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 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. Hiện nay có rất nhiều phương pháp gia nhiệt cho bề mặt lòng khuôn như: gia nhiệt bằng chất lỏng, gia nhiệt bằng điện, gia nhiệt bằng khí nóng,…Trong đó phương pháp gia nhiệt bằng chất lỏng và gia nhiệt bằng điện có những ưu điểm nhất định và những khuyết điểm như: sau quá trình ép phun cần giải nhiệt với lượng thời gian tương đối dài, yêu cầu kết cấu khuôn phức tạp.
Đối với phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng có rất nhiều ưu điểm như có thể gia nhiệt linh hoạt ở nhiều vị trí, quá trình gia nhiệt xảy ra nhanh và các thiết bị đơn giản nên có thể tự độ hóa được. Tình hình nghiên cứu 1. Nghiên cứu trên thế giới 1. Development of gas-assisted dynamic mold temperature control system and its application for micro molding.
(Shia-Chung Chen, Jen-An Chang, Ying-Chieh Wang, Chun-Feng Yeh. Kết quả đạt được: 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 như Hình 1.12: So sánh thời gian một chu kỳ gia/giải nhiệt bằng khí và bằng nước giải nhiệt khác. Feasibility evaluation of gas-assisted heating for mold surface temperature controlduring injection molding process. (Shia-Chung Chen, Rean-Der Chien, Su-Hsia Lin, Ming-Chung Lin, Jen-An Chang Shia-Chung Chen, Rean-Der Chien, Su-Hsia Lin, Ming-Chung Lin.
International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol 36. 11 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 30 0C/s) và cần 34 s để trở về 60 0 C. Trong khi dùng các chất làm lạnh khác phải mất tới 267 s để thực hiện một chu trình như Hình 1.13: So sánh các thay đổi nhiệt độ do gia nhiệt bằng khí và nước nóng. Cũng theo nghiên cứu này ứng dụng cho bề mặt khuôn bằng tấm nikenl là đạt hiệu quả cao nhất và có thể ứng dụng trong công nghiệp.
A study on the micro-injection molding of multi-cavity ultra-thin parts. Weng, Polymers Advances Technologies, 2011) [15]. Kết quả đạt được: việc gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa đối với sản phẩm thành mỏng có kết cấu nhiều lòng khuôn sẽ làm tăng khả năng điền đầy lòng khuôn phun ép nhựa, cụ thể ở những mức nhiệt độ ban đầu từ 70 0C đến 110 0C thì sự ảnh hưởng của 12 nhiệt độ khuôn đối với khả năng điền đầy là không rõ rệt, thậm chí còn thấp hơn so với kết cấu 1 lòng khuôn (74.86 %), nhưng từ 120 0C trở lên tỷ lệ % điền đầy của kết cấu 4 lòng khuôn tăng lên nhanh và sẽ điền đầy hoàn toàn tất cả các lòng khuôn khi nhiệt độ đạt mức 140 0C như Hình 1.14: Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến khả năng điền đầy lòng khuôn. Variable Mold Temperature to Improve Surface Quality of Microcellular Injection Molded Parts Using Induction HeatingTechnology.
(Shia-Chung Chen, Yu- Wan Lin, Rean-Der Chien, Hai-Mei Li. Advances in Polymer Technology, Vol. Kết quả đạt được: nhiệt độ khuôn cao hơn, nhiệt độ nóng chảy cao hơn, và tốc độ phun nhanh hơn tất cả sẽ nâng cao chất lượng bề mặt của sản phẩm ép phun. Các độ nhám bề mặt của chi tiết đúc có thể được giảm từ 25μm đến 6.5μm với sự gia tăng nhiệt độ khuôn từ 100 0C đến 160 0C.
Tuy nhiên, khi nhiệt độ đạt đến một mốc quan trọng của giá trị khoảng 180 0C, độ nhám trung bình bề mặt của một phần đúc tiến về mức khoảng 13 5 μm. Đồng thời, các phần bọt nhựa PC có thể được loại bỏ hoàn toàn nếu nhiệt độ khuôn cao hơn 160 0C Hình 1.15: Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy phun tới độ nhám bề mặt trong đúc ép phun khuôn thành mỏng. Ngoài ra, một số bài báo nghiên cứu khác liên quan đến nghiên cứu này, bao gồm: Investigation of micro-injection moulding: Factors affecting the replication quality (B. Packianather, Journal of Materials Processing Technology, Vol.
284–296 ) [17]; Simulation and verification on rapid mold surface heating/cooling using electromagnetic induction technology (Shia-Chung Chen, Wen-Ren Jong, Jen-An Chang and Hsin-Shu Peng, 4 th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics Cairo, Egypt, 2005) [18]; Rapid mold temperature control in injection molding by using steam heating, 14 International Communications in Heat and Mass Transfer. Nghiên cứu trong nước 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. Nguyễn Hộ, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Kết quả đạt được: ở cùng một chế độ phun như nhau, cùng một chiều dày như nhau nhưng ở những nhiệt độ bề mặt khuôn khác nhau thì quá trình điền đầy lòng khuôn sẽ khác nhau và cụ thể là tăng nhiệt độ bề mặt lòng khuôn lên thì khả năng điền đầy lòng khuôn sẽ tăng lên với những mức khác nhau như Hình 1.16: So sánh khả năng điền đầy lòng khuôn của sản phẩm nhựa thành mỏng với vật liệu PP.
Ghi chú: - %increase: tỉ lệ % gia tăng khả năng điền đầy lòng khuôn 15 - Mold surface temperature: Nhiệt độ bề mặt lòng khuôn - 0.2: Bề dày sản phẩm nhựa ép được là 0.4: Bề dày sản phẩm nhựa ép được là 0.6: Bề dày sản phẩm nhựa ép được là 0.6 mm Nhận xét: Qua hình vẽ này ta có thể thấy sự ảnh hưởng rõ ràng của nhiệt độ bề mặt khuôn đối với sự điền đầy của sản phẩm nhựa thành mỏng với loại nhựa PP. Ở đây sự ảnh hưởng của nhiệt độ đối với các bề dày khác nhau. Với bề dày 0.2 mm thì quá trình điền đầy thấp hơn so với sự ảnh hưởng nhiệt độ đối với các bề dày 0. Bên cạnh đó, nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến phương pháp gia nhiệt và giải nhiệt khuôn ép nhựa với các sản phẩm nhựa kỹ thuật đã được thực hiện trong thời gian vừa qua của giáo viên hướng dẫn [20, 21].
Trong đó, phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng cho thấy đây là một hướng nghiên cứu đầy tiềm năng trong lĩnh vực ứng dụng tự động hóa trong công nghệ ép phun nói chung và khả năng chế tạo các sản phẩm có kích thước micromet nói riêng. Công nghệ này góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, mở rộng khả năng công nghệ của phương pháp ép phun nhựa kỹ thuật cao. Nhìn chung, công nghệ điều khiển nhiệt độ khuôn ảnh hưởng lớn đến năng suất và chất lượng sản phẩm ép phun. Nếu điều khiển nhiệt độ khuôn thấp thì dòng chảy nhựa sẽ bị mất nhiệt nhanh và gặp khó khăn trong quá trình điền đầy lòng khuôn.
Nhược điểm này càng nghiêm trọng hơn khi vật liệu ép phun dạng composite do độ nhớt của vật liệu composite cao hơn so với nhựa thông thường. Khi tiếp xúc với thành khuôn có nhiệt độ thấp thì độ nhớt vật liệu composite sẽ tăng cao và dòng chảy composite sẽ gặp trở kháng rất lớn. Nếu điều khiển nhiệt độ khuôn quá cao thì chất lượng sản phẩm có thể bị ảnh hưởng do quá nhiệt, đồng thời sẽ mất nhiều thời gian để giải nhiệt khuôn dẫn đến tăng thời gian chu kỳ. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận văn: "Nghiên cứu phân bố nhiệt độ lòng khuôn phun ép với phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn bằng phương 16 pháp mô phỏng" là: - Nghiên cứu mô phỏng gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn để xác định nhiệt độ phân bố trên bề mặt lòng khuôn; - Nghiên cứu sự phân bố nhiệt độ trong lòng khuôn ảnh hưởng tới khả năng điền đầy lòng khuôn; - Qua kết quả mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm, có thể xác định được nhiệt độ lòng khuôn phù hợp với vật liệu, bề dày sản phẩm để gia tăng khả năng điền đầy lòng khuôn.
Nhiệm vụ và giới hạn đề tài Nhiệm vụ đề tài: Để thực hiện đề tài này tác giả đã tiến hành các nhiệm vụ như sau: Thiết kế tối ưu kênh dẫn nhiệt khí nóng của khuôn phun ép; Mô phỏng quá trình gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn; Xác định quy trình gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng tích hợp trong khuôn; Mô phỏng quá trình điền đầy khuôn của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn với các thông số khác nhau; Mô phỏng quá trình điền đầy khuôn của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn với các điều kiện khác nhau; Mô phỏng quá trình điền đầy khuôn của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn với các vật liệu khác nhau; Đánh giá ảnh hưởng của các thông số đến khả năng điền đầy khuôn. Giới hạn đề tài: Đề tài được giới hạn trong các điều kiện như sau: Áp dụng cho chi tiết thành mỏng Áp dụng cho vật liệu nhựa nhiệt dẻo. 17 Kích thước sản phẩm ép làm thí nghiệm có kích thước rộng 10 mm, chiều dài tối đa 60 mm. Chiều dày sản phẩm khảo sát là 0.
Xác định chiều dài của sản phẩm nhựa dựa trên các thí nghiệm nhiệt độ cho trước, thực hiện ép nhựa trên máy ép phun của Trung tâm công nghệ cao thuộc trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM.