Nghiên cứu phân bố nhiệt tấm khuôn dương bằng điện trở - Luận văn ThS.

Luận văn nghiên cứu phân bố nhiệt độ tấm khuôn dương bằng phương pháp gia nhiệt điện trở, giúp tối ưu chất lượng sản phẩm nhựa trong kỹ thuật ép phun.

• Tác giả: Nguyễn Văn Dũng
• Người hướng dẫn: PGS.TS ĐỖ Thành Trung
• 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 Độ Của Tấm Khuôn Dương Với Phương Pháp Gia Nhiệt Bằng Điện Trở
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm về phân bố nhiệt tấm khuôn dương

Phân bố nhiệt tấm khuôn dương là quá trình điều khiển và duy trì nhiệt độ đều đặn trên toàn bộ bề mặt khuôn trong quá trình phun ép nhựa. Việc gia nhiệt bằng điện trở đã trở thành phương pháp hiệu quả để đạt được nhiệt độ cao và ổn định. Tấm khuôn dương, là bộ phận quan trọng trong hệ thống phun ép, cần được duy trì ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chuyển pha của vật liệu nhựa. Điều này giúp cải thiện khả năng điền đầy khuôn với các chi tiết có kích thước micro, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thời gian chu kỳ phun ép. Phương pháp gia nhiệt điện trở không chỉ đảm bảo nhiệt độ cao mà còn có khả năng gia nhiệt nhanh, đáp ứng yêu cầu khắt khe của các sản phẩm nhựa hiện đại.

1.1. Vai trò của nhiệt độ khuôn trong phun ép nhựa

Nhiệt độ khuôn đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm cuối cùng. Kiểm soát nhiệt độ khuôn giúp cải thiện độ bóng, độ chính xác kích thước và tính cơ học của sản phẩm. Khi bề mặt khuôn được duy trì ở nhiệt độ cao, độ dẻo dai và khả năng chảy của nhựa tăng, cho phép nhựa điền đầy những chi tiết phức tạp. Ngược lại, nếu nhiệt độ quá thấp, sản phẩm có thể bị biến dạng, cong vênh hoặc nứt. Do đó, điều khiển nhiệt độ khuôn chính xác là yếu tố không thể thiếu.

1.2. Ưu điểm của phương pháp gia nhiệt điện trở

Gia nhiệt bằng điện trở cung cấp nhiều lợi thế so với các phương pháp truyền thống. Phương pháp này cho phép gia nhiệt nhanh chóng đến nhiệt độ yêu cầu trong thời gian ngắn. Hơn nữa, điều khiển nhiệt độ chính xác và ổn định hơn, giảm sự biến động nhiệt độ trên bề mặt khuôn. Đây là giải pháp tối ưu cho các sản phẩm đòi hỏi cao về độ chính xác và cơ tính.

II. Nguyên lý hoạt động của hệ thống gia nhiệt điện trở

Hệ thống gia nhiệt điện trở cho tấm khuôn dương hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt năng. Khi dòng điện chạy qua các phần tử điện trở được lắp đặt trên bề mặt hoặc bên trong tấm khuôn, chúng sinh ra nhiệt độ cao. Công suất gia nhiệt được kiểm soát bằng các thiết bị điều khiển nhiệt độ hiện đại như PID controller hoặc hệ thống điều khiển tự động. Phân bố nhiệt đều đặn trên toàn bộ bề mặt khuôn là mục tiêu chính, giúp tránh những vùng nóng lạnh không đều. Quá trình này được giám sát liên tục bằng các cảm biến nhiệt độ để đảm bảo duy trì nhiệt độ ổn định trong suốt quá trình phun ép.

2.1. Cấu trúc hệ thống gia nhiệt điện trở

Hệ thống gia nhiệt điện trở bao gồm các thành phần chính: phần tử điện trở (heater), bộ điều khiển nhiệt độ, cảm biến nhiệt độ và dây điện. Các phần tử gia nhiệt được bố trí trên các vị trí chiến lược của tấm khuôn dương để đảm bảo phân bố nhiệt đều. Cảm biến nhiệt độ được đặt tại các điểm khác nhau để đo lường và phản hồi tình trạng nhiệt độ thực tế.

2.2. Quá trình điều khiển nhiệt độ trong hoạt động

Quá trình gia nhiệt bằng điện trở được chia thành hai giai đoạn: giai đoạn tăng nhiệt độ nhanh từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ mục tiêu, và giai đoạn duy trì nhiệt độ ổn định. Bộ điều khiển tự động liên tục so sánh nhiệt độ hiện tại với giá trị đặt để điều chỉnh công suất cung cấp. Phương pháp này giảm thiểu biến động nhiệt và đảm bảo tấm khuôn dương luôn ở trạng thái nhiệt độ tối ưu.

III. Ảnh hưởng của các yếu tố đến phân bố nhiệt tấm khuôn

Phân bố nhiệt tấm khuôn dương chịu tác động của nhiều yếu tố khác nhau. Vật liệu khuôn là yếu tố quan trọng, vì độ dẫn nhiệt của vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ truyền nhiệt và sự đều đặn của phân bố nhiệt. Hình dáng và kích thước khuôn cũng quyết định cách thức gia nhiệt bằng điện trở được áp dụng. Những khuôn phức tạp với các lỗ chi tiết nhỏ yêu cầu phân bố nhiệt cân bằng để tránh những vùng nóng lạnh. Hình dáng kênh giải nhiệt là yếu tố thiết kế quan trọng, ảnh hưởng đến khả năng tản nhiệt hiệu quả. Ngoài ra, chu kỳ phun ép và lưu lượng chất lỏng tản nhiệt cũng góp phần vào việc duy trì nhiệt độ ổn định.

3.1. Ảnh hưởng của vật liệu khuôn lên hiệu suất gia nhiệt

Các loại vật liệu khuôn khác nhau như thép công cụ, hợp kim nhôm có độ dẫn nhiệt riêng. Vật liệu có độ dẫn nhiệt cao cho phép phân bố nhiệt nhanh và đều đặn hơn, nâng cao hiệu suất gia nhiệt bằng điện trở. Vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp yêu cầu bố trí phần tử gia nhiệt dày đặc hơn để đảm bảo phân bố nhiệt không có vùng lạnh.

3.2. Tác động của thiết kế kênh giải nhiệt

Kênh giải nhiệt được thiết kế nhằm đảm bảo lưu lượng chất lỏng đều đặn và hiệu quả. Hình dáng kênh ảnh hưởng đến phân bố nhiệt bên trong tấm khuôn dương. Kênh giải nhiệt tối ưu giúp giảm thời gian chu kỳ phun ép và duy trì nhiệt độ ổn định trong suốt quá trình sản xuất.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Các nghiên cứu về phân bố nhiệt tấm khuôn dương bằng gia nhiệt điện trở đã chứng minh hiệu quả tích cực trong sản xuất nhựa. Phương pháp gia nhiệt bằng điện trở được áp dụng thành công cho các sản phẩm nhựa yêu cầu cao về độ chính xác và cơ tính. Kết quả cho thấy, khi duy trì nhiệt độ khuôn ở mức cao hơn nhiệt độ chuyển pha của vật liệu, khả năng điền đầy khuôn với chi tiết micro tăng đáng kể. Thời gian chu kỳ phun ép được tối ưu hóa mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm. Việc kiểm soát và điều khiển nhiệt độ khuôn bằng phương pháp này giúp giảm tỷ lệ sản phẩm lỗi, nâng cao hiệu suất sản xuất. Các nhà máy sản xuất nhựa ngày càng áp dụng kỹ thuật gia nhiệt điện trở để cạnh tranh trên thị trường toàn cầu.

4.1. Kết quả thực nghiệm với tấm khuôn dương

Các thí nghiệm gia nhiệt bằng điện trở trên tấm khuôn dương cho thấy phân bố nhiệt đều đặn có thể đạt được với bố trí phần tử gia nhiệt hợp lý. Nhiệt độ bề mặt khuôn ổn định ở mức mong muốn, giảm biến động nhiệt độ tối đa 5%. Chất lượng sản phẩm được cải thiện rõ rệt, đặc biệt là độ bóng mặt và độ chính xác kích thước.

4.2. Các ưu điểm trong sản xuất công nghiệp

Phương pháp gia nhiệt bằng điện trở mang lại nhiều lợi ích kinh tế: giảm thời gian chu kỳ phun ép, tăng năng suất sản xuất, giảm tỷ lệ phế phẩm. Kiểm soát nhiệt độ chính xác cho phép các nhà sản xuất tăng độ phức tạp của sản phẩm mà vẫn đảm bảo chất lượng cao. Ứng dụng này đặc biệt hữu ích trong các ngành công nghiệp yêu cầu sản phẩm chính xác cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện nay, các nước trên thế giới như: Nhật, Đài Loan, Đức, Mỹ …đã áp dụng công nghệ điều khiển nhiệt độ trong ngành công nghiệp nhựa, đã và đang nâng cao chất lượng sản phẩm cũng như hiệu quả kinh tế to lớn. Tuy nhiên, ở Việt Nam công nghệ này cũng còn khá mới mẻ, hầu hết các doanh nghiệp ngành nhựa sử dụng công nghệ này chủ yếu mua của nước ngoài từ khuôn cho đến bộ điều khiển với giá thành cao. Vì vậy, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển nhiệt độ cho khuôn là hết sức cần thiết cho ngành nhựa trong nước, giảm bớt sự phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài và chi phí sản xuất. Khi bộ khuôn được thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ, người kỹ sư sẽ kiểm soát được nhiệt độ bề mặt lòng khuôn hoặc nhiệt độ của cả khuôn tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình phun ép.

Việc điều khiển được nhiệt độ trong suốt chu kỳ phun ép là hết sức quan trọng mang lại nhiều lợi ích kỹ thuật và kinh tế. Đối với những sản phẩm nhựa đơn giản không nhất thiết phải thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ cho khuôn, nhưng hệ thống này không thể thiếu đối với những sản phẩm phức tạp. Sản phẩm phức tạp có hình dáng và độ dày mỏng thay đổi ở nhiều vị trí khác nhau nên để giảm bớt các khuyết tật có thể xảy ra cho sản phẩm trong quá trình phun ép cần phải có sự điều khiển nhiệt độ. Điều khiển không chỉ đơn giản là tăng hay giảm nhiệt độ theo thời gian mà còn điều khiển phân bố nhiệt độ cao thấp ở những vị trí khác nhau cho phù hợp với hình dáng sản phẩm.

Để làm được điều đó cần tính toán số lượng heater, cooling channel, vị trí, chất giải nhiệt, thời gian gia nhiệt, thời gian giải nhiệt … cho phù hợp với thiết kế của khuôn. Có như vậy sản phẩm mới có thể điền đầy khuôn một cách tốt nhất, tránh được các hiện tượng: cong vênh, đường hàn, vết lõm, co rút … 1 Điều khiển được nhiệt độ bề mặt lòng khuôn cũng góp phần giảm được chu kỳ phun ép một cách đáng kể, điều này mang lại nhiều lợi ích kinh tế. Thông qua điều khiển nhiệt độ sẽ tìm ra được thời gian gia nhiệt và giải nhiệt hợp lý tránh lãng phí thời gian cũng như công suất của điện trở. Giảm chu kỳ phun ép đồng nghĩa với sản lượng được tăng lên rất nhiều, giảm hao phí năng lượng không cần thiết trong quá trình gia nhiệt.

Khi sản phẩm đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật và sản lượng tăng chắc chắn sẽ mang lại nhiều lợi nhuận cho doanh nghiệp. Với mục đích nghiên cứu và chế tạo hệ thống điều khiển nhiệt độ cho khuôn dương, nên tác giả đã quyết định chọn đề tài “NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ CỦA TẤM KHUÔN DƯƠNG VỚI PHƯƠNG PHÁP GIA NHIỆT BẰNG ĐIỆN TRỞ”.2 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến gia nhiệt cho tấm khuôn dương 1.1 Gia nhiệt bằng nước nóng “ Tối ưu hóa hệ thống điều khiển nhiệt khuôn dương” tác giả Lê Quang Lưu [6].1: Đường Streamline nhiệt độ của nước cuối quá trình gia nhiệt và giải nhiệt của khuôn vật liệu nhôm 2 Hình1.2: So sánh kết quả giữa mô phỏng và thí nghiệm cho tấm khuôn Al. Trong nghiên cứu này cho thấy cuối quá trình gia nhiệt 20s cho tấm khuôn dương, nhiệt độ thí nghiệm tại điểm P1 đạt được 52,25 0C và tại điểm P2 là 65,50C, điểm P1 có sự chênh lệch nhiệt độ giữa thí nghiệm và mô phỏng lớn hơn điểm P2. Nhiệt độ cuối quá trình giải nhiệt P1 là 380C, P2 là 350 C.2 Gia nhiệt bằng điện trở “Tối ưu hóa hệ thống điều khiển nhiệt độ bằng điện trở và nước cho tấm khuôn dương” tác giả Nguyễn Tấn Phùng [7].3: So sánh kết quả giữa mô phỏng và thí nghiệm cho tấm khuôn C45 Trong nghiên cứu này cho thấy nhiệt độ cuối quá trình gia nhiệt lúc mô phỏng là 960C và thí nghiệm là 740C chênh lệch khoảng 220C, cuối quá trình giải nhiệt là 570C chênh lệch giữa thí nghiệm và mô phỏng là 0.3 Gia nhiệt bằng khí nóng “Gia nhiệt cục bộ cho lòng khuôn ép nhựa bằng khí nóng’’ tác giả Phùng Huy Dũng [8].4: So sánh kết quả giữa mô phỏng và thí nghiệm cho tấm khuôn Al Qua biểu đồ cho thấy sự gia nhiệt bằng khí nóng làm nhiệt độ tấm insert khuôn tăng lên rất nhanh.

Khi gia nhiệt với nguồn nhiệt là 2000C, thời gian gia nhiệt 5s đến 10s thì nhiệt độ khuôn tăng trung bình: 80C/s, thời gian gia nhiệt 10s đến 15s thì nhiệt độ khuôn tăng trung bình: 20C/s.4 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 [9]. Phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng có thể tăng nhiệt độ bề mặt khuôn từ 600C đến 120 0C 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 600C đến 1200C và cần 75 giây để nhiệt độ trở về 600C.5: So sánh sự thay đổi nhiệt độ đo được cho phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng và gia nhiệt bằng nước nóng 1. Lý do chọn đề tài và giới hạn đề tài 1.1 Lý do chọn đề tài Hiện nay, sản phẩm nhựa được ứng dụng rộng rãi trên thị trường, mang lại hiệu quả kinh tế cao.

Chính vì vậy việc nghiên cứu các thuộc tính của nhựa có liên quan đến chất lượng sản phẩm. Trong đó nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự hình thành sản phẩm. Nên tác giả đã chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ CỦA TẤM KHUÔN DƯƠNG VỚI PHƯƠNG PHÁP GIA NHIỆT BẰNG ĐIỆN TRỞ” 1. Phạm vi và giới hạn đề tài Do những điều kiện khách quan cũng như chủ quan mà đề tài chỉ nghiên cứu trong phạm vi giới hạn sau: - Tổng quan về khuôn ép nhựa và quá trình điều khiển nhiệt độ cho khuôn.

- Thiết kế tấm khuôn dương trên phần mềm Creo 2.0 - Mô phỏng phân bố nhiệt độ của tấm khuôn dương trên phần mềm ANSYS 14.0 - Gia công tấm khuôn dương. - So sánh đánh giá kết quả giữa mô phỏng và thí nghiệm 5 1. Mục tiêu của đề tài - Nghiên cứu phân bố nhiệt độ của tấm khuôn dương với phương pháp gia nhiệt bằng điện trở. - Xác định ảnh hưởng của vật liệu khuôn, hình dáng và kích thước khuôn, hình dáng kênh giải nhiệt đến quá trình điều khiển nhiệt độ cho tấm khuôn dương.

- Điều khiển nhiệt độ khuôn theo yêu cầu: gia nhiệt bề mặt lòng khuôn đạt được ≥ 800C và giải nhiệt xuống 400C trong quá trình mô phỏng. - Thiết kế, mô phỏng và chế tạo hệ thống điều khiển nhiệt độ cho tấm khuôn dương (tấm insert). - Thí nghiệm thực tế. - So sánh đánh giá kết quả giữa mô phỏng và thí nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện tốt việc nghiên cứu thiết kế tấm khuôn dương, cần phải dựa trên những kiến thức cơ bản về gia công cơ khí, phần mềm thiết kế Creo 2.0, phầm mềm mô phỏng ANSYS 14.0… Luận văn được thực hiện bằng các phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp lấy ý kiến giáo viên hướng dẫn, chuyên gia. - Phương pháp nghiên cứu tài liệu, giáo trình - Phương pháp mô phỏng và thực nghiệm 6 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu về khuôn ép nhựa [1] 2. Khái niệm chung về khuôn - Là một dụng cụ để định hình cho một sản phẩm nhựa.

Kích thước và kết cấu khuôn phụ thuộc vào kích thước hình dáng của sản phẩm. - Là một cụm gồm nhiều chi tiết lắp ghép với nhau, ở đó nhựa được phun vào, được làm nguội và đẩy ra sản phẩm bao gồm có 2 phần chính: core (khuôn đực) và cavity (khuôn cái hay lòng khuôn). Phân loại - Theo số tầng lòng khuôn:  Khuôn 1 tầng.  Khuôn nhiều tầng.

- Theo loại kênh dẫn:  Dùng kênh dẫn nóng (hot runner).  Khuôn dùng kênh dẫn nguội (cold runner). - Theo cách bố trí kênh dẫn:  Khuôn 2 tấm. - Theo số màu nhựa tạo ra sản phẩm:  Khuôn cho sản phẩm 1 màu.

 Khuôn cho sản phẩm nhiều màu. Kết cấu chung của một bộ khuôn Có 2 phần chính core và cavity: - Phần khuôn cái (Cavity): phần lõm vào xác định hình dạng bên ngoài của sản phẩm còn được gọi là lòng khuôn, phần khuôn này cố định được gắn trên tấm cố định của máy ép phun. 7 - Phần khuôn đực (Core): phần lồi ra xác định hình dạng bên trong của sản phẩm còn gọi là lõi, phần khuôn này di động được gắn trên tấm di động của máy ép phun. Ngoài ra còn có: -Phần tạo sản phẩm: đây là khoảng trống giữa khuôn đực và khuôn cái được điền đầy bởi nhựa dẻo và nó sẽ mang hình dạng của sản phẩm, nhựa được làm nguội rồi lấy ra khỏi khuôn bằng hệ thống đẩy sản phẩm hoặc bằng tay.

- Hệ thống dẫn hướng và định vị: gồm tất cả các chốt dẫn hướng, bạc dẫn hướng, vòng định vị… có nhiệm vụ giữ đúng vị trí làm việc của 2 phần khuôn khi chúng được ghép với nhau để tạo hình sản phẩm. - Hệ thống dẫn nhựa vào lòng khuôn: gồm bạc cuống phun, kênh dẫn nhựa và miệng phun làm nhiệm vụ cung cấp nhựa vào lòng khuôn. - Hệ thống đẩy sản phẩm: gồm các chốt đẩy, chốt hồi, tấm đẩy, tấm giữ, gối đỡ… có nhiệm vụ đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn sau khi ép xong. - Hệ thống lõi mặt bên: gồm lõi mặt bên, má lõi, thanh dẫn hướng, cam chốt, xiên, xy lanh thủy lực… làm nhiệm vụ tháo những phần ẩn khó khăn khi tháo như under-cut ra theo hướng mở khuôn.

- Hệ thống thoát khí: gồm có những rãnh thoát hơi, có nhiệm vụ đưa không khí còn lại trong khuôn ra ngoài tạo điều kiện cho nhựa điền đầy lòng khuôn 1 cách dễ dàng và giúp cho sản phẩm tránh 1 số khuyết tật như rỗ khí, cháy, thiếu vật liệu… - Hệ thống làm nguội: gồm các đường nước, các rãnh, ống dẫn nhiệt, đầu nối… có nhiệm vụ ổn định nhiệt độ khuôn và làm nguội sản phẩm 1 cách nhanh chóng.1: Kết cấu khuôn hai tấm 2. Công nghệ phun ép 2.