ÉP PHUN CÓ TRỢ KHÍ - GAIM (GAS ASSISTED INJECTION MOLDING)

ÉP PHUN CÓ TRỢ KHÍ - GAIM (GAS ASSISTED INJECTION MOLDING)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: Trần Minh Thế Uyên

I. GIỚI THIỆU

I.1 Giới thiệu chung

Trong lĩnh vực sản xuất nhựa, ép phun có trợ khí là một công nghệ tương đối mới và đãnhanh chóng phát triển Nguyên lý thực hiện của nó gần giống với khuôn thổi, vì vậy đôi khi

nó gây ra sự nhầm lẫn giữa ép phun có trợ khí và khuôn thổi

Hình I.1-1: Sơ đồ khuôn ép phun có trợ khíĐường khí

vào

Hình I.1-2: Khuôn thổi chai nhựaKhi lần đầu tiên được áp dụng, ép phun có trợ khí chỉ được xem như một giải pháp tạmthời nhằm giải quyết các vấn đề trong ép các chi tiết nhựa có bề dày lớn Tuy nhiên, ngày nay,

nó đã trở thành một lĩnh vực riêng trong ngành nhựa nói chung

Như đã biết, trong phun ép sản phẩm nhựa, chi tiết có bề dày càng lớn, hệ số co rút càngcao Điều này dẫn đến các khuyết tật lõm và cong vênh Hơn nữa trong các khuôn lớn với chitiết có kết cấu phức tạp, khả năng điền đầy là rất thấp Do đó, công nghệ ép phun có trợ khíđược đưa ra và đã giải quyết rất tốt các vấn đề này

Hình I.1-3: Một số lỗi trên sản phẩm nhựa

Nguồn: Structure of gas-assisted injection moulded parts , trang 139

An overview of gas-assisted injection molding, trang 6 Giáo trình công nghệ ép phun, chương 6- xử lý các khuyết tật trên sản phẩm.

http://www.injectionmouldings.org/archives/46

I.2 Khái niệm

Ép phun có trợ khí là một công nghệ trong sản xuất khuôn nhựa được áp dụng trong épcác chi tiết có bề dày lớn và cho phép có lỗ rỗng bên trong (các loại tay cầm nhựa, tay đỡ nhựa,các loại ống ) Bằng cách bơm khí vào và giữ áp lực, hỗn hợp nhựa nóng chảy có khả năngđiền đầy vào các vị trí góc cạnh của khuôn, giữ áp lực khí trong quá trình làm lạnh làm cho chitiết tránh được các khuyết tật lõm co và cong vênh, cho bề mặt sản phẩm đẹp Khí thường sửdụng là nitơ Trong các trường hợp đặc biệt, có thể sử dụng chất lỏng (nước) để thay cho khí.Ngày nay, ép phun có trợ nước cũng đã phát triển và nằm trong nhóm phương pháp ép phun cótrợ chất lưu động (fluid assisted injection molding) Chất lưu động ở đây có thể là khí, nước,hoặc dung dịch đặc biệt khác (có video đi kèm)

Hình I.2-1: Sản phẩm ép phun có trợ khí điển hình

Hình I.2-2: Sản phẩm nhựa khuôn thổi điển hình

Vì sản phẩm của ép phun có trợ khí và khuôn thổi đều có lỗ rỗng nên nó gây ra sự nhầmlẫn với nhau Tuy nhiên, điểm khác biệt giữa ép phun có trợ khí và khuôn thổi là tiết diện mặtcắt lỗ và chức năng của lỗ Sản phẩm ép phun có trợ khí có một bức tường thành khá dày xungquanh lỗ tương đối nhỏ Nhìn chung, trong ép phun có trợ khí, sản phẩm giảm đi 10% trọnglượng cho lỗ, trong khi đó, ở sản phẩm khuôn thổi, đến hơn 80% tiết diện mặt cắt ngang là lỗ.Sau này, người ta nhận thấy có khả năng giảm hơn nữa trọng lượng sản phẩm nên để tiết kiệmvật liệu và rút ngắn thời gian làm mát, các sản phẩm ép phun có trợ khí giảm đi nhiều về trọnglượng nhưng vẫn đạt được mục đích công nghệ Về chức năng, lỗ trong sản phẩm ép phun cótrợ khí và khuôn thổi cũng không giống nhau Lỗ trong sản phẩm ép phun của trợ khí là thànhphần phụ được đưa vào nhằm mục đích nâng cao chất lượng bề mặt và tiết kiệm nguyên liệu,còn đối với sản phẩm khuôn thổi, lỗ là một yêu cầu kỹ thuật rất quan trọng (thể tích, đườngkính lỗ, miệng lỗ…), và nó chính là mục đích sử dụng của sản phẩm Vì vậy, đây chính là đặcđiểm phân biệt giữa ép phun có trợ khí và khuôn thổi

Nguồn: An overview of gas-assisted injection molding, trang 6

Airmould, trang 9

I.3 Mục đích, ưu-nhược điểm của ép phun có trợ khí

Trong ép các sản phẩm nhựa, việc giải quyết các vấn đề về hệ số co rút rất khó khăn Hệ

số co rút là một thông số phụ thuộc vào nhiều yếu tố (nhiệt độ, thể tích, thành phần nhựa, áplực ép…) và việc tính toán phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người hoạt động trong lĩnhvựa khuôn ép nhựa Hiện nay, các phần mềm CAE là một công cụ hỗ trợ đắc lực trong việcphân tích Hệ số co rút không chỉ làm giảm cơ tính sản phẩm mà nó còn là nguyên nhân chủyếu làm cho bề mặt sản phẩm không đẹp Đặc biệt, trong sản xuất nhựa, kiểu dáng và thẩm mỹ

là một trong những yếu tố được quan tâm hàng đầu Vì thế, việc giải quyết các lỗi phát sinh do

hệ số co rút là rất quan trọng

Trong sản xuất nhựa, các sản phẩm có bề dày càng lớn, hệ số co rút càng lớn gây nên cáckhuyết tật lõm co, cong vênh, hơn nữa với chi tiết phức tạp việc điền đầy hỗn hợp nhựa là rấtkhó khăn Do đó, công nghệ ép phun ra đời nhằm mục đích giải quyết vấn đề này trên các sảnphẩm cho phép có lỗ rỗng ở giữa Đây chính là mục đích quan trọng nhất cho sự ra đời củacông nghệ ép phun có trợ khí

I.3.2 Ưu-nhược điểm của phương pháp ép phun có trợ khí

I.3.2.a Ưu điểm

Công suất máy không quá lớn vì hỗn hợp chỉ cần đưa vào trong khuôn chứ không cần ép

để đi hết chiều dài khuôn

Lực ép nhỏ vì khí với áp suất cao phân bố lực đều lên khắp thành khuôn

Chất lượng sản phẩm được cải thiện do được điền đầy và khắc phục được các khuyết tật,nâng cao chất lượng bề mặt

Khả năng của phương pháp sản xuất được sản phẩm đa dạng

Giảm thời gian của chu trình ép (so với các phương pháp khác khi ép các sản phẩm cócùng độ lớn) và so với chi tiết đặc có cùng kích thước vì thời gian làm nguội chi tiết đặc lâuhơn

Độ bền cơ học cao so với chi tiết đặc do trọng lượng được giảm đi, lực chỉ phân bố lênthành sản phẩm

Giảm thiểu, khử các khuyết tật lõm và cong vênh do giữ áp suất khí trong quá trình làmlạnh

Ứng suất dư nhỏ đảm bảo sự ổn định về kích thước sản phẩm

Đảm bảo độ dẻo, độ đàn hồi sản phẩm

Có thể thay thế cho hệ thống kênh dẫn nóng làm giảm chi phí khuôn

Các sản phẩm ứng dụng công nghệ phun ép có trợ khí: các loại dụng cụ cầm tay, côngnghiệp đồ chơi, vỏ tivi, cần gậy đánh golf, tấm ván sau rổ bóng rổ, một số đồ trang trí nội thất,khay đĩa CD… và đặc biệt là các sản phẩm trang trí xe hơi (gương chiếu hậu, đèn xe, tay nắmcửa…), các sản phẩm yêu cầu độ bóng bề mặt Hình I.3-1 là thể hiện một số sản phẩm ứngdụng công nghệ ép phun có trợ khí

Nguồn: Know how for gas assisted injection molding technology, trang 3,4,5

An Overview of Gas-Assist Injection Molding trang 15

http://zing.4share.vn/docs/1725/Khuon_mau Phan_2.html

Hình I.3-1: Một số ứng dụng của công nghệ ép phun có trợ khí

I.3.2b Nhược điểm

Vấn đề bản quyền sở hữu, các chi tiết quan trọng như đầu phun khí…, các phần mềmCAE hỗ trợ thường do một số nhà cung cấp nắm bản quyền

Chi phí sản xuất khá cao ($30,000 đến $85,000) do phải trang bị thêm một hệ thống phun

và kiểm soát áp suất khí phức tạp

Khí sử dụng trong ép phun có trợ khí là nitơ tuy rẻ nhưng là một loại khí nguy hiểm nêngây ô nhiễm

Việc chế tạo đầu phun khí phát sinh nhiều chi phí phụ

Phương thức đưa khí vào có ý nghĩa quan trọng đối với cả quá trình (nguyên nhân sẽđược trình bày ở phần III.2), nếu đầu phun nhựa và phun khí trùng nhau thì việc chế tạo rất khókhăn

Nguồn: An Overview of Gas-Assist Injection Molding trang 15,16

http://zing.4share.vn/docs/1725/Khuon_mau Phan_2.html

II. Nguyên lý hoạt động của phương pháp ép phun có trợ khí

II.1 Nguyên lý chung

Nhìn chung, nguyên lý hoạt động của phương pháp ép phun có trợ khí gần giống vớikhuôn thổi, điểm khác nhau cơ bản là trong khuôn thổi, phôi được gia công riêng sau đó đemgia nhiệt và thổi thành sản phẩm Ép phun có trợ khí trải qua 2 quá trình:

 Hỗn hợp nhựa dẻo được đưa vào khuôn

Hình II.1-1: Biểu diễn dòng nhựa dẻo vào khuôn

 Khí được đưa vào bên trong lớp vật liệu nhựa sẽ đi đến nơi có lực cản nhỏ nhất (ápsuất cản nhỏ và nhiệt độ cao) Khi đó khí sẽ tạo lõi bằng cách choáng chỗ phần vậtliệu bị đẩy đi

Hình II.1-2: Biểu diễn khí đưa vào lòng khuôn

Nguồn: An Overview of Gas-Assist Injection Molding trang 6

http://zing.4share.vn/docs/1725/Khuon_mau Phan_2.html

II.2 Quá trình hoạt động của phương pháp ép phun có trợ khí

Tùy vào sản phẩm, tùy vào thiết bị và tùy vào cách phân chia mà quá trình ép phun có trợkhí có thể chia thành 3, 4 hoặc 5 giai đoạn Hình II.2-2 mô tả một cách đầy đủ toàn bộ chu trìnhhoạt động của một quá trình ép phun có trợ khí Đối với bộ khuôn đơn giản, quá trình này đượcchia làm 4 bước (hình II.2-1):

 Đóng khuôn và phun keo

 Bơm khí và điền đầy

 Giữ khí, bịt kín và làm lạnh

 Mở khuôn, lói sản phẩm

Đầu tiên, hỗn hợp nhựa dẻo được đưa vào khuôn (hình II.2-1a)

Khí không được ngay lập tức bơm vào mà sau một khoảng thời gian trễ (rất ngắn, khoảngvài giây) mới được đưa vào (hình II.2-1b) Khoảng thời gian trễ này nhằm thiết lập lớp vật liệurắn bên ngoài sản phẩm gọi là lớp vỏ Độ dày lớp vỏ tùy thuộc vào khoảng thời gian trễ, thờigian trễ ngắn làm cho lớp vỏ có bề dày mỏng hơn mong muốn Độ dày của lớp vỏ cũng phụthuộc vào thể tích hỗn hợp lỏng trong lòng khuôn Nhiệm vụ của lớp vỏ là ngăn áp lực khíxuyên thủng sản phẩm

Hình II.2-1: Các bước của quá trình ép phun có trợ khí

Áp lực khí tăng dần lên (hình II.2-1c), dòng khí có xu hướng đi đến những nơi có lực cảnthấp (các góc cạnh của khuôn) giúp tối ưu quá trình điền đầy làm cho hỗn hợp nhựa bị thổi đi

xa tới các thành khuôn, lớp vỏ sản phẩm được hình thành với bề dày tăng dần

Cuối cùng là pha giữ (hình II.2-1d), hỗn hợp điền đầy vào khuôn dưới lực ép của khí, khíngăn cản sự hình thành các vết lõm trên bề mặt sản phẩm và lớp vỏ đạt đến bề dày cuối cùng,

đi kèm với nó là quá trình làm lạnh

Hình II.2-2: Chu trình ép phun có trợ khí hoàn chỉnh cho một sản phẩm

Bảng II.2-2: Giải thích các thuật ngữ trong hình II.2-2

1 Begin Cycle Bắt đầu chu trình phun ép

3 Unit Forward Chuyển tiếp, gắn đầu phun vào

miệng khuôn

4 Resin Injection Phun hỗn hợp nhựa nóng chảy

6 Gas injection Phase Pha phun khí

7 Gas Pressure HoldingPhase Pha giữ áp lực khí

8 Gas Pressure Release Xả áp lực khí

10 Remaining Cooling Thời gian giữ làm lạnh

Nguồn: Structure of gas-assisted injection moulded parts , trang 139,140

Gas-Assist InjectionMolding: An InnovativeMedical Technology

Những mô phỏng cho quá trình GAIM được sử dụng để dự đoán trước về nhựa và dòngkhí thổi trong lòng khuôn, các dạng phần mềm CAE sử dụng trong khuôn mẫu rất hữu íchtrong lĩnh vực này Nó có thể dự đoán hỗn hợp nóng chảy trong lòng khuôn sẽ thay đổi như thếnào trong các pha của quá trình và khí sẽ được phân phối ra sao trong khối sản phẩm Các phầnmềm này được sử dụng để phân tích các quá trình phun ép thông thường và một số quá trìnhphun ép đặc biệt khác để đánh giá chất lượng sản phẩm phun ép ví dụ như một số lỗi có thể xảy

ra đối với sản phẩm Chương trình mô phỏng cũng có thể dùng để nghiên cứu quá trình làmlạnh trong phun ép, điều rất quan trọng để có thể đạt được những sản phẩm tốt

Ngoài các phần mềm mô phỏng, kinh nghiệm là yếu tố rất quan trọng trong việc hìnhdung ra quá trình Nó cho thấy sự khác nhau giữa ép phun có trợ khí và trợ nước

III. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ép phun có trợ khí

III.1 Nhiệt độ hỗn hợp dẻo

Nhiệt độ của hỗn hợp có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc tế vi từ đó ảnh hưởng đến cơ tínhcủa sản phẩm Thí nghiệm trên nguyên liệu nhựa polypropylen đã cho thấy điều này Sản phẩm

là tay cầm xe đẩy trẻ em (hình III.1-1), được sản xuất với các thông số được đơn giản hóa đểthuận tiện cho việc thiết kế và thí nghiệm (thời gian phun: 4s; áp suất giữ: 5Mpa; thời gian giữ:41s; thời gian trễ: 2s)

Sản phẩm được ép phun có trợ khí với 2 nhiệt độ là 175 0C và 2250C, hình III.1-2 (a và b),đem so sánh và cho thấy kết quả.

Hình III.1-1: Bộ khuôn và sản phẩm tay cầm xe đẩy trẻ em cho thí nghiệm

Hình III.1-2: mặt cắt ngang sản phẩm được phun ép ở nhiệt độ 1750C và 2250C

Đạt được kết cấu tốt tại tiết diện mặt cắt là một điều rất quan trọng để làm tăng cơ tínhcủa sản phẩm Kết cấu này chịu ảnh hưởng của các tham số quá trình cũng như ảnh hưởng củadòng chảy hỗn hợp nhựa trong hệ thống dẫn hoặc trong lòng khuôn Trong quá trình GAIM,tốc độ ép được tăng cường bởi sự thâm nhập của khí Hệ quả là, trong những khoảng tốc độ épkhác nhau, các kết cấu khác nhau được định hình đó là: cấu trúc dạng tấm được định hình ở lớp

vỏ, cấu trúc kiểu thịt nướng ở kế tiếp lớp vỏ và tinh thể hình cầu phổ biến trong vùng dọc theokênh khí Tốc độ làm lạnh có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành cấu trúc tinh thể, hình thái cấutrúc sản phẩm trong ép phun thông thường và ép phun có trợ khí là khác nhau

Ở hình III.1-3 cho thấy ở nhiệt độ thấp, sản phẩm có lõi khí lớn và ít xuất hiện các bongbóng khí, cấu trúc tinh thể nhận được đều và ổn định Hơn nữa nếu phân tích kỹ sẽ thấy cấutrúc hạt, bề dày lớp hạt và đường kính hạt cũng khác nhau Để hiểu rõ hơn vấn đề này, mời bạn

đọc bài viết “Structure of gas-assisted injection molding” trang 141, 142,143,144 sẽ trình

bày rõ hơn Trên đây chỉ là một ví dụ để chứng minh rằng nhiệt độ có ảnh hưởng đến chấtlượng sản phẩm, việc quyết định các khoảng nhiệt độ này phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm

người tiến hành trải qua nhiều lần thí nghiệm Vì vậy, trong ép phun có trợ khí, cần khống chế

nhiệt độ cho hỗn hợp dẻo để đạt được cấu trúc tốt nhất ứng với từng loại nguyên liệu

Nguồn: Structure of gas-assisted injection molding trang 141, 142

Tùy vào độ phức tạp và yêu cầu thẩm mỹ của sản phẩm (độ bóng bề mặt) mà ta chọncác kiểu đưa khí vào khác nhau Một số cách đưa khí vào:

III.2.1 Phun khí trực tiếp vào thông qua cổng phun nhựa

Hình III.2-1: Sơ đồ phun khí trực tiếp vào khuôn qua cổng phun nhựa

III.2.2 Phun khí trực tiếp vào sản phẩm hoặc gián tiếp vào khuôn qua hệ thống dẫn

Hình III.2-2: biểu diễn phun khí tại một điểm đặc biệt

Hình III.2-3: Sơ đồ phun khí qua hệ thống dẫn

 Chi phí cho công nghệ rất tốn kém

Nguồn : Ami_gas_assisted, chương 5: Gas entrances

An Overview of Gas-Assist Injection Molding, trang 8,9,10,11 Injection Molding Gas Assist Technology Guide, GE plastic

http://zing.4share.vn/docs/1725/Khuon_mau Phan_2.html

III.3 Phương thức thực hiện quá trình

Có 2 phương pháp thực hiện quá trình phun trợ khí: phun khí sinh áp suất trong và phunkhí sinh áp suất ngoài Trong đó phương pháp phun khí sinh áp suất trong được sử dụng phổbiến, phương pháp phun khí sinh áp suất ngoài chỉ sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt

III.3.1 Quá trình phun khí sinh áp suất trong (process with internal gas pressure)

Ở phương pháp này, khí được cấp vào trong lòng hỗn hợp nóng chảy Phương pháp này

 Bắn phun khí (short shot process): sản phẩm được điền đầy một phần sau đó phun khí vào đểhoàn tất quá trình điền đầy Hình III.3-1 trình bày sơ đồ bắn phun khí

Hình III.3-1: Sơ đồ bắn phun khí

 Quá trình phun hoàn toàn (full shot process): hỗn hợp nhựa dẻo điền đầy hoàn toàn vào khuôn,sau đó khí được phun vào để tránh co rút Hình III.3-2 biểu diễn quá trình phun khí hoàn toàn

Hình III.3-2: Sơ đồ quá trình phun khí hoàn toàn

 Quá trình phun tràn (overflow process): hỗn hợp nhựa nóng chảy điền đầy hoàn toàn vàokhuôn, sau đó khí được phun vào để tăng áp suất ép, phần vật liệu bị choáng bởi khí đưa vào sẽtràn ra ngoài qua khe tràn Hình III.3-3 biểu diễn quá trình phun tràn

Hình III.3-3: Sơ đồ quá trình phun tràn

 Quá trình phun khí từ lưng (back-to-screw process): hỗn hợp nhựa điền đầy hoàn toàn sau đóphun khí vào tạo thành ống khí ở giữa Hình III.3-4 biểu diễn quá trình phun khí từ lưng

Hình III.3-4: Sơ đồ quá trình phun khí từ lưng

 Quá trình phun ngược (core-back process): quá trình điền đầy hoàn toàn được thực hiện ngaykhi thể tích nó đang giảm, sự phun khí được thực hiện cùng lúc với quá trình rút khí HìnhIII.3-5 biểu diễn quá trình phun ngược

Hình III.3-5: Sơ đồ quá trình phun ngược

 Quá trình phun kết hợp (multifoam process): là quá trình phun khí kết hợp phun nhiều loại vậtliệu khác vào lõi Hình III.3-6 biểu diễn quá trình phun kết hợp

Hình III.3-6: Sơ đồ quá trình phun kết hợp

III.3.2 Quá trình phun khí sinh áp suất ngoài

Đây là một dạng khá mới của ép phun có trợ khí Loại này chủ yếu được dùngtrong tạo gân trợ lực cho chi tiết Hình III.3-7 biểu diễn quá trình phun khí sinh áp suất ngoài