Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công nghệ ép phun nhựa hiện đại, xu hướng thiết kế và phát triển sản phẩm ngày càng hướng đến kích thước nhỏ, thành mỏng, trọng lượng nhẹ và hình dáng phức tạp. Xu hướng này tạo ra những thách thức kỹ thuật lớn trong quá trình điền đầy lòng khuôn: dòng nhựa nóng chảy dễ bị đông đặc sớm khi tiếp xúc với thành khuôn nguội, gây ra các khuyết tật như điền đầy không hoàn toàn (short shot), đường hàn (weld line) hoặc ứng suất dư bề mặt. Đồng thời, giai đoạn làm nguội sản phẩm chiếm tới khoảng 60% tổng thời gian của một chu kỳ ép phun. Việc kiểm soát giải nhiệt không tối ưu sẽ kéo dài thời gian chu kỳ sản xuất, làm gia tăng chi phí vận hành và giảm độ chính xác hình học của chi tiết.

Hai phương pháp giải nhiệt khuôn phổ biến hiện nay bộc lộ những giới hạn riêng:

  • Hệ thống giải nhiệt truyền thống (2D): Gia công bằng phương pháp khoan hoặc phay cơ học tạo các đường dẫn thẳng (có thể bổ sung vách ngăn baffle hoặc ống phun bubbler). Phương pháp này có chi phí chế tạo thấp nhưng hiệu quả truyền nhiệt kém đồng đều trên các bề mặt phức tạp.
  • Hệ thống giải nhiệt theo biên dạng sản phẩm (3D / Conformal Cooling): Tăng cường khả năng làm mát đồng đều tại các khu vực khó tiếp cận, giảm thời gian chu kỳ và tỷ lệ hao phí, nhưng chi phí chế tạo rất cao và đòi hỏi công nghệ sản xuất chuyên sâu.

Nhằm giải quyết bài toán cân bằng giữa chi phí gia công và hiệu quả phân bố nhiệt, đề tài tập trung nghiên cứu giải pháp kết hợp kênh dẫn hỗn hợp (vừa làm mát vừa gia nhiệt, tích hợp ưu điểm của kênh 2D và 3D), đồng thời áp dụng phương pháp gia nhiệt lòng khuôn bằng nước nóng trước giai đoạn điền đầy nhựa.

Theo nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp mã số CTM-84 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu gồm:

  1. Thiết kế và chế tạo bộ khuôn ép phun có khả năng thay đổi linh hoạt các tấm lõi (insert) và tích hợp kênh giải nhiệt hỗn hợp bằng phương pháp gia công cơ khí (phay CNC, cắt laser).
  2. Mô phỏng quá trình truyền nhiệt khi gia nhiệt khuôn và mô phỏng quá trình nhựa điền đầy sản phẩm.
  3. Khảo sát ảnh hưởng của áp suất phun ép đến độ biến dạng của tấm insert trong lòng khuôn.
  4. Áp dụng công nghệ gia nhiệt bằng nước nóng vào lòng khuôn ở các dải nhiệt độ khảo sát 70 °C, 80 °C và 90 °C.
  5. Thực nghiệm ép phun mẫu sản phẩm với các tấm insert khác nhau trên máy ép nhựa.
  6. Tổng hợp, so sánh và phân tích đối chứng giữa kết quả mô phỏng số và dữ liệu thực nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống kênh dẫn giải nhiệt hỗn hợp, trường phân bố nhiệt độ trên bề mặt lòng khuôn và khả năng điền đầy tạo hình của dòng nhựa polymer.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Kích thước lòng khuôn tiêu chuẩn: 50 x 120 mm.
    • Dải nhiệt độ khảo sát lòng khuôn: từ 25 °C đến 80 °C (mở rộng thực nghiệm gia nhiệt nước nóng đến 90 °C).
    • Khảo sát các mốc thời gian gia nhiệt: 2 s, 4 s, 6 s, 8 s, 10 s, 12 s, 14 s, 16 s, 18 s và 20 s.
    • Vật liệu nhựa thực nghiệm: Polyethylene tỷ trọng thấp (LDPE).
    • Chế tạo và khảo sát 5 mẫu tấm insert với các biên dạng hình học khác nhau.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của nghiên cứu dựa trên nguyên lý ép phun nhựa, cơ sở truyền nhiệt trong khuôn mẫu và động học chất lưu của dòng polymer nóng chảy:

  • Kết cấu khuôn ép phun: Khuôn gồm hai cụm cơ bản là phần cavity (khuôn cái, gá trên tấm cố định của máy ép) và phần core (khuôn đực, gá trên tấm di động). Hệ thống hoàn chỉnh bao gồm 6 phân hệ chức năng: hệ thống dẫn hướng và định vị, hệ thống dẫn nhựa (bạc cuống phun, kênh dẫn, miệng phun), hệ thống đẩy sản phẩm, hệ thống lõi mặt bên (undercut), hệ thống thoát khí và hệ thống giải nhiệt.
  • Vật liệu nhựa nghiên cứu: Tác giả phân tích các nhóm polymer nhiệt dẻo thông dụng (ABS, PP, PA6, PET, LDPE) và lựa chọn vật liệu LDPE phục vụ nghiên cứu thực nghiệm. Nhựa LDPE có độ dẻo dai, dễ uốn cong, độ nhớt nhạy cảm với nhiệt độ, phù hợp cho việc đánh giá khả năng điền đầy các rãnh mỏng.
Thông số vật lý của nhựa LDPE Giá trị thực tế
Khối lượng riêng 0,940 g/cm³
Độ dẫn nhiệt 0,38 W/(m·K)
Mô-đun đàn hồi 100 – 300 MPa
Nhiệt độ hóa thủy tinh ($T_g$) 110 – 120 °C
Nhiệt độ nóng chảy nhỏ nhất 105 – 115 °C
Nhiệt độ nóng chảy lớn nhất 135 – 145 °C
  • Công nghệ gia nhiệt lòng khuôn: Tổng quan 4 phương pháp gia nhiệt gồm hơi nước (steam heating), dầu nóng, cảm ứng điện từ (induction heating) và nước nóng. Nhóm tác giả chọn phương pháp gia nhiệt bằng nước nóng nhờ cấu trúc thiết bị đơn giản, vận hành an toàn, chi phí thấp và phù hợp với dải nhiệt độ tạo hình của LDPE.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng:

  • Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm ANSYS CFX (Fluid Flow) để giải bài toán truyền nhiệt quá độ (Transient Analysis) giữa dòng nước nóng, vỏ khuôn và tấm insert. Kỹ thuật chia lưới sử dụng lớp biên lạm phát (Inflation) cho thân khuôn và làm mịn bề mặt (FaceSizing) cho vùng insert nhằm thu thập chính xác gradient nhiệt độ. Phân tích biến dạng cơ học của tấm insert dưới áp suất phun nhựa.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo kết cấu khuôn thực tế tích hợp cơ cấu trượt và vít me để tháo lắp nhanh các tấm insert. Sử dụng máy gia nhiệt nước Haitian để tuần hoàn nguồn cấp nhiệt ở 70 °C, 80 °C, 90 °C; thu thập ảnh nhiệt bề mặt bằng camera hồng ngoại Fluke Ti20; trích xuất dữ liệu trường nhiệt độ qua phần mềm phân tích ảnh nhiệt SmartView 4. Ép phun định hình sản phẩm nhựa LDPE trên máy ép công nghiệp để đối chứng khả năng điền đầy.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống khuôn thí nghiệm được thiết kế và gia công với mục tiêu khảo sát tính linh hoạt khi thay đổi sản phẩm trên cùng một bộ gá:

  • Kết cấu tổng thể bộ khuôn: Khuôn gồm 21 chi tiết chính được chế tạo và lắp ráp đồng bộ:
    1. Đế khuôn âm
    2. Bạc dẫn hướng
    3. Khuôn âm
    4. Tấm insert
    5. Tấm lót insert
    6. Khuôn dương
    7. Khối trượt
    8. Khối đỡ hình chữ nhật
    9. Gối đỡ
    10. Đế khuôn dương
    11. Khối đỡ trượt
    12. Đai ốc
    13. Tấm đỡ vít me
    14. Vít me
    15. Tay quay
    16. Chốt dẫn hướng
    17. Khối chữ L
    18. Lò xo
    19. Ron cao su
    20. Vòng định vị
    21. Bạc cuống phun
  • Cơ cấu tháo lắp tấm insert: Khuôn dương được thiết kế hệ thống khối trượt điều khiển bằng cụm tay quay - trục vít me. Thiết kế này cho phép thay thế trực tiếp 5 mẫu tấm insert (kích thước làm việc 50 x 120 mm với các mạng rãnh hình học khác nhau) mà không cần tháo toàn bộ thân khuôn khỏi máy ép nhựa, đảm bảo duy trì độ chính xác định vị và tiết kiệm thời gian thử nghiệm.
  • Hệ thống kênh giải nhiệt hỗn hợp: Tích hợp đường cấp nước nóng để gia nhiệt thành khuôn trước khi ép và đường nước làm mát để giải nhiệt nhanh sau khi nhựa điền đầy. Các gioăng cao su chịu nhiệt (ron cao su) được bố trí bao quanh các vị trí phân tách và tấm lót nhằm ngăn ngừa rò rỉ lưu chất ở áp lực cao.
  • Quy trình kiểm thử và thu thập dữ liệu:
    • Gia nhiệt và đo nhiệt độ: Nước nóng từ máy gia nhiệt Haitian được bơm tuần hoàn qua khuôn ở các mức 70 °C, 80 °C, 90 °C. Camera nhiệt Fluke Ti20 ghi lại ảnh phân bố nhiệt độ tại các khoảng thời gian 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 giây. File ảnh bức xạ hồng ngoại được nạp vào phần mềm SmartView 4 để trích xuất giá trị nhiệt độ bề mặt thực tế.
    • Mô phỏng ANSYS CFX: Thiết lập các miền thể tích Water (chất lưu), Mold (khuôn thép) và Insert; áp đặt điều kiện biên lưu lượng đầu vào (Water Inlet), áp suất đầu ra (Water Outlet) và nhiệt độ ban đầu; trích xuất dữ liệu biến thiên nhiệt độ tương ứng 10 mốc thời gian thực nghiệm.
    • Ép thử nghiệm điền đầy: Thực hiện ép phun nhựa LDPE vào lòng khuôn lắp lần lượt 5 mẫu insert dưới các điều kiện có và không có gia nhiệt khuôn, so sánh mức độ điền đầy rãnh thực tế với kết quả mô phỏng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này làm rõ tính cấp thiết của việc gia nhiệt khuôn trong công nghệ ép phun các chi tiết mỏng và nhỏ. Tác giả phân tích ưu - nhược điểm của hai hệ thống giải nhiệt khuôn hiện hành: kênh 2D truyền thống (chi phí gia công thấp nhưng truyền nhiệt kém đồng đều) và kênh 3D theo biên dạng sản phẩm (làm mát tối ưu, giảm chu kỳ nhưng chi phí chế tạo cao). Từ đó, đề tài đề xuất thiết kế kênh dẫn hỗn hợp nhằm tận dụng ưu điểm của cả hai dạng. Chương này xác định rõ 6 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, phạm vi lòng khuôn 50 x 120 mm, nhiệt độ từ 25 °C đến 80 °C, phương pháp nghiên cứu kết hợp mô phỏng ANSYS và thực nghiệm máy ép nhựa.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Trình bày cơ chế truyền nhiệt bằng nước nóng qua hệ thống đường dẫn trong khuôn ép. Đồng thời, tác giả tổng hợp có hệ thống các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến các kỹ thuật gia nhiệt khuôn:

  • Ming-Chang Jeng [4]: Gia nhiệt bằng hơi nước (steam) 150 °C cho khuôn ép phun, làm mát bằng nước 20 °C; nhiệt độ bề mặt khuôn tăng từ 50 °C lên 135 °C trong 9 giây (tốc độ 9 °C/s) và làm mát về 50 °C trong 44 giây; giảm thời gian gia nhiệt từ 18 s xuống 8 s so với gia nhiệt nước thông thường.
  • Shia-Chung Cheng [5]: Ứng dụng cảm ứng điện từ cuộn dây xoắn để gia nhiệt nhanh bề mặt khuôn phẳng; chu kỳ 1 tăng từ 110 °C lên 160 °C mất 2 s (làm mát về 110 °C mất 22 s); chu kỳ 2 tăng từ 110 °C lên 180 °C mất 3 s (làm mát mất 24 s).
  • Đỗ Thành Trung và cộng sự [6, 7]: Gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng cho sản phẩm dạng lưới; nhiệt độ tăng rất nhanh trong 5 s đầu, chậm dần trong 10 s tiếp theo và ổn định sau 20 s; dòng khí nóng 400 °C đưa bề mặt lòng khuôn ổn định ở 160 °C; với chi tiết dày 0,5 mm, khí nóng có thể nâng nhiệt độ tấm khuôn lên 171,6 °C. Cuối chương, tác giả giới thiệu sơ đồ kết cấu 21 chi tiết và mô hình 3D phân rã của bộ khuôn phục vụ đề tài.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương tập trung hệ thống hóa lý thuyết khuôn mẫu và vật liệu nhựa:

  • Định nghĩa, phân loại khuôn ép phun (theo số tầng lòng khuôn, loại kênh dẫn nóng/nguội, kết cấu khuôn 2 tấm, 3 tấm, nhiều tầng, nhiều màu, lực kẹp khuôn từ dưới 25 tấn đến trên 1000 tấn).
  • Chi tiết 6 hệ thống cấu thành bộ khuôn tiêu chuẩn (dẫn hướng, cấp nhựa, hệ thống đẩy, lõi mặt bên, thoát khí, làm nguội).
  • Phân loại polymer nhiệt dẻo và nhiệt rắn, các chỉ số công nghệ chính: độ co rút, tỷ trọng, chỉ số chảy (MFI), độ dẫn nhiệt, mô-đun đàn hồi.
  • Phân tích cơ lý tính của nhựa ABS, PP, PA6, PET và chi tiết các thông số của nhựa LDPE lựa chọn làm vật liệu thí nghiệm.
  • Phân tích ưu nhược điểm của 4 phương pháp điều khiển nhiệt độ khuôn: gia nhiệt bằng hơi nước, bằng dầu nóng, bằng cảm ứng điện từ và bằng chất lỏng nước nóng.

Chương 4: Thiết kế chế tạo mô hình thí nghiệm

Trình bày toàn bộ quá trình thiết kế, chế tạo cơ khí và thiết lập mô phỏng:

  • Thiết kế mô hình 3D và bản vẽ chế tạo 2D của 5 mẫu tấm insert (Insert 1 đến Insert 5) có kích thước phủ bì giống nhau nhưng biên dạng rãnh tạo hình khác nhau nhằm thử nghiệm tính linh hoạt điền đầy.
  • Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cụm khuôn trượt sử dụng trục vít me - tay quay để tháo lắp insert nhanh.
  • Thiết lập hệ thống đường nước cấp nhiệt, đường làm nguội và hệ thống ron cao su làm kín chịu áp.
  • Giới thiệu các thiết bị thực nghiệm: máy gia nhiệt nước Haitian, máy ép nhựa, camera nhiệt Fluke Ti20 và phần mềm phân tích ảnh nhiệt SmartView 4.
  • Xây dựng mô hình bài toán trên phần mềm ANSYS CFX: nhập hình học (Geometry), chia lưới phần tử hữu hạn (Mesh) kết hợp Inflation cho khuôn và FaceSizing cho Insert, thiết lập điều kiện biên dòng chảy (Expressions, Water Inlet, Water Outlet, Analysis Type dạng Transient).

Chương 5: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Đây là chương trọng tâm chứa dữ liệu đo đạc và đối chứng:

  • Trình bày bảng dữ liệu phân bố nhiệt độ trên bề mặt tấm insert qua 10 mốc thời gian (2 s, 4 s, 6 s, 8 s, 10 s, 12 s, 14 s, 16 s, 18 s, 20 s) tại 3 mức nhiệt độ nước cấp 70 °C, 80 °C và 90 °C từ cả hai nguồn mô phỏng và thực nghiệm.
  • Vẽ đồ thị so sánh động học gia nhiệt: chỉ ra đường nhiệt độ mô phỏng luôn cao hơn thực nghiệm; giải thích nguyên nhân do tổn thất nhiệt qua các bề mặt tiếp xúc và đối lưu tự nhiên ra môi trường bên ngoài.
  • Phân tích ảnh chụp hồng ngoại từ SmartView 4: nhận diện sự chênh lệch nhiệt độ lớn ở giai đoạn 2 - 6 giây đầu, sau đó tiệm cận dần về giá trị ổn định khi thời gian đạt 16 - 20 giây.
  • Kết quả mô phỏng quá trình điền đầy dòng nhựa và khảo sát mức độ biến dạng của tấm insert dưới áp suất phun ép.
  • Kết quả ép nhựa thực tế của 5 mẫu insert: so sánh trực quan chiều dài điền đầy dòng nhựa giữa mô phỏng và thực tế sản phẩm ép ra.

Chương 6: Kết luận

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được từ thiết kế, chế tạo khuôn đến dữ liệu so sánh mô phỏng - thực nghiệm; đề xuất các hướng phát triển kỹ thuật tiếp theo cho đề tài.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã thu thập và so sánh toàn diện dữ liệu nhiệt độ bề mặt tấm insert giữa mô phỏng ANSYS CFX và đo thực nghiệm bằng camera nhiệt Fluke Ti20 (xử lý qua SmartView 4) tại các mốc thời gian từ 2 s đến 20 s:

Thời gian (s) Nhiệt độ tại 70 °C (°C) [Mô phỏng / Thực nghiệm] Nhiệt độ tại 80 °C (°C) [Mô phỏng / Thực nghiệm] Nhiệt độ tại 90 °C (°C) [Mô phỏng / Thực nghiệm]
2 Mô phỏng cao hơn rõ rệt Mô phỏng cao hơn rõ rệt Mô phỏng cao hơn rõ rệt
4 Chênh lệch lớn Chênh lệch lớn Chênh lệch lớn
6 Bắt đầu thu hẹp chênh lệch Bắt đầu thu hẹp chênh lệch Bắt đầu thu hẹp chênh lệch
8 Tốc độ gia nhiệt chậm lại Tốc độ gia nhiệt chậm lại Tốc độ gia nhiệt chậm lại
10 Tốc độ gia nhiệt chậm lại Tốc độ gia nhiệt chậm lại Tốc độ gia nhiệt chậm lại
12 Đạt trạng thái tăng đều Đạt trạng thái tăng đều Đạt trạng thái tăng đều
14 Đường biểu đồ tiến lại gần Đường biểu đồ tiến lại gần Đường biểu đồ tiến lại gần
16 Tiệm cận nhau Tiệm cận nhau Tiệm cận nhau
18 Tiệm cận sát Tiệm cận sát Tiệm cận sát
20 Tiệm cận tối đa (gần nhiệt độ nước) Tiệm cận tối đa (gần nhiệt độ nước) Tiệm cận tối đa (gần nhiệt độ nước)

Các phát hiện và kết quả cụ thể gồm:

  • Động học truyền nhiệt: Đường đặc tính gia nhiệt của mô phỏng luôn nằm trên đường thực nghiệm. Trong khoảng thời gian đầu (2 - 6 giây), nhiệt độ bề mặt khuôn tăng rất nhanh nhưng độ lệch giữa mô phỏng và thực tế khá lớn. Từ mốc 10 giây đến 20 giây, tốc độ tăng nhiệt giảm dần, đồ thị mô phỏng và thực nghiệm tiệm cận nhau do nhiệt độ bề mặt thép đã tiến sát nhiệt độ ổn định của dòng nước nóng tuần hoàn.
  • Khả năng tạo hình và điền đầy sản phẩm: Thực nghiệm ép phun 5 mẫu insert với nhựa LDPE chứng minh rằng việc gia nhiệt lòng khuôn trước khi bơm nhựa giúp dòng chảy duy trì nhiệt độ cao hơn nhiệt độ đông đặc, giảm đáng kể khuyết tật thiếu liệu tại các rãnh mỏng so với khi ép ở điều kiện khuôn nguội thông thường. Mức độ điền đầy quan sát trên mẫu ép thực tế tương thích tốt với kết quả mô phỏng dòng chảy.
  • Ảnh hưởng áp suất đến độ biến dạng: Xác định được thông số áp suất nhựa tác động lên bề mặt tấm insert trong quá trình điền đầy và duy trì áp, chứng minh kết cấu đỡ trượt và cụm vít me của bộ khuôn đảm bảo đủ độ cứng vững, không gây biến dạng phá hủy hình học sản phẩm.

Đóng góp của đề tài:

  • Chế tạo thành công bộ khuôn thực nghiệm hoàn chỉnh tích hợp cơ cấu trượt thay thế nhanh 5 loại insert, cho phép nghiên cứu nhiều mẫu sản phẩm trên cùng một bộ khuôn mà không cần gia công nhiều khuôn độc lập.
  • Thiết lập quy trình phối hợp hiệu quả giữa mô phỏng chất lưu CFD (ANSYS CFX) và đo ảnh nhiệt bức xạ (Fluke Ti20 - SmartView 4) trong việc khảo sát động học nhiệt khuôn ép phun.
  • Đưa ra giải pháp kênh dẫn hỗn hợp kết hợp giữa kênh khoan 2D và bố trí bám biên dạng 3D, cung cấp phương án cân bằng giữa chi phí sản xuất khuôn và chất lượng phân bố nhiệt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Tồn tại sai số nhiệt độ giữa mô phỏng và thực nghiệm trong 6 giây đầu của chu kỳ gia nhiệt do mô hình số giả định điều kiện cách nhiệt lý tưởng, chưa tính toán hết tổn thất nhiệt ra môi trường không khí xung quanh và điện trở nhiệt tiếp xúc giữa tấm insert với thân khuôn.
  • Nghiên cứu thực nghiệm mới chỉ thực hiện trên một loại vật liệu nhựa nhiệt dẻo là LDPE và giới hạn nhiệt độ gia nhiệt tối đa ở 90 °C của nguồn nước nóng thông thường.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Cải tiến kết cấu bộ khuôn nhằm gia tăng độ kín khít, giảm thiểu triệt để hiện tượng rò rỉ nhiệt và rò rỉ lưu chất tại các mặt phân khuôn.
  • Tối ưu hóa chu kỳ chuyển mạch giữa pha cấp nước nóng gia nhiệt và pha cấp nước lạnh làm mát để rút ngắn tổng thời gian chu kỳ ép phun.
  • Mở rộng phạm vi nghiên cứu thực nghiệm trên các chủng loại nhựa kỹ thuật có nhiệt độ gia công cao và độ co rút phức tạp hơn như ABS, PP hoặc PA6.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các ngành Công nghệ Chế tạo Máy, Cơ khí khuôn mẫu, Công nghệ Vật liệu và Kỹ thuật Nhựa:

  • Tham khảo kết cấu cơ khí (Chương 4): Cung cấp giải pháp kết cấu cụ thể về khuôn tháo lắp nhanh tấm insert bằng cơ cấu vít me - khối trượt, giải quyết bài toán thử nghiệm nhiều biến thể sản phẩm với chi phí thấp.
  • Tham khảo phương pháp mô phỏng số (Chương 4 & 5): Cung cấp quy trình thiết lập bài toán truyền nhiệt quá độ trên ANSYS CFX, kỹ thuật chia lưới Inflation và FaceSizing cho cụm chi tiết ghép nối.
  • Tham khảo phương pháp đo đạc thực nghiệm (Chương 4 & 5): Hướng dẫn ứng dụng camera nhiệt hồng ngoại Fluke Ti20 kết hợp phần mềm SmartView 4 để đo đạc và phân tích trường nhiệt độ bề mặt khuôn ép phun trong điều kiện vận hành thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn phương pháp gia nhiệt bằng nước nóng thay vì hơi nước, dầu nóng hay cảm ứng điện từ?

Trong số các phương pháp khảo sát, gia nhiệt bằng hơi nước đòi hỏi hệ thống lò hơi phức tạp; dầu nóng có hệ số truyền nhiệt thấp và nguy cơ mất an toàn; cảm ứng điện từ có chi phí chế tạo cuộn cảm cao và kết cấu điều khiển phức tạp. Phương pháp gia nhiệt bằng nước nóng tận dụng máy gia nhiệt nước Haitian có sẵn, chi phí vận hành thấp, thiết bị phụ trợ đơn giản, an toàn và hoàn toàn đáp ứng được dải nhiệt độ yêu cầu (từ 70 °C đến 90 °C) đối với vật liệu nhựa nhiệt dẻo LDPE.

2. Kết cấu bộ khuôn có đặc điểm gì nổi bật để phục vụ việc thử nghiệm nhiều mẫu sản phẩm?

Khuôn được thiết kế với cơ cấu khối trượt điều khiển bằng cụm tay quay và trục vít me (gồm các chi tiết như khối trượt, khối đỡ trượt, vít me, tay quay, đai ốc, lò xo, ron cao su). Cơ cấu này cho phép người vận hành tháo rời và thay thế nhanh 5 tấm insert khác nhau trong lòng khuôn dương mà không cần phải hạ toàn bộ bộ khuôn xuống khỏi máy ép nhựa, giúp tối ưu hóa thời gian và duy trì độ đồng tâm khi thử nghiệm.

3. Những thiết bị và phần mềm chuyên dụng nào được sử dụng để thu thập và phân tích dữ liệu nhiệt độ?

Quá trình nghiên cứu sử dụng máy gia nhiệt nước Haitian để cung cấp nguồn nước nóng tuần hoàn. Quá trình đo nhiệt độ bề mặt thực tế được thực hiện bằng camera chụp ảnh nhiệt hồng ngoại Fluke Ti20. Dữ liệu ảnh nhiệt bức xạ sau đó được đưa vào phần mềm SmartView 4 để phân tích trường nhiệt độ và trích xuất số liệu tại từng điểm đo theo thời gian. Quá trình mô phỏng số đối chứng được thực hiện trên phần mềm ANSYS CFX (mô-đun Fluid Flow).

4. Quy luật sai lệch giữa nhiệt độ mô phỏng số và nhiệt độ đo thực nghiệm diễn ra như thế nào?

Biểu đồ nhiệt độ mô phỏng trên ANSYS luôn cho giá trị cao hơn nhiệt độ đo thực nghiệm tại cùng một thời điểm. Ở các mốc thời gian ban đầu (từ 2 s đến 6 s), độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai phương pháp là lớn nhất do mô phỏng chưa tính hết điện trở tiếp xúc nhiệt giữa các tấm kim loại và sự mất nhiệt ra môi trường. Càng về các giây sau (từ 16 s đến 20 s), hai đường đồ thị càng tiệm cận sát nhau do nhiệt độ bề mặt tấm insert đạt trạng thái cân bằng dần với nhiệt độ nguồn nước nóng.

5. Vai trò của kênh dẫn hỗn hợp trong việc tối ưu hóa chu kỳ ép phun là gì?

Kênh dẫn hỗn hợp phối hợp giữa các đường dẫn khoan thẳng truyền thống (2D) ở các vị trí kết cấu cơ bản và các kênh dẫn ôm sát biên dạng sản phẩm (3D) tại khu vực lòng khuôn. Thiết kế này giúp khuôn đạt được hiệu quả phân bố nhiệt độ đồng đều trên toàn bộ bề mặt tạo hình mà không làm tăng chi phí chế tạo lên mức quá cao như các bộ khuôn hoàn toàn dùng công nghệ làm mát 3D, từ đó hỗ trợ quá trình điền đầy sản phẩm mỏng và kiểm soát tốt thời gian làm nguội.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh bộ khuôn ép phun tích hợp hệ thống kênh giải nhiệt hỗn hợp và cơ cấu thay thế nhanh 5 mẫu tấm insert với kích thước lòng khuôn 50 x 120 mm. Nghiên cứu đã mô phỏng thành công quá trình truyền nhiệt trên ANSYS CFX và đối chứng chính xác với dữ liệu thực nghiệm từ máy gia nhiệt Haitian, camera nhiệt Fluke Ti20 và phần mềm SmartView 4 ở các dải nhiệt độ 70 °C, 80 °C, 90 °C từ 2 đến 20 giây. Kết quả ép thử nghiệm trên vật liệu nhựa LDPE khẳng định hiệu quả rõ rệt của giải pháp gia nhiệt lòng khuôn trong việc cải thiện khả năng điền đầy, giảm thiểu khuyết tật cho các sản phẩm nhựa thành mỏng và tối ưu hóa thời gian chu kỳ sản xuất.