PHẦN II. BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 17 A. GIỚI THIỆU
B. PHƯƠNG PHÁP VÀ VẬT LIỆU
1. Tổng quan về công nghệ và thiết bị nhiệt định hình
Ép phun (injection molding) và nhiệt định hình (thermoforming) là hai trụ cột của ngành nhựa [47]. Nhiệt định hình với quy trình và thiết bị đơn giản hơn hiện là một trong những công nghệ sản xuất các sản phẩm bằng nhựa phổ biến nhất hiện nay. Có rất nhiều những vật dụng gắn liền với đời sống của chúng ta như: bao bì, vỏ hộp bánh kẹo, mô hình, vali, mặt nạ… đều được ra bằng công nghệ này, hình 14.
Các loại nhựa tấm mỏng chiếm khoảng 75% khối lượng sản phẩm, với các sản phẩm chính là bao bì, hộp đựng và các sản phẩm dùng một lần. Loại nhựa tấm dày chiếm khoảng 25%, với các sản phẩm chính là sản phẩm trong công nghiệp.
Ép nhiệt định hình là một quá trình sản xuất công nghiệp, nơi một tấm nhựa được làm nóng đến một nhiệt độ nhất định, làm cho nó trở nên mềm dẻo cho phép miếng nhựa có thể được kéo dài, sau đó tấm nhựa sẽ ôm sát khuôn nhôm ở dưới bằng cách loại bỏ hết không khí bên trong giữa tấm nhựa ở trên và khuôn nhôm nhờ sử dụng áp suất chân không hoặc áp suất khí nén nhằm hình thành hình dạng chi tiết của bộ khuôn đó. Sau khi tấm nhựa đã bó sát khuôn thì bộ phận làm mát sẽ phun ra hơi nước hoặc gió để giảm nhiệt độ miếng nhựa trở lại trạng thái cố định như mong muốn. Rồi phun không khí vào nơi vừa hút hết không khí để tách tấm nhựa và khuôn ra. Sau cùng, tấm nhựa vừa thành hình được cắt để tạo ra sản phẩm có thể sử dụng [48].
Các tấm nhựa trước khi gia nhiệt phụ thuộc vào độ dày, thời gian gia nhiệt và tính chất vật lý của từng loại nhựa để chọn ra loại phù hợp với điều kiện sản xuất. Cách làm đơn giản nhất là định hình hút chân không. Thông thường, trong thiết kế của khuôn người ta làm các góc nghiêng (mặt nghiêng tối thiểu được đề nghị là 3°) để dễ dàng lấy phần nhựa vừa được thành hình khỏi khuôn [48].
Độ dày của tấm nhựa có hai loại chủ yếu trong quá trình định hình nhiệt. Một là loại có độ dày tấm nhỏ từ 0.2-1.5 mm (hoặc 2-15 zem hoặc 200-1500 micromet) tức dưới 0,060 inch. Loại mỏng thường được định hình từ cuộn nhựa có khổ nhựa thông thường là 45 – 50 – 60 cm để sản xuất các loại bao bì nhựa định hình dùng một lần. Hai là loại có độ dày tấm lớn hơn 3mm (0.120 inch) thường được giao cho máy tạo hình bằng tay hoặc phương pháp định hình tự động để làm ra các sản phẩm có độ cứng cao. Ngoài ra, định hình nhiệt còn làm những sản phẩm sau khi định hình sẽ có kích thước lớn, trọng lượng khá nặng. Chúng được ứng dụng trong sản xuất kính chắn gió máy bay, cửa sổ tháp pháo của súng máy, các cấu tạo làm tăng tính thẩm mỹ của ô tô, xe tải, thiết bị y tế, thiết bị xử lý vật liệu và các sản phẩm tấm cung cấp cho khác hàng cắt theo mong muốn. Các sản phẩm định hình này khá nặng thường có tính chất sử dụng lâu dài, trong khi các bộ phận đo mỏng thường được thiết kế để dùng một lần hoặc có thể tái chế và được sử dụng chủ yếu để đóng gói hoặc chứa thực phẩm hoặc sản phẩm [48].
27 Hình 14. Các sản phẩm chính của công nghệ ép nhiệt định hình [48]
1.2. Ưu nhược điểm của công nghệ ép nhiệt định hình
Những lợi thế của nhiệt định hình là giá máy thấp (so với ép nhựa), không đòi hỏi nhiệt độ cao, giá khuôn thấp, sự yêu cầu áp suất thấp, có thể tạo ra nhiều sản phẩm trong thời gian ngắn, có thể chế tạo được sản phẩm mỏng nhưng diện tích lớn, chất lượng tốt đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng [49].
Còn những bất lợi của nhiệt định hình đối lập với những công nghệ khác là lượng phế liệu lớn hơn, giá thành nguyên liệu (dạng tấm) cao, hình dạng sản phẩm bị giới hạn, chỉ có một mặt của sản phẩm được xác định bởi khuôn, khó tạo hình sản phẩm đối với các khuôn có kích thước lớn, sự biến đổi độ dày thành sản phẩm và ứng suất bên trong của vật liệu làm cho chất lượng sản phẩm không đồng đều, không thể tạo hình sản phẩm có undercut.
Bởi vì các sản phẩm được chế tạo từ những phần của một tấm lớn, mỗi sản phẩm phải được chỉnh sửa và vật liệu dư thừa được tái chế. Hơn nữa, giá cả của vật liệu tấm lớn này cao vì một bước tạo hình khác để tạo ra nó cho công nghệ tạo nhiệt định hình.
28 1.3. Phân loại công nghệ tạo hình
a/ Tạo hình chân không cơ bản
Hình 15. Tạo hình chân không cơ bản [47]
Tạo hình chân không cơ bản là một phương pháp tạo hình chân không đơn giản nhất mà trong đó chỉ một chân không được sử dụng để ép chất dẻo nóng dựa vào bề mặt khuôn [49].
Trong kỹ thuật gia công này, vật liệu được kẹp chặt vào trong một khung và giữ vật liệu xung quanh chu vi của nó, hình 15. Sau đó vật liệu được đốt nóng và khi nó bắt đầu hiện tượng võng thì nó được di chuyển đến khi bịt kín vào khuôn. Trong gia công này, khuôn là một khuôn âm hay khuôn dương. Ống hút chân không ngay lập tức được áp dụng ở phía sau khuôn xuyên qua một khoảng trống. Chân không nối với khoang khuôn qua những lỗ thông nhỏ đã được khoan qua thành khuôn. Khi chân không được đưa vào hoạt động thì vật liệu chất dẻo được kéo xuống thành khoang khuôn tạo thành chi tiết in hình của lòng khuôn [47].
b/ Tạo hình áp suất
Trong tạo hình áp suất vật liệu được kẹp chặt và được đốt nóng, giống như với tạo hình chân không cơ bản. Tấm đã hóa dẻo được di chuyển vào vùng khuôn và sự bịt kín được thực hiện cả ở buồng phía trên.
Vật liệu cũng được bịt kín vào khuôn như được thực hiện với những tạo hình chân không, sau đó áp suất khí được đưa vào bên trong vùng ở trên tấm chất dẻo đã được nung dẻo, thường qua một vách ngăn khí để đảmbảo rằng khí được phân phối đều ngang qua mặt phẳng của tấm chất dẻo. Áp suất khí ép tấm chất dẻo áp vào khuôn, kỹ thuật này tương tự đúc. Vật liệu cũng được bịt kín dựa vào khuôn như được thực hiện với tạo hình chân không, hình 16.
29 Hình 16. Tạo hình bằng áp suất [47]
Lợi thế của phương pháp áp suất là thời gian chu kỳ có thể nhanh hơn so với tạo hình chân không cơ bản, tấm chất dẻo có thể được tạo hình với áp suất chân không thấp hơn bởi vì áp suất ép cao hơn [47].
c/ Tạo hình có thiết bị dập hỗ trợ
Ở tạo hình hỗ trợ thiết bị dập, một thiết bị dập được sử dụng để nén vật liệu vào bên lòng khuôn. Nói chung, thiết bị dập sẽ không đẩy vật liệu vào bên trong khuôn một cách hoàn toàn, mà chính xác hơn chỉ có phần nào vào mặt tiếp xúc dương. Sau đó, chân không được áp dụng để kéo vật liệu áp sát vào thành khuôn và hoàn thành nguyên công tạo hình. Kỹ thuật này được thể hiện ở hình 17.
Lợi thế chính của tạo hình hỗ trợ thiết bị dập là sự đồng đều độ dày thành tốt hơn có thể thu được so với tạo hình chân không hoặc áp suất, đặc biệt cho những sản phẩm với tỷ số kéo cao như là hộp hoặc cốc.
Thiết bị dập có thể được sử dụng để tải hay ép vật liệu về phía những vùng mà sẽ quá mỏng nếu chỉ tạo hình chân không cơ bản hoặc tạo hình áp suất được sử dụng. Trong tạo hình hỗ trợ thiết bị dập, độ võng ban đầu của vật liệu được giữ ở một mức tối thiểu [47].
30 Hình 17. Tạo hình bằng thiết bị dập [47]
d/ Tạo hình kéo đảo chiều
Đầu tiên, sau khi được nung dẻo, tấm nhựa được thổi căng phồng lên phía trên. Sau đó, như vớí nhiệt định hình có thiết bị dập hỗ trợ, các điểm tiếp xúc với thiết bị dập được cố định theo chiều dày và tất cả những vùng khác được làm mỏng bời sự di chuyển của thiểt bị dập vì nó kéo giãn vật liệu thêm nữa. Sau khi thiết bị dập đã di chuyển tấm nhựa vào sát thành khuôn, chân không được khởi động qua khuôn để kéo tấm nhựa dẻo áp sát vào thành khuôn. Sự kéo giãn xảy ra, vật liệu di chuyển xa nhất sẽ được kéo giãn nhiều nhất. Sự định hình được hoàn thành bởi sự làm mát vật liệu nhờ vào khuôn [47]. Phương pháp tạo hình kéo đảo chiều ngược được chỉ ra ở hình 18.
Hình 18. Tạo hình kéo đảo chiều [47]
e/ Tạo hình tự do
Trong một số sản phẩm đặc biệt ở đó yêu cầu chất lượng quang học rất cao và sự tạo hình được thực hiện không có khuôn. Sự tiếp xúc vào khuôn có thể dẫn đến những thay đổi
31 không mong muốn ở chất lượng bề mặt sản phẩm [47]. Kỹ thuật này được gọi là sự tạo hình tự do và được minh hoạ trong hình 19.
Trong tạo hình tự do, sản phẩm được kéo giãn với áp suất khí giống như ở bước một của tạo hình kéo đảo chiều. Kích cỡ của tấm nhựa khi phồng lên thường được kiểm tra bằng một con mắt điện tử. Khi kích cỡ của tấm nhựa đạt tới một giá trị mong muốn, áp suất khí được giảm đến mức chỉ để giữ được kích cỡ của nó, nhưng khi đó sản phẩm được làm mát.
Sự phức tạp của những sản phẩm được chế tạo bằng tạo hình tự do là không cao so với trường hợp sử dụng khuôn.
Tuy nhiên, việc điều khiển hình dạng của sản phẩm có thề đạt được bằng cách thay đổi hình dạng vòng kẹp. Ví dụ vòng kẹp là một vòng tròn thì sản phầm sẽ là một tấm bán cầu [47].
f/ Tạo hình bằng khuôn dương
Trong kỹ thuật này, vật liệu được kẹp và được đốt nóng đến điểm hóa dẻo và sau đó được di chuyển đến sát bên trên khuôn. Đồng thời, chân không được áp dụng qua lỗ thông ở khuôn. Do đó, tấm nhựa được kéo áp sát lên bề mặt bên ngoài khuôn. Sản phẩm được làm mát khi tiếp xúc với khuôn. Kỹ thuật tạo hình bằng khuôn dương được trình bày trong hình 20.
Lợi thế chính của tạo hình khuôn dương so với tạo hình khuôn âm là đạt được tỷ số kéo lớn mà không có những vùng mỏng quá mức. Sản phẩm được ép ở trên khuôn với độ mỏng tương đối ít. Bởi vậy, khi tạo hình cuối cùng xảy ra, độ đồng đều về độ dày tốt nhiều hơn so với việc dùng khuôn âm [47].
Hình 19. Tạo hình tự do [47]
32 Hình 20. Tạo hình bằng khuôn dương [47]
Còn có lợi thế khác của tạo hình khuôn dương lả giá thành thấp hơn so với khuôn âm. Vì cắt và đánh bóng bên ngoài của bề mặt khuôn dương dễ hơn so với khuôn âm.
g/ Tạo hình bằng khuôn dương ngược
Trong kỹ thuật này, vật liệu được gia nhiệt đến trạng thái dẻo và được kéo nhẹ vào trong một hộp chân không ở phía dưới sản phẩm. Sự kéo giãn trước này làm tấm nhựa bị kéo giãn đến một độ mỏng trung gian, thường một nửa đến hai phần ba của tỷ số kéo tổng. Một bước thứ hai được khởi động đê kéo nhiều hơn. Trong thời gian bước kéo này, độ dày ở trung tâm ở vật liệu được cố định nhờ tiếp xúc với khuôn và sự làm mỏng xảy ra gần bờ rìa. Cuối cùng, sản phẩm được tạo hình xong nhờ áp dụng một chân không qua khuôn. Sản phẩm được tạo về phía bên ngoài của khuôn dương ngược [47].
Sản phẩm làm mát dựa vào khuôn thiết bị dập để lấy hình dạng cuốicùng của nó. Quá trình được tạo hình này được phác hoạ trong hình 21, ở đó các bước kéo giãn trước, kéo và tạo hình được trình bày. Sự đồng đều độ dày thành được điều khiển rất tốt nhờ quá trình tạo hình này và tính phổ biến của nó được tăng lên mặc dù có thời gian chu kỳ dài hơn [47].
33 Hình 21. Tạo hình bằng khuôn dương ngược [47]
h/ Tạo hình khuôn tương hợp
Tạo hình khuôn tương hợp (matched die forming) là một kỹ thuật nhiệt định hình mà trong đó hai khuôn ép vào hai mặt đối diện của một tấm nhựa nhiệt dẻo đã được nung nóng để tạo hình nó [49]. Một số sản phẩm, với hình dạng rất phức tạp, có thể được tạo hình tổt nhất nếu cả khuôn dương và khuôn âm được sử dụng cùng với nhau. Các khuôn này phải được ăn khớp hoặc tương hợp đến nỗi chúng vừa cùng với nhau, không có sự giao nhau và chỉ để lại khoảng không giữa chúng cho vật liệu
Trong tạo hình khuôn tương hợp, tấm vật liệu gia đến điểm dẻo và rồi sau đó được di chuyển đến vị trí tạo hình ở đó khuôn dương và khuôn âm ngay lập tức được đưa đến cùng với nhau để ép tấm vật liệu, hình 22.
Không có chân không hoặc áp suất khí được sử dụng trong thời gian quá trình tạo hình này. Vật liệu được ép cơ học vào trong khuôn được xác định bởi các khuôn tương hợp và được làm mát trong khi các khuôn tiếp tục ép vào nó [47].
Mỗi phương pháp tạo hình đều có những ưu điểm và nhược điểm nhất định, tùy vào mục đích sản xuất, yêu cầu kỹ thuật và chất lượng sản phẩm mà ta chọn phương pháp tạo hình thích hợp nhất. Ở đây, phương pháp tạo hình chân không cơ bản dùng khuôn dương được lựa chọn vì tính đơn giản của nó và cũng vì dễ chế tạo khuôn.
34 Hình 22. Tạo hình bằng khuôn tương hợp [47]
1.4. Sơ lược về các thiết bị, máy ép nhiệt định hình có trên thị trường
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại máy, thiết bị ép nhiệt định hình để phục vụ cho việc tạo hình các sản phẩm. Những loại máy này rất phong phú và đa dạng về kích thước, mẫu mã, giá cả và với các tính năng ngày càng ưu việt: ít tốn năng lượng, ít tiêu hao nguyên vật liệu, tự động hoá cao đều đã có mặt trên thị trường để đáp ứng nhu cầu của khách hàng từ sản xuất đơn chiếc số lượng nhỏ đến sản xuất hàng loạt với số lượng lớn.
Máy ép nhiệt định hình được xem là thiết bị quan trọng và không thể thiếu trong rất nhiều ngành sản xuất và kinh doanh. Không chỉ có tác dụng tạo lớp màng bảo vệ cho sản phẩm nói chung mà trong ngành công nghiệp nhựa, thực phẩm nói riêng đóng gói được tốt hơn, đảm bảo chất lượng sản phẩm là tốt nhất trước khi đến tay người tiêu dùng. Sau đây là phần tìm hiểu kỹ hơn về các loại máy ép nhiệt hiện đang có mặt trên thị trường.
Máy nhiệt định hình đóng gói chân không:
Áp dụng nguyên lý tạo hình bằng áp suất chân không cơ bản, máy đã được tự động hóa thành một dây chuyền tạo hình – điền đầy – hàn kín (Form – Fill – Seal process) hoàn chỉnh, hình 23 [50]. Máy có thể dùng khuôn âm hoặc khuôn dương hoặc kết hợp.
35 Hình 23. Máy tự động làm hộp đựng thức ăn nhanh [50]
Máy nhiệt định hình đóng gói có thiết bị dập hỗ trợ
Hình 24. Hệ thống tự động đóng gói sản phẩm bằng chân không của hãng Illig [51]
Máy dùng áp suất chân không và khuôn âm, hình 24 [51].
Máy nhiệt định hình dập ly nhựa:
36 Hình 25. Máy tự động tạo ly nhựa từ Trung Quốc [52]
Máy dùng áp suất dương 0.4-0.7 MPa với nguyên lý nhiệt định hình có thiết bị dập hỗ trợ, hình 25 [52]. Máy có nước tuần hoàn giải nhiệt với lưu lượng 60 lít / giờ nhằm giảm thời gian chu kỳ, nâng cao năng suất.
Máy nhiệt định hình đa năng Compac Mini Vacuum Former:
Hình 26. Máy Compac Mini Vacuum Former từ hãng Formech nước Anh [53]
Máy dùng nguyên lý hút chân không cơ bản với khuôn dương, hình 26 [53].
Giá thành 1850 (USD)
Kích thước tổng thể (H x L x W)
425x835x440(mm)
Khu vực gia nhiệt 280x230 (mm) Chiều sâu hút tối đa 130 mm Độ dày tối đa sản
phẩm
4 mm
Khối lượng 41 kg Yêu cầu nguồn 230V 13A
Vận hành Bằng tay và hẹn giờ
Công suất hút 22”Hg = 202.6 torr
= -557.2 mmHg
= 0,000767 m3/s
37 Máy nhiệt định hình đa năng BIY
Hình 27. Máy tạo hình chân không BIY-V6090B [54]
Tương tự như máy Compac Mini Vacuum
Former từ hãng Formech nước Anh, máy dùng nguyên lý hút chân không cơ bản với khuôn dương, hình 27 [54]. Trong trường hợp cần thiết, máy có thể áp dụng thêm nguyên lý tạo hình kéo đảo chiều để tăng độ đồng đều về độ dày sản phẩm.
Máy tạo hình chân không EZFORM, hình 28
Hình 28. Máy tạo hình chân không Centroform EZFORM LV 1827 [55]
*Một số máy hút chân không được đề xuất từ nhà sản xuất cho máy tạo hình chân không Centroform EZFORM LV 1827, bảng 1:
Giá thành 3699 (USD) Kích thước tổng thể
(H x L x W)
1200x750x450(mm)
Khu vực gia nhiệt 600x900 (mm) Kích thước tấm kẹp 650x950 (mm) Chiều sâu hút tối đa 300 mm Độ dày tối đa sản
phẩm
6 mm
Khoảng gia nhiệt 0 - 300 oC
Vật liệu ABS, PVC
Khối lượng 380 kg Yêu cầu nguồn 380V 50Hz
Vận hành Bằng tay và hẹn giờ
Giá thành 2095 (USD) Kích thước tổng thể
(H x L x W)
760x890x530(mm)
Khu vực gia nhiệt 460x680 (mm) Kích thước tấm kẹp 530x760 (mm) Chiều sâu hút tối đa 180 mm Độ dày tối đa sản
phẩm
6 mm
Vật liệu PC, PET
Khối lượng 30 kg Yêu cầu nguồn 220V
Vận hành Bằng tay và hẹn giờ