Đặt vấn đề Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, các sản phẩm nhựa được thiết kế và phát triển theo xu hướng phức tạp hơn. Do đó, quá trình phun ép các sản phẩm dạng này đang đối mặt với các thử thách lớn. Nếu trong suốt quá trình phun ép, nhiệt độ khuôn có thể duy trì ở giá trị cao hơn nhiệt độ chuyển pha của vật liệu nhựa thì khả năng điền đầy khuôn với những chi tiết có kích thước lớn sẽ tăng lên. 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. Tuy nhiên quá trình điều khiển đối tượng nhiệt độ rất phức tạp. Đặc thù của đối tượng nhiệt độ là có quán tính rất lớn, phản ứng rất chậm vói các tác động điều khiển.
Trong quá trình nghiên cứu để tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, những người nắm bắt kỹ thuật chuyên nghành khuôn phun ép đã nhận ra một điều rằng, nhiệt độ của khuôn quyết định sản phẩm đó là thành phẩm hay phế phẩm. Chính vì vậy tôi đã chọn đề tài “Nâng cao hiệu quả của quá trình điều khiển nhiệt độ trong khuôn phun ép bằng phương pháp PID” với mục đích tìm ra phương pháp để khắc phục hiện tượng không ổn định nhiệt độ của khuôn 1 Luan van phun ép nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm số lượng sản phẩm bị phế đồng thời tăng năng suất sản xuất.2 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến việc gia nhiệt cho khuôn 1.1 Kết quả nghiên cứu ngoài nước Nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc bộ môn kỹ thuật cơ khí, đại học Chung Yuan Christian, Đài Loan: Đánh giá tính khả thi của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng cho việc điều khiển nhiệt độ bề mặt khuôn trong quá trình phun ép [9]. Phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng có thể tăng nhiệt độ bề mặt khuôn từ 600C đến 120 0C trong vòng 2 giây (nghĩa là tốc độ trung bình khoảng 30 0C/giây) và cần 34 giây để nhiệt độ trở về 600C. Trong khi, phương pháp gia nhiệt bằng nước nóng thì phải mất 192 giây để có thể tăng nhiệt độ bề mặt khuôn từ 600C đến 1200C và cần 75 giây để nhiệt độ trở về 600C.1: So sánh sự thay đổi nhiệt độ đo được cho phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng và gia nhiệt bằng nước nóng 1.2 Kết quả nghiên cứu trong nước Gia nhiệt bằng điện trở “Tối ưu hóa hệ thống điều khiển nhiệt độ bằng điện trở và nước cho tấm khuôn dương” [5] 2 Luan van Hình 1.2: So sánh kết quả giữa mô phỏng và thí nghiệm cho tấm khuôn C45 Trong nghiên cứu này cho thấy nhiệt độ cuối quá trình gia nhiệt lúc mô phỏng là 960C và thí nghiệm là 740C chênh lệch khoảng 220C, cuối quá trình giải nhiệt là 570C chênh lệch giữa thí nghiệm và mô phỏng là 0.
Nghiên cứu phân bố nhiệt của tấm khuôn dương với phương pháp gia nhiệt bằng điện trở.3: Biểu đồ nhiệt độ tại tâm bề mặt lòng khuôn của hai tấm insert Al, CT3 - Nhiệt độ lúc cuối quá trình gia nhiệt của tấm khuôn với vật liệu Al là 80.02 ºC, tấm khuôn vật liệu CT3 là 70. 3 Luan van - Tốc độ gia nhiệt của tấm insert Al là 0.57º C s diễn ra nhanh hơn tấm CT3 là 0. - Nhiệt độ lúc cuối quá trình giải nhiệt của tấm khuôn Al là 32ºC, tấm khuôn CT3 là 38ºC. - Tốc độ giải nhiệt của tấm insert Al cao 0,686ºC/s, và tấm khuôn CT3 là 0,463ºC/s.2 Mục đích của đề tài Hiện nay, vật liệu nhựa đã dần phổ biến trong cuộc sống, các nghiên cứu gần đây đang tìm cách sản xuất những sản phẩm có kích thước nhỏ như chip điện tử, thiết bị sinh học, thiết bị y tế… Cũng như những sản phẩm có kích thước rất lớn, cần có thời gian phun ép dài, yêu cầu nhiệt độ khuôn phải ổn định.
Do đó, ngành công nghiệp khuôn đã và đang dần dần tiến thêm một bước quan trọng. Trong quá trình phun ép, nhiệt độ khuôn đóng vai trò quan trọng trong quá trình tạo hình và ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm nhựa. Qua các nghiên cứu trước đây, việc kiểm soát và điểu khiển nhiệt độ khuôn là hết sức cần thiết để đạt được chất lượng sản phẩm tốt nhất. Chính vì vậy tác giả chọn đề tài “Nâng cao hiệu quả của quá trình điều khiển nhiệt độ trong khuôn phun ép bằng phương pháp PID” với mục đích như sau: - Gia nhiệt cho khuôn phun ép - Điều khiển và giám sát hệ thống qua màn hình - Kiểm soát quá trình gia nhiệt cho khuôn phun ép - Nâng cao hiệu suất gia nhiệt cho khuôn từ đó nâng cao chất lượng tăng năng suất trong việc phun ép nhựa.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 1.1 Nhiệm vụ của đề tài - Làm mô hình thực tế, nghiên cứu đặc tính của khuôn và cho ra hàm truyền nhiệt dựa trên mô hình thực tế.
- Sử dụng SIMENS S7-1200 để điều khiển nhiệt độ bằng PID. 4 Luan van - Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của hệ thống sử dụng phần mềm TIA Portal và Win CC.2 Giới hạn của đề tài Do trong khuôn khổ giới hạn của luận văn chỉ khảo sát Đối tượng là tấm khuôn 200x100x40 mm , được điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp PID thông qua PLC S7-1200 và được lập trình và giao tiếp bằng phần mềm TIA Portal của SIEMENS.4 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.1 Nghiên cứu lý thuyết - Công nghệ ép phun - Quá trình truyền nhiệt - Vật liệu nhựa và thuộc tính - Xử lý số liệu thực nghiệm 1.2 Nghiên cứu thực nghiệm - Gia công tấm khuôn - Thực nghiệm tìm ra hàm truyền - Thiết kế giao diện màn hình giao tiếp máy tính - Lập trình điều khiển bằng PLC 5 Luan van Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu về công nghệ ép phun 2.1 Nhu cầu thực tế và hiệu quả kinh tế mà phương pháp mang lại Hiện nay trên thị trường có rất nhiều sản phẩm nhựa. Từ sản phẩm là dụng cụ học tập như: thước, viết, hay đồ chơi trẻ em,…. Cho đến các sản phẩm phức tạp như: bàn, ghế, vỏ điện thoại, các chi tiết dùng trong ô tô, xe máy,…đều được làm bằng nhựa.
Các sản phẩm này có hình dáng, màu sắc phong phú và chúng đã góp phần cho cuộc sống tiện nghi hơn. Điều này đồng nghĩa với việc sản phẩm nhựa mà phần lớn tạo ra nhờ công nghệ ép phun đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống. Với các tính chất như: độ dẻo dai, nhẹ, có thể tái chế, không có những phản ứng hóa học với không khí trong điều kiện bình thường,… vật liệu nhựa đã thay thế các loại vật liệu khác như: sắt, nhôm, đồng thau,…Do đó, nhu cầu sử dụng vật liệu nhựa trong tương lai sẽ còn lớn. Điều này dẫn đến ngành công nghệ khuôn mẫu sẽ rất phát triển.
Công nghệ ép phun cho phép sản xuất ra sản phẩm có chi tiết rất nhỏ, mà hầu hết không thể chế tạo bằng phương pháp khác. Lượng phế phẩm rất nhỏ tại các đường rãnh, cổng phun và sản phẩm bị loại có thể sử dụng lại. Công nghệ mang 6 Luan van tính tiết kiệm chi phí nguyên liệu.2 Khái niệm về công nghệ ép phun Công nghệ ép phun là phương pháp gia công tạo sản phẩm bằng phương pháp gia nhiệt vật liệu nhựa đến một nhiệt độ thích hợp khi đó nhựa được chảy dẻo ra, và dưới một áp suất lớn được tạo ra bởi máy ép phun, nhựa chảy được phun ép thông qua hệ thống kênh dẫn vào lòng khuôn, và tiếp tục đùn ép cho đến khi nhựa chảy lỏng điền đầy khuôn thì dừng lại. Sau đó khuôn được làm nguội và nhựa dẻo đông cứng lại.
Sau đó mở khuôn, tiếp theo sản phẩm được đẩy ra khỏi lòng khuôn nhờ hệ thống đẩy.3 Đặc điểm của công nghệ ép phun Công nghệ ép phun là công nghệ phun nhựa nóng chảy được định lượng chính xác vào trong lòng khuôn đóng kín với áp lực cao, tốc độ nhanh và sau một thời gian ngắn sản phẩm được định hình, sản phẩm được lấy ra ngoài. Sau đó tiếp tục chu kỳ tiếp cho sản phẩm thứ hai. Thời gian từ lúc đóng khuôn, phun nhựa, thời gian định hình sản phẩm, lấy sản phẩm ra khỏi khuôn, đóng khuôn lại gọi là chu kỳ của một lần ép sản phẩm. Ngoài những đặc điểm trên, công nghệ ép phun còn có những đặc điểm sau: - Sản phẩm gia công khá chính xác theo 3 chiều vì được tạo hình trong khuôn kín.
Quá trình nhựa hóa và tạo hình được thực hiện trong 2 giai đoạn riêng biệt, trong những bộ phận khác nhau của máy: nhựa hóa trong xylanh và tạo hình trong khuôn. - Quá trình tạo hình chỉ hình thành sau khi đóng kín hai nửa khuôn lại với nhau. Tùy theo loại nguyên liệu phun ép mà chế độ nhiệt khác nhau. Đối với nhựa nhiệt dẻo thì nhiệt độ khuôn thấp hơn nhiệt độ nhựa lỏng.
Đối với nhựa nhiệt rắn thì nhiệt độ khuôn cao hơn nhiệt độ nhựa lỏng. - Vùng tạo hình của khuôn được lấp đầy nguyên liệu thì khuôn mới chịu tác dụng lực của pittong đúc gián tiếp qua nhựa lỏng. - Tùy theo hình dáng hay kích thước của sản phẩm mà chu kỳ ép thay đổi từ mấy giây đến mấy chục phút. 7 Luan van - Gia công bằng công nghệ ép phun tiết kiệm được nguyên liệu và đồng thời công đoạn hoàn tất cũng tốn ít thời gian.
Ưu điểm: - Tạo ra những sản phẩm có hình dáng phức tạp tùy ý. - Tạo ra những sản phẩm có thể tích lớn với tốc độ cao. - Trên cùng một sản phẩm hình dáng giữa mặt trong và mặt ngoài có thể khác nhau. - Khả năng tự động hóa và chi tiết có tính lặp lại cao.
- Sản phẩm sau khi ép phun có màu sắc phong phú và độ nhẵn bóng bề mặt cao nên không cần gia công lại. - Phù hợp cho sản xuất hàng khối và đơn chiếc. Nhược điểm : - Lợi nhuận của công nghiệp nhựa không cao.