Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số phun ép đến độ bền kéo của đường hàn trong sản phẩm nhựa

• Tác giả: Phạm Minh Đăng
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Sơn Minh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Thông Số Phun Ép Đến Độ Bền Kéo Của Đường Hàn Trong Sản Phẩm Nhựa
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
• 1.1. Ngoài nước (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)
• 1.2. Trong nước (phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở Việt Nam, 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)
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Vật liệu và độ bền đường hàn
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
• 3.1. Khuôn ép và mẫu thí nghiệm
• 3.2. Phương pháp gia nhiệt và phương pháp đo nhiệt
• 3.3. Lựa chọn giải pháp gia nhiệt cho khuôn
• 3.4. Các thiết bị trong bộ đo nhiệt và gia nhiệt khuôn
• 3.5. Phương pháp giải nhiệt
• 4. CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ PHUN ÉP ĐẾN ĐỘ BỀN KÉO CỦA ĐƯỜNG HÀN TRONG SẢN PHẨM NHỰA
• 4.1. Ép mẫu thí nghiệm
• 4.2. Kết quả kéo mẫu thí nghiệm
• 4.3. Kiểm tra độ bền kéo
• 4.4. Kết quả thí nghiệm kéo
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích thông số phun ép và ảnh hưởng của chúng đến độ bền kéo của đường hàn trong các sản phẩm nhựa. Đường hàn là một trong những khuyết tật phổ biến trong quá trình sản xuất nhựa, ảnh hưởng đến chất lượng và tính thẩm mỹ của sản phẩm. Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kéo của đường hàn và đề xuất các giải pháp cải thiện. Theo các nghiên cứu trước đây, nhiệt độ khuôn và áp suất phun là hai yếu tố quan trọng nhất. Việc tối ưu hóa các thông số này có thể giúp nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh thị trường ngày càng cạnh tranh, việc nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa là rất cần thiết. Các khuyết tật như đường hàn không chỉ làm giảm độ bền của sản phẩm mà còn ảnh hưởng đến sự hài lòng của khách hàng. Do đó, nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang lại ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp chế tạo nhựa.

II. Cơ sở lý thuyết

Để hiểu rõ hơn về độ bền kéo của đường hàn, cần xem xét các yếu tố vật liệu và quy trình sản xuất. Nghiên cứu vật liệu cho thấy rằng các loại nhựa khác nhau có tính chất cơ học khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng kết dính của đường hàn. Các thông số như nhiệt độ nhựa, áp suất phun và thời gian định hình đều có tác động lớn đến độ bền của đường hàn. Việc kiểm soát nhiệt độ khuôn cũng là một yếu tố quan trọng, vì nó ảnh hưởng đến quá trình đông đặc của nhựa và sự hình thành đường hàn.

2.1. Tính chất cơ học của vật liệu nhựa

Các loại nhựa như PP, PC có tính chất cơ học khác nhau, ảnh hưởng đến độ bền kéo của đường hàn. Nghiên cứu cho thấy rằng nhựa vô định hình thường có độ bền kéo thấp hơn so với nhựa bán tinh thể. Điều này có thể giải thích bởi cấu trúc phân tử của chúng. Việc lựa chọn loại nhựa phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện thông qua các thí nghiệm thực nghiệm với các mẫu thử được thiết kế theo tiêu chuẩn ASTM 638. Các mẫu thử được phun ép với các thông số khác nhau về nhiệt độ khuôn và áp suất phun. Kết quả thí nghiệm sẽ được phân tích để xác định mối quan hệ giữa các thông số này và độ bền kéo của đường hàn. Phương pháp phân tích thống kê sẽ được sử dụng để đánh giá độ tin cậy của kết quả.

3.1. Thiết kế thí nghiệm

Mẫu thử được thiết kế với lòng khuôn có hai cổng vào nhựa, cho phép quan sát rõ ràng sự hình thành đường hàn. Nhiệt độ khuôn được điều chỉnh ở các mức khác nhau từ 30°C đến 120°C để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền kéo. Các mẫu thử sẽ được kiểm tra trên máy kéo INSTRON 3367 để thu thập dữ liệu về độ bền kéo.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng khi nhiệt độ khuôn tăng từ 30°C đến 90°C, độ bền kéo của đường hàn được cải thiện rõ rệt. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tiếp tục tăng lên 120°C, độ bền kéo không có sự thay đổi đáng kể. Điều này cho thấy rằng có một ngưỡng nhiệt độ tối ưu cho quá trình phun ép nhựa. Việc tối ưu hóa các thông số này không chỉ giúp cải thiện độ bền của sản phẩm mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất.

4.1. Phân tích kết quả

Phân tích kết quả cho thấy rằng thông số phun ép có ảnh hưởng lớn đến độ bền kéo của đường hàn. Các yếu tố như áp suất phun và nhiệt độ nhựa nóng chảy cũng cần được xem xét kỹ lưỡng. Việc điều chỉnh các thông số này có thể giúp nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thị trường.

V. Kết luận

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kiểm soát thông số phun ép là rất quan trọng để nâng cao độ bền kéo của đường hàn trong sản phẩm nhựa. Các kết quả thu được từ nghiên cứu có thể được áp dụng trong thực tiễn sản xuất, giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực chế tạo nhựa.

5.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Cần thực hiện thêm các nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố khác như hình dạng đường hàn và tốc độ chảy của nhựa đến độ bền kéo. Việc áp dụng các công nghệ mới trong quy trình sản xuất cũng cần được xem xét để nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa.

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp chế tạo sản phẩm nhựa, khuyết tật đường hàn (weld line) là một trong những vấn đề phổ biến và ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cũng như độ bền của sản phẩm. Theo báo cáo của ngành, các sản phẩm nhựa ngày càng có kết cấu phức tạp, dẫn đến sự xuất hiện nhiều hơn của các khuyết tật như đường hàn, rỗ khí, cong vênh do co rút không đồng đều. Đường hàn hình thành khi hai dòng nhựa lỏng gặp nhau trong lòng khuôn, gây giảm độ bền kéo và ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ sản phẩm. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích ảnh hưởng của các thông số phun ép, đặc biệt là nhiệt độ khuôn và áp suất phun, đến độ bền kéo của đường hàn trong sản phẩm nhựa polypropylene (PP). Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi từ tháng 5/2012 đến tháng 4/2014 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng mẫu thử theo tiêu chuẩn ASTM 638 với nhiệt độ khuôn cục bộ được gia nhiệt đến các mức 30°C, 60°C, 90°C và 120°C. Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc đề xuất giải pháp gia nhiệt cục bộ nhằm nâng cao độ bền kéo của đường hàn, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm nhựa, giảm chi phí sơn phủ và hạn chế ô nhiễm môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về quá trình phun ép nhựa và ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng đường hàn. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Lý thuyết truyền nhiệt trong khuôn phun ép: Giải thích cơ chế gia nhiệt và giải nhiệt khuôn, ảnh hưởng của nhiệt độ bề mặt khuôn đến quá trình điền đầy nhựa và hình thành đường hàn. Gia nhiệt cục bộ giúp tăng nhiệt độ tại vị trí đường hàn, cải thiện khả năng kết dính giữa các dòng nhựa.

2. Mô hình độ bền kéo của đường hàn: Dựa trên mô hình thí nghiệm với mẫu kéo có đường hàn ở vị trí trung tâm, độ bền kéo được xác định bằng máy kéo INSTRON 3367. Các khái niệm chính bao gồm: nhiệt độ nhựa nóng chảy (melt temperature), áp suất phun, tốc độ phun, và độ sâu đường hàn.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng gồm: đường hàn (weld line), nhiệt độ khuôn (mold temperature), áp suất phun (injection pressure), độ bền kéo (tensile strength), và gia nhiệt cục bộ (local heating).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là 180 mẫu thử phun ép nhựa PP với 18 trường hợp thử nghiệm khác nhau, được thiết kế theo tiêu chuẩn ASTM 638. Mẫu thử có đường hàn xuất hiện ở vị trí trung tâm thanh kéo, với bề dày đường hàn từ 1mm đến 2mm. Nhiệt độ nhựa được điều chỉnh ở hai mức 185°C và 205°C, áp suất phun từ 25 kg/cm² đến 35 kg/cm², và nhiệt độ khuôn cục bộ được gia nhiệt đến 30°C, 60°C, 90°C và 120°C.

Phương pháp phân tích sử dụng kết hợp giữa thực nghiệm và phân tích định lượng. Thiết bị gia nhiệt cục bộ sử dụng dây điện trở (heater) với công suất 300W-400W, cảm biến nhiệt loại K đo nhiệt độ bề mặt khuôn. Thí nghiệm kéo được thực hiện trên máy INSTRON 3367 tại Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM. Dữ liệu thu thập được xử lý thống kê để đánh giá ảnh hưởng của từng thông số phun ép đến độ bền kéo của đường hàn.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 5/2012 đến tháng 4/2014, bao gồm các giai đoạn: thiết kế và chế tạo khuôn, gia nhiệt cục bộ, phun ép mẫu thử, thí nghiệm kéo và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ bền kéo đường hàn: Khi nhiệt độ khuôn tăng từ 30°C đến 90°C, độ bền kéo của đường hàn tăng rõ rệt, ví dụ độ bền kéo tăng từ khoảng 50 MPa lên đến 75 MPa, tương đương mức tăng khoảng 50%. Tuy nhiên, khi nhiệt độ khuôn tiếp tục tăng lên 120°C, độ bền kéo không thay đổi đáng kể, chỉ tăng thêm khoảng 2-3%.

2. Ảnh hưởng của áp suất phun: Tăng áp suất phun từ 25 kg/cm² lên 35 kg/cm² giúp cải thiện độ bền kéo của đường hàn khoảng 15-20%, do áp suất cao giúp nhựa điền đầy khuôn tốt hơn và tăng khả năng kết dính tại đường hàn.

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nhựa: Nhiệt độ nhựa tăng từ 185°C lên 205°C làm giảm chiều sâu đường hàn từ 240 µm xuống còn khoảng 5 µm, đồng thời tăng độ bền kéo lên khoảng 10-15%. Điều này cho thấy nhiệt độ nhựa cao giúp tăng khả năng kết dính giữa các dòng nhựa.

4. Tương quan giữa chiều sâu đường hàn và độ bền kéo: Độ sâu đường hàn giảm mạnh khi nhiệt độ nhựa và nhiệt độ khuôn tăng, dẫn đến độ bền kéo tăng. Chiều sâu đường hàn càng nhỏ thì độ bền kéo càng cao, minh chứng cho mối quan hệ nghịch biến giữa hai yếu tố này.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc tăng độ bền kéo khi tăng nhiệt độ khuôn là do gia nhiệt cục bộ làm giảm độ nhớt tại vị trí đường hàn, giúp các dòng nhựa dễ dàng kết dính hơn. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy nhiệt độ khuôn cao giúp cải thiện chất lượng bề mặt và độ bền sản phẩm. Tuy nhiên, việc tăng nhiệt độ khuôn quá cao (trên 90°C) không mang lại hiệu quả đáng kể do giới hạn vật liệu và thời gian chu kỳ phun ép bị kéo dài.

Áp suất phun cao giúp nhựa điền đầy khuôn tốt hơn, giảm khuyết tật rỗ khí và tăng độ bền đường hàn, đồng thời phù hợp với mô hình nghiên cứu của Matti Koponen về ảnh hưởng của áp suất đến độ bền kéo.

Nhiệt độ nhựa cao làm giảm chiều sâu đường hàn, tăng khả năng kết dính, nhưng cần kiểm soát để tránh phân hủy vật liệu. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu về ảnh hưởng nhiệt độ nhựa đến độ bền đường hàn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ khuôn và độ bền kéo, cũng như bảng so sánh độ bền kéo theo các mức áp suất phun và nhiệt độ nhựa.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng gia nhiệt cục bộ cho khuôn phun ép nhằm nâng nhiệt độ bề mặt khuôn tại vị trí đường hàn lên khoảng 90°C trong vòng 10 giây để tối ưu hóa độ bền kéo sản phẩm. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất khuôn và doanh nghiệp chế tạo nhựa. Thời gian áp dụng: trong vòng 6 tháng.

2. Tăng áp suất phun trong khoảng 30-35 kg/cm² để cải thiện khả năng điền đầy khuôn và độ bền đường hàn, đồng thời giảm khuyết tật rỗ khí. Chủ thể thực hiện: kỹ sư vận hành máy phun ép. Thời gian áp dụng: ngay trong quy trình sản xuất hiện tại.

3. Kiểm soát nhiệt độ nhựa trong khoảng 190-205°C để giảm chiều sâu đường hàn và tăng độ bền kéo, tránh quá nhiệt gây phân hủy vật liệu. Chủ thể thực hiện: bộ phận kỹ thuật và quản lý chất lượng. Thời gian áp dụng: liên tục trong quá trình sản xuất.

4. Thiết kế và chế tạo khuôn phun ép với hệ thống gia nhiệt dây điện trở phù hợp cho các sản phẩm có cấu trúc đơn giản, giúp gia nhiệt nhanh và tiết kiệm chi phí. Chủ thể thực hiện: bộ phận thiết kế khuôn. Thời gian áp dụng: trong vòng 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư và nhà thiết kế khuôn phun ép nhựa: Nghiên cứu cung cấp kiến thức về thiết kế hệ thống gia nhiệt cục bộ và ảnh hưởng của các thông số phun ép đến chất lượng sản phẩm.

2. Doanh nghiệp sản xuất sản phẩm nhựa: Áp dụng các giải pháp gia nhiệt và điều chỉnh thông số phun ép để nâng cao độ bền và tính thẩm mỹ sản phẩm, giảm chi phí sơn phủ và khuyết tật.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, công nghệ chế tạo máy: Tài liệu tham khảo thực tiễn về phương pháp nghiên cứu, thiết kế khuôn và phân tích kết quả thí nghiệm.

4. Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu polymer và công nghệ phun ép: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình phân tích ảnh hưởng nhiệt độ và áp suất đến độ bền đường hàn.

Câu hỏi thường gặp

1. Gia nhiệt cục bộ khuôn phun ép có tác dụng gì?
   Gia nhiệt cục bộ giúp tăng nhiệt độ bề mặt khuôn tại vị trí đường hàn, làm giảm độ nhớt nhựa, tăng khả năng kết dính giữa các dòng nhựa, từ đó nâng cao độ bền kéo và cải thiện chất lượng sản phẩm.

2. Nhiệt độ khuôn tối ưu để cải thiện độ bền đường hàn là bao nhiêu?
   Nghiên cứu cho thấy nhiệt độ khuôn khoảng 90°C là mức tối ưu, giúp tăng độ bền kéo đáng kể mà không làm kéo dài thời gian chu kỳ phun ép quá mức.

3. Áp suất phun ảnh hưởng thế nào đến chất lượng đường hàn?
   Áp suất phun cao giúp nhựa điền đầy khuôn tốt hơn, giảm khuyết tật rỗ khí và tăng độ bền kéo của đường hàn, tuy nhiên cần kiểm soát để tránh gây áp lực quá lớn làm hỏng khuôn.

4. Tại sao nhiệt độ nhựa lại quan trọng trong quá trình phun ép?
   Nhiệt độ nhựa cao giúp giảm độ nhớt, tăng khả năng kết dính tại đường hàn, giảm chiều sâu đường hàn và nâng cao độ bền kéo, nhưng nếu quá cao sẽ gây phân hủy vật liệu.

5. Phương pháp gia nhiệt nào phù hợp cho khuôn phun ép sản phẩm đơn giản?
   Gia nhiệt bằng dây điện trở (heater) là phương pháp phù hợp do dễ điều khiển, chi phí thấp và tốc độ gia nhiệt nhanh, thích hợp cho khuôn có cấu trúc hình học đơn giản.

Kết luận

• Gia nhiệt cục bộ khuôn phun ép đến khoảng 90°C giúp tăng độ bền kéo của đường hàn lên đến 50% so với nhiệt độ thấp hơn.
• Áp suất phun và nhiệt độ nhựa là hai thông số quan trọng ảnh hưởng tích cực đến độ bền kéo và chất lượng đường hàn.
• Chiều sâu đường hàn giảm khi nhiệt độ nhựa và khuôn tăng, làm tăng khả năng kết dính và độ bền sản phẩm.
• Phương pháp gia nhiệt bằng dây điện trở được đánh giá phù hợp cho nghiên cứu và ứng dụng trong sản xuất sản phẩm nhựa đơn giản.
• Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa thiết kế hệ thống gia nhiệt, mở rộng nghiên cứu với các loại nhựa khác và ứng dụng thực tế trong sản xuất công nghiệp.

Khuyến nghị các nhà sản xuất và nghiên cứu tiếp tục áp dụng và phát triển giải pháp gia nhiệt cục bộ nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa, đồng thời giảm thiểu chi phí và tác động môi trường.