Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Số 36C, 2018 NGHIÊN CỨU ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM KHUNG NHỰA – KIM LOẠI TRONG ÉP PHUN DÙNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI VÀ BỀ MẶT ĐÁP ỨNG NGUYỄN KHOA TRIỀU1, LEE BONG-KEE Khoa Cơng nghệ Cơ Khí, Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh Khoa Cơ Khí, trường Đại học quốc gia Chonnam, Hàn Quốc nguyenkhoatrieu@iuh.edu.vn Tóm tắt Trong này, nghiên cứu mơ số độ cong vênh sản phẩm ép phun thực dựa phương pháp Taguchi bề mặt đáp ứng Để thu nhỏ tích hợp thành phần phận đèn cho hình tinh thể lỏng, khung tích hợp phát triển cách tích hợp khung thơng thường, gương phản xạ kim loại khung bezel Dùng kỹ thuật ép phun chèn linh kiện, sản phẩm kết hợp, mỏng độ cứng cao chế tạo thành công Để tăng độ tin cậy cho sản xuất hàng loạt sản phẩm này, nghiên cứu mô số lỗi cong vênh thực Ảnh hưởng thơng số phân tích kỹ thuật tối ưu hóa kép Theo đó, áp suất nén đóng vai trị quan trọng nhất; giá trị tối ưu cho tất thông số đề xuất Nghiên cứu sử dụng cho phát triển sản xuất sản phẩm với độ xác cao tiêu thụ nguyên liệu tối thiểu Từ khóa Ép phun, Cong vênh, Mơ số, Taguchi, Phương pháp bề mặt đáp ứng, Tối ưu hóa kép A STUDY OF WARPAGE FOR A NEWLY INSERT INJECTION-MOLDED FRAME USING TAGUCHI AND RESPONSE SURFACE METHOD Abstract In the present study, a numerical investigation of warpage in injection-molded integrated mold frame units was carried out based on Taguchi method and Response Surface Methodology (RSM) In order to minimize and integrate the components of back light unit for a liquid crystal display, an integrated mold frame unit was developed by integrating conventional mold frame, metal reflector, and bezel together Employing an insert injection molding, a slim composite part with a high strength could be successfully obtained For a reliable mass production, it is required to minimize warpage defect by numerical investigation The influences of parameters were analyzed based on Taguchi technique and RSM, as a result, packing pressure played the most significant role Furthermore, the optimum conditions for all processing parameters were proposed The present investigation can be used in a development and a reliable manufacturing of novel functional products with high precision and minimal material consumption Keywords Insert injection molding, Warpage, Numerical analysis, Taguchi technique, Response surface methodology, Double optimization INTRODUCTION Ép phun chèn linh kiện (Insert Injection Molding - IIM) công nghệ sản xuất tiên tiến cho phép sản xuất hàng loạt sản phẩm nhựa lai phức tạp Bằng cách đặt chèn kim loại bên lịng khn trước điền đầy polyme nóng chảy, sản phẩm lai nhựa - kim loại sản xuất cách xác Nhìn chung, IIM có số ưu điểm so với phương pháp khác chi phí thấp, chu kỳ ngắn, tính chất học chất lượng bề mặt sản phẩm tốt Do đó, nhiều sản phẩm lai nhựa - kim loại khác nhau, vòng bi đúc, phận nẹp y tế, phận chip IC lõi ren khí, sản xuất quy trình IIM [1-3] Gần đây, chúng tơi sử dụng quy trình IIM để phát triển đơn vị khung tích hợp để ứng dụng hệ thống đơn vị đèn (BLU) hình tinh thể lỏng (LCD) Các thành phần tiêu biểu khung khuôn, gương phản xạ kim loại khung bezel tích hợp, tạo phận ghép nhựa - kim loại mỏng, nhẹ [4] Mặc dù phần sản phẩm lai thiết kế sản xuất thành cơng cách sử dụng quy trình IIM, việc tối ưu hóa thơng số cài đặt có liên quan cần thiết để giảm cong vênh, cải thiện chất lượng sản phẩm Cong vênh coi khiếm khuyết nghiêm trọng ép phun thông thường Để giải hiệu ứng © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM KHUNG NHỰA – KIM LOẠI TRONG ÉP PHUN DÙNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI VÀ BỀ MẶT ĐÁP ỨNG khơng mong muốn này, có nhiều nỗ lực nhằm nghiên cứu tượng cong vênh sản phẩm ép phun nhựa Các tính chất vật liệu cấu thành, hình dạng sản phẩm, điều kiện cài đặt máy coi yếu tố ảnh hưởng đến cong vênh Trong số yếu tố này, hầu hết nghiên cứu tập trung vào thông số cài đặt máy có liên quan / tối ưu hóa chúng để giảm thiểu cong vênh Ví dụ, La cộng [5], Ozcelik Sonat [6], Zheng cộng [7], Wang cộng [8], Azaman cộng [9], Zafosnik cộng [10] Chen cộng [11] sử dụng phương pháp Taguchi để giảm thiểu cong vênh sản phẩm ép phun Tương tự, Kurtaran Erzurumlu [12], Li cộng [13] Park Dang [14], sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) để tối ưu hóa thơng số ảnh hưởng đến độ cong vênh Chen cộng [15] sử dụng kỹ thuật kép kết hợp RSM phần mềm thương mại lập trình phi tuyến (Lingo®) để cải thiện kết từ phương pháp tối ưu hóa Taguchi Nian cộng [16] sử dụng lý thuyết đường trung hòa để làm điều tương tự Chen Kurniawan [17] sử dụng kết hợp phương pháp Taguchi, thuật toán di truyền (genetic algorithm), mạng nơ-ron truyền ngược (back-propagation neural network - BPNN) để xác định điều kiện tối ưu Hơn nữa, Xu Yang [18] đề xuất phương pháp tích hợp để cải thiện q trình tối ưu hóa họ, kết hợp phương pháp Taguchi, BPNN, phân tích tương quan xám (grey correlation analysis) tối ưu hóa bầy đàn đa mục tiêu (multi objective particle swarm optimization) Như mô tả, phương pháp Taguchi RSM kỹ thuật thường sử dụng để xác định giá trị tối ưu thơng số cài đặt có liên quan Tuy nhiên, việc áp dụng hai kỹ thuật khơng cung cấp tối ưu hóa xác thuộc tính rời rạc phương pháp Taguchi chất phức tạp trình IIM Hơn nữa, việc kết hợp cấu trúc kim loại vào vật liệu polyme làm phức tạp việc tối ưu hóa q trình IIM cần phải xem xét thông số bổ sung, cụ thể nhiệt độ, tính chất kim loại thông số cài đặt có liên quan Để thực điều này, quy trình tối ưu hóa kép kết hợp phương pháp Taguchi RSM đề xuất nghiên cứu Phương pháp Taguchi áp dụng với việc xem xét thông số xử lý quan trọng quy trình IIM, dẫn đến giá trị tối ưu trung gian Sau đó, giá trị thu sử dụng cho trình xử lý RSM để xác định giá trị tối ưu tinh chỉnh Q trình tối ưu hóa kép áp dụng cho quy trình IIM để giảm thiểu cong vênh khung khn tích hợp phát triển Với phương pháp này, tác động thông số cài đặt cong vênh phần sản phẩm lai nhựa - kim loại nghiên cứu sử dụng điều kiện mang lại cong vênh tối thiểu MÔ TẢ SẢN PHẨM LAI NHỰA-KIM LOẠI Hình 1: BLU tích hợp phát triển nghiên cứu Trong này, tượng cong vênh khung tích hợp LCD-BLU, bao gồm phần nhựa kim loại, nghiên cứu Thông thường, LCD-BLU bao gồm phim quang học, bảng điều khiển ánh sáng, khung khuôn gương phản xạ minh họa hình Khung khn, gương phản chiếu khung bezel kết hợp để xây dựng khung tích hợp Phần tích hợp sản xuất cách hiệu quy trình IIM cách sử dụng khn ép hình Hình 2a cho thấy lõi khuôn nằm phần khuôn di động khn ép Nó thiết kế để có bốn lịng khn với phản xạ kim loại © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM KHUNG NHỰA – KIM LOẠI TRONG ÉP PHUN DÙNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI VÀ BỀ MẶT ĐÁP ỨNG đưa vào trước đóng khn Với khn này, sản phẩm khung khn tích hợp lai nhựa - kim loại sản xuất thử Hình 2b cho thấy bốn sản phẩm ép sản xuất quy trình IIM Hình 2: Hình thực tế (a) khn (b) sản phẩm Các vật liệu sử dụng cho phản xạ kim loại phần nhựa thép khơng gỉ (JIS SUS410) có độ dày 0,2 mm polycarbonate (Starex LB1020, Cheil) Bảng cho thấy thuộc tính quan trọng hai vật liệu này, sử dụng phân tích – mơ số Bảng 1: Tính chất vật liệu thép khơng gỉ polycarbonate sử dụng phân tích số Thép khơng gỉ (JIS SUS410) Tỷ trọng (kg/m3) 7.75103 Môđun đàn hồi (GPa) 200 Hệ số Poisson 0.3 CLTE (1/K) 9.910-6 Polycarbonate (Starex LB1020, Cheil) Tỷ trọng (kg/m3) 1.27103 Môđun đàn hồi (GPa) 2.28 Môđun trượt (GPa) 0.805 Hệ số Poisson 0.417 CLTE (1/K) 7.310-5 Đối với phân tích – mơ số, mơ hình hình học xây dựng cho tồn sản phẩm, bao gồm phận nhựa, phản xạ kim loại hệ thống phân phối bao gồm bạc cuống phun, kênh dẫn miệng phun Hình 3a cho thấy tồn mơ hình xây dựng dựa sản phẩm ép thực Vì bốn lịng khn thiết kế đối xứng đặt vào khuôn phun, phần tư mơ hình, biểu diễn hình 3b, sử dụng phân tích – mơ số để giảm thời gian tính tốn cần thiết Cần lưu ý điều kiện biên đối xứng gán mặt phẳng đối xứng bạc cuống phun kênh dẫn Trong nghiên cứu này, phần tử tứ diện bốn nút sử dụng để phân lập miền tính tốn Phần sản phẩm xây dựng với 241.157 phần tử 246.206 nút 754,423 phần tử 758,358 nút sử dụng cho hệ thống phân phối nhựa Hình 3: Mơ hình hình học khung khn tích hợp: (a) tồn mơ hình với sản phẩm (b) mơ hình đối xứng cho phân tích số © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM KHUNG NHỰA – KIM LOẠI TRONG ÉP PHUN DÙNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI VÀ BỀ MẶT ĐÁP ỨNG PHƯƠNG PHÁP 3.1 Mô cong vênh Trong nghiên cứu này, phần mềm phân tích khn ép ba chiều (3D), Moldex3D®, sử dụng để phân tích tồn q trình IIM bao gồm giai đoạn điền đầy, nén bảo áp làm nguội Trong trình éo nhựa, cong vênh sản phẩm có nguồn gốc từ co ngót thể tích khơng cân tồn hình dạng hình học phần nhựa nguội từ trạng thái nóng chảy đến trạng thái rắn Sự biến thiên nhiệt độ áp suất gây thay đổi khối lượng tỷ trọng vật liệu polyme, dẫn đến cong vênh phần nhựa Để phân tích xác tượng cong vênh, phần mềm phân tích sử dụng phương trình Williams-LandelFerry (WLF) để tạo mơ hình Maxwell đàn nhớt tuyến tính Phương trình WLF sử dụng biểu thức thực nghiệm cho hệ số chuyển dịch (shift factor), thường sử dụng để mơ hình hóa phụ thuộc vào nhiệt độ vật liệu polyme [19, 20] Phương trình WLF hiển thị đây: log aT c1 (T Tref ) (1) c2 T Tref aT hệ số chuyển dịch thời gian- nhiệt độ, Tref nhiệt độ tham chiếu mà đường cong tạo cách dịch chuyển liệu thử nghiệm động lực học nhiệt độ khác, C1 C2 hệ số vật liệu xác định cách kết hợp liệu thử nghiệm hệ số dịch chuyển với phương trình WLF Cần lưu ý nghiên cứu 17.4, 51.6 143°C sử dụng tương ứng C1, C2 Tref Mơ hình Maxwell tổng qt tạo cách thêm nhiều phần tử Maxwell song song Mơ hình Maxwell tổng qt mơ hình phổ biến sử dụng để định lượng trạng thái giãn vật liệu polyme Sự giãn không xảy thời điểm, mà thay vào tập hợp thời gian phân bố thời gian khác thực tế phân đoạn phân tử có chiều dài ngắn đóng góp phân đoạn phân tử có chiều dài dài Mơ hình Maxwell tổng qt biểu diễn dạng: n t E (t ) E Ei exp i 1 i i i Ei (2) (3) Trong λi, ηi Ei thời gian giãn ra, hệ số độ nhớt mô đun đàn hồi phần tử Maxwell thứ i, n tổng số phần tử Maxwell, E∞ mô đun cuối giá trị chuẩn cân mô đun đàn hồi Hơn nữa, theo Fan Kazmer [19], λi thay ai·θi, θi thời gian thư giãn phần tử Maxwell thứ i Do đó, mơ đun giãn tuyến tính E(t, T) biểu diễn cách đơn giản thơng qua phương trình (1) (2) Cần lưu ý E∞ cài đặt giá trị 7.030 Pa tám phần tử Maxwell sử dụng Bảng 2: Các tham số cho mơ hình Maxwell tổng quát Element Ei (dyne/cm2) λi (sec) Element Ei (dyne/cm2) λi (sec) 1.16109 8.68108 1.16108 1.45107 0.002 0.05 0.35 1.5 2.89106 8.68105 3.61105 1.74105 10 150 3000 40000 Bảng cho thấy thơng số vật liệu mơ hình Maxwell tổng qt, cung cấp Phịng thí nghiệm kiểm tra vật liệu Moldex3D, từ phép đo sử dụng áp kế Anton Paar MCR 502 quy trình đo ASTM D4065 (1 Pascal = 10 dyne/cm2) 3.2 Tối ưu hóa Tối ưu hóa q trình IIM coi xác định thông số cài đặt giảm thiểu tối đa hóa thuộc tính đích, đáp ứng ràng buộc Trong trường hợp nghiên cứu này, vấn đề tối ưu hóa xác định thơng số cài đặt có liên quan đưa đến cong vênh tối thiểu sản phẩm ép Một vấn đề tối ưu hóa phi tuyến có ràng buộc điển hình địi hỏi phải xác định vector x mức tối © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM KHUNG NHỰA – KIM LOẠI TRONG ÉP PHUN DÙNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI VÀ BỀ MẶT ĐÁP ỨNG thiểu cục cho hàm vô hướng f(x) tùy thuộc vào ràng buộc giá trị cho phép x; nói cách khác: cx c x eq tìm f ( x ) cho A x b x A x b eq eq lb x ub (4) Trong nghiên cứu này, đoạn code MATLAB® ngắn viết để xác định giá trị tối ưu thông số cài đặt xem xét Vì giá trị tính tốn khác tùy thuộc vào điểm bắt đầu tối ưu hóa, tồn dải thơng số chia thành số phạm vi phụ với điểm bắt đầu định cho điểm Sử dụng cách tiếp cận này, tránh hội tụ vào mức tối ưu cục bộ, thay vào đó, đạt mức tối ưu toàn thể phạm vi xét Sau mơ đun tối ưu hóa Maple® sử dụng để xác minh giá trị tối ưu thu MATLAB® 3.3 Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) RSM dùng để xác định mối quan hệ thông số đáp ứng chúng, giới thiệu G E P Box K B Wilson vào năm 1951, theo Bharti Khan [21] Họ đề xuất sử dụng mơ hình đa thức bậc hai để thu đáp ứng tối ưu từ thí nghiệm Mơ hình xấp xỉ, ước tính áp dụng dễ dàng, biết thơng tin q trình Mơ hình bậc hai có dạng sau: k k k i 1 i 1 i , j 1 i j y a0 xi aii xi2 bij xi x j (5) xi xj yếu tố, hệ số, k số lượng yếu tố Tổng số hệ số mơ hình tính sau: (k 1)(k 2) (6) p 36 Mơ hình tốn học đáp ứng mong muốn số yếu tố đầu vào độc lập thực cách áp dụng phân tích hồi quy phi tuyến, sử dụng SPSS®, Design Expert® từ Stat-Ease,… tính tay Excel® dùng phương pháp bình phương cực tiểu 3.4 Phương pháp tối ưu hóa kép Hình 4: Lưu đồ q trình tối ưu hóa kép Nhằm đạt trình IIM đáng tin cậy hơn, nghiên cứu tập trung vào lỗi cong vênh, coi vấn đề quan trọng sản phẩm ép nhựa có thành mỏng khung khn tích hợp, có kim loại lớn so với phần nhựa Sau xác định mục tiêu, chúng tơi liệt kê bảy thơng số © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM KHUNG NHỰA – KIM LOẠI TRONG ÉP PHUN DÙNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI VÀ BỀ MẶT ĐÁP ỨNG cài đặt quan trọng, bao gồm thời gian điền đầy, thời gian nén, áp suất nén, nhiệt độ nhựa nóng chảy, nhiệt độ khn, thời gian làm nguội nhiệt độ ban đầu phần kim loại chèn Tiếp theo, phương pháp tối ưu hóa Taguchi sử dụng để tối ưu hóa thí nghiệm mơ Sau đó, kỹ thuật tối ưu hóa RSM sử dụng để tìm giá trị tối ưu thơng số cài đặt (hình 4) Chúng tơi gọi q trình tối ưu hóa kép, tận dụng ưu điểm hai phương pháp Taguchi RSM Nó cho kết tốt so với trường hợp sử dụng hai phương pháp cách riêng biệt KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Ảnh hưởng thông số ép nhựa a/ Lựa chọn thơng số ép nhựa Có nhiều thơng số có khả ảnh hưởng đến cong vênh sản phẩm lai nhựa-kim loại sản xuất với quy trình IIM Hầu hết thơng số cài đặt, thời gian điền đầy, thời gian nén bảo áp, áp suất nén, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ khuôn, thời gian làm nguội nhiệt độ ban đầu phần kim loại chèn, xem xét để tối ưu hóa Cần lưu ý ảnh hưởng hình dạng hình học khn bao gồm bạc cuống phun, hệ thống kênh dẫn nhựa, miệng phun bỏ qua nghiên cứu Như tiếp nối nghiên cứu trước đó, nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa thông số cài đặt cho việc chạy máy Thêm vào đó, ba mức thơng số cài đặt thiết lập dựa phạm vi đề nghị Bảng liệt kê thông số cài đặt ba mức giá trị sử dụng nghiên cứu Với cách tiếp cận này, nghiên cứu dựa quy hoạch thực nghiệm (DOE) mơ hình bề mặt đáp ứng dựa xây dựng cách hệ thống Bảng 3: Các thông số cài đặt giá trị chi tiết chúng nghiên cứu Ký hiệu A B C D E F G Thông số Thời gian điền đầy (s) Thời gian nén (s) Áp suất nén (MPa) Nhiệt độ nhựa nóng chảy (°C) Nhiệt độ khn (°C) Thời gian làm nguội (s) Nhiệt độ ban đầu phần kim loại chèn (°C) 0.1 310 290 60 10 25 Các mức giá trị 0.25 325 300 70 15 30 0.5 340 310 80 20 35 Từ số thông số lựa chọn mức tương ứng chúng, tập hợp mảng trực giao L18 (21×37) chọn bảng Các mơ số q trình IIM cho sản phẩm lai thực cách sử dụng tham số mảng trực giao Các mức độ cong vênh tối đa sản phẩm, dự đốn mơ số, tỷ số S/N tương ứng liệt kê bảng Vì độ cong vênh, đặc điểm mục tiêu nghiên cứu, cần phải giảm thiểu để đạt sản phẩm có chất lượng cao, định nghĩa S/N “nhỏ hơn-tốt hơn” sử dụng để tính tốn tỷ số S/N Bảng 4: Mảng trực giao sử dụng nghiên cứu này: Các thông chi tiết độ cong vênh tối đa thu mô số (MSD độ lệch chuẩn trung bình) Thơng số STT Cong vênh MSD Tỷ số S/N A B C D E F G 1 1 1 1 0.2086 0.043514 13.61371 2 2 2 0.2008 0.040321 13.94473 3 3 3 0.2332 0.054382 12.64543 1 2 3 0.034373 14.63781 0.1854 2 3 1 0.2147 0.046096 13.36336 3 1 2 0.2172 0.047176 13.2628 3 0.1910 0.036481 14.37933 3 0.2172 0.047176 13.26280 3 2 0.1907 0.036366 14.39299 10 1 3 2 0.2235 0.049952 13.01445 11 1 3 0.2011 0.040441 13.93176 12 2 1 0.2053 0.042148 13.75222 13 2 3 0.2109 0.044479 13.51847 © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM KHUNG NHỰA – KIM LOẠI TRONG ÉP PHUN DÙNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI VÀ BỀ MẶT ĐÁP ỨNG 14 15 16 17 18 2 3 3 3 1 3 Tổng Trung bình 3 2 3 0.2160 0.1916 0.2094 0.1918 0.1990 3.7074 0.2060 0.046656 0.036711 0.043848 0.036787 0.039601 0.766509 13.31092 14.35209 13.58047 14.34303 14.02294 13.74052 b/ Mức độ ảnh hưởng thông số Bảng cho thấy kết tỷ số S/N tóm tắt cho thơng số cài đặt Kết vẽ hình 5, mơ tả rõ ràng ảnh hưởng thơng số cài đặt Ví dụ, cong vênh sản phẩm tăng thời gian điền đầy tăng (thông số A), áp lực nén giảm (thông số C) phạm vi vận hành điển hình Bằng cách đánh giá khác biệt giá trị tỷ số S/N tối đa tối thiểu, ta thấy mức độ ảnh hưởng thơng số Hình cho thấy biểu đồ mức độ ảnh hưởng thông số cài đặt Như thế, áp lực nén thông số quan trọng ảnh hưởng đến độ cong vênh Thông số Mức Mức Mức Chênh lệch Ảnh hưởng % A 13.4837 13.7409 13.9969 0.5132 18.77 Bảng 5: Kết tỷ số S/N cho thông số cài đặt B C D E F 13.7907 14.2119 13.7535 13.6255 13.6689 13.6927 13.8301 13.9216 13.8873 13.8827 13.7380 13.1794 13.5462 13.7087 13.6698 0.0979 1.0324 0.3754 0.2618 0.2137 3.58 37.76 13.73 9.57 7.82 G 13.6048 13.7718 13.8447 0.2399 8.77 Tổng 41.2215 2.7344 100 Hình 5: Kết phân tích tỷ số S/N cho thấy ảnh hưởng thông số cài đặt cong vênh Để tiếp tục nghiên cứu mức độ ảnh hưởng thông số cài đặt có liên quan, phương pháp ANOVA thực bảng Phù hợp với phân tích tỷ số S/N, áp suất nén, thời gian điền đầy nhiệt độ nóng chảy có ảnh hưởng lớn tới việc giảm độ cong vênh Mặc dù có xu hướng tương tự tỷ số S/N phân tích ANOVA, có khác biệt nhỏ độ lớn thông số cài đặt Phương pháp ANOVA cho thấy ba thông số gồm áp suất nén, thời gian điền đầy nhiệt độ nóng chảy, có giá trị F lớn F(0,05,2,3), có ý nghĩa thống kê Thông số A B C D E F G Sai số Tổng S 0.000449 1.40110-5 0.0018578 0.0002551 0.0001124 9.93710-5 9.29210-5 2.7410-5 0.002908 f 2 2 2 17 Bảng 6: Kết ANOVA V F 0.0002245 24.575295 0.76706 7.00710-6 0.0009289 101.69256 0.0001276 13.963812 6.1510765 5.61910-5 5.4393018 4.96910-5 5.086425 4.64610-5 9.13410-6 F(0.05,2,3) 9.55209 9.55209 9.55209 9.55209 9.55209 9.55209 9.55209 P% 15.44 0.48 63.89 8.77 3.86 3.42 3.20 Hạng © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 10 NGHIÊN CỨU ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM KHUNG NHỰA – KIM LOẠI TRONG ÉP PHUN DÙNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI VÀ BỀ MẶT ĐÁP ỨNG Hình 6: Mức độ ảnh hưởng thơng số cài đặt dựa phân tích tỷ số S/N Để phân tích sâu tác động ba thông số cài đặt quan trọng này, độ cong vênh bốn góc sản phẩm lai nghiên cứu Theo vị trí góc bạc cuống phun, bốn góc phân loại thành hai nhóm - gần góc xa góc Độ lớn cong vênh góc gần lớn so với góc xa cho tất trường hợp xem xét mô số Trong giai đoạn điền đầy, góc gần phần nhựa điền đầy nhanh so với góc xa, chiều dài dịng chảy ngắn Do đó, chúng có nhiệt độ nóng chảy thấp áp lực cao so với góc xa Điều dẫn đến tính lưu động thấp giai đoạn nén tiếp theo, vốn coi bước quan trọng để bù cho độ co thể tích cách thêm vật liệu bổ sung Do đó, sau chuyển đổi từ giai đoạn điền đầy đến giai đoạn nén, hầu hết dòng chảy bổ sung gây áp lực nén chuyển tới góc xa phần nhựa Điều xác minh cách kiểm tra thay đổi tốc độ dịng chảy thơng qua miệng phun giải thích lý cho việc độ cong vênh cao tìm thấy góc gần phần nhựa Trong áp lực nén cao có xu hướng làm giảm độ cong vênh sản phẩm ép, kết mô nghiên cứu cho thấy độ cong vênh tăng tăng áp lực nén Mặc dù áp lực cao áp dụng giai đoạn nén, khơng thể ảnh hưởng cách hiệu tới phần nhựa góc gần Bởi độ cong vênh liên quan chặt chẽ đến phân bố độ co rút thể tích, áp lực nến tác động làm giảm co rút phần nhựa góc xa, dẫn đến chênh lệch gia tăng độ co ngót góc gần xa Điều đưa giải thích cho việc độ cong vênh tăng trường hợp tăng áp lực nén Ngoài ra, thời gian điền đầy tỷ lệ nghịch với tốc độ dòng chảy giai đoạn điền đầy Tốc độ dòng chảy thấp tương ứng với thời gian điền đầy dài, dẫn đến khác biệt nhỏ phân bố áp suất gây giai đoạn điền đầy Vì phân bố áp lực đồng tốc độ dòng chảy thấp, nên độ cong vênh phần giảm c/ Kiểm tra xác thực Hình 7: Độ cong vênh thu mô số: (a) điều kiện cài đặt trường hợp (b) điều kiện từ phân tích tỷ số S/N © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM KHUNG NHỰA – KIM LOẠI TRONG ÉP PHUN DÙNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI VÀ BỀ MẶT ĐÁP ỨNG 11 Từ phân tích tỷ số S/N, ta xác định độ cong vênh tối thiểu đạt từ điều kiện cài đặt A3-B1-C1-D2-E2-F2-G3 hình Thêm mơ thực hiện, dùng điều kiện để xác nhận Kết cho thấy độ cong vênh tối đa sản phẩm 0,1818 Giá trị thấp giá trị độ cong vênh tất trường hợp xem xét mảng trực giao liệt kê bảng Các hình 7a b cho thấy độ cong vênh từ thông số trường hợp số bảng trường hợp từ phân tích tỷ số S/N Từ thử nghiệm xác nhận này, ta kết luận phương pháp Taguchi tạo kết hợp thơng số cài đặt tốt để giảm thiểu cong vênh 4.2 Tối ưu hóa để giảm thiểu độ cong vênh a/ Tạo mơ hình bề mặt đáp ứng Phương pháp Taguchi công cụ hiệu mạnh mẽ có khả phân tích ý nghĩa tương đối thông số cài đặt đề xuất thông số kết hợp để giảm thiểu độ cong vênh [22, 23] Tuy nhiên, giá trị tối ưu từ phương pháp Taguchi bị giới hạn ba mức định cho thơng số Do đó, RSM sử dụng để giảm độ cong vênh phần sản phẩm lai Trong nghiên cứu này, mơ hình bề mặt đáp ứng bậc tạo cách sử dụng kết mô số bảng Sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu, tất hệ số xác định, mơ hình đơn giản sau Cần lưu ý tham số chuẩn hóa ký hiệu sử dụng để xác định hệ số Cong vênh 0.205 6.122 10 3 A 8.058 10 4 B 1.240 10 C 2.658 10 3 D 8.333 10 E (7) 1.750 10 F 2.781 10 3 G Từ mơ hình này, thơng số C (áp suất nén) có đóng góp quan trọng có hệ số lớn Thơng số A (thời gian điền đầy) với hệ số lớn thứ hai, có đóng góp quan trọng thứ hai Kết phù hợp với phân tích tỷ số S/N trước dựa phương pháp Taguchi Cần lưu ý mơ hình bậc cho thấy thông số G (nhiệt độ ban đầu phần kim loại chèn) quan trọng thơng số D (nhiệt độ nóng chảy nhựa) việc giảm thiểu độ cong vênh Do mức lỗi tương đối lớn (R2 0.862) hồi quy, mơ hình cần cải thiện Để cải thiện mô hình RSM, hệ số bậc hai cho tất tham số đưa bước phân tích Vì mối tương quan thơng số khơng có có ý nghĩa thống kê, nên hệ số bậc hai cho tương tác thông số khơng xem xét Mơ hình bề mặt đáp ứng bậc hai cho thơng số chuẩn hóa sau: Cong vênh 0.192 5.777 10 3 A 3.439 10 4 B 8.014 10 C 2.658 10 D 8.333 10 E 1.750 10 F 2.319 10 G 1.903 10 A (8) 1.111 10 B 5.707 10 C 5.846 10 D 4.421 10 E 4.296 10 F 1.764 10 G Cần lưu ý R2 mơ hình có giá trị 0.983, qua chứng minh mơ hình hồi quy phi tuyến có lỗi chấp nhận Từ mơ hình này, ta xây dựng bề mặt đáp ứng để hiển thị tác động thơng số cài đặt Hình cho thấy ví dụ điển hình bề mặt đáp ứng nghiên cứu Bề mặt đáp ứng mô tả tương tác thông số B (thời gian nén) E (nhiệt độ khuôn) thể hình 8a Bề mặt đáp ứng mô tả tương tác thông số D (nhiệt độ nhựa nóng chảy) E (nhiệt độ khn) thể hình 8b Điểm cực tiểu đại diện cho giá trị tối ưu cho thông số tương ứng © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 12 NGHIÊN CỨU ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM KHUNG NHỰA – KIM LOẠI TRONG ÉP PHUN DÙNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI VÀ BỀ MẶT ĐÁP ỨNG Hình 8: Bề mặt đáp ứng độ cong vênh hai thông số: (a) B (thời gian nén) E (nhiệt độ khuôn) (b) D (nhiệt độ nóng chảy) E (nhiệt độ khn) Để xác nhận mơ hình hồi quy phi tuyến mơ hình đáp ứng bề mặt tạo ra, đồ thị song phân vị Q-Q hình sử dụng Bước không ý tác giả khác, điều dẫn đến lãng phí tài ngun mơ hình RSM khơng tối ưu cho cơng việc họ Hình cho thấy mơ hình nghiên cứu phân phối chuẩn Hình 9: Đồ thị song phân vị Q-Q mơ hình bề mặt đáp ứng Để xác định giá trị tối ưu thông số cài đặt, qua giảm thiểu cong vênh, mơ hình bề mặt đáp ứng thu sử dụng Hình 10 trình bày hai đồ thị đại diện tỷ số S/N độ cong vênh dự đoán từ mơ hình bề mặt đáp ứng Như hình 10a, hai phương pháp Taguchi (phân tích tỷ số S/N) bề mặt đáp ứng (RSM) dự đoán giá trị tối ưu cho tham số B (thời gian nén) Tuy nhiên, trường hợp tham số D (nhiệt độ nhựa nóng chảy) hình 10b, phương pháp RSM cung cấp giá trị xác so với phân tích tỷ số S/N Như đề cập trên, lợi phương pháp RSM so với phân tích tỷ lệ S/N cho ta giá trị tối ưu xác Bảng liệt kê điều kiện tối ưu cho thông số cài đặt hai phương pháp Một đoạn code MATLAB® đơn giản viết sử dụng để xác định giá trị tối ưu từ mô hình RSM bậc hai Mơ-đun tối ưu hóa Maple® cho giá trị giống đoạn code MATLAB®, qua xác nhận kết Điều cho thấy, ta khơng cần dùng thuật toán phức tạp hay phần mềm thương mại cách sử dụng cơng cụ đơn giản, MATLAB®, để thực nghiên cứu với tài nguyên tối thiểu Điều đáng lưu ý đoạn code cho thấy phương pháp đơn giản để mở rộng hàm tối ưu hóa cục tích hợp sẵn MATLAB® tồn miền tính tốn [24] © 2018 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM KHUNG NHỰA – KIM LOẠI TRONG ÉP PHUN DÙNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI VÀ BỀ MẶT ĐÁP ỨNG 13 Hình 10: Biểu đồ tỷ số S/N độ cong vênh ước tính từ mơ hình RSM bậc 2: (a) tác động thông số B (thời gian nén) (b) tác động thơng số D (nhiệt độ nhựa nóng chảy) Ký hiệu A B C D E F G Bảng 7: Các điều kiện cài đặt đề xuất từ phương pháp Taguchi mơ hình RSM Thơng số cài đặt Taguchi RSM Thời gian điền đầy (s) 0.5 0.5 Thời gian nén (s) 1 Áp suất nén (MPa) 310 310 Nhiệt độ nhựa nóng chảy (°C) 300 297.7264 Nhiệt độ khuôn (°C) 70 70.9424 Thời gian làm nguội (s) 15 14.8982 Nhiệt độ ban đầu phần kim loại chèn (°C) 35 33.2857 Kết cong vênh dự đoán N/A 0.1772 Kết cong vênh xác nhận 0.1818 0.1807 b/ Kiểm tra xác nhận Để xác nhận điều kiện cài đặt tối ưu thu cách sử dụng RSM, mô xác thực thực Như bảng 7, giá trị độ cong vênh tối đa sản phẩm lai thu 0.1807, nhỏ giá trị độ cong vênh khác thu phần trước nghiên cứu Hơn nữa, góc gần phần nhựa cho thấy giá trị độ cong vênh lớn so với góc xa, trường hợp khác trước (như thể hình 11) Bước xác nhận cho thấy kết hợp kỹ thuật mảng trực giao sử dụng phương pháp Taguchi RSM, tức tối ưu hóa kép, cung cấp cách hiệu cho ta giá trị tối ưu cách sử dụng số lượng tối thiểu thử nghiệm không yêu cầu thêm thuật tốn, phương pháp tối ưu hóa phức tạp phần mềm đắt tiền Hình 11: Sự phân bố độ cong vênh điều kiện thông số cài đặt tối ưu Cần lưu ý bảy thông số xem xét để tạo mơ hình bề mặt đáp ứng bậc 2, thiết kế tổng hợp trung tâm (CCD) thiết kế Box-Behnken, kỹ thuật DOE thường sử dụng, yêu cầu tương ứng 79 57 thử nghiệm [25] Khi đó, thơng số cài đặt tối ưu để đạt độ cong vênh tối thiểu cho sản © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 14 NGHIÊN CỨU ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM KHUNG NHỰA – KIM LOẠI TRONG ÉP PHUN DÙNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI VÀ BỀ MẶT ĐÁP ỨNG phẩm lai đạt cách hiệu mà không cần qua bước sàng lọc thông số Do đó, so với phương pháp khác, ta xác minh kết hợp phương pháp Taguchi RSM đủ để khắc phục nhược điểm phương pháp Taguchi phương pháp tối ưu hóa rời rạc cho kết tốt phạm vi yêu cầu mà không cần sử dụng thuật toán phức tạp phần mềm đắt tiền khác KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, kỹ thuật tối ưu hóa kép sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng thông số cài đặt lên độ cong vênh sản phẩm lai nhựa-kim loại để xác định điều kiện tối ưu cho độ cong vênh tối thiểu Kỹ thuật tối ưu hóa sử dụng nghiên cứu bao gồm kỹ thuật mảng trực giao phương pháp Taguchi sử dụng kết hợp với RSM Sản phẩm khung tích hợp phát triển chọn làm mơ hình nghiên cứu Trong mơ số trình IIM sản phẩm lai, bảy thông số cài đặt xem xét Từ phân tích tỷ số S/N ANOVA dựa phương pháp Taguchi với mảng trực giao L18 (21×37), áp suất nén thông số quan trọng để giảm thiểu độ cong vênh sản phẩm RSM áp dụng cho kết phân tích Taguchi với mơ hình hồi quy phi tuyến bậc hai để xác định điều kiện cài đặt Từ đó, giá trị thông số tối ưu thu thập xác nhận thông qua mô số Sự đơn giản hiệu phương pháp tối ưu hóa kép sử dụng nghiên cứu có ích công nghệ sản xuất khác xưởng sản xuất, nơi cơng cụ tối ưu hóa thương mại khơng phải lúc có sẵn Phương pháp áp dụng cách hiệu cho quy trình IIM để sản xuất hàng loạt sản phẩm lai nhựa-kim loại ví dụ cụ thể Các thơng số cài đặt khác q trình IIM thể tính chất phức tạp vốn có Do đó, phương pháp sử dụng công cụ hiệu để sản xuất sản phẩm lai nhựa-kim loại cách đáng tin cậy với độ xác cao tiêu thụ nguyên liệu tối thiểu LỜI CẢM ƠN Cơng trình nghiên cứu thực với hướng dẫn giúp đỡ từ giáo sư Lee Bong-Kee, M3Lab, khoa Cơ Khí, trường đại học quốc gia Chonnam, Hàn Quốc TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Y.C Chiang, H.C Cheng, C.F Huang, J.L Lee, Y Lin and Y.K Shen, Int J Adv Manuf Technol., Vol 55, No 5-8, pp 517-526, 2011 [2] C.-C Lin, Polym Eng Sci., Vol 52, No 2, pp 268-276, 2012 [3] K Jin, T.S Jeong, T.S Kim, N.S Kim and B.G Kim, Int J Precis Eng Manuf., Vol 15, No 12, pp 2533-2542, 2014 [4] T.K Nguyen, C.J Hwang and B.-K Lee, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol 18 (2), pp 187-195, 2017 [5] M La, S.M Park, W Kim, C Lee, C Kim and D.S Kim, Int J Precis Eng Manuf., Vol 16, No 8, pp 18011808, 2015 [6] B Ozcelik and I Sonat, Mater Des., Vol 30, No 2, 367-375, 2009 [7] G.J Zheng, W Guo, Q Wang and X.Y Guo, J Mech Sci Technol., Vol 29, No 10, pp 4153-4158, 2015 [8] X Wang, G Zhao and G Wang, Mater Des., Vol 47, pp 779-792, 2013 [9] M.D Azaman, S.M Sapuan, S Sulaiman, E.S Zainudin and A Khalina, Polym Eng Sci., Vol 55, No 5, pp 1082-1095, 2015 [10] B Zafosnik, U Bozic and B Florjanic, Int J Precis Eng Manuf., Vol 16, No 12, pp 2499-2507, 2015 [11] P.C Chen, Y.C Chen, C.W Pan and K.M Li, Int J Precis Eng Manuf., Vol 16, No 4, pp 647-651, 2015 [12] H Kurtaran and T Erzurumlu, Int J Adv Manuf Technol., Vol 27, No 5-6, pp 468-472, 2006 [13] X.P Li, G.Q Zhao, Y.J Guan and M.X Ma, Mater Des., Vol 30, No 10, pp 4317-4323, 2009 © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM KHUNG NHỰA – KIM LOẠI TRONG ÉP PHUN DÙNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI VÀ BỀ MẶT ĐÁP ỨNG 15 [14] H.S Park and X.P Dang, Int J Precis Eng Manuf., Vol 11, No 6, pp 879-890, 2010 [15] W.L Chen, C.Y Huang and C.W Hung, Eng Comput., Vol 27, No 7-8, pp 951-966, 2010 [16] S.C Nian, C.Y Wu and M.S Huang, Int Commun Heat Mass, Vol 61, pp 102-110, 2015 [17] W.C Chen and D Kurniawan, Int J Precis Eng Manuf., Vol 15, No 8, pp 1583-1593, 2014 [18] G Xu and Z.T Yang, Int J Adv Manuf Technol., Vol 78, No 1-4, pp 525-536, 2015 [19] B Fan and D Kazmer, in Proceedings of ANTEC, Nashville, Tennessee, pp 938-942, 2003 [20] J.M Park, S.J Jeong and S.J Park, Polym Compos., Vol 32, No 8, pp 1297-1303, 2011 [21] P.K Bharti and M.I Khan, Int J of Eng Sci and Tech., Vol 2, No 9, pp 4540-4554, 2010 [22] B.-K Lee, C.J Hwang, D.S Kim and T.H Kwon, J Manuf Sci Eng., Vol 130, No 2, 021010, 2008 [23] R.H Myers, D.C Montgomery and C.M Anderson-Cook, Response Surface Methodology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments, Wiley, New York, 2009, pp 866-878, 2009 [24] T.K Nguyen, C.J Hwang and B.-K Lee, in KSPE Annual Spring Conference, Jeju, Korea, May 14-16, pp 657658, 2014 [25] T.K Nguyen, C.J Hwang and B.-K Lee, in International Symposium on Green Manufacturing and Applications 2014, Busan, Korea, June 24-28, pp P-I-01, 2014 Ngày nhận bài: 26/11/2018 Ngày chấp nhận đăng: 30/03/2019 © 2018 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ...4 NGHIÊN CỨU ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM KHUNG NHỰA – KIM LOẠI TRONG ÉP PHUN DÙNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI VÀ BỀ MẶT ĐÁP ỨNG không mong muốn này, có nhiều nỗ lực nhằm nghiên cứu tượng cong vênh sản phẩm. .. CỨU ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM KHUNG NHỰA – KIM LOẠI TRONG ÉP PHUN DÙNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI VÀ BỀ MẶT ĐÁP ỨNG PHƯƠNG PHÁP 3.1 Mô cong vênh Trong nghiên cứu này, phần mềm phân tích khn ép ba chiều... phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM KHUNG NHỰA – KIM LOẠI TRONG ÉP PHUN DÙNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI VÀ BỀ MẶT ĐÁP ỨNG 11 Từ phân tích tỷ số S/N, ta xác định độ cong vênh tối thiểu