Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp ép phun nhựa, chu kỳ làm nguội chiếm đến 80% tổng thời gian của một chu kỳ ép, đồng thời là giai đoạn tiêu tốn chi phí lớn nhất. Việc thiết kế hệ thống làm nguội hợp lý không chỉ giúp rút ngắn thời gian chu kỳ mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu các khuyết tật như cong vênh, co rút không đều và ứng suất dư. Đề tài nghiên cứu phân bố nhiệt độ của tấm khuôn dương với các thông số khác nhau của kênh giải nhiệt nhằm cải tiến hệ thống kênh làm nguội, từ đó rút ngắn thời gian gia nhiệt và giải nhiệt cho tấm khuôn.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là khảo sát phân bố nhiệt độ trên tấm khuôn dương trong quá trình gia nhiệt và làm nguội, đồng thời tối ưu các thông số thiết kế kênh giải nhiệt như kiểu kênh dẫn nước, chiều cao tấm khuôn, vật liệu khuôn và lưu lượng dòng chảy. Nghiên cứu được thực hiện trong vòng 12 tháng tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng mô phỏng trên phần mềm Ansys Workbench kết hợp với thí nghiệm thực tế để thu thập số liệu.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả công nghệ ép phun nhựa, giúp giảm thời gian chu kỳ sản xuất, tiết kiệm nguyên liệu và chi phí, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế hệ thống làm nguội khuôn phù hợp với các loại vật liệu và kích thước khuôn khác nhau. Các bộ khuôn và phương pháp điều khiển nhiệt độ khuôn được phát triển sẽ phục vụ cho công tác đào tạo và nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ kỹ thuật cơ khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết truyền nhiệt và mô hình dòng chảy chất lỏng trong hệ thống làm nguội khuôn ép phun. Hai mô hình kênh dẫn nước chính được khảo sát gồm:

  • Hệ thống kênh dẫn nước không sử dụng vách ngăn (Without Baffle): Kênh nước dạng cơ bản, có một đầu vào và một đầu ra, chạy giữa tấm khuôn dương, làm nguội không đồng đều, đặc biệt với khuôn có chiều cao lớn.

  • Hệ thống kênh dẫn nước có sử dụng vách ngăn phẳng (With Baffle): Kênh nước được chia thành các ngăn nhỏ giúp tạo dòng chảy rối, tăng hiệu quả truyền nhiệt và làm nguội đồng đều hơn.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Phân bố nhiệt độ khuôn: Sự thay đổi nhiệt độ tại các điểm khác nhau trên tấm khuôn trong quá trình gia nhiệt và làm nguội.

  • Lưu lượng dòng chảy (Mass Flow Rate): Lượng nước làm nguội chảy qua kênh, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả truyền nhiệt.

  • Vật liệu khuôn: Thép CT3, Nhôm và Đồng với các đặc tính dẫn nhiệt khác nhau ảnh hưởng đến tốc độ gia nhiệt và làm nguội.

  • Chiều cao tấm khuôn (h): Thay đổi từ 0 đến 50 mm, ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt và phân bố nhiệt độ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp ba phương pháp chính:

  • Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Tổng hợp lý thuyết truyền nhiệt, các nghiên cứu trước và các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến thiết kế hệ thống làm nguội khuôn.

  • Phương pháp mô phỏng: Thiết kế mô hình tấm khuôn trên phần mềm Creo Parametric với các kích thước chi tiết, sau đó mô phỏng quá trình truyền nhiệt bằng phần mềm Ansys Workbench (Module CFX). Mô hình được chia lưới chi tiết, mô phỏng quá trình gia nhiệt 20 giây với nước nóng 80°C và làm nguội 20 giây với nước lạnh 30°C. Tổng cộng 12 mô hình được xây dựng với các biến đổi về kiểu kênh dẫn nước, chiều cao khuôn, vật liệu và lưu lượng dòng chảy.

  • Phương pháp thực nghiệm: Gia công tấm khuôn với kích thước tối ưu, tiến hành thí nghiệm đo nhiệt độ tại hai điểm P1 và P2 trên mặt cắt A-A bằng cảm biến nhiệt, so sánh kết quả thực nghiệm với mô phỏng để đánh giá độ chính xác.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 12 mô hình mô phỏng và một bộ tấm khuôn thực nghiệm. Phương pháp chọn mẫu dựa trên việc thay đổi từng yếu tố riêng biệt để đánh giá ảnh hưởng độc lập. Phân tích dữ liệu sử dụng biểu đồ nhiệt độ, bảng so sánh nhiệt độ tại các điểm đo và tính toán tốc độ gia nhiệt, làm nguội.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của hệ thống kênh dẫn nước:

    • Với vật liệu thép CT3, hệ thống kênh có vách ngăn (With Baffle) giúp tăng nhiệt độ tại điểm P2 từ 30°C lên đến 63.5°C sau 20 giây gia nhiệt khi chiều cao khuôn h = 50 mm, trong khi hệ thống không có vách ngăn (Without Baffle) gần như không thay đổi nhiệt độ tại điểm này.

    • Nhiệt độ tại điểm P2 cao hơn điểm P1 từ 0°C đến 4°C trong quá trình làm nguội với hệ thống Baffle, cho thấy khả năng gia nhiệt và làm nguội đồng đều hơn.

  2. Ảnh hưởng của chiều cao tấm khuôn (h):

    • Khi chiều cao khuôn tăng từ 0 đến 50 mm, nhiệt độ tại điểm P2 trong hệ thống With Baffle tăng rõ rệt, đạt mức cao nhất 63.5°C, trong khi hệ thống Without Baffle không có sự thay đổi đáng kể.

    • Chiều cao khuôn lớn làm tăng sự khác biệt nhiệt độ giữa các điểm, đòi hỏi thiết kế kênh làm nguội hiệu quả hơn để đảm bảo đồng đều nhiệt độ.

  3. Ảnh hưởng của vật liệu khuôn:

    • Vật liệu Đồng có khả năng dẫn nhiệt tốt nhất, giúp giảm thời gian gia nhiệt và làm nguội nhanh hơn so với thép CT3 và Nhôm.

    • Nhiệt độ khuôn tại các điểm đo thay đổi nhanh và đồng đều hơn khi sử dụng vật liệu Đồng, góp phần nâng cao hiệu quả chu trình ép phun.

  4. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy:

    • Lưu lượng nước làm nguội càng lớn (đạt khoảng 2.5 m/s) thì hiệu quả làm nguội càng tăng, giảm thời gian chu kỳ ép.

    • Tuy nhiên, lưu lượng quá lớn có thể gây áp suất cao và hao phí năng lượng, cần cân đối hợp lý.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thí nghiệm cho thấy hệ thống kênh dẫn nước có vách ngăn (Baffle) cải thiện đáng kể khả năng điều khiển nhiệt độ khuôn, đặc biệt với khuôn có chiều cao lớn. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành nhựa cho thấy dòng chảy rối giúp tăng hiệu quả truyền nhiệt và làm nguội đồng đều hơn.

Sự khác biệt về nhiệt độ giữa các điểm đo phản ánh tính không đồng đều trong thiết kế kênh làm nguội truyền thống, gây ra các khuyết tật sản phẩm. Việc sử dụng vật liệu dẫn nhiệt tốt như Đồng giúp rút ngắn thời gian gia nhiệt và làm nguội, nâng cao năng suất.

Biểu đồ nhiệt độ tại các điểm P1 và P2 minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa hai hệ thống kênh dẫn nước, đồng thời bảng so sánh nhiệt độ cuối quá trình gia nhiệt và làm nguội cung cấp số liệu cụ thể để đánh giá hiệu quả thiết kế.

Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ vai trò của thiết kế kênh làm nguội trong việc kiểm soát nhiệt độ khuôn, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất trong công nghệ ép phun nhựa.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng hệ thống kênh dẫn nước có vách ngăn (Baffle): Thiết kế kênh làm nguội nên tích hợp vách ngăn phẳng hoặc xoắn để tạo dòng chảy rối, tăng hiệu quả truyền nhiệt và làm nguội đồng đều. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: Các nhà thiết kế khuôn và doanh nghiệp sản xuất khuôn.

  2. Lựa chọn vật liệu khuôn phù hợp: Ưu tiên sử dụng vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao như Đồng hoặc hợp kim đồng-berry cho các bộ phận khuôn quan trọng để rút ngắn chu kỳ gia nhiệt và làm nguội. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Bộ phận kỹ thuật và quản lý sản xuất.

  3. Tối ưu hóa chiều cao tấm khuôn: Thiết kế chiều cao khuôn phù hợp, không quá lớn để tránh sự không đồng đều nhiệt độ, đồng thời đảm bảo độ bền và chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: Bộ phận thiết kế sản phẩm và khuôn.

  4. Điều chỉnh lưu lượng dòng chảy làm nguội: Đảm bảo lưu lượng nước làm nguội đạt khoảng 2.5 m/s để tạo dòng chảy rối hiệu quả, đồng thời kiểm soát áp suất và tiêu hao năng lượng. Thời gian thực hiện: 3 tháng. Chủ thể thực hiện: Bộ phận vận hành và bảo trì hệ thống làm nguội.

  5. Ứng dụng mô phỏng CAE trong thiết kế: Sử dụng phần mềm mô phỏng như Ansys Workbench để kiểm tra và tối ưu thiết kế hệ thống làm nguội trước khi gia công khuôn thực tế, giảm chi phí và thời gian thử nghiệm. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể thực hiện: Các phòng nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế khuôn ép phun nhựa: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp thiết kế hệ thống làm nguội hiệu quả, giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và rút ngắn chu kỳ sản xuất.

  2. Doanh nghiệp sản xuất khuôn và sản phẩm nhựa: Áp dụng các giải pháp tối ưu hóa kênh làm nguội để nâng cao năng suất, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật Cơ khí: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc đào tạo và nghiên cứu về công nghệ ép phun nhựa, truyền nhiệt và mô phỏng kỹ thuật.

  4. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển công nghệ vật liệu: Tham khảo các ảnh hưởng của vật liệu khuôn đến hiệu quả truyền nhiệt và thiết kế hệ thống làm nguội phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao hệ thống kênh dẫn nước có vách ngăn lại hiệu quả hơn?
    Hệ thống này tạo dòng chảy rối bên trong kênh, tăng diện tích tiếp xúc và tốc độ truyền nhiệt, giúp nhiệt độ khuôn phân bố đồng đều hơn, rút ngắn thời gian gia nhiệt và làm nguội.

  2. Chiều cao tấm khuôn ảnh hưởng thế nào đến phân bố nhiệt độ?
    Chiều cao lớn làm tăng khoảng cách truyền nhiệt, gây không đồng đều nhiệt độ giữa các vùng khuôn, đòi hỏi thiết kế kênh làm nguội hiệu quả hơn để cân bằng nhiệt độ.

  3. Vật liệu khuôn nào phù hợp nhất cho hệ thống làm nguội?
    Vật liệu Đồng có hệ số dẫn nhiệt cao nhất, giúp truyền nhiệt nhanh và đồng đều, tuy nhiên chi phí cao nên thường kết hợp với thép CT3 trong thiết kế khuôn.

  4. Lưu lượng nước làm nguội nên được điều chỉnh như thế nào?
    Lưu lượng nên đạt khoảng 2.5 m/s để tạo dòng chảy rối hiệu quả, tăng khả năng làm nguội nhưng cần kiểm soát áp suất và tiêu hao năng lượng hợp lý.

  5. Mô phỏng CAE có vai trò gì trong thiết kế khuôn?
    Mô phỏng giúp dự đoán phân bố nhiệt độ và hiệu quả làm nguội trước khi gia công khuôn thực tế, giảm chi phí thử nghiệm và rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm.

Kết luận

  • Hệ thống kênh dẫn nước có vách ngăn (Baffle) cải thiện đáng kể khả năng điều khiển nhiệt độ khuôn, đặc biệt với khuôn có chiều cao lớn.
  • Vật liệu Đồng giúp tăng hiệu quả truyền nhiệt, rút ngắn thời gian gia nhiệt và làm nguội so với thép CT3 và Nhôm.
  • Chiều cao tấm khuôn và lưu lượng dòng chảy là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến phân bố nhiệt độ và hiệu suất làm nguội.
  • Mô phỏng CAE là công cụ hữu hiệu giúp tối ưu thiết kế hệ thống làm nguội trước khi gia công thực tế.
  • Đề xuất áp dụng các giải pháp thiết kế và vật liệu phù hợp nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong công nghệ ép phun nhựa.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong thực tế sản xuất và tiếp tục nghiên cứu mở rộng về các loại vật liệu và cấu trúc kênh làm nguội mới. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp liên hệ để trao đổi và hợp tác phát triển công nghệ khuôn ép phun nhựa hiệu quả hơn.