Đặt vấn đề Hiện nay, trong ngành công nghiệp phun ép nhựa, muốn chất lượng bề mặt khuôn đạt hiệu quả cao nhất nó dựa vào phần lớn việc phải tối ưu được nhiệt độ khuôn. Tổng thể, quá trình phun ép nhựa sẽ có hiệu quả hơn, nếu nhiệt độ lòng khuôn luôn ở mức ổn định. Tuy nhiên, các tấm khuôn luôn đạt ở mức nhiệt độ cao sẽ ảnh hưởng tới chu kỳ ép phun, thời gian giải nhiệt của khuôn tăng cao kéo theo chất lượng sản phẩm kém từ đó dẫn đến tốn nhiều thời gian, chi phí, và giá thành cao rất khó trong việc canh tranh giá thành với các doanh nghiệp khác. Chính vì điều đó, mục tiêu đặt hàng đầu trong quá trình điều khiển nhiệt độ của khuôn là: Nhiệt độ của khuôn phải được gia nhiệt theo đúng yêu cầu kỹ thuật của từng loại khuôn nhưng thời gian gia nhiệt không quá dài gây ảnh hưởng tới năng suất làm việc.
Vậy phương pháp gia nhiệt khuôn như thế nào là hiệu quả để có thể đạt đến nhiệt độ thích hợp và vẫn bảo đảm thời gian chu kỳ ép phải ngắn nhất có thể? Và bên cạnh đó sử dụng phương pháp gia nhiệt nào hiệu quả nhất có thể để tiết kiệm chi phí sản xuất cũng như đảm bảo chất lượng của sản phẩm? Trong đề tài nghiên cứu này, nhóm tiến hành nghiên cứu khảo sát những vấn đề đó.Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước 1.Ngoài nước Liên quan tới lĩnh vực này, S. Chen [1] và các cộng sự đã nghiên cứu giải nhiệt và gia nhiệt nhanh chóng cho khuôn bằng công nghệ cảm ứng từ. Nghiên cứu cho thấy với cuộn dây một vòng gia nhiệt trên bề mặt tấm khuôn với thời gian gia nhiệt (5s, 8s,11s,14s) thì mức tăng nhiệt độ không thể đáp ứng yêu cầu của mục đích sản xuất công nghiệp. Khi sử dụng cuộn xoắn ốc thay thế cho cuộn một dây và tiến hành khảo sát hai chu kỳ gia nhiệt và giải nhiệt khác nhau thì cho thấy sự thay đổi nhiệt độ đáng kể.
Với chu kỳ đầu tiên thì cho gia nhiệt từ 110℃ đến 160℃ và giải nhiệt về 110℃. Chu kỳ thứ hai thì gia nhiệt từ 110℃ đến 180℃ và giải nhiệt về 110℃. Kết quả thu được cho thấy với chu kỳ đầu mất 2 giây để nhiệt độ tấm tăng từ 110°C lên 160°C và 22 giây để hạ nhiệt xuống 110°C. Còn đối với chu kỳ hai thì phải mất 3 giây để nhiệt độ tấm tăng từ 110°C lên 180°C và 24 giây để hạ nhiệt xuống 110℃.
Các kết quả chỉ ra rằng việc gia nhiệt nhanh bề mặt bằng cách sử dụng gia nhiệt cảm ứng là khả thi và có thể áp dụng cho quá trình ép phun.1 Cuộn 1 dây, cuộn xoắn ốc và kết quả chu kỳ gia nhiệt [1] Bên cạnh đó, Paolo Cicconi và các cộng sự [2] đã nghiên cứu tích hợp hệ thống Cyber- Physical cho công nghiệp 4.0 sử dụng hệ thống gia nhiệt cảm ứng từ sử dụng cho khuôn Nhôm – Thép trong sản xuất đế giày. Nghiên cứu đưa ra đề xuất sử dụng hệ thống gia nhiệt cảm ứng từ hỗ trợ cho hệ thống mô phỏng Cyber-Physical Systems (CPSs) để xem xét thời gian và tiêu thụ năng lượng liên quan đến việc sử dụng một LGV đa dụng (Laser Guided Vehicle). Xe này sẽ vẫn chuyển khuôn từ kho đến dây chuyền sản xuất cuối cùng. Trên đường vận chuyển được yêu cầu làm nóng khuôn bằng hệ thống gia nhiệt cảm ứng từ cho phép tăng nhiệt độ lên tới 50℃.
Sự gia nhiệt này là cần thiết để đạt được hiệu suất cao ở lần tạo bọt đế đầu tiên khi lắp khuôn.2 Hệ thống cảm ứng từ [2] Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện với nhiều cách khác nhau xoay quanh việc sử dụng hệ thống gia nhiệt cảm ứng từ với mục đích tối ưu hóa mô hình, giảm chi phí sản xuất và giảm tiêu thụ năng lượng ít nhất có thể. Chẳng hạn như Jiajie Li và các cộng sự [3] đã nghiên cứu về tác động tổng hợp của các thông số gia nhiệt cảm ứng từ về việc sử dụng hiệu quả gia nhiệt bằng phương pháp Taguchi và phương pháp phản ứng bề mặt. Thí nghiệm mô phỏng thực hiện theo phương pháp Taguchi với ba yếu tố: độ sâu, dòng điện và tần số, mỗi 2 yếu tố có ba cấp độ. Độ sâu được đặt lần lượt là 5 mm, 7 mm và 9 mm; dòng điện được thiết lập đến 800 A, 1000 A và 1200 A tương ứng; và tần số được đặt lần lượt là 20 KHz, 30 KHz và 40 KHz.
Kết quả cho thấy tốc độ tăng nhiệt độ của hệ thống gia nhiệt cảm ứng từ tăng khi tăng dòng điện và tần số nhưng giảm khi tăng độ sâu. Khi xem xét mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố đến nhiệt độ trung bình tối đa và tính đồng nhất của nhiệt độ thì có thể xác minh rằng nhiệt độ trung bình tối đa bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi dòng điện, tiếp theo là độ sâu gia nhiệt và tần số liên tiếp. Độ đồng đều nhiệt độ bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi độ sâu gia nhiệt, tiếp theo là dòng điện và tần số liên tiếp.3 Trường nhiệt độ trên bề mặt khuôn dưới các thông số khác nhau [3] Ngoài phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ, Ming-Chang Jeng và các cộng sự [4] đã tiến hành nghiên cứu gia nhiệt cho khuôn ép bằng phương pháp gia nhiệt bằng hơi nước. Trong nghiên cứu này, một hệ thống gia nhiệt bằng hơi nước kết hợp với làm mát bằng nước để đạt được sự kiểm soát nhiệt độ khuôn nhanh chóng cho quá trình ép phun.
Nghiên cứu ban đầu gia nhiệt bằng hơi nước 150℃ trên tấm khuôn đơn giản với nhiệt độ khuôn ban đầu là 50℃. Bề mặt khuôn có thể tăng nhiệt độ từ 50 °C lên hơn 135 °C trong 9 giây và hạ nhiệt xuống 50 °C trong 44 giây. Ngoài ra, nghiên cứu còn so sánh lợi ích của việc gia nhiệt bằng hơi nước và gia nhiệt bằng nước trên tấm khuôn vỏ TV với điều kiện ban đầu gia nhiệt với nhiệt độ 120℃ và nhiệt độ khuôn ban đầu là 50℃ và mục tiêu của quá trình gia nhiệt là 80℃. 3 Bằng cách gia nhiệt bằng hơi nước, nhiệt độ có thể tăng từ 50°C lên 80°C trong 8 giây, sau đó hạ nhiệt xuống 50°C trong 12 giây.
Tuy nhiên, khi sử dụng nước nóng để làm nóng, phải mất 18 giây để tăng nhiệt độ khuôn từ 50°C lên 80°C và 16 giây để làm mát xuống tới 50°C. Kết quả cho thấy hệ thống hơi nước đã cho thấy hiệu quả cao hơn trong cả gia nhiệt và giải nhiệt.4 Hệ thống gia nhiệt khuôn bằng hơi nước (Steam heating)[4] Trong thực tế, sự gia tăng nhiệt độ khuôn có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc lấp đầy cấu trúc vi mô trong khuôn ép vi mô. Chính vì thế, Ming-Ching Yu và các cộng sự [5] đã nghiên cứu phương pháp với sự hỗ trợ của hệ thống gia nhiệt bằng hồng ngoại cho khuôn ép vi mô. Ở mỗi chu kỳ, hệ thống gia nhiệt hồng ngoại nằm giữa hai nửa khuôn và làm nóng các khu vực cụ thể trên bề mặt khuôn.
Khi bề mặt khuôn đạt đến nhiệt độ mong muốn, hệ thống gia nhiệt sẽ được gỡ bỏ và khuôn đóng lại để phun. Toàn bộ nhiệt độ khuôn được kiểm soát bởi chất lỏng đang chạy trong hệ thống làm mát. Tia hồng ngoại chỉ làm nóng bề mặt khuôn cục bộ. Sau khi loại bỏ hệ thống gia nhiệt bằng hồng ngoại, khu vực được làm nóng cục bộ bắt đầu hạ nhiệt xuống nhiệt độ khuôn.
Sự gia tăng nhiệt độ tạm thời tại khu vực cục bộ sẽ tăng cường khả năng dòng chảy làm đầy polymer trong giai đoạn chiết rót và đóng gói.5 Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngoại [5] Shia-Chung Chen và các cộng sự [6] đã tiến hành đánh giá tính khả thi của việc gia nhiệt bằng khí để kiểm soát nhiệt độ lòng khuôn trong quá trình ép phun. Trong nghiên cứu này, một hệ thống gia nhiệt hỗ trợ bằng khí kết hợp với làm mát bằng nước và thiết kế kênh dẫn khí hình quạt và hình ống để đạt được sự kiểm soát nhiệt độ lòng khuôn nhanh chóng cho quá trình ép phun. Gia nhiệt cho khuôn bằng nước nóng tới 60℃ và thiết lập nguồn khí nóng tới 500℃ bắt đầu gia nhiệt bằng khí nóng. Từ đó, kết quả cho thấy nhiệt độ bề mặt khuôn tăng nhanh chóng từ 60°C lên 120°C trong vòng 2 giây, và giải nhiệt khuôn về 60°C trong khoảng 34 giây.
Bên cạnh đó, so với kênh dẫn khí hình ống, kênh dẫn khí hình quạt thể hiện sự phân bố nhiệt độ khuôn tốt hơn, đồng đều trong tất cả các giai đoạn của quá trình gia nhiệt và giải nhiệt.6 Mô hình kênh dẫn khí và trường nhiệt độ ứng với mỗi kênh dẫn [6] Bên cạnh đó, ta thấy được những ưu điểm của gia nhiệt bằng khí trong lĩnh vực khuôn phun ép nhựa với chi phí thấp, năng suất cao và tiêu thụ năng lượng ít. Chewei Lin và Chingfu Tsou [7] đã nghiên cứu ra một phương pháp mới chế tạo Microlens bằng quy trình gia nhiệt khí nén. Thí nghiệm được tiến hành với cấu trúc gồm hai phần: chất nền silicon và nắp wafer. Nắp wafer sau khi trải qua nhiều giai đoạn: oxi hóa nhiệt, ăn mòn bằng kiềm và phủ một lớp kim loại… sẽ tạo ra một khoang trong khuôn và một lỗ thông qua đóng vai trò là cấu trúc kín.
Tiếp đó phủ một lớp photoresist trên bề mặt lấp đầy lỗ và tiến hành gia nhiệt bằng khí khiến cho lớp photoresist trong lỗ được đùn ra bởi sự giãn nở thể tích của khí nén trong khoang, và do đó tạo ra một lớp vỏ vi mô dưới dạng khuôn đúc vi thấu kính một cách tự nhiên với kích thước 1475 µm theo chiều ngang và 486 µm theo chiều đứng. So sánh với một quy trình chế tạo thông thường microlens, phương pháp mới được nghiên cứu ở đây đơn giản hơn và cho phép giảm chi phí quy trình hàng loạt.7 Sơ đồ khái niệm thiết kế Microlens và hình ảnh SEM của microlens so với biểu đồ đường cong [7] 6 1.Trong nước Thầy Đỗ Thành Trung và các cộng sự [8] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của gia nhiệt bằng khí nóng tới nhiệt độ lòng khuôn của khuôn phun ép nhựa. Kết luận chỉ ra rằng khí nóng có thể làm nóng tấm khuôn đến 171,6°C và tốc độ gia nhiệt của AMTC có thể đạt 6,39°C/s. Giá trị nhiệt độ này lớn hơn nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh của hầu hết các vật liệu nhiệt dẻo được sử dụng trong quá trình ép phun.