Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan công nghệ phun ép nhựa và điều khiển nhiệt độ khuôn Trong quá trình sản xuất các sản phẩm nhựa, phun ép nhựa là một trong những phương pháp thông dụng nhất hiện nay. Các bước cơ bản của phun ép nhựa được trình bày như hình 1. Đầu tiên, hạt nhựa được sấy để loại bỏ hơi ẩm, sau đó, hạt nhựa được đưa vào phễu cấp liệu trên máy ép. Từ đây, hạt nhựa được trục vít vận chuyển tới bộ phận gia nhiệt để gia nhiệt làm cho nhựa từ trạng thái rắn chuyển qua trạng thái lỏng.
Khi nhựa đã chảy lỏng hoàn toàn sẽ được trục vít phun ép qua hệ thống kênh dẫn nhựa vào điền đầy lòng khuôn. Sau khi lòng khuôn được điền đầy hoàn toàn thì sản phẩm nhựa được làm nguội để nhựa từ dạng lỏng chuyển về lại dạng rắn ban đầu và lấy ra khỏi khuôn, kết thúc một chu kỳ sản xuất sản phẩm nhựa. Ty đẩy Lòng Hạt nhựa khuôn Xy lanh Nhựa nóng Động cơ Đầu phun chảy Khuôn quay trục vít Hình 1.1: Quá trình phun ép sản phẩm nhựa [1] Song song với quá trình phát triển của qui trình sản xuất các sản phẩm nhựa, các khuyết tật cũng sẽ xuất hiện ngày càng nhiều. Hiện nay, các khuyết tật thường gặp trong quá trình sản xuất sản phẩm theo phương pháp phun ép như đường hàn (weld line), rỗ khí (air trap), cong vênh (warpage) do co rút không đồng đều… [1].
Ngoài ra, độ bền sản phẩm cũng là một tiêu chí ngày càng được yêu cầu nhiều hơn từ phía khách hàng [2 – 4]. Do đó, trong lĩnh vực khuôn phun ép nhựa, các nghiên 1 luan an cứu trong những năm gần đây chủ yếu tập trung vào 04 hướng chính (hình 1.2) như sau: - Nghiên cứu vật liệu mới: trong hướng nghiên cứu này, chất phụ gia thường được nghiên cứu nhằm cải thiện các vấn đề phun ép hiện có [5, 6]. Ngoài ra, tại các phòng thí nghiệm chuyên về polymer, các loại vật liệu mới hoàn toàn cũng là mục tiêu nghiên cứu [8, 9]. Các hướng nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào cơ tính của sản phẩm sau phun ép, nhằm tăng độ bền [10], khả năng chịu va đập [11 – 14], hoặc khả năng dẫn điện [15 – 16] (với vật liệu composite nền nhựa).
Hiện nay, ưu điểm của hướng nghiên cứu này là khả năng tạo ra vật liệu mới, có những ưu điểm nổi bật hơn so với các vật liệu phun ép truyền thống. Tuy nhiên, so với thị trường công nghệ tại Việt Nam, hướng nghiên cứu này vẫn chưa thích hợp do yêu cầu về thiết bị phục vụ nghiên cứu khá cao. Ngoài ra, với các vật liệu mới, thị trường sản xuất ở Việt Nam chưa có nhu cầu lớn. - Nghiên cứu kết cấu và vật liệu chế tạo khuôn phun ép: Trong quá trình phun ép các sản phẩm nhựa, khuôn phun ép là một trong những chi tiết yêu cầu kỹ thuật khá cao cả về độ chính xác hình dáng hình học, lẫn cơ tính.
Chất lượng của khuôn sẽ ảnh hưởng đến độ co rút của sản phẩm [17 – 19], khả năng giải nhiệt [20 – 22] và thời gian chu kỳ phun ép [23 – 25]. Ngoài ra, vật liệu làm khuôn là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến độ bền của khuôn. Do đó, các nghiên cứu về khuôn phun ép hiện nay có các hướng chính như sau: o Vật liệu làm khuôn [26 – 29]: Với vật liệu làm khuôn, các vật liệu mới đang được nghiên cứu gồm các dạng kim loại nhẹ, dẫn nhiệt tốt và độ bền cơ học cao. Tuy nhiên, việc nghiên cứu các vật liệu khuôn này chủ yếu phụ thuộc vào công nghệ luyện kim, đây là một trong những lĩnh vực cần yêu cầu rất nhiều kinh phí để có thể đạt được những kết quả nghiên cứu khả quan, đặc biệt trong điều kiện kinh tế ở Việt Nam.
o Vật liệu gia công khuôn [30 – 36]: Hiện nay, công nghệ gia công kim loại đang được nghiên cứu khá mạnh ở các nước phát triển như Đức, Mỹ, Thụy Điển,…Tuy nhiên, so với mặt bằng tại Việt Nam, các loại 2 luan an công nghệ này còn khá cao, mặc dù nhu cầu đang ngày càng tăng. Ngoài ra, tương tự như những hướng nghiên cứu trên, việc nghiên cứu về vật liệu gia công khuôn cũng sẽ đòi hỏi các trang thiết bị khá tốn kém, cũng như chi phí thử nghiệm vật liệu khá cao. Do đó, hướng nghiên cứu này gần như rất khó tiến hành tại Việt Nam. o Phương pháp và công nghệ gia công khuôn [37 – 42]: Hiện nay, tại Việt Nam, công nghệ gia công khuôn chủ yếu tập trung vào công nghệ bóc tách vật liệu với những phương pháp thông dụng như: Tiện, phay, mài, cắt dây, gia công điện cực,… Đây cũng là những phương pháp gia công phổ biến trên thế giới.
Ngoài những phương pháp này, phương pháp in 3D kim loại cũng đang được nghiên cứu, phát triển nhằm đưa vào qui trình chế tạo khuôn. Hiện nay, thị trường gia công tại Việt Nam đang có nhiều công ty có thể làm chủ các công nghệ về bóc tách vật liệu với độ chính xác khá tốt. Tuy nhiên, với phương pháp in 3D kim loại, hầu như chưa có công ty hoặc phòng thí nghiệm tại Việt Nam có thể ứng dụng công nghệ này. Đây có thể là hướng nghiên cứu trong tương lai tại Việt Nam.
o Qui trình thiết kế khuôn: Hiện nay, qui trình thiết kế khuôn được thực hiện chủ yếu trên các phần mền 3D phổ biến như: Inventor, Catia, SolidWork, NX, CreO… Các qui trình và các công cụ hỗ trợ này chủ yếu được phát triển bởi các công ty phần mềm ở nước ngoài. Vì vậy, việc nghiên cứu cải tiến qui trình gần như không được thực hiện tại Việt Nam. - Nghiên cứu về máy phun ép: Trong các thiết bị phun ép nhựa, máy phun ép là thiết bị quan trọng nhất, quyết định trực tiếp đến độ chính xác, chất lượng, cũng như sản lượng phun ép các sản phẩm nhựa. Hiện nay, trong quá trình phát triển, máy phun ép ngày càng được nghiên cứu nhằm đưa ra nhiều loại phù hợp với các loại/nhóm sản phẩm nhựa như: sản phẩm có kích thước micro [43 – 47], sản phẩm kích thước thông thường, sản phẩm có kích thước siêu lớn.
Hoặc các loại máy phun ép chuyên biệt được sử dụng cho các loại vật liệu đặc biệt như composite, vật liệu nhớ hình,… Tuy 3 luan an nhiên, nhìn chung, các thông số và yêu cầu kỹ thuật chính của các máy phun ép đều tập trung vào các lĩnh vực như: vít-me, điều khiển áp suất phun, vận tốc ép, độ chính xác của các cơ cấu,…[48 – 53]. Các kết quả nghiên cứu trong hướng này cho ra các thế hệ máy phun ép mới, nhưng chi phí của các máy này sẽ cao hơn, dẫn đến chi phí sản xuất cũng sẽ tăng theo. Hiện nay, các nghiên cứu về máy phun ép hầu như rất khó thực hiện tại Việt Nam do điều kiện thực nghiệm yêu cầu các thiết bị tối tân và chi phí thử nghiệm rất lớn. - Nghiên cứu công nghệ hoặc qui trình ép nhựa mới nhằm nâng cao chất lượng nhựa lỏng, cũng như khả năng điều khiển nhiệt độ và áp suất nhựa lỏng trong quá trình ép.
Trong các qui trình phun ép hiện nay, hạt nhựa sau khi được hóa lỏng sẽ được ép vào lòng khuôn, sau đó, khi thể tích nhựa này nguội đến nhiệt độ mở khuôn, hai nửa khuôn sẽ mở ra và sản phẩm sẽ được đẩy ra khỏi khuôn. Với qui trình này, hiện nay có hai hướng nghiên cứu chính như sau: o Hướng nghiên cứu về tối ưu hóa các thông số phun ép: Hướng nghiên cứu này thường được thực hiện với các dạng sản phẩm như: micro [43 – 47], thành mỏng [54 – 56], composite [57 – 60],… với các phương pháp tối ưu hóa như: Taguchi [61 – 64], ANOVA [65 – 67], mạng neuron [68 – 70],… Thông qua quá trình tối ưu hóa, chất lượng sản phẩm phun ép được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, một trong những giới hạn của phương pháp tối ưu hóa là các thông số phun ép chỉ giới hạn trong mức thông thường, ví dụ: nhiệt độ khuôn trong vùng tham khảo của nhựa, áp suất phun ép, áp suất định hình tùy thuộc vào khả năng của máy phun ép,… Chính những giới hạn này, phương pháp tối ưu hóa hiện tại chỉ dừng lại ở bước nâng cao chất lượng sản phẩm, chứ chưa thể mở rộng khả năng của thiết bị nhằm chế tạo được những sản phẩm phức tạp và yêu cầu kỹ thuật cao. o Hướng nghiên cứu về qui trình phun ép mới: Hiện nay, các qui trình phun ép mới được đề suất bởi các nghiên cứu với các mục 4 luan an tiêu như: nâng cao nhiệt độ khuôn trong quá trình nhựa điền đầy lòng khuôn [71 – 74], tăng vận tốc và áp suất phun ép [75 – 76], rút ngắn thời gian phun ép,… Đến nay, các hướng nghiên cứu này bước đầu cho thấy những lợi thế về mặt ứng dụng như: ▪ Dễ dàng ứng dụng cho các thiết bị hiện có tại các công ty ▪ Nâng cao khả năng phun ép khá rõ ràng ▪ Có thể ứng dụng cho một số dạng sản phẩm khó phun ép với thế hệ máy phun ép thông thường.
Nhìn chung, trong các hướng trên, các đề tài về nghiên cứu qui trình mới cho phương pháp phun ép và nghiên cứu về vật liệu nhựa, kết cấu khuôn, máy phun ép thường được thực hiện tại các nước phát triển như Mỹ, Châu Âu, Nhật… do điều kiện cơ sở vật chất, cũng như các trang thiết bị hiện đại. Ngược lại, nghiên cứu về tối ưu hóa các thông số thuộc quá trình phun ép hoặc điều kiện phun ép thường được các nước như Trung Quốc, Đài Loan, Hàn Quốc chú ý do nhu cầu sản xuất từ các khu công nghiệp cho phép hướng nghiên cứu này phát triển mạnh. 5 luan an - Vật liệu làm khuôn Phụ thuộc nhiều vào: - Vật liệu gia công khuôn - Công nghệ luyện kim - Phương pháp / công nghệ gia công - Công nghệ CAD/CAM-CNC - Qui trình thiết kế khuôn -. - Vitme Độ ền: - Giá máy tăng cao - Áp suất - Kéo - Chi phí vận hành cao - Vận tốc ép -U n - Điều khiển -M i - Độ chính xác cơ cấu -.
- Môi trường - Chất phụ gia Máy phun ép nhựa - Chi phí vật liệu khi - Vật liệu mới Khuôn sản xuất sản lượng lớn Hiệu quả t t hơn o v i c c thông kh c Tối ưu hóa thông số Qui t ình i Nhiệt độ khuôn Giới hạn về thiết bị, công M ộng khả năng công V n t c, p u t ép nghệ.