Nghiên cứu phân bố nhiệt độ của lòng khuôn sau quá trình gia nhiệt bằng khí nóng

Nghiên cứu phân bố nhiệt độ của lõng khuôn sau gia nhiệt bằng khí nóng, ứng dụng trong công nghệ chế tạo và cải tiến quy trình sản xuất.

• Tác giả: Nguyễn Phước Thiện
• Người hướng dẫn: Pgs. Phạm Sơn Minh
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM
• Chuyên ngành: Cơ khí chế tạo máy
• Đề tài: Nghiên cứu phân bố nhiệt độ của lòng khuôn sau quá trình gia nhiệt bằng khí nóng từ ngoài khuôn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ ÉP PHUN. PHƢƠNG PHÁP GIA NHIỆT CHO KHUÔN PHUN ÉP BẰNG KHÍ NÓNG
• 1.1. Đặc điểm của chất khí
• 1.2. Phƣơng pháp gia nhiệt bằng khí nóng
• 1.3. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.5. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.6. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
• 1.7. Phƣơng pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ COVER PHÙ HỢP VỚI LÒNG KHUÔN CÓ BỀ MẶT PHỨC TẠP
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT BẰNG KHÍ NÓNG TRONG LÒNG KHUÔN PHỨC TẠP
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết quả đạt đƣợc
• 5.2. Hƣớng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• NỘI DUNG BÀI BÁO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong khuôn

Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong khuôn sau gia nhiệt bằng khí nóng là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ ép phun. Việc hiểu rõ về cách thức phân bố nhiệt độ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu lỗi trong quá trình ép. Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp khuôn mẫu.

1.1. Đặc điểm của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng

Phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng có nhiều ưu điểm như tốc độ gia nhiệt nhanh, khả năng tự động hóa cao và cấu trúc thiết bị đơn giản. Tuy nhiên, nó cũng gặp phải một số thách thức như hiệu suất gia nhiệt chưa tối ưu và vùng phân bố nhiệt không đồng đều.

1.2. Ý nghĩa của việc nghiên cứu phân bố nhiệt độ

Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong khuôn giúp cải thiện chất lượng sản phẩm nhựa, giảm thiểu các vấn đề như đường hàn, độ bóng bề mặt và ứng suất dư. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh sản phẩm nhựa ngày càng yêu cầu độ chính xác cao.

II. Vấn đề và thách thức trong gia nhiệt khuôn bằng khí nóng

Mặc dù phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số vấn đề cần giải quyết. Hiệu suất gia nhiệt không đồng đều và sự thất thoát nhiệt là những thách thức lớn. Việc nghiên cứu và cải tiến các yếu tố ảnh hưởng đến phân bố nhiệt độ là cần thiết để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

2.1. Hiệu suất gia nhiệt chưa đạt yêu cầu

Hiệu suất gia nhiệt của khuôn bằng khí nóng thường không đạt yêu cầu do sự phân bố nhiệt không đồng đều. Điều này dẫn đến việc một số khu vực trong khuôn không đạt được nhiệt độ cần thiết, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

2.2. Sự thất thoát nhiệt trong quá trình gia nhiệt

Sự thất thoát nhiệt ra bên ngoài trong quá trình gia nhiệt bằng khí nóng là một vấn đề nghiêm trọng. Điều này không chỉ làm giảm hiệu suất gia nhiệt mà còn ảnh hưởng đến thời gian sản xuất và chất lượng sản phẩm cuối cùng.

III. Phương pháp nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong khuôn

Để nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong khuôn, các phương pháp mô phỏng và thực nghiệm được áp dụng. Sử dụng phần mềm Ansys Workbench để mô phỏng quá trình gia nhiệt giúp dự đoán chính xác nhiệt độ và phân bố nhiệt trong khuôn. Các yếu tố như khoảng cách phun khí, thể tích chứa khí và vị trí lỗ thoát khí cũng được xem xét.

3.1. Mô phỏng quá trình gia nhiệt bằng phần mềm Ansys

Phần mềm Ansys Workbench cho phép mô phỏng quá trình gia nhiệt một cách chính xác, giúp phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ trong khuôn. Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin quý giá cho việc tối ưu hóa thiết kế khuôn.

3.2. Thiết kế mẫu cover cho khuôn

Thiết kế mẫu cover nhằm tăng hiệu quả gia nhiệt là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Mẫu cover được thiết kế để tập trung vùng không gian gia nhiệt, từ đó cải thiện phân bố nhiệt độ trong khuôn.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng có thể cải thiện đáng kể phân bố nhiệt độ trong khuôn. Các ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này bao gồm việc tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu lỗi trong quá trình ép phun.

4.1. Ứng dụng trong ngành công nghiệp khuôn mẫu

Nghiên cứu này có thể được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp khuôn mẫu, giúp cải thiện hiệu suất sản xuất và chất lượng sản phẩm. Việc tối ưu hóa quy trình gia nhiệt sẽ mang lại lợi ích kinh tế lớn cho các nhà sản xuất.

4.2. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Kết quả từ mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong phân bố nhiệt độ khi sử dụng mẫu cover. Điều này chứng tỏ rằng việc thiết kế và tối ưu hóa các yếu tố trong quá trình gia nhiệt là rất cần thiết.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong khuôn sau gia nhiệt bằng khí nóng mở ra nhiều hướng phát triển mới cho ngành công nghiệp khuôn mẫu. Việc cải tiến phương pháp gia nhiệt và tối ưu hóa thiết kế khuôn sẽ giúp nâng cao hiệu suất sản xuất và chất lượng sản phẩm. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới trong gia nhiệt và cải tiến vật liệu khuôn.

5.1. Hướng phát triển công nghệ gia nhiệt

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ gia nhiệt mới nhằm nâng cao hiệu suất và giảm thiểu sự thất thoát nhiệt. Việc áp dụng công nghệ tiên tiến sẽ giúp cải thiện đáng kể quy trình sản xuất.

5.2. Tương lai của ngành khuôn mẫu tại Việt Nam

Ngành khuôn mẫu tại Việt Nam đang có nhiều tiềm năng phát triển. Việc áp dụng các nghiên cứu mới sẽ giúp nâng cao năng lực cạnh tranh và chất lượng sản phẩm, từ đó thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong xu hướng phát triển công nghệ sản xuất hiện đại, các sản phẩm nhựa kỹ thuật cao ngày càng hướng tới thiết kế siêu mỏng, nhẹ và tinh xảo với độ dày thành sản phẩm nhỏ hơn 0.1 mm, tiêu biểu như vi mạch sinh học (biochip) hay các thấu kính quang học chính xác. Tuy nhiên, quá trình đúc ép phun các chi tiết thành mỏng đối mặt với thách thức lớn khi lớp nhựa nóng chảy tiếp xúc với bề mặt lòng khuôn ở nhiệt độ thấp sẽ nhanh chóng hình thành lớp đông cứng (frozen layer). Hiện tượng này làm tổn thất áp suất dòng chảy từ 20% đến 35%, cản trở khả năng điền đầy lòng khuôn, gây ra các khuyết tật nghiêm trọng như thiếu liệu, vết hàn (weld lines), ứng suất dư và làm giảm độ bóng bề mặt.

Để giải quyết triệt để vấn đề này, phương pháp gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng từ ngoài khuôn được nghiên cứu và ứng dụng nhằm duy trì nhiệt độ bề mặt khuôn vượt qua nhiệt độ chuyển pha thủy tinh của polymer trong suốt quá trình điền đầy. So với các giải pháp truyền thống như gia nhiệt bằng điện trở hay chất lỏng vốn đòi hỏi thời gian giải nhiệt kéo dài và kết cấu khuôn phức tạp, công nghệ khí nóng sở hữu ưu thế vượt trội về tốc độ gia nhiệt nhanh, chu kỳ làm mát ngắn và khả năng tự động hóa linh hoạt.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí được thực hiện trong khoảng thời gian từ ngày 01/03/2020 đến ngày 30/08/2020 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu trọng tâm của đề tài là nghiên cứu quy luật phân bố nhiệt độ trên bề mặt lòng khuôn phức tạp dưới tác động của dòng khí nóng 400°C trong thời gian gia nhiệt 20 giây. Thông qua việc thiết kế và tối ưu hóa tấm chắn khí chuyên dụng (cover), nghiên cứu đã giải quyết bài toán thất thoát nhiệt ra môi trường, thu hẹp vùng không gian gia nhiệt, giúp nâng cao hiệu suất nhiệt tổng thể và giảm độ chênh lệch nhiệt độ bề mặt xuống dưới 27°C, tạo tiền đề vững chắc cho việc nâng cao chất lượng sản phẩm ép phun chính xác tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp giữa lý thuyết truyền nhiệt động học và công nghệ khuôn mẫu ép phun hiện đại. Ba trụ cột lý thuyết chính được áp dụng bao gồm:

• Lý thuyết truyền nhiệt liên hợp (Conjugate Heat Transfer): Mô tả quá trình trao đổi nhiệt phức hợp giữa dòng khí nóng đối lưu cưỡng bức vận tốc cao và bề mặt kim loại lòng khuôn thông qua cơ chế dẫn nhiệt nội tại. Quá trình truyền nhiệt tuân theo định luật bảo toàn năng lượng và phương trình dẫn nhiệt Fourier nhiều chiều.
• Cơ học chất khí và nhiệt động lực học: Khảo sát các đặc tính chuyển động ngẫu nhiên của phân tử khí nén khi đi qua khối gia nhiệt 400°C, vận tốc dòng khí và sự suy giảm nhiệt lượng khi giãn nở tiếp xúc với bề mặt khuôn ngoài môi trường.
• Lý thuyết lưu biến polymer và định hình ép phun: Tập trung vào hiện tượng chuyển pha của vật liệu nhựa (như PP, ABS, PA), mối quan hệ giữa nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (Tg) với sự hình thành lớp đông cứng (frozen layer), và ảnh hưởng của sự phân bố nhiệt độ đồng đều đến việc giảm áp suất phun từ 15% đến 25%.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chủ đạo của đề tài là kết hợp thiết kế kỹ thuật hình học với mô phỏng số động lực học dòng chảy và nhiệt độ (CFD-HT) trên nền tảng phần mềm Ansys Workbench 14 chuyên dụng.

• Nguồn dữ liệu và kích thước khảo sát: Dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ mô hình tấm gia nhiệt chuẩn kích thước 50x50 mm với 3 cấp chiều dày thực nghiệm (0.5 mm, 0.75 mm và 1.0 mm). Bề mặt lòng khuôn được khảo sát trên 4 dạng hình học biên dạng: mặt phẳng (bán kính R0) và các bề mặt cong phức tạp gồm mặt lồi, mặt lõm, bề mặt kết hợp lồi - lõm với các bán kính cong R50 mm, R75 mm và R90 mm.
• Quy mô mẫu thử nghiệm: Nghiên cứu đã thiết lập và khảo sát 12 cấu hình tấm chắn khí (cover) thử nghiệm phân theo 3 nhóm phương án kích thước: nhóm 50x50 mm, nhóm 54x54 mm và nhóm tối ưu số lượng cổng nạp khí (inlet) cùng cổng thoát khí (outlet). Tổng cộng hơn 36 kịch bản mô phỏng tương tác nhiệt được phân tích chi tiết.
• Tiêu chuẩn và kiểm soát sai số: Toàn bộ bản vẽ thiết kế cơ khí của tấm gia nhiệt và tấm chắn khí cover đều tuân thủ nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn dung sai hình học TCVN 2263-1:2007-m.
• Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng Ansys-CFX: Việc sử dụng công cụ mô phỏng số cho phép dự đoán chính xác trường phân bố nhiệt độ vi mô, trực quan hóa dòng xoáy khí nóng và đánh giá nhanh các biến thể hình học mà không tốn kém chi phí chế tạo thử nghiệm nhiều lần, đảm bảo độ tin cậy khoa học cao trong suốt tiến trình 6 tháng nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng trên phần mềm Ansys Workbench đã mang lại những phát hiện quan trọng về mối tương quan giữa hình học cover và hiệu quả gia nhiệt bề mặt:

1. Hiệu quả vượt trội của việc mở rộng kích thước cover: Khi so sánh phương án cover 50x50 mm và 54x54 mm ở cùng điều kiện chiều cao cover 15 mm, khoảng cách phun 2 mm và chiều cao khối khí 5 mm (quy cách b), phương án 54x54 mm cho nhiệt độ cực đại (Temp Max) đạt tới 310.6°C, vượt trội hơn mức 281.0°C của phương án 50x50 mm (tăng 10.5%). Đồng thời, nhiệt độ cực tiểu (Temp Min) tăng từ 234.4°C lên 272.7°C, giúp mức độ chênh lệch nhiệt độ thu hẹp từ 46.6°C xuống chỉ còn 37.9°C (giảm 18.6%).
2. Tối ưu hóa số lượng cổng nạp và thoát khí (Inlet/Outlet): Khi nâng cấp từ cấu hình 1 inlet - 4 outlet lên cấu hình 2 inlet - 16 outlet (quy cách 3-c), trường nhiệt đạt trạng thái tối ưu nhất với nhiệt độ cực đại 313.1°C, nhiệt độ cực tiểu 286.9°C và độ chênh lệch nhiệt độ giảm mạnh xuống chỉ còn 26.2°C đến 26.6°C (cải thiện hơn 29.8% độ đồng đều so với cấu hình ban đầu). Dòng khí nóng được phân phối đối xứng, giảm dần đều đặn từ tâm ra các góc mép tấm khuôn.
3. Quy luật truyền nhiệt theo chiều dày và bán kính cong lòng khuôn:
   • Đối với tấm gia nhiệt dày 0.5 mm có bề mặt lồi: Bán kính R50 đạt nhiệt độ cao nhất với Temp Max 313.1°C (chênh lệch 27.1°C); bán kính R75 đạt Temp Max 285.5°C (chênh lệch 20.9°C); bán kính R90 đạt Temp Max 277.2°C (chênh lệch 20.9°C).
   • Khi tăng chiều dày tấm khuôn lên 0.75 mm, do nhiệt trở của vật liệu thép tăng lên, nhiệt độ bề mặt cực đại của mẫu R50 giảm xuống còn 262.0°C (giảm 16.3%), mẫu R75 đạt 230.6°C và mẫu R90 đạt 222.6°C.
   • Đối với bề mặt phẳng (R0), cover có bán kính R90 mang lại hiệu quả truyền nhiệt tốt nhất với Temp Max đạt 262.5°C (ở chiều dày 0.5 mm) và 208.6°C (ở chiều dày 0.75 mm), vượt trội hơn hẳn so với việc sử dụng cover R50 hay R75.

Thảo luận kết quả

Các kết quả mô phỏng nhiệt độ theo đường trượt (Line) từ tâm tấm gia nhiệt ra biên cho thấy cơ chế truyền nhiệt bằng khí nóng phụ thuộc mật thiết vào thể tích khoang chứa khí và sự phân bổ các dòng khí thoát. Khi thể tích khối khí bên trong cover quá lớn (như quy cách c với chiều cao khối khí 10 mm, khoảng cách phun 5 mm), vận tốc dòng khí tiếp xúc bề mặt giảm, dẫn đến nhiệt độ cực đại giảm sút nghiêm trọng xuống chỉ còn 253.8°C - 266.5°C.

Ngược lại, khi khoảng cách phun được khống chế ở mức 2 mm và chiều cao khối khí ở mức 5 mm, dòng khí nóng 400°C duy trì được động năng và áp suất cục bộ lớn, tạo nên dòng đối lưu cưỡng bức mãnh liệt ngay trên bề mặt kim loại. Việc bố trí 16 lỗ thoát khí (outlet) xung quanh chu vi giúp triệt tiêu hiện tượng ứ đọng khí nguội cục bộ, cho phép luồng khí nóng liên tục được nạp mới. Sự biến thiên nhiệt độ được minh chứng rõ nét qua các đồ thị phân bố đường nhiệt: gradient nhiệt độ chuyển tiếp mượt mà từ vùng trung tâm (nơi tiếp nhận trực tiếp luồng khí từ 2 inlet) lan tỏa đều ra 4 góc, ngăn chặn hiện tượng sốc nhiệt hoặc tập trung nhiệt cục bộ vốn là nguyên nhân gây cong vênh sản phẩm nhựa sau khi làm nguội.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả phân tích định lượng, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị kỹ thuật mang tính thực tiễn cao nhằm tối ưu hóa công nghệ ép phun:

• Chuẩn hóa thông số thiết kế tấm chắn khí cover: Áp dụng kết cấu cover kích thước 54x54 mm với 2 cổng nạp khí (inlet) và 16 cổng thoát khí (outlet), duy trì khoảng cách phun 2 mm và chiều cao buồng khí 5 mm cho các lòng khuôn diện tích tương đương. Mục tiêu là kiểm soát độ chênh lệch nhiệt độ toàn bề mặt lòng khuôn luôn dưới mức 27°C trong thời gian gia nhiệt 20 giây.
• Tối ưu hóa lựa chọn vật liệu và phương án liên kết cơ khí: Sử dụng vật liệu thép tiêu chuẩn để chế tạo cover nhằm tối ưu hóa chi phí gia công đơn chiếc, đảm bảo độ bền cơ học ở nhiệt độ vận hành 400°C. Lắp ráp cover với đầu phun thông qua liên kết trục ren tháo rời để tăng tính linh hoạt khi hoán đổi giữa các biên dạng lòng khuôn khác nhau, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng rò rỉ khí nóng qua khe hở lắp ghép.
• Tích hợp module gia nhiệt tự động vào chu kỳ máy ép phun: Thiết lập hệ thống điều khiển xilanh khí nén đồng bộ với chu kỳ mở - đóng khuôn của máy ép nhựa. Thời gian di chuyển module gia nhiệt vào/ra lòng khuôn cần được lập trình tự động hóa ở mức dưới 3 giây/chu kỳ nhằm đảm bảo áp suất khí nén cấp ổn định và hạn chế gia tăng thời gian chu kỳ tổng thể.
• Xây dựng quy trình mô phỏng nhiệt động lực học tiền chế tạo: Các doanh nghiệp khuôn mẫu cần ứng dụng phần mềm Ansys Workbench để tính toán phân bố nhiệt cho từng biên dạng cong (R0 đến R90 mm) trước khi gia công cơ khí chính xác, đặt mục tiêu giảm thiểu tỷ lệ phế phẩm đúc ép do thiếu liệu hoặc cong vênh xuống dưới mức 1.5% trong vòng 6 tháng đầu triển khai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

• Kỹ sư thiết kế và chế tạo khuôn mẫu ép nhựa: Nắm bắt quy chuẩn thiết kế hệ thống gia nhiệt ngoài khuôn, đặc biệt là thông số hình học của cover (inlet, outlet, khoảng cách phun) nhằm ứng dụng trực tiếp vào các bộ khuôn sản xuất chi tiết thành mỏng phức tạp.
• Chuyên viên kỹ thuật và quản lý vận hành nhà máy ép phun: Ứng dụng giải pháp gia nhiệt bằng khí nóng để khắc phục triệt để các lỗi sản phẩm thực tế như vết đường hàn, ứng suất dư, độ bóng bề mặt kém và tăng khả năng điền đầy lòng khuôn cho các dòng nhựa kỹ thuật cao như PP, ABS, PA.
• Nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên sau đại học ngành Cơ khí Chế tạo máy: Sử dụng dữ liệu thực nghiệm và phương pháp mô phỏng liên hợp CFD-HT trên Ansys Workbench làm tài liệu tham khảo học thuật chuyên sâu cho các đề tài phát triển công nghệ khuôn mẫu tiên tiến.
• Doanh nghiệp sản xuất linh kiện vi cơ điện tử, quang học và thiết bị y tế: Tiếp cận giải pháp công nghệ gia nhiệt hiệu quả với chi phí đầu tư thiết bị thấp, dễ tự động hóa nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh trong phân khúc đúc ép sản phẩm siêu mỏng dưới 0.1 mm.

Câu hỏi thường gặp

Gia nhiệt bằng khí nóng có ưu điểm gì nổi bật so với phương pháp gia nhiệt bằng điện trở hay nước nóng?
Phương pháp khí nóng cho tốc độ gia nhiệt nhanh hơn, kết cấu khuôn đơn giản hơn do không cần bố trí kênh dẫn nhiệt phức tạp trong thân khuôn, quá trình giải nhiệt sau ép diễn ra nhanh chóng, thiết bị gọn nhẹ và rất thuận lợi để tích hợp tự động hóa vào dây chuyền sản xuất hiện hữu.

Tại sao thiết kế cover 54x54 mm với 2 inlet và 16 outlet lại đạt hiệu quả nhiệt tối ưu nhất?
Quy cách này tạo ra buồng hòa trộn khí 5 mm tối ưu, giúp dòng khí nóng 400°C phân bố đối xứng từ 2 nguồn nạp. Hệ thống 16 cổng thoát giúp khí xả đều đặn, triệt tiêu vùng xoáy ứ đọng, duy trì nhiệt độ bề mặt đạt 313.1°C và thu hẹp mức chênh lệch nhiệt xuống chỉ còn 26.2°C.

Độ dày và bán kính cong của bề mặt lòng khuôn ảnh hưởng như thế nào đến sự phân bố nhiệt độ?
Khi chiều dày tấm gia nhiệt tăng từ 0.5 mm lên 0.75 mm, nhiệt độ bề mặt cực đại giảm khoảng 16.3% (từ 313.1°C xuống 262.0°C đối với mẫu R50). Bề mặt cong có bán kính R càng nhỏ (độ cong lớn) thì nhiệt độ tích tụ cục bộ càng cao, trong khi bề mặt phẳng (R0) phân bố nhiệt đều nhất khi dùng cover R90.

Vì sao luận văn lựa chọn vật liệu thép và mối ghép ren để chế tạo tấm chắn khí cover?
Cover không phải chịu tải trọng va đập lớn mà chỉ cần chịu nhiệt độ cao 400°C và dễ gia công cơ khí đơn chiếc với chi phí hợp lý. Mối ghép ren giữa cover và khối gia nhiệt giúp kết cấu cứng vững, linh hoạt thay thế và ngăn ngừa rò rỉ khí nóng ra môi trường.

Việc duy trì nhiệt độ lòng khuôn cao trong quá trình ép phun giúp xử lý những khuyết tật cụ thể nào?
Duy trì nhiệt độ khuôn cao hơn nhiệt độ chuyển pha thủy tinh của nhựa giúp hạn chế hình thành lớp đông cứng sớm, giảm áp lực phun cần thiết, triệt tiêu hiện tượng thiếu liệu ở sản phẩm thành mỏng dưới 0.1 mm, đồng thời loại bỏ vết đường hàn, giảm ứng suất dư và tăng độ bóng bề mặt.

Kết luận

• Luận văn đã nghiên cứu thành công giải pháp gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng từ ngoài khuôn kết hợp tấm chắn khí cover chuyên dụng, giải quyết triệt để nhược điểm thất thoát nhiệt của các phương pháp truyền thống.
• Xác lập cấu hình cover tối ưu kích thước 54x54 mm với 2 cổng nạp (inlet), 16 cổng thoát (outlet), khoảng cách phun 2 mm, giúp nhiệt độ lòng khuôn đạt trên 313°C và kiểm soát độ chênh lệch nhiệt độ ở mức 26.2°C.
• Khảo sát toàn diện quy luật phân bố trường nhiệt trên các dạng hình học lòng khuôn phức tạp (phẳng R0, cong R50, R75, R90 mm) và các cấp chiều dày từ 0.5 mm đến 1.0 mm theo tiêu chuẩn TCVN 2263-1:2007-m.
• Đóng góp cơ sở lý thuyết và dữ liệu mô phỏng CFD-HT chuẩn xác trên Ansys Workbench, mở ra hướng ứng dụng gia nhiệt hiệu quả cho công nghệ đúc ép sản phẩm nhựa siêu mỏng dưới 0.1 mm.
• Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tới, hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc chế tạo mẫu thực nghiệm, tích hợp hệ thống cảm biến đo nhiệt độ thời gian thực trên máy ép phun công nghiệp để chuyển giao công nghệ cho các nhà máy khuôn mẫu tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Sản phẩm nhựa hiện nay rất đa dạng, từ đơn giản đến phức tạp, từ kích thƣớc lớn đến kích thƣớc nhỏ. Với sự phát triển nhƣ hiện nay của xã hội, yêu cầu mới đƣợc đặt ra là việc chế tạo các sản phẩm nhựa bằng công nghệ ép phun với bề dày nhỏ hơn 0.1 mm nhƣ các chip sinh học, các thiết bị quang học… Trong quá trình điền nhựa vào khuôn đặc biệt với sản phẩm thành mỏng, những lớp nhựa tiếp xúc với cổng phun nhựa của khuôn (bề mặt cổng phun ở nhiệt độ thấp) sẽ đông lại. Quá trình đông lại ở bề mặc tiếp xúc với cổng phun nhựa sẽ làm giảm áp lực của dòng nhựa và hạn chế dòng chảy vào lòng khuôn làm cho nhựa sẽ không điền đầy đƣợc lòng khuôn. Để khắc phục đƣợc tình trạng đó cần tăng nhiệt độ bề mặt cổng phun nhựa lên một nhiệt độ phù hợp qua đó làm cho quá trình đông đặc lớp nhựa tiếp xúc với cổng phun giảm, mà không làm cho quá trình giải nhiệt sau khi ép tăng lên.

Hiện nay có rất nhiều phƣơng pháp gia nhiệt cho khuôn nhƣ: gia nhiệt bằng chất lỏng, gia nhiệt bằng điện trở, gia nhiệt bằng khí nóng.Trong đó phƣơng pháp gia nhiệt bằng chất lỏng và gia nhiệt bằng điện trở có những ƣu điểm nhất định và cũng có những khuyết điểm nhƣ sau: sau quá trình ép khuôn cần giải nhiệt với thời gian tƣơng đối dài, yêu cầu kết cấu khuôn phức tạp. Đối với phƣơng pháp gia nhiệt bằng khí nóng có rất nhiều ƣu điểm nhƣ 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 động hóa đƣợc. 1 Tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu phân bố nhiệt độ của lòng khuôn sau quá trình gia nhiệt bằng khí nóng từ ngoài khuôn” là vì: - Do nhận thấy phƣơng pháp gia nhiệt bằng khí nóng là một phƣơng pháp mới trong việc gia nhiệt khuôn. Nhƣng lại có khá nhiều hạn chế nhƣ hiệu suất gia nhiệt và vùng phân bố nhiệt chƣa đạt hiệu quả tối ƣu.

- Nên tôi đã quyết định thiết kế tấm chắn khí nhằm mục đích tăng hiệu quả gia nhiệt, bằng cách tập trung vùng không gian gia nhiệt lại trong vùng cần gia nhiệt, trên các bề mặt phức tạp (lồi, lõm, lồi và lõm) nhằm tăng nhiệt độ trên bề mặt và phân bố nhiệt đều hơn. - Trong quá trình nghiên cứu tôi cũng có tham khảo nhiều nghiên cứu trong nƣớc và ngoài nƣớc về phƣơng pháp gia nhiệt bằng khí nóng nhằm hiểu rõ hơn về phƣơng pháp, từ đó làm cơ sở vững chắc cho quá trình nghiên cứu sau này. Phƣơng pháp gia nhiệt cho khuôn phun ép bằng khí nóng 1. Đặc điểm của chất khí Chất khí là tập hợp các nguyên tử hay phân tử hay các hạt nói chung trong đó các hạt có thể tự do chuyển động trong không gian.

Chất khí là l tƣơng tác giữa các hạt rất yếu, và các hạt chủ yếu tƣơng tác với nhau qua va chạm ngẫu nhiên, hoặc với thành chứa. Các hạt chuyển động với tốc độ và hƣớng ngẫu nhiên, và các vận tốc của các hạt chỉ thay đổi đáng kể thông qua các va chạm ngẫu nhiên với nhau hoặc với thành vật chứa. Phƣơng trình trạng thái (đối với chất khí) là một mô hình toán học đƣợc sử dụng để mô tả hoặc dự đoán gần đúng các đặc tính trạng thái của chất khí. Hiện nay, không có một phƣơng trình trạng thái nào dự đoán chính xác các tính chất của tất cả các chất khí trong mọi điều kiện.

Phƣơng pháp gia nhiệt bằng khí nóng Phƣơng pháp gia nhiệt cho khuôn phun ép bằng khí nóng là phƣơng pháp mới. Phƣơng pháp này thực hiện nhƣ sau: Không khí đƣợc nén trong máy nén tạo áp lực, sau khi ra khỏi máy nén khí đƣợc đi qua khối thép đã đƣợc nung nóng. Khí đƣợc nung nóng trong khối thép này, khi khí đi ra khỏi khối gia nhiệt đƣợc phun trực tiếp lên bề mặt khuôn để gia nhiệt bề mặt khuôn.  Ƣu điểm của phƣơng pháp này: - Gia nhiệt nhanh chóng, linh hoạt, nhiều vị trí.

2 - Hệ thống đơn giản, và có thể tự động hóa.  Nhƣợc điểm: - Cần áp suất khí nén ổn định - Môi trƣờng làm việc ồn ào - Tốn thời gian cho mỗi chu kì ép vì module cần phải di chuyển. Do nhận thấy phƣơng pháp gia nhiệt bằng khí nóng là một phƣơng pháp mới trong việc gia nhiệt khuôn. Nhƣng lại có khá nhiều hạn chế nhƣ hiệu suất gia nhiệt và vùng phân bố nhiệt chƣa đạt hiệu quả tối ƣu.

Nên thiết kế tấm chắn khí (cover) nhằm mục đích tăng hiệu quả gia nhiệt, bằng cách tập trung vùng không gian gia nhiệt lại trong vùng cần gia nhiệt, nhằm tăng nhiệt độ và phân bố nhiệt đều hơn.1: Phƣơng pháp gia nhiệt bằng khí 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay nhu cầu gia nhiệt cho khuôn ép nhựa là rất cần thiết, việc gia nhiệt cho khuôn sẽ góp phần tăng năng suất và chất lƣợng sản phẩm, hỗ trợ máy ép phun hoạt động tốt hơn. Do nhiệt độ khuôn thấp thì lớp nguội của dòng nhựa (Frozen layer) sẽ dày hơn, từ đó, khả năng chảy của dòng nhựa sẽ bị hạn chế. Đây là một trong những nguyên nhân chủ yếu làm giảm khả năng điền đầy lòng khuôn của nhựa.

Trong đó, rất nhiều vấn đề về ép nhƣ: đƣờng hàn, độ bóng bề mặt, ứng suất dƣ, độ co rút có thể trở nên nghiêm trọng khi 3 nhiệt độ khuôn thấp và phân phối nhiệt không đồng đều. Khi nhiệt độ khuôn cao có thể giảm bớt hoặc loại bỏ đƣợc rất nhiều các vấn đề về ép. Hiện nay gia nhiệt cho khuôn bằng khí nóng là phƣơng pháp phổ biến đã đƣợc nhiều nƣớc đã và đang nghiên cứu. Hiệu quả gia nhiệt là khá tốt nhƣng chƣa đạt hiệu quả tối ƣu.

Nên tôi đã đã quyết định chọn đề tài “nghiên cứu phân bố nhiệt độ của lòng khuôn sau quá trình gia nhiệt bằng khí nóng từ ngoài khuôn” để tăng hiệu quả cho quá trình gia nhiệt. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Với thực tế là hiện nay, các sản phẩm đƣợc thiết kế và phát triển theo xu hƣớng nhẹ hơn, nhỏ hơn, mỏng hơn. Do đó, quá trình phun ép các sản phẩm dạng này đang đối mặt với các thử thách lớn nhƣ: yêu cầu về máy ép, kết cấu khuôn, thông số phun ép, vật liệu nhựa, cũng nhƣ các qui trình phun ép mới…Trong những vấn đề này, hạn chế hiệu tƣợng dòng nhựa bị mất nhiệt trong quá trình chảy vào lòng khuôn mang ý nghĩa quan trọng trong quá trình phun ép.

Nếu trong suốt quá trình nhựa điền đầy khuôn, nhiệt độ khuôn có thể duy trì ở giá trị cao hơn nhiệt độ chuyển pha của vật liệu nhựa (glass transition temperature), quá trình phun ép sẽ có những ƣu điểm nhƣ: áp suất cần để phun ép nhựa đầy lòng khuôn sẽ giảm, khả năng điền đầy khuôn sẽ tăng hơn, ngoài ra, chất lƣợng sản phẩm nhựa cũng đƣợc tăng cao. Nên việc áp dụng thêm các phƣơng pháp gia nhiệt là điều tất yếu. Đặc biệt là phƣơng pháp gia nhiệt bằng khí nóng, hiện tại đang là 1 trong những phƣơng pháp mang lại hiệu quả tuyệt vời và đƣợc nhiều nƣớc hiện đang nghiên cứu. Nên việc tôi quyết định thiết kế, mô phỏng, thử nghiệm các mẫu “cover” để xem ảnh hƣởng của nó đến nhiệt độ cũng nhƣ phân bố nhiệt độ đến bề mặt lòng khuôn là rất cần thiết.

Ngoài ra trong quá trình thí nghiệm và mô phỏng ta sẽ kết luận đƣợc các yếu tố nào ảnh hƣởng đến kết quả gia nhiệt về nhiệt độ và sự phân bố của bề mặt lòng khuôn. Từ đó ta tiến hành thiết kế 1 mẫu cover cho 1 sản phẩm thực nghiệm sao cho đạt đƣợc kết quả tốt nhất. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. - Nghiên cứu, thiết kế hình dáng cover ảnh hƣởng đến phân bố nhiệt độ của lòng khuôn sau quá trình gia nhiệt bằng khí nóng từ ngoài khuôn - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến nhiệt độ và phân bố nhiệt khi có cover.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Do những điều kiện khách quan cũng nhƣ chủ quan mà đề tài chỉ nghiên cứu trong phạm vi giới hạn sau: - Tấm gia nhiệt có kích thƣớc là 50mmx50mmxTmm, nhiệt độ đầu vào là 4000C, thời gian gia nhiệt là 20 s.1: Các thông số quy cách cần nghiên cứu của tấm gia nhiệt Bề mặt lòng khuôn (mm) T (mm) R lõm R lồi R (lõm + lồi) 0.0 0;50;75;90 0;50;75;90 0;50;75;90 - Đề tài nghiên cứu chủ yếu các yếu tố ảnh hƣởng đến nhiệt độ và phân bố nhiệt nhƣ khoảng cách phun khí, thể tích chứa khí, số lƣợng và vị trí phân bố lỗ thoát khí trên cover vuông. Phƣơng pháp nghiên cứu. - Nhằm mục đích tìm ra quy luật ảnh hƣởng của các yếu tố nhƣ khoảng cách phun khí, thể tích chứa khí, số lƣợng và vị trí phân bố lỗ thoát khí trên cover vuông.

Đề tài sẽ nghiên cứu các vấn đề sau:  Nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu các lý thuyết về công nghệ ép phun.  Nghiên cứu phƣơng pháp mô phỏng gia nhiệt trên phần mềm Ansys Workbench 14.  Nghiên cứu phƣơng pháp phân tích: Phân tích những dữ liệu mô phỏng và đƣa ra kết quả để nhận xét. - Các bƣớc nghiên cứu:  Thiết kế các mẫu cover cho phép ta khảo sát các yếu tố trên.

 Mô phỏng trên phần mềm Ansys nhằm dự đoán kết quả thí nghiệm.  Nghiên cứu kết quả mô phỏng về nhiệt độ và phân bố nhiệt. Nhằm đƣa ra kết luận về các yếu tố ảnh hƣởng đến nhiệt độ và phân bố nhiệt trong quá trình gia nhiệt có “cover”. 5 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUY T 2.

Tổng quan về khuôn ép nhựa Khuôn là cụm gồm nhiều chi tiết lắp với nhau để tạo thành một bộ khuôn hoàn chỉnh. Sản phẩm đƣợc tạo hình giữa 2 phần khuôn, khoảng trống giữa 2 phần đó là hình dạng của sản phẩm cần tạo. [1] Khuôn là dụng cụ (thiết bị) dùng để tạo hình sản phẩm theo phƣơng pháp định hình. Khuôn đƣợc thiết kế và chế tạo để sử dụng cho một số lƣợng chu trình nào đó, có thể là một lần cũng có thể là nhiều lần.[1] Khuôn bao gồm hai phần chính: - Phần cavity (khuôn cái, khuôn cố định): đƣợc gá lên tấm cố định của máy ép nhựa.

[1] - Phần core (khuôn đực, khuôn di động): đƣợc gá lên tấm di động của máy ép nhựa.1: Khuôn âm và khuôn dƣơng ở trạng thái đóng.