Cuộn dây thí nghiệm

Bảng 3.2: Bảng kê linh kiện của bộ thí nghiệm gia nhiệt

Stt Số lƣợng Tên chi tiết

1 1 Cuộn dây 3D 2 2 Bệ gá tấm khuôn 3 4 Co đồng STNC08 4 1 Ống đồng 5 1 Ống nƣớc 6 20 Tấm khuôn 7 4 Khóa tấm khn 8 8 M5-25

 Bệ gá tấm khuôn và cuộn dây cảm ứng từ

Bệ gá tấm khuôn và cuộn dây đƣợc chế tạo từ đồng thau để điện và nhiệt đƣợc truyền tốt nhất. Mặt tiếp xúc với các tấm nhôm đƣợc mài phẳng để tăng khẳ năng tiếp xúc. Các lỗ taro M5 để khóa chặt tấm khn với bệ đỡ. Hai lỗ taro M13 để lắp co nối dẫn nƣớc. Các thông số về kích thƣớc nhƣ hình 3.4

Hình 3.4: Bệ gá tấm khn và cuộn dây cảm ứng từ.

 Tấm khn thí nghiệm:

Trong nghiên cứu này, sử dụng các tấm khn hình chữ nhật có kích thƣớc chiều dài L, chiều rộng W, chiều dày T với các thông số đƣợc ghi trong bảng 3.3. Các tấm khn khác có các kích thƣớc W, H thay đổi nhƣ hình 3.5; 3.6; 3.7. Các tấm khuôn đƣợc làm bằng thép cacbon C45 có cơ tính theo bảng 3.4. Các thiết kế này là hình dạng cơ bản nhất thƣờng gặp của các lịng khn.

Hình 3. 5: Tấm khn thí nghiệm hình chữ nhật Bảng 3.3: Kích thƣớc của tấm khn thí nghiệm. Bảng 3.3: Kích thƣớc của tấm khn thí nghiệm. STT L (mm) W(mm) T(mm) 1 25 20 3 2 50 3 75 4 100 5 100 20 6 40

22 7 60 8 80 9 100 10 20 3 11 7 12 11 13 15  Các tấm khn có hình dạng khác

Thiết kế 1: Tấm khn âm có chiều dài 100, chiều rộng 20 và kích thƣớc W lần lƣợt là: 20; 40; 60mm

Hình 3.6: Thiết kế 1

Thiết kế 2: Tấm khn dƣơng có chiều dài 100, chiều rộng 20 và kích thƣớc W lần lƣợt là: 20; 40; 60mm.

Hình 3.7: Thiết kế 2

Thiết kế 3: Tấm khn có phần âm và phần dƣơng H thay đổi, kích thƣớc H lần lƣợt là: 20; 40; 60mm

Bảng 3.4: Cơ tính của thép cacbon C45

 Camera nhiệt:

Camera nhiệt dùng để quan sát trƣờng nhiệt độ trên bề mặt tấm khn (hình 3.9). Đây là camera của công ty Avio NEO THERMO TVS-700. Các đặc tính của camera này đƣợc trình bày nhƣ Bảng 3.5. Thông qua camera nhiệt, các tín hiệu về giá trị nhiệt độ trên bề mặt khuôn sẽ đƣợc hiển thị bởi bảng màu, thông qua đó, ngƣời sử dụng sẽ dễ dàng nhận biến phân bố nhiệt độ trên bề mặt cần đo. Ngồi ra, các tín hiệu đo đƣợc sẽ đƣợc ghi nhận và phân tích bởi phần mềm chuyên dùng cho camera này. Thông qua phầm mềm này, giá trị nhiệt độ tại bất kỳ vị trí trên bề mặt đo đều đƣợc thu nhận nhằm phục vụ cho quá trình so sánh các kết quả của quá trình gia nhiệt.

Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật của camera nhiệt

Thông số Giá trị

Bƣớc sóng cảm

biến 3~5.4(μm)

Tần số quét 0.1(sec)

Độ chính xác 0.08(°C)

Khoảng nhiệt độ đo .-20~500(°C)

 Cảm biến nhiệt độ

Trong q trình làm thí nghiệm, ngồi camera nhiệt phục vụ cho việc quan sát trƣờng nhiệt độ trên bề mặt khuôn, giá trị nhiệt độ của khn cịn đƣợc thu nhận thông qua các cảm biến nhƣ hình 3.10. Bảng 3.6 trình bày các đặc điểm của cảm biến. Với thiết bị đo nhiệt loại này, hai cảm biến có thể cùng đƣợc sử dụng cho quá trình quan sát nhiệt độ. Ngồi ra, thơng qua thiết bị cầm tay, giá trị nhiệt độ biến thiên theo thời gian sẽ đƣợc ghi nhận và lƣu giữ cho q trình phân tích sau này. Nhằm phục vụ cho quá trình quan sát nhiệt độ, thiết bị đo nhiệt có thể liên kết với máy tính thơng qua phần mềm. Trong q trình đo, sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian sẽ đƣợc hiển thị trên màn hình máy tính

Bảng 3.6: Thông số của thiết bị đo nhiệt tiếp xúc

Thông số Máy Center 306

Khoảng nhiệt độ đo .-200°C~1370°C

Độ chính xác ±（0.3％rdg）＋1 °C

Độ nhạy (Resolution) 0.1 °C Nhiệt độ môi trƣờng

làm việc 0°C~50°C

Nhiệt độ lƣu trữ thiết

bị .-20°C~60°C

Pin 9 V

Kích thƣớc 184mm × 64mm × 30mm

Trọng lƣợng ~ 210g

 Phần mềm mô phỏng

Trong nghiên cứu này, phần mềm COMSOL Multiphysics sẽ đƣợc sử dụng cho q trình mơ phỏng. Thông qua mô hỏng, các thông số của quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ sẽ đƣợc phân tích nhƣ: hình dạng, độ dày các tấm khn, q trình truyền nhiệt … Thơng qua q trình mơ phỏng, phân bố nhiệt độ trên bề mặt tấm khn tại cuối q trình gia nhiệt sẽ đƣợc so sánh với kết quả thí nghiệm.

3.2. Phƣơng pháp thí nghiệm

Bƣớc đầu tiên, thơng qua phƣơng pháp mô phỏng, phân bố nhiệt độ của các tấm khn sẽ đƣợc so sánh nhằm tìm ra phân bố tốt nhất. Sau đó, sẽ đƣợc tiến hành thí nghiệm và so sánh kết quả. Với thiết kế có phân bố nhiệt độ tốt hơn, các thơng số của các tấm khuôn sẽ đƣợc tiếp tục phân tích chi tiết hơn. Cuối cùng, kết luận về các thiết kế khác nhau của các tấm khuôn sẽ đƣợc tổng hợp và đƣa ra kết luận.

Trong q trình nghiên cứu, hệ thống thí nghiệm đƣợc trình bày nhƣ hình 3.11. Sau khi gá đặt các tấm khn vào bộ thí nghiệm, kết nối đƣờng điện, đƣờng nƣớc vào máy gia nhiệt, cuộn dây cảm ứng từ đƣợc nối với máy gia nhiệt, quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ sẽ đƣợc tiến hành. Sau khi quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ kết thúc, cuộn dây gia nhiệt sẽ đƣợc di chuyển ra xa tấm khn, ngay sau đó, thiết bị giám sát nhiệt độ (camera nhiệt hoặc cảm biến

nhiệt) sẽ đƣợc sử dụng. Sau khi quá trình thu thập kết quả về nhiệt độ kết thúc, thiết bị điều khiển nhiệt độ cho khn sẽ đƣợc kích hoạt, nƣớc sẽ lƣu chuyển trong các kênh dẫn và giải nhiệt cho khn. Trong q trình thí nghiệm, ngồi phân bố nhiệt độ trên bề mặt khuôn sẽ đƣợc ghi nhận thông qua camera nhiệt, giá trị nhiệt độ tại các điểm đo sẽ đƣợc ghi nhận thông qua cảm biến nhiệt tiếp xúc.

Chƣơng 4

MƠ PHỎNG Q TRÌNH GIA NHIỆT BẰNG CẢM ỨNG TỪ

Trong chƣơng này, trình bày các mơ phỏng về q trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ với những tấm khuôn khác nhau sử dụng phần mềm COMSOL ultiphysics. So sánh các kết quả mơ phỏng nhằm tìm ra các thơng số tốt nhất.

4.1 Giới thiệu

Để nâng cao chất lƣợng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất, giảm phế phẩm, ngƣời ta ứng dụng các phần mềm, công cụ mô phỏng vào nghiên cứu, sản xuất, cải tiến sản phẩm. Thơng qua q trình mơ phỏng, nhà sản xuất có thể dự đốn đƣợc các kết quả trƣớc khi thiết bị hoặc các giải pháp mới đƣợc tiến hành. Đây là một trong những một trong giải pháp hiệu quả nhất.

Hiện nay, mô phỏng đƣợc xem là cơng cụ có có nhiều lợi ích nhƣ tiết kiệm thời gian, kinh phí, vật liệu. Phần mềm COMSOL Multiphysics đƣợc xem là giải pháp hiệu quả cho q trình mơ phỏng về biến dạng cơ học, truyền nhiệt, dòng chảy lƣu chất... Trong nghiên cứu này, phần mềm COMSOL Multiphysics sẽ đƣợc sử dụng nhằm dự đốn kết quả của q trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ thông qua hai bƣớc

 Q trình gia nhiệt bề mặt khn

 Quá trình truyền nhiệt từ bề mặt khn vào phía trong của tấm khn Với yêu cầu nhƣ trên, phƣơng pháp mô phỏng bằng phần mềm COMSOL Multiphysics có các đặc điểm nhƣ sau

 Phần tử (element):

Với phần mềm COMSOL Multiphysics, loại phần tử đƣợc sử dụng nhƣ sau

+ 0-D: sử dụng cho vùng khơng khí

+ 3D: sử dụng cho các vị trí có hình dạng phức tạp (dùng cho cuộn dây và các vị trí khn phức tạp)

 Mơ hình mơ phỏng

Với qui trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ, mơ hình sẽ đƣợc nhập từ file *.igs vào trong mơi trƣờng COMSOL Multiphysics.

4.2 Mơ phỏng q trình gia nhiệt ứng với các thiết kế khác nhau của cuộn dây

Thơng qua q trình mơ phỏng, cuộn dây 3D sẽ đƣợc sử dụng cho quá trình gia nhiệt các tấm khn. Sau đó, các kết quả về phân bố nhiệt độ trên bề mặt khuôn sẽ đƣợc so sánh. Bảng 4.1 trình bày các thơng số mơ phỏng của q trình gia nhiệt cho các tấm khn.

4.2.1 Qui trình mơ phỏng bằng phần mềm COMSOL Multiphysics

Trong mô phỏng này sử dụng tấm khn có kích thƣớc chiều dài L, chiều rộng W, chiều dày T (hình 4.1).

Bảng 4.1: Thơng số chính của q trình mơ phỏng Thơng số mơ phỏng Thơng số mơ phỏng

Cƣờng độ dịng điện (A) 1450

Tần số (KHz) 75

Thời gian gia nhiệt (sec) .3-6 Nhiệt độ môi trƣờng (C) 25 Magnetic coefficient

(H/m) 4 x 10-7

Relative magnetic

coefficient 200

Nhiệt dung riêng (J/KgC) 495 Tỉ trọng (Density

(Kg/m3)) 7800

4.2.2 Kết quả mô phỏng

Quá trình gia nhiệt đƣợc mơ phỏng bằng phần mềm COMSOL Multiphysics với các kết quả đƣợc trình bày bên dƣới. Nhiệt độ bề mặt khuôn sẽ đƣợc đo tại cuối q trình gia nhiệt. Thơng qua kết quả mơ phỏng phƣơng pháp gia nhiệt bằng dịng

điện tần số cao cho thấy: tốc độ gia nhiệt nhanh, phân bố nhiệt độ tốt. Nhiệt độ lên nhanh đối với các tấm khuôn mỏng, chiều dài nhỏ. Kết quả mơ phỏng nhìn chung thỏa mãn yêu cầu gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa. Với kết quả này sẽ đƣợc sử dụng cho q trình so sánh giữa mơ phỏng và thực nghiệm.

Kết quả mô phỏng với tấm khuôn L=100 mm, T=3 mm, chiều rộng W thay đổi: Với thời gian gia nhiệt 3 giây, tấm khn có chiều rộng nhỏ (W=20 mm) nhất thì nhiệt độ sau gia nhiệt sẽ lớn nhất. Tấm khn có chiều rộng lớn nhất (W=100mm), nhiệt độ sau gia sẽ nhỏ nhất. Nhiệt độ tăng nhanh tại vùng gần nguồn từ trƣờng (gần cuộn dây 3D). Với thời gian gia nhiệt 6 giây, kết quả thu đƣợc cũng tƣơng tự. Kết quả mô phỏng đƣợc thể hiện trong bảng và các hình ảnh thể hiện sự phân bố nhiệt độ cho các trƣờng hợp thay đổi chiều rộng tấm khn bên dƣới.

Hình 4.1 : Kích thƣớc của tấm khn L=100 mm, T=3 mm và W thay đổi.

Bảng 4.2: Kết quả mô phỏng gia nhiệt cho tấm khuôn 100x3 mm, chiều

rộng W thay đổi

Stt

Chiều rộng W (mm)

Thời gian gia

nhiệt Nhiệt độ (0C) 1 20 3 306 2 6 506 3 40 3 109 4 6 197 5 60 3 58 6 6 86 7 80 3 38 8 6 60 9 100 3 37 10 6 50

Hình 4.2: So sánh kết quả mơ phỏng tấm khuôn 100x3xW mm

Thời gian gia nhiệt 3 giây Thời gian gia nhiệt 6 giây Hình 4.3: Phân bố nhiệt độ tấm khn 100x20x3 mm

Gia nhiệt 3 giây Gia nhiệt 6 giây Hình 4.4: Phân bố nhiệt độ tấm khn 100x40x3 mm

Hình 4.5: Phân bố nhiệt độ tấm khuôn 100x60x3 mm gia nhiệt 3 giây

Hình 4.6: Phân bố nhiệt độ tấm khn 100x60x3 mm gia nhiệt 6 giây

Hình 4.8: Phân bố nhiệt độ tấm khuôn 100x80x3 mm gia nhiệt 6 giây

Hình 4.9: Phân bố nhiệt độ tấm 100x100x3 mm gia nhiệt 3 giây

 Kết quả mô phỏng với tấm khuôn 100x20xT mm, chiều dày T thay đổi

Bảng 4.3: Kết quả mô phỏng gia nhiệt tấm khuôn 100x20xT thay đổi

Stt Chiều dày T(mm) Thời gian gia nhiệt Nhiệt độ (0 C) 1 3 3 307 2 6 507 3 7 3 126 4 6 239 5 11 3 88 6 6 145 7 15 3 68 8 6 109

Hình 4.11: So sánh kết quả mô phỏng tấm khuôn 100x3xW mm

Gia nhiệt 3 giây Gia nhiệt 6 giây Hình 4.12: Phân bố nhiệt độ của tấm khuôn 100x20x3 mm

Gia nhiệt 3 giây Gia nhiệt 6 giây Hình 4.13: Phân bố nhiệt độ của tấm khuôn 100x20x7 mm

Gia nhiệt 3 giây Gia nhiệt 6 giây Hình 4.14: Phân bố nhiệt độ tấm khuôn 100x20x11 mm

Gia nhiệt 3 giây Gia nhiệt 6 giây Hình 4.15: Phân bố nhiệt độ tấm khuôn 100x20x15 mm

 Kết quả mô phỏng với tấm khuôn âm 100x20x7 mm (hình 3.11), có kích thƣớc chiều rộng phần âm (W) thay đổi. Thời gian gia nhiệt 3 và 6 giây

Hình 4.16: Tấm khn âm W thay đổi

Bảng 4.4: Kết quả mô phỏng tấm khuôn âm W thay đổi

Stt Chiều rộng W(mm) Thời gian (giây) Nhiệt độ (0C) 1 20 3 280 2 6 548 4 40 3 364 5 6 597 7 60 3 350 8 6 604

Gia nhiệt 3 giây Gia nhiệt 6 giây Hình 4.18: Phân bố nhiệt độ tấm khuôn W=20mm

Gia nhiệt 3 giây Gia nhiệt 6 giây Hình 4.19: Phân bố nhiệt độ tấm khn W=40mm

Gia nhiệt 3 giây Gia nhiệt 6 giây Hình 4.20: Phân bố nhiệt độ của tấm khuôn W=60mm

 Kết quả mô phỏng với tấm khn dƣơng 100x20x7mm (hình 4.21), có kích

quả mô phỏng cho thấy: Nhiệt độ tăng nhanh và lớn nhất tại tại phần mỏng của tấm khuôn (phần gần thanh gá tấm khuôn). Nhiệt độ cao tập trung gần nguồn từ trƣờng (gần cuộn dây 3D).

Hình 4.21: Tấm khn dƣơng W thay đổi

Bảng 4.5: Kết quả mô phỏng với tấm khuôn dƣơng W thay đổi

Stt Chiều rộng W(mm) Thời gian (giây) Nhiệt độ (0C) 1 20 3 230 2 6 436 4 40 3 181 5 6 309 7 60 3 161 8 6 264