Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu độ bền mỏi của sản phẩm phun ép nhựa khi chịu tải trọng

• Tác giả: Trần Ngọc Thiện
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Sơn Minh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Độ Bền Mỏi Của Sản Phẩm Phun Ép Nhựa Khi Chịu Tải Trọng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan hướng nghiên cứu
• 1.2. Các đề tài nghiên cứu trong nước
• 1.3. Các đề tài nghiên cứu ngoài nước
• 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3. LẬP KẾ HOẠCH VÀ THỰC NGHIỆM
• 4. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 5. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về độ bền mỏi

Độ bền mỏi là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá chất lượng của sản phẩm phun ép nhựa. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi của nhựa ABS, một loại nhựa phổ biến trong ngành công nghiệp. Theo các nghiên cứu trước đây, độ bền mỏi của nhựa phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, áp suất và thời gian duy trì trong quá trình ép nhựa. Việc hiểu rõ về độ bền mỏi giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường. Đặc biệt, trong bối cảnh ngành nhựa đang phát triển mạnh mẽ, việc nâng cao độ bền của sản phẩm là điều cần thiết để cạnh tranh trên thị trường quốc tế.

1.1. Tầm quan trọng của độ bền mỏi

Độ bền mỏi không chỉ ảnh hưởng đến tuổi thọ của sản phẩm mà còn quyết định đến sự an toàn và hiệu quả trong sử dụng. Các sản phẩm nhựa có độ bền mỏi cao sẽ ít bị hư hỏng hơn khi chịu tải trọng, từ đó giảm thiểu chi phí bảo trì và thay thế. Nghiên cứu cho thấy rằng, khi sản phẩm phun ép nhựa được thiết kế với độ bền mỏi tốt, chúng có thể chịu được các điều kiện khắc nghiệt trong môi trường làm việc. Điều này không chỉ nâng cao giá trị sản phẩm mà còn tạo ra sự tin tưởng từ phía người tiêu dùng.

II. Nghiên cứu vật liệu nhựa

Vật liệu nhựa, đặc biệt là nhựa ABS, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất nhờ vào tính chất cơ lý tốt và khả năng gia công dễ dàng. Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng nghiên cứu vật liệu là bước đầu tiên quan trọng trong việc cải thiện độ bền mỏi của sản phẩm. Nhựa ABS có khả năng chịu lực tốt và độ dẻo cao, giúp sản phẩm có thể chịu được các tác động bên ngoài mà không bị gãy hoặc nứt. Việc phân tích các tính chất cơ lý của nhựa ABS cho phép xác định các thông số tối ưu trong quá trình ép phun, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

2.1. Tính chất của nhựa ABS

Nhựa ABS có nhiều ưu điểm như độ bền cao, khả năng chống va đập tốt và dễ dàng gia công. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi nhiệt độ nóng chảy của nhựa ABS được điều chỉnh hợp lý, độ bền mỏi của sản phẩm sẽ được cải thiện đáng kể. Việc sử dụng nhựa ABS trong sản phẩm phun ép nhựa không chỉ giúp tăng cường độ bền mà còn tạo ra các sản phẩm có tính thẩm mỹ cao. Điều này rất quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất, nơi mà yêu cầu về chất lượng và mẫu mã sản phẩm ngày càng cao.

III. Công nghệ ép phun

Công nghệ ép phun là một trong những phương pháp sản xuất chính trong ngành công nghiệp nhựa. Quá trình này bao gồm việc nấu chảy nhựa và sau đó bơm vào khuôn để tạo hình sản phẩm. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các thông số như nhiệt độ nhựa, áp suất duy trì và thời gian duy trì có ảnh hưởng lớn đến độ bền mỏi của sản phẩm. Việc tối ưu hóa các thông số này không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu lãng phí nguyên liệu trong quá trình sản xuất.

3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến công nghệ ép phun

Các yếu tố như nhiệt độ và áp suất trong quá trình ép nhựa có thể ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền mỏi của sản phẩm. Nghiên cứu cho thấy rằng, khi nhiệt độ nhựa tăng, độ bền mỏi của sản phẩm cũng tăng lên, tuy nhiên, nếu nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến hiện tượng phân hủy nhựa. Tương tự, áp suất duy trì cũng cần được điều chỉnh hợp lý để đảm bảo sản phẩm đạt được độ bền tối ưu. Việc hiểu rõ về các yếu tố này sẽ giúp các nhà sản xuất cải thiện quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

IV. Kết quả thí nghiệm và phân tích

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng, độ bền mỏi của sản phẩm phun ép nhựa chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ các thông số trong quá trình sản xuất. Các thí nghiệm đã được thực hiện để đo lường độ bền mỏi của mẫu nhựa ABS dưới các điều kiện khác nhau. Kết quả cho thấy rằng, khi thay đổi nhiệt độ nóng chảy, áp suất duy trì và thời gian duy trì, độ bền mỏi của sản phẩm có sự thay đổi rõ rệt. Điều này chứng tỏ rằng, việc tối ưu hóa các thông số trong quá trình ép phun là rất cần thiết để đạt được sản phẩm có độ bền cao.

4.1. Phân tích kết quả thí nghiệm

Phân tích kết quả cho thấy rằng, độ bền mỏi của nhựa ABS tăng lên khi nhiệt độ nóng chảy được điều chỉnh từ 220°C đến 260°C. Tuy nhiên, khi nhiệt độ vượt quá 260°C, độ bền mỏi bắt đầu giảm. Tương tự, áp suất duy trì cũng có ảnh hưởng tích cực đến độ bền mỏi, với áp suất tối ưu là 1.1 MPa. Những phát hiện này không chỉ có giá trị trong việc cải thiện quy trình sản xuất mà còn có thể áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nhựa, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu thị trường.

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp nhựa ngày càng đóng vai trò quan trọng trong đời sống và sản xuất toàn cầu, với doanh số tiêu thụ ngành nhựa trong 6 tháng đầu năm 2018 đạt khoảng 9.3 tỉ đô la Mỹ. Sự gia tăng nhu cầu sử dụng sản phẩm nhựa đòi hỏi không chỉ nâng cao mẫu mã mà còn phải cải thiện chất lượng, đặc biệt là độ bền của sản phẩm. Độ bền mỏi được xem là một yếu tố cơ bản để đánh giá chất lượng sản phẩm nhựa, ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ và hiệu suất sử dụng trong thực tế.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu độ bền mỏi của sản phẩm phun ép nhựa ABS khi chịu tải trọng, nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thông số phun ép như nhiệt độ nhựa, áp suất duy trì và thời gian duy trì áp suất đến độ bền mỏi của vật liệu. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 4/2018 đến tháng 10/2019, sử dụng mẫu thử theo tiêu chuẩn ASTM D7774-12.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng biểu đồ thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa tải trọng tác động, các thông số phun ép và độ bền mỏi của nhựa ABS, từ đó góp phần nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp phun ép nhựa. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc hiểu rõ cơ chế ảnh hưởng của các yếu tố kỹ thuật đến độ bền mỏi, đồng thời có ý nghĩa thực tiễn trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thị trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Vật liệu nhựa ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene): Nhựa ABS là loại nhựa nhiệt dẻo có cấu trúc gồm ba monomer chính: Acrylonitrile, Butadiene và Styrene. Tính chất nổi bật của ABS bao gồm độ cứng, độ bền va đập cao, khả năng chịu nhiệt và hóa chất tốt, cùng với độ dẻo dai và khả năng gia công thuận lợi. Những đặc tính này làm cho ABS trở thành vật liệu phổ biến trong ngành phun ép nhựa.

• Độ bền mỏi của vật liệu: Độ bền mỏi được định nghĩa là khả năng chịu đựng của vật liệu dưới tác động của tải trọng lặp đi lặp lại cho đến khi xảy ra phá hủy. Đường cong mỏi (S-N curve) biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất và số chu kỳ đến hư hỏng, cho thấy ứng suất càng cao thì tuổi thọ mỏi càng giảm.

• Công nghệ ép phun: Quá trình ép phun nhựa nóng chảy vào khuôn để tạo hình sản phẩm. Các thông số quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm bao gồm nhiệt độ nhựa, áp suất duy trì và thời gian duy trì áp suất. Sự điều chỉnh các thông số này ảnh hưởng đến độ co ngót, cấu trúc vật liệu và cuối cùng là độ bền mỏi của sản phẩm.

• Tiêu chuẩn thử nghiệm ASTM D7774-12: Phương pháp thử nghiệm độ bền mỏi uốn của nhựa sử dụng cơ cấu uốn ba điểm hoặc bốn điểm, với các mức ứng suất khác nhau để xây dựng đường cong S-N, xác định giới hạn bền mỏi của vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng vật liệu nhựa ABS Kumho 750, mẫu thử được ép phun trực tiếp trên máy ép nhựa Shine Well SW-120B theo các thông số kỹ thuật đã thiết lập.

• Thiết kế thí nghiệm: Ma trận thí nghiệm gồm 15 trường hợp với các biến độc lập là nhiệt độ nhựa (200-280°C), áp suất duy trì (60-180 MPa) và thời gian duy trì áp (từ vài giây đến vài chục giây). Mẫu thử được chuẩn bị theo tiêu chuẩn ASTM D7774-12 với cơ cấu uốn ba điểm.

• Phương pháp chọn mẫu: Mẫu thử được chọn ngẫu nhiên từ các sản phẩm phun ép theo từng điều kiện thông số khác nhau để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

• Phương pháp phân tích: Thí nghiệm đo độ bền mỏi được thực hiện bằng máy đo độ bền mỏi theo tải tác động với tần số kiểm tra khoảng 5 Hz. Dữ liệu thu thập gồm số chu kỳ mỏi đến khi mẫu bị phá hủy dưới các mức tải khác nhau. Kết quả được xử lý thống kê, phân tích phương sai (ANOVA) để đánh giá ảnh hưởng của từng thông số đến độ bền mỏi.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 4/2018 đến tháng 10/2019, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, thiết kế thí nghiệm, thực hiện thí nghiệm, xử lý số liệu và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nhựa đến độ bền mỏi: Kết quả thí nghiệm cho thấy khi nhiệt độ nhựa tăng từ 200°C đến 260°C, độ bền mỏi của sản phẩm phun ép nhựa ABS tăng lên đáng kể, đạt giá trị tối ưu tại khoảng 260°C. Tuy nhiên, khi nhiệt độ vượt quá 270°C, độ bền mỏi giảm khoảng 15% so với mức tối ưu. Biểu đồ mỏi thể hiện rõ xu hướng này với số chu kỳ mỏi tăng lên đến 1.2 triệu chu kỳ ở nhiệt độ 260°C và giảm xuống còn khoảng 1 triệu chu kỳ ở 280°C.

2. Ảnh hưởng của áp suất duy trì: Áp suất duy trì trong khoảng 60-180 MPa có tác động tích cực đến độ bền mỏi. Khi áp suất duy trì tăng từ 60 MPa lên 120 MPa, độ bền mỏi tăng khoảng 20%. Tuy nhiên, áp suất duy trì vượt quá 150 MPa không làm tăng thêm độ bền mỏi mà còn có xu hướng giảm nhẹ do hiện tượng co ngót không đều và khuyết tật bên trong sản phẩm.

3. Ảnh hưởng của thời gian duy trì áp: Thời gian duy trì áp trong khoảng 10-30 giây có ảnh hưởng rõ rệt đến độ bền mỏi. Thời gian duy trì áp khoảng 20 giây cho kết quả độ bền mỏi cao nhất, với số chu kỳ mỏi đạt khoảng 1.3 triệu chu kỳ. Thời gian duy trì áp quá ngắn hoặc quá dài đều làm giảm độ bền mỏi do không đủ thời gian để nhựa ổn định cấu trúc bên trong.

4. Tác động của tải trọng tác động: Khi tải trọng tác động tăng từ 300g đến 500g, số chu kỳ mỏi giảm khoảng 40%, thể hiện rõ mối quan hệ nghịch đảo giữa tải trọng và tuổi thọ mỏi của sản phẩm. Ví dụ, mẫu thử chịu tải 300g có thể đạt trên 1.5 triệu chu kỳ trước khi hư hỏng, trong khi mẫu chịu tải 500g chỉ đạt khoảng 900.000 chu kỳ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên có thể giải thích dựa trên cơ chế vật liệu và quá trình ép phun. Nhiệt độ nhựa ảnh hưởng đến độ nhớt và khả năng chảy của nhựa, từ đó ảnh hưởng đến sự phân bố và liên kết các phân tử trong sản phẩm. Nhiệt độ tối ưu giúp nhựa chảy đều, giảm khuyết tật và tăng độ bền mỏi. Áp suất duy trì và thời gian duy trì áp giúp bù trừ sự co ngót, làm tăng mật độ vật liệu và giảm các vết nứt vi mô, từ đó nâng cao độ bền mỏi.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này tương đồng với các báo cáo cho thấy nhiệt độ và áp suất phun là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền mỏi của nhựa ABS và các vật liệu composite. Ví dụ, nghiên cứu về độ bền mỏi của nhựa PA6 gia cố sợi thủy tinh cũng chỉ ra rằng nhiệt độ nóng chảy và tỷ lệ gia cố ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ mỏi.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường cong S-N thể hiện số chu kỳ mỏi theo từng mức ứng suất và các bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm để minh họa rõ ràng ảnh hưởng của từng thông số. Việc xây dựng biểu đồ thực nghiệm giúp các nhà sản xuất có thể lựa chọn thông số phun ép phù hợp để tối ưu hóa độ bền mỏi sản phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa nhiệt độ nhựa: Đề xuất duy trì nhiệt độ nhựa trong khoảng 250-260°C để đạt độ bền mỏi tối ưu. Nhà sản xuất cần kiểm soát nhiệt độ này trong quá trình ép phun nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện: ngay lập tức trong các dây chuyền sản xuất hiện tại.

2. Điều chỉnh áp suất duy trì hợp lý: Áp suất duy trì nên được thiết lập trong khoảng 100-150 MPa để cân bằng giữa độ bền mỏi và giảm thiểu khuyết tật. Kỹ thuật viên vận hành cần được đào tạo để điều chỉnh áp suất phù hợp theo từng loại sản phẩm. Thời gian thực hiện: trong vòng 3 tháng tới.

3. Kiểm soát thời gian duy trì áp: Thời gian duy trì áp nên được duy trì khoảng 20 giây để đảm bảo nhựa ổn định cấu trúc bên trong, tránh hiện tượng co ngót không đều. Các quy trình sản xuất cần được cập nhật để tích hợp thông số này. Thời gian thực hiện: 1-2 tháng.

4. Giám sát tải trọng tác động trong quá trình sử dụng: Đề xuất thiết kế sản phẩm và lựa chọn vật liệu phù hợp để giảm tải trọng tác động lên sản phẩm, từ đó kéo dài tuổi thọ mỏi. Các bộ phận kỹ thuật và thiết kế cần phối hợp để cải tiến sản phẩm. Thời gian thực hiện: dài hạn, 6-12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư và chuyên gia trong ngành công nghiệp nhựa: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích chi tiết về ảnh hưởng các thông số phun ép đến độ bền mỏi, giúp họ tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, vật liệu: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá về phương pháp thử nghiệm độ bền mỏi theo tiêu chuẩn ASTM, cũng như các kiến thức về vật liệu nhựa ABS và công nghệ ép phun.

3. Các doanh nghiệp sản xuất sản phẩm phun ép nhựa: Thông tin trong luận văn giúp doanh nghiệp hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ sản phẩm, từ đó cải tiến kỹ thuật và giảm thiểu lỗi sản phẩm.

4. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách trong lĩnh vực công nghiệp chế tạo: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ việc xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình kiểm soát chất lượng sản phẩm nhựa, góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành.

Câu hỏi thường gặp

1. Độ bền mỏi là gì và tại sao quan trọng trong sản phẩm phun ép nhựa?
   Độ bền mỏi là khả năng chịu đựng của vật liệu dưới tải trọng lặp đi lặp lại trước khi bị phá hủy. Nó quan trọng vì ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ và độ tin cậy của sản phẩm nhựa trong sử dụng thực tế.

2. Các thông số phun ép nào ảnh hưởng nhiều nhất đến độ bền mỏi của nhựa ABS?
   Nhiệt độ nhựa, áp suất duy trì và thời gian duy trì áp suất là ba thông số chính ảnh hưởng đến độ bền mỏi, trong đó nhiệt độ nhựa có tác động lớn nhất.

3. Tiêu chuẩn ASTM D7774-12 được áp dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
   Tiêu chuẩn này quy định phương pháp thử nghiệm độ bền mỏi uốn của nhựa bằng cơ cấu uốn ba điểm hoặc bốn điểm, giúp xác định đường cong S-N và giới hạn bền mỏi của vật liệu.

4. Làm thế nào để tối ưu hóa quy trình ép phun dựa trên kết quả nghiên cứu?
   Cần điều chỉnh nhiệt độ nhựa khoảng 260°C, áp suất duy trì 100-150 MPa và thời gian duy trì áp khoảng 20 giây để đạt độ bền mỏi tối ưu, đồng thời giám sát tải trọng tác động trong quá trình sử dụng.

5. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các loại nhựa khác không?
   Mặc dù nghiên cứu tập trung vào nhựa ABS, các nguyên lý về ảnh hưởng thông số phun ép và tải trọng tác động có thể tham khảo cho các loại nhựa nhiệt dẻo khác, tuy nhiên cần thực hiện thí nghiệm riêng để xác định chính xác.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng rõ rệt của nhiệt độ nhựa, áp suất duy trì và thời gian duy trì áp đến độ bền mỏi của sản phẩm phun ép nhựa ABS.
• Nhiệt độ nhựa khoảng 260°C, áp suất duy trì 100-150 MPa và thời gian duy trì áp 20 giây là các điều kiện tối ưu để nâng cao độ bền mỏi.
• Tải trọng tác động tăng làm giảm số chu kỳ mỏi, ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ sản phẩm.
• Biểu đồ thực nghiệm và dữ liệu thu thập cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.
• Các bước tiếp theo bao gồm áp dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất thực tế và mở rộng nghiên cứu sang các loại vật liệu nhựa khác nhằm đa dạng hóa ứng dụng.

Hãy áp dụng những kiến thức và kết quả nghiên cứu này để nâng cao chất lượng sản phẩm phun ép nhựa, góp phần phát triển bền vững ngành công nghiệp nhựa trong nước và quốc tế.