NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY TRONG KHUÔN KÊNH DẪN NÓNG

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY TRONG KHUÔN KÊNH DẪN NÓNG Phạm Xuân Hiển 1* , Nguyễn Hùng Dũng 1 , Cao Trần Ngọc Tuấn 2 , Đặng Văn Nghìn 1,2 , Thái Thị Thu Hà 1 1 Phòng thí nghiệm trọng

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY TRONG KHUÔN

KÊNH DẪN NÓNG

Phạm Xuân Hiển 1* , Nguyễn Hùng Dũng 1 , Cao Trần Ngọc Tuấn 2 , Đặng Văn

Nghìn 1,2 , Thái Thị Thu Hà 1

1 Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Điều khiển số và Kỹ thuật hệ thống

2 Viện Cơ Học Và Tin Học Ứng Dụng TP.HCM, Việt Nam

*Email: pxhien@hcmus.edu.vn

Đến tòa soạn: 18/11/2014; ngày nhận đăng: 20/12/2014

TÓM TẮT

Bài báo này trình bày các quy trình phân tích, mô phỏng dòng chảy trong khuôn kênh dẫn nóng qua các giai đoạn khác nhau trong quá trình ép phun như: giai đoạn điền đầy, giai đoạn nén giữ và giai đoạn làm nguội Việc mô hình hóa mô phỏng được xây dựng trên máy tính thông qua phần mềm mô phỏng Ngoài ra, bài báo cũng trình bày một số kết quả thí nghiệm với khuôn chén xét nghiệm y tế sử dụng hệ thống kênh dẫn nóng để so sánh mô phỏng và thực nghiệm

Từ khóa: Hệ thống kênh dẫn nóng, mô phỏng số, quá trình ép phun, mô hình toán học

Chữ viết tắt: XNYT: Xét nghiệm y tế

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây, khuôn có hệ thống kênh dẫn nóng được sử dụng rộng rãi trong công nghệ ép phun do ưu điểm so với kênh dẫn nguội như: chất lượng, chi phí, kích thước, các sản phẩm có hình dáng phức tạp và đặc biệt là các sản phẩm thành mỏng Hiện nay, các sản phẩm thành mỏng được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực như y tế, điện tử … Một sản phẩm thành mỏng điển hình dùng trong y tế là chén XNYT, yêu cầu phải đảm bảo tính trong suốt, độ đồng đều về kích thước chiều dầy và độ bóng bề mặt cao

Hình 1 Bản vẽ chi tiết chén xét nghiệm Y tế

Để đạt một sản phẩm chất lượng cao còn phụ thuộc vào các thông số trong quá trình ép phun Quá trình ép phun có thể chia thành nhiều giai đoạn bao gồm: giai đoạn điền đầy, giai đoạn nén giữ và làm nguội Một trong những thông số đặc trưng cho các giai đoạn khác nhau trong quá trình ép đó chính là áp suất lòng khuôn Như hình 2 cho thấy áp suất trong lòng khuôn thay đổi liên tục tùy thuộc vào mỗi giai đoạn

Hình 2 Đường cong áp suất phía trong lòng khuôn qua các giai đoạn khác nhau trong quá trình ép phun

CAE (Computer-Aided Engineering) đã được sử dụng rộng rãi và chứng minh là một công

cụ quan trọng cho các nhà thiết kế khuôn Thiết kế và các thay đổi trong quá trình thiết kế được đánh giá trên máy tính trước khi khuôn được chế tạo thực tế Do đó, các khuyết tật có khả năng xảy ra được xác định và được điều chỉnh trong giai đoạn thiết kế Hơn nữa, thiết kế có thể được cải tiến và được tối ưu tùy thuộc vào kết quả mô phỏng, khi đó kỹ thuật đồng thời có thể được thực hiện Đây là một trong những cách hiệu quả nhằm giảm chi phí sản xuất và với những thuận lợi của phần cứng và mô hình hóa lý thuyết hiện tại thì việc mô phỏng quá trình ép phun là một phương pháp hiệu quả cao nhất cả về chất lượng lẫn chi phí

Trong bài báo này sẽ giới thiệu phương pháp mô hình hóa chén xét nghiệm trong khuôn kênh dẫn nóng và phân tích các giai đoạn trong quá trình ép phun bằng phần mềm mô phỏng sử dụng các mô hình toán học Ngoài ra, một bộ khuôn chén XNYT sử dụng kênh dẫn nóng có 4 lòng khuôn đã được sử dụng thực nghiệm để đánh giá với kết quả mô phỏng

2 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ÉP PHUN

Như đã trình bày trong hình 2, quá trình ép phun gồm 3 giai đoạn: giai đoạn điền đầy, giai đoạn nén giữ, giai đoạn làm nguội Sau đây ta sẽ tiến hành khảo sát các phương trình toán học liên quan đến các quá trình này

2.1 Giai đoạn điền đầy

Nhựa chảy dẻo được xem giống như cách ứng xử của dòng chảy Newton tổng quát (GNF) [2-3] Do đó chuyển động của dòng chảy 3D không đẳng nhiệt có thể được mô tả dưới dạng toán học như sau:

0

u t

( T)

I u u

2

P

T

t



Trong đó: u là vectơ vận tốc, T là nhiệt độ, t là thời gian, p là áp suất,  ứng suất tổng,  là

tỷ trọng,  là độ nhớt, k là độ dẫn nhiệt, Cp nhiệt dung riêng và  là tốc độ trượt cắt Trong phần này, mô hình Cross [1] hiệu chỉnh cùng với mô hình Arrhenius [4] ứng dụng để tính toán sự phụ thuộc nhiệt độ được sử dụng để mô tả độ nhớt của nhựa chảy dẻo

0 1 0

( ) ( , )

T

 

   







Với

T BExp

T

    

Trong đó: n là chỉ số của định luật dạng lũy thừa, 0 là độ nhớt tại tốc độ trượt cắt bằng 0,

 là thông số mô tả vùng chuyển tiếp giữa tốc độ trượt cắt bằng 0 và vùng định luật dạng lũy thừa của đường cong độ nhớt Thể tích f được đưa ra để theo dõi sự thay đổi phía trước của dòng chảy nhựa dẻo Ở đây, f = 0 được xác định như giai đoạn khí, f = 1 được xác định như giai đoạn nhựa chảy dẻo và rồi phía trước dòng chảy được đặt phía trong vùng với 0 < f <1 Sự tăng của f trên thời gian được điều khiển bởi phương trình di chuyển theo sau:

.(u )=0

f

f

t

Tốc độ dòng chảy hoặc áp suất phun là các thông số ép đầu vào được thiết lập Tại thành khuôn được xem như là không trượt

2.2 Giai đoạn nén giữ

Trong giai đoạn nén giữ, lòng khuôn thì sẽ được điền đầy hoàn toàn bởi áp suất phun tác động lên dòng chảy nhựa dẻo Để bù sự co rút nhiệt, nhựa chảy dẻo được ép vào trong lòng khuôn do lực tác động từ trục vít, rồi sản phẩm được làm nguội, do đó công thức tính toán ứng

xử nén của dòng chảy nhựa dẻo được yêu cầu cho giai đoạn nén giữ Các phương trình điều khiển thì dựa trên các phương trình từ (1) - (7) ở trên Phương trình Tait hiệu chỉnh [6] được dùng để mô tả cách ứng xử PVT của vật liệu nhựa trong suốt quá trình ở cuối giai đoạn điền đầy hoặc ở thời điểm đầu của giai đoạn nén

P

V P T V T C V P T

B T

Trong đó:

0

( )

b b T T T

V T

b b T T T



Trạng thái chảy dẻo Trạng thái hóa rắn

 

( )

b b T T T

B T

b b T T T





( , )

t t

t

T T

V P T

b b T b P T T







5

T T b 

Nhiệt độ chuyển tiếp: T b 5 b P6

Đối với Nhựa vô định: b1m b1s

Đối với Nhựa tinh thể: b1m b1s

2.3 Giai đoạn làm nguội

Trong suốt quá trình làm nguội trên khuôn, một vấn đề xảy ra trong chu kì ép là sự dẫn nhiệt thay đổi ở các mặt ngoài đối lưu trên kênh dẫn làm nguội và các bề mặt của tấm khuôn có liên quan Hiện tượng truyền nhiệt trên toàn bộ khuôn được điều khiển bởi một phương trình Poisson:

P

      

Trong đó:

T là nhiệt độ, t là thời gian, x, y, và z là tọa độ đề các,  là trọng lượng riêng, Cp là nhiệt dung riêng, k là độ dẫn nhiệt, phương trình (9) dùng cho cả tấm khuôn và sản phẩm nhựa với sự điều chỉnh dựa trên các tính chất nhiệt

Bởi vì nhiệt độ khuôn thì dao động chu kỳ theo thời gian, điều mà chúng ta quan tâm thực

sự không phải là nhiệt độ khuôn mà là sự ảnh hưởng của nhiệt độ trên sự truyền nhiệt của sản phẩm được làm khuôn Chúng ta có thể xem như là nhiệt độ khuôn trung bình của chu kì là không thay đổi theo thời gian Nguyên tắc trung bình chu kì là một khái niệm quan trọng trong cách phân tích giai đoạn làm nguội khuôn truyền thống Để giảm số lần lặp của quá trình nhiệt

độ thay đổi, chúng ta có thể sử dụng CAP trong khi tính toán nhiệt độ khuôn Sự phân bố nhiệt

độ trung bình chu kì của tấm khuôn có thể đạt được bằng cách giải phương trình Laplace trạng thái nhiệt ổn định như sau:

m

k

x y z

Trong đó: T là nhiệt độ khuôn trung bình của chu kỳ

3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.1 Qui trình mô phỏng

Trong bài báo này, một chương trình giải số dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn được phát triển để giải các phương trình điều khiển Chương trình giải đã được ứng dụng thành công

Trạng thái chảy dẻo Trạng thái hóa rắn Trạng thái chảy dẻo Trạng thái hóa rắn

để mô phỏng các giai đoạn trong quá trình ép phun [7 - 8] Các kết quả giữa mô phỏng và thực tế

đã cho thấy đây là một công cụ hiệu quả cao và đáng tin cậy của phần mềm mô phỏng Quy trình phân tích cho các giai đoạn [9] được đưa ra như hình 3

Hình 3 Quy trình các bước phân tích của quá trình phân tích các giai đoạn trong ép phun

3.2 Mô hình hóa chén XNYT trong khuôn kênh dẫn nóng

Khuôn chén XNYT sử dụng kênh dẫn nóng gồm 4 lòng khuôn như hình 3

Điều đặc biệt là trên khuôn sử dụng các van ngắt để điều khiển việc đóng mở miệng phun, khi đó sẽ làm tăng chất lượng và giảm ứng suất tại vị trí miệng phun trên chén XNYT so với dạng miệng phun dạng mở Vật liệu ép chén XNYT là vật liệu PS-525, ngoài ra có sự khác nhau giữa khuôn kênh dẫn nguội là trên các kênh dẫn luôn được gia nhiệt bằng các dây điện trở để giữ cho nhiệt độ không đổi Vật liệu làm các phần ghép tạo hình của chén XNYT được làm bằng thép P20, các tấm khuôn là SC55 và SKD61 Vị trí cổng bơm được đặt lệch sang một bên của chén XNYT, khi đó sẽ gây ra sự mất cân bằng dòng chảy trong khi ép, kết quả là gây ra hiện tượng nén cục bộ tại vị trí được điền đầy đầu tiên trên chén XNYT

Hình 1 (a) Phần tạo hình bên khuôn dương (b) Tấm manifold và các dây điện trở (c) Phần tạo hình bên

khuôn âm (d) Chén XNYT y tế

Mô hình khuôn chén XNYT được mô hình hóa trên phần mềm Moldflow như hình 5 Do nhiệt độ trên các kênh dẫn là không đổi, do đó đặt điều kiện nhiệt độ cho các kênh dẫn là như nhau và có giá trị là 2300C

Hình 2 Mô hình hóa của khuôn chén XNYT có xét đến sự truyền nhiệt của bề mặt các tấm khuôn

Mô hình này đối xứng về hình học do đó sử dụng tính năng Occurrence Number trong phần mềm Moldflow để phân tích mô hình một nửa Dòng chảy không cân bằng khi đó sẽ xảy ra hiện tượng là thời gian điền đầy sẽ khác nhau trên những vùng khác nhau của chén XNYT Kết quả

mô phỏng trong hình 6a cho thấy thời gian điền đầy cuối cùng của chén XNYT là 1.2s Hình 6b chỉ ra sự mất nhiệt, nếu độ chêch lệch giữa nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ tại thời điểm điền đầy cuối cùng quá lớn cho thấy thời gian điền đầy quá dài, ngoài ra còn cho biết khả năng xảy ra hiện tượng không điền đầy hình dáng của chén XNYT

Hình 3 (a) Kết quả thời gian điền đầy tại mỗi vị trí trên sản phẩm (b) Nhiệt độ phía trước dòng chảy

trong lòng khuôn

Trong quá trình ép, giai đoạn nén giữ khá quan trọng vì nó có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt và độ bền của sản phẩm Hình 7a cho thấy độ co rút trung bình tại từng vùng trên chén XNYT Áp suất nén giữ trong giai đoạn này sẽ xác định được lực kẹp cần thiết để hai nửa khuôn luôn đóng kín với nhau Hình 7b cho thấy lực kẹp cần thiết

Hình 4 (a) Sự phân bố độ co rút thể tích sau khi phân tích giai đoạn nén giữ (b) Đường cong lực kẹp

theo thời gian ép

Đánh giá hệ thống làm nguội trên khuôn là tốt hay không tốt dựa vào 3 yếu tố chính là: sự phân bố nhiệt trên chén XNYT, mức độ nhiệt được lấy đi và độ chệch lệch nhiệt độ giữa đầu vào

và đầu ra của kênh dẫn làm nguội Yếu tố đầu tiên rất quan trọng vì nó có thể gây ra sự cong vênh khi sản phẩm không được giải nhiệt đồng đều trên các vị trí khác nhau của chén XNYT Để đánh giá yếu tố đầu tiên thì căn cứ vào sự chênh lệch nhiệt độ của các vị trí khác nhau không được vượt quá mức cho phép là 50C, trong hình 8a cho thấy độ chênh lệch nhỏ hơn giá trị cho phép Căn cứ vào hình 8b cho thấy độ chênh lệch nhiệt độ nước đầu vào và đầu ra là chưa đến

10C, độ chênh lệch này nhỏ hơn miền cho phép 2-30C

Hình 5 (a) Nhiệt độ tại các vị trí khác nhau trên chén XNYT (b) Nhiệt độ của nước làm nguội trong kênh dẫn (c) Hiệu suất giải của các kênh dẫn làm nguội (d) Nhiệt độ bề mặt ngoài của các tấm khuôn

Hình 6 Dự đoán thời gian có thể lói sản phẩm khi nhiệt độ sản phẩm đạt đến nhiệt độ cho phép lói

Do độ dày của chén XNYT không đồng nhất và nhiệt độ phân bố trên chén XNYT là khác nhau khi đó nó sẽ gây ra hiện tượng độ co rút khác nhau trên các vị trí khác nhau của chén

XNYT, kết quả là chén XNYT bị biến dạng cong vênh Dựa trên hình 10 ta có thể đánh giá mức

độ biến dạng theo các phương x, y ,z và kết quả cho thấy là mức độ biến dạng không đáng kể

(c)

Hình 7 Kết quả phân tích sự biến dạng (a) Sự chuyển vị theo phương X (b) Sự chuyển vị theo phương Y

(c) Sự chuyển vị theo phương Z

Để đánh giá độ chính xác của các kết quả mô phỏng trên, một bộ khuôn chén XNYT sử dụng kênh dẫn nóng đã được chế tạo như hình 4 Các thông số đầu vào như điều kiện ép trong quá trình ép phun được sử dụng trong mô phỏng và thực tế là giống nhau và kết quả đã cho thấy các kết quả mô phỏng và thực tế là gần trùng khớp với nhau

4 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM KHUÔN 4.1 Máy thử nghiệm:

Máy ép được dùng trong thí nghiệm này là máy Chuan Lih Fa CLF- 125 có nguồn gốc từ

Đài Loan, loại máy này được sử dụng phổ biến trong các nhà máy ép nhựa vì giá thành máy hợp

lý và điều khiển quá trình ép dễ dàng

Hình 8 Máy ép nhựa dùng để thực nghiệm

Các thông số của máy được thể hiện trong bảng 1 như sau:

Bảng 1: Các thông số của máy ép nhựa CLF-125

Thể tích bơm lý thuyết (cm3) 480

4.2 Nhiệt độ thử nghiệm:

Gia nhiệt cho 4 đầu phun, 1 vùng trên và 1 vùng dưới của manifold, vậy ta có tất cả là 6 vùng được điều khiển nhiệt độ trên bộ điều khiển nhiệt độ như hình 12

Hình 9 Bộ điều khển nhiệt độ máy ép nhựa

Số thứ tự 1, 2, 3, 4 là các nhiệt độ trên các đầu Nozzle, nhiệt độ thiết lập: 2250C

Số thứ tự 5, 6 là các nhiệt độ trên Manifold, nhiệt độ thiết lập: 2350C

Trong đó: nhiệt độ hiển thị ở trên cùng (màu đỏ) là nhiệt độ đo được từ càm biến, nhiệt độ

ở dưới (màu xanh) là nhiệt độ thiết lập

Cài nhiệt độ vào hệ thống điều khiển nhiệt độ, để đạt nhiệt độ yêu cầu từ lúc bật hệ thống khoảng 5 phút

4.3 Vật liệu thử nghiệm:

Thử nghiệm với vật liệu nhựa: PS-525 , các tính chất cơ học và các thông số ép của vật liệu này đã được trình bày ở bảng 2

Bảng 2: Tính chất cơ học và các thông số ép của vật liệu nhựa PS-525

Tính chất cơ học

Các thông số ép

Miền nhiệt độ gia công (0C) 176-260

Ứng suất trượt cắt lớn nhất (MPa) 0.2

Tốc độ trượt cắt lớn nhất (1/s) 40000

Sau khi lắp bộ khuôn, hệ thống điều khiển nhiệt độ, cấp nhựa PS-525 vào máy ép phun

4.4 Quy trình gia nhiệt:

Quy trình gia nhiệt bao gồm 4 giai đoạn:

1 Gia nhiệt vùng trên và vùng phía dưới của manifold

2 Gia nhiệt đều tất cả các phần còn lại

3 Thời gian gia nhiệt khoảng 5 phút để đạt tới nhiệt độ yêu cầu là 2350C

4 Điều khiển quá trình ép phun

4.5 Kết quả ép phun:

1 Sản phẩm trong loạt thứ 1 đến thứ 20: nhựa cũ trong quá trình ép trước đó vẫn còn dính nhiều

trên máy ép và điều chỉnh khoảng lấy nhựa và các thông số ép chưa hợp lý như nhiệt độ, áp suất

do đó các sản phẩm trên khuôn vẫn chưa được điền đầy hình dáng của chén xét nghiệm

Hình 10 Kết quả sản phẩm loạt thứ 1 đến 20

2 Sản phẩm trong loạt thứ 20 đến thứ 30: Lúc đầu thử nghiệm chưa nóng chảy đều và nhựa

cũ trên quá trình ép trước đó vẫn còn dính một ít trên đầu phun của máy ép nên trên bề mặt sản phẩm còn những vết ố và bề mặt chưa được căng mịn tại mặt phía trên của chén xét nghiệm

Hình 11 Kết quả sản phẩm loạt thứ 20 đến 30

3 Sản phẩm loạt thứ 31 và sau đó: bề mặt sản phẩm đã hết vết ố và mờ, ngoài ra vết cổng phun để lại trên sản phẩm khá nhỏ và đẹp

Hình 12 Kết quả sản phẩm loạt thứ 31 và sau đó

Nhận xét:

Quá trình thử nghiệm và các kết quả kiểm tra về kích thước, độ bền, chất lượng bề mặt đã cho thấy, chén xét nghiệm y tế sử dụng kênh dẫn nóng đạt độ chính xác như mong muốn và chất lượng về bề mặt sản phẩm rất tốt Ngoài ra, khi sử dụng khuôn kênh dẫn nóng sẽ tiết kiệm rất nhiều chi phí sản xuất do giảm được lượng keo dùng cho hệ thống kênh dẫn nhựa và thời gian chu kì ép so với các khuôn kênh dẫn nguội truyền thống

5 KẾT LUẬN

Trong bài báo này, chúng tôi đã giới thiệu phương pháp xây dựng mô hình hóa chén XNYT trong khuôn kênh dẫn nóng bằng phần mềm mô phỏng Moldflow và phân tích các kết quả thu được sau khi chạy mô phỏng và sử dụng các kết quả này để đánh giá trong quá trình thiết kế khuôn chén XNYT sử dụng kênh dẫn nóng Ngoài ra chúng tôi tiến hành chế tạo một bộ khuôn thực tế để đánh giá kết quả giữa thực tế và mô phỏng Trên cơ sở các số liệu từ thực nghiệm và

mô phỏng đã cho thấy đây là một công cụ mạnh mẽ và đem lại hiệu quả khá cao đối với ngành công nghiệp nhựa và các nhà thiết kế khuôn