Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nƣớc 1.1 Ngoài nước Hiện nay, trong lĩnh vực khuôn phun ép nhựa, điều khiển nhiệt độ khuôn tối ưu là một trong những cách hiệu quả nhất nhằm nâng cao chất lượng bề mặt khuôn [1, 2]. Nhìn chung, nếu nhiệt độ bề mặt lòng khuôn cao, quá trình điền đầy nhựa sẽ được dễ dàng hơn, và trong hầu hết các trường hợp, chất lượng bề mặt sản phẩm sẽ được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ của các tấm khuôn tăng cao, quá trình giải nhiệt của khuôn nhựa sẽ bị kéo dài, và chu kỳ phun ép sẽ tốn nhiều thời gian, giá thành sản phẩm cũng sẽ gia tăng. Vì vậy, mục tiêu quan trọng của quá trình điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép là: gia nhiệt cho bề mặt khuôn đến nhiệt độ yêu cầu, nhưng vẫn đảm bảo thời gian chu kỳ phun ép không quá dài.
Dựa vào ảnh hưởng nhiệt độ lên tấm khuôn, quá trình gia nhiệt cho khuôn phun ép được chia làm 2 nhóm chính: gia nhiệt cả tấm khuôn (volume heating) và gia nhiệt cho bề mặt khuôn (surface heating). Trong nhóm thứ nhất, phương pháp gia nhiệt bằng hơi nước (steam heating) (Hình 1.1) có thể đạt được tốc độ gia nhiệt từ 1oC/s đến 3oC/s [3]. Độ gia nhiệt theo phương pháp này không được đánh giá cao và quá trình giải nhiệt cho khuôn cũng sẽ gặp nhiều khó khăn. Trong nghiên cứu khác, tốc độ gia nhiệt được cải tiến đáng kể khi phương pháp gia nhiệt cho bề mặt khuôn được sử dụng.
Quá trình điền đầy của nhựa vào lòng khuôn được cải thiện khi bề mặt khuôn được phủ 1 lớp cách nhiệt. Phương pháp này có thể tăng nhiệt độ bề mặt khuôn lên khoảng 25oC [4, 5]. Sau đó, hệ thống gia nhiệt bằng tia hồng ngoại (infrared heating), (hình 1.2), được nghiên cứu và ứng dụng cho khuôn phun ép nhựa [6, 7]. 1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Steam Steam Source Steam Recovery Recovery Air Source Valve exchange Air AirRecovery recovery unit Cool Water Water Source Water Recovery Recovery MOLD CONTROL SYSTEM Hình 1.1 Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng hơi nước (Steam heating) Hình 1.2 Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngoại (infrared heating system) 2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Ngoài ra, nhằm đáp ứng yêu cầu gia nhiệt cho các bề mặt phức tạp, phương pháp thổi khí nóng vào lòng khuôn (gas heating) đã được nghiên cứu và đánh giá [8, 9].
Với phương pháp này, nhiệt độ bề mặt khuôn có thể được tăng từ 60oC đến 120oC trong thời gian 2 giây. Tuy nhiên, quá trình gia nhiệt này sẽ đạt tới trạng thái bảo hòa khi thời gian gia nhiệt kéo dài hơn 4 giây. Ưu điểm của phương pháp thổi khí nóng vào lòng khuôn (gas heating) là tốc độ gia nhiệt rất cao, và thời gian chu kỳ của sản phẩm sẽ được rút ngắn. Tuy nhiên, thiết kế của khuôn phun ép (Hình 1.3) cần được thực hiện lại nhằm tích hợp hệ thống gia nhiệt vào.3 Phương pháp gia nhiệt cho khuôn bằng dòng khí nóng (Gas heating) Trong phương pháp gia nhiệt bề mặt (surface heating), phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ (induction heating) đã được ứng dụng nhằm hạn chế độ cong vênh, co rút, làm mờ đường hàn (welding line), cũng như các khuyết tật khác của sản phẩm nhựa.
3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Hình 1.4 Phương pháp gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ (Induction heating) Trong các nghiên cứu mới đây, phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ (Hình 1.4) được kết hợp với lưu chất giải nhiệt nhằm điều khiển nhiệt độ khuôn. Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ có những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp khác như: - Tốc độ gia nhiệt cao - Thời gian gia nhiệt có thể kéo dài đến 20 giây - Có thể ứng dụng cho khuôn phun ép như một module đính kèm, nghĩa là không cần thay đổi kết cấu khuôn có sẵn. Tuy nhiên, hiện nay, các thiết kế của cuộn dây gia nhiệt chỉ giới hạn ở dạng 2D, toàn bộ cuộn dây chỉ được bố trí trên 2 mặt phẳng. Điều này ảnh hưởng không tốt đến phân bố nhiệt độ trên bề mặt của khuôn.
Đây cũng là một trong những nguyên nhân làm tăng độ cong vênh của sản phẩm nhựa sau khi phun ép. Để khắc phục hiện tượng này, mô hình cuộn dây 3D được đề xuất nhằm nâng cao độ đồng đều về nhiệt độ của bề mặt khuôn và giảm cong vênh sản phẩm. 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 1.2 Trong nước: Hiện nay, các doanh nghiệp Việt Nam, các đề tài nghiên cứu về lĩnh vực nhựa đã có định hướng về nghiên cứu tối ưu hóa quá trình giải nhiệt cho khuôn phun ép nhằm giải quyết bài toán về chi phí sản xuất trong ngành nhựa. Trong quá trình tìm hiểu, các doanh nghiệp Việt Nam đang trong quá trình khai thác một số phần mềm chuyên dùng cho mô phỏng quá trình gia công nhựa như: C-Mold, Moldflow, Moldex3D,… Ngoài ra, trong nghiên cứu, đã có một số đề tài tìm hiểu và ứng dụng công cụ CAD – CAM – CAE được thực hiện như sau: - Luận văn tốt nghiệp cao học của học viên LÊ MINH TRÍ (ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM): “Tối ưu hóa giải nhiệt khuôn ép phun”.
Luận văn này đã đề cập đến cơ sở của việc thiết kế hệ thống giải nhiệt của khuôn ép phun dựa trên lý thuyết truyền nhiệt, ứng dụng phương pháp này để tính toán hệ thống giải nhiệt cho sản phẩm là một tấm mỏng, sau đó sử dụng phần mềm Moldflow để mô phỏng, kiểm tra kết quả. Tuy nhiên, nội dung đề tài này chưa đưa ra được phương pháp tối ưu cho việc thiết kế hệ thống giải nhiệt, và việc tính toán, mô phỏng chỉ dừng lại ở một chi tiết quá đơn giản, chưa phù hợp với yêu cầu thực tế. - Luận văn tốt nghiệp cao học của học viên NGUYỄN VĂN THÀNH (ĐH Bách Khoa TP HCM): “Nghiên cứu xây dựng qui trình thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun nhựa theo công nghệ CAD / CAE”. Luận văn này đã đề cập đến lý thuyết truyền nhiệt và ứng dụng nó trong khuôn ép phun, nhằm xác định kích thước và phân bố hệ thống làm nguội, xây dựng được qui trình thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun theo công nghệ CAD / CAE, áp dụng qui trình này cho sản phẩm là khuôn vỏ bình nước nóng.
- Đề tài nghiên cứu khoa học – công nghệ, PGS.TS ĐOÀN THỊ MINH TRINH đã thực hiện đề tài : “Ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CAE, xác định thông số miệng phun, vùng dồn nén khí, kích thước kênh dẫn nhựa, hệ thống giải nhiệt hợp lý cho khuôn ép phun nhựa” (thuộc chương trình “Nghiên cứu tự động hóa” của 5 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP thành phố), thực hiện trong thời gian 9-2003 đến 8-2004, nghiệm thu ngày 30-8- 2004. Tuy nhiên, đến hiện nay, lĩnh vực điều khiển nhiệt độ khuôn chỉ được hiểu và thực hiện theo hướng giải nhiệt cho khuôn, với mục tiêu quan trọng nhất là làm nguội khuôn trong thời gian ngắn nhất. Ngược lại, quá trình gia nhiệt cho khuôn vẫn chưa được quan tâm đúng mức. Do đó, thực trạng của sản xuất sản phẩm nhựa tại Việt Nam chỉ dừng lại ở nhóm các sản phẩm đơn giản, chất lượng thấp, và chủ yếu tập trung vào lĩnh vực hàng tiêu dùng.2 Tính cấp thiết của đề tài Như đã trình bày ở trên, việc thiết kế hệ thống khuôn ép nhựa nói chung và thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ nói riêng là một quá trình phức tạp, đòi hỏi tốn nhiều chi phí và thời gian.
Hiện nay, việc thiết kế hệ thống làm nguội được thực hiện theo 2 phương pháp: - Thiết kế theo kinh nghiệm. - Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (sử dụng công cụ CAE). Tuy nhiên, cả hai phương pháp này đều tập trung chủ yếu vào quá trình giải nhiệt cho khuôn. Do đó, đa số các công ty sản xuất sản phẩm nhựa tại Việt Nam chỉ dừng lại ở nhóm các sản phẩm đơn giản, chất lượng thấp, và chủ yếu tập trung vào lĩnh vực hàng tiêu dùng.
Ngoài ra, các phương án giải quyết các vấn đề về cong vênh, đường hàn, chất lượng bề mặt… vẫn còn rất hạn chế và tốn nhiều chi phí trong qua trình gia công.3 Mục tiêu đề tài, đối tƣợng nghiên cứu 1.1 Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu phương pháp gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa theo nguyên lý gia nhiệt bề mặt bằng cảm ứng từ với các mục tiêu như sau: 6 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP - Tốc độ gia nhiệt đủ nhanh (sau 3-5 giây, nhiệt độ bề mặt khuôn đạt tới nhiệt độ > 100oC) - Phân bố nhiệt độ trên bề mặt khuôn ứng với các thiết kế khác nhau của cuộn dây. - Phân tích, mô phỏng quá trình gia nhiệt nhằm dự đoán phân bố nhiệt độ ứng với các thiết kế khác nhau của cuộn dây 1.2 Đối tượng nghiên cứu Mô hình gia nhiệt cho tấm khuôn phun ép bao gồm: - Hệ thống điều khiển nhiệt độ cho khuôn bằng nước - Hệ thống dẫn nước giải nhiệt trong lòng khuôn - Tấm khuôn - Phương pháp mô phỏng nhằm dự đoán kết quả gia nhiệt cho bề mặt khuôn.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài 1.1 Nhiệm vụ nghiên cứu - Thu thập và phân tích tài liệu về kỹ thuật điều khiển nhiệt độ cho khuôn phun ép gồm 2 nhóm chính: Giải nhiệt cho khuôn Gia nhiệt cho khuôn - Tìm hiểu các yêu cầu về kết cấu khuôn ứng với phương pháp điều khiển nhiệt độ theo nguyên lý cảm ứng từ - Phân tích và đề xuất các thiết kế cho cuộn dây trong hệ thống gia nhiệt bằng cảm ứng từ cho khuôn phun ép - Mô phỏng các thiết kế của cuộn dây và chọn ra các thiết kế khả thi - Thực nghiệm nhằm kiểm chứng các kết quả phân tích, mô phỏng 7 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP - Tổng kết và đưa ra các phương án tối ưu hóa 1.2 Giới hạn đề tài: - Tấm khuôn mẫu kích thước : 100x100x30 mm3 - Hệ thống điều khiển nhiệt độ cho khuôn bằng nước : 25oC 90oC - Quá trình gia nhiệt cho khuôn đạt nhiệt độ cao nhất: 110oC 1.5 Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu 1. Cách tiếp cận Sử dụng phương pháp định lượng trong quá trình tính toán, phân tích mô phỏng kết hợp với thực nghiệm nhằm kiểm chứng kết quả. Phương pháp nghiên cứu 1.1 Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu: Thu thập, phân tích và biên dịch tài liệu liên quan tới kỹ thuật gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa: đảm bảo tính đa dạng, đa chiều và tận dụng được các kết quả của các nghiên cứu mới nhất, phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài 1.