Chương I TỔNG QUAN 1. Ngành nhựa ở Việt Nam Ngành sản xuất sản phẩm nhựa là một trong những ngành công nghiệp đang phát triển nhanh nhất tại Việt Nam, tốc độ tăng trưởng trung bình trong 10 năm trở lại đây là 15 – 20%.200 công ty nhựa đến nay đã tăng lên khoảng 2. Thị trường xuất khẩu chính hiện nay là Nhật, Mỹ và một số nước Châu Âu. Năm 2014, kim ngạch xuất khẩu ngành đạt 3 tỷ USD, tăng bình quân hơn 29%/năm kể từ 2009, ngành nhựa sẽ đứng trước cơ hội rất lớn để phát triển hoạt động xuất khẩu.
Nhựa xây dựng Nhựa kỹ thuật Nhựa dân dụng Nhựa bao bì Hình 1. Cơ cấu ngành nhựa Việt Nam Kể từ năm 2000 trở lại đây, ngành công nghiệp sản xuất nhựa của Việt Nam đã duy trì tốc độ tăng trưởng cao nhờ tiêu dùng trong nước và xuất khẩu khẩu tăng mạnh. Tiêu thụ nhựa bình quân theo đầu người tại Việt Nam năm 1989, mỗi người Việt Nam chỉ tiêu thụ nhựa ở mức 1 kg/năm; năm 2008 con số này là 22 kg/năm và năm 2013 là 35kg/năm. Năm 2020, mức tiêu thụ này được dự đoán sẽ tiếp tục tăng lên 45kg/năm.
Luan van Hình 1. Tốc độ tăng trưởng sản lượng nhựa Việt Nam giai đoạn 2000-2010 (đơn vị: nghìn tấn) 1. Công nghệ sản xuất nhựa Công nghệ ép phun: là công nghệ phun nhựa dẻo vào lòng khuôn và chờ khi nhựa nguội, đông cứng sẽ được hình dạng sản phẩm. Công nghệ này được sử dụng để làm các thành phần nhựa và phụ tùng cho các thiết bị điện tử, điện lực, xe máy và ngành công nghiệp ô tô… Hình 1.
Máy ép phun Hình 1. Sản phẩm công nghệ ép phun Luan van 1. Tính cấp thiết của đề tài Nhu cầu thị hiếu của người dân càng ngày càng cao, đòi hỏi những vật dụng của họ có tính thẩm mỹ cao, chất lượng tốt, đa dạng và phong phú. Để đáp ứng được điều đó ngành nhựa cần phải có nhiều công nghệ mới, thiết kế những mẫu mã mới, đồng thời khuyến khích việc sáng tạo trong ngành nhựa nhằm cải tiến các công nghệ cũ và tìm ra các giải pháp mới.
Hơn thế nữa ngành nhựa hiện nay không chỉ phát triển ở Việt Nam mà còn đang phát triển ở nhiều nước trên thế giới, vì thế các sản phẩm nhựa được đưa ra thị trường ngày càng nhiều dẫn đến sự cạnh tranh gay gắt với nhau về tính năng, chất lượng, giá thành giữa các mặt hàng nhựa. Bên cạnh đó nguồn nguyên vật liệu ở nước ta chưa đủ để cung ứng cho ngành nhựa mà phần lớn phải nhập khẩu từ nước ngoài. Với ba lý do trên, để góp phần cho ngành nhựa Việt Nam có thể phát triển, cung cấp đầy đủ nhu cầu thị hiếu của người dân trong nước, có khả năng cạnh tranh với nhựa của các nước trên thế giới nên đề tài “NGHIÊN CỨU KÊNH GIẢI NHIỆT DẠNG XOẮN ỐC CHO KHUÔN PHUN ÉP NHỰA” được hình thành nhằm mục đích nâng cao chất lượng, giảm giá thành, tiết kiệm nguyên vật liệu cho các sản phẩm nhựa. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Qua đề tài này giúp hiểu rõ hơn về vị thế của ngành nhựa trong nền kinh tế của nước ta, hiểu rõ công nghệ sản xuất nhựa đặt biệt là công nghệ ép phun.
Đề tài cũng góp phần cải thiện hiệu xuất làm việc của khuôn, cũng như cải thiện đáng kể chất lượng, năng suất của sản phẩm nhựa. Ý nghĩa thực tiễn: Qua đề tài này giúp hiểu rõ hơn về phương pháp và hướng để nghiên cứu và giải quyết một đề tài nghiên cứu khoa học. Giúp hiểu rõ hơn về công nghệ sản xuất nhựa, quy trình thiết kế khuôn ép nhựa, cách ứng dụng phần mềm Creo 2.0 trong thiết kế khuôn, tiến hành thí nghiệm để lấy số liệu. Mục đích nghiên cứu đề tài Xây dựng cơ sở lý thuyết cho đề tài.
Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy, mật độ kênh giải nhiệt, vật liệu làm khuôn đến quá trình điều khiển nhiệt độ cho tấm khuôn dương. Luan van Thiết kế mô hình khuôn dương với hệ thống nhiệt theo đường xoắn ốc. Mô phỏng ảnh hưởng của các thông số độ lớn tiết diện, số vòng xoắn, vật liệu đến nhiệt độ khuôn. Tiến hành gia công mô hình để kiểm tra kết quả mô phỏng.
So sánh đánh giá kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài 1. Nhiệm vụ của đề tài Tìm hiểu về công nghệ ép phun và ảnh hưởng của hệ thống nhiệt đến chu trình ép phun. Tìm hiểu các phương pháp gia nhiệt và giải nhiệt cho khuôn, đặt biệt phương pháp giải nhiệt bằng nước nóng.
Nghiên cứu về ảnh hưởng của độ lớn kênh dẫn đến quá trình gia nhiệt và giải nhiệt của khuôn dương. Nghiên cứu về ảnh hưởng của mật độ kênh dẫn đến quá trình gia nhiệt và giải nhiệt của khuôn dương. Nghiên cứu về ảnh hưởng của vật liệu làm khuôn đến quá trình gia nhiệt và giải nhiệt của khuôn dương. Giới hạn của đề tài Do đề tài nghiên cứu hạn chế về thời gian cũng như kinh phí nên chỉ tiến hành nghiên cứu kênh dẫn có biên dạng hình vuông, vật liệu làm khuôn gồm: nhôm, thép và đồng.
Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 1. Các nghiên cứu ngoài nước Nghiên cứu về ảnh hưởng của hệ thống làm lạnh đến nhiệt độ khuôn “A Study of the Effect of Conformal Cooling on Part Temperature”. Dưới sự nghiên cứu của hai Jonathan Meckley và Robert Edwards ở trường Đại học thuộc bang Pennsylvania tại Erie, Behrend. Đề tài nghiên cứu này kiểm tra sự khác nhau giữa các bộ phận khuôn của thép P20 và các công cụ Insert trong khuôn.
Bộ phận Insert P20 được sử dụng như công cụ nhằm Luan van dùng để so sánh với hai dạng Insert còn lại. Hai Insert, một Insert giống như Insert P20, còn một Insert còn lại là đường làm lạnh thích hợp, sau đó ghi nhận lại nhiệt độ. Insert thép P20 – làm lạnh thông thường. Làm lạnh thông thường theo đường thẳng Insert S4 giải nhiệt cho khuôn (tương tự như bộ insert P20) Hình 1.
Hệ thống làm lạnh sử dụng Insert tạo mẫu nhanh Sử dụng bộ Insert S4 phù hợp để giải nhiệt cho khuôn Hình 1. Hệ thống làm lạnh thích hợp dạng hốc Luan van Hình 1. Hệ thống làm lạnh thích hợp đường dạng lõi Kết quả công trình nghiên cứu cho thấy, sử dụng Insert theo đường cong thích hợp để giải nhiệt cho khuôn tốt hơn sử dụng hai Insert còn lại. Thiết kế và tối ưu hóa các kênh giải nhiệt thích hợp trong khuôn ép phun “Design and optimisation of conformal cooling channels in injection moulding tools” do nhóm D.
Mianithuộc đại học Bournemouth. Mục tiêu chính của nghiên cứu này để thiết kế tối ưu và hiệu quả cho các kênh giải nhiệt/gia nhiệt thích hợp trong khuôn ép phun sử dụng FEA và phân tích truyền nhiệt. Mô hình CAD 3D của thành phần đặc trưng phù hợp với khuôn ép nhựa là thiết kế cốt lõi và các dụng cụ cần thiết để chỉnh sửa các sản phẩm được tạo ra. Đầu tiên xác định vị trí tốt nhất cho các cổng phun nhựa và sau đó các kênh giải nhiệt.
Hai thành phần này ảnh hưởng nhiều nhất trong thời gian chu kỳ. Phân tích các mô hình cho thấy rằng những kênh giải nhiệt thích hợp có thời gian chu kỳ giảm đáng kể. Các nghiên cứu trong nước Điều chỉnh nhiệt độ khuôn bằng quá trình giải nhiệt theo xung động dòng chảy dưới sự nghiên cứu của hai Phạm Sơn Minh và Đỗ Thành Trung. Trong bài báo này, nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số trong quá trình giải nhiệt theo xung động dòng chảy bao gồm: thời gian giải nhiệt, nhiệt độ nước giải nhiệt, và nhiệt độ khuôn.
Ngoài ra các thông số trên sẽ được kiểm chứng với kết quả mô phỏng thông qua thực nghiệm. Ở cơ sở lý thuyết đã trình bày hai phương pháp làm lạnh liên tục và làm lạnh theo xung động nhằm cho thấy được điểm giống và khác của hai phương pháp, nhưng đặt Luan van biệt phương pháp làm lạnh theo xung động có khả năng giữ nhiệt theo các giá trị như mong muốn. Cả 2 phương pháp giải nhiệt: liên tục và gián đoạn sẽ được mô phỏng bằng phần mềm Moldex 3D. Nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp giải nhiệt theo xung động dòng chảy đối với quá trình giải nhiệt của khuôn đúc phun nhựa, khuôn đúc phun của sản phẩm thanh Tensile Bar với chiều dày 2 mm sẽ được sử dụng trong quá trình mô phỏng, cũng như thí nghiệm thực tế.
Kích thước sản phẩm (a) và kết cấu khuôn đúc phun (b). Phương pháp giải nhiệt theo xung động dòng chảy có hiệu suất giải nhiệt cao hơn phương pháp giải nhiệt liên tục. Ngoài ra, phương pháp giải nhiệt theo xung động dòng chảy có thể rút ngắn thời gian giải nhiệt từ 15 giây xuống 3 giây (giảm 80 %). Thông qua đó, thời gian chu kì gia công sản phẩm nhựa được rút ngắn từ 24 giây xuống 12 giây (50 %).
Khi tăng thời gian chảy của nước giải nhiệt, nhiệt độ của nước này cần được gia tăng. Khi sử dụng phương pháp giải nhiệt theo xung động dòng chảy cho khuôn với nhiệt độ khuôn được yêu cầu cao hơn, nhiệt độ nước giải nhiệt cũng cần gia tăng. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng phân bố nhiệt độ của hệ thống nhiệt đến khuôn dương dựa trên mẫu thiết kế hệ thống nhiệt dạng xoắn ốc và phân tích kết quả dựa vào phần mềm Ansys, tiến hành thí nghiệm theo mô hình nghiên cứu nhằm so sánh kết quả lý thuyết với kết quả thực nghiệm để đưa ra kết luận. Luan van Chương II TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ PHUN ÉP VÀ QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG KHUÔN PHUN ÉP NHỰA 2.
Tổng quan công nghệ ép phun Chu trình ép phun gồm bốn giai đoạn. Giai đoạn kẹp (Clamping phase): Khuôn đóng lại Giai đoạn phun (Injection phase): Nhựa điền đầy vào khuôn. Giai đoạn giải nhiệt (Cooling phase): Nhựa đông đặc trong khuôn. Giai đoạn đẩy (Ejector phase): Đẩy sản phẩm ra khỏi lòng khuôn.
1 3 Clamping phase Cooling phase 2 4 Injection phase Ejector phase Hình 2. Chu trình phun ép 2. Hệ thống nhiệt trong khuôn phun ép Trong khuôn ép phun hệ thống nhiệt đóng một vai trò hết sức quan trọng quyết định đến chất lượng sản phẩm cũng như quyết định thời gian của chu kỳ ép phun. Nếu nhiệt độ khuôn không đủ cao, nhựa sẽ bị đông đặt trước khi điền đầy vào lòng khuôn hoặc các hạt nhựa không thể kết dính lại với nhau để tạo thành sản phẩm.