Đồ án tốt nghiệp: Khảo sát phân bố nhiệt độ của lòng khuôn khi dùng kênh dẫn giải nhiệt dạng cooling layer

iii TÓM TẮT KHẢO SÁT PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ CỦA LÒNG KHUÔN KHI DÙNG KÊNH DẪN GIẢI NHIỆT DẠNG COOLING LAYER Ngày nay, nhu cầu đối với các sản phẩm nhựa có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ và

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, nhu cầu gia nhiệt cho khuôn ép nhựa đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu khả năng tạo hình cho sản phẩm nhựa trong quá trình khuôn phun ép, mang lại những đóng góp quan trọng cho việc tăng năng suất và cải thiện chất lượng sản phẩm Đồng thời khả năng có thể thay đổi linh hoạt thiết kế của sản phầm trong lòng khuôn khiến cho số sản phẩm ép được trên một bộ khuôn trở nên đa dạng hơn Trong quá trình ép phun nhựa, một phần lớn thời gian chu kỳ được dành cho quá trình giải nhiệt, và việc áp dụng gia nhiệt hiệu quả có thể giảm thời gian và chi phí vận hành Đối diện với thách thức này, nghiên cứu tập trung vào khả năng tạo hình cho sản phẩm nhựa thông qua việc sử dụng kênh dẫn hỗn hợp trong quá trình gia nhiệt khuôn Đồng thời, để đảm bảo hiệu suất và tính tự động hóa cao, nhóm nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu, thiết kế và chế tạo khuôn thí nghiệm dựa trên ý tưởng ban đầu sau đó về lâu dài có thể cải tiến để hoàn thiện hơn

Trong quá trình ép phun, thời gian làm nguội chiếm khoảng 60% chu kì khuôn, việc làm nguội đúng cách sẽ giúp làm giảm chu kì ép phun giảm xuống, cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm chi phí

Có hai loại kênh dẫn giải nhiệt: Kênh dẫn giải nhiệt truyền thống (Traditional Cooling) và Kênh dẫn giải nhiệt phù hợp với hình dáng của chi tiết (Conformal Cooling)

Kênh dẫn giải nhiệt kiểu truyền thống (Traditional Cooling)

Hình 1.1 Kênh dẫn giải nhiệt kiểu truyền thống (Traditional Cooling) [7]

Kênh giải nhiệt kiểu truyền thống bao gồm các kênh làm mát được tạo ra trong khuôn bằng cách sử dụng các phương pháp tiêu chuẩn như khoan hoặc phay Các kênh này thường thẳng, mặc dù chúng có thể giao nhau hoặc được cải thiện bằng cách làm mát kiểu

2 vách ngăn(baffles) và vòi phun(bubblers) Thiết kế kênh làm mát tiêu chuẩn thích hợp nhất cho các bộ phận có hình dạng đơn giản để đảm bảo toàn bộ bộ phận được làm mát hiệu quả Ưu điểm:

+ Thiết kế đơn giản: Kênh giải nhiệt kiểu truyền thống đã được sử dụng trong ngành ép nhựa trong nhiều năm và phù hợp với hầu hết các ứng dụng ép khuôn, đặc biệt là những ứng dụng có hình dạng đơn giản

+ Tiết kiệm chi phí: Kênh giải nhiệt kiểu truyền thống sử dụng các kênh làm mát đơn giản được gia công vào khuôn Mặc dù chúng có thể không hiệu quả như các kỹ thuật tiên tiến hơn, nhưng chúng tiết kiệm chi phí và dễ áp dụng

+ Không hiệu quả với chi tiết có hình dạng phức tạp: Sự đơn giản của các kênh giải nhiệt kiểu truyền thống làm cho chúng kém hiệu quả đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp Những kênh này có thể không cung cấp sự làm mát đồng đều, dẫn đến thời gian chu kỳ dài hơn và các vấn đề về chất lượng

+ Giới hạn về tối ưu hóa: Kênh giải nhiệt kiểu truyền thống thường không đạt được hiệu quả tối ưu làm mát cho khuôn, không khai thác hết tiềm năng tiết kiệm năng lượng

+ Giới hạn về kích thước: Kênh giải nhiệt kiểu truyền thống có thể không phù hợp với các khuôn phức tạp hoặc lớn, làm giảm hiệu quả của chúng

Kênh dẫn giải nhiệt phù hợp với hình dáng của chi tiết (Conformal Cooling)

Hình 1.2 Kênh dẫn giải nhiệt phù hợp với hình dáng của chi tiết (Conformal Cooling) [7]

Kênh dẫn giải nhiệt được thiết kế phù hợp phù hợp với hình dáng của chi tiết là một kỹ thuật kết hợp các kênh làm mát tùy chỉnh vào các công cụ được sử dụng trong quá trình

3 ép phun nhựa Các kênh dẫn giải nhiệt có thể được thiết kế đặc biệt để phù hợp với hình dạng của chi tiết để làm mát đồng đều và hiệu quả hơn Việc sử dụng kênh dẫn giải nhiệt được thiết kế riêng phù hợp với hình dạng của chi tiết có thể giảm thời gian chu kỳ từ 10 đến 40% và đôi khi thậm chí lên tới 70% Ưu điểm:

+ Giảm thời gian chu kỳ: Giai đoạn làm mát thường là giai đoạn tốn nhiều thời gian nhất trong chu kỳ tổng thể của quá trình ép nhựa Kênh dẫn giải nhiệt được thiết kế phù hợp với hình dáng của chi tiết giảm thiểu thời gian làm mát và do đó giảm thiểu tổng thời gian chu kỳ

+ Sản phẩm có chất lượng cao hơn: Bởi vì Kênh dẫn giải nhiệt được thiết kế phù hợp với hình dáng của chi tiết nên sẽ làm mát khuôn đồng đều hơn, sản phẩm sau khi ép ít khiếm khuyết hơn và ít cong vênh hơn Sự làm mát khuôn đồng đều này dẫn đến sản phẩm chất lượng cao hơn

+ Giảm thiểu lãng phí: Việc kiểm soát chính xác quá trình làm mát giúp giảm thiểu lỗi, tỉ lệ lãng phí thấp và sản phẩm đạt được độ đồng đều cao

+ Giai đoạn thiết kế tốn nhiều thời gian: Thiết kế kênh dẫn giải nhiệt phù hợp cần phải được tối ưu hóa cẩn thận để đạt hiệu quả làm mát tốt nhất nên tốn nhiều thời gian hơn so với khuôn sử dụng kênh dẫn giải nhiệt kiểu truyền thống

+ Chi phí khuôn: Khuôn sử dụng kênh dẫn giải nhiệt phù hợp đắt hơn so với khuôn sử dụng kênh dẫn giải nhiệt kiểu truyền thống.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Trong môi trường công nghiệp hiện đại, việc nghiên cứu và tối ưu hóa hệ thống giải nhiệt trong quá trình sản xuất khuôn ép nhựa đóng vai trò cực kỳ quan trọng Bằng cách phân tích và đánh giá phân bố nhiệt độ trong lòng khuôn, đề tài này giúp cải thiện hiệu suất làm việc của khuôn, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu các lỗi sản xuất do nhiệt độ không đồng đều gây ra

Ngoài ra, với việc áp dụng kênh dẫn giải nhiệt dạng cooling layer, nghiên cứu này còn mở ra hướng phát triển mới cho công nghệ chế tạo khuôn, đảm bảo sự ổn định nhiệt độ

4 trong quá trình sản xuất Đây là một bước tiến quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất công nghiệp, giúp tiết kiệm năng lượng và tài nguyên, đồng thời nâng cao tính cạnh tranh của các doanh nghiệp trong ngành công nghiệp chế tạo

Với các kết quả và đề xuất hướng phát triển từ đề tài này, dự kiến sẽ đóng góp tích cực vào việc nâng cao hiệu quả sản xuất và sự bền vững của ngành công nghiệp, đồng thời đem lại lợi ích lớn cho cả xã hội và môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Tìm ra các thông số: nhiệt độ, thời gian ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt độ

- Tìm ra sự thay đổi phân bố nhiệt độ giữa các nhiệt độ gia nhiệt khác nhau

- Sự khác nhau của phân bố nhiệt độ giữa mô phỏng và thực nghiệm

- Tính hiệu quả của kênh dẫn dạng Cooling Layer của khuôn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Kênh dẫn giải nhiệt dạng Cooling Layer

- Sự phân bố nhiệt độ của lòng khuôn khi sử dụng kênh dẫn giải nhiệt dạng Cooling Layer

Phạm vi nghiên cứu và chọn đề tài:

- Kênh dẫn giải nhiệt dạng Cooling Layer cho sản phẩm 2D hình chữ nhật dày 1mm

- Dung dịch làm mát là nước

- Gia nhiệt lòng khuôn bằng nước nóng

- Nhiệt độ nước gia nhiệt khuôn: 70°C, 80°C, 90°C

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các lý thuyết về khuôn phun ép nhựa và hệ thống kênh dẫn giải nhiệt

Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm mô phỏng để mô hình hóa quá trình phân bố nhiệt độ trong khuôn

Thực nghiệm và đo lường: Tiến hành các thử nghiệm thực tế trên mẫu khuôn, đo và ghi nhận các thông số nhiệt độ tại các điểm khác nhau trong lòng khuôn Đánh giá hiệu quả giải nhiệt của hệ thống cooling layer

Phân tích dữ liệu và so sánh: Phối hợp giữa dữ liệu từ mô phỏng và thực nghiệm để phân tích và so sánh phân bố nhiệt độ trong khuôn Đưa ra đánh giá về sự hiệu quả và khả năng ứng dụng của hệ thống cooling layer.

Kết cấu của Đồ án tốt nghiệp

Kết cấu của Đồ án tốt nghiệp bao gồm những chương sau:

Chương 1: Giới thiệu (Trình bày tính cấp thiết của đề tài)

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài (Trình bày về phương pháp gia nhiệt và các nghiên cứu liên quan cả trong và ngoài nước)

Chương 3: Cơ sở lý thuyết (Trình bày lý thuyết về khuôn phun ép nhựa, tổng quan về các hệ thống và phương pháp giải nhiệt)

Chương 4: Mô hình thí nghiệm (Giới thiệu sơ bộ cấu tạo và cách hoạt động của bộ khuôn cần nghiên cứu, trình bày mô hình làm thí nghiệm gia nhiệt để chụp lại hình ảnh phân bố nhiệt trong lòng khuôn và mô hình mô phỏng bằng phần mềm Ansys)

Chương 5: Kết quả khảo sát phân bố nhiệt độ giữa mô phỏng và thực nghiệm (Đưa ra kết quả phân bố nhiệt độ từ quá trình mô phỏng và thực nghiệm, so sánh và đưa ra nhận xét) Chương 6: Kết luận (Nêu ra kết luận từ kết quả và đề xuất các hướng phát triển tiếp theo cho đề tài)

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Giới thiệu

Khảo sát phân bố nhiệt độ trong lòng khuôn khi áp dụng kênh dẫn giải nhiệt dạng Cooling Layer là một phần quan trọng trong quá trình nghiên cứu và phát triển của ngành công nghiệp gia công khuôn mẫu Phương pháp này tập trung vào việc sử dụng hệ thống kênh dẫn để truyền nhiệt đến khuôn bằng nước lạnh, nhằm đảm bảo sự phân bố nhiệt độ đồng đều và hiệu quả của hệ thống làm mát

Trong quá trình này, quan trọng là kiểm soát và đảm bảo nhiệt độ trên toàn bộ bề mặt lòng khuôn để tránh các vấn đề như biến dạng sản phẩm và đảm bảo chất lượng Thời gian gia nhiệt khuôn cần được điều chỉnh sao cho phù hợp với từng loại chất liệu và kích thước của bộ phận sản xuất, đảm bảo khuôn đạt được nhiệt độ cần thiết

Kiểm soát nhiệt độ là vấn đề quan trọng, với mục tiêu duy trì nhiệt độ ổn định và chính xác để tránh biến dạng và các vấn đề khác trong sản phẩm cuối cùng Ngoài ra, việc tiết kiệm năng lượng cũng là một thách thức, vì việc sử dụng năng lượng hiệu quả trong gia nhiệt khuôn có thể giảm chi phí sản xuất và tăng lợi nhuận

Thông qua nghiên cứu và khảo sát về phân bố nhiệt độ trong lòng khuôn, chúng ta sẽ thu được thông tin quan trọng để cải tiến và tối ưu hóa quy trình sản xuất, từ đó nâng cao hiệu quả và chất lượng của sản phẩm khuôn mẫu

Kết cấu của bộ khuôn

Hình 2.1 Bản vẽ thiết kế của khuôn [2]

Hình 2.2 Bản vẽ phân rã của khuôn [2]

8: Khối đỡ hình chữ nhật

9: Gối đỡ 10: Đế khuôn dương 11: Khối đỡ trượt

12: Đai ốc 13: Tấm đỡ vít me 14: Vit me

15: Tay quay 16: Chốt dẫn hướng 17: Khối chữ L

18: Lò xo 19: Ron cao su 20: Vòng định vị 21: Bạc cuống phun

Các nghiên cứu liên quan đến đề tài

Gia nhiệt khuôn là quá trình quan trọng trong khuôn phun ép nhựa Tăng nhiệt độ của khuôn trước khi điền nhựa lỏng có thể làm dễ dàng quá trình điền khuôn Một kênh dẫn giải nhiệt có thể được sử dụng để truyền chất lỏng nhiệt độ cao cho mục đích này, như nước nóng hoặc dầu Phương pháp này có hai mục đích và là một giải pháp tiết kiệm chi phí cho việc làm nóng khuôn vì nhiệt độ mục tiêu dễ dàng đạt được bằng phương pháp này Ngoài ra, kênh làm mát hình dạng phù hợp (CCC) có thể cung cấp hiệu quả làm nóng khuôn tốt hơn so với kênh dẫn giải nhiệt kiểu truyền thống Nghiên cứu này sử dụng phương pháp phản ứng bề mặt để xác định hình dạng CCC tối ưu để phân phối nhiệt trong khuôn, và kết quả mô phỏng đã xác nhận sự tối ưu hóa này Nhiệt độ trung bình của khuôn sử dụng CCC tốt hơn so với sử dụng kênh dẫn giải nhiệt kiểu truyền thống, và vùng nhiệt trên bề mặt khuôn đồng đều.[3]

Nghiên cứu này xác định tính hiệu quả của hình dạng kênh dẫn giải nhiệt đối với quá trình truyền nhiệt bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (esponse surface methodology) của hai phương trình hồi quy, được mô hình hóa cho nhiệt độ trung bình và nhiệt độ thay đổi với giới hạn trên và giới hạn dưới Hình dạng tối ưu cho kênh dẫn giải nhiệt được xác định bằng hai phương trình này Hiệu quả của CCC đã được chứng minh thông qua phân tích và xác minh bằng thực nghiệm Nhiệt độ trung bình luôn cao hơn khi CCC làm nóng khuôn Ngoài ra, vùng nhiệt độ cao trong khuôn sử dụng CCC quan trọng hơn so với các khuôn sử dụng kênh dẫn giải nhiệt thông thường.[3]

Hình 2.3 Nhiệt độ trên bề thử nghiệm đối với CCC và kênh dẫn giải nhiệt kiểu truyền thống

Hình 2.4 Nhiệt độ trung bình giữa CCC và kênh dẫn giải nhiệt kiểu truyền thống [4]

2.3.2 Nghiên cứu ngoài nước Đối với lĩnh vực này Shailendra Kumar Shukla và trợ lý Ankit Prasad Dwivedi [2] nghiên cứu xem xét khả năng làm mát của kênh dẫn giải nhiệt kiểu truyền thống (Traditional Cooling) và CCC (Conformal Cooling Channel) Mục đích của nghiên cứu này là so sánh để xem xét nhưng ưu và nhược điểm của việc sử dụng CCC Giai đoạn đầu tiên trong quá trình này bao gồm việc cải tiến hệ thống làm mát được sử dụng trong khuôn cho một chi tiết bộ phận ô tô Kết quả đáng chú ý mà Shailendra Kumar Shukla và trợ lý Ankit Prasad Dwivedi [2] đã thu được là: Thời gian làm mát cần thiết giảm khoảng 10,6%, nhiệt độ của chi tiết giảm khoảng 23,3%, nhiệt độ của khuôn giảm khoảng 26,1%

Hình 2.5 Nhiệt độ của khuôn ở cuối chu trình (Conformal Cooling) [3]

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về khuôn ép phun

Khuôn là một công cụ dùng để tạo hình sản phẩm theo phương pháp định hình, được thiết kế và sản xuất để sử dụng cho một số lượng chu trình nhất định, có thể là một lần hoặc nhiều lần

Cấu trúc và kích thước của khuôn phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, chất lượng và số lượng sản phẩm cần sản xuất

Khuôn sản xuất sản phẩm nhựa bao gồm nhiều chi tiết lắp ghép với nhau, được phân chia thành hai phần chính:

Phần cavity (phần khuôn cái, phần khuôn cố định): được đặt trên tấm cố định của máy ép nhựa

Phần core (phần khuôn đực, phần khuôn di động): được đặt trên tấm di động của máy ép nhựa

Khoảng trống giữa khuôn âm và khuôn dương được điền đầy bởi nhựa nóng chảy Sau đó, nhựa được làm nguội, đông đặc lại và sau đó lấy ra khỏi khuôn thông qua hệ thống đẩy sản phẩm hoặc thao tác bằng tay Sản phẩm cuối cùng có hình dạng tương ứng với lòng khuôn

Hình 3.1 Khuôn ở trạng thái đóng [1]

- Theo số tầng lòng khuôn:

+ Khuôn dùng kênh dẫn nóng

+ Khuôn dùng kênh dẫn nguội

- Theo cách bố trí kênh dẫn:

- Theo số màu nhựa tạo ra sản phẩm:

+ Khuôn cho sản phẩm một màu

+ Khuôn cho sản phẩm nhiều màu

- Ngoài ra khuôn còn được phân loại theo:

+ Theo lực đóng khuôn phân ra: 7,.50, 100, … 8000 tấn

+ Theo lượng nhựa cho mỗi lần phun tối đa: 1, 2, 3, 5, 8,56, 120oz (ounce-1 ounce 28,349 gram)

+ Theo lực kẹp của khuôn:

+ Theo loại piston hay trục vít

+ Theo phương đặt đầu phun nhựa: nằm ngang hay thẳng đứng

+ Theo tên gọi của các hãng sản xuất

Bảng 3.1 Phân loại theo lực kẹp của khuôn [1]

Lực kẹp khuôn Kích thước tương đối

Khuôn hai tấm là một loại khuôn ép phun sử dụng hệ thống kênh dẫn nguội Kênh dẫn này nằm ngang tại mặt phân khuôn, với cổng vào nhựa bên hông sản phẩm Khi mở khuôn, chỉ có một khoảng mở để lấy sản phẩm và kênh dẫn nhựa Đối với khuôn hai tấm, 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

Phương pháp sử dụng khuôn hai tấm rất phổ biến trong hệ thống khuôn ép phun Khuôn bao gồm hai phần: khuôn trước (khuôn âm) và khuôn sau (khuôn dương) Cấu trúc khuôn đơn giản và dễ chế tạo, nhưng khuôn hai tấm thường chỉ dùng để tạo ra những sản phẩm có cổng vào nhựa dễ bố trí

Khuôn hai tấm có một lòng khuôn Khuôn hai tấm có nhiều lòng khuôn

Hình 3.2 Kết cấu khuôn hai tấm [1] Ưu điểm:

- Thời gian một chu kỳ ép phun ngắn

- Chi phí chế tạo khuôn thấp hơn so với các loại khuôn khác

- Việc lựa chọn hình dáng và vị trí cổng phun trở nên dễ dàng hơn với khuôn hai tấm

- Phần đuôi nhựa sẽ theo sản phẩm, do đó cần loại bỏ phần đuôi nhựa sau khi hoàn thành quá trình ép phun

- Khó khăn trong việc ép các sản phẩm lớn do hạn chế về điểm bơm nhựa Ứng dụng:

- Thường được sử dụng để sản xuất các sản phẩm gia dụng đơn giản

- Thích hợp cho các sản phẩm yêu cầu ít miệng phun

Khuôn ba tấm là loại khuôn ép phun sử dụng hệ thống kênh dẫn nguội, với kênh dẫn được bố trí trên hai mặt phẳng Khi mở khuôn, có một khoảng mở để lấy sản phẩm ra và một khoảng mở khác để lấy kênh nhựa Đối với khuôn ba tấm, sản phẩm và kênh dẫn nhựa luôn tự động tách rời khi được lấy ra khỏi khuôn

Hình 3.3 Kết cấu khuôn 3 tấm [1]

- Chi phí chế tạo thấp hơn so với khuôn nóng

- Sản phẩm và phần đuôi keo sẽ tự động tách rời sau khi mở khuôn, làm tăng năng suất sản xuất

- Hệ thống khuôn ba tấm có khoảng cách giữa vòi phun của máy và lòng khuôn dài, có thể làm giảm áp lực phun khi nhựa vào lòng khuôn

- Thời gian chu kỳ ép phun kéo dài

- Khó khăn trong việc xác định vị trí phun thích hợp Ứng dụng:

- Sản xuất khuôn có một lòng khuôn nhưng phức tạp, cần hơn một vị trí phun nhựa

- Sản xuất khuôn có nhiều lòng khuôn

Khuôn nhiều tầng là loại khuôn ép phun được tạo ra từ hai hoặc nhiều bộ khuôn ghép lại với nhau, nhằm tăng năng suất (số lượng sản phẩm trong mỗi chu kỳ) Khuôn nhiều tầng có thể sử dụng hệ thống kênh dẫn nguội hoặc kênh dẫn nóng Hiện tại, khuôn nhiều tầng sử dụng kênh dẫn nóng được ưa chuộng hơn do kênh dẫn trên khuôn nhiều tầng có độ dài lớn, khó kiểm soát nhiệt độ và áp suất khi dùng kênh dẫn nguội

Khi cần sản xuất số lượng lớn sản phẩm, khuôn nhiều tầng được sử dụng Hệ thống này có một hệ thống đẩy sản phẩm ở mỗi mặt của khuôn Khuôn hai tầng này áp dụng hệ thống Hot runner để dẫn nhựa Nhựa được bơm vào tấm khuôn trung tâm, sau đó chảy qua các đường dẫn để đến các lòng khuôn

Hệ thống rãnh xoắn để mở 2 cổng 1 lúc

Hình 3.5 Khuôn nhiều tầng dùng kênh dẫn nóng [1] Ưu điểm:

- Giảm thiểu số lượng thiết bị cần thiết cho quá trình ép phun

- Tăng cường hiệu suất hoạt động của máy

- Cho phép sản xuất các sản phẩm có kích thước lớn

- Yêu cầu áp suất cao để làm đầy khuôn do kênh dẫn dài

- Chi phí cao do thiết kế khuôn phức tạp

- Khuôn nhiều tầng được sử dụng để sản xuất các sản phẩm nhựa có hình dạng phức tạp và chi tiết

Khuôn cho sản phẩm nhiều màu

Khác với khuôn hai tấm hoặc ba tấm, khuôn cho sản phẩm nhiều màu không chỉ có chuyển động mở khuôn cơ bản mà còn thường có thêm chuyển động quay hoặc chuyển động tịnh tiến theo phương vuông góc với hướng mở khuôn

Cấu trúc cơ bản của khuôn nhiều màu yêu cầu các cụm chi tiết giống như khuôn thông thường Điểm đặc biệt nhất của khuôn nhiều màu là có nhiều cổng phun, cho phép tạo ra sản phẩm với nhiều màu sắc khác nhau

Hình 3.6 Kết cấu cơ bản của khuôn nhiều màu [1]

- Khuôn ép nhựa nhiều màu có khả năng tạo ra các sản phẩm với nhiều màu sắc và hình dạng đa dạng, làm cho sản phẩm trở nên độc đáo và hấp dẫn khách hàng

- Chi phí sản xuất cao

- Gặp khó khăn trong việc thiết kế Ứng dụng:

- Khuôn nhiều màu được sử dụng để sản xuất các sản phẩm đa sắc Hoặc những sản phẩm có tính bản quyền Hoặc thay thế các sản phẩm cần lắp ráp từ nhiều loại vật liệu khác nhau

3.1.4 Cấu tạo chung của một bộ khuôn

Ngoài phần khuôn âm và khuôn dương, bộ khuôn còn bao gồm nhiều thành phần khác Các bộ phận này được lắp ráp với nhau để tạo nên các hệ thống cơ bản của bộ khuôn, bao gồm:

- Hệ thống dẫn hướng và định vị: Bao gồm tất cả các chốt dẫn hướng, bạc dẫn hướng, vòng định vị, bộ định vị, chốt hồi Nhiệm vụ của hệ thống này là giữ đúng vị trí làm việc của hai phần khuôn khi chúng được ghép lại 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, chịu trách nhiệm cung cấp nhựa từ đầu phun của máy ép vào trong lòng khuôn

- Hệ thống đẩy sản phẩm: Bao gồm các chốt đẩy, chốt hồi, chốt đỡ, bạc chốt đỡ, tấm đẩy, tấm giữ, khối đỡ Hệ thống này có nhiệm vụ đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn sau khi quá trình ép hoàn thành

Khái quát về vật liệu nhựa (Polymer) trong phun ép

3.2.1 Sơ lược về vật liệu nhựa (Polymer)

Polymer là khái niệm được dùng cho các hợp chất cao phân tử (hợp chất có khối lượng phân tử lớn và trong cấu trúc của chúng có sự lặp đi lặp lại nhiều lần những mắt xích cơ bản) Các phân tử tương tự nhưng có khối lượng thấp hơn được gọi là các oligomer Polymer được sử dụng phổ biến trong thực tế với tên gọi là nhựa

Theo cấu trúc hình học:

- Polymer tự nhiên: cao su, protein trong sinh vật và thực vật

- Polymer nhân tạo: PP, PE, PS

Theo tính chất chịu nhiệt:

- Polymer nhiệt dẻo: Đây là loại polymer có khả năng chảy dẻo dưới tác động của nhiệt và rắn lại khi làm nguội Quá trình này có thể lặp lại nhiều lần Khi tác dụng nhiệt, nhựa nhiệt dẻo chỉ thay đổi tính chất vật lý mà không xảy ra phản ứng hóa học, vì vậy có thể tái chế nhựa nhiệt dẻo Thường được dùng làm đồ gia dụng

- Polymer nhiệt rắn: Dưới tác động của nhiệt độ, polymer này hóa lỏng và trở nên rắn khi được gia nhiệt và áp suất Sau khi làm nguội, trạng thái rắn này là vĩnh viễn và không thể lặp lại quá trình Nhựa nhiệt rắn có cơ tính tốt nên được sử dụng nhiều trong kỹ thuật

Các tính chất cơ bản của Polymer

- Độ bền cơ học: Khả năng chống lại sự phá hủy dưới tác động của các lực cơ học

- Độ bền kéo, uốn, nén: Khả năng chịu lực của vật liệu khi bị kéo, uốn, nén

- Độ dai va đập: Khả năng chống lại tải trọng động của vật liệu nhựa, thường được đánh giá qua kết quả kiểm tra độ dai va đập

- Module đàn hồi: Đặc trưng cho độ cứng của vật liệu hoặc mức độ biến dạng của mẫu thử dưới tác động của một lực nhất định

- Tỷ trọng tăng: lực kéo đứt, nhiệt độ biến mềm, độ kháng hóa chất tăng, trong khi lực va đập và độ nhớt giảm

- Phụ thuộc vào độ kết tinh: độ kết tinh cao thì tỷ trọng cao

- Vật liệu nhựa thường nhẹ, với tỷ trọng dao động từ 0.9 – 2 (g/cm3)

Chỉ số nóng chảy: Thể hiện khả năng chảy của vật liệu, rất cần thiết khi lựa chọn nguyên liệu và công nghệ gia công Chỉ số nóng chảy càng cao thì tính lưu động của nhựa càng lớn và càng dễ gia công

Trọng lượng phân tử thấp, dễ chảy

Dùng nhiệt độ và áp suất gia công thấp

Chu kỳ sản xuất ngắn

Dễ gia công và sản phẩm đạt chất lượng hơn

Vật liệu khó chảy, sản phẩm dễ bị khuyết tật

Tăng thời gian điền đầy

Tăng thời gian duy trì áp suất Áp suất cần thiết để điền đầy khuôn phải cao Đòi hỏi nhiệt độ gia công cao Độ co rút của nhựa: Tỷ lệ % chênh lệch kích thước của sản phẩm sau khi lấy khỏi khuôn và ổn định kích thước so với kích thước của khuôn

- PA có mật độ 1.04-1.15 (g/cm3) với hệ số co rút 0.7-2.0 %

- ABS có mật độ 1.08-1.12 (g/cm3) với hệ số co rút 0.4-0.7 %

Tính cách điện: Đa số các loại nhựa có khả năng cách điện tốt nên được ứng dụng trong các thiết bị điện gia dụng, thiết bị viễn thông, vô tuyến truyền hình

Một số loại nhựa thường gặp và ứng dụng của chúng

- Nhựa ABS được hình thành từ các thành phần hóa học Acrylonitrile, Butadiene, Styrene - những hợp chất có liên kết mạnh mẽ, do đó nhựa ABS có khả năng chịu lực tác động mạnh rất tốt

- Nhựa ABS có độ bền cơ học cao, không thay đổi trong quá trình sản xuất

- Có tính cứng, chắc và không dễ vỡ Nhựa ABS thuộc loại vật liệu cứng, không bị biến dạng hoặc bị trầy xước dễ dàng khi sử dụng

- Khả năng chịu nhiệt và cách điện tốt Ứng dụng:

- Thường được sử dụng trong các ứng dụng cách điện, trong kỹ thuật điện tử và viễn thông

- Sản xuất các sản phẩm nhẹ, cứng và dễ uốn như ống, các dụng cụ âm nhạc, đầu gậy golf, các bộ phận tự động, vỏ bánh răng và lớp bảo vệ đầu hộp số

- Tính bền cơ học cao (chịu kéo và chịu xé), khá cứng và không co dãn như PE, không bị co rút khi chế tạo thành sợi Đặc biệt là dễ bị rách khi có một vết cắt hoặc thủng nhỏ

- Trong suốt, bề mặt sáng bóng tạo điều kiện in ấn tốt, chữ in rõ nét

- Có khả năng chống thấm O_2, hơi nước, dầu mỡ và các khí khác Ứng dụng:

- Dùng để làm bao bì đơn giản, sản xuất nắp bồn cầu, đồ bảo vệ nhựa, hộp bảo quản thực phẩm

- Nhựa PA6 có độ bền cao trong môi trường hóa chất và chịu được mài mòn tốt Nhựa cũng có khả năng chịu nhiệt độ thấp

- Có độ trơn bóng cao, dễ pha màu và không độc hại, thuận tiện cho quá trình gia công

- Khả năng chống ẩm tốt và tính chất điện tốt hơn so với các loại nhựa khác Ứng dụng:

- Nhựa PA6 được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất ô tô, điện tử, máy móc chính xác và thiết bị y tế

- Màng nhựa PA6 phối hợp với nhựa PE có thể dùng làm bao bì đông lạnh hoặc đựng thực phẩm lỏng chịu nhiệt độ sát trùng 100°C trong 10 phút, cũng như làm màng co bảo quản thực phẩm ăn liền

- Bền cơ học cao, chịu được lực kéo và va chạm, mài mòn tốt và có độ cứng cao

- Bền với môi trường thực phẩm

- Trong suốt, chống thấm khí O2 và CO2 tốt hơn so với các loại nhựa khác Ứng dụng:

- PET là vật liệu quan trọng trong sản xuất bao bì thực phẩm, có thể tạo thành màng hoặc chai lọ Thường được dùng để sản xuất chai, bình chứa nước uống, đồ uống có gas và các sản phẩm khác

Nhựa PE (LDPE) Đặc tính:

- Nhựa LDPE có tính chất mềm dẻo, dễ uốn cong và dễ gia công Độ dẻo và đàn hồi cao, khả năng chịu va đập tốt

- Chống lại hóa chất, chống mòn và oxy hóa tốt Ứng dụng:

- Được sử dụng để sản xuất túi nilon, thùng, can, nắp chai và bọc dây điện

- Đây là một số loại nhựa thông dụng và các ứng dụng của chúng trong công nghiệp và cuộc sống hàng ngày

Bảng 3.2 Thông số nhựa LDPE Đặc tính vật lí Giá trị

Nhiệt độ hóa thủy tinh 110 - 120°C Độ dẫn nhiệt 0.33 - 0.38 W/(mãK)

Nhiệt độ nóng chảy lớn nhất 135 - 145°C

Nhiệt độ nóng chảy nhỏ nhất 105 - 115°C

Kết luận: Khuôn sẽ sử dụng nhựa LDPE để tiến hành quá trình ép thử sản phẩm Loại nhựa LDPE được lựa chọn vì tính linh hoạt và độ dẻo dai, cho phép sản phẩm chịu uốn cong mà không gãy Đặc tính chống thấm, cách điện và cách nhiệt của nó cũng rất cao Độ nhớt của nhựa có thể điều chỉnh dễ dàng theo nhiệt độ, làm cho quá trình gia công trở nên thuận tiện hơn Nhựa LDPE nhẹ nên việc vận chuyển và xử lý cũng đơn giản hơn nhiều

Tổng quan về hệ thống giải nhiệt

3.3.1 Các hệ thống giải nhiệt

Hệ thống giải nhiệt bằng không khí

Hệ thống giải nhiệt bằng không khí hoạt động thông qua việc sử dụng quạt hoặc máy thổi để giảm nhiệt độ bề mặt khuôn Khác với hệ thống giải nhiệt bằng nước, hệ thống này dựa vào quá trình đối lưu, nơi không khí nóng được thay thế bởi không khí mát hơn, từ đó dần dần làm giảm nhiệt độ của khuôn

Giải nhiệt bằng không khí là một lựa chọn hợp lý cho các khuôn có thiết kế đơn giản và vật liệu ít nhạy cảm với biến động nhiệt độ Mặc dù nó mang lại lợi thế về chi phí và dễ dàng lắp đặt, hệ thống này không hiệu quả bằng và thiếu độ chính xác trong việc kiểm soát nhiệt độ so với hệ thống giải nhiệt bằng nước

Hình 3.8 Hệ thống giải nhiệt bằng không khí [7]

Hệ thống giải nhiệt bằng nước

Hệ thống giải nhiệt bằng nước hoạt động bằng cách tuần hoàn nước lạnh qua các kênh bên trong khuôn Nước này hấp thụ nhiệt từ khuôn, giúp giảm nhiệt độ của vật liệu nhựa Hệ thống hoạt động theo nguyên lý dẫn nhiệt, trong đó nhiệt từ khuôn nóng truyền sang nước lạnh Đây là phương pháp giải nhiệt lý tưởng cho các khuôn có cấu trúc phức tạp và các vật liệu nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ

So với hệ thống giải nhiệt bằng không khí, hệ thống giải nhiệt bằng nước vượt trội hơn về khả năng hấp thụ nhiệt và kiểm soát nhiệt độ Tuy nhiên, chi phí thiết lập và bảo trì ban đầu của hệ thống này cao hơn so với hệ thống giải nhiệt bằng không khí

Lưu ý rằng trong hệ thống giải nhiệt, "nước" thực chất là một hỗn hợp chất lỏng Hỗn hợp chất lỏng được trộn với chất diệt khuẩn để ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật Ở các đường ống gần khuôn phun, nước được kết hợp với ethylene glycol để ngăn chặn sự hình thành rỉ sét

Hình 3 9 Hệ thống giải nhiệt bằng nước [7]

3.3.2 Các phương pháp giải nhiệt cho khuôn

Phương pháp giải nhiệt truyền thống (Traditional Cooling)

Trong quá trình gia nhiệt này, hơi nước (hơi) sẽ được sử dụng như là nguồn nhiệt để tăng nhiệt độ của khuôn ép phun Sau đó, nhựa nóng sẽ được làm nguội bằng cách sử dụng nước lạnh Việc sử dụng hiệu quả của việc sưởi hơi nước sẽ được tăng cường bằng cách làm sạch nước trước khi nó chảy vào các kênh do kết hợp 2 chất lỏng khác nhau để gia nhiệt và làm lạnh Nguồn hơi nước được tạo ra thông qua lò hơi để cung cấp đủ hơi nước có nhiệt độ cao cho quá trình gia nhiệt

Quá trình kiểm soát nhiệt độ khuôn bằng hơi nước bao gồm một hệ thống hơi nước, hệ thống làm mát, một bộ trao đổi van, một bộ điều khiển và giám sát, và một máy ép phun khuôn

Hình 3.10 Phương pháp giải nhiệt truyền thống (Traditional Cooling) [7]

Phương pháp giải nhiệt phù hợp (Conformal Cooling)

Phương pháp giải nhiệt phù hợp cách mạng hóa quá trình ép phun, đặc biệt đối với các bộ phận phức tạp Phương pháp này thiết kế các kênh giải nhiệt với hình dáng phù hợp với độ phức tạp của chi tiết Cách tiếp cận này đảm bảo làm mát ổn định, ngay cả ở những khu vực khó tiếp cận của khuôn

Hình 3.11 Phương pháp giải nhiệt phù hợp (Conformal Cooling) [7]

Kênh dẫn giải nhiệt dạng Cooling Layer

Kênh dẫn giải nhiệt dạng Cooling Layer là một hệ thống làm mát được thiết kế để cải thiện quá trình làm nguội của khuôn Đây là một phương pháp tiên tiến nhằm đảm bảo sự phân bố nhiệt độ đồng đều của nhiệt độ trên toàn bộ bề mặt khuôn, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất sản xuất

Kênh dẫn được thiết với hình dạng tối ưu để đảm bảo độ làm mát hiệu quả, tối đa hóa diện tích tiếp xúc và truyền nhiệt trên bộ khuôn này kênh giải nhiệt dạng Cooling Layer được thiết kế với hai lớp Insert: Lớp Insert đầu tiên là lớp ngăn cách và truyền nhiệt giữa nước làm mát và chi tiết khi ép nhựa; Lớp Insert thứ hai định hình chi tiết sản phẩm, tùy theo thiết kế sản phẩm mà có các tấm Insert có thiết kế khác nhạu Mỗi tấm Insert có bề dày 1mm để tối ưu hiệu quả truyền nhiệt của kênh dẫn giải nhiệt dạng Cooling layer

Hình 3.12 Cấu tạo của kênh dẫn giải nhiệt dạng Cooling Layer [2] Ưu điểm:

- Hiệu quả làm mát cao: Hệ thống này giúp làm mát khuôn nhanh chóng và hiệu quả, giảm thiểu thời gian chu kỳ sản xuất

- Đồng đều nhiệt độ: Giúp phân bố nhiệt độ đồng đều trên toàn bộ bề mặt khuôn, giảm thiểu biến dạng sản phẩm và cải thiện chất lượng bề mặt

- Tăng tuổi thọ khuôn: Giảm ứng suất nhiệt và sự mài mòn, kéo dài tuổi thọ của khuôn

- Tiết kiệm năng lượng: Quá trình làm mát hiệu quả giúp giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí sản xuất Ứng dụng:

- Làm mát khuôn trong quá trình ép phun nhựa

- Kiểm soát nhiệt độ khuôn trong các quá trình ép nhựa

- Ứng dụng trong sản xuất các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao và chất lượng bề mặt tốt

MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

Sơ bộ về bộ khuôn

Bộ khuôn được thiết kế để có thể thay đổi các tấm Insert với nhiều hình dạng khác nhau

Hình 4.1 Thiết kế 3D của các tấm Insert [2]

Thành phẩm sau khi ép của các tấm Insert

Hình 4.2 Hình dáng 3D của các sản phẩm sau khi ép [2]

Bản vẽ 2D của các tấm Insert

Hình 4.3 Bản vẽ 2D các tấm Insert [2]

Các tấm Insert sau khi gia công thực tế

Hình 4.4 Các tấm Insert sau khi gia công [2]

4.1.2 Hệ thống kênh dẫn giải nhiệt dạng Cooling Layer

Hệ thống kênh dẫn giải nhiệt được thiết kế thay đổi khác đi so với kênh dẫn giải nhiệt thông thường

Hình 4.5 Cấu tạo của hệ thống kênh dẫn giải nhiệt dạng Cooling Layer [2]

Cấu tạo của kênh dẫn giải nhiệt dạng Cooling Layer:

- Gối đỡ trượt: Đây là thành phần liên kết với trục vít thông qua hai chốt, được sử dụng để điều chỉnh nâng hạ khối trượt

- Khối trượt: Phụ trách đỡ tấm Insert và đóng mở kênh dẫn giải nhiệt

- Vít me + Tay quay: Đảm nhiệm vai trò nâng hạ khối đỡ trượt dịch chuyển trên rãnh trượt

- Tấm Insert: Bao gồm hai tấm, một tấm để lót đỡ và tiếp xúc với nguồn nhiệt, một tấm có biên dạng trong để ép sản phẩm

Hình 4.6 Nguyên lí hoạt động của khuôn [2]

Khi quay vít me theo chiều kim đồng hồ, vít me sẽ di chuyển xuống Đồng thời, khối đỡ trượt sẽ di chuyển xuống đẩy khối trượt lên áp sát vào tấm Insert Sau khi khối trượt tiếp xúc với tấm Insert, nhựa sẽ được điền đầy vào khuôn Khi khuôn đã được điền đầy nhựa, quay vít me để kéo khối đỡ trượt lên, lúc đó sẽ tạo ra một khoảng trống giữa tấm Insert và khối đỡ, cho phép nước vào để làm nguội

Quá trình khối đỡ tiếp xúc với tấm Insert sau đó nhựa mới được điền vào để đảm bảo rằng tấm Insert sẽ không bị biến dạng hoặc lủng do nhiệt độ cao của nhựa và áp suất ép

4.1.3 Thiết kế của bộ khuôn

Cấu tạo của bộ khuôn

Bộ khuôn được thiết kế theo nguyên lý của khuôn hai tấm truyền thống, nhưng đã được điều chỉnh và thay đổi kết cấu để phù hợp với quá trình thử nghiệm và nghiên cứu

Hình 4.7 Cấu tạo của bộ khuôn [2]

(1) Tay quay, (2) Vít me, (3) Khối đỡ trượt, (4) Khối trượt, (5) Tấm Insert

Khi chuẩn bị ép sản phầm, quay tay quay (1) để vít me (2) xoay theo và kéo theo khối đỡ trượt (3) dịch chuyển tịnh tiến từ trên xuống, đẩy khối trượt (4) đi lên và áp sát dưới tấm insert (5) Sau khi ép xong sản phẩm, quay tay quay để khối đỡ trượt đi ra, lúc đó kênh dẫn giải nhiệt được mở ra để nước có thể vào bên trong làm nguội chi tiết

Cấu tạo của lòng khuôn

Nguyên lý hoạt động vẫn dựa trên cơ chế của khuôn hai tấm thông thường, nhưng có một số cải tiến ở vị trí lòng khuôn Thay vì sử dụng một lòng khuôn nguyên khối, thiết kế mới sử dụng hai tấm insert thay thế để đảm nhận nhiệm vụ tạo hình cho sản phẩm ép và truyền nhiệt độ

Hình 4.8 Cấu tạo của lòng khuôn [2]

Các mẫu Insert có thể thay đổi thiết kế để cho ra nhiều mẫu sản phẩm khác nhau, tháo lắp thay đổi dễ dàng Tấm insert bên dưới có độ mỏng, đảm bảo khả năng truyền nhiệt đồng đều và nhanh chóng Ngoài ra lòng khuôn đưuọc thiết kế thêm rãnh để chèn ron cao su, giúp ngăn chặn rò rỉ nước trong quá trình ép, đảm bảo chất lượng sản phẩm không bị ảnh hưởng

Hình 4.9 Hệ thống kênh dẫn giải nhiệt dạng Cooling Layer [2]

Cấu tạo trên tấm khuôn dương: Phần khuôn dương và khối trượt

- Nâng/hạ để đóng mở hệ thống kênh dẫn giải nhiệt dạng Cooling Layer

- Hỗ trợ đỡ tấm Insert để trong công đoạn ép sản phẩm tấm Insert không bị biến dạng

Các chi tiết và bộ khuôn sau khi gia công và lắp ráp

Hình 4.11 Khuôn dương có kênh giải nhiệt dạng Cooling Layer [2]

Hình 4.14 Khuôn sau khi lắp ráp [2]

Mô hình thử nghiệm

4.2.1 Thử nghiệm ép sản phẩm của khuôn

Hình 4.15 Khuôn sau khi được gá máy lên máy [2]

Vị trí nhựa điền đầy

Hình 4.16 Khuôn dương khi được gá trên máy [2]

Hình 4.17 Khuôn âm khi được gá trên máy [2]

4.2.2 Thí nghiệm gia nhiệt khuôn

- Khuôn được thí nghiệm gia nhiệt bằng nước nóng tại mốc nhiệt ở 70°C, 80°C, 90°C

- Sau các khoảng thời gian 2s, 4s, 6s, 8s, 10s, 12s, 14s, 16s, 18s, 20s ở các mốc nhiệt độ, chụp lại vùng phân bố nhiệt và làm nguội khuôn về nhiệt độ ban đầu 25°C

- Loại bỏ hết nước lạnh để làm mát trong lòng khuôn và thực hiện đo tiếp các khoảng thời gian tiếp theo và các mốc nhiệt khác

- Tổng kết và phân tích dữ liệu bằng phần mềm SmartView và lưu lại kết quả

Hình 4.18 Kết quả phân bố nhiệt thu được sau thí nghiệm [2]

Hình 4.19 Giao diện trong phần mềm SmartView [2]

Mô hình thí nghiệm trong thực tế và hệ thống đường ống dẫn nước dùng để gia nhiệt khuôn

Hình 4.20 Mô hình thí nghiệm thực tế [2]

Hệ thống đường ống dẫn nước dùng để gia nhiệt khuôn được phân thành 3 giai đoạn chính: Làm nóng nước → Gia nhiệt cho khuôn → Làm mát khuôn Bởi vì được phân chia thành ba giai đoạn nên mỗi giai đoạn sẽ có cách đấu nối đường nước riêng Các ký hiệu trong mô hình:

Dấu mũi tên chỉ hướng của dòng chảy, dấu mũi tên màu đỏ biểu thị nước nóng và màu xanh biểu thị nước lạnh

Sơ đồ hệ thống đường nước giai đoạn làm nóng nước

Máy gia nhiệt Máy làm lạnh

Hình 4.21 Sơ đồ hệ thống đường nước giai đoạn làm nóng nước [2]

Sơ đồ hệ thống đường nước giai đoạn gia nhiệt khuôn

Hình 4.22 Sơ đồ hệ thống đường nước giai đoạn gia nhiệt khuôn [2]

Sơ đồ hệ thống đường nước giai đoạn làm mát khuôn

Máy gia nhiệt Máy làm lạnh

Hình 4.23 Sơ đồ hệ thống đường nước giai đoạn làm mát khuôn [2]

Các thiết bị và máy móc hỗ trợ

Hiện nay, quá trình gia nhiệt có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau như: gia nhiệt bằng khí, gia nhiệt bằng điện trở hoặc sử dụng dung dịch nhiệt độ cao được đưa vào khuôn để gia nhiệt

Trong phần nghiên cứu này, sẽ thực hiện việc gia nhiệt bằng bộ máy gia nhiệt nước của Haitian Cách thức hoạt động của máy gia nhiệt nước trong quá trình thử nghiệm như sau: Nước từ bồn chứa được dẫn qua máy gia nhiệt thông qua đầu vào, nước được chạy theo vòng tròn khép kín và được gia nhiệt đến nhiệt độ cần để làm thí nghiệm Khi nước đã đạt đến nhiệt độ yêu cầu, van nước sẽ được mở để nước dẫn vào khuôn qua đầu ra của máy gia nhiệt Nước được gia nhiệt sẽ được chạy qua khuôn để gia nhiệt trong khoảng thời gian nhất định để chụp hình phân bố nhiệt lưu lại kết quả thí nghiệm sau đó làm mát khuôn về nhiệt độ ban đầu và lặp lại tí nghiệm với các thông số khác

Máy gia nhiệt nước Haitain

Hình 4.24 Máy gia nhiệt nước Haitian [2]

Hình 4.25 Camera nhiệt Fluke Ti20 [2]

Camera nhiệt Fluke Ti20 là một thiết bị lý tưởng để giám sát sự thay đổi nhiệt độ của vật thể Nó cho phép chụp và lưu trữ hình ảnh phân bố nhiệt độ một cách tự động trên Fluke Connect thông qua kết nối không dây Thiết bị này hỗ trợ kết nối và xử lý hình ảnh nhiệt trên phần mềm Smartview, cho phép trích xuất dữ liệu và đánh giá nhiệt độ một cách chính xác nhất

Phần mềm Smartview là một giải pháp thay thế cho Fluke Connect Desktop, mang đến những tính năng chính sau:

- Chỉnh sửa và cải thiện hình ảnh phân bố nhiệt để hiển thị kết quả sau khi chụp

- Sử dụng hình ảnh hồng ngoại và khả kiến để phân tích nhờ chế độ lồng ảnh và kết hợp ảnh

- Tạo bảng thông số báo cáo chi tiết có thể tùy chỉnh

- Có thể truy cập hình ảnh nhiệt bằng nhiều thiết bị nhờ khả năng lưu trữ đám

- Kết hợp các hình ảnh phân bố nhiệt với dữ liệu từ hơn 80 thiết bị Fluke Connect

- Chức năng cập nhật firmware

Hình 4.27 Giao diện của SmartView 4.4 [2]

Mô hình mô phỏng quá trình gia nhiệt khuôn

4.4.1 Giới thiệu chung về phần mềm Ansys

Phần mềm ANSYS là một công cụ mô phỏng và phân tích kỹ thuật hàng đầu, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và nghiên cứu Nó cho phép mô hình hóa và dự đoán các hiện tượng vật lý phức tạp như cơ học, nhiệt độ, điện từ và động lực học ANSYS tích hợp các mô hình 2D và 3D, hỗ trợ nhiều loại vật liệu từ đàn hồi tuyến tính đến phi tuyến và dẻo Phần mềm cung cấp giao diện người dùng thân thiện, giúp người dùng dễ dàng thực hiện các phép tính phức tạp Nó còn nổi bật với khả năng tối ưu hóa thiết kế, giảm chi phí và nâng cao hiệu suất sản phẩm ANSYS là công cụ hữu ích cho kỹ sư và nhà nghiên cứu, đồng thời là đối tác tin cậy của các doanh nghiệp trong phát triển công nghệ và sản phẩm tiên tiến

Module CFX trong phần mềm ANSYS

Module CFX trong phần mềm ANSYS là một công cụ mô phỏng dòng chảy và nhiệt động lực học mạnh mẽ, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và nghiên cứu

Hình 4.28 Quá trình giải quyết vấn đề của phần mềm ANSYS [2]

Với khả năng tích hợp các mô hình dòng chảy 2D và 3D phức tạp, CFX cho phép các kỹ sư và nhà nghiên cứu phân tích và dự đoán các hiện tượng như lưu chất, trao đổi nhiệt, và động lực học của các hệ thống Đặc biệt, module này hỗ trợ nhiều loại vật liệu và điều kiện biên đa dạng, giúp tối ưu hóa hiệu suất và thiết kế trong quá trình phát triển sản phẩm và quy trình sản xuất CFX còn được biết đến với giao diện người dùng thân thiện và khả năng tích hợp mạnh mẽ với các công cụ khác trong hệ sinh thái ANSYS, mang lại sự linh hoạt và hiệu quả trong công việc mô phỏng và phân tích

Hình 4.29 Giao diện của CFX (Fluid Flow) trong phần mềm Ansys [2]

Hình 4.30 Giao diện làm việc của ANSYS [2] Đây là giao diện của phần mềm ANSYS, từ đó người dùng có thể tạo mô hình, lưới hóa, và điều chỉnh các tham số theo từng điều kiện thử nghiệm cụ thể Sau đó, ANSYS thực hiện mô phỏng và đưa ra kết quả, từ đó có thể khai thác hình ảnh, dữ liệu, từ phần mềm để so sánh với kết quả thực nghiệm

4.4.2 Mô hình mô phỏng quá trình gia nhiệt khuôn

Bước 1: Import khuôn và các cài đặt trong Geometry

Hình 4.31 Khuôn trong cửa sổ làm việc của Geometry [2]

- Xây dựng mô hình của tấm Insert tiếp xúc với nước

Hình 4.33 Mô hình của tấm Insert tiếp xúc với nước [2]

- Cài đặt Water Inlet và Water Outlet

Hình 4.34 Cài đặt Water Inlet [2]

Hình 4.35 Cài đặt Water Outlet [2]

Sau khi hoàn thành xây dựng mô hình bài toán, tiếp theo là thực hiện chia mạng lưới Việc này nhằm phân tách mô hình thành các phần tử nhỏ hơn để tính toán và đưa ra kết quả chính xác hơn Độ chi tiết của mạng lưới càng cao thì kết quả tính toán càng chính xác Trong bài toán này, các khu vực tiếp xúc của các phần tử được liên kết dưới dạng Contact Region, khuôn được chia lưới theo phương pháp Inflation và tấm Insert được chỉnh kích thước theo phương pháp Face Sizing

Hình 4.36 Khuôn trong cửa sổ làm việc của Mesh [2]

Hình 4.37 Khuôn sau khi được chia lưới [2]

- Cài đặt thông số Inflation cho khuôn với độ dày (thickness): 1mm

Hình 4.38 Chia lưới dạng Inflation cho khuôn [2]

- Cài đặt thông số FaceSizing cho tấm Insert với độ dày (thickness): 1mm

Hình 4.39 Chia lưới dạng Face Sizing cho tấm Insert [2]

Thickness: 2mm Maximum layer: 5 Growth Rate: 1.2

Mass Flow rate: 30g/s^-1 Water Temperature: 80°C

246 x 156 x 56 mm Material: C45 Steel Initial Temperature: 25°C

Hình 4.40 Các điều kiện biên và kết quả sau khi chia lưới [2]

Bước 3: Cài đặt các thông số cho các thành phần, ràng buộc phân tích và mô phỏng

Sau khi hoàn thành việc chia lưới, cần phải xác định và điều chỉnh thông số trong phần mềm Ansys

Hình 4.41 Bảng cài đặt cho tấm Insert [2]

Hình 4.42 Cài đặt nhiệt độ cho tấm Insert [2]

Hình 4.43 Chọn vật liệu cho Mold [2]

Hình 4.44 Cài đặt nhiệt độ cho Mold [2]

Hình 4.45 Bảng cài đặt cho Water [2]

Hình 4.46 Cài đặt thông số đầu vào cho Water [2]

Hình 4.48 Bảng cài đặt Water Inlet [2]

Hình 4.49 Cài đặt thông số cho Water Inlet [2]

Hình 4.50 Bảng cài đặt Water Outlet [2]

- Cài đặt thông số Analysis Type: Tổng thời gian gia nhiệt: 140s; Timestep: 1s

Hình 4.51 Cài đặt thông số thời gian gia nhiệt (Analysis Type) [2]

- Cài đặt Output Control (Transeint Result)

Hình 4.52 Bảng cài đặt thông số Output [2]

Mass Flow rate: 30g/s^-1 Water Temperature: 80°C

246 x 156 x 56 mm Material: C45 Steel Initial Temperature: 25°C

Hình 4.53 Các điều kiện biên của khuôn và tấm Insert [2]

Bước 4: Chạy mô phỏng phân tích kết quả

Hình 4.54 Giao diện chạy mô phỏng phân tích kết quả [2]

Bước 5: Tinh chỉnh và phân tích phân bố nhiệt độ trên tấm Insert

Hình 4.55 Kết quả sau khi mô phỏng gia nhiệt [2]

Bước 6: Sử dụng Timestep Selector để khảo sát phân bố nhiệt độ tại khoảng thời gian khác nhau

Hình 4.56 Khảo sát phân bố nhiệt độ tại 10s [2]

Hình 4.57 Khảo sát phân bố nhiệt độ tại 20s [2]

KẾT QUẢ KHẢO SÁT PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ GIỮA MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

Các thông số mô phỏng và thực nghiệm của quá trình gia nhiệt khuôn

Sự biến đổi về phân bố nhiệt độ trên tấm Insert là yếu tố quan trọng trong quá trình mô phỏng, đặc biệt là hiểu rõ sự thay đổi qua từng trường hợp từ các yếu tố bên ngoài như thời gian và nhiệt độ đến hình dạng của sản phẩm (kích thước và chiều dày), có tác động đáng kể đến quá trình điền đầy nhựa của sản phẩm Vì vậy, các phương pháp mô phỏng cũng phải điều chỉnh tùy theo từng trường hợp cụ thể.Tại thí nghiệm mô phỏng này, tiến hành thay đổi:

Bảng 5.1 Thông số mô phỏng [2]

Thí nghiệm gia nhiệt khuôn được tiến hành với các mốc nhiệt độ 70°C, 80°C, 90°C và trong khoảng thời gian 2s, 4s, 6s, 8s, 10s, 12s, 14s, 16s, 18s, 20s Đây là những mốc thời gian chính để so sánh sự phân bố nhiệt trên tấm Insert, từ đó phân tích so sánh và đưa kết quả

Vì trong quá trình tiến hành thí nghiệm có nhiều yếu tố ảnh hưởng của môi trường xung quanh Để đảm bảo kết quả gia nhiệt ổn định và chính xác, cần thực hiện nhiều lần thí nghiệm cho mỗi trường hợp Sau mỗi lần đo, khuôn sẽ được bơm nước làm mát để đưa khuôn về nhiệt độ ban đầu, sau đó làm sạch nước lạnh trong kênh dẫn giải nhiệt để không ảnh hưởng đến kết quả đo lần sau Điều này giúp đảm bảo các kết quả đo có sự đồng nhất và có độ chính xác nhất có thể Bằng cách lặp lại các đo lường và lựa chọn kết quả phù hợp, ta có thể tiến hành so sánh các trường hợp khác nhau

- Thông số camera nhiệt Fluke Ti2.0:

+ Hệ số bức xạ nhiệt: 0.95 (thép)

- Thông số máy gia nhiệt

- Các trường hợp gia nhiệt:

+ Thay đổi nhiệt độ gia nhiệt: 70°C, 80°C, 90°C

+ Thay đổi thời gian gia nhiệt: 2s, 4s, 6s, 8s, 10s, 12s, 14s, 16s, 18s, 20s.

Kết quả phân bố nhiệt độ sau khi gia nhiệt khuôn

5.2.1 Kết quả phân bố nhiệt trên tấm Insert sau khi mô phỏng

Kết quả phân bố nhiệt trên tấm Insert sau khi mô phỏng gia nhiệt ở nhiệt độ 70°C Đây là bảng kết quả hình ảnh phân bố nhiệt sau khi gia nhiệt ở nhiệt độ 70°C trong thời gian 2s, 4s, 6s, 8s, 10s, 12s, 14s, 16s, 18s, 20s

- Inlet: Đầu vào của nước

- Outlet: Đầu ra của nước

Bảng 5.2 Kết quả phân bố nhiệt sau khi mô phỏng ở nhiệt độ 70°C [2]

Thời gian (s) Kết quả phân bố nhiệt sau mô phỏng

5.2.2 Kết quả thí nghiệm thực tế

Kết quả phân bố nhiệt trên tấm Insert sau khi làm thí nghiệm thực tế gia nhiệt ở nhiệt độ 70°C Đây là bảng kết quả hình ảnh phân bố nhiệt sau khi làm thí nghiệm gia nhiệt ở nhiệt độ 70°C trong thời gian 2s, 4s, 6s, 8s, 10s, 12s, 14s, 16s, 18s, 20s

Bảng 5.5 Kết quả phân bố nhiệt sau khi làm thí nghiệm gia nhiệt ở nhiệt độ 70°C [2]

Thời gian (s) Kết quả phân bố nhiệt sau thực nghiệm

5.2.3 So sánh kết quả phân bố nhiệt trên bề mặt tấm Insert giữa mô phỏng và thực nghiệm

So sánh kết quả phân bố nhiệt độ trên bề mặt tấm Insert giữa mô phỏng và thực nghiệm ở nhiệt độ 70°C

Khi đã có được kết quả của cả hai quá trình mô phỏng và thực nghiệm Dưới đây là bảng kết quả so sánh sự phân bố nhiệt trên bề mặt tấm Insert giữa mô phỏng và thực nghiệm khi gia nhiệt khuôn ở nhiệt độ 70°C

Bảng 5.8 So sánh sự phân bố nhiệt trên bề mặt tấm Insert giữa mô phỏng và thực nghiệm ở nhiệt độ 70°C [2]

Thời gian (s) Kết quả mô phỏng Kết quả thực nghiệm

Bảng 5.9 So sánh sự phân bố nhiệt trên bề mặt tấm Insert giữa mô phỏng và thực nghiệm ở nhiệt độ 80°C [2]

Thời gian (s) Kết quả mô phỏng Kết quả thực nghiệm

Bảng 5.10 So sánh phân bố nhiệt độ trên tấm Insert giữa mô phỏng và thực nghiệm tại 90°C

Kết quả mô phỏng Kết quả thực nghiệm

5.2.4 Số liệu để vẽ biểu đồ trong phần mềm Origin

Sau quá trình mô phỏng và thực nghiệm, các dữ liệu thu được sẽ được nhập vào phần mềm Origin để tạo biểu đồ

Hình 5.1 Bảng số liệu để vẽ biểu đồ [2]

Hình 5.2 Biểu đồ phân bố nhiệt sau khi vẽ bằng phần mềm Origin [2]

5.2.5 So sánh kết quả vẽ biểu đồ và đánh giá

Biểu đồ phân bố nhiệt ở nhiệt độ 70°C

Khi đã có số liệu để vẽ biểu đồ từ quá trình mô phỏng và thực nghiệm, dựa trên số liệu đó sử dụng phần mềm Origin để vẽ biểu đồ phân bố nhiệt và so sánh Sau đây là biểu đồ phân bố nhiệt của quá trình mô phỏng và thực nghiệm ở nhiệt độ 70°C qua các khoảng thời gian 2s, 4s, 6s, 8s, 10s, 12s, 14s, 16s, 18s, 20s

- (Temp_Ex): Nhiệt độ của quá trình thực nghiệm

- (Temp_Si): Nhiệt độ của quá trình mô phỏng

- Insert thickness: 1mm - Inlet water: 70°C

- Insert length: 160mm - Heating time: 2s

- Insert width: 80 mm - Opening Temperature: 25°C

Hình 5.3 Biểu đồ phân bố nhiệt ở 70°C khi gia nhiệt trong 2s [2]

Bảng 5.11 Bảng so sánh các điểm nhiệt độ giữa mô phỏng và thực nghiệm ở nhiệt độ 70°C

Nhiệt độ thấp nhất của biểu đồ (°C)

Nhiệt độ cao nhất của biểu đồ (°C)

Hình 5.13 Biểu đồ tổng hợp phân bố nhiệt của các khoảng thời gian ở nhiệt độ 70°C của quá trình mô phỏng [2]

Hình 5.14 Biểu đồ tổng hợp phân bố nhiệt của các khoảng thời gian ở nhiệt độ 70°C của quá trình thực nghiệm [2]

Trong khoảng thời gian 10 giây đầu tiên của quá trình, quan sát được sự chênh lệch lớn trên biểu đồ nhiệt độ Nguyên nhân chính là do dòng nước chưa ổn định khi chảy vào khuôn và qua quá trình truyền nhiệt Điều này dẫn đến biểu đồ nhiệt độ có sự dao động mạnh và không ổn định

Tuy nhiên, từ giây thứ 12 trở đi, chênh lệch nhiệt độ giữa các biểu đồ đã dần giảm đi Lúc này, dòng nước đã ổn định hơn và khuôn được làm nóng đồng đều hơn Điều này làm cho quá trình truyền nhiệt và điều kiện thực nghiệm trở nên ổn định hơn, từ đó cải thiện độ chính xác của kết quả thu được

Các yếu tố bên ngoài như thất thoát nhiệt, nhiệt độ phòng thí nghiệm và thời gian thực hiện thí nghiệm đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến sự chênh lệch nhiệt độ giữa quá trình thực nghiệm và mô phỏng Những biến đổi này có thể dẫn đến sự giảm thấp của nhiệt độ thực nghiệm so với dự đoán từ mô hình mô phỏng trước đó

Biểu đồ phân bố nhiệt ở nhiệt độ 80°C

Khi đã có số liệu để vẽ biểu đồ từ quá trình mô phỏng và thực nghiệm, dựa trên số liệu đó sử dụng phần mềm Origin để vẽ biểu đồ phân bố nhiệt và so sánh Sau đây là biểu đồ phân bố nhiệt của quá trình mô phỏng và thực nghiệm ở nhiệt độ 80°C qua các khoảng thời gian 2s, 4s, 6s, 8s, 10s, 12s, 14s, 16s, 18s, 20s

- (Temp_Ex): Nhiệt độ của quá trình thực nghiệm

- (Temp_Si): Nhiệt độ của quá trình mô phỏng

Bảng 5.12 Bảng so sánh các điểm nhiệt độ giữa mô phỏng và thực nghiệm ở nhiệt độ 80°C

Hình 5.25 Biểu đồ tổng hợp phân bố nhiệt của các khoảng thời gian ở nhiệt độ 80°C của quá trình mô phỏng [2]

Hình 5.26 Biểu đồ tổng hợp phân bố nhiệt của các khoảng thời gian ở nhiệt độ 80°C của quá trình thực nghiệm [2]

Trong khoảng thời gian 10 giây đầu tiên của quá trình, quan sát được sự chênh lệch lớn trên biểu đồ nhiệt độ Nguyên nhân chính là do dòng nước chưa ổn định khi chảy vào khuôn và qua quá trình truyền nhiệt Điều này dẫn đến biểu đồ nhiệt độ có sự dao động mạnh và không ổn định

Tiêu đề	Khảo sát phân bố nhiệt độ của lòng khuôn khi dùng kênh dẫn giải nhiệt dạng cooling layer
Tác giả	Trần Ngọc Dũng
Người hướng dẫn	TS. Trần Minh Thế Uyên
Trường học	Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công nghệ chế tạo máy
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	139
Dung lượng	12,92 MB