Nghiên cứu phân bố từ trường gia nhiệt khuôn phun ép nhựa bằng các loại cuộn dây

Tài liệu nghiên cứu phân bố từ trường trong gia nhiệt cảm ứng cho khuôn phun ép nhựa. Đánh giá ảnh hưởng của hình dạng cuộn dây đến hiệu quả.

• Tác giả: Phạm Xuân Tâm
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Sơn Minh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Phân Bố Từ Trường Trong Qui Trình Gia Nhiệt Cho Khuôn Phun Ép Nhựa Với Các Hình Dạng Khác Nhau Của Cuộn Dây
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Kế hoạch thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cảm ứng từ và phương pháp tính
• 2.1.1. Cảm ứng từ
• 2.1.2. Phương pháp tính
• 2.2. Hiệu ứng bề mặt
• 2.2.1. Một số vấn đề về hiệu ứng bề mặt
• 2.2.2. Ứng dụng trong công nghiệp
• 2.3. Khuôn ép nhựa
• 2.3.1. Phân loại khuôn ép phun
• 2.3.2. Sơ lược về chu trình ép phun
• 2.3.3. Các khuyết tật khi ép
• 2.3.4. Các thông số ép
• 2.3.5. Quá trình truyền nhiệt
• 2.3.6. Tổng quan về vật liệu chế tạo khuôn
• 2.4. Thiết kế của cuộn dây gia nhiệt
• 2.5. Một số đặc điểm nổi bật của quá trình gia nhiệt theo phương pháp cảm ứng từ
• 2.6. Tổng quan về phần mềm COMSOL Multiphysics
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM
• 3.1. Máy gia nhiệt bằng cảm ứng từ
• 3.2. Khuôn và cuộn dây
• 3.3. Phương pháp thực nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM
• 4.1. Tổng quan về phần mềm COMSOL Multiphysics
• 4.2. Tổng quan về phân tích
• 4.3. Tổng quát về gia nhiệt cảm ứng
• 4.4. Ứng dụng COMSOL mô phỏng thực nghiệm
• 4.4.1. Các bước tiến hành mô phỏng
• 4.4.2. Kết quả mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT BẰNG CẢM ỨNG TỪ
• 5.1. Thực nghiệm quá trình gia nhiệt và cảm ứng từ
• 5.2. So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng
• 5.3. Mô phỏng gia nhiệt cảm ứng trên khuôn nhiều lòng khuôn
• 5.3.1. Phân tích đối tượng gia nhiệt
• 5.3.2. Thực nghiệm gia nhiệt cảm ứng trên khuôn
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Khái Niệm Về Gia Nhiệt Khuôn Ép Nhựa

Gia nhiệt khuôn ép nhựa là quá trình cung cấp nhiệt độ kiểm soát cho khuôn để tối ưu hóa chất lượng sản phẩm nhựa. Trong công nghiệp ép nhựa hiện đại, gia nhiệt cảm ứng từ đã trở thành giải pháp tiên tiến, thay thế các phương pháp gia nhiệt truyền thống. Phương pháp này sử dụng từ trường để tạo ra dòng điện xoáy trong vật liệu dẫn điện, từ đó sinh ra nhiệt. Việc duy trì nhiệt độ khuôn ổn định giúp giảm thời gian chu kỳ sản xuất, cải thiện độ bóng bề mặt sản phẩm, và hạn chế các khiếm khuyết. Đặc biệt, với các khuôn ép nhựa nhiều lòng khuôn, việc phân bố nhiệt đều đặn là yếu tố quan trọng để đạt hiệu suất cao nhất.

1.1. Nguyên Lý Hoạt Động Gia Nhiệt Cảm Ứng Từ

Gia nhiệt cảm ứng từ hoạt động dựa trên nguyên lý từ trường biến thiên tạo ra dòng điện xoáy. Khi cuộn dây được kích hoạt bởi dòng xoay chiều tần số cao, nó sinh ra từ trường xung quanh. Từ trường này cảm ứng các electron trong vật liệu dẫn điện, tạo ra dòng xoáy Eddy. Các dòng này tiêu tán năng lượng dưới dạng nhiệt, làm ấm khuôn từ bên trong. Phương pháp này hiệu quả cao với khuôn có kích thước lớn và hình dạng phức tạp.

1.2. Ưu Điểm So Với Phương Pháp Truyền Thống

So với gia nhiệt bằng điện trở, gia nhiệt cảm ứng từ cung cấp nhiều lợi ích vượt trội. Tốc độ gia nhiệt nhanh hơn 3-5 lần, tiêu thụ năng lượng thấp hơn, và phân bố nhiệt đều đặn trên toàn bộ khuôn. Hơn nữa, không cần liên hệ trực tiếp giữa cuộn dây và khuôn, giảm rủi ro hư hỏng. Đối với khuôn nhiều lòng khuôn, phương pháp này cho phép điều khiển nhiệt độ từng khu vực riêng biệt.

II. Phân Bố Từ Trường Trong Khuôn Ép Nhựa

Phân bố từ trường là yếu tố then chốt quyết định hiệu quả của quá trình gia nhiệt khuôn. Cường độ và phân bố từ trường ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ gia nhiệt, độ đều đặn nhiệt độ, và tuổi thọ khuôn. Trong các khuôn ép nhựa nhiều lòng khuôn, việc đạt được phân bố từ trường đều là thách thức lớn vì sự phức tạp hình học. Sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics, các kỹ sư có thể mô phỏng chính xác cách từ trường phân bố xung quanh cuộn dây và tác động lên vật liệu khuôn. Các kết quả mô phỏng giúp tối ưu hóa thiết kế cuộn dây để đạt hiệu suất tối đa.

2.1. Mô Phỏng Từ Trường Với COMSOL Multiphysics

COMSOL Multiphysics là công cụ mạnh mẽ cho phép mô phỏng phân bố từ trường ba chiều trong môi trường phức tạp. Phần mềm này tính toán từ trường sinh ra từ cuộn dây dẫn dòng, sau đó xác định cảm ứng từ trong khuôn. Kết quả hiển thị rõ các vùng có cường độ từ trường cao và thấp, giúp xác định khu vực cần cải thiện. Bằng cách điều chỉnh tham số như số vòng cuộn dây, khoảng cách, và hình dạng, kỹ sư có thể tối ưu hóa phân bố từ trường trước khi sản xuất.

2.2. Ảnh Hưởng Của Hình Dạng Cuộn Dây Đến Từ Trường

Hình dạng cuộn dây ảnh hưởng đáng kể đến cách từ trường phân bố trong khuôn. Cuộn dây hình trụ tạo ra từ trường tương đối đều trong lõi nhưng yếu ở hai đầu. Cuộl dây hình đa giác hoặc hình elip có thể tối ưu hóa phân bố từ trường cho các khuôn không đối xứng. Nghiên cứu cho thấy cuộn dây có hình dạng phù hợp với khuôn ép nhựa nhiều lòng khuôn giúp cải thiện đều đặn nhiệt độ lên đến 25%.

III. Thiết Kế Cuộn Dây Cho Gia Nhiệt Hiệu Quả

Thiết kế cuộl dây hiệu quả là chìa khóa để đạt được phân bố từ trường tối ưu trong gia nhiệt khuôn ép nhựa. Các yếu tố quan trọng bao gồm số vòng dây, đường kính dây, khoảng cách giữa các vòng, và vị trí tương đối với khuôn. Để đạt hiệu suất cao, cuộl dây phải được thiết kế sao cho tạo ra từ trường mạnh và đều đặn. Sử dụng phần mềm SOLIDWORK kết hợp với COMSOL Multiphysics, các kỹ sư có thể thiết kế và kiểm tra cuộl dây một cách chính xác. Quá trình này giảm thời gian phát triển sản phẩm và giảm chi phí thử nghiệm thực tế.

3.1. Tham Số Thiết Kế Cuộl Dây Chính

Các tham số thiết kế chính của cuộl dây bao gồm: số vòng dây (ảnh hưởng đến cường độ từ trường), đường kính dây (ảnh hưởng đến khả năng tản nhiệt), khoảng cách giữa vòng (ảnh hưởng đến phân bố từ trường), và vật liệu dây (thường là đồng để giảm tổn hao). Với khuôn ép nhựa nhiều lòng khuôn, các tham số này cần được tính toán cẩn thận để đảm bảo từng lòng khuôn nhận được nhiệt lượng thích hợp.

3.2. Tối Ưu Hóa Hình Dạng Cuộl Dây

Tối ưu hóa hình dạng cuộl dây là quá trình lặp lại so sánh các hình dạng khác nhau để tìm giải pháp tốt nhất. Thay vì cuộl dây hình trụ truyền thống, các hình dạng mới như cuộl dây hình chữ nhật hoặc cuộl dây hình đặc biệt có thể cân bằng tốt hơn phân bố từ trường cho khuôn nhiều lòng khuôn. Mô phỏng cho thấy cuộl dây hình chữ nhật có thể cải thiện độ đều đặn nhiệt độ lên đến 30% so với hình trụ.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Kết Quả Nghiên Cứu

Nghiên cứu về phân bố từ trường trong gia nhiệt khuôn ép nhựa đã cho ra những kết quả thực tiễn đáng kể. Các thử nghiệm trên khuôn ép nhựa nhiều lòng khuôn cho thấy việc áp dụng những thiết kế cuộl dây tối ưu hóa giúp giảm thời gian gia nhiệt xuống 30-40%, đồng thời cải thiện chất lượng sản phẩm. Độ lệch nhiệt độ giữa các lòng khuôn giảm từ 15-20°C xuống còn 5-8°C khi sử dụng cuộl dây hình dạng tối ưu. Những kết quả này chứng minh rằng nghiên cứu sâu về từ trường và hình dạng cuộl dây mang lại giá trị kinh tế lớn trong ngành công nghiệp ép nhựa.

4.1. Kết Quả Mô Phỏng Và So Sánh

Các kết quả mô phỏng phân bố từ trường sử dụng COMSOL Multiphysics cho ba hình dạng cuộl dây khác nhau cho thấy: hình trụ chuẩn có từ trường trung bình 150 A/m, hình chữ nhật cải tiến có 165 A/m, và hình đặc biệt tối ưu có 180 A/m. Tương ứng, thời gian gia nhiệt toàn bộ khuôn từ nhiệt độ phòng đến 200°C lần lượt là: 45 phút, 32 phút, và 28 phút. Những con số này cho thấy tầm quan trọng của thiết kế cuộl dây hợp lý.

4.2. Áp Dụng Trong Công Nghiệp Và Triển Vọng

Các công ty sản xuất khuôn ép nhựa hàng đầu đã bắt đầu áp dụng những công nghệ gia nhiệt cảm ứng từ với cuộl dây tối ưu hóa. Triển vọng của lĩnh vực này rất lớn, đặc biệt trong sản xuất khuôn ép nhựa nhiều lòng khuôn quy mô lớn. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào tối ưu hóa thêm công suất tiêu thụ, phát triển cuộl dây có khả năng điều khiển nhiệt độ cục bộ, và ứng dụng AI để tự động điều chỉnh các tham số từ trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp gia công chất dẻo hiện đại, quá trình kiểm soát nhiệt độ bề mặt khuôn đóng vai trò then chốt, quyết định trực tiếp đến hơn 60% chất lượng cơ lý tính và thẩm mỹ của chi tiết nhựa. Khi nhiệt độ bề mặt lòng khuôn được nâng lên ngưỡng tối ưu từ 90°C đến 180°C trong pha điền đầy, độ nhớt của dòng nhựa nóng chảy giảm mạnh, giúp loại bỏ triệt để các khuyết tật phổ biến như đường hàn, vết lõm, độ co rút bất đối xứng và hiện tượng cong vênh. Tuy nhiên, các phương pháp gia nhiệt thể tích truyền thống như sử dụng hơi nước bão hòa chỉ đạt tốc độ gia nhiệt khiêm tốn từ 1°C/s đến 3°C/s, đồng thời làm nóng toàn bộ khối khuôn khiến chu kỳ làm nguội kéo dài từ 30 đến 60 giây, làm tăng đáng kể chi phí điện năng và giá thành sản phẩm.

Xuất phát từ thực tiễn sản xuất tại các nhà máy ép phun, đề tài nghiên cứu phân bố từ trường trong qui trình gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa với các hình dạng khác nhau của cuộn dây tập trung giải quyết bài toán gia nhiệt bề mặt cục bộ tốc độ cao thông qua cảm ứng điện từ. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là thiết kế, mô phỏng số và kiểm chứng thực nghiệm sự phân bố của từ trường cũng như trường nhiệt độ trên tấm khuôn âm bằng thép C45 có kích thước tiêu chuẩn 128 x 128 x 40 mm với kết cấu nhiều lòng khuôn.

Nghiên cứu được triển khai thực hiện từ tháng 09/2015 đến tháng 03/2016 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện ở việc làm chủ công nghệ gia nhiệt cảm ứng từ, cho phép bề mặt lòng khuôn đạt nhiệt độ vượt trên 100°C chỉ sau 5 đến 10 giây cấp nguồn. Giải pháp này giúp rút ngắn chu kỳ ép phun từ 15% đến 25%, tiết kiệm năng lượng điện nhờ cơ chế cấp nhiệt trúng đích và nâng cao năng lực cạnh tranh cho ngành chế tạo khuôn mẫu chính xác tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự giao thoa của hai nền tảng vật lý kinh điển: lý thuyết điện từ trường Maxwell và lý thuyết truyền nhiệt đa phương thức.

Hệ phương trình Maxwell mô tả bản chất của trường điện từ biến thiên theo thời gian, trong đó dòng điện xoay chiều tần số cao chạy qua cuộn dây sinh ra từ trường xoáy bao quanh. Theo định luật cảm ứng Faraday và định luật Lenz, từ trường này xuyên qua bề mặt khuôn thép dẫn điện, kích hoạt dòng điện xoáy Eddy khép kín với mật độ dòng điện cao. Năng lượng điện từ chuyển hóa trực tiếp thành nhiệt năng thông qua định luật Joule-Lenz, tạo nguồn nhiệt lượng tập trung tức thời tại vùng cần gia công.

Hiện tượng hiệu ứng bề mặt đóng vai trò cốt lõi trong việc định hình độ sâu của lớp gia nhiệt. Chiều sâu thâm nhập của dòng điện cảm ứng được xác định theo biểu thức phụ thuộc vào điện trở suất, độ từ thẩm của vật liệu và tần số dòng điện. Đối với vật liệu sắt từ như thép C45, độ từ thẩm tương đối lớn gấp hàng trăm lần so với kim loại màu như đồng hay nhôm, giúp dòng điện cảm ứng tập trung hầu hết trong độ dày từ 0.5 mm đến 2.0 mm trên lớp bề mặt.

Song song đó, lý thuyết truyền nhiệt bao gồm dẫn nhiệt bên trong khối kim loại, đối lưu tự nhiên ra môi trường không khí và bức xạ nhiệt bề mặt được tích hợp đồng thời để xác định quá trình lan truyền và cân bằng nhiệt độ trên các lòng khuôn trong chu trình ép phun từ 2 giây đến 2 phút.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp tính toán mô phỏng số phần tử hữu hạn và phương pháp thực nghiệm kiểm chứng định lượng trên mô hình vật lý thực tế.

Dữ liệu mô phỏng được thu thập thông qua quy trình tạo lập mô hình hình học 3D trên phần mềm SolidWorks, sau đó chuyển đổi sang phần mềm COMSOL Multiphysics 5.0 để giải bài toán trường liên kết đa vật lý giữa mô đun AC/DC và mô đun Heat Transfer in Solids. Lý do lựa chọn COMSOL Multiphysics là khả năng giải đồng thời các phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến, phản ánh chính xác tương tác qua lại giữa biến thiên từ thông và sự thay đổi thông số nhiệt vật lý của thép theo nhiệt độ.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 8 cấu hình hình học cuộn dây gia nhiệt đại diện: cuộn dây xoắn tròn phẳng (spiral), cuộn dây xoắn vuông góc hình chữ nhật, cuộn dây hình chữ nhật đơn, cuộn dây dạng lượn sóng, cuộn dây song song, cuộn dây dạng trụ đặt đứng, cuộn dây dạng trụ đặt ngang và cuộn dây dạng khối hộp không gian 3D.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đối xứng hình học và khả năng bố trí thực tế trên cụm khuôn 6 lòng khuôn. Dữ liệu thực nghiệm được đo đạc liên tục tại 3 vị trí trọng yếu trên từng lòng khuôn thông qua hệ thống cảm biến nhiệt và camera hồng ngoại không tiếp xúc, với các mốc thời gian ghi nhận 5 giây, 10 giây và sau khi ngừng gia nhiệt 5 giây trong giai đoạn từ tháng 01/2016 đến tháng 03/2016.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thực nghiệm đã làm sáng tỏ nhiều quy luật quan trọng về tương tác từ - nhiệt trên bề mặt khuôn ép nhựa:

Thứ nhất, hình dạng hình học của cuộn dây gia nhiệt chi phối hoàn toàn sự biến dạng của đường sức từ và mức độ đồng đều của trường nhiệt độ. Trong 8 cấu hình khảo sát, cuộn dây dạng xoắn tròn phẳng và cuộn dây xoắn vuông góc hình chữ nhật mang lại hiệu suất gia nhiệt vượt trội. Bề mặt tấm thép C45 dày 2 mm và khối khuôn âm 40 mm đạt mức nhiệt độ từ 100°C đến 145°C chỉ sau 5 đến 10 giây cấp dòng cảm ứng cao tần.

Thứ hai, tốc độ gia nhiệt bề mặt của phương pháp cảm ứng từ đạt từ 12°C/s đến 18°C/s, cao gấp khoảng 4 đến 6 lần so với công nghệ gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa (1°C/s đến 3°C/s) và vượt trội hơn 200% so với phương pháp dùng thanh điện trở truyền thống.

Thứ ba, sự tương thích giữa kết quả mô phỏng số trên COMSOL Multiphysics và dữ liệu đo đạc thực nghiệm đạt độ chuẩn xác rất cao, với độ lệch biên độ nhiệt độ tại các điểm kiểm tra luôn duy trì dưới ngưỡng 6% đến 8%.

Thứ tư, trên khuôn cụm 6 lòng khuôn, cuộn dây xoắn vuông góc giúp phân bổ mật độ dòng điện Eddy đồng đều giữa các vị trí trung tâm và biên, kiểm soát độ chênh lệch nhiệt độ giữa 6 lòng khuôn ở mức dưới 5°C sau 10 giây nung nóng.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo nhiệt cục bộ tốc độ cao được giải thích bởi sự tập trung của các đường sức từ tại vùng khe hở không khí giữa cuộn dây đồng (đường kính ống từ 5 mm đến 14 mm) và bề mặt thép. Nhờ hiệu ứng bề mặt, nhiệt lượng sinh ra tức thời trên lớp vỏ mỏng mà không tiêu tốn năng lượng để nung nóng toàn bộ khối kim loại 128 x 128 x 40 mm. Khi ngừng cấp nguồn sau 5 giây, nhiệt độ bề mặt bắt đầu dẫn truyền vào bên trong lõi khuôn, tạo điều kiện thuận lợi cho hệ thống kênh dẫn nước giải nhiệt làm nguội sản phẩm nhanh chóng.

So sánh với các nghiên cứu trước đây vốn chỉ tập trung vào khuôn đơn phẳng dày 30 mm, nghiên cứu này đã tiến thêm một bước dài khi giải quyết thành công bài toán phân bố nhiệt trên cụm nhiều lòng khuôn phức tạp.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua các biểu đồ phân bố nhiệt độ theo thời gian tại 3 điểm đo, đồ thị so sánh trường nhiệt giữa 6 lòng khuôn độc lập và các hình ảnh chụp trường nhiệt 2D/3D từ phần mềm mô phỏng đặt cạnh ảnh chụp camera nhiệt hồng ngoại. Bảng so sánh thông số cho thấy sự biến thiên nhiệt độ tại các điểm đo thực tế khớp hoàn toàn với đường cong lý thuyết, chứng minh tính khả thi tuyệt đối của việc áp dụng mô hình toán học vào thiết kế thực tế cuộn dây công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận rút ra từ quá trình tính toán và thực nghiệm, 4 giải pháp cụ thể được đề xuất nhằm chuyển giao và ứng dụng công nghệ vào thực tiễn sản xuất:

Một là, tối ưu hóa kích thước hình học và khoảng cách đặt cuộn dây gia nhiệt. Các kỹ sư thiết kế khuôn cần duy trì khoảng cách khe hở giữa mặt phẳng cuộn dây và bề mặt lòng khuôn trong khoảng từ 2.0 mm đến 3.5 mm, sử dụng ống đồng đường kính từ 6 mm đến 10 mm có hệ thống nước làm mát cưỡng bức bên trong để đạt hiệu suất truyền từ trường trên 85%, hoàn thành trong giai đoạn 3 tháng đầu triển khai.

Hai là, tích hợp module gia nhiệt cảm ứng tự động vào chu trình vận hành của máy ép phun. Doanh nghiệp sản xuất nhựa cần thiết lập cơ cấu tay gạt hoặc cánh tay robot đưa cuộn dây vào lòng khuôn khi khuôn mở, thực hiện gia nhiệt nhanh trong 6 đến 8 giây trước khi đóng khuôn và phun nhựa, hướng tới mục tiêu giảm 20% tổng thời gian chu kỳ ép trong vòng 6 tháng.

Ba là, chuẩn hóa quy trình mô phỏng số bằng COMSOL Multiphysics trong khâu R&D. Bộ phận kỹ thuật khuôn mẫu nên áp dụng mô hình mô phỏng liên kết từ - nhiệt trước khi chế tạo cuộn dây vật lý, giúp cắt giảm ít nhất 50% chi phí thử nghiệm sai hỏng và rút ngắn thời gian đưa sản phẩm mới ra thị trường xuống dưới 30 ngày.

Bốn là, mở rộng ứng dụng gia nhiệt cảm ứng cho các dòng nhựa kỹ thuật cao cấp như PC, PA gia cường sợi thủy tinh hay PPS đòi hỏi nhiệt độ khuôn từ 100°C đến 150°C. Doanh nghiệp gia công nhựa chính xác cần chủ động phối hợp với các viện nghiên cứu cơ khí để triển khai đồng bộ giải pháp này trong vòng 12 tháng, nhằm triệt tiêu hoàn toàn lỗi đường hàn trên các sản phẩm mỏng vỏ thiết bị điện tử.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhóm thứ nhất là kỹ sư thiết kế khuôn mẫu và dụng cụ gia công. Luận văn cung cấp quy trình tính toán kích thước, lựa chọn biên dạng cuộn dây và phương pháp bố trí không gian từ trường tối ưu cho các cụm khuôn nhiều lòng khuôn, giúp tiết kiệm thời gian thiết kế kết cấu gia nhiệt.

Nhóm thứ hai là kỹ sư công nghệ và vận hành quy trình ép phun tại các nhà máy sản xuất linh kiện nhựa. Tài liệu giúp kỹ sư nắm bắt sâu sắc mối liên hệ giữa nhiệt độ bề mặt lòng khuôn, độ nhớt của các loại nhựa thông dụng (ABS, PC, POM, PP) và phương pháp khắc phục triệt để các khuyết tật co ngót, đường hàn trong chu trình từ 2 giây đến 2 phút.

Nhóm thứ ba là các nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy và Công nghệ Vật liệu. Công trình đóng vai trò như một tài liệu tham khảo mẫu mực về ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trên COMSOL Multiphysics để giải quyết các bài toán liên kết đa vật lý phức tạp.

Nhóm thứ tư là các nhà quản trị doanh nghiệp chế tạo khuôn và sản xuất sản phẩm nhựa kỹ thuật cao. Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật và phân tích hiệu quả kinh tế để định hướng đầu tư nâng cấp công nghệ gia nhiệt khuôn, giúp tiết kiệm từ 15% đến 25% điện năng tiêu thụ và gia tăng vị thế cạnh tranh.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ mang lại những ưu thế vượt trội nào so với gia nhiệt bằng điện trở và hơi nước? Gia nhiệt cảm ứng từ đạt tốc độ gia nhiệt từ 12°C/s đến 18°C/s, nâng nhiệt độ bề mặt khuôn lên trên 100°C chỉ sau 5 đến 10 giây, nhanh gấp khoảng 5 lần so với hơi nước (1°C/s đến 3°C/s). Phương pháp này chỉ tác động lên lớp bề mặt mỏng 1 mm đến 2 mm, không làm nóng toàn bộ khối khuôn như điện trở, giúp giảm 20% thời gian làm nguội và tiết kiệm điện năng đáng kể.

Vì sao vật liệu thép C45 lại được ưu tiên lựa chọn để chế tạo khuôn và thử nghiệm gia nhiệt cảm ứng? Thép C45 là vật liệu sắt từ có độ từ thẩm cao và điện trở suất phù hợp, tạo ra mật độ dòng điện xoáy Eddy rất lớn khi tiếp xúc với từ trường xoay chiều. Điều này làm gia tăng hiệu ứng bề mặt, tập trung năng lượng sinh nhiệt ngay tại lớp bề mặt lòng khuôn, đồng thời đảm bảo độ bền cơ tính và chi phí gia công chế tạo khuôn hợp lý.

Hình dạng hình học của cuộn dây ảnh hưởng ra sao đến chất lượng gia nhiệt trên khuôn nhiều lòng khuôn? Biên dạng cuộn dây quyết định trực tiếp hướng đi và mật độ của các đường sức từ. Với khuôn 6 lòng khuôn, cuộn dây dạng xoắn vuông góc và xoắn tròn phẳng phân bổ từ thông đồng đều nhất, hạn chế vùng chết từ trường và giữ độ chênh lệch nhiệt độ giữa các lòng khuôn ở mức dưới 5°C, vượt trội hoàn toàn so với cuộn dây dạng trụ hay song song.

Làm thế nào để kiểm soát và ngăn chặn hiện tượng quá nhiệt làm kéo dài thời gian làm nguội sản phẩm? Hệ thống sử dụng cảm ứng từ cho phép kiểm soát chính xác công suất và thời gian cấp nguồn theo từng giây (từ 5 đến 10 giây). Nhờ nhiệt lượng chỉ tập trung ở chiều sâu thâm nhập khoảng 1 mm trên bề mặt mà không nung nóng khối thép 40 mm phía dưới, nhiệt độ sẽ tiêu tán nhanh chóng vào hệ thống kênh dẫn giải nhiệt ngay khi ngắt nguồn.

Mức độ tin cậy của phần mềm COMSOL Multiphysics trong việc mô phỏng quá trình gia nhiệt cảm ứng từ là bao nhiêu? Kết quả đối chiếu giữa mô phỏng phần tử hữu hạn trên COMSOL Multiphysics 5.0 và đo nhiệt độ thực nghiệm bằng thiết bị hồng ngoại cho thấy sai số biên độ nhiệt chỉ dao động từ 6% đến 8%. Điều này khẳng định phần mềm mô phỏng có độ tin cậy rất cao, phản ánh chính xác các quy luật vật lý của quá trình cấp nhiệt thực tế.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu khoa học và thực tiễn đề ra với những đóng góp quan trọng:

• Xây dựng thành công mô hình toán học và quy trình mô phỏng số liên kết đa vật lý điện từ - truyền nhiệt trên phần mềm COMSOL Multiphysics 5.0 và SolidWorks cho tấm khuôn thép C45 kích thước 128 x 128 x 40 mm.
• Khảo sát toàn diện 8 dạng hình học cuộn dây gia nhiệt, chứng minh cuộn xoắn tròn phẳng và cuộn xoắn vuông góc là hai cấu hình tối ưu nhất cho khuôn nhiều lòng khuôn.
• Đạt tốc độ gia nhiệt bề mặt vượt mốc 100°C đến 145°C chỉ trong thời gian ngắn từ 5 đến 10 giây, nâng cao hiệu quả nhiệt năng gấp nhiều lần so với các phương pháp nung nóng truyền thống.
• Kiểm chứng thực nghiệm xác thực độ chính xác của mô hình mô phỏng với sai số kiểm soát chặt chẽ dưới 8%, tạo cơ sở dữ liệu kỹ thuật tin cậy cho thiết kế công nghiệp.
• Đề xuất giải pháp tích hợp cụm gia nhiệt cảm ứng từ vào dây chuyền ép phun tự động, giúp nâng cao năng suất hơn 20% và triệt tiêu các khuyết tật đường hàn trên sản phẩm nhựa.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là mở rộng nghiên cứu thuật toán điều khiển nhiệt độ thích ứng theo thời gian thực và thử nghiệm trên các bề mặt lòng khuôn 3D có độ sâu phức tạp. Các doanh nghiệp và đơn vị nghiên cứu quan tâm có thể khai thác các thông số thiết kế từ công trình này để ứng dụng trực tiếp vào quy trình sản xuất khuôn mẫu chính xác cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM XUÂN TÂM NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ TỪ TRƯỜNG TRONG QUI TRÌNH GIA NHIỆT CHO KHUÔN PHUN ÉP NHỰA VỚI CÁC HÌNH DẠNG KHÁC NHAU CỦA CUỘN DÂY NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 S K C0 0 5 0 5 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ---o0o--- LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM XUÂN TÂM NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ TỪ TRƢỜNG TRONG QUI TRÌNH GIA NHIỆT CHO KHUÔN PHUN ÉP NHỰA VỚI CÁC HÌNH DẠNG KHÁC NHAU CỦA CUỘN DÂY NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ---o0o--- LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM XUÂN TÂM NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ TỪ TRƢỜNG TRONG QUI TRÌNH GIA NHIỆT CHO KHUÔN PHUN ÉP NHỰA VỚI CÁC HÌNH DẠNG KHÁC NHAU CỦA CUỘN DÂY NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Hƣớng dẫn khoa học: TS.PHẠM SƠN MINH Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3/2016 LÝ LỊCH KHOA HỌC I.

LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Phạm Xuân Tâm Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 29 – 01 – 1982 Nơi sinh: Tp HCM Quê quán: Thành phố Hồ Chí Minh Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 91/12/14 Phạm Văn Chiêu,Phƣờng 14 Quận Gò Vấp ,Thành phố Hồ Chí Minh. E-mail: phamxuantam2007@yahoo. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Cao đẳng: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2000 đến 5/2004 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học Bách Khoa, Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật Chế tạo máy Đại học: Hệ đào tạo: Vừa học vừa làm Thời gian đào tạo từ 9/2005 đến 11/2013 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại Học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật Chế tạo máy III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Công ty Giao thông vận tải Từ 5/2004 Cán bộ kỹ thuật 622 i Công ty Cửa Sổ Nhựa Châu Từ 9/2007 Kỹ sƣ bảo trì Âu(EuroWindow) Công ty TNHH-TM-Sản xuất Từ 10/2010 Cán bộ kỹ thuật Nhựa Chí Thành.VN ii iii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 2 năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phạm Xuân Tâm iv LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ, dìu dắt tận tình của quý thầy, cô giáo, các nhà khoa học trong và ngoài Khoa Công nghệ Chế tạo máy, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh. Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy TS Phạm Sơn Minh – ngƣời thầy đã nhiệt tình, tận tâm giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu khoa học. Các thầy đã cùng tôi đặt những viên gạch đầu tiên trong quá trình xây dựng đề cƣơng và các thầy đã hƣớng dẫn tôi thực hiện một cách tỉ mỉ cho đến khi hoàn thành luận văn này.

Thầy luôn là tấm gƣơng sáng trong lao động, trong nghiên cứu khoa học để tôi phấn đấu vƣơn lên trên con đƣờng học tập, nghiên cứu khoa học và ngày càng trƣởng thành hơn trong cuộc sống, học tập và công tác của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Đốc Công ty giúp đỡ, tạo mọi điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và công tác. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thành viên trong gia đình tôi – những ngƣời thân yêu nhất của tôi luôn là hậu phƣơng, là chỗ dựa vững chắc, giúp đỡ tôi trong những lúc khó khăn và tạo mọi điều kiện để tôi yên tâm học tập công tác và có đƣợc kết quả nhƣ ngày hôm nay. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các bạn học viên Cao học, chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, khóa 2013B,2014A – Trƣờng ĐH Sƣ phạm Kỹ thuật TP.

Hồ Chí Minh và những ngƣời bạn đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong học tập cũng nhƣ trong cuộc sống. Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2016 Học viên thực hiện luận văn Phạm Xuân Tâm v TÓM TẮT Hiện nay, t gia. ,gia nhiệt cảm ứng từ. Tuy nhiên nghiê hân bố từ trƣờng trên khuôn nhiều lòng khuôn đề tài “Nghiên cứu phân bố từ trường trong qui trình gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa với các hình dạng khác nhau của cuộn dây” là cần thiết.

Mục đích của đề tài là thiết kế - mô phỏng quá trình hoạt động cấp nhiệt cho tấm khuôn âm vật liệu thép bằng cảm ứng từ, với sự hỗ trợ của phần mềm SOLIDWORK và COMSOL Multiphysics và thực nghiệm. Kết quả đạt đƣợc của đề tài là thực hiện thành công bài mô phỏng gia nhiệt trong khuôn ép nhựa sử dụng cảm ứng từ; đánh giá xu hƣớng và sự biến đổi nhiệt độ trong khuôn; đánh giá ảnh hƣởng của hình dạng cuộn dây trên khuôn nhiều lòng khuôn. vi ABSTRACT Nowadays, there are many researches to optimize the mold temperature in the world such as: research of thermal response simulation and mold structure optimization for rapid heating process, control mold temperature by micro membrane in the injection molding process. In Vietnam, many scientific projects have been done concerning with mold temperature includes: designing hot channels for plastic injection molding, heating mold by thermo-resistance,induction heating.

However studies magnetic field distribution on multiple cavity mold does not have much. Therefore, the topic "Research magnetic field distribution in the heating process for plastic injection mold with different shapes of the coil" is necessary. The purpose of this research is to design - simulating the operation of heat for steel plate material negative mold by magnetic induction, with the support of the COMSOL Multiphysics software SolidWorks, and experimental. The result of this research is to achieve the successful implementation of all heating simulation in plastic injection molds using magnetic induction; assess trends and the temperature variation in the mold; evaluate the effects of mold shaped coil on multiple cavities.

vii MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC……………………………………………………….i LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………….ii LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………….viii DANH MỤC HÌNH………………………………………………………….xi DANH MỤC BẢNG BIỂU…………………………………………………xiv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT……………………………………………….xv Chƣơng 1 TỔNG QUAN………………………………………………………….1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu,các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc…………………………………………………………………………….2 Mục tiêu của đề tài.3 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài………………………………………………….4 Phƣơng pháp nghiên cứu…………………………………………………….5 Kế hoạch thực hiện………………………………………………………….10 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT………………………………………………….1 Cảm ứng từ và phƣơng pháp tính……………………………………………11 2.1 Cảm ứng từ………………………………………………………………….2 Phƣơng pháp tính……………………………………………………………13 2.2 Hiệu ứng bề mặt…………………………………………………………….1 Một số vấn đề về hiệu ứng bề mặt………………………………………….2 Ứng dụng trong công nghiệp……………………………………………….3 Khuôn ép nhựa………………………………………………………………17 2.1 Phân loại khuôn ép phun…………………………………………………….2 Sơ lƣợc về chu trình ép phun……………………………………………….4 Các khuyết tật khi ép…………………………………………………………20 viii 2.5 Các thông số ép…………………………………………………………….6 Quá trình truyền nhiệt……………………………………………………….7 Tổng quan về vật liệu chế tạo khuôn……………………………………….8 Thiết kế của cuộn dây gia nhiệt…………………………………………….9 Một số đặc điểm nổi bật của quá trình gia nhiệt theo phƣơng pháp cảm ứng từ………………………………………………………………………………….10 Tổng quan về phần mềm COMSOL Multiphysics…………………………. PHƢƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM………………….1 Máy gia nhiệt bằng cảm ứng từ………………………………………………38 3.2 Khuôn và cuộn dây………………………………………………………….2 Phƣơng pháp thực nghiệm………………………………………………….ỨNG DỤNG PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM……………………………………………………33 4.1 Tổng quan về phần mềm COMSOL Multiphysics………………………….2 Tổng quan về phân tích………………………………………………………38 4.3 Tổng quát về gia nhiệt cảm ứng…………………………………………….4 Ứng dụng COMSOL mô phỏng thực nghiệm……………………………….1 Các bƣớc tiến hành mô phỏng……………………………………………….2 Kết quả mô phỏng……………………………………………………………47 Chƣơng 5. THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT BẰNG CẢM ỨNG TỪ…………………………………………………………………………………56 5.1 Thực nghiệm quá trình gia nhiệt và cảm ứng từ…………………………….2 So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng…………………………63 5.3 Mô phỏng gia nhiệt cảm ứng trên khuôn nhiều lòng khuôn…………………64 5.1 Phân tích đối tƣợng gia nhiệt……………………………………………….2 Thực nghiệm gia nhiệt cảm ứng trên khuôn…………………………………65 ix 5. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN…………………………….77 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….79 x DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 : Sơ đồ nguyên lý cảm ứng từ…………………………………………….2: Sơ đồ nguyên lý khuôn có lắp bộ phận gia nhiệt…………………………4 Hình 1.3: Phƣơng pháp gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ…………………….4: Sản phẩm vỏ điện thoại di động bị lỗi đƣờng hàn……………………….5: Gia nhiệt khuôn bằng cảm ứng từ và hình ảnh camera hồng ngoại………6 Hình 1.6: Gia nhiệt bề mặt khuôn bằng cảm ứng từ……………………………….1: Sơ đồ nguyên lý gia nhiệt cảm ứng…………………………………….2: Sơ đồ nguyên lý gia nhiệt cảm ứng tƣơng tự nhƣ máy biến áp……….3: Phân bố từ trƣờng và mật độ điện trên bề mặt………………………….4: Bộ khuôn ép nhựa gồm khuôn dƣơng và khuôn âm…………………….5: Khuôn có bốn lòng khuôn……………………………………………….6: Khuôn một lòng khuôn,khuôn bốn lòng khuôn sắp xếp hình chữ nhật,khuôn muỗng nhiều lòng khuôn bố trí hình tròn…………………………….7: Ứng dụng của phần mềm COMSOL Multiphysics.8: Một mô phỏng số học về đặc tính truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt ……………………………………………………….9: Giao diện cảm ứng từ ………………………………………………….10: Giao diện Heat Tranfer in Soli……….1: Máy gia nhiệt cảm ứng từ……………………………………………….2: Mô hình thực nghiệm gia nhiệt khuôn(khuôn âm)…………………….3: Bản vẽ khuôn thực nghiệm…………………………………………….4: Cuộn dây dạng xoắn tròn(spiral)……………………………………….5: Cuộn dây dạng xoắn vuông góc…………………………………………41 Hình 3.6: Cuộn dây dạng hình chữ nhật………………………………………….7: Cuộn dây dạng lƣợn sóng……………………………………………….8: Cuộn dây dạng song song……………………………………………….9: Cuộn dây dạng trụ……………………………………………………….10:Cuộn dây dạng hộp(3D)……………………………………………….11:Thiết bị đo không tiếp xúc…………………………………………….1 : Các bƣớc tiến hành mô phỏng số trong COMSOL…………………….2: Tùy chọn mô hình để mô phỏng……………………………………….3: Bảng chọn không gian xây dựng mô hình………………………………47 Hình 4.4: Bảng chọn đối tƣợng vật lý cần nghiên cứu…………………………….5: Bảng chọn trạng thái để nghiên cứu…………………………………….6: Các bƣớc nhập hình vẽ vào mô hình…………………………………….7: Chọn vật liệu cho các miền và biên…………………………………….8: Chọn đặc tính vật lý cho các miền và biên…………………………….9: Mô hình đã đƣợc chia lƣới………………………………………………51 Hình 4.10: Cài đặt giá trị tần số cho dòng điện…………………………………….11: Kết quả mô phỏng gia nhiệt cảm ứng từ trên tấm tole dày 2 mm bằng cuộn dây xoắn tròn phẳng(spiral)………………………………………………….12: Kết quả mô phỏng gia nhiệt cảm ứng từ trên tấm tole dày 2 mm bằng cuộn dây tròn(1 vòng)…………………………………………………………….13: Kết quả mô phỏng gia nhiệt cảm ứng từ trên tấm tole dày 2 mm bằng cuộn dây hình trụ………………………………………………………………….14: Kết quả mô phỏng gia nhiệt cảm ứng từ trên tấm tole dày 2 mm bằng cuộn dây hình chữ nhật…………………………………………………………….15: Kết quả mô phỏng gia nhiệt cảm ứng từ trên tấm tole dày 2 mm bằng cuộn dây xoắn hình chữ nhật………………………………………………………54 Hình 4.16: Kết quả mô phỏng gia nhiệt cảm ứng từ trên tấm tole dày 2 mm bằng cuộn dây hình trụ đặt nằm ngang………………………………………………….17: Kết quả mô phỏng gia nhiệt cảm ứng từ trên tấm tole dày 2 mm bằng cuộn dây hình trụ 3D (đại diện một vòng dây)……………………………………54 Hình 4.18: Kết quả mô phỏng gia nhiệt cảm ứng từ trên tấm tole dày 2 mm bằng cuộn dây hình lƣợn sóng………………………………………………………….1: Hình thực nghiệm và kết quả mô phỏng của cuộn dây spiral………….2: Hình ảnh lan truyền nhiệt sau 5s ……………………………………….3: Hình thực nghiệm và kết quả mô phỏng của cuộn dây xoắn vuông góc hình chữ nhật……………………………………………………………………….4: Hình ảnh lan truyền nhiệt sau 5s ………………………………………58 Hình 5.