b) Bộ chia nhựa:
3.5.2.6.2Lắp ghép vòi phun vào bộ chia nhựa.
Vòi phun được gắn với bộ chia nhựa bằng nhiều phương pháp khác nhau. Vòi phun thường được bắt vít, ghép bulông hay nén chặt vào bộ chia nhựa. Sự kết nối giữa đầu phun và bộ chia nhựa tạo ra kênh dẫn cho nhựa nóng chảy đến đầu miệng phun. Một khó khăn chính của đầu phun là phải bảo đảm tránh rò rỉ nhựa ở áp suất cao tại mối ghép với bộ chia nhựa.
a) Dùng mối ghép ren trực tiếp:.
Các đầu phun được gia công ren trên thân đầu phun để bắt chặt vào bộ chia nhựa cũng đã tạo lỗ ren tương ứng.
Hình 2.29 Đầu phun lắp trực tiếp vào bộ chia nhựa bằng mối ghép ren. Sử dụng mối ghép ren cho giúp ta tránh hoàn toàn việc rò rỉ nhựa từ đầu vòi phun nhờ khả năng định tâm và kẹp chặt của mối ghép. Nhờ thế mà dòng nhựa được luân chuyển qua bề mặt lắp ghép mà không bị rò rỉ hay sụt áp do lệch tâm giữa kênh dẫn ở vòi phun và kênh dẫn trên bộ chia nhựa. Tuy nhiên phương pháp này cũng có những hạn chế do quá trình giản nở nhiệt của vòi phun và bộ chia nhựa. Trong trường hợp sử dụng vòi phun ngắn thì sự giãn nở nhiệt của bộ chia nhựa có thể gây nên những ứng suất đáng kể trên đầu vòi phun và có thể làm biến dạng vòi phun. Các đầu phun sử dụng mối ghép ren thường dài để tránh biến dạng đầu vòi phun do giãn nở của bộ chia nhựa không đáng kể so với chiều dài vòi phun.
Tuy vậy đầu phun sử dụng kết cấu loại này còn có ưu điểm là hạn chế việc truyền nhiệt từ đầu phun đến các tấm khuôn vì chúng chỉ tiếp xúc nhau tại diện tích nhỏ của vòng cố định đầu phun với khuôn.
b) Sử dụng mối ghép ren gián tiếp.
Các đầu phun loại này sử dụng bulông để ghép chặt đầu phun với bộ chia nhựa, mối ghép này cũng tạo ra độ đồng tâm giữa kênh dẫn trong bộ chia nhựa và kênh dẫn trong vòi phun.
Hình 2.31 Một kết cấu vòi phun dùng bulông ghép chặt với bộ
chia nhựa.
Mặc dù không phải lắp ghép trực tiếp vào bộ chia nhựa như phương pháp dùng mối ghép ren trực tiếp, nhưng phương pháp này cũng chỉ thường cho phép sử dụng cho các hệ thống kênh dẫn nhỏ có độ giãn nở nhiệt ít. Đối với khuôn
lớn, giãn nở nhiệt của các bộ chia nhựa sẽ gây ra các biến dạng nhiệt lớn, gây ứng suất, làm biến dạng cho bulong và có thể làm rò rỉ nhựa tại mặt lắp ghép sau đó.
c) Sử dụng mối lắp chặt.
Mối lắp chặt giữa đầu phun và bộ chia nhựa có được dựa trên giãn nở nhiệt của các chi tiết khi được gia nhiệt. Đây là phương pháp thông dụng nhất để lắp ghép vòi phun vào bộ chia nhựa. Ưu điểm của phương pháp này là bộ chia nhựa khi giãn nở theo phương vuông góc với vòi phun mà không làm biến dạng hoặc gây ra ứng suất trong vòi phun. Vì vòi phun được giữ cố định trên tấm lòng khuôn nên khi vòi phun và bộ chia nhựa được gia nhiệt thì bộ gia nhiệt sẽ giãn nở tự do theo phương vuông góc với đầu phun và bề mặt ngoài của bộ chia nhựa sẽ trượt trên bề mặt tiếp xúc của vòi phun. Nếu biết nhiệt độ nóng chảy của nhựa thì vị trí kênh dẫn trong bộ chia nhựa đi vào đầu phun sẽ được xác định chính xác sao cho khi giãn nở nhiệt nó sẽ đồng trục với kênh dẫn vòi phun.
Nhược điểm của hệ thống là phải dựa vào chênh lệch nhiệt độ vì chênh lêch nhiệt độ này sẽ quyết định sự thẳng hàng giữa kênh dẫn của đầu phun và bộ chia nhựa, nếu bị lệch thì có thể tạo vùng cản trở dòng chảy ở vị trí tiếp xúc của vòi phun và bộ chia nhựa. Nếu giãn nở nhiệt đủ thì sẽ không tạo khe hở làm rò rỉ nhựa. Phương pháp này đòi hỏi người vận hành phải khởi động hệ thống từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ làm việc trước khi hệ thống hoạt động.
Sử dụng phương pháp này chúng ta cần phải có hệ thống xác định nhiệt độ chính xác vì những thay đổi nhiệt độ của bộ chia nhựa và vòi phun đều gây ra sai lệch do giãn nở nhiệt cho dòng kênh dẫn trên bộ chia nhựa và dòng kênh dẫn trên vòi phun.
Hình 2.32 Hệ thống Master- Seal của Mold Master. Hiện nay có nhiều công ty cung cấp các giải pháp tránh rò rỉ nhựa trong hệ thống hot-runner như : Master-seal của Mold Master (hình 2.32) hoặc Utra Seal của Husky, các hệ thống này có chung 1 công dụng là tạo sự kín khít giữa vòi phun và bộ chia nhựa bằng lòxo.
Ngoài cách phân loại vòi phun theo cách gia nhiệt ta còn có thể phân loại vòi phun theo số lượng kim phun trong 1 vòi phun ta có vòi phun đơn và vòi phun nhiều điểm (multi-shot). Nếu sản phẩm nhỏ và cho phép thiết kế các lòng khuôn gần nhau thì ta nên sử dụng vòi phun nhiều điểm để giảm giá thành khuôn.
Hình 2.33 Vòi phun nhiều điểm. 3.5.2.6.3 Miệng phun: Miệng phun cũng là 1 trong các thành phần quan trọng nhất trong hệ thống kênh dẫn. Việc chọn thiết kế miệng phun phụ thuộc vào yêu cầu chất lượng chi tiết. Việc thiết kế miệng phun bao gồm chọn loại miệng phun, kích thước và vị trí miệng phun trên sản phẩm. Miệng phun được xem như là cửa ra của hệ thống kênh dẫn nên các đặc trưng của nhựa khi ra khỏi miệng phun tác động trực tiếp lên các quá trình điền đầy nhựa trong lòng khuôn. Các miệng phun thường được chọn với kích thước nhỏ nhất và được mở rộng nếu cần thiết. Miệng phun lớn thì quá trình điền đầy sản phẩm được nhanh chóng nhưng vết miệng phun để lại trong quá trình ép phun lớn làm mất tính thẩm mỹ. Hệ thống khuôn dùng kênh dẫn nóng thường ứng dụng vào sản xuất những chi tiết yêu cầu cao về tính thẩm mỹ cũng như độ chính xác nên miệng phun thường là 1 đoạn kênh dẫn ngắn có kích thước nhỏ đưa nhựa từ đầu phun vào thẳng lòng khuôn.
Trở ngại lớn nhất trong thiết kế miệng phun chính là việc bảo đảm sản phẩm nhựa được làm nguội ở phía bên ngoài miệng phun nhưng vẫn bảo đảm nhựa ở trạng thái lỏng ở phía bên trong miệng phun trong khi khoảng cách giữa 2 vị trí này chỉ khoảng vài milimet.
Một số yêu cầu cơ bản cho việc thiết kế miệng phun:
• Hạn chế đông nhựa và cản trở nhựa nóng chảy vào lòng khuôn. • Tránh gây rò rỉ nhựa.
• Hạn chế dòng nhiệt cục bộ truyền vào sản phẩm. • Tối thiểu sụt áp.
• Tối thiểu các vùng cản trở dòng chảy.
• Tối thiểu vết của miệng phun để lại trên sản phẩm.
Giãn nở nhiệt ở miệng phun xảy ra theo phương song song với hướng dòng chảy kênh dẫn nên khi thiết kế chúng ta chú ý chừa không gian cho thiết bị giãn nở.
Hình 2.34 Giãn nở nhiệt đầu vòi phun và
lớp đệm không khí.
Hầu hết các miệng phun được thiết kế để có thể tháo rời và để cho phép thay thế dễ dàng khi bị mài mòn hoặc khi miệng phun không cho sản phẩm như mong muốn. Người ta thiết kế thêm bạc miệng phun để dễ lắp ghép đồng thời tạo lớp cách ly cho khuôn. Hình 2.35 Bạc miệng phun.
Dựa vào hoạt động đóng mở miệng phun, ta có thể chia miệng phun thành 3 loại chính:
• Miệng phun mở.
• Miệng phun dùng van đóng mở. • Miệng phun đóng mở bằng nhiệt .
Các loại miệng phun trên được sử dụng phù hợp với loại đầu phun tương ứng. a) Miệng phun mở:
Loại miệng phun này luôn hở để nhựa chảy trực tiếp vào lòng khuôn và tại cuối chu kì ép phun nhựa sẽ hơi đông lại đủ để đóng miệng phun. Điều này ngăn nhựa chảy khỏi đầu phun khi khuôn mở ra để đẩy sản phẩm ra ngoài khuôn. Khi mở khuôn, 1 ít nhựa vẫn còn lưu lại trên sản phẩm và tạo vết mở trên sản phẩm. Ở chu trình ép phun kế tiếp, nhựa có áp suất cao sẽ đẩy phần nhựa tại đầu đầu phun vào lòng khuôn và miệng phun lại mở trở lại để điền đầy lòng khuôn. Phần nhựa lưu lại ở miệng phun trong chu trình trước đó sẽ nóng chảy và trộn với dòng nhựa mới. Điều quan trọng là chiều dày của miệng phun cần phải nhỏ hơn tiết diện sản phẩm đối diện với miệng phun để lượng nhựa đông tại miệng phun dễ dàng đi vào lòng khuôn.
dùng kim phun. Hình 2.37 Quá trình tách rời nhựa đông tại miệng phun. Kích thước và hình dáng của vết miệng phun trên sản phẩm phụ thuộc vào hướng miệng phun, thiết kế khuôn và điều kiện hoạt động (nhiệt độ, áp suất, thời gian) của máy ép. Miệng phun được chọn cần phải thỏa mãn yêu cầu về vết miệng phun, đồng thời tạo sụt áp thấp nhất và khả năng tránh đông nhựa. Vết miệng phun tối thiểu thường đạt được bằng cách kéo dài đầu phun gia nhiệt hay đưa thanh gia nhiệt vào lỗ miệng phun. Bộ gia nhiệt tăng khả năng kiểm soát đóng nhựa tại miệng phun nhưng lại tạo ra kênh dẫn nhựa hình vành khuyên nhỏ và làm tăng sụt áp khi phun. Với độ mở nhỏ của miệng phun cũng góp phần làm tăng khả năng kẹt miệng phun.
Miệng phun mở thường chỉ là 1 lỗ phun nhỏ để giảm vết miệng phun. Đường kính lỗ miệng phun có thể từ 3mm đến nhỏ hơn 1mm, phụ thuộc loại vật liệu và yêu cầu vết miệng phun, thông thường dùng 0,75 mm. Lỗ miệng phun nếu đơn giản có thể gia công trực tiếp trên các tấm khuôn, nhưng thường được gia công trên miếng ghép riêng cùng với lòng khuôn sản phẩm. Hơn nữa, các miệng phun rất dễ bị mài mòn khi sử dụng các loại nhựa có tính mài mòn cao (các loại nhựa trộn thủy tinh để gia cố), hay khi sản xuất rất nhiều sản phẩm.
Chính vì vậy, nếu sử dụng miếng ghép ta có thể dễ dàng thay thế khi cần thiết mà không cần thay cả tấm khuôn. Việc sử dụng các miếng ghép cũng có thể dùng làm mát tấm khuôn, tạo cách ly nhiệt với miệng phun nóng.
Đối với miệng phun mở thì khi sản phẩm trong chu trình kẹp của khuôn ép thì hệ thống làm nguội cũng sẽ đồng thời làm nguội 1 phần miệng phun, phần miệng phun này sẽ được đẩy ra cùng với dòng nhựa chảy dẻo khi máy tiếp tục thực hiện lại chu trình ép phun và hòa tan vào trong dòng nhựa nóng được phun vào.
Một số sản phẩm sử dụng loại miệng phun dạng bạc, loại này cũng là 1 dạng của miệng phun mở nhưng thiết kế mở rộng phần miệng phun nên giảm thiểu sự mài mòn xảy ra ở miệng phun.
Hình 2.38 Miệng phun dạng bạc.
Đầu miệng phun được gia nhiệt để giữ nhựa tại vùng miệng phun khỏi đông. Nhiệt thường dẫn từ thân đầu phun hay dùng hệ thống gia nhiệt từ bên trong. Các loại kim phun dẫn nhiệt thường được chế tạo từ các loại vật liệu có độ dẫn nhiệt cao như Cu hay Cu-Be. Tuy nhiên, các loại kim phun dẫn nhiệt cũng làm hạn chế dòng chảy. Kim phun trong đầu phun có hệ thống gia nhiệt ngoài thường gắn với thân đầu phun bằng ren hay cố định với thân đầu phun bằng chốt chặn lắp với thân đầu phun bằng ren.
Các hệ thống kênh dẫn nóng cũng có khả năng cung cấp miệng phun đặc biệt như miệng phun cạnh, miệng phun đường ngầm. Tuy nhiên do kết cấu đầu phun cần gia nhiệt nên các loại miệng phun này có những thay đổi nhỏ. Đối với miệng phun cạnh, đầu phun đưa các miệng phun ra xung quanh đầu phun để có thể tiếp cận sản phẩm từ phía mặt bên. Còn đối với các miệng phun đường ngầm thì thường được tạo hình bên trong các miếng ghép được chế tạo sẵn. Các loại này hầu hết là miệng phun mở vì thiết kế đặc biệt nên khó đặt van điều khiển.
Hình 2.39 Đầu phun dùng cho miệng phun
cạnh.
b) Miệng phun dùng hệ thống đóng mở bằng cơ khí.
Có các loại như lò xo, thủy lực, khí nén… Trước khi phun nhựa vào lòng khuôn các chốt van được rút về, do đó tạo ra lỗ miệng phun lớn cho phép nhựa chảy vào lòng khuôn rỗng. Trước khi nhựa tại miệng phun đóng rắn hoàn toàn, các chốt van được đẩy về phía miệng phun để đóng miệng phun lại. Các loại miệng phun van dùng lò xo đóng mở không thể điều khiển được nên hầu hết các loại miệng phun van ngày nay đều là miệng phun dùng thủy lực hoặc khí nén. Hệ thống miệng phun van điều khiển khí nén thủy lực thường cần phải dùng xylanh khí nén tương đối lớn vì áp suất khí thường đạt tối đa khoảng 120psi (0.8Mpa). Nhưng lực, vận tốc và dịch chuyển của các piston thường
không bằng hệ thống dùng thủy lực vì áp suất trong các loại xylanh này có thể đến 2000 psi (14MPa).
So với hệ thống dùng miệng phun mở thì hệ thống dùng miệng phun van sẽ cần áp suất thấp hơn để bơm nhựa vì đường kính miệng phun van thường lớn hơn những loại mở. Chính vì thế tốc độ phun nhựa cũng nhanh hơn, giúp giảm thời gian chu trình, do đó loại này dùng cho các ứng dụng đòi hỏi chu trình ép phun nhanh.
Hình 2.40 Miệng phun dùng van đóng mở bằng
hệ thống cơ khí.
Ưu điểm khác của hệ thống sử dụng miệng phun này chính là khả năng hạn chế hoàn toàn việc rò rỉ nhựa khỏi miệng phun nhờ quá trình đóng kín các chốt van. Đối với các chi tiết yêu cầu khắt khe về vết miệng phun để lại trên sản phẩm như sản phẩm dùng cho y khoa, thì hệ thống sử dụng van lò xo là 1 lựa chọn rất tốt.
Nhược điểm của hệ thống đóng mở bằng cơ khí: • Hệ thống thường có chi phí cao.
• Bảo trì, vận hành khá phức tạp và tốn kém vì phải thực hiện những công đoạn khi vận hành, có nhiều thông số cần kiểm soát hơn.
• Các chi tiết dễ mài mòn do chuyển động và có nguy cơ rò rỉ nhựa từ bộ chia nhựa ra ngoài do các hệ thống thủy lực, xylanh, piston thường được bố trí trên tấm kẹp trước của khuôn, bên ngoài bộ chia nhựa.
Hình 2.41 Hệ thống kênh dẫn nóng sử dụng thiết bị đóng mở bằng piston. c) Miệng phun đóng mở bằng nhiệt. Ngoài cách đóng mở trực tiếp miệng phun bằng van ta còn có thể điều khiển đóng mở miệng van bằng nhiệt. Seki corporation là hãng đầu tiên đề suất việc
điều khiển này cách đây 20 năm. Hoạt động của loại này dựa trên việc cho nóng chảy hoặc hơi đông đặc tạm thời nhựa tại vùng miệng phun thông qua việc cấp hoặc không cấp nhiệt cho thanh gia nhiệt đặt bên trong đầu phun gần miệng phun. Thanh gia nhiệt này được điều khiển nhiệt độc lập theo chu trình ép phun. Thanh này sẽ được cấp điện gia nhiệt trong thời gian phun. Duy trì áp suất và thời gian khuôn đóng lại chuẩn bị ép và được tắt trong giai đoạn làm nguội và đẩy sản phẩm ra ngoài. Do khối lượng nhỏ nên thanh gia nhiệt này có thể làm nóng hay nguội rất nhanh chóng. Thiết kế này sẽ hoạt động hiệu quả tốt nếu đầu phun được làm mát bên ngoài tốt. Hình 2.42 Đầu phun sử dụng miệng phun đóng mở bằng nhiệt. d) Vị trí miệng phun:. Hệ thống hotrunner được sử dụng cho các sản phẩm sản xuất với số lượng lớn với những hệ thống tự động hóa cao. Ngoài ra hệ thống này còn cho phép các kỹ thuật mới dựa trên cơ sở khả năng có thể đặt vị trí cổng phun.
Miệng phun ở trung tâm sản phẩm : là loại đơn giản nhất, dễ điều khiển được nhiệt độ, qua đó không phụ thuộc vào lượng nhựa và chu kỳ, cũng thích hợp với các hệ thống khuôn lớn. Có thể sử dụng để phun trực tiếp vào sản phẩm hoặc phun vào các kênh nhựa thông thường.
Hình 2.43 Miệng phun đặt ở trung tâm sản phẩm.
Miệng phun đặt ở phía bên khuôn: được sử dụng khi chi tiết tương