Giai đoạn 2 - Phân tích
Tiếp tục thực hiện q trình mơ phỏng trên mơ đun Moldex3D Project. Trong phần mềm Moldex3D, mô đun Moldex3D Project như là một cầu nối giữa người dùng và phương pháp giải bài tốn mơ phỏng, cung cấp kết quả với nhiều lựa chọn khác nhau. Trong nghiên cứu này, loại vật liệu và thông số phun ép được thiết lập dựa vào Bảng 5.1 và tiến hành mô phỏng về độ điền đầy thơng qua chiều dài dịng chảy ứng với từng loại vật liệu, chiều dày dịng chảy và nhiệt độ khn khác nhau.
Giai đoạn 3 - Kết quả mơ phỏng
Kết thúc q trình mơ phỏng, một số kết quả có thể hiển thị như độ điền đầy, độ cong vênh, phân bố áp suất,… Tuy nhiên, trong giới hạn nghiên cứu, chỉ kết quả mơ phỏng về độ điền đầy (chiều dài dịng chảy) được lựa chọn để phân tích trong Chương 5.
69
5.3. Điều kiện thực nghiệm phun ép
Quá trình thực nghiệm phun ép được tiến hành trên máy SW-120B với hệ thống In-GMTC nhằm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ điền đầy sản phẩm thành mỏng (Hình 5.3). Các thơng số thực nghiệm được xác định trên cơ sở khuyến cáo của nhà sản xuất như nhiệt độ nóng chảy nhựa, áp suất phun là giá trị thông dụng của máy phun ép, đồng thời qua thực tế phun ép tạo hình sản phẩm, các thơng số được thể hiện cụ thể như Bảng 5.2.
Hình 5.3: Hệ thống In-GMTC gắn trên máy phun ép SW-120B. Bảng 5.2: Thông số thực nghiệm phun ép sản phẩm thành mỏng Bảng 5.2: Thông số thực nghiệm phun ép sản phẩm thành mỏng
STT Thông số Giá trị
1 Nhiệt độ nóng chảy nhựa 270 0C
2 Áp suất phun 35 atm
70
4 Tốc độ phun 23 cm3/s
5 Thời gian phun 2 s
6 Thời gian đóng khn 2 s
7 Thời gian gia nhiệt ban đầu của In-GMTC 20 s
8 Nhiệt độ khuôn ban đầu 30 0C
Quá trình thực nghiệm phun ép được tiến hành 10 lần cho mỗi trường hợp và xác định giá trị trung bình. Mức độ ảnh hưởng của phân bố nhiệt độ khuôn đến khả năng điền đầy đối với sản phẩm thành mỏng được phân tích, đánh giá chi tiết trong Chương 5 của nghiên cứu này.
5.4. Kết quả chiều dài sản phẩm mô phỏng với thực nghiệm
Với thông số phun ép như Bảng 3.1, vật liệu là nhựa PP và sử dụng 7 loại nhựa PA6 với tỉ lệ sợi thủy tinh thay đổi với các giá trị: 0%GF, 10%GF, 20%GF, 30%GF, 10% CaCO3, 20%CaCO3, 30%CaCO3 và phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong khuôn được sử dụng, kết quả mơ phỏng và thực nghiệm chiều dài dịng chảy ứng với sản phẩm có chiều dày 0.5 mm ứng với các loại nhựa như trên, lần lượt được tổng hợp như Bảng 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, và 5.8. Trong đó, nhiệt độ gia nhiệt được khảo sát trong khoảng 200 0C đến 400 0C và thời gian gia nhiệt bằng khí nóng 20 s. Ứng với mỗi nhiệt độ khí, chu trình phun ép được vận hành trong 20 chu kỳ để ổn định; sau đó, sản phẩm thực nghiệm của 10 chu kỳ tiếp theo được thu thập để xác định chiều dài dòng chảy và so sánh với kết quả mơ phỏng. Kết quả cho thấy chiều dài dịng chảy tăng khi nhiệt độ nguồn khí tăng. Đồng thời, kết quả giữa thực nghiệm và mơ phỏng tuy có sai lệch nhưng khơng đáng kể. Sai lệch này có thể chấp nhận đối với nghiên cứu thực nghiệm về chiều dài dịng chảy trong cơng nghệ phun ép.
71
Bảng 5.3: Kết quả chiều dài dòng chảy nhựa giữa thực nghiệm và mô phỏng bề dày
sản phẩm 0.5 mm với nhựa PP. Nhiệt độ nguồn khí (0C) Kết quả thực nghiệm (mm) Kết quả mô phỏng (mm) Sai số (mm) Sai số (%) 200 1.9 6.13 250 0.17 0.45 300 1.85 4.51 350 1.06 2.26 400 4.71 8.72
72
Bảng 5.4: Kết quả chiều dài dòng chảy nhựa giữa thực nghiệm và mô phỏng bề dày
sản phẩm 0.5 mm với nhựa PA6 (0% GF) Nhiệt độ nguồn khí (oC) Kết quả thực nghiệm (mm) Kết quả mô phỏng (mm) Sai số (mm) Sai số (%) 200 2.59 7.40 250 2.92 7.49 300 3.92 8.91 350 2.52 5.14 400 0.53 0.98
73
Bảng 5.5: Kết quả chiều dài dịng chảy nhựa giữa thực nghiệm và mơ phỏng bề dày
sản phẩm 0.5 mm với nhựa PA6 (GF 10%) Nhiệt độ nguồn khí (oC) Kết quả thực nghiệm (mm) Kết quả mô phỏng (mm) Sai số (mm) Sai số (%) 200 0.89 2.78 250 1.36 3.68 300 0.64 1.60 350 0.24 0.57 400 0.91 2.17
74
Bảng 5.6: Kết quả chiều dài dịng chảy nhựa giữa thực nghiệm và mơ phỏng bề dày
sản phẩm 0.5 mm với nhựa PA6 (GF 20%) Nhiệt độ nguồn khí (oC) Kết quả thực nghiệm (mm) Kết quả mô phỏng (mm) Sai số (mm) Sai số (%) 200 0.29 1.21 250 1.36 4.69 300 1.51 4.58 350 0.38 1.03 400 1.14 2.85
75
Bảng 5.7: Kết quả chiều dài dòng chảy nhựa giữa thực nghiệm và mô phỏng bề dày
sản phẩm 0.5 mm với nhựa PA6 (GF 30%) Nhiệt độ nguồn khí (oC) Kết quả thực nghiệm (mm) Kết quả mô phỏng (mm) Sai số (mm) Sai số (mm) 200 1.66 7.55 250 0.72 2.67 300 0.84 2.71 350 1.27 3.74 400 1.74 4.58
76
Bảng 5.8: Kết quả chiều dài dịng chảy nhựa giữa thực nghiệm và mơ phỏng bề dày
sản phẩm 0.5 mm với nhựa PA6 (CaCO3 10%) Nhiệt độ nguồn khí (oC) Kết quả thực nghiệm (mm) Kết quả mô phỏng (mm) Sai số (mm) Sai số (%) 200 1.38 4.76 250 1.32 3.77 300 1.4 3.59 350 0.75 1.67 400 0.78 1.63
77
Bảng 5.9: Kết quả chiều dài dòng chảy nhựa giữa thực nghiệm và mô phỏng bề dày
sản phẩm 0.5 mm với nhựa PA6 (CaCO3 20%) Nhiệt độ nguồn khí (oC) Kết quả thực nghiệm (mm) Kết quả mơ phỏng (mm) Sai số (mm) Sai số (%) 200 2.35 9.40 250 1.29 3.91 300 0.65 1.76 350 0.34 0.85 400 0.77 1.75
78
Bảng 5.10: Kết quả chiều dài dòng chảy nhựa giữa thực nghiệm và mô phỏng bề dày
sản phẩm 0.5 mm với nhựa PA6 (CaCO3 30%) Nhiệt độ nguồn khí (oC) Kết quả thực nghiệm (mm) Kết quả mô phỏng (mm) Sai số (mm) Sai số (%) 200 2.25 13.24 250 2.59 10.36 300 2.91 9.70 350 1.14 3.17 400 0.59 1.51
79
Đối với quy trình phun ép thơng thường, nhiệt độ khuôn thường được đặt trong khoảng 20 0C – 80 0C. Tuy nhiên, với sản phẩm có thành mỏng như trong nghiên cứu này, để sản phẩm được điền đầy thuận lợi, nhiệt độ khuôn phải được đặt cao đến mức mà hệ thống có thể đạt được. Thiết lập này cho phép dòng chảy dễ dàng điền đầy lòng khn do giảm lớp đơng đặc của dịng chảy [1]. Tuy nhiên, khi nhiệt độ khuôn cao, năng lượng chắc chắn sẽ tiêu hao nhiều hơn và hiện tượng cong vênh có thể xảy ra. Để tránh những vấn đề này, kiểm sốt nhiệt độ khn cục bộ được thực hiện trong nghiên cứu này. Thay vì duy trì tồn bộ tấm khn ở nhiệt độ cao, việc kiểm sốt nhiệt độ khn cục bộ được thực hiện cho khu vực lịng khn bằng cách áp dụng gia nhiệt cục bộ bằng khí nóng vào đầu chu kỳ phun ép.
Trong các nghiên cứu trước đây đã cho thấy khi nhiệt độ khuôn cao hơn nhiệt độ chuyển pha, vật liệu dễ dàng chảy trong khn [16, 21, 30]. Trong nghiên cứu này, hình 5.1 cho thấy khi nhiệt độ khí càng cao thì chiều dài lịng chảy càng dài.
Chiều dài dòng chảy của các loại vật liệu được tổng hợp từ bảng 5.1 đến 5.8 cho ta thấy chiều dài dòng chảy của vật liệu PA6 30%GF và PA6 30%CaCO3 là tương đương nhau và ngắn nhất, vậy 2 vật liệu này khó nóng chảy nhất. Cịn chiều dài dịng chạy của vật liệu PP và PA6 là tương đương nhau và dài nhất nên PP và PA6 là vật liệu dễ nóng chảy nhất.
80
Hình 5.4: Chiều dài dịng chảy của các vật liệu ứng với nhiệt độ nguồn khí khác nhau Nhận xét chung: Ở từng mức nhiệt độ khí nóng khác nhau, kết quả chiều dài dịng
chảy ở thời gian gia nhiệt là 20 giây cho thấy sự khác biệt: Chiều dài dòng chảy sẽ dài hơn ở mức nhiệt độ cao hơn. Ngoài ra, tùy vào từng loại nhựa (độ nhớt khác nhau) quá trình điền đầy lịng khn cũng khác nhau. Kết quả nghiên cứu này cho thấy: nhựa PA6 có gia cường 30% sợi thủy tinh là khó chảy nhất so với nhựa nguyên chất.
81
Chương 6
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
6.1. Kết luận
Luận văn “Nghiên cứu phân bố nhiệt độ lịng khn phun ép với phương pháp
gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lịng khn bằng phương pháp mơ phỏng”đã
đạt được mục tiêu nghiên cứu với kết quả như sau:
Về kết quả quá trình gia nhiệt:
- Nhiệt độ khí nóng càng lớn và thời gian gia nhiệt càng lâu thì nhiệt độ lịng khn (thông qua tấm insert) càng lớn, cụ thể như sau:
Với tấm insert 0.5 mm: Khi nhiệt độ khí nóng 400 0C và thời gian gia nhiệt 20 s thì nhiệt độ lịng khn lớn nhất là 153.6 0C và khi nhiệt độ khí nóng 200 oC và thời gian gia nhiệt 5 s thì nhiệt độ lịng khn là 75 0C.
Với tấm insert 0.3 mm: Nhiệt độ khí nóng 400 0C và thời gian gia nhiệt 20 s thì nhiệt độ lịng khn lớn nhất là 147 0C và khi nhiệt độ khí nóng 200 0C và thời gian gia nhiệt 5 s thì nhiệt độ lịng khn 72.1 0C.
Với tấm insert 0.1 mm: Khi nhiệt độ khí nóng 400 0C và thời gian gia nhiệt 20 s thì nhiệt độ lịng khn lớn nhất là 146.2 0C và khi nhiệt độ khí nóng 200 0C và thời gian gia nhiệt 5 s thì nhiệt độ lịng khn là 71.1 0C.
- Thời gian gia nhiệt càng lâu thì nhiệt độ lịng khn càng cao; nhiệt độ thấp nhất tại thời điểm gia nhiệt 200 0C với thời gian gia nhiệt là 5 s trên tấm insert 0.1 mm là 48.4 0C; nhiệt độ cao nhất tại thời điểm gia nhiệt 400 0C với thời gian gia nhiệt là 20 s trên tấm insert 0.5 mm là 147.4 0C.
82
- Trong 3 tấm insert với các bề dày sản phẩm 0.1 mm, 0.3 mm và 0.5 mm thì tấm insert 0.5 mm có giá trị gia nhiệt lên được cao nhất; bề dày tấm insert càng lớn thì nhiệt độ gia nhiệt càng lớn.
- Kết quả so sánh cho thấy sự chênh lệch nhiệt độ lịng khn giữa mơ phỏng và kết quả đo thực tế chênh lệch khơng đáng kể. Qua đó, cho thấy kết quả mơ phỏng trong nghiên cứu này đáng tin cậy.
Về kết quả chiều dài dòng chảy:
- Khi tăng nhiệt độ lịng khn thì chiều dài dịng chảy tăng lên. Ngồi ra, tùy vào từng loại nhựa q trình điền đầy lịng khn cũng khác nhau. Trong đó, chiều dài dịng chảy của vật liệu PA6 30%GF và PA6 30%CaCO3 là ngắn nhất, vậy 2 vật liệu này khó điền đầy lịng khn. Cịn chiều dài dòng chảy của vật liệu PP và PA6 là dài nhất nên PP và PA6 là vật liệu dễ chảy trong lịng khn.
- Khi tỉ lệ GF hoặc CaCO3 gia tăng khả năng chảy trong lịng khn bị ảnh hưởng đáng kể. Cho nên, phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng trong lịng khn là rất cần thiết nhằm hạn chế tối đa lớp đơng đặc, qua đó nâng cao khả năng điền đầy trong lịng khn. - Kết quả so sánh chiều dài dịng chảy giữa mơ phỏng và thực nghiệm là chênh lệch khơng đáng kể, qua đó cho thấy phương pháp mơ phỏng có thể được sử dụng để dự đốn q trình điền đầy trong cơng nghệ phun ép.
Nhìn chung, hệ thống gia nhiệt cho lịng khn bằng khí nóng tích hợp trong khn có thể áp dụng vào quá trình phun ép thực tế đối với các sản phẩm có thành mỏng, đặc biệt là các sản phẩm có kích thước micromet.
6.2. Hướng phát triển
Với các kết quả đạt được, những hướng phát triển sau được đề xuất:
- Nghiên cứu cải tiến hệ thống gia và giải nhiệt để có thể giải nhiệt cho lịng khn với những mức nhiệt độ cao hơn để giảm thời gian chu kỳ ép phun.
83
- Thiết kế bộ khn tích hợp hệ thống gia nhiệt bằng khí nóng cho sản phẩm ứng dụng thực tế bằng vật liệu composite.
- Thay đổi cơ cấu đỡ tấm insert từ xylanh sang cơ cấu khác hiệu quả hơn.
- Nghiên cứu tối ưu năng lượng với hệ thống gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lịng khn ép phun.
84
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Phạm Sơn Minh và Trần Minh Thế Uyên, “Giáo trình thiết kế và chế tạo khn phun ép nhựa”, nhà xuất bản đại học quốc gia TPHCM. 2014.
[2]. Vũ Hồi Ân, “Thiết kế khn cho sản phẩm nhựa”, Nhà xuất bản Viện máy và dụng cụ - Trung tâm đào tạo và thực hành CAD/CAM, 1994.
[3]. Nguyễn Hộ, “Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng đến khả năng điền đầy lịng khn sản phẩm nhựa dạng thành mỏng”, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, 2015.
[4]. Shia-Chung Chen, Jen-An Chang, Ying-Chieh Wang and Chun-Feng Yeh, “Development of gas-assisted dynamic mold temperature control system and its application for micro molding”, 2209-2012 / ANTEC 2008.
[5]. Shia-Chung Chen, Rean-Der Chien, Su-Hsia Lin, Ming-Chung Lin and Jen-An Chang, “Feasibility evaluation of gas-assisted heating for mold surface temperature control during injection molding process”, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 36, 2009, pp. 806–812. [6]. Shia-Chung Chen , Pham Son Minh and Jen-An Chang, “Gas-assisted mold
temperature control for improving the quality of injection molded parts with fiber additives”, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 38, 2011, pp. 304–312.
[7]. G. Wang, G. Zhao, H L. Y. Guan, “Research of thermal response simulation and mold structure optimization for rapid heat cycle molding processes, respectively, with steam heating and electric heating”, Journal of Materials & Design, Vol. 31, Issue 1, 2010, pp. 382-395.
[8]. S. Wong, J. W. S. Lee, H. E. Naguib and C. B. Park, “Effect of processing parameters on the mechanical properties of injection molded thermoplastic
85
polyolefin (TPO) cellular foams”, Macromolecular Materials and Engineering, Vol. 293, Issue 7, 2008, pp. 605-613.
[9]. A. Kumar, P. S. Ghoshdastidar and M. K Muju, “Computer simulation of transport processes during injection mold-filling and optimization of the molding conditions”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 120, Issues 1–3, 2002, pp. 438-449.
[10]. A. C. Liou, R. H. Chen, C. K. Huang, C. H. Su and P. Y. Tsai, “Development of a heat-generable mold insert and its application to the injection molding of microstructures”, Microelectronic Engineering, Vol. 117, 2014, pp. 41-47. [11]. S. Liparoti, R. Pantani, A. Sorrentino, V. Speranza and G. Titomanlio,
“Hydrophobicity tuning by the fast evolution of mold temperature during injection molding”, Journal of Polymers, Vol. 10, Issue 3, 2018, pp. 1-15. [12]. S. C. Chang and S. J. Hwang, “Simulation of infrared rapid surface heating for
injection molding”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 49, Issues 21-22, 2006, pp. 3846-3854.
[13]. M. C. Yu, W. B. Young and P. M. Hsu, “Micro injection molding with the infrared assisted heating system”, Materials Science and Engineering A, Vols. 460-461, 2007, pp. 288-295.
[14]. H. L. Chen, S. C. Chen, W. H. Liao, R. D. Chien and Y. T. Lin, “Effects of insert film on asymmetric mold temperature and associated part warpage during in-mold decoration injection molding of PP parts”, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 41, 2013, pp. 34-40.
[15]. S. Y. Yang, S. C. Nian, S. T. Huang and Y. J. Weng, “A study on the micro- injection molding of multi-cavity ultra-thin parts”, Polymers Advances Technologies, 2011.
[16]. Shia-Chung Chen, Yu-Wan Lin, Rean-Der Chien, Hai-Mei Li, “Variable mold temperature to improve surface quality of microcellular injection molded parts
86
using induction heating technology”, Advances in Polymer Technology, Vol. 27, No. 4, 2008, pp. 224–232.
[17]. B. Sha, S. Dimov, C. Griffiths and M.S. Packianather, “Investigation of micro- injection moulding: factors affecting the replication quality”, Journal of Materials Processing Technology, 2007, pp. 284–296.
[18]. Shia-Chung Chen, Wen-Ren Jong, Jen-An Chang and Hsin-Shu Peng, “Simulation and verification on rapid mold surface eating/cooling using electromagnetic induction technology”, 4th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics Cairo, Egypt, 2005.
[19]. M. C. Jeng, S. C. Chen, P. S. Minh, J. A. Chang and C. S. Chung, “Rapid mold temperature control in injection molding by using steam heating”, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 37, Issue 9, 2010, pp. 1295- 1304.