Chương 2. Cơ sở lý thuyết
2.4. Khái niệm về điều khiển nhiệt độ khuôn trong quá trình phun ép
2.4.1 Phân loại các phương pháp gia nhiệt
Dựa vào ảnh hưởng nhiệt độ lên tấm khuôn, quá trình gia nhiệt cho khuôn phun ép được chia làm 2 nhóm chính: gia nhiệt cả tấm khuôn (volume heating) và gia nhiệt cho bề mặt khuôn (surface heating). Trong nhóm thứ nhất, phương pháp gia nhiệt bằng hơi nước (steam heating) có thể đạt được tốc độ gia nhiệt từ 10C/s đến 30C/s (Hình 2.12) . Độ gia nhiệt theo phương pháp này không được đánh giá cao và quá trình giải nhiệt cho khuôn cũng sẽ gặp nhiều khó khăn.
Hình 2.12: Hệ thống gia nhiệt khuôn bằng hơi nước (Steam heating)
17
Để gia tăng nhiệt độ khuôn với chi phí thấp, ta có thể sử dụng lưu chất là nước
ởnhiệt độ cao khoảng 900C hoặc 1000C. Với những trường hợp nhiệt độ khuôn được yêu cầu cao hơn 1000C, nước cần được nén với áp suất cao để ngăn hiện tượng bay hơi của nước, hoặc lưu chất là dầu nóng (Hình 2.13) sẽ được sử dụng. Phương án đầu (dùng nước ở áp suất cao) có thể làm giảm tuổi thọ các vị trí nối của các kênh lưu chất và các vấn đề an toàn trong quá trình sử dụng cũng cần được xem xét. Ngoài
ra, tiêu hao năng lượng cũng là một vấn đề cần được lưu ý. Với trường hợp dùng lưu chất là dầu, khả năng truyền nhiệt giữa lưu chất và khuôn sẽ giảm đáng kể do hệ
số truyền nhiệt của dầu thấp.
Hình 2.13: Hệ thống gia nhiệt sử dụng lưu chất bằng dầu nóng
Trong nghiên cứu khác, tốc độ gia nhiệt được cải tiến đáng kể khi phương pháp gia nhiệt cho bề mặt khuôn được sử dụng. Quá trình điền đầy của nhựa vào lòng khuôn được cải thiện khi bề mặt khuôn được phủ 1 lớp cách nhiệt. Phương pháp này có thể tăng nhiệt độ bề mặt khuôn lên khoảng 250C. Sau đó, hệ thống gia nhiệt bằng tia hồng ngoại (infrared heating), (Hình 2.14), được nghiên cứu và ứng dụng cho khuôn phun ép nhựa.
Bên cạnh phương pháp dùng tia hồng ngoại để gia nhiệt cho khuôn, phương pháp dùng điện trở cũng đã được đề xuất và nghiên cứu (Hình 2.15). Tuy nhiên, trong quá trình ứng dụng, nhưng phương pháp này thường chỉ sử dụng để hỗ trợ làm nóng khuôn ở nhiệt độ cao, đặc biệt là với những khuôn có thành mỏng. Hơn nữa, phương pháp dùng điện trở thường được ứng dụng như bổ trợ nhiệt và chỉ có khả năng tăng nhiệt độ khuôn 200C đến 300C.
Hình 2.14: Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngoại
(infrared heating system)
Hình 2.15: Phương pháp gia nhiệt bằng điện trở
Để giải quyết vấn đề này, nhiều phương pháp điều khiển nhiệt độ khuôn đã được
đề xuất và nghiên cứu trong những năm gần đây. Mục đích chính là để hạn chế lớp nguội (Frozen layer) bằng phương pháp sử dụng bề mặt khuôn có nhiệt độ cao trong quá trình điền đầy và làm nguội cả phần thể tích khuôn và nhựa trong quá trình giải nhiệt. Như trình bày trên, để kiểm soát nhiệt độ khuôn, phương pháp phổ biến nhất là thể sử dụng lưu chất với hai loại nhiệt độ (Hình 2.16). Ưu điểm của phương pháp này là khả năng ứng dụng cho tất cả các loại khuôn khác nhau và không cần thay đổi kết cấu khuôn. Tuy nhiên, tiêu hao năng lượng, cũng như thời gian chu kỳ
19
sẽ tăng đáng kể. Ngoài ra để gia nhiệt từ bên ngoài khuôn, ta có thể sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng phương pháp cảm ứng từ (Hình 2.17), phương pháp này giúp cung cấp nhiệt trực tiếp cho bề mặt khuôn và không làm nhiệt độ của cả tấm khuôn tăng cao trong suốt chu trình. Tuy nhiên, để thiết kế được bộ cảm ứng từ phù hợp, công ty sản xuất cần tính toán cẩn thận và tốn thêm chi phí thử nghiệm.
Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ được kết hợp với lưu chất giải nhiệt nhằm điều khiển nhiệt độ khuôn. Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ có những
ưu điểm vượt trội so với các phương pháp khác như:
- Tốc độ gia nhiệt cao.
- Thời gian gia nhiệt có thể kéo dài đến 20 s.
- Có thể ứng dụng cho khuôn phun ép như một module đính kèm, nghĩa là không cần thay đổi kết cấu khuôn có sẵn.
Tuy nhiên, hiện nay, các thiết kế của cuộn dây gia nhiệt chỉ giới hạn ở dạng 2D, toàn bộ cuộn dây chỉ được bố trí trên 2 mặt phẳng. Điều này ảnh hưởng không tốt đến phân bố nhiệt độ trên bề mặt của khuôn. Đây cũng là một trong những nguyên nhân làm tăng độ cong vênh của sản phẩm nhựa sau khi phun ép. Để khắc phục hiện tượng này, mô hình cuộn dây 3D được đề xuất nhằm nâng cao độ đồng đều về nhiệt độ của bề mặt khuôn và giảm cong vênh sản phẩm.
Hình 2.16: Phương pháp kết hợp hai nguồn nhiệt độ cho gia nhiệt khuôn
Kênh làm mát, D=10mm
Hình 2.17: Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng lớp phủ cách nhiệt mỏng để ngăn cản quá trình mất nhiệt của bề mặt khuôn trong quá trình nhựa điền đầy lòng khuôn. Kĩ thuật này được áp dụng thành công trong việc sản xuất các sản phẩm quang học. Gần đây, Kazerm et al. (Hình 2.18) đã đề xuất một phương pháp mới trong quá trình thiết kế khuôn. Với ý tưởng của Kazerm, bề mặt lòng khuôn sẽ được phủ hai lớp: cách nhiệt
và dẫn nhiệt. Lớp cách nhiệt sẽ tiếp xúc với lòng khuôn nhằm hạn chế quá trình truyền nhiệt từ bề mặt khuôn đến các kênh giải nhiệt. Lớp dẫn nhiệt sẽ được phủ trên lớp cách nhiệt nhằm hấp thu nhiệt từ module gia nhiệt bên ngoài khuôn. Phương pháp này được ứng dụng trong một số sản phẩm yêu cầu về độ chính xác cũng như cơ tính của sản phẩm cao.
Hình 2.18: Phương pháp thiết kế khuôn của kazerm
Ngoài ra, nhằm đáp ứng yêu cầu gia nhiệt cho các bề mặt phức tạp, phương pháp phun khí nóng vào lòng khuôn (gas heating) đã được nghiên cứu và đánh giá hiệu quả. Quy trình gia nhiệt cho khuôn phun ép bằng khí nóng đang được tiến hành như Hình 2.19. Cuối chu kỳ phun ép, hai tấm khuôn mở ra và sản phẩm sẽ được lấy
ra ngoài (Hình 2.19 - Bước 1). Sau đó, tấm khuôn di động sẽ được di chuyển đến vị
21
trí gia nhiệt (Hình 2.19 - Bước 2). Tại bước này, khí nóng sẽ được phun vào lòng khuôn. Qua quá trình truyền nhiệt đối lưu giữa khí nóng và bề mặt khuôn, nhiệt năng của khí nóng sẽ làm bề mặt khuôn tăng nhiệt độ đến giá trị cần thiết. Cuối cùng, khí nóng sẽ dừng phun, và hai tấm khuôn sẽ đóng hoàn toàn (Hình 2.19 – Bước 3). Tiếp theo, nhựa nóng chảy sẽ được ép vào lòng khuôn.
Hình 2.19: Quy trình gia nhiệt bằng từ trường cho khuôn phun ép nhựa
Với phương pháp này, nhiệt độ bề mặt khuôn có thể được tăng từ 600C đến
1200C trong thời gian 2s. Ưu điểm của phương pháp “magnetic heating” là tốc độ gia nhiệt rất cao, và thời gian chu kỳ của sản phẩm sẽ được rút ngắn. Tuy nhiên, thiết kế của khuôn phun ép (Hình 2.20) cần được thực hiện lại nhằm tích hợp hệ thống gia nhiệt vào.
Hình 2.20: Mô hình thí nghiệm khả năng gia nhiệt cho lòng khuôn
trong những thách thức cho người thiết kế khuôn. Do đó, với đề tài này, phương pháp gia nhiệt bằng từ trường sẽ được thực hiện bằng thiết bị bên ngoài khuôn nhằm đơn giản hóa kết cấu của khuôn.