Bài viết Nghiên cứu hiệu quả làm mát khuôn ép nhựa sử dụng phương pháp mô phỏng số tập trung tìm ra phương pháp làm mát tối ưu bằng cách thay đổi đặc tính làm việc của hệ thống làm mát và với việc thay đổi vật liệu của chi tiết.
TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ LÀM MÁT KHUÔN ÉP NHỰA SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ EFFICIENCY OF PLASTIC INJECTION MOLD COOLING USING NUMERICAL METHOD PHẠM DUY NAM, PHẠM LÊ BẮC, PHẠM VĂN SÁNG* Trường Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội *Email liên hệ: sang.phamvan@hust.edu.vn Tóm tắt Khuôn ép nhựa biết đến phương pháp phổ biến tạo hình sản phẩm theo phương pháp định hình Quá trình tạo sản phẩm việc phun dịng nhựa nóng chảy điền đầy lịng khn kết thúc q trình đơng tụ nhanh chóng nhựa nhờ hệ thống làm mát [1] Nghiên cứu tập trung tìm phương pháp làm mát tối ưu cách thay đổi đặc tính làm việc hệ thống làm mát với việc thay đổi vật liệu chi tiết Bằng việc áp dụng phương pháp mô số sử dụng phần mềm Simcenter STAR - CCM+, kết đưa đánh giá hiệu phương pháp làm mát đưa phương pháp tối ưu giảm nhiệt độ nước làm mát sử dụng vật liệu đồng berry vị trí đặc biệt xét đến tác từ nhựa vô lớn nước ta, đòi hỏi dây chuyền chế tạo tốc độ, ổn định phải đảm bảo tiêu chuẩn hình học Việc áp dụng phương pháp khn ép nhựa đem lại nhiều ưu sản lượng, chất lượng, chi phí vận hành,… Tuy nhiên, với điều kiện làm việc liên tục nhiều ngày, việc ổn định nhiệt độ khuôn tượng dễ thấy điều dẫn đến tình trạng sản phẩm bị biến dạng số vị trí, khơng đạt tiêu chuẩn chất lượng (Hình 1) Nghiên cứu tập trung tìm phương pháp làm mát tối ưu, đặc biệt vị trí chốt đẩy Hình Hình Sản phẩm bị lỗi nhiệt vị trí chốt đẩy Từ khóa: Nhiệt độ, tản nhiệt, khuôn ép nhựa Abstract Plastic injection mold is known as the most popular method to create the shaping plastic product The melting plastic is filled the mold and the end of process is the fast condensation of molten plastic by cooling system This study focusses on survey the effeciency of mold cooling by changing input conditions that are velocity, temperature of cooling water and material of mold details By using simulation method with Simcenter STAR - CCM+, the results obtained that the best cooling method is reducing water temperature and using berry cooper for some special mold details at special location Keywords: Temperature, injection mold cooling, plastic Giới thiệu Ngành khí chế tạo ngành công nghiệp mũi nhọn nước ta trọng phát triển Trong lĩnh vực khn mẫu ln chiếm ưu hàng đầu Với nhu cầu sử dụng sản phẩm chế SỐ 71 (8-2022) Hình Mơ hình hình học khn Mơ hình khn có tính chất đối xứng, mơ tiến hành với nửa khuôn với điều kiện biên đối xứng bề mặt cắt đối xứng nhằm đảm bảo tính thực tế tượng vật lý Mơ hình 3D khn biểu thị Hình Vật liệu ban đầu sử dụng cho vỏ khuôn tĩnh động thép S55C với nhiệt độ ban đầu nửa khuôn tĩnh 313,0K, nửa khuôn động 301,0K Phần lõi khuôn chọn tiêu chuẩn ban đầu vật liệu Stavax nhựa nóng chảy sử dụng vật liệu PPE+PS với nhiệt độ nóng chảy 555,0K Nhóm tác giả sử dụng phương pháp thay đổi thông số đầu vào hệ thống làm mát, sử dụng vật liệu lõi khuôn ban đầu Stavax để nghiên cứu ảnh hưởng vận tốc nhiệt độ dòng nước đến hiệu tản nhiệt khuôn Các giá trị thay đổi 59 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY vận tốc nhiệt độ, kết mô so sánh với trường hợp cho sở để đánh giá tính hiệu trường hợp thay đổi thông số Giá trị liệu đầu vào với hệ thống làm mát biểu thị Bảng Bảng Dữ liệu đầu vào trường hợp Trường hợp Vận tốc nước làm mát (m/s) Nhiệt độ nước làm mát (K) Trường hợp 1,0 293,0 Trường hợp 2,0 293,0 Trường hợp 1,0 283,0 chảy đưa giá trị 555,0K tương ứng với nhiệt độ nhựa nóng chảy đưa vào khn, sau nhiệt độ giảm tự nhờ trình lan truyền nhiệt việc hệ thống làm mát hoạt động (thể đồ thị “nhiệt độ trung bình nhựa nóng chảy - thời gian” Hình 4) Điều đảm bảo việc hoạt động khuôn diễn với thực tế làm việc Phương pháp mô số Phương pháp mô số với phần mềm Simcenter STAR-CCM+ nhóm tác giả chọn sử dụng nhằm mơ trường hợp làm mát Các toán đưa cần giải tính tốn dịng chảy đường ống làm mát q trình truyền nhiệt mơi trường tương tác nhiệt môi trường rắn lỏng Từ vấn đề chọn phương pháp, mơ hình phù hợp để giải tốn tổng thể 2.1 Phương trình Reynold Averaged NavierStoke (RANS) Phương trình RANS phương trình đặc trưng biểu diễn chuyển động phần tử chất lỏng không gian Nó giải tốn chuyển động dịng nước làm mát đường ống với vận động liên tục Phương trình biểu diễn sau: Hình Chi tiết chốt đẩy 𝜌( ̅ 𝜕𝑢 𝜕𝑡 + ̅(𝜕𝑢 ̅) 𝑢 𝜇∆𝑢̅ − 𝜌 ( 𝜌( 𝜕𝑣̅ 𝜕𝑡 + 𝜕𝑥 ̅̅̅̅̅̅̅ ′ 𝑢′ 𝜕𝑢 + 𝜕𝑥 𝜕𝑣̅ + 𝑢̅ 𝜕𝑥 ̅) 𝑣̅(𝜕𝑢 ̅̅̅̅̅̅ ′𝑣′ 𝜕𝑢 + 𝑣̅ 𝜌( 𝜕𝑤 ̅ 𝜕𝑡 + 𝑢̅ 𝜇∆𝑤 ̅ − 𝜌( Hình Đồ thị nhiệt độ trung bình nhựa nóng chảy thời gian Với kết khảo sát 1, liệu trường hợp làm mát tối ưu sử dụng cho khảo sát Bài khảo sát sử dụng phương pháp thay đổi vật liệu chi tiết vị trí chốt đẩy (Hình 3) nhằm đánh giá ảnh hưởng vật liệu đến trình tản nhiệt điều kiện làm việc thời gian dài Vật liệu chọn sử dụng để so sánh vật liệu Stavax đồng Berry Để đơn giản hóa cho mơ phỏng, miền thể tích nhựa đưa chu kỳ nhiệt với thời gian 22s chu kỳ Trong đó, đầu chu kỳ, nhiệt độ vùng nhựa nóng 60 𝜕𝑤 ̅ 𝜕𝑥 ̅̅̅̅̅̅̅ ′ 𝑢′ 𝜕𝑤 𝜕𝑥 𝜕𝑥 𝜕𝑣̅ 𝜕𝑦 + + 𝑣̅ + + 𝜕𝑦 ̅̅̅̅̅̅ ′ 𝑢′ 𝜕𝑣 𝜇∆𝑣̅ − 𝜌( + 𝜕𝑦 𝜕𝑝̅ 𝜕𝑧 𝜕𝑥 𝜕𝑧 +𝑤 ̅ 𝜕𝑦 𝜕𝑦 ̅̅̅̅̅̅̅ ′ 𝑣′ 𝜕𝑤 𝜕𝑣̅ 𝜕𝑧 + +𝑤 ̅ + ) = 𝐹𝑥 − ̅̅̅̅̅̅̅ ′ 𝑤′ 𝜕𝑢 ̅̅̅̅̅̅ ′𝑣′ 𝜕𝑣 𝜕𝑤 ̅ 𝜕𝑦 ̅) 𝑤 ̅ (𝜕𝑢 (1) ) ) = 𝐹𝑦 − ̅̅̅̅̅̅̅ ′𝑤′ 𝜕𝑣 𝜕𝑧 𝜕𝑤 ̅ 𝜕𝑧 𝜕𝑧 ) ) = 𝐹𝑧 − ̅̅̅̅̅̅̅̅ ′ 𝑤′ 𝜕𝑤 + ) v,w 𝜕𝑝̅ 𝜕𝑦 + (2) 𝜕𝑝̅ 𝜕𝑧 + (3) Trong đó: 𝜌 khối lượng riêng chất lỏng; u,v,w thành phần vận tốc theo phương x, y, z; t thời gian; 𝐹𝑥 , 𝐹𝑦 𝐹𝑧 lực theo phương x,y,z; p áp suất Từ phương trình (1), (2) (3) ta có phương trình tổng quát chuyển động phần tử chất lỏng không gian: 𝜌 ̅̅̅𝑖 𝜕𝑢 𝜕𝑡 ̅̅̅̅̅̅̅ ′ ′ 𝜕𝑢 𝑖 𝑢𝑗 = 𝐹𝑖 + 𝜇∆𝑢̅𝑖 − 𝜌 ( 𝜕𝑥𝑗 ) (4) 2.2 Trao đổi nhiệt Truyền nhiệt trao đổi nhiệt lượng môi chất nhiệt độ khác Quá trình trao đổi nhiệt diễn theo hướng truyền nhiệt từ nơi có nhiệt SỐ 71 (8-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp nhiệt độ cân ngừng lại [3] Truyền nhiệt tồn ba hình thức: Dẫn nhiệt, đối lưu, xạ nhiệt Ở chúng tơi xét đến hai tốn truyền nhiệt chất lỏng truyền nhiệt chất rắn Trong Star-CCM+, truyền nhiệt mơi trường tính tốn dựa phương trình lượng chất lỏng Phương trình lượng chất lỏng viết dạng: 𝜕 𝜕𝑡 hai môi trường Dựa định luật bảo tồn lượng, tổng thơng lượng nhiệt bảo tồn bề mặt tiếp xúc hai mơi trường Tại bề mặt này, hai biên xác định rõ với biên Biên0 thuộc vùng chất lỏng Biên1 thuộc vùng rắn Sự bảo toàn lượng đảm bảo: (8) 𝑞̇ + 𝑞̇ = −𝑆𝑢 Trong đó: 𝑞̇ thông lượng nhiệt từ chất lỏng thông qua Biên0; 𝑞̇ thông lượng nhiệt từ chất rắn ∫𝑉 𝜌 𝐸𝑑𝑉 + ∮𝐴 𝜌𝐻v ∙ 𝑑a = − ∮𝐴 𝑞̇ ′′ ∙ 𝑑a + thông qua Biên1; 𝑆𝑢 nguồn nhiệt người dùng đặt ∮𝐴 T ∙ v𝑑a + ∫𝑉 f𝑏 ∙ v𝑑𝑉 + ∮𝐴 ∑𝑖 ℎ𝑖 𝑗𝑖 𝑑a + giáp biểu diễn dạng hệ số thông lượng (5) ∫𝑉 𝑆𝑢 𝑑𝑉 Thông lượng nhiệt mặt bề mặt tiếp nhiệt tuyến tính: 𝑞̇ 𝑖 = 𝐴𝑖 + 𝐵𝑖 𝑇𝑐 𝑖 + 𝐶𝑖 𝑇𝑤 𝑖 + 𝐷𝑖 𝑇𝑤𝑖 (9) Trong đó: 𝐸 tổng lượng; 𝐻 tổng Trong đó: 𝑖 số môi trường, enthalpy; 𝑞̇ ′′ véc tơ thông lượng nhiệt; 𝑇 ứng môi trường lỏng môi trường rắn; suất căng nhớt; 𝑣 véc tơ vận tốc; 𝑓𝑏 véc tơ lực A,B,C,D hệ số thơng lượng nhiệt tuyến tính; khối; ℎ𝑖 enthalpy thành phần; 𝑗𝑖 dòng 𝑇𝑐 nhiệt độ ô lưới bên cạnh mặt biên; 𝑇𝑤 nhiệt khuếch tán thành phần; 𝜌 khối lượng riêng độ mơi trường vị trí mặt tiếp giáp chất; 𝑉 thể tích; a diện tích 𝑆𝑢 nguồn nhiệt Tổng lượng liên quan đến tổng enthalpy 𝐻: (6) 𝐸 = 𝐻 − 𝑝/𝜌 Trong đó: 𝐻 = ℎ + |𝐯|2 với ℎ enthalpy tĩnh Phương trình lượng chất rắn: 𝑑 ∫ 𝜌𝐶𝑝 𝑇𝑑𝑉 𝑑𝑡 𝑉 + ∮𝐴 𝜌𝐶𝑝 𝑇v𝑠 ∙ 𝑑a = − ∮𝐴 𝑞̇ ′′ ∙ 𝑑a + ∫𝑉 𝑆𝑢 𝑑𝑉 (7) Hình Mơ tả phương thức hoạt động mơ hình Trong đó: 𝜌 khối lượng riêng vật chất rắn; 𝐶𝑝 nhiệt dung riêng; 𝑇 nhiệt độ; 𝑞̇ ′′ véc tơ truyền nhiệt kết hợp thông lượng nhiệt; 𝑆𝑢 nguồn nhiệt Kết đánh giá 2.3 Truyền nhiệt kết hợp môi trường lỏng - rắn 3.1 Khảo sát với việc thay đổi vận tốc, nhiệt độ dòng nước làm mát Mơ hình mơ truyền nhiệt kết hợp mơi trường lỏng - rắn giải vấn đề trao đổi nhiệt hai môi trường rắn - lỏng, việc trao đổi liệu nhiệt môi trường diễn bề mặt tiếp giáp Trường hợp Tổng thời gian mơ chia làm chu kì nhiệt Mỗi chu kỳ kéo dài 22s tương đương với q trình điền đầy nhựa vào khn thành sản phẩm Trường hợp Trường hợp Hình Phân bố nhiệt dạng 3D SỐ 71 (8-2022) 61 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Kết lấy mốc thời gian giây thứ chu kỳ thứ 59 thời điểm hoàn tất việc phun nhựa tiến hành làm nguội nhựa chu kỳ 59 Kết Hình hiển thị dạng 3D trường nhiệt độ, biểu thị dải màu với dải giá trị nhiệt tương ứng chạy khoảng [268,0; 555,0] K Kết hiển thị phân bố nhiệt khu vực quanh vùng lõi khn vùng nhựa nóng chảy nhiệt độ cao cho thấy trường hợp tích vùng nhiệt độ cao xếp theo thứ tự giảm dần là: Trường hợp > trường hợp > trường hợp Do đánh giá việc giảm nhiệt độ nước làm mát cho khả làm mát tốt việc tăng vận tốc nước làm mát Hình Hiển thị trường nhiệt độ mặt cắt Oxy qua vị trí đặt chi tiết chốt đẩy Hình Hiển thị trường nhiệt độ mặt cắt Oxz Hình Hiển thị trường nhiệt độ mặt cắt Oyz 62 SỐ 71 (8-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình 11 Đồ thị nhiệt độ vị trí đặt chi Hình 10 Hiển thị trường nhiệt độ vị trí chốt đẩy mặt cắt Oxy 3.2 Khảo sát với việc thay đổi vật liệu chi tiết chốt đẩy Từ kết khảo sát thay đổi đặc tính nước làm mát, khảo sát sử dụng trường hợp giảm nhiệt độ nước làm mát để tiếp tục nghiên cứu tính ảnh hưởng vật liệu làm khn Bài tốn khảo sát điều kiện khuôn làm việc liên tục thời gian dài, quy đổi thành chu kỳ nhiệt với thời gian chu kỳ 22s Kết hiển thị mặt cắt vị trí chốt đẩy chu kỳ làm việc thứ 59 theo Hình 7, mặt cắt theo phương qua trọng tâm khn Hình 10 mặt cắt qua chi tiết chốt đẩy nhằm khảo sát nhiệt độ vùng sau khoảng thời gian làm việc Tại thời điểm tương ứng, vật liệu đồng berry cho dải màu trường nhiệt độ có sắc độ thấp hơn, có nghĩa có vùng giá trị nhiệt thấp so với trường hợp sử dụng vật liệu Stavax cho vị trí chốt đẩy Do đánh giá khả tản nhiệt khuôn tốt thay đổi vật liệu thành đồng Berry Thông qua biểu diễn trường nhiệt độ vị trí chốt đẩy với giá trị cụ thể (Hình 11), kết cho thấy so với vật liệu Stavax, nhiệt độ có giá trị thấp sử dụng vật liệu đồng Berry với mốc thời gian tương ứng Đồ thị biểu diễn nhiệt độ vị trí chốt đẩy, thời điểm cuối chu kỳ (giây thứ 22) cho thấy khuôn hoạt động lâu, hiệu làm mát việc thay đổi vật liệu ổn định tiết chốt đẩy (K) tản nhiệt tốt so với vật liệu Stavax Kết báo sở giúp nghiên cứu phương pháp tản nhiệt tối ưu cho khuôn ép nhựa Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đề tài mã số T2021-PC-040 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Arora, A et al (2022), Design and analysis of multi cavity injection mould using solidworks, Materials Today: Proceedings, Vol.56, pp.36483650 Available at: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.12.343 [2] Bogaerts, L et al (2020), Influence of thermomechanical loads on the lifetime of plastic inserts for injection moulds produced via additive manufacturing, Procedia CIRP, Vol.96, pp.109114 Available at: https://doi.org/10.1016/j.procir.2021.01.061 [3] Siegel, R., and Howell, J.R (1992), Thermal Radiation Heat Transfer, Third Edition, Hemisphere Publishing Co Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 28/7/2022 08/8/2022 18/8/2022 Kết luận Qua mô phỏng, kết việc khảo sát trường nhiệt độ khuôn ép nhựa dựa phương pháp thay đổi nhiệt độ, vận tốc dòng nước làm mát thay đổi vật liệu chi tiết chốt đẩy vật liệu Stavax đồng berry cho thấy: Việc giảm nhiệt độ dòng nước làm mát hiệu so với việc tăng vận tốc dòng nước việc sử dụng vật liệu đồng berry cho hiệu SỐ 71 (8-2022) 63 ... thống làm mát hoạt động (thể đồ thị “nhiệt độ trung bình nhựa nóng chảy - thời gian” Hình 4) Điều đảm bảo việc hoạt động khuôn diễn với thực tế làm việc Phương pháp mô số Phương pháp mô số với... chọn sử dụng nhằm mô trường hợp làm mát Các tốn đưa cần giải tính tốn dịng chảy đường ống làm mát trình truyền nhiệt môi trường tương tác nhiệt môi trường rắn lỏng Từ vấn đề chọn phương pháp, ... thay đổi đặc tính nước làm mát, khảo sát sử dụng trường hợp giảm nhiệt độ nước làm mát để tiếp tục nghiên cứu tính ảnh hưởng vật liệu làm khn Bài tốn khảo sát điều kiện khn làm việc liên tục thời