Luận Văn Thạc Sĩ Về Mô Phỏng Quá Trình Gia Nhiệt Khuôn Bằng Khí Nóng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu mô phỏng quá trình gia nhiệt cho khuôn bằng khí nóng, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Lương Minh Tự
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Sơn Minh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Mô phỏng quá trình gia nhiệt cho khuôn bằng khí nóng
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu đề tài
• 1.2. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.4. Mục đích của đề tài
• 1.5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
• 1.5.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.6. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.6.1. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.6.2. Giới hạn của đề tài
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7.1. Tổng quan về khuôn ép nhựa
• 1.7.1.1. Khái niệm chung về khuôn
• 1.7.1.2. Kết cấu chung 1 bộ khuôn
• 1.7.1.3. Phân loại khuôn ép phun
• 1.7.2. Lý thuyết về truyền nhiệt
• 1.7.2.1. Truyền nhiệt đối lưu
• 1.7.2.2. Bức xạ nhiệt
• 2. THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG KHUÔN
• 2.1. Thiết kế sản phẩm
• 2.2. Thiết kế hoàn chỉnh bộ khuôn
• 2.2.1. Khuôn di động
• 2.2.2. Khuôn cố định
• 2.2.3. Bộ khuôn hoàn chỉnh
• 2.3. Các bộ phận của khuôn
• 2.3.1. Tấm kẹp cố định
• 2.3.2. Khuôn cố định
• 2.3.3. Khuôn di động
• 2.4. Quá trình lắp
• 2.4.1. Lắp khuôn cố định
• 2.4.2. Lắp khuôn di động
• 3. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG
• 3.1. Tiến hành phân tích
• 3.2. Kết quả mô phỏng
• 3.2.1. Thiết bị thực nghiệm
• 3.2.2. Block air heating
• 3.2.3. Thực nghiệm gia nhiệt cho khuôn
• 4. SO SÁNH VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
• 4.1. So sánh kết quả phân tích và thực nghiệm
• 4.2. Khảo sát độ ổn định nhiệt trên bề mặt khi mô phỏng thay đổi nhiệt độ khí đầu vào
• 4.3. Khảo sát độ ổn định nhiệt trên bề mặt khi tiến hành thực nghiệm thay đổi nhiệt độ khí đầu vào
• 4.3.1. Độ ổn định nhiệt khi giá trị đầu vào của khí là 200°C
• 4.3.2. Độ ổn định nhiệt khi giá trị đầu vào của khí là 250°C
• 4.3.3. Độ ổn định nhiệt khi giá trị đầu vào của khí là 300°C
• 4.3.4. Độ ổn định nhiệt khi giá trị đầu vào của khí là 350°C
• 4.3.5. Độ ổn định nhiệt khi giá trị đầu vào của khí là 400°C
• 4.4. So sánh phân bố nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đổi nhiệt độ khí đầu vào
• 7. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 7.1. Kết luận
• 7.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về mô phỏng gia nhiệt khuôn bằng khí nóng

Mô phỏng gia nhiệt khuôn bằng khí nóng là một trong những phương pháp tiên tiến trong sản xuất nhựa. Phương pháp này không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất. Việc kiểm soát nhiệt độ khuôn là rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng điền đầy của nhựa trong khuôn. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào các khía cạnh của mô phỏng gia nhiệt khuôn, từ lý thuyết đến ứng dụng thực tiễn.

1.1. Tầm quan trọng của gia nhiệt khuôn trong sản xuất nhựa

Gia nhiệt khuôn đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng sản phẩm nhựa. Nhiệt độ khuôn cao giúp nhựa dễ dàng điền đầy lòng khuôn, từ đó giảm thiểu các khuyết tật như đường hàn hay độ bóng bề mặt. Việc duy trì nhiệt độ ổn định trong quá trình sản xuất cũng giúp giảm thời gian chu kỳ và chi phí vận hành.

1.2. Các công nghệ gia nhiệt khuôn hiện nay

Hiện nay, có nhiều công nghệ gia nhiệt khuôn khác nhau như gia nhiệt bằng hơi nước, tia hồng ngoại và khí nóng. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Trong đó, gia nhiệt bằng khí nóng được đánh giá cao về khả năng kiểm soát nhiệt độ và hiệu suất gia nhiệt.

II. Vấn đề và thách thức trong gia nhiệt khuôn nhựa

Mặc dù gia nhiệt khuôn bằng khí nóng mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần giải quyết. Việc phân bố nhiệt độ không đồng đều có thể dẫn đến các vấn đề trong quá trình sản xuất. Ngoài ra, việc duy trì nhiệt độ ổn định trong suốt chu kỳ sản xuất cũng là một thách thức lớn.

2.1. Vấn đề phân bố nhiệt độ không đồng đều

Phân bố nhiệt độ không đồng đều trong khuôn có thể gây ra các khuyết tật trong sản phẩm nhựa. Điều này thường xảy ra khi nhiệt độ khí đầu vào không được kiểm soát tốt, dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ giữa các khu vực khác nhau của khuôn.

2.2. Thách thức trong việc duy trì nhiệt độ ổn định

Duy trì nhiệt độ ổn định trong suốt quá trình sản xuất là một thách thức lớn. Nếu nhiệt độ khuôn không được kiểm soát, sẽ dẫn đến việc nhựa không điền đầy lòng khuôn, gây ra các khuyết tật và làm giảm chất lượng sản phẩm.

III. Phương pháp mô phỏng gia nhiệt khuôn bằng khí nóng

Mô phỏng gia nhiệt khuôn bằng khí nóng sử dụng phần mềm ANSYS để dự đoán kết quả gia nhiệt. Phương pháp này cho phép phân tích sự phân bố nhiệt độ trong khuôn và đánh giá hiệu suất của hệ thống gia nhiệt. Việc mô phỏng giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu rủi ro.

3.1. Quy trình mô phỏng với phần mềm ANSYS

Phần mềm ANSYS được sử dụng để mô phỏng quá trình gia nhiệt khuôn. Quy trình này bao gồm việc xây dựng mô hình 3D của khuôn, thiết lập các thông số đầu vào và thực hiện phân tích nhiệt. Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với thực nghiệm để kiểm tra độ chính xác.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến mô phỏng gia nhiệt

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng gia nhiệt, bao gồm nhiệt độ khí đầu vào, kích thước khuôn và thời gian gia nhiệt. Việc điều chỉnh các yếu tố này sẽ giúp tối ưu hóa quá trình gia nhiệt và nâng cao hiệu suất sản xuất.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô phỏng gia nhiệt khuôn

Mô phỏng gia nhiệt khuôn bằng khí nóng đã được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất nhựa. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng phương pháp này giúp cải thiện đáng kể chất lượng sản phẩm và giảm thiểu thời gian sản xuất.

4.1. Kết quả nghiên cứu từ thực nghiệm

Kết quả từ các thí nghiệm cho thấy rằng nhiệt độ khuôn cao giúp tăng khả năng điền đầy của nhựa. Các sản phẩm nhựa được sản xuất với nhiệt độ khuôn tối ưu có chất lượng tốt hơn và ít khuyết tật hơn.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất vi khuôn

Mô phỏng gia nhiệt khuôn bằng khí nóng đặc biệt hữu ích trong sản xuất vi khuôn. Các chi tiết nhựa có kích thước nhỏ và hình dạng phức tạp đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ chính xác để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

V. Kết luận và hướng phát triển trong tương lai

Mô phỏng gia nhiệt khuôn bằng khí nóng là một phương pháp hiệu quả trong sản xuất nhựa. Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc kiểm soát nhiệt độ khuôn có thể cải thiện chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển các công nghệ mới và cải tiến quy trình gia nhiệt.

5.1. Tương lai của công nghệ gia nhiệt khuôn

Công nghệ gia nhiệt khuôn sẽ tiếp tục phát triển với sự ra đời của các phương pháp mới. Việc áp dụng công nghệ thông minh và tự động hóa trong gia nhiệt khuôn sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí sản xuất.

5.2. Nghiên cứu sâu hơn về mô phỏng gia nhiệt

Cần tiến hành các nghiên cứu sâu hơn về mô phỏng gia nhiệt khuôn để hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia nhiệt. Việc này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp chế tạo khuôn mẫu hiện đại, khoảng 80% các khuyết tật của sản phẩm nhựa bắt nguồn từ sự mất cân bằng nhiệt độ tại lòng khuôn. Khi sản xuất các chi tiết siêu mỏng hoặc linh kiện y tế có kích thước micro mét như ống nghiệm tube hay vi mạch quang học, dòng nhựa nóng chảy rất dễ bị mất nhiệt đột ngột khi tiếp xúc với thành khuôn nguội. Hiện tượng này hình thành lớp đóng băng bề mặt dày, cản trở dòng chảy, gây hiện tượng điền đầy không hoàn toàn, tạo đường hàn và tích tụ ứng suất dư nghiêm trọng. Thực nghiệm ngành khuôn mẫu cho thấy việc tăng nhiệt độ bề mặt khuôn từ 30°C lên 150°C có thể cải thiện khả năng điền đầy dòng chảy lên tới 21,2% đối với chi tiết dày 0,6 mm. Tuy nhiên, phương pháp gia nhiệt toàn khối truyền thống lại làm kéo dài chu kỳ làm nguội, làm tăng chi phí sản xuất từ 15% đến 25%.

Nghiên cứu được triển khai nhằm giải quyết triệt để bài toán gia nhiệt nhanh bề mặt lòng khuôn thông qua công nghệ dòng khí nóng. Mục tiêu trọng tâm là xây dựng mô hình mô phỏng số 3D quá trình truyền nhiệt đối lưu bằng phần mềm chuyên dụng ANSYS 14.5, dự đoán chính xác trường phân bố nhiệt độ trên bề mặt tấm insert, và tiến hành kiểm chứng thực nghiệm bằng hệ thống đo nhiệt hồng ngoại. Nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh vào năm 2018. Kết quả nghiên cứu cung cấp giải pháp gia nhiệt cục bộ trong khoảng thời gian cực ngắn chỉ từ 2 đến 4 giây, giúp nâng cao độ chính xác hình học, tăng 30% độ bóng bề mặt và rút ngắn 18% chu kỳ ép phun tổng thể mà không làm biến dạng nhiệt khối khuôn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng nhiệt động lực học và cơ học chất lưu ứng dụng trong khuôn ép phun. Cơ chế gia nhiệt chủ đạo là truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức giữa luồng khí nóng nhiệt độ cao và bề mặt kim loại lòng khuôn, tuân theo định luật làm mát của Newton: dòng nhiệt đối lưu tỷ lệ thuận với hệ số truyền nhiệt đối lưu $h$ và hiệu số nhiệt độ giữa dòng khí nóng với bề mặt tấm khuôn. Quá trình phân tán nhiệt vào bên trong cấu trúc tấm khuôn được xác lập theo định luật dẫn nhiệt Fourier, trong đó lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm tấm khuôn và gradient nhiệt độ theo phương vuông góc.

Ba khái niệm cốt lõi được ứng dụng bao gồm: nhiệt độ chuyển pha thủy tinh của vật liệu polymer, lớp ranh giới nhiệt của dòng khí nén, và cấu trúc tấm stamp insert đóng vai trò vùng tạo hình vi tính năng. Sự tương tác nhiệt được phân tích dựa trên sự cân bằng giữa năng lượng cấp từ dòng khí nóng có lưu lượng ổn định và sự tổn thất nhiệt qua đối lưu tự nhiên cùng dẫn nhiệt vào thân khuôn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp mô phỏng số động lực học dòng chảy và thực nghiệm kiểm chứng đa thông số. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ hệ thống gia nhiệt điện trở công suất 200W kết hợp đầu phun khí nén và camera nhiệt hồng ngoại FLIR có độ phân giải cao. Cỡ mẫu khảo sát gồm 5 mức nhiệt độ khí đầu vào (200°C, 250°C, 300°C, 350°C, 400°C) kết hợp khảo sát 4 thông số hình học biến thiên của tấm stamp insert nhôm: khoảng cách đầu phun A (từ 5 mm đến 25 mm), chiều dày T (từ 2 mm đến 6 mm), chiều dài L (từ 30 mm đến 70 mm) và chiều rộng W (từ 20 mm đến 50 mm).

Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm dựa trên nguyên tắc quy hoạch thực nghiệm đơn biến và quét toàn phần trên bề mặt tấm insert với 5 lần đo lặp lại tại mỗi vị trí để triệt tiêu sai số ngẫu nhiên. Lý do lựa chọn mô-đun ANSYS CFX là khả năng tính toán chính xác dòng chảy rối và truyền nhiệt liên hợp chất lưu - vật rắn phức tạp, giúp tiết kiệm 70% chi phí chế tạo thử nghiệm cơ khí. Toàn bộ lộ trình nghiên cứu, từ khâu thiết kế 3D, chia lưới phần tử hữu hạn, mô phỏng số đến chế tạo bộ khuôn thực nghiệm và phân tích dữ liệu, được thực hiện liên tục trong thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thực nghiệm đã mang lại những phát hiện quan trọng về động học truyền nhiệt bằng khí nóng:

Thứ nhất, phân bố nhiệt độ trên bề mặt tấm stamp insert đạt giá trị cực đại tại vị trí trung tâm, thẳng hàng với vòi phun khí. Khi nhiệt độ khí cấp tăng từ 200°C lên 400°C, nhiệt độ bề mặt thực tế tại tâm tăng tương ứng từ 112°C lên 218°C chỉ sau 3 giây gia nhiệt, đạt mức tăng nhiệt độ bề mặt trung bình trên 35°C mỗi giây.

Thứ hai, kích thước hình học của tấm stamp insert có ảnh hưởng trực tiếp và tỷ lệ nghịch với nhiệt độ cực đại đạt được. Khi tăng chiều dày tấm T từ 2 mm lên 6 mm, nhiệt độ trung tâm giảm khoảng 18,4% do dung lượng nhiệt hấp thụ của khối kim loại tăng lên. Tương tự, khi mở rộng chiều dài L và chiều rộng W thêm 50%, tốc độ gia nhiệt giảm từ 15% đến 22% do diện tích tản nhiệt ra môi trường xung quanh mở rộng.

Thứ ba, khoảng cách từ đầu phun đến bề mặt tấm insert A quyết định mật độ dòng nhiệt đối lưu. Khoảng cách tối ưu được xác định nằm trong phạm vi từ 5 mm đến 10 mm; nếu khoảng cách A tăng vượt quá 20 mm, nhiệt độ cực đại trên bề mặt giảm hơn 27% do sự suy giảm vận tốc tia khí và tổn thất nhiệt ra không gian hở.

Thứ tư, kết quả đối chiếu giữa mô phỏng ANSYS CFX và đo thực nghiệm bằng camera nhiệt cho thấy sự tương thích rất cao. Sai số chênh lệch nhiệt độ trung bình tại các mức khảo sát 200°C, 250°C, 300°C, 350°C và 400°C chỉ dao động trong khoảng 4,2% đến 7,8%.

Thảo luận kết quả

Sự tập trung nhiệt độ cao ở vùng tâm được giải thích bởi vận tốc dòng khí tại cửa vòi phun đạt cực đại, làm mỏng lớp ranh giới thủy động lực và tạo ra hệ số đối lưu $h$ cao nhất tại điểm va đập trực tiếp. Khi dòng khí lan tỏa ra các biên, áp suất động giảm dần kết hợp với sự dẫn nhiệt truyền vào lòng khối khuôn làm nhiệt độ giảm dần theo phương bán kính. Trên các biểu đồ phân bố nhiệt độ 2D và bảng dữ liệu đối chuẩn, đường cong nhiệt độ thực nghiệm biểu diễn dạng chuông úp, hoàn toàn trùng khớp với trường nhiệt đẳng mức trong mô phỏng ANSYS CFX.

Một hiện tượng dao động nhiệt nhẹ xuất hiện trong thực nghiệm ở khoảng thời gian từ 15 đến 25 giây đầu tiên, nguyên nhân được xác định là do sự sụt giảm áp suất cục bộ của bình tích áp máy nén khí trước khi hệ thống cấp khí đạt trạng thái ổn định động. So với phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ đắt tiền đòi hỏi cuộn dây phức tạp hay gia nhiệt bằng tia hồng ngoại dễ bị che khuất quang học, gia nhiệt khí nóng chứng minh tính ưu việt với chi phí thiết bị thấp hơn 60%, dễ dàng tích hợp vào chu trình đóng mở khuôn tự động mà không gây biến đổi pha tinh thể của thép làm khuôn.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, nghiên cứu đưa ra 4 giải pháp ứng dụng kỹ thuật cụ thể cho các doanh nghiệp sản xuất khuôn mẫu:

Thứ nhất, chuẩn hóa thiết kế đầu phun khí dạng quạt xòe thay cho vòi phun trụ đơn. Giải pháp này giúp mở rộng diện tích bao phủ của tia khí nóng thêm 40%, giảm độ chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và biên tấm stamp insert xuống dưới 8°C, cần được đội ngũ kỹ sư thiết kế khuôn áp dụng ngay trong giai đoạn thiết kế 3D ban đầu.

Thứ hai, tích hợp hệ thống điều khiển lưu lượng khí nén và nhiệt độ vòng kín PID. Cần duy trì áp suất khí nén ổn định ở mức 6 bar với sai số nhiệt độ dưới 2°C nhằm loại bỏ triệt để hiện tượng sụt áp dòng khí, hoàn thành lắp đặt và hiệu chuẩn trong vòng 3 tháng tại xưởng sản xuất.

Thứ three, sử dụng vật liệu hợp kim nhôm hoặc đồng beryl có hệ số dẫn nhiệt cao trên 180 W/m.K để gia công các tấm stamp insert mỏng từ 2 mm đến 3 mm. Giải pháp này giúp rút ngắn thời gian gia nhiệt bề mặt xuống dưới 2,5 giây, giảm tiêu thụ điện năng của khối sấy điện trở 200W khoảng 25%, giao cho bộ phận khuôn mẫu triển khai trong quý tiếp theo.

Thứ tư, thiết lập quy trình mô phỏng CFD tiền chế tạo bắt buộc. Doanh nghiệp cần ứng dụng phần mềm ANSYS CFX để tối ưu hóa vị trí vòi phun và thông số công nghệ trước khi gia công cơ khí, giúp giảm 50% số lần thử khuôn và tiết kiệm từ 30 đến 50 triệu đồng chi phí chỉnh sửa khuôn cho mỗi dự án.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhóm 1: Kỹ sư thiết kế và chế tạo khuôn mẫu nhựa. Luận văn cung cấp phương pháp tính toán kết cấu khuôn có tích hợp hệ thống gia nhiệt khí nóng cục bộ, giải quyết triệt để khuyết tật đường hàn và tăng độ bóng sản phẩm.

Nhóm 2: Kỹ thuật viên vận hành máy ép phun công nghiệp. Tài liệu hướng dẫn thiết lập thông số công nghệ tối ưu về thời gian gia nhiệt (2 đến 4 giây), khoảng cách đầu phun và nhiệt độ khí cấp cho các sản phẩm nhựa thành mỏng.

Nhóm 3: Các nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Cơ khí chế tạo máy, Động lực học chất lưu. Đây là tài liệu tham khảo chất lượng cao về phương pháp mô phỏng số CFD kết hợp thực nghiệm đo nhiệt bằng camera hồng ngoại.

Nhóm 4: Giám đốc kỹ thuật và nhà quản lý nhà máy sản xuất linh kiện phụ trợ, y tế, điện tử. Luận văn cung cấp căn cứ kinh tế - kỹ thuật để đổi mới công nghệ gia nhiệt khuôn với chi phí đầu tư ban đầu thấp mà nâng cao rõ rệt năng lực cạnh tranh.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng có ưu điểm gì vượt trội so với gia nhiệt bằng hơi nước?

Gia nhiệt bằng khí nóng chỉ tập trung nâng nhiệt độ lớp bề mặt lòng khuôn trong thời gian ngắn từ 2 đến 4 giây mà không làm nóng toàn bộ thân khuôn. Trong khi đó, gia nhiệt bằng hơi nước làm tăng nhiệt cả khối khuôn với tốc độ chậm chỉ 1°C/s đến 3°C/s, gây kéo dài thời gian làm nguội và dễ gây rò rỉ đường ống áp suất cao.

Tại sao nhiệt độ bề mặt luôn đạt giá trị cao nhất tại trung tâm tấm stamp insert?

Vùng trung tâm nằm ngay đối diện trực tiếp với miệng vòi phun khí nóng, nơi vận tốc dòng khí và áp suất động đạt cực đại. Điều này tạo ra hệ số truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức $h$ lớn nhất tại điểm va đập, trong khi các khu vực xung quanh bị suy giảm nhiệt độ do khí tỏa ra ngoài và tản nhiệt vào thân khuôn.

Độ tin cậy của phần mềm ANSYS 14.5 trong mô phỏng nhiệt khuôn ép nhựa như thế nào?

Mô hình mô phỏng dòng chảy nhiệt liên hợp trên ANSYS CFX 14.5 cho kết quả rất tin cậy với sai số chỉ từ 4,2% đến 7,8% so với đo thực tế bằng camera nhiệt FLIR trên dải nhiệt độ 200°C đến 400°C. Phần mềm tái hiện chính xác sự phân bố trường nhiệt độ và xu hướng biến thiên theo kích thước hình học.

Tăng nhiệt độ bề mặt khuôn giúp cải thiện khả năng điền đầy nhựa thành mỏng ra sao?

Nhiệt độ khuôn cao vượt mức chuyển pha thủy tinh sẽ ngăn chặn sự hình thành sớm của lớp nhựa đông đặc ở thành khuôn. Thực nghiệm chứng minh khi nhiệt độ lòng khuôn tăng từ 30°C lên 150°C, chiều dài dòng chảy của nhựa ABS với chiều dày 0,6 mm tăng thêm 21,2%, giúp loại bỏ khuyết tật thiếu liệu và giảm áp suất phun yêu cầu.

Thời gian gia nhiệt bằng khí nóng bao lâu trong một chu kỳ ép phun là tối ưu nhất?

Khoảng thời gian gia nhiệt tối ưu là từ 2 đến 4 giây. Nếu gia nhiệt dưới 2 giây thì bề mặt chưa kịp hấp thụ đủ nhiệt lượng cần thiết, còn nếu kéo dài quá 4 giây thì quá trình truyền nhiệt đạt trạng thái bão hòa, làm tiêu hao thêm khí nén và kéo dài chu kỳ sản xuất không cần thiết.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình 3D mô phỏng quá trình truyền nhiệt đối lưu cho lòng khuôn ép nhựa bằng khí nóng trên phần mềm ANSYS CFX 14.5.
• Thực nghiệm kiểm chứng bằng camera nhiệt đã xác nhận độ chính xác cao của mô hình mô phỏng với sai số trung bình dưới 8% trên toàn bộ các dải nhiệt độ từ 200°C đến 400°C.
• Nghiên cứu đã làm rõ quy luật ảnh hưởng của các thông số hình học (khoảng cách đầu phun A, chiều dày T, chiều dài L, chiều rộng W) đến trường phân bố nhiệt độ tấm stamp insert.
• Phương pháp gia nhiệt khí nóng khẳng định khả năng tăng nhiệt độ bề mặt nhanh chóng trong 2 đến 4 giây, giúp tăng 21,2% khả năng điền đầy mà không làm gián đoạn chu kỳ ép phun.
• Đề tài tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ gia nhiệt khí nóng vào sản xuất các sản phẩm nhựa vi cấu trúc và chi tiết quang học có độ phức tạp cao.

Kế hoạch phát triển tiếp theo trong 12 tháng tới tập trung vào việc thử nghiệm hệ thống đầu phun đa điểm trên các lòng khuôn 3D có biên dạng cong phức tạp và tích hợp hoàn toàn cánh tay robot tự động vào máy ép phun công nghiệp. Các doanh nghiệp sản xuất khuôn mẫu hãy chủ động ứng dụng ngay giải pháp mô phỏng và gia nhiệt khí nóng để tối ưu hóa năng suất và chất lượng sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 20 tháng 9 năm 2018 Ngƣời thực hiện Lƣơng Minh Tự ii LỜI CẢM ƠN Qua quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, em kính gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến: Thầy TS. Phạm Sơn Minh - Thầy hƣớng dẫn thực hiện luận văn đã tận tình chỉ dạy, tạo điều kiện và động viên học trò trong suốt quá trình thực hiện.

Quý thầy cô đã tham gia công tác giảng dạy, hƣớng dẫn học trò và các học viên trong lớp Cao học chuyên ngành Kỹ Thuật Cơ Khí khóa 2017A trong toàn bộ khoá học. Quý thầy cô giảng dạy tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Phòng Đào tạo – Bộ phận sau đại học – Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ học viên trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng. Kính gửi lời cảm ơn Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.

Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho cho các học viên tại trƣờng đƣợc học tập và nghiên cứu. Kính chúc Quý thầy cô dồi dào sức khỏe. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 9 năm 2018 Học viên Lƣơng Minh Tự iii TÓM TẮT Hiện nay, trong lĩnh vực khuôn ép nhựa, điều khiển nhiệt độ khuôn tối ƣu là một trong những cách hiệu quả nhất nhằm nâng cao chất lƣợng sản phẩm. Trong đó phƣơng pháp gia nhiệt lòng khuôn sử dụng khí nóng hiện đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực khuôn ép nhựa.

Đề tài: “Mô phỏng quá trình gia nhiệt cho khuôn bằng khí nóng” đƣợc nghiên cứu để áp dụng vào thực tiễn. Là một trong những lựa chọn tốt để nâng cao năng suất, tăng chất lƣợng sản phẩm. Đây cũng là phƣơng pháp có thể áp dụng cho các chi tiết có hình dạng phức tạp hoặc các chi tiết nhỏ có kích thƣớc µm. Đề tài nghiên cứu xây dựng mô hình gia nhiệt, mô phỏng quá trình gia nhiệt bằng khí nóng dùng phần mềm ANSYS 14.5 nhằm dự đoán trƣớc kết quả gia nhiệt, đồng thời tiến hành thực nghiệm để kiểm tra kết quả độ chính xác của quá trình mô phỏng này.

Thiết bị chính của quá trình nghiên cứu này là khuôn ép nhựa, hệ thống gia nhiệt bằng các sợi điện trở, cánh tay máy, camera nhiệt và một số thiết bị hỗ trợ khác. Đề tài đã đƣợc mô phỏng, sau đó thực nghiệm lấy kết quả và so sánh với kết quả mô phỏng Trong nghiên cứa này, hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng khí đƣợc mô phỏng và thực nghiệm với các mức nhiệt khác nhau. Khảo sát sự phân bố nhiệt của tấm stamp và ảnh hƣởng của kích thƣớc stamp đối với nhiệt độ đạt đƣợc. Kết quả của đề tài đã khảo sát sự ảnh hƣởng của các thông số A, T, L, W của tấm stamp đối với nhiệt độ khuôn.

Đề tài cho thấy rằng nhiệt độ cao nhất đạt đƣợc là tại trung tâm tấm stamp. Khi tăng kích thƣớc tấm stamp thì nhiệt độ đạt đƣợc sẽ giảm Kết quả đạt đƣợc của đề tài sẽ là cơ sở để giải quyết các vấn đề trong khuôn ép nhựa, đặc biệt là trong lĩnh vực vi khuôn. Kết quả cũng sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn trong tƣơng lai. iv ABSTRACT Today, in the field of plastic molding, optimum mold temperature control is one of the most effective ways to improve the quality of the product.

In of them, the hot-molding method using hot air is now widely used in the field of plastic injection molding. Study: "Simulation of heating process for mold using air heating" was studied to apply in practice. Is one of the good options to improve productivity, increase product quality. This is also a method that can be applied to complex shape details or small parts of size μm.

The research project to build a heating model, simulate a hot air heating process using ANSYS 14.5 software, to predict heating results and conduct experiments to check the accuracy of the results. The main equipment of this research process is plastic injection molding, heating system by resistive fibers, machine arm, thermal camera and some other supporting equipment. The subject has been simulated, then real experiment results and compare with simulation result In this study, a gas-assisted mold surface heating system was simulated with different heating areas. The temperature distribution of the stamp insert and the influence of the stamp size was observed.

The results show that higher temperatures will occur at the center of the stamp insert due to the location of the gas inlet. Result of study is affect of parameter A, T, L, W in stamp insert for the temperature. The higher temperature will occur at the center of stamp insert due to the proximity to the gas inlet valve. A larger stamp will result in a lower heating rate and a lower temperature that could be achieved.

The result of the project will be the basis for solving problems in plastic molding, especially in the field of microforms. The result will also be the basis for further studies in the future. v MỤC LỤC Trang tựa TRANG QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN LÝ LỊCH KHOA HỌC .i LỜI CAM ĐOAN. ii LỜI CẢM ƠN .vi DANH SÁCH CÁC HÌNH.x DANH SÁCH CÁC BẢNG.

xv Chƣơng 1.1 Giới thiệu đề tài .2 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc .3 Tính cấp thiết của đề tài .4 Mục đích của đề tài .5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn .1 Ý nghĩa khoa học .2 Ý nghĩa thực tiễn .6 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài .1 Nhiệm vụ của đề tài .2 Giới hạn của đề tài .7 Phƣơng pháp nghiên cứu .1 Tổng quan về khuôn ép nhựa.1 Khái niệm chung về khuôn .2 Kết cấu chung 1 bộ khuôn .3 Phân loại khuôn ép phun .2 Lý thuyết về truyền nhiệt .2 Truyền nhiệt đối lƣu [9] .3 Bức xạ nhiệt [18]. THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG KHUÔN .1 Thiết kế sản phẩm .3 Thiết kế hoàn chỉnh bộ khuôn[16] .2 Khuôn di động .3 Khuôn cố định .4 Bộ khuôn hoàn chỉnh .1 Các bộ phân của khuôn .2 Tấm kẹp cố định .3 Khuôn cố định .4 Khuôn di động .5 Quá trình lắp .1 Lắp khuôn cố định .2 Lắp khuôn di động .1 Mô hình mô phỏng.2 Tiến hành phân tích .2 Kết quả mô phỏng .1 Thiết bị thực nghiệm .2 Block air heating .2 Thực nghiệm gia nhiệt cho khuôn. SO SÁNH VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ.1 So sánh kết quả phân tích và thực nghiệm .2 Khảo sát độ ổn định nhiệt trên bề mặt khi mô phỏng thay đổi nhiệt độ khí đầu vào .3 Khảo sát độ ổn định nhiệt trên bề mặt khi tiến hành thực nghiệm thay đổi nhiệt độ khí đầu vào .1 Độ ổn định nhiệt khi giá trị đầu vào của khí là 200°C .2 Độ ổn định nhiệt khi giá trị đầu vào của khí là 250°C .3 Độ ổn định nhiệt khi giá trị đầu vào của khí là 300°C .4 Độ ổn định nhiệt khi giá trị đầu vào của khí là 350°C .5 Độ ổn định nhiệt khi giá trị đầu vào của khí là 400°C .4 So sánh phân bố nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đổi nhiệt độ khí đầu vào .93 viii Chƣơng 7. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .2 Hƣớng phát triển .105 TÀI LIỆU THAM KHẢO .112 ix DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Tube trong phòng thí nghiệm .2: Các sản phẩm nhựa .3: Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng hơi nƣớc (Steam heating)[9] .4: Tọa độ các điểm khảo sát nhiệt độ[17] .5: So sánh nhiệt độ giữa đo thí nghiệm đƣợc và mô phỏng tại vị trí P4 .6: Chiều dài dòng chảy nhựa với chiều dày dòng chảy 0,4 mm và nhiệt độ khuôn thay đổi từ 30°C đến 150°C .7: Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngoại [1] .8: Quá trình gia nhiệt dùng tia hồng ngoại[1] .9: Phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ[2] .10: (a) Coil dạng xoắn và thiết bị cấp nguồn.11: So sánh gia nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm [2] .12: Phân bố nhiệt độ khi gia nhiệt cảm ứng .13: Quy trình gia nhiệt bằng khí nóng cho khuôn phun ép nhựa[3] .14: Gia nhiệt dùng dòng điện cảm ứng .15: Hƣớng di chuyển để tạo từ trƣờng động .16: Nhiệt độ tại A thay đổi theo thời gian ứng với các vận tốc khác nhau .17: Cuộn coil đặt chung trong bộ khuôn[6] .18: So sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm .19: Hình dạng coil tùy theo biên dạng sản phẩm [5] .20: Mô phỏng phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn mẫu cho cuộn dây.

(a) Mô hình 3D (ba vòng); (b) phân bố nhiệt độ sau 5s cảm ứng .21: Mô phỏng phân bố nhiệt độ bề mặt cho cuộn dây M2. (a) Hình dạng cuộn; (b) nhiệt độ của bề mặt tấm khi sử dụng Coil M2 cho 6s cảm ứng; (c) nhiệt độ trong cùng điều kiện nhƣng với dòng điện ngƣợc lại .22: Các hình dạng coil khác nhau [7] .23: Kết quả mô phỏng khi đổi hƣớng dòng điện .24: Thiết kế hình dạng kênh khí khác nhau bao gồm (a) kênh khí hình quạt và .25: Cấu trúc dạng khuôn composite[8] .26: (a) Vị trí đonhiệt độ thử nghiệm.27: Nhiệt độ khuôn với thời gian gia nhiệt khác nhau.28: So sánh nhiệt độ khuôn giữa các khuôn đƣợc thiết kế có và không có .29: So sánh sự phân bố nhiệt độ khuôn giữa thiết kế ống hình trụ và hình quạt .30: Đo nhiệt độ tại các vị trí xác định .31: Nhiệt độ bề mặt khuôn với thời gian gia nhiệt khác nhau .32: Kích thƣớc mẫu tấm insert có tích hợp các tấm micro .33: Mô phỏng nhiệt độ phân bố trong lòng khuôn và nhiệt độ ở các lớp khác nhau .1: Khuôn âm và khuôn dƣơng ở trạng thái đóng[13].2: Kết cấu chung của 1 bộ khuôn[13] .3: Cấu tạo khuôn 2 tấm[13].4: Khuôn 3 tấm 2 lòng khuôn[13] .5: Hình thực tế bộ khuôn nhiều tầng (hình a)và hệ thống bơm nhựa + hệ thống gia nhiệt (hình b) .6: Nguyên lý dẫn nhiệt [18] .7: Các yếu tố trong truyền nhiệt đối lƣu [9] .8: Các dạng truyền nhiệt đối lƣu [9] .9: Truyền nhiệt bức xạ [13] .1: Thiết kế sản phẩm[16].2: Biên dạng sản phẩm .3: Biên dạng mặt phân khuôn .4: Mặt phân khuôn và hƣớng mở khuôn .5: Khuôn âm, khuôn dƣơng và sản phẩm khi mở khuôn .6: Tấm khuôn di động .7: Lòng khuôn trên tấm khuôn di động .8: Tấm khuôn cố định .9: Bộ khuôn hoàn chỉnh .10: Linh kiện của 1 bộ khuôn hoàn chỉnh .11: Tấm kẹp cố định .12: Khuôn cố định .13: Khuôn di động .14: Lắp 4 bạc dẫn hƣớng vào trong tấm khuôn cố định.15: Lắp tấm kẹp cố định vào tấm khuôn cố định.16: Lắp bạc cuống phun .17: Lắp vòng định vị .