Nghiên cứu phân bố nhiệt của lòng khuôn phun ép cho sản phẩm khay sim

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu phân bố nhiệt của lòng khuôn phun ép cho sản phẩm khay sim với phương pháp gia nhiệt, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Lê Văn Sự
• Người hướng dẫn: Ts Đỗ Thành Trung
• Trường học: Trường 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 phun ép cho sản phẩm khay sim bằng phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ với khoảng cách giữa bề mặt khuôn và cuộn dây gia nhiệt cảm ứng điện từ, thời gian gia nhiệt thay đổi.
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP.HCM

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Các kết quả nghiên cứu
• 1.3. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.4. Mục tiêu đề tài – Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.1. Mục tiêu đề tài
• 1.4.2. Đối tượng nghiên cứu
• 1.5. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài
• 1.5.1. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.5.2. Giới hạn đề tài
• 1.6. Cách tiếp cận – Phương pháp nghiên cứu
• 1.6.1. Cách tiếp cận
• 1.6.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Kế hoạch thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Các phương pháp gia nhiệt
• 2.2. Giới thiệu về phương pháp gia nhiệt cảm ứng điện từ
• 2.3. Lý thuyết cảm ứng điện từ ứng dụng để gia nhiệt
• 2.3.1. Thí nghiệm và kết luận Faraday
• 2.3.2. Định luật Lenz
• 2.3.3. Định luật cơ bản về cảm ứng điện từ
• 2.4. Đặc điểm của quá trình cảm ứng điện từ
• 2.5. Hiệu ứng bề mặt
• 2.6. Thiết kế cuộn dây gia nhiệt
• 2.7. Công nghệ ép phun
• 2.8. Lý thuyết truyền nhiệt. Trao đổi nhiệt đối lưu
• 2.9. Lý thuyết vật liệu nhựa dùng trong công nghệ ép phun
• 2.9.1. Các tính chất của Polymer
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG – THỰC NGHIỆM
• 3.1. Mô phỏng quá trình gia nhiệt cảm ứng điện từ
• 3.2. Thực nghiệm gia nhiệt bằng cảm ứng từ
• 3.2.1. Phương án thực nghiệm
• 3.2.2. Thiết bị thực nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Kết quả mô phỏng gia nhiệt
• 4.1.1. Biểu đồ tại những khoảng cách 3, 5, 7, 9 mm
• 4.1.2. Bảng hình ảnh phân bố nhiệt độ được mô phỏng
• 4.2. Kết quả thực nghiệm gia nhiệt
• 4.3. So sánh gia nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm
• 4.4. So sánh Δt (0C) giữa thực nghiệm và mô phỏng
• 4.5. Sản phẩm ép thử từ việc gia nhiệt khay sim
• 4.5.1. Ép với nhựa PP
• 4.5.2. Ép với nhựa ABS
• 4.5.3. Ép với nhựa PA
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng phát triển
• PHỤ LỤC 1: THỐNG KÊ SỐ LIỆU MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu phân bố nhiệt trong khuôn phun ép khay sim

Nghiên cứu phân bố nhiệt trong khuôn phun ép khay sim bằng gia nhiệt cảm ứng là một lĩnh vực đang thu hút sự quan tâm lớn trong ngành công nghiệp chế tạo. Với sự phát triển của công nghệ, việc tối ưu hóa quá trình gia nhiệt khuôn phun ép không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu thời gian sản xuất. Phương pháp gia nhiệt cảm ứng điện từ đang nổi lên như một giải pháp hiệu quả, cho phép kiểm soát nhiệt độ chính xác và nhanh chóng.

1.1. Lý do chọn nghiên cứu phân bố nhiệt trong khuôn phun ép

Nhu cầu về sản phẩm nhựa ngày càng tăng, đặc biệt là các sản phẩm có kích thước nhỏ và mỏng như khay sim. Việc duy trì nhiệt độ khuôn ở mức tối ưu trong quá trình phun ép là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu này nhằm tìm hiểu cách thức phân bố nhiệt trong khuôn phun ép khay sim, từ đó đưa ra các giải pháp cải thiện hiệu suất sản xuất.

1.2. Các kết quả nghiên cứu trước đây về gia nhiệt khuôn

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc gia nhiệt khuôn bằng cảm ứng điện từ có thể cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt sản phẩm. Các nghiên cứu trước đây đã sử dụng các phương pháp mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của phương pháp này, tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được giải quyết để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu phân bố nhiệt khuôn phun ép

Mặc dù phương pháp gia nhiệt cảm ứng điện từ mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc áp dụng vào thực tế. Các vấn đề như độ chính xác trong việc kiểm soát nhiệt độ, sự phân bố nhiệt không đồng đều và thời gian gia nhiệt vẫn cần được nghiên cứu kỹ lưỡng.

2.1. Thách thức trong việc kiểm soát nhiệt độ khuôn

Việc duy trì nhiệt độ ổn định trong khuôn phun ép là một thách thức lớn. Nhiệt độ không đồng đều có thể dẫn đến các khuyết tật trong sản phẩm, do đó cần có các giải pháp hiệu quả để kiểm soát nhiệt độ trong suốt quá trình sản xuất.

2.2. Vấn đề về thời gian gia nhiệt và hiệu suất

Thời gian gia nhiệt là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chu kỳ sản xuất. Cần nghiên cứu để xác định thời gian gia nhiệt tối ưu nhằm giảm thiểu thời gian sản xuất mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm.

III. Phương pháp gia nhiệt cảm ứng điện từ trong khuôn phun ép

Phương pháp gia nhiệt cảm ứng điện từ đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo. Phương pháp này cho phép gia nhiệt nhanh chóng và hiệu quả, giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu thời gian sản xuất.

3.1. Nguyên lý hoạt động của gia nhiệt cảm ứng

Gia nhiệt cảm ứng hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, trong đó dòng điện được tạo ra trong cuộn dây sẽ sinh ra nhiệt độ khi tương tác với vật liệu dẫn điện. Nguyên lý này cho phép gia nhiệt nhanh chóng và chính xác.

3.2. Ưu điểm của phương pháp gia nhiệt cảm ứng

Phương pháp gia nhiệt cảm ứng có nhiều ưu điểm như tốc độ gia nhiệt nhanh, khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác và dễ dàng tích hợp vào quy trình sản xuất hiện tại. Điều này giúp nâng cao hiệu suất sản xuất và giảm chi phí.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu phân bố nhiệt trong khuôn phun ép

Nghiên cứu phân bố nhiệt trong khuôn phun ép khay sim bằng gia nhiệt cảm ứng không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp chế tạo. Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng để cải thiện quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

4.1. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng trong sản xuất

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng phương pháp gia nhiệt cảm ứng có thể cải thiện đáng kể chất lượng sản phẩm khay sim. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiệt độ bề mặt khuôn có thể đạt được giá trị tối ưu trong thời gian ngắn, từ đó nâng cao hiệu suất sản xuất.

4.2. Tác động đến chất lượng sản phẩm

Việc kiểm soát nhiệt độ khuôn một cách chính xác giúp giảm thiểu các khuyết tật trong sản phẩm, từ đó nâng cao chất lượng bề mặt và độ bền của sản phẩm khay sim. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

V. Kết luận và hướng phát triển trong nghiên cứu phân bố nhiệt

Nghiên cứu phân bố nhiệt trong khuôn phun ép khay sim bằng gia nhiệt cảm ứng điện từ đã chỉ ra nhiều tiềm năng trong việc cải thiện quy trình sản xuất. Tuy nhiên, vẫn cần tiếp tục nghiên cứu để giải quyết các vấn đề còn tồn tại và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

5.1. Kết luận về nghiên cứu

Nghiên cứu đã xác định được mối quan hệ giữa thời gian gia nhiệt, khoảng cách giữa cuộn dây và bề mặt khuôn với nhiệt độ phân bố. Kết quả cho thấy rằng việc áp dụng phương pháp gia nhiệt cảm ứng có thể mang lại nhiều lợi ích cho quy trình sản xuất.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển các giải pháp gia nhiệt hiệu quả hơn, đồng thời mở rộng ứng dụng của phương pháp gia nhiệt cảm ứng trong các lĩnh vực khác nhau của ngành công nghiệp chế tạo.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp chế tạo khuôn mẫu và gia công chất dẻo hiện đại, xu hướng vi mô hóa các linh kiện điện tử đòi hỏi độ chính xác kích thước cực cao với chiều dày thành sản phẩm mỏng từ 0,3 mm đến 0,8 mm. Quá trình phun ép các chi tiết siêu mỏng này đang đối mặt với thử thách lớn do hiện tượng nhựa nóng chảy bị đông đặc sớm khi tiếp xúc với thành khuôn nguội, dẫn đến hàng loạt khuyết tật nghiêm trọng như điền đầy không hoàn toàn, đường hàn rõ nét, ứng suất dư và biến dạng cong vênh. Khi nhiệt độ bề mặt lòng khuôn được duy trì cao hơn nhiệt độ chuyển pha dẻo của polymer, khả năng điền đầy vi mô tăng lên rõ rệt và độ bóng bề mặt được cải thiện trên 90%. Tuy nhiên, các phương pháp gia nhiệt truyền thống thường làm nóng toàn bộ khối khuôn, kéo dài thời gian làm nguội và khiến chu kỳ ép phun tăng từ 30% đến 50%, làm đội chi phí sản xuất.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là khảo sát và tối ưu hóa trường phân bố nhiệt độ trên bề mặt lòng khuôn ép phun cho sản phẩm khay sim điện thoại Sony Xperia Z5 bằng phương pháp gia nhiệt cảm ứng điện từ tần số cao. Luận văn tập trung đánh giá động học truyền nhiệt và quy luật phân bố nhiệt độ khi thay đổi khoảng cách từ cuộn dây đến bề mặt khuôn cùng thời gian cấp nhiệt. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trên bộ khuôn thép chuẩn kích thước 150 x 150 x 25 mm trong thời gian từ tháng 01/2016 đến tháng 10/2017 tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa công nghệ đột phá, cho phép gia nhiệt bề mặt lòng khuôn đạt 120 °C chỉ trong 7 giây, rút ngắn chu kỳ làm mát và nâng cao chất lượng sản phẩm chi tiết mỏng đạt độ điền đầy 100%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng vững chắc của thuyết cảm ứng điện từ Faraday và định luật cảm ứng Lenz. Khi cấp nguồn điện xoay chiều cao tần vào cuộn dây sơ cấp, từ trường biến thiên cường độ lớn sinh ra dòng điện xoáy Foucault tập trung trên bề mặt tấm khuôn kim loại đóng vai trò cuộn thứ cấp ngắn mạch. Nhờ hiệu ứng bề mặt, mật độ dòng điện tập trung cao nhất ở lớp vỏ ngoài và giảm dần theo chiều sâu thâm nhập, giúp nhiệt lượng sinh ra tức thì tại vùng lòng khuôn mà không làm nóng toàn bộ kết cấu thép.

Bên cạnh đó, phương trình vi phân truyền nhiệt Fourier và lý thuyết trao đổi nhiệt đối lưu được ứng dụng để mô tả quá trình truyền dẫn năng lượng nhiệt từ bề mặt vào thân khuôn và quá trình làm nguội cưỡng bức bằng lưu chất nước. Các khái niệm nhiệt động học then chốt bao gồm điện trở suất, độ ngấm từ của vật liệu sắt từ, hệ số dẫn nhiệt của thép khuôn 8000 kg/m3 và nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh của các loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng như Polypropylene, Acrylonitrile Butadiene Styrene và Polyamide.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được tổng hợp từ quy trình mô phỏng số đa vật lý kết hợp thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình thực tế. Cỡ mẫu nghiên cứu sử dụng tấm khuôn thép kích thước chuẩn 150 x 150 x 25 mm tích hợp biên dạng khay sim điện thoại, kết hợp cuộn dây cảm ứng bằng ống đồng tròn đường kính 6 mm gồm 3 vòng uốn với bước cách 5 mm. Phương pháp chọn mẫu thử nghiệm được thiết kế theo quy hoạch thực nghiệm trực giao, khảo sát 4 mức khoảng cách cuộn dây gồm 3 mm, 5 mm, 7 mm, 9 mm và 5 mốc thời gian gia nhiệt gồm 3 s, 5 s, 7 s, 10 s, 15 s.

Luận văn lựa chọn phương pháp phân tích phần tử hữu hạn trên phần mềm Comsol Multiphysics với các thông số nguồn dòng 1000 A và tần số 20 kHz vì khả năng mô phỏng liên hợp điện từ và nhiệt động học có độ chính xác cao. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 4 vị trí đo nhiệt độ đại diện trên lòng khuôn thông qua cảm biến nhiệt tiếp xúc và súng đo nhiệt hồng ngoại có độ nhạy cao. Quá trình nghiên cứu được triển khai theo 5 giai đoạn chặt chẽ từ tháng 01/2016 đến tháng 10/2017, đảm bảo tính lặp lại và kiểm soát sai số giữa mô phỏng và thực tế dưới 5%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nhiệt độ bề mặt lòng khuôn tăng trưởng phi tuyến tính theo dạng hàm bậc hai theo thời gian gia nhiệt. Khi tăng thời gian nung từ 3 giây lên 15 giây, nhiệt độ bề mặt tăng nhanh chóng từ mức nhiệt độ môi trường ban đầu 34 °C lên vượt ngưỡng 160 °C.

Thứ hai, khoảng cách giữa cuộn dây gia nhiệt và bề mặt lòng khuôn là yếu tố quyết định mật độ từ thông và tốc độ phát sinh nhiệt. Tại khoảng cách 5 mm, nhiệt độ phân bố tương đối đồng đều nhất trên toàn bộ khu vực khay sim và đạt giá trị tối ưu 120 °C tại thời điểm 7 giây. Khi khoảng cách tăng lên 9 mm, cường độ từ trường suy giảm mạnh khiến tốc độ truyền nhiệt giảm hơn 45% so với khoảng cách 5 mm. Ngược lại, ở khoảng cách 3 mm, nhiệt lượng có xu hướng tập trung quá mức cục bộ tại các đỉnh biên dạng.

Thứ ba, thử nghiệm ép phun thực tế với 3 loại vật liệu nhựa gồm Polypropylene, Acrylonitrile Butadiene Styrene và Polyamide chứng minh rằng khi gia nhiệt khuôn lên 120 °C trong 7 giây, các chi tiết khay sim siêu mỏng đạt độ điền đầy 100%, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng thiếu liệu, không xuất hiện bavia và triệt tiêu đường hàn nhìn thấy bằng mắt thường so với mẫu ép không qua gia nhiệt cảm ứng.

Thứ tư, phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ chứng minh ưu thế vượt trội về mặt tốc độ khi đạt mức tăng nhiệt xấp xỉ 12,3 °C/s, cao gấp 4 lần so với phương pháp gia nhiệt hồng ngoại vốn mất 15 giây và vượt trội hơn 20 lần so với phương pháp gia nhiệt bằng nước nóng truyền thống vốn cần đến 192 giây để đạt 120 °C.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý giải thích cho sự gia nhiệt thần tốc này xuất phát từ hiện tượng dòng điện xoáy tập trung cục bộ tại lớp bề mặt vài micromet nhờ tần số làm việc 20 kHz. Do năng lượng nhiệt chỉ truyền vào lớp bề mặt mỏng, lượng nhiệt tích tụ trong khối thân khuôn 150 x 150 x 25 mm là rất thấp, tạo điều kiện cho hệ thống kênh nước làm mát 34 °C hạ nhiệt độ khuôn nhanh chóng chỉ trong vài giây sau khi hoàn tất giai đoạn ép phun.

Kết quả của đề tài hoàn toàn tương thích và mở rộng các công bố quốc tế của nhóm tác giả tại Đại học Chung Yuan Christian, nơi từng ghi nhận khả năng tăng nhiệt từ 60 °C lên 140 °C trong 3,5 giây trên các mẫu rãnh vi mô phẳng. Trong nghiên cứu này, tác giả đã tiến thêm một bước khi tích hợp thành công trên bề mặt lòng khuôn 3D phức tạp của chi tiết khay sim. Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị biến thiên nhiệt độ tại 4 vị trí đo cùng các bảng ảnh nhiệt màu 3D trích xuất từ phần mềm Comsol, minh chứng sự tương đồng về xu hướng và giá trị với sai lệch nhiệt độ trung bình chỉ dao động từ 2 °C đến 5 °C.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa thiết kế module gia nhiệt cảm ứng điện từ: Các kỹ sư thiết kế khuôn cần áp dụng cấu hình cuộn dây ống đồng tiết diện tròn 6 mm với bước vòng 5 mm và duy trì khoảng cách làm việc cố định 5 mm so với bề mặt lòng khuôn. Giải pháp này giúp các doanh nghiệp khuôn mẫu chế tạo hệ thống gia nhiệt đính kèm độc lập, nâng cao hiệu suất truyền nhiệt lên trên 85% mà không cần can thiệp thay đổi cấu trúc cơ khí của bộ khuôn hiện hữu trong vòng 3 tháng chuyển giao công nghệ.

Thứ hai, tích hợp quy trình mô phỏng Comsol Multiphysics vào khâu R&D: Bộ phận kỹ thuật tại các nhà máy sản xuất khuôn cần thiết lập quy trình tính toán phân bố nhiệt điện từ trước khi gia công cơ khí chính xác. Việc áp dụng mô hình toán học dự báo với tần số 20 kHz và cường độ 1000 A sẽ giúp giảm ít nhất 30% chi phí chế tạo mẫu thử và rút ngắn 50% thời gian hiệu chỉnh khuôn thực tế trong lộ trình 6 tháng triển khai.

Thứ ba, đồng bộ hóa chu trình điều khiển nhiệt độ tự động: Đơn vị vận hành xưởng ép nhựa cần lắp đặt hệ thống van điều khiển tự động liên động giữa máy gia nhiệt cao tần và bộ điều nhiệt khuôn bằng nước 34 °C. Chu trình vận hành cần lập trình chính xác thời gian gia nhiệt 7 giây để đạt 120 °C trước khi bơm nhựa và kích hoạt giải nhiệt nước ngay sau giai đoạn duy trì áp, đảm bảo duy trì tổng chu kỳ ép dưới 25 giây cho mỗi sản phẩm.

Thứ tư, mở rộng ứng dụng trên các dòng polymer kỹ thuật cao: Khuyến nghị các doanh nghiệp chế tạo linh kiện điện tử và quang học thử nghiệm áp dụng công nghệ gia nhiệt bề mặt cảm ứng cho các dòng nhựa kỹ thuật cao cấp như Polycarbonate, Polyoxymethylene hoặc Polyphenylsulfone trong 12 tháng tới nhằm khai thác tối đa khả năng điền đầy vi mô và nâng cao cơ tính sản phẩm xuất khẩu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thiết kế khuôn mẫu và công nghệ ép phun: Luận văn cung cấp toàn bộ cơ sở tính toán kích thước cuộn dây đồng 6 mm, khoảng cách gia nhiệt 5 mm và phương trình hồi quy phân bố nhiệt, giúp kỹ sư thiết kế module nung nóng lòng khuôn chính xác mà không tốn chi phí thử nghiệm sai hỏng.

Bộ phận quản lý sản xuất và R&D ngành nhựa kỹ thuật: Tài liệu là cẩm nang hữu ích giúp tối ưu hóa chu trình ép các linh kiện điện tử mỏng dưới 1 mm, giảm tỷ lệ phế phẩm do khuyết tật đường hàn và cong vênh từ mức 8% xuống dưới 1%, đồng thời tiết kiệm hơn 40% điện năng tiêu thụ so với sưởi điện trở.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học cơ khí: Đề tài là nguồn tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn đa vật lý trên Comsol với quy trình đo nhiệt thực nghiệm 4 điểm tiếp xúc, phục vụ đắc lực cho công tác giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu.

Chủ doanh nghiệp phụ trợ sản xuất thiết bị di động và viễn thông: Luận văn mở ra giải pháp công nghệ nâng cao năng lực cạnh tranh, giúp doanh nghiệp tự chủ sản xuất các chi tiết nhựa chính xác cao đạt tiêu chuẩn cung ứng cho các tập đoàn công nghệ toàn cầu.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ có ưu điểm gì vượt trội so với gia nhiệt bằng điện trở truyền thống?

Phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ chỉ tập trung năng lượng tại lớp vỏ bề mặt lòng khuôn nhờ hiệu ứng bề mặt ở tần số 20 kHz, giúp tăng nhiệt từ 34 °C lên 120 °C chỉ trong 7 giây. Cách làm này tiết kiệm trên 40% điện năng và hỗ trợ hệ thống làm mát hạ nhiệt nhanh chóng hơn hẳn gia nhiệt điện trở khối.

Tại sao khoảng cách 5 mm giữa cuộn dây gia nhiệt và bề mặt lòng khuôn được xem là thông số tối ưu nhất?

Tại khoảng cách 5 mm, mật độ từ trường đạt trạng thái cân bằng lý tưởng, giúp trường nhiệt độ phân bố đồng đều khắp 4 vị trí đo trên bề mặt khay sim. Khoảng cách 3 mm gây quá nhiệt cục bộ tại các góc nhọn, trong khi khoảng cách 7 mm và 9 mm làm giảm tốc độ truyền nhiệt từ 25% đến 45%.

Hệ thống gia nhiệt cảm ứng từ có đòi hỏi phải thay đổi toàn bộ kết cấu bộ khuôn sẵn có không?

Hệ thống gia nhiệt cảm ứng từ được thiết kế như một module đính kèm độc lập bên ngoài. Cuộn dây cảm ứng được cơ cấu chấp hành đưa vào lòng khuôn khi mở khuôn và rút ra tự động trong khoảng 1 đến 2 giây trước khi đóng khuôn phun nhựa, hoàn toàn không làm thay đổi kết cấu cơ khí của bộ khuôn gốc.

Luận văn đã kiểm chứng thực nghiệm thành công trên những loại vật liệu nhựa nào?

Nghiên cứu đã thử nghiệm ép thực tế chi tiết khay sim Sony Xperia Z5 trên 3 loại polymer nhiệt dẻo là Polypropylene, Acrylonitrile Butadiene Styrene và Polyamide. Cả 3 loại nhựa khi ép ở nhiệt độ khuôn gia nhiệt 120 °C đều cho sản phẩm hoàn thiện bóng đẹp, điền đầy 100% và không bị khuyết tật đường hàn.

Chiều sâu lớp gia nhiệt trên bề mặt khuôn phụ thuộc vào các yếu tố vật lý nào?

Chiều sâu thâm nhập nhiệt phụ thuộc vào điện trở suất, độ ngấm từ của mác thép làm khuôn và tần số của dòng điện xoay chiều. Khi duy trì tần số nguồn cao ở mức 20 kHz, dòng điện cảm ứng bị đẩy sát ra lớp biên ngoài cùng, tạo hiệu quả nung nóng bề mặt cực nhanh mà không làm nóng lõi khuôn.

Kết luận

• Luận văn đã xác lập thành công quy luật biến thiên nhiệt độ bề mặt lòng khuôn theo hàm bậc hai theo thời gian dưới tác động của dòng cảm ứng từ cao tần 20 kHz.
• Xác định khoảng cách tối ưu giữa cuộn dây và bề mặt khuôn là 5 mm, cho phép bề mặt lòng khuôn khay sim đạt 120 °C đồng đều chỉ sau 7 giây cấp nguồn 1000 A.
• Ứng dụng thành công công nghệ trên sản phẩm thực tế khay sim Sony Xperia Z5 với 3 loại vật liệu Polypropylene, Acrylonitrile Butadiene Styrene và Polyamide, triệt tiêu hoàn toàn khuyết tật điền đầy.
• Xây dựng mô hình mô phỏng số Comsol Multiphysics có độ chính xác cao với sai số kiểm chứng thực nghiệm dưới 5% tại 4 vị trí đo nhiệt độ đại diện.
• Khẳng định tính khả thi của giải pháp module gia nhiệt cảm ứng độc lập, bảo toàn kết cấu khuôn ép nguyên bản và nâng cao hiệu quả kinh tế.

Đóng góp quan trọng nhất của luận văn là mở ra hướng đi mới trong việc làm chủ công nghệ gia nhiệt bề mặt khuôn ép phun cho các chi tiết thành mỏng phức tạp tại Việt Nam. Trong lộ trình 6 đến 12 tháng tiếp theo, công nghệ này cần được tự động hóa hoàn toàn trên dây chuyền công nghiệp và mở rộng nghiên cứu cho các bề mặt lòng khuôn 3D có độ cong lớn. Các doanh nghiệp và kỹ sư ngành khuôn mẫu hãy nhanh chóng tham khảo tài liệu để ứng dụng các thông số tối ưu vào thực tiễn sản xuất, tạo bước đột phá về chất lượng và năng suất cho sản phẩm nhựa kỹ thuật cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.HCM, ngày 28 tháng 10 năm 2017 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Lê Văn Sự ii LỜI CẢM ƠN Một đề tài nghiên cứu không thể thành công nếu không có sự trợ giúp kết hợp với nỗ lực cố gắng của ngƣời nghiên cứu. Do đó, tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ của: Ban giám hiệu Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Qúy thầy cô Khoa Cơ khí chế tạo máy.TS Đỗ Thành Trung cùng toàn thể Quý Thầy Cô đã dạy và hƣớng dẫn nhiệt tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian theo học tại trƣờng.

Các bạn kỹ sƣ đồng nghiệp đã động viên ủng hộ tinh thần. Tuy thời gian thực hiện đề tài là 6 tháng nhƣng do lƣợng kiến thức để phục vụ cho công tác nghiên cứu và thực hiện đề tài lại đòi hỏi một lƣợng kiến thức sâu rông nên quá trình thực hiện đề tài gặp nhiều khó khăn và hạn chế. Tuy vậy, với sự hƣớng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi của Thầy PGS.TS Đỗ Thành Trung và các bạn đồng nghiệp, tôi đã lĩnh hội đƣợc rất nhiều kiến thức mới, bổ ích để phục vụ cho ngành kỹ thuật cơ khí và công tác nghiên cứu sau khi ra trƣờng. Vì vậy, một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và các bạn.

Xin chúc quý thầy cô cùng toàn thể các bạn luôn dồi dào sức khoẻ và thành công! TP.HCM, ngày 28 tháng 10 năm 2017. Ngƣời cảm ơn Lê Văn Sự iii TÓM TẮT Hiện nay có nhiều phƣơng pháp gia nhiệt khuôn phun ép nhựa nhƣ: gia nhiệt bằng điện trở, gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ, gia nhiệt bằng khí nóng, …. Trong đó, phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ là phƣơng pháp còn mới và đang còn trong giai đoạn nghiên cứu, có thể ứng dụng nhiều loại khuôn khác nhau nhƣ là một module đính kèm nghĩa là không cần thay đổi kết cấu khuôn. Đề tài nghiên cứu phân bố nhiệt độ của lòng khuôn phun ép cho sản phẩm khay sim bằng phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ với khoảng cách giữa bề mặt khuôn và cuộn dây gia nhiệt cảm ứng điện từ, thời gian gia nhiệt thay đổi.

Trong nghiên cứu này tác giả chọn bề mặt lòng khuôn là khay sim điện thoại di động Sony Z5, đây là một chi tiết dạng mỏng dễ bị ảnh hƣởng bởi nhiệt độ khuôn. Bằng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm và mô phỏng tác giả xây dựng phƣơng trình hồi quy của nhiệt độ bề mặt lòng khuôn ứng với thời gian và khoảng cách giữa bề mặt lòng khuôn và cuộn dây thay đổi. Qua đó thời gian gia nhiệt và khoảng cách phù hợp giữa bề mặt lòng khuôn và cuộn dây cảm ứng từ cũng đƣợc xác định. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy, nhiệt độ từ bề mặt lòng khuôn phụ thuộc rất lớn vào thời gian gia nhiệt và khoảng cách giữa cuộn dây và lòng khuôn.

Khi thời gian gia nhiệt tăng thì nhiệt độ lòng khuôn tăng theo dạng hàm bậc 2. Với khoảng cách giữa bề mặt lòng khuôn và cuộn dây là 5 mm thì nhiệt độ phân bố tƣơng đối đồng điều và đạt giá trị 120 0C tại 7 s. iv ABSTRACT Currently there are several heating methods for injection molding such as: resistance heating, electromagnetic induction heating, hot air heating, etc. Among them, electromagnetic induction heating is a new method and remains in the research stage, which can apply to various molds as an attachment module without having to change the mold structure.

The research studies the temperature distribution of injection mold cavity for SIM tray by magnetic induction heating with the distance between the cavity surface and electromagnetic induction heating coils and variant heating duration. In this research, the author chose Sony Z5 mobile sim card tray as cavity surface, which is a thin profile susceptible to mold temperature. By empirical planning and simulation method, the author develops a regression equation for the cavity temperature corresponding to change of time and distance between the cavity surface and the coil. As a result, the heating duration and the appropriate distance between the cavity surface and the magnetic induction coil have also been determined.

The simulation and experiment results show that the temperature from the cavity surface is highly dependent on the heating duration and the distance between the coil and the cavity. As heating duration increases, the cavity temperature grows by quadratic function. With the distance between the cavity surface and the coil of 5 mm, the temperature distribution is relatively homogeneous and reaches the value of 120 0C in 7 s. v MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG LÝ LỊCH KHOA HỌC.

i LỜI CAM ĐOAN. ii LỜI CẢM ƠN. vi DANH MỤC HÌNH ẢNH .x DANH MỤC BẢNG BIỂU. xiii CHỮ VIẾT TẮT.

xiv Chƣơng 1 TỔNG QUAN .1 Lý do chọn đề tài .2 Các kết quả nghiên cứu .3 Tính cấp thiết của đề tài .4 Mục tiêu đề tài – Đối tƣợng nghiên cứu .1 Mục tiêu đề tài .2 Đối tƣợng nghiên cứu .5 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài .1 Nhiệm vụ nghiên cứu .2 Giới hạn đề tài .6 Cách tiếp cận – Phƣơng pháp nghiên cứu .1 Cách tiếp cận. Phƣơng pháp nghiên cứu 7 1.7 Kế hoạch thực hiện. 7 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Các phƣơng pháp gia nhiệt .2 Giới thiệu về phƣơng pháp gia nhiệt cảm ứng điện từ .3 Lý thuyết cảm ứng điện từ ứng dụng để gia nhiệt. Thí nghiệm và kết luận Faraday 14 2.

Định luật Lenz 15 2.3 Định luật cơ bản về cảm ứng điện từ .4 Đặc điểm của quá trình cảm ứng điện từ .5 Hiệu ứng bề mặt .6 Thiết kế cuộn dây gia nhiệt.7 Công nghệ ép phun .8 Lý thuyết truyền nhiệt. Trao đổi nhiệt đối lƣu 23 vii 2.9 Lý thuyết vật liệu nhựa dùng trong công nghệ ép phun .2 Các tính chất của Polymer .29 Chƣơng 3 MÔ PHỎNG – THỰC NGHIỆM .1 Mô phỏng quá trình gia nhiệt cảm ứng điện từ .2 Thực nghiệm gia nhiệt bằng cảm ứng từ .1 Phƣơng án thực nghiệm .2 Thiết bị thực nghiệm .39 Chƣơng 4 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM .1 Kết quả mô phỏng gia nhiệt .1 Biểu đồ tại những khoảng cách 3, 5, 7, 9 mm.2 Bảng hình ảnh phân bố nhiệt độ đƣợc mô phỏng .2 Kết quả thực nghiệm gia nhiệt .3 So sánh gia nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm .4 So sánh Δt (0C) giữa thực nghiệm và mô phỏng .5 Sản phẩm ép thử từ việc gia nhiệt khay sim .1 Ép với nhựa PP .2 Ép với nhựa ABS .3 Ép với nhựa PA .72 Chƣơng 5 KẾT LUẬN – HƢỚNG PHÁT TRIỂN .2 Hƣớng phát triển. 78 viii Tài liệu tham khảo .79 PHỤ LỤC 1 THỐNG KÊ SỐ LIỆU MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM .81 ix DANH MỤC HÌNH ẢNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng hơi nƣớc (Steam heating) 9 Hình 2.2: Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngoại (infrared heating system) 10 Hình 2.3: Phƣơng pháp gia nhiệt cho khuôn bằng dòng khí nóng (Gas heating) 11 Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động của phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ 13 Hình 2.5: Dòng điện cảm ứng trong phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ 13 Hình 2.6: Thí nghiệm Faraday 14 Hình 2.7: Nguyên lý dẫn nhiệt 23 Hình 2.8: Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng 26 Hình 2.9: Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống 27 Hình 3.1: Mô hình phân tích tấm khuôn mẫu 34 Hình 3.2: Mô hình chia lƣới tấm khuôn mẫu 35 Hình 3.3: Hệ thống thí nghiệm 36 Hình 3.4: Hệ thống đo nhiệt độ 37 Hình 3.5: Vị trí đo nhiệt độ VT1, VT2, VT3, VT4 trên bề mặt lòng khuôn 37 Hình 3.6: Vị trí cuộn dây gia nhiệt so với vị trí đo nhiệt độ VT1, VT2, VT3, VT4 38 x Hình 3.7: Hệ thống thiết bị thí nghiệm 39 Hình 3.8: Máy gia nhiệt bằng cảm ứng từ 40 Hình 3.9: Cuộn dây gia nhiệt cảm ứng điện từ 41 Hình 3.10: Kích thƣớc và bản vẽ của tấm khuôn thí nghiệm 43 Hình 3.11: Bộ khuôn cho thí nghiệm 44 Hình 3.12: Hình cuộn dây gia nhiệt và khuôn để thí nghiệm gia nhiệt 44 Hình 3.13: Cuộn dây gia nhiệt cảm ứng điện từ và khuôn trong quá trình thí nghiệm trên máy ép nhựa 45 Hình 3.14: Thiết bị giải nhiệt cho khuôn.15: Súng đo nhiệt bằng hồng ngoại 47 Hình 4.1: Biểu đồ mô phỏng nhiệt độ với khoảng cách h = 3 mm 50 Hình 4.2: Biểu đồ mô phỏng nhiệt độ với khoảng cách h = 5 mm 50 Hình 4.3: Biểu đồ mô phỏng nhiệt độ với khoảng cách h = 7 mm 51 Hình 4.4: Biểu đồ mô phỏng nhiệt độ với khoảng cách h = 9 mm 51 Hình 4.5: Biểu đồ mô phỏng gia nhiệt 5 s ứng với khoảng cách h = 3, 5, 7, 9 mm 53 Hình 4.6: Biểu đồ thực nghiệm khoảng cách gia nhiệt 5 mm 62 Hình 4.7: Biểu đồ VT 3 so sanh giữa thực nghiệm và mô phỏng ứng với 0, 3, 5, 7, 10, 15 s.8: So sánh nhiệt độ Δt (0C ) giữa thực nghiệm va mô phỏng với khoảng cách 5 mm 64 Hình 4.9: Hình sản phẩm hoàn chỉnh từ PP 65 xi Hình 4.10: So sánh kết quả có và không sử dụng gia nhiệt 67 Hình 4.11: Sản phẩm ép từ nhựa ABS 67 Hình 4.12: Sản phẩm bị bavia 68 Hình 4.13: Sản phẩm ép với nhựa PA hoàn thiện 71 xii DANH MỤC BẢNG BIỂU BẢNG TRANG Bảng 1.1: Kế hoạch thực hiện luận văn 8 Bảng 3.1: Thông số mô phỏng 33 Bảng 3.2: Thông số chính của quá trình mô phỏng 35 Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật của máy gia nhiệt bằng cảm ứng từ 40 Bảng 3.4: Thông số của thiết bị điều khiển nhiệt độ khuôn bằng nƣớc 46 Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật của của thiết bị súng đo nhiệt bằng hồng ngoại 48 Bảng 4.1: Phân bố nhiệt tại bề mặt khuôn với khoảng cách h = 3 mm, và thời gian gia nhiệt là: 3, 5, 7, 10, 15 s 54 Bảng 4.2: Phân bố nhiệt tại bề mặt khuôn với khoảng cách h = 5 mm, và thời gian gia nhiệt là: 3, 5, 7, 10, 15 s 56 Bảng 4.3: Phân bố nhiệt tại bề mặt khuôn với khoảng cách h = 7 mm, và thời gian gia nhiệt là: 3, 5, 7, 10, 15 s 58 Bảng 4.4: Phân bố nhiệt tại bề mặt khuôn với khoảng cách h = 9 mm, và thời gian gia nhiệt là: 3, 5, 7, 10, 15 s 60 Bảng 4.6: Mẫu thử ép khay sim bằng vật liệu nhựa PP, ứng với các khoảng thời gian khác nhau 66 Bảng 4.