CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1. Nhu cầu về sản phẩm nhựa kỹ thuật Xã hội hiện đại, đi kèm theo đó là sự phát triển không ngừng của ngành công nghiệp nhựa đối với các mặt hàng như: tiêu dùng, thiết bị y tế, thiết bị điện tử, các sản phẩm công nghệ cao…. Điều đáng quan tâm là ngành công nghiệp nhựa có những ưu điểm vượt trội so với các ngành công nghiệp khác như: sản xuất với số lượng lớn, chủng loại sản phẩm đa dạng, giá thành sản phẩm thấp, khả năng tự động hóa cao, độ chính xác tương đối cao, kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ có thể phục vụ trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Trong Ngành công nghiệp nhựa, có nhiều công nghệ khác nhau được sử dụng như: công nghệ nén-phun, đùn thổi, đùn, thổi, ép phun…… Trong đó công nghệ ép phun là 1 trong những công nghệ được sử dụng rộng rãi nhất cho sản xuất hàng loạt lớn với các chi tiết có hình dáng phức tạp và độ chính xác cao. Chính vì vậy mà hiện nay các nước đang có xu hướng phát triển các công nghệ, các khoa học kỹ thuật hiện đại để thay thế các sản phẩm được làm bằng các vật liệu truyền thống sang các sản phẩm nhựa có độ chính xác cực kì cao và kích thước nhỏ gọn, điển hình là các sản phẩm nhựa kỹ thuật. Lý do mà các nhà sản xuất muốn thay đổi chính là các sản phẩm nhựa kỹ thuật có độ chính xác cao hơn nhiều so với các sản phẩm nhựa gia dụng và mỹ phẩm, tạo hình dễ dàng cho các sản phẩm có hình dáng cực kỳ phức tạp mà hầu như các công nghệ khác không thể hoặc có thì củng phải tiêu tốn một chi phí khá cao, trọng lượng và kích thước nhỏ gọn nhưng vẫn đảm bảo được độ bền, độ va đập để chịu được các tải trọng tĩnh hoặc động trong quá trình làm việc, độ bóng bề mặt cao và đa dạng về màu sắc, năng suất sản phẩm là khá cao…Một số nhựa được đưa vào nhóm là nhựa kỹ thuật được dùng để chế tạo các sản phẩm có hình dáng khác nhau như :POM, PS, ABS, PA, PC, PPS …. Dưới đây sẽ trình bày một số sản phẩm nhựa kỹ thuật điển hình.
HVTH: Nguyễn Hùng Dũng 1 MSHV: 12040464 Hình 1. Các sản phẩm nhựa ứng dụng trong kỹ thuật.(a) Các bánh răng trong cơ cấu truyền động, (b) Các chi tiết làm bằng nhựa kỹ thuật trong hệ thống pin ô tô, (C) Các zắc cắm (connector), (D) Phím bấm điện tử, (E) Bảng điều khiển trong ô tô, (F) Nắp điện thoại. Ngoài ra, theo nhu cầu hiện nay luôn có xu hướng sản xuất các sản phẩm có trọng lượng nhẹ bằng cách giảm độ dày thành sản phẩm hay còn được gọi là sản phẩm thành mỏng để giảm chí phí nguyên vật liệu nhựa mà vẫn đáp ứng được các yêu cầu về độ bền, độ dai va đập. Thông thường các sản phẩm được gọi là thành mỏng khi đạt một trong 2 yếu tố sau: độ dày thành sản phẩm nhỏ hơn 1mm hoặc tỷ lệ giữa chiều dài dòng chảy và độ dày thành không được lớn hơn giá trị cho phép.
Giá trị này được quy định tùy thuộc vào mỗi loại vật liệu nhựa. Tỉ số cho phép giữa chiều dài dòng chảy và độ dày thành HVTH: Nguyễn Hùng Dũng 2 MSHV: 12040464 Hình 1. Các sản phẩm thành mỏng sử dụng trong điện thoại và xe ôtô Dựa trên những ưu điểm vượt trội của các sản phẩm nhựa kỹ thuật và các sản phẩm thành mỏng thì đây là những đối tượng chính mà các nhà sản xuất sẽ nhắm tới để cung cấp cho thị trường các sản phẩm nhựa chất lượng cao với chi phí hợp lý nhất. Giới thiệu về khuôn kênh dẫn nóng Trong những năm qua, nhiều hệ thống mới được phát triển để nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thời gian sản xuất trong công nghệ ép phun.
Đặc biệt là có thể mở rộng khả năng công nghệ để chế tạo các sản phẩm thành mỏng. Một trong những hệ thống mới đó chính là hệ thống kênh dẫn nóng. Hệ thống kênh dẫn nóng được phát minh cách đây khá lâu vào năm 1940 tại Mỹ [6], nhưng cho tới những năm 1980 chúng mới được sử dụng phổ biến vì giá thành các vật liệu nhựa tăng cao và hệ thống kênh dẫn nóng ngày càng được hoàn thiện, chính vì những lý do đó đã buộc các nhà sản xuất phải áp dụng hệ thống mới này nhằm tăng chất lượng sản phẩm và giảm chí phí sản xuất để đạt tính kinh tế cao hơn. Trước khi bắt đầu thiết kế một hệ thống kênh dẫn nóng, điều đầu tiên là phải hiểu thế nào là hệ thống kênh dẫn nóng.
HVTH: Nguyễn Hùng Dũng 3 MSHV: 12040464 Theo tài liệu [6] thì hệ thống kênh dẫn nóng là một hệ thống liên kết giữa vòi phun của máy ép với miệng phun của khuôn để cung cấp vật liệu nhựa luôn ở trạng thái chảy dẻo vào trong lòng khuôn. Điểm khác nhau so với kênh dẫn nguội trong các khuôn truyền thống là trong hệ thống kênh dẫn nóng sẽ có bộ phận gia nhiệt cho cuống phun và các nhánh phun để đưa nhựa chảy dẻo đến các lòng khuôn. Sử dụng hệ thống kênh dẫn nóng sẽ bỏ đi giai đoạn đẩy hệ thống kênh dẫn nhựa và cuống phun ra khỏi khuôn. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống kênh dẫn nóng như Hình 1.
Cấu trúc của hệ thống kênh dẫn [1] Khi nhà sản xuất muốn đầu tư vào bất kỳ một hệ thống mới nào, điều đầu tiên mà họ quan tâm nhất đó chính là những thuận lợi và những hạn chế về khía cạnh kinh tế lẫn khía cạnh kỹ thuật của hệ thống đó. Hệ thống kênh dẫn nóng cũng không ngoại lệ. Sau đây sẽ trình bày những thuận lợi và hạn chế của hệ thống này thông qua Bảng 1. HVTH: Nguyễn Hùng Dũng 4 MSHV: 12040464 Bảng 1.
Các thuận lợi và hạn chế của khuôn kênh dẫn nóng [1] KHÍA CẠNH THUẬN LỢI HẠN CHẾ - Tiết kiệm nguyên vật liệu do - Kết cấu khuôn phức tạp không hình thành cuống phun nên chi phí cao hơn. và không tốn chi phí tái chế - Các quá trình vận hành nhựa cuống phun như kênh dẫn hệ thống phức tạp hơn đòi nguội. hỏi người thợ vận hành - Thời gian của chu trình ép máy có tay nghề cao hơn. phun ngắn hơn, do thời gian - Chi phí lắp đặt, bảo trì điền đầy ngắn hơn (không điền cao (chống rò rỉ nhựa, dễ đầy hệ thống kênh dẫn sau mỗi hư các thiết bị gia nhiệt, chu kỳ), không tốn thời gian các đầu phun dễ bị mài Kinh Tế làm nguội hệ thống kênh dẫn mòn khi sản xuất nhiều).
và rút cuống phun, hành trình khuôn ngắn hơn. - Máy phun có thể nhỏ hơn vì thể tích chung quanh kênh nóng giảm (giảm lượng nhựa điền đầy hệ thống kênh dẫn), và do lực kẹp nhỏ hơn vì bộ chia nhựa đóng kín (không hở như hệ thống kênh dẫn nguội ). - Quá trình có khả năng tự - Có khả năng làm biến động hóa cao hơn do không tính vật liệu nhựa do nhiệt phải tách nhựa điền đầy trong ,đặc biệt đối với các loại Kỹ Thuật hệ thống kênh dẫn. nhựa nhạy với nhiệt độ, - Các miệng phun có thể được khi dòng chảy dài và thời đặt tại vị trí phù hợp nhất vì gian lưu lại của nhựa trong đường dẫn nhựa có thể dài hơn kênh dẫn lâu trong trường HVTH: Nguyễn Hùng Dũng 5 MSHV: 12040464 khi đã kiểm soát nhiệt tốt.
hợp chu trình ép phun dài. - Sụt áp sẽ giảm tối thiểu do - Cần quá trình kiểm soát nhựa trong kênh dẫn luôn được nhiệt độ phức tạp vì nếu bảo đảm ở trạng thái nóng không sẽ tạo các vùng chảy. nhiệt độ không đồng đều, - Khả năng cân bằng dòng chảy làm quá trình điền đầy được tác động thông qua điều không đều và sinh ra nhiều khiển nhiệt độ hay bằng những vấn đề khác. cơ cấu đặc biệt.
- Quá trình điền đầy lòng khuôn hiệu quả hơn nhờ sử dụng đầu phun dạng van, các hệ thống miệng phun nối tiếp. - Hành trình mở khuôn ngắn hơn. - Áp suất duy trì tốt hơn nên sản phẩm ít bị cong vênh. Những vấn đề kỹ thuật cần đặt ra với khuôn sử dụng kênh dẫn nóng Từ Bảng 1.2 ta có thể thấy công nghệ HR có rất nhiều ưu việt đem lại hiệu quả và chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp nhựa là rất lớn nhưng theo sau đó vẫn còn một số hạn chế cố hữu khi sử dụng khuôn HR.
Chính vì thế mà nhiều năm qua các nhà sản xuất và chế tạo đã đặt ra những yêu cầu khắt khe khi thiết kế, chế tạo và bảo trì hệ thống để khắc phục hoặc giảm các yếu tố gây ra những hạn chế trong khuôn HR như sau: Vật liệu chế tạo tấm chia nhựa và đầu phun phải có độ cứng tương đối, độ bền và khả năng chịu nhiệt cao vì áp suất phun tác động đến các kênh dẫn có thể lớn hơn 300 MPA. Nếu không đủ độ bền thì sẽ xảy ra các biến dạng và tại HVTH: Nguyễn Hùng Dũng 6 MSHV: 12040464 các vị trí lắp ráp trong hệ thống HR có thể gây ra sự rò rỉ qua các khe hở nhỏ nhất, hoặc tạo ra các khe hở mà không tồn tại trước đó. Ngoài ra, các vật liệu này còn phải có hệ số dẫn nhiệt thấp để hạn chế sự mất mát nhiệt và hao tổn công suất tiêu thụ điện. Ngày nay khuôn kênh dẫn nóng thường được gắn kèm với các tấm cách nhiệt để hạn chế tối đa sự mất mát nhiệt.
Tính toán chính xác công suất gia nhiệt và sự giãn nở nhiệt của đầu phun và tấm chia nhựa để nhựa luôn đạt đến nhiệt độ chảy dẻo như mong muốn và đảm bảo khe hở lắp ráp giữa các chi tiết trong hệ thống khi ở trạng thái nóng sẽ tránh đi việc gây rò rĩ nhựa ra bên ngoài. Ngoài ra, cần phải xác định chính xác vị trí đặt cảm biến nhiệt độ trên tấm chia nhựa và đầu phun để đảm bảo nhiệt độ không quá cao hoặc quá thấp trên các vị trí khác nhau. Đường kính và nhiệt độ miệng phun của khuôn HR phải được thiết kế và kiểm soát thật tốt để đảm bảo nhiệt độ tại miệng phun đủ cao mà không xảy ra tình trạng bị kéo chỉ, bị nghẹt tại thời điểm đưa nhựa chảy dẻo vào lòng khuôn. Đồng thời nhiệt độ tại miệng phun đủ thấp để nhựa tạo ra các lớp đông đặc để ngăn cản nhựa chảy ra ngoài tại thời điểm mở khuôn.
Nhiệt độ miệng phun quá cao sẽ tạo ứng suất dư trên vùng gần miệng phun và ảnh hưởng đến độ bền sản phẩm.