Nghiên cứu phân bố từ trường trong qui trình gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa

Nghiên cứu phân bố từ trường trong gia nhiệt khuôn phun ép nhựa với các hình dạng cuộn dây khác nhau, tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

• Tác giả: Phạm Xuân Tâm
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Sơn Minh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu phân bố từ trường trong qui trình gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa với các hình dạng khác nhau của cuộn dây
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
• 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
• 1.5. Kế hoạch thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cảm ứng từ và phƣơng pháp tính
• 2.1.1. Cảm ứng từ
• 2.1.2. Phƣơng pháp tính
• 2.2. Hiệu ứng bề mặt
• 2.2.1. Một số vấn đề về hiệu ứng bề mặt
• 2.2.2. Ứng dụng trong công nghiệp
• 2.2.3. Khuôn ép nhựa
• 2.3. Phân loại khuôn ép phun
• 2.3.1. Sơ lƣợc về chu trình ép phun
• 2.3.2. Các khuyết tật khi ép
• 2.3.3. Các thông số ép
• 2.3.4. Quá trình truyền nhiệt
• 2.3.5. Tổng quan về vật liệu chế tạo khuôn
• 2.3.6. Thiết kế của cuộn dây gia nhiệt
• 2.3.7. Một số đặc điểm nổi bật của quá trình gia nhiệt theo phƣơng pháp cảm ứng từ
• 2.3.8. Tổng quan về phần mềm COMSOL Multiphysics
• 3. PHƢƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM
• 3.1. Máy gia nhiệt bằng cảm ứng từ
• 3.2. Khuôn và cuộn dây
• 3.3. Phƣơng pháp thực nghiệm
• 4. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM
• 4.1. Tổng quan về phần mềm COMSOL Multiphysics
• 4.2. Tổng quan về phân tích
• 4.3. Tổng quát về gia nhiệt cảm ứng
• 4.4. Ứng dụng COMSOL mô phỏng thực nghiệm
• 4.4.1. Các bƣớc tiến hành mô phỏng
• 4.4.2. Kết quả mô phỏng
• 5. THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT BẰNG CẢM ỨNG TỪ
• 5.1. Thực nghiệm quá trình gia nhiệt và cảm ứng từ
• 5.2. So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng
• 5.3. Mô phỏng gia nhiệt cảm ứng trên khuôn nhiều lòng khuôn
• 5.4. Phân tích đối tƣợng gia nhiệt
• 5.5. Thực nghiệm gia nhiệt cảm ứng trên khuôn
• 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu phân bố từ trường trong gia nhiệt khuôn phun ép nhựa

Nghiên cứu phân bố từ trường trong gia nhiệt khuôn phun ép nhựa là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ chế tạo. Gia nhiệt khuôn không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mà còn quyết định đến hiệu suất sản xuất. Việc tối ưu hóa quá trình gia nhiệt giúp giảm thiểu lỗi sản phẩm và nâng cao chất lượng bề mặt. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc phân tích các phương pháp gia nhiệt hiện có và vai trò của từ trường trong quá trình này.

1.1. Ứng dụng của từ trường trong gia nhiệt khuôn

Từ trường đóng vai trò quan trọng trong việc gia nhiệt khuôn phun ép nhựa. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng cảm ứng từ giúp tăng tốc độ gia nhiệt và cải thiện chất lượng sản phẩm. Từ trường không chỉ giúp gia nhiệt đồng đều mà còn giảm thiểu các khuyết tật trong sản phẩm.

1.2. Lợi ích của việc nghiên cứu phân bố từ trường

Nghiên cứu phân bố từ trường giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia nhiệt. Điều này không chỉ giúp tối ưu hóa thiết kế khuôn mà còn nâng cao hiệu suất sản xuất. Việc hiểu rõ về phân bố từ trường cũng giúp cải thiện quy trình sản xuất và giảm thiểu chi phí.

II. Vấn đề và thách thức trong gia nhiệt khuôn phun ép nhựa

Gia nhiệt khuôn phun ép nhựa gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc duy trì nhiệt độ ổn định và đồng đều. Nhiệt độ không đồng nhất có thể dẫn đến các khuyết tật trong sản phẩm, như co rút hoặc cong vênh. Ngoài ra, việc kiểm soát nhiệt độ trong quá trình sản xuất cũng là một vấn đề lớn, ảnh hưởng đến thời gian chu kỳ và chi phí sản xuất.

2.1. Các khuyết tật do nhiệt độ không đồng nhất

Nhiệt độ không đồng nhất trong khuôn có thể gây ra nhiều khuyết tật như co rút, cong vênh và lỗi đường hàn. Những vấn đề này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mà còn làm tăng chi phí sản xuất do phải thực hiện các bước sửa chữa.

2.2. Thách thức trong việc kiểm soát nhiệt độ

Việc kiểm soát nhiệt độ trong quá trình gia nhiệt khuôn phun ép nhựa là một thách thức lớn. Các phương pháp hiện tại thường không đủ hiệu quả trong việc duy trì nhiệt độ ổn định, dẫn đến sự biến đổi nhiệt độ trong khuôn. Điều này yêu cầu các giải pháp mới và hiệu quả hơn.

III. Phương pháp gia nhiệt khuôn phun ép nhựa hiệu quả

Có nhiều phương pháp gia nhiệt khuôn phun ép nhựa, trong đó phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Phương pháp này không chỉ giúp gia nhiệt nhanh chóng mà còn tiết kiệm năng lượng. Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phân tích các phương pháp gia nhiệt hiện có và hiệu quả của chúng.

3.1. Gia nhiệt bằng cảm ứng từ

Gia nhiệt bằng cảm ứng từ là một trong những phương pháp hiệu quả nhất hiện nay. Phương pháp này sử dụng dòng điện Fuco để tạo ra nhiệt, giúp gia nhiệt nhanh chóng và đồng đều. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp này có thể giảm thiểu thời gian gia nhiệt và nâng cao chất lượng sản phẩm.

3.2. So sánh các phương pháp gia nhiệt khác

Ngoài gia nhiệt bằng cảm ứng từ, còn có nhiều phương pháp khác như gia nhiệt bằng dầu nóng, khí nóng và điện trở. Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Việc so sánh các phương pháp này giúp xác định phương pháp tối ưu cho từng loại sản phẩm.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu phân bố từ trường

Nghiên cứu phân bố từ trường trong gia nhiệt khuôn phun ép nhựa không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn. Việc áp dụng các kết quả nghiên cứu vào sản xuất giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí. Các doanh nghiệp có thể áp dụng công nghệ này để cải thiện quy trình sản xuất và tăng cường khả năng cạnh tranh.

4.1. Cải thiện quy trình sản xuất

Việc áp dụng nghiên cứu phân bố từ trường giúp cải thiện quy trình sản xuất khuôn phun ép nhựa. Các doanh nghiệp có thể tối ưu hóa thiết kế khuôn và quy trình gia nhiệt, từ đó nâng cao hiệu suất sản xuất và giảm thiểu lỗi sản phẩm.

4.2. Tăng cường khả năng cạnh tranh

Nghiên cứu này giúp các doanh nghiệp nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường. Việc áp dụng công nghệ mới vào sản xuất không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu chi phí, từ đó tạo ra lợi thế cạnh tranh lớn.

V. Kết luận và hướng phát triển trong nghiên cứu gia nhiệt khuôn

Nghiên cứu phân bố từ trường trong gia nhiệt khuôn phun ép nhựa là một lĩnh vực quan trọng và cần thiết. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp cải thiện quy trình sản xuất mà còn mở ra nhiều hướng phát triển mới trong công nghệ gia nhiệt. Việc tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới sẽ giúp ngành nhựa Việt Nam phát triển bền vững.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới trong gia nhiệt khuôn. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến sẽ giúp nâng cao hiệu suất sản xuất và chất lượng sản phẩm.

5.2. Hướng phát triển bền vững cho ngành nhựa

Ngành nhựa Việt Nam cần hướng tới phát triển bền vững thông qua việc áp dụng công nghệ mới và cải tiến quy trình sản xuất. Điều này không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp chế tạo và gia công chất dẻo, chất lượng bề mặt chi tiết ép phun phụ thuộc chặt chẽ vào chế độ nhiệt của lòng khuôn. Thực tế sản xuất cho thấy các khuyết tật như đường hàn, cong vênh, co rút thể tích và nứt bề mặt xảy ra phổ biến khi nhiệt độ lòng khuôn duy trì ở mức thấp dưới 60°C. Ngược lại, nếu duy trì nhiệt độ bề mặt khuôn ở mức tối ưu từ 90°C đến 180°C trong pha điền đầy, độ nhớt của dòng nhựa nóng chảy giảm mạnh, giúp nhựa lỏng dễ dàng lấp đầy các chi tiết thành mỏng và tăng độ bóng bề mặt. Tuy nhiên, các giải pháp gia nhiệt truyền thống như dùng hơi nước chỉ đạt tốc độ gia nhiệt từ 1°C/s đến 3°C/s hoặc dùng điện trở nhiệt gia nhiệt toàn bộ thể tích khuôn, dẫn tới kéo dài chu kỳ làm nguội từ 30% đến 50% và tiêu tốn nhiều năng lượng điện.

Nhằm giải quyết triệt để mâu thuẫn giữa chất lượng sản phẩm và thời gian chu kỳ ép phun, công nghệ gia nhiệt cảm ứng từ nổi lên như một giải pháp gia nhiệt bề mặt vượt trội. Nghiên cứu tập trung vào đề tài phân bố từ trường trong quy trình gia nhiệt khuôn ép phun nhựa với các hình dạng cuộn dây khác nhau. Mục tiêu cụ thể là thiết kế, mô phỏng số và kiểm chứng thực nghiệm quá trình cấp nhiệt bằng cảm ứng từ cho tấm khuôn âm bằng thép C45 kích thước 128 x 128 x 40 mm³, đảm bảo tốc độ tăng nhiệt bề mặt đạt trên 100°C chỉ sau 5 đến 10 giây. Đề tài được triển khai trong giai đoạn 2015 đến 2016 tại Thành phố Hồ Chí Minh, mang lại ý nghĩa thực tiễn lớn khi mở rộng khả năng kiểm soát nhiệt độ đồng đều trên khuôn nhiều lòng khuôn, góp phần hạ giá thành sản phẩm và giảm tỷ lệ phế phẩm trong sản xuất công nghiệp xuống dưới mức 3%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cảm ứng điện từ của Michael Faraday kết hợp với định luật Lenz và hệ phương trình vi phân Maxwell biểu diễn tương tác trường điện từ biến thiên theo thời gian. Khi dòng điện xoay chiều tần số cao chạy qua cuộn dây cảm ứng bằng đồng có đường kính từ 5 mm đến 14 mm, từ trường biến thiên sinh ra dòng điện xoáy Eddy tập trung trên bề mặt tấm khuôn kim loại. Theo lý thuyết hiệu ứng bề mặt, chiều sâu lớp gia nhiệt tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của tích số giữa tần số dòng điện, độ dẫn điện và độ từ thẩm của vật liệu. Đối với thép C45 có hàm lượng carbon từ 0,42% đến 0,50%, độ từ thẩm cao giúp mật độ dòng điện xoáy tập trung dày đặc ở lớp bề mặt ngoài, tạo ra nguồn nhiệt lượng Joule cực lớn mà không làm nóng toàn bộ khối khuôn.

Bên cạnh đó, nghiên cứu áp dụng lý thuyết truyền nhiệt đa phương thức gồm dẫn nhiệt Fourier trong vật rắn, đối lưu nhiệt tự nhiên và bức xạ nhiệt với môi trường. Động học dòng chảy polymer trong khuôn ép phun được xem xét đối với các loại nhựa nhiệt dẻo phổ biến như PP với nhiệt độ gia công 160°C đến 260°C và PC từ 280°C đến 320°C. Các khái niệm cốt lõi bao gồm cấu trúc khuôn nhiều lòng khuôn, mật độ từ thông, phân bố trường nhiệt độ và chu trình ép phun từ 2 giây đến 120 giây cấu thành hệ quy chiếu lý thuyết đồng bộ cho toàn bộ luận văn.

Phương pháp nghiên cứu

Về phương pháp nghiên cứu, tác giả thu thập dữ liệu thông qua mô phỏng số học kết hợp kiểm chứng thực nghiệm đa điểm. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 7 cấu hình hình học cuộn dây gia nhiệt đặc trưng: cuộn xoắn tròn phẳng (spiral), xoắn vuông góc, hình chữ nhật, lượn sóng, song song, hình trụ và hình hộp 3D, được thử nghiệm trực tiếp trên 1 bộ khuôn mẫu 6 lòng khuôn tiêu chuẩn kích thước 128 x 128 x 40 mm³. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu chủ đích có kiểm soát, tập trung vào các dạng hình học cuộn dây có khả năng tạo ra phân bố từ trường phẳng và đối xứng tương thích với bề mặt phân khuôn công nghiệp.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEM) thông qua phần mềm COMSOL Multiphysics 5.0 kết hợp SolidWorks là khả năng giải đồng thời bài toán liên kết đa vật lý phi tuyến phụ thuộc thời gian giữa Module AC/DC và Module Truyền nhiệt. Phương pháp này cho phép chia lưới mịn tự động, kiểm soát sai số hội tụ và mô phỏng chính xác sự biến thiên nhiệt độ tức thời. Hệ thống thiết bị thực nghiệm gồm máy gia nhiệt cảm ứng từ cao tần công suất 15 kW, cường độ dòng điện cực đại 500 A tại điện áp 30 V qua biến thế xung làm mát bằng nước, cùng thiết bị đo nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc. Timeline nghiên cứu được thực hiện từ tháng 09/2015 đến tháng 03/2016 theo quy trình kiểm tra nghiêm ngặt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thực nghiệm đã mang lại những phát hiện quan trọng về động học gia nhiệt và phân bố từ trường trên khuôn nhiều lòng khuôn:

Thứ nhất, cuộn dây dạng xoắn tròn phẳng (spiral) và cuộn xoắn vuông góc mang lại hiệu suất truyền năng lượng từ trường cao nhất. Tốc độ gia nhiệt bề mặt khuôn đạt từ 14°C/s đến 18°C/s, giúp nhiệt độ bề mặt lòng khuôn tăng vọt từ 30°C lên trên 100°C đến 120°C chỉ sau 5 đến 10 giây gia nhiệt, nhanh gấp 5 đến 6 lần so với công nghệ gia nhiệt bằng hơi nước truyền thống (1°C/s đến 3°C/s).

Thứ hai, hình dạng hình học của cuộn dây quyết định trực tiếp đến mức độ đồng đều nhiệt độ giữa các lòng khuôn. Trên hệ thống khuôn 6 lòng khuôn bố trí dạng chữ nhật, cuộn xoắn vuông góc và cuộn hình chữ nhật tạo ra vùng đẳng nhiệt đồng nhất, với độ chênh lệch nhiệt độ giữa 3 vị trí đo kiểm chứng chỉ dao động trong khoảng 5% đến 8%. Ngược lại, cuộn dây dạng trụ và dạng song song gây ra hiện tượng tập trung từ thông cục bộ, làm độ lệch nhiệt độ giữa tâm và biên khuôn lên tới 25% đến 30%.

Thứ ba, sau khi ngắt nguồn cấp nhiệt 5 giây, cơ chế dẫn nhiệt nội tại giúp bề mặt khuôn duy trì nhiệt độ ổn định trong khoảng 85°C đến 95°C, đáp ứng hoàn hảo điều kiện điền đầy êm của dòng nhựa trước khi bước vào giai đoạn giải nhiệt làm đông đặc.

Thứ tư, độ tin cậy của mô hình số được khẳng định khi sai số tương đối giữa kết quả mô phỏng trên phần mềm COMSOL và số liệu đo đạc thực nghiệm từ camera nhiệt hồng ngoại luôn duy trì ở mức dưới 6,5%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tạo nên sự vượt trội của phương pháp cảm ứng từ xuất phát từ bản chất chuyển hóa năng lượng trực tiếp. Khi dòng điện xoay chiều 500 A tần số cao chạy qua ống đồng, từ trường biến thiên xâm nhập vào lớp bề mặt thép C45 dày 40 mm, tạo ra dòng điện xoáy Eddy với mật độ công suất nhiệt cực đại ngay tại lớp vỏ ngoài. Điều này giúp loại bỏ hoàn toàn quán tính nhiệt lớn của toàn bộ khối khuôn thép 128 x 128 x 40 mm³, tiết kiệm hơn 60% năng lượng so với phương pháp sấy điện trở.

So với các công trình quốc tế trước đây của các nhà nghiên cứu như Keun Park và cộng sự vốn chỉ dừng lại ở cuộn dây phẳng 2D cho khuôn 1 sản phẩm để khắc phục lỗi đường hàn trên vỏ điện thoại, nghiên cứu này đã tiến xa hơn khi giải quyết thành công bài toán phân bố nhiệt đồng bộ cho khuôn nhiều lòng khuôn.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua đồ thị biến thiên nhiệt độ theo thời gian tại 3 điểm đo chuẩn, kết hợp cùng bảng đối sánh sai số thực nghiệm - mô phỏng và ảnh phổ nhiệt 2D trích xuất từ phần mềm và camera hồng ngoại. Bảng số liệu và biểu đồ nhiệt phản ánh rõ nét tính quy luật của sự lan truyền dòng nhiệt, khẳng định tính chính xác của phương pháp thiết kế cuộn dây cho sản xuất thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp công nghệ mang tính ứng dụng cao cho ngành sản xuất khuôn mẫu và ép phun nhựa:

Thứ nhất, tích hợp mô-đun gia nhiệt cảm ứng từ sử dụng cuộn dây xoắn vuông góc hoặc xoắn phẳng dạng ống đồng đường kính 8 mm đến 10 mm vào các khuôn ép phun nhiều lòng khuôn hiện hữu. Mục tiêu là đạt tốc độ tăng nhiệt bề mặt lòng khuôn lên mức 100°C đến 140°C trong thời gian từ 6 đến 8 giây. Kế hoạch triển khai dự kiến kéo dài 3 đến 6 tháng do các kỹ sư cơ khí chế tạo khuôn và công nghệ ép phun chủ trì thực hiện.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình thiết kế và tối ưu hóa cuộn dây bằng công cụ mô phỏng số liên kết đa vật lý SolidWorks và COMSOL Multiphysics trước khi tiến hành gia công cơ khí. Giải pháp này giúp cắt giảm 40% số lần chế tạo thử nghiệm lỗi và tiết kiệm khoảng 20% chi phí vật tư đồng và thép mẫu. Bộ phận nghiên cứu và phát triển (R&D) của doanh nghiệp có thể áp dụng ngay trong chu kỳ thiết kế từ 1 đến 2 tháng.

Thứ ba, đầu tư lắp đặt hệ thống điều khiển hồi tiếp nhiệt độ thông minh sử dụng cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc kết hợp mạch đóng ngắt bán dẫn IGBT công suất 15 kW đến 20 kW. Thiết bị cho phép tự động điều chỉnh dòng điện từ 300 A đến 500 A để duy trì dung sai nhiệt độ bề mặt khuôn dưới mức 3°C. Thời gian hoàn thiện hệ thống điều khiển trong vòng 6 tháng bởi đội ngũ kỹ sư điện - tự động hóa.

Thứ tư, xây dựng quy chuẩn an toàn và bảo dưỡng định kỳ hệ thống làm mát tuần hoàn bằng nước cho biến thế xung 30 V và cuộn cảm ứng, đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định trên 5000 giờ sản xuất liên tục. Ban quản lý nhà máy cần tổ chức đào tạo kỹ thuật định kỳ 3 tháng một lần cho kỹ thuật viên vận hành xưởng ép nhựa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu chuyên khảo giá trị dành cho các nhóm đối tượng cụ thể sau:

Nhóm thứ nhất là kỹ sư thiết kế khuôn mẫu và công nghệ ép phun nhựa. Luận văn cung cấp giải pháp thiết thực trong việc tính toán kết cấu hình học cuộn dây cảm ứng (spiral, hình chữ nhật, hình hộp 3D) và tối ưu hóa khoảng cách đặt cuộn dây để loại bỏ triệt để khuyết tật đường hàn, vết lõm và co rút trên sản phẩm nhựa cao cấp.

Nhóm thứ hai là các nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy và Khoa học Vật liệu. Công trình đóng vai trò như một case study tiêu chuẩn về việc ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trên COMSOL Multiphysics để giải quyết bài toán tương tác điện từ - truyền nhiệt phi tuyến.

Nhóm thứ ba là giám đốc kỹ thuật và quản lý vận hành tại các nhà máy sản xuất linh kiện điện tử, phụ tùng ô tô và đồ gia dụng chính xác. Luận văn cung cấp luận cứ kinh tế - kỹ thuật rõ ràng để chuyển đổi công nghệ gia nhiệt, giúp rút ngắn chu kỳ ép phun từ 15% đến 25% và nâng cao năng lực cạnh tranh.

Nhóm thứ tư là các doanh nghiệp chế tạo thiết bị gia nhiệt cao tần và lò tôi cao tần. Nghiên cứu mang lại dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về thông số nguồn phát 15 kW, biến thế xung 30 V - 500 A để thiết kế và nội địa hóa các thiết bị gia nhiệt chuyên dụng cho ngành công nghiệp phụ trợ.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ gia nhiệt cảm ứng từ có ưu điểm gì vượt trội so với gia nhiệt bằng điện trở và hơi nước trong khuôn ép nhựa? Gia nhiệt cảm ứng từ chỉ làm nóng cục bộ lớp bề mặt thép C45 nhờ dòng xoáy Eddy và hiệu ứng da, đạt tốc độ gia nhiệt từ 14°C/s đến 18°C/s (đạt trên 100°C sau 5 đến 10 giây). Phương pháp hơi nước chỉ đạt tốc độ 1°C/s đến 3°C/s và làm nóng cả khối khuôn, gây kéo dài thời gian làm nguội và lãng phí năng lượng.

Hình dạng cuộn dây nào cho hiệu quả gia nhiệt đồng đều nhất trên khuôn nhiều lòng khuôn? Thực nghiệm trên khuôn 6 lòng khuôn kích thước 128 x 128 x 40 mm³ chứng minh cuộn dây dạng xoắn vuông góc và xoắn tròn phẳng (spiral) mang lại mật độ từ thông đồng đều nhất. Sự phân bố nhiệt giữa các lòng khuôn có độ lệch dưới 8%, vượt trội hơn hẳn dạng cuộn dây trụ có độ lệch lên tới 30%.

Vật liệu chế tạo khuôn ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất gia nhiệt cảm ứng từ? Thép C45 là vật liệu sắt từ có độ từ thẩm cao gấp hàng trăm lần so với đồng hay nhôm (có độ từ thẩm xấp xỉ 1). Nhờ đó, năng lượng điện từ từ nguồn 15 kW và dòng điện 500 A được hấp thụ hoàn toàn và chuyển hóa tức thì thành nhiệt lượng trên bề mặt khuôn, tối ưu hóa triệt để hiệu suất năng lượng.

Độ tin cậy của phần mềm mô phỏng COMSOL Multiphysics trong nghiên cứu này ra sao? Mô hình mô phỏng liên kết giữa Module AC/DC và Module Truyền nhiệt trong COMSOL 5.0 phản ánh chính xác quy luật vật lý với sai số nhiệt độ so với thực nghiệm dưới 6,5% tại các điểm đo sau 5 đến 10 giây gia nhiệt. Điều này giúp doanh nghiệp tối ưu cuộn dây chính xác trước khi gia công thực tế.

Việc ứng dụng hệ thống gia nhiệt cảm ứng từ có làm thay đổi kết cấu khuôn ép sẵn có không? Hệ thống cuộn dây cảm ứng bằng ống đồng đường kính từ 5 mm đến 14 mm được thiết kế như một mô-đun đính kèm di động bên ngoài. Cuộn dây chỉ đưa vào khoảng không giữa hai nửa khuôn khi mở khuôn và rút ra trước khi đóng khuôn, hoàn toàn không làm biến đổi kết cấu cơ khí 128 x 128 x 40 mm³ sẵn có.

Kết luận

• Đã làm chủ công nghệ gia nhiệt bề mặt khuôn ép phun nhựa bằng cảm ứng điện từ, nâng nhiệt độ từ 30°C lên trên 100°C chỉ sau 5 đến 10 giây với nguồn phát công suất 15 kW.
• Xác lập thành công quy luật phân bố từ trường và trường nhiệt độ của 7 cấu hình hình học cuộn dây trên khuôn mẫu 6 lòng khuôn thép C45 kích thước 128 x 128 x 40 mm³.
• Chứng minh cuộn dây xoắn vuông góc và xoắn tròn phẳng (spiral) đạt độ đồng đều nhiệt cao nhất, với sai số giữa mô phỏng COMSOL Multiphysics và thực nghiệm kiểm chứng dưới 6,5%.
• Cung cấp giải pháp kỹ thuật triệt tiêu hoàn toàn các khuyết tật đường hàn, nứt nẻ và tăng cường độ bóng bề mặt cho các sản phẩm nhựa thành mỏng chất lượng cao.
• Đề xuất lộ trình tích hợp công nghiệp hóa hệ thống gia nhiệt cảm ứng từ trong 3 đến 6 tháng tới, tạo tiền đề nâng cao năng lực sản xuất cho ngành nhựa Việt Nam.

Đóng góp chính của luận văn là đã tiên phong giải quyết bài toán gia nhiệt cảm ứng từ trên khuôn nhiều lòng khuôn tại Việt Nam, kết hợp nhuần nhuyễn giữa mô phỏng số học tiên tiến và thực nghiệm quy chuẩn. Các doanh nghiệp sản xuất khuôn mẫu và chế tạo linh kiện nhựa hãy ứng dụng ngay giải pháp thiết kế cuộn dây tối ưu này vào dây chuyền sản xuất để tạo bước đột phá về chất lượng sản phẩm và tối đa hóa hiệu quả kinh tế.

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. Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 2 năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phạm Xuân Tâm iv LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ, dìu dắt tận tình của quý thầy, cô giáo, các nhà khoa học trong và ngoài Khoa Công nghệ Chế tạo máy, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh. Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy TS Phạm Sơn Minh – ngƣời thầy đã nhiệt tình, tận tâm giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu khoa học.

Các thầy đã cùng tôi đặt những viên gạch đầu tiên trong quá trình xây dựng đề cƣơng và các thầy đã hƣớng dẫn tôi thực hiện một cách tỉ mỉ cho đến khi hoàn thành luận văn này. Thầy luôn là tấm gƣơng sáng trong lao động, trong nghiên cứu khoa học để tôi phấn đấu vƣơn lên trên con đƣờng học tập, nghiên cứu khoa học và ngày càng trƣởng thành hơn trong cuộc sống, học tập và công tác của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Đốc Công ty giúp đỡ, tạo mọi điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và công tác. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thành viên trong gia đình tôi – những ngƣời thân yêu nhất của tôi luôn là hậu phƣơng, là chỗ dựa vững chắc, giúp đỡ tôi trong những lúc khó khăn và tạo mọi điều kiện để tôi yên tâm học tập công tác và có đƣợc kết quả nhƣ ngày hôm nay.

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các bạn học viên Cao học, chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, khóa 2013B,2014A – Trƣờng ĐH Sƣ phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh và những ngƣời bạn đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong học tập cũng nhƣ trong cuộc sống. Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2016 Học viên thực hiện luận văn Phạm Xuân Tâm v TÓM TẮT Hiện nay, t gia. ,gia nhiệt cảm ứng từ.

Tuy nhiên nghiê hân bố từ trƣờng trên khuôn nhiều lòng khuôn đề tài “Nghiên cứu phân bố từ trường trong qui trình gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa với các hình dạng khác nhau của cuộn dây” là cần thiết. Mục đích của đề tài là thiết kế - mô phỏng quá trình hoạt động cấp nhiệt cho tấm khuôn âm vật liệu thép bằng cảm ứng từ, với sự hỗ trợ của phần mềm SOLIDWORK và COMSOL Multiphysics và thực nghiệm. Kết quả đạt đƣợc của đề tài là thực hiện thành công bài mô phỏng gia nhiệt trong khuôn ép nhựa sử dụng cảm ứng từ; đánh giá xu hƣớng và sự biến đổi nhiệt độ trong khuôn; đánh giá ảnh hƣởng của hình dạng cuộn dây trên khuôn nhiều lòng khuôn. vi ABSTRACT Nowadays, there are many researches to optimize the mold temperature in the world such as: research of thermal response simulation and mold structure optimization for rapid heating process, control mold temperature by micro membrane in the injection molding process.

In Vietnam, many scientific projects have been done concerning with mold temperature includes: designing hot channels for plastic injection molding, heating mold by thermo-resistance,induction heating. However studies magnetic field distribution on multiple cavity mold does not have much. Therefore, the topic "Research magnetic field distribution in the heating process for plastic injection mold with different shapes of the coil" is necessary. The purpose of this research is to design - simulating the operation of heat for steel plate material negative mold by magnetic induction, with the support of the COMSOL Multiphysics software SolidWorks, and experimental.

The result of this research is to achieve the successful implementation of all heating simulation in plastic injection molds using magnetic induction; assess trends and the temperature variation in the mold; evaluate the effects of mold shaped coil on multiple cavities. vii MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC……………………………………………………….i LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………….ii LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………….viii DANH MỤC HÌNH………………………………………………………….xi DANH MỤC BẢNG BIỂU…………………………………………………xiv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT……………………………………………….xv Chƣơng 1 TỔNG QUAN………………………………………………………….1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu,các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc…………………………………………………………………………….2 Mục tiêu của đề tài.3 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài………………………………………………….4 Phƣơng pháp nghiên cứu…………………………………………………….5 Kế hoạch thực hiện………………………………………………………….10 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT………………………………………………….1 Cảm ứng từ và phƣơng pháp tính……………………………………………11 2.1 Cảm ứng từ………………………………………………………………….2 Phƣơng pháp tính……………………………………………………………13 2.2 Hiệu ứng bề mặt…………………………………………………………….1 Một số vấn đề về hiệu ứng bề mặt………………………………………….2 Ứng dụng trong công nghiệp……………………………………………….3 Khuôn ép nhựa………………………………………………………………17 2.1 Phân loại khuôn ép phun…………………………………………………….2 Sơ lƣợc về chu trình ép phun……………………………………………….4 Các khuyết tật khi ép…………………………………………………………20 viii 2.5 Các thông số ép…………………………………………………………….6 Quá trình truyền nhiệt……………………………………………………….7 Tổng quan về vật liệu chế tạo khuôn……………………………………….8 Thiết kế của cuộn dây gia nhiệt…………………………………………….9 Một số đặc điểm nổi bật của quá trình gia nhiệt theo phƣơng pháp cảm ứng từ………………………………………………………………………………….10 Tổng quan về phần mềm COMSOL Multiphysics…………………………. PHƢƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM………………….1 Máy gia nhiệt bằng cảm ứng từ………………………………………………38 3.2 Khuôn và cuộn dây………………………………………………………….2 Phƣơng pháp thực nghiệm………………………………………………….ỨNG DỤNG PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM……………………………………………………33 4.1 Tổng quan về phần mềm COMSOL Multiphysics………………………….2 Tổng quan về phân tích………………………………………………………38 4.3 Tổng quát về gia nhiệt cảm ứng…………………………………………….4 Ứng dụng COMSOL mô phỏng thực nghiệm……………………………….1 Các bƣớc tiến hành mô phỏng……………………………………………….2 Kết quả mô phỏng……………………………………………………………47 Chƣơng 5. THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT BẰNG CẢM ỨNG TỪ…………………………………………………………………………………56 5.1 Thực nghiệm quá trình gia nhiệt và cảm ứng từ…………………………….2 So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng…………………………63 5.3 Mô phỏng gia nhiệt cảm ứng trên khuôn nhiều lòng khuôn…………………64 5.1 Phân tích đối tƣợng gia nhiệt……………………………………………….2 Thực nghiệm gia nhiệt cảm ứng trên khuôn…………………………………65 ix 5.

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN…………………………….77 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….79 x DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 : Sơ đồ nguyên lý cảm ứng từ…………………………………………….2: Sơ đồ nguyên lý khuôn có lắp bộ phận gia nhiệt…………………………4 Hình 1.3: Phƣơng pháp gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ…………………….4: Sản phẩm vỏ điện thoại di động bị lỗi đƣờng hàn……………………….5: Gia nhiệt khuôn bằng cảm ứng từ và hình ảnh camera hồng ngoại………6 Hình 1.6: Gia nhiệt bề mặt khuôn bằng cảm ứng từ……………………………….1: Sơ đồ nguyên lý gia nhiệt cảm ứng…………………………………….2: Sơ đồ nguyên lý gia nhiệt cảm ứng tƣơng tự nhƣ máy biến áp……….3: Phân bố từ trƣờng và mật độ điện trên bề mặt………………………….4: Bộ khuôn ép nhựa gồm khuôn dƣơng và khuôn âm…………………….5: Khuôn có bốn lòng khuôn……………………………………………….6: Khuôn một lòng khuôn,khuôn bốn lòng khuôn sắp xếp hình chữ nhật,khuôn muỗng nhiều lòng khuôn bố trí hình tròn…………………………….7: Ứng dụng của phần mềm COMSOL Multiphysics.8: Một mô phỏng số học về đặc tính truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt ……………………………………………………….9: Giao diện cảm ứng từ ………………………………………………….10: Giao diện Heat Tranfer in Soli……….1: Máy gia nhiệt cảm ứng từ……………………………………………….2: Mô hình thực nghiệm gia nhiệt khuôn(khuôn âm)…………………….3: Bản vẽ khuôn thực nghiệm…………………………………………….4: Cuộn dây dạng xoắn tròn(spiral)……………………………………….5: Cuộn dây dạng xoắn vuông góc…………………………………………41 Hình 3.6: Cuộn dây dạng hình chữ nhật………………………………………….7: Cuộn dây dạng lƣợn sóng……………………………………………….8: Cuộn dây dạng song song……………………………………………….9: Cuộn dây dạng trụ……………………………………………………….10:Cuộn dây dạng hộp(3D)……………………………………………….11:Thiết bị đo không tiếp xúc…………………………………………….1 : Các bƣớc tiến hành mô phỏng số trong COMSOL…………………….2: Tùy chọn mô hình để mô phỏng……………………………………….3: Bảng chọn không gian xây dựng mô hình………………………………47 Hình 4.4: Bảng chọn đối tƣợng vật lý cần nghiên cứu…………………………….5: Bảng chọn trạng thái để nghiên cứu…………………………………….6: Các bƣớc nhập hình vẽ vào mô hình…………………………………….7: Chọn vật liệu cho các miền và biên…………………………………….8: Chọn đặc tính vật lý cho các miền và biên…………………………….9: Mô hình đã đƣợc chia lƣới………………………………………………51 Hình 4.10: Cài đặt giá trị tần số cho dòng điện…………………………………….11: Kết quả mô phỏng gia nhiệt cảm ứng từ trên tấm tole dày 2 mm bằng cuộn dây xoắn tròn phẳng(spiral)………………………………………………….12: Kết quả mô phỏng gia nhiệt cảm ứng từ trên tấm tole dày 2 mm bằng cuộn dây tròn(1 vòng)…………………………………………………………….13: Kết quả mô phỏng gia nhiệt cảm ứng từ trên tấm tole dày 2 mm bằng cuộn dây hình trụ………………………………………………………………….14: Kết quả mô phỏng gia nhiệt cảm ứng từ trên tấm tole dày 2 mm bằng cuộn dây hình chữ nhật…………………………………………………………….15: Kết quả mô phỏng gia nhiệt cảm ứng từ trên tấm tole dày 2 mm bằng cuộn dây xoắn hình chữ nhật………………………………………………………54 Hình 4.16: Kết quả mô phỏng gia nhiệt cảm ứng từ trên tấm tole dày 2 mm bằng cuộn dây hình trụ đặt nằm ngang………………………………………………….17: Kết quả mô phỏng gia nhiệt cảm ứng từ trên tấm tole dày 2 mm bằng cuộn dây hình trụ 3D (đại diện một vòng dây)……………………………………54 Hình 4.18: Kết quả mô phỏng gia nhiệt cảm ứng từ trên tấm tole dày 2 mm bằng cuộn dây hình lƣợn sóng………………………………………………………….1: Hình thực nghiệm và kết quả mô phỏng của cuộn dây spiral………….2: Hình ảnh lan truyền nhiệt sau 5s ……………………………………….3: Hình thực nghiệm và kết quả mô phỏng của cuộn dây xoắn vuông góc hình chữ nhật……………………………………………………………………….4: Hình ảnh lan truyền nhiệt sau 5s ………………………………………58 Hình 5.5: Hình thực nghiệm và kết quả mô phỏng của cuộn dây hình chữ nhật…58 Hình 5.6: Hình thực nghiệm và kết quả mô phỏng của cuộn dây lƣợn sóng…….7: Hình thực nghiệm và kết quả mô phỏng của cuộn dây song song…….8: Hình thực nghiệm và kết quả mô phỏng của cuộn dây dạng trụ……….9: Hình ảnh lan truyền nhiệt sau 5s……………………………………….10: Hình ảnh lan truyền nhiệt sau 10s…………………………………….11: Cuộn dây hình hộp(3D)……………………………………………….12: Bản vẽ khuôn………………………………………………………….13: Bản vẽ gia nhiệt khuôn bằng cuộn dây spiral…………………………65 Hình 5.14: Hình xác định vị trí đo nhiệt độ……………………………………….15: Kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm cuộn dây spiral………….16: Đồ thị nhiệt độ đo thực tế và mô phỏng tại vị trí 1……………………67 Hình 5.17: Đồ thị nhiệt độ đo thực tế tại vị trí 2 (6 lòng khuôn)…………………68 Hình 5.18: Phân bố từ trƣờng trong lòng khuôn………………………………….19: Đồ thị nhiệt độ đo thực tế tại vị trí 3………………………………….20: Kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm cuộn dây xoắn vuông góc.21: Đồ thị nhiệt độ đo thực tế tại vị trí 1………………………………….22: Đồ thị nhiệt độ đo thực tế tại vị trí 2………………………………….23: Phân bố từ trƣờng trong lòng khuôn………………………………….24: Đồ thị nhiệt độ đo thực tế tại vị trí 3………………………………….25: Phân bố nhiệt độ trên khuôn sau khi ngừng gia nhiệt 5s………………73 Hình 5.26: Kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm cuộn dây hình chữ nhật….74 xiii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1: Kế hoạch thực hiện luận văn………………………………………….1: Các khuyết tật , nguyên nhân và cách xử lý……………………………20 Bảng 2.2: Nhiệt độ xylanh và nhiệt độ khuôn tƣơng ứng từng loại nhựa…………23 Bảng 2. 3: Nhiệt độ nhựa và khuôn khi ép……………………………………….24 xiv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CAD: Computer-Aided Design CAE: Computre-Aided Engineering IH: Induction Heating STL: Standard Template Library xv Chƣơng 1.1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU, CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC: 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu: 1.1 Giới thiệu: Gia nhiệt cho khuôn ép nhựa là quá trình rất quan trọng.Quá trình này làm giảm lỗi ở sản phẩm.Nếu nhiệt độ lòng khuôn cao(90oC- 180oC),quá trình điền đầy nhựa sẽ dễ dàng hơn.Tuy nhiên,nếu nhiệt độ của các tấm khuôn tăng cao,quá trình giải nhiệt của khuôn nhựa sẽ bị kéo dài,và thời gian chu kỳ ép sản phẩm nhựa sẽ tăng,nên giá thành sản phẩm khó có thể giảm.