Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ điền đầy của vật liệu composite trong quy trình phun ép" do nghiên cứu sinh Phan Thế Nhân thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, thuộc ngành Kỹ thuật Cơ khí (mã số: 62520103), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Đỗ Thành Trung và PGS. Phạm Sơn Minh, hoàn thành vào tháng 02 năm 2022.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Công nghệ phun ép vật liệu composite nhựa nhiệt dẻo gia cường sợi ngắn ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhằm thay thế kim loại và hợp kim trong các chi tiết kỹ thuật yêu cầu độ bền cao, trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ và thành mỏng (như bảng mạch, giắc cắm điện tử, đầu nối sợi quang, bánh răng, vòng đệm). Tuy nhiên, quy trình gia công vật liệu composite nhiệt dẻo gặp phải hai trở ngại lớn trong quá trình điền đầy lòng khuôn:
- Sự đông đặc nhanh chóng của dòng nhựa nóng chảy khi tiếp xúc với thành khuôn có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh/đông đặc, tạo thành lớp đông đặc cản trở dòng chảy.
- Độ nhớt của vật liệu composite cao hơn đáng kể so với các loại nhựa nhiệt dẻo nguyên sinh không gia cường do sự hiện diện của sợi gia cường, làm suy giảm nghiêm trọng khả năng chảy vào các vị trí thành mỏng hoặc gân mỏng.
Các trở ngại trên dẫn đến những khuyết tật phổ biến như thiếu liệu (chưa điền đầy), hình thành đường hàn (weld line), rỗ khí (air trap), cong vênh (warpage), và làm suy giảm năng suất do khuôn chỉ bố trí được ít lòng khuôn. Giải pháp truyền thống thường tăng áp suất phun lên mức rất cao, song cách làm này gây ra hiện tượng bavia (burr/flash) tại các mặt phân khuôn và làm giảm tuổi thọ của máy phun ép. Giải pháp gia nhiệt thể tích bằng kênh dẫn nóng (hot runner) đòi hỏi chi phí năng lượng lớn và thay đổi kết cấu khuôn phức tạp. Do đó, nghiên cứu kiểm soát và điều khiển nhiệt độ khuôn — bao gồm phương pháp gia nhiệt bằng nước tuần hoàn và gia nhiệt bề mặt lòng khuôn bằng khí nóng bên ngoài (Ex-GMTC) — là hướng đi được xác định nhằm giải quyết bài toán cản trở dòng chảy và nâng cao độ điền đầy lòng khuôn.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu tổng quát là đánh giá và xác định ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ điền đầy của sản phẩm composite nhựa nhiệt dẻo dạng thành mỏng thông qua kết hợp phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng, áp dụng cho hai dải nhiệt độ: dải nhiệt độ thông dụng sử dụng nước gia nhiệt (30 °C đến 110 °C) và dải nhiệt độ cao sử dụng khí nóng gia nhiệt bề mặt (45 °C đến 140 °C).
Nội dung nghiên cứu được chia thành bốn phần cụ thể đánh số theo văn bản:
- Nghiên cứu tổng quan và cơ sở lý thuyết các vấn đề liên quan đến nhiệt độ khuôn, quá trình điền đầy sản phẩm phun ép vật liệu composite; đề xuất các giải pháp công nghệ phù hợp trong chế tạo sản phẩm composite thành mỏng.
- Thiết lập mô hình nghiên cứu và chế tạo thiết bị gia nhiệt bằng nước với nhiệt độ khuôn từ 30 °C đến 110 °C và thiết bị gia nhiệt bằng khí nóng với nhiệt độ khuôn từ 45 °C đến 140 °C nhằm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ điền đầy nhựa nhiệt dẻo composite sản phẩm thành mỏng.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến chiều dài dòng chảy vật liệu composite với mô hình cơ bản dòng chảy xoắn ốc bằng mô phỏng và thực nghiệm với tỉ lệ sợi thủy tinh thay đổi từ 0 % đến 30 % và nhiệt độ khuôn thay đổi từ 30 °C đến 110 °C; xác định phương trình hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa chiều dài dòng chảy, nhiệt độ khuôn và chiều dày sản phẩm.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến khả năng điền đầy với sản phẩm composite thành mỏng, gân mỏng bằng mô phỏng và thực nghiệm với tỉ lệ sợi thay đổi từ 0 % đến 30 % và nhiệt độ khuôn thay đổi từ 45 °C đến 140 °C, nhằm ứng dụng phương pháp điều khiển nhiệt độ khuôn nâng cao độ điền đầy đối với sản phẩm thành mỏng và gân mỏng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Quá trình điền đầy lòng khuôn và chiều dài dòng chảy của vật liệu nhựa nền PolyAmide 6 (PA6) và vật liệu composite PA6 gia cường sợi thủy tinh ngắn (PA6 + GF) với tỉ lệ sợi từ 0 % đến 30 % khối lượng (đối chứng thêm với Polypropylene - PP và Acrylonitrile Butadiene Styrene - ABS).
- Phạm vi hình học của mẫu nghiên cứu:
- Mô hình cơ bản dòng chảy xoắn ốc (spiral flow): 3 mức chiều dày lòng khuôn gồm 0,5 mm; 0,75 mm và 1,0 mm.
- Mô hình sản phẩm dạng thành mỏng (thin wall): 3 mức chiều dày gồm 0,2 mm; 0,4 mm và 0,6 mm.
- Mô hình sản phẩm dạng gân mỏng (thin rib): 2 gân có chiều cao thiết kế 7,0 mm.
- Phạm vi nhiệt độ khuôn:
- Vùng nhiệt độ thông dụng (sử dụng hệ thống kênh dẫn nước tuần hoàn): 30 °C đến 110 °C.
- Vùng nhiệt độ cao (sử dụng phương pháp gia nhiệt bề mặt lòng khuôn bằng khí nóng Ex-GMTC): 45 °C đến 140 °C (nhiệt độ luồng khí nóng lên đến 400 °C).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu trước đây được điểm lại
Trong Chương 1, tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước theo 5 nhóm chính:
| Hướng nghiên cứu |
Tác giả, công trình và năm |
Nội dung và kết quả chính ghi nhận trong văn bản |
| Ảnh hưởng của chất phụ gia đến khả năng phun ép và cơ tính |
A. Maltby (2000) [2] |
Sử dụng phụ gia bôi trơn IncroMold F, S và T pha trộn với HDPE hoặc bôi trơn bề mặt khuôn để giảm ma sát, hạn chế mất nhiệt và giảm lực mở khuôn. |
|
Hou và cộng sự (2014) [3] |
Phun ép vật liệu PP với phụ gia tạo bọt là bột tan (talc); hàm lượng 10 % talc làm giảm khối lượng sản phẩm 62,1 %, tăng khả năng kết tinh mà không đổi độ nhớt nếu dưới 10 %. |
|
J. Martin-Alfonso và cộng sự (2018) [4] |
Chế tạo composite sinh học nền Albumen (EA) với Chitosan (CH); CH ảnh hưởng đến tính chất hóa lý nhưng làm sản phẩm giảm độ cứng và độ đàn hồi. |
|
Xiaojian Wang và cộng sự (2014) [5] |
Ảnh hưởng của hình học chất phụ gia đến truyền nhiệt: phụ gia dạng chữ I dẫn nhiệt hiệu quả nhất, phụ gia dạng hình cầu dẫn nhiệt kém nhất. |
|
J. Laursen và cộng sự (2013) [6] |
Thêm phụ gia PDMS (2 %) và PTFE (5 %) vào POM giúp giảm ma sát với thành khuôn, cải thiện độ điền đầy, độ chống mài mòn và chịu va đập. |
| Kết cấu khuôn và điều khiển nhiệt độ bề mặt khuôn |
G. Guan (2016) [7] |
Điều chỉnh kết cấu khuôn gia nhiệt bằng hơi nước và điện trở để rút ngắn chu kỳ phun ép. |
|
H. Lin và cộng sự (2014) [8] |
Tích hợp cuộn dây gia nhiệt cảm ứng điện từ vào kết cấu khuôn. |
|
Chen và cộng sự (2016) [9] |
Kiểm soát nhiệt độ bề mặt lòng khuôn bằng lớp phủ cách nhiệt, hồng ngoại và từ trường để duy trì nhiệt độ tiếp xúc cao và loại bỏ đường hàn. |
| Ảnh hưởng của thông số công nghệ phun ép |
A. Liou và cộng sự (2014) [12] |
Đánh giá áp suất phun, áp suất định hình, nhiệt độ nhựa và nhiệt độ khuôn; khẳng định nhiệt độ khuôn chi phối chất lượng bề mặt và năng suất. |
|
Kurt và cộng sự (2009) [16] |
Khảo sát nhiệt độ khuôn, tốc độ phun, nhiệt độ nóng chảy tác động đến độ co rút, ứng suất dư và độ nhám bề mặt. |
|
Rohit George Sebastian và cộng sự (2017) [17] |
Xây dựng phương trình cân bằng năng lượng mô hình hóa tương tác dòng chảy nhiều pha trong phun ép composite. |
|
X. Li và cộng sự (2015) [18] |
Nhiệt độ khuôn cao định hướng sợi theo phương dòng chảy, làm mỏng lớp đông đặc tiếp xúc thành khuôn, giảm độ nhám. |
|
W. Ota và cộng sự (2018) [19] |
Khảo sát composite PP gia cường sợi thủy tinh (20 %GF và 30 %GF); độ bền kéo và mô đun đàn hồi tăng tuyến tính theo tỉ lệ sợi. |
|
P. Bhatnagar (2014) [20] |
Áp suất và nhiệt độ khuôn quyết định định hướng sợi theo chiều dày, ảnh hưởng đến cơ tính và khả năng chịu va đập. |
| Ảnh hưởng của tỉ lệ sợi gia cường |
Ankuloriya và R. Rajvaidya (2018) [21] |
Vật liệu ABS gia cường 5 %, 10 %, 20 %, 30 % sợi thủy tinh; độ cứng tăng liên tục, độ bền kéo cao nhất ở 5 % và phục hồi tăng ở 30 %. |
|
Girish (2016) [22] |
Khảo sát Polycarbonate/GF (10 %, 20 %, 30 %); độ cứng tăng 24,3 %; 28,6 %; 30 %; độ bền kéo tăng tương ứng 29,15 %; 58,25 %; 73,38 %. |
| Các phương pháp gia nhiệt khuôn |
Các công trình [7, 8, 12, 14, 23, 24, 25, 26] |
Phân tích ưu nhược điểm của gia nhiệt bằng hơi nước, điện trở, hồng ngoại, cảm ứng từ và khí nóng. Cụ thể, gia nhiệt khí nóng nâng từ 60 °C lên 120 °C trong 2 s và bão hòa sau 4 s [24]. |
| Tình hình nghiên cứu trong nước |
Đào Lê Chung và cs (2011) [28] |
Nghiên cứu ứng dụng composite nội địa hóa linh kiện xe tải nhẹ KIA-THACO. |
|
Trần Minh Hổ (2016) [29] |
Composite epoxy/sợi thủy tinh kết hợp TiO2; thành phần 35 % sợi thủy tinh + 60 % epoxy + 5 % TiO2 cho cơ tính tối ưu. |
|
Phan Thị Minh Ngọc và cs (2014) [30] |
Composite epoxy/DDS gia cường vải thủy tinh và vi sợi xenlulo; tỉ lệ vải/nhựa 70/30 cho độ bền kéo, uốn cao nhất. |
|
Bùi Thị Thu Phương và cs (2018) [31] |
Tối ưu hóa nhiệt độ 3 giai đoạn đóng rắn composite polymer (88,26 °C; 113 °C; 124,7 °C), đạt ứng suất kéo 701,5 N/mm2. |
|
Trần Minh Thế Uyên (2017) [32] |
Gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng cho sản phẩm thành mỏng; tồn tại nhược điểm chu kỳ dài do dùng 1 cổng phun khí. |
|
Đặng Văn Nghìn (Đề tài cấp Nhà nước KC.03.13/11-15) [33] |
Thiết kế chế tạo hệ thống khuôn kênh dẫn nóng (hot runner) có điều khiển; hạn chế là tiêu hao năng lượng và kết cấu phức tạp. |
|
Lê Quốc Việt, Phùng Huy Dũng, Vũ Viết Chuyên (HCMUTE) |
Khảo sát thông số công nghệ, đường hàn và độ bền uốn của PA6 và composite. |
Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết
Tổng quan cho thấy các nghiên cứu trong nước chủ yếu tập trung vào vật liệu composite nền nhiệt rắn (epoxy), tối ưu thông số áp suất hoặc giải nhiệt khuôn để rút ngắn chu kỳ. Đối với composite nhựa nhiệt dẻo gia cường sợi ngắn trong công nghệ phun ép:
- Chưa có công trình khảo sát định lượng toàn diện mối quan hệ đồng thời giữa nhiệt độ khuôn, tỉ lệ sợi gia cường (từ 0 % đến 30 %GF) và chiều dày sản phẩm đến khả năng điền đầy (chiều dài dòng chảy).
- Chưa thiết lập được phương trình hồi quy thực nghiệm xác định chiều dài dòng chảy cho composite PA6 + GF ứng với các mức nhiệt độ khuôn và chiều dày khác nhau.
- Việc ứng dụng phương pháp gia nhiệt cục bộ bề mặt bằng khí nóng ngoài khuôn (Ex-GMTC) lên tới 140 °C nhằm khắc phục lớp đông đặc cho sản phẩm composite có thành mỏng (0,2 - 0,6 mm) và gân mỏng (chiều cao 7 mm) chưa được làm rõ về quy luật phân bố nhiệt và tính khả thi trong việc tối ưu hóa vị trí gia nhiệt.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và khung phân tích
Luận án vận dụng các lý thuyết nhiệt - thủy động lực học polyme và cơ học vật liệu composite:
- Lý thuyết vật liệu composite hạt/sợi ngắn: Mô hình tính toán thể tích ($v_c, v_f, v_m, v_v$), tỉ lệ thể tích ($V_f, V_m, V_v$), tỉ trọng khối lượng ($\rho_c, \rho_m, \rho_f$) giữa pha nền PA6 và pha gia cường sợi thủy tinh.
- Định hướng sợi: Xác định thông qua góc cực ($\theta$) và góc phương vị ($\phi$) của sợi trong không gian dưới tác dụng của gradient vận tốc dòng chảy.
- Quan hệ độ nhớt và nhiệt độ: Mô hình phi Newton biểu diễn độ nhớt $\mu$ phụ thuộc vào nhiệt độ $T$ qua hàm số mũ liên quan đến năng lượng kích hoạt dòng chảy $\Delta H$ và hằng số khí $R$:
$$\mu = \mu_0 \exp\left(\frac{\Delta H}{R T}\right)$$
- Hiện tượng dòng chảy Fountain flow: Khi dòng nhựa nóng chảy tiến vào lòng khuôn, các phần tử nhựa ở tâm chảy nhanh hơn và cuộn dạt về hai phía thành khuôn. Khi tiếp xúc với vách khuôn nguội, chúng lập tức đóng rắn thành lớp đông đặc (frozen layer), làm thu hẹp tiết diện dòng chảy khả dụng.
- Hệ phương trình điều khiển dòng chảy polyme trong hệ tọa độ Descartes:
- Phương trình bảo toàn khối lượng (liên tục):
$$\frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{u}) = 0$$
- Phương trình bảo toàn động lượng (Navier-Stokes):
$$\rho \left( \frac{\partial \mathbf{u}}{\partial t} + \mathbf{u} \cdot \nabla \mathbf{u} \right) = -\nabla P + \nabla \cdot \boldsymbol{\tau} + \rho \mathbf{g}$$
- Phương trình bảo toàn năng lượng:
$$\rho C_p \left( \frac{\partial T}{\partial t} + \mathbf{u} \cdot \nabla T \right) = \nabla \cdot (\lambda \nabla T) + \boldsymbol{\tau} : \nabla \mathbf{u}$$
- Mô hình truyền nhiệt gia nhiệt khuôn: Phương trình cân bằng nhiệt lượng trao đổi qua bề mặt lòng khuôn sử dụng định luật Fourier và điều kiện biên đối lưu nhiệt với hệ số truyền nhiệt $h_c$, dòng nhiệt thành khuôn $Q_w$, và các thông số dòng chảy rối ($k$-$\epsilon$, số Prandtl $\sigma_T$, số Reynolds $Re$).
Phương pháp nghiên cứu
Luận án kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM/CAE) và thực nghiệm kiểm chứng:
- Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm chuyên dụng Moldex3D để chia lưới 3D, mô phỏng quá trình truyền nhiệt và điền đầy dòng chảy xoắn ốc, chi tiết thành mỏng và chi tiết gân mỏng. Xử lý thống kê và hồi quy đa biến trên phần mềm Minitab.
- Phương pháp thực nghiệm công nghệ:
- Thiết kế và chế tạo các bộ khuôn thực nghiệm: khuôn dòng chảy xoắn ốc (spiral flow), khuôn sản phẩm thành mỏng tích hợp tấm insert và kênh dẫn, khuôn sản phẩm gân mỏng.
- Chế tạo hệ thống điều khiển nhiệt độ khuôn bằng nước tuần hoàn (bơm nhiệt, cảm biến, van tiết lưu) điều chỉnh từ 30 °C đến 110 °C.
- Chế tạo hệ thống gia nhiệt bề mặt khuôn bằng khí nóng bên ngoài (Ex-GMTC) gồm đầu tạo khí nóng 400 °C, cơ cấu cấp khí và vòi phun quét bề mặt lòng khuôn đạt dải nhiệt độ 45 °C đến 140,8 °C.
- Thiết bị và công cụ đo kiểm:
- Máy phun ép nhựa công nghiệp: Shinewell-120B.
- Thiết bị đo và phân bố nhiệt độ: Camera hồng ngoại Fluke TiS20.
- Thiết bị đo kích thước quang học: Máy quét mẫu 3D ATOS 2M xác định chính xác chiều dài dòng chảy và chiều cao điền đầy gân.
- Thiết bị phân tích cấu trúc vi mô: Kính hiển vi điện tử quét (SEM) tại Viện Công nghệ Nano - Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh để quan sát sự định hướng và liên kết bề mặt giữa sợi thủy tinh và nhựa nền.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 trình bày tổng quan về công nghệ phun ép nhựa và composite nhựa nhiệt dẻo, cấu tạo các phân hệ chính của máy phun ép (hệ thống kẹp, hệ thống khuôn, hệ thống điều khiển, hệ thống nóng chảy và phun ép). Tác giả phân tích các giai đoạn của một chu kỳ phun ép: cấp liệu, sấy hạt (2 đến 3 giờ), hóa dẻo trong xi lanh (nhiệt độ 230 °C đến 320 °C), phun ép điền đầy, định hình duy trì áp suất bù co ngót, làm nguội và mở khuôn lừa sản phẩm. Chương này tổng thuật chi tiết các công trình nghiên cứu quốc tế và trong nước về phụ gia, cấu trúc khuôn, thông số công nghệ, tỉ lệ sợi và các công nghệ gia nhiệt khuôn. Dựa trên số liệu thống kê cơ cấu sản xuất ngành nhựa Việt Nam quý 1/2021 (nhựa kỹ thuật chiếm 16,1 %) và nhu cầu nội địa hóa linh kiện composite, tác giả xác định 4 vấn đề tồn tại trong thực tiễn và xác lập các nội dung nghiên cứu trọng tâm của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 thiết lập cơ sở toán học và cơ học cho toàn bộ luận án:
- Phân tích vai trò truyền lực của cốt sợi thủy tinh ngắn và vai trò liên kết, truyền tải ứng suất của nhựa nền PA6.
- Mô tả giải tích chuyển động định hướng không gian của sợi gia cường trong dòng chảy polyme thông qua ten-sơ định hướng và hệ tọa độ cầu $(\theta, \phi)$.
- Làm rõ cơ chế suy giảm độ nhớt khi nhiệt độ tăng và bản chất dòng chảy cuộn "Fountain flow", giải thích sự hình thành lớp đông đặc sát vách lòng khuôn gây nghẽn dòng ở các chi tiết thành mỏng.
- Thiết lập hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng bảo toàn khối lượng, bảo toàn động lượng và bảo toàn năng lượng cho dòng chảy nhựa nóng chảy nhớt dẻo phi Newton trong lòng khuôn.
- Xây dựng mô hình toán truyền nhiệt phần tử hữu hạn (FEM), phương trình trao đổi nhiệt giữa luồng khí nóng bên ngoài, bề mặt kim loại khuôn và khối nhựa điền đầy.
Chương 3: Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm
Chương 3 trình bày quy trình thiết kế, chế tạo và thiết lập thông số cho cả mô phỏng và thực nghiệm đối với 3 mô hình sản phẩm:
- Mô hình cơ bản dòng chảy xoắn ốc (spiral mold): Thiết kế kênh xoắn ốc có tiết diện hình học tương ứng 3 mức chiều dày 0,5 mm; 0,75 mm; 1,0 mm. Bố trí 4 kênh dẫn nước gia nhiệt tuần hoàn bên trong tấm khuôn. Thiết lập điều kiện mô phỏng trên Moldex3D tương ứng các thông số công nghệ trên máy Shinewell-120B.
- Mô hình sản phẩm thành mỏng (thin wall): Thiết kế tấm mẫu dạng bậc với các chiều dày thành 0,2 mm; 0,4 mm; 0,6 mm; chế tạo tấm insert gia nhiệt. Thiết lập mô hình mô phỏng khí nóng 400 °C thổi vào bề mặt với thời gian gia nhiệt thay đổi từ 5 s đến 30 s. Bố trí hệ thống thực nghiệm Ex-GMTC kết hợp camera hồng ngoại Fluke TiS20.
- Mô hình sản phẩm gân mỏng (thin rib): Thiết kế sản phẩm có 2 gân siêu mỏng chiều cao thiết kế 7,0 mm. Xây dựng mô hình mô phỏng truyền nhiệt khí nóng tại các vị trí khác nhau của lòng khuôn và quy trình thực nghiệm đo chiều cao điền đầy gân.
Chương 4: Kết quả và thảo luận ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến chiều dài dòng chảy
Chương 4 công bố và thảo luận các kết quả đo đạc từ mô hình dòng chảy xoắn ốc trong dải nhiệt độ khuôn từ 30 °C đến 110 °C với các tỉ lệ sợi thủy tinh 0 %, 10 %, 20 %, 30 %:
- Tương quan giữa mô phỏng và thực nghiệm: Kết quả mô phỏng trên Moldex3D có sự phù hợp cao với số liệu thực nghiệm trên máy Shinewell-120B; độ chênh lệch giữa thực nghiệm và mô phỏng dao động trong phạm vi hẹp qua các mức chiều dày (0,5 mm; 0,75 mm; 1,0 mm).
- Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn: Khi nhiệt độ khuôn tăng từ 30 °C lên 110 °C, chiều dài dòng chảy luôn tăng ở tất cả các chiều dày sản phẩm. Đối với vật liệu composite PA6 + 30 %GF ở chiều dày lòng khuôn 1,0 mm, chiều dài dòng chảy thực nghiệm tăng từ 79,9 mm lên 100,3 mm, tương ứng mức tăng 25,5 %.
- Ảnh hưởng của tỉ lệ sợi gia cường: Sự gia tăng hàm lượng sợi làm tăng độ nhớt biểu kiến của hỗn hợp, dẫn đến suy giảm chiều dài dòng chảy. Tại cùng mức nhiệt độ khuôn 110 °C, khi tỉ lệ sợi tăng từ 0 % (PA6 nguyên sinh) lên 30 % (PA6 + 30 %GF), chiều dài dòng chảy thực nghiệm giảm từ 145,8 mm xuống 100,3 mm (giảm khoảng 45,4 % so với vật liệu không gia cường).
Dưới đây là bảng tổng hợp số liệu thực nghiệm so sánh ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn và tỉ lệ sợi đối với dòng chảy xoắn ốc (chiều dày 1,0 mm) được trích xuất từ luận án:
| Nhiệt độ khuôn (°C) |
Chiều dài dòng PA6 nguyên sinh (0 %GF) (mm) |
Chiều dài dòng PA6 + 30 %GF (mm) |
Mức giảm chiều dài do bổ sung 30 %GF (%) |
| 30 |
118,5 |
79,9 |
32,6 % |
| 50 |
124,2 |
84,7 |
31,8 % |
| 70 |
131,0 |
89,8 |
31,5 % |
| 90 |
138,4 |
95,1 |
31,3 % |
| 110 |
145,8 |
100,3 |
31,2 % |
- Phân tích cấu trúc sợi qua ảnh chụp SEM: Ảnh hiển vi điện tử quét xác nhận ở nhiệt độ khuôn cao (110 °C), lớp đông đặc mỏng đi rõ rệt, dòng chảy ổn định giúp các sợi thủy tinh phân bố đồng đều hơn và định hướng song song tốt hơn theo hướng dòng chảy, đồng thời mức độ liên kết bám dính giữa nhựa nền PA6 và bề mặt sợi thủy tinh được cải thiện đáng kể so với mẫu đúc ở nhiệt độ khuôn 30 °C.
- Xây dựng phương trình hồi quy: Sử dụng phần mềm Minitab để thiết lập phương trình hồi quy tuyến tính thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ giữa chiều dài dòng chảy ($L$, mm), nhiệt độ khuôn ($T$, °C) và chiều dày sản phẩm ($h$, mm), đạt hệ số tương quan hiệu chỉnh $R\text{-sq(adj)}$ ở mức cao, làm cơ sở khoa học để tra cứu và dự báo quá trình điền đầy.
Chương 5: Ứng dụng phương pháp điều khiển nhiệt độ khuôn nâng cao độ điền đầy sản phẩm thành mỏng, gân mỏng
Chương 5 trình bày việc triển khai phương pháp gia nhiệt bề mặt lòng khuôn bằng khí nóng ngoài khuôn (Ex-GMTC) với nguồn cấp nhiệt 400 °C cho hai dạng hình học phức tạp:
- Sản phẩm dạng thành mỏng:
- Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy nhiệt độ bề mặt khuôn tăng tỷ lệ thuận với thời gian thổi khí nóng (từ 5 s đến 30 s).
- Khả năng chảy của vật liệu PA6 và PA6 + 30 %GF được cải thiện vượt bậc khi tăng thời gian gia nhiệt lên 20 s.
- Cụ thể ở chiều dày thành 0,6 mm: với PA6 nguyên sinh, chiều dài dòng chảy tăng từ 38,9 mm lên 74,3 mm (tăng 90,6 %); với PA6 + 30 %GF, chiều dài dòng chảy tăng từ 28,5 mm lên 58,9 mm (tăng 108,6 %).
- Kết quả so sánh cho thấy dòng chảy của vật liệu nền PA6 có độ nhạy với nhiệt độ khuôn cao hơn hẳn so với PP và ABS (độ cải thiện chiều dài dòng chảy của PA6 và PA6 + 30 %GF đều vượt trên 80 % sau 20 s gia nhiệt).
- Sản phẩm dạng gân mỏng (gân vi mô):
- Khi sử dụng phương pháp gia nhiệt thông thường bằng nước tuần hoàn (nhiệt độ khuôn từ 45 °C đến 75 °C), chiều cao điền đầy gân mỏng chỉ đạt từ 2,8 mm đến tối đa 4,2 mm (chưa điền đầy hoàn toàn chiều cao thiết kế 7,0 mm).
- Khi áp dụng Ex-GMTC, nhiệt độ bề mặt khuôn đạt từ 112 °C đến 140,8 °C, gân mỏng đạt độ điền đầy hoàn toàn 100 % (chiều cao đạt trọn vẹn 7,0 mm).
- Phát hiện quan trọng: Vị trí gia nhiệt khí nóng không nhất thiết phải tập trung trực tiếp tại đúng rãnh gân mỏng; việc lựa chọn vùng gia nhiệt tại vị trí thượng nguồn trước khi dòng nhựa tiến vào gân mỏng đã đủ để triệt tiêu lớp đông đặc sớm, duy trì nhiệt độ chảy lỏng và giúp dòng nhựa điền đầy hoàn toàn vào gân.
Dưới đây là bảng tổng hợp kết quả điền đầy đối với chi tiết gân mỏng (chiều cao thiết kế 7,0 mm) qua hai phương pháp gia nhiệt:
| Phương pháp gia nhiệt |
Nhiệt độ khuôn thực tế (°C) |
Chiều cao gân điền đầy (mm) |
Tỉ lệ điền đầy so với thiết kế (%) |
Trạng thái khuyết tật |
| Nước tuần hoàn |
45,0 |
2,8 |
40,0 % |
Thiếu liệu nghiêm trọng |
| Nước tuần hoàn |
75,0 |
4,2 |
60,0 % |
Không điền đầy đỉnh gân |
| Khí nóng Ex-GMTC |
112,0 |
6,8 |
97,1 % |
Gần điền đầy hoàn toàn |
| Khí nóng Ex-GMTC |
140,8 |
7,0 |
100,0 % |
Điền đầy hoàn toàn, sắc nét |
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt khoa học (lý luận)
- Xác lập một cách định lượng và có hệ thống quy luật ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ khuôn (từ 30 °C đến 140,8 °C), chiều dày lòng khuôn (từ 0,2 mm đến 1,0 mm) và tỉ lệ sợi thủy tinh gia cường (từ 0 % đến 30 %GF) đến khả năng điền đầy (chiều dài dòng chảy và chiều cao gân) của composite nền nhựa nhiệt dẻo PA6.
- Xây dựng thành công phương trình hồi quy thực nghiệm liên hệ giữa chiều dài dòng chảy với nhiệt độ khuôn và chiều dày sản phẩm bằng phần mềm Minitab, cung cấp công cụ toán học hỗ trợ dự báo quá trình điền đầy.
- Làm sáng tỏ cơ chế tác động của nhiệt độ khuôn cao lên cấu trúc vi mô: nhiệt độ khuôn cao làm chậm quá trình đông đặc tại bề mặt, làm mỏng lớp frozen layer, tạo điều kiện cho các sợi thủy tinh định hướng song song thuận lợi theo hướng dòng chảy và tăng cường liên kết tiếp xúc pha giữa sợi và nhựa nền PA6 (được kiểm chứng qua ảnh chụp SEM).
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp công nghệ
- Ứng dụng thành công công nghệ gia nhiệt bề mặt khuôn bằng khí nóng bên ngoài (Ex-GMTC) đạt nhiệt độ lên đến 140,8 °C vào quy trình phun ép sản phẩm composite thành mỏng và gân mỏng. Giải pháp này cho phép điền đầy 100 % gân có chiều cao 7,0 mm mà không cần tăng áp suất phun ép lên ngưỡng nguy hại.
- Đưa ra giải pháp công nghệ tối ưu hóa vị trí gia nhiệt: chứng minh vùng gia nhiệt không bắt buộc phải đặt tại vị trí thành mỏng/gân mỏng mà có thể bố trí tại vị trí dòng vật liệu đi qua trước đó, giúp khuôn có kết cấu đơn giản, không bị phụ thuộc vào hình học phức tạp của lòng khuôn.
- Cung cấp quy trình công nghệ và thông số gia công tham khảo giúp các doanh nghiệp sản xuất nhựa kỹ thuật có thể tận dụng hệ thống máy móc sẵn có (như máy Shinewell-120B hoặc tương đương) để đúc các chi tiết đòi hỏi thành mỏng, độ chính xác cao bằng composite mà không cần đầu tư hệ thống khuôn kênh dẫn nóng ngoại nhập tốn kém.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài
- Giới hạn về trang thiết bị phân tích hiện đại: Luận án thực hiện trên cơ sở máy móc thực nghiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM và Viện Công nghệ Nano - ĐHQG TP.HCM (kính hiển vi SEM, máy quét ATOS 2M, camera Fluke TiS20). Tác giả chưa có điều kiện sử dụng các thiết bị kiểm tra chuyên sâu tiên tiến hàng đầu thế giới như kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát chi tiết bề mặt phân cách nano giữa nhựa và sợi, hoặc kỹ thuật siêu âm thể tích khuôn trong thời gian thực.
- Thời gian chu kỳ phun ép: Mặc dù phương pháp Ex-GMTC nâng cao nhiệt độ khuôn và độ điền đầy vượt trội, việc kéo dài thời gian gia nhiệt bằng khí nóng (lên tới 20 - 30 s) dẫn đến chu kỳ phun ép tổng thể bị kéo dài, cần các giải pháp giải nhiệt nhanh đồng bộ để tối ưu hóa năng suất sản xuất công nghiệp.
- Chủng loại vật liệu: Luận án mới tập trung nghiên cứu sâu trên hệ vật liệu composite nền PA6 gia cường sợi thủy tinh ngắn (0 % đến 30 %GF), các kiểm chứng trên PP và ABS mới dừng ở mức so sánh độ nhạy nhiệt độ.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Nghiên cứu tối ưu hóa đồng thời chu trình gia nhiệt nhanh bằng khí nóng và chu trình giải nhiệt gián đoạn đa kênh nhằm rút ngắn tổng thời gian một chu kỳ ép phun.
- Ứng dụng kỹ thuật mô phỏng và thực nghiệm mở rộng cho các loại nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật cao khác (như PBT, PC, POM, PPS) kết hợp với các loại sợi gia cường khác (sợi carbon, sợi khoáng, sợi tự nhiên).
- Ứng dụng thiết bị kiểm tra hiện đại (như TEM, chụp cắt lớp vi tính công nghiệp X-ray CT) để khảo sát trường định hướng sợi 3D xuyên suốt chiều dày sản phẩm.
Giá trị tham khảo
Nội dung và kết quả của luận án mang lại giá trị tham khảo rõ ràng cho các nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Công nghệ Vật liệu:
- Tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa mô phỏng số (Moldex3D) và thực nghiệm kiểm chứng bằng máy quét ATOS 2M, camera nhiệt Fluke TiS20 và ảnh SEM.
- Sử dụng số liệu thực nghiệm và hệ phương trình hồi quy trong Chương 4 làm dữ liệu đối chuẩn (benchmark) cho các nghiên cứu về lưu biến học polyme composite.
- Kỹ sư thiết kế khuôn mẫu và công nghệ phun ép nhựa kỹ thuật:
- Ứng dụng trực tiếp thông số công nghệ và kết cấu hệ thống gia nhiệt khí nóng Ex-GMTC (Chương 3 và Chương 5) để xử lý các sản phẩm bị khuyết tật thiếu liệu, vết hàn hoặc cong vênh ở các chi tiết có gân mỏng và thành mỏng.
- Tham khảo giải pháp bố trí vùng gia nhiệt trước vị trí thành mỏng để tối ưu hóa đường dẫn khí nóng mà không phá vỡ kết cấu cơ khí của bộ khuôn hiện có.
- Doanh nghiệp sản xuất linh kiện phụ trợ ngành điện tử và ô tô:
- Áp dụng quy trình ép phun composite PA6 + 30 %GF để sản xuất các chi tiết giắc cắm, bảng mạch, đầu nối quang, bánh răng nhỏ với chi phí khuôn hợp lý, tránh việc phải trang bị các hệ thống kênh dẫn nóng phức tạp.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án khảo sát sự thay đổi chiều dài dòng chảy của composite PA6 + 30 %GF ở dải nhiệt độ khuôn nào và kết quả tăng trưởng ra sao?
Trong mô hình dòng chảy xoắn ốc với chiều dày thành 1,0 mm, nhiệt độ khuôn được khảo sát từ 30 °C đến 110 °C bằng hệ thống kênh dẫn nước tuần hoàn. Kết quả thực nghiệm cho thấy chiều dài dòng chảy của vật liệu PA6 + 30 %GF tăng từ 79,9 mm (ở 30 °C) lên 100,3 mm (ở 110 °C), tương ứng với mức tăng 25,5 %. Kết quả mô phỏng trên phần mềm Moldex3D cho thấy sự tương đồng cao với số liệu thực nghiệm này.
2. Sự gia tăng tỉ lệ sợi thủy tinh từ 0 % lên 30 % tác động như thế nào đến chiều dài dòng chảy của vật liệu PA6?
Sự gia tăng tỉ lệ sợi làm tăng độ cản trở dòng chảy và độ nhớt của composite. Tại cùng mức nhiệt độ khuôn 110 °C (chiều dày 1,0 mm), khi tỉ lệ sợi thủy tinh tăng từ 0 % (PA6 nguyên sinh) lên 30 % (PA6 + 30 %GF), chiều dài dòng chảy thực nghiệm giảm từ 145,8 mm xuống còn 100,3 mm, tương ứng mức giảm 45,4 % chiều dài dòng chảy so với nhựa không gia cường.
3. Phương pháp gia nhiệt bề mặt khuôn bằng khí nóng ngoài khuôn (Ex-GMTC) cải thiện độ điền đầy sản phẩm thành mỏng (0,6 mm) ở mức độ nào?
Với thời gian gia nhiệt khí nóng 20 s (nhiệt độ khí cấp 400 °C), chiều dài dòng chảy của sản phẩm thành mỏng 0,6 mm được cải thiện rõ rệt:
- Vật liệu PA6 nguyên sinh: chiều dài dòng chảy tăng từ 38,9 mm lên 74,3 mm (tăng thêm 90,6 %).
- Vật liệu composite PA6 + 30 %GF: chiều dài dòng chảy tăng từ 28,5 mm lên 58,9 mm (tăng thêm 108,6 %).
Độ cải thiện này cao hơn đáng kể so với vật liệu PP và ABS khi xử lý ở cùng điều kiện.
4. Đối với sản phẩm có kết cấu gân mỏng chiều cao 7,0 mm, phương pháp gia nhiệt Ex-GMTC mang lại kết quả khác biệt gì so với gia nhiệt bằng nước tuần hoàn?
Khi sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng nước tuần hoàn với nhiệt độ khuôn từ 45 °C đến 75 °C, sản phẩm chỉ điền đầy được chiều cao gân từ 2,8 mm đến 4,2 mm (thiếu liệu nặng). Khi chuyển sang phương pháp Ex-GMTC, nhiệt độ bề mặt khuôn nâng lên dải 112 °C đến 140,8 °C, dòng vật liệu đã điền đầy trọn vẹn 100 % chiều cao gân mỏng đạt 7,0 mm.
5. Nghiên cứu đưa ra phát hiện gì về vị trí bố trí vùng gia nhiệt khí nóng trên bề mặt khuôn?
Luận án phát hiện rằng vùng gia nhiệt khí nóng không nhất thiết phải đặt trực tiếp ngay tại vị trí có kết cấu gân mỏng hoặc thành mỏng. Người vận hành có thể chọn vùng gia nhiệt tại vị trí dòng vật liệu chảy qua trước khi tiến vào khu vực gân mỏng; việc làm nóng trước này đã đủ để triệt tiêu lớp đông đặc sớm, giảm trở lực và duy trì trạng thái lỏng giúp điền đầy hoàn toàn cấu trúc gân mỏng.
Kết luận
Luận án của tác giả Phan Thế Nhân đã làm rõ quy luật chi phối của nhiệt độ khuôn và tỉ lệ sợi thủy tinh (0 % đến 30 %GF) đến khả năng điền đầy của vật liệu composite nền PA6 qua cả hai dải nhiệt độ nước tuần hoàn (30 °C - 110 °C) và khí nóng Ex-GMTC (45 °C - 140,8 °C). Công trình đã xây dựng thành công phương trình hồi quy thực nghiệm xác định chiều dài dòng chảy và chứng minh tính khả thi của giải pháp gia nhiệt khí nóng cục bộ giúp điền đầy hoàn toàn chi tiết gân mỏng cao 7,0 mm và tăng chiều dài dòng thành mỏng trên 108 %. Các phát hiện về sự định hướng sợi qua ảnh SEM và vị trí bố trí vùng gia nhiệt thượng nguồn đem lại giải pháp công nghệ hữu ích cho ngành sản xuất khuôn mẫu và ép phun composite kỹ thuật tại Việt Nam.
