LUẬN VĂN gia nhiệt bằng khí nóng đến sự xuất hiện đường hàn của sản phẩm nhựa thành mỏng
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
Luận văn Gia nhiệt bằng khí nóng đến sự xuất hiện đường hàn của sản phẩm nhựa thành mỏng
GIA NHIỆT CỤC BỘ CHO LÕNG KHUÔN PHUN ÉP NHỰA BẰNG KHÍ NÓNG
LOCAL HEATING FOR INJECTION MOLD WITH THE HOT AIR HEATING METHOD
Đỗ Thành Trung (1), Phạm Sơn Minh (1), Phan Thế Nhân (2), Phùng Huy Dũng (3)
(1) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM
(2) Trường Cao Đẳng Nghề Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM
(3) Trung Tâm Kiểm Định Kỹ Thuật An Toàn Khu Vực 2
TÓM TẮT
Nâng cao nhiệt độ bề mặt lòng khuôn khi nhựa nóng chảy được ép vào khuôn phun ép là một
trong những phương pháp nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa trong quá trình phun ép. Trong thời gian gần đây, phương pháp gia nhiệt cho bề mặt khuôn bằng khí nóng đã được ứng dụng. Trong nghiên cứu này, nguồn khí nóng 200 oC đã được sử dụng trong quá trình gia nhiệt cho lòng khuôn hình chữ nhật. Kết quả thí nghiệm cho thấy khi gia nhiệt bằng khí nóng từ bên ngoài, nhiệt độ bề mặt khuôn sẽ tăng nhanh trong 10 s đầu, sau đó, giá trị này sẽ tăng chậm trong 10 s tiếp theo và ổn định sau 20 s. Thông qua quá trình mô phỏng với phần mềm ANSYS, phương pháp này cho thấy phân bố nhiệt độ trên bề mặt khuôn khá tốt. Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thí nghiệm cho thấy sự sai lệch khoảng 6 oC trong suốt 60 s khảo sát trên bề mặt khuôn. Tại thời điểm ổn định, nhiệt độ tại các điểm khảo sát dao động trong khoảng 80 oC đến 100 oC.
Từ khóa: Phun ép, khuôn nhựa, gia nhiệt cục bộ.
ABSTRACT
Increase the mold surface when the melt filling the cavity is a method for improving the
injection molding part. Recently, the hot air is offent used for mold surface heating. In this paper, the 200 oC air was used in the heating step for a rectangular mold cavity. Results show that with the external hot air heating, the temperature of mold surface will fastly increase in the first 10 s, after that, this value will be increasing slowly in the next 10 s, later, the temperature will be stable after 20 s for heating. Based on the simulation with ANSYS software, the air heating shows a good temperature uniformity. The difference between simulation and experiment result is lower than 6 oC in 60 s for heating. At the stable stage, the mold surface temperature is varied from 80 oC to 100 oC.
Keywords: Injection molding, plastic mold, local heating.
- GIỚI THIỆU
Phun ép là công nghệ phun nhựa nóng chảy được định lượng chính xác vào lòng khuôn
đóng kín với áp lực cao và tốc độ nhanh, sau thời gian ngắn, sản phẩm được định hình, và khi đạt đến nhiệt độ nguội theo yêu cầu, sản phẩm được lấy ra ngoài. Sau đó, chu kỳ phun ép tiếp theo sẽ được tiến hành. 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 điền đầy khuôn, 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 [1, 2]. Nhiệt độ khuôn đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành đường hàn, dẫn đến ảnh hưởng chất lượng sản phẩm. Vì vậy, kiểm soát và điểu khiển nhiệt độ của khuôn là một trong những yêu cầu cần thiết để đạt được chất lượng sản phẩm tốt nhất. Nhìn chung, 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. Với mục tiêu này, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện và các kết quả tích cực dần được công bố trong những năm gần đây [1 – 8].
Nhóm tác giả thuộc bộ môn kỹ thuật và khoa học vật liệu, đại học Shangdong, Trung Quốc đã 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
[5]. Trong nghiên cứu này, kết quả cho thấy 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 160
0C.
Trong nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc đại học Chung Yuan Christian, Đài Loan, 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 [6]. 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. 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 ứng cảm ứng điện từ và gia nhiệt cho các kết cấu micro. Các kết quả từ nghiên cứu này cho thấy việc tăng nhiệt độ thông qua gia nhiệt cảm ứng giúp cải thiện độ chính xác lặp cho các chi tiết dạng micro mà không cần
tăng thời gian chu kỳ ép. Bên cạnh đó, trong đề tài khác của nhóm nghiên cứu này, phương pháp điều khiển nhiệt độ bề mặt khuôn sử dụng lớp vật liệu cách nhiệt để thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn nhanh chóng cũng được đề cập [7]. Tuy nhiên, khi thay đổi các phương pháp gia nhiệt khác nhau, phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ được xem là hiệu quả nhất với thời gian gia nhiệt trung bình từ 2 s đến 4 s, trong khi đó, phương pháp gia nhiệt bằng tia hồng ngoại có sử dụng vật liệu cách nhiệt sẽ cần thời gian khoảng 15 giây.
Với các phương pháp gia nhiệt cho khuôn trước đây, thời gian chu kỳ sẽ kéo dài, do đó, hiệu quả kinh tế sẽ giảm rõ rệt. Để rút ngắn thời gian gia nhiệt cho khuôn, các phương pháp gia nhiệt bề mặt khuôn đã được nghiên cứu [5 – 8]. Trong đó, phương pháp dùng khí nóng để nâng nhiệt độ lòng khuôn đang được nhiều nhà nghiên cứu tập trung khai thác [7 – 8]. Một trong những khó khăn của phương pháp này là khả năng điều khiển dòng khí nóng nhằm giảm chênh lệch nhiệt độ tại bề mặt lòng khuôn. Do đó, nghiên cứu này sẽ tập trung ứng dụng công cụ CAE (Computer assited Engineering) nhằm phân tích và dự đoán kết quả gia nhiệt bằng
khí nóng cho một bộ khuôn với sản phẩm thực. Thông qua mô phỏng trên phần mềm ANSYS CFX, các giá trị nhiệt độ và sự phân bố nhiệt độ tại bề mặt lòng khuôn sẽ được xác định. Sau đó, thí nghiệm gia nhiệt sẽ được tiến hành nhằm khảo sát nhiệt độ của bề mặt khuôn theo thời gian gia nhiệt, cũng như đánh giá độ chính xác của kết quả mô phỏng.
II. MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM
Trong nghiên cứu này, khuôn phun ép dùng cho quá trình thí nghiệm về dòng chảy nhựa
được sử dụng cho quá trình nghiên cứu khả năng gia nhiệt cho lòng khuôn bằng khí nóng. Kết cấu lòng khuôn cần gia nhiệt được trình bày như Hình 1.
Tấm khuôn dùng cho quá trình thí nghiệm sẽ được gia công với hai lòng khuôn, mỗi lòng khuôn sẽ được điền đầy nhựa bởi 1 cổng đơn. Trong nghiên cứu này, một lòng khuôn sẽ được chế tạo như kết cấu thông thường, lòng khuôn còn lại sẽ được thiết kế với chi tiết insert được ghép vào lòng khuôn tại vị trí gia nhiệt cục bộ. Với thiết kế này, phần nhiệt năng trong quá trình gia nhiệt sẽ được giữ lại tại vị trí này. Vị trí của chi tiết insert được trình bày như Hình 1, kích thước của chi tiết insert được trình bày như Hình 2.
Hình 2: Kích thước chi tiết insert cho lòng khuôn.
Trong qui trình phun ép truyền thống, sau khi chu kỳ phun ép được hoàn thành, hai tấm khuôn sẽ mở ra và sản phẩm sẽ được đẩy ra khỏi lòng khuôn. Sau đó, hai tấm khuôn sẽ đóng lại và chu kỳ phun ép mới sẽ được bắt đầu. Tuy nhiên, với qui trình phun ép nhựa với sự hỗ trợ của khí nóng trong quá trình gia nhiệt cho lòng khuôn, sau khi sản phẩm được đẩy ra khỏi lòng khuôn, cơ cấu tay máy sẽ đưa nguồn nhiệt vào giữa hai tấm khuôn, sau đó, khí nóng từ nguồn nhiệt này sẽ được phun trực tiếp lên vị trí cần gia nhiệt cho lòng khuôn. Vị trí của khuôn và nguồn nhiệt nóng được trình bày như Hình 3. Sau khi nhiệt độ của lòng khuôn đạt được giá trị theo yêu cầu, nguồn nhiệt sẽ được di chuyển ra ngoài khu vực khuôn, sau đó, hai tấm khuôn sẽ đóng lại và chu kỳ phun ép mới sẽ được bắt đầu.
Với qui trình phun ép nhựa, nhiệt độ tại bề mặt khuôn có ý nghĩa rất quan trọng, đây là một trong những yếu tố chính có ảnh hưởng đến độ cong vênh sản phẩm nhựa sau khi phun ép [1,
5]. Do đó, trong các thí nghiệm của nghiên cứu này, giá trị nhiệt độ tại bề mặt lòng khuôn sẽ được ghi nhận tại vị trí insert. Ngoài ra, nhằm quan sát phân bố nhiệt độ tại bề mặt này, phương pháp mô phỏng cũng sẽ được thực hiện với phần mềm ANSYS. Mô hình mô phỏng được trình bày như Hình 4. Các thông số vật liệu và thông số mô phỏng được cài đặt như lần
lượt như Bảng 1 và 2.
Nhằm quan sát quá trình gia nhiệt cho lòng khuôn phun ép nhựa, dòng khí nóng với nhiệt
độ 200 oC được phun lên bề mặt lòng khuôn tại vị trí insert như Hình 3 và 4. Thời gian gia
nhiệt sẽ được ghi nhận từ lúc bắt đầu phun khí đến 60 s. Giá trị nhiệt độ tại bề mặt lòng khuôn sẽ được ghi nhận từ thí nghiệm, sau đó, các kết quả thí nghiệm sẽ được so sánh với kết quả mô phỏng.
Nguồn khí
nóng
Lòng khuôn cần gia nhiệt
Hình 3: Vị trí của khuôn trong quá trình gia nhiệt.
Hình 4: Mô hình mô phỏng quá trình gia nhiệt bằng khí nóng.
Bảng 1: Thông số vật liệu
|
Thông số mô phỏng |
|
|
Khối lượng riêng của khí |
1.185 kg/m3 |
|
Nhiệt dung riêng của khí |
1004 J/kg*K |
|
Hệ số giãn nở vì nhiệt của khí |
0.003356 K-1 |
|
Khối lượng riêng của nhôm |
2702 kg/m3 |
|
Nhiệt dung riêng của nhôm |
903 J/kg*K |
|
Hệ số dẫn nhiệt của nhôm |
237 W/m*K |
|
Hệ số truyền nhiệt từ khối khí sang tấm nhôm |
2340 W/m*K |
Bảng 2: Thông số mô phỏng
Thông số mô phỏng
|
Nhiệt độ inlet của không khí |
30 oC |
|
Nhiệt độ khí phun vào khu vực cần gia nhiệt |
200 oC |
|
Áp suất không khí |
1 atm |
|
Nhiệt độ ban đầu của tấm nhôm |
30 oC |
|
Các mức thời gian phân tích |
0 s 30 s (bước 5 s) |
|
Time step |
1 s |
|
Thời gian khởi tạo ban đầu |
0 s |
|
Dạng phân tích nhiệt |
Transient |
- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Trong bài báo này, kết quả mô phỏng và thí nghiệm với thời gian gia nhiệt 60 s được trình
bày như Bảng 2. Trong quá trình gia nhiệt, sự thay đổi nhiệt độ tại bề mặt khuôn được trình bày như Hình 5 và Bảng 3. Kết quả này cho thấy trong 10 s đầu, nhiệt độ bề mặt khuôn tăng rất nhanh. Tuy nhiên, sự tăng nhiệt độ này chậm lại trong 10 s tiếp theo. Sau đó, từ giây thứ
20 trở đi, nhiệt độ bề mặt khuôn có khuynh hướng giảm khoảng 10 oC và đạt đến giá trị ổn
định. Tại trạng thái ổn định, nhiệt độ ổn định dao động trong khoảng 98 oC đến 101 oC. Với kết quả này, phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng hoàn toàn có thể ứng dụng cho quá trình phun ép nhằm nâng nhiệt độ khuôn lên giá trị cao trước khi nhựa nóng chảy được ép vào lòng khuôn.
Bảng 3: Kết quả nhiệt độ tại bề mặt khuôn tại 4 vị trí đo.
|
Thời gian gia nhiệt (s) |
Mô phỏng (oC) |
Thí nghiệm (oC) |
|
5 |
98 |
94 |
|
10 |
106 |
102 |
|
15 |
108 |
103 |
|
20 |
110 |
105 |
|
25 |
106 |
101 |
|
30 |
104 |
99 |
|
35 |
103 |
99 |
|
40 |
102 |
98 |
|
45 |
101 |
98 |
|
50 |
100 |
97 |
|
55 |
99 |
97 |
|
60 |
98 |
96 |
Tương tự như thí nghiệm, các kết quả mô phỏng cũng cho thấy thay đổi nhiệt độ tại bề mặt khuôn là tương tự như thí nghiệm. So sánh giá trị nhiệt độ tại bề mặt khuôn giữa mô phỏng và thí nghiệm cho thấy trong 10 s đầu tiên của quá trình gia nhiệt, sai lệch giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm dưới 4 oC. Tuy nhiên, từ 10 s đến 30 s, sự khác biệt về nhiệt độ giữa mô phỏng và thực nghiệm thay đổi theo chiều hướng tăng. Hiện tượng này cho thấy quá trình mô phỏng đã bị ảnh hưởng bởi đặc tính vật liệu và các điều kiện biên của quá trình gia nhiệt. Ngoài ra, do giới hạn của trang thiết bị mô phỏng, kích thước lưới và phần tử chưa được tối
ưu hóa. Tuy nhiên nhìn chung, các kết quả cho thấy khả năng dự đoán nhiệt độ trong quá trình gia nhiệt của phần mềm hoàn toàn có thể sử dụng được. Trong nghiên cứu này, trong 60 s gia nhiệt cho khuôn, sai lệch nhiệt độ lớn nhất giữa thí nghiệm và mô phỏng là 6 oC.
Phân bố nhiệt độ tại bề mặt lòng khuôn ứng với các thời gian gia nhiệt khác nhau cũng được so sánh như Hình 6. Kết quả này cho thấy phân bố nhiệt độ tại khu vực gia nhiệt khá tốt. Nhiệt độ tại khu vực này thay đổi từ 80 oC đến 100 oC. Với phân bố nhiệt độ này, phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng từ bên ngoài hoàn toàn có thể ứng dụng cho qui trình phun ép nhựa.
Mô phỏng
Thí nghiệm
Nhiệt độ khí: 200 oC
Thời gian gia nhiệt (s)
Hình 5: Thay đổi của nhiệt độ tại bề mặt khuôn trong quá trình gia nhiệt.
5 s 10 s 15 s 20 s 25 s 30 s
Hình 6: Phân bố nhiệt độ tại lòng khuôn ứng với các thời gian gia nhiệt khác nhau.
- KẾT LUẬN
Trong nghiên cứu này, quá trình gia nhiệt cho lòng khuôn hình chữ nhật bằng phương pháp
phun khí nóng từ bên ngoài được nghiên cứu thông qua mô phỏng và thí nghiệm đã thu được
các kết quả như sau:
- Kết quả thí nghiệm cho thấy khi gia nhiệt bằng khí nóng từ bên ngoài, nhiệt độ bề mặt khuôn sẽ tăng nhanh trong 10 s đầu, sau đó, giá trị này sẽ tăng chậm trong 10 s tiếp theo và ổn định sau 20 s. Tại thời điểm ổn định, nhiệt độ được phân bố tương đối đồng đều, chênh lệch nhiệt độ lớn nhất khoảng 20 oC. Vì vậy, phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng từ bên ngoài hoàn toàn có thể ứng dụng cho qui trình phun ép nhựa.
- Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thí nghiệm cho thấy sự sai lệch khoảng 6 oC trong
suốt 60 s khảo sát trên bề mặt khuôn. Vì vậy, có thể sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS CFX để dự đoán nhiệt độ phân bố trên bề mặt lòng khuôn trong quá trình gia nhiệt bằng khí nóng, qua đó đánh giá chất lượng chất lượng sản phẩm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] S. Y. Yang, S. C. Nian, S. T. Huang and Y. J. Weng, A study on the micro-injection
molding of multi-cavity ultra-thin parts, Polymers Advances Technologies, Vol. 22,
2011, pp. 891–902.
[2] Y. K. Shen, C. F. Huang, Y. S. Shen, S. C. Hsu, M. W. Wu, Analysis for microstructure of micro lens arrays on micro-injection molding by numerical simulation, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 35, 2008, pp. 1097-1100.
[3] K. F. Zhang, Z. Lu, Analysis of morphology and performance of PP microstructures manufactured by micro injection molding, Microsyst Technol, Vol 14, 2008, pp. 209-
[4] B. Sha, S. Dimov, C. Griffiths, M.S. Packianather, Investigation of micro-injection moulding: Factors affecting the replication quality, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 183, 2007, pp. 284–296.
[5] G. Wang, G. Zhao, H. Li, Y. Guan, Research of thermal response simulation and mold structure optimization for rapid heat cycle molding processes, respectively, with steam heating and electric heating, Materials & Design, Vol.31(1), 2010, pp. 382–395
[6] S. C. Chen, W. R. Jong, Y. J. Chang, J. A. Chang, J. C. Cin, Rapid mold temperature variation for assisting the micro injection of high aspect ratio micro-feature parts using induction heating technology, J. Micromech. Microeng., Vol. 16, 2006, pp.
[7] S. C. Chen, W. R. Jong, J. A. Chang, H. S. Peng, Simulation and verification on rapid mold surface heating/cooling using electromagnetic induction technology, 4th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics Cairo, Egypt, 2005
[8] S. C. Chen, R. D. Chien, S. H. Lin, M. C. Lin, J. A. Chang, Feasibility evaluation of gas-assisted heating for mold surface temperature control during injection molding process, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 36, 2009, pp.
806-812.
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.
