LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng đến khả năng điền đầy lòng khuôn sản phẩm nhựa dạng thành mỏng
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng đến khả năng điền đầy lòng khuôn sản phẩm nhựa dạng thành mỏng
TÓM TẮT
Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng đến khả năng điền đầy lòng khuôn của sản phẩm nhựa dạng thành mỏng là đề tài lần đầu nghiên cứu ở Việt Nam. Phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp gia nhiệt khác như gia nhiệt bằng nước, gia nhiệt bằng điện, điện từ ... bởi vì nó có tốc độ gia nhiệt nhanh hơn. Quá trình giải nhiệt nhanh chóng, kết cấu thiết bị đơn giản. Rất thuận lợi cho việc việc chế tạo vận hành, dễ tự động hóa.
Đề tài đã được thực hiện trong thời gian từ tháng 09/2014 đến 02/2015. Nội dung và phương pháp nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu về lý thuyết truyền nhiệt, lý thuyết khuôn mẫu, lý thuyết vật liệu nhựa polyme. Thí nghiệm gia nhiệt và ép nhựa được thực hiện tại phòng thí nghiệm công nghệ khuôn mẫu của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM.
Nội dung luận văn đã trình bày một cách đầy đủ và cô đọng lý thuyết tương đối về truyền nhiệt, khuôn mẫu, vật liệu nhựa polyme và kết quả của quá trình mô phỏng trên phần mềm kết hợp với đo đạt thực tế nhiệt độ bề mặt khuôn. Kết quả của quá trình ép nhựa đối với 2 loại nhựa polyme là Polypropylene (PP) và Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) ở những nhiệt độ khác nhau (30 0C, 60 0C, 90 0C, 120 0C, 150 0C) của bề mặt lòng khuôn được gia nhiệt bằng phương pháp khí nóng với các bề dày của sản phẩm nhựa là 0,2 mm, 0,4 mm và 0,6 mm.
Kết quả của đề tài sẽ là cơ sở thực tiễn để xử lý những khuyết tật của sản phẩm nhựa gây ra bởi sự tổn thất về nhiệt và áp trong quá trình chuyển động của dòng nhựa đặc biệt là các sản phẩm của vi khuôn và cũng là cơ sở lý thuyết cho những nghiên cứu sâu hơn cho tương lai ngành vi khuôn ở Việt Nam.
ABSTRACT
“Effect of gas – assisted preheating method on the melt flow length of thin – wall plastic products” is the first research topic in Vietnam. Gas – assisted preheating method has many advantages if compared to the other heating methods using water, electric, electromagnetic, so on... because it has faster preheating and cooling rate, simple equipments, being convenient for using and automatising easily.
The thesis was implemented from Sept 2014 to Feb 2015. The content and methodology of the research relate to heat transfer, moulding and polymer materials theories. The surface – preheating experiment and product forming were carried out in molding technology in the laboratory of the Ho Chi Minh City University of Technology and Education.
Concisely and completely, thesis content presented theories of heat transfer, molding, polymer materials and the results of simulation combined with the actual mould surface temperature measuring process. Results of injection process using 2 polymers: Polypropylene (PP) and Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), at different temperatures of mould – cavity surface (30 0C, 60 0C, 90 0C, 120 0C, 150 0C) are preheated by the gas – assissted preheating method with the thicknesses of products are 0,2 mm, 0,4 mm, and 0,6 mm.
The results of this thesis will be become the reality background for remedying the defects of plastic which are created by heat and pressure losing during motion process of plastic flow especially the micro – feature products and also become the theoretical basis for further studies about the micro – molding industry at Vietnam in the future.
Key words: injection moulding, flow length, preheating method, thin – wall, gas – assissted, mould temperature ...
MỤC LỤC
Trang tựa TRANG
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học............................................................................................... i
Lời cam đoan.................................................................................................. iii
Lời cảm tạ...................................................................................................... iv
Tóm tắt............................................................................................................ v
Mục lục............................................................................................................. vii
Danh sách các từ viết tắt và ký hiệu................................................................. xi
Danh sách hình ảnh....................................................................................... xiii
Danh sách bảng biểu................................................................................... xviii
Chương 1: TỔNG QUAN.. 1
1.1. Tổng quan chung. 1
1.1.1. Công nghệ ép phun .1
1.1.2. Phương pháp gia nhiệt cho khuôn phun ép bằng khí nóng. 2
1.2. Đặt vấn đề. 4
1.3. Tình hình nghiên cứu.5
1.4. Mục đích nghiên cứu. 10
1.5. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài10
1.6. Phương pháp nghiên cứu.12
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.. 14
2.1. Tổng quan về khuôn ép nhựa. 14
2.1.1. Khái niệm chung về khuôn. 14
2.1.2. Kết cấu chung 1 bộ khuôn. 14
2.1.3. Phân loại khuôn ép phun. 16
2.2. Tổng quan về vật liệu nhựa sử dụng trong công nghệ ép phun. 20
2.2.1. Polymer21
2.2.2. Phân loại21
2.2.3. Các tính chất của Polymer22
2.2.4. Nhựa sử dụng làm thí nghiệm.. 26
2.2.4.1.PP (Polypropylene)26
2.2.4.2.ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)28
2.3. Lý thuyết truyền nhiệt:....................................................................... 29
2.3.1. Các phương thức trao đổi nhiệt........................................................... 29
2.3.1.1.Dẫn nhiệt........................................................................................... 30
2.3.1.2.Trao đổi nhiệt đối lưu......................................................................... 32
2.3.1.3.Trao đổi nhiệt bức xạ......................................................................... 33
2.3.2. Truyền nhiệt...................................................................................... 36
2.3.2.1.Khái niệm:........................................................................................ 36
2.3.2.2.Truyền nhiệt đẳng nhiệtqua tường phẳng............................................ 36
2.3.2.3.Truyền nhiệt đẳng nhiệtqua tườngống............................................... 37
Chương 3: PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG.. 38
3.1. Mô hình thí nghiệm.. 38
3.1.1. Mô hình Modun gia nhiệt cho khuôn. 38
3.1.2. Nguyên lý hoạt động của Modun gia nhiệt.42
3.1.3. Giới thiệu bộ khuôn thí nghiệm:43
3.1.4. Kết cấu khuôn. 44
3.1.5. Thiết kế chế tạo khối insert cho khuôn. 49
3.2. Phân tích gia nhiệt trên phần mềm chuyên dụng. 52
3.2.1. Giới thiệu modun phân tích gia nhiệt phần mềm ANSYS CFX.. 52
3.2.2. Phân tích gia nhiệt trên phần mềm.. 53
3.3. Thí nghiệm.. 57
3.3.1. Thí nghiệm gia nhiệt và đo nhiệt độ tấm insert của khuôn:57
3.3.1.1 Các thiết bị và quy trình thực hiện...................................................... 57
3.3.1.2 Thí nghiệm đo nhiệt cho tấm insert..................................................... 60
3.3.2. Thí nghiệm ép nhựa. 60
3.3.2.1.Thiết bị thí nghiệm.. 60
3.3.2.2.Qui trình thực hiện ép nhựa. 60
3.3.2.3.Thí nghiệm ép. 61
Chương 4: KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH.. 63
4.1. Kết quả, phân tích mô phỏng và thí nghiệm đo nhiệt63
4.1.1. Mô phỏng. 63
4.1.2. Thí nghiệm gia nhiệt67
4.1.3. So sánh nhiệt của mô phỏng và thí nghiệm đo. 72
4.2. Kết quả, phân tích thí nghiệm ép. 76
4.2.1. Sản phẩm nhựa PP.76
4.2.2 Sản phẩm nhựa ABS.......................................................................... 81
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................... 86
5.1. Kết quả đạt được:................................................................................. 86
5.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài.................................................................... 86
5.3. Hướng phát triển của đề tài.................................................................... 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................ 88
PHỤ LỤC..................................................................................................... 90
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮC
MỘT SỐ KÝ HIỆU
Q :Nhiệt lượng
λ: Hệsốdẫnnhiệt
F: Diện tích bềmặtvuônggóc với phươngdẫnnhiệt
τ : Thời gian
tT:Nhiệt độcủavật thể
tL:Nhiệt độcủalưu chất(chất lỏnghoặc khí)
α: Hệsố cấpnhiệt (hệsốtỷlệ)
dF: Diệntích
dτ:Thờigian
E0: Cườngđộ bứcxạ
T:Nhiệt độtuyệt đốicủa vật thể
C0:Hệsốbứcxạ của vật đentuyệtđối.
KR: Gọi làhệsốtruyền nhiệt trongtườngống.
b : Giới hạn bền
e: Độ biến dạng tương đối
E: Modun đàn hồi
PP: Polypropylene
ABS:Acrylonitrin Butadien Styren
PTFE: Polytetraflouroethylene
PE: Polyethylene
PVC: Polyvinylclorua
PS: Poly Styrene
PF: Phenol-Formaldehyt
PU: Polyurethane
PC: Polycarbonate
PA: Poly Amid
PPO: Polyphenyleneoxide
PA6: Polyamide 6
PA66: Polyamide 6
LDPE: Low Density Poli Etilen
HDPE: Hight Density Poli Etilen
MDPE: Medium Density Poli Etilen
PBT: Polybutylene Terephalate
PET: Poly Ethylene Terephthalate
POM: Poly Oxymethylene – Acetal
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH TRANG
Hình 1.1: Máy ép phun 2
Hình 1.2: Phương pháp gia nhiệt bằng khí 3
Hình 1.3: Các sản phẩm nhựa 4
Hình 1.4: Sản phẩm không điền đầy 5
Hình 1.5: So sánh thời gian một chu kỳ gia/giải nhiệt bằng khí và bằng nước giải nhiệt khác 6
Hình 1.6: So sánh các thay đổi nhiệt độ do gia nhiệt bằng khí và nước nóng. (một chu kỳ nóng / làm mát). 7
Hình 1.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến khả năng điền đầy lòng khuôn 8
Hình 1.8: Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy phun tới độ nhám bề mặt trong đúc ép phun khuôn thành mỏng 9
Hình 1.9: Lưu đồ nhiệm vụ thực hiện đề tài 11
Hình 2.1: Khuôn âm và khuôn dương ở trạng thái đóng. 14
Hình 2.2: Kết cấu của bộ khuôn. 15
Hình 2.3: Cấu tạo khuôn 2 tấm 17
Hình 2.4: Khuôn 3 tấm 2 lòng khuôn 18
Hình 2.5: Cấu tạo phân tử nhựa PP 26
Hình 2.6: Cấu tạo phân tử nhựa ABS 28
Hình 2.7 : Nguyên lý dẫn nhiệt 31
Hình 2.8: Tỏa nhiệt đối lưu 32
Hình 2.9a: Truyền nhiệt đối lưu tự nhiên, 32
Hình 2.9b: Truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức 32
Hình 2.10:Truyền nhiệt bức xạ 34
Hình 2.11: Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng 36
Hình 2.12: Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống 37
Hình 3.1: Bộ phận gia nhiệt 40
Hình 3.2: Tấm dưới 40
Hình 3.3: Tấm trung gian 41
Hình 3.4: Tấm trên 41
Hình 3.5: Điện trở đốt nóng công suất 200 W 41
Hình 3.6: Bộ phận điều khiển 42
Hình 3.7: Kiểu khuôn FUTABA SC. 43
Hình 3.8: Tấm kẹp trên 44
Hình 3.9: Tấm kẹp dưới 45
Hình 3.10: Khuôn cái 46
Hình 3.11: Khuôn đực 47
Hình 3.12: Gối đỡ 47
Hình 3.13: Tấm giữ và ty đẩy 48
Hình 3.14: Tấm đẩy 48
Hình 3.15: Bộ khuôn hoàn chỉnh 49
Hình 3.16: Quá trình giảm áp của dòng nhựa 50
Hình 3.17: Khối insert sau khi thiết kế 51
Hình 3.18: Khối insert sau khi gia công 51
Hình 3.19: Mô phỏng dòng chảy của khí 52
Hình 3.20: Tiến trình giải bái toán ANSYS – CFX 52
Hình 3.21: Giao diện cần thực hiện của CFX 53
Hình 3.22: Khởi động phần mềm 53
Hình 3.23: Trình tự thiết lập mô đun tính toán 54
Hình 3.24: Mô hình bài toán phân tích nhiệt 54
Hình 3.25: Chia lưới trong phân tích mô hình bài toán 55
Hình 3.26: Bài toán sau khi được thiết lập 56
Hình 3.27: Bài toán khi phân tích trên phần mềm 56
Hình 3.28: Kết quả đạt được sau khi phân tích trên phần mềm 57
Hình 3.29: Máy ép nhựa dùng trong thí nghiệm 58
Hình 3.30: Thiết bị đo nhiệt độ bằng dây cảm biến 58
Hình 3.31: Vị trí của khuôn trong quá trình gia nhiệt 59
Hình 3.32: Các vị trí đo nhiệt độ 60
Hình 4.1: Phân bố nhiệt độ tại lòng khuôn với thời gian gia nhiệt khác nhau và nhiệt độ khối gia nhiệt 200 0C 63
Hình 4.2: Phân bố nhiệt độ tại lòng khuôn với thời gian gia nhiệt khác nhau và nhiệt độ khối gia nhiệt 250 0C 64
Hình 4.3: Phân bố nhiệt độ tại lòng khuôn với thời gian gia nhiệt khác nhau và nhiệt độ khối gia nhiệt 300 0C 64
Hình 4.4: Phân bố nhiệt độ tại lòng khuôn với thời gian gia nhiệt khác nhau và nhiệt độ khối gia nhiệt 350 0C 65
Hình 4.5: Phân bố nhiệt độ tại lòng khuôn với thời gian gia nhiệt khác nhau và nhiệt độ khối gia nhiệt 400 0C 65
Hình 4.6: Thay đổi của nhiệt độ tại 4 điểm trên bề mặt lòng khuôn trong quá trình gia nhiệt 69
Hình 4.7: Thay đổi của nhiệt độ tại 4 điểm trên bề mặt lòng khuôn trong quá trình gia nhiệt 69
Hình 4.8: Thay đổi của nhiệt độ tại 4 điểm trên bề mặt lòng khuôn trong quá trình gia nhiệt 70
Hình 4.9: Thay đổi của nhiệt độ tại 4 điểm trên bề mặt lòng khuôn trong quá trình gia nhiệt 70
Hình 4.10: Thay đổi của nhiệt độ tại 4 điểm trên bề mặt lòng khuôn trong quá trình gia nhiệt 71
Hình 4.11: So sánh nhiệt độ giữa đo thí nghiệm được và mô phỏng tại vị trí 1 74
Hình 4.12: So sánh nhiệt độ giữa đo thí nghiệm được và mô phỏng tại vị trí 2 74
Hình 4.13: So sánh nhiệt độ giữa đo thí nghiệm được và mô phỏng tại vị trí 3 75
Hình 4.14: So sánh nhiệt độ giữa đo thí nghiệm được và mô phỏng tại vị trí 4 75
Hình 4.15: Chiều dài dòng chảy nhựa với chiều dày dòng chảy 0,2 mm và nhiệt độ khuôn thay đổi từ 30 0C đến 150 0C 77
Hình 4.16: Chiều dài dòng chảy nhựa với chiều dày dòng chảy 0,4 mm và nhiệt độ khuôn thay đổi từ 30 0C đến 150 0C 78
Hình 4.17: Chiều dài dòng chảy nhựa với chiều dày dòng chảy 0,6 mm và nhiệt độ khuôn thay đổi từ 30 0C đến 150 0C 79
Hình 4.18: So sánh khả năng điền đầy lòng khuôn của sản phẩm nhựa thành mỏng với vật liệu PP 80
Hình 4.19: Chiều dài dòng chảy nhựa với chiều dày dòng chảy 0,2 mm và nhiệt độ khuôn thay đổi từ 30 0C đến 150 0C 81
Hình 4.20: Chiều dài dòng chảy nhựa với chiều dày dòng chảy 0,4 mm và nhiệt độ khuôn thay đổi từ 30 0C đến 150 0C 83
Hình 4.21: Chiều dài dòng chảy nhựa với chiều dày dòng chảy 0,6 mm và nhiệt độ khuôn thay đổi từ 30 0C đến 150 0C 84
Hình 4.22: So sánh khả năng điền đầy lòng khuôn của sản phẩm nhựa thành mỏng với vật liệu ABS 85
DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG TRANG
Bảng 2.1: Tỷ trọng một sống nguyên liệu nhựa thông dụng 24
Bảng 2.2: Bảng tra hệ số co rút của một số loại nhựa 24
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của máy nén khí thí nghiệm. 39
Bảng 3.2: Thông số mô phỏng trên phần mềm 55
Bảng 4.1: Kết quả mô phỏng nhiệt độ tại 4 vị trí trên bề mặt lòng khuôn 66
Bảng 4.2: Kết quả đo nhiệt độ thực tế tại 4 vị trí trên bề mặt lòng khuôn 67
Bảng 4.3: Tổng hợp số liệu giữa thí nghiệm thực tế và mô phỏng 72
Bảng 4.4: Kết quả ép nhựa PP chiều dày 0,2 mm 77
Bảng 4.5: Kết quả ép nhựa PP chiều dày 0,4 mm 78
Bảng 4.6: Kết quả ép nhựa PP chiều dày 0,6 mm 79
Bảng 4.7: Kết quả ép nhựa ABS chiều dày 0,2 mm 81
Bảng 4.8: Kết quả ép nhựa ABS chiều dày 0,4 mm 82
Bảng 4.9: Kết quả ép nhựa ABS chiều dày 0,6 mm 83
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan chung
1.1.1. Công nghệ ép phun (Injection molding - British English: moulding).
Công nghệ ép phun là công nghệ phun nhựa nóng chảy, được định lượng chính xác vào trong lòng một khuôn đóng kín với áp lực cao, tốc độ nhanh, sau một thời gian ngắn sản phẩm được định hình và sản phẩm được lấy ra ngoài. Tiếp tục một chu kỳ tiếp theo 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 một chu kỳ của một lần ép sản phẩm.
Ngoài những đặc điểm trên, phương phép 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 nguyên liệu và tạo hình trong khuôn đúc. Quá trình tạo hình chỉ tiến hành sau khi làm khít hai nửa khuôn lại với nhau. Tùy theo loại nguyên liệu đúc, chế độ nhiệt độ của khuôn đúc khác nhau.
Đối với nhựa nhiệt dẻo, nhiệt độ của khuôn thấp hơn nhiệt độ nhựa lỏng. Đối với nhựa nhiệt rắn, nhiệt độ khuôn cao hơn nhiệt độ của nhựa lỏng. Vùng tạo hình của khuôn đã được lấp đầy nguyên liệu thì khuôn mới chịu tác dụng lực của pittong đúc gián tiếp qua nhựa lỏng. Năng suất của phương pháp đúc dưới áp suất cao, tùy theo kích thước và hình dạng của sản phẩm chu kỳ đúc có thể thay đổi từ mấy giây đến mấy chục phút. Gia công bằng phương đúc dưới áp suất tiết kiệm được nhiều nguyên liệu, đồng thời công đoạn hoàn tất cũng ít tốn thời gian. Quá trình đúc dưới áp suất không ổn định về nhiệt độ và áp suất. Quá trình sản xuất ra sản phẩm có chất lượng cao, sản lượng tối đa và rút ngắn chu kỳ sản xuất sản phẩm là 2 vấn đề lớn của kỹ thuật công nghệ ép phun.
Hình 1.1: Máy ép phun
vƯu điểm:
- Tạo ra những sản phẩm có hình dạng phức tạp tùy ý.
- Tạo ra những sản phẩm có thể tích lớn với tốc độ cao.
- Trên cùng một sản phẩm hình dạng giữa mặt trong và mặt ngoài có thể khác nhau.
- 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.
vNhược điểm:
- 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.
1.1.2. Phương pháp gia nhiệt cho khuôn phun ép bằng khí nóng
Phương pháp gia nhiệt cho khuôn phun ép bằng khí nóng là phương pháp hoàn toàn mới, được chế tạo thử đầu tiên ở Việt Nam. Phương pháp này thực hiện như sau: không khí được nén trong máy nén tạo áp lực, sau khi ra khỏi máy nén khí được đi qua khối thép đã được nung nóng. Khí được nung nóng trong khối thép này, khi khí đi ra khỏi khối gia nhiệt được phun trực tiếp lên bề mặt khuôn để gia nhiệt bề mặt khuôn.
vƯu điểm của phương pháp này:
- Gia nhiệt nhanh chóng, linh hoạt, nhiều vị trí.
- Hệ thống đơn giản, và có thể tự động hóa.
vNhược điểm:
- Cần áp suất khí nén ổn định
- Môi trường làm việc ồn ào
- Tốn thời gian cho mỗi chu kì ép vì module cần phải di chuyển.
Hình 1.2: Phương pháp gia nhiệt bằng khí
1.2. Đặt vấn đề
Sản phẩm nhựa hiện nay rất đa dạng, từ đơn giản đến phức tạp, từ kích thước lớn đến kích thước nhỏ. Với sự phát triển như hiện nay của xã hội, yêu cầu mới với công nghệ phun ép luôn được đặt ra, một trong những yêu cầu cấp thiết nhất là: chế tạo các sản phẩm nhựa bằng công nghệ ép phun với bề dày ở nhỏ hơn 1 mm phục vụ cho các chip sinh học, các thiết bị quang học…
Hình 1.3: Các sản phẩm nhựa
Trong quá trình nhựa điền vào khuôn với sản phẩm thành mỏng, những lớp nhựa tiếp xúc với thành của khuôn (bề mặt khuôn ở nhiệt độ thấp) sẽ đông lại. Quá trình đông lại ở bề mặt tiếp xúc với khuôn sẽ làm giảm áp lực của dòng nhựa làm cho nhựa không điền đầy được lòng khuôn.
Hình 1.4: Sản phẩm không điền đầy
Để khắc phục được tình trạng đó cần tăng nhiệt độ bề mặt lòng khuôn tiếp xúc với nhựa lên một nhiệt độ tối ưu qua đó làm cho quá trình đông đặc lớp nhựa tiếp xúc với khuôn giảm mà không làm cho quá trình giải nhiệt sau khi quá trình ép tăng lên.
Hiện nay có rất nhiều phương pháp gia nhiệt cho bề mặt cho khuôn như: gia nhiệt bằng chất lỏng, gia nhiệt bằng điện, gia nhiệt bằng khí nóng...
Trong đó phương pháp gia nhiệt bằng chất lỏng và gia nhiệt bằng điện có những ưu điểm nhất định và những khuyết điểm như: sau quá trình ép phun cần giải nhiệt với thời gian tương đối dài, yêu cầu kết cấu khuôn phức tạp.
Đối với phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng có rất nhiều ưu điểm như có thể gia nhiệt linh hoạt ở nhiều vị trí, quá trình gia nhiệt xảy ra nhanh và các thiết bị đơn giản nên có thể tự độ hóa được. Vì vậy tác giả chọn đề tài:
“Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng đến khả năng điền đầy lòng khuôn sản phẩm nhựa dạng thành mỏng”.
1.3. Tình hình nghiên cứu.
- Development of Gas-Assisted Dynamic Mold Temperature Control System and Its Application for Micro Molding. (Shia-Chung Chen, Jen-An Chang, Ying-Chieh Wang, Chun-Feng Yeh.. ANTEC. Page, pp 2208-2212, 2008)
Kết quả đạt được: Việc gia nhiệt và giải nhiệt từ 60 0C đến 100 0C, 110 0C, 120 0C và trở về 60 0C bằng khí có thời gian của 1 chu kỳ ngắn hơn so với dùng nước gia nhiệt và giải nhiệt cho khuôn.
Hình 1.5: So sánh thời gian một chu kỳ gia/giải nhiệt bằng khí
và bằng nước giải nhiệt khác
- Feasibility evaluation of gas-assisted heating for mold surface temperature control during injection molding process. (Shia-Chung Chen, Rean-Der Chien, Su-Hsia Lin, Ming-Chung Lin, Jen-An Chang Shia-Chung Chen, Rean-Der Chien, Su-Hsia Lin, Ming-Chung Lin. International Communications in Heat and Mass Transfer, vol 36. Page, pp 806-812, 2009)
Kết luận: việc gia nhiệt bằng khí nóng có tốc độ tăng nhiệt bề mặt khuôn từ 60 0C lên 120 0C trong vòng 2 giây ( nghĩa là tốc trung bình là 300C /giây) và cần 34 giây để trở về 60 0C. Trong khi dùng các chất làm lạnh khác phải mất tới 267 giây để thực hiện một chu trình.
Hình 1.6: So sánh các thay đổi nhiệt độ do gia nhiệt bằng khí và
nước nóng. (một chu kỳ nóng / làm mát).
Theo nghiên cứu này, ứng dụng cho bề mặt khuôn bằng tấm nikenl là đạt hiệu quả cao nhất và có thể ứng dụng trong công nghiệp.
- A study on the micro-injection molding of multi-cavity ultra-thin parts. (S.-Y. Yang, S.-C. Nian, S.-T. Huang and Y.-J. Weng. Polymers Advances Technologies, 2011)
Kết quả đạt được:
Hình 1.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến khả năng điền đầy lòng khuôn
- Analysis for microstructure of microlens arrays on micro-injection molding by numerical simulation. (Yung-Kang Shen, Chiung-Fang Huang, Yu-Sheng ShenSung-Chih Hsu, Ming-Wei Wu. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2008.)
- Analysis of morphology and performance of PP microstructures manufactured by micro injection molding (K. F. Zhang, Zhen Lu.. Microsyst Technol, 2008)
- Variable Mold Temperature to Improve Surface Quality of Microcellular Injection Molded Parts Using Induction Heating Technology.(Shia-Chung Chen, Yu-Wan Lin, Rean-Der Chien, Hai-Mei Li. Advances in Polymer Technology, Vol. 27, No. 4, 224–232 (2008))
Kết quả đạt được: Nhiệt độ khuôn cao hơn, nhiệt độ nóng chảy cao hơn và tốc độ phun nhanh hơn tất cả sẽ nâng cao chất lượng bề mặt của siêu vi phần ép phun. Các độ nhám bề mặt của chi tiết đúc có thể được giảm từ 25μm đến 6.5μm với sự gia tăng nhiệt độ khuôn từ 100 0C đến 160 0C. Tuy nhiên, khi nhiệt độ đạt đến một mốc quan trọng của giá trị khoảng 180 0C, độ nhám trung bình bề mặt của một phần đúc tiến về mức khoảng 5μm. Đồng thời, các phần bọt nhựa PC có thể được loại bỏ hoàn toàn nếu nhiệt độ khuôn cao hơn 160 0C.
Hình 1.8: Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy phun tới độ nhám bề mặt trong đúc ép phun khuôn thành mỏng
- Investigation of micro-injection moulding: Factors affecting the replication quality (B. Sha, S. Dimov, C. Griffiths, M.S. Packianather.. Journal of Materials Processing Technology 183, 284–296 (2007))
- Simulation and verification on rapid mold surface eating/cooling using electromagnetic induction technology (Shia-Chung Chen*, Wen-Ren Jong, Jen-An Chang and Hsin-Shu Peng.. 4th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics Cairo, Egypt, 2005)
- Rapid Mold Surface Heating/Cooling Using Electromagnetic Induction Technology. (S. C. Chen, H. S. Peng, J. A. Chang and W.R. Jong. Department of Mechanical Engineering, Chung Yuan Christian University, Taiwan, ROC.)
1.4. Mục đích nghiên cứu:
Mục đích nghiên cứu của đề tài“Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng đến khả năng điền đầy lòng khuôn sản phẩm nhựa dạng thành mỏng”là:
- Ứng dụng lý thuyết truyền nhiệt trong nghiên cứu và tiến hành thí nghiệm thực tế gia nhiệt cho khuôn kết hợp với mô phỏng nhiệt độ trên phần mềm ANSYS để so sánh.
- Sử dụng các kết quả các thí nghiệm ép các loại nhựa khác nhau ở những nhiệt độ bề mặt khuôn khác nhau cùng với những bề dày tương ứng để phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng điền đầy lòng khuôn.
- Qua các kết quả đạt được từ những thí nghiệm có thể xác định được những nhiệt độ tối ưu cho những bề dày khác nhau với từng loại nhựa nhất định.
1.5. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài:
vNhiệm vụ đề tài:
Để thực hiện đề tài này tác giả đã tiến hành các nhiệm vụ như sau:
Hình 1.9: Lưu đồ nhiệm vụ thực hiện đề tài
- Thực hiện việc thiết kế chế tạo khuôn thí nghiệm và bộ gia nhiệt khí nóng cho khuôn thí nghiệm.
- Thực hiện việc phân tích nhiệt bề mặt khuôn trên phần mềm ANSYS.
- Tiến hành thí nghiệm đo đạt nhiệt độ bề mặt khuôn đồng thời so sánh với kết quả phân tích ANSYS.
- Thực hiện ép nhựa cho 2 loại nhựa ở những bề dày khác nhau ở những nhiệt độ khác nhau.
- Tiến hành phân tích kết quả đưa ra kết luận.
vGiới hạn đề tài:
Đề tài được giới hạn trong các điều kiện như sau:
- Áp dụng cho vật liệu nhựa PP (Polypropylen ), nhựa ABS.
- Kích thướt sản phẩm ép làm thí nghiệm có kích thước rộng 12 mm, chiều dài 175 mm. Chiều dày sản phẩm khảo sát là 0,2 mm; 0,4 mm; 0,6 mm.
- Các nhiệt độ bề mặt khuôn để khảo sát sự ảnh hưởng đến chiều dài là: 30 0C, 60 0C, 90 0C, 120 0C, 150 0C.
- Tiến hành phân tích nhiệt trên phần mềm ANSYS với thời lượng tối đa ở 30 giây. Các phân tích này thực hiện theo bước thời gian phân tích là 5 giây.
- Thí nghiệm trong điều kiện nhiệt độ phòng là 30 0C
- Khảo sát thời gian gia nhiệt cho khuôn bằng khí nóng để đưa ra kết quả phục vụ cho công việc gia nhiệt bề mặt khuôn khi thí nghiệm. Thí nghiệm phun khí gia nhiệt tới 60 giây, bước thời gian khảo sát là 5 giây.
- Xác định chiều dài của sản phẩm nhựa ứng với các nhiệt độ bề mặt khuôn khác nhau, thực hiện ép nhựa trên máy ép phun tại phòng thí nghiệm khuôn mẩu, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM.
1.6. Phương pháp nghiên cứu.
Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng đến khả năng điền đầy lòng khuôn sản phẩm nhựa dạng thành mỏng” thực hiện bằng những phương pháp nghiên cứu sau:
- Nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu các lý thuyết về công nghệ ép phun, lý thuyết truyền nhiệt và lý thuyết về vật liệu nhựa. Mô phỏng gia nhiệt trên phần mềm.
- Nghiên cứu, thí nghiệm thực tiễn: tiến hành các thí nghiệm liên quan như thí nghiệm gia nhiệt và thí nghiệm ép phun.
- Phương pháp phân tích: kết hợp lý thuyết và thực nghiệm để phân tích các vấn đề đã thu thập được. Phân tích những dữ liệu thực nghiệm đưa ra kết quả nghiên cứu theo các điều kiện ban đầu.
-
Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tổng quan về khuôn ép nhựa
2.1.1. Khái niệm chung về khuôn
Khuôn là cụm gồm nhiều chi tiết lắp với nhau để tạo thành một bộ khuôn hoàn chỉnh. Sản phẩm được tạo hình giữa 2 phần khuôn, khoảng trống giữa 2 phần đó là hình dạng của sản phẩm cần tạo [1].
Khuôn là dụng cụ (thiết bị) dùng để tạo hình sản phẩm theo phương pháp định hình. Khuôn được thiết kế và chế tạo để sử dụng cho một số lượng chu trình nào đó, có thể là một lần cũng có thể là nhiều lần [1].
Khuôn bao gồm hai chính:
- Phần cavity (khuôn cái, khuôn cố định): được gá lên tấm cố định của máy ép nhựa.
- Phần core (khuôn đực, khuôn di động): được gá lên tấm di động của máy ép nhựa.
Hình 2.1: Khuôn âm và khuôn dương ở trạng thái đóng. (Nguồn [1] )
2.1.2. Kết cấu chung 1 bộ khuôn
Ngoài core và cavity thì trong khuôn còn rất nhiều bộ phận khác. Các bộ phận này lắp ghép với nhau tạo thành những hệ thống cơ bản của bộ khuôn [1]:
Hình 2.2: Kết cấu của bộ khuôn. (Nguồn [1] )
u Chức năng của các yếu tố cơ bản:
- Vít lục giác: liên kết các tấm khuôn và tạo tính thẩm mỹ.
- Vòng định vị: định tâm giữa bạc cuống phun và vòi phun.
- Bạc cuống phun: dẫn nhựa từ máy ép phun vào các kênh dẫn nhựa.
- Khuôn cái: tạo hình cho sản phẩm.
- Bạc định vị: đảm bảo vị trí tương quan giữa khuôn đực và khuôn cái.
- Tấm kẹp trước: giữ chặt phần cố định của khuôn vào máy ép nhựa.
7 & 11. Vỏ khuôn cái và khuôn đực: khuôn đực thường được dùng làm bằng vật liệu rẻ tiền hơn so với khuôn cái nên giúp giảm giá thành khuôn nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả kinh tế của khuôn.
- Chốt hồi: hồi hệ thống đẩy về vị trí ban đầu khi đóng khuôn.
- Khuôn đực: tạo hình cho sản phẩm.
- Chốt định vị: chui vào bạc định vị khi khuôn đóng, giúp khuôn đực và khuôn cái liên kết một cách chính xác.
12 Tấm đỡ: tăng bền cho khuôn trong quá trình ép phun.
13 Gối đỡ: tạo khoảng trống để tấm đẩy hoạt động.
14 Tấm giữ: giữ các chốt đẩy.
15 Tấm đẩy: đẩy các chốt đẩy để lói sản phẩm ra khỏi khuôn.
16 Tấm kẹp sau: giữ chặt phần di động của trên máy ép nhựa.
17 Gối đỡ phụ: tăng bền cho khuôn trong quá trình ép phun.
2.1.3. Phân loại khuôn ép phun
2.1.3.1. Khuôn 2 tấm
vKhái niệm
Khuôn 2 tấm là khuôn ép phun dùng hệ thống kênh dẫn nguội, kênh dẫn nằm ngang mặt phân khuôn, cổng vào nhựa nằm ngang mặt sản phẩm và khi mở khuôn thì có một khoảng mở để lấy sản phẩm và kênh dẫn nhựa [1].
Có thể thiết kế cổng vào nhựa sao cho sản phẩm và kênh dẫn nhựa tự động tách rời hoặc không tách rời khi sản phẩm và kênh dẫn nhựa (xương keo) được lấy ra khỏi khuôn.
Khuôn 2 tấm được sử dụng rất thông dụng trong hệ thống khuôn ép phun. Kết cấu khuôn đơn giản, dễ chế tạo nhưng chỉ sử dụng khuôn 2 tấm cho những sản phẩm dễ bố trí cổng vào nhựa.
Hình 2.3: Cấu tạo khuôn 2 tấm. (Nguồn [1] )
vƯu điểm
- Khuôn 2 tấm tiết kiệm vật liệu hơn, do kênh dẫn nhựa ở bên hông.
- So với khuôn 3 tấm thì khuôn 2 tấm đơn giản hơn do không cần có tấm giựt cuống keo như khuôn 3 tấm, rẻ hơn, chu kỳ ép ngắn hơn.
- Thời gian để gia công và chế tạo khuôn cũng ngắn hơn.
- Giá thành thấp hơn khuôn 3 tấm hay khuôn nhiều tầng.
vNhược điểm
- Khuôn 2 tấm chỉ sử dụng được cho các chi tiết đòi hỏi có độ chính xác thấp hơn so với các loại khuôn nhiều.
- Phải tốn nhiều nhiên liệu hơn so với kênh dẫn nóng vì phần xương keo không được sử dụng cho lần phun tiếp theo như trong kênh dẫn nóng.
vỨng dụng
- Ứng dụng với những sản phẩm có vòng đời ngắn như những mặt hàng điện tử dân dụng( thời gian sử dụng trong vài tháng). Sử dụng thích hợp cho các sản phẩm đòi hỏi ít miệng phun.
- Ứng dụng khuôn 2 tấm rẻ tiền để làm các sản phẩm dân dụng các đồ dùng cá nhân, các sản phẩm phục vụ cho gia đình không đòi hỏi độ chính xác cao và rẻ tiền.
2.1.3.2.Khuôn 3 tấm
vKhái niệm
Khuôn 3 tấm là khuôn ép phun dùng hệ thống kênh dẫn nguội, kênh dẫn được bố trí trên 2 mặt phẳng, khi mở khuôn thì có một khoảng mở để lấy sản phẩm và một khoảng mở khác để lấy kênh dẫn nhựa [1].
Sản phẩm và kênh dẫn luôn tự động tách rời nhau khi sản phẩm và kênh dẫn được lấy ra khỏi khuôn.
Đối với sản phẩm loại lớn cần nhiều miệng phun hoặc khuôn nhiều lòng, cần nhiều miệng phun thì có thể sử dụng khuôn 3 tấm.
|
Khuôn 3 tấm ở giai đoạn thứ nhất |
Khuôn 3 tấm ở giai đoạn thứ hai |
Hình 2.4: Khuôn 3 tấm 2 lòng khuôn ở quy trình mở khuôn. (Nguồn [1] )
vƯu điểm
- Giá thành thấp hơn so với khuôn kênh dẫn nóng.
- Ít bị hỏng hóc hơn khuôn có kênh dẫn nóng.
- Có thể phù hợp với những vật liệu chịu nhiệt kém.
- Năng suất cao do hệ thống dẫn nhựa tự động tách ra khỏi sản phẩm khimở khuôn.
- Cho khả năng phân phối nhựa tốt hơn và đồng đều hơn do các nhánh kênh dẫn được bố trí cách đều nhau.
vNhược điểm
- Chu kỳ ép phun tăng và cần áp suất phun lớn để điền đầy do hành trình của của dòng nhựa để đến được lòng khuôn dài.
- Lãng phí nhiều vật liệu do có thêm tấm stripper plate chứa hệ thống kênh dẫn.
vỨng dụng
- Khuôn có nhiều lòng khuôn.
- Khuôn có một lòng khuôn nhưng phức tạp nên cần hơn một vị trí phun nhựa.
- Khó khăn trong việc chọn ra một vị trí phun thích hợp khác.
- Vì phải cân bằng dòng nhựa giữa các kênh dẫn khác với nhau nên buộc phải thiết kế kênh dẫn không nằm trên mặt phân khuôn.
2.1.3.3. Khuôn nhiều tầng
vKhái niệm
Khuôn nhiều tầng là khuôn ép phun do 2 hay nhiều bộ khuôn ghép lại với nhau, để tăng năng suất (tăng số lượng sản phẩm trong 1 chu kỳ ép) [1].
Khuôn nhiều tầng có thể dùng hệ thống kênh dẫn nguội hoặc kênh dẫn nóng. Hiện nay, khuôn nhiều tầng dùng kênh dẫn nóng được sử dụng rộng rãi hơn do chiều dài kênh dẫn trên khuôn nhiều tầng quá dài, khó đảm bảo nhiệt độ và áp suất nếu dùng kênh dẫn nguội.
vƯu điểm
- Do 2 hay nhiều khuôn ghép lại nên năng suất cao.
- Thu hồi vốn nhanh.
- Giảm số lượng máy, diện tích nhà xưởng.
vNhược điểm
- Giá thành cao do kết cấu khuôn phức tạp.
- Sử dụng máy ép chuyên dụng, cần lực ép lớn.
- Hao tốn vật liệu do kênh dẫn dài.
- Áp suất cao để điền đầy khuôn do kênh dẫn dài.
vỨng dụng
- Khuôn có nhiều lòng khuôn.
- Khuôn có một lòng khuôn nhưng phức tạp nên cần hơn một vị trí phun nhựa.
- Khó khăn trong việc chọn ra một vị trí phun thích hợp khác.
- Vì phải cân bằng dòng nhựa giữa các kênh dẫn khác với nhau nên buộc phải thiết kế kênh dẫn không nằm trên mặt phân khuôn.
2.2. Tổng quan về vật liệu nhựa sử dụng trong công nghệ ép phun
Vật liệu nhựa đóng vai trò quan trọng quyết định đến toàn bộ quá trình thiết kế, gia công khuôn ép phun. Mỗi một sản phẩm hay một chu trình ép phun đều có những tính chất đặc trưng và yêu cầu kỹ thuật khác nhau, ví dụ: độ dẻo, độ bóng bề mặt, màu sắc, độ cứng, …. Vì vậy, cần chọn loại vật liệu nhựa thích hợp để tránh những sai hỏng trong quá trình ép cũng như đảm bảo được yêu cầu về cơ tính và thẩm mỹ của sản phẩm.
2.2.1. Polymer
Polymer là những hợp chất mà trong phân tử của chúng gồm những nhóm nguyên tử được nối với nhau bằng những liên kết hóa học tạo thành những mạch dài và có khối lượng phân tử lớn. Trong mạch chính của polymer, những nhóm nguyên tử này được lặp đi lặp lại nhiều lần.
Ví dụ: polyetylen [-CH2-CH2-]n, Acrylonitrin butadien styren (ABS) [C8H8-C4H6-C3H3N]n, …
2.2.2. Phân loại
Dựa vào nguồn gốc: polymer thiên nhiên, nhân tạo và polymer tổng hợp.
Dựa vào tính chất cơ lý: chất dẻo và chất đàn hồi. Đây là cách phân loại phổ biến nhất, liên hệ với cấu trúc và chúng xác định sự thích ứng với yêu cầu công nghiệp.
- Nhựa nhiệt dẻo: là nhóm vật liệu cao phân tử quan trọng nhất trong các polymer tổng hợp, bao gồm các cao phân tử có kích thước nhất định, mạch thẳng hay phân nhánh. Có thể chuyển trạng thái rắn sang trạng thái dẻo bởi sự gia tăng nhiệt độ và quá trình này thuận nghịch, có thể lặp đi lặp lại nhiều lần. Trong quá trình tác dụng nhiệt, nhựa nhiệt dẻo chỉ thay đổi tính chất vật lý mà không xảy ra phản ứng hóa học. Do đó, nhựa nhiệt dẻo ta có thể tái sinh (ngoại trừ PTFE, polytetraflouroethylene). Ví dụ: PE, PP, PVC, PS,…
- Nhựa nhiệt rắn: mật độ nối ngang dày đặc, cao hơn từ 10 đến 1.000 lần so với cao su. Nhựa nhiệt rắn tạo mạng không gian ba chiều thành cao phân tử, có kích thước vô cùng lớn so với nguyên tử, có tính chất rất cao so với nhựa nhiệt dẻo, nhất là khả năng chịu nhiệt, ngoài ra nhựa nhiệt rắn không tan, không chảy và cũng không tái sinh được. Ví dụ: PF, PU, nhựa epoxy, silicone,…
- Cao su, chất đàn hồi: là những polymer mạch thẳng có lực liên kết thứ cấp rất yếu, vật liệu ở dạng chất lỏng rất nhớt. Để sử dụng, phải tạo liên kết ngang giữa các mạch phân tử để tạo mạng không gian ba chiều. Đặc trưng của cao su là nó có khả năng dãn dài lên đến 1.000% (cao su tự nhiên lưu hóa). Tuy nhiên, do có liên kết ngang nên nó không thể tái sinh được.
Dựa vào công dụng :
- Nhựa thông dụng: PE, PP, PVC, PS, ABS, …
- Nhựa kỹ thuật: PA, PC, Teflon …
- Nhựa chuyên dụng: PE khối lượng phân tử cực cao, PTFE, PPO…
2.2.3. Các tính chất của Polymer
Một số tính chất cơ học quan trọng của vật liệu nhựa: độ bền kéo, độ dãn dài, độ cứng, độ dai va đập, chống mài mòn, modun đàn hồi…
2.2.3.1.Độ bền cơ học
Độ bền cơ học là khả năng chống lại sự phá hoại dưới tác dụng của các lực cơ học. Độ bền của một sản phẩm làm bằng vật liệu polymer phụ thuộc nhiều yếu tố như:
- Chế độ trùng hợp, loại xúc tác, phụ gia…
- Phương pháp gia công.
- Kết cấu hình dạng sản phẩm…
Thông số cơ bản phản ánh độ bền Polymer: Giới hạn bền (b) là giá trị ứng suất mà mẫu bị phá hoại trongnhững điều kiện đã cho. Giới hạn bền có thể được xác định theo một số loại biến dạng khác nhau như biến dạng kéo đứt, biến dạng nén, biến dạng uốn,… tương ứng là độ bền kéo đứt, độ bền nén, và độ bền uốn… .
- Độ bền kéo đứt: là khả năng chịu lực của vật liệu khi bị kéo dãn bằng một lực xác định ở tốc độ kéo dãn xác định ra cho đến lúc đứt.
- Độ bền uốn: là khả năng chịu lực của vật liệu khi chịu uốn.
- Độ bền nén: là khả năng chịu lực của vật liệu khi bị nén.
- Giới hạn bền của polymer phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường thử nghiệm và thời gian tác dụng của lực nên khi so sánh độ bền các polymer với nhau phải so sánh ở cùng điều kiện thử nghiệm.
- Độ biến dạng tương đối (e): là giá trị biến dạng tăng đến cực đại tại thời điểm đứt.
- Độ biến dạng cực đại tương đối: cũng phụ thuộc loại biến dạng, tốc độ biến dạng và nhiệt độ. Nó phép suy luận vật liệu đang ở trạng thái nào khi đứt. Ví dụ: khi vật thể dòn bị đứt, độ biến dạng cực đại tương đối không vượt quá vài %, còn trạng thái mềm cao từ hàng trăm phần trăm đến phần ngàn. Trong trường hợp kéo đơn trục, độ biến dạng tương đối cực đại có thể là độ dãn dài khi đứt.
2.2.3.2.Độ dai va đập
Hiện trạng chống lại tải trọng động của chất dẻo thường có thể phân tích bằng kết quả kiểm tra độ dai va đập. Thực hiện trên thiết bị Charpy – dùng con lắc dao động (búa) để phá vỡ mẫu thử được kẹp chặt hai đầu, xác định công va đập riêng trên 1 đơn vị diện tích mẫu thử (kJ/m2).
2.2.3.3.Modun đàn hồi
Đặc trưng cho độ cứng của vật liệu hoặc đặc trưng cho tính chất của vật liệu, mà dưới tác dụng của một lực đã cho thì sự biến dạng của mẫu thữ xảy ra đến mức nào. Vật liệu đàn hồi lý tưởng, trong quá trình chịu tải, cho đến giới hạn chảy thì độ dãn dài tỷ lệ thuận với ứng suất. Hệ số tỷ lệ chính là modun đàn hồi, ký hiệu là E (N/mm2).
Một số tính chất vật lý của nhựa: tỷ trọng, chỉ số nóng chảy, độ nhớt, co rút, tính cách điện, truyền nhiệt…
2.2.3.4.Tỷ trọng của nhựa
- Tỷ trọng thể hiện một phần tính chất của nguyên liệu nhựa, đơn vị: g/cm3.
- Vật liệu nhựa tương đối nhẹ, tỷ trọng dao động từ 0.9 – 2 (g/cm3).
- Tỷ trọng tăng: lực kéo đứt, nhiệt độ biến mềm, độ kháng hóa chất tăng, ngược lại lực va đập và độ nhớt giảm. Tỷ trọng phụ thuộc vào độ kết tinh: độ kết tinh cao thì tỷ trọng cao.
Bảng 2.1: Tỷ trọng một sống nguyên liệu nhựa thông dụng
|
Loại nhựa |
Tỷ trọng, g/cm3 |
Loại nhựa |
Tỷ trọng, g/cm3 |
|
LDPE |
0.910 – 0.924 |
PS |
1.040 – 1.050 |
|
MDPE |
0.925 – 0.940 |
ABS |
1.040 – 1.060 |
|
HDPE |
0.941 – 0.965 |
PA6, PA66 |
1.130 – 1.150 |
|
PP |
0.900 – 0.910 |
PC |
1.190 – 1.200 |
2.2.3.5.Chỉ số nóng chảy
Là chỉ số thể hiện tính chảy hay khả năng chảy của vật liệu, rất cần thiết trong quá trình chọn lựa nguyên vật liệu và công nghệ gia công. Chỉ số nóng chảy càng lớn thể hiện tính lưu động của nhựa càng cao và càng dễ gia công.
Đơn vị tính: g/10 phút (ở điều kiện áp suất và nhiệt độ nhất định theo tiêu chuẩn đo). Tiêu chuẩn đo chỉ số nóng chảy là ASTM D1238.
2.2.3.6.Độ co rút của nhựa.
Là tỷ lệ % chênh lệch kích thước của sản phẩm sau khi đã lấy khỏi khuôn được định hình và ổn định kích thước so với kích thước của khuôn.
Bảng 2.2: Bảng tra hệ số co rút của một số loại nhựa
|
Tên vật liệu |
Độ co rút (%) |
|
ABS |
0.4 – 0.7 |
|
PC |
0.6 – 0.8 |
|
PP |
1.0 – 3.0 |
|
PA6 |
1.0 – 1.5 |
|
PA66 |
1.0 – 2.0 |
|
PBT |
1.5 – 2.0 |
|
PET |
1.8 – 2.1 |
..............................
Hình 4.21: Chiều dài dòng chảy nhựa với chiều dày dòng chảy 0,6 mm và nhiệt độ khuôn thay đổi từ 30 0C đến 150 0C
Đối với chiều dày 0,6 mm thì sự khác biệt khi gia tăng nhiệt độ bề mặt lòng khuôn tới khả năng điền đầy lòng khuôn khá rõ. Cụ thể là tỉ lệ tăng khả năng điền đầy lòng khuôn lên 21,2 % khi nhiệt độ bề mặt lòng khuôn tăng từ 30 0C so với 150 0C (xem Bảng 4.9). Chứng minh nhiệt độ bề mặt lòng khuôn ảnh hưởng rất lớn khả năng điền đầy của sản phẩm nhựa.
Nhận xét:
Qua quá trình thí nghiệm và kiểm nghiệm dựa theo cở sở lý thuyết đạt được: Cùng một chế độ phun như nhau ( mục 3.3.2.3.2), cùng một chiều dày như nhau, nhiệt độ bề mặt khuôn tăng lên làm tăng chiều dài dòng chảy nhựa thành mỏng ( hình 4.19 – 4.21). Với bề dày 0,2 mm, ảnh hưởng nhiệt độ bề mặt lòng khuôn đế khả năng điền đầy (8,7 %) thấp hơn so với ảnh hưởng nhiệt độ bề mặt lòng khuôn đối với các bề dày 0,4 mm (18,3 %) và 0,6 mm (21,2 %) ( xem hình 4.22, bảng 4.7 – 4.9). Nhưng các sản phẩm của nhựa ABS tăng ít hơn so với nhựa PP ( so sánh ở những bảng 4.4 – 4.9). Đây có thể là do sự khác biệt thuộc tính giữa hai loại nhựa này mà cụ thể ở đây là độ chảy loãng của nhựa PP lớn hơn so với nhựa ABS.
Hình 4.22: So sánh khả năng điền đầy lòng khuôn của sản phẩm nhựa thành mỏng với vật liệu ABS.
Ghi chú:
0,2: Bề dày sản phẩm nhựa ép được là 0,2 mm
0,4: Bề dày sản phẩm nhựa ép được là 0,4 mm
0,6: Bề dày sản phẩm nhựa ép được là 0,6 mm
Chương 5
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
5.1. Kết quả đạt được:
Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng đến khả năng điền đầy lòng khuôn sản phẩm nhựa dạng thành mỏng” đã khảo sát được tính năng gia nhiệt của phương pháp sử dụng bằng khí nóng cho lòng khuôn thành mỏng, đây là phương pháp mới lần đầu áp dụng cho nghiên cứu ngành vi khuôn tại Việt Nam. Kiểm nghiệm được các ưu điểm của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng là gia nhiệt nhanh, linh hoạt, nhiều vị trí (4 vị trí cùng lúc (hình 3.22)) đối với khuôn dạng thành mỏng và khả năng ứng dụng thực tế sản xuất.
Từ những kết quả đạt được của phương pháp gia nhiệt (bảng 4.2), tác giả đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng để khắc phục phần nào lượng nhiệt mất của nhựa do tiếp xúc với bề mặt khuôn nhiệt độ thấp. Đây chính là nguyên nhân gây ra hiện tượng không điền đầy của dòng nhựa tạo nên khuyết tật cho sản phẩm thành mỏng. Tác giả nghiên cứu thử nghiệm khả năng điền đầy lòng khuôn trên 2 loại vật liệu nhựa là PP và ABS với các chiều dày khác nhau ( 0,2 mm; 0,4 mm; 0,6 mm) và nhiệt độ bề mặt lòng khuôn khác nhau (ở 30 0C, 60 0C, 90 0C, 120 0C, 150 0C).
Kết quả của đề tài là phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng giúp tăng khả năng điền đầy lòng khuôn dạng thành mỏng ( từ hình 4.15- 4.22 và từ bảng 4.4- 4.9). Từ đó bổ sung vào kết quả vào kết quả nghiên cứu của ngành vi khuôn, như là một giải pháp khác để giải quyết các vấn đề khuyết tật sản phẩm nhựa do không điền lòng khuôn cho ngành công nghiệp khuôn mẫu hiện nay tại Việt Nam.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
Hiện nay thực tế sản xuất trong ngành công nghiệp khuôn ép nhựa dạng thành mỏng việc gia nhiệt cho bề mặt lòng khuôn là một vấn đề lớn trong giải quyết khả năng điền đầy nhựa. Không phải tất cả bề mặt lòng khuôn được gia nhiệt mà một phần nào đó của bề mặt được gia nhiệt thôi. Khi đó phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng nổi lên như là một phương pháp có tính khả thi cao đối với cách giải quyết vấn đề nêu trên trong ngành vi khuôn.
Kết quả của đề tài giúp các nhà sản xuất có được một lựa chọn giải pháp khác ( phương pháp gia nhiệt cho bề mặt lòng khuôn bằng khí nóng) ngoài các giải pháp áp dụng trước đây để giải quyết các vấn đề gặp phải trong quá trình sản xuất các sản phẩm nhựa dạng thành mỏng.
Kết quả của luận văn là cơ sở để thực hiện các nghiên cứu sâu hơn trong ngành vi khuôn.
5.3. Hướng phát triển của đề tài.
- Gia nhiệt cho cả hai bề mặt khuôn (bề mặt tấm cố định và bề mặt tấm di động) để tăng khả năng điền đầy lòng khuôn hơn.
- Thực hiện việc giải nhiệt cho bề mặt khuôn một cách nhanh nhất mà tác giả của đề tài chưa giải quyết.
- Thiết kế lại hệ thống gia nhiệt thành hệ thống gia nhiệt tự động để giải quyết các vấn đề nhân lực, ứng dụng vào sản xuất.
- Tối ưu hóa quá trình gia nhiệt, tránh thất thoát nhiệt bằng cách thực hiện đồng bộ và nhanh nhất có thể.
- Tìm kiếm vật liệu kỹ thuật cách nhiệt cao hơn 300 0C và có cơ tính cao.
- Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ ở cổng vào khuôn để tăng khả năng điền đầy.
Bài báo
ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT CHO LÒNG KHUÔN HÌNH CHỮ NHẬT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHUN KHÍ NÓNG TỪ BÊN NGOÀI
EVALUATION OF HEATING PROCESS FOR THE RESTANGULAR MOLD CAVITY BY EXTERNAL GAS-ASSISTED HEATING
Phạm Sơn Minh (1), Đỗ Thành Trung (1), Nguyễn Hộ (3), Phan Thế Nhân (2)
(1) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM
(2) Trường Cao Đẳng Nghề Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM
(3) Trường Đại Học Công Nghệ Đồng Nai
TÓM TẮT
Nhằm nâng cao nhiệt độ bề mặt lòng khuôn hình chữ nhật trước khi nhựa nóng chảy được ép vào khuôn phun ép, 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 cho quá trình gia nhiệt bề mặt khuôn với bề mặt gia nhiệt hình chữ nhật có kích thước 175 mm x 12 mm. 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. Bên cạnh đó, phương pháp mô phỏng cũng cho thấy khả năng dự đoán khá chính xác giá trị nhiệt độ tại bề mặt khuôn. Ngoài ra, phương pháp thực nghiệm cũng đã được sử dụng để khảo sát nhiệt độ của bề mặt khuôn theo thời gian gia nhiệt. Kết quả thí nghiệm cho thấy nhiệt độ bề mặt khuôn sẽ tăng nhanh trong 10 s đầu của quá trình gia nhiệt, sau đó, trong 20 s tiếp theo, giá trị này sẽ tăng chậm và ổn định sau 30 s. Tại thời điểm ổn định, nhiệt độ tại các điểm khảo sát dao động trong khoảng 83.5 oC đến 95 oC.
Từ khóa: Phun ép, khuôn, gia nhiệt bằng khí nóng.
ABSTRACT
For enhancing the surface temperature of the rectangular mold cavity before the plastic was melt to inject into the mold, the gas assisted mold heating (GAMH) was applied. In this research, the 200 oC air flow source was used for heating the rectangular mold cavity with the heating area size of 175 mm x 12 mm. Based on the simulated results with ANSYS CFX, it was clear that the GAMH had a good temperature distribution on the the cavity surface of mold. Also, the simulated method showed the ability to predict quite accurately the temperature value on the cavity surface of mold. In addition, the experimental method was used to exame the temperature on the surface temperature as a function of heating time. The experimental result showed that the mold surface temperature increased fastly in the first 10 s, after that, in the next 20 s, this value would rised up slowly and became stable after 30 s. At the stable state, the temperature values of several considered points of the mold varied from 83.5 oC to 95 oC.
Keywords: Injection molding, mold, gas assisted mold heating.
I. GIỚI THIỆU
Phun ép là công nghệ phun nhựa nóng chảy được định lượng chính xác vào trong lòng một 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. Thời gian từ lúc đóng khuôn, phun nhựa, định hình sản phẩm, lấy sản phẩm ra khỏi khuôn, đóng khuôn gọi là thời chu kỳ của một lần ép sản phẩm. Trong quá trình điền nhựa vào khuôn với sản phẩm thành mỏng, những lớp nhựa tiếp xúc với thành của khuôn (bề mặt khuôn ở nhiệt độ thấp) sẽ đông lại. Quá trình đông lại ở bề mặc tiếp xúc với khuôn sẽ làm giảm áp lực của dòng nhựa làm cho nhựa sẽ không điền đầy được lòng khuôn [1, 2].
Hiện nay, sản phẩm nhựa rất đa dạng, từ hình dáng đơn giản đến phức tạp, từ kích thước lớn đến kích thước nhỏ. Với sự phát triển của xã hội, yêu cầu mới với công nghệ phun ép luôn được được đặt ra, một trong những yêu cầu cấp thiết nhất là chế tạo các sản phẩm nhựa bằng công nghệ phun ép với bề dày ở nhỏ hơn 1 mm phục vụ cho các chip sinh học, các thiết bị quang học,… Từ các yêu cầu này, nhằm khắc phục hiện tượng đông đặc quá nhanh của dòng nhựa chảy trong lòng khuôn, phương pháp nâng cao nhiệt độ bề mặt lòng khuôn đã được đề xuất [3, 4].
Trong nghiên cứu của Chen et.al, nhiệt độ tấm khuôn được nâng từ 60 oC đến 100 0C, sau đó quá trình điền đầy nhựa nóng chảy vào lòng khuôn được tiến hành [2, 4]. Trong bài báo này, các mức nhiệt độ khác nhau đã được trình bày. Kết quả cho thấy thời gian để nâng nhiệt độ khuôn từ 60 oC đến 100 oC với lưu chất gia nhiệt là nước, sẽ kéo dài 53 s. Với phương pháp này, 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 thực tế với lòng khuôn hình chữ nhật. 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 một lòng khuôn và một cổng vào nhựa. Tại bề mặt cần gia nhiệt, lòng khuôn được cách nhiệt bởi vật liệu nhựa chịu nhiệt và có kích thước như Hình 2.
Hình 1:Kếtcấulòng khuôn.
Hình 2:Kích thước bộ phận cách nhiệt cho lòng khuôn.
Trong qui trình phun ép truyền thống, sau khi một 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 một 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.
Trong lĩnh vực phun ép nhựa, phân bố 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 với 4 điểm như Hình 4. 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 5. Các thông số mô phỏng được cài đặt như trong thí nghiệm thực như Bảng 1.
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 thông qua 4 cổng phun (Hình 3). Thời gian gia nhiệt sẽ được ghi nhận từ lúc bắt đầu phun khí đến 30 s. Giá trị nhiệt độ tại 4 điểm trên 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.
Hình 3:Vị trí của khuôn trong quá trình gia nhiệt.
Hình 4:Vị trí đo nhiệt độ tại bề mặt lòng khuôn
Hình 5:Mô hình mô phỏng quá trình gia nhiệt bằng khí nóng.
|
Bảng 1: 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 |
|
|
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 |
|
|
Áp suất không khí |
1 atm |
|
|
Nhiệt độ ban đầu của tấm nhôm |
30 oC |
|
|
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 |
|
|
Dạng phân tích nhiệt |
Transient |
|
|
Các mức thời gian phân tích |
0 s à 30 s (bước 5 s) |
|
|
Bước tối thiểu cho một mức thời gian phân tích |
1 s |
|
|
Thời gian khởi tạo ban đầu |
0 s |
|
III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Kết quả mô phỏng và thí nghiệm tại các vị trí đo khác nhau trên bề mặt lòng khuôn với thời gian gia nhiệt 30 s được trình bày như Bảng 2. Trong quá trình thí nghiệm, sự thay đổi nhiệt độ tại 4 điểm được trình bày như Hình 6. Kết quả thí nghiệm cho thấy trong 10 s đầu, nhiệt độ tại 4 điểm (Hình 4) tăng rất nhanh. Tuy nhiên, sự tăng nhiệt độ này chậm lại trong 20 s tiếp theo. Sau đó, từ giây thứ 30 trở đi, nhiệt độ tại 4 điểm sẽ đạt đến giá trị ổn định. Với 4 vị trí đo, nhiệt độ ổn định dao động trong khoảng 83.5 oC đến 95 oC. Với kết quả này, phương pháp mô phỏng sẽ được thực hiện với thời gian gia nhiệt 30 s nhằm quan sát phân bố nhiệt độ tại bề mặt khuôn.
Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thí nghiệm về phân bố nhiệt độ tại 4 điểm trong thời gian gia nhiệt 30 s được trình bày trong Hình 7 (điểm P1), Hình 8 (điểm P2), Hình 9 (điểm P3) và Hình 10 (điểm P4). Các kết quả này cho thấy trong 10 s đầu tiên của quá trình gia nhiệt, sai lệch giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm dưới 3 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 (sai lệch lớn nhất khoảng 10 oC). 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 từ Hình 7 đến Hình 10 cho thấy sự tương đối giống nhau giữa mô phỏng và thực nghiệm tại tất cả các vị trí khảo sát. Vì vậy, có thể dự đoán quá trình gia nhiệt bằng khí nóng bằng phần mềm mô phỏng ANSYS CFX. Phân bố nhiệt độ tại bề mặt lòng khuôn ứng với các thời gian gia nhiệt khác nhau cũng được so sánh như Hình 11. Kết quả này cho thấy trong 10 s đầu của quá trình gia nhiệt, quá trình truyển nhiệt giữa khí nóng và lòng khuôn diễn ra rất mạnh do chênh lệch nhiệt độ giữa lòng khuôn và khí rất lớn, kết quả là nhiệt độ của lòng khuôn gần 4 cổng phun khí sẽ tăng nhanh. Tuy nhiên, khi nhiệt độ lòng khuôn tăng cao, quá trình truyền nhiệt đối lưu giữa khí và lòng khuôn sẽ giảm đáng kể, bên cạnh đó, nhiệt năng tại các vị trí này sẽ truyền ra những vị trí có nhiệt độ thấp hơn. Do đó, từ 10 s đến 30 s, sự mất cân bằng nhiệt độ này đã giảm đáng kể. Ngoài ra, Hình 11 cho thấy phân bố nhiệt độ tại thời điểm 30 s với chênh lệch nhiệt độ của cả bề mặt lòng khuôn là 11.5 oC. Với chênh lệch nhiệt độ này, phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng từ bên ngoài hoàn toàn có thể ứng dụng cho qui trình phun ép.
Bảng 2: Kết quả nhiệt độ tại bề mặt khuôn tại một số vị trí đo khác nhau
|
Thời gian gia nhiệt |
Vị trí đo |
Kết quả mô phỏng |
Kết quả thí nghiệm |
|
5s |
1 |
62 |
59 |
|
2 |
58 |
57 |
|
|
3 |
56 |
58 |
|
|
4 |
57 |
55 |
|
|
10 |
1 |
76 |
74 |
|
2 |
78 |
75 |
|
|
3 |
74 |
73 |
|
|
4 |
74 |
75 |
|
|
15 |
1 |
90 |
81 |
|
2 |
87 |
80 |
|
|
3 |
86 |
83 |
|
|
4 |
85 |
82 |
|
|
20 |
1 |
92 |
86 |
|
2 |
90 |
87 |
|
|
3 |
88 |
82 |
|
|
4 |
84 |
85 |
|
|
25 |
1 |
95 |
87 |
|
2 |
92 |
83 |
|
|
3 |
91 |
86 |
|
|
4 |
86 |
84 |
|
|
30 |
1 |
95 |
86 |
|
2 |
94 |
83.5 |
|
|
3 |
94 |
84 |
|
|
4 |
84 |
86 |
Hình 6: Thí nghiệm sự thay đổi của nhiệt độ tại 4 điểm trên bề mặt lòng khuôn trong quá trình gia nhiệt
Hình 7: Đồ thị so sánh nhiệt độ tại điểm P1 với thời gian gia nhiệt 30 s Hình 8: Đồ thị so sánh nhiệt độ tại điểm P2 với thời gian gia nhiệt 30 s
Hình 9: Đồ thị so sánh nhiệt độ tại điểm P3 với thời gian gia nhiệt 30 s
Hình 10: Đồ thị so sánh nhiệt độ tại điểm P4 với thời gian gia nhiệt 30 s
Hình 11: Phân bố nhiệt độ tại lòng khuôn ứng với các thời gian gia nhiệt khác nhau.
IV. KẾT LUẬN
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 với một số kết luận 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 20 s tiếp theo và ổn định sau 30 s. Tại thời điểm ổn định, nhiệt độ được phân bố tương đối đồng đều (chênh lệch khoảng 11.5 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 không lớn tại tất cả các vị trí 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 có thể 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. 209-214.
[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] S. C. Chen, . 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.
[6] 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.
[7] S. C. Chen, Y. W. Lin, R. D. Chien, H.M. Li, Variable Mold Temperature to Improve Surface Quality of Microcellular Injection Molded Parts Using Induction Heating Technology, Advances in Polymer Technology, Vol. 27, 2008, pp. 224–232.
[8] S. C. Chen, J. A. Chang, Y. C. Wang, C. F. Yeh, Development of Gas-Assisted Dynamic Mold Temperature Control System and Its Application for Micro Molding, ANTEC, 2008, pp. 2208-2212.
