Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp sản xuất các sản phẩm từ vật liệu polyme tại Việt Nam, nhu cầu thị trường đối với các sản phẩm ép phun nhựa liên tục tăng cao, đặc biệt là các đòi hỏi khắt khe về kiểu dáng, độ chính xác hình học và chất lượng thẩm mỹ bề mặt. Tuy nhiên, năng lực thiết kế và chế tạo khuôn ép nhựa trong nước còn gặp nhiều hạn chế do số lượng doanh nghiệp chuyên sâu còn ít, đội ngũ kỹ sư có trình độ kỹ thuật cao còn thiếu hụt và các chương trình đào tạo chuyên sâu trong các trường đại học chỉ mới bắt đầu được triển khai.

Về mặt công nghệ, quá trình ép phun là quá trình điền đầy nhựa nóng chảy vào lòng khuôn, làm nguội định hình và đẩy sản phẩm ra ngoài nhờ hệ thống lói/đẩy mà không xảy ra bất kỳ phản ứng hóa học nào. Trong chu trình này, nhiệt độ lòng khuôn là thông số công nghệ có ảnh hưởng quyết định trực tiếp tới khả năng điền đầy và độ hoàn thiện của chi tiết. Sự phân bố nhiệt độ khuôn không thích hợp hoặc nhiệt độ khuôn quá thấp trong pha điền đầy là nguyên nhân chính dẫn đến các dạng khuyết tật điển hình:

  • Sản phẩm không điền đầy (short shot) do nhựa bị đông đặc sớm khi chưa lấp đầy các khoang mỏng.
  • Lỗi đường hàn (weld line) xuất hiện khi hai dòng nhựa gặp nhau nhưng nhiệt độ tiếp xúc không đủ để chúng hòa lẫn hoàn toàn.
  • Lỗi rỗ khí (air trap) và các khuyết tật co ngót trên bề mặt sản phẩm.

Để khắc phục tình trạng trên, đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp gia nhiệt bề mặt lòng khuôn bằng khí nóng. Đây là phương pháp mới được chế tạo thử nghiệm đầu tiên tại Việt Nam, sở hữu ưu điểm gia nhiệt nhanh chóng, linh hoạt tại nhiều vị trí lòng khuôn phức tạp, kết cấu hệ thống tương đối đơn giản và có khả năng tích hợp tự động hóa cao.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được phân công cụ thể cho ba sinh viên thực hiện:

  1. Sinh viên Huỳnh Minh Trí: Nghiên cứu công nghệ phun ép nhựa và ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến chất lượng sản phẩm; phân tích phương pháp gia nhiệt bề mặt khuôn bằng khí nóng; xuất bản vẽ kỹ thuật và trực tiếp gia công các tấm gia nhiệt.
  2. Sinh viên Lê Chí Đạt: Thiết kế mạch điện điều khiển; thiết kế mạch động lực; thiết kế kết cấu hệ thống gia nhiệt cho khuôn (bao gồm khung đỡ tấm gia nhiệt và xác lập nguyên lý vận hành của hệ thống).
  3. Sinh viên Trần Thành Duy: Nghiên cứu ứng dụng phần mềm ANSYS (phân hệ CFX); thiết lập mô phỏng quá trình gia nhiệt cho bề mặt khuôn; thiết kế các module gia nhiệt với các cấu hình 1 vòi phun, 2 vòi phun và 4 vòi phun.
  4. Nhiệm vụ chung: Hoàn thiện chế tạo cơ khí - mạch điện và tiến hành chạy thử nghiệm hệ thống module gia nhiệt tích hợp trên cánh tay robot.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống module gia nhiệt cục bộ bằng dòng khí nóng nén qua lõi gia nhiệt điện trở; các tấm mẫu thử kim loại nhôm kích thước 50 x 100 (mm) với độ dày thay đổi từ dưới 1 mm đến 2 mm.
  • Phạm vi nghiên cứu: Đồ án được triển khai tại Bộ môn Công nghệ Tự động, Khoa Đào tạo Chất lượng cao phối hợp cùng Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; thời gian thực hiện từ ngày 30/09/2015 đến ngày 09/01/2016. Quá trình kiểm nghiệm thực nghiệm và mô phỏng được giới hạn khảo sát trong khoảng thời gian gia nhiệt từ 0 đến 20 giây ở quy mô nghiên cứu phòng thí nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết động lực học chất lỏng tính toán (CFD), lý thuyết truyền nhiệt đối lưu - dẫn nhiệt trong vật rắn và phương pháp chế tạo thực nghiệm cơ điện tử.

Về công cụ mô phỏng số, tác giả sử dụng phần mềm ANSYS Workbench 14.0 với module chuyên dụng ANSYS CFX để giải quyết bài toán tương tác nhiệt - dòng chảy. ANSYS CFX là chương trình tính toán động lực học dòng chảy dựa trên phương pháp thể tích hữu hạn, cho phép liên kết hai chiều với các hệ thống CAD để xử lý trường vận tốc, trường áp suất và trường nhiệt độ đối lưu kết hợp dẫn nhiệt qua bề mặt tiếp xúc rắn - khí. Quy trình mô phỏng trên ANSYS CFX bao gồm ba giai đoạn: tiền xử lý hình học và chia lưới (Preprocessor), giải hệ phương trình bảo toàn (Solution) và trích xuất trực quan hóa kết quả (Postprocessor).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công nghệ chế tạo được thực hiện thông qua các bước:

  • Thiết kế hình học 3D rãnh khí và xuất tệp trung gian định dạng .IGS sang module ANSYS DesignModeler.
  • Ứng dụng phần mềm Festo Fluidsim để thiết kế, mô phỏng hoạt động của mạch điện điều khiển kết hợp cụm van đảo chiều khí nén trước khi đấu nối thực tế.
  • Xuất chương trình mã lệnh G-code và tiến hành gia công phay cơ khí chính xác trên máy phay CNC đối với các tấm dẫn khí bằng kim loại.
  • Phương pháp đo đạc thực nghiệm: Sử dụng cảm biến nhiệt độ gắn tại nhiều vị trí trên 4 tấm nhôm insert (kích thước 50 x 100 mm) có các chiều dày khác nhau (0.x mm, 1 mm, 1.x mm, 2 mm) để thu thập dữ liệu nhiệt độ theo từng giây trong chu kỳ 20 giây; xây dựng các đường đặc tính phân bố nhiệt và đối chiếu trực tiếp với kết quả tính toán mô phỏng từ phần mềm ANSYS CFX.

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm các thông số cơ nhiệt của không khí và vật liệu kim loại trong thư viện vật liệu ANSYS Workbench; số liệu thực nghiệm thu được từ hệ thống đo nhiệt độ thực tế; và các biểu đồ phân bố nhiệt tham khảo từ các bài báo khoa học quốc tế chuyên ngành phun ép nhựa.

Thiết kế và chế tạo module gia nhiệt

Hệ thống module gia nhiệt bằng khí nóng cho khuôn phun ép là một tổ hợp cơ - điện - khí nén hoàn chỉnh được thiết kế để cấp nhiệt cục bộ vào bề mặt lòng khuôn trước khi bơm nhựa.

Thiết kế cơ khí và kết cấu thủy khí

Nhóm nghiên cứu đã phân tích và so sánh hai phương án định tuyến dòng khí qua khối nung:

  1. Phương án rãnh khí chạy theo đường zig-zag (tiết diện rãnh vuông).
  2. Phương án rãnh khí chạy theo đường xoắn ốc.

Thông qua kết quả mô phỏng bằng ANSYS CFX, phương án rãnh vuông chạy theo đường zig-zag được lựa chọn do tối ưu hóa được diện tích trao đổi nhiệt, kéo dài quãng đường tiếp xúc giữa dòng khí nén và khối kim loại mang nhiệt, từ đó giúp khí đạt nhiệt độ yêu cầu nhanh nhất khi ra khỏi vòi phun.

Về kết cấu, khối gia nhiệt được cấu tạo từ hai nửa tấm kim loại (tấm trên và tấm dưới) được phay rãnh chính xác rồi ghép khít lại với nhau, bên trong bố trí các lỗ khoan lắp thanh điện trở đốt nóng (heater). Cụm gia nhiệt được bổ sung tấm trung gian và bọc lớp vật liệu cách nhiệt nhằm hạn chế tối đa sự thất thoát nhiệt ra môi trường xung quanh. Tác giả đã thiết kế ba biến thể cấu hình module:

  • Cấu hình module 1 vòi phun (gồm 2 tấm ghép).
  • Cấu hình module 2 vòi phun (gồm 2 tấm ghép).
  • Cấu hình module 4 vòi phun (gồm 3 tấm ghép) để phân phối dòng khí tới nhiều vùng khuyết tật khác nhau.

Để đưa module vào vị trí làm việc trong khuôn, nhóm thiết kế hệ thống khung đỡ cơ khí cho phép căn chỉnh linh hoạt vị trí theo cả 3 trục không gian (X, Y, Z). Khung đỡ này được gắn trực tiếp lên cánh tay robot công nghiệp để điều khiển chuyển động tịnh tiến đi vào lòng khuôn khi khuôn mở và rút ra ngoài an toàn trước khi khuôn đóng.

Thiết kế mạch điện điều khiển và hệ thống khí nén

Mạch điện điều khiển và động lực được xây dựng để kiểm soát đồng thời nhiệt độ nung và chu kỳ cấp khí nén, bao gồm các thiết bị:

  • Bộ nguồn tổ ong chuyển đổi 24V DC và bộ adaptor cấp nguồn điều khiển.
  • Bộ điều khiển nhiệt độ kết hợp cảm biến nhiệt độ (can nhiệt) để đo và duy trì nhiệt độ khối kim loại.
  • Các thanh điện trở đốt nóng (heater) công suất cao lắp chìm trong khối gia nhiệt.
  • Cụm van khí nén 2/2 và 3/2 điều khiển đóng/ngắt dòng khí áp suất cao từ bình tích áp của máy nén khí.
  • Hệ thống rơ le trung gian và rơ le thời gian nhằm cài đặt chính xác thời điểm và độ dài xung phun khí nóng vào lòng khuôn.

Thông số mô phỏng và chia lưới trên ANSYS CFX

Trong quá trình thiết lập bài toán mô phỏng dòng nhiệt trên ANSYS CFX, các thông số tiền xử lý và điều kiện chia lưới được nhóm tác giả xác lập cụ thể như sau:

Đối tượng / Thông số Thuộc tính thiết lập Giá trị thông số trong đồ án
Phần mềm thiết kế hình học ANSYS DesignModeler (DM) Đơn vị: Milimeter (mm), nhập file .IGS
Thao tác tạo miền chất lưu Box Select $\rightarrow$ Fill $\rightarrow$ Boolean Gộp các khối thể tích khí thành một khối liên tục
Các phân vùng Named Selection Bề mặt tiếp xúc rắn - khí air_heat, heat_air, stamp_air, air_stamp, inlet, outlet
Lớp biên Inflation 1 (Khối Heat) Total Thickness, 5 layers Tỷ lệ tăng trưởng (Growth Rate): $1.0 \times 10^{-3}\text{ m}$, thuật toán Pre
Lớp biên Inflation 2 (Khối Air) Scope Geometry Thiết lập trên 57 faces tiếp xúc
Lớp biên Inflation 3 (Khối Stamp) Total Thickness, 5 layers Tỷ lệ tăng trưởng (Growth Rate): $1.0 \times 10^{-3}\text{ m}$, thuật toán Pre
Kích thước phần tử (Sizing) Element size chi tiết Stamp $1.0\text{ mm}$
Thời gian mô phỏng (Setup) Total Time / Time Steps Tổng thời gian $20\text{ s}$, bước thời gian $1\text{ s}$
Điều kiện ban đầu (Initialization) Vận tốc $U, V, W$, Áp suất tương đối Tạm đặt bằng $0$

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về thực trạng ngành sản xuất khuôn mẫu ép nhựa tại Việt Nam, nêu bật yêu cầu nâng cao chất lượng thẩm mỹ bề mặt sản phẩm trong bối cảnh thiếu hụt kỹ sư thiết kế chuyên môn sâu. Tác giả phân tích nguyên lý ép phun cơ bản và chỉ ra mối liên hệ chặt chẽ giữa sự phân bố nhiệt độ lòng khuôn với các dạng khuyết tật bề mặt: sản phẩm không điền đầy (Hình 1.2), đường hàn (Hình 1.3) và rỗ khí (Hình 1.4). Chương này giới thiệu nguyên lý công nghệ gia nhiệt bằng khí nóng: sử dụng thanh điện trở (heater) nung nóng khối kim loại lên khoảng 350°C, sau đó thổi dòng khí nén có áp suất lớn hơn 3 Pa chạy qua các rãnh dẫn nhiệt. Sau khoảng 10 giây thổi liên tục, khí nóng thoát ra khỏi vòi phun đạt nhiệt độ trên 150°C để gia nhiệt trực tiếp vào vùng lòng khuôn bị lỗi trước khi tiến hành chu kỳ ép. Tác giả cũng phân tích rõ các ưu điểm (gia nhiệt nhanh, linh hoạt, dễ tự động hóa) và nhược điểm (đòi hỏi áp suất khí ổn định, môi trường ồn, làm tăng chu kỳ ép).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tập trung giới thiệu hệ thống phần mềm ANSYS và phân hệ chuyên sâu ANSYS CFX. Tác giả trình bày cấu trúc ba giai đoạn cơ bản của một bài toán phân tích phần tử hữu hạn/thủy khí: tiền xử lý (preprocessor), giải bài toán (solution) và xử lý kết quả (postprocessor). Nội dung trọng tâm của chương là hướng dẫn chi tiết quy trình ứng dụng ANSYS CFX để mô phỏng quá trình truyền nhiệt từ dòng khí nóng sang bề mặt chi tiết khuôn (stamp):

  • Thiết lập mô hình hình học trong ANSYS DesignModeler bằng cách nhập file .IGS, trích xuất thể tích rãnh khí (Fill), ghép khối chất lưu bằng lệnh Boolean, đặt tên các bề mặt biên Named Selection (air_heat, heat_air, stamp_air, air_stamp, outlet).
  • Thiết lập thông số lưới trong ANSYS Meshing: chèn lớp lạm phát (Inflation) 5 lớp với tỷ lệ tăng trưởng $1.0 \times 10^{-3}\text{ m}$ cho các miền tiếp xúc nhiệt và đặt kích thước phần tử Sizing 1 mm cho chi tiết stamp.
  • Cài đặt thông số bài toán quá độ trong CFX Setup với tổng thời gian 20 giây, bước thời gian 1 giây, khai báo nguồn nhiệt điện trở heater, thiết lập các mặt phân giới Domain Interface và xuất kết quả trường nhiệt độ tại CFX Post/Results.

Chương 3: Thiết kế và chế tạo module gia nhiệt

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình thiết kế chi tiết và gia công chế tạo phần cứng. Về cơ khí, tác giả giới thiệu bản vẽ kết cấu của tấm trên, tấm dưới và kết cấu ghép bộ cho hai phương án: khối gia nhiệt 1 vòi phun (Hình 3.1 - Hình 3.3) và khối gia nhiệt 2 vòi phun (Hình 3.4 - Hình 3.6), cùng cấu hình tấm trung gian và lớp vật liệu cách nhiệt. Về hệ thống điều khiển, chương mô tả sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển heater kết hợp van khí nén 2/2 và 3/2, được kiểm chứng thông qua mô phỏng trên phần mềm Festo Fluidsim. Tác giả trình bày thông số các linh kiện thực tế: thanh điện trở nhiệt, cảm biến nhiệt, bộ nguồn tổ ong 24V DC, adaptor, rơ le trung gian, rơ le thời gian và van khí nén. Cuối chương là hình ảnh lắp ráp hoàn thiện mạch điện thực tế khi vận hành, khung đỡ điều chỉnh 3 trục X-Y-Z và quá trình tích hợp module gia nhiệt lên cánh tay robot công nghiệp.

Chương 4: Kiểm tra - Đánh giá kết quả

Chương 4 thực hiện việc đo đạc, kiểm tra và đánh giá khả năng truyền nhiệt của hệ thống thực nghiệm. Nhóm tác giả tiến hành thử nghiệm gia nhiệt trực tiếp lên 4 tấm nhôm insert kích thước chuẩn 50 x 100 (mm) có các chiều dày khác nhau (tấm 0.x mm, tấm 1 mm, tấm 1.x mm và tấm 2 mm) trong khoảng thời gian từ 0 đến 20 giây. Nhiệt độ tại nhiều vị trí trên tấm insert được ghi nhận liên tục theo từng mốc thời gian, tổng hợp thành các bảng số liệu chi tiết và vẽ biểu đồ nhiệt độ tương ứng. Các kết quả đo thực tế sau đó được đối chiếu so sánh với biểu đồ thu được từ mô phỏng ANSYS CFX và đồ thị gia nhiệt trích xuất từ các bài báo khoa học nước ngoài, cho thấy sự tương đồng và xấp xỉ về xu hướng gia nhiệt theo thời gian.

Chương 5: Kết luận - Hướng phát triển

Chương 5 đúc kết các kết quả đạt được của đề tài về mặt lý thuyết mô phỏng và sản phẩm chế tạo thực tế. Tác giả khẳng định tính khả thi của giải pháp gia nhiệt bằng khí nóng tại Việt Nam, đồng thời chỉ ra các hạn chế kỹ thuật hiện tại và đề xuất các giải pháp hoàn thiện nhằm đưa thiết bị ứng dụng vào dây chuyền sản xuất công nghiệp thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật và số liệu thực nghiệm

Đồ án đã hoàn thành việc tính toán, mô phỏng, chế tạo và thử nghiệm hệ thống module gia nhiệt khí nóng với các số liệu thực tế được ghi nhận:

  • Khối gia nhiệt được nung nóng bằng các thanh điện trở nhiệt (heater) với giá trị nhiệt độ cài đặt duy trì ở mức xấp xỉ 350°C.
  • Nguồn khí nén cấp vào hệ thống duy trì mức áp suất danh định lớn hơn 3 Pa từ máy nén khí.
  • Sau chu kỳ phun khí liên tục 10 giây qua hệ thống rãnh vuông zig-zag, nhiệt độ của luồng khí nóng phun ra tại đầu vòi đo được trên thực tế đạt trên 150°C.
  • Thực nghiệm gia nhiệt trên 4 tấm nhôm insert kích thước 50 x 100 (mm) với dải chiều dày từ dưới 1 mm đến 2 mm trong khoảng thời gian từ 0 đến 20 giây đã cung cấp tập dữ liệu nhiệt độ cụ thể, chứng minh nhiệt độ truyền lên bề mặt tấm kim loại gia tăng nhanh theo thời gian và bám sát kết quả mô phỏng trên ANSYS CFX.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Chế tạo thành công module gia nhiệt bằng khí nóng đầu tiên tại Việt Nam phục vụ cho công tác nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến chất lượng sản phẩm ép phun nhựa.
  • Xây dựng hoàn chỉnh phương pháp và quy trình mô phỏng quá trình gia nhiệt bề mặt khuôn bằng khí nóng trên nền tảng phần mềm ANSYS CFX, hỗ trợ việc tối ưu hóa kết cấu hình học rãnh khí (chứng minh tính ưu việt của rãnh vuông zig-zag so với rãnh xoắn ốc).
  • Tích hợp thành công module cơ khí, mạch điều khiển nhiệt độ - khí nén và cụm khung gá tinh chỉnh 3 trục X-Y-Z lên cánh tay robot, tạo tiền đề cho việc tự động hóa quá trình gia nhiệt khuôn trong chu kỳ sản xuất công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật

  • Sản phẩm mới được hoàn thiện và thử nghiệm ở quy mô mô hình nghiên cứu phòng thí nghiệm, chưa được lắp đặt và kiểm chứng độ bền khi vận hành liên tục trên các dây chuyền ép phun công nghiệp thực tế.
  • Hệ thống đòi hỏi nguồn cấp khí nén phải có áp suất ổn định liên tục; quá trình xả khí áp lực cao qua vòi phun tạo ra tiếng ồn lớn trong không gian làm việc.
  • Việc đưa module vào lòng khuôn làm kéo dài chu kỳ ép phun của mỗi sản phẩm (cycle time) do phải tiêu tốn thời gian cho cánh tay robot di chuyển vào - ra và thời gian duy trì phun khí.
  • Trong mô hình mô phỏng ANSYS CFX, các giá trị thông số vận tốc ban đầu $U, V, W$ và áp suất tương đối được tạm gán bằng 0 để đơn giản hóa quá trình hội tụ, chưa phản ánh hoàn toàn các biến động khí động học phức tạp ngoài thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Lắp đặt trực tiếp module gia nhiệt lên các bộ khuôn ép phun thực tế để thử nghiệm dập mẫu nhựa, đánh giá định lượng mức độ triệt tiêu các khuyết tật đường hàn, rỗ khí và khả năng điền đầy trên sản phẩm.
  • Tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động và tốc độ đáp ứng của cánh tay robot nhằm giảm thiểu tối đa thời gian chiếm dụng chu kỳ ép.
  • Nghiên cứu giải pháp thiết kế bộ phận giảm thanh tại đầu vòi phun để triệt tiêu tiếng ồn của dòng khí nén.
  • Phát triển và hoàn thiện công nghệ để chuyển giao ứng dụng vào các doanh nghiệp sản xuất khuôn mẫu ép nhựa tại Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Giảng viên, sinh viên và học viên ngành Công nghệ Chế tạo Máy, Cơ khí, Cơ điện tử và Kỹ thuật Khuôn mẫu khi nghiên cứu về công nghệ gia nhiệt động cho khuôn (Dynamic Mold Temperature Control) và công nghệ ép phun nhựa chất lượng cao.
  • Kỹ sư thiết kế khuôn mẫu quan tâm đến giải pháp xử lý khuyết tật bề mặt sản phẩm nhựa thành mỏng mà không cần thay đổi kết cấu hệ thống kênh dẫn làm nguội cố định trong thân khuôn.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

  • Quy trình từng bước thiết lập bài toán mô phỏng khí động học và truyền nhiệt quá độ trên phần mềm ANSYS CFX (các bước DesignModeler, phân vùng Named Selection, thông số lạm phát Inflation và chia lưới Sizing).
  • Bản vẽ cấu tạo rãnh khí vuông zig-zag, giải pháp ghép tấm kim loại tích hợp khoang heater và kết cấu khung đỡ vi chỉnh 3 trục X-Y-Z gắn trên cánh tay robot.
  • Sơ đồ mạch điện điều khiển nhiệt độ kết hợp điều khiển van đảo chiều khí nén mô phỏng qua phần mềm Festo Fluidsim.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên lý gia nhiệt bề mặt khuôn bằng khí nóng trong đồ án hoạt động như thế nào?

Hệ thống sử dụng các thanh điện trở nhiệt (heater) nung nóng khối kim loại chứa rãnh khí lên mức nhiệt độ cài đặt khoảng 350°C. Sau đó, khí nén từ máy nén khí với áp suất lớn hơn 3 Pa được thổi qua hệ thống rãnh vuông zig-zag bên trong khối kim loại. Khi đi qua các rãnh này, luồng khí nén hấp thụ nhiệt lượng từ khối nung và thoát ra khỏi vòi phun đạt nhiệt độ trên 150°C sau 10 giây thổi liên tục, phun trực tiếp vào bề mặt lòng khuôn cần gia nhiệt.

2. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn rãnh khí zig-zag thay vì rãnh xoắn ốc?

Nhóm nghiên cứu đã đưa ra hai phương án thiết kế đường dẫn khí (chạy theo đường zig-zag và chạy theo đường xoắn ốc) và tiến hành phân tích, mô phỏng trường nhiệt - dòng chảy trên phần mềm ANSYS CFX. Kết quả phân tích cho thấy phương án rãnh vuông chạy theo đường zig-zag giúp dòng khí nén lưu thông đồng đều, tối ưu hóa quá trình nhận nhiệt lượng từ các thanh heater và đảm bảo khí thoát ra đạt nhiệt độ cao trong thời gian nhanh nhất.

3. Các thông số thiết lập chia lưới (Mesh) chính trong ANSYS CFX được đồ án xác lập ra sao?

Tác giả thiết lập ba lớp biên lạm phát (Inflation) với thuật toán Pre:

  • Inflation 1 áp dụng cho khối Heat với Named Selection Heat_air, tùy chọn Total Thickness gồm 5 lớp, tỷ lệ tăng trưởng (Growth Rate) là $1.0 \times 10^{-3}\text{ m}$.
  • Inflation 2 áp dụng cho khối Air trên 57 bề mặt (faces).
  • Inflation 3 áp dụng cho khối Stamp với Named Selection Stamp_air, gồm 5 lớp, tỷ lệ tăng trưởng $1.0 \times 10^{-3}\text{ m}$.
  • Thiết lập kích thước phần tử (Sizing) cho khối Stamp là $1.0\text{ mm}$.

4. Nhược điểm kỹ thuật chính của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng là gì?

Văn bản nêu rõ ba nhược điểm kỹ thuật: hệ thống yêu cầu nguồn cấp áp suất khí nén phải luôn ổn định; luồng khí áp lực cao khi xả ra môi trường gây ra tiếng ồn lớn; và làm kéo dài thời gian của mỗi chu kỳ ép phun do phải tiêu tốn thời gian cho cánh tay robot di chuyển module gia nhiệt vào và ra khỏi lòng khuôn.

5. Quá trình kiểm nghiệm thực nghiệm được tiến hành trên mẫu vật liệu nào và trong thời gian bao lâu?

Nhóm sinh viên thực hiện đo đạc nhiệt độ thực nghiệm trên 4 tấm nhôm insert có kích thước bề mặt 50 x 100 (mm) với các độ dày khác nhau (từ dưới 1 mm, 1 mm, đến 2 mm). Quá trình ghi nhận dữ liệu nhiệt độ được thực hiện liên tục theo từng giây trong khoảng thời gian từ 0 đến 20 giây để so sánh với kết quả mô phỏng số.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo module gia nhiệt bằng khí nóng cho khuôn phun ép" đã giải quyết thành công bài toán nghiên cứu ứng dụng phương pháp gia nhiệt cục bộ bằng khí nóng nhằm khắc phục các khuyết tật ép phun do nhiệt độ khuôn không thích hợp. Đề tài đã làm chủ quy trình mô phỏng động lực học truyền nhiệt trên phân hệ ANSYS CFX, từ đó tối ưu hóa kết cấu rãnh khí zig-zag và chế tạo hoàn chỉnh module phần cứng tích hợp mạch điều khiển tự động trên cánh tay robot. Kết quả đo thực nghiệm trên các tấm insert nhôm kích thước 50 x 100 (mm) đạt nhiệt độ khí phun trên 150°C, cho thấy sự tương thích cao với kết quả tính toán mô phỏng lý thuyết và mở ra tiềm năng ứng dụng thiết thực trong ngành công nghệ khuôn mẫu tại Việt Nam.