Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật cơ khí: Khảo sát phân bố nhiệt Độ tấm khuôn khi dùng các kênh giải nhiệt dạng layer

Nghiên cứu này tập trung vào phân tích sự phân bố nhiệt độ trong các tấm khuôn khi sử dụng các kênh giải nhiệt dạng layer, đây là một cải tiến thiết kế nhằm cải thiện khả năng quản lý và

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Trong quá trình ép phun, thời gian làm nguội chiếm khoảng 60% chu kỳ của khuôn, vì vậy việc áp dụng phương pháp làm nguội đúng cách mang lại nhiều lợi ích quan trọng.

Giảm thời gian chu kỳ sản xuất thông qua việc làm nguội hiệu quả có thể tăng tốc quá trình làm nguội sản phẩm, từ đó rút ngắn thời gian cho mỗi chu kỳ sản xuất Điều này không chỉ nâng cao năng suất mà còn giúp giảm chi phí sản xuất.

Giảm biếng dạng khuôn là phương pháp làm nguội hiệu quả, giúp kiểm soát nhiệt độ của khuôn mẫu, từ đó hạn chế sự biến dạng trong quá trình sản xuất Kết quả là sản phẩm cuối cùng đạt được độ chính xác cao hơn và giảm thiểu lỗi.

Nhiệt độ làm nguội tối ưu là yếu tố quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm, giúp sản phẩm có độ bóng mịn, giảm bọt khí và căng lớp bề mặt Điều này không chỉ cải thiện tính thẩm mỹ mà còn nâng cao chất lượng tổng thể của sản phẩm.

Tiết kiệm năng lượng trong sản xuất có thể đạt được bằng cách lựa chọn phương pháp làm nguội phù hợp Giảm thiểu thời gian làm nguội không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn làm giảm đáng kể nhu cầu sử dụng năng lượng để làm mát khuôn.

Làm nguội đúng cách không chỉ giúp giảm ứng suất nhiệt độ trên khuôn mà còn kéo dài tuổi thọ của khuôn mẫu, từ đó giảm chi phí bảo trì Việc duy trì nhiệt độ làm nguội ổn định và kiểm soát chặt chẽ là yếu tố quan trọng để đảm bảo quy trình sản xuất ổn định, lặp lại được và giảm thiểu biến động trong chất lượng sản phẩm.

Phương pháp làm nguội khuôn đúng cách mang lại nhiều lợi ích quan trọng, nhưng cũng là thách thức lớn đối với kỹ sư Nhóm sinh viên đã chọn đề tài "Khảo sát phân bố nhiệt độ tấm khuôn khi dùng các kênh giải nhiệt dạng layer" cho chương trình tốt nghiệp, không chỉ để hoàn thành học tập mà còn phục vụ cho các nghiên cứu sau này Quá trình thực hiện đề tài giúp sinh viên phát triển kỹ năng nghiên cứu, phân tích và giải quyết vấn đề, những kỹ năng thiết yếu cho sự nghiệp tương lai Trong bối cảnh công nghệ phát triển nhanh chóng và yêu cầu chất lượng sản phẩm ngày càng cao, nghiên cứu và phát triển các phương pháp kiểm soát nhiệt độ hiệu quả trở nên cấp thiết Đề tài cũng giúp sinh viên tiếp cận công nghệ và phần mềm mới nhất trong mô phỏng nhiệt và thiết kế kênh giải nhiệt, từ đó nâng cao khả năng ứng dụng công nghệ trong thực tiễn.

Sản phẩm không chỉ có tính ứng dụng cao và tiềm năng nghiên cứu lớn, mà còn đáp ứng nhu cầu của thị trường và xu hướng phát triển của ngành công nghiệp hiện đại.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.2.1 Ý nghĩa khoa học Ý nghĩa khoa học của đề tài "Khảo sát phân bố nhiệt độ tấm khuôn khi dùng các kênh giải nhiệt dạng layer" thể hiện ở nhiều khía cạnh quan trọng:

Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế truyền nhiệt và phân bố nhiệt độ trong tấm khuôn khi sử dụng các kênh giải nhiệt dạng layer, từ đó mở rộng kiến thức lý thuyết về nhiệt động lực học và cơ học chất rắn, đặc biệt trong ứng dụng thực tiễn của các quy trình sản xuất công nghiệp.

Đề tài này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển và ứng dụng các phương pháp mô phỏng số và phân tích nhiệt, nhờ vào việc sử dụng phần mềm mô phỏng hiện đại để phân tích sự phân bố nhiệt độ Điều này không chỉ nâng cao độ chính xác và hiệu quả của các nghiên cứu liên quan mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong ngành công nghiệp.

Nghiên cứu này sẽ cung cấp kiến thức mới về thiết kế và tối ưu hóa kênh giải nhiệt, tạo nền tảng khoa học vững chắc cho việc phát triển các hệ thống giải nhiệt hiệu quả hơn Kết quả nghiên cứu không chỉ nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm công nghiệp mà còn có giá trị ứng dụng lớn, góp phần thúc đẩy sự phát triển của các ngành công nghiệp liên quan.

Đề tài này không chỉ giúp sinh viên phát triển kỹ năng nghiên cứu mà còn trang bị cho họ khả năng sử dụng công nghệ hiện đại, từ đó nâng cao khả năng phân tích và giải quyết vấn đề Đây là nền tảng thiết yếu cho sự phát triển của sinh viên trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học và ứng dụng trong tương lai.

1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa thực tiễn của đề tài "Khảo sát phân bố nhiệt độ tấm khuôn khi dùng các kênh giải nhiệt dạng layer" rất đa dạng và sâu rộng Trước hết, việc kiểm soát nhiệt độ tấm khuôn hiệu quả giúp giảm thiểu các khuyết tật trên sản phẩm như co rút, biến dạng, và nứt gãy, từ đó nâng cao chất lượng và độ đồng đều của các sản phẩm công nghiệp, đặc biệt trong ngành ép phun nhựa Thêm vào đó, sử dụng các kênh giải nhiệt dạng layer có thể rút ngắn thời gian làm mát và chu kỳ sản xuất, tăng năng suất và giảm thời gian chờ đợi, giúp doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả kinh tế Việc thiết kế các kênh giải nhiệt hiệu quả cũng giúp giảm lượng năng lượng cần thiết cho quá trình làm mát, tiết kiệm chi phí vận hành và giảm tác động môi trường Kết quả nghiên cứu còn cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và tối ưu hóa các kênh giải nhiệt trong tấm khuôn,

Đề tài này hỗ trợ các kỹ sư và nhà thiết kế trong việc cải tiến sản phẩm hiện có và phát triển các giải pháp sáng tạo, đồng thời thúc đẩy ứng dụng công nghệ và phần mềm mô phỏng tiên tiến trong phân tích nhiệt độ và thiết kế kênh giải nhiệt Quá trình thực hiện giúp sinh viên và nhà nghiên cứu nâng cao kỹ năng thực hành, từ việc sử dụng công cụ mô phỏng hiện đại đến phân tích và giải quyết vấn đề thực tiễn trong sản xuất Kết quả nghiên cứu không chỉ nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất của doanh nghiệp mà còn tăng cường khả năng cạnh tranh trên thị trường và phát triển sản phẩm mới với chất lượng vượt trội.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng khi dùng các kênh giải nhiệt dạng layer

- Ứng dụng ANN trong dự đoán thực nghiệm đo phân bố nhiệt độ của tấm khuôn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Hệ thống kênh giải nhiệt dạng layer cho khuôn ép phun sản phẩm 2D

- Hệ thống kênh giải nhiệt dạng layer cho khuôn ép phun sản phẩm 3D

- Phân bố nhiệt độ của lòng khuôn ép nhựa

- Phương pháp mô phỏng trong phần mềm mô phẩm ANSYS

- Mô hình tính toán ANN vào việc dự đoán kết quả thực nghiệm

- Nghiên cứu về cầu tạo khuôn ép phun

- Cấu tạo của kênh giải nhiệt dạng layer

- Phương pháp gia công khuôn bằng WAAM

- Module CFX trong phầm mềm ANSYS

- Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt trong lòng khuôn

- Phần mềm Matlab trong dự đoán ANN

- Nghiên cứu và sử dụng các thiế bị phục bụ cho thí nghiệm: Máy chụp phân bố nhiệt độ, (Fluke TiS20), máy làm lạnh nước, máy gia nhiệt

Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận

Phương pháp nghiên cứu trong đề tài "Khảo sát phân bố nhiệt độ tấm khuôn khi dùng các kênh giải nhiệt dạng layer" được thực hiện qua các giai đoạn và quy trình chi tiết nhằm đảm bảo tính khoa học và độ tin cậy của kết quả.

- Xác định vấn đề cần nghiên cứu

- Lựa chọn phương pháp nghiên cứu

- Đưa ra kết luận và kiến nghị

- Tổng hợp và viết báo cáo

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu về lý thuyết khuôn ép nhựa, kênh giải nhiệt dạng layer và gia công bằng phương pháp WAAM

- Nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành đo thực nghiệm phân bố nhiệt độ với các nhiệt độ và thời gian khác nhau

- Phương pháp mô phỏng: Xây dựng được hệ thống mô phỏng dùng trong việc khảo sát phân bố nhiệt độ

Phương pháp phân tích dữ liệu kết hợp dữ liệu thực nghiệm và dữ liệu mô phỏng nhằm phân tích và so sánh các trường hợp thí nghiệm đã thu được Việc áp dụng phương pháp này giúp nâng cao độ chính xác trong việc đánh giá kết quả nghiên cứu.

Kết cấu của đồ án tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp gồm 7 chương sau:

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 4: Mô hình thí nghiệm và thiết kế mô hình mô phỏng

Chương 5: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Chương 6: Ứng dụng ANN trong dự đoán khảo sát phân bố nhiệt độ

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Giới thiệu

Hiện nay, nhiều nghiên cứu trên thế giới và trong nước đã được thực hiện về hệ thống giải nhiệt cho khuôn với các thiết kế và phương pháp khác nhau Nghiên cứu này tập trung vào thiết kế kênh dẫn dạng layer và phương pháp giải nhiệt bằng dung dịch nước nóng Để tránh hiểu nhầm về định nghĩa của đề tài và phương pháp thí nghiệm, nhóm đã phân biệt rõ hai khái niệm "giải nhiệt" trong tên đề tài và "gia nhiệt" được sử dụng trong nội dung báo cáo.

Giải nhiệt, hay còn gọi là cooling, là hệ thống giúp hạ nhiệt độ của sản phẩm từ trạng thái nóng chảy (melt) xuống trạng thái rắn (solid).

Gia nhiệt (phương pháp giải nhiệt bằng nước nóng cho khuôn) tức là gia nhiệt cho khuôn từ nhiệt độ môi trường lên nhiệt độ cao hơn môi trường

Gia nhiệt bằng nước nóng là phương pháp hiệu quả để nâng cao nhiệt độ khuôn, sử dụng nước nóng để truyền nhiệt qua các ống dẫn Phương pháp này giúp đảm bảo sự đồng đều nhiệt độ trên toàn bề mặt khuôn, ngăn ngừa thất thoát nhiệt và biến dạng không mong muốn, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm.

Trong quá trình gia nhiệt khuôn bằng nước nóng, thời gian làm nóng là yếu tố then chốt cần được điều chỉnh phù hợp với loại chất liệu và kích thước của khuôn để đảm bảo toàn bộ khuôn đạt nhiệt độ cần thiết Thời gian làm nóng quá ngắn có thể dẫn đến sản phẩm không đạt chất lượng, trong khi thời gian quá dài gây lãng phí năng lượng và ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất Ngoài ra, việc duy trì nhiệt độ ổn định và chính xác trong suốt quá trình sản xuất cũng rất quan trọng Sự không ổn định nhiệt độ có thể gây ra biến dạng và các vấn đề chất lượng khác cho sản phẩm cuối cùng Do đó, các hệ thống gia nhiệt thường được trang bị thiết bị điều khiển tự động và cảm biến nhiệt độ, giúp giám sát và điều chỉnh nhiệt độ một cách liên tục và chính xác.

Tiết kiệm năng lượng là một thách thức quan trọng trong gia nhiệt khuôn, giúp giảm chi phí sản xuất và bảo vệ môi trường Hệ thống gia nhiệt hiện đại được thiết kế tối ưu, sử dụng bơm tuần hoàn để tái sử dụng nước nóng, từ đó giảm thiểu lãng phí nhiệt.

Gia nhiệt khuôn bằng nước nóng là phương pháp an toàn và hiệu quả, giúp phân phối nhiệt độ đều và kiểm soát chính xác mức nhiệt Phương pháp này tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng trong quá trình sản xuất.

6 năng lượng Điều này giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất trong các ngành công nghiệp sử dụng khuôn.

Kết cấu của bộ khuôn

Hình 2.1 Mô hình khuôn sau khi thiết kế

Hình 2.2 Mô hình phân rã của khuôn

Trong quá trình lắp ráp, các linh kiện quan trọng bao gồm lò xò hồi (1), ty giật đuôi keo (2), và tấm giữ (3) cần được chú ý Ngoài ra, các loại vít như vít lục giác M10x120 (4), vít lục giác M10x100 (10), và vít lục giác M10x25 (11) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các bộ phận Tấm đẩy (5) và chốt dẫn hướng (6) hỗ trợ trong việc định vị chính xác, trong khi gối đỡ (8) giúp nâng đỡ cấu trúc Các vít lục giác M5x30 (7) và M6x10 (12) cũng cần thiết để hoàn thiện lắp ráp, cùng với bạc cuốn phun (13) và vòng (14) để đảm bảo hoạt động trơn tru Tấm kẹp dưới (9) cũng không thể thiếu trong quá trình này.

7 định vị, (15) Tấm kẹp trên, (16)Bạc dẫn hướng, (17) Cavity, (18) Core, (19) Tấm đỡ, (20) Vít lục giác M10x55.

Các nghiên cứu liên quan tới đề tài

2.3.1 Nghiên cứu ngoài nước Ở các nước phát triển, lĩnh vực mô phỏng phân bố nhiệt độ khuôn phun nhựa đã được nghiên cứu rất sâu rộng Các phần mềm mô phỏng chuyên dụng cao cấp như Moldflow, Moldex3D được sử dụng rộng rãi để dự báo nhiệt độ trong khuôn Kết hợp với thực nghiệm và tối ưu hóa thiết kế, mô phỏng đóng vai trò then chốt trong việc cải thiện các thông số công nghệ, nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa Đây được xem là hướng nghiên cứu tiên phong góp phần đưa ngành công nghiệp nhựa các nước lên tầm cao mới Đề tài nghiên cứu “A Design Optimization Methodology Applied to Conformal Cooling Channels in Injection Molds: 2D Transient Heat Transfer Analysis” của nhóm tác giả Hugo Miguel Silva, João Tiago Noversa, Leandro Fernandes, Hugo Luís Rodrigues and António José Pontes đã tập trung vào việc tối ưu hóa khuôn phun, với mục tiêu tối ưu hóa vị trí của các kênh làm mát để giảm thời gian phóng và tăng độ đồng đều phân bố nhiệt độ Nghiên cứu sử dụng kênh làm mát Conformal cooling channels (CCCs) giúp hiệu suất làm mát tốt hơn các kênh làm mát dạng khoan thẳng thông thường CCCs có thể được sử dụng để giảm ứng suất nhiệt và cong vênh đồng thời giảm thời gian chu kỳ tạo ra sự phân bố nhiệt độ đồng đều hơn

Hình 2.3 Phân bố nhiệt độ thu được trong mô hình trong thời gian t = 6 s[8]

Hình 2.4 Phân bố nhiệt độ thu được trong mô hình trong thời gian t = 30 s [8]

Nghiên cứu cho thấy việc sử dụng kênh làm mát đã tối ưu hóa hiệu suất làm mát lên đến 40% trong mô hình này Quy trình tối ưu hóa phát triển có thể áp dụng cho bất kỳ bộ phận nào, trong mọi kích thước khuôn mẫu và số lượng kênh làm mát Trong tương lai, các kênh làm mát thích hợp có thể được sản xuất bằng công nghệ in 3D và tiến hành thử nghiệm thực nghiệm Phương pháp này cũng có thể áp dụng cho các khuôn có sự khác biệt về nhiệt độ, số lượng kênh làm mát và kích thước khuôn.

Nghiên cứu trong nước về đề tài “Tối đa hóa hiệu năng của hệ thống làm mát khuôn đúc ép phun nhựa chế tạo bằng công nghệ in 3D kim loại” của tác giả Đặng Xuân Phương với Hệ thống kênh làm mát truyền thống chế tạo bằng phương pháp khoan lỗ thẳng không đảm bảo được việc làm nguội nhanh và đồng đều đối với các sản phẩm nhựa có hình dáng hình học phức tạp Nghiên cứu này đã trình bày hệ thống kênh làm mát theo đường cong bám theo bề mặt của lòng khuôn (conformal cooling channel), được chế tạo bằng phương pháp in 3D kim loại nung chảy bằng tia laser Phương pháp tính toán thiết kế hệ thống làm mát tối ưu cả về hiệu năng cũng như đảm bảo tính công nghệ trong kết cấu đối với phương pháp in 3D được giới thiệu thông qua một ví dụ minh họa của cho một sản phẩm nhựa Để tối ưu hóa hệ thống làm mát khuôn, các phương pháp giải tích, kinh nghiệm thiết kế cũng như các công cụ phân tích mô phỏng bằng máy tính (CAE) được sử dụng một cách kết hợp Kết quả nghiên cứu cho thấy, khả năng tăng được hiệu quả làm mát nếu sử dụng hệ thống làm nguội mới phụ thuộc vào độ phức tạp của sản phẩm đúc Nghiên cứu cho thấy, với chi tiết có hình dáng phức tạp đối với hệ thống làm mát truyền thống, nếu thiết kế kênh làm mát tối ưu có thể giảm thời gian làm nguội sản phẩm đến 50%, bên cạnh đó, chất lượng sản phẩm cũng tốt hơn

Hình 2.5 Hình ảnh minh họa sản phẩm[5]

Khi thiết kế hệ thống làm mát bám theo bề mặt khuôn chế tạo bằng công nghệ in 3D, câu hỏi quan trọng là xác định mức độ giảm thời gian làm mát so với hệ thống truyền thống Hiệu quả kỹ thuật của hệ thống này sẽ được tính toán dựa trên tỷ lệ giảm thời gian làm nguội Đồ thị trong hình 2 chỉ ra rằng, với nhiệt độ khuôn cao, việc thiết kế hệ thống làm mát phù hợp có thể giúp giảm đáng kể thời gian làm nguội.

Hình 2.6 Biểu đồ mối quan hệ giữa thời gian làm nguội và nhiệt độ khuôn[5]

Hình 2.7 Kênh làm mát truyền thống (a), sự phân bố nhiệt độ trong lòng khuôn: phần khuôn cái (b) và phần khuôn đực (c) thu được bằng mô phỏng[5]

Hình 2.8 Hình kết quả mô phỏng sự phân bố nhiệt độ trên lõi khuôn với hệ thống làm mát bám theo bề mặt cong chi tiết[5]

Nghiên cứu cho thấy thời gian làm nguội đã giảm 50%, từ 20 giây xuống còn khoảng 10 giây, mang lại hiệu quả kỹ thuật đáng kể Việc rút ngắn thời gian làm nguội không chỉ giảm thời gian chu kỳ sản phẩm mà còn tiết kiệm thời gian, năng lượng và hạ giá thành sản phẩm.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về khuôn phun ép nhựa

Khuôn là thiết bị thiết yếu trong sản xuất sản phẩm nhựa, với nhiều phương pháp chế tạo, nhưng phổ biến nhất là phương pháp định hình Khuôn được thiết kế dựa trên sản phẩm mong muốn, phục vụ cho các chu trình sản xuất cụ thể, như sản xuất các bộ phận nhựa cho ô tô, vỏ điện thoại di động, hoặc sản phẩm gia dụng Việc chế tạo khuôn có thể phục vụ cho một lần hoặc nhiều lần sản xuất.

Kết cấu và kích thước khuôn được xác định bởi nhiều yếu tố, bao gồm loại sản phẩm, vật liệu nhựa, yêu cầu sản xuất và số lượng sản phẩm cần ép Thiết kế khuôn cho sản xuất hàng loạt thường yêu cầu khuôn bền hơn và kích thước lớn hơn để đảm bảo tuổi thọ Các yếu tố khác như thông số kỹ thuật sản phẩm, chế độ gia công vật liệu khuôn, kích thước và công suất máy phun ép cũng ảnh hưởng đến kết cấu và kích thước khuôn Khuôn phun ép nhựa được chia thành nhiều bộ phận khác nhau, nhưng có thể phân loại thành các phần chính.

- Cavity (khuôn cái, khuôn cố định): gá cố định trên phần cố định của máy ép nhựa

- Core (khuôn đực, khuôn di động): gá cố định trên phần di động của máy ép nhựa

Khoảng trống giữa cavity và core là không gian quan trọng nơi nhựa nóng chảy được ép vào để hình thành sản phẩm, quyết định chất lượng và đặc tính của sản phẩm cuối cùng Khi nhựa nóng chảy được bơm vào, nó sẽ lấp đầy khoảng trống và sau khi làm mát, nhựa sẽ cứng lại theo hình dạng đã định Cuối cùng, sản phẩm được lấy ra thông qua hệ thống lấy sản phẩm của máy ép nhựa.

Trong khuôn ép nhựa, lòng khuôn (khuôn âm) tạo hình dạng bên ngoài sản phẩm, trong khi lõi (khuôn dương) định hình bên trong sản phẩm Một bộ khuôn có thể bao gồm nhiều lòng khuôn và lõi tùy thuộc vào mục đích sử dụng Bề mặt tiếp xúc giữa lòng khuôn và lõi được gọi là mặt phân khuôn.

Lòng khuôn Mặt phân khuôn Khuôn dương

Hình 3.1 Khuôn âm và khuôn dương ở trạng thái đóng[2]

3.1.2 Phân loại khuôn a) Khuôn 2 tấm

Khuôn 2 tấm là loại khuôn phun ép nhựa phổ biến và cơ bản nhất, sử dụng hệ thống kênh dẫn nguội với kênh dẫn nằm ngang mặt phân khuôn Nhựa được bơm vào từ bên hông sản phẩm, và khi khuôn mở, chỉ có một khoảng mở để lấy sản phẩm và kênh dẫn nhựa ra.

Trong khuôn 2 tấm, có thể thiết kế cổng vào nhựa cho phép sản phẩm và kênh dẫn nhựa (xương keo) tự động tách ra hoặc giữ nguyên khi được lấy ra khỏi khuôn.

Phương pháp khuôn 2 tấm là lựa chọn phổ biến và hiệu quả trong sản xuất sản phẩm nhựa, phù hợp với nhu cầu sản xuất hàng loạt và đơn giản Thiết kế và vận hành của khuôn này dễ dàng, cùng với chi phí thấp, khiến nó trở thành giải pháp tối ưu cho ứng dụng công nghiệp.

Hình 3.2 Khuôn 2 tấm có nhiều lòng khuôn[2] Ưu điểm:

Khuôn ép nhựa 2 tấm có thiết kế đơn giản, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế, gia công và lắp ráp so với các loại khuôn nhiều tấm phức tạp hơn.

Khuôn 2 tấm có chi phí gia công và sản xuất thấp hơn nhờ vào cấu trúc đơn giản, giúp doanh nghiệp tiết kiệm đáng kể chi phí đầu tư ban đầu.

Khuôn 2 tấm dễ bảo trì và sửa chữa nhờ thiết kế đơn giản với ít chi tiết phức tạp, giúp giảm thời gian ngừng máy và chi phí bảo trì hiệu quả.

Với thiết kế đơn giản, khuôn 2 tấm giúp rút ngắn thời gian chu kỳ sản xuất, từ đó nâng cao hiệu suất và năng suất trong quá trình sản xuất.

- Phù hợp với các sản phẩm đơn giản: Khuôn 2 tấm thường được sử dụng để sản xuất các sản phẩm có hình dạng đơn giản, không quá phức tạp

Khuôn 2 tấm không thích hợp cho việc sản xuất sản phẩm có hình dạng và cấu trúc phức tạp, như các sản phẩm lõi rỗng hoặc chi tiết với nhiều bề mặt phức tạp Điều này làm giảm khả năng sản xuất các sản phẩm đa dạng và phức tạp.

Khuôn 2 tấm thường gặp khó khăn trong việc đảm bảo chất lượng bề mặt sản phẩm, đặc biệt ở những vị trí khó tiếp cận như góc cạnh và chi tiết nhỏ Điều này có thể dẫn đến bề mặt sản phẩm không đồng đều, không đạt yêu cầu về thẩm mỹ và chất lượng.

Việc sử dụng kênh dẫn lạnh sẽ tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn so với kênh dẫn nóng, do phần xương keo không thể tái sử dụng cho lần phun tiếp theo như trong kênh dẫn nóng.

Khuôn 2 tấm là công cụ phổ biến trong sản xuất các chi tiết nhựa đơn giản như nắp chai và hộp đựng Những sản phẩm này thường có bề mặt phẳng, không yêu cầu các chi tiết nhỏ hay hình học phức tạp.

Hệ thống kênh giải nhiệt

3.2.1 Tổng quan về kênh giải nhiệt a Cấu tạo

Kênh giải nhiệt, hay hệ thống làm mát khuôn, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nhiệt độ ổn định trong sản xuất, đặc biệt trong ngành công nghiệp nhựa Hệ thống này được thiết kế với cấu tạo cơ bản nhằm đảm bảo hiệu quả làm mát và tăng cường chất lượng sản phẩm.

Vật liệu thường được sử dụng để chế tạo khuôn làm mát bao gồm thép không gỉ, nhôm và đồng, nhờ vào khả năng dẫn nhiệt tốt của chúng Những vật liệu này giúp tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt từ khuôn ra chất làm mát, đảm bảo hiệu quả làm mát tối ưu.

Kênh dẫn nhiệt có thể được thiết kế theo nhiều hình dạng như thẳng, uốn lượn, xoắn ốc hoặc dạng layer, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của quá trình sản xuất Những kênh này có thể được khoan hoặc gia công trực tiếp vào khuôn.

− Cổng vào và ra của chất làm mát:

Cổng vào là vị trí nơi chất làm mát, thường là nước hoặc dầu, được bơm vào hệ thống kênh giải nhiệt Thiết kế và vị trí của cổng vào được tối ưu hóa nhằm đảm bảo dòng chất làm mát lưu thông hiệu quả qua toàn bộ kênh dẫn.

Cổng ra là vị trí mà chất làm mát, sau khi hấp thụ nhiệt từ khuôn, được xả ra để tái tuần hoàn hoặc xử lý nhiệt tiếp theo Để tối ưu hóa hiệu quả làm mát, cổng ra thường được đặt đối diện hoặc cách xa cổng vào.

− Máy bơm và hệ thống tuần hoàn chất làm mát:

+ Máy bơm: Có chức năng đẩy chất làm mát qua các kênh dẫn với áp suất đủ lớn để đảm bảo lưu thông hiệu quả và liên tục

Hệ thống tuần hoàn bao gồm các ống dẫn và thiết bị để đưa chất làm mát trở lại sau khi đã hấp thụ nhiệt, giúp tiết kiệm năng lượng và tối ưu hóa việc sử dụng chất làm mát.

− Thiết bị kiểm soát nhiệt độ:

Cảm biến nhiệt độ được lắp đặt tại những vị trí chiến lược nhằm đo nhiệt độ của khuôn và chất làm mát, đảm bảo rằng quá trình làm mát được kiểm soát một cách chặt chẽ.

Van điều khiển là thiết bị quan trọng trong hệ thống kênh dẫn, giúp điều chỉnh lưu lượng chất làm mát, từ đó duy trì nhiệt độ mong muốn cho quá trình hoạt động hiệu quả.

Để bảo vệ khuôn ép nhựa khỏi hư hỏng và kéo dài tuổi thọ, việc duy trì nhiệt độ ổn định là rất quan trọng Kênh giải nhiệt đóng vai trò then chốt trong việc kiểm soát nhiệt độ cao trong quá trình ép nhựa, giúp ngăn ngừa tình trạng quá nóng cho khuôn.

Cải thiện chất lượng sản phẩm nhựa phụ thuộc vào việc duy trì nhiệt độ khuôn ổn định và được kiểm soát tốt Điều này đảm bảo sản phẩm có chất lượng cao, đồng nhất và không gặp phải lỗi do nhiệt độ không đồng đều Sản phẩm cuối cùng sẽ có bề mặt mịn màng, không khuyết tật như bọt khí, lỗ hổng hay vết nứt.

Kênh giải nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc tăng tốc độ sản xuất bằng cách giảm thời gian làm nguội của sản phẩm trong khuôn Nhờ đó, chu kỳ sản xuất được rút ngắn, dẫn đến năng suất và hiệu quả sản xuất cao hơn Việc này không chỉ giảm thời gian chờ đợi mà còn gia tăng số lượng sản phẩm được sản xuất trong một khoảng thời gian nhất định.

Quá trình làm nguội không đồng đều có thể gây ra hiện tượng co ngót và biến dạng cho sản phẩm nhựa Để khắc phục vấn đề này, việc kiểm soát nhiệt độ khuôn một cách hiệu quả là rất quan trọng Hệ thống kênh giải nhiệt giúp giảm thiểu sự co ngót và biến dạng, đảm bảo rằng sản phẩm đạt kích thước và hình dạng chính xác theo thiết kế.

Hệ thống kênh giải nhiệt hiệu quả giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành bằng cách tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng Bằng cách duy trì nhiệt độ khuôn ở mức phù hợp, hệ thống này không chỉ đảm bảo hiệu suất sản xuất mà còn giảm thiểu tiêu hao năng lượng trong quá trình sản xuất.

Kênh giải nhiệt cho khuôn ép nhựa đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất nhựa, với các chức năng chính như sau:

− Gia nhiệt cho khuôn từ nhiệt độ môi trường lên nhiệt độ cao:

Chức năng gia nhiệt của kênh giải nhiệt là rất quan trọng, giúp khuôn đạt nhiệt độ làm việc tối ưu trước khi nhựa nóng chảy được ép vào Việc gia nhiệt đồng đều không chỉ tránh các điểm lạnh trên bề mặt khuôn mà còn đảm bảo chất lượng và độ hoàn thiện của sản phẩm nhựa.

Điều chỉnh nhiệt độ ban đầu là bước quan trọng trong quá trình chuẩn bị khuôn ép nhựa Khi khuôn bắt đầu từ nhiệt độ môi trường, kênh giải nhiệt sẽ giúp gia nhiệt nhanh chóng và đồng đều đến nhiệt độ làm việc yêu cầu Việc này đảm bảo rằng nhựa được trải đều và không bị đông cứng sớm, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Phương pháp gia công khuôn bằng WAAM

Phương pháp gia công khuôn bằng WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) là công nghệ sản xuất tiên tiến, sử dụng hàn hồ quang và dây kim loại để tạo ra các chi tiết từ từng lớp một WAAM là một trong những phương pháp in 3D trong ngành sản xuất đắp lớp, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong chế tạo khuôn mẫu và các chi tiết kỹ thuật cao.

Kỹ thuật sản xuất hàn đắp đang thu hút sự chú ý trong ngành công nghiệp nhờ khả năng chế tạo các chi tiết kim loại lớn với chi phí thấp và thời gian ngắn Công nghệ này tương tự như in 3D kim loại dựa trên bột kim loại, nhưng khác biệt ở chỗ WAAM sử dụng hồ quang điện để làm chảy dây kim loại, trong khi các công nghệ in khác dùng chùm tia điện tử hoặc laser.

Công nghệ WAAM sản xuất sản phẩm gần như chính xác với thiết kế ban đầu, sau đó được gia công CNC để đảm bảo chất lượng bề mặt và kích thước hình học Phương pháp này, được xem như một giải pháp tạo phôi vạn năng, giúp giảm thời gian gia công, tiết kiệm vật liệu và nâng cao năng suất.

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) là công nghệ sản xuất tiên tiến, sử dụng hàn hồ quang và dây kim loại để tạo ra chi tiết từ từng lớp một Bài viết này sẽ phân tích chi tiết nguyên lý hoạt động của WAAM, bao gồm các thành phần chính, quy trình vận hành, các yếu tố ảnh hưởng và những lợi ích nổi bật của phương pháp này.

Phương pháp gia công WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) sử dụng hàn hồ quang và dây kim loại để tạo ra các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao Nguyên lý hoạt động của WAAM dựa vào việc kiểm soát chặt chẽ các thông số quá trình và áp dụng hệ thống điều khiển tiên tiến nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm.

WAAM hoạt động dựa trên nguyên lý lắp ghép từng lớp vật liệu kim loại thông qua quá trình hàn hồ quang Quá trình này bao gồm các bước chính như sau:

Thiết kế mô hình 3D là quá trình tạo ra các chi tiết hoặc khuôn mẫu thông qua phần mềm CAD (Computer-Aided Design) Sau đó, mô hình này được chuyển đổi thành dữ liệu số để máy in WAAM có thể đọc và thực hiện in 3D.

Khi chọn vật liệu cho sản phẩm, dây kim loại là lựa chọn chính, với các loại như thép, nhôm, titanium hoặc hợp kim niken, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng sản phẩm.

Máy WAAM được cài đặt và lập trình dựa trên mô hình 3D đã thiết kế, với các thông số quan trọng như tốc độ nạp dây, dòng điện hồ quang và tốc độ di chuyển của đầu in được điều chỉnh để đảm bảo quá trình hàn và đắp lớp diễn ra chính xác và ổn định.

Quá trình đắp lớp bắt đầu bằng việc nạp dây kim loại vào đầu in và làm nóng chảy bằng hồ quang điện Kim loại nóng chảy được đắp lên bề mặt nền tảng theo từng lớp mỏng dưới tác dụng của hồ quang Mỗi lớp nguội đi và cứng lại trước khi lớp tiếp theo được thêm vào, từ đó tạo thành cấu trúc 3D theo thiết kế.

Hoàn thiện bề mặt là bước quan trọng sau khi đắp lớp, giúp loại bỏ khuyết tật và nâng cao độ chính xác của sản phẩm Quá trình này thường bao gồm các phương pháp gia công truyền thống như phay, tiện, mài và đánh bóng để đạt được bề mặt hoàn hảo.

3.3.3 Ứng dụng trong khuôn phun ép nhựa

Phương pháp Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) đang trở nên phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong gia công khuôn ép nhựa WAAM mang lại nhiều ứng dụng cụ thể và lợi ích vượt trội, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả kinh tế trong lĩnh vực này.

- Thiết kế và sản xuất khuôn phức tạp :

WAAM cho phép sản xuất các khuôn có hình dạng phức tạp mà các phương pháp gia công truyền thống khó thực hiện Khả năng đắp lớp linh hoạt của WAAM giúp tạo ra cấu trúc phức tạp với độ chính xác cao mà không cần gia công bổ sung.

+ Ưu điểm: Tạo ra các khuôn mẫu có thiết kế phức tạp, giảm số lượng các bộ phận lắp ráp, tối ưu hóa cấu trúc và giảm trọng lượng

Ứng dụng của khuôn ép nhựa rất đa dạng, bao gồm sản xuất cho ngành công nghiệp ô tô, hàng không và các sản phẩm tiêu dùng Những khuôn này thường có thiết kế phức tạp và yêu cầu cao về tính thẩm mỹ, đảm bảo chất lượng và hiệu suất trong quá trình sản xuất.

- Sản xuất khuôn tùy chỉnh và thử nghiệm :

WAAM là công nghệ hiệu quả cho việc sản xuất khuôn tùy chỉnh theo yêu cầu cụ thể của khách hàng hoặc cho mục đích thử nghiệm Với khả năng sản xuất nhanh chóng, WAAM cho phép tạo ra các mẫu khuôn để kiểm tra và điều chỉnh thiết kế một cách linh hoạt trước khi bắt đầu quy trình sản xuất hàng loạt.

Tổng quan về CAE

CAE (Kỹ thuật hỗ trợ máy tính) là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật số, tập trung vào việc ứng dụng phần mềm máy tính để hỗ trợ thực hiện các nhiệm vụ kỹ thuật.

CAE bao gồm các công cụ và phương pháp nhằm mô phỏng, phân tích và tối ưu hóa các thiết kế kỹ thuật

CAE cho phép mô phỏng các hiện tượng vật lý như động lực học, nhiệt động học, cơ học chất lỏng và điện từ học, giúp kỹ sư dự đoán hành vi sản phẩm trong nhiều điều kiện khác nhau mà không cần tạo mẫu thử nghiệm vật lý.

Phần mềm CAE cho phép phân tích các đặc tính kỹ thuật của sản phẩm, bao gồm các loại phân tích phổ biến như phân tích ứng suất, phân tích động lực học, phân tích nhiệt và phân tích dòng chảy chất lỏng.

CAE giúp tối ưu hóa thiết kế sản phẩm nhằm đạt được các mục tiêu hiệu suất cụ thể Bằng cách áp dụng các thuật toán tối ưu hóa, kỹ sư có khả năng xác định cấu hình thiết kế tối ưu dựa trên các tiêu chí như trọng lượng, độ bền và hiệu quả năng lượng.

CAE hỗ trợ các kỹ sư trong việc thiết kế sản phẩm mới một cách nhanh chóng và hiệu quả Các công cụ mô phỏng và phân tích cho phép kiểm tra và tinh chỉnh thiết kế trước khi sản xuất, từ đó giảm thiểu thời gian và chi phí phát triển sản phẩm.

Các công cụ CAE đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm tra và xác nhận hiệu suất sản phẩm dưới các điều kiện làm việc thực tế Việc này đảm bảo rằng sản phẩm hoạt động đúng như mong đợi và đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn cũng như chất lượng.

CAE không chỉ đóng vai trò quan trọng trong thiết kế sản phẩm mà còn trong việc phát triển quy trình sản xuất Các công cụ mô phỏng quy trình giúp tối ưu hóa từng bước sản xuất, giảm thiểu lãng phí và nâng cao hiệu suất tổng thể.

CAE cung cấp công cụ mạnh mẽ cho việc phân tích và tối ưu hóa thiết kế sản phẩm hiện có Thông qua các phương pháp như phân tích động lực học và phân tích nhiệt, kỹ sư có thể xác định các giải pháp cải thiện hiệu suất và độ bền của sản phẩm.

CAE giúp tiết kiệm thời gian và chi phí bằng cách mô phỏng và phân tích thiết kế trước khi sản xuất, giảm thiểu số lần thử nghiệm vật lý và rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm.

Cải thiện chất lượng sản phẩm là một trong những lợi ích quan trọng của các công cụ CAE, giúp kiểm tra và tối ưu hóa thiết kế, từ đó nâng cao độ bền và chất lượng sản phẩm.

CAE tạo ra một môi trường ảo cho phép thử nghiệm ý tưởng mới mà không cần mẫu vật lý, từ đó thúc đẩy sự sáng tạo và đổi mới trong thiết kế sản phẩm.

3.4.5 Chọn phần mềm CAE: ANSYS

Trong số các phần mềm CAE phổ biến như Abaqus, SolidWorks Simulation, COMSOL

Multiphysics và NASTRAN, nhóm chọn ANSYS cho đề tài này vì những lý do sau:

ANSYS mang đến khả năng mô phỏng toàn diện với bộ công cụ đa dạng, bao gồm phân tích nhiệt, cơ học, động lực học chất lỏng và phân tích điện từ, đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu của dự án.

− Độ chính xác cao: ANSYS sử dụng các thuật toán tiên tiến, giúp đạt được độ chính xác cao trong các bài toán mô phỏng, a Giới thiệu về ANSYS

ANSYS là phần mềm CAE hàng đầu thế giới, cung cấp giải pháp mô phỏng kỹ thuật toàn diện cho nhiều ngành công nghiệp như hàng không, ô tô, điện tử, y tế và năng lượng Phần mềm này hỗ trợ kỹ sư và nhà khoa học trong việc mô phỏng, phân tích và tối ưu hóa các thiết kế kỹ thuật phức tạp, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của sản phẩm.

ANSYS cung cấp một loạt các công cụ và module cho phép mô phỏng các hiện tượng vật lý khác nhau, bao gồm:

− Phân tích ứng suất và biến dạng: Giúp dự đoán và phân tích ứng suất trong các cấu trúc cơ học dưới các điều kiện tải khác nhau

− Phân tích động lực học: Cho phép mô phỏng chuyển động và tương tác giữa các bộ phận trong hệ thống cơ học

− Phân tích nhiệt: Giúp dự đoán và phân tích phân bố nhiệt độ trong các vật thể và hệ thống

− Phân tích điện từ: Cho phép mô phỏng các hiện tượng điện từ trong các thiết bị và hệ thống điện

32 c Khả năng mô phỏng dòng chảy trong ANSYS với module CFX

ANSYS CFX là một module mạnh mẽ trong ANSYS, chuyên dụng cho việc mô phỏng dòng chảy chất lỏng và truyền nhiệt, với nhiều tính năng vượt trội.

ANSYS CFX có khả năng mô phỏng dòng chảy chất lỏng trong các hệ thống phức tạp, bao gồm các dạng dòng chảy như rối, nhiều pha và phản ứng, giúp người dùng phân tích và tối ưu hóa hiệu suất của các ứng dụng kỹ thuật.

− Truyền nhiệt: ANSYS CFX cho phép mô phỏng quá trình truyền nhiệt trong các hệ thống chất lỏng, giúp dự đoán và tối ưu hóa phân bố nhiệt độ

MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG

Kết cấu mô hình khuôn thí nghiệm

4.1.1 Khuôn ép nhựa sản phẩm dạng 2D a Mô hình tấm khuôn âm

Hình 4.1 Tấm khuôn âm dạng sản phẩm 2D

Hình 4.2 Bản vẽ 2D tấm khuôn âm dạng sản phẩm 2D

Hệ thống kênh dẫn dạng layer được thiết kế cho 2 lòng khuôn gồm 1 đầu vào và 1 đầu ra theo dạng nối tiếp

Hình 4.3 Mô tả kênh dẫn nước dạng layer

Hình 4.4 Hệ thống kênh dẫn dạng Layer trên tấm khuôn âm dạng sản phẩm 2D b Mô hình tấm khuôn dương

Hình 4.5 Tấm khuôn dương dạng sản phẩm 2D

Hình 4.6 Bản vẽ 2D tấm khuôn dương dạng sản phẩm 2D

Hệ thống kênh dẫn dạng layer được thiết kế cho 2 lòng khuôn gồm 1 đầu vào và 1 đầu ra theo dạng nối tiếp

Hình 4.8 Hệ thống kênh dẫn dạng Layer trên tấm khuôn dương dạng sản phẩm 2D c Gia công các tấm Insert

Hình 4.9 Tấm Core dạng sản phẩm 2D

Hình 4.10 Tấm Cavity dạng sản phẩm 2D

4.1.2 Khuôn ép nhựa sản phẩm dạng 3D a Mô hình tấm khuôn âm

Hình 4.11 Khối insert tấm khuôn âm trên dạng sản phẩm 3D

Hình 4.12 Khối insert tấm khuôn âm dưới dạng sản phẩm 3D

Hình 4.13 Bản vẽ 2D khối Insert tấm khuôn âm dưới dạng sản phẩm 3D

Hình 4.14 Bản vẽ 2D khối Insert tấm khuôn âm trên dạng sản phẩm 3D

Hệ thống kênh dẫn dạng layer được cấu tạo từ hai tấm khuôn âm kết hợp, với các đường nước ra vào khuôn được sắp xếp theo dạng nối tiếp, nhằm mục đích gia nhiệt hiệu quả cho khuôn.

Hình 4.16 Hệ thống kênh dẫn dạng Layer trên tấm khuôn âm dạng sản phẩm 3D

42 b Thiết kế tấm khuôn dương

Hình 4.17 Khối insert tấm khuôn dương trên dạng sản phẩm 3D

Hình 4.18 Khối insert tấm khuôn dương dưới dạng sản phẩm 3D

Hình 4.19 Bản vẽ 2D khối Insert tấm khuôn dương trên dạng sản phẩm 3D

Hình 4.20 Bản vẽ 2D khối Insert tấm khuôn dương dưới dạng sản phẩm 3D

Hệ thống kênh dẫn dạng layer được cấu tạo từ hai tấm khuôn dương ghép lại, với các đường nước vào và ra được thiết kế theo dạng nối tiếp Mục đích của thiết kế này là để gia nhiệt hiệu quả cho khuôn.

Ron cao su Ron cao su

Hình 4.22 Hệ thống kênh dẫn dạng Layer trên tấm khuôn dương dạng sản phẩm 3D c Gia công các tấm Insert

Hình 4.23 (a) Tấm cavity dưới dạng sản phẩm 3D, (b) Tấm cavity trên dạng sản phẩm 3D

Hình 4.24 (a)Tấm core dưới dạng sản phẩm 3D, (b) Tấm core trên dạng sản phẩm 3D

Hệ thống mô hình thí nghiệm

4.2.1 Thiết bị hỗ trợ thí nghiệm

Bảng 4.1 Các thiết bị thí nghiệm

STT Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm Chức năng

Cung cấp nguồn nước cho máy gia nhiệt

Có chức năng gia nhiệt nguồn nước lên nhiệt độ mong muốn

Có chức năng chụp nhiệt độ trong lòng khuôn khi gia nhiệt

Có chức năng giữ cho máy camera nhiệt Fluke được ổn định

Nối đường nước từ máy gia nhiệt vào lòng khuôn

Có nhiệm vụ bắt đường ống vào trong khuôn

Hình 4.25 Các mô hình thí nghiệm

Quá trình thí nghiệm gồm 3 giai đoạn tuần hoàn: Làm nóng nước → Gia nhiệt cho khuôn → Giải nhiệt cho khuôn Với 3 giai đoạn có 2 hệ thống đường nước:

Máy làm lạnh nước (nguồn nước)

Hình 4.26 Sơ đồ hệ thống đường nước gia nhiệt và giải nhiệt cho khuôn

Máy làm lạnh nước (nguồn nước)

Hình 4.27 Sơ đồ hệ thống đường nước làm nóng và làm nguội nước trong máy gia nhiệt Các bước tiến hành thí nghiệm:

Bước 1: Tiến hành nối đường ống nước vào khuôn

Bước 2: Setup máy 30 o C, khi máy đạt được 30 o C tiến hành xã van cho nước qua khuôn

Bước 3: Khi khuôn ổn định được 30 o C, khoá van setup máy lên giá trị cần gia nhiệt

Bước 4: Khi giá trị thật của máy gia nhiệt đúng giá trị cần thí nghiệm tiến hành xã van

Bước 5: Chụp ảnh nhiệt cứ 30 giây chụp 1 lần chụp đến 240 giây dừng khoá van

Bước 6: Bắt đầu giải nhiệt cho khuôn trở về 30 o C và lặp lại thí nghiệm ở các trường hợp nhiệt độ khác

Sau khi thu thập đủ dữ liệu từ các trường hợp, hãy thay tấm khuôn và tiến hành lặp lại thí nghiệm Tiếp theo, mở file ảnh để ghi lại kết quả thực nghiệm.

4.2.3 Dụng cụ thu thập và xuất dữ liệu thực nghiệm a Camera nhiệt

Camera nhiệt Fluke, sản phẩm của Fluke Corporation, là công cụ quan trọng trong lĩnh vực hình ảnh nhiệt Nó được thiết kế để cung cấp các giải pháp đo lường chính xác và hiệu quả trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Công nghệ hình ảnh nhiệt là một phương pháp tiên tiến mà camera nhiệt Fluke áp dụng để thu thập dữ liệu nhiệt độ Thay vì dựa vào ánh sáng nhìn thấy, thiết bị này sử dụng sự phản xạ nhiệt từ các đối tượng để tạo ra hình ảnh rõ nét, giúp người dùng dễ dàng nhận diện và phân tích nhiệt độ của các bề mặt khác nhau.

Các model của Fluke có độ phân giải đa dạng, từ những thiết bị cơ bản đến các model cao cấp hơn, mang lại độ phân giải cao và khả năng phân tích vượt trội.

- Fluke còn cung cấp phần mềm để phân tích dữ liệu hình ảnh nhiệt và báo cáo kết quả b Phần mềm smartview 4.3

Hình 4.29 Giao diện chính của phần mềm SmartView

Phần mềm Fluke SmartView là công cụ quản lý, phân tích và báo cáo dữ liệu từ các thiết bị kiểm tra hình ảnh hồng ngoại của Fluke Với SmartView, người dùng có thể dễ dàng xử lý và trình bày thông tin một cách hiệu quả.

SmartView là phần mềm quản lý và phân tích hình ảnh nhiệt, cho phép người dùng dễ dàng xem và quản lý các hình ảnh từ máy ảnh nhiệt Fluke Người dùng có thể nhập hình ảnh từ thiết bị vào phần mềm để thực hiện việc phân tích và lưu trữ một cách hiệu quả.

Phần mềm này cung cấp các công cụ mạnh mẽ để phân tích dữ liệu nhiệt độ, cho phép người dùng đo kích thước và khoảng cách, tính toán nhiệt độ trung bình, xác định vùng nóng và lạnh, cũng như phân tích sự chênh lệch nhiệt độ giữa các điểm khác nhau trên hình ảnh.

Cách sử dụng phần mềm SmartView để xuất dữ liệu thực nghiệm:

- Bước 1: Kết nối dữ liệu chụp từ máy ảnh nhiệt của Fluke sang máy tính bằng thẻ nhớ

- Bước 2: Tải hình ảnh vào SmartView

Bước 3: Sau khi tải lên, SmartView sẽ hiển thị hình ảnh nhiệt trên giao diện của nó Bạn có thể phóng to các khu vực cụ thể để xem chi tiết hơn.

Bước 4: Sử dụng SmartView để phân tích dữ liệu nhiệt độ, bao gồm các chức năng như đo kích thước và khoảng cách, đo nhiệt độ trung bình, xác định các vùng nóng và lạnh, cũng như so sánh nhiệt độ giữa các điểm khác nhau.

Thiết kế mô hình mô phỏng khảo sát phân bố nhiệt độ

Ansys là phần mềm kỹ thuật mạnh mẽ, cung cấp giải pháp mô phỏng kỹ thuật số cho nhiều lĩnh vực như cơ khí, nhiệt, động lực học chất lỏng và điện từ học Được phát triển bởi Ansys, Inc., phần mềm này trở thành công cụ thiết yếu trong thiết kế, phân tích và tối ưu hóa sản phẩm kỹ thuật Với giao diện người dùng trực quan, Ansys giúp người dùng dễ dàng tạo và quản lý mô phỏng Phần mềm còn tích hợp mô phỏng đa vật lý, cho phép kỹ sư mô phỏng sự tương tác giữa các hiện tượng vật lý khác nhau.

Hình 4.30 Giao diện phần mềm Ansys

Bắt đầu bằng việc tạo một mô hình 3D của hệ thống Sử dụng công cụ CAD như Creo Parametric, SolidWorks, Inventor, để tạo mô hình này

- Lưu lượng khối lượng dòng chảy (Mass Flow Rate)

- Nhiệt độ nước vào (Inlet Water Temperature)

- Thời gian mô phỏng (Total Time)

- Hệ số truyền nhiệt (Thép, Nước) (Heat Transfer Coefficient)

Thiết lập điều kiện ban đầu

Các thông số ban đầu thỏa mãn yêu cầu mô phỏng

Xử lý kết quả đầu ra

Vẽ biểu đồ so sánh và đánh giá với thực nghiệm.

Kết luận Điều kiện không thỏa mãn

Kết quả quá chênh lệch với thực nghiệm

Hình 4.31 Lưu đồ giải thuật về quá trình mô phỏng phân bố nhiệt độ

Mô hình cần được thiết kế với độ chi tiết cao để đảm bảo mô phỏng chính xác, bao gồm các bề mặt tiếp xúc, lỗ thoát và những yếu tố khác ảnh hưởng đến luồng chảy.

Khi mô phỏng dòng chảy và nhiệt độ bên trong mô hình khuôn, chúng ta sử dụng module Fluid Flow của Ansys Mô phỏng dòng chảy trong Ansys là một trong những ứng dụng phổ biến và mạnh mẽ nhất trong phân tích động lực học chất lỏng (CFD - Computational Fluid Dynamics).

Mở phần mềm Ansys và chọn module Fluid Flow

Hình 4.32 Chọn module Fluid Flow

* Hệ số trao đổi nhiệt

- Nước tiếp xúc với bề mặt phân khuôn

Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của nước (1000 W/(m²ãK)):

+ Nước: Là chất lỏng với khả năng dẫn nhiệt cao Ở điều kiện lưu thông tự nhiên hoặc cưỡng bức nhẹ, nước có khả năng trao đổi nhiệt mạnh

Trong các ứng dụng công nghiệp, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của nước thường dao động từ 500 đến 10,000 W/(m²·K) Đối với các điều kiện lưu thông nhẹ hoặc tự nhiên, giá trị 1000 W/(m²·K) là hợp lý, thể hiện hiệu quả trao đổi nhiệt tốt.

- Bề mặt phân khuôn tiếp xúc với không khí bên ngoài

Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của khụng khớ (45 W/(m²ãK)):

+ Không khí: Là chất khí với khả năng dẫn nhiệt kém hơn nhiều so với nước

Trong điều kiện không khí cưỡng bức nhẹ, như khi sử dụng quạt nhỏ hoặc gió tự nhiên, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của không khí thường dao động trong một khoảng nhất định.

10 - 100 W/(m²ãK) Chọn giỏ trị 45 W/(m²ãK) là hợp lý cho tỡnh huống cú dũng chảy khụng khớ nhẹ hoặc tự nhiên, phản ánh đúng mức độ truyền nhiệt

- Phân tích truyền nhiệt trong mô hình

Truyền nhiệt từ nước qua bề mặt phân khuôn:

Khi nước tiếp xúc với bề mặt phân khuôn, nhiệt độ sẽ được truyền qua bề mặt này nhờ sự chênh lệch nhiệt độ Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cao của nước, đạt 1000 W/(m²·K), cho thấy quá trình trao đổi nhiệt diễn ra rất hiệu quả.

Truyền nhiệt từ bề mặt phân khuôn ra không khí:

+ Bề mặt phân khuôn tiếp xúc với không khí sẽ tiếp tục truyền nhiệt ra môi trường bên ngoài

Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của không khí (45 W/(m²·K)) thấp hơn nhiều so với nước, điều này cho thấy quá trình trao đổi nhiệt với không khí kém hiệu quả hơn.

Sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt phân khuôn và không khí gây ra sự giảm tốc độ thoát nhiệt của bề mặt phân khuôn một cách đáng kể.

Việc lựa chọn hệ số trao đổi nhiệt đối lưu là 1000 W/(m²·K) cho nước và 45 W/(m²·K) cho không khí là hợp lý, phản ánh đúng bản chất vật lý của hiện tượng truyền nhiệt trong mô hình Những giá trị này giúp mô hình thể hiện chính xác sự khác biệt lớn về khả năng truyền nhiệt giữa nước và không khí, đồng thời đảm bảo rằng các kết quả truyền nhiệt đạt độ chính xác và độ tin cậy cao.

+ Nước sẽ truyền nhiệt hiệu quả sang bề mặt phân khuôn nhờ hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cao

Bề mặt phân khuôn có khả năng truyền nhiệt ra không khí kém hiệu quả do hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của không khí thấp Điều này đảm bảo rằng mô hình có thể dự đoán chính xác sự thay đổi nhiệt độ trong các phần khác nhau của hệ thống.

4.3.2 Các bước mô phỏng tấm khuôn sản phẩm dạng 2D

Bước 1 Chuẩn bị trước mô phỏng:

- Mô hình hóa hình học

Ansys DesignModeler là công cụ chính để tạo và chỉnh sửa hình học cho mô phỏng, cho phép người dùng tạo mô hình 2D từ đầu hoặc nhập mô hình từ các phần mềm CAD khác như SolidWorks và AutoCAD.

+ Import mô hình đã được chuẩn bị vào phần mềm Ansys

Hình 4.33 Nhập mô hình vào phần mềm

Kiểm tra mô hình để đảm bảo tính chính xác và tỷ lệ đúng là bước quan trọng Trước khi tiến hành mô phỏng, cần đơn giản hóa mô hình nhằm giảm số lượng phần tử và cải thiện tốc độ tính toán mà vẫn giữ được độ chính xác.

+ Sử dụng Ansys Meshing để tạo lưới tính toán

Trong phần mềm Ansys, kỹ thuật "inflation" đóng vai trò quan trọng trong việc tạo lưới (mesh) cho các bài toán mô phỏng, giúp tạo ra lưới dày đặc và chi tiết hơn, nâng cao độ chính xác của kết quả mô phỏng.

Hình 4.34 Thiết lập Inflation trong Mesh

Trong phần mềm ANSYS, kỹ thuật "Face Sizing" cho phép điều chỉnh kích thước lưới trên các bề mặt cụ thể của mô hình, giúp tạo ra lưới với độ phân giải cao tại những khu vực quan trọng Việc này không chỉ tối ưu hóa quá trình tạo lưới mà còn nâng cao độ chính xác của phân tích mô phỏng.

Hình 4.35 Thiết lập Face Sizing trong Mesh

+ Chạy mô phỏng, chia lưới và đợi cho quá trình tính toán hoàn thành

Hình 4.36 Thực hiện chia lưới trên Ansys

Bước 2 Thiết lập điều kiện mô phỏng

- Thiết lập các điều kiện để mô phỏng

+ Điều kiện biên: Đặt các điều kiện biên để xác định cách dòng chảy tương tác với môi trường xung quanh

+ Với mô hình 2 lòng khuôn và 2 đường nước như thế này ta sẽ thiết lập một số điều kiện biên như: Mold_contact, Water_contact, Inlet, Outlet

Hình 4.37 Các điều kiện biên

+ Thiết lập cụ thể cho từng điều kiện biên trên Ansys

• Mold_contact: bề mặt của lòng khuôn tiếp xúc với đường nước

Hình 4.38 Điều kiện biên Mold Contact

• Water_contact: bề mặt của đường nước tiếp xúc với lòng khuôn

Hình 4.39 Điều kiện biên Water Contact

Hình 4.40 Điều kiện biên Inlet

Hình 4.41 Điều kiện biên Outlet

+ Initial Conditions (Điều kiện ban đầu): Thiết lập các điều kiện ban đầu cho mô phỏng như áp suất ban đầu, vận tốc ban đầu của chất lỏng

+ Thời gian mô phỏng và thông số của đường nước:

Hình 4.42 Thời gian quá trình mô phỏng

• Nước sẽ được bơm vào khuôn và lưu lượng lưu chất

Hình 4.43 Nhiệt độ và lưu lượng lưu chất của đường nước

Hình 4.44 Nhiệt độ ban đầu của lòng khuôn

Hình 4.45 Vật liệu cấu tạo khuôn

Hình 4.46 Hệ số truyền nhiệt của tấm khuôn trong môi trường

- Solver Settings (Cài đặt bộ giải)

+ Đặt bước thời gian và chọn phân tích biến đổi theo thời gian

Bước 3: Xử lý kết quả

- Quá trình mô phỏng tính toán được diễn ra để xuất ra phân bố nhiệt độ

Hình 4.47 Quá trình tính toán

+ Hình ảnh hóa các kết quả mô phỏng cụ thể ở đây là nhiệt độ của tấm khuôn sau tính toán trong không gian 3D

+ Sau khi mô phỏng hoàn thành, phân tích kết quả để hiểu phân bố nhiệt độ trên mô hình diễn ra như thế nào

Hình 4.48 Kết quả mô phỏng

+ Đánh giá phân bố nhiệt độ trên mô hình

Sử dụng công cụ Timestep Selecter để lựa chọn các mốc thời gian cụ thể, giúp theo dõi sự biến thiên nhiệt độ trên khuôn một cách chi tiết và tỉ mỉ.

Hình 4.49 Công cụ Timestep Selecter

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

Thông số mô phỏng và thực nghiệm của quá trình gia nhiệt

Sự kiểm soát nhiệt độ khi gia nhiệt khuôn ép nhựa là yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng sản phẩm, nâng cao hiệu quả sản xuất và kéo dài tuổi thọ khuôn Việc điều chỉnh nhiệt độ khuôn một cách chính xác không chỉ giúp tối ưu hóa quá trình ép nhựa, giảm thiểu khuyết tật và cải thiện bề mặt sản phẩm, mà còn tăng tốc độ sản xuất và giảm chi phí, từ đó nâng cao lợi nhuận cho doanh nghiệp Trong mô hình thí nghiệm này, chúng ta sẽ thay đổi các thông số về nhiệt độ và thời gian để phân tích tác động của chúng.

Hệ số truyền nhiệt với môi trường là: 10

Bảng 5.1 Thông số thí nghiệm

Quá trinh thực nghiệm sẽ diễn ra trong thời gian 240s với bước nhảy 30s cho mỗi trường hợp nhiệt độ là 50°C, 60°C, 70°C, 80°C, 90°C

Việc thất thoát nhiệt trong quá trình thực nghiệm là điều không thể tránh khỏi, do nhiều nguyên nhân như chất liệu khuôn, bức xạ nhiệt, đối lưu nhiệt, và hệ thống gia nhiệt không hiệu quả Để giảm thiểu thất thoát nhiệt, cần thực hiện cách nhiệt tốt, kiểm soát môi trường và sử dụng hệ thống gia nhiệt hiệu quả Đặc biệt, việc thực hiện nhiều lần đo thực nghiệm là cần thiết để có kết quả gia nhiệt ổn định và chính xác Sau mỗi lần đo, cần bơm nước nguội vào để giải nhiệt cho khuôn và chờ cho khuôn ổn định với nhiệt độ môi trường Cuối cùng, việc chọn lọc kết quả đo phù hợp để so sánh với số liệu mô phỏng là rất quan trọng.

- Thiết lập thông số của máy gia nhiệt nước: thông số ứng với từng trường hợp cần gia nhiệt

- Thiết lập thông số của camera đo nhiệt Fluke:

+ Dải màu hiển thị: Rainbow

+ Thời gian gia nhiệt cho tấm khuôn là 30s, 60s, 90s, 120s, 150s, 180s, 210s, 240s, quan + sát camera nhiệt và chụp lại thông số nhiệt độ ngay tại những thời gian đã chọn

- Các trường hợp gia nhiệt:

+ Gia nhiệt thay đổi nhiệt độ của nước nóng: 50°C, 60°C, 70°C, 80°C, 90°C

+ Gia nhiệt thay đổi thời gian: 30s, 60s, 90s, 120s, 150s, 180s, 210s, 240s.

Kết quả quá trình gia nhiệt khuôn

5.2.1 Kết quả mô phỏng a Khuôn 2D

+ Kết quả mô phỏng quá trình gia nhiệt khuôn tại 50°C

Dưới đây là bảng thống kê kết quả mô phỏng quá trình gia nhiệt khuôn tại 50°C với các bước thời gian 30s, 60s, 90s, 120s, 150s, 180s, 210s, 240s trong suốt 240s

Bảng 5.2 Kết quả mô phỏng quá trình gia nhiệt cho tấm core khuôn 2D tại 50°C

Thời gian (s) Kết quả mô phỏng (°C)

Dưới đây là bảng thống kê kết quả mô phỏng quá trình gia nhiệt khuôn tại 60°C với các bước thờigian 30s, 60s, 90s, 120s, 150s, 180s, 210s, 240s trong suốt 240s

Bảng 5.7 Kết quả mô phỏng quá trình gia nhiệt cho tấm cavity khuôn 2D tại 50°C

Dưới đây là bảng thống kê kết quả mô phỏng quá trình gia nhiệt khuôn tại 60°C với các bước thờigian 30s, 60s, 90s, 120s, 150s, 180s, 210s, 240s trong suốt 240s

5.2.2 Kết quả thực nghiệm a Khuôn 2D

+ Kết quả thực nghiệm quá trình gia nhiệt khuôn tại 50°C

Dưới đây là bảng thống kê kết quả thực nghiệm quá trình gia nhiệt khuôn tại 50°C với các bước thời gian 30s, 60s, 90s, 120s, 150s, 180s, 210s, 240s trong suốt 240s

Bảng 5.22 Kết quả thực nghiệm quá trình gia nhiệt cho tấm core khuôn 2D tại 50°C

Thời gian (s) Kết quả thực nghiệm (°C)

Bảng 5.27 Kết quả thực nghiệm quá trình gia nhiệt cho tấm cavity khuôn 2D tại 50°C

Bảng 5.35 Kết quả thực nghiệm quá trình gia nhiệt cho tấm core khuôn 3D tại 80°

Bảng 5.39 Kết quả thực nghiệm quá trình gia nhiệt cho tấm cavity khuôn 3D tại 70°

Kết quả thực nghiệm cho thấy nhiệt độ trên bề mặt khuôn được phân bố đồng đều, điều này rất quan trọng để đảm bảo quá trình ép phun diễn ra ổn định, tránh được biến dạng và khuyết tật trong sản phẩm cuối cùng.

Kết quả phân bố nhiệt độ cho thấy khả năng truyền nhiệt hiệu quả của kênh dẫn dạng layer Nhiệt độ đạt được trong khuôn chứng tỏ kênh dẫn có khả năng truyền nhiệt nhanh chóng từ nguồn nhiệt đến toàn bộ bề mặt khuôn, giúp kiểm soát và điều khiển nhiệt ở diện tích rộng.

Kết quả phân bố nhiệt độ trên kênh dẫn dạng layer cho thấy khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác, giúp duy trì điều kiện nhiệt độ ổn định trong suốt quá trình sản xuất Điều này giảm thiểu sự biến động nhiệt độ, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm.

So sánh kết quả và đánh giá

5.3.1 Phương pháp so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm Để so sánh kết quả, ta cần các thông số và dữ liệu cụ thể để tạo ra biểu đồ phù hợp Dưới đây là các bước cơ bản để thực hiện:

+ Bước 1: Thu thập dữ liệu

Trước tiên, bạn cần thu thập và sắp xếp dữ liệu cần thiết Nơi để lưu trữ dữ liệu ta có thể chọn phần mềm Exel

Hình 5.1 Sử dụng Exel để lưu trữ dữ liệu

+ Bước 2: Lựa chọn loại biểu đồ

Chọn biểu đồ đường để trình bày dữ liệu về Nhiệt độ và tọa độ của nhiệt độ, vì nó phù hợp với số lượng điểm dữ liệu lớn và mục đích thể hiện sự biến đổi của thông số này.

+ Bước 3: Chuẩn bị thông số cho biểu đồ

Thông số cho biểu đồ thường bao gồm:

+ Trục X (nhãn và giá trị)

+ Trục Y (nhãn và giá trị)

+ Chú thích (Legend) nếu cần thiết

+ Màu sắc và định dạng đường nét

Bước 4 trong quy trình là vẽ biểu đồ, sử dụng phần mềm Origin để mô tả sự phân bố nhiệt độ Origin là công cụ phân tích dữ liệu và vẽ đồ thị mạnh mẽ, phổ biến trong các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật Để chuẩn bị cho việc vẽ biểu đồ, chúng ta cần nhập số liệu vào phần mềm Origin.

Hình 5.2 Nhập dữ liệu vào Origin

Khi đã nhập xong số liệu ta sẽ tiến hanh vẽ biểu đồ và chỉnh sửa 1 số chi tiết cần thiết cho mục đích sử dụng

Hình 5.3 Biểu đồ được vẽ bằng Origin

5.3.2 So sánh kết quả a Biểu đồ so sánh thực nghiệm và mô phỏng khuôn 2D

Hình 5.4 Biểu đồ so sánh gia nhiệt Cavity 2D ở 50 o C tại 30s

- Thời gian gia nhiệt: thay đổi

Hình 5.12 Biểu đồ so sánh mô phỏng gia nhiệt tấm Cavity 2D ở 50 o C

Hình 5.13 Biểu đồ so sánh thực nghiệm gia nhiệt tấm Cavity 2D ở 50 o C Bảng 5.42 So sánh nhiệt độ của mô phỏng và thực nghiệm của tấm Cavity 2D ở 50 o C

Thời gian(s) Mô phỏng (50 o C) Thực nghiệm(50 o C)

Dựa trên bảng số liệu 5.42 về nhiệt độ tối đa và tối thiểu trong quá trình gia nhiệt tấm cavity 2D bằng nước nóng ở 50°C, có thể rút ra những nhận xét quan trọng về hiệu quả gia nhiệt và sự phân bố nhiệt độ trong tấm cavity Những thông tin này giúp hiểu rõ hơn về quá trình truyền nhiệt và khả năng điều chỉnh nhiệt độ trong ứng dụng thực tiễn.

Trong quá trình mô phỏng và thực nghiệm, nhiệt độ tối đa và tối thiểu đều tăng dần theo thời gian từ 30s đến 240s Cụ thể, nhiệt độ tối đa trong mô phỏng tăng từ 48.09°C lên 48.36°C, trong khi nhiệt độ thực nghiệm tăng từ 43.89°C lên 46.5°C, cho thấy quá trình gia nhiệt diễn ra ổn định và đều đặn.

Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm cho thấy độ tin cậy của mô phỏng khi tỉ lệ sai số dưới 10% Ở thời điểm 60 giây, nhiệt độ tối đa ghi nhận từ mô phỏng đạt 48.16°C.

204 và thực nghiệm là 44.28°C thấy được độ sai số của mô phỏng là 8.7% ((48.16/44.28)x100-100

Hình 5.23 Biểu đồ so sánh thực nghiệm gia nhiệt tấm Cavity 2D ở 60 o C

Bảng 5.43 So sánh nhiệt độ của mô phỏng và thực nghiệm của tấm Cavity 2D ở 60 o C

Dựa trên bảng số liệu 5.43 về nhiệt độ tối đa và tối thiểu trong quá trình gia nhiệt tấm cavity 2D bằng nước nóng ở 60°C, có thể nhận thấy sự biến đổi nhiệt độ diễn ra rõ rệt, ảnh hưởng đến hiệu suất gia nhiệt và thời gian cần thiết để đạt được nhiệt độ mong muốn Các dữ liệu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về quá trình truyền nhiệt và giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống gia nhiệt.

Trong quá trình mô phỏng và thực nghiệm, nhiệt độ tối đa và tối thiểu đều tăng dần từ 30 giây đến 240 giây Cụ thể, nhiệt độ tối đa trong mô phỏng tăng từ 58.13°C lên 58.38°C, trong khi thực nghiệm ghi nhận mức tăng từ 54.48°C lên 56.54°C Điều này cho thấy quá trình gia nhiệt diễn ra ổn định và đều đặn.

Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm cho thấy độ tin cậy của mô phỏng khi tỷ lệ sai số dưới 10% Cụ thể, tại thời điểm 60 giây, nhiệt độ tối đa từ mô phỏng là 58.23°C, trong khi nhiệt độ thực nghiệm là 54.71°C, cho thấy sai số của mô phỏng là 6.4%.

Dựa vào bảng số liệu 5.44 về nhiệt độ tối đa và tối thiểu khi gia nhiệt tấm cavity 2D bằng nước nóng ở 70°C, có thể rút ra những nhận xét quan trọng về hiệu suất nhiệt và sự phân bố nhiệt độ trong quá trình gia nhiệt Những thông tin này giúp hiểu rõ hơn về khả năng truyền nhiệt và ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng sản phẩm.

Trong quá trình mô phỏng và thực nghiệm, nhiệt độ tối đa và tối thiểu đều tăng dần từ 30 giây đến 240 giây Cụ thể, nhiệt độ tối đa trong mô phỏng tăng từ 68.01°C lên 68.34°C, trong khi đó, nhiệt độ thực nghiệm tăng từ 63.84°C lên 66.84°C Điều này cho thấy quá trình gia nhiệt diễn ra ổn định và liên tục.

Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm cho thấy độ tin cậy của mô phỏng khi tỷ lệ sai số dưới 10% Cụ thể, tại thời điểm 60 giây, nhiệt độ tối đa ghi nhận từ mô phỏng là 68.14°C, trong khi thực nghiệm là 64.71°C, cho thấy độ sai số của mô phỏng là 5.3%.

Dựa trên bảng số liệu 5.45, nhiệt độ tối đa và tối thiểu trong quá trình gia nhiệt tấm cavity 2D bằng nước nóng ở 80°C cho thấy sự biến đổi nhiệt độ rõ rệt Các nhận xét từ dữ liệu này cho phép đánh giá hiệu quả của quá trình gia nhiệt và ảnh hưởng của nhiệt độ đến tấm cavity.

Trong quá trình mô phỏng và thực nghiệm, nhiệt độ tối đa và tối thiểu đều có xu hướng tăng dần theo thời gian từ 30 giây đến 240 giây Cụ thể, nhiệt độ tối đa trong mô phỏng tăng từ 77.88°C lên 78.31°C, trong khi đó, thực nghiệm ghi nhận mức tăng từ 73.66°C lên 76.31°C Kết quả này cho thấy quá trình gia nhiệt diễn ra ổn định và đồng đều.

Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm cho thấy độ tin cậy của mô phỏng khi tỷ lệ sai số dưới 10% Cụ thể, tại thời điểm 60 giây, nhiệt độ tối đa ghi nhận được từ mô phỏng là 78.05°C, trong khi từ thực nghiệm là 74.04°C, cho thấy độ sai số của mô phỏng là 5.4%.

ỨNG DỤNG ANN TRONG DỰ ĐOÁN KHẢO SÁT PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ

Tìm hiểu về mạng ANN

Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) là công cụ quan trọng trong dự đoán và học máy, được phát triển dựa trên cơ chế hoạt động của nơ-ron trong não người ANN có khả năng học hỏi từ dữ liệu để thực hiện dự đoán hoặc phân loại hiệu quả Để áp dụng ANN vào dự đoán, cần thực hiện một số bước cụ thể.

Dữ liệu là yếu tố quan trọng trong việc huấn luyện mô hình ANN, vì vậy cần thu thập từ các nguồn đáng tin cậy và phù hợp với vấn đề cụ thể mà bạn đang giải quyết.

Tiền xử lý dữ liệu là bước quan trọng trong phân tích, bao gồm các công việc như chuẩn hóa dữ liệu, xử lý các giá trị thiếu, mã hóa biến phân loại thành dạng số và chia dữ liệu thành tập huấn luyện và tập kiểm tra.

Để xây dựng mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN), bạn cần lựa chọn kiến trúc phù hợp, bao gồm số lượng lớp, số nút trong mỗi lớp và hàm kích hoạt Quá trình huấn luyện mô hình trên tập dữ liệu huấn luyện có thể tốn thời gian và cần áp dụng các kỹ thuật tối ưu hóa để đảm bảo hiệu quả của mô hình.

Đánh giá và tinh chỉnh mô hình là bước quan trọng sau khi hoàn tất quá trình huấn luyện Bạn cần kiểm tra mô hình trên tập dữ liệu kiểm tra để xác định khả năng dự đoán chính xác và tránh tình trạng overfitting Nếu cần thiết, hãy điều chỉnh các siêu tham số để nâng cao hiệu suất của mô hình.

Sau khi hoàn thiện mô hình, việc triển khai vào môi trường sản xuất là cần thiết để đảm bảo nó hoạt động hiệu quả với dữ liệu mới Đồng thời, duy trì mô hình cũng rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất liên tục và khả năng thích ứng với những thay đổi trong dữ liệu.

Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như dự đoán chuỗi thời gian, nhận diện hình ảnh và xử lý ngôn ngữ tự nhiên Thành công của mô hình ANN thường phụ thuộc vào chất lượng dữ liệu huấn luyện và khả năng điều chỉnh các tham số của mô hình.

Phương pháp xây dựng ANN dự đoán

Bước 1: Xây dựng dữ liệu biến vào và biến ra từ các số liệu ta thu thập được

Biến đầu vào Biến đầu ra

Hình 6.1 Bảng số liệu thực nghiệm

Bước 2: Khởi động Matlab để tranning mạng ANN

Bước 3: Sử dụng dữ liệu đã xây dựng ở bước 1 để tạo biến đầu vào và biến đầu ra cho MATLAB Trong phần Workspace, nhấn vào "transpose variable" (lưu ý rằng các giá trị thứ tự trường hợp phải giống nhau).

Hình 6.3 Biến đầu vào và biến đầu ra để tranning ANN

Bước 4: Sau khi tạo biến ta bắt đầu tranning ANN với cú pháp “ nftool “ – Trong command window rồi nhấn Enter

Bước 5: Bảng dữ liệu Nerual Fitting (nftool) xuất hiện, ta bấm chọn next và sau đó select data Input và Output rồi bấm next

Hình 6.5 Giao diện Neural Fitting (nftool)

Bước 6: Sau khi chọn dữ liệu, tiếp tục chia thành dữ liệu Validation và Test Data Tùy theo từng trường hợp, chúng ta sẽ phân chia cho phù hợp; ở đây, nhóm chúng tôi đã chia theo tỷ lệ 70:15:15 Sau khi hoàn tất việc chia, nhấn Next để tiếp tục.

Hình 6.7 Validation and Test Data

Bước 7: Chọn Hidden Neurons mặc định chọn 10 Neuron cho thí nghiệm

Bước 8: Sau khi thiết lập tranning xong ta bắt đầu Train mạng ANN cho bộ dữ liệu của chúng ta

Sau khi hoàn tất quá trình huấn luyện mạng ANN, hãy chọn "Plot Regression" để hiển thị biểu đồ học của quá trình training Để đạt yêu cầu, các chỉ số tranning mạng, bao gồm Validation, test và chỉ số R, cần phải đạt từ 95-99% Nếu chỉ số R không đạt yêu cầu, cần phải kiểm tra lại dữ liệu hoặc tiến hành huấn luyện mạng một lần nữa.

Hình 6.10 Biểu đồ học Tranning ANN

Step 10: Click "Next" until the training results table appears Select "Save network to MATLAB" and name the network "network." Then, click "Save results" and finish the process.

Bước 11: Kiểm tra trang làm việc workspace đã có network hay chưa, nếu có thì đã hoàn thành tranning mạng ANN

Hình 6.11 Kết quả dự đoán ANN

So sánh ANN dự đoán với thực nghiệm

Để chứng minh rằng ANN đã học từ dữ liệu mà nhóm nghiên cứu đã huấn luyện, dưới đây là 25 biểu đồ so sánh giữa kết quả thử nghiệm và dự đoán của ANN, trong đó có biểu đồ so sánh gia nhiệt trên tấm Cavity 2D.

Hình 6.19 Biểu đồ so sánh gia nhiệt Cavity 2D ở 50 o C tại 240s Bảng 6.1 So sánh dữ liệu thực nghiệm với dữ liệu dự đoán ANN của tấm cavity ở 50 o C

Thời gian Thực nghiệm 50 o C Dự đoán ANN 50 o C

Dựa trên bảng số liệu 6.1

Kết quả so sánh giữa mô hình ANN và thực nghiệm cho thấy độ tin cậy cao của ANN khi tỷ lệ sai số dưới 5% Cụ thể, tại thời điểm 60 giây, nhiệt độ tối đa đo được từ ANN là 45.01°C, trong khi thực nghiệm ghi nhận là 45.78°C, dẫn đến tỷ lệ sai số chỉ khoảng 1.7% ((45.78/45.01)x100-100 ≈1.7%).

Bảng 6.2 So sánh dữ liệu thực nghiệm với dữ liệu dự đoán ANN của tấm cavity ở 60 o C

Kết quả so sánh giữa ANN và thực nghiệm cho thấy độ tin cậy của ANN khi tỷ lệ sai số dưới 5% Cụ thể, tại thời điểm 60 giây, nhiệt độ tối đa ghi nhận được từ ANN là 55.29°C, trong khi thực nghiệm chỉ đạt 53.45°C, dẫn đến sai số khoảng 3.4%.

Sau khi so sánh kết quả của mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) với thực nghiệm, nhận thấy rằng độ tin cậy của ANN đạt được khi tỷ lệ sai số dưới 5% Cụ thể, tại thời điểm 60 giây, nhiệt độ tối đa đo được từ ANN là 64.61°C, trong khi thực nghiệm ghi nhận là 62.57°C, cho thấy độ sai số chỉ là 3.2% ((64.61/62.57)x100-100 ≈3.2%).

Bảng 6.4 So sánh dữ liệu thực nghiệm với dữ liệu dự đoán ANN của tấm cavity ở 80 o C

Kết quả so sánh giữa mô hình ANN và thực nghiệm cho thấy độ tin cậy cao của ANN khi tỷ lệ sai số dưới 5% Cụ thể, tại thời điểm 60 giây, nhiệt độ tối đa được dự đoán bởi ANN là 68.91°C, trong khi thực nghiệm ghi nhận 67.06°C, dẫn đến sai số chỉ 2.7%.

Sau khi so sánh kết quả của mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) với thực nghiệm, nhận thấy rằng độ tin cậy của ANN đạt được khi tỷ lệ sai số dưới 5% Cụ thể, tại thời điểm 60 giây, nhiệt độ tối đa đo được từ ANN là 80.1°C, trong khi thực nghiệm ghi nhận là 77.92°C, dẫn đến tỷ lệ sai số khoảng 2.7% ((80.1/77.92)x100-100 ≈2.7%) Bên cạnh đó, cũng cần so sánh gia nhiệt trên tấm Core 2D để đánh giá hiệu quả.

Hình 6.52 Biểu đồ so sánh gia nhiệt Core 2D ở 50 o C tại 30s

Bảng 6.6 So sánh dữ liệu thực nghiệm với dữ liệu dự đoán ANN của tấm core ở 50 o C

Thời gian(s) Thực nghiệm(50 o C) Dự đoán ANN(50 o C)

Sau khi so sánh kết quả của mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) với thực nghiệm, nhận thấy rằng độ tin cậy của ANN đạt được khi tỷ lệ sai số dưới 5% Cụ thể, tại thời điểm 60 giây, nhiệt độ tối đa đo được từ ANN là 45,57°C, trong khi thực nghiệm ghi nhận là 44,09°C, cho thấy độ sai số chỉ khoảng 3,3% ((45,57/44,09)x100-100 ≈3,3%).

Hình 6.67 Biểu đồ so sánh gia nhiệt Core 2D ở 60 o C tại 240s Bảng 6.7 So sánh dữ liệu thực nghiệm với dữ liệu dự đoán ANN của tấm core ở 60 o C

Kết quả so sánh giữa mô hình ANN và thực nghiệm cho thấy độ tin cậy của ANN khi tỷ lệ sai số dưới 5% Cụ thể, tại thời điểm 60 giây, nhiệt độ tối đa đo được từ ANN là 54,09°C, trong khi thực nghiệm ghi nhận là 54,46°C, dẫn đến tỷ lệ sai số chỉ 0,68% ((54,46/54,09)x100-100 ≈0,68%).

Kết quả so sánh giữa mô hình ANN và thực nghiệm cho thấy độ tin cậy cao của ANN khi tỷ lệ sai số dưới 5% Cụ thể, tại thời điểm 60 giây, nhiệt độ tối đa đo được từ ANN là 65,47°C, trong khi thực nghiệm ghi nhận 64,9°C, dẫn đến sai số chỉ khoảng 0,8% ((65,47/64,9)x100-100 ≈0,8%).

Hình 6.83 Biểu đồ so sánh gia nhiệt Core 2D ở 80 o C tại 240s Bảng 6.9 So sánh dữ liệu thực nghiệm với dữ liệu dự đoán ANN của tấm core ở 80 o C

Sau khi so sánh kết quả của mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) với thực nghiệm, nhận thấy rằng độ tin cậy của ANN đạt được khi tỷ lệ sai số dưới 5% Cụ thể, tại thời điểm 60 giây, nhiệt độ tối đa ghi nhận từ ANN là 73,44°C, trong khi thực nghiệm cho thấy nhiệt độ là 73,72°C, dẫn đến tỷ lệ sai số chỉ khoảng 0,3% ((73,72/73,44)x100-100 ≈ 0,3%).

Sau khi so sánh kết quả của mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và thực nghiệm, chúng tôi nhận thấy rằng độ tin cậy của ANN khi tỷ lệ sai số dưới 5% Cụ thể, tại thời điểm 60 giây, nhiệt độ tối đa do ANN đưa ra là 81,22°C, trong khi nhiệt độ thực nghiệm là 79,79°C, cho thấy độ sai số chỉ khoảng 1,79% ((81,22/79,79)x100-100 ≈1,79%).

Tiêu đề	Khảo Sát Phân Bố Nhiệt Độ Tấm Khuôn Khi Dùng Các Kênh Giải Nhiệt Dạng Layer
Tác giả	Nguyễn Việt Tuấn Anh, Trần Chí Bảo, Trương Văn Thành
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Trọng Hiếu
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí
Thể loại	đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành Phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	401
Dung lượng	18,92 MB