TỔNG QUAN
Tổng quan chung
Công nghệ phun nhựa nóng chảy sử dụng quy trình định lượng chính xác vào khuôn kín dưới áp lực cao và tốc độ nhanh Sau một thời gian ngắn, sản phẩm được hình thành và lấy ra khỏi khuôn Thời gian từ khi đóng khuôn, phun nhựa, định hình sản phẩm, đến khi lấy sản phẩm ra và đóng khuôn lại được gọi là một chu kỳ ép sản phẩm.
Phương pháp ép phun có những đặc điểm nổi bật như khả năng gia công chính xác theo ba chiều nhờ vào việc tạo hình trong khuôn kín Quá trình này diễn ra qua hai giai đoạn riêng biệt: nhựa hóa trong xylanh nguyên liệu và tạo hình trong khuôn, với việc làm khít hai nửa khuôn trước khi tiến hành tạo hình Nhiệt độ khuôn thay đổi tùy thuộc vào loại nguyên liệu, với nhựa nhiệt dẻo có nhiệt độ khuôn thấp hơn nhựa lỏng, trong khi nhựa nhiệt rắn ngược lại Khuôn chỉ chịu tác dụng lực khi đã được điền đầy nguyên liệu, và năng suất của phương pháp này có thể thay đổi từ vài giây đến hàng chục phút tùy theo kích thước và hình dạng sản phẩm Gia công bằng phương pháp ép phun không chỉ tiết kiệm nguyên liệu mà còn rút ngắn thời gian hoàn tất, đồng thời đảm bảo sản phẩm có chất lượng cao và sản lượng tối đa, là hai yếu tố quan trọng trong kỹ thuật công nghệ ép phun.
Hình 1.1: Máy ép phun Ưu điểm:
Tạo ra những sản phẩm có hình dáng phức tạp tùy ý
Tạo ra những sản phẩm có thể tích lớn với tốc độ cao
Trên cùng một sản phẩm hình dáng giữa mặt trong và mặt ngoài có thể khác nhau
Khả năng tự động hóa và chi tiết có tính lặp lại cao
Sản phẩm sau khi ép phun có màu sắc phong phú và độ nhẵn bóng bề mặt cao nên không cần gia công lại
Phù hợp cho sản xuất hàng khối và đơn chiếc
Lợi nhuận của công nghiệp nhựa không cao
Máy ép, thiết bị và các thiết bị phụ trợ đắt (chi phí cao)
Khó kiểm soát nhiệt độ, độ nhớt, áp suất trong quá trình ép phun
Điều khiển quá trình khó khăn, máy móc không phải luôn hoạt động tốt.1.1.2 Phân loại các phương pháp gia nhiệt:
Quá trình gia nhiệt cho khuôn phun ép được phân chia thành hai nhóm chính dựa trên ảnh hưởng của nhiệt độ lên tấm khuôn: gia nhiệt toàn bộ tấm khuôn và gia nhiệt chỉ cho bề mặt khuôn.
Phương pháp gia nhiệt bằng hơi nước, như được minh họa trong Hình 1.2, có thể đạt tốc độ gia nhiệt từ 1°C/s đến 3°C/s Tuy nhiên, hiệu quả của phương pháp này không cao và quá trình giải nhiệt cho khuôn sẽ gặp nhiều khó khăn.
Hệ thống gia nhiệt khuôn bằng hơi nước sử dụng nước ở nhiệt độ cao khoảng 900-1000°C để tăng nhiệt độ khuôn với chi phí thấp Khi nhiệt độ yêu cầu vượt quá 1000°C, nước cần được nén ở áp suất cao để ngăn hiện tượng bay hơi, hoặc dầu nóng có thể được sử dụng Tuy nhiên, việc sử dụng nước ở áp suất cao có thể làm giảm tuổi thọ các vị trí nối và gây ra vấn đề an toàn Bên cạnh đó, tiêu hao năng lượng cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét Đối với trường hợp sử dụng dầu nóng, khả năng truyền nhiệt giữa dầu và khuôn giảm đáng kể do hệ số truyền nhiệt của dầu thấp.
Hình 1.3: Hệ thống gia nhiệt sử dụng lưu chất bằng dầu nóng
Nghiên cứu cho thấy tốc độ gia nhiệt được cải thiện đáng kể khi sử dụng phương pháp gia nhiệt cho bề mặt khuôn Việc phủ một lớp cách nhiệt lên bề mặt khuôn giúp cải thiện quá trình điền đầy nhựa vào lòng khuôn, tăng nhiệt độ bề mặt khuôn lên khoảng 25°C Hệ thống gia nhiệt bằng tia hồng ngoại cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng cho khuôn phun ép nhựa.
Ngoài việc sử dụng tia hồng ngoại để gia nhiệt khuôn, phương pháp dùng điện trở cũng đã được nghiên cứu và đề xuất Tuy nhiên, trong thực tế, phương pháp này chủ yếu được áp dụng để hỗ trợ làm nóng khuôn ở nhiệt độ cao, đặc biệt là đối với những khuôn có thành mỏng Hơn nữa, điện trở thường chỉ được sử dụng như một nguồn bổ trợ nhiệt, với khả năng tăng nhiệt độ khuôn khoảng 20 độ.
Hình 1.4: Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngoại
Để giải quyết vấn đề kiểm soát nhiệt độ khuôn, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu trong những năm gần đây, với mục tiêu chính là hạn chế lớp nguội (Frozen layer) bằng cách sử dụng bề mặt khuôn có nhiệt độ cao trong quá trình điền đầy và làm nguội Phương pháp phổ biến nhất để kiểm soát nhiệt độ khuôn là sử dụng lưu chất với hai loại nhiệt độ, mang lại ưu điểm nổi bật trong việc duy trì hiệu suất làm mát cho cả thể tích khuôn và nhựa trong quá trình giải nhiệt.
Có 6 ứng dụng cho các loại khuôn khác nhau mà không cần thay đổi kết cấu khuôn, tuy nhiên, điều này dẫn đến việc tiêu hao năng lượng và thời gian chu kỳ tăng đáng kể Để gia nhiệt từ bên ngoài khuôn, phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ có thể được áp dụng, giúp cung cấp nhiệt trực tiếp cho bề mặt khuôn mà không làm tăng nhiệt độ toàn bộ tấm khuôn trong suốt chu trình Tuy nhiên, việc thiết kế bộ cảm ứng từ phù hợp đòi hỏi công ty sản xuất phải tính toán cẩn thận và chịu thêm chi phí thử nghiệm.
Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ, kết hợp với lưu chất giải nhiệt, cho phép kiểm soát hiệu quả nhiệt độ khuôn Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các kỹ thuật gia nhiệt khác.
- Tốc độ gia nhiệt cao
- Thời gian gia nhiệt có thể kéo dài đến 20 s
- Có thể ứng dụng cho khuôn phun ép như một module đính kèm, nghĩa là không cần thay đổi kết cấu khuôn có sẵn
Hiện nay, thiết kế cuộn dây gia nhiệt chủ yếu giới hạn ở dạng 2D, dẫn đến việc bố trí trên hai mặt phẳng, gây ảnh hưởng xấu đến phân bố nhiệt độ trên bề mặt khuôn Điều này là một trong những nguyên nhân làm tăng độ cong vênh của sản phẩm nhựa sau khi phun ép Để khắc phục tình trạng này, mô hình cuộn dây 3D được đề xuất nhằm cải thiện độ đồng đều nhiệt độ trên bề mặt khuôn và giảm thiểu cong vênh của sản phẩm.
Hình 1.6: Phương pháp kết hợp hai nguồn nhiệt độ cho gia nhiệt khuôn
Hình 1.7: Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ
Các nhà nghiên cứu đã áp dụng lớp phủ cách nhiệt mỏng để giảm thiểu mất nhiệt của bề mặt khuôn trong quá trình nhựa điền đầy lòng khuôn, đặc biệt hiệu quả trong sản xuất sản phẩm quang học Bề mặt lòng khuôn được phủ hai lớp: lớp cách nhiệt tiếp xúc trực tiếp với lòng khuôn để hạn chế truyền nhiệt đến các kênh giải nhiệt, và lớp dẫn nhiệt phủ trên lớp cách nhiệt nhằm hấp thu nhiệt từ module gia nhiệt bên trên.
8 ngoài khuôn Phương pháp này được ứng dụng trong một số sản phẩm yêu cầu về độ chính xác cũng như cơ tính của sản phẩm cao [5, 14]
Hình 1.8: Phương pháp thiết kế khuôn của kazerm
Phương pháp gia nhiệt khuôn phun ép bằng khí nóng là một công nghệ mới được phát triển lần đầu tiên tại Việt Nam Quá trình này bắt đầu bằng việc nén không khí trong máy nén để tạo áp lực, sau đó không khí sẽ đi qua một khối thép đã được nung nóng Khi khí ra khỏi khối gia nhiệt, nó sẽ được phun trực tiếp lên bề mặt khuôn, giúp gia nhiệt hiệu quả cho khuôn phun ép.
Ưu điểm của phương pháp này:
- Gia nhiệt nhanh chóng, linh hoạt, nhiều vị trí
- Hệ thống đơn giản, và có thể tự động hóa
- Cần áp suất khí nén ổn định
- Môi trường làm việc ồn ào
- Tốn thời gian cho mỗi chu kì ép vì module cần phải di chuyển
Hình 1.9: Phương pháp gia nhiệt bằng khí
Đặt vấn đề
Sản phẩm nhựa hiện nay rất đa dạng về kích thước và kiểu dáng, từ đơn giản đến phức tạp Với sự phát triển của xã hội, công nghệ phun ép nhựa cũng cần đáp ứng các yêu cầu mới, đặc biệt là việc chế tạo sản phẩm nhựa có bề dày nhỏ hơn 1mm để phục vụ cho các ứng dụng như chip sinh học và thiết bị quang học.
Trong quá trình sản xuất sản phẩm nhựa mỏng (chip sinh học), nhựa được đổ vào khuôn, và các lớp nhựa tiếp xúc với bề mặt khuôn có nhiệt độ thấp sẽ đông lại Quá trình đông này là yếu tố quan trọng trong việc hình thành sản phẩm cuối cùng.
10 lại ở bề mặt tiếp xúc với khuôn sẽ làm giảm áp lực của dòng nhựa làm cho nhựa không điền đầy được lòng khuôn như Hình 1.11
Để khắc phục tình trạng sản phẩm bị thiếu nhựa, cần tăng nhiệt độ bề mặt lòng khuôn tiếp xúc với nhựa lên mức tối ưu Việc này giúp giảm quá trình đông đặc của lớp nhựa tiếp xúc với khuôn mà không làm tăng quá trình giải nhiệt sau khi ép.
Hiện nay, có nhiều phương pháp gia nhiệt cho bề mặt lòng khuôn như gia nhiệt bằng chất lỏng, điện và khí nóng Trong đó, gia nhiệt bằng chất lỏng và điện có những ưu điểm và khuyết điểm như thời gian giải nhiệt dài sau quá trình ép phun và yêu cầu kết cấu khuôn phức tạp Ngược lại, phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng gia nhiệt linh hoạt ở nhiều vị trí, tốc độ gia nhiệt nhanh chóng và thiết bị đơn giản, dễ tự động hóa.
Tình hình nghiên cứu
1.3.1 Nghiên cứu trên thế giới
1 Development of gas-assisted dynamic mold temperature control system and its application for micro molding (Shia-Chung Chen, Jen-An Chang, Ying-Chieh Wang, Chun-Feng Yeh ANTEC., 2008, pp 2208-2212) [4]
Việc gia nhiệt và giải nhiệt khuôn từ 60°C đến 120°C bằng khí cho thấy thời gian chu kỳ ngắn hơn so với việc sử dụng nước, như minh họa trong Hình 1.12.
Hình 1.12: So sánh thời gian một chu kỳ gia/giải nhiệt bằng khí và bằng nước giải nhiệt khác
2 Feasibility evaluation of gas-assisted heating for mold surface temperature controlduring injection molding process (Shia-Chung Chen, Rean-Der Chien, Su-Hsia Lin, Ming-Chung Lin, Jen-An Chang Shia-Chung Chen, Rean-Der Chien, Su-Hsia Lin, Ming-Chung Lin International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol 36.,
Kết luận cho thấy rằng phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng có khả năng tăng nhiệt độ bề mặt khuôn từ 60°C lên 120°C chỉ trong 2 giây, tương đương với tốc độ trung bình là 30°C/s Sau đó, thời gian cần thiết để nhiệt độ giảm trở lại 60°C là 34 giây.
0C Trong khi dùng các chất làm lạnh khác phải mất tới 267 s để thực hiện một chu trình như Hình 1.13
Hình 1.13: So sánh các thay đổi nhiệt độ do gia nhiệt bằng khí và nước nóng (một chu kỳ nóng / làm mát)
Cũng theo nghiên cứu này ứng dụng cho bề mặt khuôn bằng tấm nikenl là đạt hiệu quả cao nhất và có thể ứng dụng trong công nghiệp
3 A study on the micro-injection molding of multi-cavity ultra-thin parts (S Y Yang,S C Nian, S T Huangand Y J Weng, Polymers Advances Technologies, 2011)
Việc gia nhiệt khuôn phun ép nhựa cho sản phẩm thành mỏng với cấu trúc nhiều lòng khuôn đã nâng cao khả năng điền đầy của nhựa Cụ thể, ở các mức nhiệt độ ban đầu từ 70°C đến 110°C, ảnh hưởng tích cực của nhiệt độ đến quá trình này được ghi nhận rõ rệt.
Nhiệt độ khuôn ảnh hưởng đến khả năng điền đầy, với tỷ lệ điền đầy của kết cấu 1 lòng khuôn đạt 82.86%, cao hơn so với 74.68% của kết cấu 4 lòng khuôn Tuy nhiên, khi nhiệt độ đạt từ 120°C trở lên, tỷ lệ điền đầy của kết cấu 4 lòng khuôn tăng nhanh và sẽ hoàn toàn điền đầy tất cả các lòng khuôn khi nhiệt độ đạt 140°C.
Hình 1.14: Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến khả năng điền đầy lòng khuôn
4 Variable Mold Temperature to Improve Surface Quality of Microcellular Injection Molded Parts Using Induction HeatingTechnology (Shia-Chung Chen, Yu- Wan Lin, Rean-Der Chien, Hai-Mei Li Advances in Polymer Technology, Vol 27, No
Kết quả đạt được cho thấy rằng việc tăng nhiệt độ khuôn, nhiệt độ nóng chảy và tốc độ phun sẽ cải thiện chất lượng bề mặt sản phẩm ép phun Độ nhám bề mặt của chi tiết đúc có thể giảm từ 25μm xuống còn 6.5μm khi nhiệt độ khuôn tăng từ 100°C lên 160°C Tuy nhiên, khi nhiệt độ đạt đến mức khoảng 180°C, độ nhám trung bình bề mặt của phần đúc sẽ tiến gần đến một giá trị lý tưởng.
5 μm Đồng thời, các phần bọt nhựa PC có thể được loại bỏ hoàn toàn nếu nhiệt độ khuôn cao hơn 160 0 C Hình 1.15
Hình 1.15: Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy phun tới độ nhám bề mặt trong đúc ép phun khuôn thành mỏng
5 Ngoài ra, một số bài báo nghiên cứu khác liên quan đến nghiên cứu này, bao gồm: Investigation of micro-injection moulding: Factors affecting the replication quality (B Sha, S Dimov, C Griffiths, M S Packianather, Journal of Materials Processing Technology, Vol 183, 2007, pp 284–296 ) [17]; Simulation and verification on rapid mold surface heating/cooling using electromagnetic induction technology (Shia-Chung Chen, Wen-Ren Jong, Jen-An Chang and Hsin-Shu Peng, 4 th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics Cairo, Egypt, 2005) [18]; Rapid mold temperature control in injection molding by using steam heating,
International Communications in Heat and Mass Transfer (M C Jeng, S C Chen, P
S Minh, J A Chang and C S Chung, Vol 37, Issue 9, 2010, pp 1295-1304) [19] 1.3.2 Nghiên cứu trong nước
Nghiên cứu của ThS Nguyễn Hộ tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM (2015) cho thấy rằng phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng ảnh hưởng đáng kể đến khả năng điền đầy lòng khuôn của sản phẩm nhựa dạng thành mỏng Cụ thể, khi giữ chế độ phun và độ dày không đổi, việc tăng nhiệt độ bề mặt khuôn sẽ làm tăng khả năng điền đầy lòng khuôn, với mức độ khác nhau như thể hiện trong Hình 1.16.
Hình 1.16: So sánh khả năng điền đầy lòng khuôn của sản phẩm nhựa thành mỏng với vật liệu PP.
- %increase: tỉ lệ % gia tăng khả năng điền đầy lòng khuôn
- Mold surface temperature: Nhiệt độ bề mặt lòng khuôn
- 0.2: Bề dày sản phẩm nhựa ép được là 0.2 mm
- 0.4: Bề dày sản phẩm nhựa ép được là 0.4 mm
- 0.6: Bề dày sản phẩm nhựa ép được là 0.6 mm
Nhiệt độ bề mặt khuôn có ảnh hưởng rõ ràng đến quá trình điền đầy sản phẩm nhựa thành mỏng từ loại nhựa PP Cụ thể, với bề dày 0.2 mm, mức độ điền đầy thấp hơn so với bề dày 0.4 mm và 0.6 mm, cho thấy sự tác động của nhiệt độ đối với các bề dày khác nhau.
Nhiều nghiên cứu gần đây đã tập trung vào phương pháp gia nhiệt và giải nhiệt khuôn ép nhựa, đặc biệt là phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng, cho thấy tiềm năng lớn trong tự động hóa công nghệ ép phun và chế tạo sản phẩm kích thước micromet Công nghệ này không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn mở rộng khả năng của phương pháp ép phun nhựa kỹ thuật cao.
Công nghệ điều khiển nhiệt độ khuôn đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ép phun Nhiệt độ khuôn thấp khiến dòng chảy nhựa mất nhiệt nhanh, gây khó khăn trong việc lấp đầy lòng khuôn, đặc biệt với vật liệu composite có độ nhớt cao Khi tiếp xúc với khuôn lạnh, độ nhớt của composite tăng lên, tạo ra trở kháng lớn cho dòng chảy Ngược lại, nếu nhiệt độ khuôn quá cao, sản phẩm có thể bị ảnh hưởng bởi quá nhiệt và thời gian giải nhiệt kéo dài, dẫn đến tăng thời gian chu kỳ sản xuất.
Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận văn này là phân tích sự phân bố nhiệt độ trong lòng khuôn phun ép, áp dụng phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp Nghiên cứu này nhằm cải thiện hiệu suất và chất lượng sản phẩm trong quá trình sản xuất.
- Nghiên cứu mô phỏng gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn để xác định nhiệt độ phân bố trên bề mặt lòng khuôn;
- Nghiên cứu sự phân bố nhiệt độ trong lòng khuôn ảnh hưởng tới khả năng điền đầy lòng khuôn;
Dựa trên kết quả mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm, chúng ta có thể xác định nhiệt độ lòng khuôn phù hợp với loại vật liệu và bề dày sản phẩm, từ đó nâng cao khả năng điền đầy lòng khuôn.
Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
Nhiệm vụ đề tài: Để thực hiện đề tài này tác giả đã tiến hành các nhiệm vụ như sau:
Thiết kế tối ưu kênh dẫn nhiệt khí nóng của khuôn phun ép;
Mô phỏng quá trình gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn;
Xác định quy trình gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng tích hợp trong khuôn;
Mô phỏng quá trình điền đầy khuôn của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn với các thông số khác nhau;
Mô phỏng quá trình điền đầy khuôn của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn với các điều kiện khác nhau;
Mô phỏng quá trình điền đầy khuôn của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn với các vật liệu khác nhau;
Đánh giá ảnh hưởng của các thông số đến khả năng điền đầy khuôn
Giới hạn đề tài: Đề tài được giới hạn trong các điều kiện như sau:
Áp dụng cho chi tiết thành mỏng
Áp dụng cho vật liệu nhựa nhiệt dẻo
Kích thước sản phẩm ép làm thí nghiệm có kích thước rộng 10 mm, chiều dài tối đa 60 mm Chiều dày sản phẩm khảo sát là 0.1 mm, 0.3 mm và 0.5 mm
Chiều dài của sản phẩm nhựa được xác định thông qua các thí nghiệm nhiệt độ cụ thể, với quy trình ép nhựa được thực hiện trên máy ép phun tại Trung tâm công nghệ cao thuộc trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM.
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài "Nghiên cứu phân bố nhiệt độ lòng khuôn phun ép với phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn bằng phương pháp mô phỏng" được thực hiện thông qua các phương pháp nghiên cứu hiện đại, nhằm cải thiện hiệu quả gia nhiệt và tối ưu hóa quá trình sản xuất Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích sự phân bố nhiệt độ trong lòng khuôn, từ đó đưa ra các giải pháp kỹ thuật phù hợp để nâng cao chất lượng sản phẩm.
Cơ sở phương pháp luận: tìm hiểu các loại tài liệu chuyên ngành, các tạp chí khoa học, báo,…
Các phương pháp nghiên cứu cụ thể bao gồm việc kế thừa các công trình và kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, đồng thời thực hiện các thử nghiệm trên mẫu thử để đảm bảo phân tích tiết kiệm và chính xác nhất.
Phương pháp nghiên cứu phân tích: Phân tích những dữ liệu mô phỏng và đưa ra kết quả để nhận xét;
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: tiến hành thực nghiệm và xử lý, tổng hợp số liệu;
Phương pháp nghiên cứu mô phỏng: xử lý số liệu thực nghiệm để mô phỏng quá trình;
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Vật liệu nhựa sử dụng trong công nghệ ép phun
Vật liệu nhựa đóng vai trò quyết định trong thiết kế và gia công khuôn ép phun, với mỗi sản phẩm và chu trình ép phun có những tính chất và yêu cầu kỹ thuật riêng biệt như độ dẻo, độ bóng bề mặt, màu sắc và độ cứng Việc lựa chọn loại vật liệu nhựa phù hợp là cần thiết để tránh sai hỏng trong quá trình ép và đảm bảo yêu cầu về cơ tính cũng như thẩm mỹ của sản phẩm.
Polymers là các hợp chất có cấu trúc phân tử gồm nhiều nhóm nguyên tử liên kết với nhau qua các liên kết hóa học, tạo thành các chuỗi dài với khối lượng phân tử lớn Trong chuỗi chính của polymer, các nhóm nguyên tử này được lặp lại nhiều lần.
Ví dụ: polyetylen [-CH2-CH2-]n, Acrylonitrin butadien styren (ABS) [C8H8-C4H6-
Dựa vào nguồn gốc: polymer thiên nhiên, nhân tạo và polymer tổng hợp
Dựa vào tính chất cơ lý, vật liệu được phân loại thành chất dẻo và chất đàn hồi, đây là phương pháp phân loại phổ biến nhất Sự phân loại này liên quan đến cấu trúc của vật liệu và ảnh hưởng đến khả năng thích ứng với các yêu cầu trong ngành công nghiệp.
Nhựa nhiệt dẻo là một trong những nhóm vật liệu cao phân tử quan trọng nhất trong các polymer tổng hợp, bao gồm các cao phân tử với kích thước xác định, có cấu trúc mạch thẳng hoặc phân nhánh.
Trạng thái của nhựa nhiệt dẻo có thể chuyển từ rắn sang dẻo khi nhiệt độ tăng, và quá trình này có thể lặp lại nhiều lần Trong quá trình tác dụng nhiệt, nhựa nhiệt dẻo chỉ thay đổi tính chất vật lý mà không diễn ra phản ứng hóa học, cho phép tái sinh nhiều loại nhựa như PE, PP, PVC, PS, PMMA, ngoại trừ PTFE (polytetrafluoroethylene).
Nhựa nhiệt rắn có mật độ nối ngang dày đặc, cao hơn từ 10 đến 1.000 lần so với cao su Chúng tạo thành mạng không gian ba chiều với kích thước vô cùng lớn so với nguyên tử, mang lại tính chất vượt trội so với nhựa nhiệt dẻo, đặc biệt là khả năng chịu nhiệt Ngoài ra, nhựa nhiệt rắn không tan, không chảy và không thể tái sinh.
Ví dụ: PF, PU, nhựa epoxy, silicone,…
Cao su là một loại polymer mạch thẳng với lực liên kết thứ cấp yếu, tồn tại dưới dạng chất lỏng nhớt Để sử dụng, cần tạo liên kết ngang giữa các mạch phân tử, hình thành mạng không gian ba chiều Cao su tự nhiên lưu hóa nổi bật với khả năng dãn dài lên đến 1.000%, nhưng do có liên kết ngang, nó không thể tái sinh.
- Nhựa thông dụng: PE, PP, PVC, PS, ABS, HIPS …
- Nhựa kỹ thuật: PA, PC, POM, Teflon …
- Nhựa chuyên dụng: PE khối lượng phân tử cực cao, PTFE, PPS, PPO…
2.2.3 Các tính chất của Polymer
Vật liệu nhựa sở hữu nhiều tính chất cơ học quan trọng, bao gồm độ bền kéo, độ dãn dài, độ cứng, độ dai va đập, khả năng chống mài mòn và modun đàn hồi Những đặc điểm này đóng vai trò quyết định trong việc xác định ứng dụng và hiệu suất của nhựa trong các ngành công nghiệp khác nhau.
2.2.3.1 Độ bền cơ học Độ bền cơ học là khả năng chống lại sự phá hoại dưới tác dụng của các lực cơ học Độ bền của một sản phẩm làm bằng vật liệu polymer phụ thuộc nhiều yếu tố như:
- Chế độ trùng hợp, loại xúc tác, phụ gia…
- Kết cấu hình dạng sản phẩm…
Thông số cơ bản phản ánh độ bền của Polymer là giới hạn bền (𝜎b), đại diện cho giá trị ứng suất mà mẫu có thể chịu đựng trước khi bị phá hoại trong các điều kiện nhất định Giới hạn bền này có thể được xác định thông qua các phương pháp thử nghiệm cụ thể.
Có nhiều loại biến dạng vật liệu như biến dạng kéo đứt, biến dạng nén và biến dạng uốn, tương ứng với các chỉ số độ bền kéo đứt, độ bền nén và độ bền uốn.
Độ bền kéo đứt là khả năng chịu lực của vật liệu dưới tác động của lực kéo dãn, được xác định ở một tốc độ kéo dãn cụ thể cho đến khi vật liệu bị đứt.
Độ bền uốn: là khả năng chịu lực của vật liệu khi chịu uốn
Độ bền nén: là khả năng chịu lực của vật liệu khi bị nén
Giới hạn bền của polymer chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường thử nghiệm và thời gian tác dụng của lực Do đó, để so sánh độ bền của các polymer, cần thực hiện các thử nghiệm trong cùng một điều kiện.
Độ biến dạng tương đối (e): là giá trị biến dạng tăng đến cực đại tại thời điểm đứt
Độ biến dạng cực đại tương đối phụ thuộc vào loại biến dạng, tốc độ biến dạng và nhiệt độ, cho thấy trạng thái của vật liệu khi bị đứt Chẳng hạn, đối với vật thể giòn, độ biến dạng cực đại không vượt quá vài phần trăm, trong khi với vật liệu mềm, độ biến dạng có thể lên đến hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn phần trăm Trong trường hợp kéo đơn trục, độ biến dạng tương đối cực đại có thể được xác định bằng độ dãn dài khi vật liệu đứt.
Hiện trạng chống lại tải trọng động của chất dẻo có thể được phân tích thông qua kết quả kiểm tra độ dai va đập Phương pháp này sử dụng thiết bị Charpy, trong đó con lắc dao động (búa) sẽ phá vỡ mẫu thử được kẹp chặt ở hai đầu, từ đó xác định công va đập riêng trên một đơn vị diện tích mẫu thử (kJ/m²).
Lý thuyết truyền nhiệt
2.3.1 Các phương thức trao đổi nhiệt
Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra qua ba phương thức cơ bản, được phân loại dựa trên cách thức truyền động năng giữa các phân tử của hai vật Một trong những phương thức này là dẫn nhiệt, trong đó năng lượng nhiệt được truyền từ phân tử này sang phân tử khác thông qua tiếp xúc trực tiếp.
Dẫn nhiệt là quá trình xảy ra khi các phân tử, nguyên tử hoặc hạt nhỏ như electron ở vùng nhiệt độ cao tương tác với các hạt ở vùng nhiệt độ thấp hơn Trong quá trình này, động năng từ các hạt dao động nhanh được chuyển giao cho các hạt dao động chậm hơn, dẫn đến sự trao đổi nhiệt giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau.
Khi các nguyên tử hoặc phân tử lân cận dao động và va chạm, sẽ xảy ra sự trao đổi năng lượng giữa chúng Trong hầu hết vật chất, quá trình này được xem như sự dịch chuyển của dòng proton Đối với kim loại, sự di chuyển nhanh chóng của electron từ nguyên tử này sang nguyên tử khác cũng góp phần vào hiện tượng này.
Dẫn nhiệt là quá trình quan trọng trong việc truyền nhiệt giữa các chất rắn hoặc giữa các vật thể rắn khi chúng tiếp xúc Trong các chất rắn, dẫn nhiệt diễn ra mạnh mẽ do mạng lưới nguyên tử ở vị trí cố định và gần gũi, tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi năng lượng thông qua dao động.
Khi mật độ các hạt giảm, khoảng cách giữa chúng tăng lên, dẫn đến khả năng dẫn nhiệt giảm Điều này xảy ra vì khoảng cách lớn giữa các nguyên tử làm giảm số lượng va chạm và trao đổi nhiệt Do đó, chất lỏng và đặc biệt là khí thường có khả năng dẫn nhiệt kém Tuy nhiên, khi nhiệt độ hoặc áp suất của các chất khí tăng, xác suất va chạm giữa các nguyên tử tăng lên, dẫn đến khả năng dẫn nhiệt cũng tăng theo.
Tính chất dẫn nhiệt trong lòng vật liệu có thể khác với tính dẫn nhiệt ở bề mặt, nơi có thể tiếp xúc với vật liệu khác
Kim loại như đồng, platinum và vàng là những vật liệu dẫn nhiệt tốt nhờ vào sự hiện diện của các điện tử tự do, cho phép chuyển nhiệt năng nhanh chóng Hầu hết dòng nhiệt trong kim loại rắn được tiến hành bởi "chất lỏng điện tử", trong khi proton chỉ mang một phần nhỏ năng lượng nhiệt Điện tử cũng dẫn điện trong các chất rắn dẫn điện, dẫn đến mối quan hệ tương đồng giữa độ dẫn nhiệt và độ dẫn điện của kim loại Do đó, các dây dẫn điện tốt như đồng cũng có khả năng dẫn nhiệt hiệu quả Hiệu ứng Peltier-Seebeck, một hiện tượng nhiệt điện, xuất phát từ sự dẫn nhiệt của điện tử trong các chất dẫn điện.
Dẫn nhiệt trong một vật rắn tương tự như khuếch tán của các hạt trong chất lỏng, khi không có dòng chảy chất lỏng
Hình 2.7: Nguyên lý dẫn nhiệt
Trong nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt, Fourrier đã phát hiện rằng lượng nhiệt dQ truyền qua bề mặt dF trong khoảng thời gian dτ tỷ lệ thuận với gradient nhiệt độ, thời gian và diện tích bề mặt.
𝑑𝑄 = 𝜆 𝑑𝐹 𝑑𝜏 (bỏ qua chiều, chỉ tính độ lớn) Nếu quá trình là ổn định:
: hệ số dẫn nhiệt (hệ số tỷ lệ, độ dẫn nhiệt)
F : bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt (m 2 ) τ : thời gian (s) 2.3.1.2 Trao đổi nhiệt đối lưu
Quá trình đối lưu là sự trao đổi nhiệt giữa các khối khí hoặc chất lỏng, diễn ra thông qua sự dịch chuyển của chúng từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp.
Hình 2.8: Tỏa nhiệt đối lưu
Tỏa nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn với dòng chất lỏng hoặc chất khí chuyển động trên bề mặt đó
Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên là quá trình mà chất lỏng và khí di chuyển mà không cần lực tác động từ bên ngoài Sự chuyển động này phát sinh do sự chênh lệch mật độ phân tử giữa các khu vực có nhiệt độ khác nhau.
- Tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức: môi trường chuyển động nhờ ngoại lực từ bên ngoài tác động vào như bơm, quạt, máy nén… a b
Hình 2.9: a: Truyền nhiệt đối lưu tự nhiên, b: Truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức
Các nhân tố ảnh hưởng tới quá trình tỏa nhiệt đối lưu:
- Tốc độ chuyển động của khối chất lỏng, chất khí
- Bản chất vật lý của chất lỏng, chất khí (, Cp, Cv )
- Cường độ và sự phân bố trường nhiệt độ
- Hình dáng, kích thước và vị trí của vách
Nhiệt lượng dQ mà một bề mặt dF của vật thể có nhiệt độ tT cung cấp cho môi trường xung quanh với nhiệt độ tL trong khoảng thời gian dτ tỷ lệ với hiệu số nhiệt độ giữa vật thể và môi trường Công thức mô tả mối quan hệ này là dQ = α (tT – tL) dF dτ, trong đó tT là nhiệt độ của vật thể (đơn vị °C), tL là nhiệt độ của lưu chất (chất lỏng hoặc khí, đơn vị °C), α là hệ số cấp nhiệt (hệ số tỷ lệ), dF là diện tích bề mặt (đơn vị m²) và dτ là thời gian (đơn vị giây).
Q = q.F =(tw-t f )F ; [W] (2.2) Trong đó F [m 2 ]- diện tích bề mặt vật
2.3.1.3 Trao đổi nhiệt bức xạ
Tất cả các vật thể có nhiệt độ trên 0 K đều phát ra tia năng lượng dưới dạng bức xạ lan tỏa ra không gian xung quanh Điều này chứng tỏ rằng năng lượng đã chuyển hóa thành bức xạ Khi nhiệt độ của vật thể cao, lượng nhiệt truyền đi dưới dạng năng lượng cũng tăng lên, trong khi ở nhiệt độ thấp, bức xạ sẽ giảm.
39 xạ vô cùng nhỏ (không có ý nghĩa trong kỹ thuật), chỉ có ở khoảng nhiệt độ lớn 100
Bức xạ hồng ngoại chỉ có ý nghĩa đáng kể khi nhiệt độ đạt 0°C trở lên, và đặc điểm của bức xạ nhiệt là liên quan đến việc chuyển hóa năng lượng giữa các dạng khác nhau Khi bức xạ, nhiệt năng của vật chuyển thành năng lượng dao động điện từ, sau đó bị hấp thu bởi các vật khác và biến thành nhiệt năng Mức độ hấp thu năng lượng phụ thuộc vào độ đen của vật Một phần năng lượng hấp thu sẽ được phát lại dưới dạng sóng điện từ, tạo thành một chu trình liên tục Do đó, một vật không chỉ phát ra năng lượng bức xạ mà còn nhận năng lượng từ các vật khác.
Hình 2.10: Truyền nhiệt bức xạ
Bức xạ nhiệt có bản chất vật lý tương tự như bức xạ ánh sáng, tuân theo các định luật phản xạ, khúc xạ và hấp thu Nó truyền theo đường thẳng và có khả năng xuyên qua khoảng chân không với tốc độ không đổi là 3.10^10 cm/s Sự khác biệt giữa chúng chủ yếu nằm ở bước sóng, và dựa vào chiều dài bước sóng, người ta phân loại bức xạ thành các loại khác nhau.
Dạng bức xạ Chiều dài bức xạ
Tia sỏng (nhỡn được bằng mắt thường) 0,4 - 0,8àm
Tia hồng ngoại (khụng nhỡn được bằng mắt thường) 0,8 - 40àm
Sóng vô tuyến điện 0,2mm - X km
Trao đổi nhiệt bức xạ đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình truyền nhiệt của nhiều thiết bị: lò hơi,
Quá trình trao đổi năng lượng giữa vật nóng và vật lạnh không chỉ diễn ra theo chiều từ vật nóng sang vật lạnh, mà còn có sự chuyển giao ngược lại Năng lượng mà vật nhận được được xác định bằng hiệu số giữa năng lượng nhận và năng lượng mất Tuy nhiên, sự trao đổi năng lượng này vẫn tuân theo định luật nhiệt động lực học thứ hai, tức là vật có nhiệt độ cao sẽ truyền năng lượng cho vật có nhiệt độ thấp.
Trong quá trình dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt đối lưu, cường độ của quá trình chủ yếu phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ giữa các vật Tuy nhiên, đối với trao đổi nhiệt bức xạ, cường độ không chỉ dựa vào hiệu số nhiệt độ mà còn liên quan đến giá trị nhiệt độ tuyệt đối của vật Cụ thể, khi nhiệt độ của vật cao hơn (trong trường hợp có cùng hiệu số nhiệt độ), lượng nhiệt trao đổi qua bức xạ sẽ tăng lên.
THIẾT KẾ SẢN PHẨM VÀ BỘ GIA NHIỆT TÍCH HỢP TRONG KHUÔN PHUN ÉP NHỰA
Yêu cầu của sản phẩm
Mục đích của nghiên cứu này là phân tích sự phân bố nhiệt độ trong lòng khuôn phun ép, sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp Để thực hiện nghiên cứu, sản phẩm được chọn có thiết kế đơn giản dạng thanh với kích thước cụ thể: chiều dài 60 mm, chiều rộng 10 mm, và độ dày lần lượt là 0.1 mm, 0.3 mm, và 0.5 mm, như mô tả trong Hình 3.1.
Hình 3.1: Mô hình sản phẩm.
Thiết kế bộ phận gia nhiệt
Bộ phận gia nhiệt có kích thước 240 mm x 100 mm x 80 mm, bao gồm hai nửa tấm gia nhiệt được ghép lại với nhau, như thể hiện trong các hình 3.2 và 3.3 trong phụ lục bản vẽ.
Hình 3.2: Mô hình tấm heater 1
Hình 3.3: Mô hình tấm heater 2
Trên 2 tấm này được gắn các điện trở gia nhiệt và các rãnh dẫn khí nóng có dạng dích dắt nhằm tối đa hóa chiều dài từ cổng vào (air inlet) đến cổng ra của khí nóng (air oulet) như Hình 3.4
Hình 3.4: Bộ phận gia nhiệt của hệ thống In-GTMC
Bộ khuôn tích hợp hệ thống gia nhiệt bên trong khuôn
Mô hình bộ khuôn tích hợp hệ thống gia nhiệt bên trong khuôn được trình bày trong hình 3.5, trong khi bộ khuôn hoàn chỉnh đã được lắp đặt trên máy phun ép SW-120B như thể hiện trong hình 3.6.
Hình 3.5: Mô hình bộ khuôn tích hợp hệ thống gia nhiệt bên trong khuôn
Hình 3.6: Hệ thống In-GMTC gắn trên máy phun ép SW-120B
Cài đặt các thông số thực tế cho máy ép nhựa
- Gia nhiệt tấm insert 0.5 mm bằng khí ở các mức nhiệt độ 200 0 C, 250 0 C, 300 0 C,
- Áp suất phun thay đổi theo từng loại nhựa
- Gia nhiệt bằng khí ở các thời gian tương ứng 0 s, 5 s, 10 s, 15 s, 20 s
- Phun nhựa tương ứng ở các nhiệt độ ứng với thời gian trên
- Thông số ép của hai loại nhựa PP, PA6 (GF 0-30% và CaCO3 0-30%) được mô tả như Bảng 3.1
Bảng 3.1: Thông số ép của hai loại nhựa PP, PA6 (GF 0-30% và CaCO3 0-30%)
Tên Flamripp3625CS1 Schulamid6GF30TC
Nhà sản xuất Lanxess Lanxess
Trong quá trình phun ép, nhiệt độ nhựa (melt temperature) được điều chỉnh ở 210
Trong nghiên cứu này, các điều kiện thí nghiệm được thiết lập với nhiệt độ khuôn từ 200°C đến 400°C, áp suất phun 30 Kg/cm², thời gian ép phun 2 giây và tốc độ phun 30% Sản phẩm được chế tạo từ nhựa PP và 7 loại nhựa PA6 với tỷ lệ sợi thủy tinh thay đổi từ 0% đến 30% và tỷ lệ CaCO3 từ 10% đến 30% Mục tiêu là xác định chiều dài sản phẩm đạt được dưới các điều kiện khác nhau.
Thiết bị đo nhiệt độ khuôn
Nhiệt độ phân bố trên bề mặt lòng khuôn bằng phương pháp In-GMTC được xác định thông qua camera hồng ngoại Flute TiS20 như Hình 3.7
Camera kỹ thuật số: 5 MP
Dải đo: -20 ºC đến 650 ºC
Dải phổ hồng ngoại: 7.5 ± 14 àm
Khoảng cách lấy nét tối thiểu: 0.45 m
Hình 3.7: Camera hồng ngoại Flute TiS20 + Công dụng: Xác định nhiệt độ khuôn khi kết thúc quá trình gia nhiệt
SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI THỰC NGHIỆM VỀ PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ
Mô phỏng quá trình gia nhiệt tấm insert trên phần mềm ANSYS - CFX
Nung nóng khối gia nhiệt bằng các điện trở, lần lượt ở các khoảng nhiệt độ 200 0 C,
Nhiệt độ được gia nhiệt lần lượt ở 250°C, 300°C, 350°C và 400°C, sau đó phun khí từ máy nén khí với áp suất lớn hơn 5 Kg/cm² qua khối gia nhiệt Thời gian giữ nhiệt là 5 giây, 10 giây, 15 giây và 20 giây trên ba tấm insert có bề dày 0.1 mm, 0.3 mm và 0.5 mm Cuối cùng, nhiệt độ sau khi gia nhiệt được đo bằng camera đo nhiệt.
Hình 4.1: Hình chiếu thể hiện bề dày tấm insert Tsp (mm)
Hình 4.2: Vị trí phun khí 4.1.2 Điều kiện mô phỏng phân bố nhiệt độ trên ANSYS - CFX
Phần mềm ANSYS với mô đun CFX được sử dụng để mô phỏng phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn, đặc biệt cho các dòng chảy lưu chất Dòng khí gia nhiệt có hệ số nhớt động lực khoảng 1.83e-5 kg/ms, dẫn đến hệ số Re lớn và dòng chảy rối, vì vậy mô hình k-ε tiêu chuẩn được áp dụng Mô hình mô phỏng bao gồm khối khí và khối gia nhiệt với các điều kiện biên cụ thể Nhiệt độ khí nóng gia nhiệt thay đổi từ 200°C đến 400°C và được phun trực tiếp lên bề mặt khuôn với áp suất 7 atm, trong khi nhiệt độ và áp suất ban đầu là 30°C và 1 atm Nhiệt độ ban đầu của tấm insert cũng được cài đặt ở 30°C Để nâng cao độ chính xác, tấm gia nhiệt sử dụng lưới hex dominant, trong khi khối khí sử dụng lưới terahedrons, tăng số lượng phần tử tại các vùng yêu cầu độ chính xác cao.
Bảng 4.1: Thông số vật liệu trong mô phỏng gia nhiệt bằng khí nóng
Vật liệu Thông số Đơn vị Giá trị
Khối lượng phân tử kg/kmol 28.96
Khối lượng riêng kg/m 3 1.185 Độ nhớt động lực học kg/ms 1.831e-5
Khối lượng phân tử kg/kmol 55.85
4.1.3 Các bước mô phỏng phân bố nhiệt độ trên ANSYS - CFX
ANSYS - CFX là một mô đun phân tích động lực học chất lỏng nổi bật, được sử dụng rộng rãi để mô phỏng chính xác và đáng tin cậy các loại dòng chảy khác nhau.
+ Geometry: 2 Bodies + Boundary: 1 face + Maximun Thickness: 1mm
+ inlet ( Normal Speed: 100m/s, Static temperature: 400 0 C) + Outlet (Opening temperature:
+ Model: Variable + Variabel: Temperature + Range: Use Spectified
- Default Legend View 1 + Title mode: Variable + Precision: 1 - Fixed
4.1.4 Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ trên ANSYS - CFX
Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ trên lòng khuôn với các chiều dày tấm insert 0.1 mm, 0.3 mm và 0.5 mm được trình bày trong Bảng 4.2, 4.3 và 4.4 Nhiệt độ gia nhiệt được khảo sát trong khoảng 200°C đến 400°C với thời gian gia nhiệt bằng khí nóng từ 5 giây đến 20 giây Kết quả cho thấy nhiệt độ lớn nhất xuất hiện gần vòi phun khí nóng, và nhiệt độ bề mặt khuôn cải thiện đáng kể khi thời gian gia nhiệt và nhiệt độ khí nóng tăng Để làm rõ sự chênh lệch nhiệt độ dưới các điều kiện gia nhiệt khác nhau, nhiệt độ tại vị trí A (Hình 4.2) được tổng hợp trong Bảng 4.5, 4.6 và 4.7 tương ứng với các chiều dày tấm insert 0.1 mm, 0.3 mm và 0.5 mm.
Bảng 4.2: Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ khuôn với chiều dày tấm insert 0,1mm Nhiệt độ khí
Phân bố nhiệt độ khuôn
Bảng 4.3: Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ khuôn với chiều dày tấm insert 0,3mm
Phân bố nhiệt độ khuôn
Bảng 4.4: Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ khuôn với chiều dày tấm insert 0,5mm
Phân bố nhiệt độ khuôn
Bảng 4.5: Giá trị nhiệt độ theo thời gian tại điểm A của tấm insert 0.1 mm
Nhiệt độ nguồn khí nóng
Nhiệt độ tại vị trí A
Bảng 4.6: Giá trị nhiệt độ theo thời gian tại điểm A của tấm insert 0.3 mm
Nhiệt độ nguồn khí nóng
Nhiệt độ tại vị trí A
Bảng 4.7: Giá trị nhiệt độ theo thời gian tại điểm A của tấm insert 0.5 mm
Thời gian gia nhiệt Nhiệt độ nguồn khí nóng
Nhiệt độ tại vị trí A
Tại vị trí A (vị trí phun), nhiệt độ đã tăng đáng kể từ 30°C lên 153.5°C sau khi được gia nhiệt bằng dòng khí nóng 400°C trong 20 giây.
Hình 4.3: So sánh nhiệt độ mô phỏng tại vị trí A với chiều dày tấm insert khác nhau
Trong công nghệ phun ép, hình dạng sản phẩm đóng vai trò quan trọng trong quá trình tạo hình, đặc biệt với sản phẩm có kích thước mỏng Nhiều phương pháp cải thiện sự điền đầy đã được áp dụng, trong đó phun ép ở nhiệt độ cao thông qua gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ và điện trở là phổ biến Phương pháp kiểm soát nhiệt độ khuôn bằng khí nóng đã cho thấy hiệu quả khả quan Cấu trúc của tấm insert thường được sử dụng để nâng cao hiệu quả gia nhiệt, và độ dày của tấm insert là yếu tố quan trọng trong thiết kế khuôn, chịu ảnh hưởng từ độ dày của sản phẩm Do đó, việc đánh giá khả năng gia nhiệt của tấm insert là cần thiết.
58 thước 77.4 mm × 70 mm với các chiều dày khác nhau đã được lắp vào khuôn trong nghiên cứu này
Dựa trên kết quả mô phỏng nhiệt độ tại vị trí A với nguồn khí nóng từ 200 °C đến 400 °C, thời gian gia nhiệt từ 5 s đến 20 s, và các chiều dày tấm insert khác nhau, trường hợp khí nóng 300 °C được chọn để phân tích ảnh hưởng của chiều dày tấm insert đến nhiệt độ khuôn Kết quả cho thấy nhiệt độ khuôn có thể nâng lên từ 30 °C lên khoảng 153.5 °C.
Phương pháp này đạt tốc độ gia nhiệt khoảng 6.15 °C/s, giúp nhiệt độ khuôn vượt qua nhiệt độ chuyển pha của hầu hết các vật liệu nhựa thông thường.
Khi chiều dày tấm insert tăng từ 0.1 mm lên 0.5 mm, nhiệt độ bề mặt khuôn tăng từ 114.8 °C lên 120.1 °C, dẫn đến tốc độ gia nhiệt tăng từ 5.74 °C/s lên 6 °C/s Sự gia tăng tốc độ gia nhiệt này có thể được lý giải bởi lượng nhiệt năng cần thiết để làm nóng thể tích tấm insert.
Tấm insert và tấm khuôn được ngăn cách bởi lớp cách nhiệt, khiến hiệu quả gia nhiệt chủ yếu phụ thuộc vào thể tích tấm insert Theo Hình 4.1, độ dày tấm insert là 5 mm và khoảng cách giữa đầu phun khí nóng với bề mặt gia nhiệt là 3.5 mm, do đó, sản phẩm dày hơn có thể dẫn đến thể tích tấm insert nhỏ hơn và tốc độ gia nhiệt cao hơn Mặc dù sự khác biệt về tốc độ gia nhiệt khi độ dày tấm insert thay đổi từ 0.1 mm đến 0.5 mm là không đáng kể, nhưng phương pháp gia nhiệt này cho phép kiểm soát nhiệt độ khuôn và sản phẩm mỏng với độ dày dưới 0.5 mm Hình 4.3 cũng chỉ ra rằng tốc độ gia nhiệt trong 5 giây đầu tiên rất cao, dao động từ 13.04 °C/s đến 18.02 °C/s, vượt trội hơn so với nhiều phương pháp gia nhiệt đã được nghiên cứu trước đây.
Tại thời điểm gia nhiệt 20 giây, các đường cong nhiệt độ tiếp tục tăng lên mà không có dấu hiệu bị giới hạn, khác với những nghiên cứu trước đó.
Thời gian gia nhiệt 20 giây là đủ để đạt được nhiệt độ tối ưu cho hầu hết các loại vật liệu nhựa nhiệt dẻo trong công nghệ phun ép Mặc dù mặt khuôn có thể tăng lên khi thời gian gia nhiệt lâu hơn hoặc sử dụng nguồn gia nhiệt công suất lớn hơn, nhưng trong nhiều trường hợp, thời gian gia nhiệt 20 giây vẫn là lựa chọn hiệu quả.
Kết quả thí nghiệm thực tế
Để kiểm chứng tính chính xác của kết quả mô phỏng, thực nghiệm gia nhiệt được thực hiện với các điều kiện biên giống như trong mô phỏng, với 10 lần thử nghiệm cho mỗi trường hợp để lấy giá trị trung bình Kết quả thực nghiệm nhiệt độ trên lòng khuôn tại các vị trí đo A, B và C cho thấy kết quả thực nghiệm thấp hơn so với mô phỏng, nhưng sự chênh lệch này không đáng kể khi sử dụng nguồn khí nóng 400°C Sự khác biệt này xuất phát từ độ trễ trong quá trình đo bằng ảnh nhiệt, nhiệt truyền nhanh chóng từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt độ thấp, cũng như tổn thất năng lượng trong quá trình gia nhiệt Kết quả mô phỏng phản ánh điều kiện lý tưởng, tuy nhiên, nhìn chung, kết quả gia nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm là tương đồng và sự chênh lệch nhiệt độ là không đáng kể.
Khi GMTC được áp dụng để gia nhiệt bề mặt khuôn, đã ghi nhận sự chênh lệch nhiệt độ giữa khu vực đầu vào và đầu ra của khí nóng Kết quả cho thấy nhiệt độ cao nhất tại vị trí A, gần nguồn cấp khí nóng, trong khi nhiệt độ thấp nhất ở vị trí C, xa nguồn cung cấp khí nóng Những kết quả này cũng chỉ ra rằng nhiệt độ thấp nhất trong nghiên cứu đủ để đáp ứng yêu cầu nhiệt độ của khuôn cho vật liệu nhựa thông thường, trong khi nhiệt độ cao nhất không vượt quá mức làm suy giảm tính chất của vật liệu.
Bảng 4.8: Kết quả thí nghiệm đo nhiệt độ theo thời gian trên tấm insert 0.1 mm với nhiệt độ gia nhiệt là 400 0 C tại 3 điểm A, B, C
Bảng 4.9: Kết quả thí nghiệm đo nhiệt độ theo thời gian trên tấm insert 0.3 mm với nhiệt độ gia nhiệt là 400 0 C tại 3 điểm A, B, C
Bảng 4.10: Kết quả thí nghiệm đo nhiệt độ theo thời gian trên tấm insert 0.5 mm với nhiệt độ gia nhiệt là 400 0 C tại 3 điểm A, B, C
Biểu đồ so sánh và nhận xét
Hình 4.4: Biểu đồ so sánh kết quả gia nhiệt theo thời gian 5 s, 10 s, 15 s, 20 s trên tấm insert 0.1 mm với nhiệt độ gia nhiệt là 400 0 C tại 3 điểm A, B, C.
Hình 4.5: Biểu đồ so sánh kết quả gia nhiệt theo thời gian 5 s, 10 s, 15 s, 20 s trên tấm insert 0.3 mm với nhiệt độ gia nhiệt là 400 0 C tại 3 điểm A, B, C
Biểu đồ gia nhiệt theo thời gian 5s, 10s, 15s, 20s trên tấm insert 0.1mm với nhiệt độ gia nhiệt là 400 0 C tại 3 điểm A, B, C
Biểu đồ gia nhiệt theo thời gian 5s, 10s, 15s, 20s trên tấm insert
0.3mm với nhiệt độ gia nhiệt là 400 0 C tại 3 điểm A, B, C
Hình 4.6: Biểu đồ so sánh kết quả gia nhiệt theo thời gian 5 s, 10 s, 15 s, 20 s trên tấm insert 0.5 mm với nhiệt độ gia nhiệt là 400 0 C tại 3 điểm A, B, C
Dựa vào bảng kết quả ta thấy:
Thời gian gia nhiệt càng lâu thì nhiệt độ của tấm insert càng tăng Nhiệt độ thấp nhất đạt được trong quá trình gia nhiệt là 200°C, với thời gian gia nhiệt 5 giây, tấm insert có độ dày 0.1 mm ghi nhận nhiệt độ là 48.4°C.
0C; nhiệt độ cao nhất tại thời điểm gia nhiệt 400 0 C với thời gian gia nhiệt là 20 s trên tấm insert 0.5 mm là khoảng 147.4 0 C
Trong ba loại tấm insert với độ dày lần lượt là 0.1 mm, 0.3 mm và 0.5 mm, tấm insert có độ dày 0.5 mm cho khả năng gia nhiệt cao nhất Điều này cho thấy rằng, khi độ dày của tấm insert tăng lên, nhiệt độ gia nhiệt cũng sẽ tăng theo.
Kết quả so sánh từ biểu đồ cho thấy sự chênh lệch nhiệt độ giữa mô phỏng trên phần mềm và kết quả đo thực tế dao động khoảng 3°C đến 5°C.
Biểu đồ gia nhiệt theo thời gian 5s, 10s, 15s, 20s trên tấm insert
0.5mm với nhiệt độ gia nhiệt là 400 0 C tại 3 điểm A, B, C
SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI THỰC NGHIỆM VỀ CHIỀU DÀI DÒNG CHẢY
Giới thiệu phần mềm Moldex 3D
Phần mềm Moldex3D, phát triển bởi tập đoàn CoreTech Đài Loan, là giải pháp CAE hàng đầu trong lĩnh vực khuôn ép nhựa Nó cho phép phân tích các thông số quan trọng như thời gian điền đầy, nhiệt độ, áp suất khuôn, độ cong vênh và đường hàn Nhờ vào những phân tích này, Moldex3D cung cấp giải pháp tối ưu hóa cho quy trình ép phun cũng như hỗ trợ thiết kế khuôn và sản phẩm, mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng.
Phần mềm Moldex3D chuyên dụng cho mô phỏng quá trình ép phun, giúp tối ưu hóa thiết kế khuôn và sản phẩm nhựa với phạm vi ứng dụng rộng rãi.
Giúp bạn dự đoán được các khuyết tật có thể xảy ra và đưa ra phương án phòng tránh
Thân thiện với các công cụ thiết kế hàng đầu hiện nay như Solidworks, Catia,
Được nhiều công ty hàng đầu chuyên dung.
Điều kiện mô phỏng chiều dài dòng chảy
Trong lĩnh vực tạo hình sản phẩm bằng công nghệ phun ép, phân tích khả năng chảy của vật liệu trong khuôn là rất quan trọng Nghiên cứu này thiết lập mô hình mô phỏng để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến chiều dài dòng chảy, theo các điều kiện biên được nêu trong Bảng 4.3 Vật liệu được khảo sát bao gồm nhựa PP và composite nhựa nhiệt dẻo PA6 (0-30%GF, 0-30% CaCO3), đây là những loại vật liệu phổ biến và có giá thành hợp lý trên thị trường.
Nhiệt độ khuôn được chọn phù hợp với vùng nhiệt độ của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong khuôn, trong khi nhiệt độ nóng chảy của nhựa được xác định là 270°C theo khuyến cáo của nhà sản xuất Áp suất phun 30 Kg/cm² là giá trị thông dụng cho máy phun ép trong quá trình tạo hình sản phẩm, đảm bảo hiệu quả và chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Bảng 5.1: Thông số mô phỏng chiều dài dòng chảy
STT Thông số mô phỏng Giá trị
2 Chiều dày lòng khuôn 0.1 mm, 0.3 mm, 0.5 mm
3 Nhiệt độ nóng chảy nhựa 270 0 C
4 Áp suất phun 30 Kg/cm 2
Trong nghiên cứu này, phần mềm Moldex3D được sử dụng để mô phỏng chiều dài dòng chảy nhựa trong khuôn, nhờ vào tính năng chính của nó là phân tích dòng chảy hiệu quả Việc áp dụng Moldex3D giúp đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến chiều dài dòng chảy một cách thuận lợi Hơn nữa, quá trình thực hiện mô phỏng còn nhận được sự hỗ trợ bản quyền từ công ty Mô phỏng được tiến hành qua ba giai đoạn, như được minh họa trong Hình 5.1.
Hình 5.1: Quá trình mô phỏng chiều dài dòng chảy bằng phần mềm Moldex3D
Giai đoạn 1 - Tiền xử lý
Trong giai đoạn này, mô hình 3D của sản phẩm được thiết kế bằng phần mềm Creo V5 và nhập vào Moldex3D Designer Tại đây, hệ thống kênh dẫn nhựa, kênh làm mát và lòng khuôn được thiết lập Tiếp theo, mẫu sản phẩm được chia lưới với tùy chọn BLM (Boundary Layer Mesh), một công nghệ chia lưới tối ưu cho ứng dụng CAE trong dòng chảy khuôn phun ép Chương trình tự động xác định kích thước lưới phù hợp để tạo lưới bề mặt.
Hình 5.2: Mặt cắt thể hiện vùng chia lưới bên trong mô hình
Trong quá trình mô phỏng trên mô đun Moldex3D Project, phần mềm này đóng vai trò là cầu nối giữa người dùng và phương pháp giải bài toán mô phỏng, mang đến nhiều lựa chọn kết quả khác nhau Nghiên cứu này thiết lập loại vật liệu và thông số phun ép dựa vào Bảng 5.1, tiến hành mô phỏng độ điền đầy thông qua chiều dài dòng chảy tương ứng với từng loại vật liệu, độ dày dòng chảy và nhiệt độ khuôn khác nhau.
Giai đoạn 3 - Kết quả mô phỏng
Sau khi hoàn tất quá trình mô phỏng, các kết quả như độ điền đầy, độ cong vênh và phân bố áp suất có thể được hiển thị Tuy nhiên, trong phạm vi nghiên cứu này, chỉ có kết quả mô phỏng về độ điền đầy (chiều dài dòng chảy) được lựa chọn để phân tích trong chương tiếp theo.
Điều kiện thực nghiệm phun ép
Quá trình thực nghiệm phun ép được thực hiện trên máy SW-120B với hệ thống In-GMTC nhằm đánh giá tác động của nhiệt độ đến độ điền đầy sản phẩm thành mỏng Các thông số thực nghiệm được xác định dựa trên khuyến cáo của nhà sản xuất, bao gồm nhiệt độ nóng chảy của nhựa và áp suất phun, cùng với các giá trị thông dụng của máy phun ép Thông tin chi tiết về các thông số này được trình bày trong Bảng 5.2.
Hình 5.3: Hệ thống In-GMTC gắn trên máy phun ép SW-120B
Bảng 5.2: Thông số thực nghiệm phun ép sản phẩm thành mỏng
STT Thông số Giá trị
1 Nhiệt độ nóng chảy nhựa 270 0 C
7 Thời gian gia nhiệt ban đầu của In-GMTC 20 s
8 Nhiệt độ khuôn ban đầu 30 0 C
Quá trình thực nghiệm phun ép được thực hiện 10 lần cho mỗi trường hợp để xác định giá trị trung bình Chương 5 của nghiên cứu này phân tích và đánh giá chi tiết mức độ ảnh hưởng của phân bố nhiệt độ khuôn đến khả năng điền đầy sản phẩm thành mỏng.
5.4 Kết quả chiều dài sản phẩm mô phỏng với thực nghiệm
Nghiên cứu này sử dụng nhựa PP và 7 loại nhựa PA6 với tỉ lệ sợi thủy tinh khác nhau (0%GF, 10%GF, 20%GF, 30%GF, 10%CaCO3, 20%CaCO3, 30%CaCO3) để khảo sát chiều dài dòng chảy của sản phẩm có độ dày 0.5 mm Phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong khuôn được áp dụng, với nhiệt độ khảo sát từ 200°C đến 400°C và thời gian gia nhiệt 20 giây Sau 20 chu kỳ ổn định, kết quả thực nghiệm từ 10 chu kỳ tiếp theo cho thấy chiều dài dòng chảy tăng khi nhiệt độ khí tăng Mặc dù có sự sai lệch giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng, nhưng mức độ sai lệch này được coi là chấp nhận được trong nghiên cứu về chiều dài dòng chảy trong công nghệ phun ép.
Bảng 5.3: Kết quả chiều dài dòng chảy nhựa giữa thực nghiệm và mô phỏng bề dày sản phẩm 0.5 mm với nhựa PP
Kết quả mô phỏng (mm)
Bảng 5.4: Kết quả chiều dài dòng chảy nhựa giữa thực nghiệm và mô phỏng bề dày sản phẩm 0.5 mm với nhựa PA6 (0% GF) Nhiệt độ nguồn khí ( o C)
Kết quả mô phỏng (mm)
Bảng 5.5: Kết quả chiều dài dòng chảy nhựa giữa thực nghiệm và mô phỏng bề dày sản phẩm 0.5 mm với nhựa PA6 (GF 10%) Nhiệt độ nguồn khí ( o C)
Kết quả mô phỏng (mm)
Bảng 5.6: Kết quả chiều dài dòng chảy nhựa giữa thực nghiệm và mô phỏng bề dày sản phẩm 0.5 mm với nhựa PA6 (GF 20%) Nhiệt độ nguồn khí ( o C)
Kết quả mô phỏng (mm)
Bảng 5.7: Kết quả chiều dài dòng chảy nhựa giữa thực nghiệm và mô phỏng bề dày sản phẩm 0.5 mm với nhựa PA6 (GF 30%) Nhiệt độ nguồn khí ( o C)
Kết quả mô phỏng (mm)
Bảng 5.8: Kết quả chiều dài dòng chảy nhựa giữa thực nghiệm và mô phỏng bề dày sản phẩm 0.5 mm với nhựa PA6 (CaCO3 10%) Nhiệt độ nguồn khí ( o C)
Bảng 5.9: Kết quả chiều dài dòng chảy nhựa giữa thực nghiệm và mô phỏng bề dày sản phẩm 0.5 mm với nhựa PA6 (CaCO3 20%) Nhiệt độ nguồn khí ( o C)
Bảng 5.10: Kết quả chiều dài dòng chảy nhựa giữa thực nghiệm và mô phỏng bề dày sản phẩm 0.5 mm với nhựa PA6 (CaCO3 30%) Nhiệt độ nguồn khí ( o C)
Trong quy trình phun ép thông thường, nhiệt độ khuôn thường được duy trì trong khoảng 20°C – 80°C Tuy nhiên, đối với sản phẩm có thành mỏng, nhiệt độ khuôn cần được nâng cao để đảm bảo quá trình điền đầy thuận lợi, giúp dòng chảy dễ dàng lấp đầy lòng khuôn nhờ vào việc giảm độ đông đặc của dòng chảy Mặc dù nhiệt độ cao có thể dẫn đến tiêu hao năng lượng nhiều hơn và nguy cơ cong vênh, nghiên cứu này đã áp dụng kiểm soát nhiệt độ khuôn cục bộ Thay vì duy trì toàn bộ khuôn ở nhiệt độ cao, việc gia nhiệt cục bộ bằng khí nóng được thực hiện cho khu vực lòng khuôn ngay từ đầu chu kỳ phun ép.
Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng khi nhiệt độ khuôn vượt quá nhiệt độ chuyển pha, vật liệu sẽ dễ dàng chảy trong khuôn Cụ thể, hình 5.1 trong nghiên cứu này cho thấy rằng khi nhiệt độ khí tăng, chiều dài lòng chảy cũng tăng theo.
Chiều dài dòng chảy của các vật liệu PA6 30%GF và PA6 30%CaCO3 là tương đương và ngắn nhất, cho thấy chúng khó nóng chảy nhất Ngược lại, chiều dài dòng chảy của vật liệu PP và PA6 cũng tương đương nhưng dài nhất, chứng tỏ rằng PP và PA6 là hai vật liệu dễ nóng chảy nhất.
Hình 5.4: Chiều dài dòng chảy của các vật liệu ứng với nhiệt độ nguồn khí khác nhau
Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng ở các mức nhiệt độ khí nóng khác nhau, chiều dài dòng chảy trong thời gian gia nhiệt 20 giây có sự khác biệt rõ rệt, với chiều dài dòng chảy tăng lên khi nhiệt độ cao hơn Bên cạnh đó, loại nhựa cũng ảnh hưởng đến quá trình điền đầy lòng khuôn do sự khác biệt về độ nhớt Cụ thể, nhựa PA6 gia cường 30% sợi thủy tinh có độ chảy khó khăn hơn so với nhựa nguyên chất.
