Luận án tiến sĩ: Ảnh hưởng của gia nhiệt khí nóng đến độ bền sản phẩm nhựa dạng thành mỏng

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu ảnh hưởng của gia nhiệt khuôn phun ép bằng khí nóng đến độ bền sản phẩm nhựa dạng thành, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề

• Tác giả: Trần Minh Thế Uyên
• Người hướng dẫn: PGS. Đỗ Thành Trung
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Gia Nhiệt Khí Nóng Đến Độ Bền Sản Phẩm Nhựa Mỏng
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
• LỜI CẢM ƠN
• 1. Chương 1: Tổng quan công nghệ phun ép nhựa và điều khiển nhiệt độ khuôn
• 1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.3. Vấn đề khoa học còn tồn tại
• 1.4. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.5. Ý nghĩa khoa học
• 1.6. Giá trị thực tiễn
• 1.7. Mục đích nghiên cứu
• 1.8. Đối tượng nghiên cứu
• 1.9. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài
• 1.10. Phương pháp nghiên cứu
• 1.11. Bố cục luận án
• 2. Qui trình phun ép nhựa
• 2.1. Mô phỏng dòng chảy nhựa trong khuôn
• 2.1.1. Độ nhớt của nhựa nhiệt dẻo
• 2.1.2. Mô hình PVT (Pressure-Volume-Temperature)
• 2.2. Dòng chảy nhựa trong chi tiết dạng tấm/hộp
• 2.2.1. Đặc điểm của quá trình
• 2.2.2. Phương pháp số
• 2.3. Định nghĩa các kết quả mô phỏng
• 2.4. Ảnh hưởng lớp bề mặt “frozen-layer” đến dòng chảy nhựa
• 2.5. Phương trình dòng chảy nhựa và dòng khí
• 2.5.1. Các phương trình chính
• 2.5.2. Điều kiện biên
• 2.5.3. Mô hình số trong mô phỏng
• 2.6. Kiểm tra độ bền kéo
• 2.6.1. Tiêu chuẩn độ bền kéo ASTM D638
• 2.6.2. Công thức tính độ bền kéo
• 2.6.3. Cách tiến hành thử nghiệm
• 3. MÔ TẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 3.1. Qui trình gia nhiệt khuôn bằng khí nóng ngoài khuôn
• 3.2. Mô hình mô phỏng và thực nghiệm
• 3.2.1. Mô phỏng quá trình gia nhiệt bằng khí nóng ngoài khuôn
• 3.2.2. Mô phỏng quá trình nhựa điền đầy lòng khuôn
• 3.3. Máy ép nhựa Shinewell – 120B (SW-120B)
• 3.4. Tay máy gia nhiệt
• 3.5. Bộ khuôn thực nghiệm
• 3.6. Cảm biến đo nhiệt độ tiếp xúc
• 3.7. Máy thử độ bền kéo
• 4. ẢNH HƯỞNG CỦA GIA NHIỆT ĐẾN PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT LÒNG KHUÔN
• 4.1. Ảnh hưởng của chiều dày tấm insert đến nhiệt độ khuôn
• 4.2. Ảnh hưởng của khe hở giữa cổng phun khí nóng và bề mặt khuôn đến nhiệt độ khuôn
• 5. ẢNH HƯỞNG CỦA PHƯƠNG PHÁP GIA NHIỆT BẰNG KHÍ NÓNG ĐẾN ĐỘ BỀN SẢN PHẨM NHỰA DẠNG THÀNH MỎNG
• 5.1. Mô phỏng quá trình gia nhiệt cho lòng khuôn
• 5.2. Mô phỏng quá trình nhựa điền đầy lòng khuôn với qui trình phun ép có sử dụng bước gia nhiệt bằng khí nóng
• 5.3. Thực nghiệm ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt cho khuôn bằng khí nóng đến độ bền của sản phẩm
• 5.3.1. Khảo sát trường nhiệt độ của tấm khuôn trong quá trình gia nhiệt cho tấm insert
• 5.3.2. Thực nghiệm độ bền của sản phẩm ứng với các qui trình phun ép có nhiệt độ khuôn khác nhau
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• PHỤ LỤC 2: BẢN QUYỀN PHẦN MỀM MOLDEX3D
• PHỤ LỤC 3: BẢN VẼ LẮP BỘ KHUÔN TẠO MẪU THỬ KÉO ASTM D638
• PHỤ LỤC 4: HỆ SỐ TIN CẬY CỦA PHƯƠNG TRÌNH HỒI QUY
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG

Tóm tắt

I. Tổng quan về gia nhiệt khí nóng

Quá trình gia nhiệt bằng khí nóng là một phương pháp quan trọng trong công nghệ chế tạo sản phẩm nhựa. Nhiệt độ khuôn có ảnh hưởng lớn đến độ bền của sản phẩm nhựa, đặc biệt là các sản phẩm nhựa dạng thành mỏng. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích tính chất vật liệu và quá trình gia nhiệt để tối ưu hóa chất lượng sản phẩm. Theo nghiên cứu, việc điều chỉnh nhiệt độ khuôn có thể cải thiện đáng kể tính năng sản phẩm. Các yếu tố như chiều dày tấm insert và khe hở giữa đầu phun khí nóng và bề mặt khuôn cũng được xem xét để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến độ bền cơ học của sản phẩm nhựa.

1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền sản phẩm

Nhiệt độ khuôn là yếu tố quyết định trong quá trình phun ép nhựa. Nghiên cứu cho thấy rằng tác động nhiệt từ khí nóng không chỉ làm tăng nhiệt độ bề mặt mà còn ảnh hưởng đến độ bền kéo của sản phẩm. Khi nhiệt độ tăng, độ bền của sản phẩm nhựa cũng tăng lên, tuy nhiên, cần phải xác định ngưỡng nhiệt độ tối ưu để tránh hiện tượng biến dạng. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng với nhiệt độ khuôn từ 200 ºC đến 400 ºC, độ bền kéo của sản phẩm nhựa PA6 và PA6+30%GF có sự khác biệt rõ rệt, cho thấy tầm quan trọng của việc kiểm soát nhiệt độ trong quá trình sản xuất.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện thông qua các phương pháp mô phỏng và thực nghiệm. Sử dụng phần mềm Moldex3D để mô phỏng quá trình gia nhiệt và điền đầy lòng khuôn. Các thông số như chiều dày tấm insert và khe hở giữa đầu phun khí nóng và bề mặt khuôn được thay đổi để đánh giá ảnh hưởng đến độ bền sản phẩm. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng quá trình gia nhiệt bằng khí nóng có thể được tối ưu hóa để đạt được tính năng sản phẩm tốt nhất. Việc phân tích độ bền kéo của sản phẩm cũng được thực hiện để xác định mối quan hệ giữa nhiệt độ khuôn và độ bền cơ học.

2.1. Thực nghiệm và phân tích

Thực nghiệm được tiến hành với các mẫu nhựa có chiều dày khác nhau và nhiệt độ khuôn khác nhau. Kết quả cho thấy rằng độ bền kéo của sản phẩm nhựa tăng lên khi nhiệt độ khuôn được nâng cao. Sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt khuôn cũng được ghi nhận, cho thấy rằng gia nhiệt bằng khí nóng giúp cải thiện khả năng truyền nhiệt và giảm thiểu thời gian gia nhiệt. Các số liệu thu thập được từ thực nghiệm cho thấy rằng việc điều chỉnh nhiệt độ khuôn có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể trong độ bền của sản phẩm nhựa, từ đó khẳng định giá trị thực tiễn của nghiên cứu này.

III. Kết luận và ứng dụng

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng gia nhiệt khí nóng có ảnh hưởng tích cực đến độ bền của sản phẩm nhựa mỏng. Việc tối ưu hóa nhiệt độ khuôn không chỉ giúp cải thiện tính năng sản phẩm mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong các quy trình sản xuất nhựa công nghiệp, giúp các nhà sản xuất tối ưu hóa quy trình và nâng cao chất lượng sản phẩm. Hơn nữa, nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển công nghệ chế tạo nhựa.

3.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Để tiếp tục phát triển lĩnh vực này, cần thực hiện các nghiên cứu sâu hơn về tác động nhiệt trong các điều kiện khác nhau. Việc nghiên cứu các loại nhựa khác nhau và các phương pháp gia nhiệt mới cũng là một hướng đi tiềm năng. Các nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện độ bền của sản phẩm mà còn mở rộng ứng dụng của công nghệ gia nhiệt trong ngành công nghiệp nhựa.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Công nghệ phun ép nhựa giữ vai trò chủ đạo trong sản xuất các sản phẩm polymer, từ hàng tiêu dùng thông thường đến các chi tiết kỹ thuật chính xác phục vụ công nghiệp điện tử và thiết bị vi hệ thống. Theo thống kê của Tổng cục Hải quan Việt Nam và Hiệp hội Nhựa Việt Nam (VPA), ngành nhựa trong nước ghi nhận sự tăng trưởng mạnh mẽ về kim ngạch xuất khẩu (đạt 706,4 triệu USD trong 5 tháng đầu năm 2015 và ước đạt 4,69 tỉ USD vào năm 2019), đồng thời đang thực hiện chuyển dịch cơ cấu nhằm giảm tỷ trọng nhóm nhựa bao bì, gia dụng và nâng cao tỷ trọng nhóm nhựa kỹ thuật, nhựa xây dựng. Tuy nhiên, việc chế tạo các sản phẩm nhựa kỹ thuật thành mỏng hoặc có kết cấu dạng lưới vi mô bằng công nghệ phun ép truyền thống đang gặp phải các rào cản kỹ thuật lớn:

• Khi nhựa nóng chảy được ép vào lòng khuôn nguội, hiện tượng đông đặc nhanh xuất hiện tại lớp tiếp xúc giữa nhựa và thành khuôn (lớp "frozen layer"), làm thu hẹp tiết diện dòng chảy, tăng trở lực và gây ra sự sụt giảm áp suất định hình nghiêm trọng.
• Các khuyết tật điển hình như đường hàn (weld line), bọt khí dồn nén (air trap), cong vênh (warpage) do co rút không đồng đều và hiện tượng điền đầy không hoàn toàn thường xuyên xuất hiện, làm suy giảm cơ tính và độ chính xác hình học của chi tiết.
• Các giải pháp gia nhiệt truyền thống như gia nhiệt thể tích (volume heating bằng kênh dẫn nóng - hot runner) tiêu tốn nhiều năng lượng và đòi hỏi kết cấu khuôn phức tạp; trong khi phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp bên trong khuôn (GMTC) làm tăng chi phí chế tạo bộ khuôn và phân bố nhiệt độ không đồng đều dọc theo lòng khuôn.

Xuất phát từ thực tiễn sản xuất và khoảng trống công nghệ đó, đề tài luận án "Nghiên cứu ảnh hưởng của gia nhiệt khuôn phun ép bằng khí nóng đến độ bền sản phẩm nhựa dạng thành mỏng" của nghiên cứu sinh Trần Minh Thế Uyên (ngành Kỹ thuật Cơ khí, mã số 62520103, bảo vệ tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh năm 2020) được thực hiện.

Mục đích nghiên cứu của luận án được xác định gồm 04 mục tiêu cụ thể:

1. Làm rõ ảnh hưởng của các thông số chính đến quá trình gia nhiệt bằng khí cho khuôn.
2. Tìm ra và đánh giá phương pháp mô phỏng cho quá trình gia nhiệt khuôn.
3. Đánh giá kết quả gia nhiệt cho lòng khuôn bằng khí nóng.
4. Ứng dụng phương pháp gia nhiệt cho lòng khuôn bằng khí nóng trong việc nâng cao độ bền của sản phẩm nhựa dạng thành mỏng.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mô hình gia nhiệt bằng khí nóng từ ngoài khuôn (External-Gas Mold Temperature Control - Ex-GMTC) và sản phẩm nhựa nhiệt dẻo dạng thành mỏng theo tiêu chuẩn kiểm tra độ bền kéo ASTM D638.

Phạm vi và giới hạn của luận án:

• Phương pháp gia nhiệt: Khảo sát quá trình gia nhiệt bề mặt lòng khuôn bằng nguồn khí nóng thổi từ bên ngoài (Ex-GMTC) thông qua tay máy dẫn động.
• Dải thông số nhiệt độ khí nóng: Khảo sát trong khoảng từ 200 °C đến 400 °C với áp suất phun khí 7 bar.
• Hình học sản phẩm: Chi tiết thành mỏng dạng gân lưới có chiều dày thay đổi ở các mức 0,4 mm; 0,6 mm và 0,8 mm; chiều dày tấm insert khuôn từ 0,5 mm đến 2,0 mm; khoảng cách khe hở giữa đầu phun khí và bề mặt khuôn từ 4 mm đến 10 mm.
• Vật liệu nghiên cứu: Nhựa Polyamid 6 (PA6) và Polyamid 6 gia cường 30% sợi thủy tinh (PA6+30%GF).
• Chỉ tiêu cơ lý: Đánh giá độ bền kéo của sản phẩm nhựa theo tiêu chuẩn ASTM D638.
• Địa điểm và trang thiết bị: Các nội dung mô phỏng và thực nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Khuôn mẫu thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu chính trong lĩnh vực khuôn phun ép nhựa trên thế giới và tại Việt Nam, phân loại thành 04 hướng trọng tâm:

• Hướng nghiên cứu vật liệu mới: Bổ sung chất phụ gia và phát triển các hệ polymer/composite mới nhằm cải thiện độ bền kéo, khả năng chịu va đập hoặc tính dẫn điện.
• Hướng nghiên cứu kết cấu và vật liệu chế tạo khuôn: Khảo sát hợp kim nhẹ dẫn nhiệt cao, vật liệu gia công, công nghệ bóc tách vật liệu (phay, tiện, cắt dây, xung điện), công nghệ in 3D kim loại và tối ưu hóa thiết kế khuôn trên các phần mềm CAD/CAM.
• Hướng nghiên cứu về máy phun ép: Cải tiến hệ thống trục vít, cơ cấu điều khiển áp suất và vận tốc phun phục vụ sản phẩm micro hoặc siêu lớn.
• Hướng nghiên cứu tối ưu hóa thông số và quy trình ép mới: Ứng dụng các thuật toán Taguchi, ANOVA, mạng nơ-ron để tối ưu hóa thông số công nghệ hoặc can thiệp trực tiếp vào chu kỳ nhiệt của khuôn.

Điểm lại các công trình nghiên cứu trên thế giới về điều khiển nhiệt độ khuôn (Dynamic Mold Temperature Control), tác giả phân chia thành hai nhóm tiếp cận:

• Gia nhiệt toàn bộ thể tích tấm khuôn (Volume heating): Phương pháp dùng kênh dẫn nóng (Hot runner) hoặc điện trở khối; nhược điểm là tiêu hao năng lượng lớn và kéo dài thời gian làm nguội.
• Gia nhiệt bề mặt lòng khuôn (Surface heating):
  • Phương pháp gia nhiệt bằng tia hồng ngoại (Infrared heating): Khảo sát cho khuôn ép sản phẩm micro, gia nhiệt lên 80 °C trong 10 giây giúp điền đầy hoàn toàn các vi cấu trúc đo bằng micro scan 3D.
  • Phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ (Induction heating - công nghệ RocTool SA): Sử dụng cuộn dây cảm ứng tích hợp trong khuôn hoặc độc lập, cho tốc độ gia nhiệt cao, kéo dài thời gian gia nhiệt đến 20 giây nhằm xóa mờ đường hàn và giảm cong vênh.
  • Phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn (GMTC - S. Chen và cộng sự): Đưa khí nóng trực tiếp vào lòng khuôn kín, nâng nhiệt độ từ 60 °C lên 120 °C trong 2 giây và đạt bão hòa sau 4 giây với tốc độ gia nhiệt 5 - 8 °C/s. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi phải thiết kế lại toàn bộ kết cấu khuôn để bố trí kênh dẫn và cổng thoát khí, đồng thời nhiệt độ phân bố không đều (chênh lệch nhiệt độ lớn giữa vùng gần cổng phun khí và vùng xa cổng phun khí).
  • Phương pháp sử dụng tay máy gia nhiệt phụ trợ (S. Chang và cộng sự): Hỗ trợ di chuyển bộ gia nhiệt độc lập tiếp cận lòng khuôn trong chu kỳ mở khuôn.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào hệ thống giải nhiệt hoặc ứng dụng kênh dẫn nóng:

• Luận văn Thạc sỹ của Nguyễn Văn Thành (2003, ĐHBK TP.HCM): Xây dựng quy trình thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn vỏ bình nước nóng bằng công nghệ CAD/CAE.
• Luận văn Thạc sỹ của Lê Minh Trí (2005, ĐHSPKT TP.HCM): Ứng dụng phần mềm Moldflow tối ưu hóa giải nhiệt khuôn cho chi tiết dạng tấm mỏng.
• Đề tài NCKH cấp Thành phố của PGS. Đoàn Thị Minh Trinh (2003 - 2004): Ứng dụng CAD/CAM/CAE xác định thông số miệng phun, vùng dồn khí, kênh dẫn nhựa và hệ thống giải nhiệt hợp lý.
• Đồ án tốt nghiệp của Bùi Thanh Tuấn, Vòng Viễn Giang, Phan Doãn Lợi, Trần Văn Dũng (2012, ĐHSPKT TP.HCM): Chế tạo khuôn ép nghiên cứu đường hàn và hiện tượng tụ khí, nhận thấy khi tăng nhiệt độ khuôn lên 90 °C đường hàn mờ đi nhưng trên 80 °C bọt khí xuất hiện nhiều hơn.
• Đề tài nghiên cứu cấp quốc gia của PGS. Đặng Văn Nghìn: Ứng dụng hệ thống kênh dẫn nóng có điều khiển (hot runner) để ép phun sản phẩm thành mỏng, tuy nhiên tồn tại nhược điểm tiêu hao năng lượng lớn và không thể tích hợp trên các khuôn tiêu chuẩn hiện hành.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết là: Phát triển giải pháp gia nhiệt bề mặt lòng khuôn bằng khí nóng từ bên ngoài (Ex-GMTC) sử dụng cơ cấu tay máy độc lập. Giải pháp này khắc phục được nhược điểm phải thay đổi kết cấu bộ khuôn của phương pháp GMTC truyền thống, cho phép kiểm soát vùng gia nhiệt cục bộ tại các vị trí thành mỏng và đường hàn, hạn chế tích nhiệt lên toàn bộ thân khuôn và rút ngắn chu kỳ làm nguội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Luận án xây dựng mô hình nghiên cứu dựa trên các lý thuyết động học dòng chảy polymer và truyền nhiệt:

1. Quy trình công nghệ phun ép nhựa chu kỳ 5 bước: Làm nóng chảy nhựa trong xi lanh (nhiệt độ 150 °C - 320 °C) -> Phun ép nhựa nóng chảy điền đầy lòng khuôn (filling) -> Định hình/bão áp bù co ngót (packing) -> Làm nguội sản phẩm (cooling) -> Mở khuôn và đẩy sản phẩm ra ngoài (ejection).
2. Đặc tính lưu biến của nhựa nhiệt dẻo phi-Newton: Độ nhớt của nhựa nhiệt dẻo phụ thuộc vào nhiệt độ, tốc độ trượt và áp suất. Đường đặc tính dẻo chia làm 3 vùng: Vùng I (tốc độ trượt nhỏ, độ nhớt gần như không đổi), Vùng II (chuỗi polymer thẳng hàng theo hướng dòng chảy, độ nhớt giảm mạnh), Vùng III (chuỗi polymer định hướng hoàn toàn, độ nhớt đạt cực tiểu). Hệ số dịch chuyển nhiệt độ $a_T$ mô tả sự biến thiên của độ nhớt theo nhiệt độ: $$a_T = \frac{\eta_0(T)}{\eta_0(T_0)}$$
   • Mô hình Arrhenius-type áp dụng trong phạm vi từ nhiệt độ hóa rắn $T_g$ đến $T_g + 100\text{ }^\circ\text{C}$: $$a_T = \exp\left[\frac{\Delta H}{R}\left(\frac{1}{T} - \frac{1}{T_0}\right)\right]$$ (Trong đó $\Delta H$ là năng lượng kích hoạt, $R$ là hằng số khí lý tưởng).
   • Mô hình Williams-Landel-Ferry (WLF): $$\log a_T = \frac{-C_1(T - T_0)}{C_2 + (T - T_0)}$$ (Với các hằng số $C_1 = 17{,}44\text{ K}$; $C_2 = 51{,}6\text{ K}$).
3. Mô hình trạng thái PVT (Pressure - Volume - Temperature): Xác định quan hệ thể tích riêng theo áp suất và nhiệt độ đối với nhựa vô định hình và nhựa bán tinh thể để dự báo độ nén ép, độ co rút và cong vênh của sản phẩm.
4. Cơ chế hình thành lớp đông đặc (frozen layer) và phương trình truyền nhiệt đối lưu: Sự hình thành lớp nhựa đông đặc sát bề mặt khuôn nguội gây cản trở dòng chảy. Gia nhiệt bề mặt insert bằng dòng khí nóng làm giảm hệ số truyền nhiệt mất mát và kéo dài thời gian duy trì áp suất bão áp.
5. Phương pháp tính toán cơ học: Tiêu chuẩn thử nghiệm cơ tính độ bền kéo ASTM D638.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ kỹ thuật

Nghiên cứu kết hợp song song giữa mô phỏng số (CAE/CFD) và thực nghiệm kiểm chứng:

• Mô phỏng truyền nhiệt dòng khí nóng: Sử dụng phần mềm ANSYS (module CFX) để mô phỏng tương tác nhiệt đối lưu giữa dòng khí nóng thổi ra từ vòi phun và bề mặt tấm insert khuôn.
• Mô phỏng dòng chảy nhựa và bão áp: Sử dụng phần mềm Moldex3D với công nghệ chia lưới biên Boundary Layer Mesh (BLM) nhằm mô tả chính xác sự phân bố áp suất định hình và diễn biến nhiệt độ của nhựa PA6 và PA6+30%GF trong lòng khuôn.
• Thiết bị thực nghiệm:
  • Máy phun ép nhựa Shinewell SW-120B (lực kẹp khuôn 120 tấn).
  • Hệ thống tay máy phụ trợ tích hợp đầu phun khí nóng di động (Ex-GMTC).
  • Bộ khuôn thực nghiệm gia công mẫu thử kéo ASTM D638 có lắp tấm insert tạo gân lưới thành mỏng.
  • Thiết bị đo nhiệt: Camera ảnh nhiệt hồng ngoại Fluke TiS20 và cảm biến tiếp xúc Extech TM100 (bố trí 5 điểm đo S1 đến S5 dọc theo đường chuẩn X-X trên insert).
  • Thiết bị thử nghiệm cơ tính: Máy thử kéo vạn năng Shimadzu AG-X Plus 50 kN.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này tổng quan về công nghệ phun ép nhựa, thực trạng sản xuất và xuất khẩu của ngành nhựa Việt Nam, phân tích 04 hướng nghiên cứu trong lĩnh vực khuôn ép phun. Chương 1 làm rõ ưu nhược điểm của các phương pháp điều khiển nhiệt độ khuôn hiện có trên thế giới (gia nhiệt hồng ngoại, gia nhiệt cảm ứng từ, gia nhiệt khí nóng tích hợp trong lòng khuôn) và các nghiên cứu trong nước. Từ các hạn chế về mặt kết cấu khuôn và phân bố nhiệt độ của các phương pháp truyền thống, tác giả xác lập tính cấp thiết, mục tiêu, đối tượng, giới hạn và phương pháp nghiên cứu của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày có hệ thống các cơ sở lý thuyết nền tảng phục vụ tính toán và mô phỏng:

• Mô tả chi tiết 5 giai đoạn của chu kỳ phun ép nhựa.
• Lý thuyết lưu biến dòng chảy chất lỏng phi-Newton của nhựa nhiệt dẻo, đường đặc tính dẻo 3 vùng, phương trình Arrhenius và phương trình Williams-Landel-Ferry (WLF) với các hằng số $C_1 = 17{,}44\text{ K}$, $C_2 = 51{,}6\text{ K}$.
• Mô hình trạng thái PVT mô tả sự thay đổi thể tích riêng của nhựa vô định hình và nhựa bán tinh thể.
• Cơ chế hình thành lớp bề mặt đông đặc (frozen layer), hệ thống phương trình dòng chảy và điều kiện biên truyền nhiệt đối lưu.
• Quy chuẩn và công thức tính toán độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM D638.

Chương 3: Mô tả mô phỏng và thực nghiệm

Chương 3 thiết lập quy trình nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số cho hệ thống Ex-GMTC:

• Xây dựng sơ đồ nguyên lý và chu kỳ vận hành của hệ thống gia nhiệt bằng khí nóng ngoài khuôn (Ex-GMTC) kết hợp tay máy di động.
• Mô tả quy trình chia lưới Boundary Layer Mesh (BLM) trên phần mềm Moldex3D và thiết lập điều kiện biên dòng khí trong ANSYS CFX.
• Trình bày thông số kỹ thuật của các trang thiết bị thí nghiệm: máy ép nhựa Shinewell SW-120B, bộ khuôn mẫu kéo ASTM D638 tích hợp insert tạo lưới thành mỏng, thiết bị đo nhiệt độ Fluke TiS20, Extech TM100 và máy kéo Shimadzu AG-X Plus 50 kN.

Thiết bị / Phần mềm	Tên thương mại / Thông số kỹ thuật	Chức năng trong nghiên cứu
Phần mềm CFD	ANSYS (Module CFX)	Mô phỏng trường nhiệt độ dòng khí nóng và bề mặt insert
Phần mềm CAE	Moldex3D (Lưới BLM)	Mô phỏng quá trình điền đầy và suy giảm áp suất định hình
Máy ép nhựa	Shinewell SW-120B	Thực hiện quy trình phun ép tạo mẫu sản phẩm
Tay máy gia nhiệt	Thiết bị gia nhiệt khí ngoài (Ex-GMTC)	Cấp và điều khiển dòng khí nóng $200\text{ }^\circ\text{C} - 400\text{ }^\circ\text{C}$ vào bề mặt khuôn
Camera nhiệt	Fluke TiS20	Ghi nhận ảnh nhiệt và phân bố nhiệt độ bề mặt lòng khuôn
Cảm biến tiếp xúc	Extech TM100 (5 cảm biến S1 - S5)	Đo giá trị nhiệt độ tiếp xúc dọc theo đường chuẩn X-X
Máy thử kéo	Shimadzu AG-X Plus 50 kN	Đo độ bền kéo của mẫu thử theo chuẩn ASTM D638

Chương 4: Ảnh hưởng của gia nhiệt đến phân bố nhiệt độ bề mặt lòng khuôn

Chương 4 tập trung phân tích các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến trường nhiệt độ bề mặt tấm insert:

• Ảnh hưởng của chiều dày tấm insert: Khảo sát 4 mức chiều dày 0,5 mm; 1,0 mm; 1,5 mm và 2,0 mm. Kết quả cho thấy tấm insert có chiều dày càng mỏng (0,5 mm) thì tốc độ tăng nhiệt độ càng nhanh và phân bố nhiệt độ trên bề mặt lòng khuôn càng đồng đều.
• Ảnh hưởng của khe hở vòi phun: Khảo sát khoảng cách từ cổng phun khí đến bề mặt khuôn từ 4 mm đến 10 mm. Khe hở 4 mm mang lại hiệu quả truyền nhiệt đối lưu cao nhất; khi khe hở tăng lên, nhiệt độ bề mặt khuôn giảm do tổn thất năng lượng ra môi trường.
• Động thái gia nhiệt theo thời gian: Tại áp suất phun khí 7 bar và nhiệt độ nguồn khí $200\text{ }^\circ\text{C} - 400\text{ }^\circ\text{C}$, nhiệt độ bề mặt khuôn tăng rất nhanh trong 5 giây đầu tiên, tăng chậm lại trong 10 giây tiếp theo và đạt trạng thái cân bằng ổn định sau 20 giây gia nhiệt.
• So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm: Các giá trị nhiệt độ đo được qua 5 cảm biến tại đường chuẩn X-X cho thấy sự tương đồng cao giữa kết quả mô phỏng số bằng ANSYS CFX và dữ liệu đo thực nghiệm.

Chương 5: Ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng đến độ bền sản phẩm nhựa dạng thành mỏng

Chương 5 đánh giá hiệu quả của phương pháp Ex-GMTC lên quá trình ép phun chi tiết dạng lưới thành mỏng và cơ tính sản phẩm:

• Diễn biến áp suất định hình: Kết quả mô phỏng Moldex3D cho thấy áp suất định hình suy giảm theo thời gian từ 0,1 giây đến 1,0 giây. Khi nhiệt độ khuôn tăng lên ($30\text{ }^\circ\text{C}, 60\text{ }^\circ\text{C}, 90\text{ }^\circ\text{C}, 120\text{ }^\circ\text{C}, 150\text{ }^\circ\text{C}$), áp suất định hình trong lòng khuôn được duy trì ở mức cao trong thời gian dài hơn. Ngược lại, khi chiều dày gân lưới càng mỏng (từ 0,8 mm giảm xuống 0,4 mm), áp suất định hình sụt giảm càng nhanh.
• Khảo sát phân bố nhiệt độ cục bộ: Ảnh chụp nhiệt hồng ngoại xác nhận nhiệt độ cao tập trung cục bộ tại vùng tạo kết cấu gân lưới của tấm insert, tạo điều kiện cho giai đoạn giải nhiệt tiếp theo diễn ra thuận lợi mà không làm kéo dài toàn bộ chu kỳ ép.
• Đánh giá độ bền kéo: Thực nghiệm thử kéo trên máy Shimadzu AG-X Plus đối với hai loại vật liệu PA6 và PA6+30%GF cho thấy độ bền kéo của sản phẩm tăng tỷ lệ thuận với nhiệt độ bề mặt tấm insert và chiều dày gân lưới sản phẩm.

Vật liệu	Chiều dày lưới (mm)	Nhiệt độ lòng khuôn (°C)	Độ bền kéo thực nghiệm (MPa)	Nhận xét quy luật
PA6	0,4; 0,6; 0,8	30 -> 150	Tăng dần theo nhiệt độ khuôn	Gia nhiệt làm tăng khả năng điền đầy, giảm ứng suất dư và tăng độ bền
PA6+30%GF	0,4; 0,6; 0,8	30 -> 150	Cao hơn đáng kể so với PA6	Sợi thủy tinh kết hợp nhiệt độ khuôn cao tối ưu hóa hướng sợi và tăng cứng

Chương 6: Kết luận

Chương 6 tổng hợp toàn bộ các kết luận khoa học rút ra từ quá trình nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm công nghệ gia nhiệt bằng khí nóng ngoài khuôn.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

• Thiết lập và kiểm chứng quy trình mô phỏng số kết hợp: Ứng dụng thành công ANSYS CFX để mô phỏng truyền nhiệt dòng khí nóng đối lưu và Moldex3D (sử dụng lưới Boundary Layer Mesh) để mô phỏng động thái dòng nhựa và áp suất định hình, đạt độ tương thích cao với dữ liệu thực nghiệm.
• Làm sáng tỏ quy luật động học truyền nhiệt của phương pháp Ex-GMTC: Xác định đặc tính nhiệt độ bề mặt insert tăng vọt trong 5 giây đầu, chậm dần trong 10 giây tiếp theo và đạt ngưỡng bão hòa ổn định sau 20 giây; đồng thời chứng minh hiệu ứng tập trung nhiệt cục bộ tại bề mặt insert giúp tối ưu hóa chu kỳ làm nguội sau đó.

Đóng góp mới về mặt công nghệ và thực tiễn

• Đề xuất và chế tạo giải pháp công nghệ Ex-GMTC hoàn chỉnh: Chế tạo cơ cấu tay máy gia nhiệt bằng khí nóng từ bên ngoài có khả năng tích hợp linh hoạt vào các máy ép phun tiêu chuẩn (như Shinewell SW-120B) mà không yêu cầu gia công sửa đổi kết cấu thân khuôn.
• Cải thiện chất lượng và cơ tính chi tiết nhựa thành mỏng: Chứng minh việc gia nhiệt cục bộ lòng khuôn lên dải nhiệt độ $60\text{ }^\circ\text{C} - 150\text{ }^\circ\text{C}$ giúp duy trì áp suất định hình, loại bỏ khuyết tật không điền đầy ở các gân lưới siêu mỏng (0,4 mm - 0,8 mm) và nâng cao độ bền kéo của sản phẩm nhựa PA6 cũng như composite PA6+30%GF.

Kiến nghị và giải pháp công nghệ

• Khuyến nghị lựa chọn chiều dày tấm insert mỏng (khoảng 0,5 mm) và duy trì khoảng cách khe hở đầu phun khí từ 4 mm đến 6 mm để đạt tốc độ gia nhiệt nhanh và tiết kiệm năng lượng.
• Ứng dụng quy trình Ex-GMTC trong sản xuất thực tế tại các doanh nghiệp ngành nhựa nhằm gia công các linh kiện điện tử, chi tiết vi cơ khí thành mỏng đòi hỏi chất lượng đường hàn cao mà không phải đầu tư thay mới hệ thống máy ép hay khuôn mẫu đắt tiền.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo các giới hạn được tác giả trình bày trong luận án:

• Hạn chế về phạm vi khảo sát: Nghiên cứu tập trung vào nguồn nhiệt khí nóng $200\text{ }^\circ\text{C} - 400\text{ }^\circ\text{C}$, áp suất khí 7 bar, thời gian gia nhiệt 20 giây, chiều dày gân lưới 0,4 mm đến 0,8 mm và chỉ khảo sát trên 02 loại vật liệu là PA6 và PA6+30%GF.
• Hạn chế về chỉ tiêu kiểm tra: Luận án mới chỉ đánh giá chỉ tiêu cơ tính độ bền kéo theo chuẩn ASTM D638, chưa khảo sát các chỉ tiêu cơ tính khác như độ bền uốn, độ bền va đập, độ mỏi và độ cong vênh co rút tổng thể.
• Hạn chế về thiết bị phân tích chuyên sâu: Do điều kiện cơ sở vật chất phòng thí nghiệm trong nước, đề tài chưa thể sử dụng các thiết bị kiểm tra cấu trúc vi mô nâng cao như kính hiển vi điện tử truyền qua (STEM) hay kỹ thuật siêu âm thể tích khuôn để khảo sát mức độ định hướng phân tử và cấu trúc pha tinh thể.
• Hướng nghiên cứu tiếp theo: Mở rộng thử nghiệm công nghệ Ex-GMTC trên các dòng nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật khác (như PEEK, PPS, PC), tối ưu hóa tự động quỹ đạo di chuyển của tay máy gia nhiệt đối với các lòng khuôn có hình học không gian 3D phức tạp, và tích hợp thuật toán điều khiển nhiệt độ thích ứng trong chu kỳ ép.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Công nghệ Vật liệu Polymer và CAD/CAM/CAE: Có thể tham khảo phương pháp xây dựng mô hình số kết hợp (ANSYS CFX và Moldex3D với lưới BLM), các phương trình toán học lưu biến phi-Newton và phương pháp bố trí thực nghiệm đo trường nhiệt độ.
• Kỹ sư thiết kế khuôn mẫu và công nghệ ép phun nhựa: Tham khảo cấu kết bộ khuôn thử nghiệm tích hợp insert tháo lắp, cơ cấu tay máy gia nhiệt khí nóng độc lập và các thông số công nghệ ép chi tiết thành mỏng.
• Doanh nghiệp sản xuất linh kiện nhựa kỹ thuật và phụ tùng chính xác: Ứng dụng giải pháp Ex-GMTC để khắc phục khuyết tật đường hàn, giải quyết bài toán điền đầy sản phẩm vi mô và thành mỏng với chi phí đầu tư thiết bị thấp.

Phần đáng tham khảo nhất trong công trình:

• Chương 3 và Chương 4: Cung cấp chi tiết thiết lập mô phỏng CFD dòng khí, thông số chia lưới BLM và phân tích ảnh hưởng của chiều dày insert cùng khe hở cổng phun khí.
• Chương 5: Toàn bộ dữ liệu số và đồ thị so sánh về sự suy giảm áp suất định hình, ảnh chụp phân bố nhiệt độ Fluke TiS20 và bảng kết quả thử kéo mẫu PA6, PA6+30%GF.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp gia nhiệt Ex-GMTC trong luận án có điểm gì khác biệt so với phương pháp GMTC tích hợp trong lòng khuôn của các nghiên cứu trước đây?
Phương pháp GMTC truyền thống đòi hỏi phải gia công tích hợp hệ thống cổng phun khí và cổng thoát khí bên trong kết cấu khuôn, làm tăng chi phí chế tạo và khiến nhiệt độ phân bố không đồng đều (nhiệt độ rất cao gần cổng khí và giảm nhanh ở vùng xa cổng). Ngược lại, phương pháp Ex-GMTC sử dụng nguồn khí nóng thổi từ bên ngoài thông qua tay máy độc lập khi hai nửa khuôn mở ra, cho phép gia nhiệt cục bộ vào bề mặt insert mà không cần sửa đổi kết cấu khuôn sẵn có.

2. Chiều dày tấm insert và khoảng cách khe hở cổng phun khí ảnh hưởng như thế nào đến sự gia nhiệt bề mặt khuôn?
Chiều dày tấm insert có ảnh hưởng lớn đến tốc độ gia nhiệt: tấm insert càng mỏng (0,5 mm) thì tốc độ tăng nhiệt độ càng nhanh và phân bố nhiệt càng đồng đều so với các tấm dày (1,0 mm; 1,5 mm; 2,0 mm). Về khoảng cách khe hở, khoảng cách từ cổng phun khí đến mặt khuôn càng nhỏ (4 mm) thì hiệu quả truyền nhiệt đối lưu càng cao; khi khoảng cách tăng lên (đến 10 mm), nhiệt độ bề mặt đạt được sẽ giảm do thất thoát nhiệt ra môi trường xung quanh.

3. Động thái tăng nhiệt độ của bề mặt lòng khuôn dưới tác động của dòng khí nóng diễn ra theo quy luật nào?
Dưới nguồn khí nóng từ 200 °C đến 400 °C tại áp suất 7 bar, nhiệt độ bề mặt lòng khuôn tăng rất nhanh trong 5 giây đầu tiên của quá trình gia nhiệt. Trong 10 giây tiếp theo, tốc độ tăng nhiệt độ chậm lại. Sau 20 giây gia nhiệt, nhiệt độ bề mặt khuôn đạt đến trạng thái giới hạn ổn định (bão hòa nhiệt).

4. Ảnh hưởng của nhiệt độ lòng khuôn và chiều dày gân lưới đến áp suất định hình và độ bền kéo của sản phẩm nhựa là gì?
Khi nhiệt độ lòng khuôn càng cao (khảo sát từ 30 °C lên 150 °C), áp suất định hình trong giai đoạn bão áp được duy trì ở giá trị cao trong thời gian dài hơn, giúp nhựa điền đầy hoàn toàn các khoảng trống thành mỏng và tăng độ bền kéo của cả hai loại vật liệu PA6 và PA6+30%GF. Ngược lại, khi chiều dày gân lưới sản phẩm càng mỏng (từ 0,8 mm xuống 0,4 mm), áp suất định hình sụt giảm càng nhanh theo thời gian.

5. Luận án đã sử dụng những công cụ phần mềm mô phỏng và trang thiết bị thực nghiệm chính nào?
Về phần mềm, luận án sử dụng ANSYS (module CFX) để mô phỏng truyền nhiệt dòng khí nóng và Moldex3D (với công nghệ chia lưới Boundary Layer Mesh - BLM) để mô phỏng dòng chảy nhựa điền đầy và bão áp. Về thiết bị thực nghiệm, tác giả sử dụng máy ép nhựa Shinewell SW-120B, hệ thống tay máy gia nhiệt khí nóng Ex-GMTC, camera hồng ngoại Fluke TiS20, cảm biến tiếp xúc Extech TM100 và máy thử độ bền kéo Shimadzu AG-X Plus 50 kN.

Kết luận

Luận án của tác giả Trần Minh Thế Uyên đã giải quyết bài toán nâng cao chất lượng và độ bền kéo của sản phẩm nhựa nhiệt dẻo dạng thành mỏng thông qua giải pháp gia nhiệt bề mặt khuôn bằng khí nóng từ bên ngoài (Ex-GMTC). Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng số (ANSYS CFX, Moldex3D) và thực nghiệm trên máy ép nhựa Shinewell SW-120B, công trình đã làm sáng tỏ quy luật phân bố trường nhiệt độ trên tấm insert và cơ chế duy trì áp suất định hình theo nhiệt độ khuôn. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi của công nghệ Ex-GMTC trong việc gia nhiệt cục bộ hiệu quả, hạn chế thay đổi kết cấu khuôn và cải thiện cơ tính cho các sản phẩm nhựa PA6 và PA6+30%GF thành mỏng phục vụ công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.