Sản xuất sản phẩm #H006 – Kính chắn gió

Lịch sử

Thủy tinh là loại vật liệu phổ biến với hàng trăm ứng dụng, trong đó có kính chắn gió. Thủy tinh có một lịch sử dài và tấm kính đầu tiên được làm cách đây hơn 7000 năm tại Ai Cập, khoảng năm 3000 trước Công Nguyên. Thủy tinh được tìm thấy ở trạng thái tự nhiên như là sản phẩm của hoạt động núi lửa. Ngày nay, thủy tinh được sản xuất từ nhiều loại vật liệu gốm (thành phần chủ yếu là oxit). Các loại sản phẩm chủ yếu của thủy tinh là kính phẳng, kính hộp đựng, kính cắt, sợi thủy tinh, kính quang học, và kính đặc biệt. Kính chắn gió xe hơi nằm trong loại kính phẳng.

Có hơn 80 công ty trên thế giới sản xuất kính xe hơi, bao gồm cả kính chắn gió. Các nhà sản xuất lớn ở Hoa Kỳ bao gồm PPG, tập đoàn Guardian Industries và Libby-Owens Ford. Theo bộ thương mại Hoa Kỳ, 25% sản lượng kính phẳng được tiêu thụ trong ngành công nghiệp xe hơi (bao gồm cả cửa sổ) với tổng giá trị xấp xỉ 483 triệu đô-la. Ở Nhật Bản, 30% sản lượng kính phẳng dùng trong công nghiệp xe hơi, giá trị khoảng 190 triệu đô-la trong năm 1989. Các nhà sản xuất kính phẳng lớn của Nhật bao gồm Asahi Glass Co., Central Glass Co., và Nippon Sheet Glass Co. Tổng thể thì ngành công nghiệp kính phẳng tăng trưởng thấp ở cả hai quốc gia này. Đức thì có khả quan hơn với tốc độ tăng trưởng cao đến từ ngành công nghiệp xe hơi của họ.

Kính chắn gió đầu tiên xuất hiện khoảng năm 1905 với sự phát minh ra loại kính an toàn – kính đã xử lý nhiệt để giúp nó đặc biệt cứng và chống vỡ. Loại kính chắn gió này được phổ biến vào giữa thế kỷ 20, nhưng cuối cùng nó bị thay thể bởi kính chắn gió được làm từ thủy tinh phân lớp (laminated glass) – một loại vật liệu nhiều lớp gồm một lớp nhựa ở giữa hai tấm thủy tinh. Ở nhiều nước, trong đó có Hoa Kỳ, kính chắn gió xe hơi được yêu cầu trong pháp luật là phải được làm từ thủy tinh phân lớp. Thủy tinh phân lớp có thể uốn cong nhẹ khi chịu tác động và ít bị vỡ hơn so với thủy tinh an toàn thông thường. Đặc tính này giúp giảm nguy cơ chấn thương cho người ngồi trong xe hơi.

Các vật liệu thô

Thủy tinh là hợp chất của một số loại ô-xít gắn kết và phản ứng với nhau dưới nhiệt độ để tạo thành thủy tinh. Nó bao gồm silica (SiO), natri oxide (Na2O), và canxi oxide (CaO). Các vật liệu thô của những thành phần này có nguồn gốc từ cát, natri các-bonat (Na2CO3) và đá vôi (CaCO3). natri các-bonat có vai trò là chất pha loãng; nói cách khác, nó hạ thấp điểm nóng chảy của lô hợp chất. Đá vôi được thêm vào để tăng độ cứng và độ bền hóa học của thủy tinh. Thủy tinh được dùng làm kính chắn gió cũng thường bao gồm vài loại ô-xít khác: kali oxide (K2O lấy từ kali các-bonat), ma-giê oxide (MgO), và nhôm oxide (Al2O3 lấy từ khoáng chất fenspat).

Quy trình sản xuất

  • 1 Vật liệu thô được cân cẩn thận với một lượng thích hợp và được trộn lẫn với nhau bằng một ít nước để ngăn sự phân tách của các thành phần. Thủy tinh vụn (thủy tinh thải bị vỡ) cũng được dùng làm nguyên liệu thô.
Thủy tinh của kính chắn gió xe hơi được làm theo quy trình thủy tinh nổi. Trong phương pháp này, nguyên liệu thô được nung nóng chảy và cấp vào một bể thiếc nóng chảy. Thủy tinh nổi trên thiếc; do thiếc có độ phẳng hoàn hảo nên thủy tinh cũng trở nên phẳng. Từ buồng nổi, thủy tinh qua các con lăn vào lò ủ. Sau khi ra khỏi lò ủ và được làm mát tới nhiệt độ phòng, thủy tinh được cắt theo hình dạng thích hợp và được ram.
  • 2 Khi một lô được tạo, nó được cấp vào một thùng lớn để làm nóng chảy bằng một quy trình thủy tinh nổi. Đầu tiên, lô được nung tới trạng thái nóng chảy, và sau đó nó được cấp vào trong một thùng chứa được gọi là buồng nổi, buồng này sẽ giữ một bể thiếc nóng chảy. Buồng nổi này rất lớn, từ khoảng 13 feet tới 26.25 feet (rộng từ 4 tới 8m) và chiều dài lên tới gần 197 feet (60m); tại cổng vào của nó, nhiệt độ của thiếc khoảng 1,835 độ Fahrenheit (1,000 độ C), trong khi tại cổng ra, nhiệt độ của thiếc được làm mát hơn một chút khoảng 1,115 độ Fahrenheit (600 độ C). Trong buồng nổi này, thủy tinh không chìm trong thiếc mà nổi lên trên nó, di chuyển qua thùng chứa này trên một bằng chuyền. Bề mặt phẳng hoàn hảo của thiếc làm cho thủy tinh nóng chảy cũng trở nên phẳng, trong khi đó nhiệt độ cao làm sạch những tạp chất của thủy tinh. Nhiệt độ giảm tại đầu ra của buồng cho phép thủy tinh đủ cứng để di chuyển vào trong buồng tiếp theo, lò nung.
  • 3 Sau khi thủy tinh ra khỏi buồng nổi, các con lăn chuyển nó vào trong một lò nung đặc biệt được gọi là lò ủ kính (lehr). Nếu chúng ta muốn các lớp phủ chống nắng thì chúng cần được phủ trước khi thủy tinh đi vào lò ủ. Trong lò này, thủy tinh được làm mát dần tới khoảng 395 độ Fahrenheit (200 độ C); sau khi thủy tinh đi ra khỏi lò ủ, nó được làm mát tới nhiệt độ phòng. Lúc bấy giờ, thủy tinh rất cứng và khỏe, sẵn sàng để đem đi cắt.

Cắt và ram

  • 4 Thủy tinh được cắt theo kích thước mong muốn dùng mũi cắt kim cương – một dụng cụ có điểm nhọn bao gồm bụi kim cương. Kim cương được dùng bởi vì nó cứng hơn thủy tinh. Mũi cắt này đánh dấu một đường thẳng cắt trên thủy tinh, sau đó được bẻ theo đường này. Bước này thường được tự động và được giám sát bởi các camera và các hệ thống đo lường quang điện tử. Tiếp theo, miếng đã cắt phải được uốn thành hình dạng. Tấm thủy tinh được đặt vào trong một khuôn kim loại hoặc vật liệu chịu nhiệt. Khuôn này sau đó được nung nóng trong lò nung tới điểm mà thủy tinh võng xuống theo hình dạng của khuôn.
  • 5 Sau bước tạo hình này, thủy tinh phải được làm cứng trong một bước nhiệt luyện gọi là ram. Đầu tiên, thủy tinh được gia nhiệt nhanh chóng tới khoảng 1,565 độ Fahrenheit (850 độ C), và sau đó nó được thổi bởi các luồng khí lạnh. Quá trình tôi này làm cho thủy tinh cứng hơn bằng cách đặt bề mặt ngoài của thủy tinh ở trạng thái nén và bên trong ở trạng thái căng. Quá trình này cho phép kính chắn gió, khi bị hư hỏng, thì vỡ thành nhiều mảnh nhỏ mà không có các cạnh sắc. Kích thước của các mảnh cũng có thể được thay đổi bằng cách điều chỉnh quy trình ram sao cho kính chắn gió vỡ thành những mảnh lớn hơn, điều này tạo ra một khả năng nhìn tốt hơn cho đến khi kính chắn gió bị thay thế.

Ép tấm

Kính chắn gió hoàn thiện bao gồm hai lớp thủy tinh kẹp một lớp nhựa ở giữa. Mặc dù rất mỏng – dày khoảng 0.25 inch – nhưng tấm thủy tinh được ép như vậy rất khỏe và không bị vỡ thành mảnh so với thủy tinh an toàn bình thường. Ở Hoa Kỳ, kính chắn gió được yêu cầu bởi luật pháp là phải được làm từ thủy tinh ép tấm.
  • 6 Sau khi thủy tinh được ram và làm sạch, nó đi qua quy trình ép tấm. Trong quy trình này, hai tấm thủy tinh được ghép vào nhau với một tấm nhựa ở giữa. Quá trình ép này được diễn ra trong một nồi hấp, một lò đặc biệt dùng cả nhiệt và áp suất để tạo thành một tấm đơn, khỏe chống lại sự vỡ. Lớp nhựa trung gian thường được phủ để làm một bộ lọc tia cực tím. Khi thủy tinh ép này bị vỡ, thì các mảnh vỡ của thủy tinh vẫn nằm trên lớp nhựa chống vỡ bên tong, và tấm kính vỡ vẫn giữ được độ trong suốt. Nhờ đó mà khả năng quan sát vẫn giữ được tốt. Không như loại thủy tinh an toàn truyền thống, tấm thủy tinh ép có thể được xử lý nhiều hơn nữa – cắt, khoan… nếu cần thiết. Một tấm kính chắn gió ép tấm thường rất mỏng: mỗi lớp thủy tinh chỉ xấp xỉ dày 0.03 inch (0.76 mm), trong khi đó lớp nhựa trung gian dày xấp xỉ 0.098 inch (2.5 mm).

Lắp ráp

  • 7 Sau khi ép tấm, kính chắn gió đã sẵn sàng để lắp ráp với các khung nhựa để nó có thể lắp đặt được trên xe hơi. Quy trình lắp ráp này được gọi là bọc kín thủy tinh (glass encapsulation), thường được thực hiện tại nhà máy sản xuất thủy tinh. Đầu tiên, toàn bộ chu vi của kính chắn gió được đặt trong một vị trí xác định trước trong một khuôn. Tiếp theo, nhựa nóng chảy được bơm vào trong khuôn này; khi nguội, nó tạo thành một khung nhựa xung quanh thủy tinh. Kính chắn gió sau đó được chuyển tới các nhà máy sản xuất xe hơi, tại đây nó được lắp đặt vào xe hơi. Quá trình lắp đặt được thực hiện trực tiếp, dùng chất keo dính polyurethane để dính kính chắn gió vào thân xe hơi.

Quản lý chất lượng

Điều khiển quy trình bao gồm việc kiểm tra các vật liệu thô và giám sát những biến quy trình như nhiệt độ nóng chảy, áp suất lò nung, và cấp thủy tinh. Khi thủy tinh được hình thành, thì các thiết bị quang điện được sử dụng để tìm ra được các lỗi một cách tự động. Các thiết bị tự động khác đang được phát triển để đo các kích thước và đường kính cong sau khi kính chắn gió được hình thành.

Thủy tinh an toàn dùng trong kính chắn gió phải đạt được những thông số kỹ thuật nhất định của các đặc tính liên quan như độ bền hóa học, khả năng kháng va chạm và độ bền. Các tiêu chuẩn được phát triển bởi Hội kiểm tra vật liệu Hoa Kỳ (American Society for Testing of Materials – ASTM) để đo lường những đặc tính này. Các đặc tính cũng đang được nghiên cứu để đánh giá hiệu suất của kính chắn gió bởi SAE International, một tổ chức của những kỹ sư xe hơi.

Tương lai

Mặc dù ngành công nghiệp xe hơi gần đây đang bị suy thoái, nhưng viễn cảnh xa vẫn lạc quan. Thị trường phương tiên động cơ vẫn tăng mạnh hơn trong các năm gần đây, tăng nhu cầu cho các sản phẩm kính phẳng như kính chắn gió. Kính chắn gió cũng tăng về kích thước để thu được kiểu thiết kế khí động học mới hơn, và do đó việc sử dụng kính tăng lên tương đối so với tổng diện tích bề mặt của các phương tiện. Trong thực tế, một vài mẫu xe còn kết hợp sử dụng cả mui kính.

Việc tăng diện tích kính như vậy, lại có một ảnh hưởng tiêu cực tới các hệ thống điều hòa không khí, chúng có thể phải được điều chỉnh nhiệt độ bên trong cao hơn tới một mức thoải mái. Để tránh phải dùng hệ thống điều hòa không khí lớn hơn, thì các hợp chất thủy tinh mới, các loại kính được phủ và các loại phim hiện đang được đánh giá. Chúng bao gồm khả năng độ bóng lựa chọn góc để phản hồi lại ánh sáng mặt trời, và các phim chuyển quang học (optical switching film) chủ động hoặc thụ động thay đổi các đặc tính truyền dẫn.

Một loại phim được phát triển gần đây là phim điều khiển ánh nắng nhiều lớp polymer, cũng có thể có tác dụng như một thiết bị chống đóng băng. Chất nền nhựa được phủ này đơn gian thay thế tấm phim nhựa mỏng trong các loại kính chắn gió truyền thống. Lớp phim này có thể được làm thành bất cứ màu sắc nào và có thể truyền dẫn lên tới 90% tia sáng nhìn thấy được. Một lớp phủ khác là một lớp phản xạ bao gồm lớp phủ bạc được dùng kết hợp với các lớp ô-xít kim loại khác. Lớp phản xạ này có thể phản xạ tới 60% lượng năng lượng mặt trời, giảm năng lượng hồng ngoại tới 56%.

Ngoài ra, các loại kính chắn gió tấm thủy tinh mỏng cũng đang được nghiên cứu. Một tấm kính chắn gió hai lớp đang được phát triển chỉ gồm một tấm kính ngoài cùng, độ dày từ 0.08 tới 0.16 inch (2-4 mm), nối với một lớp polyurethane có độ dày 0.254 inch (1mm). Tấm polyurethane bao gồm hai lớp, một có các đặc tính hấp thụ cao và lớp còn lại là bề mặt kháng cao. Các ưu điểm đặc trưng của loại kính chắn gió hai lớp này bao gồm khả năng kháng tia cực tím, tự phục hồi các vết xước, giảm khối lượng, có các hình dạng phức tạp hơn, tăng cường an toàn do nó giữ lại các mảnh vỡ, và khả năng chống sương mù.

Việc tái chế các bộ phận của kính chắn gió cũng có thể trở thành một tiêu chuẩn. Mặc dù quá trình tái chế truyền thống gặp khó khăn do các lớp phim nhựa, một nhà sản xuất gần đây đã phát triển một quy trình hiệu quả để loại bỏ các lớp này. Thủy tinh tái chế có thể được dùng trong một vài ứng dụng, bao gồm vật liệu để sửa đường (glassphalt). Luật pháp cũng có thể giúp tăng tốc độ xử lý tái chế, với sự ra đời của Đạo luật nghiên cứu chất thải nguy hiểm và chất thải rắn đô thị vào năm 1992 (Municipal Solid Waste and Hazardous Waste Research Act). Đạo luật này tìm kiếm để xác định những trở ngại trong việc tái chế các bộ phận xe hơi và tìm các cách để vượt qua những trở ngại này. Cuối cùng đạo luật này có thể yêu cầu dùng ít nhựa hơn trong quá trình sản xuất hoặc đảm bảo rằng những chất nhựa này có thể tái chế được.

Đọc thêm

McLellan, George W. and E. B. Shand, eds. Glass Engineering Handbook. 3rd ed., McGraw-Hill, 1984.

Pfaender, Heinz G. and Hubert Schroeder. Schott Guide To Glass. Van Nostrand Reinhold, 1983.

Scholes, Samuel R. Modern Glass Practice. CBI Publishing Company, 1975.

“Bill To Overcome Recycling Obstacles,” Autoglass. July/August, 1992.

“Guardian Produces Largest Production Car Windshield,” Autoglass, March/April, 1992.

Leventon, William. “Press and Vacuum Form Complex Windshields,” Design News. November 9, 1992, p. 159.

Olosky, M. L. and M. J. Watson. “Silicon Film Adhesives: Bonding Automotive Fixtures to Glass,” SAE Paper No. 931013. SAE International, 1993.

Peters, G. M. and T. W. Karwan, et al. “A Cost Effective Quality Improvement for Automotive Glass Encapsulation,” SAE Paper No. 931012. SAE International, 1993.

Sheppard, L. M. “Automotive Performance Accelerate with Ceramics,” Ceramic Bulletin. 1990, pp. 1012-1021.

(dịch từ madehow)

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.