Hạn chế độ cong vênh của sản phẩm nhựa polypropylene dạng tấm bằng phương pháp điều chỉnh nhiệt độ

NGHIEÂN CÖÙU - TRAO ĐỔI HẠN CHẾ ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM NHỰA POLYPROPYLENE DẠNG TẤM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ REDUCTION OF THE WARPAGE FOR POLYPROPYLENE PLATE BY MELT TEMPERATURE CONTROL Phạm Sơn Minh, Thanh Trung Do, Lê Võ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, trình phun ép nhựa polypropylene tiến hành mô thí nghiệm với thay đổi nhiệt độ nhựa từ 200 oC đến 280 oC Ảnh hưởng nhiệt độ nhựa đến độ cong vênh sản phẩm nhựa dạng xem xét với chiều dày thay đổi từ 1.0 mm đến 2.5 mm Kết nghiên cứu cho thấy tăng nhiệt độ nhựa từ 200 oC lên 280 oC, độ cong vênh sản phẩm nhựa dạng giảm đáng kể Với sản phẩm có chiều dày mỏng, tượng cong vênh co rút hạn chế nhiều Nghiên cứu cho thấy kết thí nghiệm kết mô tương đồng với Từ khóa: Khuôn phun ép nhựa, nhiệt độ nhựa, độ cong vênh, chiều dày ABSTRACT In this research, the injection molding process of polypropylene plate is simulated and experimented as a function of melt temperature from 200 oC to 280 oC The effect of melt temperature on the warpage of plate is examined with several plate thicknesses of 1.0 mm, 1.5 mm, 2.0 mm and 2.5 mm The result shows that when the melt temperature increases from 200 oC to 280 oC, the plate warpage significantly reduces for all types of plate thickness Also, the reductions of plate warpage and shrinkage are larger when the plate is thinner In addition, the results of simulation and experiment have a good agreement Keywords: Injection molding, melt temperature, plate warpage, plate thickness 50 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số năm 2014 www.cokhivietnam.vn NGHIEÂN CÖÙU - TRAO ĐỔI GIỚI THIỆU CHUNG trình làm việc [12-14] Hiện nay, lĩnh vực gia công sản phẩm nhựa, phương pháp phun ép phương pháp phổ biến hiệu Trong quy trình này, vật liệu nhựa từ dạng hạt gia nhiệt đến trạng thái dẻo nóng chảy thành dạng lỏng nhiệt độ thông dụng từ 150 oC đến 300 oC Sau đó, nhựa nóng chảy ép vào lòng khuôn thông qua cổng phun Trong thông số phun ép, giá trị nhiệt độ nhựa nóng chảy gọi đơn giản nhiệt độ nhựa (Melt temperature) Sau nhựa điền đầy lòng khuôn, trình giải nhiệt cho khuôn sản phẩm tiếp tục diễn Khi nhiệt độ nhựa giảm đến giá trị nhiệt độ mở khuôn, hai lòng khuôn mở ra, sản phẩm lấy chu kỳ phun ép bắt đầu cho sản phẩm Độ co rút cong vênh sản phẩm nhựa phụ thuộc nhiều vào thông số phun ép nhiệt độ khuôn (Mold temperature), áp suất phun (Filling pressure) thời gian phun (Filling time) Nếu thông số phun ép chọn hợp lý, tượng cong vênh hạn chế thỏa mãn yêu cầu khách hàng Hiện nay, có nhiều phương pháp nhằm can thiệp vào trình cong vênh sản phẩm như: Hạ nhiệt độ khuôn, tăng áp suất phun, tăng thời gian định hình… [6- 9] Và thông dụng nay, thông số phun ép thường kết hợp theo phương pháp tối ưu hóa nhằm tìm thông số hợp lý [10] Đến nay, có nhiều nghiên cứu vấn đề cong vênh sản phẩm nhựa lĩnh vực phun ép Tuy nhiên, nghiên cứu chủ yếu dùng phương pháp tối ưu hóa nhằm tìm thông số tốt cho trình phun ép [11-14] Trong trình thiết kế chế tạo sản phẩm nhựa dạng với phương pháp phun ép, tượng co rút cong vênh xảy sau hoàn thành trình ép Hiện tượng co rút sản phẩm xuất hiện tượng giảm thể tích nhựa trình nguội từ nhiệt độ nóng chảy đến nhiệt độ mở khuôn, tiếp tục đến sản phẩm đạt đến nhiệt độ môi trường Kết tượng co rút vết lõm xuất bề mặt sản phẩm Mặc dù vết lõm ảnh hưởng không nhiều đến chức sản phẩm, tính thẩm mỹ sản phẩm giảm đáng kể Hiện tượng co rút thường xuất vị trí có chiều dày lớn [1, 2] Với sản phẩm nhựa, thiết kế sản phẩm không đối xứng, trình phun ép, sản phẩm không nguội đều, đó, tượng co rút không đồng toàn thể tích sản phẩm Đây nguyên nhân gây nên tượng cong vênh sản phẩm nhựa lĩnh vực phun ép [3 – 5] Ngược lại với co rút, tượng cong vênh làm sản phẩm giảm đáng kể độ xác kích thước, dẫn đến không thỏa mãn yêu cầu khách hàng, trình lắp ráp sản phẩm Ngoài ra, tượng co rút không xuất hiện, ứng suất dư tồn tại, làm ảnh hưởng xấu đến tính sản phẩm Qua phân tích nêu trên, tượng co rút cong vênh yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng khả làm việc sản phẩm phun ép nhựa Mặc dù có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ co rút sản phẩm vật liệu, thông số phun ép, thiết kế sản phẩm, thiết kế khuôn,… ảnh hưởng nhiệt độ nhựa chưa nghiên cứu nhiều thực tế sản xuất, phương pháp lựa chọn theo kinh nghiệm phải sử dụng Do đó, báo này, nhiệt độ nhựa nghiên cứu chi tiết Các kết trình cong vênh tổng hợp so sánh với chiều dày sản phẩm khác Đồng thời, trình phun ép nghiên cứu thông qua phương pháp thí nghiệm phương pháp mô với phần mềm Moldflow 6.0 Sau đó, kết mô kết thí nghiệm tổng hợp so sánh MÔ TẢ THÍ NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG Trong nghiên cứu này, nhựa Polypropylene (PP) sử dụng trình thí nghiệm mô với thông số phun ép trìnhF TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số năm 2014 www.cokhivietnam.vn 51 NGHIEÂN CÖÙU - TRAO ĐỔI bày Bảng Quá trình mô với phần mềm Moldflow 6.0 tiến hành thông qua mô hình mô có 7658 phần tử Các kích thước hệ thống kênh dẫn nhựa mô hình hóa khuôn thực Sau trình mô kết thúc, kết độ cong vênh thể hình Các kết tổng hợp so sánh với thực nghiệm Trong trình thí nghiệm, nhiệt độ khuôn điều chỉnh 40 oC, thời gian điền đầy khuôn s, thời gian định hình s, áp suất phun áp suất định hình điều chỉnh 100 MPa, thời gian giải nhiệt 15 s Các sản phẩm phun ép nghiên cứu hình chữ nhật thiết kế với kích thước 30 mm x 150 mm chiều dày thay đổi 1.0 mm, 1.5 mm, mm 2.5mm Ngoài ra, trình phun ép, với loại chiều dày sản phẩm, mức nhiệt độ nhựa sau tiến hành thí nghiệm: 200oC, 220oC, 240 oC, 260 oC 280 oC Ứng với trường hợp nhiệt độ nhựa, 20 chu kỳ phun ép tiến hành ép thử nhằm đảm bảo hệ thống đạt trạng thái ổn định Sau đó, 10 chu kỳ tiến hành thu thập mẫu cho trình đo độ cong vênh Độ cong vênh sản phẩm tiến hành đo hình Ứng với loại nhiệt độ nhựa chiều dày sản phẩm, 10 mẫu đo, giá trị trung bình lần đo sử dụng nhằm so sánh phân tích với trường hợp khác Hình 1: Kết mô độ cong vênh sản phẩm dạng Hình 2: Đo độ cong vênh sản phẩm 52 Bảng 1: Thông số phun ép nhựa Polypropylene (PP) Thông số phun ép Nhiệt độ nhựa 180 - 290 °C Nhiệt độ khuôn 10.0 - 95.0 °C Tốc độ phun 80 - 240 mm/s Nhiệt độ sấy 70.0 - 93.3 °C Thời gian sấy 2.0 - 24.0 giờ Độ ẩm cho phép 0.010 - 0.150 % Áp suất phun 4.14 - 130 MPa ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Ứng với giá trị nhiệt độ nhựa khác nhau, kết mô độ cong vênh tổng hợp Bảng so sánh hình Nhìn chung, tăng nhiệt độ nhựa từ 200oC đến 280oC, độ cong vênh nhựa có thay đổi đáng kể Với mẫu thử có chiều dày mỏng, ảnh hưởng nhiệt độ nhựa đến cong vênh sản phẩm lớn Với chiều dày 1.0 mm, 1.5 mm, 2.0 mm 2.5 mm, độ cong vênh giảm 1.116 mm, 0.756 mm, 0.711 mm 0.171 mm Khả giảm cong vênh sản phẩm tăng nhiệt độ nhựa giải thích tượng đông đặc nhựa vị trí cổng phun (Gate) Trong quy trình phun ép nhựa, sau điền đầy vào lòng khuôn, tượng co rút vật liệu nhựa diễn trình giảm nhiệt độ Do đó, trình điền đầy nhựa vào lòng khuôn (Filling step) trình định hình (Packing step) Trong trình định hình, nhựa tiếp tục ép vào lòng khuôn nhằm bù vào phần thể tích bị co rút trình nguội nhựa Quá trình định hình tiếp tục diễn đến phần vật liệu nhựa vị trí cổng phun đông đặc [12] Dựa vào trình này, nhiệt độ nhựa cao, thời gian đông đặc nhựa vị trí cổng phun dài hơn, đó, khả bù vật liệu trình co rút tiến hành thời gian dài Vì vậy, nhìn chung, tượng co rút sản phẩm cải thiện kết độ cong vênh nhựa thay đổi theo chiều hướng tốt Với kết này, trường hợp phun ép sản phẩm nhựa có thành TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số năm 2014 www.cokhivietnam.vn NGHIEÂN CÖÙU - TRAO ĐỔI mỏng, phương án tăng nhiệt độ nhựa hoàn toàn sử dụng nhằm giảm độ cong vênh sản phẩm, tăng khả điền đầy lòng khuôn Tuy nhiên, tăng nhiệt độ nhựa giới hạn cho phép vật liệu, sản phẩm bị bavia giảm độ bền Với loại chiều dày sản phẩm khác nhau, kết mô cho thấy tăng chiều dày từ 1.0 mm đến 2.5 mm tăng nhiệt độ nhựa từ 200 oC đến 280 oC, độ cong vênh giảm rõ rệt từ 1.534 mm xuống 0.11 mm Trong nghiên cứu này, độ cong vênh giảm với tất mức nhiệt độ nhựa khác tăng chiều dày sản phẩm Kết giải thích dựa vào độ cứng vững sản phẩm: Khi chiều dày sản phẩm tăng lên, độ cứng vững tăng thêm đáng kể Trong qui trình phun ép, sau sản phẩm lấy khỏi lòng khuôn, tượng co rút vật liệu tiếp tục diễn Do đó, với sản phẩm có chiều dày lớn hơn, khả chống cong vênh lớn mô tương đối giống nhau, trình mô dự đoán xác độ cong vênh sản phẩm nhựa dạng Độ sai lệch lớn mô thực nghiệm 0.024 mm Vì vậy, phương pháp dự đoán độ cong vênh sản phẩm nhựa phun ép phẩn mềm Moldflow hoàn toàn khả thi Hình 3: Kết mô ảnh hưởng chiều dày sản phẩm đến độ cong vênh Bảng 3: Kết so sánh mô độ cong vênh sản phẩm (δ) thí nghiệm mô ứng với chiều dày 2.5 mm Bảng 2: Kết mô độ cong vênh sản phẩm D (mm) Nhiệt độ nhựa ( oC) 200 220 240 260 280 1.534 1.199 0.937 0.743 0.418 Chiều dày (mm) 1.5 1.07 0.835 0.692 0.591 0.504 0.25 0.516 0.139 0.314 0.124 2.5 0.281 0.21 0.161 0.117 0.11 Bên cạnh phương pháp mô phỏng, độ cong vênh sản phẩm khảo sát thực nghiệm Các mẫu phun ép nhiệt độ khuôn 40 oC chiều dày sản phẩm 2.5 mm ứng với giá trị nhiệt độ nhựa từ 200 oC; đến 280 oC tiến hành đo kiểm độ cong vênh theo phương pháp hình Các kết so sánh mô thực nghiệm tổng hợp Bảng so sánh hình Với chiều dày 2.5 mm, tăng nhiệt độ nhựa từ 200 o lên 280 o, độ cong vênh giảm từ 0.305mm xuống 0.110 mm Ngoài ra, hình cho thấy kết thí nghiệm Hình 4: Kết so sánh độ cong vênh sản phẩm (δ) thực nghiệm mô ứng với nhiệt độ nhựa thay đổi TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số năm 2014 www.cokhivietnam.vn 53 F NGHIEÂN CÖÙU - TRAO ĐỔI KẾT LUẬN Qua trình mô đo kiểm thực tế, kết luận sau rút ra: - Khi nhiệt độ nhựa tăng từ 200oC đến o 280 C, độ cong vênh sản phẩm nhựa dạng có thay đổi đáng kể Kết tương tự cho tất chiều dày mẫu thử Do đó, phương pháp tăng nhiệt độ nhựa trình phun ép hoàn toàn sử dụng nhằm hạn chế độ cong vênh sản phẩm nhựa Ngoài ra, với nhiệt độ nhựa cao, khả điền đầy lòng khuôn trường hợp sản phẩm dạng thành mỏng sản phẩm phức tạp cải thiện đáng kể Tuy nhiên, thông số nhiệt độ nhựa thay đổi khoảng cho phép vật liệu nhựa Nếu nhiệt độ nhựa cao dễ dẫn đến khuyết tật bavia làm chậm thời gian giải nhiệt cho sản phẩm - Thông qua nghiên cứu này, chiều dày sản phẩm có ảnh hưởng lớn đến độ cong vênh sản phẩm nhựa dạng Khi tăng chiều dày từ 1.0 mm đến 2.5 mm, độ cong vênh giảm từ 1.534 mm xuống 0.418 mm với mẫu thử có chiều dày mm Do đó, chiều dày sản phẩm thông số quan trọng cần quan tâm trình thiết kế sản phẩm nhựa, đặc biệt với sản phẩm dạng thành mỏng - Thông qua trình đo kiểm thực tế, độ xác kết mô kiểm chứng Các kết so sánh thí nghiệm mô cho thấy trình mô dự đoán xác độ cong vênh sản phẩm nhựa dạng Do đó, trình sản xuất, công cụ mô hoàn toàn có khả ứng dụng thực tế nhằm dự đoán trước mức độ cong vênh sản phẩm nhựa dạng tấm, từ đó, nhà sản xuất có giải pháp khắc phục hạn chế độ cong vênh sản phẩm Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng thông số phun ép khác đến trình co rút biến dạng sản phẩm phun ép nhựa, nghiên cứu trình co rút dạng sản phẩm khác như: Hình trụ, hình hộp,…  54 Ngày nhận bài: 12/6/2014 Ngày phản biện: 14/7/2014 Tài liệu tham khảo: [1] L Shih-Jung, L Chang-Hsu and W Y-Chuan, Minimizing the sinkmarks in injection-molded thermoplastics, Adv Polym Technol, 2001, Vol 20(3), p 202 – 215 [2] Y Dongang and K Byung, Direct-search-based automatic minimization of weldlines in injection-molded parts, Polym-Plastics Technol Eng, 1998, Vol 37(4), p.509–525 [3] R A Harris, R J M Hague and P M Dickens, The structure of parts produced by stereolithography injection mold tools and the effect on part shrinkage, Int J Machine Tools Manufact, 2004, Vol 44(1), p 59–64 [4] M Kurokawa, Y Uchiyama, T Iwai and S Nagai, Performance of plastic gear made of carbon fiber reinforced PA66, Wear, 2003, Vol 254(5-6), p 468–473 [5] R Selden, Thin wall molding of engineering plastics – A literature survey J Inject Mold Technol, 2000, p 159–165 [6] B H Lee and B H Kim, Optimization of part wall thicknesses to reduce warpage of injection-molded parts based on the modified complex method, Polym-Plastic Technol Eng, 1995, Vol 34(5), p 793–811 [7] M C Huang and C C Tai, The effective factors in the warpage problem of an injection-molded part with a thin shell feature, J Mater Process Technol, 2001, Vol 110, p 1–9 [8] M St Jacques, Analysis of thermal warpage in injection molded flat parts due to unbalanced cooling, Polym Eng Sci, 1982, Vol 22, p 241–5 [9] K Beiter, K Ishii and L Hornherger, Proposed a geometry-based sink index to predict the sink mark depth of injection-molded parts, ASME-DED, 1991 Vol 31, p 111 [10] S J Liao, D Y Chang, H J Chen, L S Tsou, J R Ho and H T Yau, Optimal process conditions of shrikage and warpage of thin-wall parts Polym Eng Sci, 2004, Vol 44(5), p 917–28 [11] K.K Kabanemi, H Vaillancourt, H Wang and G Salloum, Residual stresses, shrinkage, and warpage of complex injection molded products: numerical simulation and experimental validation, Polym Eng Sci., 1998, Vol 38 (1), p 21–37 [12] G.U Yuanxian, L.I Haimei and S Changyo, Numerical simulation of thermally induced stress and warpage in injectionmolded thermoplastics, Adv Polym Technol., 2001, Vol 20 (2), p 14–21 [13] S.J Liu, Modeling and simulation of thermally induced stress and warpage in injection molded thermoplastics, Polym Eng Sci., 1996, Vol 36 (6), p 807–818 [14] K Hiroyuki and K Kiyohito, Warpage anisotropy and part thickness, Polym Eng Sci., 1996, Vol 36 (10), p 1326– 1335 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số năm 2014 www.cokhivietnam.vn