Qua biểu đồ cho thấy sự gia nhiệt bằng khí nóng làm nhiệt độ tấm insert khuôn tăng lên rất nhanh. Khi gia nhiệt với nguồn nhiệt là 2000
C, thời gian gia nhiệt 5s đến 10s thì nhiệt độ khn tăng trung bình: 80C/s, thời gian gia nhiệt 10s đến 15s thì nhiệt độ khn tăng trung bình: 20C/s.
Luận văn tốt nghiệp cao học của học “Tối ưu hóa giải nhiệt khn ép phun” tác giả Lê Minh Trí (ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM). Luận văn này đã đề cập đến cơ sở của việc thiết kế hệ thống giải nhiệt của khuôn ép phun dựa trên lý thuyết truyền nhiệt, ứng dụng phƣơng pháp này để tính tốn hệ thống giải nhiệt cho sản phẩm là một tấm mỏng, sau đó sử dụng phần mềm Moldflow để mơ phỏng, kiểm tra kết quả. Tuy nhiên, nội dung đề tài này chƣa đƣa ra đƣợc phƣơng pháp tối ƣu cho việc thiết kế hệ thống giải nhiệt, và việc tính tốn, mơ phỏng chỉ dừng lại ở một chi tiết quá đơn giản, chƣa phù hợp với yêu cầu thực tế.
Luận văn tốt nghiệp cao học “Nghiên cứu xây dựng qui trình thiết kế hệ thống
làm nguội cho khuôn ép phun nhựa theo công nghệ CAD/CAE” của tác giả Nguyễn
Văn Thành (ĐH Bách Khoa TP HCM)[19]. Luận văn này đã đề cập đến lý thuyết truyền nhiệt và ứng dụng nó trong khuôn ép phun, nhằm xác định kích thƣớc và phân bố hệ thống làm nguội, xây dựng đƣợc qui trình thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun theo cơng nghệ CAD/CAE, áp dụng qui trình này cho sản phẩm là khn vỏ bình nƣớc nóng.
Tuy nhiên, đến nay, lĩnh vực điều khiển nhiệt độ khuôn chỉ đƣợc hiểu và thực hiện theo hƣớng giải nhiệt cho khuôn, với mục tiêu quan trọng nhất là làm nguội
khuôn trong thời gian ngắn nhất. Quá trình gia nhiệt cho khn vẫn chƣa đƣợc quan tâm đúng mức. Các sản phẩm nhựa tại Việt Nam chỉ dừng lại ở nhóm các sản phẩm đơn giản, chất lƣợng thấp, và chủ yếu tập trung vào lĩnh vực hàng tiêu dùng. Tuy nhiên, những năm gần đây ở Việt Nam đã có nhiều doanh nghiệp và trung tâm nghiên cứu bắt đầu đẩy mạnh việc ứng dụng công nghệ gia nhiệt mới vào sản xuất các sản phẩm cơng nghệ cao nhƣ: máy tính, điện thoại thơng minh…
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Việc thiết kế hệ thống khuôn ép nhựa nói chung và thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ nói riêng là một q trình phức tạp, địi hỏi tốn nhiều chi phí và thời gian. Hiện nay, việc thiết kế hệ thống gia nhiệt đƣợc thực hiện theo 2 phƣơng pháp:
Thiết kế theo kinh nghiệm.
Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (sử dụng công cụ CAE).
Tuy nhiên, cả hai phƣơng pháp này đều tập trung chủ yếu vào q trình giải nhiệt cho khn. Do đó, đa số các công ty sản xuất sản phẩm nhựa tại Việt Nam chỉ dừng lại ở nhóm các sản phẩm đơn giản, chất lƣợng thấp, và chủ yếu tập trung vào lĩnh vực hàng tiêu dùng. Ngoài ra, các phƣơng án giải quyết các vấn đề về cong vênh, đƣờng hàn, chất lƣợng bề mặt… vẫn còn rất hạn chế và tốn nhiều chi phí trong qua trình sản xuất.
1.3. Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu phƣơng pháp gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa theo nguyên lý gia nhiệt bề mặt bằng cảm ứng từ với các tiêu chí nhƣ sau:
Tốc độ gia nhiệt đủ nhanh (sau 3 - 6 s, nhiệt độ bề mặt khuôn đạt tới nhiệt
độ > 100 oC)
Phân tích, mơ phỏng q trình gia nhiệt nhằm dự đoán phân bố nhiệt độ
ứng với các thiết kế hình dạng lịng khn khác nhau.
Phân tích q trình gia nhiệt, sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt khuôn ứng
1.4. Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu 1.4.1. Cách tiếp cận 1.4.1. Cách tiếp cận
Sử dụng phƣơng pháp định lƣợng trong q trình tính tốn, phân tích mơ phỏng kết hợp với thực nghiệm nhằm kiểm chứng kết quả.
1.4.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
a. Phƣơng pháp thu thập và tổng hợp tài liệu
Thu thập, phân tích và biên dịch tài liệu liên quan tới kỹ thuật gia nhiệt cho khn phun ép nhựa: đảm bảo tính đa dạng, tận dụng đƣợc các kết quả của các nghiên cứu mới nhất, phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài
b. Phƣơng pháp phân tích thực nghiệm
Dựa trên các kết quả trong thực nghiệm, lựa chọn đƣợc cấu hình thiết bị phù hợp, tối ƣu hóa đƣợc quy trình thu thập kết quả thí nghiệm.
c. Phƣơng pháp phân tích so sánh
Dựa trên các kết quả mô phỏng và thực nghiệm so sánh kết quả của các thiết kế tấm khuôn khác nhau trong quá trình gia nhiệt nhƣ:
Phân bố nhiệt độ trên bề mặt khuôn
Giá trị nhiệt độ cao nhất của quá trình gia nhiệt.
Từ đó làm sáng tỏ lý thuyết và kết quả có tính thuyết phục cao.
1.5. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu 1.5.1. Đối tƣợng nghiên cứu 1.5.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Mơ hình gia nhiệt cho tấm lịng khn phun ép bao gồm:
Hệ thống điều khiển nhiệt độ cho khuôn bằng cảm ứng từ
Hệ thống dẫn nƣớc giải nhiệt trong lịng khn
Tấm khuôn
Phƣơng pháp mơ phỏng nhằm dự đốn kết quả gia nhiệt cho bề mặt khuôn.
1.5.2. Phạm vi nghiên cứu
Hệ thống điều khiển nhiệt độ cho khuôn bằng cảm ứng từ: 40 oC 167 oC
Quá trình gia nhiệt cho khuôn đạt nhiệt độ cao nhất: 154oC
1.6. Nội dung nghiên cứu và tiến độ thực hiện
Thu thập và phân tích tài liệu về kỹ thuật điều khiển nhiệt độ cho khn phun ép gồm 2 nhóm chính
o Giải nhiệt cho khuôn o Gia nhiệt cho khuôn
Tìm hiểu các yêu cầu về kết cấu khuôn ứng với phƣơng pháp điều khiển nhiệt độ theo nguyên lý cảm ứng từ
Phân tích và đề xuất các thiết kế cho cuộn dây trong hệ thống gia nhiệt bằng cảm ứng từ cho khuôn phun ép
Mô phỏng các thiết kế của cuộn dây và chọn ra các thiết kế khả thi
Thí nghiệm kiểm chứng các kết quả mơ phỏng
Chƣơng 2
QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT THEO PHƯƠNG PHÁP CẢM ỨNG TỪ
Chƣơng này giới thiệu về hệ thống gia nhiệt bằng cảm ứng từ, các nguyên lý cơ bản và các đặc điểm nổi bậc của phƣơng pháp gia nhiệt này. Hiện nay, phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ là một trong những phƣơng pháp mới, vì vậy, khả năng ứng dụng của phƣơng pháp này cũng sẽ đƣợc đề cập đến.
2.1. Giới thiệu chung về phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ
Phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ thƣờng đƣợc sử dụng trong quá trình gia nhiệt cho các vật liệu dẫn điện nhằm nâng nhiệt độ lên đến giới hạn chảy (quá trình hàn), hoặc đến nhiệt độ chuyển đổi pha (q trình tơi cao tần). Hiện nay, trong các phƣơng pháp gia nhiệt tiên tiến, phƣơng pháp gia nhiệt này có ƣu điểm vƣợt trội về tốc độ gia nhiệt, độ ổn định, cũng nhƣ khả năng điều khiển quá trình gia nhiệt. Phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ thuộc nhóm phƣơng pháp gia nhiệt khơng tiếp xúc. Phƣơng pháp này dựa trên ảnh hƣởng của dòng điện cao tần trong cuộn dây (coil) tạo nên dòng điện cảm ứng trên bề mặt cần gia nhiệt. Nhờ dòng điện cảm ứng này, bề mặt cần gia nhiệt sẽ đƣợc nung nóng đến giá trị cần thiết. Do đặc điểm về dịng điện cảm ứng từ, trong q trình gia nhiệt, hầu nhƣ chỉ phần vật liệu gần lớp bề mặt bị ảnh hƣởng (nung nóng), do đó, hiệu quả của quá trình gia nhiệt đƣợc nâng cao. Ngồi ra, trong q trình phun ép, sau khi bề mặt khn đƣợc gia nhiệt và đạt đến giá trị nhiệt độ nhất định, nhựa nóng sẽ đƣợc phun vào lịng khn, sau đó, q trình giải nhiệt cho khn sẽ diễn ra. Vì phƣơng pháp cảm ứng từ chỉ gia nhiệt tại bề mặt khn, do đó, q trình giải nhiệt cho khuôn sẽ diễn ra dễ dàng và tốc độ giải nhiệt sẽ nhanh hơn so với các phƣơng pháp gia nhiệt khác.
Nguyên lý hoạt động của phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ đƣợc trình bày nhƣ hình 2.1 và 2.2. Thiết bị gia nhiệt bằng cảm ứng từ sẽ cấp nguồn điện, tạo ra dòng điện cao tần chạy trong cuộn dây (Cuộn sơ cấp - coil) nhƣ hình 2.1. Dịng điện này sẽ tạo ra từ trƣờng thay đổi xung quanh cuộn dây với cùng tần số của nguồn cao tần. Theo định luật Faraday, nếu có một cuộn dây khác nằm trong vùng ảnh hƣởng của từ trƣờng này, dòng điện cảm ứng sẽ đƣợc tạo ra bên trong cuộn thứ
cấp (Secondary coil). Vì vậy, trong phƣơng pháp gia nhiệt cho bề mặt khuôn theo phƣơng pháp cảm ứng từ, cuộn dây sẽ đóng vai trị nhƣ cuộn sơ cấp, và bề mặt khn sẽ đóng vai tro nhƣ cuộn thứ cấp (hình 2.2). Khi có dịng điện cao tần chạy trong cuộn dây, từ trƣờng biến thiên với tần số cao sẽ đƣợc tạo ra. Nếu bề mặt cần gia nhiệt của khuôn đƣợc đặt gần cuộn dây, dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện trên bề mặt khn, và q trình gia nhiệt sẽ đƣợc thực hiện.
Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ
Hình 2.4: Một hệ thống gia nhiệt cảm ứng từ điển hình
2.2. Hiệu ứng bề mặt
Trong quá trình gia nhiệt cho bề mặt khuôn, do ảnh hƣởng của dòng điện cao tần, hiện tƣợng gia nhiệt chỉ tập trung tại bề mặt của lịng khn. Trong các nghiên cứu về hiện tƣợng cảm ứng điện từ, khi dòng điện có tầng số càng cao, dịng điện cảm ứng trên vật cần gia nhiệt sẽ càng tập trung tại bề mặt. Do đó, hiệu ứng nung nóng bề mặt sẽ càng đƣợc thể hiện rõ.
Chiều sâu lớp gia nhiệt (Heating layer or Penetration depth) tính từ bề mặt của vật cần gia nhiệt đƣợc xác định theo công thức sau [6]:
f . .
Với: : Điện trở suất (Resistivity) [W.m] µ: Độ ngấm từ (Magnetical permeability) [H/m] f: Tần số (Frequency) [Hz]
Theo nhƣ công thức trên, độ ngấm từ phụ thuộc vào tính chất vật liệu của vật cần gia nhiệt và tần số dịng điện. Do đó, với cùng loại vật liệu, hiệu suất và chiều dày của lớp gia nhiệt có thể đƣợc thay đổi thông qua việc điều chỉnh tần số của dòng điện. Với các loại vật liệu từ tính thấp, nhƣ đồng (Cu) và nhôm (Al), độ ngấm từ (Magnetical permeability) thƣờng là 1. Ngƣợc lại, với các loại vật liệu sắt từ
(Ferromagnetic material), nhƣ thép, độ ngắm từ thƣờng cao hơn rất nhiều. Do đó, khi gia nhiệt cho vật liệu sắt từ, nhờ hiệu ứng bề mặt, quá trình gia nhiệt sẽ tập trung tại bề mặt của vật cần gia nhiệt. Vì vậy, hiệu suất của quá trình gia nhiệt sẽ nâng cao đáng kể.
2.3. Thiết kế của cuộn dây gia nhiệt (coil design)
Trong quá trình gia nhiệt cho bề mặt khn, dịng điện cảm ứng trên bề mặt khuôn đƣợc tạo ra bởi từ trƣờng thay đổi của dòng điện trong cuộn dây (coil). Do đó, với các thiết kế khác nhau của cuộn dây, từ trƣờng sẽ thay đổi, và kết quả là phân bố nhiệt độ trên bề mặt lịng khn cũng sẽ khác nhau. Với thiết kế tốt, cuộn dây sẽ tạo ra vùng gia nhiệt hợp lý cho bề mặt khn, ngồi ra, hiệu suất của quá trình gia nhiệt cũng đƣợc tối ƣu hơn. Nhìn chung, trong lĩnh vực gia nhiệt cho khuôn phun ép theo nguyên lý cảm ứng từ, cuộn dây gia nhiệt (induction coil) thƣờng đƣợc làm từ ống đồng với đƣờng kính từ 5 mm đến 14 mm. Tùy theo từng loại khuôn và khu vực cần gia nhiệt, cuộn dây có thể có 1 vịng (turn) hoặc nhiều vòng dạng xoắn ốc (helical) với tiết diện trịn (round) hoặc vng (square). Bên cạnh thông số về cuộn dây, khoảng cách giữa cuộn dây và bề mặt cần gia nhiệt cũng là một trong những thông số quan trọng. Nếu khoảng cách này nhỏ, hiệu suất của quá trình gia nhiệt sẽ lớn hơn. [14]
2.4 Một số đặc điểm nổi bật của quá trình gia nhiệt theo phƣơng pháp cảm ứng từ
Quá trình gia nhiệt:
o Do mật độ dòng điện (current density) tập trung tại bề mặt gia nhiệt nên quá trình gia nhiệt sẽ đƣợc thực hiện với tốc độ cao.
o Với mục tiêu nâng nhiệt độ bề mặt lên giá trị cao (cao hơn nhiệt độ chuyển pha (Tg) của vật liệu nhựa), phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ là một trong những phƣơng pháp mang tính khả thi nhất.
o Phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ có thể dùng cho trƣờng hợp cần gia nhiệt cục bộ tại một cùng nhỏ trên bề mặt khuôn.
o Các trang thiết bị đƣợc dùng trong quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ có thể đƣợc tự động hóa dễ dàng.
Năng lƣợng:
o Phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ mang tính hiệu quả cao về mặt năng lƣợng [4, 13, 14]. Tuy nhiên, mức độ hiệu quả này phụ thuộc nhiều vào loại vật liệu cần gia nhiệt.
o Trong qui trình phun ép nhựa, quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ thƣờng diễn ra với tốc độ nhanh, do đó, phần tổn thất nhiệt năng ra ngồi mơi trƣờng đƣợc hạn chế tốt đa.
Chất lƣợng vùng gia nhiệt:
o Vùng gia nhiệt có thể đƣợc điều khiển dễ dàng thông qua thiết kế cuộn dây gia nhiệt hợp lý
o Q trình gia nhiệt có thể đƣợc mơ phỏng, tính tốn chính xác trƣớc khi tiến hành thực tế
So với các phƣơng pháp gia nhiệt khác, phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ có một số ƣu điểm sau:
o Q trình điều khiển nhiệt độ có thể đƣợc tiến hành dễ dàng.
o Quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ chỉ có ảnh hƣởng đến lớp bề mặt của khn, do đó, hiệu quả về mặt năng lƣợng cao hơn rất nhiều so với phƣơng pháp dùng điện trở để gia nhiệt.
o Có khả năng gia nhiệt cục bộ tại một hoặc một số vùng trên bề mặt khn
o Q trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ gần nhƣ không phụ thuộc vào điều kiện mơi trƣờng bên ngồi.
o Đây là phƣơng pháp gia nhiệt không ảnh hƣởng xấu đến môi trƣờng.
Một số nhƣợc điểm cần đƣợc khắc phục của phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ:
o Chỉ ứng dụng tốt với các loại vật liệu sắt từ. o Giá của thiết bị vẫn còn khá cao.
o Với các bề mặt phức tạp, rất khó để có đƣợc thiết kế của cuộn dây thích hợp
Chƣơng 3: THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
Chƣơng này sẽ giới thiệu về các trang thiết bị phục vụ cho q trình thí nghiệm nhƣ: máy gia nhiệt bằng cảm ứng từ, các tấm khuôn, cảm biến nhiệt độ, thiết bị đo nhiệt độ, cuôn dây cảm ứng từ.
3.1 Trang thiết bị thí nghiệm
Máy gia nhiệt bằng cảm ứng từ:
Trong nghiên cứu này, máy gia nhiệt (hình 3.1) bằng cảm ứng từ sẽ đƣợc sử dụng nhằm cung cấp nguồn điện xoay chiều có tần số cao cho cuộn dây (coil) nhằm tạo ra từ trƣờng cảm ứng lên bề mặt gia nhiệt. Trong quá trình gia nhiệt, nƣớc sẽ đƣợc sử dụng nhƣ dung dịch giải nhiệt cho máy và cuộn dây. Thiết bị này có thể cung cấp nguồn điện có cƣờng độ cao nhất là 52A với cơng suất cực đại: 30 kW. Các thơng số chi tiết của thiết bị đƣợc trình bày nhƣ bảng 3.1.
Bảng 3.1: Thơng số kỹ thuật của máy gia nhiệt bằng cảm ứng từ
Thông số Giá trị
Hệ thống điều khiển Mạch điện tử
Công suất cực đại 30(Kw)
Nguồn điện 380(v)
Cƣờng độ dòng điện lớn nhất 52(A)
Tần số 20-28 KHz
Giải nhiệt Nƣớc
Loại cảm biến K-Type
Cuộn dây:
Trong nghiên cứu này, sử dụng thiết kế cn dây 3D (hình 3.2) để làm thí nghiệm. Cuộn dây đƣợc chế tạo từ ống đồng đƣờng kính ngồi 8mm, đƣờng kính trong 6mm để cho nƣớc chạy bên trong. Kích thƣớc của cuộn dây đƣợc thiết kế để lắp đƣợc nhiều tấm khn có kích thƣớc khác nhau, chiều dài tổng của cuộn dây là 1.2m (hình 3.3).
Hình 3.3: 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