Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu giải pháp nâng cao khả năng điền đầy cho sản phẩm nhựa ép phun có thành mỏng

TỔNG QUAN

Công nghệ ép phun (Injection molding)

Công nghệ ép phun là công nghệ phun nhựa nóng chảy, được định lượng chính xác vào trong lòng một khuôn đóng kín với áp lực cao, tốc độ nhanh, sau một thời gian ngắn sản phẩm được định hình và sản phẩm được lấy ra ngoài Thời gian từ lúc đóng khuôn, phun nhựa, thời gian định hình sản phẩm, lấy sản phẩm ra khỏi khuôn, đóng khuôn lại gọi là một chu kỳ của một lần ép phun sản phẩm

Ngoài những đặc điểm trên, công nghệ ép phun còn có những đặc điểm sau:

Sản phẩm gia công có độ chính xác cao (vì được tạo hình trong khuôn kín) Quá trình bao gồm: hoá lỏng nhựa trong xylanh và tạo hình sản phẩm nhựa trong khuôn đúc Quá trình tạo hình sẽ tiến hành sau khi khuôn được ráp khít kín lại với nhau

Tùy vào nguyên liệu đúc, chế độ nhiệt độ của khuôn đúc khác nhau Năng suất của công nghệ ép phun tương đối cao, tùy theo kích thước và hình dạng của sản phẩm mà chu kỳ ép phun có thể thay đổi từ vài giây đến vài phút

 Tạo ra những sản phẩm có hình dạng phức tạp

 Tạo ra những sản phẩm có thể tích lớn với tốc độ cao

 Khả năng tự động hóa cao

 Sản phẩm sau khi ép phun có màu sắc đẹp, độ bóng bề mặt cao nên không cần gia công lại

 Phù hợp cho sản xuất hàng hàng khối

 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 phức tạp

Trang 2 Hình 1.1 Máy ép phun nhựa

Từ những nhược điểm trên, chúng ta có thể thấy rằng ngoài những vấn đề về kinh tế, thì công nghệ ép phun đòi hỏi chúng ta phải nghiên cứu kỹ các thông số công nghệ của máy như: áp suất phun, độ nhớt, vận tốc phun, nhiệt độ …Vì chỉ có như thế chúng ta mới có thể hoàn toàn làm chủ được công nghệ để tạo ra các sản phẩm có chất lượng cao [1]

Sự ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng sản phẩm nhựa trong công nghệ ép phun

1.2.1 Tốc độ phun a) Tầm quan trọng của tốc độ phun

 Quyết định khả năng điền đầy khuôn

 Đảm bảo tính đồng nhất của vật liệu tại vị trí đầu tiên đến vị trí sau cùng trong lòng khuôn

 Các vùng chịu ảnh hưởng của tốc độ phun là: vùng xung quanh cổng phun, phần giao nhau và phần khuôn điền đầy sau cùng [1] b) Các khuyết tật do tốc độ phun gây ra

 Hiện tượng tạo bọt khí, cong vênh do co rút

 Bề mặt không tốt tại vùng gần cổng phun [1]

1.2.2 Áp suất phun Áp suất là một thông số chính trong quá trình ép phun nhựa, thông số này ảnh hưởng đến sự ổn định về hình dáng kích thước cũng như cơ tính của sản phẩm a) Áp suất nén (giữ)

 Áp suất nén là áp suất tăng lên trong khuôn sau khi khuôn được điền đầy

Nó ảnh hưởng đến tổng lượng vật liệu được ép vào trong khuôn

 Lượng nhựa được nén vào trong khuôn sẽ bù vào sự co ngót trong quá trình làm nguội

 Khối lượng sản phẩm sẽ phụ thuộc vào áp xuất nén[1] b) Áp suất duy trì và thời gian duy trì áp

 Áp suất duy trì là áp suất trong giai đoạn duy trì áp, sau khi áp suất nén đạt được

 Thời gian duy trì áp là thời gian từ lúc áp suất nén đạt cực đại đến khi cổng phun đông đặc[1] c) Tầm quan trọng của áp suất phun

 Việc xác định áp suất phun giúp kiểm soát được sự đồng nhất cấu trúc vật liệu của sản phẩm

 Kiểm soát được khả năng điền đầy khuôn và độ nén chặt của vật liệu [1]

1.2.3 Nhiệt độ a) Sự không đồng nhất của nhiệt độ

 Nhiệt độ của nhựa sẽ thay đổi trong suốt quá trình dòng nhựa di chuyển từ đầu phun máy ép cho đến lòng khuôn

 Quá trình thay đổi nhiệt độ là do ma sát giữa nhựa và khuôn; do nhiệt truyền ra các tấm khuôn và môi trường bên ngoài[1] b) Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình ép phun

 Nhiệt độ thay đổi sẽ làm thay đổi độ nhớt của dòng nhựa từ đó ảnh hưởng đến khả năng điền đầy

 Nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến khả năng nén ép vật liệu nhựa vào khuôn

 Nhiệt độ ảnh hưởng đến thời gian làm nguội sản phẩm [1]

Trang 4 Hình 1.2 Hiện tượng không điền đầy khuôn trong mô phỏng và thực tế [2]

Những ảnh hưởng này tác động rất lớn đến chất lượng sản phẩm nhựa, nếu các thông số này không được nghiên cứu sẽ gây nên nhiều khuyết tật làm giảm chất lượng sản phẩm.Vì những lí do trên tôi xin chọn đề tài:

“Nghiên cứu giải pháp nâng cao khả năng điền đầy cho sản phẩm nhựa ép phun” là đề tài rất thiết thực để làm nội dung nghiên cứu cho luận văn cao học của mình Trong số các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng điền đầy của sản phẩm nhựa ép phun, khả năng điền đầy sẽ tăng khi ta tăng vận tốc và áp suất phun [3],[4],[5]

Trong luận văn này đề tài xin chọn yếu tố nhiệt độ để nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng điền đầy của sản phẩm nhựa ép phun, mà cụ thể là sẽ đi sâu vào nghiên cứu phương pháp gia nhiệt cho khuôn ép.

Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài

Dưới đây là một số nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố liên quan đến việc nâng cao chất lượng, khả năng điền đầy cho sản phẩm nhựa ép phun, đặc biệt là các nghiên cứu về gia nhiệt khuôn ép

1 Nghiên cứu quá trình gia nhiệt bằng khí nóng cho khuôn phun ép tạo sản phẩm dạng lưới (Phạm Sơn Minh, Đỗ Thành Trung, Trần Minh Thế Uyên (Đại học

Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM) và Lê Tuyên Giáo (Cao đẳng Nghề LILAMA 2)) Tạp chí KHGDKT, số 32/2015

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy: nhiệt độ bề mặt khuôn sẽ tăng nhanh trong 5 giây đầu của quá trình gia nhiệt, sau đó sẽ tăng chậm trong 15 giây tiếp theo và ổn định sau 20 giây Với vùng gia nhiệt cục bộ, khi tăng nhiệt độ dòng khí nóng từ 200 o C đến 400 o C, nhiệt độ ổn định của lòng khuôn sẽ tăng từ 90 o C đến

160 o C Với phương pháp mô phỏng bằng phần mềm ANSYS CFX, quá trình gia nhiệt bằng khí nóng có thể được dự đoán khá chính xác với sai lệch nhiệt độ nhỏ

Trang 5 hơn 10 o C Ngoài ra, phân bố nhiệt độ tại vùng gia nhiệt cũng được làm rõ dựa vào kết quả mô phỏng

Kết quả nghiên cứu đã cho phép tiến tới ứng dụng công nghệ gia nhiệt cho bề mặt lòng khuôn thông qua phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng với nhiệt độ trong khoảng 200 o C – 400 o C Phương pháp này có thể ứng dụng cho hầu hết các loại nhựa thông dụng

2 Feasibility evaluation of gas-assisted heating for mold surface temperature control during injection molding process (Shia-Chung Chen, Rean-Der Chien, SuHsia 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 Page, pp 806-812, 2009)

Kết luận: Việc gia nhiệt bằng khí nóng có tốc độ tăng nhiệt bề mặt khuôn từ

60 0 C lên 120 0 C trong vòng 2 giây ( nghĩa là tốc trung bình là 30 0 C /giây) và cần

34 giây để trở về 60 0 C Trong khi dùng các chất làm lạnh khác phải mất tới 267 giây để thực hiện một chu trình

Hình 1.3 So sánh các thay đổi nhiệt độ khi gia nhiệt bằng khí và nước nóng

(một chu kỳ nóng / làm mát)

3 Ảnh hưởng nhiệt độ đến dòng chảy của nhựa lỏng trong khuôn phun ép nhựa ( Dương Thị Vân Anh, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM)

Kết luận: Khi tăng nhiệt độ khuôn từ 40 0 C đến 70 0 C, chiều dài dòng chảy tăng từ 251 mm lên 267 mm Với kết quả này, có thể dùng thông số nhiệt độ khuôn như một giải pháp nhằm khắc phục hiện tượng không điền đầy lòng khuôn trong

Trang 6 quá trình phun ép các sản phẩm nhựa có thành mỏng hoặc tại các vị trí khó điền đầy trong khuôn

Khi tăng nhiệt độ nhựa từ 200 0 C đến 280 0 C, chiều dài dòng chảy tăng từ 257 mm lên 341 mm Với kết quả này, nhà sản xuất có thể dùng thông số nhiệt độ nhựa như một giải pháp nhằm khắc phục hiện tượng không điền đầy lòng khuôn trong quá trình phun ép các sản phẩm nhựa có thành mỏng hoặc các vị trí khó điền đầy trong khuôn

Hình 1.4 Mối liên hệ nhiệt độ nhựa, nhiệt độ khuôn và chiều dài dòng chảy

Ngoài ra, với công cụ mô phỏng Moldflow 6.0, khả năng điền đầy lòng khuôn có thể được dự đoán khá chính xác Điều này cho thấy với phương pháp mô phỏng, hoàn toàn có thể xác định thông số nhiệt độ khuôn cho quá trình phun ép nhằm thỏa mãn yêu cầu chính: nhựa được điền đầy lòng khuôn

4 Pham Son Minh, Tran Minh The Uyen Numerical Study on Flow Length in Injection Molding Process with High-Speed Injection Molding International Journal of Mechanical Engineering and Applications Vol 2, No 5, 2014, pp 58-63

Kết luận: Trong cùng một điều kiện khi tăng tốc độ phun thì chiều dài dòng chảy nhựa sẽ tăng lên Trong nghiên cứu này với nhựa ABS, nhiệt độ nhựa là

240 0 𝐶, nhiệt độ khuôn 30 0 𝐶 áp suất phun 343 MPa

Trang 7 Khi tốc độ phun tăng từ 100 mm/s lên 500 mm/s, chiều dài dòng chảy đã tăng 39,7% Tuy nhiên, với ép phun tốc độ cao, khi tốc độ phun tăng lên 1400 mm/s, chiều dài dòng chảy có thể đạt tới 91% dài hơn trường hợp 100 mm/s Với trường hợp 1400 mm/s tốc độ phun, chiều dài dòng chảy đến độ dày (L/t) đạt đến 640

Tỷ lệ này cho thấy một sự cải thiện đáng kể Ở tốc độ phun khác, thí nghiệm cho thấy tỷ lệ L/t là 335, 468, 605 và 640 với tốc độ phun 100 mm/s, 500 mm/s, 1000 mm/s, tương ứng 1400 mm/s

Hình 1.5 Chiều dài dòng nhựa trong thí nghiệm với tốc độ phun thay đổi từ 100 mm/s đến 1400 mm/s

Trong quá trình ép phun với các sản phẩm mỏng, năng lượng nhiệt nhanh chóng được chuyển từ dòng nhựa nóng chảy sang bề mặt khuôn

Trong thí nghiệm, khi tốc độ phun 1400 mm/s, chiều dài dòng chảy được cải thiện 91% với trường hợp 100 mm/s và tỷ lệ L/t là tăng từ 335 lên 640

Với hệ số truyền nhiệt vật liệu tăng cao hơn, kết quả mô phỏng cho L/t trở nên ngắn hơn Khi vận tốc phun vượt quá 1000 mm/s, hệ số truyền nhiệt nên được điều chỉnh 10000 W/m2 ° C là thích hợp

5 A.C Liou, R.H Chen, C.K Huang, C.H Su and P.Y Tsai, Development of a heat-generable mold insert and its application to the injection molding of microstructures Microelectronic Engineering, Vol117, 2014, pp 41-47

6 Cell nucleation in hight-pressure foam injection molding ,Raymond K.M Chu, Lun Howe Mark, and Chul B Park Department of Mechanical and Industrial Engineering University of Toronto, Toronto, ON Canada

Kết quả: Áp lực bên trong khuôn cố định có thể giữ ở khoảng 20 MPa khi dùng 37,5 MPa áp lực phun Đối với các trường hợp có thể thấy rằng tỷ lệ giảm áp suất do làm mát và co ngót vật liệu tương đối thấp: từ khoảng 2,5 MPa/s cho trường hợp thời gian giữ 0 giây đến khoảng 0,5 MPa/s cho thời gian giữ > = 8 s Đi đôi với đó là chất lượng bề mặt được cải thiện tốt hơn

Hình 1.6 Chất lượng bề mặt tương ứng với thời gian giữ áp suất trong khuôn

7 S.-Y Yang, S.-C Nian, S.-T Huang and Y.-J Weng, A study on the microinjection molding of multi-cavity ultra-thin parts, Polymers Advances Technologies, 2011

Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là xây dựng hệ thống gia nhiệt khuôn ép phun bằng khí nóng trên máy ép phun nhựa, từ đó khảo sát ảnh hưởng dòng khí nóng đến nhiệt độ lòng khuôn, ảnh hưởng của nhiệt độ lòng khuôn đến khả năng điền đầy của nhựa trong lòng khuôn, tiến hành tính toán, mô phỏng trên phần mềm Ansys, Moldflow plastic Insight và thực nghiệm đo đạt trên máy ép phun nhựa

Vật liệu nhựa được lựa chọn khảo sát là nhựa PP và nhựa PE, là hai loại nhựa rất phổ biến hiện nay Đối tượng nghiên cứu là ảnh hưởng của gia nhiệt khí nóng tới nhiệt độ khuôn và ảnh hưởng nhiệt độ khuôn tới khả năng điền đầy của sản phẩm trong ép phun nhựa Trong đó các yếu tố như nhiệt độ, thời gian gia nhiệt, cách bố trí sẽ được xét tới.

Nội dung và giới hạn nghiên cứu của đề tài

 Nghiên cứu tổng quan về tác động của các thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm ép phun nhựa

 Nghiên cứu lý thuyết về ảnh hưởng của nhiệt độ, các phương pháp gia nhiệt khuôn, và sự ảnh hưởng của gia nhiệt khí nóng đến nhiệt độ khuôn, dòng chảy nhựa cũng như khả năng điền đầy trong khuôn đã được xây dựng

 Tiến hành mô phỏng gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng, sự ảnh hưởng của gia nhiệt lòng khuôn đến khả năng điền đầy nhựa trong khuôn bằng phần mềm Ansys và Moldflow plastic Insight

 Xây dựng hệ thống gia nhiệt khuôn bằng khí nóng để làm thực nghiệm trên máy ép phun nhựa, thực nghiệm, đo đạt thu thập kết quả và so sánh với kết quả mô phỏng

Hình 1.9 Mô hình hệ thống gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng

Nhiệt độ lòng khuôn t 2 sẽ phụ thuộc

Thời gian gia nhiệt tg

Trang 12 Hình 1.10 Sơ đồ nhiệm vụ thực hiện đề tài

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm;

 Nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp và phân tích các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, lựa chọn vấn đề nghiên cứu, tìm hiểu các lý thuyết liên quan, tiến hành tính toán mô phỏng

 Nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng mô hình thực nghiệm Tiến hành thí nghiệm, đo đạc, đánh giá, kiểm nghiệm các giả thuyết, kết quả trong tính toán, mô phỏng

 Mô hình gia nhiệt khuôn được tính toán, thiết kế và đưa vào trong môi trường mô phỏng của phần mềm Ansys và Moldflow plastic Insight để xác định gia nhiệt lòng khuôn và sự ảnh hưởng của nhiệt độ lòng khuôn tới chiều dài dòng nhựa cũng như khả năng điền đầy của dòng nhựa trong khuôn

 Từ kết quả mô phỏng trên phần mềm, ta sẽ thiết kế các trường hợp thực nghiệm phù hợp

 Tiến hành thực nghiệm gia nhiệt lòng khuôn và ép thử sản phẩm

 Thu thập kết quả thực nghiệm và so sánh với quá trình mô phỏng

 Đưa ra được mối quan hệ giữa nhiệt độ lòng khuôn với nhiệt độ khí gia nhiệt, thời gian gia nhiệt Nhiệt độ lòng khuôn với khả năng điền đầy nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm trong công nghệ ép phun nhựa.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Khuôn ép phun

Khuôn là cụm gồm nhiều chi tiết lắp với nhau để tạo thành một bộ khuôn hoàn chỉnh Sản phẩm được tạo hình giữa 2 phần khuôn, khoảng trống giữa 2 phần đó là hình dạng của sản phẩm cần tạo

Khuôn bao gồm hai phần chính:

 Phần cavity ( Khuôn cố định): được gá lên tấm cố định của máy ép nhựa

 Phần core ( Khuôn di động): được gá lên tấm di động của máy ép nhựa

Hình 2.1 Khuôn ép phun nhựa [2]

2.1.2 Phân loại khuôn ép phun a Khuôn 2 tấm

Khuôn 2 tấm là khuôn ép phun dùng hệ thống kênh dẫn nguội, kênh dẫn nằm ngang mặt phân khuôn, cổng vào nhựa nằm ngang mặt sản phẩm và khi mở khuôn thì có một khoảng mở để lấy sản phẩm và kênh dẫn nhựa Có thể thiết kế cổng vào nhựa sao cho sản phẩm và kênh dẫn nhựa tự động tách rời hoặc không tách rời khi sản phẩm và kênh dẫn nhựa (xương keo) được lấy ra khỏi khuôn Khuôn

2 tấm được sử dụng rất thông dụng trong hệ thống khuôn ép phun Kết cấu khuôn đơn giản, dễ chế tạo nhưng chỉ sử dụng khuôn 2 tấm cho những sản phẩm dễ bố trí cổng vào nhựa [1]

Trang 14 Hình 2.2 Bộ khuôn 2 tấm

 Khuôn 2 tấm tiết kiệm vật liệu hơn, do kênh dẫn nhựa ở bên hông

 So với khuôn 3 tấm thì khuôn 2 tấm đơn giản hơn do không cần có tấm giựt cuống keo như khuôn 3 tấm, rẻ hơn, chu kỳ ép ngắn hơn

 Thời gian để gia công và chế tạo khuôn cũng ngắn hơn

 Giá thành thấp hơn khuôn 3 tấm hay khuôn nhiều tầng

 Khuôn 2 tấm chỉ sử dụng được cho các chi tiết đòi hỏi có độ chính xác thấp

 Phải tốn nhiều nhiên liệu hơn so với kênh dẫn nóng vì phần xương keo không được sử dụng cho lần phun tiếp theo như trong kênh dẫn nóng b Khuôn 3 tấm

Khuôn 3 tấm là khuôn ép phun dùng hệ thống kênh dẫn nguội, kênh dẫn được bố trí trên 2 mặt phẳng, khi mở khuôn thì có một khoảng mở để lấy sản phẩm và một khoảng mở khác để lấy kênh dẫn nhựa Sản phẩm và kênh dẫn luôn tự động tách rời nhau khi sản phẩm và kênh dẫn được lấy ra khỏi khuôn Đối với sản phẩm loại lớn cần nhiều miệng phun hoặc khuôn nhiều lòng, cần nhiều miệng phun thì có thể sử dụng khuôn 3 tấm [1]

Trang 15 Hình 2.3 Khuôn 3 tấm 2 lòng khuôn khi mở [1]

 Giá thành thấp hơn so với khuôn kênh dẫn nóng

 Ít bị hỏng hóc hơn khuôn có kênh dẫn nóng

 Có thể phù hợp với những vật liệu chịu nhiệt kém

 Năng suất cao do hệ thống dẫn nhựa tự động tách ra khỏi sản phẩm khi mở khuôn

 Cho khả năng phân phối nhựa tốt hơn và đồng đều hơn do các nhánh kênh dẫn được bố trí cách đều nhau

 Chu kỳ ép phun tăng và cần áp suất phun lớn để điền đầy do hành trình của của dòng nhựa để đến được lòng khuôn dài

 Lãng phí nhiều vật liệu do có thêm tấm stripper plate chứa hệ thống kênh dẫn c Khuôn nhiều tầng

Khuôn nhiều tầng là khuôn ép phun do 2 hay nhiều bộ khuôn ghép lại với nhau, nhằm tăng năng suất (tăng số lượng sản phẩm được tạo ra trong một chu kỳ ép phun)

Khuôn nhiều tầng có thể dùng cả kênh dẫn nguội hoặc kênh dẫn nóng Hiện nay, khuôn nhiều tầng dùng kênh dẫn nóng được sử dụng rộng rãi hơn do chiều dài kênh dẫn trên khuôn nhiều tầng quá dài, khó đảm bảo nhiệt độ và áp suất nếu dùng kênh dẫn nguội [1]

 Do 2 hay nhiều khuôn ghép lại nên năng suất cao

 Giảm số lượng máy, diện tích nhà xưởng

 Giá thành cao do kết cấu khuôn phức tạp

 Sử dụng máy ép chuyên dụng, cần lực ép lớn

 Hao tốn vật liệu do kênh dẫn dài

 Cần áp suất cao để điền đầy khuôn do kênh dẫn dài

Ngoài khuôn cố định và khuôn di động thì trong khuôn còn rất nhiều bộ phận khác Các bộ phận này lắp ghép với nhau tạo thành những hệ thống cơ bản của bộ khuôn:

Hình 2.4 Kết cấu của 1 bộ khuôn cơ bản [1]

Hệ thống dẫn hướng và định vị: gồm tất cả các chốt dẫn hướng, bạc dẫn hướng, vòng định vị, chốt hồi, có nhiệm vụ giữ chính xác vị trí làm việc của hai phần khuôn khi ghép với nhau để tạo lòng khuôn chính xác

Hệ thống dẫn nhựa vào lòng khuôn: gồm bạc cuống phun, kênh dẫn nhựa và miệng phun làm nhiệm vụ cung cấp nhựa từ đầu phun máy ép vào trong lòng khuôn

Hệ thống đẩy sản phẩm: gồm các chốt đẩy, chốt hồi, chốt đỡ, bạc chốt đỡ, tấm đẩy, tấm giữ, khối đỡ, lò xo hồi có nhiệm vụ đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn sau khi ép xong

Hệ thống lõi mặt bên: gồm lõi mặt bên, má lõi, thanh dẫn hướng, cam chốt xiên, xy lanh thủy lực, làm nhiệm vụ tháo những phần không thể tháo (undercut) ra được ngay theo hướng mở của khuôn

Hệ thống thoát khí: gồm có những rãnh thoát khí, có nhiệm vụ đưa không khí tồn đọng trong lòng khuôn ra ngoài, tạo điều kiện cho nhựa điền đầy lòng khuôn dễ dàng và giúp cho sản phẩm không bị bọt khí hoặc bị cháy

Hệ thống làm nguội: gồm các đường nước, các rãnh, ống dẫn nhiệt, đầu nối,… có nhiệm vụ ổn định nhiệt độ khuôn và làm nguội sản phẩm một cách nhanh chóng [1].

Vật liệu nhựa sử dụng trong công nghệ ép phun

Vật liệu nhựa đóng vai trò quan trọng quyết định đến toàn bộ quá trình ép phun Mỗi một sản phẩm hay một chu trình ép phun đều có những yêu cầu kỹ thuật khác nhau, ví dụ: độ dẻo, độ cứng, độ bóng bề mặt, màu sắc, … Vì vậy, cần chọn loại vật liệu nhựa thích hợp để tránh những phế phẩm trong quá trình ép cũng như đảm bảo được yêu cầu về cơ tính và thẩm mỹ của sản phẩm

Polymer là những hợp chất mà trong phân tử của chúng gồm những nhóm nguyên tử được nối với nhau bằng những liên kết hóa học tạo thành những mạch dài và có khối lượng phân tử lớn Trong mạch chính của polymer, những nhóm nguyên tử này được lặp đi lặp lại nhiều lần

Ví dụ: polyetylen [-CH2-CH2-]n, Acrylonitrin butadien styren (ABS) [C8H8 C4H6-C3H3N]n, …[13]

Dựa vào nguồn gốc: polymer thiên nhiên, nhân tạo và polymer tổng hợp Dựa vào tính chất cơ lý: chất dẻo và chất đàn hồi Đây là cách phân loại phổ biến nhất

Nhựa nhiệt dẻo: là nhóm vật liệu cao phân tử quan trọng nhất trong các polymer tổng hợp, bao gồm các cao phân tử có kích thước nhất định, mạch thẳng hay phân nhánh Có thể chuyển trạng thái rắn sang trạng thái dẻo bởi sự gia tang nhiệt độ và quá trình này thuận nghịch, có thể lặp đi lặp lại nhiều lần Trong quá trình tác dụng nhiệt, nhựa nhiệt dẻo chỉ thay đổi tính chất vật lý mà không xảy ra

Trang 18 phản ứng hóa học Do đó, nhựa nhiệt dẻo ta có thể tái sinh (ngoại trừ PTFE, polytetraflouroethylene) Ví dụ: PE, PP, PVC,…

Nhựa nhiệt rắn: mật độ nối ngang dày đặc, cao hơn từ 10 đến 1.000 lần so với cao su Nhựa nhiệt rắn tạo mạng không gian ba chiều thành cao phân tử, có kích thước vô cùng lớn so với nguyên tử, có tính chất rất cao so với nhựa nhiệt dẻo, nhất là khả năng chịu nhiệt, ngoài ra nhựa nhiệt rắn không tan, không chảy và cũng không tái sinh được Ví dụ: PU, nhựa epoxy, silicone,…

Cao su, chất đàn hồi: là những polymer mạch thẳng có lực liên kết thứ cấp rất yếu, vật liệu ở dạng chất lỏng rất nhớt Để sử dụng, phải tạo liên kết ngang giữa các mạch phân tử để tạo mạng không gian ba chiều Đặc trưng của cao su là nó có khả năng dãn dài lên đến 1.000% (cao su tự nhiên lưu hóa) Tuy nhiên, do có liên kết ngang nên nó không thể tái sinh được

 Nhựa thông dụng: PE, PP, PVC, ABS, …

 Nhựa kỹ thuật: PA, Teflon …

 Nhựa chuyên dụng: PE khối lượng phân tử cực cao, PTFE,…[13]

2.2.3 Các tính chất của Polymer

Một số tính chất cơ học quan trọng của vật liệu nhựa: độ bền kéo, độ dãn dài, độ cứng, độ dai va đập, chống mài mòn, modun đàn hồi a 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 Polymer: Giới hạn bền ( σb) là giá trị ứng suất mà mẫu bị phá hoại trong những điều kiện đã cho Giới hạn bền có thể được xác định theo một số loại biến dạng khác nhau như biến dạng kéo đứt, biến dạng nén, biến dạng uốn,… tương ứng là độ bền kéo đứt, độ bền nén, và độ bền uốn…

 Độ bền kéo đứt: là khả năng chịu lực của vật liệu khi bị kéo dãn bằng một lực xác định ở tốc độ kéo dãn xác định ra cho đến lúc 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 phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường thử nghiệm và thời gian tác dụng của lực nên khi so sánh độ bền các polymer với nhau phải so sánh ở cùng điều kiện thử nghiệm

 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: cũng phụ thuộc loại biến dạng, tốc độ biến dạng và nhiệt độ Nó phép suy luận vật liệu đang ở trạng thái nào khi đứt

Ví dụ: khi vật thể dòn bị đứt, độ biến dạng cực đại tương đối không vượt quá vài %, còn trạng thái mềm cao từ hàng trăm phần trăm đến phần ngàn Trong trường hợp kéo đơn trục, độ biến dạng tương đối cực đại có thể là độ dãn dài khi đứt [13] b Độ dai va đập

Hiện trạng chống lại tải trọng động của chất dẻo thường có thể phân tích bằng kết quả kiểm tra độ dai va đập Thực hiện trên thiết bị Charpy – dùng con lắc dao động (búa) để phá vỡ mẫu thử được kẹp chặt hai đầu, xác định công va đập riêng trên 1 đơn vị diện tích mẫu thử (kJ/m2) c Tỷ trọng của nhựa

 Tỷ trọng thể hiện một phần tính chất của nguyên liệu nhựa, đơn vị:g/cm3

 Vật liệu nhựa tương đối nhẹ, tỷ trọng dao động từ 0.9 – 2 (g/cm3)

 Tỷ trọng tăng: lực kéo đứt, nhiệt độ biến mềm, độ kháng hóa chất tăng, ngược lại lực va đập và độ nhớt giảm

 Tỷ trọng phụ thuộc vào độ kết tinh: độ kết tinh cao thì tỷ trọng cao

Bảng 2.1: Tỷ trọng một sống nguyên liệu nhựa thông dụng Loại nhựa Tỷ trọng,g/cm3 Loại nhựa Tỷ trọng, g/cm3

LDPE 0.910 – 0.924 PC 1.109-1.200 d Modun đàn hồi Đặc trưng cho độ cứng của vật liệu hoặc đặc trưng cho tính chất của vật liệu, là sự biến dạng tối đa của mẫu thử dưới tác dụng của lực cho trước Vật liệu đàn

Trang 20 hồi lý tưởng, trong quá trình chịu tải, cho đến giới hạn chảy thì độ dãn dài tỷ lệ thuận với ứng suất Hệ số tỷ lệ chính là modun đàn hồi, ký hiệu là E (N/mm2)

Một số tính chất vật lý của nhựa: Chỉ số nóng chảy, độ nhớt, co rút, tính cách điện, truyền nhiệt… e Chỉ số nóng chảy

Lý thuyết truyền nhiệt

2.3.1 Các phương thức trao đổi nhiệt

Trao đổi nhiệt là sự truyền dẫn nhiệt năng khi có sự chênh lệch nhiệt độ Lượng nhiệt năng trong quá trình trao đổi được gọi là Nhiệt lượng và là một quá trình biến thiên Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra theo hướng chuyển nhiệt năng từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp

Trao đổi nhiệt có thể được diễn ra qua ba phương thức cơ bản:

 Trao đổi nhiệt đối lưu

 Trao đổi nhiệt bức xạ a) Dẫn nhiệt

Trên một quy mô nhỏ, dẫn nhiệt xảy ra khi các phân tử, nguyên tử hay các hạt nhỏ hơn (như electron) ở vùng nóng (dao động nhanh) tương tác với các hạt lân cận (ở vùng lạnh hơn, dao đông chậm hơn), chuyển giao một số động năng của dao động nhiệt từ hạt dao động nhanh sang những hạt dao động chậm [14] Nói cách khác, sức nóng được trao đổi giữa các nguyên tử hay phân tử lân cận khi chúng dao động và va chạm với nhau (trong hầu hết vật chất, trao đổi này còn được coi như sự dịch chuyển của dòng proton), hoặc là bởi electron dao động nhanh di chuyển từ một nguyên tử khác (trong kim loại)

Dẫn nhiệt đóng góp lớn vào truyền nhiệt trong một chất rắn hoặc giữa các vật thể rắn khi chúng tiếp xúc nhau Trong chất rắn, sự dẫn nhiệt xảy ra mạnh vì mạng lưới các nguyên tử nằm ở vị trí tương đối cố định và gần nhau, giúp việc trao đổi năng lượng giữa chúng thông qua dao động được dễ dàng

Khi mật độ các hạt giảm, tức là khoảng cách giữa các hạt trở nên xa hơn, dẫn nhiệt giảm theo Điều này là do khoảng cách lớn giữa các nguyên tử gây ra việc có ít va chạm giữa các nguyên tử có nghĩa là chúng ít trao đổi nhiệt hơn Do đó, chất lỏng và đặc biệt là các loại khí ít dẫn nhiệt Với các chất khí, khi nhiệt độ hay áp suất tăng, các nguyên tử có xác suất va chạm nhau nhiều hơn, và do đó độ 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 (ví dụ như đồng, platinum, vàng, ) thường là các vật liệu dẫn nhiệt tốt Điều này là do các điện tử tự do có thể chuyển nhiệt năng nhanh chóng trong

Trang 26 lòng kim loại Các "chất lỏng điện tử" của một vật kim loại rắn tiến hành gần như tất cả các dòng nhiệt qua vật rắn này Proton mang ít hơn 1% năng lượng nhiệt Điện tử cũng chuyên chở dòng điện chạy qua các chất rắn dẫn điện, dẫn đến độ dẫn nhiệt và độ dẫn điện của hầu hết các kim loại có cùng một tỷ lệ Một dây dẫn điện tốt, chẳng hạn như đồng, thông thường cũng dẫn nhiệt tốt Các hiệu ứng Peltier-Seebeck (hiệu ứng nhiệt điện) có nguồn gốc 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 [14]

Hình 2.7 Nguyên lý dẫn nhiệt [14]

Khi nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt trong vật thể, Fourrier đã phát hiện một lượng nhiệt dQ truyền qua một bề mặt dF trong thời gian dτ sẽ tỷ lệ thuận với gradient nhiệt độ, với thời gian và diện tích bề mặt dQ = λ 𝑑𝑡

𝑑𝑛𝑑𝐹 dτ (Bỏ qua chiều , chỉ xét về độ lớn) Nếu quá trình ổn định dQ = λ 𝑑𝑡

Q : nhiệt lượng (J) λ : 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)

𝑑𝑛 : gradient nhiệt độ (độ /m) b) Trao đổi nhiệt đối lưu

Quá trình đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt giữa các khối chất khí hoặc chất lỏng với nhau Quá trình luôn gắn liền với sự dịch chuyển của khối chất lỏng, chất khí từ vùng có nhiệt độ này đến vùng khác

Trang 27 Hình 2.8 Tỏa nhiệt đối lưu [14]

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: Chất lỏng, chất khí chuyển động không do tác dụng của lực bên ngoài Môi trường chuyển động do lực này tự phát sinh được gây ra bởi sự chênh lệch mật độ phân tử giữa các vùng 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…[14]

 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

 Cường độ và sự phân bố trường nhiệt độ

 Hình dáng, kích thước và vị trí của vách

Một nhiệt lượng dQ do một bề mặt dF của vật thể có nhiệt độ tT cấp cho môi trường xung quanh có nhiệt độ tL (hoặc ngược lại) trong khoảng thời gian dt thì tỷ lệ với hiệu số nhiệt độ giữa vật thể và môi trường dQ = α (tT – tL).dF.dτ [14] tT: nhiệt độ của vật thể (°C) tL: nhiệt độ của lưu chất (chất lỏng hoặc khí) (°C) α: hệ số cấp nhiệt (hệ số tỷ lệ) dF: diện tích (m2) dτ: thời gian (s)

Toàn bộ diện tích bề mặt:

Trong đó F [m2]- diện tích bề mặt vật

Trang 28 c) Trao đổi nhiệt bức xạ

Tất cả các vật thể có nhiệt độ cao hơn 0 0 𝐾 thì đều có phát ra những tia năng lượng dưới dạng những tia bức xạ lan truyền ra không gian xung quanh vật thể Như thế chứng tỏ năng lượng đã biến thành tia bức xạ Nếu vật thể có nhiệt độ càng cao thì lượng nhiệt truyền đi dưới dạng năng lượng càng lớn Nhưng ở nhiệt độ thấp thì bức xạ vô cùng nhỏ (không có ý nghĩa trong kỹ thuật), chỉ có ở khoảng nhiệt độ lớn 100 0 𝐶, 200 0 𝐶 trở lên thì bức xạ hồng ngoại mới có ý nghĩa đáng kể Đặc điểm của bức xạ nhiệt là luôn luôn gắn liền với việc chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác Khi bức xạ, nhiệt năng (nội năng) của vật biến thành năng lượng của các dao động điện từ truyền đi trong không gian, khi gặp các vật khác, một phần (hoặc toàn bộ) năng lượng đó bị vật hấp thu và lại biến thành nhiệt năng Mức độ hấp thu phụ thuộc vào độ đen của vật Năng lượng hấp thu này một phần lại được phát trở lại dưới dạng năng lượng sóng điện từ và quá trình cứ thế tiếp tục mãi Như vậy, một vật không chỉ luôn luôn phát đi năng lượng bức xạ mà đồng thời nhận năng lượng bức xạ từ các vật khác đến nó [14]

Hình 2.9 Truyền nhiệt bức xạ [14]

Về bản chất vật lý thì bức xạ nhiệt cũng giống như bức xạ ánh sáng, cũng tuân theo các định luật phản xạ, khúc xạ và hấp thu, cũng truyền theo 1 đường thẳng, cũng xuyên qua hoàn toàn khoảng chân không với tốc độ không đổi là 3.10 10 m/s Nhưng giữa chúng chỉ khác nhau về bước sóng [4]

Trao đổi nhiệt bức xạ đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình truyền nhiệt của nhiều thiết bị: lò hơi,

Tuỳ theo chiều dài của bước sóng mà người ta phân ra:

Trang 29 Bảng 2.3 Chiều dài các dạng ức xạ

Dạng bức xạ Chiều dài bức xạ

Sóng vô tuyến điện 0,2mm - X km

Tia hồng ngoại (khụng nhỡn được bằng mắt thường) 0,8 - 40àm

Tia sỏng (nhỡn được bằng mắt thường) 0,4 - 0,8àm

Không chỉ có vật nóng truyền năng lượng cho vật lạnh mà quá trình ngược lại vẫn xảy ra Số năng lượng nhận được bằng hiệu số giữa năng lượng nhận và năng lượng mất đi Kết quả của việc trao đổi năng lượng vẫn tuân theo định luật nhiệt động thứ 2 nghĩa là vật có nhiệt độ cao truyền năng lượng cho vật có nhiệt độ thấp Đối với quá trình dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt đối lưu, cường độ tiến hành của quá trình trên cơ bản được xác định bởi độ chênh nhiệt độ giữa các vật Nhưng đối với trao đổi nhiệt bức xạ thì cường độ của quá trình không chỉ phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ mà còn phụ thuộc cả vào giá trị nhiệt độ tuyệt đối của vật Nếu nhiệt độ của vật càng cao (trong trường hợp có cùng hiệu số nhiệt độ thì lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ càng lớn

Trao đổi nhiệt bằng bức xạ giữa các vật có thể tiến hành ngay cả khi giữa các vật đó là chân không (khác với dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt) [14]

Quá trình vận chuyển nhiệt lượng từ một lưu thể này sang lưu thể khác qua

1 tường ngăn cách gọi là truyền nhiệt Vậy truyền nhiệt bao gồm cả dẫn nhiệt, cấp nhiệt và bức xạ nhiệt b) Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống

Xét một tường ống bán kính trong là R1, bán kính ngoài là R2, chiều dày δ, độ dẫn nhiệt λ và chiều dài L Lưu thể nóng đi bên trong ống có nhiệt độ tn, lưu thể lạnh đi ngoài ống có nhiệt độ tl Hệ số cấp nhiệt của lưu thể nóng là α1 và của lưu thể nguội là α2 Nhiệt độ hai bề mặt tường là tT1 và tT2

Trang 30 Hình 2.10 Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống [14]

PHƯƠNG PHÁP GIA NHIỆT BẰNG KHÍ NÓNG

Bộ phận gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng

Nhiệm vụ của Modun gia nhiệt là nung nóng không khí khi đi qua Modun để gia nhiệt cho lòng khuôn di động lên nhiệt độ cần thiết cho quá trình ép nhựa

3.1.2 Cấu tạo Modun gia nhiệt a Bộ phận cung cấp khí

Máy nén khí chuyển động tịnh tiến sử dụng piston để nén khí vào bình, có thể đặt cố định hoặc di chuyển được, có thể sử dụng riêng biệt hoặc tổ hợp Chúng có thể điều khiển bởi động cơ điện hoặc động cơ đốt trong

Máy nén khí sử dụng piston tịnh tiến loại nhỏ có công suất từ 5-30 mã lực thường được sử dụng trong lắp ráp tự động và trong cả những việc không chuyển động liên tục Những máy nén khí loại lớn có thể có công suất lên đến 1000 mã lực được sử dụng trong những ngành láp ráp công nghiệp lớn, nhưng chúng

Trang 33 thường không được sử dụng nhiều vì có thể thay thế bằng các máy nén khí sử dụng chuyển động tròn của bánh răng và trục vít với giá thành rẻ hơn Áp suất đầu ra có tầm dao động từ thấp đến rất cao (>5000 psi hoặc 35 MPa) Đối với các ngành công nghiệp thực phẩm thì máy nén khí không dầu được sử dụng tương đối nhiều

Máy nén khí hãng Total 3HP mã TC1301006 sẽ được dùng làm thiết bị cấp khí cho khối gia nhiệt

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của máy nén khí thí nghiệm

Model máy nén khí Total 3HP TC1301006

Công suất (HP-KW) 3 – 2.2 Điện áp sử dụng (V) 220

Lưu lượng (l/phút) 236 Áp lực làm việc (kg/cm2) 8 Áp lực tối đa (kg/cm2) 10

Trọng lượng (kg) 20 b Bộ phận gia nhiệt cho khí

Nhiệm vụ: Cung cấp nhiệt cho không khí đi qua nó đạt mức nhiệt độ theo yêu cầu thí nghiệm

Cấu tạo: gồm 3 tấm gia nhiệt là tấm gia nhiệt trên, tấm gia nhiệt dưới, tấm gia nhiệt giữa Nguồn cung cấp nhiệt là 16 cây điện trở để đun nóng các tấm gia nhiệt 3 tấm gia nhiệt được làm bằng vật liệu thép CT3 Và các cây điện trở có công suất 200W

Hình 3.3 Mô hình của khối gia nhiệt

Trang 34 Hình 3.4 Tấm gia nhiệt phía trên

Hình 3.5 Tấm gia nhiệt ở giữa

Hình 3.6 Tấm gia nhiệt dưới

Hình 3.7 Cây điện trở gia nhiệt công suất 200W c Bộ điều khiển nhiệt độ

Nhiệm vụ: nhiệm vụ của bộ phận điều khiển của Modun gia nhiệt là tự động điều khiển nhiệt độ của khối gia nhiệt theo những nhiệt độ được cài đặt

 Xi lanh hành trình gắn bộ gia nhiệt

 Bo mạch điều khiển nhiệt độ

Trang 36 Hình 3.8 Bộ phận điều khiển khối gia nhiệt

 Nguyên lý hoạt động của bộ phận gia nhiệt

Sau khi cài đặt nhiệt độ cho rơ le nhiệt, bộ phận điều khiển của hệ thống sẽ cấp điện cho các điện trở đốt nóng Các điện trở đốt nóng (hình 3.7) sẽ nóng lên cung cấp nhiệt cho khối gia nhiệt Khối gia nhiệt khi đến nhiệt độ đã cài đặt, bộ phận điều khiển sẽ tự động ngắt điện các điện trở đốt nóng Nhấn nút star điều khiển xilanh đi xuống vị trí cần gia nhiệt Nhấn khóa mở van của máy nén để cấp khí cho quá trình gia nhiệt Khí nóng ( sau khi đi qua khối gia nhiệt) sẽ được phun trực tiếp lên tấm insert trong lòng khuôn di động (hình 3.12) trong một thời gian yêu cầu để gia nhiệt cho lòng khuôn Sau đó xilanh đưa khối gia nhiệt về vị trí ban đầu kết thúc chu trình gia nhiệt cho khuôn.

Bộ khuôn thí nghiệm

3.2.1 Kiểu khuôn thí nghiệm: Đối với đề tài “Nghiên cứu giải pháp nâng cao khả năng điền đầy cho sản phẩm nhựa ép phun” chi tiết thí nghiệm có biên dạng đơn giản nên ta chọn kiểu khuôn là FUTABA SC (hình 3.9) theo tiêu chuẩn của Nhật Bản Kết cấu khuôn theo kiểu FUTABA SC có:

Trang 37 Hình 3.9 Bộ khuôn 2 tấm theo kiểu FUTABA

3.2.2 Kết cấu khuôn thí nghiệm

Các thành phần chính của khuôn ép làm thí nghiệm sau khi gia công a Tấm kẹp trên

Nhiệm vụ: giữ chặt tấm khuôn cái của bộ khuôn vào máy ép nhựa và giữ bạc cuốn phun của khuôn trên máy ép

Nhiệm vụ: tạo hình cho sản phẩm nhựa

Hình 3.11 Khuôn cố định c Khuôn di động

Nhiệm vụ: tạo hình cho sản phẩm nhựa, trong đề tài này khí nóng sẽ gia nhiệt trực tiếp cho khuôn đực

Trang 39 Hình 3.13 Biên dạng khối insert trên khuôn di động d Gối đỡ

Nhiệm vụ: tạo khoảng trống để tấm đẩy hoạt động

Trang 40 e Tấm giữ và ty đẩy

Nhiệm vụ: giữ các ti đẩy của bộ khuôn

Hình 3.15 Tấm giữ gắn các ty đẩy và cơ cấu lò xo hồi f Tấm đẩy

Nhiệm vụ: đẩy các chốt đẩy để lấy sản phẩm ra khỏi khuôn

Hình 3.16 Tấm đẩy g Tấm kẹp dưới

Nhiệm vụ: giữ tấm khuôn di động và các chi tiết của bộ khuôn lên máy ép nhựa

Trang 41 Hình 3.17 Tấm kẹp dưới

Sau khi bộ khuôn được lắp hoàn chỉnh có hình dáng như sau đây là bộ khuôn sẽ được dùng làm thí nghiệm

Hình 3.18 Bộ khuôn hoàn chỉnh

TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

Tính toán mô phỏng gia nhiệt trên phần mền ANSYS

4.1.1 Giới thiệu modun phân tích gia nhiệt ANSYS CFX

Hình 4.1 Giới thiệu Ansys CFX

Phần mềm ANSYS CFX là một chương trình động lực học lưu chất mạnh mẽ, được áp dụng để giải các bài toán dòng chảy đa dạng trong hơn 20 năm qua

CFX được tích hợp trong nền tảng ANSYS Workbench, cung cấp các kết nối hai chiều cao cấp cho tất cả các hệ thống CAD chính, các công cụ tạo và hiệu chỉnh hình học mạnh mẽ với ANSYS Design Modeler, các công cụ chia lưới cao cấp trong ANSYS Meshing, quá trình setup trực quan, đi đôi với đó là phân tích và giải quyết bài toán lưu chất một cách mạnh mẽ

Tính năng truyền nhiệt và bức xạ của CFX

Truyền nhiệt có vai trò quyết định trong nhiều loại thiết bị công nghiệp như cánh tuabin, các khối động cơ và buồng đốt, cũng như trong thiết kế các công trình và kiến trúc Trong các ứng dụng đó, dự đoán chính xác truyền nhiệt đối lưu là yếu tố cần thiết Trong nhiều trường hợp như vậy, khuếch tán nhiệt trong các khối rắn hoặc truyền nhiệt bằng bức xạ cũng có một vai trò quan trọng

Trang 43 Hình 4.2 Sáu bước thực hiện khi tính toán mô phỏng với ansys CFX

4.1.2 Trình tự cần thực hiện khi tính toán mô phỏng với ansys CFX

Phân tích gia nhiệt trên phần mềm

 Khởi động phần mềm ANSYS 15

Hình 4.3 Khởi động phần mềm Ansys 2015

 Khởi động modul Fluid Flow (CFX)

Hình 4.4 Khởi động mudul CFX

 Thiết lập mô hình bài toán DESIGN MODELER (DM)

Hình 4.5 Thiết lập mô hình bài toán phân tích nhiệt

 Thực hiện chia lưới Mesh cho các phần tử của bài toán:

Hình 4.6 Chia lưới để phân tích mô hình bài toán

 Thiết lập thông số cho mô phỏng

Bảng 4.1 Thông số mô phỏng trên phần mềm

Nhiệt độ khí phun vào 200°C, 250°C, 300°C,350°C, 400°C

Nhiệt độ inlet của không khí 30°C

Nhiệt dung riêng của khí 1004.4 J/kg*K

Khối lượng riêng của khí 1.185 kg/m3

Hệ số giãn nở vì nhiệt của khí 0.003356 K-1

Vận tốc khí tham khảo 20 m/s

Nhiệt độ ban đầu của tấm insert 30°C

Nhiệt dung riêng của nhôm 903 J/kg*K

Khối lượng riêng của nhôm 2702 kg/m3

Hệ số dẫn nhiệt của nhôm 237 W/m*K

Hệ số truyền nhiệt từ khối khí 2340 W/m*K

Các mức thời gian phân tích 0 s - 25 s (bước 5 s)

Thời gian khởi tạo ban đầu 0 s

Dạng phân tích nhiệt Transient (Thay đổi theo thời gian)

Hình 4.7 Bài toán sau khi được thiết lập

 Sau khi hoàn thành bước setup, tiến hành phân tích

Hình 4.8 Bài toán sau khi phân tích trên phần mềm

 Kết quả đạt được sau khi phân tích của một bài toán

Hình 4.9 Kết quả mô phỏng quá trình gia nhiệt trên Ansys CFX

Tính toán mô phỏng điền đầy lòng khuôn ép phun nhựa trên phần mềm

4.2.1 Giới thiệu phần mền moldflow plastis insight

Hình 4.10 Giới thiệu moldflow plasstic insight

Moldflow là phần mềm mô phỏng ép nhựa của hãng Autodek Nó cung cấp các công cụ giúp chúng ta tối ưu hóa việc thiết kế các bộ phận trong khuôn ép nhựa và mô phỏng dòng chảy nhựa trong quá trình ép phun nhựa

4.2.2 Trình tự cần thực hiện khi tính toán mô phỏng với Moldfow plastis Insight

Phân tích quá trình ép phun nhựa trên phần mềm

 Khởi động phần mềm Moldflow Insight 2012

Hình 4.11 Khởi động phần mềm Moldflow Insight 2012

 Thiết lập mô hình bài toán

Hình 4.12 Mô hình bài toán phân tích quá trình điền đầy

 Thực hiện chia lưới Mesh cho phần tử của bài toán:

Hình 4.13 Chia lưới để phân tích mô hình bài toán

 Thiết lập thông số thông số mô phỏng

Bảng 4.2 Thông số mô phỏng ép phun

Thời gian làm mát 20 s Áp suất phun 180 MPa

Hình 4.14 Thiết lập các thông số của ép phun

 Sau khi hoàn thành bước setup, tiến hành phân tích

Hình 4.15 Kết quả phân tích quá trình ép phun trên phần mềm

Thực nghiệm

4.3.1 Thí nghiệm gia nhiệt lòng khuôn a Vật tư thí nghiệm

Các thiết bị thí nghiệm đo nhiệt độ gồm:

 Bộ gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng ( hình 3.3 – 3.8)

 Bộ khuôn thí nghiệm ép phun (hình 3.9 – 3.18)

 Thiết bị đo nhiệt độ bằng dây cảm biến (hình 4.16)

 Máy ép phun nhựa (hình 4.17)

Hình 4.16 Thiết bị đo nhiệt độ bằng dây cảm biến

Hình 4.17 Máy ép nhựa dùng trong thí nghiệm

Trang 52 b Quy trình thí nghiệm

Hình 4.18 Vị trí của khuôn và khối gia nhiệt trong thí nghiệm

Hình 4.19 Vị trí đặt 5 cảm biến đo nhiệt độ P1, P2, P3, P4, P5

 Gá đặt bộ khuôn và modun gia nhiệt lên máy ép phun nhựa

 Cài đặt nhiệt độ cho modun gia nhiệt

 Điều khiển xilanh lắp khối gia nhiệt đến vị trí gia nhiệt (hình 4.18)

 Cấp khí cho khối gia nhiệt, khí sau khi đi qua khối gia nhiệt được phun trực tiếp lên tấm insert của khuôn di động

 Sau khi phun, ngừng cung cấp khí cho khối gia nhiệt đồng thời xilanh đưa khối gia nhiệt về vị trí ban đầu

 Đưa đầu dây cảm biến nhiệt độ vào từng điểm để đo nhiệt độ

 Ghi lại thông số kết quả đo được

 Thực hiện thí nghiệm đo nhiệt độ lòng khuôn theo quy trình như mục 4.3.1.b tại 5 điểm (hình 4.19) Số lượng thí nghiệm được thực hiện là đo

5 lần trên mỗi điểm đo với bước thời gian gia nhiệt là 5 giây, thời gian tối đa thực hiện thí nghiệm là 30 giây Vậy ta sẽ có 150 thí nghiệm

4.3.2 Thí nghiệm ép nhựa a Biên dạng mẫu thí nghiệm

Hình 4.20 Biên dạng mẫu xoắn dùng trong thí nghiệm có độ dày 0.5 mm b Vật tư thí nghiệm

 Các thiết bị thí nghiệm đo nhiệt độ gồm

 Bộ khuôn thí nghiệm ép phun (hình 3.18)

 Modun gia nhiệt bằng khí ( hình 3.3 – 3.8)

 Máy ép phun nhựa (hình 4.17)

 Hạt nhựa thí nghiệm ép ( nhựa PE, PP) c Qui trình ép nhựa

 Gá đặt bộ khuôn và modun gia nhiệt lên máy ép phun nhựa

 Thực hiện việc cài đặt nhiệt độ cho modun gia nhiệt

 Cài đặt thông số ép cho máy ép nhựa

 Quá trình thực hành ép nhựa

 Điều khiển khối gia nhiệt đến vị trí cần phun khí gia nhiệt (hình 4.18)

 Cung cấp khí cho khối gia nhiệt, khí đi qua khối gia nhiệt được nung nóng và phun trực tiếp vào tấm insert trong lòng khuôn theo thời gian yêu cầu

 Ngắt khí cho khối gia nhiệt sau đó đưa khối gia nhiệt về vị trí ban đầu

 Đóng khuôn và thực hiện quá trình ép nhựa

 Từ khuôn lấy sản phẩm nhựa, đo đạt ghi lại kết quả d Thí nghiệm ép

 Thời gian làm mát 20 giây

 Gia nhiệt cho bề mặt insert lên tới các nhiệt độ 50°C, 80°C, 110°C, 140°C bằng cách phun trực tiếp khí nóng vào bề mặt tấm insert theo giá trị thời gian đã có từ thí nghiệm đo nhiệt độ bề mặt tấm insert

 Thực hành ép nhựa PE

 Tiến hành thí nghiệm ép nhựa dựa theo qui trình thí nghiệm ép ở mục 4.3.2.c với số lượng thí nghiệm cho loại nhựa PE là 5 thí nghiệm ép ứng với một thông số nhiệt độ bề mặt khuôn Ta có 4 thông số nhiệt độ (50°C, 80°C, 110°C, 140°C ) vậy ta sẽ có 20 thí nghiệm trên nhựa PE

 Thời gian làm mát 20 giây

Gia nhiệt cho bề mặt insert lên tới các nhiệt độ 50°C, 80°C, 110°C, 140°C bằng cách phun trực tiếp khí nóng vào bề mặt của insert theo thông số thời gian đã thí nghiệm đo nhiệt độ lòng khuôn có được (theo bảng 4.2)

 Thực hành ép nhựa PP

 Tiến hành thí nghiệm ép nhựa dựa theo qui trình thí nghiệm ép nhựa ở mục 4.3.2.c với số lượng thí nghiệm cho loại nhựa PP là 5 thí nghiệm ép ứng với một thông số nhiệt độ bề mặt khuôn Ta có 4 thông số nhiệt độ (50°C, 80°C, 110°C, 140°C ) vậy ta sẽ có 20 thí nghiệm trên nhựa PP.