Cũng như trong tường phẳng, nhiệt lượng truyền từ lưu thể nóng sang lưu thể lạnh phải qua 3 giai đoạn. Vì quá trình truyền nhiệt ổn định nên trong khoảng thời gian τ, lượng nhiệt qua 3 giai đoạn đều như nhau:
Q = KR.2πL.τ.∆t (2.5)
Đây là phương trình truyền nhiệt qua tường ống 1 lớp. Trong đó: KR gọi là hệ số truyền nhiệt trong tường ống.
44
Chương 3
THIẾT KẾ SẢN PHẨM VÀ BỘ GIA NHIỆT TÍCH HỢP TRONG KHN PHUN ÉP NHỰA
3.1. Yêu cầu của sản phẩm
Mục đích chính là nghiên cứu phân bố nhiệt độ lịng khn phun ép với phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lịng khn nên trong nghiên cứu này chọn thiết kế sản phẩm đơn giản dạng thanh, với chiều dài là 60 mm, chiều rộng là 10 mm và bề dày lần lượt là 0.1 mm, 0.3 mm, và 0.5 mm có biên dạng như Hình 3.1.
Hình 3.1: Mơ hình sản phẩm.
3.2. Thiết kế bộ phận gia nhiệt
Bộ phận gia nhiệt được thiết kế với kích thước 240 mm x 100 mm x 80 mm (phụ lục bản vẽ), bao gồm 2 nửa tấm gia nhiệt (heater) hình 3.2 và hình 3.3 ghép với nhau.
45
Hình 3.2: Mơ hình tấm heater 1.
Hình 3.3: Mơ hình tấm heater 2
Trên 2 tấm này được gắn các điện trở gia nhiệt và các rãnh dẫn khí nóng có dạng dích dắt nhằm tối đa hóa chiều dài từ cổng vào (air inlet) đến cổng ra của khí nóng (air oulet) như Hình 3.4.
46
3.3. Bộ khn tích hợp hệ thống gia nhiệt bên trong khn
Mơ hình bộ khn tích hợp hệ thống gia nhiệt bên trong khuôn được mô tả như hình 3.5 và bộ khn hồn chỉnh được gắn trên máy phun ép SW-120B như hình 3.6.
Hình 3.5: Mơ hình bộ khn tích hợp hệ thống gia nhiệt bên trong khuôn
47
3.4. Cài đặt các thông số thực tế cho máy ép nhựa
- Gia nhiệt tấm insert 0.5 mm bằng khí ở các mức nhiệt độ 200 0C, 250 0C, 300 0C, 350 0C, 400 0C.
- Sấy nhựa ở nhiệt độ 80 0C.
- Áp suất phun thay đổi theo từng loại nhựa.
- Gia nhiệt bằng khí ở các thời gian tương ứng 0 s, 5 s, 10 s, 15 s, 20 s. - Phun nhựa tương ứng ở các nhiệt độ ứng với thời gian trên.
- Thông số ép của hai loại nhựa PP, PA6 (GF 0-30% và CaCO3 0-30%) được mô tả như Bảng 3.1.
Bảng 3.1: Thông số ép của hai loại nhựa PP, PA6 (GF 0-30% và CaCO3 0-30%)
Thông số ép phun
Loại nhựa PP PA6
Tên Flamripp3625CS1 Schulamid6GF30TC
Nhà sản xuất Lanxess Lanxess
Nhiệt độ chảy 200 – 220 0C 250 – 280 0C Nhiệt độ khuôn 40 – 80 0C 40 – 80 0C
Nhiệt độ đông đặc 170 0C 170 0C
Trong quá trình phun ép, nhiệt độ nhựa (melt temperature) được điều chỉnh ở 210 0C, áp suất phun (injection pressure) ở 30 Kg/cm2, thời gian ép phun (injection time) 2 s, tốc độ phun (injection rate) 30%. Trong nghiên cứu này, chiều dài đạt được của sản phẩm sẽ được thí nghiệm với các giá trị nhiệt độ khuôn (mold temperature) thay đổi với các giá trị: 200 0C, 250 0C, 300 0C, 350 0C, 400 0C sử dụng 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.
48
3.5. Thiết bị đo nhiệt độ khuôn
Nhiệt độ phân bố trên bề mặt lịng khn bằng phương pháp In-GMTC được xác định thông qua camera hồng ngoại Flute TiS20 như Hình 3.7.
+ Thơng số kỹ thuật:
Camera kỹ thuật số: 5 MP
Dải đo: -20 ºC đến 650 ºC
Độ chính xác: ±2 ºC
Dải phổ hồng ngoại: 7.5 ± 14 µm
Khoảng cách lấy nét tối thiểu: 0.45 m
Hình 3.7: Camera hồng ngoại Flute TiS20
49
Chương 4
SO SÁNH KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VỚI THỰC NGHIỆM VỀ Q TRÌNH GIA NHIỆT
4.1. Mơ phỏng q trình gia nhiệt tấm insert trên phần mềm ANSYS - CFX 4.1.1. Mô tả mơ phỏng 4.1.1. Mơ tả mơ phỏng
Nung nóng khối gia nhiệt bằng các điện trở, lần lượt ở các khoảng nhiệt độ 200 0C, 250 0C, 300 0C, 350 0C, 400 0C, sau đó phun khí từ máy nén khí với áp suất >5 Kg/cm2 qua khối gia nhiệt này, giữ trong các khoảng thời gian 5 s, 10 s, 15 s, 20 s lên lần lượt trên 3 tấm insert với bề dày lần lượt là 0.1 mm, 0.3 mm và 0.5 mm. Sau đó, đo nhiệt độ sau khi gia nhiệt bằng camera đo nhiệt.
50
Hình 4.2: Vị trí phun khí
4.1.2. Điều kiện mô phỏng phân bố nhiệt độ trên ANSYS - CFX
Phần mềm ANSYS với mô đun CFX được sử dụng để mô phỏng phân bố nhiệt độ bề mặt khn vì đây là tính năng chun nghiệp đối với các dịng chảy lưu chất. Trong đó, dịng khí gia nhiệt có hệ số nhớt động lực khoảng 1.83e-5 kg/ms nên có hệ số Re rất lớn và là dịng chảy rối. Do đó, mơ hình sử dụng cho mơ phỏng là mơ hình k- ε tiêu chuẩn [22, 24]. Với mơ hình lịng khn tương ứng với sản phẩm thành mỏng (Hình 3.1), mơ hình mơ phỏng bao gồm khối khí và khối gia nhiệt với các điều kiện biên như Bảng 4.1 và mơ tả như Hình 4.3. Trong mơ hình này, nhiệt độ khi gia nhiệt của khí nóng thay đổi từ 200 0C đến 400 0C và khí nóng được phun trực tiếp bên bề mặt lịng khn theo phương vng góc với áp suất 7 atm. Nhiệt độ và áp suất của môi trường ban đầu lần lượt là 30 0C và 1 atm. Bên cạnh đó, nhiệt độ ban đầu của tấm insert cũng được cài đặt ở giá trị 30 0C. Để nâng cao độ chính xác mơ phỏng, tấm gia nhiệt được chia theo lưới hex dominent do cấu tạo đơn giản, khối khí được chia lưới terahedrons do cấu trúc phức tạp, cũng như tăng số lượng phần tử tại các vùng địi hỏi độ chính xác mơ phỏng cao.
Bảng 4.1: Thông số vật liệu trong mơ phỏng gia nhiệt bằng khí nóng
Vật liệu Thơng số Đơn vị Giá trị
Khí
Khối lượng phân tử kg/kmol 28.96
Khối lượng riêng kg/m3 1.185
Độ nhớt động lực học kg/ms 1.831e-5
51
Thép P20
Khối lượng phân tử kg/kmol 55.85
Khối lượng riêng kg/m3 7854
Hệ số dẫn nhiệt W/m 0C 60.5
4.1.3. Các bước mô phỏng phân bố nhiệt độ trên ANSYS - CFX
ANSYS - CFX là mơ đun phân tích động lực học phổ biến và được được dùng để mô phỏng một cách đáng tin cậy, chính xác các loại dịng chảy khác nhau.
Content Description Parameter
1. Geometry - Inlet - Outlet1 - Outlet2 - Outlet3 2. Mesh - Inflation + Geometry: 2 Bodies + Boundary: 1 face + Maximun Thickness: 1mm
3. Setup - Air (U, V, W=0, P=0, T=30 0C)
+ inlet ( Normal Speed: 100m/s, Static temperature: 400 0C) + Outlet (Opening temperature: 30 0C)
- Stamp (Material: stell, temperature: 30 0C)
52
4. Solution - Start run
5. Results - Stamp side:
+ Model: Variable + Variabel: Temperature + Range: Use Spectified - Default Legend View 1 + Title mode: Variable + Precision: 1 - Fixed
4.1.4. Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ trên ANSYS - CFX
Kết quả mô phỏng về phân bố nhiệt độ trên lịng khn ứng với chiều dày tấm insert lần lượt là 0.1 mm, 0.3 mm, và 0.5 mm được tổng hợp như Bảng 4.2, 4.3, và 4.4. Trong đó, nhiệt độ gia nhiệt được khảo sát trong khoảng 200 0C đến 400 0C và thời gian gia nhiệt bằng khí nóng trong khoảng 5 s đến 20 s. Kết quả phân bố nhiệt độ cho thấy tại vị trí gần vịi phun khí nóng có nhiệt độ lớn nhất, đồng thời nhiệt độ bề mặt khuôn cải thiện đáng kể khi thời gian gia nhiệt và nhiệt độ khí nóng tăng lên. Để thấy rõ hơn về sự chênh lệch nhiệt độ khi gia nhiệt với các điều kiện khác nhau, nhiệt độ tại vị trí A (Hình 4.2) được tổng hợp như Bảng 4.5, 4.6 và 4.7 tương ứng với chiều dày tấm insert lần lượt là 0.1 mm, 0.3 mm và 0.5 mm.
53
Bảng 4.2: Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ khuôn với chiều dày tấm insert 0,1mm
Nhiệt độ khí
(0C)
Thời gian gia nhiệt
5 s 10 s 15 s 20 s
Phân bố nhiệt độ khuôn
200
250
300
350
54
Bảng 4.3: Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ khuôn với chiều dày tấm insert 0,3mm
Nhiệt độ khí
(0C)
Thời gian gia nhiệt
5 s 10 s 15 s 20 s
Phân bố nhiệt độ khuôn
200
250
300
350
55
Bảng 4.4: Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ khuôn với chiều dày tấm insert 0,5mm
Nhiệt độ khí
(0C)
Thời gian gia nhiệt
5 s 10 s 15 s 20 s
Phân bố nhiệt độ khuôn
200
250
300
350
56
Bảng 4.5: Giá trị nhiệt độ theo thời gian tại điểm A của tấm insert 0.1 mm
Thời gian gia nhiệt Nhiệt độ nguồn khí nóng 200 0C 250 0C 300 0C 350 0C 400 0C Nhiệt độ tại vị trí A 5 s 71.1 83.2 95.2 107.3 119.4 10 s 75.6 89.1 102.5 115.9 129.3 15 s 79.9 94.5 109.2 123.9 138.6 20 s 83.4 99.1 114.8 130.5 146.2
Bảng 4.6: Giá trị nhiệt độ theo thời gian tại điểm A của tấm insert 0.3 mm
Thời gian gia nhiệt Nhiệt độ nguồn khí nóng 200 0C 250 0C 300 0C 350 0C 400 0C Nhiệt độ tại vị trí A 5 s 72.1 84.4 96.8 109.2 121.5 10 s 76.2 89.8 103.4 117 130.6 15 s 80.3 95.1 109.9 124.7 139.5 20 s 83.8 99.6 115.4 131.2 147
Bảng 4.7: Giá trị nhiệt độ theo thời gian tại điểm A của tấm insert 0.5 mm
Thời gian
gia nhiệt Nhiệt độ nguồn khí nóng
200 0C 250 0C 300 0C 350 0C 400 0C Nhiệt độ tại vị trí A 5 s 75 88.3 101.5 114.7 128 10 s 79 93.5 107.9 122.3 136.7 15 s 83.2 98.9 114.6 130.2 145.9 20 s 86.7 103.4 120.1 136.8 153.5
57
Tại vị trí A (vị trí phun), nhiệt độ tăng lên đáng kể, từ nhiệt độ ban đầu là 30 0C, sau khi gia nhiệt bởi dịng khí nóng với nhiệt độ khí là 400 0C gia nhiệt trong khoảng thời gian là 20 s thì nhiệt độ tại vị trí A đã lên tới 153.5 0C.
Hình 4.3: So sánh nhiệt độ mơ phỏng tại vị trí A với chiều dày tấm insert khác nhau
Trong công nghệ phun ép, hình dạng sản phẩm là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đáng kể đến quá trình tạo hình. Với sản phẩm có kích thước mỏng, có nhiều phương pháp để cải thiện sự điền đầy bằng cách phun ép ở nhiệt độ cao thông qua gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ, gia nhiệt bằng điện trở,... Trong số các phương pháp này, kiểm soát nhiệt độ khn bằng khí nóng đã cho thấy nhiều kết quả khả quan [25-27]. Với phương pháp gia nhiệt khí nóng, cấu trúc của tấm insert thường được sử dụng để tăng hiệu quả gia nhiệt. Kết quả của các nghiên cứu trước đây cho thấy độ dày của tấm insert là một trong những thông số quan trọng trong thiết kế khuôn và bị ảnh hưởng bởi độ dày của sản phẩm [15]. Do đó, để đánh giá khả năng gia nhiệt, tấm insert có kích
58
thước 77.4 mm × 70 mm với các chiều dày khác nhau đã được lắp vào khuôn trong nghiên cứu này.
Dựa trên kết quả mô phỏng đạt được về nhiệt độ tại vị trí A khi gia nhiệt với nguồn khí nóng thay đổi từ 200 0C đến 400 0C, thời gian gia nhiệt từ 5 s đến 20 s và chiều dày tấm insert khác nhau như Bảng 4.5, 4.6 và 4.7, trường hợp khí nóng 300 0C được chọn để mơ tả như Hình 4.4 nhằm phân tích, đánh giá ảnh hưởng của chiều dày tấm insert đến nhiệt độ khn. Kết quả cho thấy, có thể nâng nhiệt độ khn từ 30 0C lên khoảng 153.5 0C. Qua đó, cho thấy phương pháp này có tốc độ gia nhiệt khoảng 6.15 0C/s và nhiệt độ khuôn đạt được cao hơn nhiệt độ chuyển pha của hầu hết tất cả các vật liệu nhựa thơng thường.
Hình 4.3 cho thấy khi chiều dày tấm insert tăng từ 0.1 mm lên 0.5 mm thì nhiệt độ bề mặt khn tăng từ 114.8 0C lên 120.1 0C; điều này có nghĩa là tốc độ gia nhiệt tăng từ 5.74 0C/s lên 6 0C/s. Tốc độ gia nhiệt tăng khi chiều dày tấm insert tăng lên có thể được giải thích là do liên quan đến nhiệt năng cần thiết để làm nóng thể tích tấm insert. Do tấm insert và tấm khn được ngăn cách bởi một lớp cách nhiệt nên kết quả gia nhiệt chủ yếu phụ thuộc vào thể tích tấm insert. Theo Hình 4.1 thì độ dày tấm insert và khoảng cách giữa đầu phun khí nóng với bề mặt gia nhiệt có kích thước khơng đổi lần lượt là 5 mm và 3.5 mm, cho nên sản phẩm càng dày, thì thể tích tấm insert càng ít; do đó, tốc độ gia nhiệt đạt được lớn hơn với sản phẩm dày hơn. Tuy nhiên, sự khác biệt về tốc độ gia nhiệt khi độ dày tấm insert thay đổi từ 0.1 mm đến 0.5 mm là khơng đáng kể. Do đó, trong phun ép sản phẩm thành mỏng, đặc tính này là một ưu điểm của phương pháp gia nhiệt này, có thể kiểm sốt được nhiệt độ khn và độ dày sản phẩm có thể thay đổi thấp hơn 0.5 mm. Bên cạnh đó, Hình 4.3 cũng cho thấy tốc độ gia nhiệt rất cao trong 5 s đầu tiên, với tốc độ gia nhiệt thay đổi trong khoảng 13.04 0C/s đến 18.02 0C/s. Tốc độ gia nhiệt này cao hơn so với nhiều phương pháp gia nhiệt đã được nghiên cứu trước đây [17, 27]. Đồng thời, tại thời gian gia nhiệt 20 s, các đường cong nhiệt độ vẫn có xu hướng tăng lên, khơng bị giới hạn như trong các nghiên cứu khác [15]. Do đó, nhiệt độ tại bề
59
mặt khn vẫn có thể tăng lên khi thời gian gia nhiệt lâu hơn hoặc nguồn gia nhiệt công suất lớn hơn. Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, nhiệt độ ở 20 s là đủ cao đối với hầu hết các loại vật liệu nhựa nhiệt dẻo trong công nghệ phun ép. Do đó, thời gian gia nhiệt 20 s được sử dụng cho các trường hợp sau.
4.2. Kết quả thí nghiệm thực tế
Để kiểm chứng tính chính xác của kết quả mơ phỏng, thực nghiệm gia nhiệt được thực hiện với các điều kiện biên giống như trong mô phỏng. Thực nghiệm được thực hiện 10 lần cho mỗi trường hợp, sau đó, lấy giá trị trung bình để đánh giá. Kết quả thực nghiệm nhiệt độ trên lịng khn tại các vị trí đo A, B và C (Hình 4.2). Kết quả so sánh cho thấy, kết quả thực nghiệm thấp hơn kết quả mô phỏng và sự chênh lệch này khơng đáng kể với nguồn khí nóng 400 0C. Sự khác biệt này là do độ trễ trong quá trình đo thực nghiệm bằng ảnh nhiệt, nhiệt truyền nhanh chóng từ vùng có nhiệt độ cao hơn sang vùng có nhiệt độ thấp hơn, cũng như do tổn thất năng lượng trong quá trình gia nhiệt bằng thực nghiệm. Đồng thời, kết quả mô phỏng là kết quả gần đúng và ở điều kiện lý tưởng. Nhìn chung, kết quả gia nhiệt giữa mơ phỏng và thực nghiệm là tương đồng với nhau và sự chênh lệch nhiệt độ là không đáng kể.
Trong thực tế, khi GMTC được sử dụng để gia nhiệt bề mặt khn, có sự chênh lệch nhiệt độ giữa khu vực đầu vào và đầu ra của khí nóng [26, 27, 29]. Bảng kết quả cho thấy nhiệt độ cao nhất tại vị trí A, gần với nguồn cấp khí nóng khi gia nhiệt lịng khn và nhiệt độ thấp nhất ở vị trí C, xa nguồn cung cấp khí nóng. Ngồi ra, các kết quả này cũng cho thấy nhiệt độ thấp nhất trong nghiên cứu có thể thỏa mãn nhiệt độ khuôn của vật liệu nhựa thông thường và nhiệt độ cao nhất không cao đến mức làm suy giảm tính chất của vật liệu.
60
Bảng 4.8: Kết quả thí nghiệm đo nhiệt độ theo thời gian trên tấm insert 0.1 mm với
nhiệt độ gia nhiệt là 400 0C tại 3 điểm A, B, C.
Vị trí (s) STT 5 10 15 20 A 1 75 111 129 129 2 79 113 130 134 3 81 117 130 131