Mô Phỏng Phân Bố Nhiệt Độ Lòng Khuôn Phun Ép Với Hệ Thống Gia Nhiệt Bằng Từ Trường

Mô phỏng phân bố nhiệt độ trong khuôn phun ép với hệ thống gia nhiệt từ trường giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Hơn
• 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: Mô Phỏng Phân Bố Nhiệt Độ Trong Khuôn Phun Ép Bằng Gia Nhiệt Từ Trường
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu của đề tài trong và ngoài nước
• 1.2. Tính cấp thiết đề tài
• 1.3. Mục tiêu đề tài, đối tượng nghiên cứu
• 1.3.1. Mục tiêu đề tài
• 1.3.2. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài
• 1.4.1. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.4.2. Giới hạn của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về khuôn ép nhựa
• 2.1.1. Khái niệm chung về khuôn
• 2.1.2. Kết cấu chung 1 bộ khuôn
• 2.1.3. Phân loại khuôn ép phun
• 2.1.3.1. Khuôn nhiều tầng (stack mold)
• 2.2. Qui trình phun ép nhựa
• 2.3. Các phương pháp gia nhiệt cho khuôn
• 2.3.1. Phương pháp gia nhiệt cho khuôn bằng từ trường
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 3.1. Phương pháp mô phỏng
• 3.1.1. Các phương trình mô phỏng
• 3.1.2. Heat transfer in solids
• 3.1.3. Các bước mô phỏng bằng COMSOL
• 3.1.4. Mô hình mô phỏng
• 3.2. Phương pháp thực nghiệm
• 3.2.1. Thiết bị thực nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Ảnh hưởng của t
• 4.2. Ảnh hưởng của W
• 4.3. Ảnh hưởng của L
• 4.4. Ảnh hưởng của lưu chất
• 4.5. Kết quả thực nghiệm
• 4.6. Ứng dụng cho khuôn thật
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mô Phỏng Phân Bố Nhiệt Độ Trong Khuôn Phun Ép

Mô phỏng phân bố nhiệt độ trong khuôn phun ép là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo. Việc hiểu rõ về mô phỏng nhiệt độ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu khuyết tật sản phẩm và nâng cao hiệu quả kinh tế. Nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng công nghệ gia nhiệt từ trường để cải thiện quá trình này.

1.1. Ứng Dụng Của Gia Nhiệt Từ Trường Trong Khuôn Phun Ép

Gia nhiệt từ trường mang lại nhiều lợi ích cho quá trình sản xuất khuôn phun ép. Nó giúp tăng tốc độ gia nhiệt, tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp này có thể cải thiện đáng kể phân bố nhiệt độ trong khuôn.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Mô Phỏng Nhiệt Độ

Mô phỏng nhiệt độ là công cụ quan trọng trong việc dự đoán và phân tích phân bố nhiệt độ trong khuôn. Nó cho phép các kỹ sư tối ưu hóa thiết kế khuôn và quy trình sản xuất, từ đó giảm thiểu rủi ro và khuyết tật sản phẩm.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Mô Phỏng Nhiệt Độ Khuôn Phun Ép

Mặc dù có nhiều lợi ích, nhưng việc mô phỏng phân bố nhiệt độ trong khuôn phun ép cũng gặp phải nhiều thách thức. Các yếu tố như chất liệu khuôn, thiết kế và điều kiện vận hành đều ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Phân Bố Nhiệt Độ

Chất liệu khuôn và thiết kế có thể ảnh hưởng lớn đến phân bố nhiệt độ. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc lựa chọn chất liệu phù hợp có thể cải thiện đáng kể hiệu quả gia nhiệt và giảm thiểu khuyết tật sản phẩm.

2.2. Thách Thức Trong Việc Dự Đo Nhiệt Độ

Việc đo đạc và kiểm soát nhiệt độ trong khuôn phun ép là một thách thức lớn. Các thiết bị đo lường cần phải chính xác và đáng tin cậy để đảm bảo rằng dữ liệu thu thập được phản ánh đúng thực tế.

III. Phương Pháp Mô Phỏng Nhiệt Độ Trong Khuôn Phun Ép

Có nhiều phương pháp mô phỏng khác nhau được áp dụng để phân tích phân bố nhiệt độ trong khuôn phun ép. Các phương pháp này bao gồm mô phỏng số và thực nghiệm, mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng.

3.1. Mô Phỏng Số Bằng Phần Mềm COMSOL

Phần mềm COMSOL là một công cụ mạnh mẽ cho việc mô phỏng nhiệt độ trong khuôn. Nó cho phép người dùng mô phỏng các điều kiện khác nhau và phân tích kết quả một cách chi tiết.

3.2. Phương Pháp Thực Nghiệm Để Kiểm Chứng Kết Quả

Phương pháp thực nghiệm giúp xác thực các kết quả mô phỏng. Việc so sánh giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng giúp cải thiện độ chính xác của mô hình và dự đoán.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Về Phân Bố Nhiệt Độ Trong Khuôn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng gia nhiệt từ trường có thể cải thiện đáng kể phân bố nhiệt độ trong khuôn phun ép. Các kết quả cho thấy rằng mô phỏng có thể dự đoán chính xác nhiệt độ trên bề mặt khuôn.

4.1. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trên bề mặt khuôn. Việc điều chỉnh các thông số như chiều dày và kích thước tấm insert có thể cải thiện hiệu quả gia nhiệt.

4.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Nghiên Cứu

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong thực tiễn để tối ưu hóa quy trình sản xuất khuôn phun ép. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu khuyết tật mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất.

V. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Tương Lai

Nghiên cứu về mô phỏng phân bố nhiệt độ trong khuôn phun ép bằng gia nhiệt từ trường đã mở ra nhiều hướng phát triển mới. Các kết quả đạt được sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn trong tương lai.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu Mô Phỏng Nhiệt Độ

Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các mô hình mô phỏng chính xác hơn, từ đó cải thiện khả năng dự đoán và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

5.2. Ứng Dụng Công Nghệ Mới Trong Gia Nhiệt

Công nghệ gia nhiệt mới có thể được áp dụng để nâng cao hiệu quả và giảm thiểu chi phí sản xuất. Việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ này sẽ là một bước tiến quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Gia nhiệt bằng cảm ứng từ trong khuôn phun ép nhựa là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất. Theo ước tính, tốc độ gia nhiệt nhanh, tiêu thụ năng lượng thấp và giảm ô nhiễm môi trường là những ưu điểm nổi bật của phương pháp này so với các kỹ thuật gia nhiệt truyền thống như gia nhiệt bằng hơi nước, điện trở hay khí nóng. Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc mô phỏng và thực nghiệm phân bố nhiệt độ trong lòng khuôn phun ép khi sử dụng hệ thống gia nhiệt bằng từ trường tích hợp, nhằm khắc phục các khuyết tật sản phẩm do nhiệt độ không đồng đều gây ra, đặc biệt với các sản phẩm nhựa có thành mỏng dưới 1 mm như biochips và thiết bị quang học.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là khảo sát ảnh hưởng của các thông số thiết kế tấm insert (độ dày $t$, chiều rộng $W$, chiều dài $L$) và heat flux đến phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn, đảm bảo tốc độ gia nhiệt nhanh (nhiệt độ bề mặt khuôn đạt trên 200°C trong 3-5 giây). Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 02/2018 đến 07/2018 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, với phạm vi tập trung vào mô hình gia nhiệt cho tấm khuôn kích thước 100x100x10 mm.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở thực tiễn và lý thuyết để xử lý các khuyết tật sản phẩm nhựa do tổn thất nhiệt và áp lực trong quá trình phun ép, đồng thời mở ra hướng phát triển cho ngành vi khuôn tại Việt Nam, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết truyền nhiệt trong vật rắn (Heat transfer in solids): Mô tả quá trình truyền nhiệt qua các lớp vật liệu khuôn, bao gồm dẫn nhiệt và đối lưu bề mặt. Các phương trình truyền nhiệt được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng phân bố nhiệt độ.

• Nguyên lý gia nhiệt cảm ứng từ (Induction heating): Dòng điện cao tần trong cuộn dây tạo ra từ trường biến thiên, sinh ra dòng điện cảm ứng trên bề mặt khuôn, làm nóng lớp bề mặt nhờ hiệu ứng bề mặt. Chiều sâu lớp gia nhiệt được xác định bởi công thức $\delta = \sqrt{\frac{\rho}{\pi f \mu}}$ với $\rho$ là điện trở suất, $f$ tần số dòng điện, và $\mu$ độ ngấm từ.

• Thiết kế cuộn dây gia nhiệt (Coil design): Hình dạng, kích thước và vị trí cuộn dây ảnh hưởng trực tiếp đến phân bố từ trường và nhiệt độ trên bề mặt khuôn. Nghiên cứu so sánh thiết kế 2D và 3D để tối ưu hóa sự đồng đều nhiệt độ.

• Khái niệm về khuôn phun ép nhựa: Bao gồm cấu trúc khuôn (core, cavity), các hệ thống dẫn hướng, dẫn nhựa, đẩy sản phẩm và làm nguội. Phân loại khuôn 2 tấm, 3 tấm và nhiều tầng được xem xét để phù hợp với yêu cầu sản xuất.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp mô phỏng và thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm gia nhiệt tấm khuôn mẫu kích thước 100x100x10 mm, sử dụng máy gia nhiệt cảm ứng từ và camera nhiệt để đo nhiệt độ bề mặt. Thông số khảo sát gồm độ dày t (0.5-2.0 mm), chiều rộng W (25-100 mm), chiều dài L (50-200 mm) và heat flux (100-700°C).

• Phương pháp phân tích: Mô phỏng bằng phần mềm COMSOL Multiphysics với module truyền nhiệt trong vật rắn và trường từ, giải phương trình phần tử hữu hạn để dự đoán phân bố nhiệt độ. Kết quả mô phỏng được so sánh với dữ liệu thực nghiệm để đánh giá độ chính xác.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu thí nghiệm là tấm insert khuôn với các kích thước và thông số biến đổi theo thiết kế nhằm khảo sát ảnh hưởng từng yếu tố. Phương pháp chọn mẫu theo thiết kế thí nghiệm có kiểm soát để đảm bảo tính đại diện và khả năng phân tích ảnh hưởng từng biến.

• Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 02/2018 đến 07/2018, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, thiết kế mô hình, mô phỏng, thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của độ dày tấm insert (t): Khi giảm độ dày t từ 2.0 mm xuống 0.5 mm, tốc độ gia nhiệt tăng rõ rệt, nhiệt độ bề mặt khuôn đạt trên 200°C nhanh hơn trong khoảng 3-5 giây. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy t càng nhỏ, quá trình gia nhiệt càng thuận lợi, với sự chênh lệch nhiệt độ bề mặt giảm khoảng 15% so với t lớn hơn.

2. Ảnh hưởng của chiều rộng W: Khi tăng chiều rộng W từ 25 mm lên 100 mm, nhiệt độ bề mặt khuôn giảm do thể tích và khối lượng tấm insert tăng, làm giảm hiệu quả gia nhiệt. Mô phỏng cho thấy nhiệt độ bề mặt giảm khoảng 10-12% khi W tăng gấp 4 lần.

3. Ảnh hưởng của chiều dài L: Tương tự, khi chiều dài L tăng từ 50 mm đến 200 mm, nhiệt độ bề mặt khuôn giảm do tăng thể tích insert. Sự giảm nhiệt độ bề mặt dao động trong khoảng 8-15% tùy theo heat flux áp dụng.

4. Ảnh hưởng của heat flux: Tăng heat flux từ 100°C lên 700°C giúp tăng nhiệt độ bề mặt khuôn nhanh và đạt giá trị cao hơn, tuy nhiên, quá mức heat flux có thể gây phân bố nhiệt không đồng đều. Kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt độ bề mặt tăng gần gấp 3 lần khi heat flux tăng từ 100°C lên 700°C.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do hiệu ứng bề mặt trong gia nhiệt cảm ứng từ, khi lớp gia nhiệt chỉ tập trung ở bề mặt tấm insert. Độ dày nhỏ giúp giảm khối lượng cần gia nhiệt, tăng tốc độ truyền nhiệt. Chiều rộng và chiều dài lớn làm tăng thể tích, giảm hiệu quả gia nhiệt do tản nhiệt nhiều hơn. Heat flux cao thúc đẩy quá trình gia nhiệt nhanh nhưng cần kiểm soát để tránh nhiệt độ quá cao gây cong vênh sản phẩm.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo của các tác giả về ưu điểm của gia nhiệt cảm ứng từ trong việc gia nhiệt nhanh và tiết kiệm năng lượng. Mô hình mô phỏng COMSOL được chứng minh có độ chính xác cao khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm, sai số dưới 5%, cho phép dự đoán phân bố nhiệt độ hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ nhiệt độ theo thời gian và mặt cắt tấm insert, bảng thống kê nhiệt độ tối đa và thời gian đạt nhiệt độ mục tiêu theo từng thông số khảo sát, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của từng biến.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu thiết kế tấm insert: Giảm độ dày t xuống khoảng 0.5-1.0 mm để tăng tốc độ gia nhiệt và đồng đều nhiệt độ bề mặt khuôn. Chủ thể thực hiện: bộ phận thiết kế khuôn, thời gian áp dụng: 3-6 tháng.

2. Kiểm soát kích thước chiều rộng và chiều dài: Giữ W và L ở mức vừa phải (W khoảng 50 mm, L khoảng 100 mm) để cân bằng giữa hiệu quả gia nhiệt và độ bền cơ học của tấm insert. Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế, thời gian: 3 tháng.

3. Điều chỉnh heat flux phù hợp: Sử dụng heat flux trong khoảng 300-500°C để đạt nhiệt độ bề mặt tối ưu mà không gây quá nhiệt hoặc phân bố không đồng đều. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật vận hành máy gia nhiệt, thời gian: liên tục trong quá trình sản xuất.

4. Áp dụng mô phỏng COMSOL trong thiết kế: Sử dụng mô phỏng để dự đoán phân bố nhiệt độ trước khi sản xuất thực tế, giảm chi phí thử nghiệm và tăng hiệu quả thiết kế. Chủ thể thực hiện: phòng nghiên cứu và phát triển, thời gian: áp dụng cho các dự án mới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế khuôn phun ép nhựa: Nắm bắt kiến thức về gia nhiệt cảm ứng từ để thiết kế khuôn có hiệu suất gia nhiệt cao, giảm khuyết tật sản phẩm.

2. Nhà quản lý sản xuất trong ngành nhựa: Hiểu rõ các phương pháp gia nhiệt hiện đại để tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thời gian chu kỳ và chi phí năng lượng.

3. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ vật liệu: Áp dụng mô hình mô phỏng và kết quả thực nghiệm để phát triển vật liệu và thiết kế khuôn mới phù hợp với yêu cầu sản xuất hiện đại.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật cơ khí: Tham khảo phương pháp nghiên cứu kết hợp mô phỏng và thực nghiệm, cũng như ứng dụng công nghệ gia nhiệt cảm ứng từ trong sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Gia nhiệt cảm ứng từ có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Gia nhiệt cảm ứng từ có tốc độ gia nhiệt nhanh, tiêu thụ năng lượng thấp, không gây ô nhiễm môi trường và chỉ tập trung gia nhiệt ở bề mặt khuôn, giúp giảm thời gian chu kỳ và tăng hiệu quả sản xuất.

2. Các thông số t, W, L ảnh hưởng thế nào đến phân bố nhiệt độ?
   Độ dày t nhỏ giúp gia nhiệt nhanh hơn; chiều rộng W và chiều dài L lớn làm giảm nhiệt độ bề mặt do tăng thể tích tấm insert, làm giảm hiệu quả gia nhiệt.

3. Mô phỏng COMSOL có chính xác không?
   Kết quả mô phỏng so với thực nghiệm cho thấy sai số dưới 5%, cho thấy mô phỏng COMSOL là công cụ hiệu quả để dự đoán phân bố nhiệt độ và hỗ trợ thiết kế.

4. Heat flux nên được điều chỉnh như thế nào?
   Heat flux trong khoảng 300-500°C được khuyến nghị để đạt nhiệt độ bề mặt tối ưu mà không gây quá nhiệt hoặc phân bố nhiệt không đồng đều.

5. Phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ có áp dụng được cho mọi loại vật liệu không?
   Phương pháp này hiệu quả nhất với vật liệu sắt từ như thép; với vật liệu dẫn điện thấp từ tính như nhôm hay đồng, hiệu quả gia nhiệt giảm do đặc tính vật liệu.

Kết luận

• Gia nhiệt bằng cảm ứng từ là phương pháp hiệu quả, nhanh chóng và tiết kiệm năng lượng cho khuôn phun ép nhựa, đặc biệt với sản phẩm thành mỏng.
• Độ dày tấm insert là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tốc độ và đồng đều nhiệt độ bề mặt khuôn.
• Mô phỏng COMSOL kết hợp với thực nghiệm cho phép dự đoán chính xác phân bố nhiệt độ, hỗ trợ thiết kế tối ưu.
• Điều chỉnh kích thước tấm insert và heat flux phù hợp giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm khuyết tật.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển ứng dụng công nghệ gia nhiệt cảm ứng từ trong ngành vi khuôn tại Việt Nam.

Tiếp theo, các đơn vị sản xuất và nghiên cứu nên áp dụng các giải pháp đề xuất để nâng cao hiệu quả gia nhiệt, đồng thời phát triển thêm các mô hình mô phỏng phức tạp hơn cho các bề mặt khuôn đa dạng. Để biết thêm chi tiết và ứng dụng thực tế, quý độc giả có thể liên hệ trực tiếp với tác giả hoặc tham khảo toàn văn luận văn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu của đề tài trong và ngoài nước 1.1 Ngoài nước - “Study on Induction Heating Coil for Uniform Mold Cavity Surface Heating” (Nghiên cứu cuộn cảm ứng từ cho gia nhiệt các bề mặt có biên dạng cố định) [4]. Tác giả Yu-Ting Sung–National Cheng Kung University– Taiwan. Xuất bản năm 2013 bởi Hindawi. Hình 1-1: Vị trí giữa phôi và cuộn dây Trong bài báo này, thiết kế cuộn dây và phân bố nhiệt độ là mục tiêu chính.

Có một số kỹ thuật để sửa đổi phân bố từ trường và phân bố nhiệt đồng đều dọc theo chiều dài gia nhiệt như giảm số lần quay ở tâm hoặc quay mật độ, điều chỉnh khoảng cách giữa cuộn dây và phôi gia công – biên dạng cắt ngang của cuộn dây làm việc , hoặc sử dụng nhiều lớp của cuộn dây làm việc. Cuộn coil đồng nhất không thể gia nhiệt phôi đồng nhất, do đó thiết kế cuộn phải xem xét một số điều kiện, chẳng hạn như hướng dòng, khoảng cách giữa cuộn dây và phôi gia công và các cuộn dây. 1 - “Numerical analysis and thermographic investigation of induction heating” [5]. Tác giả Matej Kranjc, University of Ljubljana.

Xuất bản năm 2010 bởi Elsevier. Hình 1-2: Phôi thép hình trụ được bao quanh bởi bốn vòng cuộn dây. Quá trình nung nóng cảm ứng đã được nghiên cứu về số lượng và thực nghiệm. Các phôi thép hình trụ được gia nhiệt bằng nhiều cách khác nhau.

Mô hình cad với các hiện tượng vật lý điện từ và nhiệt được kết hợp đã được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Các thuộc tính vật liệu thép độc lập với nhiệt độ và phụ thuộc nhiệt độ được xem xét và tác động của chúng lên mô phỏng kết quả được đánh giá. Kết quả mô phỏng cũng được so sánh với các phép đo thực nghiệm sử dụng thuật toán xử lý ảnh nhiệt. Sự kết hợp tốt giữa chúng thu được các sản phẩm không có khuyết điểm.

Với khả năng quan sát các phân bố nhiệt độ và các khuyết tật vật chất, máy ảnh chụp từ xa đã chứng minh là một công cụ đo lường không tiếp xúc hiệu quả và là lựa chọn thích hợp cho các cặp nhiệt điện. 2 -“Forming Complicated Surface in Shipyard Using Neural Network System”[6]. Tác giả Nguyen Truong Thinh, Ho Chi Minh City University of Technical Education. Xuất bản năm 2012, Trans Tech Publications, Switzerland.

Xác định vị trí 3 điểm gia nhiệt và các thông số của quá trình gia nhiệt là rất quan trọng để làm biến dạng bề mặt lõm trong xưởng đóng tàu, cũng như máy bay. Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển một mô hình mạng nơron nhân tạo (ANN) để dự đoán các vị trí gia nhiệt và các thông số của quá trình gia nhiệt dựa trên các giải pháp phân tích. Mô hình ANN này có thể giúp các nhà sản xuất xác định vị trí gia nhiệt và các thông số gia nhiệt để tạo thành một hình dạng cong mong muốn. Hệ thống mạng nơ-ron ngược dòng để xác định các vị trí đường gia nhiệt từ hình dạng chi tiết.

Một mô hình mạng được phát triển với mối quan hệ giữa hình dạng mong muốn của tấm và các đường dẫn của gia nhiệt cảm ứng. Dữ liệu đầu vào là chuyển vị dọc của tấm và dữ liệu đầu ra là các đường gia nhiệt phụ thuộc biên dạng cong của thiết kế. Các giá trị mô phỏng thu được với mạng nơron tương ứng chặt chẽ với kết quả thử nghiệm. ANN được đề xuất được áp dụng cho kích thước ban đầu của tấm 500x500x20 (mm3).

Khoảng cách giữa 2 điểm lưới để tính chuyển vị là 50 (mm). Kiến trúc của ANN được xây dựng với 121 đơn vị đầu vào, đại diện cho dịch chuyển dọc của tấm được thiết lập dưới dạng biến đầu vào và đường dẫn ước tính của đường dây cảm ứng trong 400 nhóm (800 đơn vị) được thiết lập dưới dạng biến đầu ra. Cuộc thử nghiệm bắt đầu một lớp ẩn với 200 tế bào thần kinh, và độ chính xác của các giá trị dự đoán được kiểm tra trước khi cấu trúc tối ưu của ANN được chọn. Mục đích là để tối đa hóa độ chính xác để có được một mạng lưới với sự khái quát hóa tốt nhất.

3 Hình 1-3: Điểm gia nhiệt được dự đoán bởi NN với (a) yên ngựa và (b) hình gối Hình 1-4: Hình dạng biên dạng (a) yên ngựa và (b) hình dạng gối của tấm sau khi gia nhiệt so với hình dạng ban đầu. - “Analysis and simulations of multifrequency induction hardening” (Phân tích và mô phỏng quá trình tôi cảm ứng điện từ đa tần số) [7], bài báo khoa học của các tác giả Dietmar Hömberg, Thomas Petzold, Elisabetta Rocca đến từ Viện khoa học ứng dụng Mohrenstr - Đức và Khoa cơ khí - Đại học Milano - Italy, xuất bản năm 2014 bởi Elsevier. Trong bài báo, nhóm tác giả tính toán quá trình gia nhiệt cảm ứng điện từ dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Đề tài tập trung vào các phương trình nhiệt của Macxell và lý thuyết dòng điện cảm ứng Faucalt nhằm 4 khảo sát nhiệt lượng sinh ra trong quá trình theo lý thuyết, sau đó tiến hành mô phỏng với các thông số đã chọn ở trên.

Việc mô phỏng số quá trình tôi cảm ứng điện từ đa tần số được thực hiện với chi tiết bánh răng. Quá trình mô phỏng cho thấy nhiệt độ phân bố không đồng đều trên toàn bề mặt bánh răng, nhiệt độ lớn nhất tập trung tại khu vực đỉnh bánh răng trong khi vùng chân răng chưa đạt nhiệt độ tôi cần thiết. Khi đó nhóm tác giả thấy cần phải giải quyết việc phân bố nhiệt độ nhằm tránh trường hợp đỉnh răng bị nóng chảy do nhiệt độ quá cao. Giải pháp được thực hiện đó là sử dụng dòng điện tần số trung bình (MF) để tôi khu vực chân răng, sau đó dùng dòng tần số cao (HF) để gia nhiệt phần đỉnh răng.

Kết quả mô phỏng cho thấy việc sử dụng kết hợp dòng điện đa tần số (MF và HF) đem lại hiệu quả gia nhiệt và thời gian tối ưu nhất. Hình 1-5: Quá trình gia nhiệt bánh răng với các tần số khác nhau: Tần số trung bình (MF) dùng gia nhiệt chân răng, tần số cao để gia nhiệt đỉnh răng và kết hợp đa tần số (MF + HF) đem lại kết quả tối ưu nhất. “Effect of 2d and 3d coil on the dynamic mold temperature control by induction heating”[8]. Tác giả Phạm Sơn Minh, Ho Chi Minh City University of Technical Education.

Xuất bản năm 2014, Tạp chí khoa học và công nghệ. Hình 1-6: So sánh dòng từ tính bằng cách mô phỏng. Trong nghiên cứu này, bằng phương pháp thực nghiệm và mô phỏng, thiết kế 2D và 3D của cuộn dây gia nhiệt (Induction coil) được sử dụng nhằm đánh giá khả năng gia nhiệt cho bề mặt của khuôn. Với cuộn dây 2D, thời gian gia nhiệt 2 s, nhiệt độ bề mặt khuôn đã tăng từ 400C đến 1080C.

Tuy nhiên, vùng nhiệt độ thấp vẫn tồn tại tại trung tâm của bề mặt khuôn. Ngược lại, với thiết kế 3D, nhiệt độ cao nhất tại cuối quá trình gia nhiệt là 890C, và vùng nhiệt độ thấp đã được khắc phục. 6 Hình 1-7: Phân bố nhiệt độ với cuộn dây 2D (a) và cuộn dây 3D (b) 7 1.2 Tính cấp thiết đề tài Các sản phẩm nhựa hiện nay bao gồm từ đơn giản đến phức tạp, từ lớn đến nhỏ. Với sự phát triển hiện nay của xã hội, yêu cầu mới với công nghệ ép phun được đặt ra, một trong những yêu cầu cấp bách nhất là: sản xuất các sản phẩm nhựa bằng công nghệ ép phun với độ dày nhỏ hơn 1 mm dành riêng cho biochips, thiết bị quang học.

Hình 1-8: Các sản phẩm nhựa có thành mỏng. Trong quá trình đúc nhựa với các sản phẩm có thành mỏng, các lớp nhựa tiếp xúc với bề mặt khuôn (bề mặt khuôn ở nhiệt độ thấp) sẽ đóng rắn. Quá trình đóng rắn tại bề mặt tiếp xúc của khuôn sẽ làm giảm áp lực của nhựa, khiến nhựa không thể điền đầy khuôn. 8 Hình 1-9: Sản phẩm bị khuyết tật (không điền đầy đầy đủ).

Để khắc phục tình trạng này, cần tăng nhiệt độ bề mặt lòng khuôn đến nhiệt độ tối ưu, làm cho nhiệt độ dòng chảy nhựa được duy trì ở trạng thái chảy, không bị giảm nhiệt độ, hóa rắn trong quá trình điền đây khuôn. Quá trình ép phun nhờ thế được tăng lên. Hiện nay có rất nhiều phương pháp gia nhiệt bề mặt khuôn như: gia nhiệt bằng chất lỏng, gia nhiệt bằng điện, gia nhiệt bằng không khí. Trong đó phương pháp gia nhiệt chất lỏng và gia nhiệt điện có một số thuận lợi và bất lợi như: sau quá trình đúc phun, cần phải làm mát các cuộn dây với thời gian tương đối dài.

Đối với phương pháp gia nhiệt với không khí nóng, có nhiều ưu điểm như gia nhiệt linh hoạt ở nhiều vị trí, gia nhiệt nhanh và các thiết bị đơn giản có thể tự cung cấp.3 Mục tiêu đề tài, đối tượng nghiên cứu.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:  Khảo sát thông số ảnh hưởng (t,W,L, heat flux) của thiết kế tấm insert tới phân bố nhiệt độ.  Tốc độ gia nhiệt đủ nhanh (sau 3-5 giây, nhiệt độ bề mặt khuôn > 200oC)  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 (phần mềm Comsol)  Thực nghiệm kết quả quá trình gia nhiệt  So sánh, tóm tắt kết quả 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 từ trường  IH machine  Mould insert  Coil  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 các tài liệu về kỹ thuật kiểm soát nhiệt độ cho khuôn phun bao gồm 2 nhóm chính: gia nhiệt khuôn, giải nhiệt khuôn. Hiểu được các yêu cầu của cấu trúc khuôn bằng phương pháp điều khiển nhiệt độ theo nguyên lý cảm ứng từ. Phân tích và thiết kế hệ thống cảm ứng từ cảm ứng cho khuôn phun.

Mô phỏng gia nhiệt. Thí nghiệm xác minh kết quả phân tích, mô phỏng.2 Giới hạn của đề tài Tấm khuôn mẫu kích thước : 100x100x10 mm Quá trình gia nhiệt cho khuôn đạt nhiệt độ cao nhất: 200oC 11 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về khuôn ép nhựa 2.1 Khái niệm chung về khuôn Khuôn là cụm gồm nhiều chi tiết lắp với nhau để tạo thành một bộ khuôn hoàn chỉnh.