Nghiên cứu phân bố nhiệt độ lòng khuôn phun ép với phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tại HCMUTE

Luận văn thạc sĩ phân tích hcmute nghiên cứu phân bố nhiệt độ lòng khuôn phun ép với phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Cao Văn Thịnh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Thành Trung
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu phân bố nhiệt độ lòng khuôn phun ép bằng khí nóng tại HCMUTE
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung
• 1.2. Công nghệ ép phun
• 1.3. Phân loại các phương pháp gia nhiệt
• 1.4. Tình hình nghiên cứu
• 1.5. Mục đích nghiên cứu
• 1.6. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lý thuyết về khuôn ép nhựa
• 2.2. Khái niệm chung về khuôn
• 2.3. Kết cấu chung một bộ khuôn
• 2.4. Phân loại khuôn ép phun
• 2.5. Khuôn hai tấm
• 2.6. Khuôn ba tấm
• 2.7. Khuôn nhiều tầng
• 2.8. Vật liệu nhựa sử dụng trong công nghệ ép phun
• 2.9. Các tính chất của Polymer
• 2.10. Độ dai va đập
• 2.11. Modun đàn hồi
• 2.12. Tỷ trọng của nhựa
• 2.13. Chỉ số nóng chảy
• 2.14. Độ co rút của nhựa
• 2.15. Tính cách điện
• 2.16. Một số loại Polymer thường gặp
• 2.17. Nhựa sử dụng làm thí nghiệm
• 2.18. Lý thuyết truyền nhiệt
• 2.19. Các phương thức trao đổi nhiệt
• 2.20. Trao đổi nhiệt đối lưu
• 2.21. Quá trình đối lưu
• 2.22. Trao đổi nhiệt bức xạ
• 2.23. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng
• 2.24. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ SẢN PHẨM VÀ BỘ GIA NHIỆT TÍCH HỢP TRONG KHUÔN PHUN ÉP NHỰA
• 3.1. Yêu cầu của sản phẩm
• 3.2. Thiết kế bộ phận gia nhiệt
• 3.3. Bộ khuôn tích hợp hệ thống gia nhiệt bên trong khuôn
• 3.4. Cài đặt các thông số thực tế cho máy ép nhựa
• 3.5. Thiết bị đo nhiệt độ khuôn
• 4. CHƯƠNG 4: SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI THỰC NGHIỆM VỀ PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ
• 4.1. Mô phỏng quá trình gia nhiệt tấm insert trên phần mềm ANSYS - CFX
• 4.2. Mô tả mô phỏng
• 4.3. Mô phỏng phân bố nhiệt độ trên ANSYS - CFX
• 4.4. Các bước mô phỏng phân bố nhiệt độ trên ANSYS - CFX
• 4.5. Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ trên ANSYS - CFX
• 4.6. Kết quả thí nghiệm thực tế
• 4.7. Biểu đồ so sánh và nhận xét
• 4.8. SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI THỰC NGHIỆM VỀ CHIỀU DÀI DÒNG CHẢY
• 4.9. Giới thiệu phần mềm Moldex 3D
• 4.10. Điều kiện mô phỏng chiều dài dòng chảy
• 4.11. Điều kiện thực nghiệm phun ép
• 4.12. Kết quả chiều dài sản phẩm bằng mô phỏng và thực nghiệm
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng phát triển
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC CÔNG BỐ KHOA HỌC

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu

Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong khuôn phun ép bằng khí nóng tại HCMUTE tập trung vào việc cải thiện quy trình phun ép nhựa. Quy trình này bao gồm các bước gia nhiệt khuôn, phun nhựa, giải nhiệt và lấy sản phẩm ra. Gia nhiệt là bước quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp mô phỏng để phân tích nhiệt độ trong khuôn và quá trình điền đầy nhựa. Kết quả cho thấy, việc gia nhiệt bằng khí nóng có thể nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm, đặc biệt là với các sản phẩm có kích thước nhỏ. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp nhựa.

1.1. Tình hình nghiên cứu

Tình hình nghiên cứu về nhiệt độ trong khuôn phun đã được thực hiện ở nhiều nơi trên thế giới. Các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào việc cải thiện hiệu suất của quy trình phun ép thông qua việc tối ưu hóa điều kiện nhiệt độ. Tại Việt Nam, nghiên cứu về khí nóng trong khuôn phun còn khá mới mẻ. Tuy nhiên, những kết quả ban đầu cho thấy rằng việc sử dụng khí nóng có thể cải thiện đáng kể chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.

II. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong luận văn này là mô phỏng nhiệt độ trong khuôn phun bằng phần mềm ANSYS. Mô phỏng này cho phép phân tích phân tích nhiệt độ và chiều dài dòng chảy của nhựa trong khuôn. Các thông số như thời gian gia nhiệt, nhiệt độ khí nóng và độ dày tấm insert được điều chỉnh để tìm ra điều kiện tối ưu. Kết quả mô phỏng cho thấy sự tương đồng với thực nghiệm, với sai số chỉ từ 3°C đến 5°C. Điều này chứng tỏ rằng mô phỏng là một công cụ hữu ích trong việc nghiên cứu và tối ưu hóa quy trình phun ép.

2.1. Thiết kế thí nghiệm

Thiết kế thí nghiệm bao gồm việc chuẩn bị các mẫu nhựa và khuôn phun. Các mẫu nhựa được chọn dựa trên tính chất vật lý và hóa học của chúng. Khuôn phun được thiết kế để tích hợp hệ thống gia nhiệt bằng khí nóng. Thí nghiệm được thực hiện với nhiều điều kiện khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình điền đầy nhựa. Kết quả cho thấy rằng nhiệt độ cao hơn giúp cải thiện khả năng chảy của nhựa, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

III. Kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc gia nhiệt bằng khí nóng có thể nâng cao hiệu suất của quy trình phun ép. Cụ thể, với thời gian gia nhiệt từ 5 giây đến 20 giây và nhiệt độ khí nóng từ 200°C đến 400°C, nhiệt độ trong khuôn có sự thay đổi rõ rệt. Kết quả cho thấy rằng bề dày tấm insert ảnh hưởng đến phân bố nhiệt độ. Tấm insert dày hơn cho thấy nhiệt độ cao hơn, điều này có thể giải thích bởi khả năng dẫn nhiệt của vật liệu. Ngoài ra, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng nhựa PA6 có gia cường 30% sợi thủy tinh có khả năng chảy kém hơn so với nhựa nguyên chất.

3.1. So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm

Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự tương đồng cao. Sự chênh lệch giữa hai phương pháp chỉ từ 3°C đến 5°C, cho thấy rằng mô phỏng có thể được sử dụng để dự đoán phân bố nhiệt độ trong khuôn phun. Điều này mở ra khả năng ứng dụng mô phỏng trong việc tối ưu hóa quy trình phun ép trong thực tế. Kết quả này không chỉ có giá trị cho nghiên cứu mà còn có thể áp dụng trong sản xuất công nghiệp, giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc sử dụng khí nóng trong khuôn phun có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn trong lĩnh vực này. Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm việc nghiên cứu các loại nhựa khác nhau và ảnh hưởng của chúng đến phân bố nhiệt độ trong khuôn. Ngoài ra, việc áp dụng công nghệ mới trong gia nhiệt cũng cần được xem xét để nâng cao hiệu quả của quy trình phun ép.

4.1. Ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong ngành công nghiệp nhựa, đặc biệt là trong sản xuất các sản phẩm có kích thước nhỏ và yêu cầu chất lượng cao. Việc tối ưu hóa quy trình phun ép sẽ giúp giảm thiểu lãng phí nguyên liệu và nâng cao hiệu suất sản xuất. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp nhựa tại Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ ép phun nhựa là một trong những phương pháp sản xuất phổ biến, với chu kỳ ép sản phẩm có thể dao động từ vài giây đến vài chục phút tùy kích thước và hình dạng sản phẩm. Trong đó, gia nhiệt khuôn là bước then chốt ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và khả năng điền đầy của sản phẩm, đặc biệt với các sản phẩm thành mỏng có kích thước dưới 1 mm như chip sinh học hay thiết bị quang học. Việc kiểm soát nhiệt độ bề mặt khuôn giúp giảm thiểu lớp đông đặc nhựa tiếp xúc với khuôn, từ đó nâng cao hiệu quả điền đầy và chất lượng sản phẩm.

Luận văn tập trung nghiên cứu phân bố nhiệt độ lòng khuôn phun ép sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn, áp dụng phương pháp mô phỏng kết hợp thực nghiệm để đánh giá hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu bao gồm gia nhiệt với thời gian từ 5 đến 20 giây, nhiệt độ khí nóng từ 200°C đến 400°C, và độ dày tấm insert 0.5 mm. Nghiên cứu được thực hiện tại Trung tâm công nghệ cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, với mục tiêu xác định nhiệt độ phân bố tối ưu nhằm nâng cao khả năng điền đầy lòng khuôn cho các vật liệu nhựa nhiệt dẻo, đặc biệt là nhựa PA6 gia cường sợi thủy tinh.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải tiến quy trình gia nhiệt khuôn, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm phun ép, rút ngắn chu kỳ sản xuất và mở rộng ứng dụng công nghệ cho các sản phẩm kỹ thuật cao tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết truyền nhiệt: Bao gồm các phương thức trao đổi nhiệt như đối lưu, bức xạ và truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng và tường ống. Lý thuyết này giúp mô tả quá trình gia nhiệt và phân bố nhiệt độ trong lòng khuôn.
• Cấu trúc khuôn ép nhựa: Hiểu rõ về kết cấu khuôn hai tấm, ba tấm và nhiều tầng, cùng các bộ phận như cavity, core, tấm insert, giúp thiết kế hệ thống gia nhiệt tích hợp phù hợp.
• Tính chất vật liệu nhựa: Các đặc tính như độ nhớt, độ co rút, tỷ trọng và tính cách điện của polymer (đặc biệt là PA6 và các loại nhựa gia cường) ảnh hưởng đến quá trình điền đầy và đông đặc trong khuôn.
• Mô hình gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp (In-GMTC): Phương pháp gia nhiệt khí nóng được tích hợp trực tiếp trong lòng khuôn, giúp gia nhiệt nhanh, linh hoạt nhiều vị trí và dễ dàng tự động hóa.

Các khái niệm chính bao gồm: nhiệt độ bề mặt khuôn, chiều dày tấm insert, thời gian gia nhiệt, nhiệt độ khí nóng, và chiều dài dòng chảy nhựa trong lòng khuôn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp mô phỏng và thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô phỏng trên phần mềm ANSYS-CFX và Moldex3D, cùng với kết quả thực nghiệm đo nhiệt độ và chiều dài dòng chảy trên máy ép phun SW-120B tại Trung tâm công nghệ cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu thử là sản phẩm nhựa thành mỏng kích thước rộng 10 mm, dài 60 mm, độ dày 0.5 mm, sử dụng các loại nhựa PP, PA6 nguyên chất và PA6 gia cường 30% sợi thủy tinh hoặc CaCO3.
• Phương pháp phân tích: Mô phỏng phân bố nhiệt độ và quá trình điền đầy lòng khuôn với các biến số nhiệt độ khí nóng (200°C - 400°C), thời gian gia nhiệt (5 - 20 giây), và độ dày tấm insert (0.1 mm - 0.5 mm). So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm để đánh giá độ chính xác, sai số nhiệt độ từ 3°C đến 5°C được chấp nhận.
• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ tháng 8/2021 đến tháng 4/2022, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, thiết kế mô hình, thực hiện mô phỏng, tiến hành thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng độ dày tấm insert đến nhiệt độ gia nhiệt: Trong ba tấm insert với độ dày lần lượt 0.1 mm, 0.3 mm và 0.5 mm, tấm insert dày 0.5 mm đạt nhiệt độ gia nhiệt cao nhất. Điều này chứng tỏ độ dày tấm insert càng lớn thì nhiệt độ gia nhiệt càng cao, hỗ trợ gia nhiệt hiệu quả hơn.

2. Ảnh hưởng nhiệt độ khí nóng đến chiều dài dòng chảy: Ở thời gian gia nhiệt 20 giây, chiều dài dòng chảy nhựa tăng theo nhiệt độ khí nóng. Ví dụ, khi nhiệt độ khí nóng tăng từ 200°C lên 400°C, chiều dài dòng chảy tăng đáng kể, giúp nhựa điền đầy lòng khuôn tốt hơn.

3. Ảnh hưởng vật liệu nhựa đến khả năng điền đầy: Nhựa PA6 gia cường 30% sợi thủy tinh có khả năng chảy kém hơn so với nhựa nguyên chất do lớp đông đặc hình thành trong quá trình điền đầy. Điều này làm giảm chiều dài dòng chảy và khả năng điền đầy khuôn.

4. Độ chính xác mô phỏng so với thực nghiệm: Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ và chiều dài dòng chảy tương đồng với thực nghiệm, sai số nhiệt độ nằm trong khoảng 3°C đến 5°C, chứng tỏ mô hình mô phỏng có độ tin cậy cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc tấm insert dày hơn có nhiệt độ gia nhiệt cao hơn là do khả năng giữ nhiệt và truyền nhiệt tốt hơn, giảm thiểu tổn thất nhiệt ra môi trường. Nhiệt độ khí nóng cao giúp giảm độ nhớt nhựa, tăng khả năng chảy và điền đầy khuôn, phù hợp với các sản phẩm thành mỏng yêu cầu độ chính xác cao.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với báo cáo cho thấy gia nhiệt bằng khí nóng có tốc độ tăng nhiệt bề mặt khuôn nhanh (khoảng 30°C/s) và thời gian chu kỳ gia nhiệt ngắn hơn nhiều so với phương pháp dùng nước hoặc dầu nóng. Điều này khẳng định tính ưu việt của phương pháp gia nhiệt khí nóng tích hợp trong khuôn.

Việc nhựa gia cường sợi thủy tinh có khả năng chảy kém hơn cũng phù hợp với các nghiên cứu về vật liệu composite, do độ nhớt cao và lớp đông đặc ảnh hưởng đến dòng chảy. Kết quả này có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh chiều dài dòng chảy giữa các loại nhựa ở các nhiệt độ khí nóng khác nhau, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của vật liệu và điều kiện gia nhiệt.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu độ dày tấm insert: Khuyến nghị sử dụng tấm insert có độ dày khoảng 0.5 mm để đạt hiệu quả gia nhiệt tối ưu, giúp tăng nhiệt độ bề mặt khuôn và cải thiện khả năng điền đầy sản phẩm thành mỏng. Chủ thể thực hiện: nhà thiết kế khuôn, thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn thiết kế khuôn mới.

2. Điều chỉnh nhiệt độ khí nóng linh hoạt: Áp dụng nhiệt độ khí nóng trong khoảng 300°C đến 400°C để đảm bảo chiều dài dòng chảy tối đa, phù hợp với từng loại vật liệu nhựa. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật vận hành máy ép, thời gian áp dụng: trong quá trình sản xuất.

3. Phát triển hệ thống gia nhiệt khí nóng tích hợp tự động: Đầu tư nghiên cứu và phát triển hệ thống gia nhiệt khí nóng tích hợp có khả năng điều khiển tự động, ổn định áp suất khí nén và giảm tiếng ồn môi trường làm việc. Chủ thể thực hiện: các doanh nghiệp sản xuất khuôn và thiết bị gia nhiệt, thời gian áp dụng: trung hạn (1-2 năm).

4. Mở rộng nghiên cứu vật liệu composite: Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các loại vật liệu composite khác nhau đến quá trình điền đầy và phân bố nhiệt độ trong khuôn, nhằm tối ưu hóa quy trình gia nhiệt và phun ép. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và trường đại học, thời gian áp dụng: dài hạn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế khuôn ép nhựa: Nắm bắt kiến thức về phân bố nhiệt độ và phương pháp gia nhiệt khí nóng tích hợp giúp thiết kế khuôn hiệu quả, giảm lỗi sản phẩm và tăng năng suất.

2. Chuyên gia vận hành máy ép phun: Hiểu rõ ảnh hưởng của nhiệt độ khí nóng và thời gian gia nhiệt đến khả năng điền đầy và chất lượng sản phẩm, từ đó điều chỉnh thông số vận hành phù hợp.

3. Nhà nghiên cứu vật liệu polymer và composite: Tham khảo kết quả về ảnh hưởng của vật liệu gia cường đến dòng chảy và phân bố nhiệt độ, hỗ trợ phát triển vật liệu mới và quy trình sản xuất tối ưu.

4. Doanh nghiệp sản xuất khuôn và thiết bị gia nhiệt: Áp dụng công nghệ gia nhiệt khí nóng tích hợp để nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí và cải thiện chất lượng sản phẩm, đồng thời phát triển sản phẩm mới cho thị trường kỹ thuật cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp có ưu điểm gì so với các phương pháp truyền thống?
   Gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp có tốc độ gia nhiệt nhanh, linh hoạt nhiều vị trí, hệ thống đơn giản và dễ tự động hóa. Thời gian gia nhiệt ngắn hơn nhiều so với dùng nước hoặc dầu nóng, giúp rút ngắn chu kỳ sản xuất.

2. Nhiệt độ khí nóng và thời gian gia nhiệt ảnh hưởng thế nào đến quá trình điền đầy khuôn?
   Nhiệt độ khí nóng cao và thời gian gia nhiệt đủ dài giúp tăng nhiệt độ bề mặt khuôn, giảm độ nhớt nhựa, kéo dài chiều dài dòng chảy và nâng cao khả năng điền đầy khuôn, đặc biệt với sản phẩm thành mỏng.

3. Tại sao nhựa PA6 gia cường sợi thủy tinh khó điền đầy hơn nhựa nguyên chất?
   Do độ nhớt cao và lớp đông đặc hình thành nhanh hơn trong quá trình điền đầy, làm tăng trở kháng dòng chảy, hạn chế khả năng chảy và điền đầy của nhựa composite so với nhựa nguyên chất.

4. Sai số giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm có lớn không?
   Sai số nhiệt độ phân bố trong lòng khuôn giữa mô phỏng và thực nghiệm nằm trong khoảng 3°C đến 5°C, cho thấy mô hình mô phỏng có độ chính xác cao và đáng tin cậy để ứng dụng trong thiết kế và điều chỉnh quy trình.

5. Phương pháp gia nhiệt khí nóng tích hợp có thể áp dụng cho loại sản phẩm nào?
   Phương pháp này phù hợp với các sản phẩm nhựa thành mỏng có kích thước micromet, đặc biệt là các sản phẩm kỹ thuật cao như chip sinh học, thiết bị quang học, và các chi tiết đòi hỏi độ chính xác và chất lượng bề mặt cao.

Kết luận

• Gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn giúp phân bố nhiệt độ đồng đều, tăng hiệu quả gia nhiệt cho sản phẩm nhựa thành mỏng.
• Độ dày tấm insert ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ gia nhiệt, với tấm 0.5 mm đạt nhiệt độ cao nhất.
• Nhiệt độ khí nóng và thời gian gia nhiệt quyết định chiều dài dòng chảy, ảnh hưởng đến khả năng điền đầy khuôn.
• Nhựa PA6 gia cường sợi thủy tinh có khả năng chảy kém hơn do lớp đông đặc trong quá trình điền đầy.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tương đồng, sai số nhiệt độ từ 3°C đến 5°C, đảm bảo độ tin cậy của mô hình.

Next steps: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế khuôn thực tế, phát triển hệ thống gia nhiệt khí nóng tự động và mở rộng nghiên cứu vật liệu composite.

Call-to-action: Các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong ngành công nghiệp ép phun nhựa nên tích hợp phương pháp gia nhiệt khí nóng tích hợp để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan chung 1. Công nghệ ép phun Là công nghệ phun nhựa nóng chảy được định lượng chính xác vào trong lòng một khuôn đóng kín với áp lực cao, và tốc độ nhanh và sau một thời gian ngắn sản phẩm được định hình, sản phẩm được lấy ra ngoài. Thời gian từ lúc đóng khuôn, phun nhựa, thời gian định hình sản phẩm, lấy sản phẩm ra khỏi khuôn, đóng khuôn lại gọi là một chu kỳ của một lần ép sản phẩm.

Ngoài những đặc điểm trên, phương pháp ép phun còn có những đặc điểm sau: Sản phẩm gia công khá chính xác theo 3 chiều, vì được tạo hình trong khuôn kín. Quá trình nhựa hóa và tạo hình được thực hiện trong 2 giai đoạn riêng biệt, trong những bộ phận khác nhau của máy: nhựa hóa trong xylanh nguyên liệu và tạo hình trong khuôn. Quá trình tạo hình chỉ tiến hành sau khi làm khít hai nửa khuôn lại với nhau. Tùy theo loại nguyên liệu ép phun sẽ có chế độ nhiệt độ khác nhau.

Đối với nhựa nhiệt dẻo nhiệt độ của khuôn thấp hơn nhiệt độ nhựa lỏng. Đối với nhựa nhiệt rắn, nhiệt độ khuôn cao hơn nhiệt độ của nhựa lỏng. Vùng tạo hình của khuôn đã được điền đầy nguyên liệu thì khuôn mới chịu tác dụng lực của pittong gián tiếp qua nhựa lỏng (Hình 1. Năng suất của phương pháp ép phun dưới áp suất cao, tùy theo kích thước và hình dạng của sản phẩm chu kỳ ép phun có thể thay đổi từ mấy giây đến mấy chục phút.

Gia công bằng phương ép phun tiết kiệm được nhiều nguyên liệu, đồng thời công đoạn hoàn tất cũng ít tốn thời gian. Quá trình sản xuất ra sản phẩm có chất lượng cao, sản lượng tối đa và rút ngắn chu kỳ sản xuất sản phẩm là 2 vấn đề lớn của kỹ thuật công nghệ ép phun. 1 Luan van Hình 1. Ưu điểm:  Tạo ra những sản phẩm có hình dáng phức tạp tùy ý.

 Tạo ra những sản phẩm có thể tích lớn với tốc độ cao.  Trên cùng một sản phẩm hình dáng giữa mặt trong và mặt ngoài có thể khác nhau.  Khả năng tự động hóa và chi tiết có tính lặp lại cao.  Sản phẩm sau khi ép phun có màu sắc phong phú và độ nhẵn bóng bề mặt cao nên không cần gia công lại.

 Phù hợp cho sản xuất hàng khối và đơn chiếc. Nhược điểm:  Lợi nhuận của công nghiệp nhựa không cao.  Máy ép, thiết bị và các thiết bị phụ trợ đắt (chi phí cao).  Khó kiểm soát nhiệt độ, độ nhớt, áp suất trong quá trình ép phun.

 Điều khiển quá trình khó khăn, máy móc không phải luôn hoạt động tốt. Phân loại các phương pháp gia nhiệt: 2 Luan van Dựa vào ảnh hưởng nhiệt độ lên tấm khuôn, quá trình gia nhiệt cho khuôn phun ép được chia làm 2 nhóm chính: gia nhiệt cả tấm khuôn và gia nhiệt cho bề mặt khuôn [3- 6]. Trong nhóm thứ nhất, phương pháp gia nhiệt bằng hơi nước như Hình 1. Độ gia nhiệt theo phương pháp này không được đánh giá cao và quá trình giải nhiệt cho khuôn cũng sẽ gặp nhiều khó khăn.2: Hệ thống gia nhiệt khuôn bằng hơi nước (Steam heating) Để gia tăng nhiệt độ khuôn với chi phí thấp, ta có thể sử dụng lưu chất là nước ở nhiệt độ cao khoảng 900 0C hoặc 1000 0C.

Với những trường hợp nhiệt độ khuôn được yêu cầu cao hơn 1000 ⁰C, nước cần được nén với áp suất cao để ngăn hiện tượng bay hơi của nước, hoặc lưu chất là dầu nóng sẽ được sử dụng như Hình 1. Phương án đầu (dùng nước ở áp suất cao) có thể làm giảm tuổi thọ các vị trí nối của các kênh lưu chất và các vấn đề an toàn trong quá trình sử dụng cũng cần được xem xét. Ngoài ra, tiêu hao năng lượng cũng là một vấn đề cần được lưu ý. Với trường hợp dùng lưu chất là dầu, khả năng truyền nhiệt giữa lưu chất và khuôn sẽ giảm đáng kể do hệ số truyền nhiệt của dầu thấp [8, 9].

3 Luan van Hình 1.3: Hệ thống gia nhiệt sử dụng lưu chất bằng dầu nóng Trong nghiên cứu khác, tốc độ gia nhiệt được cải tiến đáng kể khi phương pháp gia nhiệt cho bề mặt khuôn được sử dụng. Quá trình điền đầy của nhựa vào lòng khuôn được cải thiện khi bề mặt khuôn được phủ 1 lớp cách nhiệt. Phương pháp này có thể tăng nhiệt độ bề mặt khuôn lên khoảng 250C. Sau đó, hệ thống gia nhiệt bằng tia hồng ngoại (Hình 1.4) được nghiên cứu và ứng dụng cho khuôn phun ép nhựa.

Bên cạnh phương pháp dùng tia hồng ngoại để gia nhiệt cho khuôn, phương pháp dùng điện trở như Hình 1.5 cũng đã được đề xuất và nghiên cứu. Tuy nhiên, trong quá trình ứng dụng, phương pháp này thường chỉ sử dụng để hỗ trợ làm nóng khuôn ở nhiệt độ cao, đặc biệt là với những khuôn có thành mỏng. Hơn nữa, phương pháp dùng điện trở thường được ứng dụng như bổ trợ nhiệt và chỉ có khả năng tăng nhiệt độ khuôn 20 0 C đến 30 0C [10, 11]. 4 Luan van Hình 1.4: Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngoại Hình 1.5: Phương pháp gia nhiệt bằng điện trở Để giải quyết vấn đề này, nhiều phương pháp điều khiển nhiệt độ khuôn đã được đề xuất và nghiên cứu trong những năm gần đây.

Mục đích chính là để hạn chế lớp nguội (Frozen layer) bằng phương pháp sử dụng bề mặt khuôn có nhiệt độ cao trong quá trình điền đầy và làm nguội cả phần thể tích khuôn và nhựa trong quá trình giải nhiệt. Như trình bày trên, để kiểm soát nhiệt độ khuôn, phương pháp phổ biến nhất là thể sử dụng lưu chất với hai loại nhiệt độ như Hình 1. Ưu điểm của phương pháp này là khả năng 5 Luan van ứng dụng cho tất cả các loại khuôn khác nhau và không cần thay đổi kết cấu khuôn. Tuy nhiên, tiêu hao năng lượng, cũng như thời gian chu kỳ sẽ tăng đáng kể.

Ngoài ra để gia nhiệt từ bên ngoài khuôn, ta có thể sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng phương pháp cảm ứng từ như Hình 1.7, phương pháp này giúp cung cấp nhiệt trực tiếp cho bề mặt khuôn và không làm nhiệt độ của cả tấm khuôn tăng cao trong suốt chu trình. Tuy nhiên, để thiết kế được bộ cảm ứng từ phù hợp, công ty sản xuất cần tính toán cẩn thận và tốn thêm chi phí thử nghiệm [12, 13]. Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ được kết hợp với lưu chất giải nhiệt nhằm điều khiển nhiệt độ khuôn. Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ có những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp khác như: - Tốc độ gia nhiệt cao.

- Thời gian gia nhiệt có thể kéo dài đến 20 s. - Có thể ứng dụng cho khuôn phun ép như một module đính kèm, nghĩa là không cần thay đổi kết cấu khuôn có sẵn. Tuy nhiên, hiện nay, các thiết kế của cuộn dây gia nhiệt chỉ giới hạn ở dạng 2D, toàn bộ cuộn dây chỉ được bố trí trên 2 mặt phẳng. Điều này ảnh hưởng không tốt đến phân bố nhiệt độ trên bề mặt của khuôn.

Đây cũng là một trong những nguyên nhân làm tăng độ cong vênh của sản phẩm nhựa sau khi phun ép. Để khắc phục hiện tượng này, mô hình cuộn dây 3D được đề xuất nhằm nâng cao độ đồng đều về nhiệt độ của bề mặt khuôn và giảm cong vênh sản phẩm. 6 Luan van Hình 1.6: Phương pháp kết hợp hai nguồn nhiệt độ cho gia nhiệt khuôn Hình 1.7: Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ Các nhà nghiên cứu đã sử dụng lớp phủ cách nhiệt mỏng để ngăn cản quá trình mất nhiệt của bề mặt khuôn trong quá trình nhựa điền đầy lòng khuôn. Kĩ thuật này được áp dụng thành công trong việc sản xuất các sản phẩm quang học.

Bề mặt lòng khuôn sẽ được phủ hai lớp: cách nhiệt và dẫn nhiệt (Hình 1. Lớp cách nhiệt sẽ tiếp xúc với lòng khuôn nhằm hạn chế quá trình truyền nhiệt từ bề mặt khuôn đến các kênh giải nhiệt. Lớp dẫn nhiệt sẽ được phủ trên lớp cách nhiệt nhằm hấp thu nhiệt từ module gia nhiệt bên 7 Luan van ngoài khuôn. Phương pháp này được ứng dụng trong một số sản phẩm yêu cầu về độ chính xác cũng như cơ tính của sản phẩm cao [5, 14].8: Phương pháp thiết kế khuôn của kazerm Phương pháp gia nhiệt cho khuôn phun ép bằng khí nóng là phương pháp hoàn toàn mới, được chế tạo thử đầu tiên ở Việt Nam (Hình 1.

Phương pháp này thực hiện như sau: không khí được nén trong máy nén tạo áp lực, sau khi ra khỏi máy nén khí được đi qua khối thép đã được nung nóng. Khí được nung nóng trong khối thép này, khi khí đi ra khỏi khối gia nhiệt được phun trực tiếp lên bề mặt khuôn để gia nhiệt bề mặt khuôn [4-6].  Ưu điểm của phương pháp này: - Gia nhiệt nhanh chóng, linh hoạt, nhiều vị trí. - Hệ thống đơn giản, và có thể tự động hóa.

 Nhược điểm: - Cần áp suất khí nén ổn định - Môi trường làm việc ồn ào - Tốn thời gian cho mỗi chu kì ép vì module cần phải di chuyển. 8 Luan van nghiệm Hình 1.9: Phương pháp gia nhiệt bằng khí 1. 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 như Hình 1. 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 nhỏ hơn 1mm phục vụ cho các chip sinh học, các thiết bị quang học,… Hình 1.10: Sản phẩm nhựa mỏng (chip sinh học) 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 9 Luan van 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 như Hình 1.11: Sản phẩm bị thiếu nhựa 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 tiếp xúc với khuôn giảm mà không làm cho quá trình giải nhiệt sau khi quá trình ép tăng lên.