Nghiên cứu ảnh hưởng một số thông số công nghệ ép phun đến chất lượng sản phẩm nhựa

Ứng dụng phần mềm Moldflow để xác định được các thông số công nghệ ép phun cần thiết như: thời gian điền đầy, áp suất miệng phun, tốc độ dòng chảy, lực kẹp khuôn, phân bố áp lực trên sản

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-* -

BÙI TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ÉP PHUN ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM NHỰA

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Cung

Phản biện 1:

T.S Lưu Đức Bình Phản biện 2:

PGS.TS Phạm Đăng Phước

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 29 tháng 07 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách

khoa

 Thư viện Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

II Mục tiêu nghiên cứu

- Tìm hiểu ảnh hưởng của nhiệt độ, hệ thống nước làm nguội, thời gian làm nguội đến độ cong vênh của sản phẩm

- Xây dựng được mối quan hệ giữa nhiệt độ với độ cong vênh sản phẩm

- Tiến hành thực nghiệm và so sánh với quá trình mô phỏng số trên phần mềm

III Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu độ cong vênh sản phẩm nhựa bởi ảnh hưởng của nhiệt độ gia nhiệt hạt nhựa, tốc độ làm nguội đến

b Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu trong khuôn ép sản phẩm khay nhựa đựng cá bằng vật liệu HDPE tại công ty nhựa Đại Tân

IV Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp thực nghiệm kiểm chứng

Ứng dụng phần mềm Moldflow để xác định được các thông số công nghệ ép phun cần thiết như: thời gian điền đầy, áp suất miệng phun, tốc độ dòng chảy, lực kẹp khuôn, phân bố áp lực trên sản phẩm, biểu đồ nhiệt độ

Tiến hành thực nghiệm ép thử sản phẩm Thu thập kết quả thực nghiệm và so sánh với quá trình mô phỏng Qua đó đưa ra các kết luận

V Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Giúp nhà sản xuất đưa ra được các chế độ tối ưu, đưa ra được các nhân tố ảnh hưởng đến độ cong vênh sản phẩm

- Giúp nhà thiết kế khuôn chủ động thay đổi thiết kế về các hệ thống trong khuôn để giảm thiểu các khuyết tật trên nhằm sản phẩm đạt chất lượng cao mà giá thành thấp

- Người vận hành biết cách điều chỉnh các thông số công nghệ quá trình ép phun phù hợp nhằm đạt được quá trình sản xuất tốt

VI Dự kiến kết quả đạt được

- Qui trình mô phỏng ép phun sản phẩm nhựa trên phần mềm Moldflow

- Các thông số công nghệ ép phun nhựa và kết cấu khuôn phù hợp nhằm tạo ra sản phẩm đạt chất lượng cao

- Mối quan hệ giữa áp suất, nhiệt độ đến độ cong vênh sản phẩm

Chương 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH KHUÔN

Nội dung chủ yếu giới thiệu về công nghệ ép phun sản phẩm nhựa

Thiết kế sơ bộ hệ thống khuôn cho sản phẩm khay cá

Chương 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ÉP PHUN ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM NHỰA

Nội dung chủ yếu giới thiệu về phần mềm Moldflow Ứng dụng Moldflow trong mô phỏng các thông số ép phun đến chất lượng sản phẩm nhựa

KẾT LUẬN VÀ TRIỂN VỌNG CỦA ĐỀ TÀI

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về ngành công nghiệp nhựa

1.1.1 Tổng quan của ngành công nghiệp nhựa Việt Nam hiện nay

1.1.2 Thiết bị và công nghệ ngành nhựa

1.1.3 Tình hình sử dụng các phần mềm CAE vào phân tích mô phỏng trong ngành chế tạo khuôn cho sản phẩm nhựa tại Việt Nam hiện nay

1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan

Hiện nay có nhiều công trình đã được nghiên cứu về chất lượng của sản phẩm nhựa cụ thể như sau: Dương thị Vân Anh [1]: chiều dài của dòng chảy nhựa trong khuôn phun ép đã được khảo sát với các nhiệt độ khuôn và nhiệt độ nhựa khác nhau khác nhau YANG Jun-kai, XU Yun-jie [9]: sử dụng phần mềm Moldflow để dự đoán các điều kiện điền đầy sản phẩm, ước tính áp lực phun và lực kẹp cần thiết để kẹp khuôn, và tìm thấy yếu tố gây cong vênh sản phẩm D.E Dimla , M Camilotto, F Miani [10]: nghiên cứu về kênh dẫn nước làm nguội thích hợp Thông qua mô phỏng để tìm được sự tối ưu hóa và dự đoán vị trí tốt nhất cho các kênh dẫn nước làm nguội

để giảm thiểu thời gian làm mát khi so sánh với các kênh thẳng Tuy nhiên, các nghiên cứu trong nước về vấn đề này còn khá ít

ỏi Xuất phát từ thực tế trên, nên tôi chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ÉP PHUN ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM NHỰA” Mục tiêu là đưa ra được

các thông số phù hợp nhằm khắc phục được các nhược điểm trên, qua

đó nâng cao được chất lượng sản phẩm nhựa

1.3 Mục tiêu luận văn

Tìm hiểu công nghệ ép phun sản phẩm nhựa; nghiên cứu ứng dụng phần mềm Moldflow trong mô phỏng ép phun sản phẩm nhựa Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ, thời gian làm nguội, thời gian duy trì áp đến độ cong vênh của sản phẩm

Xây dựng được một số mối quan hệ thông số ép phun với độ cong vênh sản phẩm

Tiến hành thực nghiệm và so sánh với quá trình mô phỏng số trên phần mềm

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Mô hình khuôn được đưa vào trong môi trường mô phỏng của phần mềm Moldflow để xác định được các thông số công nghệ ép phun cần thiết như: thời gian điền đầy, áp suất miệng phun, tốc độ dòng chảy, phân bố áp lực trên sản phẩm, biểu đồ nhiệt độ

Từ kết quả mô phỏng trên phần mềm, ta sẽ thiết kế các trường hợp thực nghiệm phù hợp

Chương 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH KHUÔN

2.1 Vật liệu nhựa [2]

2.2 Tổng quan về công nghệ ép phun

2.2.1 Công nghệ ép phun

Công nghệ Ép phun (đúc dưới áp suất hay đúc tiêm) là phương

pháp gia công chủ yếu trong công nghiệp gia công polymer

2.2.2 Phân loại máy ép phun

Có 2 loại máy ép nhựa chính đó là máy ép nhựa ngang (Horizontal Ejection Molding machine) và máy ép nhựa đứng (Vertical Ejection Molding machine)

2.2.3 Cấu tạo máy ép phun

Máy ép nhựa được chia thành 2 phần chính đó là phần kẹp khuôn và phần phun nhựa

Máy ép nhựa JSW J850SSII có các thông số kỹ thuật như sau:

- Công suất: 850 tấn

- Trọng lượng ép: 170 - 4800 g

- Đường kính trục vit: 92 mm

- Khoảng cách của 4 trục láp: 1060 mm x 1060 mm

- Kích thước bàn kẹp khuôn: 1600 mm x 1600 mm

- Khoảng trống lớn nhất : 1910 mm

- Hành trình kẹp khuôn: 950 mm

- Chiều cao khuôn tối đa: 960 mm

- Chiều cao khuôn tối thiểu: 410 mm

2.3 Thông số về sản phẩm

Sản phẩm khay nhựa đựng cá của công ty nhựa Đại Tân có kích thước bao là 520 x 350 x 145 mm, vật liệu là HDPE Hifax1700 Hình dạng và kích thước chi tiết của khay nhựa như sau:

Hình 2.1:Bản vẽ thiết kế sản phẩm khay cá

Cơ bản khay nhựa đựng cá là chi tiết dạng hộp, có chiều dày

thành hộp trung bình khoảng 2mm đến 3mm

2.4 Thiết kế sơ bộ hệ thống khuôn

Về cơ bản, kết cấu khuôn của sản phẩm nhựa khay cá là dạng kết cấu dạng khuôn ép 2 tấm, có 4 cụm di trượt 4 bên tạo hình sản phẩm

Các cụm di trượt tạo undercut được dẫn động bằng chốt xiên, chốt xiên này được cố định trên nữa khuôn trên Trên nữa khuôn dưới

có thiết kế các vị trí ốc chặn con trượt tại vị trí khuôn mở

Kích thước bao khuôn là 650 x 560 x760 mm

Hình 2.2: Mô hình lắp ráp bộ khuôn

Chương 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ÉP PHUN ĐẾN CHẤT LƯỢNG

SẢN PHẨM NHỰA 3.1 Giới thiệu chung về phần mềm MoldFlow

3.1.1 Giới thiệu chung

3.1.2 Một số chức năng của Moldflow

3.2 Cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng nhiệt độ đến độ cong vênh

sản phẩm

3.2.1 Khái niệm về độ cong vênh

3.2.2 Nguyên nhân gây ra hiện tượng co rút cong vênh sản

phẩm

a Các nguyên nhân gây ra cong vênh:

- Quá trình giải nhiệt không đồng đều trên toàn bộ sản phẩm

- Một phần nhỏ trên chi tiết co rút nhiều dẫn đến biến dạng trên diện rộng

b Các yếu tố ảnh hưởng đến cong vênh:

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ cong vênh sản phẩm bao gồm nhiếu yếu tố như:

- Hệ số co rút của vật liệu nhựa

- Phân bố nhiệt độ khuôn và nhiệt độ sản phẩm

Co rút là hiện tượng làm giảm kích thước của sản phẩm trong quá trình nguội của vật liệu nhựa Có 3 đặc điểm cần chú ý khi hiện

tượng co rút xảy ra:

- Trong quá trình phun ép, áp suất phun (P), thể tích nhựa (V)

và nhiệt độ nhựa (T) luôn có ảnh hưởng với nhau Sự ảnh hưởng của các yếu tố khác như nhiệt độ khuôn, hoặc thời gian điền đầy,… đều ảnh hưởng đến độ co rút của sản phẩm nhựa

- Thể tích nhựa sẽ tăng lên khi được nung nóng và giảm dần trở lại như ban đầu

- Khi vật liệu nhựa nóng chảy (melt) bị nén bởi áp suất không đổi, thể tích nhựa sẽ giảm so với trường hợp không chịu áp suất nào

Khi giảm áp suất thì thể tích cũng tăng trở lại

3.2.4 Hiện tượng co rút, cong vênh của sản phẩm nhựa:

Co rút nhựa là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ cong vênh của sản phẩm Độ co rút sẽ xuất hiện trong quá trình sản phẩm nhựa nguội từ nhiệt độ nhựa nóng chảy (melt temperature) đến nhiệt độ

môi trường khuôn (mold temperature) [6, Tr9-12]

Nhựa nóng chảy được phun vào lòng khuôn đến khi lòng khuôn được điền đầy Sau đó lòng khuôn sẽ được giải nhiệt, ngay lập tức nhựa ở các điểm nằm gần thành khuôn sẽ đông lại Kể từ đó, sự co rút diễn ra làm cho thể tích của nhựa trong khuôn giảm

Nhìn chung, trong quá trình phun ép nhựa, ảnh hưởng của các thông số ép đến độ co rút - cong vênh sản phẩm nhựa được tổng hợp như hình sau

Hình 3.2: Ảnh hưởng của thông số ép đến độ co rút nhựa [6,Tr180]

3.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ nhựa đến độ co rút cong vênh sản

Vì vậy việc lựa chọn nhiệt độ gia nhiệt hạt nhựa thích hợp là

rất quan trọng trong việc giảm độ cong vênh sản phẩm Nhiệt độ

nóng chảy dao động từ thấp khoảng 350 ° F đến 700 ° F hoặc nhiều hơn, tùy thuộc vào nhựa được đúc [6, Tr85]

Đối với vật liệu HDPE được dùng trong nghiên cứu đề tài này thì nhiệt độ gia nhiệt hạt nhựa vào khoảng 200-260 o C

3.2.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ co rút cong vênh

sản phẩm

Theo các nghiên cứu và thực nghiệm trước đây thì nhiệt độ khuôn sau khi nguội càng cao thì độ co rút và cong vênh sản phẩm càng cao Điều này được biểu thị theo biểu đồ hình 3.5

Biểu đồ trên cho thấy nếu nhiệt độ khuôn được làm nguội tốt như cột bên phải thì độ co rút và cong vênh trên sản phẩm sẽ thấp và ngược lại, khi nhiệt độ khuôn cao thì độ co rút và cong vênh sản phẩm sẽ nhiều

Hình 3.5: Độ co rút cong vênh khi nhiệt độ khuôn khác nhau

[6,Tr91]

Nhiệt độ khuôn được quyết định bởi hệ thống làm nguội và thời gian làm nguội khuôn Nhưng khi dùng hệ thống làm nguội tốt

và thời gian nguội lâu thì sẽ đội giá thành sản phẩm nên để ổn định tối đa

3.3 Mô phỏng quá trình ép phun sản phẩm trên Moldflow

3.3.1 Thiết lập các điều kiện ban đầu

đều, thời gian ép ngắn

nhất, kết cấu khuôn đơn

Theo biểu đồ vị trí thích hợp của cổng phun, thì tại vị trí màu

đỏ tại vị trí tâm sản phẩm là vị trí thích hợp nhất cho cổng phun Đây cũng là vị trí cổng phun được chọn cho kết cấu khuôn này

b Mô phỏng tối ưu các thông số công nghệ ép phun

Trong Moldflow ta có thể thiết lập các thông số công nghệ ép phun theo 2 cách:

- Cách 1 – thiết lập theo kiểu user:

- Cách 2 – thiết lập theo kiểu DOE: đây là cách Moldflow hỗ

trợ phân tích đưa ra các thông số tối ưu cho từng sản phẩm cụ thể Đối với sản phẩm khay cá thì theo DOE cho ta nhận được các thông số khuyến nghị sau:

+ Thời gian phun: tF=4.9s

+ Thời gian làm nguội: tP=14.8s

+ Áp suất phun: P=105.6Mpa

+ Áp suất duy trì: P=79Mpa

c Mô phỏng độ co rút cong vênh sản phẩm theo áp suất phun Bảng 3.1: Độ cong vênh sản phẩm theo áp suất phun

Áp suất phun

(MPa)

Thời gian ép (s)

Độ cong vênh theo phương (mm)

Hình 3.9: Biểu đồ cong vênh sản phẩm theo áp suất phun

Qua biểu đồ trên cùng với kết quả khi mô phỏng với áp suất phun là 90Mpa, thì kết quả

mô phỏng cho thấy sản

phẩm không được điền đầy

hết như hình 3.9 và thời

gian ép phun cũng yêu cầu

cao nhất so với các thí

nghiệm còn lại

Hình 3.10: Khuyết tật Sản phẩm không điền đầy

Kết luận: qua kết quả phân tích trên ta có được áp suất phun phù hợp P=110MPa được lựa chọn dùng trong ép sản phẩm

d Mô phỏng độ co rút cong vênh sản phẩm theo thời gian duy trì áp suất:

Bảng 3.2: Độ cong vênh sản phẩm theo thời gian duy trì áp suất

Hình 3.11: Đồ thị cong vênh sản phẩm theo thời gian duy trì áp

Nhận xét: Khi thời gian giữ áp nhỏ (tP=5s) thì độ cong vênh

sản phẩm lớn nhất Nhưng khi thời gian duy trì áp từ tP=10s trở lên

thì độ cong vênh thay đổi không đáng kể Vì vậy, thời gian duy trì áp

khuyến nghị nên chọn vào khoảng t =10s

Thời gian duy trì áp (s)

e Mô phỏng độ co rút cong vênh sản phẩm theo nhiệt độ khuôn

Bảng 3.3: Kết quả mô phỏng cong vênh khi thay đổi nhiệt độ khuôn

Nhiệt độ

nhựa (0C)

Nhiệt độ khuôn ( 0 C)

Độ cong vênh theo phương (mm)

Hình 3.12: Đồ thị mô phỏng độ cong vênh theo nhiệt độ khuôn

Khi nhiệt độ khuôn càng thấp, chất lượng độ cong vênh sản

phẩm càng ít Tuy nhiên, để khuôn đạt được nhiệt độ càng thấp thì

Nhiệt độ khuôn (oC)

thời gian quá trình làm nguội yêu cầu càng cao Nhiệt độ khuôn khuyến nghị nên dùng là vào khoảng tMold =400C - 450C

f Mô phỏng độ co rút cong vênh sản phẩm theo nhiệt độ nhựa Bảng 3.4: Kết quả mô phỏng cong vênh khi thay đổi nhiệt độ nhựa

Nhiệt độ

khuôn (0C)

Nhiệt độ nhựa ( 0

Hình 3.1: Biểu đồ mô phỏng độ cong vênh theo nhiệt độ nhựa

Qua biểu đò trên ta nhận thấy ở nhiệt độ nhựa tMelt =2400C là nhiệt độ thích hợp để ép sản phẩm

Nhiệt độ nhựa (oC)

3.4 Thực nghiệm ép phun sản phẩm khay nhựa đựng cá

Bảng 3.5: Độ cong vênh thực nghiệm

Nhiệt độ

khuôn (0C)

Nhiệt độ nhựa ( 0

Độ cong vênh (mm) Nhiệt độ

nhựa (oC)

Dữ liệu quá trình mô phỏng và thực nghiệm được tổng hợp lại theo các hình sau:

Bảng 3.6: Bảng so sánh độ cong vênh sản phẩm giữa mô phỏng và thực nghiệm

Kết quả này phù hợp với phần cơ sở lý thuyết được thể hiện ở hình 3.3 trang 33 Vì vậy, nhiệt độ nhựa được gia nhiệt ở cuối quá trình gia nhiệt trong cụm pittong máy ép ta chọn tMelt = 240oC là hợp

Hình 3.20: Đồ thị so sánh độ cong vênh phương Y giữa mô phỏng và

Nhiệt độ nhựa (oC)

Qua kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm ta thấy ở các thông số ép phun tối ưu thì độ sai lệch giữa kết quả mô phỏng với thực nghiệm là δΔ=0.05-0.08mm Độ sai lệch này khoảng 4% Các thông số mô phỏng khi đưa vào ép thực nghiệm thì cho ra sản phẩm

có chất lượng tương đương khi mô phỏng

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết quả đạt được

Thiết kế hoàn chỉnh bộ khuôn

Qui trình mô phỏng ép phun trên phần mềm Moldflow

Đưa ra được các thông số công nghệ ép phun nhựa và kết cấu khuôn phù hợp nhằm tạo ra sản phẩm đạt chất lượng cao

Tìm hiểu công nghệ ép phun và vận hành máy ép nhựa JSW J850SSII tại công ty nhựa Đại Tân

Nêu được mối quan hệ giữa áp suất, thời gian, nhiệt độ đến độ cong vênh sản phẩm

2 Triển vọng phát triển của đề tài

Tiếp tục mô phỏng các thông số phun ép khác như: ảnh hưởng của vật liệu khác và chất phụ gia, kết cấu hệ thống làm nguội đối với chất lượng sản phẩm nhựa

Tiếp tục thực nghiệm các thông số phun ép khác như: ảnh hưởng của áp suất phun, nhiệt độ khuôn, vật liệu và chất phụ gia, kết cấu hệ thống làm nguội đối với chất lượng sản phẩm

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO