Đặt vấn đề Sản phẩm nhựa hiện nay rất đa dạng, từ đơn giản đến phức tạp, từ kích thước lớn đến kích thước nhỏ. Với sự phát triển như hiện nay của xã hội, yêu cầu mới với công nghệ phun ép luôn được đặt ra, một trong những yêu cầu cấp thiết nhất là: chế tạo các sản phẩm nhựa bằng công nghệ ép phun với bề dày ở nhỏ hơn 1 mm phục vụ cho các chip sinh học, các thiết bị quang học…[3] Hình 1.3: Sản phẩm nhựa có thành mỏng [3] Trong quá trình nhựa điền vào khuôn với sản phẩm thành mỏng, những lớp nhựa tiếp xúc với thành của khuôn (bề mặt khuôn ở nhiệt độ thấp) sẽ đông lại. Quá trình đông lại ở bề mặt tiếp xúc với khuôn sẽ làm giảm áp lực của dòng nhựa làm cho nhựa không điền đầy được lòng khuôn [4]. Để khắc phục được tình trạng đó cần tăng nhiệt độ bề mặt lòng khuôn tiếp xúc với nhựa lên một nhiệt độ tối ưu qua đó làm cho quá trình đông đặc lớp nhựa 3 tiếp xúc với khuôn giảm mà không làm cho quá trình giải nhiệt sau khi quá trình ép tăng lên.
Hiện nay có rất nhiều phương pháp gia nhiệt cho bề mặt cho khuôn như: gia nhiệt bằng chất lỏng, gia nhiệt bằng tia hồng ngoại, gia nhiệt bằng cảm ứng từ, gia nhiệt bằng khí nóng. Trong đó phương pháp gia nhiệt bằng chất lỏng và gia nhiệt bằng cảm ứng từ có những ưu điểm nhất định và những khuyết điểm như: sau quá trình ép phun cần giải nhiệt với thời gian tương đối dài, yêu cầu kết cấu khuôn phức tạp. Đối với phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng có nhiều ưu điểm như có thể gia nhiệt linh hoạt ở nhiều vị trí, tốc độ gia nhiệt rất cao, thời gian chu kỳ của sản phẩm được rút ngắn [5 – 8].3 Tình hình nghiên cứu 1.1 Tình hình ngoài nước 1. Shia-Chung Chen và các công sự đã nghiên cứu phát triển hệ thống gia nhiệt bằng khí và ứng dụng trong vi khuôn [9].
Tác giả đã thu được kết quả: Việc gia nhiệt và giải nhiệt từ 60 0C đến 100 0C, 110 0C, 120 0C và trở về 60 0C bằng khí có thời gian của 1 chu kỳ ngắn hơn so với dùng nước gia nhiệt và giải nhiệt cho khuôn.4: So sánh thời gian một chu kỳ gia/giải nhiệt bằng khí [9]. Shia-Chung Chen và các công sự đã đánh giá khả thi của việc kiểm soát nhiệt độ bề mặt khuôn bằng phương pháp gia nhiệt khí trong quá trình ép phun [7]. Tác giả đã rút ra được kết luận: việc gia nhiệt bằng khí nóng có tốc độ tăng nhiệt bề mặt khuôn từ 60 0C lên 120 0C trong vòng 2 giây (nghĩa là tốc trung bình là 300C /giây) và cần 34 giây để trở về 60 0C đối với khuôn được sử dụng trong thí nghiệm có kích thước dài x rộng x cao là 100 x 20 x 10 mm. Trong khi dùng các chất làm lạnh khác phải mất tới 267 giây để thực hiện một chu trình.5: So sánh các thay đổi nhiệt độ do gia nhiệt bằng khí và nước nóng (một chu kỳ nóng/ làm mát) [7].
Theo nghiên cứu này, ứng dụng cho bề mặt khuôn bằng tấm nikel là đạt hiệu quả cao nhất và có thể ứng dụng trong công nghiệp. Yang cùng các công sự đã nghiên cứu về quá trình phun ép vi khuôn chi tiết thành siêu mỏng với nhiều lòng khuôn [10]. Trong nghiên cứu này các tác giả đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến sự đối xứng của dòng chảy nhựa trong lòng khuôn. Kết quả đạt được: 5 Hình 1.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến khả năng điền đầy lòng khuôn [10] 1.2 Tình hình trong nước 1.
Luận văn tốt nghiệp cao học của học viên Lê Tuyên Giáo (ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM): “Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng đến độ bền kéo của sản phẩm nhựa dạng lưới”. Luận văn này đã đề cập đến cơ sở của việc thiết kế hệ thống giải nhiệt của khuôn ép phun dựa trên các nguyên lý truyền nhiệt, thông qua quá trình nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng đến độ bền kéo của sản phẩm nhựa dạng lưới. Luận văn tốt nghiệp cao học của học viên Nguyễn Hộ (ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM): ““Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng đến khả năng điền đầy lòng khuôn sản phẩm nhựa dạng thành mỏng””. Sử dụng các kết quả các thí nghiệm ép các loại nhựa khác nhau ở những nhiệt độ bề mặt khuôn khác nhau cùng với những bề dày tương ứng để phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng điền đầy lòng khuôn.
Qua các kết quả đạt được từ những thí nghiệm có thể xác định được những nhiệt độ tối ưu cho những bề dày khác nhau với từng loại nhựa nhất định. Tuy nhiên, nội dung của hai đề tài này chưa khảo sát được sự ảnh hưởng của nhiệt độ bề mặt khuôn tới sự phân bố áp suất trong lòng khuôn, cũng như sự phân 6 bố của các sợi gia cường. Từ đó phân tích sự ảnh hưởng của các yếu tố trên đến cơ tính vật liệu của mẫu thí nghiệm.4 Tính cấp thiết của đề tài Qua các nghiên cứu trước đây cho thấy phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng với những ưu điểm vượt trội trong quá trình gia nhiệt cho bề mặt khuôn và sự ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến chiều dài dòng chảy trong phun ép nhựa. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn với phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tới áp suất phân bố bên trong lòng khuôn là một đề tài chưa được quan tâm đến.
Như chúng ta đã biết, trong quá trình phun ép nhựa áp suất phân bố bên trong lòng khuôn là yếu tố đóng vai trò rất quan trọng trong việc định hình tiến trình phun ép nhựa và ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng thành phẩm, đặc biệt là cơ tính và chất lượng bề mặt sản phẩm. Tối ưu hóa áp suất trong lòng khuôn còn có thể giúp giảm thời gian ép, giảm giá thành và tiết kiệm năng lượng [11 – 13]. Xuất phát từ thực tế trên, đề tài: “Nghiên cứu phân bố áp suất dòng chảy trong khuôn ép nhựa với phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng” là cần thiết.5 Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu phân bố áp suất dòng chảy trong khuôn ép nhựa với phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng” là: - Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ bề mặt khuôn tới phân bố áp suất trong lòng khuôn khi ép nhiều loại nhựa ở những nhiệt độ bề mặt khuôn khác nhau cùng với những bề dày tương ứng. Qua các kết quả so sánh giữa các thí nghiệm và mô phỏng, phân tích và đánh giá nhằm dự đoán phân bố áp suất ứng với sự thay đổi của nhiệt độ bề mặt khuôn và chiều dày mẫu thử.
- Khảo sát, đánh giá độ bền kéo của sản phẩm sau khi ép mẫu dưới sự ảnh hưởng của áp suất dòng chảy. Qua đó đánh giá khả năng ứng dụng thực tiễn của các loại vật liệu nhựa đã được thí nghiệm.6 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 1.1 Nhiệm vụ đề tài Để thực hiện đề tài này tác giả đã tiến hành các nhiệm vụ như sau: - Tìm hiểu về công nghệ ép phun và ảnh hưởng của áp suất trong lòng khuôn đến chất lượng sản phẩm. - Tìm hiểu về phương pháp gia nhiệt cho khuôn ép bằng khí nóng. - Thực hiện việc phân tích phân bố áp suất dòng chảy trong lòng khuôn với hai mẫu thí nghiệm 1 và 2 trên phần mềm Moldex3D.
- Thí nghiệm ép mẫu hai mẫu thí nghiệm 1 và 2 trên máy ép nhựa SW – 120B đồng thời so sánh với kết quả phân tích thu được. - Tiến hành thu thập, phân tích các kết quả và đưa ra kết luận.2 Giới hạn đề tài Đề tài được giới hạn trong các điều kiện như sau: Mẫu thí nghiệm 1: - Chỉ sử dụng vật liệu nhựa PP (Polypropylen), nhựa ABS (Acrylonitrin butadien styren). - Các nhiệt độ bề mặt khuôn để khảo sát sự ảnh hưởng đến chiều dài là: 60 0 C, 90 0C, 120 0C, 150 0C, 180 0C. - Kích thước sản phẩm ép làm thí nghiệm có kích thước rộng 12 mm, chiều dài 150 mm.
Chiều dày sản phẩm khảo sát là 0,2 mm; 0,4 mm; 0,6 mm Mẫu thí nghiệm 2: - Chỉ sử dụng các loại nhựa PA 6, PA 6 + 30% sợi thủy tinh (polyamide 6 hay nilon 6, hay poly - caproamide). - Các nhiệt độ bề mặt khuôn để khảo sát là: 60 0C, 90 0C, 120 0C, 150 0C, 180 0 C. - Chiều dày lưới lần lượt là: 0,4 mm, 0,6 mm và 0,8 mm.7 Phương pháp nghiên cứu Đề tài “Nghiên cứu phân bố áp suất dòng chảy trong khuôn ép nhựa với phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng” thực hiện bằng những phương pháp nghiên cứu sau: - Nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu các lý thuyết về công nghệ ép phun, lý thuyết truyền nhiệt và lý thuyết về vật liệu nhựa. - Phương pháp phân tích so sánh: Dựa trên các kết quả về mô phỏng và thực nghiệm, tiến hành so sánh sự tương đồng về các yếu tố: Chiều dày chi tiết, phân bố nhiệt độ trên bề mặt khuôn.
Phân tích những dữ liệu được thu thập nhằm đưa ra kết luận về sự ảnh hưởng nhiệt độ đến sự phân bố áp suất trong lòng khuôn. 9 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về khuôn ép nhựa [14] 2.1 Khái niệm chung về khuôn Khuôn là cụm gồm nhiều chi tiết lắp với nhau để tạo thành một bộ khuôn hoàn chỉnh. Sản phẩm được tạo hình giữa 2 phần khuôn, khoảng trống giữa 2 phần đó là hình dạng của sản phẩm cần tạo. Khuôn là dụng cụ (thiết bị) dùng để tạo hình sản phẩm theo phương pháp định hình.
Khuôn được thiết kế và chế tạo để sử dụng cho một số lượng chu trình nào đó, có thể là một lần cũng có thể là nhiều lần. Khuôn bao gồm hai chính: - Phần cavity (khuôn cái, khuôn cố định): được gá lên tấm cố định của máy ép nhựa. - Phần core (khuôn đực, khuôn di động): được gá lên tấm di động của máy ép nhựa.1: Khuôn âm và khuôn dương ở trạng thái đóng [14] 2.2 Kết cấu chung 1 bộ khuôn Ngoài core và cavity thì trong khuôn còn rất nhiều bộ phận khác.