Tổng quan luận án

Công nghệ phun ép (injection molding) là phương pháp tạo hình sản phẩm nhựa và composite nhựa nhiệt dẻo có kết cấu đa dạng. Khi áp dụng công nghệ này cho vật liệu composite nền nhựa nhiệt dẻo gia cường sợi, quá trình điền đầy lòng khuôn gặp nhiều trở ngại kỹ thuật dẫn đến các khuyết tật phổ biến như đường hàn (weld line), rỗ khí (air trap) và cong vênh (warpage). Theo phân tích của tác giả luận án, hai nguyên nhân chính gây cản trở quá trình điền đầy gồm có:

  • Hiện tượng đông đặc nhanh của dòng vật liệu composite khi tiếp xúc trực tiếp với bề mặt thành khuôn có nhiệt độ thấp.
  • Độ nhớt của vật liệu composite cao hơn đáng kể so với các loại nhựa nhiệt dẻo nguyên sinh không gia cường sợi.

Để giải quyết tình trạng thiếu hụt dòng chảy, giải pháp vận hành truyền thống thường tăng áp suất phun lên mức rất cao. Tuy nhiên, việc tăng áp suất làm xuất hiện bavia tại các vị trí tiếp giáp lòng khuôn, đồng thời làm giảm độ bền cơ học và tuổi thọ của hệ thống máy phun ép. Trong bối cảnh đó, điều khiển nhiệt độ khuôn được xác định là giải pháp công nghệ then chốt nhằm kiểm soát lớp đông đặc, duy trì khả năng chảy và cải thiện mức độ định hướng của sợi trong lòng khuôn mà không cần gia tăng áp lực phun quá mức. Luận án "Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ điền đầy của vật liệu composite trong quy trình phun ép" của tác giả Phan Thế Nhân (chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, mã số 62520103, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2022) tập trung giải quyết khoảng trống công nghệ này.

Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ điền đầy của sản phẩm composite thành mỏng bằng phương pháp mô phỏng và thực nghiệm với hai mô hình điều khiển nhiệt: mô hình gia nhiệt bằng nước tuần hoàn (nhiệt độ khuôn từ 30 °C đến 110 °C) và mô hình gia nhiệt bề mặt khuôn bằng khí nóng Ex-GMTC (nhiệt độ khuôn từ 45 °C đến 140 °C).

Nội dung nghiên cứu của luận án (được đánh số theo văn bản):

  1. 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 vấn đề cần nghiên cứu cụ thể và giải pháp công nghệ phù hợp trong chế tạo sản phẩm composite thành mỏng.
  2. 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 cùng 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.
  3. 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 về mối quan hệ giữa chiều dài dòng chảy, nhiệt độ khuôn và chiều dày sản phẩm.
  4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến khả năng điền đầy đối 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 tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Khả năng chảy và mức độ điền đầy (thông qua chiều dài dòng chảy và chiều cao gân) của vật liệu nhựa PA6 nguyên sinh và composite nền PA6 gia cường sợi thủy tinh ngắn (tỉ lệ từ 0 % đến 30 % GF).
  • Phạm vi hình học:
    • Mô hình cơ bản dòng chảy xoắn ốc với 3 mức chiều dày: 0,5 mm; 0,75 mm; 1,0 mm.
    • Mô hình sản phẩm dạng tấm thành mỏng với các mức chiều dày: 0,2 mm; 0,4 mm; 0,6 mm.
    • Mô hình sản phẩm có kết cấu gân mỏng với 2 gân có chiều cao thiết kế 7,0 mm.
  • Phạm vi nhiệt độ nghiên cứu: Vùng nhiệt độ thông dụng từ 30 °C đến 110 °C (sử dụng hệ thống kênh dẫn nước) và vùng nhiệt độ cao lên đến 140 °C (sử dụng phương pháp gia nhiệt bề mặt lòng khuôn bằng khí nóng bên ngoài Ex-GMTC với nhiệt độ nguồn khí nóng 400 °C).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp hệ thống các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến công nghệ phun ép vật liệu composite nhựa nhiệt dẻo theo 4 nhóm định hướng chính:

1. Hướng nghiên cứu về chất phụ gia và bôi trơn bề mặt:

  • A. Maltby (2000) [2] khảo sát chất phụ gia IncroMold F, S và T pha trộn với nhựa HDPE hoặc bôi trơn bề mặt khuôn, giúp giảm ma sát giữa dòng nhựa và thành khuôn, giảm tổn thất nhiệt và hạ lực mở khuôn.
  • Hou và cộng sự (2014) [3] nghiên cứu công nghệ phun ép composite nền PP với phụ gia tạo bọt là bột tan (talc), chứng minh hàm lượng 10 % talc làm giảm khối lượng sản phẩm 62,1 % nhưng không làm thay đổi độ nhớt nếu tỉ lệ nhỏ hơn 10 %.
  • J. Martin-Alfonso và cộng sự (2018) [4] chế tạo composite sinh học nền albumen (EA) có bổ sung phụ gia chitosan (CH) để làm màng lọc, tuy nhiên sản phẩm có nhược điểm là độ cứng và tính đàn hồi bị suy giảm.
  • Xiaojian Wang và cộng sự (2013) [5] chỉ ra hình thái phụ gia ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng dẫn nhiệt của bề mặt khuôn, trong đó phụ gia hình chữ I dẫn nhiệt tốt nhất, phụ gia hình cầu cho hiệu quả thấp nhất.
  • J. Laursen và cộng sự (2015) [6] sử dụng phụ gia PDMS (2 %) và PTFE (5 %) trộn vào nhựa POM để giảm ma sát với thành khuôn, nâng cao độ bền va đập và chống mài mòn.

2. Hướng nghiên cứu về kết cấu khuôn và điều kiện công nghệ:

  • G. Guan (2016) [7] điều chỉnh kết cấu khuôn tích hợp gia nhiệt bằng hơi nước và điện trở nhằm rút ngắn chu kỳ phun ép.
  • H. Lin và cộng sự (2017) [8] tích hợp cuộn dây cảm ứng điện từ bên trong kết cấu khuôn để gia nhiệt nhanh.
  • Chen và cộng sự (2012) [9] ứng dụng các lớp phủ cách nhiệt bề mặt để duy trì nhiệt độ tiếp xúc nhựa - khuôn, loại bỏ khuyết tật đường hàn.
  • A. Liou và cộng sự (2013) [12], Kurt và cộng sự (2009) [16] xác định nhiệt độ khuôn, nhiệt độ nhựa, tốc độ phun và áp suất phun là các yếu tố quyết định đến ứng suất dư, độ co rút và độ nhám bề mặt.
  • Rohit George Sebastian và cộng sự (2018) [17] thiết lập phương trình cân bằng năng lượng dòng chảy nhiều pha nhằm tối ưu hóa tương tác năng lượng trong phun ép composite.
  • X. Li và cộng sự (2014) [18], P. Bhatnagar và cộng sự (2015) [20] chứng minh sự phụ thuộc của hướng phân bố sợi ngắn và bề dày lớp đông đặc vào nhiệt độ khuôn và chiều dày lòng khuôn.
  • W. Ota và cộng sự (2018) [19] khảo sát vật liệu PP gia cường sợi thủy tinh (20 %GF và 30 %GF), ghi nhận độ bền kéo và mô đun đàn hồi tăng tuyến tính theo hàm lượng sợi.
  • Ankuloriya và R. Rajvaidya (2018) [21], Girish (2016) [22] nghiên cứu composite nền ABS và polycarbonate (PC) gia cường sợi thủy tinh ngắn (5 % đến 30 % GF); kết quả của Girish cho thấy khi tỉ lệ sợi tăng lên 10 %, 20 % và 30 %, độ bền kéo tăng tương ứng 29,15 %, 58,25 % và 73,38 %.

3. Hướng nghiên cứu về các phương pháp gia nhiệt khuôn: Các công trình quốc tế khảo sát gia nhiệt bằng hơi nước [7, 13], điện trở [23], tia hồng ngoại [8, 12, 26] và gia nhiệt bằng khí nóng [24]. Phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng theo công bố [24] có thể làm bề mặt khuôn tăng từ 60 °C lên 120 °C trong 2 giây và bão hòa sau 4 giây, giúp tăng tốc độ gia nhiệt mà không gây nhiễm từ như phương pháp cảm ứng từ [14, 25].

4. Tình hình nghiên cứu trong nước:

  • Trần Minh Hổ (2016) [29] khảo sát cơ tính composite nền epoxy với các tỉ lệ cốt sợi và hạt phụ gia, xác định tỉ lệ 35 % sợi thủy tinh + 60 % epoxy + 5 % TiO2 cho cơ tính tối ưu.
  • Phan Thị Minh Ngọc và cộng sự (2018) [30] nghiên cứu hệ nhựa Epoxy/DDS gia cường sợi thủy tinh và vi sợi xenlulo, ghi nhận tỉ lệ vải/nhựa 70/30 cho độ bền kéo và uốn cao nhất.
  • Bùi Thị Thu Phương và cộng sự (2017) [31] tối ưu hóa nhiệt độ đóng rắn vật liệu composite cốt sợi thủy tinh theo 3 giai đoạn: bề mặt 88,26 °C, thân lõi 113 °C và ổn định 124,7 °C.
  • Trần Minh Thế Uyên (2014) [32] nghiên cứu gia nhiệt khuôn bằng khí nóng cho sản phẩm nhựa kỹ thuật thành mỏng, nhưng kết cấu chỉ có một cổng phun khí khiến dòng khí chưa tối ưu và chu kỳ phun còn dài.
  • Đề tài cấp Nhà nước KC.03.13/11-15 do Đặng Văn Nghìn chủ nhiệm [33] chế tạo hệ thống khuôn kênh dẫn nóng (hot runner) có kiểm soát nhiệt độ, song giải pháp này tiêu tốn năng lượng lớn và yêu cầu kết cấu khuôn rất phức tạp, khó áp dụng cho khuôn thông thường.
  • Các nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM của Lê Quốc Việt, Phùng Huy Dũng, Vũ Viết Chuyên tiếp cận theo hướng tối ưu hóa thông số ép và giải nhiệt, chưa tập trung giải quyết bài toán gia nhiệt bề mặt lòng khuôn cho composite thành mỏng.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Hầu hết các nghiên cứu trong nước tiếp cận bài toán điều khiển nhiệt theo hướng làm nguội khuôn nhanh nhất để tăng sản lượng cho các sản phẩm thành dày thông thường. Ngược lại, vấn đề duy trì nhiệt độ lòng khuôn ở mức cao bằng phương pháp gia nhiệt khí nóng bên ngoài (Ex-GMTC) nhằm hạn chế đông đặc tức thời, cải thiện độ điền đầy cho sản phẩm composite có tỉ lệ sợi khác nhau (0 % đến 30 % GF), cấu trúc thành mỏng (dưới 1 mm) và gân mỏng chưa được khảo sát một cách có hệ thống. Luận án chọn giải quyết khoảng trống này bằng sự kết hợp giữa mô phỏng phần tử hữu hạn và thực nghiệm trên các kết cấu khuôn cụ thể.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Luận án vận dụng các khái niệm và quy luật cơ sở về cơ học chất lỏng phi Newton và truyền nhiệt trong quy trình phun ép:

  • Đặc tính vật liệu composite nhựa nhiệt dẻo: Composite được tạo thành từ nhựa nền nhiệt dẻo PA6 (đảm bảo tính liên kết khối, truyền ứng suất) và cốt gia cường là sợi thủy tinh ngắn (chịu tải chính, tăng mô đun đàn hồi $E$). Tỉ lệ thể tích sợi $V_f$ và tỉ lệ khối lượng $m_f$ được xác định dựa trên thể tích, khối lượng và tỉ trọng tương ứng của nhựa ($\rho_m$) và sợi ($\rho_f$).
  • Mối quan hệ giữa độ nhớt và nhiệt độ: Độ nhớt $\mu$ của dòng polyme nóng chảy giảm khi nhiệt độ tăng theo mô hình năng lượng kích hoạt dòng chảy qua phương trình dạng Arrhenius: $$\mu = A \cdot \exp\left(\frac{\Delta H}{R \cdot T}\right)$$ Trong đó $\Delta H$ là năng lượng kích hoạt dòng chảy, $R$ là hằng số khí lý tưởng và $T$ là nhiệt độ tuyệt đối.
  • Hiện tượng dòng chảy "Fountain flow": Khi nhựa lỏng chảy trong lòng khuôn, các phần tử nhựa ở lõi di chuyển với vận tốc lớn hơn, khi đến đầu dòng chảy (melt front) sẽ tách sang hai bên và ép vào bề mặt lòng khuôn. Nếu bề mặt khuôn có nhiệt độ thấp, lớp nhựa này lập tức bị đóng rắn tạo thành "lớp đông đặc" (frozen layer), làm thu hẹp tiết diện dòng chảy và cản trở sự định hướng của sợi thủy tinh.
  • Hệ phương trình bảo toàn chuyển động dòng chảy trong hệ tọa độ Descartes:
    • Phương trình bảo toàn khối lượng (phương trình liên tục): $$\frac{\partial \rho}{\partial t} + \frac{\partial (\rho u_i)}{\partial x_i} = 0$$
    • Phương trình bảo toàn động lượng (phương trình Navier-Stokes cho dòng chảy nhớt): $$\rho \left(\frac{\partial u_i}{\partial t} + u_j \frac{\partial u_i}{\partial x_j}\right) = -\frac{\partial P}{\partial x_i} + \frac{\partial \tau_{ij}}{\partial x_j} + \rho g_i$$ Trong đó $\tau_{ij}$ là tensor ứng suất nhớt, $P$ là áp suất, $u_i$ là véctơ vận tốc.
    • Phương trình bảo toàn năng lượng: $$\rho C_p \left(\frac{\partial T}{\partial t} + u_i \frac{\partial T}{\partial x_i}\right) = \frac{\partial}{\partial x_i}\left(\lambda \frac{\partial T}{\partial x_i}\right) + \tau_{ij} \frac{\partial u_i}{\partial x_j}$$ Trong đó $C_p$ là nhiệt dung riêng đẳng áp, $\lambda$ là hệ số dẫn nhiệt.
  • Phương trình mô phỏng truyền nhiệt trong khuôn và trao đổi nhiệt biên: Dòng nhiệt lượng $q$ truyền qua thành khuôn và trao đổi với môi trường hoặc chất lưu gia nhiệt tuân theo định luật Fourier và định luật Newton: $q = h_c (T_w - T_p)$, với $h_c$ là hệ số truyền nhiệt, $T_w$ là nhiệt độ thành khuôn và $T_p$ là nhiệt độ dòng chảy.

Phương pháp nghiên cứu và hệ thống trang thiết bị

Luận án kết hợp đồng thời phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng:

  • Phương pháp mô phỏng số (CAE/FEM): Sử dụng phần mềm chuyên dụng Moldex3D để chia lưới phần tử hữu hạn cho 3 mô hình hình học (dòng chảy xoắn ốc, chi tiết tấm phẳng thành mỏng, chi tiết gân mỏng). Mô phỏng trường nhiệt độ phân bố trên bề mặt lòng khuôn và xác định chiều dài dòng chảy điền đầy ứng với các giá trị thông số công nghệ đầu vào.
  • Phương pháp phân tích hồi quy thực nghiệm: Sử dụng phần mềm Minitab để xử lý dữ liệu thực nghiệm, xây dựng phương trình hồi quy biểu diễn chiều dài dòng chảy theo nhiệt độ khuôn và chiều dày sản phẩm, đánh giá mức độ phù hợp thông qua hệ số xác định hiệu chỉnh $R^2_{\text{adj}}$ (R-sq adj).
  • Hệ thống thiết bị thực nghiệm:
    • Máy phun ép nhựa công nghiệp Shinewell-120B.
    • Hệ thống điều khiển nhiệt độ khuôn bằng kênh dẫn nước tuần hoàn (dải nhiệt độ từ 30 °C đến 110 °C).
    • Hệ thống gia nhiệt bề mặt lòng khuôn bằng khí nóng bên ngoài Ex-GMTC (External - Gas Mold Temperature Control), sử dụng nguồn khí nóng nhiệt độ lên đến 400 °C thổi trực tiếp vào bề mặt lòng khuôn để nâng nhiệt độ lên 45 °C - 140 °C.
    • Thiết bị quan trắc nhiệt: Camera hồng ngoại Fluke TiS20 và hệ thống cảm biến nhiệt độ tiếp xúc.
    • Thiết bị kiểm tra kích thước và biên dạng: Hệ thống máy quét mẫu quang học 3D ATOS 2M để số hóa biên dạng và đo chiều dài dòng chảy, chiều cao gân.
    • Thiết bị kiểm tra 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 phân bố và liên kết giữa sợi thủy tinh và nhựa nền.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu tổng quan về nguyên lý hoạt động của máy phun ép (bao gồm hệ thống kẹp, hệ thống khuôn, hệ thống điều khiển, hệ thống làm nóng chảy, hệ thống cấp liệu và hệ thống phun ép) và chu trình phun ép tiêu chuẩn gồm các giai đoạn: nóng chảy vật liệu (230 °C - 320 °C), điền đầy, định hình (bù co ngót) và làm nguội mở khuôn. Chương này phân tích chi tiết các tài liệu khoa học trong nước và quốc tế về 4 nhóm vấn đề: chất phụ gia, cải tiến kết cấu khuôn, điều kiện công nghệ và các giải pháp gia nhiệt khuôn. Dựa trên số liệu thống kê cơ cấu ngành nhựa quý 1 năm 2021 (nhựa kỹ thuật chiếm 16,1 %), chương khẳng định nhu cầu cấp thiết trong việc chế tạo các sản phẩm nhựa kỹ thuật composite thành mỏng độ bền cao, từ đó xác lập 4 vấn đề kỹ thuật trọng tâm cần tiếp tục giải quyết trong luận án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày có hệ thống các lý thuyết nhiệt động lực học và thủy động lực học áp dụng cho dòng polyme composite gia cường sợi ngắn trong khuôn kín. Tác giả phân tích sự phụ thuộc của độ nhớt vào nhiệt độ và tốc độ trượt, hiện tượng định hướng sợi thủy tinh phát sinh do hiệu ứng dòng chảy "Fountain flow", và cơ chế hình thành lớp đông đặc tại thành khuôn. Đồng thời, chương này thiết lập hệ phương trình vi phân bảo toàn khối lượng, động lượng (Navier-Stokes) và năng lượng trong hệ tọa độ Descartes, cùng các phương trình truyền nhiệt qua phần tử hữu hạn và điều kiện biên tiếp xúc nhiệt giữa khuôn và dòng nhựa, đặt nền tảng toán học cho các thuật toán phân tích số trên phần mềm Moldex3D.

Chương 3: Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm

Chương 3 tập trung thiết kế và chế tạo các hệ thống phục vụ nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm trên 3 mô hình hình học:

  1. Mô hình cơ bản dòng chảy xoắn ốc: Thiết kế lòng khuôn kênh xoắn ốc có tiết diện ứng với các chiều dày 0,5 mm; 0,75 mm và 1,0 mm. Chế tạo hệ thống 4 kênh gia nhiệt nước tuần hoàn tích hợp bên trong bộ khuôn nhằm kiểm soát nhiệt độ từ 30 °C đến 110 °C. Thiết lập các thông số mô phỏng Moldex3D tương ứng với thông số vận hành thực tế của máy phun ép Shinewell-120B.
  2. Mô hình sản phẩm dạng tấm thành mỏng: Thiết kế lòng khuôn dạng tấm mỏng với các mức chiều dày 0,2 mm; 0,4 mm và 0,6 mm; chế tạo tấm insert tích hợp vào bộ khuôn. Thiết lập hệ thống gia nhiệt Ex-GMTC sử dụng khí nóng 400 °C thổi vào lòng khuôn với thời gian gia nhiệt từ 5 giây đến 30 giây.
  3. Mô hình sản phẩm có kết cấu gân mỏng: Thiết kế chi tiết có 2 gân thành mỏng chiều cao thiết kế 7,0 mm. Chế tạo hệ thống đầu phun khí nóng định hướng để nâng nhiệt độ cục bộ tại vùng tạo gân lên dải nhiệt độ 112 °C đến 140,8 °C.
Thông số và điều kiện nghiên cứu Mô hình dòng chảy xoắn ốc Mô hình sản phẩm thành mỏng Mô hình sản phẩm gân mỏng
Kích thước lòng khuôn Chiều dày: 0,5; 0,75; 1,0 mm Chiều dày: 0,2; 0,4; 0,6 mm 2 gân, chiều cao 7,0 mm
Phương pháp gia nhiệt Kênh dẫn nước tuần hoàn Khí nóng Ex-GMTC (khí 400 °C) Khí nóng Ex-GMTC kết hợp nước
Dải nhiệt độ khuôn 30 °C - 110 °C 45 °C - 140 °C 45 °C - 75 °C (nước); 112 °C - 140,8 °C (khí)
Vật liệu khảo sát PA6; PA6 + (10%, 20%, 30%) GF PA6; PA6 + 30 %GF (so sánh PP, ABS) PA6; PA6 + 30 %GF
Thiết bị kiểm tra Máy quét ATOS 2M, kính SEM Camera Fluke TiS20, ATOS 2M Camera Fluke TiS20, ATOS 2M

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 dữ liệu thu nhận được từ mô hình xoắn ốc:

  • Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến chiều dài dòng chảy: Khi tăng nhiệt độ khuôn từ 30 °C lên 110 °C, chiều dài dòng chảy tăng đều trên cả 3 mức chiều dày 0,5 mm; 0,75 mm và 1,0 mm. Đối với mẫu PA6 + 30 %GF có chiều dày 1,0 mm, chiều dài dòng chảy thực nghiệm tăng từ 79,9 mm lên 100,3 mm (tăng 25,5 %). Kết quả mô phỏng trên Moldex3D có sự tương đồng chặt chẽ với thực nghiệm (độ lệch nhỏ, kiểm chứng qua các bảng so sánh từ Bảng 4.7 đến 4.10).
  • Ảnh hưởng của tỉ lệ sợi gia cường: Tỉ lệ sợi thủy tinh tăng làm giảm độ linh động của dòng chảy. Tại cùng nhiệt độ khuôn 110 °C, khi tỉ lệ sợi tăng từ 0 % lên 30 % GF, chiều dài dòng chảy thực nghiệm giảm từ 145,8 mm xuống 100,3 mm (giảm 45,4 mm, tương đương giảm khoảng 31,2 %).
  • Cấu trúc liên kết và phân bố sợi: Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét SEM chỉ ra rằng nhiệt độ khuôn cao làm chậm quá trình đông đặc của lớp bề mặt, giúp sợi thủy tinh có thời gian định hướng song song thuận lợi theo phương dòng chảy và tăng cường độ liên kết bám dính với nền polyme PA6.
  • Xây dựng phương trình hồi quy: Tác giả xây dựng các phương trình hồi quy thực nghiệm trên Minitab xác định mối quan hệ định lượng giữa chiều dài dòng chảy ($L$), nhiệt độ khuôn ($T$) và chiều dày sản phẩm ($h$) cho từng tỉ lệ sợi thủy tinh, với hệ số tương quan $R^2_{\text{adj}}$ đạt độ tin cậy cao.
Vật liệu khảo sát Chiều dày lòng khuôn Chiều dài dòng chảy tại 30 °C Chiều dài dòng chảy tại 110 °C Mức độ cải thiện chiều dài
PA6 + 30 %GF 1,0 mm 79,9 mm 100,3 mm Tăng 25,5 % (+20,4 mm)
PA6 nguyên sinh (0 %GF) 1,0 mm - 145,8 mm -
PA6 + 30 %GF 1,0 mm - 100,3 mm Giảm 45,4 mm khi tăng sợi từ 0% lên 30%

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 áp dụng phương pháp gia nhiệt khí nóng Ex-GMTC vào hai kết cấu khó điền đầy:

  • Sản phẩm thành mỏng (chiều dày 0,6 mm):
    • Khi gia nhiệt bằng khí nóng trong thời gian 20 giây, chiều dài dòng chảy của vật liệu PA6 tăng từ 38,9 mm lên 74,3 mm (tăng thêm 90,6 %).
    • Với vật liệu composite PA6 + 30 %GF, sau 20 giây gia nhiệt, chiều dài dòng chảy tăng từ 28,5 mm lên 58,9 mm (tăng thêm 108,6 %).
    • Kết quả so sánh cũng chỉ ra vật liệu nền PA6 có độ nhạy nhiệt cao hơn vật liệu PP và ABS (chiều dài dòng chảy của PA6 và PA6 + 30 %GF đều tăng trên 80 % sau 20 giây gia nhiệt).
  • Sản phẩm có kết cấu gân mỏng (chiều cao thiết kế 7,0 mm):
    • Khi sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng nước thông thường, nhiệt độ khuôn chỉ đạt từ 45 °C đến 75 °C, chiều cao điền đầy của gân chỉ tăng từ 2,8 mm lên 4,2 mm (chưa điền đầy hoàn toàn).
    • Khi ứng dụng hệ thống Ex-GMTC, nhiệt độ bề mặt khuôn đạt từ 112 °C đến 140,8 °C; kết quả gân mỏng được điền đầy hoàn toàn đạt chiều cao 7,0 mm.
    • Nghiên cứu thực nghiệm chứng minh vị trí cấp khí nóng không nhất thiết phải nằm trực tiếp tại vị trí gân mỏng; việc chọn vùng gia nhiệt ở khu vực chuyển tiếp trước đó đã đủ làm triệt tiêu lớp đông đặc cục bộ, tạo điều kiện cho dòng nhựa composite điền đầy hoàn toàn vào gân.
Phương pháp và điều kiện gia nhiệt Nhiệt độ khuôn đạt được Kết quả điền đầy gân mỏng (Chiều cao thiết kế 7,0 mm)
Gia nhiệt bằng nước tuần hoàn 45 °C Chiều cao gân đạt 2,8 mm
Gia nhiệt bằng nước tuần hoàn 75 °C Chiều cao gân đạt 4,2 mm
Gia nhiệt khí nóng Ex-GMTC 112 °C - 140,8 °C Điền đầy 100 %, chiều cao gân đạt 7,0 mm

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Luận án đã xác định được mối quan hệ có tính quy luật giữa chiều dài dòng chảy, nhiệt độ khuôn và chiều dày sản phẩm ứng với các tỉ lệ sợi thủy tinh thay đổi từ 0 % đến 30 % của vật liệu composite nền nhựa PA6 thông qua mô phỏng phần tử hữu hạn và thực nghiệm.
  2. Chứng minh phương pháp phun ép với vùng nhiệt độ khuôn cao (đạt tới 140 °C) là giải pháp kiểm soát hiệu quả khả năng chảy của composite nhựa nhiệt dẻo; làm rõ cơ chế làm mỏng và hạn chế lớp đông đặc tại bề mặt tiếp xúc thành khuôn, qua đó cải thiện mức độ định hướng và liên kết của sợi gia cường.
  3. Xác định quy luật bố trí vùng gia nhiệt: việc tăng nhiệt độ khuôn không bắt buộc phải thực hiện trên toàn bộ lòng khuôn hoặc trực tiếp ngay tại vị trí thành mỏng/gân mỏng, mà có thể gia nhiệt cục bộ tại các vị trí đón đầu trước khi dòng vật liệu tiến vào khu vực có tiết diện hẹp.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng công nghệ

  1. Thiết kế, chế tạo thành công thiết bị gia nhiệt bề mặt khuôn bằng khí nóng bên ngoài (Ex-GMTC), cho phép nâng nhanh nhiệt độ lòng khuôn lên dải 45 °C - 140 °C mà không làm biến đổi phức tạp kết cấu lòng khuôn như công nghệ kênh dẫn nóng (hot runner) hay gây rủi ro nhiễm từ như gia nhiệt cảm ứng.
  2. Cung cấp bộ thông số công nghệ thực nghiệm phục vụ việc gia công các sản phẩm composite thành mỏng và chi tiết gân mỏng có độ chính xác cao trong công nghiệp điện tử (bảng mạch, giắc cắm, đầu nối sợi quang chịu nhiệt) và chi tiết máy cơ khí chính xác khối lượng nhỏ vài gram (bánh răng, vòng đệm).
  3. Đề xuất phương án công nghệ khả thi giúp các doanh nghiệp sản xuất khuôn mẫu và ép nhựa trong nước nâng cao năng lực chế tạo sản phẩm kỹ thuật cao từ vật liệu composite trên hệ thống máy móc hiện có mà không đòi hỏi chi phí đầu tư thiết bị ngoại nhập quá lớn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của công trình

Căn cứ theo nội dung tác giả đã tự nhận định trong văn bản luận án:

  • Giới hạn về trang thiết bị phân tích chuyên sâu: Do điều kiện phòng thí nghiệm trong nước, nghiên cứu mới chỉ thực hiện quan sát hình thái sợi bằng kính hiển vi điện tử quét SEM; chưa thể áp dụng các phương pháp phân tích vi cấu trúc hiện đại hơn như kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) hoặc phương pháp siêu âm thể tích khuôn để đánh giá khuyết tật bên trong thể tích chi tiết.
  • Giới hạn về tối ưu hóa lưu chất khí nóng: Hệ thống gia nhiệt khí nóng trong các nghiên cứu tiền đề và thực nghiệm bước đầu vẫn cần tiếp tục hoàn thiện về số lượng cổng cấp khí nhằm tối ưu hóa trường lưu chất dòng khí nóng, tránh kéo dài chu kỳ làm nguội tổng thể của quá trình ép.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng khảo sát hình thái vi cấu trúc, độ kết tinh và tương tác giao diện pha giữa sợi và nhựa nền bằng phương pháp chụp TEM và phổ tán xạ.
  • Tối ưu hóa chu trình gia nhiệt - giải nhiệt kết hợp để rút ngắn chu kỳ phun ép của phương pháp Ex-GMTC, đáp ứng yêu cầu sản xuất hàng loạt quy mô công nghiệp.
  • Mở rộng phạm vi nghiên cứu thực nghiệm trên các hệ vật liệu composite nền polymer khác (như PBT, PC, PPS) kết hợp với các dạng sợi cốt khác ngoài sợi thủy tinh ngắn.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo có giá trị ứng dụng cụ thể cho các đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Công nghệ Vật liệu: Tham khảo mô hình toán học dòng chảy phi Newton trong khuôn ép, phương pháp thiết lập mô phỏng trường nhiệt độ và dòng chảy trên phần mềm Moldex3D, cũng như phương pháp xử lý số liệu hồi quy đa biến trên Minitab.
  • Kỹ sư thiết kế khuôn và công nghệ ép nhựa: Ứng dụng trực tiếp các bản vẽ kết cấu kênh xoắn ốc kiểm tra độ chảy, thiết kế module insert lòng khuôn tích hợp gia nhiệt Ex-GMTC, bảng thông số nhiệt độ khí nóng và thời gian gia nhiệt phù hợp cho từng độ dày chi tiết (0,2 mm đến 1,0 mm).
  • Các nhà quản trị kỹ thuật tại doanh nghiệp sản xuất linh kiện: Tham khảo giải pháp cải tiến bộ khuôn sẵn có để sản xuất chi tiết composite kỹ thuật cao (đầu nối điện tử, bánh răng vi mô) mà không cần thay thế máy ép phun công suất lớn.

Câu hỏi thường gặp

1. Nhiệt độ khuôn ảnh hưởng như thế nào đến chiều dài dòng chảy của composite PA6 + 30 %GF trong mô hình xoắn ốc dày 1 mm?

Khi nhiệt độ khuôn tăng từ 30 °C lên 110 °C với chiều dày lòng khuôn 1 mm, chiều dài dòng chảy thực nghiệm của composite PA6 + 30 %GF tăng từ 79,9 mm lên 100,3 mm, tương ứng mức cải thiện 25,5 %.

2. Sự gia tăng hàm lượng sợi thủy tinh tác động ra sao đến khả năng điền đầy của vật liệu?

Sự gia tăng hàm lượng sợi thủy tinh làm tăng độ nhớt của dòng chảy hỗn hợp. Tại cùng mức nhiệt độ khuôn 110 °C và chiều dày 1 mm, khi tăng tỉ lệ sợi từ 0 % (nhựa PA6 nguyên sinh) lên 30 % GF, chiều dài dòng chảy thực nghiệm giảm từ 145,8 mm xuống 100,3 mm (suy giảm 45,4 mm, tương đương khoảng 31,2 %).

3. Phương pháp gia nhiệt bề mặt lòng khuôn bằng khí nóng Ex-GMTC mang lại kết quả gì cho chi tiết có kết cấu gân mỏng?

Phương pháp Ex-GMTC cho phép nâng nhiệt độ lòng khuôn lên vùng 112 °C - 140,8 °C. Kết quả thực nghiệm cho thấy gân mỏng được điền đầy hoàn toàn đạt chiều cao thiết kế 7,0 mm. Ngược lại, phương pháp gia nhiệt bằng nước tuần hoàn truyền thống chỉ đạt nhiệt độ 45 °C - 75 °C, khiến chiều cao gân chỉ điền đầy được từ 2,8 mm đến 4,2 mm.

4. Vị trí cấp khí nóng Ex-GMTC có bắt buộc phải đặt trực tiếp ngay tại vị trí thành mỏng hoặc gân mỏng không?

Không bắt buộc. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng vùng gia nhiệt có thể được bố trí đón đầu tại các vị trí trước khi dòng vật liệu chảy vào khu vực thành mỏng hoặc gân mỏng. Biện pháp này làm suy giảm lớp đông đặc tại vùng dẫn truyền, giúp dòng nhựa duy trì trạng thái lỏng và điền đầy hoàn toàn vào kết cấu hẹp.

5. Những hệ thống phần mềm và thiết bị đo lường chính nào đã được sử dụng trong luận án?

Nghiên cứu sử dụng phần mềm Moldex3D để mô phỏng dòng chảy và nhiệt độ; phần mềm Minitab để thiết lập phương trình hồi quy; máy phun ép Shinewell-120B; hệ thống gia nhiệt nước và gia nhiệt khí nóng Ex-GMTC (khí 400 °C); camera nhiệt Fluke TiS20; máy quét mẫu quang học 3D ATOS 2M; và kính hiển vi điện tử quét SEM tại Viện Công nghệ Nano - ĐHQG TP.HCM.

Kết luận

Luận án của tác giả Phan Thế Nhân đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán nâng cao khả năng điền đầy của vật liệu composite nền PA6 gia cường sợi thủy tinh ngắn trong quy trình phun ép thông qua giải pháp điều khiển nhiệt độ khuôn. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng phần tử hữu hạn trên Moldex3D và thực nghiệm trên máy phun ép công nghiệp Shinewell-120B, tác giả đã làm rõ quy luật biến thiên của chiều dài dòng chảy theo nhiệt độ khuôn và hàm lượng cốt sợi. Đặc biệt, việc ứng dụng thành công phương pháp gia nhiệt bề mặt lòng khuôn bằng khí nóng Ex-GMTC lên dải nhiệt độ 140 °C đã chứng minh tính khả thi trong việc điền đầy hoàn toàn các sản phẩm có kết cấu thành mỏng và gân mỏng phức tạp. Công trình cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm tin cậy, các phương trình tương quan định lượng và giải pháp công nghệ có giá trị ứng dụng cao cho ngành chế tạo khuôn mẫu và ép nhựa kỹ thuật tại Việt Nam.