Luận văn: Nghiên cứu phân bố nhiệt bề mặt khuôn khi gia nhiệt bằng cảm ứng từ

Tài liệu nghiên cứu chi tiết phân bố nhiệt bề mặt khuôn bằng phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ với Ring Coil, mô phỏng trên Comsol và kiểm chứng thực nghiệm.

• Tác giả: Trịnh Văn Quốc
• 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 Nhiệt Của Bề Mặt Khuôn Trong Quá Trình Gia Nhiệt Bằng Cảm Ứng Từ Với Ring Coil
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái Niệm Về Gia Nhiệt Bằng Cảm Ứng Từ Và Ring Coil

Gia nhiệt bằng cảm ứng từ là một phương pháp hiện đại được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo khuôn. Phương pháp này dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ để tạo ra dòng điện xoáy trên bề mặt vật liệu, từ đó sinh ra nhiệt độ cao. Ring Coil là một dạng cuộn dây đặc biệt được thiết kế dưới hình dáng các vòng tròn đồng tâm, cho phép phân bố nhiệt đều và kiểm soát chính xác trên bề mặt khuôn. Công nghệ này mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các phương pháp gia nhiệt truyền thống, bao gồm khả năng kiểm soát nhiệt độ tốt hơn, thời gian gia nhiệt nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng.

1.1. Định Nghĩa Cảm Ứng Điện Từ

Cảm ứng điện từ là hiện tượng sinh ra dòng điện khi có sự thay đổi từ trường. Trong ứng dụng gia nhiệt, khi dòng điện xoay chiều chạy qua Ring Coil, nó tạo ra từ trường biến đổi, dẫn đến sinh ra dòng điện xoáy (eddy current) trên bề mặt vật liệu dẫn điện. Dòng điện này chuyển đổi thành nhiệt thông qua điện trở của vật liệu, theo định luật Joule-Lenz.

1.2. Cấu Trúc Và Đặc Điểm Ring Coil

Ring Coil được cấu tạo từ các vòng dây dẫn điện sắp xếp theo cấu trúc đồng tâm. Các vòng dây này được cuộn lại theo hình dạng hình tròn, tạo thành một cấu trúc vòng tròn có khả năng phát sinh từ trường mạnh và đều. Điểm nổi bật của Ring Coil là khả năng tạo ra phân bố nhiệt đều trên bề mặt khuôn, giảm thiểu các vùng nóng tập trung.

II. Nguyên Lý Hoạt Động Của Hệ Thống Gia Nhiệt

Hệ thống gia nhiệt khuôn bằng cảm ứng từ hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt. Khi dòng điện xoay chiều được cấp vào Ring Coil, nó tạo ra một từ trường biến đổi theo thời gian xung quanh cuộn dây. Từ trường này xâm nhập vào bề mặt khuôn, kích thích các electron trong vật liệu tạo thành dòng điện xoáy. Những dòng điện xoáy này chuyển động trong vật liệu có điện trở, sinh ra nhiệt độ cao. Mức độ gia nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cường độ dòng điện, tần số, khoảng cách giữa Ring Coil và khuôn, cũng như đặc tính vật liệu khuôn.

2.1. Quá Trình Sinh Nhiệt Qua Dòng Điện Xoáy

Khi từ trường biến đổi từ Ring Coil tác động lên khuôn, theo định luật Faraday, một lực điện động cảm ứng được sinh ra trong vật liệu. Lực này thúc đẩy các electron chuyển động tạo thành dòng điện xoáy. Dòng điện xoáy này chuyển động vòng tròn trong vật liệu có điện trở R, theo định luật Joule: Q = I²Rt, sinh ra nhiệt lượng Q. Lượng nhiệt sinh ra tỷ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện.

2.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Phân Bố Nhiệt

Phân bố nhiệt bề mặt khuôn chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố quan trọng: (1) Khoảng cách giữa Ring Coil và khuôn - khoảng cách nhỏ hơn tạo từ trường mạnh hơn; (2) Số vòng của Ring Coil - số vòng nhiều hơn cải thiện mật độ từ trường; (3) Khoảng cách giữa các vòng - ảnh hưởng đến sự liên tục và tính đều của phân bố nhiệt; (4) Tần số dòng điện - tần số cao sinh ra nhiệt nhanh hơn.

III. Ứng Dụng Mô Phỏng Số COMSOL Trong Nghiên Cứu

Phần mềm COMSOL Multiphysics là công cụ mô phỏng số học mạnh mẽ được sử dụng để phân tích phân bố nhiệt bề mặt khuôn trong quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ. Phần mềm này cho phép xây dựng mô hình 3D chi tiết, thiết lập các điều kiện biên, và mô phỏng các quá trình cảm ứng điện từ kết hợp với truyền dẫn nhiệt. Thông qua mô phỏng, các nhà nghiên cứu có thể dự báo chính xác sự phân bố nhiệt độ, tối ưu hóa thiết kế Ring Coil, và xác định các thông số tối ưu trước khi tiến hành thí nghiệm thực tế. Kết quả mô phỏng cung cấp các biểu đồ nhiệt độ và bản đồ phân bố nhiệt chi tiết.

3.1. Quy Trình Mô Phỏng Với COMSOL

Quy trình mô phỏng bằng COMSOL bao gồm các bước: (1) Xây dựng hình học mô hình - tạo các hình dạng 3D cho Ring Coil, khuôn và không gian xung quanh; (2) Thiết lập vật liệu - xác định các tính chất vật lý như độ dẫn điện, độ từ thẩm, tính chất nhiệt; (3) Định nghĩa các điều kiện biên - thiết lập dòng điện, nhiệt độ biên; (4) Giải phương trình - chạy mô phỏng để tính từ trường và trường nhiệt độ.

3.2. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng

Kết quả mô phỏng được thể hiện dưới dạng bản đồ nhiệt độ (heat map), biểu đồ phân bố nhiệt, và dữ liệu định lượng chi tiết. Các hình ảnh này cho thấy phân bố nhiệt không đều ở các vùng khác nhau trên bề mặt khuôn. Phân tích kết quả giúp xác định các vùng nóng tập trung, các điểm lạnh, và mức độ độ đều của phân bố nhiệt theo các điều kiện khác nhau.

IV. Thí Nghiệm Thực Tế Và Kiểm Chứng Kết Quả

Sau khi hoàn thành mô phỏng số, các nhà nghiên cứu tiến hành thí nghiệm thực tế trên mô hình thực để kiểm chứng độ chính xác của các dự báo. Trong thí nghiệm, hệ thống gia nhiệt bằng cảm ứng từ thực tế được xây dựng với Ring Coil theo thiết kế đã mô phỏng. Các cảm biến nhiệt độ được lắp đặt tại nhiều vị trí khác nhau trên bề mặt khuôn để đo đạc phân bố nhiệt độ thực tế. Dữ liệu thí nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng, xác nhận độ tin cậy của mô hình. Quá trình này giúp hoàn thiện mô hình và tối ưu hóa thiết kế Ring Coil cho các ứng dụng thực tế trong công nghiệp.

4.1. Thiết Kế Mô Hình Thí Nghiệm

Mô hình thí nghiệm được thiết kế để kiểm chứng các phát hiện từ mô phỏng. Mô hình bao gồm: (1) Nguồn điện - cấp dòng xoay chiều có tần số và cường độ có thể điều chỉnh; (2) Ring Coil - được chế tạo theo thiết kế tối ưu từ mô phỏng; (3) Khuôn mẫu - làm từ vật liệu sắt từ được sử dụng trong công nghiệp; (4) Hệ thống đo nhiệt độ - sử dụng cảm biến nhiệt điện từ hoặc hình ảnh nhiệt hồng ngoại.

4.2. Phương Pháp Đo Lường Và Xác Minh

Phương pháp đo lường sử dụng các cảm biến nhiệt độ được lắp tại các vị trí xác định trên bề mặt khuôn. Dữ liệu nhiệt độ được ghi lại theo thời gian, tạo thành đường cong gia nhiệt. Các kết quả thực tế được so sánh với dự báo từ mô phỏng COMSOL để xác nhận độ chính xác. Sai lệch giữa dự báo và thực tế được phân tích, giúp cải thiện mô hình và tối ưu hóa các thông số gia nhiệt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, các sản phẩm nhựa được thiết kế và phát triển theo xu hướng 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. Nếu trong suốt quá trình phun ép, nhiệt độ khuôn có thể duy trì ở giá trị cao hơn nhiệt độ chuyển pha của vật liệu nhựa thì khả năng điền đầy khuôn với những chi tiết có kích thước micro sẽ tăng lên. Hiện nay điều khiển nhiệt độ khuôn tối ưu là một trong những cách hiệu quả nhất nhằm nâng cao chất lượng bề mặt khuôn [8, 10].

Nhìn chung, nếu nhiệt độ bề mặt lòng khuôn cao, quá trình điền đầy nhựa sẽ được dễ dàng hơn, và trong hầu hết các trường hợp, chất lượng bề mặt sản phẩm sẽ được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ của các tấm khuôn tăng cao, quá trình giải nhiệt của khuôn nhựa sẽ bị kéo dài, và chu kỳ phun ép sẽ tốn nhiều thời gian, giá thành sản phẩm cũng sẽ gia tăng. Vì vậy, mục tiêu quan trọng của quá trình điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép là: gia nhiệt cho bề mặt khuôn đến nhiệt độ yêu cầu, nhưng vẫn đảm bảo thời gian chu kỳ phun ép không quá dài. Trong các nghiên cứu mới đây, phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ được kết hợp với lưu chất giải nhiệt nhằm điều khiển nhiệt độ khuôn.

Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ có những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp khác như: - Tốc độ gia nhiệt cao - Thời gian gia nhiệt có thể kéo dài đến 20 giây - Có thể ứng dụng cho khuôn phun ép như một module đính kèm, nghĩa là không cần thay đổi kết cấu khuôn có sẵn. 1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Tuy nhiên, hiện nay, các thiết kế của cuộn dây gia nhiệt chỉ giới hạn ở dạng 2D, toàn bộ cuộn dây chỉ được bố trí trên 2 mặt phẳng. Điều này ảnh hưởng không tốt đến phân bố nhiệt độ trên bề mặt của khuôn. Đây cũng là một trong những nguyên nhân làm tăng độ cong vênh của sản phẩm nhựa sau khi phun ép.

Để khắc phục hiện tượng này, mô hình cuộn dây 3D được đề xuất nhằm nâng cao độ đồng đều về nhiệt độ của bề mặt khuôn và giảm cong vênh sản phẩm.2 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU: 1. Trong nước Hiện nay, các doanh nghiệp Việt Nam, các đề tài nghiên cứu về lĩnh vực nhựa đã có định hướng về nghiên cứu tối ưu hóa quá trình giải nhiệt cho khuôn phun ép nhằm giải quyết bài toán về chi phí sản xuất trong ngành nhựa. Trong quá trình tìm hiểu, các doanh nghiệp Việt Nam đang trong quá trình khai thác một số phần mềm chuyên dùng cho mô phỏng quá trình gia công nhựa như: C-Mold, Moldflow, Moldex3D,… Ngoài ra, trong nghiên cứu, đã có một số đề tài tìm hiểu và ứng dụng công cụ CAD – CAM – CAE được thực hiện như sau: - Luận văn tốt nghiệp cao học của học viên Lê Minh Trí (ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM): “Tối ưu hóa giải nhiệt khuôn ép phun”. Luận văn này đã đề cập đến cơ sở của việc thiết kế hệ thống giải nhiệt của khuôn ép phun dựa trên lý thuyết truyền nhiệt, ứng dụng phương pháp này để tính toán hệ thống giải nhiệt cho sản phẩm là một tấm mỏng, sau đó sử dụng phần mềm Moldflow để mô phỏng, kiểm tra kết quả.

Tuy nhiên, nội dung đề tài này chưa đưa ra được phương pháp tối ưu cho việc thiết kế hệ thống giải nhiệt, và việc tính toán, mô phỏng chỉ dừng lại ở một chi tiết quá đơn giản, chưa phù hợp với yêu cầu thực tế. - Luận văn tốt nghiệp cao học của học viên Nguyễn Văn Thành (ĐH Bách Khoa TP HCM): “Nghiên cứu xây dựng qui trình thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun nhựa theo công nghệ CAD / CAE”. Luận văn này đã đề cập đến lý thuyết truyền nhiệt và ứng dụng nó trong khuôn ép phun, nhằm xác định kích thước và phân bố hệ thống làm nguội, xây dựng được qui trình thiết kế hệ thống 2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP làm nguội cho khuôn ép phun theo công nghệ CAD / CAE, áp dụng qui trình này cho sản phẩm là khuôn vỏ bình nước nóng. Tuy nhiên, đến hiện nay, lĩnh vực điều khiển nhiệt độ khuôn chỉ được hiểu và thực hiện theo hướng giải nhiệt cho khuôn, với mục tiêu quan trọng nhất là làm nguội khuôn trong thời gian ngắn nhất.

Ngược lại, quá trình gia nhiệt cho khuôn vẫn chưa được quan tâm đúng mức. Do đó, thực trạng của sản xuất sản phẩm nhựa tại Việt Nam chỉ dừng lại ở nhóm các sản phẩm đơn giản, chất lượng thấp, và chủ yếu tập trung vào lĩnh vực hàng tiêu dùng. Thế giới: - Nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc bộ môn kỹ thuật cơ khí, đại học Chung Yuan Christian, Đài Loan: Hiệu quả của việc điều khiển nhiệt độ bề mặt khuôn khác nhau và chất lượng chi tiết [12]. Trong nghiên cứu này việc sử dụng công nghệ gia nhiệt cảm ứng điện từ kết hợp với làm nguội bằng nước được dùng để tạo ra sự biến thiên nhanh nhiệt độ khuôn.

Quá trình mô phỏng sự biến thiên nhiệt độ sử dụng công nghệ CAE (ANSYS) kết hợp với đo lường thực nghiệm trên các mẫu sản phẩm (có dạng các kênh dẫn vi mô) đã chỉ ra rằng gia nhiệt cảm ứng có thể nhanh chóng tăng nhiệt độ bề mặt khuôn từ 600C lên 1400C trong vòng 3,5 giây. Kết quả mô phỏng được thực hiện trước đó hoàn toàn tương thích với kết quả đo lường trên vật mẫu. Quá trình mô phỏng cũng cho thấy sóng điện từ có thể thâm nhập vào trong phần đáy của các kênh dẫn, tạo ra hiệu quả ảnh hưởng nhiệt cho các đặc tính vi mô. Việc tăng nhiệt độ thông qua gia nhiệt cảm ứng giúp cải thiện độ chính xác lặp lại cho các chi tiết đặc tính vi mô mà không cần tăng đáng kể chu kỳ ép.

- Nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc bộ môn kỹ thuật cơ khí, đại học Chung Yuan Christian, Đài Loan: Biến thiên nhanh nhiệt độ trong việc hỗ trợ quá trình phun tạo hình các sản phẩm vi mô có hệ số co giãn lớn sử dụng công nghệ gia nhiệt cảm ứng từ [13]. 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Trong nghiên cứu này chỉ ra phương pháp điều khiển nhiệt độ bề mặt khuôn khác nhau sử dụng lớp vật liệu cách nhiệt để đạt được nhiệt độ bề mặt khuôn nhanh chóng. Để nhiệt bề mặt khuôn tăng nhanh với nhiệt độ tăng khác nhau giữa khoảng 50 0C và 1000C hoặc cao hơn. Phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ được xem là hiệu quả nhất chỉ trong vòng 2 đến 4 giây.

Phương pháp gia nhiệt bằng hồng ngoại có sử dụng vật liệu cách nhiệt thì phải mất khoảng 15 giây. - Nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc bộ môn kỹ thuật cơ khí, đại học Chung Yuan Christian, Đài Loan: Đánh giá tính khả thi của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng cho việc điều khiển nhiệt độ bề mặt khuôn trong quá trình phun ép [4]. Phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng có thể tăng nhiệt độ bề mặt khuôn từ 600C đến 1200C trong vòng 2 giây (nghĩa là tốc độ trung bình khoảng 300C/giây) và cần 34 giây để nhiệt độ trở về 600C. Trong khi, phương pháp gia nhiệt bằng nước nóng thì phải mất 192 giây để có thể tăng nhiệt độ bề mặt khuôn từ 60 0C đến 1200C và cần 75 giây để nhiệt độ trở về 600C.

Các nghiên cứu trên phần nào đề cập đến quá trình khảo sát nhiệt độ trên bề mặt khuôn và gia nhiệt bằng cảm ứng nhưng phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ mới chỉ dừng lại ở việc sử dụng cuộn dây 2D còn trong nghiên cứu này thì tác giả sử dựng cuộn dây 3D.3 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Như đã trình bày ở trên, việc thiết kế hệ thống khuôn ép nhựa nói chung và thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ nói riêng là một quá trình phức tạp, đòi hỏi tốn nhiều chi phí và thời gian. Hiện nay, việc thiết kế hệ thống làm nguội được thực hiện theo 2 phương pháp: - Thiết kế theo kinh nghiệm. - Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính. 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Tuy nhiên, cả hai phương pháp này đều tập trung chủ yếu vào quá trình giải nhiệt cho khuôn.

Do đó, đa số các công ty sản xuất sản phẩm nhựa tại Việt Nam chỉ dừng lại ở nhóm các sản phẩm đơn giản, chất lượng thấp, và chủ yếu tập trung vào lĩnh vực hàng tiêu dùng. Ngoài ra, các phương án giải quyết các vấn đề về cong vênh, đường hàn, chất lượng bề mặt… vẫn còn rất hạn chế và tốn nhiều chi phí trong qua trình gia công.4 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI – ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 1.1 Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu phân bố nhiệt của bề mặt khuôn trong quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ với “Ring Coil”. Cụ thể như sau: - Khảo sát phân bố nhiệt trên bề mặt của tấm khuôn 100x100x32 với phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ sử dụng “Ring Coil”. - Khảo sát ảnh hưởng khe hở giữa 2 tấm khuôn, số vòng “Ring Coil”, khoảng cách giữa các vòng “Ring Coil” đến quá trình gia nhiệt.

- Khảo sát phân bố nhiệt trên bề mặt của tấm khuôn âm và dương với phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ sử dụng “Ring Coil”.2 Đối tượng nghiên cứu - Tấm khuôn. - Phương pháp mô phỏng nhằm dự đoán kết quả gia nhiệt cho bề mặt khuôn.5 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 1.1 Nhiệm Vụ Nghiên Cứu - Thu thập và phân tích tài liệu về kỹ thuật gia nhiệt cho khuôn phun ép. - Tìm hiểu các yêu cầu về kết cấu khuôn ứng với phương pháp gia nhiệt theo nguyên lý cảm ứng từ. 5 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP - Mô phỏng sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt khuôn 100x100x32 sử dụng phần mềm Comsol.

- Thực nghiệm nhằm kiểm chứng các kết quả phân tích, mô phỏng. - Tổng kết và đưa ra kết luận.2 Giới Hạn Đề Tài - Tấm khuôn mẫu kích thước : 100x100x32 mm 3 - Bề mặt khuôn là mặt phẳng.6 CÁCH TIẾP CẬN – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1 Cách Tiếp Cận Sử dụng phương pháp định lượng trong quá trình tính toán, phân tích mô phỏng kết hợp với thực nghiệm nhằm kiểm chứng kết quả.