Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ điền đầy của vật liệu composite trong quy trình phun ép

TĨM TẮT Phun ép cơng nghệ tạo hình khuôn với hỗ trợ hệ thống gia nhiệt làm nóng chảy vật liệu từ bên ngoài và phun ép vào khn thơng qua vít me để tạo thành sản phẩm tương ứng khuôn nguội Hiện nay, nhiều loại vật liệu có thể sử dụng cơng nghệ phun ép Trong đó, vật liệu composite nhựa nhiệt dẻo ngày càng sử dụng để chế tạo nhiều loại sản phẩm phun ép với hình dạng và kích thước đa dạng Hiện tại, phun ép đối mặt với nhiều thách thức nghiên cứu xử lý vật liệu, cải tiến quy trình chế tạo thiết bị có nhằm hạn chế khuyết tật trình phun ép Các khuyết tật phổ biến có thể kể đến như: đường hàn, rổ khí, cong vênh,… Nhìn chung, khuyết tật này liên quan đến q trình điền đầy lịng khn Vì vậy, để tăng khả điền đầy khn quy trình phun ép với vật liệu composite, nâng cao tuổi thọ máy, suất chất lượng sản phẩm, điều khiển nhiệt độ khuôn giải pháp nghiên cứu, qua hạn chế tượng đông đặc nhanh vật liệu composite lịng khn, tăng liên kết và định hướng sợi điền đầy, tăng khả chảy dịng vật liệu composite lịng khn Trong luận án này, khả chảy dòng vật liệu composite thơng qua mức độ điền đầy lịng khn ứng với chiều dày sản phẩm khác nhiệt độ khuôn khác nghiên cứu mô thực nghiệm với nhóm sau: + Vùng nhiệt độ thông dụng khuyến cáo sử dụng cho loại vật liệu (nhiệt độ thay đổi từ 30 oC đến 110 oC) + Vùng nhiệt độ cao tạo thông qua phương pháp gia nhiệt bề mặt khn khí nóng (nhiệt độ cao đến 140 oC) Kết nghiên cứu cho thấy: + Với mơ hình nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ khuôn tỉ lệ sợi đến độ điền đầy vật liệu composite khn phun ép: mơ hình nghiên cứu dịng chảy viii xoắn ốc lịng khn đã thiết kế chế tạo với khả điều chỉnh nhiệt độ khuôn từ 30 ºC đến 110 ºC thông qua hệ thống kênh dẫn đặt khuôn Kết đánh giá chiều dài dòng chảy cho thấy tăng nhiệt độ khuôn từ 30 oC đến 110 oC, chiều dài dòng chảy nhựa tăng cho trường hợp chiều dày sản phẩm 0,5 mm, 0,75 mm mm Tuy nhiên, mức độ tăng khác chiều dày sản phẩm thay đổi, chẳng hạn với trường hợp vật liệu PA6 + 30 %GF, nhiệt độ khn tăng từ 30 oC đến 110 oC lịng khn có chiều dày mm chiều dài thực nghiệm dòng chảy tăng từ 79,9 mm lên 100,3 mm, nghĩa là tăng khoảng 25,5 % Đồng thời, kết mô phần mềm Moldex3D cho thấy tương đồng với kết thực nghiệm Ngoài ra, chiều dài dòng chảy bị phụ thuộc vào tỉ lệ sợi, chẳng hạn với mức nhiệt độ khuôn 110 oC, tỉ lệ sợi tăng từ % lên 30 % chiều dài thực nghiệm dịng chảy giảm từ 145,8 mm xuống 100,3 mm, tức giảm khoảng 45,4 % Qua cho thấy chiều dài dịng chảy khơng phụ thuộc vào nhiệt độ khn mà cịn phụ thuộc vào tỉ lệ sợi gia cường và điều khiển nhiệt độ khuôn giải pháp nâng cao khả chảy vật liệu composite lịng khn + Với mơ hình dịng chảy có thành mỏng, gân mỏng nhiệt độ khuôn cao: phương pháp gia nhiệt cho bề mặt khn khí nóng (Ex-GMTC) đã sử dụng để nâng nhiệt độ khuôn lên đến 140 ºC Trong đó: - Mơ hình khảo sát dịng chảy có thành mỏng: Với vật liệu PA6 PA6 + 30 %GF, tỉ lệ cải thiện khả chảy dòng vật liệu càng cải thiện rõ rệt tăng thời gian gia nhiệt Cụ thể, với vật liệu PA6 chiều dày dòng chảy 0,6 mm, chiều dài dòng chảy tăng thêm 90,6 % (tăng từ 38,9 mm lên 74,3 mm) gia nhiệt 20 s Với vật liệu PA6 + 30 %GF, kết thực nghiệm cho thấy với chiều dày dòng chảy 0,6 mm, gia nhiệt 20 s, chiều dài cải thiện từ 28,5 mm đến 58,9 mm, tương đương 108,6 % Các kết này cho thấy dòng chảy vật liệu PA6 (PA6 PA6 + 30 %GF) có độ nhạy với nhiệt độ khn vật liệu PP ABS, với khả cải thiện chiều dài dòng chảy 80 % với thời gian gia nhiệt 20 s ix - Mơ hình ứng dụng cho gân mỏng: Khi nhiệt độ khuôn tăng từ 45 °C đến 75 °C, chiều cao gân đã tăng từ 2,8 mm lên 4,2 mm Khi Ex-GMTC sử dụng, nhiệt độ khuôn thay đổi từ 112 °C đến 140,8 °C chiều cao gân mỏng đạt mm Do Ex-GMTC không bị ảnh hưởng kết cấu khuôn nên phương pháp gia nhiệt hỗ trợ phân bố nhiệt độ tốt so với phương pháp gia nhiệt nước, kết cân dòng chảy vật liệu khn tốt Ngồi ra, q trình gia nhiệt cho thấy vị trí gia nhiệt khơng thiết khu vực thành mỏng Vùng gia nhiệt có thể chọn cho hạn chế lớp đông đặc, từ hạn chế tượng cản trở dịng chảy vật liệu vào khu vực có gân mỏng khn x ABSTRACT Injection molding is an in-mold forming technology with the aid of an external heating system that melts the material and then injects the melt flow into a mold through a crew to form the corresponding product when the mold cools Currently, many types of materials can be used to mold products by the injection molding process Especially, the thermoplastic composites are increasingly used for manufacturing many types of injection molding products with more complex in the shape and structure At present, the injection molding is still facing many challenges in the process of new materials, the improvement of the existing manufacturing processes and the equipment techniques to limit defects The common defects in these products can be the weld line, air trap, warpage, etc In general, these defects were related to the filling step of the composite materials in the injection molding process Therefore, in order to increase the mold filling capacity in the injection molding process with composite materials, as well as improve the life time of molding machine, productivity and product quality, the molding temperature control is one of the solutions that studied in this research, thereby reducing the fast cooling phenomenon of composite materials in the filling step of the injection molding process, increasing the bonding and orientation of the fibers in the filling as well as increasing the flowability of the composite material flow in the mold cavity In this dissertation, the flowability of composite materials through the filling percent of mold cavity were studied with different product thicknesses and different mold temperatures by both simulation and experiment for two main groups as the following: + The common temperature range, which was recommented by the material supplier for each material (from 30 oC to 110 oC) + The high temperature range, which could reach to 140 oC and achived by ExGMTC xi The results showed that: + With the basic model of flow length for studing the effects of mold temperature and fiber volume fraction on the filling percent in the mold: the experimental model were designed and manufactured for controlling the mold temperature with the range of 30 ºC to 110 ºC by the channel system placed in the mold The results showed that when increasing the mold temperature, the flow length was improved for all cases of the product thickness of 0.5 mm, 0.75 mm and 1.0 mm However, the improvement was different with each thickness, such as in the case of PA6 + 30 %GF with the flow thickness of 1.0 mm, when the mold temperature increased from 30 oC to 110 oC, the experimental flow length increased from 79.9 mm to 100.3 mm, that is, an increase of 25.5 % Additionally, in this temperature range, the simulation results by Moldex3D were a good agreement with the experimental results Moreover, the folw length was also depending on the fiber volume fraction For the case of the same mold temperature of 110 oC, when the fiber volume fraction increased from % to 30 %, the experimental flow length decreased from 145.8 mm to 100.3 mm, which was about 45.4 % reduction It was cleared that the flow length depended not only on the mold temperature but also on the fiber volume fraction Also, the mold temperature control was one of the solutions for improving the flowability of composite materials in the injection molding process + With the thin wall, thin rib models and high mold temperature: the Ex-GMTC was applied for heating the mold surface up to 140 ºC The results showed that: - With the model of thin wall flow length: For the materials of PA6 and PA6 + 30 %GF, the improvement of the flow length was significantly improved when increasing the heating time Specifically, with the material of PA6 and the flow thickness of 0.6 mm, the flow length was increased about 90.6 % (raising from 38.96 mm to 74.25 mm) with the heating time of 20 s Similarly, the results showed that the flow length was improved from 28.5 mm to 58.95 mm, responding to 108.6 % for the material of PA6 + 30 %GF with the flow thickness of 0.6 mm and xii the heating time of 20 s These results also shown that the melt flow of materials of PA6 and PA6 + 30 %GF were more sensitive to the mold temperature than the materials of PP and ABS, which were increased about 80 % in melt flow length with the same heating time of 20 s - With the model of thin rib: When the mold temperature increased from 45 °C to 75 °C, the rib height was increased from 2.8 mm to 4.2 mm When the ExGMTC was applied with the mold temperature varied from 112.0 °C to 140.8 °C, the thin rib was full fill with the height of mm Since the Ex-GMTC was not influenced by the mold structure, this heating method supported a better mold temperature distribution than the hot water heating method Also, the result was the better balance of the melt flow On the other hand, these results also proved that the heating position did not need to be at the thin wall location The heating zone could be selected for reducing the frozen layer, thereby reducing the obstruction of melt flow into the thin wall area of the mold in injection molding process xiii MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i QUYẾT ĐỊNH GIA HẠN THỜI GIAN BẢO VỆ LUẬN ÁN CẤP TRƯỜNG ii LÝ LỊCH CÁ NHÂN iii LỜI CAM ĐOAN .vi LỜI CẢM ƠN vii TÓM TẮT viii MỤC LỤC .xiv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xviii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xx DANH MỤC BẢNG xxii DANH MỤC HÌNH xxiii Mở đầu 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu và giới hạn đề tài Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học Giá trị thực tiễn Cấu trúc luận án Chương 1: Tổng quan 1.1 Giới thiệu công nghệ phun ép 1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 1.3 Tình hình nghiên cứu nước 18 1.4 Nhu cầu thực tiễn sản phẩm nhựa composite nhựa nhiệt dẻo 21 1.5 Vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu 21 Chương 2: Cơ sở lý thuyết 23 2.1 Vật liệu composite nhựa nhiệt dẻo 23 xiv 2.2 Tỉ lệ sợi vật liệu composite 24 2.3 Định hướng sợi trình phun ép 26 2.4 Quá trình truyền nhiệt 27 2.4.1 Dẫn nhiệt 27 2.4.2 Bức xạ nhiệt 28 2.4.3 Đối lưu nhiệt 28 2.5 Mối quan hệ độ nhớt nhiệt độ 28 2.6 Dòng chảy nhựa chi tiết dạng tấm/hộp 32 2.7 Đặc điểm dòng chảy “Fountain flow” 33 2.8 Mơ hình phương pháp phần tử hữu hạn mô gia nhiệt khuôn 34 2.8.1 Lý thuyết phần tử hữu hạn chia lưới sản phẩm 34 2.8.2 Mơ hình số mô 35 2.9 Nhiệt lượng trao đổi nhiệt với mơi trường xung quanh phần tử dịng chảy 35 2.10 Phương trình cân dịng chảy vật liệu lịng khn phun ép 36 2.10.1 Ngun lý bảo toàn khối lượng hệ tọa độ Đề 37 2.10.2 Phương trình bảo toàn động lượng hệ tọa độ Đề 38 2.10.3 Phương trình bảo toàn lượng hệ tọa độ Đề 40 2.10.4 Hệ phương trình chủn động dịng chảy 41 2.11 Phương trình mơ gia nhiệt lịng khn 42 Chương 3: Nghiên cứu xây dựng mơ hình mô thực nghiệm 45 3.1 Mô hình dịng chảy xoắn ốc 45 3.1.1 Mơ hình dòng chảy xoắn ốc 45 3.1.1.1 Thiết lập dòng chảy xoắn ốc mô 45 3.1.1.2 Điều kiện mơ dịng chảy 47 3.1.1.3 Q trình mơ dòng chảy 48 3.1.2 Thực nghiệm dòng chảy xoắn ốc 50 3.1.2.1 Chế tạo lịng khn dịng chảy xoắn ốc 50 3.1.2.2 Điều kiện thực nghiệm dòng chảy 51 3.1.2.3 Quá trình thực nghiệm dòng chảy 56 xv 3.2 Mẫu sản phẩm thành mỏng 58 3.2.1 Mô sản phẩm thành mỏng 58 3.2.1.1 Thiết lập sản phẩm thành mỏng 58 3.2.1.2 Điều kiện mô phân bố nhiệt độ 59 3.2.1.3 Q trình mơ phân bố nhiệt độ 61 3.2.1.4 Tiêu chí chọn kết mơ phân bố nhiệt độ khuôn 62 3.2.2 Thực nghiệm sản phẩm thành mỏng 62 3.2.2.1 Chế tạo lịng khn sản phẩm thành mỏng 62 3.2.2.2 Điều kiện thực nghiệm phân bố nhiệt độ 63 3.2.2.3 Quá trình thực nghiệm phân bố nhiệt độ chiều dài dòng chảy 65 3.3 Mơ hình sản phẩm gân mỏng 65 3.3.1 Mô hình mơ 65 3.3.1.1 Thiết lập mơ hình sản phẩm gân mỏng 65 3.3.1.2 Điều kiện mô gia nhiệt khuôn 67 3.3.1.3 Q trình mơ gia nhiệt khuôn 67 3.3.2 Mơ hình thực nghiệm 67 3.3.2.1 Chế tạo lòng khuôn sản phẩm gân mỏng 67 3.3.2.2 Điều kiện thực nghiệm gia nhiệt khuôn 68 3.3.2.3 Quá trình thực nghiệm điền đầy sản phẩm gân mỏng 68 Chương 4: Kết thảo luận ảnh hưởng nhiệt độ khn đến chiều dài dịng chảy 70 4.1 Kết mô chiều dài dịng chảy với mơ hình xoắn ốc 70 4.2 Kết thực nghiệm chiều dài dịng chảy với mơ hình xoắn ốc 73 4.3 Kết so sánh thực nghiệm mô 75 4.4 Ảnh hưởng nhiệt độ đến chiều dài dòng chảy vật liệu 77 4.5 Ảnh hưởng tỉ lệ sợi đến chiều dài dòng chảy 80 4.6 Ảnh hưởng nhiệt độ khuôn đến liên kết sợi thủy tinh 85 4.7 Ảnh hưởng tỉ lệ sợi đến phân bố sợi thủy tinh 86 xvi 4.8 Xây dựng phương trình hồi quy xác định chiều dài dòng chảy vật liệu composite quy trình phun ép 87 4.9 Mối quan hệ tỉ lệ chiều dài dòng chảy chiều dày sản phẩm vật liệu composite 89 Chương 5: Ứng dụng phương pháp điều khiển nhiệt độ khuôn nâng cao độ điền đầy sản phẩm thành mỏng, gân mỏng 91 5.1 Mơ hình dịng chảy lịng khn sản phẩm thành mỏng 91 5.1.1 Kết mơ gia nhiệt lịng khn sản phẩm thành mỏng 91 5.1.2 Kết thực nghiệm phân bố nhiệt độ chiều dài dòng chảy 95 5.1.2.1 Kết phân bố nhiệt độ khuôn 95 5.1.2.2 Kết xác định chiều dài dòng chảy 96 5.2 Mơ hình dịng chảy lịng khuôn sản phẩm gân mỏng 98 5.2.1 Kết mô gia nhiệt khuôn sản phẩm gân mỏng 98 5.2.2 Kết thực nghiệm gia nhiệt và độ điền đầy 100 5.2.2.1 Kết trình gia nhiệt 100 5.2.2.2 Kết độ điền đầy chiều cao gân mỏng 103 Kết luận Kiến nghị 106 - Kết luận luận án 106 - Tính luận án 109 - Kiến nghị 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 Phụ lục 1: Kết thực nghiệm mơ chiều dài dịng chảy ứng với vật liệu, chiều dày sản phẩm nhiệt độ khuôn khác 122 Phụ lục 2: Xây dựng phương trình hồi quy mối quan hệ chiều dài dòng chảy với nhiệt độ chiều dày sản phẩm sử dụng phần mềm Minitab 144 Phụ lục 3: Bản quyền phần mềm MOLDEX3D 148 Phụ lục 4: Các cơng trình đã công bố 150 xvii 2,4 70 126,3 128,7 4,2 90 136,8 132,6 110 146,8 150,8 1,6 30 101,1 102,7 1,4 50 109,1 107,7 137 0,3 70 111,4 111,1 0,7 90 114,8 114,1 1,2 110 117,5 116,3 1,8 30 96,1 94,3 10 0,8 50 100,7 101,5 138 1,1 70 106,8 105,7 90 108,4 110,4 110 114,5 113,5 0,6 30 91,3 90,7 15 2,8 50 97,6 94,8 139 1,2 70 101,3 100,1 1,5 90 104,3 105,8 110 109,1 110,1 1,9 30 87,6 20 85,7 2,6 50 91,1 88,5 140 0,4 70 97,1 97,5 1,1 90 100,2 101,3 0,6 110 106,4 105,8 1,1 30 83,2 25 82,1 2,1 50 87,2 85,1 141 0,9 70 95,2 96,1 90 98,1 100,1 1.2 110 102.3 101.1 0,7 30 79,9 30 80,6 2,5 50 84,6 82,1 142 0,5 70 93,6 93,1 90 97,1 96,1 0,4 110 100,3 99,9 143 Phụ lục XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH HỒI QUY MỐI QUAN HỆ CHIỀU DÀI DỊNG CHẢY VỚI NHIỆT ĐỘ VÀ CHIỀU DÀY SẢN PHẨM SỬ DỤNG PHẦN MỀM MINITAB Kết xác định phương trình hồi quy độ điền đầy vật liệu composite PA6 + %GF 144 Kết xác định phương trình hồi quy độ điền đầy vật liệu composite PA6 + %GF Kết tìm phương trình hồi quy độ điền đầy vật liệu composite PA6 + 10 %GF 145 Kết tìm phương trình hồi quy độ điền đầy vật liệu composite PA6 + 15 %GF Kết tìm phương trình hồi quy độ điền đầy vật liệu composite PA6 + 20 %GF 146 Kết tìm phương trình hồi quy độ điền đầy vật liệu composite PA6 + 25%GF Kết tìm phương trình hồi quy độ điền đầy vật liệu composite PA6 + 30%GF 147 Phụ lục BẢN QUYỀN PHẦN MỀM MOLDEX3D Chứng nhận sử dụng quyền phần mềm và hỗ trợ từ công ty Moldex3D 148 149 Phụ lục CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Phan Thế Nhân Nguyễn Tình, Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ khn đến áp suất định hình quy trình phun ép nhựa, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 11, 2020, trang 54-57 Phan The Nhan, Nguyen Tinh and Nguyen Phuoc Thien, Study on the temperature distribution of the mold cavity with the air heating method, American Journal of Engineering Research (AJER), Vol 9, Issue 11, 2020, p 116-120 Phan The Nhan, Thanh Trung Do and Pham Son Minh, Numerical study on the melt flow length of the composite materials in the injection molding process, Materials Science Forum, Vol 971, 2019, p 15-20 (SCOPUS Journal) Phan The Nhan, Thanh Trung Do, Tran Anh Son and Pham Son Minh, Study on external gas-assisted mold temperature control for improving the melt flow length of thin rib products in the injection molding process, Advances in Polymer Technology, 2019, p 1-17, doi.org/10.1155/2019/5973403 (SCIE Journal) Pham Son Minh and Phan The Nhan, Numerical study on the air heating for injection mold, International Journal of Research in Engineering and Science, Vol 6, Issue 8, 2018, p 31-35 Pham Son Minh, Thanh Trung Do, Tran Minh The Uyen and Phan The Nhan, A study on the welding line strength of composite parts with various venting systems in injection molding process, Key Engineering Materials, Vol 737, 2017, p 70-76 (SCOPUS Journal) Phạm Sơn Minh, Đỗ Thành Trung, Trần Minh Thế Uyên và Phan Thế Nhân, Ảnh hưởng chiều dày sản phẩm nhiệt độ khuôn đến độ cong vênh sản phẩm nhựa polypropylene dạng tấm, Hội nghị Khoa học và Cơng nghệ Toàn quốc Cơ khí lần thứ IV, Tp HCM, 2015, trang 536-543 150 Phạm Sơn Minh, Đỗ Thành Trung, Nguyễn Hộ và Phan Thế Nhân, Đánh giá q trình gia nhiệt cho lịng khn hình chữ nhật phương pháp phun khí nóng từ bên ngồi, Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, Số 33, 2015, trang 915 Đỗ Thành Trung, Phạm Sơn Minh, Phan Thế Nhân và Phùng Huy Dũng, Gia nhiệt cục cho lịng khn phun ép nhựa khí nóng, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 4, 2015, trang 15-20 10 Trần Minh Thế Uyên , Phan Thế Nhân, Phạm Sơn Minh và Đỗ Thành Trung, Ảnh hưởng nhiệt độ đến chiều dài dòng chảy nhựa lỏng khn phun ép nhựa, Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, Số 30, 2014, trang 15-20 11 Pham Son Minh and Phan The Nhan, Effect of CaCO3 additive on the warpage of injection molding part, Universal Journal of Mechanical Engineering, Vol 2, Issue 9, 2014, p 280-286 12 Trần Minh Thế Uyên, Phan Thế Nhân, Phạm Sơn Minh, Thanh Trung Do và Trần Văn Trọn, Ảnh hưởng áp suất phun đến chiều dài dòng chảy nhựa lỏng sản phẩm phun ép nhựa, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 7, 2014, trang 60-63 151 ... nghiên cứu để hạn chế tượng đông đặc nhanh và tăng khả chảy vật liệu lịng khn Chính vậy, luận án ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ khuôn đến độ điền đầy vật liệu composite quy trình phun ép? ?? cần... kết thúc trình phun ép + Kết cấu khuôn phun ép tăng khả chảy vật liệu composite lịng khn Với nhu cầu ngày càng cao sản phẩm phun ép vật liệu composite, quy trình phun ép đã và nghiên cứu toàn... [17] Kết nghiên cứu cho thấy nhiệt độ khuôn, tốc độ phun, áp suất phun nhiệt độ nóng chảy vật liệu yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ co rút, độ nhám bề mặt sản phẩm kết thúc trình phun ép Tác