MỞ ĐẦU Trong phần này, NCS trình bày cơ sở cho việc lựa chọn hướng nghiên cứu, từ đó xác định mục đích, phương pháp và nội dung nghiên cứu của luận án. Trên cơ sở đó, NCS thông các qua đóng góp có ý nghĩa về mặt khoa học và giá trị thực tiễn khi luận án nghiên cứu thành công. Qua đó, kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng một cách hiệu quả trong lĩnh vực phun ép hiện nay. Lý do chọn đề tài Các sản phẩm composite nhựa nhiệt dẻo được chế tạo bằng công nghệ phun ép ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực với kết cấu và hình dạng ngày càng phức tạp.
Song song với sự phát triển này, các khuyết tật của sản phẩm phun ép bằng vật liệu composite cũng xuất hiện ngày càng nhiều, phổ biến có thể kể đến là: đường hàn (weld line), rỗ khí (air trap), cong vênh (warpage),… Nhìn chung, các khuyết tật này liên quan đến quá trình điền đầy lòng khuôn. Trong đó, hai nguyên nhân chính gây cản trở quá trình điền đầy là: + Hiện tượng đông đặc nhanh của vật liệu composite khi tiếp xúc với thành khuôn. + Độ nhớt của vật liệu composite cao hơn các loại vật liệu nhựa thông dụng khác. Vì vậy, quá trình chảy của vật liệu vào lòng khuôn sẽ gặp nhiều khó khăn, đặc biệt khi nhiệt độ khuôn thấp, dẫn đến khuôn phun ép thường có số lòng khuôn ít, năng suất phun ép sẽ giảm đáng kể khi vật liệu composite được sử dụng.
Để khắc phục nhược điểm này, quy trình phun ép được vận hành với áp suất phun cao. Tuy nhiên, khi áp suất phun được chọn ở giá trị cao, các vấn đề khác sẽ xuất hiện như: hiện tượng bavia tại các vị trí khuôn không được gia công kín, độ bền của máy phun ép sẽ giảm đáng kể do phải hoạt động ở trạng thái áp suất phun ép cao,…Để tăng khả năng điền đầy khuôn trong quá trình phun ép với vật liệu composite, cũng như nâng cao tuổi thọ của máy, năng suất và chất lượng sản phẩm, điều khiển nhiệt độ khuôn là một trong những giải pháp được nghiên cứu để hạn chế hiện tượng đông đặc nhanh và tăng khả năng chảy của vật liệu trong lòng khuôn. 1 Chính vì vậy, luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ điền đầy của vật liệu composite trong quy trình phun ép” là rất cần thiết. Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học, tài liệu tham khảo phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học tại các trường kỹ thuật nói chung trong ngành Cơ khí, đặc biệt là trong lĩnh vực phun ép.
Ngoài ra, kết quả nghiên cứu còn hướng đến chuyển giao công nghệ cho các đơn vị trong lĩnh vực sản xuất sản phẩm composite nhựa nhiệt dẻo bằng công nghệ phun ép, đặc biệt đối với sản phẩm kích thước rất nhỏ, kết cấu thành mỏng như các bảng mạch và giắc cắm trong lĩnh vực điện tử, đầu nối sợi quang nhằm tăng khả năng chịu nhiệt, cách điện, cải thiện đáng kể độ bền sản phẩm. Ngoài ra còn ứng dụng chế tạo các chi tiết máy như bánh răng, vòng đệm có kích thước nhỏ và độ chính xác cao với tổng trọng lượng khoảng vài gram. Mục đích nghiên cứu 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 oC đến 110 oC và mô hình gia nhiệt bằng khí nóng có nhiệt độ khuôn từ 45 oC đến 140 oC. Nội dung nghiên cứu: + 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,….
Từ đó, 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. + Thiết lập mô hình nghiên cứu và chế tạo thiết bị gia nhiệt bằng nước với nhiệt độ khuôn từ 30 oC đến 110 oC và thiết bị gia nhiệt bằng khí nóng với nhiệt độ khuôn từ 45 oC đến 140 oC nhằm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ điền đầy nhựa nhiệt dẻo composite sản phẩm thành mỏng. + 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 2 đổi từ 30 oC đến 110 oC. Qua đó 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. + 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 oC đến 140 oC, 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. Phạm vi nghiên cứu và giới hạn đề tài + Đánh giá khả năng chảy của vật liệu composite thông qua khả năng điền đầy vào lòng khuôn ứng với các chiều dày sản phẩm khác nhau. - Mô hình cơ bản dòng chảy xoắn ốc với 3 kích thước chiều dày: 0,5 mm, 0,75 mm, 1 mm.
- Mô hình sản phẩm thành mỏng với kích thước: 0,2 mm, 0,4 mm, 0,6 mm. - Mô hình sản phẩm gân mỏng với 2 gân có chiều cao 7 mm. + Nhiệt độ khuôn được nghiên cứu với 2 nhóm chính là: - Vùng nhiệt độ thông dụng hiện được khuyến cáo sử dụng cho từng loại vật liệu (nhiệt độ thay đổi từ 30 oC đến 110 oC). - Vùng nhiệt độ cao được tạo ra thông qua phương pháp gia nhiệt bề mặt bằng khí nóng bên ngoài khuôn (nhiệt độ cao nhất đến 140 oC).
+ Vật liệu nhựa được sử dụng gồm 2 nhóm chính: - Vật liệu nhựa thông dụng PA6. - Vật liệu composite có nền là PA6 trộn với sợi ngắn thủy tinh theo tỉ lệ thay đổi từ 0 % đến 30 %. Phương pháp nghiên cứu Trong quá trình thực hiện, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: 3 + Thu thập và phân tích dữ liệu. + Mô phỏng quá trình gia nhiệt và quá trình nhựa điền đầy lòng khuôn.
+ Thực nghiệm phun ép để phân tích, đánh giá khả năng điền đầy của vật liệu ứng với nhiệt độ khuôn, tỉ lệ sợi thủy tinh và chiều dày sản phẩm khác nhau. Trong luận án này, các phương pháp nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở các trang thiết bị hiện có tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh như: máy phun ép nhựa, thiết bị đo nhiệt (camera hồng ngoại, cảm biến nhiệt,.) và các loại khuôn phun ép thông dụng tại Việt Nam. Bên cạnh đó, với sự hỗ trợ của Viện công nghệ Nano - ĐH Quốc gia Tp. HCM, thiết bị chụp SEM cũng được sử dụng nhằm xác định sự phân bố và liên kết sợi trong các mẫu thực nghiệm phun ép.
Tuy nhiên, so với các nghiên cứu về lĩnh vực khuôn mẫu được tiến hành tại các nước phát triển, một trong những giới hạn của phương pháp nghiên cứu trong luận án này là chưa thể sử dụng các thiết bị kiểm tra hiện đại trên thế giới như phương pháp chụp TEM, siêu âm thể tích khuôn,. Ý nghĩa khoa học: + Mối quan hệ giữa chiều dài dòng chảy, nhiệt độ khuôn và chiều dày sản phẩm được xác định với các tỉ lệ sợi thủy tinh từ 0 % đến 30 % của vật liệu composite nền nhựa PA6. + Phương pháp phun ép với vùng nhiệt độ khuôn cao cho thấy là một trong những giải pháp nhằm nâng cao khả năng chảy của dòng vật liệu composite trong lòng khuôn. Đồng thời, phương pháp điều khiển nhiệt độ bề mặt khuôn bằng khí nóng có thể ứng dụng cho các trường hợp phun ép sản phẩm có thành mỏng, gân mỏng nhằm tăng khả năng điền đầy vật liệu.
+ Việc tăng nhiệt độ khuôn có thể tiến hành tại toàn bộ lòng khuôn, hoặc tại một số vị trí trước khi dòng vật liệu chảy vào các vị trí có thành mỏng và gân mỏng. Giá trị thực tiễn: + Từ kết quả nghiên cứu, việc nâng cao khả năng chảy của vật liệu composite đã 4 được thực hiện nhằm tăng khả năng chế tạo các sản phẩm nhựa nói chung và đặc biệt là các sản phẩm composite có thành mỏng nói riêng. So với các công nghệ hiện có, thay vì phải phun ép với áp suất và nhiệt độ vật liệu cao để chế tạo các sản phẩm có thành mỏng, điểm mới trong nghiên cứu này là điều khiển nhiệt độ khuôn để nâng cao khả năng điền đầy vật liệu. Về mặt tạo hình sản phẩm đối với nhựa thông thường sẽ dễ dàng nhưng độ bền không cao.
Khi thay thế bằng vật liệu composite độ bền sản phẩm được cải thiện rõ rệt, đáp ứng yêu cầu ứng dụng trong thực tiễn. + Thông qua kết quả nghiên cứu, bằng phương pháp phun ép với nhiệt độ khuôn cao, giúp các công ty nâng cao khả năng công nghệ nhưng không tốn quá nhiều chi phí đầu tư các thiết bị ngoại nhập, vẫn có thể đáp ứng được các yêu cầu với sản phẩm thành mỏng và vật liệu độ nhớt thấp như các dạng vật liệu composite. + Với kết quả đó, việc nâng cao khả năng chế tạo, cũng như giải pháp công nghệ mới nhằm nâng cao độ bền và tăng sản lượng sản phẩm nhựa đang là một trong những yêu cầu cấp thiết cho ngành nhựa tại Việt Nam. Do đó, luận án này góp phần mở rộng khả năng sản xuất các sản phẩm có thành mỏng, đặc biệt với nhóm sản phẩm từ vật liệu composite được sản xuất bằng công nghệ phun ép.
Cấu trúc của luận án: Mở đầu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết lập mô hình nghiên cứu Chương 4: Kết quả và thảo luận ảnh hưởng nhiệt độ khuôn đến chiều dài dòng chảy Chương 5: Ứng dụng phương pháp điều khiển nhiệt độ khuôn nâng cao độ điền đầy sản phẩm thành mỏng, gân mỏng Kết luận và kiến nghị Phụ lục 5 Chương 1 TỔNG QUAN Giới thiệu sơ lược về công nghệ phun ép sản phẩm nhựa trong thực tiễn, đặc biệt ứng dụng với vật liệu composite nhựa nhiệt dẻo.