép đế chân cầu dao điện.
Bảng 2. Số lượng, ký hiệu và thành phần mẫu vật liệu compozit BMC thử cơ tính
| Số lượng mẫu | Ký hiệu mẫu | Tỷ lệ % trọng lượng sợi/nền/chất độn CaCO3 |
| 3 | A | 18/32/50 |
| 3 | B | 23/32/45 |
| 3 | C | 28/32/40 |
2.3. Đánh giá tính chất cơ học, nhiệt và điện của vật liệu BMC sau khi ép đóng rắn
Tỷ lệ sợi thủy tinh trong nghiên cứu này là 18, 23, 28 %. Số lượng, ký hiệu và thành phần mẫu được cho trong bảng 2. Các kích thước mẫu kéo, uốn và va đập được xác định tương ứng theo tiêu chuẩn ISO 178-2003 và ISO 527-1993 và ISO 180. Độ bền kéo và độ bền uốn được xác định trên máy MTS 793-100 k Tốc độ 5 mm/phút, nhiệt độ 25 oC, độ ẩm < 70 %. Độ dai va đập xác định trên máy Tinus-Olsen.
Bảng 3 là kết quả kiểm tra cơ tính của vật liệu compozit BMC với tỷ lệ sợi khác nhau bao gồm: giới hạn bền kéo σk, giới hạn bền uốn σu, độ dai va đập Avd.
Bảng 3. Tính chất cơ học của vật liệu BMC với các tỷ lệ sợi khác nhau, [6]
| Loại mẫu | σk, MPa | σu, MPa | Avd , kJ/m2 |
| A | 15 | 27 | 8 |
| 20 | 27 | 9 | |
| 17 | 26 | 10 | |
| B | 23 | 66 | 12 |
| 25 | 69 | 11 | |
| 26 | 70 | 11 | |
| C | 39 | 78 | 21 |
| 38 | 79 | 21 | |
| 39 | 80 | 20 |
Bảng 4. Kết quả thử nghiệm tính chất nhiệt-điện trên mẫu A, B và C có chiều dày 3 mm.
Bảng 3 cho thấy rằng hầu hết các tính chất cơ học như giới hạn bền kéo, giới hạn bền uốn, độ dai va đập của vật liệu compozit BMC chế tạo được đều nằm trong khoảng giá trị của vật liệu compozit BMC trên thế giới đang chế tạo [3].
Bảng 4. Kết quả thử nghiệm tính chất nhiệt-điện trên mẫu A,B và C có chiều dày 3 mm.
| Mẫu | Khả năng chịu nhiệt max, oC | Điện trở bề mặt, Ω | Điện trở khối, Ωm |
| A | 180 | >1012 | >1010 |
| B | 180 | >1012 | >1010 |
| C | 180 | >1012 | >1010 |
Bảng 4 là kết quả thử các mẫu sau khi ép được đo khả năng chịu nhiệt lớn nhất cho phép đạt 180oC, điện trở bề mặt và điện trở khối đều đạt yêu cầu theo điều kiện làm việc của các chi tiết kỹ thuật điện.
2.4. Mô phỏng quá trình ép điền đầy đế chân cầu dao điện
a) Mô hình hình học sản phẩm
Sản phẩm (hình 2) được ứng dụng tại Công ty cổ phần khí cụ điện 1 – VINAKIP làm đế chân cầu dao điện.
bàn khuôn trên (b) sử dụng để mô phỏng
Dựa vào các đặc điểm hình học của sản phẩm như hình 2, đã tính toán thiết kế khuôn như hình 3 và tiết hành mô phỏng trên phần mềm Deform 3D kiểm tra khả năng điền đầy của vật liệu trong khuôn. Trong phần mềm Deform phôi được chia lưới theo kiểu phần tử tứ diện với số lượng phần tử là 50.000, trong quá trình tính toán có khả năng tự chia nhỏ lưới để giúp vật liệu điền đầy tốt hơn vào lòng khuôn.
b) Mô hình vật liệu
Trong nghiên cứu này nhóm tác giả lựa chọn mô hình vật liệu được thực hiện theo đường cong thực nghiệm nhận được từ mô hình thí nghiệm nén trên vật liệu compozit BMC như trên hình 4 [7].
Điều kiện thí nghiệm nén với tốc độ biến dạng = 0.01 s-1, tỷ lệ sợi/nền/chất độn là 23/32/45 % khối lượng, nhiệt độ mẫu T = 20 oC.
Lựa chọn mô hình vật liệu dạng tổng quát như phương trình (1).
Mô hình ứng xử của vật liệu trong trường hợp này phụ thuộc vào mức độ biến dạng, tốc độ biến dạng và nhiệt độ T.
c) Điều kiện biên
Trong quá trình tạo hình, dưới áp lực khuôn trên phôi bị biến dạng và điền vào trong lòng khuôn. Trong nghiên cứu này giả thiết khuôn là cứng tuyệt đối, nhiệt độ phôi ban đầu là 20 oC, nhiệt độ khuôn là 150 oC, tốc độ đóng khuôn là 1 mm/s, hệ số ma sát f giữa phôi và khuôn là 0,12, hành trình ép là 28 mm.
d) Kết quả mô phỏng
Hình 5 là sản phẩm của kết quả mô phỏng chi tiết đế chân cầu dao điện. Hình dạng sản phẩm và bộ khuôn thiết kế nhận được đảm bảo yêu cầu. Từ kết quả này cho phép xác định được miền áp lực để lựa chọn thiết kế khuôn và máy ép phù hợp.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Khuôn ép thực nghiệm
Hình 6 là sản phẩm bộ khuôn đế chân cầu dao được chế tạo (a) và hệ thống gia nhiệt cho khuôn (b).
Trên cơ sở các kết quả thu được ở quá trình mô phỏng và nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ, các thông số được chọn lựa để tiến hành thực nghiệm như bảng 5.
Bảng 5. Điều kiện thí nghiệm ép mẫu đế chân cầu dao điện
| – Vật liệu ép | Compozit BMC có tỷ lệ % khối lượng sợi-nền-chất độn: 23-32-45 |
| – Vận tốc ép, mm/s | 1,0 |
| – Thể tích phôi, mm3 | 75.550 |
| – Khối lượng riêng, g/cm3 | ≈ 2,0 |
| – Nhiệt độ khuôn ép đóng rắn, oC | 150oC |
| – Áp lực ép, tấn | 20 |
| – Chất bôi trơn | Silicon chịu nhiệt |
Trọng lượng phôi được tính toán trên cơ sở điều kiện bảo toàn thể tích không đổi của phôi, sản phẩm và khối lượng riêng của vật liệu BMC.
3.2. Sản phẩm đế chân cầu dao sau khi ép
Hình 7 cho thấy sản phẩm đế chân cầu dao điện nhận được bước đầu đảm bảo các yêu cầu về hình dạng, kích thước sản phẩm.
Sản phẩm thiết kế (hình 2), mô phỏng (hình 5) và sản phẩm sau khi ép (hình 7) cho độ tương hợp cao.
4. KẾT LUẬN
– Nghiên cứu đã chế tạo thành công vật liệu compozit BMC trong máy trộn trục Z với các tính chất đáp ứng yêu cầu ứng dụng cho các chi tiết kỹ thuật điện và xây dựng quá trình công nghệ chế tạo vật liệu này.
– Đã thiết kế bộ khuôn ép đế chân cầu dao điện trên cơ sở tính toán mô phỏng.
– Sản phẩm thực nghiệm và mô phỏng cho độ tương hợp cao. Các kích thước sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật.
– Chế độ công nghệ trong trường hợp chế tạo đế chân cầu dao đạt yêu cầu bao gồm: tỷ lệ % khối lượng sợi/nền/chất độn: 23/32/45; nhiệt độ khuôn khi ép 150 oC; áp lực ép 20 tấn; vận tốc ép là 1 mm/s.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- Lafranche E., Menio S., Guegan M.L., Krawczak P.; étude expérimentale des mécanismes découlement dans le moulage par injection des BMC, Rev. Compos. Mater. Av., Vol. 12, (2002) pp. 461-475.
- Orgéas L., Dumont P. J. J., Le T. H., Favier D.; Lubricated compression of BMC, a concentrated and fibre- reinforced granular polymer suspension, Rheol. Acta, No47, (2008), pp.677-688.
- http://www.bulkmolding.com/
- Công ty cổ phần Khí cụ điện 1 – VINAKIP; địa chỉ: Phường Xuân Khanh – Sơn Tây – Hà Nội.
- Tran Vinh Dieu, Nguyen Thanh Liem, Tran Thi Mai and Nguyen Huy Tung; Study on fabrication of BMC lam- inates based on unsaturated polyester resin reinforced by hybrid bamboo/glass fibers, JSMA Internaltional Journal, series A, vol.47, (2004), p570-573.
- Lê Thái Hùng, Vũ Văn Thông, Nguyễn Thị Lan; Chế tạo và đánh giá tính chất cơ học của vật liệu compozit nền polyme sợi thủy tinh dạng khối (BMC), Tuyển tập báo cáo hội nghị khoa học toàn quốc Cơ học vật rắn biến dạng lần thứ XII, Đại học Duy Tân, TP Đà Nẵng, 7/8/2015.
- Vũ Văn Thông; ảnh hưởng của thông số công nghệ đến quá trình lưu biến của vật liệu compozit BMC (Bulk Molding Compounds”, Luận văn cao học, ĐHBK Hà Nội, 2015.
Lời cảm ơn: Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ kinh phí của đề tài cấp Sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội, mã số 01C-03/06-2014-2 để thực hiện nghiên cứu này.
