Luận văn: Nghiên cứu độ bền mỏi của sản phẩm phun ép nhựa khi chịu tải trọng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chuyên sâu về độ bền mỏi của sản phẩm phun ép nhựa khi chịu tải trọng chu kỳ, đánh giá tuổi thọ và độ tin cậy kết cấu.

• Tác giả: Trần Ngọc Thiện
• Người hướng dẫn: PGS.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 độ bền mỏi của sản phẩm phun ép nhựa khi chịu tải trọng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về độ bền mỏi sản phẩm phun ép nhựa

Độ bền mỏi là khả năng chống chịu tải trọng lặp đi lặp lại của vật liệu mà không bị hỏng hóc trong thời gian dài. Trong sản phẩm phun ép nhựa, hiện tượng mỏi xảy ra khi sản phẩm chịu ứng suất tuần hoàn dưới ngưỡng giới hạn bền kéo. Nguyên nhân chính bao gồm thiết kế không tối ưu, lựa chọn vật liệu chưa phù hợp hoặc thông số ép phun không chính xác. Các sản phẩm nhựa sau khi phun ép thường gặp vấn đề nứt gãy do mỏi, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu chịu tải trọng cao như vỏ thiết bị điện tử, linh kiện ô tô. Nghiên cứu độ bền mỏi giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao tuổi thọ sản phẩm và giảm chi phí bảo trì.

1.1. Cơ chế phá hủy mỏi trong nhựa phun ép

Mỏi vật liệu nhựa xảy ra thông qua hai giai đoạn chính: khởi phát vết nứt và lan truyền vết nứt. Dưới tác động của tải trọng tuần hoàn, các ứng suất tập trung tại vị trí khuyết tật bề mặt hoặc bên trong vật liệu. Quá trình khởi phát vết nứt diễn ra chậm, thường bắt đầu từ các khuyết tật vi mô như lỗ khí, tạp chất hoặc vết nứt sẵn. Khi vết nứt đạt kích thước tới hạn, tốc độ lan truyền tăng nhanh, dẫn đến phá hủy đột ngột. Nhựa nhiệt dẻo (như PP, ABS) thường có cơ chế phá hủy mỏi khác biệt so với nhựa nhiệt rắn do cấu trúc phân tử và khả năng biến dạng.

1.2. Ảnh hưởng của công nghệ phun ép đến mỏi

Thông số phun ép như nhiệt độ khuôn, áp suất phun, tốc độ phun và thời gian giữ ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc vi mô của sản phẩm. Nhiệt độ khuôn thấp dẫn đến ứng suất dư cao do sự co ngót không đều, tăng nguy cơ nứt mỏi. Áp suất phun không đủ gây ra lỗ khí, tạo điểm tập trung ứng suất. Tốc độ phun quá nhanh khiến vật liệu không kịp phân bố đều, dẫn đến sự hình thành vùng ứng suất cục bộ. Thời gian giữ ngắn khiến sản phẩm không đạt độ kết tinh tối ưu, giảm khả năng chống mỏi.

II. Phân tích vấn đề độ bền mỏi trong sản phẩm nhựa

Hiện nay, nhiều doanh nghiệp sản xuất nhựa vẫn dựa vào kinh nghiệm hoặc tiêu chuẩn chung để đánh giá chất lượng sản phẩm, thiếu các nghiên cứu chuyên sâu về độ bền mỏi. Vấn đề thường gặp là sản phẩm bị hỏng sớm sau thời gian sử dụng ngắn, gây tổn thất kinh tế và uy tín thương hiệu. Các phương pháp kiểm tra hiện tại chủ yếu tập trung vào độ bền kéo, độ cứng hoặc khả năng chịu nhiệt, ít quan tâm đến yếu tố mỏi. Điều này dẫn đến việc sản phẩm không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật trong môi trường hoạt động thực tế. Ngoài ra, sự thiếu hụt dữ liệu thực nghiệm về mối quan hệ giữa thông số phun ép và độ bền mỏi khiến quá trình tối ưu hóa sản xuất gặp khó khăn.

2.1. Nguyên nhân gây hỏng mỏi sớm

Hỏng mỏi sớm thường xuất phát từ ba yếu tố chính: thiết kế sản phẩm, lựa chọn vật liệu và quy trình sản xuất. Thiết kế không phù hợp như góc lượn quá nhỏ, độ dày thành không đều tạo điểm tập trung ứng suất. Vật liệu có độ dẻo dai thấp hoặc chứa tạp chất sẽ dễ bị phá hủy dưới tải trọng tuần hoàn. Quy trình sản xuất không kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ, áp suất hoặc tốc độ làm nguội dẫn đến ứng suất dư cao. Ngoài ra, môi trường sử dụng như nhiệt độ cao, hóa chất ăn mòn cũng làm giảm tuổi thọ sản phẩm.

2.2. Thách thức trong đánh giá độ bền mỏi

Đánh giá độ bền mỏi đòi hỏi các thiết bị thí nghiệm chuyên dụng như máy thử mỏi trục quay hoặc máy thử uốn ba điểm, cùng với quy trình chuẩn hóa. Khó khăn lớn nhất là mô phỏng chính xác điều kiện tải trọng thực tế trong phòng thí nghiệm. Các tiêu chuẩn thí nghiệm như ASTM D7791 hoặc ISO 1352 thường yêu cầu thời gian thí nghiệm dài, tốn kém. Ngoài ra, sự biến đổi của vật liệu nhựa theo nhiệt độ và tốc độ biến dạng khiến việc xây dựng mô hình dự đoán trở nên phức tạp. Do đó, nhiều doanh nghiệp lựa chọn phương pháp thay thế như thí nghiệm tải trọng tĩnh, dẫn đến đánh giá thiếu chính xác.

III. Phương pháp nghiên cứu độ bền mỏi sản phẩm nhựa

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp mô phỏng số để đánh giá độ bền mỏi của sản phẩm phun ép nhựa. Quy trình bắt đầu bằng việc xác định vật liệu thí nghiệm (như PP, ABS, PA6) và thông số phun ép cơ bản. Mẫu thí nghiệm được sản xuất theo tiêu chuẩn ASTM D638 cho thử kéo và ASTM D790 cho thử uốn. Thí nghiệm mỏi được tiến hành trên máy thử trục quay với tải trọng tuần hoàn từ 10% đến 50% giới hạn bền kéo. Dữ liệu thu thập bao gồm số chu kỳ đến phá hủy, tốc độ lan truyền vết nứt và ứng suất tới hạn. Phần mềm mô phỏng như ANSYS được sử dụng để dự đoán vị trí hỏng mỏi và tối ưu hóa thiết kế sản phẩm.

3.1. Thiết kế thí nghiệm và chuẩn bị mẫu

Mẫu thí nghiệm được sản xuất bằng phương pháp phun ép trên máy phun ép nhựa thương mại, với các thông số được kiểm soát chặt chẽ. Kích thước mẫu tuân theo tiêu chuẩn ASTM D638 loại I cho thử kéo, đảm bảo độ chính xác khi lắp đặt vào máy thí nghiệm. Nhiệt độ khuôn được duy trì ổn định trong suốt quá trình ép. Sau khi sản xuất, mẫu được xử lý nhiệt để loại bỏ ứng suất dư. Bề mặt mẫu được kiểm tra bằng kính hiển vi để phát hiện các khuyết tật như lỗ khí hoặc vết nứt. Mỗi loại vật liệu được sản xuất với ít nhất ba mức thông số ép khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến độ bền mỏi.

3.2. Kỹ thuật đo lường và phân tích dữ liệu

Thí nghiệm mỏi được thực hiện trên máy thử trục quay với tốc độ quay 3000 vòng/phút, tải trọng tuần hoàn từ 5 MPa đến 25 MPa. Số chu kỳ đến phá hủy được ghi nhận tự động thông qua cảm biến. Dữ liệu được phân tích bằng phần mềm chuyên dụng để xây dựng đường cong S-N (ứng suất - số chu kỳ). Phân tích vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) giúp xác định cơ chế phá hủy mỏi. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được áp dụng để mô phỏng phân bố ứng suất trong sản phẩm, từ đó đề xuất cải tiến thiết kế. Kết quả thí nghiệm được so sánh với dữ liệu từ tài liệu tham khảo để đảm bảo độ tin cậy.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chứng minh mối quan hệ chặt chẽ giữa thông số phun ép, cấu trúc vi mô và độ bền mỏi của sản phẩm nhựa. Kết quả cho thấy nhiệt độ khuôn thấp và áp suất phun không đủ là hai yếu tố chính gây giảm độ bền mỏi. Mô hình dự đoán dựa trên dữ liệu thí nghiệm có thể ước tính tuổi thọ sản phẩm với độ chính xác cao. Ứng dụng thực tiễn bao gồm tối ưu hóa quy trình sản xuất, cải tiến thiết kế sản phẩm và phát triển vật liệu mới có khả năng chống mỏi cao. Doanh nghiệp có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để giảm tỷ lệ sản phẩm lỗi, tiết kiệm chi phí và nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường.

4.1. Đề xuất cải tiến quy trình sản xuất

Dựa trên kết quả nghiên cứu, doanh nghiệp nên điều chỉnh nhiệt độ khuôn trong khoảng 40-60°C tùy thuộc vào loại vật liệu. Áp suất phun cần duy trì ở mức 80-100 MPa để đảm bảo độ nén chặt của sản phẩm. Tốc độ phun nên được kiểm soát để tránh tạo ra ứng suất dư. Thời gian giữ sản phẩm trong khuôn cần đủ dài để đạt độ kết tinh tối ưu. Ngoài ra, quy trình kiểm tra chất lượng sau sản xuất nên bao gồm thử mỏi mẫu định kỳ để phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn.

4.2. Hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào phát triển vật liệu composite nhựa gia cường sợi thủy tinh hoặc carbon, nhằm tăng cường khả năng chống mỏi. Phương pháp mô phỏng số cần được cải tiến để tích hợp yếu tố môi trường như nhiệt độ và độ ẩm. Ngoài ra, việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong phân tích dữ liệu thí nghiệm có thể giúp rút ngắn thời gian nghiên cứu. Nghiên cứu cũng nên mở rộng đối tượng sản phẩm, từ linh kiện điện tử đến các bộ phận ô tô, nơi yêu cầu độ bền mỏi cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan hướng nghiên cứu 1. Các đề tài nghiên cứu trong nước Đối với các đề tài nghiên cứu trong nước, cơ tính của vật liệu nhựa được xem xét từ khá nhiều khí cạnh như bền kéo, bền uốn,. Trong đó có một số nghiên cứu nổi bật sau: - Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ ép tới độ bền kéo và độ bền uốn của vật liệu phức hợp gỗ nhựa” năm 2013 – Tạp chí khoa học và công nghệ lâm nghiệp số 4 (kỳ I).

[3]  Theo tác giả Trần Văn Chứ, Quách Văn Thiêm: Khi nhiệt độ đầu vòi phun quá cao hoặc quá thấp thì độ bền kéo và bền uốn đều không tốt. Khi áp suất ép và thời gian ép tăng thì độ bền kéo và độ bền uốn tăng và ngược lại, giai đoạn đầu tăng nhanh và giai đoạn sau tăng chậm được thể hiện ở hình 1.1  Tác giả đã chỉ ra rằng với nhiệt độ ép 1 = 180° , áp suất ép 1 = 9.3 , thời gian ép = 33 thì đạt độ bền kéo là 33.66 MPa, độ bền uốn là 84. 1:Mối quan hệ giữa nhiệt độ nhựa, thời gian phun và áp suất phun đến độ bền kéo (a), (b), độ bền uốn (c) ,(d) - Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số ép phun tới độ bền uốn của vật liệu nhựa PA66” năm 2016 – ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM. [5]  Đề tài được thực hiện bởi Vũ Viết Chuyên – trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM.

Nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt độ nhựa làm cho độ bền uốn giảm, áp suất phun làm cho độ bền uốn tăng. Nhưng ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền uốn cao hơn áp suất phun thể hiện ở hình 1. 2: Sự ảnh hưởng của nhiệt độ nhựa và áp suất phun đến độ bền uốn - Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số phun ép đến độ bền kéo của sản phẩm composite sợi thủy tinh nền polyme” năm 2016 – ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM. [1]  Tác giả Lê Tiến Thành – trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã nghiên cứu độ bền kéo của sản phẩm PA6 + 30% Glass Fiber khi thay đổi 3 thông số ép đó là nhiệt độ khuôn, nhiệt độ nhựa và áp suất phun.

Kết quả nghiên 2 0 0 cứu: Nhiệt độ khuôn tăng từ 40 C đến 70 C độ bền kéo được cải thiện rõ rệt. Nhiệt độ nhựa càng tăng thì độ bền kéo càng tăng, tới lúc nhiệt độ nhựa đạt 0 270 C thì độ bền kéo giảm xuống đạt giá trị 370. Áp suất phun càng tăng thì độ bền kéo càng tăng đạt giá trị lớn nhất 443. - Đề tài “ A study on the welding line strength of injection molding product with various venting systems” (Nghiên cứu về độ bền đường hàn của sản phẩm ép phun với các hệ thống thông hơi khác nhau) năm 2017.

[17]  Đề tài được thực hiện bởi Phạm Sơn Minh, Đỗ Thành Trung và Trần Minh Thế Uyên – trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM. Nhóm tác giả đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của hệ thống thông hơi đến độ bền đường hàn trên các mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn ISO 527.  Kết quả nghiên cứu là: Nếu không có hệ thống thông hơi, khi áp suất phun tăng từ 0,9 MPa lên 1,1 MPa, độ bền đường hàn tăng với cả hai vật liệu PA66 và PA66 + 30% GF. Tuy nhiên, khi áp suất phun cao hơn 1,1 MPa, độ bền đường hàn giảm khoảng 6% cho cả hai vật liệu.

Khi hệ thống thông hơi được sử dụng, hiện tượng giảm độ bền đường hàn khi tăng áp suất phun đã được loại bỏ. Kích thước hệ thống thông hơi 0.10 mm là tốt nhất trong nghiên cứu này được thể hiện ở hình 1. 3: Ảnh hưởng của áp suất phun độ bền đường hàn dưới các kích thước hệ thống thông hơi khác nhau với vật liệu PA66 (a) Pa66 +30% GF (b) 3 - Đề tài “Enhancing the Fatigue Property of Nylon 6 by Using Glass-fiber Reinforcement and Injection Molding” (Nghiên cứu độ bền mỏi của vật liệu comosite với các thông số phun khác nhau) năm 2019. [13]  Đề tài được thực hiện bởi nhóm tác giả Huỳnh Đỗ Song Toàn, Lê Hiếu Giang và các công sự - Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM.

Nhóm tác giả đã nghiên cứu độ bền mỏi uốn của nhựa PA6 gia cố sợ thủy tinh với các biến độc lập: Thành phần sợi thủy tinh, nhiệt độ nhựa, áp suất giữ khuôn, thời gian giữ khuôn, áp suất phun và thời gian phun. Tuy nhiên, đối với 250 ° C, 270 ° C thể hiện ở hình 1.  Kết quả nghiên cứu: Thông qua phân tích phương sai (ANOVA) tác giả cho rằng tỷ lệ sợi thủy tinh cùng nhiệt độ nóng chảy là hai yêu tố làm dịch chuyển mỏi. Càng nhiều phần trăm sợi thủy tinh trong PA6 thì độ dịch chuyển của mẫu thử càng nhỏ.

Khi phân tích ANOVA một chiều để tìm mối liên hệ giữa các thành phần chất độn sợi thủy tinh và các thông số phun nhận thấy rằng không có mối liên hệ giữa lực mỏi và áp suất giữ, thời gian giữ, áp suất phun, thời gian bơm. 4 Mối quan hệ giữ lực mỏi và nhiệt độ nóng chảy 1. Các đề tài nghiên cứu ngoài nước Độ bền mỏi là một khía cạnh được các tác giả nước ngoài quan tâm và nghiên cứu. Sau đây là một số bài nghiên cứu về độ bền mỏi của vật liệu nhựa.

4 - Đề tài “Temperature Increase of Sheet Molding Compound (SMC-R65) in Flexural Fatigue Test” (Tăng nhiệt độ của hợp chất đúc tấm (SMC-R65) trong thử nghiệm độ mỏi uốn) – năm 1983 [19]  Tác giả S. NGUYEN đã nghiên cứu sự gia tăng nhiệt độ trong thử nghiệm mỏi uốn của hợp chất đúc tấm SMC-R65 trong phạm vi tần số thử nghiệm từ 1000 cpm đến 2200 cpm. Sự thay đổi tần số thử nghiệm ảnh hưởng đến sự tăng nhiệt độ (Hình 2. Dựa trên việc giảm 10% độ cứng uốn (Hình 1.6) cho thấy không có sự ảnh hưởng của tần số đối với tuổi thọ mỏi.

5 Mối quan hệ giữa nhiệt độ và tần số góc Hình 1. 6: Số chu kỳ dựa vào giảm 10% độ cứng uốn - Đề tài “Flexural Fatigue of Short Glass Fiber Reinforced a Blend of Polyphenylene Ether Ketone and Polyphenylene Sulfide” (Độ mỏi uốn của sợi thủy tinh tăng cường Polyphenylene Ether Ketone và Polyphenylene Sulfide) - năm 1994 [15] 5  Tác giả Jiang Zhou và các đồng nghiệp đã thử nghiệm mỏi uốn 4 điểm đối với vật liệu sợi thủy tinh gia cố hỗn hợp polyphenylene ether ketone và polyphenylene sulfide với các tỷ lệ ứng suất khác nhau và tần số khác nhau. Kết quả cho thấy có sự thay đổi độ dốc của biểu đồ mỏi S – N. Tần số tải từ 0,89 – 7,0Hz không ảnh hưởng đáng kể đến số chu kỳ mỏi.

- Đề tài “The Effect of Temperature on Fatigue Strength and Cumulative Fatigue Damage of FRP Composites” (Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền mỏi và thiệt hại mỏi tích lũy của vật liệu tổng hợp FRP) – năm 2010 [11]  Đề tài được thực hiện bởi H. Trong nghiên cứu này, mô hình thiệt hại mỏi tích lũy của Varvani-Farahani được phát triển thêm dựa trên các thông số phụ thuộc nhiệt độ của độ bền kéo tới hạn ult (T) và Modul đàn hồi E (T) để đánh giá thiệt hại mỏi của vật liệu tổng hợp FRP ở nhiều mức nhiệt độ khác nhau. Và kết quả cho thấy nhiệt độ tăng thì thiệt hại mỏi tích lũy tăng và ngược lại. - Đề tài “Examining the Abrasion Behaviour of PA66 Gears in Different Cycles” (Kiểm tra hành vi mài mòn của bánh răng PA66 trong các chu kỳ khác nhau) - năm 2014 [18]  RifatYakut và Hayrettin Düzcükoglu đã thiết kế thử độ mỏi bánh răng chất liệu nhựa PA66 với sợi thủy tinh.

Để có được điều kiện làm việc lý tưởng với bánh răng loại nhựa, tải trọng răng và chu kỳ phải được chọn phù hợp. - Đề tài “Research on Fatigue Fracture Characterization of PC/ABS Blend” (Nghiên cứu đặc tính vết nứt mỏi của hỗn hợp PC/ABS) – năm 2015 [16]  Tác giả Ming-Hsiung Ho và đồng nghiệp đã nghiên cứu các vết nứt mỏi của hỗn hợp PC/ABS. Đây là hỗn hợp nhựa được sử dụng nhiều trong nội thất xe ô tô, các bộ phận điện tử. Những mẫu thử được tạo ra trong các điều kiện ép phun khác nhau như nhiệt độ nóng chảy nhựa, nhiệt độ khuôn, thời gian phun.

6  Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng thông số ép phun cho tốc độ lan truyền vết nứt mỏi thấp nhất là nhiệt độ nóng chảy 260°C, nhiệt độ khuôn 80°C, thời gian phun là 2 giây. Thông số ép phun cho tốc độ lan truyền vết nứt mỏi nhanh nhất là nhiệt độ nóng chảy 280°C, nhiệt độ khuôn 80°C, thời gian phun là 2 giây. Thể hiện ở hình 1. 7: So sánh tốc độ lan truyền vết nứt của 3 điều kiện phun ép - Đề tài “Fatigue properties of abs thermoplastics used in exterior lighting” (Đặc tính mỏi của nhựa nhiệt dẻo ABS được sử dụng ngoài trời) – năm 2016.

[9]  Tác giả Samet Caliskan và cộng sự đã thực hiện thử nghiệm mỏi đơn trục cho mẫu nhựa ABS hình 1.8 với mẫu có lỗ với ba tỷ số R khác nhau ( min / max = 0,1, 0,4 và 0,7) được thực hiện với tần số 5 Hz. Đối với mỗi tỉ lệ R, có sáu mức tải tác động khác nhau được áp dụng và kết quả thí nghiệm được thu thập dựa vào tiêu chuẩn ASTM D7791 - 17. Kết quả cho thấy giá trị tải tăng thì chu kỳ mỏi giảm và hệ số R = 0,7 cho kết quả tốt nhất. 8: Đường cong S-N của ABS theo thang đo log-log cho ba tỷ lệ R khác nhau (0,1, 0,4 và 0,7).

- Đề tài “Quantification of flexural fatigue life and 3D damage in carbon fibre reinforced polymer laminates” (Định lượng tuổi thọ mỏi uốn và thiệt hại 3D của tấm nhựa gia cường sợ carbon) –Năm 2016 [21]  Tác giả đã nghiên cứu với vật liệu polymer cốt sợi carbon với bố cục đối xứng trình tự [+ 45 / -45 / 0] 2s, đây là vật liệu thường được sử dụng ở các turbin gió.  Tuổi thọ mỏi uốn có thể được xác định một cách định lượng theo chu kỳ khi mô đun tiếp tuyến theo dõi suy giảm 21%. Tuổi thọ mỏi của tấm CFRP được thể hiện qua hàm phân phối hai tham số Weibull. Kết hợp với mô hình Sigmoidal, phương pháp phân tích Weibull đáng tin cậy dự đoán tuổi thọ mỏi.

- Đề tài “Fatigue strength of bovine articular cartilage-on bone under three- point bending: the effect of loading frequency” (Độ bền mỏi của khớp xương sụn dưới uốn ba điểm: ảnh hưởng của tần số tải) – năm 2017 [12]  Tác giả H.