Tổng quan luận án
Sự phát triển của công nghệ vật liệu composite nền nhựa nhiệt dẻo gia cường sợi ngắn đã mở rộng phạm vi ứng dụng của phương pháp phun ép trong chế tạo các chi tiết kỹ thuật có cấu trúc phức tạp. Trong các lĩnh vực cơ khí chính xác, điện tử và quang học, nhu cầu sản xuất các linh kiện có kích thước nhỏ, thành mỏng và kết cấu gân mỏng—như bảng mạch, giắc cắm, đầu nối sợi quang, bánh răng và vòng đệm chính xác khối lượng vài gram—đòi hỏi độ bền cơ học, khả năng cách điện và chịu nhiệt cao. Tuy nhiên, quá trình gia công phun ép vật liệu composite nền nhựa nhiệt dẻo thường xuyên gặp phải các dạng khuyết tật như đường hàn (weld line), rỗ khí (air trap), cong vênh (warpage) và hiện tượng điền đầy không hoàn toàn lòng khuôn (short shot).
Theo phân tích của tác giả, hai nguyên nhân vật lý cốt lõi dẫn đến các khuyết tật trên gồm:
- Hiện tượng đông đặc nhanh của lớp vật liệu nóng chảy ngay khi tiếp xúc với bề mặt vách khuôn có nhiệt độ thấp, hình thành lớp đông đặc (frozen layer) làm thu hẹp tiết diện dòng chảy.
- Độ nhớt của vật liệu composite nhựa nhiệt dẻo chứa sợi gia cường cao hơn đáng kể so với nhựa nguyên sinh, làm gia tăng trở lực dòng chảy trong lòng khuôn.
Trong thực tế sản xuất tại các doanh nghiệp ép phun, biện pháp phổ biến để khắc phục hiện tượng thiếu liệu là gia tăng áp suất phun ép và nâng cao nhiệt độ nóng chảy của nhựa trong xi lanh. Cách tiếp cận này bộc lộ nhiều hạn chế kỹ thuật: áp suất phun quá cao làm phát sinh ba-via (flash) tại các bề mặt phân khuôn, gia tăng ứng suất dư, giảm độ bền mỏi và tuổi thọ của máy phun ép; trong khi nâng nhiệt độ khối nhựa quá mức dễ dẫn đến thoái hóa nhiệt vật liệu và kéo dài thời gian làm nguội. Do đó, việc nghiên cứu kiểm soát và điều khiển nhiệt độ khuôn được xác định là hướng tiếp cận kỹ thuật nhằm giảm tốc độ hình thành lớp đông đặc, duy trì độ linh động của dòng chảy vật liệu composite, cải thiện sự định hướng sợi và tăng cường độ bền sản phẩm. Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí mang tên "Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ điền đầy của vật liệu composite trong quy trình phun ép" của nghiên cứu sinh Phan Thế Nhân (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, 2022) tập trung giải quyết bài toán này.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ điền đầy của sản phẩm composite thành mỏng bằng phương pháp mô phỏng và thực nghiệm với mô hình gia nhiệt bằng nước có nhiệt độ khuôn từ 30 °C đến 110 °C và mô hình gia nhiệt bằng khí nóng có nhiệt độ khuôn từ 45 °C đến 140 °C.
Nội dung nghiên cứu của luận án (được đánh số theo văn bản):
- Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan và cơ sở lý thuyết các vấn đề liên quan đến nhiệt độ khuôn, quá trình điền đầy sản phẩm phun ép vật liệu composite. Đề xuất các vấn đề cần nghiên cứu cụ thể, các giải pháp công nghệ phù hợp và hiệu quả trong chế tạo sản phẩm composite thành mỏng bằng công nghệ phun ép.
- Nội dung 2: Thiết lập mô hình nghiên cứu và chế tạo thiết bị gia nhiệt bằng nước với nhiệt độ khuôn từ 30 °C đến 110 °C và thiết bị gia nhiệt bằng khí nóng với nhiệt độ khuôn từ 45 °C đến 140 °C nhằm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ điền đầy nhựa nhiệt dẻo composite sản phẩm thành mỏng.
- Nội dung 3: Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ khuôn đến chiều dài dòng chảy vật liệu composite với mô hình cơ bản dòng chảy xoắn ốc bằng mô phỏng và thực nghiệm với tỉ lệ sợi thủy tinh thay đổi từ 0 % đến 30 % và nhiệt độ khuôn thay đổi từ 30 °C đến 110 °C. Đánh giá hiệu quả điều khiển nhiệt độ khuôn thông qua việc nâng cao khả năng chảy của vật liệu composite nhựa nhiệt dẻo; đồng thời xác định phương trình hồi quy về mối quan hệ giữa chiều dài dòng chảy, nhiệt độ khuôn và chiều dày sản phẩm.
- Nội dung 4: Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ khuôn đến khả năng điền đầy với sản phẩm composite thành mỏng, gân mỏng bằng mô phỏng và thực nghiệm với tỉ lệ sợi thay đổi từ 0 % đến 30 % và nhiệt độ khuôn thay đổi từ 45 °C đến 140 °C, nhằm ứng dụng hiệu quả phương pháp điều khiển nhiệt độ khuôn nâng cao độ điền đầy đối với sản phẩm thành mỏng và gân mỏng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Khả năng chảy và mức độ điền đầy lòng khuôn của vật liệu nhựa nền Polyamide 6 (PA6) nguyên sinh và vật liệu composite PA6 gia cường sợi thủy tinh ngắn (PA6 + GF) với hàm lượng sợi thay đổi từ 0 % đến 30 % khối lượng (khảo sát đối chứng với Polypropylene - PP và Acrylonitrile Butadiene Styrene - ABS).
- Phạm vi hình học: Ba mô hình lòng khuôn thực nghiệm gồm:
- Mô hình cơ bản dòng chảy xoắn ốc (spiral flow) với 3 kích thước chiều dày: 0,5 mm; 0,75 mm; 1,0 mm.
- Mô hình sản phẩm dạng tấm thành mỏng với 3 kích thước chiều dày: 0,2 mm; 0,4 mm; 0,6 mm.
- Mô hình sản phẩm dạng gân mỏng với 2 gân có chiều cao thiết kế 7,0 mm.
- Phạm vi nhiệt độ: Khảo sát hai dải nhiệt độ khuôn:
- Vùng nhiệt độ thông dụng (sử dụng hệ thống kênh dẫn nước tuần hoàn gia nhiệt/làm nguội): nhiệt độ điều chỉnh từ 30 °C đến 110 °C.
- Vùng nhiệt độ cao (sử dụng phương pháp gia nhiệt bề mặt lòng khuôn bằng dòng khí nóng bên ngoài - Ex-GMTC): nhiệt độ bề mặt khuôn đạt từ 45 °C đến 140,8 °C (với nguồn khí nóng cấp vào lên tới 400 °C, thời gian thổi khí từ 5 s đến 30 s).
- Phạm vi thiết bị và thời gian: Nghiên cứu được thực hiện tại xưởng thực nghiệm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM và Viện Công nghệ Nano - ĐHQG TP.HCM, nghiệm thu vào tháng 05/2022.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tổng quan tài liệu trong luận án phân loại các công trình trong và ngoài nước theo 5 nhóm hướng nghiên cứu chính:
| Hướng nghiên cứu chính |
Tác giả, công trình tiêu biểu |
Phát hiện và giải pháp kỹ thuật đã công bố |
| Ảnh hưởng của chất phụ gia đến khả năng phun ép |
A. Maltby (2000) [2] |
Sử dụng phụ gia bôi trơn IncroMold F, S, T trộn vào hạt nhựa HDPE hoặc phủ lên bề mặt khuôn để giảm ma sát dòng chảy và giảm lực mở khuôn. |
|
J. Alfonso và cs. (2018) [3] |
Thêm chitosan (CH) vào composite sinh học nền albumen (EA) nhằm cải thiện khả năng phun ép nhưng độ cứng còn hạn chế. |
|
J. Hou và cs. (2018) [4] |
Sử dụng 10 % bột tan (talc) làm phụ gia tạo bọt cho PP, giảm 62,1 % khối lượng sản phẩm mà không làm thay đổi độ nhớt nếu dưới 10 %. |
|
X. Wang và cs. (2017) [5] |
Xác định hình dạng hạt phụ gia ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt khuôn (phụ gia dạng chữ I dẫn nhiệt tốt hơn dạng hạt cầu). |
|
J. Laursen và cs. (2017) [6] |
Bổ sung 2 % PDMS và 5 % PTFE vào nhựa POM để giảm ma sát vách khuôn, cải thiện độ điền đầy và độ chống mòn. |
| Cải tiến kết cấu khuôn phun ép |
G. Guan (2016) [7] |
Thiết kế khuôn tích hợp gia nhiệt hỗn hợp bằng hơi nước và điện trở nhằm rút ngắn chu kỳ phun ép. |
|
H. Lin và cs. (2014) [8] |
Tích hợp cuộn dây cảm ứng điện từ bên trong kết cấu khuôn để gia nhiệt nhanh lòng khuôn. |
|
Chen và cs. (2009) [9] |
Phủ lớp vật liệu cách nhiệt bề mặt lòng khuôn kết hợp gia nhiệt hồng ngoại và cảm ứng từ để xóa bỏ đường hàn. |
| Tối ưu hóa thông số công nghệ phun ép |
A. Lin (2008) [11], A. Liou và cs. (2014) [12] |
Đánh giá áp suất phun, áp suất định hình, nhiệt độ nhựa và nhiệt độ khuôn là các thông số chi phối chất lượng bề mặt và năng suất. |
|
R. Sebastian và cs. (2018) [15] |
Thiết lập phương trình cân bằng năng lượng dòng chảy đa pha trong quá trình phun ép composite nhựa nhiệt dẻo. |
|
H. Kurt và cs. (2009) [17] |
Xác định ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn và áp suất phun đến ứng suất dư, độ co rút và độ nhám bề mặt. |
|
Li và cs. (2018) [18] |
Tăng nhiệt độ khuôn làm sợi thủy tinh xoay theo hướng dòng chảy và làm giảm đáng kể chiều dày lớp đông đặc tiếp xúc vách khuôn. |
|
W. Ota và cs. (2017) [19] |
Khảo sát composite PP gia cường 20 %GF và 30 %GF; độ bền kéo và mô đun đàn hồi tăng tuyến tính theo tỉ lệ sợi. |
|
P. Bhatnagar (2019) [20] |
Áp suất và nhiệt độ khuôn quyết định định hướng sợi theo phương chiều dày chi tiết composite. |
| Ảnh hưởng của hàm lượng sợi gia cường |
Ankuloriya & Rajvaidya (2018) [21] |
Đánh giá composite ABS gia cường 5 %, 10 %, 20 %, 30 % sợi thủy tinh ngắn; độ cứng tăng liên tục, độ bền kéo cao nhất tại 5 % và phục hồi tại 30 %. |
|
Girish (2015) [22] |
Composite Polycarbonate với 10 %, 20 %, 30 % sợi thủy tinh; độ cứng tăng từ 24,3 % đến 30 %, độ bền kéo tăng tương ứng 29,15 % đến 73,38 %. |
| Các phương pháp gia nhiệt lòng khuôn |
Gia nhiệt bằng hơi nước, điện trở, hồng ngoại [7, 8, 23, 27] |
Cải thiện khả năng điền đầy nhưng quán tính nhiệt lớn hoặc đòi hỏi kết cấu khuôn phức tạp. |
|
Gia nhiệt bằng cảm ứng từ [14, 25] |
Tốc độ gia nhiệt cao nhưng gây rủi ro nhiễm từ các cơ cấu trượt và linh kiện điều khiển điện tử của khuôn. |
|
Gia nhiệt bằng khí nóng bên ngoài (Ex-GMTC) [24, 32] |
Thổi khí nóng trực tiếp vào lòng khuôn mở, nhiệt độ tăng từ 60 °C lên 120 °C sau 2 s; phù hợp cho thành mỏng. |
|
Nghiên cứu tạo bọt và vật liệu mỏng [26, 28] |
Y. Ryu (2017) khảo sát co ngót PA6/GF; Yilmaz (2017) dùng ảnh SEM phân tích cấu trúc tế vi bề mặt phá hủy của composite PC/GF thành mỏng. |
Tại Việt Nam, các nghiên cứu về công nghệ khuôn mẫu và gia công composite chủ yếu tập trung vào cơ tính vật liệu hoặc giải nhiệt làm nguội khuôn: Trần Minh Hổ (2017) [29] khảo sát vật liệu lai nhựa epoxy/sợi thủy tinh/TiO2; Phan Thị Minh Ngọc và cs. (2017) [30] tối ưu hóa tỉ lệ vải thủy tinh/nhựa epoxy (70/30); Bùi Thị Thu Phương và cs. (2020) [31] xác định chế độ nhiệt đóng rắn ống composite polymer; Đề tài cấp Nhà nước KC.03.09/11-15 của Đặng Văn Nghìn (2015) [33] chế tạo hệ thống khuôn kênh dẫn nóng (hot runner) có điều khiển; Trần Minh Thế Uyên (2018) [32] khảo sát gia nhiệt khuôn bằng khí nóng cho sản phẩm thành mỏng nhưng mới dùng một cổng phun khí và chưa giải quyết bài toán vật liệu composite; các tác giả Lê Quốc Việt, Phùng Huy Dũng, Vũ Viết Chuyên khảo sát ảnh hưởng thông số phun ép đến đường hàn và độ bền uốn của PA6.
Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết:
Các nghiên cứu trong nước trước đây chủ yếu xem việc kiểm soát nhiệt độ khuôn là quá trình làm nguội (cooling) nhằm giảm thời gian chu kỳ, hoặc ứng dụng công nghệ kênh dẫn nóng vốn tốn kém năng lượng và bắt buộc phải thiết kế lại toàn bộ kết cấu khuôn. Chưa có công trình nào thiết lập mối quan hệ định lượng giữa nhiệt độ khuôn, tỉ lệ sợi thủy tinh (0 - 30 %) và chiều dày sản phẩm (0,2 - 1,0 mm) đối với khả năng điền đầy của vật liệu composite nền PA6. Đồng thời, việc ứng dụng phương pháp gia nhiệt bề mặt lòng khuôn bằng khí nóng bên ngoài (Ex-GMTC) để đạt dải nhiệt độ cao (trên 110 °C đến 140 °C) cho các chi tiết thành mỏng và kết cấu gân mỏng mà không làm biến dạng kết cấu khuôn hiện hữu vẫn chưa được nghiên cứu hệ thống.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết
-
Lý thuyết vật liệu composite nhựa nhiệt dẻo:
Vật liệu composite gồm thể tích sợi ($v_f$), thể tích nhựa nền ($v_m$) và thể tích khoảng trống rỗng ($v_v$). Tỉ lệ phần trăm thể tích thành phần sợi ($V_f$), nhựa ($V_m$) và khoảng trống ($V_v$) được biểu diễn qua công thức:
$$V_f = \frac{v_f}{v_c}, \quad V_m = \frac{v_m}{v_c}, \quad V_v = \frac{v_v}{v_c}$$
với $v_c = v_f + v_m + v_v$. Khối lượng tổng thể $m_c = m_f + m_m$, và khối lượng riêng của composite được xác định theo công thức cộng hợp: $\rho_c = V_f \rho_f + V_m \rho_m$.
Định hướng sợi trong không gian 3 chiều được mô tả thông qua góc cực $\theta$ và góc phương vị $\phi$.
-
Mối quan hệ giữa độ nhớt và nhiệt độ:
Độ nhớt của vật liệu nhựa nóng chảy phụ thuộc phi tuyến vào nhiệt độ theo phương trình dạng Arrhenius:
$$\mu = \mu_0 \exp\left(\frac{\Delta H}{R \cdot T}\right)$$
trong đó $\mu$ là độ nhớt động học (Pa·s), $\mu_0$ là hằng số độ nhớt ở nhiệt độ chuẩn, $\Delta H$ là năng lượng hoạt hóa dòng chảy (J), $R$ là hằng số khí lý tưởng ($R = 8314 \text{ J/(kmol}\cdot\text{K)}$), và $T$ là nhiệt độ nhiệt động học (K). Khi bổ sung sợi gia cường thủy tinh, trở lực dòng chảy tăng lên, đường cong độ nhớt dịch chuyển lên phía trên.
-
Động học dòng chảy và hiện tượng dòng chảy cuộn (Fountain Flow):
Trong quá trình điền đầy lòng khuôn dạng tấm mỏng, dòng nhựa nóng chảy di chuyển theo cơ chế dòng chảy cuộn (fountain flow): lớp chất lỏng ở tâm dòng chảy chuyển động với vận tốc cao nhất, sau đó tràn dạt về phía hai vách khuôn. Tại bề mặt tiếp xúc với thành khuôn lạnh, sự truyền nhiệt dẫn truyền diễn ra tức thời làm nhiệt độ lớp ngoài cùng hạ xuống dưới nhiệt độ chuyển pha/đông đặc, tạo nên lớp đông đặc (frozen layer). Sự phát triển của lớp đông đặc này làm thu hẹp tiết diện dòng chảy hiệu dụng $h$, cản trở khả năng điền đầy lòng khuôn.
-
Hệ phương trình chủ đạo của dòng chảy chất lỏng trong hệ tọa độ Descartes:
Quá trình điền đầy lòng khuôn được mô hình hóa toán học thông qua hệ phương trình Navier-Stokes cho dòng chảy nhớt phi Newton không nén được:
- Phương trình bảo toàn khối lượng (liên tục):
$$\frac{\partial \rho}{\partial t} + \frac{\partial (\rho u_i)}{\partial x_i} = 0$$
- Phương trình bảo toàn động lượng:
$$\frac{\partial (\rho u_i)}{\partial t} + \frac{\partial (\rho u_j u_i)}{\partial x_j} = -\frac{\partial P}{\partial x_i} + \frac{\partial \tau_{ij}}{\partial x_j} + \rho g_i$$
với $\tau_{ij} = \mu \left(\frac{\partial u_i}{\partial x_j} + \frac{\partial u_j}{\partial x_i}\right)$ là tensor ứng suất nhớt.
- Phương trình bảo toàn năng lượng:
$$\rho C_p \left(\frac{\partial T}{\partial t} + u_j \frac{\partial T}{\partial x_j}\right) = \frac{\partial}{\partial x_j} \left(\lambda \frac{\partial T}{\partial x_j}\right) + \tau_{ij} \frac{\partial u_i}{\partial x_j}$$
trong đó $\rho$ là khối lượng riêng, $C_p$ là nhiệt dung riêng đẳng áp, $\lambda$ là hệ số dẫn nhiệt, $P$ là áp suất, $T$ là nhiệt độ, và $\tau_{ij} \frac{\partial u_i}{\partial x_j}$ biểu diễn nhiệt lượng phát sinh do ma sát nhớt (nhớt tiêu tán).
- Phương trình truyền nhiệt trong gia nhiệt lòng khuôn: Mô hình hóa dòng khí nóng đối lưu kết hợp phương trình truyền nhiệt qua vách khuôn và bức xạ nhiệt bề mặt.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu kết hợp hai phương pháp chính:
- Phương pháp mô phỏng số (CAE/FEM):
- Ứng dụng phần mềm chuyên dụng Moldex3D để chia lưới phần tử hữu hạn (lưới thể tích Solid Mesh) cho ba mô hình hình học: dòng chảy xoắn ốc, tấm thành mỏng và chi tiết gân mỏng.
- Thiết lập các điều kiện biên nhiệt động học: nhiệt độ nóng chảy của vật liệu PA6 và PA6 + GF tại dải 230 °C - 320 °C; nhiệt độ khuôn cài đặt theo từng kịch bản nghiên cứu; phân tích trường vận tốc, áp suất điền đầy, phân bố nhiệt độ và chiều dài dòng chảy.
- Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng:
- Hệ thống máy phun ép: Sử dụng máy phun ép công nghiệp Shinewell-120B (lực kẹp 120 tấn).
- Hệ thống điều khiển nhiệt độ khuôn:
- Hệ thống gia nhiệt/làm nguội tuần hoàn bằng nước qua 4 kênh dẫn đặt chìm trong thân khuôn, duy trì nhiệt độ từ 30 °C đến 110 °C.
- Hệ thống gia nhiệt bề mặt lòng khuôn bằng khí nóng bên ngoài (External Gas Mold Temperature Control - Ex-GMTC) với bộ tạo nhiệt khí nén điều khiển nhiệt độ khí lên tới 400 °C, gia nhiệt trực tiếp vào bề mặt lòng khuôn khi mở khuôn trước chu kỳ ép để đạt nhiệt độ bề mặt từ 45 °C đến 140,8 °C.
- Thiết bị đo lường và phân tích:
- Camera hồng ngoại Fluke TiS20 ghi nhận phân bố trường nhiệt độ bề mặt lòng khuôn.
- Máy quét số hóa quang học 3D ATOS 2M đo lường chính xác biên dạng hình học và chiều dài dòng chảy thực nghiệm của các mẫu ép.
- Kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscopy) tại Viện Công nghệ Nano - ĐHQG TP.HCM để quan sát cấu trúc tế vi, sự phân bố và định hướng của sợi thủy tinh trong nền nhựa.
- Phần mềm Minitab để phân tích phương sai (ANOVA) và xây dựng phương trình hồi quy đa biến.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 trình bày tổng quan cấu tạo máy phun ép (hệ thống kẹp, khuôn, điều khiển, nóng chảy, cấp liệu, phun ép) và chu trình phun ép nhựa composite nhiệt dẻo. Tác giả tổng thuật 5 nhóm hướng nghiên cứu chính trên thế giới: ảnh hưởng phụ gia bôi trơn và trợ chảy (Maltby, Alfonso, Hou, Wang, Laursen); tối ưu kết cấu khuôn và tích hợp cơ cấu gia nhiệt (Guan, Lin, Chen); thông số quy trình và ảnh hưởng đến định hướng sợi (Lin, Liou, Sebastian, Kurt, Li, Ota, Bhatnagar); cơ tính composite theo tỉ lệ sợi (Ankuloriya, Girish); và các công nghệ gia nhiệt khuôn (nước nóng, hơi nước, điện trở, hồng ngoại, cảm ứng từ, khí nóng Ex-GMTC; nghiên cứu của Ryu, Yilmaz). Chương 1 cũng phân tích hiện trạng sản xuất nhựa tại Việt Nam (theo dữ liệu VIRAC, GSO, VPA quý 1/2021, nhóm nhựa kỹ thuật chiếm 16,1 % cơ cấu ngành; lượng nhựa composite tiêu thụ trên 5.000 tấn/năm). Tác giả chỉ ra các khoảng trống công nghệ trong nước: việc điều khiển nhiệt độ khuôn tại các xưởng sản xuất chủ yếu hiểu theo nghĩa giải nhiệt (làm nguội nhanh); chưa có nghiên cứu định lượng tác động của nhiệt độ khuôn đến độ điền đầy composite sợi ngắn thành mỏng; phương pháp kênh dẫn nóng tiêu tốn nhiều năng lượng và khó áp dụng cho các bộ khuôn hiện hữu. Từ đó, tác giả xác lập 4 nội dung nghiên cứu cụ thể của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 thiết lập cơ sở toán học và cơ học chất lỏng ứng dụng cho quá trình điền đầy khuôn. Tác giả định nghĩa các đại lượng thể tích ($V_f, V_m, V_v$), khối lượng ($m_f, m_m$), khối lượng riêng hỗn hợp ($\rho_c$), và các hàm mật độ phân bố góc định hướng sợi ($\theta, \phi$). Phân tích cơ chế truyền nhiệt dẫn truyền qua vách khuôn, đối lưu giữa dòng nóng chảy với vách khuôn, và bức xạ nhiệt. Thiết lập đường đặc tính lưu biến và phương trình Arrhenius thể hiện quan hệ nghịch đảo giữa độ nhớt $\mu$ và nhiệt độ $T$, giải thích sự gia tăng độ nhớt khi tăng tỉ lệ sợi thủy tinh từ 0 % đến 30 %. Phân tích hiện tượng dòng chảy cuộn "Fountain flow" và cơ chế phát triển của lớp đông đặc (frozen layer) bám vách. Xây dựng hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng Navier-Stokes trong không gian 3 chiều hệ tọa độ Descartes (phương trình liên tục, bảo toàn động lượng, bảo toàn năng lượng kết hợp số hạng nhớt tiêu tán) mô tả trạng thái chuyển động của khối nhựa nóng chảy, cùng các phương trình mô hình hóa trường nhiệt độ truyền nhiệt qua khuôn trong phương pháp gia nhiệt lòng khuôn.
Chương 3: Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm
Chương 3 trình bày chi tiết thiết kế kỹ thuật, chế tạo khuôn mẫu và quy trình thực nghiệm:
- Mô hình dòng chảy xoắn ốc: Thiết kế lòng khuôn kênh xoắn ốc có tiết diện hình chữ nhật với 3 mức chiều dày lòng khuôn: 0,5 mm; 0,75 mm và 1,0 mm. Khuôn được tích hợp 4 kênh dẫn chất lỏng tuần hoàn (nước nóng) điều chỉnh nhiệt độ từ 30 °C đến 110 °C. Mô phỏng 3D dòng xoắn ốc thực hiện trên Moldex3D; thực nghiệm ép phun trên máy Shinewell-120B; đo chiều dài dòng chảy bằng máy quét số hóa ATOS 2M.
- Mô hình sản phẩm thành mỏng: Thiết kế lòng khuôn tấm phẳng dạng hộp mỏng với 3 chiều dày: 0,2 mm; 0,4 mm và 0,6 mm. Tích hợp khối insert và tấm gia nhiệt để ứng dụng hệ thống thổi khí nóng Ex-GMTC (nguồn khí 400 °C, thời gian thổi 5 s đến 30 s). Đo trường nhiệt bằng camera hồng ngoại Fluke TiS20.
- Mô hình sản phẩm gân mỏng: Thiết kế tấm sản phẩm có 2 gân tăng cứng thành mỏng với chiều cao thiết kế 7,0 mm. Thiết lập mô hình mô phỏng truyền nhiệt dòng khí nóng và điền đầy gân mỏng, kết hợp thử nghiệm thực tế với vật liệu PA6 và PA6 + 30 %GF.
Chương 4: Kết quả và thảo luận ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến chiều dài dòng chảy
Chương 4 công bố và thảo luận các kết quả đo lường đối với mô hình xoắn ốc. Kết quả cho thấy chiều dài dòng chảy $L$ tăng đơn điệu theo sự gia tăng của nhiệt độ khuôn từ 30 °C lên 110 °C ở cả ba mức chiều dày (0,5 mm; 0,75 mm; 1,0 mm). Ngược lại, khi tỉ lệ sợi thủy tinh tăng từ 0 % lên 30 %, độ nhớt tăng làm giảm chiều dài dòng chảy. Kết quả mô phỏng trên phần mềm Moldex3D có sự phù hợp cao với số liệu đo thực nghiệm.
Số liệu đo thực nghiệm chiều dài dòng chảy của vật liệu composite PA6 + 30 %GF ở các mức nhiệt độ khuôn và chiều dày khác nhau được tổng hợp trong bảng sau:
| Chiều dày lòng khuôn (mm) |
Nhiệt độ khuôn $T = 30\ ^\circ\text{C}$ |
Nhiệt độ khuôn $T = 50\ ^\circ\text{C}$ |
Nhiệt độ khuôn $T = 70\ ^\circ\text{C}$ |
Nhiệt độ khuôn $T = 90\ ^\circ\text{C}$ |
Nhiệt độ khuôn $T = 110\ ^\circ\text{C}$ |
Tỉ lệ tăng chiều dài ($30 \rightarrow 110\ ^\circ\text{C}$) |
| 0,50 mm |
35,2 mm |
37,8 mm |
40,6 mm |
43,5 mm |
46,8 mm |
+32,9 % |
| 0,75 mm |
56,4 mm |
60,1 mm |
64,5 mm |
68,9 mm |
73,8 mm |
+30,8 % |
| 1,00 mm |
79,9 mm |
84,2 mm |
89,1 mm |
94,6 mm |
100,3 mm |
+25,5 % |
Tại cùng mức nhiệt độ khuôn 110 °C và chiều dày 1,0 mm, khi tỉ lệ sợi tăng từ 0 % (nhựa PA6 nguyên sinh) lên 30 %GF, chiều dài dòng chảy thực nghiệm giảm từ 145,8 mm xuống 100,3 mm (tương ứng mức suy giảm 45,4 % do trở lực nhớt của sợi).
Ảnh chụp SEM cấu trúc vi mô chỉ ra rằng ở nhiệt độ khuôn thấp (30 °C), lớp đông đặc hình thành dày làm sợi thủy tinh sát bề mặt bị khóa cứng ngẫu nhiên, liên kết bề mặt kém. Khi nhiệt độ khuôn tăng lên 110 °C, lớp đông đặc mỏng đi đáng kể, các sợi thủy tinh có đủ thời gian định hướng song song theo chiều chuyển động của dòng chảy, mật độ phân bố đồng đều hơn và liên kết bề mặt giữa sợi với nền PA6 được cải thiện rõ rệt.
Dựa trên công cụ hồi quy tuyến tính trong phần mềm Minitab, tác giả xây dựng phương trình hồi quy xác định mối quan hệ giữa chiều dài dòng chảy thực nghiệm ($L$), nhiệt độ khuôn ($T$), chiều dày lòng khuôn ($h$) và tỉ lệ sợi thủy tinh ($%GF$):
$$L = a_0 + a_1 \cdot T + a_2 \cdot h - a_3 \cdot (%GF)$$
Mô hình hồi quy đạt hệ số xác định hiệu chỉnh $R^2_{adj} > 95\ %$, phản ánh mức độ tương thích cao giữa mô hình toán học và dữ liệu thực nghiệm.
Chương 5: Ứng dụng phương pháp điều khiển nhiệt độ khuôn nâng cao độ điền đầy sản phẩm thành mỏng, gân mỏng
Chương 5 trình bày việc áp dụng phương pháp gia nhiệt bề mặt lòng khuôn bằng khí nóng (Ex-GMTC) nhằm nâng cao nhiệt độ khuôn vượt giới hạn thông thường, phục vụ điền đầy các chi tiết dạng tấm thành mỏng và kết cấu gân mỏng:
- Kết quả trên mô hình thành mỏng (chiều dày 0,6 mm):
- Khí nóng 400 °C thổi vào lòng khuôn giúp nhiệt độ bề mặt tăng nhanh theo thời gian gia nhiệt (5 s đến 30 s).
- Với vật liệu nhựa PA6 nguyên sinh: Chiều dài dòng chảy tăng từ 38,9 mm (khi không gia nhiệt) lên 74,3 mm khi gia nhiệt khí nóng trong 20 s, đạt mức cải thiện 90,6 %.
- Với vật liệu composite PA6 + 30 %GF: Chiều dài dòng chảy tăng từ 28,5 mm lên 58,9 mm sau 20 s gia nhiệt, đạt mức tăng trưởng 108,6 %.
- So sánh với các vật liệu nhiệt dẻo khác như PP và ABS, vật liệu nền PA6 (cả nguyên sinh và composite) thể hiện độ nhạy nhiệt cao hơn hẳn: mức cải thiện dòng chảy của PA6 và PA6 + 30 %GF vượt trên 80 % sau 20 s gia nhiệt, trong khi PP và ABS có mức tăng trưởng thấp hơn.
- Kết quả trên mô hình gân mỏng (chiều cao thiết kế 7,0 mm):
- Khi sử dụng hệ thống gia nhiệt bằng nước thông thường ở dải nhiệt độ 45 °C đến 75 °C, chiều cao điền đầy của gân mỏng chỉ đạt từ 2,8 mm đến tối đa 4,2 mm, chi tiết bị khuyết tật điền đầy không hoàn toàn.
- Khi áp dụng hệ thống gia nhiệt khí nóng Ex-GMTC, nhiệt độ bề mặt khuôn tại khu vực tạo hình đạt từ 112,0 °C đến 140,8 °C. Kết quả thực nghiệm cho thấy chiều cao gân mỏng được điền đầy hoàn toàn, đạt kích thước thiết kế 7,0 mm.
- Luận án phát hiện rằng do khí nóng gia nhiệt bề mặt không bị hạn chế bởi đường đi của kênh dẫn nước trong kết cấu khuôn kim loại, trường nhiệt độ phân bố đồng đều hơn. Đặc biệt, vị trí bố trí dòng khí nóng không nhất thiết phải đặt trực tiếp ngay tại chân gân mỏng, mà có thể gia nhiệt cục bộ tại các vị trí lòng khuôn phía trước nơi dòng nhựa đi qua; nhờ đó triệt tiêu lớp đông đặc trước khi dòng nhựa tiếp cận khe hẹp của gân, cho phép dòng composite điền đầy hoàn toàn gân mỏng.
Kết quả và những đóng góp mới
Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học
- Xác lập mối quan hệ định lượng và bản chất tương tác giữa nhiệt độ khuôn (khảo sát từ 30 °C đến 140 °C), chiều dày lòng khuôn (từ 0,2 mm đến 1,0 mm) và tỉ lệ phần trăm khối lượng sợi thủy tinh gia cường (0 % đến 30 %) đối với khả năng chảy, chiều dài dòng chảy và mức độ điền đầy của vật liệu composite nền nhựa nhiệt dẻo PA6.
- Xây dựng thành công phương trình hồi quy toán học mô tả mối quan hệ giữa chiều dài dòng chảy, nhiệt độ khuôn, chiều dày sản phẩm và hàm lượng sợi gia cường với độ tin cậy thống kê cao ($R^2_{adj}$ cao), hỗ trợ tính toán dự báo quá trình điền đầy trong thiết kế khuôn phun ép.
- Làm rõ cơ chế ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn cao đến sự biến đổi chiều dày lớp đông đặc, chứng minh bằng ảnh chụp vi cấu trúc SEM rằng việc duy trì nhiệt độ khuôn ở mức cao giúp giảm thiểu lớp đông đặc, tạo điều kiện cho các sợi thủy tinh ngắn định hướng thuận lợi theo hướng dòng chảy và phân bố đồng đều trong nền nhựa.
Những đóng góp mới về mặt thực tiễn và kiến nghị giải pháp
- Chế tạo và hoàn thiện giải pháp công nghệ điều khiển nhiệt độ bề mặt lòng khuôn bằng phương pháp thổi khí nóng bên ngoài (Ex-GMTC). Phương pháp này cho phép nâng nhiệt độ cục bộ bề mặt khuôn lên đến trên 140 °C trong khoảng thời gian ngắn (từ vài giây đến vài chục giây) mà không đòi hỏi phải thay đổi phức tạp kết cấu khuôn hoặc bổ sung hệ thống kênh dẫn nóng đắt tiền.
- Giải quyết thành công bài toán điền đầy hoàn toàn cho các sản phẩm composite thành mỏng (chiều dày đến 0,6 mm, chiều dài dòng chảy cải thiện 108,6 %) và kết cấu gân mỏng có chiều cao 7,0 mm đối với vật liệu composite khó điền đầy như PA6 + 30 %GF.
- Cung cấp giải pháp công nghệ thay thế việc ép phun ở áp suất quá cao, giúp giảm thiểu hiện tượng ba-via, bảo vệ thiết bị, kéo dài tuổi thọ cụm trục vít - xi lanh và giảm suất tiêu hao năng lượng cho các nhà máy ép phun linh kiện kỹ thuật tại Việt Nam.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Căn cứ theo giới hạn được tác giả trình bày trong luận án:
- Hạn chế về trang thiết bị phân tích: Do điều kiện cơ sở vật chất kỹ thuật trong nước, nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở việc quan sát hình thái sợi bằng kính hiển vi điện tử quét SEM và đo nhiệt độ bề mặt bằng camera hồng ngoại; chưa có điều kiện áp dụng các phương pháp đo lường tiên tiến như kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) hoặc thiết bị siêu âm thể tích lòng khuôn để theo dõi liên tục động học dòng chảy đa pha thời gian thực bên trong khuôn kim loại.
- Hạn chế về chủng loại vật liệu: Luận án chủ yếu tập trung nghiên cứu sâu trên nền nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật Polyamide 6 (PA6) gia cường sợi thủy tinh ngắn (GF). Các vật liệu khác như PP và ABS chỉ được đưa vào khảo sát đối chứng ở phạm vi hẹp; chưa mở rộng sang các dạng composite gia cường sợi carbon, sợi khoáng hoặc sợi tự nhiên.
- Hạn chế về tối ưu hóa chu kỳ công nghệ: Phương pháp gia nhiệt bề mặt bằng khí nóng Ex-GMTC tuy nâng cao nhiệt độ khuôn nhanh nhưng vẫn làm kéo dài thêm thời gian chu kỳ ép (tăng thời gian thổi khí từ 5 s đến 30 s và thời gian làm nguội tương ứng). Luận án chưa khảo sát sâu phương án kết hợp đồng thời giữa gia nhiệt khí nóng nhanh và làm lạnh cưỡng bức gián đoạn để tối ưu hóa triệt để chu kỳ sản xuất công nghiệp.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Nghiên cứu tích hợp hệ thống làm mát nhanh gián đoạn kết hợp cùng Ex-GMTC nhằm rút ngắn tổng chu kỳ phun ép sản phẩm composite thành mỏng.
- Mở rộng khảo sát thực nghiệm trên các hệ vật liệu composite nhiệt dẻo kỹ thuật cao khác (như PBT, PC, POM) gia cường sợi carbon hoặc hạt nano.
- Ứng dụng các thuật toán tối ưu hóa thông minh để tự động hóa việc điều chỉnh vị trí đầu thổi khí nóng và lưu lượng khí tương ứng với từng dạng hình học lòng khuôn phức tạp.
Giá trị tham khảo
Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận án có giá trị tham khảo chuyên môn cho các nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Công nghệ Vật liệu Polymer và Composite có thể sử dụng số liệu thực nghiệm, quy trình thiết lập mô phỏng trên phần mềm Moldex3D và các phương trình hồi quy toán học làm tài liệu giảng dạy, học tập và phát triển các đề tài liên quan đến động học dòng chảy nhựa.
- Kỹ sư thiết kế và gia công khuôn mẫu: Tham khảo các thông số kích thước hình học của kênh dòng chảy xoắn ốc, thiết kế tấm insert gia nhiệt và quy cách bố trí kênh dẫn nước làm nguội trong khuôn ép chi tiết thành mỏng.
- Kỹ sư công nghệ tại các doanh nghiệp ép phun nhựa kỹ thuật: Áp dụng trực tiếp giải pháp gia nhiệt khí nóng bên ngoài (Ex-GMTC) để xử lý các sự cố điền đầy thiếu liệu ở các chi tiết có gân mỏng, giắc cắm điện tử hoặc linh kiện vi cơ khí bằng vật liệu composite mà không phải đầu tư thay thế hệ thống khuôn đắt tiền.
Câu hỏi thường gặp
1. Nhiệt độ khuôn và hàm lượng sợi thủy tinh ảnh hưởng định lượng như thế nào đến chiều dài dòng chảy trong mô hình xoắn ốc?
Trong mô hình dòng xoắn ốc với vật liệu PA6 + 30 %GF ở chiều dày lòng khuôn 1,0 mm, khi tăng nhiệt độ khuôn từ 30 °C lên 110 °C, chiều dài dòng chảy thực nghiệm tăng từ 79,9 mm lên 100,3 mm, tương ứng với mức cải thiện 25,5 %. Ngược lại, hàm lượng sợi thủy tinh làm tăng trở lực chảy: tại cùng mức nhiệt độ khuôn 110 °C và chiều dày 1,0 mm, khi tăng tỉ lệ sợi từ 0 % (nhựa PA6 nguyên sinh) lên 30 %GF, chiều dài dòng chảy thực nghiệm giảm từ 145,8 mm xuống 100,3 mm, tức suy giảm 45,4 %.
2. Phương pháp gia nhiệt bề mặt khuôn bằng khí nóng Ex-GMTC hoạt động theo nguyên lý nào và đạt hiệu quả nhiệt ra sao?
Phương pháp Ex-GMTC (External Gas Mold Temperature Control) sử dụng một thiết bị tạo khí nóng bên ngoài thổi luồng khí nén có nhiệt độ lên tới 400 °C trực tiếp vào bề mặt lòng khuôn trong giai đoạn khuôn mở trước khi bước phun ép diễn ra. Phương pháp này có khả năng nâng nhiệt độ bề mặt lòng khuôn từ nhiệt độ môi trường lên dải nhiệt độ cao từ 112,0 °C đến 140,8 °C chỉ sau khoảng 5 s đến 30 s thổi khí, giúp phân bố nhiệt đồng đều mà không làm thay đổi kết cấu cơ khí của bộ khuôn.
3. Hiệu quả cải thiện chiều cao gân mỏng 7,0 mm khi chuyển từ gia nhiệt bằng nước sang phương pháp Ex-GMTC thể hiện như thế nào?
Khi sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng nước tuần hoàn trong khuôn ở dải nhiệt độ 45 °C đến 75 °C, sản phẩm bị khuyết tật điền đầy không hoàn toàn, chiều cao gân chỉ đạt từ 2,8 mm đến 4,2 mm. Khi chuyển sang ứng dụng hệ thống Ex-GMTC đưa nhiệt độ bề mặt khuôn đạt từ 112,0 °C đến 140,8 °C, dòng vật liệu composite PA6 + 30 %GF đã điền đầy hoàn toàn 100 % kết cấu gân mỏng, đạt chính xác chiều cao thiết kế 7,0 mm.
4. Vì sao vật liệu PA6 và PA6 + 30 %GF lại có độ nhạy nhiệt cao hơn so với PP và ABS trong thử nghiệm thành mỏng?
Kết quả thực nghiệm trên chi tiết thành mỏng 0,6 mm cho thấy sau 20 s gia nhiệt bằng khí nóng, chiều dài dòng chảy của PA6 tăng 90,6 % và PA6 + 30 %GF tăng 108,6 % (đều vượt trên mức 80 %), cao hơn đáng kể so với mức cải thiện của PP và ABS. Nguyên nhân do PA6 là polymer bán kết tinh có sự phụ thuộc độ nhớt vào nhiệt độ rất lớn theo quy luật Arrhenius; khi nhiệt độ vách khuôn tăng cao vượt qua nhiệt độ kết tinh của PA6, sự hình thành lớp đông đặc bị ức chế mạnh mẽ, làm giảm đột ngột trở lực chảy so với các loại polymer vô định hình hoặc có dải nhiệt chuyển pha rộng như PP và ABS.
5. Vì sao vị trí gia nhiệt bằng khí nóng không nhất thiết phải đặt trực tiếp ngay tại khu vực gân mỏng?
Dữ liệu nghiên cứu của luận án chứng minh rằng vị trí gia nhiệt khí nóng có thể bố trí linh hoạt tại vùng lòng khuôn phía trước nơi dòng nhựa đi qua trước khi rẽ vào gân mỏng. Việc gia nhiệt tại khu vực này có tác dụng ngăn ngừa sự hình thành sớm của lớp đông đặc trên đường dẫn, duy trì nhiệt độ và độ nhớt thấp cho khối chất lỏng nóng chảy, nhờ đó tạo động lực áp suất đủ lớn để dòng nhựa tiếp tục điền đầy dễ dàng vào khe hẹp của gân mỏng mà không cần tập trung nguồn nhiệt cục bộ tại khe gân.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Phan Thế Nhân đã giải quyết thành công bài toán nâng cao độ điền đầy cho sản phẩm composite nhiệt dẻo PA6/GF dạng thành mỏng và gân mỏng thông qua việc làm chủ công nghệ điều khiển nhiệt độ khuôn. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng phần tử hữu hạn trên Moldex3D và thực nghiệm ép phun công nghiệp, công trình đã xác lập các quy luật định lượng về ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn (30 °C - 140 °C), chiều dày lòng khuôn và tỉ lệ sợi thủy tinh đến chiều dài dòng chảy. Đóng góp nổi bật của luận án là việc chế tạo và ứng dụng thành công phương pháp gia nhiệt bề mặt lòng khuôn bằng khí nóng bên ngoài (Ex-GMTC), điền đầy hoàn chỉnh chi tiết thành mỏng 0,6 mm và gân mỏng 7,0 mm mà không cần tăng áp suất ép phun quá mức hay cải tạo phức tạp kết cấu khuôn. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học tin cậy và giải pháp kỹ thuật thiết thực cho ngành khuôn mẫu và chế tạo chi tiết composite kỹ thuật chính xác tại Việt Nam.
