LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng đến sự xuất hiện đường hàn của sản phẩm nhựa thành mỏng
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
TÓM TẮT Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng đến sự xuất hiện đường hàn của sản phẩm nhựa thành mỏng
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, các sản phẩm nhựa được thiết kế và phát triển theo xu hướng có kết cấu nhẹ hơn, nhỏ hơn, mỏng hơn. Do đó, quá trình phun ép các sản phẩm dạng này đang đối mặt với các thử thách lớn. Nếu trong suốt quá trình phun ép, nhiệt độ khuôn có thể duy trì ở giá trị cao hơn nhiệt độ chuyển pha của vật liệu nhựa thì khả năng điền đầy khuôn với những chi tiết có kích thước micro sẽ tăng lên.
Vì vậy, mục tiêu quan trọng của quá trình điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép là: gia nhiệt cho bề mặt khuôn đến nhiệt độ yêu cầu, nhưng vẫn đảm bảo thời gian chu kỳ phun ép không quá dài.
Nhiệt độ khuôn đóng một vai trò quan trọng trong sự hình thành đường hàn, dẫn đến ảnh hưởng chất lượng sản phẩm. Kiểm soát và điểu khiển nhiệt độ của khuôn là hết sức cần thiết để đạt được chất lượng sản phẩm tốt nhất.
Vì thế, một kỹ thuật mới đã được nghiên cứu và áp dụng thành công cho các sản phẩm đòi hỏi cao về độ chính xác cũng như cơ tính, đó là phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng cho lòng khuôn, nhằm đáp ứng yêu cầu gia nhiệt nhanh cho bề mặt khuôn. Các kết quả của nghiên cứu đã cho thấy hiệu quả tích cực của phương pháp trên trong việc khắc phục khuyết tật đường hàn của các sản phẩm nhựa sau khi phun ép.
ABSTRACT
Nowadays, with the rapid development of science and technology, plastic products are designed and developed according to lighter, smaller, thinner structures. Therefore, the injection process of these products is facing to big challenges. If during injection molding process, mold temperature can be maintained at a higher value than the phase – transition temperature of the plastic materials and then, the ability to full fill plastic into the mold with detailed micro size will be increased.
Hence, the important goal of the temperature control process in injection molding is: preheating the mold surface temperature to gain the expected temperatures and ensuring the injection molding cycle time not too long.
Mold temperature control has an important role in the weld-line forming and affects product quality. Controling the mould temperature is extremely necessary to achieve the best quality of products.
Therefore, a new technique has been studied and successfully applied for plastics products which required the accuracy and mechanical properties, in order to meet the requirements for preheating the mould surface rapidly. The research results show the efficiency of this method in improving weld – line defects of plastic products after injection moulding process.
Key words: injection moulding, weld – line, mould temperature, micro – feature, preheating method, gas – assissted …
MỤC LỤC Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng đến sự xuất hiện đường hàn của sản phẩm nhựa thành mỏng
Trang tựa Trang
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học ............................................................................................................... i Lời cam đoan .................................................................................................................. ii Lời cảm ơn .................................................................................................................... iii Tóm tắt ........................................................................................................................... iv Mục lục .......................................................................................................................... vi Danh mục các ký hiệu .................................................................................................... xi Danh sách các bảng ...................................................................................................... xii Danh sách các hình ...................................................................................................... xiii Chương 1 ...........................................................................................................................i TỔNG QUAN ..................................................................................................................1
1.1Tổng quan chung .........................................................................................................1
1.1.1Đặt vấn đề ................................................................................................................1
1.1.2 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến việc gia nhiệt cho
khuôn: ...............................................................................................................................2
1.1.2.1 Nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc bộ môn kỹ thuật và khoa học vật liệu, đại học Shangdong, Trung Quốc............................................................................................2
1.1.2.2 Nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc bộ môn kỹ thuật cơ khí, đại học Chung
Yuan Christian, Đài Loan. ...............................................................................................4
1.1.2.3 Nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc bộ môn kỹ thuật cơ khí, đại học Chung
Yuan Christian, Đài Loan. ...............................................................................................6
1.1.2.4 Nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc bộ môn kỹ thuật cơ khí, đại học Chung
Yuan Christian, Đài Loan. ...............................................................................................7
1.2 Mục đích của đề tài....................................................................................................8
1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài ......................................................................9
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài .................................................................................................9
1.3.2 Giới hạn của đề tài ...................................................................................................9
1.4 Phương pháp nghiên cứu ...........................................................................................9
1.4.1 Nghiên cứu lý thuyết ...............................................................................................9
1.4.2 Nghiên cứu thực nghiệm .......................................................................................10
Chương 2 ........................................................................................................................11
CƠ SỞ LÝ THUYẾT .....................................................................................................11
2.1 Giới thiệu về công nghệ ép phun .............................................................................11
2.1.1 Nhu cầu thực tế và hiệu quả kinh tế mà phương pháp mang lại ...........................11
2.1.2 Khái niệm về công nghệ ép phun [5]. ...................................................................11
2.1.3 Đặc điểm của công nghệ ép phun .........................................................................12
2.1.4 Cấu tạo chung của máy ép phun ...........................................................................13
2.1.4.1 Hệ thống hỗ trợ ép phun (injection press support system) ................................14
2.1.4.1.1 Thân máy (Frame) ...........................................................................................14
2.1.4.1.2 Hệ thống thủy lực (Hydraulic system) ............................................................14
2.1.4.1.3 Hệ thống điện (Electrical system) ...................................................................15
2.1.4.1.4 Hệ thống làm nguội (Cooling system) ............................................................16
2.1.4.2 Hệ thống phun (Press system) ............................................................................16
2.2 Cơ sở lý thuyết về đường hàn trên sản phẩm nhựa ..................................................18
2.2.1 Khái niệm ..............................................................................................................18
2.2.2 Nguyên nhân .........................................................................................................18
2.2.3 Cách khắc phục .....................................................................................................19
2.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến sản phẩm nhựa .............................................19
2.3 Lý thuyết truyền nhiệt [6] ........................................................................................21
2.3.1 Các phương thức trao đổi nhiệt .............................................................................21
2.3.1.1 Dẫn nhiệt ............................................................................................................21
2.3.2 Trao đổi nhiệt đối lưu............................................................................................23
2.3.2.1 Quá trình đối lưu ................................................................................................23
2.3.2.2 Tỏa nhiệt.............................................................................................................23
2.3.2.3 Trao đổi nhiệt bức xạ .........................................................................................24
2.3.2.4 Định luật Stefan-Baltzman .................................................................................27
2.3.3 Truyền nhiệt ..........................................................................................................27
2.3.3.1 Khái niệm: .........................................................................................................27
2.3.3.2 Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng .........................................................28
2.3.3.3 Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống .............................................................28
2.4 Lý thuyết vật liệu nhựa sử dụng trong công nghệ ép phun [7] ................................29
2.4.1 Polymer .................................................................................................................29
2.4.1.1 Phân loại .............................................................................................................30
2.4.2 Các tính chất của Polymer.....................................................................................30
2.4.2.1 Độ bền cơ học ....................................................................................................30
2.4.2.2 Độ dai va đập .....................................................................................................31
2.4.2.3 Modun đàn hồi ...................................................................................................31
2.4.2.4 Tỷ trọng của nhựa ..............................................................................................32
2.4.2.5 Chỉ số nóng chảy ...............................................................................................32
2.4.2.6 Độ co rút của nhựa. ............................................................................................33
2.4.2.7 Tính cách điện ....................................................................................................33
2.4.2.7 Một số loại Polymer thường gặp ........................................................................33
2.4.3 Nhựa sử dụng làm thí nghiệm ...............................................................................34
2.4.3.1 PP (Polypropylene) ............................................................................................34
Chương 3 ........................................................................................................................36
PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG ......................................................36
3.1 Phương pháp thí nghiệm cho khuôn phun ép...........................................................36
3.1.1.1 Tính thẩm mỹ cho sản phẩm ..............................................................................37
3.1.1.2 Yêu cầu kỹ thuật................................................................................................38
3.1.2 Tấm nhôm gia nhiệt ..............................................................................................38
3.1.2.1Tấm nhôm gia nhiệt cho mẫu thí nghiệm 1 ........................................................38
3.1.2.2 Tấm nhôm gia nhiệt cho mẫu thí nghiệm 2 .......................................................38
3.2 Kết cấu bộ khuôn thí nghiệm ...................................................................................39
3.2.1.1 Tấm kẹp trên. .....................................................................................................39
3.2.1.2 Tấm kẹp dưới .....................................................................................................40
3.2.1.3 Tấm khuôn cố định.............................................................................................41
3.2.1.4 Tấm đỡ ...............................................................................................................41
3.2.1.5 Tấm giữ và ty đẩy ..............................................................................................42
3.2.1.7 Tấm khuôn di động ............................................................................................42
3.3 Phương pháp gia nhiệt cho khuôn phun ép bằng khí ...............................................44
3.3.1 Khái quát về phương pháp gia nhiệt cho khuôn ép...............................................44
3.3.2 Đặc điểm của phương pháp gia nhiệt bằng khí (dùng heater) ..............................45
3.3.3 Giới thiệu hệ thống gia nhiệt bằng khí cho khuôn ................................................45
3.3.3.3 Điện trở đốt nóng. ..............................................................................................48
3.3.3.4 Cảm biến nhiệt. ..................................................................................................48
3.3.3.5 Bộ điều khiển nhiệt độ. ......................................................................................49
Chương 4 ........................................................................................................................58
PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM ..........................................58
4.1 Phân tích kết quả mô phỏng ....................................................................................58
4.1.1 Mô phỏng quá trình gia nhiệt tại vị trí tấm nhôm cho mẫu thí nghiệm 1 .............58
4.1.2 Mô phỏng quá trình gia nhiệt tại vị trí tấm nhôm cho mẫu thí nghiệm 2 .............60
4.2 Thí nghiệm gia nhiệt và đo nhiệt tấm nhôm của khuôn...........................................62
4.2.1 Mô tả thí nghiệm gia nhiệt tại vị trí tấm nhôm .....................................................62
4.2.2 Kết quả thí nghiệm gia nhiệt, vẽ biểu đồ và nhận xét ...........................................62
4.2.2.1 Bảng kết quả đo nhiệt thực tế và mô phỏng cho mẫu thí nghiệm 1...................62
4.2.2.2 Bảng kết quả đo nhiệt thực tế và mô phỏng cho mẫu thí nghiệm 2...................66
4.3 Thí nghiệm ép sản phẩm ..........................................................................................69
Chương 5 ........................................................................................................................79
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................79
5.1 Tóm tắt và đánh giá kết quả của đề tài ....................................................................79
5.2 Đề nghị hướng phát triển của đề tài........................................................................80
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................82
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng đến sự xuất hiện đường hàn của sản phẩm nhựa thành mỏng
: hệ số dẫn nhiệt (hệ số tỷ lệ, độ dẫn nhiệt) Q: nhiệt lượng
F: bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt (m2)
τ: thời gian (s)
|
t : nhiệt độ của vật thể (0C)
0
tL: nhiệt độ của lưu chất (chất lỏng hoặc khí) ( C)
α: hệ số cấp nhiệt (hệ số tỷ lệ)
dF: diện tích (m2)
E0: cường độ bức xạ (W/m2)
T: nhiệt độ tuyệt đối của vật thể (0K)
Co = 5,7 W/m2k4: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng Trang
Bảng 2.1: Tỷ trọng một sống nguyên liệu nhựa thông dụng..........................................32
Bảng 2.2: Bảng tra hệ số co rút (tham khảo) của một số loại nhựa ...............................33
Bảng 4.1: Kết quả đo nhiệt thực tế và mô phỏng của tấm nhôm gia nhiệt mẫu thí
nghiệm 1 .........................................................................................................................63
Bảng 4.2: Kết quả đo nhiệt thực tế và mô phỏng của tấm nhôm gia nhiệt mẫu thí
nghiệm 2 .........................................................................................................................67
DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình Trang
Hình 1.1: Hai mô hình lưới mô phỏng cho quá trình truyền nhiệt cho hệ thống gia nhiệt nhanh cho công nghệ ép phun ......................................................................................... 2
Hình 1.2: Sự phân bố nhiệt độ khuôn của trường hợp 5 và trường hợp 7 sau 15 giây gia
nhiệt ..................................................................................................................................3
Hình 1.3: Mô hình khuôn thực nghiệm gia nhiệt bằng cảm ứng .................................... 4
Hình 1.4: Kích thước của tấm insert với dãy các kênh dẫn có chiều sâu thiết kế 120 và
600 μm..............................................................................................................................5
Hình 1.5: Các phân bố nhiệt được đo trên mẫu (bên trái) và được mô phỏng bằng
ANSYS (bên phải) trên bề mặt khuôn bằng gia nhiệt cảm ứng (sau 2,5 giây) ............... 5
Hình 1.6: (a) Lớp phủ bề mặt cho khuôn trễ nhiệt (b) Điền đầy dòng chảy được dễ dàng hơn do hiện tượng trễ nhiệt với lớp vật liệu cách nhiệt .................................................. 6
Hình 1.7: Các phân bố nhiệt được đo trên mẫu và được mô phỏng bằng ANSYS sử dụng phương pháp cảm ứng từ bên dưới chỉ tiêu nhiệt 1200C ....................................... 7
Hình 1.8: So sánh sự thay đổi nhiệt độ đo được cho phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng và gia nhiệt bằng nước nóng .................................................................................. 8
Hình 2.1: Cấu tạo máy ép phun..................................................................................... 13
Hình 2.2: Các bộ phận của hệ thống hỗ trợ ép phun ..................................................... 14
Hình 2.3: Hệ thống thủy lực của máy ép nhựa ............................................................. 15
Hình 2.4: Hệ thống điện ................................................................................................ 15
Hình 2.5: Hệ thống phun ............................................................................................... 16
Hình 2.6: Các băng nhiệt............................................................................................... 17
Hình 2.7: Cấu tạo trục vít của máy ép nhựa.................................................................. 17
Hình 2.8: Đường hàn của sản phẩm nhựa ..................................................................... 18
Hình 2.9: Nguyên lý dẫn nhiệt ...................................................................................... 22
Hình 2.10: Tỏa nhiệt đối lưu ......................................................................................... 23
Hình 2.11: a: Truyền nhiệt đối lưu tự nhiên, b: truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức.......... 23
Hình 2.12: Truyền nhiệt cưỡng bức .............................................................................. 25
Hình 2.13: Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng .................................................. 28
Hình 2.14: Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống ...................................................... 29
Hình 3.1: Đường hàn trên sản phẩm ............................................................................. 36
Hình 3.2: Mẫu thiết kế và biên dạng của sản phẩm mẫu thí nghiệm 1 ......................... 37
Hình 3.3: Mẫu thiết kế và biên dạng của sản phẩm mẫu thí nghiệm 2 ......................... 37
Hình 3.4: Tấm nhôm gia nhiệt cho mẫu thí nghiệm 1 .................................................. 38
Hình 3.5: Tấm nhôm gia nhiệt cho mẫu thí nghiệm 2 .................................................. 38
Hình 3.6: Các chi tiết chính của bộ khuôn thí nghiệm.................................................. 39
Hình 3.7: Tấm kẹp trên ................................................................................................. 40
Hình 3.8: Tấm kẹp dưới ................................................................................................ 40
Hình 3.9: Khuôn cố định ............................................................................................... 41
Hình 3.10: Tấm đỡ ........................................................................................................ 41
Hình 3.11: Tấm giữ và ty đẩy ....................................................................................... 42
Hình 3.12: Tấm đẩy....................................................................................................... 42
Hình 3.13: Tấm khuôn di động cho mẫu thí nghiệm 1 ................................................. 43
Hình 3.14: Tấm khuôn di động cho mẫu thí nghiệm 2 ................................................. 43
Hình 3.15: Bộ khuôn lắp ráp hoàn chỉnh ...................................................................... 44
Hình 3.16: Sự xuất hiện đường hàn khi hai dòng nhựa gặp nhau ................................. 44
Hình 3.17: Mẫu thiết kế khối gia nhiệt 1 vòi phun ....................................................... 46
Hình 3.18: Biên dạng khối gia nhiệt 1 vòi phun ........................................................... 46
Hình 3.19: Mẫu thiết kế khối gia nhiệt 2 vòi phun ....................................................... 47
Hình 3.20: Biên dạng khối gia nhiệt 2 vòi phun ........................................................... 47
Hình 3.21: Điện trở đốt nóng ........................................................................................ 48
Hình 3.22: Cảm biến nhiệt ............................................................................................ 48
Hình 3.23: Bảng thông số cảm biến nhiệt ..................................................................... 49
Hình 3.24: Rơ Le nhiệt.................................................................................................. 49
Hình 3.25: Thông số điều khiển nhiệt độ ...................................................................... 50
Hình 3.26: Hệ thống gia nhiệt ....................................................................................... 50
Hình 3.27: Hệ thống gia nhiệt cho tấm khuôn mẫu thí nghiệm 1 ................................. 51
Hình 3.28: Hệ thống gia nhiệt cho tấm khuôn mẫu thí nghiệm 2 ................................. 52
Hình 3.29: Mô phỏng dòng chảy của khí ...................................................................... 52
Hình 3.30: Tiến trình giải bái toán Ansys - CFX .......................................................... 53
Hình 3.31: Giao diện cần thực hiện của CFX ............................................................... 53
Hình 4.1: Phân bố nhiệt tại lòng khuôn với thời gian gia nhiệt khác nhau và nhiệt độ khối gia nhiệt ở 2000C................................................................................................... 58
Hình 4.2: Phân bố nhiệt tại lòng khuôn với thời gian gia nhiệt khác nhau và nhiệt độ khối gia nhiệt ở 2500C................................................................................................... 58
Hình 4.3: Phân bố nhiệt tại lòng khuôn với thời gian gia nhiệt khác nhau và nhiệt độ khối gia nhiệt ở 3000C................................................................................................... 59
Hình 4.4: Phân bố nhiệt tại lòng khuôn với thời gian gia nhiệt khác nhau và nhiệt độ khối gia nhiệt ở 3500C................................................................................................... 59
Hình 4.5: Phân bố nhiệt tại lòng khuôn với thời gian gia nhiệt khác nhau và nhiệt độ khối gia nhiệt ở 4000C................................................................................................... 59
Hình 4.6: Phân bố nhiệt tại lòng khuôn với thời gian gia nhiệt khác nhau và nhiệt độ khối gia nhiệt ở 2000C................................................................................................... 60
Hình 4.7: Phân bố nhiệt tại lòng khuôn với thời gian gia nhiệt khác nhau và nhiệt độ khối gia nhiệt ở 2500C................................................................................................... 60
Hình 4.8: Phân bố nhiệt tại lòng khuôn với thời gian gia nhiệt khác nhau và nhiệt độ khối gia nhiệt ở 3000C................................................................................................... 61
Hình 4.9: Phân bố nhiệt tại lòng khuôn với thời gian gia nhiệt khác nhau và nhiệt độ khối gia nhiệt ở 3500C................................................................................................... 61
Hình 4.10: Phân bố nhiệt tại lòng khuôn với thời gian gia nhiệt khác nhau và nhiệt độ khối gia nhiệt ở 4000C................................................................................................... 61
Hình 4.11: Vị trí thí nghiệm gia nhiệt trên tấm insert cho mẫu thí nghiệm 1 ............... 62
Hình 4.12: Đồ thị so sánh quá trình gia nhiệt cho mẫu thí nghiệm 1 ........................... 64
Hình 4.13: Vị trí thí nghiệm gia nhiệt trên tấm insert cho mẫu thí nghiệm 2 ............... 66
Hình 4.14: Đồ thị so sánh quá trình gia nhiệt cho mẫu thí nghiệm 2 ........................... 68
Hình 4.15: Sản phẩm nhựa ............................................................................................ 70
Hình 4.16: Đường hàn sản phẩm bề dày 0,4 mm ở nhiệt độ khuôn 300C .................... 70
Hình 4.17: Đường hàn sản phẩm bề dày 0,4 mm ở nhiệt độ khuôn 600C .................... 71
Hình 4.18: Đường hàn sản phẩm bề dày 0,4 mm ở nhiệt độ khuôn 900C .................... 71
Hình 4.19: Đường hàn sản phẩm bề dày 0,4 mm ở nhiệt độ khuôn 1200C .................. 72
Hình 4.20: Đường hàn sản phẩm bề dày 0,4 mm ở nhiệt độ khuôn 1500C .................. 72
Hình 4.21: Sản phẩm nhựa ............................................................................................ 74
Hình 4.22: Đường hàn sản phẩm bề dày 0,4 mm ở nhiệt độ khuôn 300C .................... 75
Hình 4.23: Đường hàn sản phẩm bề dày 0,4 mm ở nhiệt độ khuôn 600C .................... 75
Hình 4.24: Đường hàn sản phẩm bề dày 0,4 mm ở nhiệt độ khuôn 900C .................... 76
Hình 4.25: Đường hàn sản phẩm bề dày 0,4 mm ở nhiệt độ khuôn 1200C .................. 76
Hình 4.26: Đường hàn sản phẩm bề dày 0,4 mm ở nhiệt độ khuôn 1480C .................. 77
Chương1
TỔNGQUAN
1.1 Tổng quan chung
1.1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, các sản phẩm nhựa được thiết kế và phát triển theo xu hướng nhẹ hơn, nhỏ hơn, mỏng hơn. Do đó, quá trình phun ép các sản phẩm dạng này đang đối mặt với các thử thách lớn. Nếu trong suốt quá trình phun ép, nhiệt độ khuôn có thể duy trì ở giá trị cao hơn nhiệt độ chuyển pha của vật liệu nhựa thì khả năng điền đầy khuôn với những chi tiết có kích thước micro sẽ tăng lên.
Nhìn chung, nếu nhiệt độ bề mặt lòng khuôn cao, quá trình điền đầy nhựa sẽ được dễ dàng hơn, và trong hầu hết các trường hợp, chất lượng bề mặt sản phẩm sẽ được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ của các tấm khuôn tăng cao, quá trình giải nhiệt của khuôn nhựa sẽ bị kéo dài, và chu kỳ phun ép sẽ tốn nhiều thời gian, giá thành sản phẩm cũng sẽ gia tăng. Vì vậy, mục tiêu quan trọng của quá trình điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép là: gia nhiệt cho bề mặt khuôn đến nhiệt độ yêu cầu, nhưng vẫn đảm bảo thời gian chu kỳ phun ép không quá dài.
Để tăng nhiệt độ lòng khuôn, ta có thể sử dụng lưu chất là nước hoặc dầu nóng. Ngoài ra, phương pháp dùng điện trở cũng đã được đề xuất và nghiên cứu. Nhưng các phương pháp này đều có những hạn chế nhất định không thể đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm. Vì thế, một kỹ thuật mới đã được nghiên cứu và áp dụng thành công đối với sản phẩm yêu cầu về độ chính xác có kích thước micro cũng như cơ tính của sản phẩm cao. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng lớp phủ cách nhiệt mỏng để ngăn cản quá trình mất nhiệt của bề mặt khuôn trong quá trình nhựa điền đầy lòng khuôn.
Phương pháp này kết hợp với phương pháp phun khí nóng vào lòng khuôn (gas heating), nhằm đáp ứng yêu cầu gia nhiệt nhanh cho bề mặt khuôn, đã được nghiên cứu và đánh giá hiệu quả.
1.1.2 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến việc gia nhiệt cho khuôn:
1.1.2.1 Nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc bộ môn kỹ thuật và khoa học vật liệu, đại
học Shangdong, Trung Quốc: Nghiên cứu quá trình mô phỏng phản ứng nhiệt và tối ưu hóa cấu trúc khuôn cho quá trình ép chu kỳ gia nhiệt nhanh chóng, tương ứng với gia nhiệt bằng nước và gia nhiệt bằng điện [1].
Trong nghiên cứu này kết quả cho thấy rằng lớp cách nhiệt có thể tăng giới hạn nhiệt độ của chu kỳ gia nhiệt nhanh cho công nghệ ép phun với phương pháp gia nhiệt bằng hơi nước và cải thiện tốc độ gia nhiệt của chu kỳ gia nhiệt nhanh cho công nghệ ép phun với phương pháp gia nhiệt bằng điện. Do đó, phương pháp gia nhiệt bằng hơi nước thường được sử dụng cho các vật liệu polymer mà không yêu cầu nhiệt độ bề mặt các khoang cao thường nhỏ hơn 1600C. Phương pháp gia nhiệt bằng điện thì thích hợp cho các polymer kỹ thuật có độ bền cao mà thường có nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh cao hoặc chảy.
Hình 1.1: Hai mô hình lưới mô phỏng cho quá trình truyền nhiệt cho hệ thống gia nhiệt nhanh cho công nghệ ép phun
Hình 1.2: Sự phân bố nhiệt độ khuôn của trường hợp 5 và trường hợp 7
sau15giâygianhiệt
1.1.2.2 Nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc bộ môn kỹ thuật cơ khí, đại học Chung Yuan Christian, Đài Loan: Biến thiên nhanh nhiệt độ trong việc hỗ trợ quá trình phun tạo hình các sản phẩm vi mô có hệ số co giãn lớn sử dụng công nghệ gia nhiệt cảm ứng
[2].
Trong nghiên cứu này việc sử dụng công nghệ gia nhiệt cảm ứng điện từ kết hợp với làm nguội bằng nước được dùng để tạo ra sự biến thiên nhanh nhiệt độ khuôn. Quá trình mô phỏng sự biến thiên nhiệt độ sử dụng công nghệ CAE (ANSYS) kết hợp với đo lường thực nghiệm trên các mẫu sản phẩm (có dạng các kênh dẫn vi mô) đã chỉ ra rằng gia nhiệt cảm ứng có thể nhanh chóng tăng nhiệt độ bề mặt khuôn từ 60 0C lên
140 0C trong vòng 3,5 giây. Kết quả mô phỏng được thực hiện trước đó hoàn toàn
tương thích với kết quả đo lường trên vật mẫu. Quá trình mô phỏng cũng cho thấy sóng điện từ có thể thâm nhập vào trong phần đáy của các kênh dẫn, tạo ra hiệu quả ảnh hưởng nhiệt cho các đặc tính vi mô. Việc tăng nhiệt độ thông qua gia nhiệt cảm ứng giúp cải thiện độ chính xác lặp lại cho các chi tiết đặc tính vi mô mà không cần tăng đáng kể chu kỳ ép.
Hình 1.3: Mô hình khuôn thực nghiệm gia nhiệt bằng cảm ứng
Hình 1.4: Kích thước của tấm insert với dãy các kênh dẫn có chiều sâu thiết kế
120và600μm
Hình 1.5: Các phân bố nhiệt được đo trên mẫu (bên trái) và được mô phỏng bằng
ANSYS (bên phải) trên bề mặt khuôn bằng gia nhiệt cảm ứng (sau 2,5 giây)
1.1.2.3 Nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc bộ môn kỹ thuật cơ khí, đại học Chung Yuan Christian, Đài Loan: Hiệu quả của việc điều khiển nhiệt độ bề mặt khuôn khác nhau và chất lượng chi tiết [3].
Trong nghiên cứu này chỉ ra phương pháp điều khiển nhiệt độ bề mặt khuôn khác nhau sử dụng lớp vật liệu cách nhiệt để đạt được nhiệt độ bề mặt khuôn nhanh chóng. Để nhiệt bề mặt khuôn tăng nhanh với nhiệt độ tăng khác nhau giữa khoảng 50
0C và 100 0C hoặc cao hơn. Phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ được xem là hiệu quả
nhất chỉ trong vòng 2 đến 4 giây. Phương pháp gia nhiệt bằng hồng ngoại có sử dụng vật liệu cách nhiệt thì phải mất khoảng 15 giây.
Hình 1.6: (a) Lớp phủ bề mặt cho khuôn trễ nhiệt
(b) Điền đầy dòng chảy được dễ dàng hơn do hiện tượng trễ nhiệt với lớp vật liệu cách
nhiệt
Hình 1.7: Các phân bố nhiệt được đo trên mẫu và được mô phỏng bằng ANSYS sử
dụng phương pháp cảm ứng từ bên dưới chỉ tiêu nhiệt 120 0C
1.1.2.4 Nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc bộ môn kỹ thuật cơ khí, đại học Chung Yuan Christian, Đài Loan: Đánh giá tính khả thi của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng cho việc điều khiển nhiệt độ bề mặt khuôn trong quá trình phun ép [4].
Phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng có thể tăng nhiệt độ bề mặt khuôn từ 60
0C đến 120 0C trong vòng 2 giây (nghĩa là tốc độ trung bình khoảng 300C/giây) và cần
34 giây để nhiệt độ trở về 60 0C. Trong khi, phương pháp gia nhiệt bằng nước nóng thì phải mất 192 giây để có thể tăng nhiệt độ bề mặt khuôn từ 600C đến 1200C và cần 75 giây để nhiệt độ trở về 60 0C.
Hình 1.8: So sánh sự thay đổi nhiệt độ đo được cho phương pháp gia nhiệt bằng khí
nóng và gia nhiệt bằng nước nóng
1.2 Mục đích của đề tài
Hiện nay, vật liệu nhựa đã dần phổ biến trong cuộc sống, các nghiên cứu gần đây đang tìm cách sản xuất những sản phẩm có kích thước nhỏ như chip điện tử, thiết bị sinh học, thiết bị y tế… đều bằng chất liệu nhựa. Do đó, ngành công nghiệp khuôn đã và đang dần dần tiến thêm một bước quan trọng.
Trong quá trình phun ép, nhiệt độ khuôn đóng vai trò quan trọng trong quá trình tạo hình và ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm nhựa. Đây là một trong những nguyên nhân chính gây ra khuyết tật đường hàn. Qua các nghiên cứu trước đây, việc kiểm soát và điểu khiển nhiệt độ khuôn là hết sức cần thiết để đạt được chất lượng sản phẩm tốt nhất. Chính vì vậy tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng đến sự xuất hiện đường hàn của sản phẩm nhựa thành mỏng” với mục đích như sau: tiến hành gia nhiệt lòng khuôn cục bộ tại vị trí có khả năng xuất hiện đường hàn cao, sử dụng module gia nhiệt bằng khí nóng. Ép ra các sản phẩm sử dụng loại nhựa đề xuất sau đó tiến hành quan sát bằng kính hiển vi và
nhận xét kết quả đạt được. Kết quả sau khi được kiểm tra, so sánh và phân tích sẽ được
áp dụng vào thực tế sản xuất.
1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài
- Tìm hiểu về công nghệ ép phun và ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến chất
lượngsảnphẩm.
- Giới thiệu phương pháp gia nhiệt cho khuôn phun ép bằng khí nóng.
- Thiết kế, chế tạo khuôn và tấm insert cho khuôn phục vụ cho quá trình gia
nhiệt.
- Tiến hành thí nghiệm đo nhiệt độ bề mặt tấm insert đồng thời so sánh với kết quả mô phỏng sử dụng phần mềm Ansys.
- Sử dụng module gia nhiệt bằng khí nóng” tiến hành gia nhiệt thử nghiệm và ép
ra các sản phẩm để tiến hành quan sát bằng kính hiển vi.
- Thực hiện ép thí nghiệm các loại nhựa ở những nhiệt độ khác nhau.
- Thu thập và nhận xét các kết quả đạt được.
1.3.2 Giới hạn của đề tài
Đề tài chỉ khảo sát các mẫu sản phẩm nhựa thành mỏng có chiều dày 0,4 mm được ép bằng công nghệ ép phun sử dụng hạt nhựa PP.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.
1.4.1 Nghiên cứu lý thuyết
- Công nghệ ép phun
- Quá trình truyền nhiệt
- Vật liệu nhựa và thuộc tính
- Xử lý số liệu thực nghiệm
1.4.2 Nghiên cứu thực nghiệm
- Ép các mẫu sản phẩm nhựa trên máy ép nhựa
- Sản phẩm sau khi ép được quan sát bằng kính hiển vi
- Thu thập kết quả và xử lý số liệu thực nghiệm.
Chương2
CƠ SỞ LÝTHUYẾT
2.1 Giới thiệu về công nghệ ép phun
2.1.1 Nhu cầu thực tế và hiệu quả kinh tế mà phương pháp mang lại
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều sản phẩm nhựa. Từ sản phẩm là dụng cụ học tập như: thước, viết, hay đồ chơi trẻ em,… cho đến các sản phẩm phức tạp như: bàn, ghế, vỏ điện thoại, các chi tiết dùng trong ô tô, xe máy,… đều được làm bằng nhựa. Các sản phẩm này có hình dáng, màu sắc phong phú và chúng đã góp phần cho cuộc sống tiện nghi hơn. Điều này đồng nghĩa với việc sản phẩm nhựa mà phần lớn tạo ra nhờ công nghệ ép phun đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống. Với các tính chất như: độ dẻo dai, nhẹ, có thể tái chế, không có những phản ứng hóa học với không khí trong điều kiện bình thường,… vật liệu nhựa đã thay thế các loại vật liệu khác như: sắt, nhôm, đồng thau,… Do đó, nhu cầu sử dụng vật liệu nhựa trong tương lai sẽ còn lớn. Điều này dẫn đến ngành công nghệ khuôn mẫu sẽ rất phát triển.
Công nghệ ép phun cho phép sản xuất ra sản phẩm có chi tiết rất nhỏ, mà hầu hết không thể chế tạo bằng phương pháp khác. Lượng phế phẩm rất nhỏ tại các đường rãnh, cổng phun và sản phẩm bị loại có thể sử dụng lại. Công nghệ mang tính tiết kiệm chi phí nguyên liệu.
2.1.2 Khái niệm về công nghệ ép phun [5].
Công nghệ ép phun là phương pháp gia công tạo sản phẩm bằng phương pháp gia nhiệt vật liệu nhựa đến một nhiệt độ thích hợp khi đó nhựa được chảy dẻo ra, và dưới một áp suất lớn được tạo ra bởi máy ép phun, nhựa chảy được phun ép thông qua hệ thống kênh dẫn vào lòng khuôn, và tiếp tục đùn ép cho đến khi nhựa chảy lỏng điền đầy khuôn thì dừng lại. Sau đó khuôn được làm nguội và nhựa dẻo đông cứng lại. Sau đó mở khuôn, tiếp theo sản phẩm được đẩy ra khỏi lòng khuôn nhờ hệ thống đẩy.
2.1.3 Đặc điểm của công nghệ ép phun
Công nghệ ép phun là công nghệ phun nhựa nóng chảy được định lượng chính xác vào trong lòng khuôn đóng kín với áp lực cao, tốc độ nhanh và sau một thời gian ngắn sản phẩm được định hình, sản phẩm được lấy ra ngoài. Sau đó tiếp tục chu kỳ tiếp cho sản phẩm thứ hai. Thời gian từ lúc đóng khuôn, phun nhựa, thời gian định hình sản phẩm, lấy sản phẩm ra khỏi khuôn, đóng khuôn lại gọi là chu kỳ của một lần ép sản
phẩm.
Ngoài những đặc điểm trên, công nghệ ép phun còn có những đặc điểm sau:
- Sản phẩm gia công khá chính xác theo 3 chiều vì được tạo hình trong khuôn kín.
- Quá trình nhựa hóa và tạo hình được thực hiện trong 2 giai đoạn riêng biệt, trong những bộ phận khác nhau của máy: nhựa hóa trong xylanh và tạo hình trong khuôn.
- Quá trình tạo hình chỉ hình thành sau khi đóng kín hai nửa khuôn lại với nhau.
- Tùy theo loại nguyên liệu phun ép, mà chế độ nhiệt khác nhau. Đối với nhựa nhiệt dẻo thì nhiệt độ khuôn thấp hơn nhiệt độ nhựa lỏng. Đối với nhựa nhiệt rắn thì nhiệt độ khuôn cao hơn nhiệt độ nhựa lỏng.
- Vùng tạo hình của khuôn được lấp đầy nguyên liệu thì khuôn mới chịu tác dụng lực của pittong đúc gián tiếp qua nhựa lỏng.
- Tùy theo hình dáng hay kích thước của sản phẩm mà chu kỳ ép thay đổi từ mấy
giây đến mấy chục phút.
- Gia công bằng công nghệ ép phun tiết kiệm được nguyên liệu, đồng thời công đoạn hoàn tất cũng tốn ít thời gian.
Ưu điểm:
- Tạo ra những sản phẩm có hình dáng phức tạp tùy ý.
- Tạo ra những sản phẩm có thể tích lớn với tốc độ cao.
- Trên cùng một sản phẩm hình dáng giữa mặt trong và mặt ngoài có thể khác
- Khả năng tự động hóa và chi tiết có tính lặp lại cao.
- Sản phẩm sau khi ép phun có màu sắc phong phú và độ nhẵn bóng bề mặt cao
nên không cần gia công lại.
- Phù hợp cho sản xuất hàng khối và đơn chiếc.
Nhược điểm:
- Lợi nhuận của công nghiệp nhựa không cao.
- Máy ép, thiết bị và các thiết bị phụ trợ đắt (chi phí cao).
- Khó kiểm soát nhiệt độ, độ nhớt, áp suất trong quá trình ép phun.
- Điều khiển quá trình khó khăn, máy móc không phải luôn hoạt động tốt.
2.1.4 Cấu tạo chung của máy ép phun
Gồm 5 bộ phận:
- Hệ thống kẹp.
- Hệ thống khuôn.
- Hệ thống phun.
- Hệ thống hỗ trợ ép phun.
- Hệ thống điều khiển.
Hình 2.1: Cấu tạo máy ép phun
2.1.4.1 Hệ thống hỗ trợ ép phun (injection press support system)
Là hệ thống giúp vận hành máy ép phun. Hệ thống này gồm 4 hệ thống con:
- Thân máy (Frame).
- Hệ thống thủy lực (Hydraulic system).
- Hệ thống điện (Electrical system).
- Hệ thống làm nguội (Cooling system).
Hình 2.2: Các bộ phận của hệ thống hỗ trợ ép phun
2.1.4.1.1 Thân máy (Frame)
Là hệ thống liên kết giữa các hệ thống và bộ phận máy lại với nhau làm cho máy hoạt động ổn định và chắc chắn.
2.1.4.1.2 Hệ thống thủy lực (Hydraulic system)
Cung cấp lực để đóng mở và khuôn, tạo ra và duy trì lực kẹp, làm cho trục vít quay và chuyển động tới lui, tạo ra lực cho chốt đẩy và sự trượt của lõi mặt bên. Hệ thống này bao gồm: bơm, van, motor, hệ thống ống, thùng chứa dầu,…
Hình 2.3: Hệ thống thủy lực của máy ép nhựa
2.1.4.1.3 Hệ thống điện (Electrical system)
Cung cấp điện cho motor điện (electric motor) và hệ thống điều khiển nhiệt cho khoang chứa vật liệu nhờ các băng nhiệt (heater band) và đảm bảo sự an toàn điện cho người vận hành máy bằng các công tắc. Hệ thống này gồm tủ điện (electric power cabinet) và hệ thống dây dẫn.
Hình2.4:Hệthốngđiện
2.1.4.1.4 Hệ thống làm nguội (Cooling system)
Cung cấp nước hoặc dung dịch ethyleneglycol,… để làm nguội khuôn, dầu thủy lực và ngăn không cho nhựa thô ở cuống phễu bị nóng chảy, vì khi nhựa bị nóng chảy thì phần nhựa thô phía trên khó chạy vào khoang chứa nhựa. Nhiệt trao đổi cho dầu thủy lực vào khoảng 90-120 độ F. Bộ điều khiển nước (water temperature controller) cung cấp một lượng nhiệt, áp suất, dòng chảy thích hợp để làm nguội nhựa nóng trong khuôn.
2.1.4.2 Hệ thống phun (Press system)
Làm nhiệm vụ đưa nhựa vào khuôn thông qua quá trình cấp nhựa, nén, khử khí, làm chảy nhựa, phun nhựa lỏng vào khuôn và định hình sản phẩm.
Hình2.5:Hệthốngphun
Hệ thống này có các bộ phận sau:
- Phễu cấp nhựa (Hopper): chứa vật liệu để cấp vào khoang.
- Khoang chứa nhựa (Barrel): nơi chứa nhựa được gia nhiệt.
- Các vòng gia nhiệt (Heater band): giữ cho nhiệt độ trong khoang chứa nhựa luôn ở trạng thái chảy dẻo. Trên một máy ép nhựa các vòng gia nhiệt được cài đặt với nhiệt độ khác nhau để tạo ra các vùng nhiệt độ phù hợp cho quá trình ép phun.
Hình 2.6: Các băng nhiệt
- Trục vít: làm nén, làm chảy dẻo và tạo áp lực để đẩy nhựa lỏng chảy vào lòng khuôn. Trục vít gồm có 3 vùng:
Hình 2.7: Cấu tạo trục vít của máy ép nhựa
2.2 Cơ sở lý thuyết về đường hàn trên sản phẩm nhựa
2.2.1 Khái niệm
- Trong cuộc sống hiện đại sản phẩm nhựa đang thay thế dần các sản phẩm truyền thống và được sử dụng ngày càng nhiều.
- Đường hàn trong sản phẩm nhựa khi chúng ta sản xuất bằng phương pháp ép phun là khó tránh khỏi.
- Đường hàn là đường gặp nhau của hai hay nhiều dòng nhựa chảy trong khuôn.
- Tại vị trí xuất hiện đường hàn, tính chất cơ học của sản phẩm bị giảm. Nó cũng là một khu vực yếu của sản phẩm.
- Làm giảm tính thẩm mỹ của sản phẩm.
2.2.2 Nguyên nhân
Hình 2.8: Đường hàn của sản phẩm nhựa
- Nhiệt độ chảy, nhiệt độ khuôn và tốc độ phun quá thấp.
- Áp suất phun không phù hợp.
- Nhựa chưa được dẻo hoàn toàn.
- Bề dày sản phẩm quá nhỏ hoặc quá dài.
...............
Chương5
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1 Tóm tắt và đánh giá kết quả của đề tài
Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng đến sự xuất hiện đường hàn của sản phẩm nhựa thành mỏng” được thực hiện trong thời gian khoảng 6 tháng. Trong khoảng thời gian đó, bản thân tác giả đã tham khảo các tài liệu, các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước. Đến nay tác giả đã hoàn thành đề tài với mục tiêu đề ra.
Kết quả cuối cùng của đề tài đã cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến chất lượng cũng như cơ tính sản phẩm nhựa trong quá trình ép phun. Điều khiển nhiệt độ khuôn tối ưu là một trong những cách hiệu quả nhất nhằm nâng cao chất lượng bề mặt khuôn.
Vì vậy, mục tiêu quan trọng của quá trình điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép là: gia nhiệt cho bề mặt khuôn đến nhiệt độ yêu cầu, nhưng vẫn đảm bảo thời gian chu kỳ ép phun không quá dài. Với việc sử dụng một tấm insert có phủ một lớp cách nhiệt để giữ cho nhiệt độ lòng khuôn duy trì ở các mức nhiệt như mong muốn để ép ra những sản phẩm có bề dày mỏng đang thực sự quan trọng.
