CHƯƠNG 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1. Ngoài nƣớc (phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài trên thế giới, liệt kê danh mục các công trình nghiên cứu, tài liệu có liên quan đến đề tài được trích dẫn khi đánh giá tổng quan) Hiện nay, do yêu cầu ngày càng cao của thị trƣờng và ngƣời tiêu dùng, các sản phẩm nhựa ngày càng có các kết cấu, hình dạng phức tạp hơn. Song song với quá trình phát triển các thiết kế này, các khuyết tật của sản phẩm nhựa cũng sẽ xuất hiện ngày càng nhiều.
Hiện nay, các khuyết tật phổ biến do hình dạng của sản phẩm có thể kể đến nhƣ: đƣờng hàn (weld line), rổ khí (air trap), cong vênh (warpage) do co rút không đồng đều,… Trong nhóm khuyết tật này, khuyết tật về đƣờng hàn đƣợc hình thành do quá trình tiếp xúc, giao nhau giữa hai dòng nhựa lỏng (Hình 1- 1). Vì đặc điểm này, đƣờng hàn hầu nhƣ xuất hiện trên tất cả các sản phẩm nhựa và tính thẩm mỹ của sản phẩm không những bị ảnh hƣởng xấu, mà độ bền của sản phẩm cũng sẽ giảm đáng kể. Mặt tiếp xúc Dòng chảy với không khí Fount ain Lớp nguội ngăn cản dòng chảy nhựa Khi chiều dày lớp nguội tăng, dòng chảy nhựa càng bị hạn chế Toàn bộ dòng chảy đã đông đặc Vị trí giao nhau gi ữa hai dòng nhựa Hình 1.1: Quá trình hình thành đường hàn trên sản phẩm nhựa HVTH: PHẠM MINH ĐĂNG 2 GVHD: TS.Phạm Sơn Minh Đến nay, nhằm khắc phục khuyết tật này, hầu hết các sản phẩm nhựa đƣợc phủ một lớp sơn lên bề mặt. Với phƣơng án này, bề mặt sản phẩm sẽ đẹp hơn.
Tuy nhiên, nhà sản xuất sẽ phải chịu chi phí cho quá trình sơn phủ. Ngoài ra, vấn đề về ô nhiễm môi trƣờng cũng cần xem xét khi phƣơng án sơn phủ đƣợc sử dụng. Bên cạnh đó, mặc dù đƣờng hàn sẽ không còn xuất hiện trên bề mặt của sản phẩm nhựa do đƣợc phủ bằng lớp sơn, nhƣng độ bền của sản phẩm vẫn bị giảm đi đáng kể. Do đó, nhằm tăng độ bền kéo của đƣờng hàn trên sản phẩm nhựa, phƣơng pháp gia nhiệt cục bộ tại vị trí xuất hiện đƣờng hàn đƣợc đề xuất nhằm tăng khả năng kết dính của hai dòng nhựa, cũng nhƣ tăng độ bền kéo của đƣờng hàn.
Ngoài khả năng nâng cao độ bền kéo của đƣờng hàn, tối ƣu hóa quá trình điều khiển nhiệt độ khuôn là một trong những cách hiệu quả nhất nhằm nâng cao chất lƣợng bề mặt sản phẩm nhựa [1, 2].Nhìn chung, nếu nhiệt độ bề mặt lòng khuôn cao, quá trình điền đầy nhựa sẽ đƣợc dễ dàng hơn, và trong hầu hết các trƣờng hợp, chất lƣợng bề mặt sản phẩm sẽ đƣợc 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. Nhìn chung, dựa vào ảnh hƣởng nhiệt độ lên tấm khuôn, quá trình gia nhiệt cho khuôn phun ép đƣợc chia làm 2 nhóm chính: Nhóm I: Gia nhiệt cả tấm khuôn (volume heating) Nhóm II: Gia nhiệt cho bề mặt khuôn (surface heating).
Trong nhóm thứ nhất, phƣơng pháp gia nhiệt bằng hơi nƣớc (steam heating) đƣợc đề xuất nhƣ (Hình 1-2), phƣơng án này có thể đạt đƣợc tốc độ gia nhiệt từ HVTH: PHẠM MINH ĐĂNG 3 GVHD: TS.Phạm Sơn Minh 1oC/s đến 3oC/s [3]. Tuy nhiên, tốc độ gia nhiệt theo phƣơng pháp này không đƣợc đánh giá cao và quá trình giải nhiệt cho khuôn cũng sẽ gặp nhiều khó khăn. Mô hình thí nghiệm gia nhiệt cho khuôn bằng hơi nước (Steam heating) Trong nghiên cứu khác, tốc độ gia nhiệt đƣợc cải tiến đáng kể khi phƣơng pháp gia nhiệt cho bề mặt khuôn đƣợc sử dụng (Nhóm II).Khi sử dụng các phƣơng pháp này, quá trình điền đầy của nhựa vào lòng khuôn đƣợc cải thiện khi bề mặt khuôn đƣợc phủ một lớp cách nhiệt. Nhìn chung, nhóm các phƣơng pháp này có thể tăng nhiệt độ bề mặt khuôn lên khoảng 25oC [4, 5].
Trong nhóm gia nhiệt cho bề mặt khuôn, hệ thống gia nhiệt bằng tia hồng ngoại (infrared heating), Hình 1-3, đƣợc nghiên cứu và ứng dụng cho khuôn phun ép nhựa [6, 7]. Hệ thống gia nhiệt bằng tia hồng ngoại đƣợc ứng dụng cho khuôn phun ép sản phẩm dạng micro. Thiết kế khuôn và sản phẩm dạng micro đƣợc trình bày ở (Hình 1-4). Sau quá trình phun ép, sản phẩm đƣợc scan 3D nhằm kiểm tra khả năng điền đầy khuôn cho các kết cấu micro (Hình1- 5).
Nghiên cứu này cho thấy với nhiệt độ khuôn 80oC, và 10s gia nhiệt, toàn bộ các kết cấu micro đƣợc điền đầy nhựa. HVTH: PHẠM MINH ĐĂNG 4 GVHD: TS.Phạm Sơn Minh Hình 1. Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngoại (infrared heating system) Hình 1. Thiết kế của khuôn (a) cho sản phẩm phun ép nhựa dạng micro (b) HVTH: PHẠM MINH ĐĂNG 5 GVHD: TS.Phạm Sơn Minh Hình 1.Các kết cấu dạng micro của sản phẩm được đo bằng phương pháp micro scan 3D Ngoài ra, nhằm đáp ứng yêu cầu gia nhiệt cho các bề mặt phức tạp, phƣơng pháp thổi khí nóng vào lòng khuôn (gas heating) đã đƣợc nghiên cứu và đánh giá hiệu quả [8, 9].Với phƣơng pháp này, nhiệt độ bề mặt khuôn có thể đƣợc tăng từ 60oC đến 120oC trong thời gian 2 s.
Tuy nhiên, quá trình gia nhiệt này sẽ đạt tới trạng thái bảo hòa khi thời gian gia nhiệt kéo dài hơn 4 s. Ƣu điểm của phƣơng pháp “gas heating” là tốc độ gia nhiệt rất cao, và thời gian chu kỳ của sản phẩm sẽ đƣợc rút ngắn.Tuy nhiên, thiết kế của khuôn phun ép (Hình 1-6) cần đƣợc thực hiện lại nhằm tích hợp hệ thống gia nhiệt vào. HVTH: PHẠM MINH ĐĂNG 6 GVHD: TS.Phạm Sơn Minh Hình 1. Phương pháp gia nhiệt cho khuôn bằng dòng khí nóng (Gas heating) Tƣơng tự với các phƣơng pháp gia nhiệt bề mặt (surface heating), phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ (induction heating), (Hình 1-7), đã đƣợc ứng dụng nhằm hạn chế độ cong vênh, co rút, làm mờ đƣờng hàn (welding line), cũng nhƣ các khuyết tật khác của sản phẩm nhựa.
Phương pháp gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ (Induction heating) HVTH: PHẠM MINH ĐĂNG 7 GVHD: TS.Phạm Sơn Minh Trong các nghiên cứu mới đây , phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ đƣợc kết hợp với lƣu chất giải nhiệt nhằm điều khiển nhiệt độ khuôn. Phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ có những ƣu điểm vƣợt trội so với các phƣơng pháp khác nhƣ: - Tốc độ gia nhiệt cao - Thời gian gia nhiệt có thể kéo dài đến 20 s - Có thể ứng dụng cho khuôn phun ép nhƣ một module đính kèm, nghĩa là không cần thay đổi kết cấu khuôn có sẵn. Nhìn chung, quá trình gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa hầu nhƣ đều có ảnh hƣởng tích cực đến chất lƣợng sản phẩm nhựa. Do đó, các phƣơng pháp gia nhiệt nêu trên đều đƣợc ứng dụng trong các qui trình phun ép sản phẩm nhựa với các yêu cầu kỹ thuật cao nhƣ: micro – injection molding, high aspect ratio injection molding… Trong các yêu cầu về chất lƣợng sản phẩm, đƣờng hàn là một trong các khuyết tật thƣờng xuất hiện trong quá trình phun ép, và thƣờng đƣợc nêu ra trong quá trình đánh giá chất lƣợng sản phẩm nhựa.
Đến nay, đã có một số nghiên cứu về vấn đề đƣờng hàn trong qui trình phun ép nhựa, và các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào độ bền kéo và phƣơng pháp làm mờ đƣờng hàn. Trong nghiên cứu của Matti Koponen [10], mô hình ngiên cứu đƣờng hàn nhƣ (hình1- 8) đƣợc tiến hành thực nghiệm với sự thay đổi của tốc độ dòng chảy nhựa, và áp suất phun. Kết quả cho thấy khi tăng tốc độ phun từ 30 cm3/s đến 380 cm3/s, độ bền kéo theo chiều dòng chảy của đƣờng hàn sẽ tăng từ 122MPa đến 145 MPa. Ngoài ra, khi tăng áp suất nén của khuôn, hầu nhƣ tất cả độ bền kéo theo các phƣơng của đƣờng hàn sẽ đƣợc cải thiện.
HVTH: PHẠM MINH ĐĂNG 8 GVHD: TS.Phạm Sơn Minh Hình 1. Mô hình nghiên cứu độ bền đường hàn của Matti Koponen Nhằm nghiên cứu ảnh hƣởng của hình dáng đƣờng hàn và thông số phun ép đến độ bền kéo của đƣờng hàn, Cheng-Hsien Wu đã sử dụng mô hình nhƣ (Hình 1- 9) [11].Trong nhóm các thông số phun ép, nghiên cứu này cho thấy nhiệt độ nhựa nóng chảy (melt temperature) (từ 200oC đến 220oC) có ảnh hƣởng mạnh nhất đến độ bền của đƣờng hàn, sau đó là các thống số khác nhƣ: thời gian định hình (Packing pressure – 10 MPa đến 30 MPa), tốc độ chảy của nhựa (Injection velocity - 90mm/s đến 150 mm/s), và nhiệt độ khuôn (Mold temperatrue – từ 32oC đến 52oC). Ngoài ra, áp suất định hình (packing pressure) và gia tốc của nhựa (injection acceleration) trong quá trình điền đầy lòng khuôn (filling step) hầu nhƣ không ảnh hƣởng đến độ bền của đƣờng hàn. HVTH: PHẠM MINH ĐĂNG 9 GVHD: TS.Phạm Sơn Minh Hình 1.
Mô hình thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng đường hàn và thông số phun ép đến độ bền kéo của đường hàn [11] Độ bền uốn của đƣờng hàn giữa vật liệu nhựa vô định hình (Amorphous) (nhƣ PC) và bán tinh thể (Semicrystally) (nhƣ PE) cũng đƣợc xem xét qua nghiên cứu của N.Kết quả cho thấy độ bền uốn đƣờng hàn của nhựa amorphous (PC) sẽ bị ảnh hƣởng nhiều hơn nhựa semicrystally (PE) khi nhiệt độ phun thay đổi trong khoảng 250oC đến 300oC. Ngoài ra, độ bền uốn của hỗn hợp PC/PE sẽ tăng khi nhiệt độ phun tăng. Mô hình thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kích thước và thông số phun ép đến độ bền uốn của đường hàn [12] HVTH: PHẠM MINH ĐĂNG 10 GVHD: TS.Phạm Sơn Minh Qua các nghiên cứu nêu trên, đối với phƣơng pháp phun ép sản phẩm nhựa, khuyết tật về đƣờng hàn là một trong những khuyết tật thƣờng xuyên xuất hiện, và có ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng và tính thẩm mỹ của sản phẩm nhựa.Qua các nghiên cứu trƣớc đây [10 – 12], thông số về nhiệt độ có ảnh hƣởng nhiều đến độ bền của đƣờng hàn.Tuy nhiên, trong các nghiên cứu về ảnh hƣởng của nhiệt độ đến chất lƣợng đƣờng hàn nhƣ đã nêu trên [10 – 15], nhiệt độ khuôn chỉ đƣợc thay đổi trong vùng tham khảo của từng loại vật liệu.