Nghiên cứu ảnh hưởng của gia nhiệt khuôn phun ép bằng khí nóng đến độ bền sản phẩm nhựa dạng thành mỏng tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRẦN MINH THẾ UYÊN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GIA NHIỆT KHUÔN PHUN ÉP BẰNG KHÍ NĨNG ĐẾN ĐỘ BỀN SẢN PHẨM NHỰA DẠNG THÀNH MỎNG TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 62520103 MÃ NGÀNH: 9520103 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2020 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Người hướng dẫn khoa học 1: PGS TS ĐỖ THÀNH TRUNG Người hướng dẫn khoa học 2: PGS TS PHẠM SƠN MINH Luận án tiến sĩ bảo vệ trước HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN ÁN TIẾN SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Ngày 30 tháng 10 năm 2020 Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan công nghệ phun ép nhựa điều khiển nhiệt độ khn Trong q trình sản xuất sản phẩm nhựa, đầu tiên, hạt nhựa sấy để loại bỏ ẩm, sau đó, hạt nhựa đưa vào phễu cấp liệu máy ép Từ đây, hạt nhựa trục vít vận chuyển tới phận gia nhiệt để gia nhiệt làm cho nhựa từ trạng thái rắn chuyển qua trạng thái lỏng Khi nhựa chảy lỏng hoàn tồn trục vít phun ép qua hệ thống kênh dẫn nhựa vào điền đầy lịng khn Sau lịng khn điền đầy hồn tồn sản phẩm nhựa làm nguội để nhựa từ dạng lỏng chuyển lại dạng rắn ban đầu lấy khỏi khuôn, kết thúc chu kỳ sản xuất sản phẩm nhựa - Vật liệu làm khuôn - Vật liệu gia công khuôn - Phương ph p / công nghệ gia công - Qui tr nh thiết kế khuôn - Phụ thuộc nhiều vào: - Công nghệ luyện kim - Công nghệ CAD/CAM-CNC - Gi m y tăng cao - Chi ph vận hành cao - Môi trường - Chi ph vật liệu sản uất sản lượng lớn - Vitme - p suất - Vận tốc p - Điều khiển - Độ ch nh c cấu - Độ ền: - Kéo -U n i - - Chất phụ gia - Vật liệu Hiệu qu t t o v i c c thông kh c Tối ưu hóa thơng số Qui t nh Giới hạn thiết b , công nghệ VD: Nhiệt độ khuôn < 100 oC i ộng kh công nghệ, khơng tăng qu nhiều chi ph Tối ưu hóa thơng số với v ng thông số công nghệ Nhiệt độ khuôn n t c, p u t ép Th i gian Hình 1.1: C c hướng nghiên cứu ch nh lĩnh vực khuôn phun ép nhựa Trong lĩnh vực khuôn phun ép nhựa, nghiên cứu năm gần chủ yếu tập trung vào 04 hướng h nh 1.1 Ngồi khả nâng cao t nh sản phẩm nhựa, tối ưu hóa q trình điều khiển nhiệt độ khn cách hiệu nhằm nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm nhựa Vì vậy, mục tiêu quan trọng qu tr nh điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép là: gia nhiệt cho bề mặt khuôn đến nhiệt độ yêu cầu, đảm bảo thời gian chu kỳ phun ép không dài 1.2 T nh h nh nghiên cứu nư c Trong nghiên cứu này, phương ph p gia nhiệt cảm ứng từ kết hợp với lưu chất giải nhiệt nhằm điều khiển nhiệt độ khuôn Gia nhiệt cảm ứng từ có ưu điểm vượt trội so với c c phương ph p kh c như: - Tốc độ gia nhiệt cao - Thời gian gia nhiệt k o dài đến 20 s - Có thể ứng dụng cho khuôn phun p module đ nh kèm, nghĩa không cần thay đổi kết cấu khn có sẵn Ngồi ra, nhằm đ p ứng yêu cầu gia nhiệt cho bề mặt phức tạp, phương ph p phun kh nóng vào lịng khn (gas heating) nghiên cứu đ nh giá hiệu Qui trình gia nhiệt cho khn phun ép khí nóng tiến hành hình 1.2 Cuối chu kỳ phun ép, hai khuôn mở sản phẩm lấy ngồi (hình 1.2 - Bước 1) Sau đó, khn di động di chuyển đến v trí gia nhiệt (hình 1.2 - Bước 2) Tại bước này, khí nóng phun vào lịng khn Qua q trình truyền nhiệt đối lưu khí nóng bề mặt khn, nhiệt khí nóng làm bề mặt khn tăng nhiệt độ đến giá tr cần thiết Cuối cùng, khí nóng dừng phun, hai khn đóng hồn tồn (hình 1.2 – Bước 3) Tiếp theo, nhựa nóng chảy ép vào lịng khn Với phương ph p này, nhiệt độ bề mặt khn tăng từ 60 oC đến 120 oC thời gian s Tuy nhiên, trình gia nhiệt đạt tới trạng thái bão hòa thời gian gia nhiệt k o dài s Ưu điểm phương ph p “gas heating” tốc độ gia nhiệt cao, thời gian chu kỳ sản phẩm rút ngắn Tuy nhiên, thiết kế khuôn phun ép cần thực lại nhằm tích hợp hệ thống gia nhiệt vào Đường kh vào khuôn Khuôn dương Bước 1: Khuôn mở Đường kh vào khuôn Đường kh vào khn Khn âm Bước 2: Khí nóng phun vào lịng khn Bước 3: Khn đóng lại, nhựa phun vào lịng khn Hình 1.2: Qui trình gia nhiệt khí nóng cho khn phun ép nhựa 1.3 T nh h nh nghiên cứu t ong nư c Lĩnh vực điều khiển nhiệt độ khuôn hiểu thực theo hướng giải nhiệt cho khuôn hạn chế tượng giảm áp suất dòng nhựa q trình chảy vào lịng khn, với mục tiêu quan trọng làm nguội khuôn thời gian ngắn Ngược lại, vấn đề giữ bề mặt khuôn nhiệt độ cao trình ép phun nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, đặc biệt sản phẩm phục vụ ngành điện tử sản phẩm yêu cầu độ ch nh c cao, bắt đầu ý thông qua đề tài nghiên cứu PGS TS Đặng Văn Ngh n Do đó, nh n chung, thực trạng sản xuất sản phẩm nhựa Việt Nam dừng lại nhóm sản phẩm đơn giản, chất lượng trung bình, chủ yếu tập trung vào lĩnh vực hàng tiêu dùng Ngoài ra, khả hạn chế khuyết tật cho sản phẩm nhựa theo phương ph p điều khiển nhiệt độ khuôn chưa xem xét ứng dụng 1.4 n đề khoa học tồn Phương ph p phương ph p gia nhiệt khí nóng cịn hạn chế sau: - Kết cấu khuôn cần thiết kế lại - Với kết cấu khuôn thực tế, kết gia nhiệt cho bề mặt khn chưa tốt Vì vậy, nhằm tăng khả ứng dụng phương ph p gia nhiệt khí nóng cho khn phun ép nhựa, đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu ảnh hưởng gia nhiệt khn phun ép khí nóng đến độ bền sản phẩm nhựa thành mỏng” thực Luận án 1.5 T nh c p thiết đề tài Việc nghiên cứu công nghệ chế tạo thiết b phun ép nhựa phục vụ cho trình sản xuất sản phẩm nhựa kỹ thuật yêu cầu độ xác cao hướng đầy tiềm lĩnh vực khn mẫu nói riêng ngành cơng nghiệp xác nói chung Cơng nghệ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, mở rộng khả công nghệ phương ph p phun ép nhựa, tạo tiền đề công nghệ sản xuất sản phẩm nhựa kỹ thuật phát triển nhiều đ a bàn Thành phố Hồ Chí Minh 1.6 Ý nghĩa khoa học Với c c kết luận án, phương ph p gia nhiệt cho bề mặt khn có thêm phương ph p hiệu khả năng: - Điều khiển v ng gia nhiệt - Nâng cao tốc độ gia nhiệt khuôn - Hạn chế tối đa việc thay đổi kết cấu khuôn - Phun ép với sản phẩm dạng thành mỏng với hình dáng phức tạp - Tăng độ bền đường hàn sản phẩm nhựa thành mỏng 1.7 Gi trị thực tiễn Việc nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa, việc tìm cơng nghệ nhằm nâng cao chất lượng sản lượng sản phẩm nhựa yêu cầu cấp thiết cho ngành nhựa Việt Nam Do đó, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng gia nhiệt khuôn phun ép khí nóng đến độ bền sản phẩm nhựa dạng thành mỏng” đề xuất nhằm góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa kỹ thuật, đặc biệt với nhóm sản phẩm sản xuất từ cơng nghệ phun ép 1.8 Mục đ ch nghiên cứu Thông qua phương ph p gia nhiệt cho khuôn phun ép khí nóng từ bên ngồi, đề tài tập trung nghiên cứu mục tiêu sau: • Làm rõ ảnh hưởng c c thông số ch nh đến qu tr nh gia nhiệt kh cho khn • T m đ nh gi phương ph p mơ qu tr nh gia nhiệt khn • Đ nh gi kết gia nhiệt cho lịng khn kh nóng • Ứng dụng phương ph p gia nhiệt cho lịng khn kh nóng việc nâng cao độ bền sản phẩm nhựa dạng thành mỏng 1.9 Đ i tượng nghiên cứu Luận án nghiên cứu mô hình gia nhiệt khí nóng mang tính khả thi cho khn phun ép nhựa với nguồn kh nóng phun từ ngồi khn Từ đó, nghiên cứu ảnh hưởng gia nhiệt phương ph p đến sản phẩm nhựa nhiệt dẻo thành mỏng theo tiêu chuẩn ASTM D638 1.10 Nhiệ vụ nghiên cứu gi i hạn đề tài - Luận án tập trung vào phương ph p nghiên cứu gia nhiệt kh nóng với nguồn kh cấp từ ngồi khn - Qu tr nh gia nhiệt, nhiệt độ trường nhiệt độ khảo s t thông qua thực nghiệm mô phần mềm ANSYS - Qu tr nh phun p nhựa vào lịng khn nghiên cứu thơng qua thực nghiệm mô phần mềm Moldex3D - Nhiệt độ kh nóng thay đổi khoảng 200 oC đến 400 oC - Nghiên cứu ứng dụng cho mô h nh sản phẩm nhựa thành mỏng có chiều dày từ 0,4 mm đến 0,8 mm - Vật liệu nhựa nghiên cứu PA6 PA6+30%GF - Trong giới hạn thời gian kinh phí luận án nên tác giả tập trung nghiên cứu độ bền kéo sản phẩm nhựa - C c thiết b th nghiệm cung cấp phịng th nghiệm khn mẫu thuộc trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM 1.11 Phương ph p nghiên cứu - Thu thập phân t ch liệu - Mô qu tr nh gia nhiệt qu tr nh nhựa điền đầy lịng khn - Thực nghiệm qu tr nh gia nhiệt tạo c c mẫu sản phẩn ứng với c c qui tr nh phun p để khảo s t ảnh hưởng bước gia nhiệt lịng khn đến độ bền kéo sản phẩm nhựa thành mỏng Các phương ph p nghiên cứu thực sở trang thiết b có trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM như: m y phun p nhựa, thiết b đo nhiệt (camera hồng ngoại, cảm biến nhiệt, ) loại khuôn phun ép thông dụng Việt Nam 1.12 B cục lu n n Chương 1: Tổng quan - Trình bày vấn đề liên quan đến hướng nghiên cứu công nghệ phun ép nhựa, vấn đề tồn đưa hướng nghiên cứu Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Tập trung làm rõ vấn đề liên quan đến trình gia nhiệt cho lịng khn phun ép nhựa khí nóng phun từ bên ngồi Chương 3: Mơ tả mơ thực nghiệm - Q trình gia nhiệt khn khí nóng bên ngồi khn, q trình nhựa điền đầy lịng khn thiết bị sử dụng cho thực nghiệm mô tả cụ thể Chương 4: Ảnh hưởng thông số gia nhiệt đến phân bố nhiệt độ bề mặt lịng khn - Chương sẽ cho thấy ảnh hưởng của thông số gia nhiệt (gồm bề dày insert khe hở (khoảng cách) giữa đầu phun khí nóng bề mặt lòng khuôn) đến kết gia nhiệt khí nóng Chương 5: Ảnh hưởng phương ph p gia nhiệt kh nóng đến độ bền sản phẩm nhựa dạng thành mỏng - Ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt đến độ bền kéo của sản phẩm nhựa dạng thành mỏng sẽ nghiên cứu mô phỏng thực nghiệm Chương 6: Kết luận Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT Q trình thiết kế thí nghiệm, phân t ch c c kết đề tài tiến hành sở lý thuyết sau: - Qui trình phun ép nhựa - Mơ dịng chảy nhựa khn - Dịng chảy nhựa chi tiết dạng tấm/hộp - Truyền nhiệt đối lưu - Dòng chảy nhựa Fountain Flow - Ảnh hưởng lớp bề mặt “Frozen layer” qu tr nh điền đầy lịng khn nhựa - Độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM D638 2.1 Qui trình phun ép nhựa C c bước quy tr nh phun p tr nh bày hình 2.1 Vật liệu thơ dạng hạt cho vào phễu rơi vào i lanh Trong xi lanh, với chuyển động xoay t nh tiến vít-me, kết hợp với c c điện trở gia nhiệt bên xi lanh, vật liệu nhựa từ dạng hạt gia nhiệt đến trạng thái dẻo nóng chảy thành dạng lỏng nhiệt độ từ 150 °C đến 320 °C Thông qua chuyển động t nh tiến vít-me, nhựa nóng chảy xi lanh ép vào lịng khn thơng qua đầu phun (nozzle) Tại v trí cổng phun, nhựa hồn tồn thể lỏng Sau tồn lịng khn điền đầy, qu tr nh đ nh hình (packing step) tiến hành Trong trình này, nhựa tiếp tục ép vào lịng khn nhằm bù vào phần thể tích b thiếu hụt tượng co ngót vật liệu Qu tr nh đ nh hình kết thúc vật liệu nhựa v trí cổng phun đơng đặc hồn tồn Sau đó, nhiệt độ sản phẩm tiếp tục giảm qua trình giải nhiệt (cooling step) Khi toàn sản phẩm đạt đến nhiệt độ mở khuôn (rejection temperature), khuôn mở sản phẩm lấy ngồi Hình 2.1: Quy trình phun ép nhựa 2.2 Mơ ph ng dịng ch y nhựa t ong khuôn Phân tử nhựa Độ nhớt phi-Newton Độ nhớt Nhiệt độ thấp Nhiệt độ cao Tốc độ trượt V dụ: PE, PP, Độ nhớt = f(cấu trúc,T,p) Ứng suất trượt Độ nhớt Hình 2.2: Cấu trúc phân tử (bên tr i) độ nhớt nhựa (bên phải) Vùng I Vùng II Vùng III Tốc độ trượt Hình 2.3: Đường đặc t nh dẻo nhựa nhiệt dẻo Độ nhớt mối quan hệ cản trở dòng chảy đến chảy lưu chất Độ nhớt lưu chất như: nước, dầu,… thường gi tr không đổi nhiệt độ đ nh C c loại lư bảng 5.1 Tuy nhiên, điều kiện biên cài đặt hình 5.2 Trong mơ hình phun ép thử độ bền kéo, vùng gia nhiệt cho khn nhỏ, đó, hiệu suất gia nhiệt cho 21 khuôn đ nh gi thông qua gi tr nhiệt độ cao vùng trung tâm insert Hình 5.4 cho thấy đ p ứng nhiệt mơ hình mức nhiệt độ dịng khí gia nhiệt khác (thay đổi từ 200 oC đến 400 oC) khoảng thời gian gia nhiệt 20 s C c kết cho thấy nhiệt độ cao tập trung bề mặt insert, v trí tạo kết cấu dạng lưới cho sản phẩm nhựa Khí nóng vào Thể t ch kh nóng Khí nóng vào Khí nóng Tấm insert Lưới inflation Hình 5.2: Mơ h nh sau chia lưới phần gia nhiệt thử độ bền kéo Tkhí = 200 oC Tkhí= 250 oC Tkhí= 350 oC Tkhí= 300 oC Tkhí= 400 oC Hình 5.3: Phân bố nhiệt độ insert với thời gian gia nhiệt 20 s Gi tr mô thay đổi nhiệt độ bề mặt insert thu thập so s nh h nh 5.4 Kết mô cho thấy ứng với 22 10 Pham Son Minh, Thanh Trung Do, Tran Minh The Uyen and Phan The Nhan, A study on the welding line strength of composite parts with various venting systems in injection molding process, Key Engineering Materials, 2017, Vol 737, pp 70-76 (SCOPUS) 11 Pham Son Minh and Tran Minh The Uyen, Numerical study on the heliacal cooling channel for injection molding process, International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, 2018, Vol 5(2), pp 86-91 12 Pham Son Minh, Thanh Trung Do and Tran Minh The Uyen, The feasibility of external gas-assisted mold-temperature control for thinwall injection molding, Advances in Mechanical Engineering, 2018, Vol 10 (10), pp 1-13 (SCIE) 13 Pham Son Minh, Tran Minh The Uyen, Tran Anh Son and Huynh Duc Thuan, Study on the temperature distribution of core plates during injection molding, International Journal of Engineering Inventions, 2018, Vol (10), pp 24 – 29 14 Minh The Uyen Tran, Son Minh Pham and Thanh Trung Do, Experimental study on external air heating for an injection molding process, ICSSE2019, 2019, pp 681-685 15 Tran Minh The Uyen, Le Tuyen Giao, Thanh Trung Do and Pham Son Minh, Numerical study on local heating for thin-walled product by external air heating, Materials Science Forum, 2019, Vol 971, pp 2126 (SCOPUS) 16 Tran Minh The Uyen, Nguyen Truong Giang, Thanh Trung Do, Tran Anh Son and Pham Son Minh, External GasAssisted Mold Temperature Control Improves Weld Line Quality in the Injection Molding Process, Materials, 2020, Vol 13, pp 1-19 (SCIE) 35 ... khả ứng dụng phương ph p gia nhiệt khí nóng cho khn phun ép nhựa, đề tài nghiên cứu ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng gia nhiệt khn phun ép khí nóng đến độ bền sản phẩm nhựa thành mỏng? ?? thực Luận án 1.5 T... lòng khuôn) đến kết gia nhiệt khí nóng Chương 5: Ảnh hưởng phương ph p gia nhiệt kh nóng đến độ bền sản phẩm nhựa dạng thành mỏng - Ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt đến độ bền kéo của sản. .. lượng sản lượng sản phẩm nhựa yêu cầu cấp thiết cho ngành nhựa Việt Nam Do đó, đề tài ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng gia nhiệt khn phun ép khí nóng đến độ bền sản phẩm nhựa dạng thành mỏng? ?? đề xuất nhằm