Trang chủ / Công trình nghiên cứu / Chế tạo đế chân cầu dao điện từ vật liệu compozit nền polyme sợi thủy tinh dạng khối (BMC)
adv.

Chế tạo đế chân cầu dao điện từ vật liệu compozit nền polyme sợi thủy tinh dạng khối (BMC)

27/12/2017

 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. [caption id="attachment_1842" align="aligncenter" width="300"]Hình 1. Lưu  đồ chế tạo vật liệu compozit BMC (a) và sản phẩm vật liệu compozit BMC sau  khi trộn (b) Hình 1. Lưu  đồ chế tạo vật liệu compozit BMC (a) và sản phẩm vật liệu compozit BMC sau  khi trộn (b)[/caption] 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. [caption id="attachment_1843" align="aligncenter" width="300"]Hình 2. Hình dạng, kích thước chi tiết sản phẩm Hình 2. Hình dạng, kích thước chi tiết sản phẩm[/caption] [caption id="attachment_1844" align="aligncenter" width="300"]Hình 3. Mô hình hình học bàn khuôn dưới (a) và bàn khuôn trên (b) sử dụng để mô phỏng Hình 3. Mô hình hình học bàn khuôn dưới (a) và
bàn khuôn trên (b) sử dụng để mô phỏng[/caption] 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]. [caption id="attachment_1846" align="aligncenter" width="300"]Hình 4 Hình 4[/caption] 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). ct1-decaudaodien 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 [caption id="attachment_1847" align="aligncenter" width="300"]Hình 5. Sản phẩm nhận được với trạng thái ứng suất tương đương Hình 5. Sản phẩm nhận được với trạng thái ứng suất tương đương[/caption] 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). [caption id="attachment_1848" align="aligncenter" width="300"]Hình 6. Bộ khuôn  ép đế chân cầu dao (a) và hệ thống  gia nhiệt trực tiếp trên  khuôn  (b) Hình 6. Bộ khuôn  ép đế chân cầu dao (a) và hệ thống  gia nhiệt trực tiếp trên  khuôn  (b)[/caption] 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 [caption id="attachment_1849" align="aligncenter" width="292"]Hình 7. Sản  phẩm đế chân cầu dao điện sau khi ép: a) mặt sau; b) mặt trước Hình 7. Sản  phẩm đế chân cầu dao điện sau khi ép: a) mặt sau; b) mặt trước[/caption] 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
  1. 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.
  2. 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.
  3. http://www.bulkmolding.com/
  4. Công ty cổ phần Khí cụ điện 1 - VINAKIP; địa chỉ: Phường Xuân Khanh - Sơn Tây - Hà Nội.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.