Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu phân bố nhiệt của tấm khuôn dương với hệ thống kênh dẫn xoắn ốc

Nghiên cứu phân bố nhiệt tấm khuôn dương với hệ thống kênh dẫn xoắn ốc trong quá trình gia nhiệt, ứng dụng trong công nghệ chế tạo.

• Tác giả: Trần Ngọc Hiệp
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Sơn Minh
• Trường học: Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Phân Bố Nhiệt Tấm Khuôn Dương Với Kênh Dẫn Xoắn Ốc Trong Gia Nhiệt
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Ngành nhựa ở nước ta
• 1.2. Công nghệ sản xuất nhựa
• 1.3. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.5. Mục đích nghiên cứu đề tài
• 1.6. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài
• 1.7. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ ÉP PHUN VÀ QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG KHUÔN ÉP PHUN NHỰA
• 2.1. Công nghệ ép phun
• 2.2. Hệ thống nhiệt trong khuôn ép phun
• 2.3. Hệ thống gia nhiệt trong khuôn ép phun
• 2.3.1. Gia nhiệt bằng nước nóng
• 2.3.2. Gia nhiệt bằng dầu nóng
• 2.3.3. Gia nhiệt bằng hơi nước
• 2.3.4. Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ
• 2.4. Hệ thống giải nhiệt trong khuôn ép phun
• 2.4.1. Giải nhiệt bằng nước hoặc hỗn hợp ethylene glycol và nước
• 2.4.2. Giải nhiệt bằng khí
• 2.5. Yêu cầu hệ thống nhiệt trong khuôn ép phun
• 2.6. Các chi tiết cần giải nhiệt của khuôn trong quá trình ép phun
• 2.6.1. Làm nguội cho lõi khuôn và lòng khuôn
• 2.7. Thiết kế hệ thống kênh giải nhiệt
• 2.7.1. Bố trí hệ thống kênh giải nhiệt trong lòng khuôn
• 2.7.1.1. Bố trí theo từng kênh riêng biệt
• 2.7.1.2. Bố trí kiểu vòng một cấp
• 2.7.1.3. Bố trí kiểu vòng nhiều cấp
• 2.7.2. Hệ thống giải nhiệt cho khuôn dương
• 2.7.2.1. Hệ thống vách phẳng và vách xoắn giải nhiệt
• 2.7.2.2. Hệ thống vòi phun
• 2.7.2.3. Hệ thống lỗ nghiêng
• 2.7.2.4. Hệ thống xoắn ốc
• 2.7.2.5. Chốt giải nhiệt
• 2.8. Các yếu tố ảnh hưởng đến chu kỳ ép phun
• 2.8.1. Hình dạng và kích thước sản phẩm
• 2.8.2. Bề dày sản phẩm
• 2.8.3. Vật liệu nhựa
• 2.8.4. Kiểu dáng và kích thước của cổng phun và runner
• 2.8.5. Vật liệu chế tạo khuôn
• 3. CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT
• 3.1. Các phương thức trao đổi nhiệt
• 3.2. Trao đổi nhiệt đối lưu
• 3.2.1. Quá trình đối lưu
• 3.3. Trao đổi nhiệt bức xạ
• 3.4. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng
• 3.5. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT CỦA TẤM KHUÔN DƯƠNG VỚI HỆ THỐNG KÊNH DẪN XOẮN ỐC
• 4.1. Thay đổi số vòng xoắn của kênh dẫn
• 4.2. Thay đổi độ lớn tiết diện kênh dẫn
• 4.3. Thay đổi vật liệu khuôn
• 5. CHƯƠNG 5: THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
• 5.1. Thí nghiệm gia nhiệt và giải nhiệt
• 5.2. Mô hình khuôn dương
• 5.3. Cảm biến nhiệt độ
• 5.4. Đồng hồ đo nhiệt độ
• 5.5. Một số dụng cụ hỗ trợ
• 5.6. Cài đặt thông số mô phỏng
• 5.7. Phương pháp thí nghiệm
• 5.8. Xử lí kết quả và nhận xét
• 5.9. Khuôn dương vật liệu thép
• 5.10. Khuôn dương vật liệu nhôm
• 5.11. Khuôn dương vật liệu đồng
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Kết quả đạt được
• 6.2. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu phân bố nhiệt tấm khuôn dương

Nghiên cứu phân bố nhiệt tấm khuôn dương với kênh dẫn xoắn ốc trong gia nhiệt là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ sản xuất nhựa. Việc hiểu rõ về phân bố nhiệt giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Tấm khuôn dương đóng vai trò quan trọng trong việc định hình sản phẩm nhựa, do đó, việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ của tấm khuôn là cần thiết.

1.1. Ý nghĩa của việc nghiên cứu phân bố nhiệt

Nghiên cứu này giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến phân bố nhiệt trong tấm khuôn dương, từ đó cải thiện hiệu suất gia nhiệt và giảm thời gian sản xuất.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến phân bố nhiệt

Các yếu tố như độ lớn tiết diện kênh dẫn, khoảng cách giữa các vòng xoắn ốc và vật liệu làm khuôn đều có ảnh hưởng lớn đến phân bố nhiệt trong tấm khuôn dương.

II. Vấn đề và thách thức trong gia nhiệt tấm khuôn dương

Gia nhiệt tấm khuôn dương gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc duy trì nhiệt độ đồng đều. Công nghệ gia nhiệt hiện tại chưa đáp ứng được yêu cầu về thời gian và hiệu suất. Việc cải thiện hiệu suất gia nhiệt là một trong những mục tiêu chính của nghiên cứu này.

2.1. Thách thức trong việc duy trì nhiệt độ

Việc duy trì nhiệt độ đồng đều trong tấm khuôn dương là một thách thức lớn, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm nhựa.

2.2. Giải pháp cải thiện hiệu suất gia nhiệt

Nghiên cứu đề xuất các giải pháp như tối ưu hóa thiết kế kênh dẫn và lựa chọn vật liệu phù hợp để cải thiện hiệu suất gia nhiệt.

III. Phương pháp nghiên cứu phân bố nhiệt tấm khuôn dương

Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc sử dụng phần mềm mô phỏng để phân tích phân bố nhiệt trong tấm khuôn dương. Mô hình được thiết kế trên phần mềm Creo 2.0 và phân tích trên Ansys CFX 2015. Phương pháp này cho phép đánh giá chính xác ảnh hưởng của các yếu tố đến nhiệt độ tấm khuôn.

3.1. Thiết kế mô hình khuôn dương

Mô hình khuôn dương được thiết kế với hệ thống kênh dẫn xoắn ốc nhằm tối ưu hóa phân bố nhiệt.

3.2. Phân tích mô phỏng trên phần mềm Ansys

Sử dụng Ansys CFX để mô phỏng và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố đến nhiệt độ tấm khuôn dương trong quá trình gia nhiệt.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa thiết kế kênh dẫn xoắn ốc có thể cải thiện đáng kể phân bố nhiệt trong tấm khuôn dương. Các ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này có thể giúp nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa và giảm chi phí sản xuất.

4.1. Kết quả phân tích nhiệt độ tấm khuôn

Kết quả cho thấy sự thay đổi trong thiết kế kênh dẫn có ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ tấm khuôn dương, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất nhựa

Nghiên cứu này có thể được áp dụng trong quy trình sản xuất nhựa, giúp nâng cao hiệu suất gia nhiệt và giảm thời gian sản xuất.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu phân bố nhiệt tấm khuôn dương với kênh dẫn xoắn ốc mở ra nhiều hướng phát triển mới trong công nghệ sản xuất nhựa. Việc cải thiện phân bố nhiệt không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giúp tiết kiệm chi phí sản xuất.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa thiết kế kênh dẫn có thể cải thiện đáng kể phân bố nhiệt trong tấm khuôn dương.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Nghiên cứu có thể mở rộng để khám phá thêm các vật liệu mới và công nghệ tiên tiến nhằm cải thiện hơn nữa hiệu suất gia nhiệt.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành sản xuất sản phẩm nhựa tại Việt Nam duy trì tốc độ tăng trưởng trung bình từ 15% đến 20% mỗi năm trong giai đoạn 2000–2010. Số lượng doanh nghiệp hoạt động trong ngành tăng từ 1.200 công ty vào năm 2010 lên khoảng 2.200 công ty vào thời điểm thực hiện đề tài. Kim ngạch xuất khẩu của ngành năm 2014 đạt 3 tỷ USD, ghi nhận mức tăng bình quân hơn 29%/năm tính từ năm 2009 sang các thị trường lớn như Mỹ, Nhật Bản và châu Âu. Mức tiêu thụ nhựa bình quân theo đầu người tại Việt Nam có sự gia tăng liên tục qua các giai đoạn: từ 1 kg/năm (1989) lên 22 kg/năm (2008), đạt 35 kg/năm (2013) và được dự báo đạt 45 kg/năm vào năm 2020. Mặc dù sở hữu ba nhóm công nghệ gia công chủ lực gồm ép phun, đùn thổi và sản xuất thanh Profile, ngành nhựa trong nước vẫn đối mặt với áp lực cạnh tranh về giá thành, chất lượng và sự phụ thuộc lớn vào nguồn nguyên liệu hạt nhựa nhập khẩu.

Trong chu trình công nghệ ép phun—gồm bốn giai đoạn: kẹp khuôn (clamping), phun keo (injection), giải nhiệt/làm nguội (cooling) và mở khuôn đẩy sản phẩm (ejection)—giai đoạn giải nhiệt chiếm tỷ trọng lớn nhất, dao động từ 70% đến 80% tổng thời gian chu kỳ. Sự phân bố nhiệt lượng không đồng đều trong lòng khuôn dẫn đến hàng loạt khuyết tật nghiêm trọng trên sản phẩm nhựa như co rút không đều, vết lõm bề mặt, rỗ khí bên trong, tích tụ ứng suất dư và biến dạng cong vênh hình học. Việc kiểm soát trường nhiệt độ, đặc biệt tại khu vực tấm khuôn dương (lõi khuôn) vốn có điều kiện giải nhiệt khó khăn hơn khuôn âm, đóng vai trò quyết định đến năng suất gia công và chất lượng sản phẩm hoàn thiện.

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu quy luật phân bố nhiệt độ của tấm khuôn dương trang bị hệ thống kênh dẫn dạng xoắn ốc trong quá trình gia nhiệt và giải nhiệt, từ đó đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số hình học và vật liệu đến hiệu quả truyền nhiệt.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài gồm năm nội dung cụ thể:

1. Tìm hiểu công nghệ ép phun và ảnh hưởng của hệ thống nhiệt đến chu trình ép phun sản phẩm nhựa.
2. Tìm hiểu các phương pháp gia nhiệt và giải nhiệt cho khuôn ép phun, đặc biệt là phương pháp gia nhiệt/giải nhiệt bằng môi chất lỏng (nước nóng).
3. Nghiên cứu ảnh hưởng của độ lớn tiết diện kênh dẫn đến quá trình gia nhiệt và giải nhiệt của khuôn dương.
4. Nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ kênh dẫn (số vòng xoắn, bước xoắn) đến quá trình gia nhiệt và giải nhiệt của khuôn dương.
5. Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu chế tạo khuôn đến quá trình gia nhiệt và giải nhiệt của khuôn dương.

Đối tượng nghiên cứu là trường nhiệt độ và quá trình trao đổi nhiệt tại tấm khuôn dương có tích hợp hệ thống kênh dẫn môi chất dạng xoắn ốc. Phạm vi nghiên cứu bị giới hạn về mặt biên dạng hình học kênh dẫn (chỉ khảo sát kênh dẫn có tiết diện hình vuông), giới hạn về chủng loại vật liệu chế tạo tấm khuôn dương (gồm thép carbon C45, hợp kim nhôm A6061 và đồng thau C3602/C6032), và được hoàn thành tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh vào tháng 04 năm 2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng tổng hợp cơ sở lý thuyết công nghệ ép phun nhựa và các định luật truyền nhiệt cơ bản trong kỹ thuật nhiệt môi chất:

• Lý thuyết chu trình ép phun: Phân tích động học quá trình điền đầy lòng khuôn của dòng nhựa nóng chảy và cơ chế đông đặc dưới tác động của sự tản nhiệt qua thành khuôn.
• Cơ sở lý thuyết truyền nhiệt: Khảo sát ba phương thức trao đổi nhiệt chính gồm dẫn nhiệt qua thành rắn (dựa trên tương tác dao động phân tử, mạng tinh thể kim loại và electron tự do), trao đổi nhiệt đối lưu giữa dòng môi chất tuần hoàn và thành kênh dẫn (đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức), và trao đổi nhiệt bức xạ từ vỏ khuôn ra môi trường không khí. Phân tích trạng thái truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng và truyền nhiệt qua vách tường ống trụ tròn/ống xoắn.
• Nghiên cứu kế thừa: Tác giả tiếp thu các kết quả nghiên cứu conformal cooling của Jonathan Meckley và Robert Edwards (so sánh insert thép P20 tiêu chuẩn và insert S4 tạo mẫu nhanh với đường làm lạnh biên dạng thích hợp), kỹ thuật tối ưu hóa kênh làm mát bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) của D. Miani, cùng phương pháp điều khiển nhiệt độ khuôn bằng giải nhiệt xung động dòng chảy mô phỏng trên Moldex 3D của nhóm nghiên cứu Phạm Sơn Minh và Đỗ Thành Trung (giảm thời gian giải nhiệt từ 15 giây xuống 3 giây trên mẫu thanh Tensile Bar dày 2 mm).

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp giữa mô phỏng số trên máy tính và thí nghiệm kiểm chứng vật lý trên mô hình thực tế:

• Thiết kế hình học 3D: Toàn bộ kết cấu khuôn dương, lõi khuôn và đường dẫn xoắn ốc được dựng hình tham số hóa bằng phần mềm CAD Creo 2.0.
• Mô phỏng nhiệt số trị: Dữ liệu mô hình hình học từ Creo được xuất sang môi trường CAE Ansys CFX 2015 để thiết lập bài toán truyền nhiệt dòng chảy (CFD), chia lưới thể tích hữu hạn, gán điều kiện biên nhiệt động cho dòng nước và bề mặt tiếp xúc kim loại nhằm khảo sát trường nhiệt độ phân bố theo thời gian.
• Thực nghiệm kiểm chứng: Gia công chế tạo khuôn dương vật lý trên máy công cụ, bố trí các cảm biến nhiệt độ và đồng hồ đo chuyên dụng để thu thập dữ liệu nhiệt độ thực tế tại hai vị trí xác định trên khuôn; mỗi trạng thái đo được lặp lại 5 lần để tính toán giá trị trung bình thống kê.
• Nguồn dữ liệu: Toàn bộ thông số nhiệt vật lý của vật liệu (hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, khối lượng riêng), thông số mô phỏng và số liệu đo thực nghiệm được tổng hợp trực tiếp từ quá trình tính toán trên Ansys CFX và hệ thống đo thực tế của phòng thí nghiệm Cơ khí.

Thiết kế và triển khai mô hình kỹ thuật

Hệ thống điều khiển nhiệt độ khuôn dương được triển khai dưới dạng lõi khuôn trụ kết hợp hệ thống rãnh xoắn ốc dẫn chất lỏng giải nhiệt/gia nhiệt:

Thuộc tính vật liệu	Hệ số dẫn nhiệt ($W/m\cdot K$)	Nhiệt dung riêng ($J/kg\cdot K$)	Khối lượng riêng ($kg/m^3$)
Thép carbon C45	54	502,416	7800
Nhôm A6061	205	921,096	2700
Đồng thau C3602 (C6032)	401	376,812	8900

Đặc tính thiết kế kết cấu kênh dẫn xoắn ốc:

• Kênh xoắn ốc được thiết kế bám theo bề mặt vách côn của lõi khuôn trụ (đường kính lõi lớn hơn 50 mm), tạo dòng xoáy cưỡng bức bao quanh toàn bộ chiều cao làm việc của tấm khuôn dương. Tiết diện kênh dẫn khảo sát là biên dạng hình vuông.
• Chế độ thủy động học: Kênh dẫn được định hướng gia công bề mặt để kích thích dòng chảy rối của môi chất lỏng. Dòng chảy rối tăng cường khả năng truyền nhiệt đối lưu gấp 3 đến 5 lần so với dòng chảy tầng thông thường.
• Cấu trúc làm kín: Tấm đỡ lõi khuôn được lắp đệm kín cao su chữ O (O-ring) và băng keo non chuyên dụng nhằm ngăn ngừa triệt để hiện tượng rò rỉ áp suất và thất thoát môi chất gia nhiệt/làm mát ra khỏi hệ thống buồng ép.

Hệ thống thực nghiệm và thiết bị đo:

• Mô hình khuôn thực nghiệm bao gồm ba cụm khuôn dương được chế tạo riêng biệt tương ứng với ba vật liệu: Thép carbon C45, Hợp kim nhôm A6061 và Đồng thau C3602. Phần lõi khuôn trung tâm được chế tạo đồng nhất bằng thép C45. Cụm khuôn được định vị và liên kết cơ khí bằng hệ thống bu lông lục giác chìm M5.
• Thiết bị đo lường: Hai cảm biến đo nhiệt độ được bố trí cố định tại hai điểm phân bố chuẩn trên bề mặt khuôn dương, ký hiệu là điểm đỉnh PT (Point Top) và điểm đáy PB (Point Bottom). Tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến được kết nối trực tiếp đến đồng hồ đo hiển thị số để ghi nhận sự biến thiên của nhiệt độ thành khuôn theo chu kỳ thời gian. Môi chất sử dụng tuần hoàn qua bơm và bộ điều nhiệt trung tâm là nguồn nước nóng/lạnh với chênh lệch nhiệt độ duy trì trong ngưỡng kiểm soát 2–3°C giữa cổng vào và cổng ra.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan

Chương này phân tích vị thế kinh tế của ngành nhựa Việt Nam với tốc độ tăng trưởng sản lượng giai đoạn 2000–2010, cơ cấu mặt hàng sản xuất (đồ đóng gói, đồ gia dụng, vật liệu xây dựng, thiết bị điện - điện tử, phụ tùng giao thông). Tác giả so sánh nguyên lý hoạt động của ba công nghệ sản xuất nhựa phổ biến gồm công nghệ ép phun, công nghệ đùn thổi (thổi màng tạo màng bao bì PE, PP, PVC cán màng) và công nghệ sản xuất thanh Profile (ống nhựa PVC, PE, tấm trần, khung cửa). Chương dẫn giải tính cấp thiết về việc nâng cao năng suất và giảm chi phí chu kỳ ép khuôn trong bối cảnh giá hạt nhựa phụ thuộc vào nhập khẩu; công bố mục đích, 5 nhiệm vụ, giới hạn phạm vi nghiên cứu; phân tích tổng quan các công trình nghiên cứu ngoài nước (Jonathan Meckley & Robert Edwards, D. Miani) và trong nước (Phạm Sơn Minh & Đỗ Thành Trung); đồng thời thiết lập sơ đồ khối quy trình phương pháp nghiên cứu tổng thể từ mô phỏng CAD/CAE đến thực nghiệm vật lý.

Chương II: Công nghệ ép phun và quá trình điều khiển nhiệt độ trong khuôn ép phun nhựa

Chương trình bày hệ thống hóa chu trình ép phun bốn giai đoạn (đóng kẹp khuôn, bơm keo, làm lạnh, mở khuôn đẩy sản phẩm) cùng các đặc tính công nghệ của phương pháp ép phun. Nội dung tập trung phân tích sâu hệ thống nhiệt khuôn ép:

• Hệ thống gia nhiệt: Đánh giá bốn giải pháp kỹ thuật gồm gia nhiệt bằng nước nóng tuần hoàn (điều khiển qua điện trở nhiệt), gia nhiệt bằng dầu nóng, gia nhiệt bằng hơi nước (khó kiểm soát áp suất và nhiệt độ trên khuôn kênh nguội), và gia nhiệt bằng hiện tượng cảm ứng điện từ trên bề mặt tấm nung.
• Hệ thống giải nhiệt: Khảo sát nguyên lý vận hành của hệ thống làm mát bằng nước, bằng dung dịch hỗn hợp ethylene glycol kết hợp nước, và giải nhiệt tự nhiên bằng không khí qua bức xạ nhiệt. Phân tích chi tiết quy chuẩn làm nguội cho lòng khuôn, lõi khuôn và các kết cấu chốt định vị (dùng khí, chốt tản nhiệt vật liệu đồng-beryllium, hoặc ống dẫn nhiệt tản nhiệt hai pha chứa môi chất đối lưu tuần hoàn khép kín).
• Bố trí kênh dẫn: So sánh ba cấu hình bố trí kênh làm mát trong khuôn âm (kênh riêng biệt, dạng vòng một cấp, dạng vòng nhiều cấp).
• Giải nhiệt cho khuôn dương: Phân tích ưu nhược điểm của các dạng kết cấu tản nhiệt cho lõi khuôn dương gồm hệ thống vách phẳng, vách xoắn chia dòng tạo dòng rối (tối đa không quá 4 vách ngăn), hệ thống vòi phun đơn/đa vòi, hệ thống lỗ khoan nghiêng và lỗ bậc (giới hạn chiều dài gia công tối đa 150 mm để tránh sai số cơ khí), hệ thống xoắn ốc cho lõi trụ đường kính trên 50 mm, và thanh chốt dẫn nhiệt. Cuối chương đánh giá ảnh hưởng đồng thời của hình học sản phẩm, bề dày thành nhựa, hệ số nhiệt dung riêng của nhựa, kết cấu cổng phun/runner và thuộc tính nhiệt vật lý của vật liệu khuôn (C45, A6061, C3602/C6032) đến chu kỳ sản xuất.

Chương III: Lý thuyết truyền nhiệt

Chương cung cấp cơ sở toán học và vật lý mô tả quá trình trao đổi năng lượng nhiệt:

• Cơ chế dẫn nhiệt: Mô tả tương tác động năng vi mô giữa các phân tử, nguyên tử dao động và sự dịch chuyển của mạng electron tự do trong lòng cấu trúc kim loại rắn; giải thích sự suy giảm độ dẫn nhiệt trong chất lỏng và chất khí do khoảng cách tương tác phân tử thưa thớt hơn chất rắn.
• Cơ chế đối lưu: Khảo sát hiện tượng tỏa nhiệt bề mặt giữa thành kênh khuôn và dòng chất lỏng lưu thông, phân định trạng thái đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức dưới áp lực bơm đẩy.
• Cơ chế bức xạ nhiệt và cân bằng nhiệt vách: Thiết lập phương trình truyền nhiệt đẳng nhiệt một chiều qua cấu trúc tường phẳng đồng chất và quá trình truyền dẫn nhiệt đẳng nhiệt qua vách tường ống trụ nhiều lớp.

Chương IV: Mô phỏng và phân tích quá trình gia nhiệt của tấm khuôn dương với hệ thống kênh dẫn xoắn ốc

Chương trình bày toàn bộ quy trình thiết lập bài toán số và kết quả mô phỏng trên phần mềm Ansys CFX 2015 cho khuôn dương xoắn ốc. Tác giả tiến hành ba nhóm kịch bản khảo sát tham số:

• Khảo sát biến thiên số vòng xoắn (bước xoắn): Đánh giá sự thay đổi trường nhiệt độ và vận tốc dòng môi chất khi thay đổi mật độ số vòng kênh xoắn ốc trên chiều cao lõi khuôn.
• Khảo sát biến thiên độ lớn tiết diện kênh dẫn: Đánh giá ảnh hưởng của việc tăng giảm kích thước cạnh tiết diện kênh vuông đến tổn thất áp suất và khả năng gia nhiệt bề mặt khuôn dương.
• Khảo sát biến thiên vật liệu khuôn: Mô phỏng phân bố nhiệt độ trên khuôn dương và trong thể tích khối nước ở cuối chu trình gia nhiệt và cuối chu trình giải nhiệt khi gán các đặc tính vật liệu lần lượt là thép C45, hợp kim nhôm A6061 và đồng C3602.
• Dữ liệu trích xuất: Vẽ đồ thị đường cong nhiệt độ biến thiên theo thời gian tại hai vị trí kiểm tra chuẩn là điểm đáy PB (Point Bottom) và điểm đỉnh PT (Point Top) trên bề mặt tấm khuôn dương.

Chương V: Thí nghiệm và phân tích kết quả

Chương mô tả chi tiết phương pháp tổ chức đo đạc thực tế nhằm thẩm tra kết quả mô phỏng số:

• Chuẩn bị mô hình: Chế tạo cơ khí hoàn chỉnh ba bộ khuôn dương thực nghiệm từ vật liệu nhôm A6061, đồng thau C3602 và thép C45, ghép nối cùng cụm lõi thép C45, sử dụng gioăng đệm, bu lông M5 và băng keo non làm kín rãnh dẫn.
• Bố trí đo: Lắp đặt hệ thống cảm biến nhiệt độ tiếp xúc bề mặt tại hai tọa độ PT và PB; kết nối dây dẫn đến đồng hồ đo nhiệt độ hiện số.
• Quy trình lấy mẫu: Thực hiện chu trình gia nhiệt và giải nhiệt thực tế qua hệ thống cấp nước; tiến hành đo lặp lại 5 lần độc lập cho từng loại vật liệu khuôn để loại trừ sai số ngẫu nhiên, lập bảng số liệu tính toán giá trị nhiệt độ trung bình 5 lần đo.
• So sánh đối chứng: Xây dựng các đồ thị phân bố nhiệt độ kết hợp giữa đường biểu diễn mô phỏng (Ansys CFX) và đường biểu diễn thực nghiệm theo trục thời gian tại hai điểm PB và PT cho khuôn thép C45, khuôn nhôm A6061 và khuôn đồng C3602; đưa ra các nhận xét định lượng về sự tương đồng và độ lệch pha nhiệt giữa tính toán lý thuyết và vận hành thực tế.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương tổng kết các phát hiện khoa học chính của đồ án về quy luật truyền nhiệt trong khuôn dương xoắn ốc, đánh giá mức độ tin cậy của mô hình số mô phỏng trên Ansys CFX so với số liệu thực nghiệm đo đạc, và vạch ra các định hướng nghiên cứu tiếp theo để mở rộng đề tài.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu mang lại các kết quả định lượng cụ thể về trường nhiệt độ khuôn ép phun:

• Làm sáng tỏ quy luật truyền nhiệt của kênh xoắn ốc: Xác định rõ mức độ ảnh hưởng của bước xoắn (mật độ vòng xoắn), kích thước tiết diện kênh dẫn hình vuông và thuộc tính vật liệu đến tốc độ gia nhiệt/giải nhiệt cũng như sự đồng đều nhiệt độ tại hai điểm quan sát PT (đỉnh) và PB (đáy).
• So sánh hiệu năng truyền nhiệt theo vật liệu: Số liệu mô phỏng và thực nghiệm 5 lần đo khẳng định sự chi phối trực tiếp của hệ số dẫn nhiệt vật liệu ($k$). Khuôn đồng thau C3602 ($k = 401\ W/m\cdot K$) và khuôn nhôm A6061 ($k = 205\ W/m\cdot K$) cho tốc độ truyền nhiệt và độ đồng đều nhiệt độ bề mặt vượt trội hơn đáng kể so với khuôn thép carbon C45 tiêu chuẩn ($k = 54\ W/m\cdot K$).
• Kiểm chứng mô hình mô phỏng số: Đồ thị đối sánh nhiệt độ theo thời gian tại hai điểm PT và PB giữa mô phỏng Ansys CFX 2015 và thực nghiệm đo đạc thực tế có sự tương quan chặt chẽ về xu hướng gia nhiệt và giải nhiệt, chứng minh tính khả thi của quy trình mô phỏng CFD trong tính toán thiết kế khuôn nhiệt.

Về mặt giải pháp kỹ thuật, đề tài cung cấp phương án kết cấu chi tiết cho hệ thống làm mát khuôn dương dạng xoắn ốc côn đối với các chi tiết trụ có đường kính trên 50 mm, chỉ ra giải pháp duy trì trạng thái dòng chảy rối trong kênh dẫn để tối ưu hóa hệ số truyền nhiệt đối lưu mà vẫn kiểm soát được độ kín khít nhờ đệm cao su và băng keo non.

Đóng góp mới của tác giả so với các nghiên cứu trước đây là đã kết hợp khảo sát đồng thời cả ba yếu tố công nghệ (tiết diện kênh, số vòng xoắn ốc và vật liệu khuôn) trên cùng một cấu trúc khuôn dương dạng xoắn ốc, thiết lập quy trình tích hợp giữa thiết kế CAD (Creo 2.0), phân tích phần tử hữu hạn dòng chảy/nhiệt (Ansys CFX 2015) và thẩm định độc lập qua mô hình thực nghiệm 5 lần đo trên ba nhóm vật liệu kim loại thông dụng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được tác giả ghi nhận xuất phát từ giới hạn thời gian và kinh phí thực hiện:

• Biên dạng hình học của kênh dẫn mới chỉ dừng lại ở khảo sát tiết diện hình vuông, chưa đối chiếu so sánh với các dạng hình học tiết diện khác như hình tròn, bán nguyệt hay elip.
• Phạm vi vật liệu thí nghiệm giới hạn trong ba loại gồm thép C45, hợp kim nhôm A6061 và đồng thau C3602.
• Bài toán thực nghiệm mới tập trung vào quá trình gia nhiệt và giải nhiệt của môi chất trên khối kim loại khuôn dương độc lập tại hai vị trí kiểm tra PT và PB, chưa tích hợp trực tiếp chu trình ép phun đầy đủ với dòng nhựa nóng chảy thực tế trên máy ép phun công nghiệp để khảo sát hiện tượng co rút và biến dạng của chi tiết nhựa hoàn thiện.

Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài:

• Nghiên cứu mở rộng sự ảnh hưởng của các dạng biên dạng tiết diện kênh dẫn khác nhau (tròn, tam giác, biên dạng phức hợp) đến trường nhiệt độ và trở lực thủy lực của dòng chảy.
• Mở rộng phạm vi khảo sát sang các loại vật liệu và hợp kim làm khuôn chuyên dụng khác.
• Lắp đặt bộ khuôn hoàn chỉnh tích hợp hệ thống kênh xoắn ốc lên máy ép phun công nghiệp, thực hiện ép thử nghiệm các chi tiết sản phẩm nhựa thực tế để đánh giá toàn diện chu trình sản xuất, độ co ngót và độ biến dạng hình học của sản phẩm nhựa.

Giá trị tham khảo

Đề tài cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị ứng dụng rõ ràng cho các nhóm đối tượng:

• Kỹ sư thiết kế và chế tạo khuôn mẫu: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về kết cấu cơ khí, kích thước và phương pháp bố trí gioăng đệm làm kín cho các lõi khuôn dương hình trụ đường kính lớn sử dụng rãnh xoắn ốc; hỗ trợ lựa chọn vật liệu khuôn (thép, nhôm, đồng) tối ưu theo yêu cầu chu kỳ ép.
• Học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Cơ khí chế tạo máy, Cơ kỹ thuật, Công nghệ kỹ thuật khuôn mẫu: Tài liệu mẫu về quy trình nghiên cứu khoa học thực nghiệm kết hợp công cụ số, từ bước dựng hình CAD tham số (Creo 2.0) sang thiết lập mô phỏng động lực học chất lưu và truyền nhiệt (Ansys CFX), đến quy trình chế tạo mẫu và đo đạc nhiệt độ bằng cảm biến tiếp xúc.
• Phần đáng tham khảo nhất: Bảng tổng hợp thuộc tính truyền nhiệt của các vật liệu khuôn tại Chương II và quy trình tổ chức kiểm chứng thực nghiệm đo đạc đối chiếu với dữ liệu phân tích số tại Chương V.

Câu hỏi thường gặp

Giai đoạn giải nhiệt chiếm bao nhiêu phần trăm tổng thời gian của một chu kỳ ép phun nhựa? Theo văn bản, giai đoạn giải nhiệt (làm nguội) chiếm thời gian lớn nhất trong chu kỳ ép phun, ước tính khoảng 70% (và có thể lên đến 70%–80%) tổng thời gian của một chu kỳ sản xuất sản phẩm nhựa.

Ba thông số nhiệt vật lý nào của vật liệu làm khuôn chi phối trực tiếp đến quá trình truyền nhiệt? Ba thông số nhiệt vật lý của vật liệu chế tạo khuôn được xác định gồm: Khối lượng riêng ($kg/m^3$), Nhiệt dung riêng ($J/kg\cdot K$) và Hệ số dẫn nhiệt ($W/m\cdot K$). Trong đó, hệ số dẫn nhiệt là thông số có ảnh hưởng rõ rệt nhất đến tốc độ và hiệu quả truyền nhiệt của tấm khuôn.

Hai điểm đo kiểm tra nhiệt độ trên mô hình khuôn dương được bố trí ở đâu và có ký hiệu là gì? Hai điểm đo nhiệt độ trên khuôn dương được ký hiệu là PT (Point Top - điểm nằm ở phần đỉnh của khuôn dương) và PB (Point Bottom - điểm nằm ở phần đáy của khuôn dương).

Nghiên cứu sử dụng những phần mềm chuyên dụng nào trong quá trình thiết kế và phân tích số? Nghiên cứu sử dụng phần mềm Creo 2.0 để thiết kế mô hình hình học 3D của khuôn dương và kênh dẫn xoắn ốc, sau đó chuyển dữ liệu sang phần mềm Ansys CFX 2015 để thực hiện chia lưới, mô phỏng số bài toán dòng chảy và truyền nhiệt.

Tại sao dòng chảy rối trong kênh dẫn làm nguội lại được ưu tiên hơn so với dòng chảy tầng? Dòng chảy rối của môi chất trong kênh làm mát được ưu tiên vì nó tăng cường khả năng trao đổi nhiệt đối lưu bề mặt tốt hơn từ 3 đến 5 lần so với dòng chảy tầng không rối, giúp rút ngắn thời gian làm mát của khuôn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp cao học của tác giả Trần Ngọc Hiệp đã giải quyết bài toán điều khiển nhiệt độ tấm khuôn dương trong công nghệ ép phun nhựa thông qua việc nghiên cứu hệ thống kênh dẫn môi chất dạng xoắn ốc. Bằng việc kết hợp phương pháp mô phỏng số trị trên Ansys CFX 2015 và đo đạc thực nghiệm trên ba hệ vật liệu thép C45, nhôm A6061 và đồng thau C3602, nghiên cứu đã chứng minh rõ vai trò chi phối của hệ số dẫn nhiệt vật liệu, mật độ bước xoắn và tiết diện kênh dẫn đến sự phân bố trường nhiệt độ tại hai điểm đỉnh (PT) và đáy (PB). Các kết quả đạt được cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật tin cậy cho công tác thiết kế, gia công khuôn ép phun nâng cao năng suất và rút ngắn thời gian chu kỳ sản xuất nhựa công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I TỔNG QUAN 1. Ngành nhựa ở nước ta Đất nước ta đang trên đà phát triển, mỗi người công dân chúng ta đều mong muốn Việt Nam sẽ trở thành một đất nước phát triển và để đạt được điều ấy đất nước ta đã đặt ra các mục tiêu, chiến lược để phát triển kinh tế. Trong đó, ngành nhựa là một trong những ngành đã đóng góp nhiều vào sự phát triển kinh tế ở nước ta. Ngành sản xuất sản phẩm nhựa là một trong những ngành công nghiệp đang phát triển nhanh nhất tại Việt Nam, tốc độ tăng trưởng trung bình trong 10 năm trở lại đây là 15 – 20%[12].

Năm 2010 cả nước có 1,200 công ty nhựa đến nay đã tăng lên khoảng 2,200 công ty. Thị trường xuất khẩu chính hiện nay là Nhật, Mỹ và một số nước Châu Âu. Năm 2014, kim ngạch xuất khẩu ngành đạt 3 tỷ USD, tăng bình quân hơn 29%/năm kể từ 2009, ngành nhựa sẽ đứng trước cơ hội rất lớn để phát triển hoạt động xuất khẩu[11]. Việt Nam sản xuất rất nhiều chủng loại sản phẩm nhựa bao gồm sản phẩm đóng gói, đồ gia dụng, vật liệu xây dựng, thiết bị điện và điện tử, linh kiện xe máy, ô tô và các linh kiện phục vụ cho ngành viễn thông và giao thông vận tải, cơ cấu sản phẩm nhựa ở Việt Nam được thể hiện thông qua biểu đồ sau[11].

Cơ cấu ngành nhựa Việt Nam 1 Kể từ năm 2000 trở lại đây, ngành công nghiệp sản xuất nhựa của Việt Nam đã duy trì tốc độ tăng trưởng cao nhờ tiêu dùng trong nước và xuất khẩu khẩu tăng mạnh. Tiêu thụ nhựa bình quân theo đầu người tại Việt Nam năm 1989, mỗi người Việt Nam chỉ tiêu thụ nhựa ở mức 1 kg/năm; năm 2008 con số này là 22 kg/năm và năm 2013 là 35kg/năm. Năm 2020, mức tiêu thụ này được dự đoán sẽ tiếp tục tăng lên 45kg/năm[11]. Tốc độ tăng trưởng sản lượng nhựa Việt Nam giai đoạn 2000-2010 (đơn vị: nghìn tấn) Chính nhờ những chuyển biến tốt đẹp ấy của ngành nhựa mà có thể tự tin rằng ngành nhựa sẽ nhanh chóng khẳng vị thế trong tương lai, đồng thời cùng với các ngành công nghiệp khác, ngành nhựa góp phần đưa nền kinh tế của đất nước ta phát triển đến một tầm cao mới.

Để ngành nhựa có thể phát triển theo như mong đợi, yêu cầu mõi con người chúng ta cần có ý thức hơn nữa trong quá trình lao động sản xuất, đặc biệt những tầng lớp trí thức, những cá nhân, tập thể đặc biệt quan tâm đến ngành nhựa cần cố gắng phấn đấu hơn nữa để nghiên cứu tìm ra những phương án tốt nhất, những công nghệ tốt nhất để cải thiện ngành nhựa trên mọi mặt, đặt biệt cải thiện máy móc, chất lượng sản phẩm nhựa. Bên cạnh đó sự quan tâm của chính phủ là điều không thể thiếu để tạo điều kiện thuận lợi cho ngành nhựa phát triển thật mạnh trong nước và xuất khẩu ra nước ngoài. Công nghệ sản xuất nhựa Ngày nay các sản phẩm nhựa không còn lạ đối với mõi người chúng ta, các doanh nghiệp nhựa hình thành ngày càng nhiều. Không những cung cấp đủ nhu cầu tiêu dùng của người dân trong nước mà còn xuất khẩu.

Sản phẩm nhựa ở nước ta rất đa dạng và phong phú , để có được sản phẩm nhựa phong phú như vậy nước ta đã sở hữu nhiều công nghệ sản xuất nhựa tiên tiến, nhưng phổ biết nhất là ba công nghệ chính:  Công nghệ ép phun: là công nghệ phun nhựa dẻo vào lòng khuôn và chờ khi nhựa nguội, đông cứng sẽ được hình dạng sản phẩm. Công nghệ này được sử dụng để làm các thành phần nhựa và phụ tùng cho các thiết bị điện tử, điện lực, xe máy và ngành công nghiệp ô tô…[20] Hình 1.