RTM (Resin Transfer Molding) là quy trình sản xuất composite bằng khuôn kín gồm hai nửa khuôn cứng. Vật liệu gia cường khô được tạo hình trước và đặt vào lòng khuôn, sau đó khuôn được đóng, kẹp chặt và resin có độ nhớt phù hợp được bơm qua hệ thống cổng vào. Không khí thoát ra tại các cửa vent trong khi resin điền đầy khoảng rỗng của preform. Sau khi đóng rắn, khuôn mở ra và cho chi tiết có hình dạng, chiều dày cùng bề mặt được kiểm soát ở cả hai phía.
RTM khác vacuum infusion như thế nào?
Cả hai quy trình đều truyền resin vào vật liệu gia cường khô, nhưng RTM sử dụng khuôn cứng hai mặt và thường đưa resin vào bằng áp lực bơm được kiểm soát. Vacuum infusion dùng một mặt khuôn cứng và một màng vacuum mềm; dòng resin chủ yếu được tạo bởi chênh áp chân không. Nhờ hai bề mặt khuôn, RTM kiểm soát tốt hơn hình học, chiều dày và chất lượng bề mặt, đồng thời có thể đạt chu kỳ lặp lại cao hơn. Đổi lại, chi phí khuôn, hệ thống kẹp và yêu cầu kiểm soát quy trình cũng cao hơn.
Cấu tạo của một hệ thống RTM
Một hệ thống RTM cơ bản gồm khuôn trên và khuôn dưới, cơ cấu kẹp, cổng bơm resin, các cửa thoát khí, gioăng làm kín và thiết bị định lượng–bơm resin. Tùy sản phẩm, hệ thống có thể bổ sung gia nhiệt khuôn, chân không hỗ trợ, cảm biến áp suất hoặc cảm biến theo dõi mặt dòng. Khuôn phải đủ cứng để duy trì kích thước dưới áp lực bơm và tải kẹp, nhưng cũng cần thiết kế đường phân khuôn, góc thoát khuôn và vị trí gioăng để tháo sản phẩm ổn định.
Chuẩn bị preform và vật liệu gia cường
Sợi thủy tinh, sợi carbon hoặc vật liệu gia cường khác được cắt, xếp lớp và tạo thành preform trước khi đóng khuôn. Preform phải giữ đúng vị trí, không xô lệch khi resin bắt đầu chảy và có độ thấm đủ đồng đều để hạn chế vùng khô. Có thể sử dụng binder hoặc vật liệu định hình tương thích, nhưng phải kiểm tra ảnh hưởng của chúng đến khả năng thấm resin và tính chất laminate. Sai lệch khối lượng sợi hoặc chiều dày preform sẽ làm thay đổi độ thấm, áp suất điền đầy và tỷ lệ resin–sợi của sản phẩm.
Lựa chọn resin cho RTM
Resin cần có độ nhớt thấp trong giai đoạn bơm để thấm qua preform, thời gian làm việc đủ dài để điền đầy khuôn và đặc tính đóng rắn phù hợp với chu kỳ sản xuất. Polyester, vinyl ester và epoxy đều có thể dùng cho RTM khi được thiết kế cho quy trình truyền nhựa. Việc lựa chọn phải xét đồng thời độ nhớt theo nhiệt độ, thời gian gel, độ tỏa nhiệt, độ co ngót, yêu cầu cơ lý và khả năng tương thích với chất xúc tác, vật liệu gia cường, binder và chất tách khuôn.
Không nên chỉ giảm độ nhớt bằng cách tăng nhiệt độ mà bỏ qua việc thời gian gel sẽ ngắn lại. Nhiệt độ resin, nhiệt độ khuôn và khối lượng trộn cần được kiểm soát cùng nhau để tránh resin phản ứng quá sớm trong thiết bị hoặc chưa điền đầy khuôn.
Thiết kế cổng bơm và cửa vent
Vị trí cổng bơm quyết định hướng di chuyển của mặt resin; cửa vent phải cho phép không khí thoát ra khỏi những vùng điền đầy cuối cùng. Thiết kế không hợp lý có thể làm resin đi tắt theo mép khuôn hoặc đường phân khuôn, bao kín một vùng không khí và tạo khuyết tật. Với chi tiết lớn hoặc hình học phức tạp, cần đánh giá nhiều phương án cổng bơm–vent, mô phỏng dòng chảy khi cần và xác nhận bằng thử nghiệm trên khuôn thực tế.
Áp suất bơm không nên được đặt theo một giá trị chung. Mức cho phép phụ thuộc vào độ cứng khuôn, lực kẹp, độ thấm preform, độ nhớt resin và diện tích chi tiết. Tăng áp lực có thể rút ngắn thời gian điền đầy nhưng cũng có thể làm biến dạng khuôn, mở đường phân khuôn hoặc gây xô lệch sợi.
Quy trình vận hành RTM cơ bản
Trước mỗi chu kỳ, khuôn được vệ sinh, kiểm tra và xử lý hệ thống chất tách khuôn theo kế hoạch bảo dưỡng. Preform và các insert được đặt đúng vị trí, sau đó khuôn được đóng và kẹp theo lực quy định. Hệ thống phải được kiểm tra độ kín trước khi bơm; nếu sử dụng chân không hỗ trợ, cần xác nhận mức chân không ổn định.
Resin được định lượng, trộn và bơm theo lưu lượng hoặc áp suất đã xác lập. Theo dõi resin xuất hiện tại các vent, áp suất trong khuôn và thời gian điền đầy để phát hiện bất thường. Khi khuôn đã đầy, đóng các đường theo đúng trình tự, duy trì điều kiện nhiệt và áp suất trong giai đoạn gel–cure, sau đó mở khuôn, tháo sản phẩm, cắt bavia và kiểm tra chất lượng.
Các lỗi thường gặp và nguyên nhân
Vùng khô thường do preform quá chặt, đường dòng bị chặn, resin có độ nhớt cao hoặc thời gian gel quá ngắn. Bọt khí và rỗ có thể đến từ khuôn rò, thoát khí không đầy đủ, trộn cuốn khí hoặc mặt dòng resin bao kín không khí. Resin đi tắt thường xuất hiện dọc mép khuôn, quanh insert hoặc tại vùng preform không tiếp xúc đều. Biến dạng kích thước và bavia dày có thể liên quan đến áp suất bơm vượt khả năng khuôn hoặc lực kẹp không đủ.
Để tìm nguyên nhân, cần ghi lại tối thiểu nhiệt độ resin và khuôn, tỷ lệ trộn, thời gian bơm, lưu lượng hoặc áp suất, trình tự đóng vent, thời gian gel và vị trí khuyết tật. Dữ liệu theo từng chu kỳ giúp phân biệt lỗi vật liệu với lỗi thiết kế khuôn hoặc thao tác.
Khi nào RTM là lựa chọn phù hợp?
RTM phù hợp khi sản phẩm cần bề mặt tương đối hoàn thiện ở cả hai phía, chiều dày ổn định, hình học lặp lại và sản lượng cao hơn hand lay-up hoặc vacuum bagging. Quy trình thường được cân nhắc cho linh kiện giao thông, vỏ thiết bị, chi tiết công nghiệp và các kết cấu yêu cầu kiểm soát tỷ lệ sợi–nhựa. Hiệu quả kinh tế phụ thuộc vào sản lượng đủ để bù chi phí khuôn và thiết bị, thời gian chu kỳ, tỷ lệ phế phẩm và mức tự động hóa.