Nghiên cứu ảnh hưởng của gia nhiệt khuôn phun ép bằng khí nóng đến độ bền sản phẩm nhựa dạng thành mỏng.

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của gia nhiệt khuôn phun ép bằng khí nóng đến độ bền sản phẩm nhựa dạng thành mỏng.

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRẦN MINH THẾ UYÊN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GIA NHIỆT KHUÔN PHUN ÉP BẰNG KHÍ NÓNG ĐẾN ĐỘ BỀN SẢN PHẨM NHỰA DẠNG THÀNH MỎNG TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 62520103 MÃ NGÀNH: 9520103 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2020
2. CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Người hướng dẫn khoa học 1: PGS. TS. ĐỖ THÀNH TRUNG Người hướng dẫn khoa học 2: PGS. TS. PHẠM SƠN MINH Luận án tiến sĩ được bảo vệ trước HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN ÁN TIẾN SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Ngày 30 tháng 10 năm 2020
3. Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan công nghệ phun ép nhựa và điều khiển nhiệt độ khuôn Trong quá trình sản xuất các sản phẩm nhựa, đầu tiên, hạt nhựa được sấy để loại bỏ hơi ẩm, sau đó, hạt nhựa được đưa vào phễu cấp liệu trên máy ép. Từ đây, hạt nhựa được trục vít vận chuyển tới bộ phận gia nhiệt để gia nhiệt làm cho nhựa từ trạng thái rắn chuyển qua trạng thái lỏng. Khi nhựa đã chảy lỏng hoàn toàn sẽ được trục vít phun ép qua hệ thống kênh dẫn nhựa vào điền đầy lòng khuôn. Sau khi lòng khuôn được điền đầy hoàn toàn thì sản phẩm nhựa được làm nguội để nhựa từ dạng lỏng chuyển về lại dạng rắn ban đầu và lấy ra khỏi khuôn, kết thúc một chu kỳ sản xuất sản phẩm nhựa. - Vật liệu làm khuôn Phụ thuộc nhiều vào: - Vật liệu gia công khuôn - Công nghệ luyện kim - Phương ph p / công nghệ gia công - Công nghệ CAD/CAM-CNC - Qui tr nh thiết kế khuôn - - Vitme Độ ền: - Gi m y tăng cao - p suất - Kéo - Chi ph vận hành cao - Vận tốc p - U n - Điều khiển - i - Độ ch nh c cơ cấu - - - Môi trường - Chất phụ gia - Chi ph vật liệu khi - Vật liệu mới sản uất sản lượng lớn Hiệu qu t t hơn o v i c c thông kh c Tối ưu hóa thông số Qui t nh i Nhiệt độ khuôn Giới hạn về thiết b , công ộng kh năng công n t c, p u t ép nghệ. VD: Nhiệt độ khuôn nghệ, nhưng không tăng < 100 oC qu nhiều chi ph Th i gian Tối ưu hóa thông số với v ng thông số công nghệ mới Hình 1.1: C c hướng nghiên cứu ch nh trong lĩnh vực khuôn phun ép nhựa 1
4. Trong lĩnh vực khuôn phun ép nhựa, các nghiên cứu trong những năm gần đây chủ yếu tập trung vào 04 hướng chính như h nh 1.1. Ngoài khả năng nâng cao cơ t nh của sản phẩm nhựa, tối ưu hóa quá trình điều khiển nhiệt độ khuôn là một trong những cách hiệu quả nhất nhằm nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm nhựa. Vì vậy, mục tiêu quan trọng của qu tr nh điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép là: gia nhiệt cho bề mặt khuôn đến nhiệt độ yêu cầu, nhưng vẫn đảm bảo thời gian chu kỳ phun ép không quá dài. 1.2 T nh h nh nghiên cứu ngoài nư c Trong các nghiên cứu này, phương ph p gia nhiệt bằng cảm ứng từ được kết hợp với lưu chất giải nhiệt nhằm điều khiển nhiệt độ khuôn. Gia nhiệt bằng cảm ứng từ có những ưu điểm vượt trội so với c c phương ph p kh c như: - Tốc độ gia nhiệt cao. - Thời gian gia nhiệt có thể k o dài đến 20 s. - Có thể ứng dụng cho khuôn phun p như một module đ nh kèm, nghĩa là không cần thay đổi kết cấu khuôn có sẵn. Ngoài ra, nhằm đ p ứng yêu cầu gia nhiệt cho các bề mặt phức tạp, phương ph p phun kh nóng vào lòng khuôn (gas heating) đã được nghiên cứu và đ nh giá hiệu quả. Qui trình gia nhiệt cho khuôn phun ép bằng khí nóng đang được tiến hành như hình 1.2. Cuối chu kỳ phun ép, hai tấm khuôn mở ra và sản phẩm sẽ được lấy ra ngoài (hình 1.2 - Bước 1). Sau đó, tấm khuôn di động sẽ được di chuyển đến v trí gia nhiệt (hình 1.2 - 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 tr cần thiết. Cuối cùng, khí nóng sẽ dừng phun, và hai tấm khuôn sẽ đóng hoàn toàn (hình 1.2 – Bước 3). Tiếp theo, nhựa nóng chảy sẽ được ép vào lòng khuôn. Với phương ph p này, nhiệt độ bề mặt khuôn có thể được tăng từ 60 oC đến 120 oC trong thời gian 2 s. Tuy nhiên, quá trình gia nhiệt này sẽ đạt tới trạng thái bão hòa khi thời gian gia nhiệt k o dài hơn 4 s. Ưu điểm của phương ph p “gas 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 cần được thực hiện lại nhằm tích hợp hệ thống gia nhiệt vào. 2
5. Đường kh Đường kh Đường kh vào khuôn vào khuôn vào khuôn Khuôn Khuôn dương âm Bước 3: Khuôn đóng Bước 1: Khuôn mở ra Bước 2: Khí nóng phun vào lại, nhựa phun vào lòng khuôn lòng khuôn Hình 1.2: Qui trình gia nhiệt bằng khí nóng cho khuôn phun ép nhựa 1.3 T nh h nh nghiên cứu t ong nư c Lĩnh vực điều khiển nhiệt độ khuôn chỉ được hiểu và thực hiện theo hướng giải nhiệt cho khuôn hoặc hạn chế hiện tượng giảm áp suất của dòng nhựa trong quá trình chảy vào lòng khuôn, với mục tiêu quan trọng nhất là làm nguội khuôn trong thời gian ngắn nhất. Ngược lại, vấn đề giữ bề mặt khuôn ở nhiệt độ cao trong quá trình ép phun nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, đặc biệt là sản phẩm phục vụ ngành điện tử và các sản phẩm yêu cầu độ ch nh c cao, đã bắt đầu được chú ý thông qua đề tài nghiên cứu của PGS. TS. Đặng Văn Ngh n. Do đó, nh n chung, thực trạng của sản xuất sản phẩm nhựa tại Việt Nam đang dừng lại ở nhóm các sản phẩm đơn giản, chất lượng trung bình, và chủ yếu tập trung vào lĩnh vực hàng tiêu dùng. Ngoài ra, khả năng hạn chế các khuyết tật cho sản phẩm nhựa theo phương ph p điều khiển nhiệt độ khuôn vẫn chưa được xem xét và ứng dụng. 1.4 n đề khoa học còn tồn tại Phương ph p phương ph p gia nhiệt bằng khí nóng còn những hạn chế như sau: - Kết cấu khuôn cần được thiết kế lại. - Với kết cấu khuôn thực tế, kết quả gia nhiệt cho bề mặt khuôn vẫn chưa tốt. Vì vậy, nhằm tăng khả năng ứng dụng của phương ph p gia nhiệt bằng khí nóng cho khuôn phun ép nhựa, đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu ảnh hưởng của gia nhiệt khuôn phun ép bằng khí nóng đến độ bền sản phẩm nhựa thành mỏng” được thực hiện trong Luận án này. 1.5 T nh c p thiết của đề tài Việc nghiên cứu công nghệ và chế tạo thiết b phun ép nhựa phục vụ cho quá trình sản xuất sản phẩm nhựa kỹ thuật yêu cầu độ chính xác cao là một hướng đi đầy tiềm năng trong lĩnh vực khuôn mẫu nói riêng và các 3
6. ngành công nghiệp chính xác nói chung. Công nghệ này sẽ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, mở rộng khả năng công nghệ của phương ph p phun ép nhựa, cũng như tạo tiền đề công nghệ sản xuất các sản phẩm nhựa kỹ thuật phát triển nhiều hơn nữa trên đ a bàn Thành phố Hồ Chí Minh. 1.6 Ý nghĩa khoa học Với c c kết quả của luận án, phương ph p gia nhiệt cho bề mặt khuôn sẽ có thêm một phương ph p mới hiệu quả hơn về khả năng: - Điều khiển v ng gia nhiệt. - Nâng cao tốc độ gia nhiệt khuôn. - Hạn chế tối đa việc thay đổi kết cấu khuôn. - Phun ép với các sản phẩm dạng thành mỏng với hình dáng phức tạp. - Tăng độ bền của đường hàn trên sản phẩm nhựa thành mỏng. 1.7 Gi trị thực tiễn Việc nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa, cũng như việc tìm các công nghệ mới nhằm nâng cao chất lượng và sản lượng của sản phẩm nhựa đang là một trong những yêu cầu cấp thiết cho ngành nhựa tại Việt Nam. Do đó, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của gia nhiệt khuôn phun ép bằng khí nóng đến độ bền sản phẩm nhựa dạng thành mỏng” được đề xuất nhằm góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa kỹ thuật, đặc biệt với nhóm sản phẩm được sản xuất từ công nghệ phun ép. 1.8 Mục đ ch nghiên cứu Thông qua phương ph p gia nhiệt cho khuôn phun ép bằng khí nóng từ bên ngoài, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu các mục tiêu sau: • Làm rõ ảnh hưởng của c c thông số ch nh đến qu tr nh gia nhiệt bằng kh cho khuôn. • T m ra và đ nh gi phương ph p mô phỏng qu tr nh gia nhiệt khuôn. • Đ nh gi kết quả gia nhiệt cho lòng khuôn bằng kh nóng. • Ứng dụng phương ph p gia nhiệt cho lòng khuôn bằng kh nóng trong việc nâng cao độ bền của sản phẩm nhựa dạng thành mỏng. 1.9 Đ i tượng nghiên cứu Luận án nghiên cứu mô hình gia nhiệt bằng khí nóng mang tính khả thi cho khuôn phun ép nhựa với nguồn kh nóng được phun từ ngoài khuôn. Từ đó, nghiên cứu ảnh hưởng của gia nhiệt bằng phương ph p này đến sản phẩm nhựa nhiệt dẻo thành mỏng theo tiêu chuẩn ASTM D638. 1.10 Nhiệ vụ nghiên cứu và gi i hạn đề tài - Luận án chỉ tập trung vào phương ph p nghiên cứu gia nhiệt bằng kh nóng với nguồn kh được cấp từ ngoài khuôn. - Qu tr nh gia nhiệt, nhiệt độ và trường nhiệt độ được khảo s t thông qua thực nghiệm và mô phỏng bằng phần mềm ANSYS. 4
7. - Qu tr nh phun p nhựa vào lòng khuôn được nghiên cứu thông qua thực nghiệm và mô phỏng bằng phần mềm Moldex3D. - Nhiệt độ kh nóng thay đổi trong khoảng 200 oC đến 400 oC. - Nghiên cứu ứng dụng cho mô h nh sản phẩm nhựa thành mỏng có chiều dày từ 0,4 mm đến 0,8 mm. - Vật liệu nhựa được nghiên cứu là PA6 và PA6+30%GF. - Trong giới hạn thời gian và kinh phí của luận án nên tác giả chỉ tập trung nghiên cứu độ bền kéo của sản phẩm nhựa. - C c thiết b th nghiệm được cung cấp bởi phòng th nghiệm khuôn mẫu thuộc trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM. 1.11 Phương ph p nghiên cứu - Thu thập và phân t ch dữ liệu. - Mô phỏng qu tr nh gia nhiệt và qu tr nh nhựa điền đầy lòng khuôn. - Thực nghiệm qu tr nh gia nhiệt và tạo c c mẫu sản phẩn ứng với c c qui tr nh phun p để khảo s t ảnh hưởng của bước gia nhiệt lòng khuôn đến độ bền kéo sản phẩm nhựa thành mỏng. Các phương ph p nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở các trang thiết b hiện có tại trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM như: m y phun p nhựa, thiết b đo nhiệt (camera hồng ngoại, cảm biến nhiệt, ) và các loại khuôn phun ép thông dụng tại Việt Nam. 1.12 B cục lu n n Chương 1: Tổng quan - Trình bày các vấn đề liên quan đến các hướng nghiên cứu về công nghệ phun ép nhựa, các vấn đề còn tồn tại và đưa ra hướng nghiên cứu. Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Tập trung làm rõ các vấn đề liên quan đến quá trình gia nhiệt cho lòng khuôn phun ép nhựa bằng khí nóng phun từ bên ngoài. Chương 3: Mô tả mô phỏng và thực nghiệm - Quá trình gia nhiệt khuôn bằng khí nóng bên ngoài khuôn, quá trình nhựa điền đầy lòng khuôn và các thiết bị sử dụng cho thực nghiệm được mô tả cụ thể. Chương 4: Ảnh hưởng của thông số gia nhiệt đến phân bố nhiệt độ bề mặt lòng khuôn - Chương này sẽ cho thấy ảnh hưởng của các thông số gia nhiệt (gồm bề dày tấm insert và khe hở (khoảng cách) giữa đầu phun khí nóng và bề mặt lòng khuôn) đến kết quả gia nhiệt bằng khí nóng. Chương 5: Ảnh hưởng của phương ph p gia nhiệt bằng kh nóng đến độ bền sản phẩm nhựa dạng thành mỏng - Ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt đến độ bền kéo của sản phẩm nhựa dạng thành mỏng sẽ được nghiên cứu bằng mô phỏng và thực nghiệm. Chương 6: Kết luận 5
8. Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Quá trình thiết kế các thí nghiệm, cũng như phân t ch c c kết quả của đề tài sẽ được tiến hành trên cơ sở các lý thuyết sau: - Qui trình phun ép nhựa. - Mô phỏng dòng chảy của nhựa trong khuôn. - Dòng chảy nhựa trong chi tiết dạng tấm/hộp. - Truyền nhiệt đối lưu. - Dòng chảy nhựa Fountain Flow. - Ảnh hưởng của lớp bề mặt “Frozen layer” trong qu tr nh điền đầy lòng khuôn của nhựa. - Độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM D638. 2.1 Qui trình phun ép nhựa C c bước cơ bản của quy tr nh phun p được tr nh bày như hình 2.1. Vật liệu thô dạng hạt được cho vào phễu và rơi vào i lanh. Trong xi lanh, với chuyển động xoay và t nh tiến của vít-me, kết hợp với c c điện trở gia nhiệt bên ngoài xi lanh, vật liệu nhựa từ dạng hạt sẽ được gia nhiệt đến trạng thái dẻo và nóng chảy thành dạng lỏng ở nhiệt độ từ 150 °C đến 320 °C. Thông qua chuyển động t nh tiến của vít-me, nhựa nóng chảy trong xi lanh sẽ được ép vào lòng khuôn thông qua đầu phun (nozzle). Tại v trí cổng phun, nhựa hoàn toàn ở thể lỏng. Sau khi toàn bộ lòng khuôn được điền đầy, qu tr nh đ nh hình (packing step) sẽ tiến hành. Trong quá trình này, nhựa sẽ tiếp tục được ép vào lòng khuôn nhằm bù vào phần thể tích b thiếu hụt do hiện tượng co ngót vật liệu. Qu tr nh đ nh hình sẽ kết thúc khi vật liệu nhựa tại v trí cổng phun đông đặc hoàn toàn. Sau đó, nhiệt độ của sản phẩm sẽ tiếp tục giảm qua quá trình giải nhiệt (cooling step). Khi toàn bộ sản phẩm đạt đến nhiệt độ mở khuôn (rejection temperature), khuôn sẽ mở ra và sản phẩm sẽ được lấy ra ngoài. Hình 2.1: Quy trình phun ép nhựa 6
9. 2.2 Mô ph ng dòng ch y nhựa t ong khuôn Phân tử nhựa Độ nhớt phi-Newton Nhiệt độ thấp Độ nhớt Nhiệt độ cao Tốc độ trượt V dụ: PE, PP, Độ nhớt = f(cấu trúc,T,p) Hình 2.2: Cấu trúc phân tử (bên tr i) và độ nhớt của nhựa (bên phải) Độ nhớt Ứng suất Ứng trượt suất Vùng I Vùng II Vùng III Tốc độ trượt Hình 2.3: Đường đặc t nh dẻo của nhựa nhiệt dẻo Độ nhớt là mối quan hệ giữa sự cản trở dòng chảy đến sự chảy của lưu chất. Độ nhớt của lưu chất như: nước, dầu, thường là một gi tr không đổi ở một nhiệt độ nhất đ nh. C c loại lưu chất này hầu như tuân theo lý thuyết về lưu chất của Newton. Tuy nhiên, độ nhớt của c c nhựa nhiệt dẻo th rất phức tạp và phi Newton [109]. Không giống như những chất dẻo thông thường kh c, độ nhớt của c c nhựa nhiệt dẻo phụ thuộc 7
10. vào cấu trúc ho học, nhiệt độ (T) và p suất (p) của chúng như h nh 2.2. Ứng với một cấu trúc và công thức ho học cho trước, độ nhớt của c c nhựa nhiệt dẻo phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ, tốc độ trượt (shear rate) và p suất. Để hiểu bản chất độ nhớt của nhựa nhiệt dẻo, cần đ nh nghĩa rõ ứng suất trượt và tốc độ trượt như h nh 2.3. Nhựa vô đ nh h nh Thể t ch t riêng Thể Nhựa b n tinh thể Nhiệt độ Hình 2.4: Sự phụ thuộc của thể t ch riêng vào p suất và nhiệt độ ứng với nhựa vô đ nh h nh và b n kết tinh 2.3 Ảnh hư ng l p ề ặt “f ozen-laye ” đến dòng ch y nhựa Trong quá trình nhựa điền đầy lòng khuôn, do ảnh hưởng của quá trình truyền nhiệt giữa nhựa nóng và lòng khuôn, lớp bề mặt của dòng chảy nhựa sẽ b mất nhiệt, giảm nhiệt độ. Do đó, tại bề mặt tiếp xúc giữa nhựa và lòng khuôn sẽ hình thành lớp nguội (Frozen layer). Chính hiện tượng đông đặc nhanh này, dòng chảy nhựa sẽ có những đặc điểm không giống như dòng chảy thông thường. Trong lĩnh vực phun ép nhựa, dòng chảy nhựa trong lòng khuôn tuân thủ theo các tính chất của dòng chảy Fountain Flow với c c đặc điểm như: Phần nhựa tại tâm dòng chảy sẽ chảy nhanh hơn phần nhựa gần với lòng khuôn. Trong đó, tại v trí tiếp xúc với lòng khuôn, nhựa được em như không chảy. Nhựa tại đầu dòng chảy được ép về phía trước và b cuốn về phía lòng khuôn (hình 2.5). Kết quả của hiện tường này là: trong quá trình nhựa điền đầy lòng khuôn, phần nhựa được p vào lòng khuôn trước tiên sẽ b cuốn về phía lòng khuôn trước, hiện tượng này xảy ra liên tục đến khi nhựa đã điền đầy hoàn toàn lòng khuôn. 8
11. Thành khuôn Lớp đông đặc Lớp Dòng lõi nhựa Thành khuôn Dòng chảy Fountain Lớp Bề mặt Thành khuôn đông đặc lõi ` b a Lớp lõi Lớp trượt Thành khuôn Dòng chảy Fountain Hình 2.5: Dòng chảy của nhựa trong khuôn 2.4 Kiể t a độ ền kéo 2.4.1 Tiêu chuẩn độ ền kéo AST D638 Hình 2.6: Mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn ASTM D638 9
12. Tiêu chuẩn ASTM D638 như h nh 2.6 là tiêu chuẩn phổ biến để c đ nh cơ tính của vật liệu nhựa nhiệt dẻo dưới tác dụng của lực kéo. Quá trình thử nghiệm theo tiêu chuẩn này được thực hiện bằng cách tác dụng lực kéo lên mẫu thử và c đ nh các đặc tính khác nhau của mẫu thử khi ch u ứng suất kéo. Có rất nhiều phương ph p thử nghiệm khác nhau cho mẫu thử được chế tạo từ vật liệu nhựa nhiệt dẻo. Trong đó, tiêu chuẩn ASTM D638 được ưu tiên sử dụng cho các mẫu thử có dạng thành mỏng. B ng 2.1: Thông số k ch thước mẫu thử [108] Thông s k ch thư c mẫu thử tương ứng v i các bề dày (đơn vị mm) Bề dày 7 mm Bề dày 7 đến Bề dày ≤ 4 mm 14mm Loại I Loại Loại III Loại IV Loại V Dung II sai W 13 6 19 6 3.18 ±0.5 (WC) L 57 57 57 33 9.53 ±0.5 WO 19 19 29 19 +6.4 LO 165 183 246 115 63.5 Không giới hạn trên G 50 50 50 7.62 ±0.25 D 115 135 115 65 25.4 ±5 R 76 76 76 14 12.7 ±1 RO 25 ±1 2.4.2 Công thức t nh độ ền kéo Độ bền k o là đặc tính ch u kéo lớn nhất của mẫu thử và được xác đ nh theo công thức sau: F  = max (2.80) t A Trong đó: t là độ bền kéo cần tìm (MPa) Fmax là lực kéo lớn nhất (N) A là diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu thử (mm2) 10
13. Chương 3. Ô TẢ Ô PHỎNG À THỰC NGHIỆ Trong chương này, quá trình gia nhiệt khuôn bằng khí nóng bên ngoài khuôn, quá trình nhựa điền đầy lòng khuôn và các thiết b sử dụng cho thực nghiệm được mô tả cụ thể. Hiện nay, qui trình phun ép nhựa có sự hỗ trợ của bước gia nhiệt bằng khí nóng là một trong những qui trình mới, do đó, c c phần mềm chuyên về mô phỏng khuôn mẫu như Molde 3D hoặc Moldflow chưa hoàn thiện các module này. Vì vậy, để hoàn thành các mục tiêu đề ra, luận án sẽ sử dụng phần mềm ANSYS để phân tích quá trình gia nhiệt bằng kh nóng cho khuôn, sau đó, để làm rõ quá trình nhựa điền đầy khuôn, phần mềm Moldex3D sẽ được sử dụng cho quá trình phân tích dòng chảy nhựa, cũng như p suất nhựa trong qu tr nh điền đầy. 3.1. ô h nh ẫu ô ph ng và thực nghiệ Hình 3.1: Hình dạng và k ch thước của mẫu mô phỏng và thực nghiệm 3.2. Qu t nh gia nhiệt khuôn có hỗ t ợ của kh nóng C c bước cơ bản của quy trình phun ép nhựa có hỗ trợ gia nhiệt khuôn bằng khí nóng bên ngoài khuôn đã được tr nh bày như hình 3.2. Hệ thống điều T n hiều điều khiển khiển E -GMTC van khí mở / khiển khuôn Đóng Khí vào T nhiềuđiều Nguồn khínóng nước dương Khuôn Khuôn âm Hệ thống Hệ điều khiển nhiệt khiển độ Hình 3.2: Hệ thống Ex-GMTC 11
14. Trong nghiên cứu này, khí nóng sẽ được sử dụng như nguồn nhiệt nhằm nâng nhiệt độ tại bề mặt khuôn. Hình 3.3 tr nh bày c c bước gia nhiệt cho khuôn bằng khí nóng phun từ ngoài. Khối gia gia Khối Khối gia gia Khối nhiệt cho kh chokh nhiệt nhiệt cho kh chokh nhiệt Lòng khuôn Lòng khuôn Lòng khuôn cần gia nhiệt cần gia nhiệt cần gia nhiệt Khối gia Khối nhiệt cho kh chokh nhiệt Bước 1: Khuôn mở ra Bước 2: Khí nóng phun vào lòng Bước 3: Khuôn đóng lại, khuôn chuẩn b cho nhựa vào lòng khuôn Hình 3.3: Khuôn và khối gia nhiệt cho kh trong bước gia nhiệt cho lòng khuôn H nh 3.4 tr nh bày v tr tương đối của hệ thống gia nhiệt bằng kh và khuôn khi được lắp trên m y phun p nhựa. Trong luận án này, khối gia nhiệt cho kh có k ch thước 240 mm x 100 mm x 40 mm (h nh 3.4). Trong thiết b này, c c kênh dẫn kh rộng 5 mm, sâu 10 mm được gia công để tạo môi trường gia nhiệt cho kh . V ng gia nhiệt trên khuôn được thiết kế với chi tiết tấm insert có k ch thước 100 mm 50 mm. Để đ nh gi khả năng gia nhiệt của phương ph p Ex-GMTC, 5 cảm biến nhiệt được lắp tại bề mặt khuôn để thu thập c c gi tr nhiệt độ thay đổi trong suốt qu trình gia nhiệt. Trong c c nghiên cứu trước đây về lĩnh vực gia nhiệt bề mặt khuôn, thiết kế khuôn với bộ phận tấm insert thường được sử dụng nhằm tăng hiệu suất của qu tr nh gia nhiệt. C c nghiên cứu này cho thấy chiều dày của tấm insert là một trong những thông số quan trọng, có ảnh hưởng lớn đến kết quả gia nhiệt cho khuôn. V tr tương đối của khuôn, tấm insert và c c cảm biến được tr nh bày như h nh 3.6. Trong suốt qu tr nh thực nghiệm và mô phỏng về ảnh hưởng của c c thông số gia nhiệt, v tr của c c chi tiết được giữ như h nh 3.7. 12
15. Tay máy Đầu phun gia nhiệt khí nóng Bộ khuôn Máy phun ép nhựa SW-120B H nh 3.4: Hệ thống th nghiệm gia nhiệt bằng kh Tấm insert Hệ thống làm nguội H nh 3.5: V tr cảm biến, tấm insert so với khuôn 13
16. G: Khe hở giữa đầu phun kh và bề mặt tấm insert h: Bề dày tấm insert Đầu phun khí nóng G Bề mặt gia nhiệt Hệ thống làm nguội Đơn v : mm H nh 3.6: V tr gia nhiệt của đầu phun Tương tự như c c nghiên cứu trước đây, mô h nh mô phỏng trong luận án này chỉ bao gồm hai phần ch nh: thể t ch tấm insert và thể t ch không kh . Mô h nh mô phỏng được tiến hành chia lưới như h nh 3.8. C c điều kiện biên được tr nh bày như h nh 3.9, và c c thông số mô phỏng. B ng 3.1: Đặc t nh vật liệu mô phỏng quá trình gia nhiệt bề mặt khuôn V t liệu Tên Đơn vị Giá trị Khối lượng phân tử kg/kmol 28.96 Khối lượng riêng kg/m3 1.185 Khí Nhiệt dung riêng J/kgK 1004.4 Độ nhớt động lực học kg/ms 1.831e-5 Hệ số dẫn nhiệt W/mK 0.0261 Khối lượng phân tử kg/kmol 55.85 Thép Khối lượng riêng kg/m3 7854 14
17. Nhiệt dung riêng J/kg K 434 Hệ số dẫn nhiệt W/mK 60.5 Khí ra Nhiệt độ kh : 30 oC p suất kh quyển: 0,1 MPa Khí vào Nhiệt độ kh : 300 oC p suất kh : 7 MPa Hướng dòng kh : vuông góc bề mặt cần gia nhiệt Thể t ch kh Thể t ch gia nhiệt Điều kiện ban đầu: Nhiệt độ ban đầu: 30 oC • Nhiệt độ kh : 30 oC • p suất kh quyển: 0,1 MPa • Vận tốc kh : 0 m/s H nh 3.7: Điều kiện ban đầu của qu tr nh mô phỏng 3.3 Qu t nh nhựa điền đầy lòng khuôn Nhằm giúp người vận hành có thể lựa chọn bộ thông số thích hợp, luận án này sẽ nghiên cứu và đưa ra qui tr nh mô phỏng quá trình phun ép có sử dụng bước gia nhiệt cho lòng khuôn. 15
18. Tiền xử lý Phân tích Kết quả Moldex3D Moldex3D Moldex3D Designer Project Project Xây dựng hệ thống Nhập thuộc tính vật Phân tích kết quả kênh dẫn nhựa liệu nhựa điền đầy Xây dựng hệ thống Nhập thông số ép Phân tích kết quả kênh làm mát bão áp Phân tích kết quả Tạo lưới dạng khối Tiến hành phân tích làm mát Phân tích kết quả cong vênh Hình 3.8: Lưu đồ thực hiện quá trình mô phỏng 3.4 Quá trình thực nghiệ Tiến hành thực nghiệm qua hai giai đoạn: ✓ Giai đoạn 1: Thực nghiệm gia nhiệt lòng khuôn để đ nh gi khả năng gia nhiệt bằng khí nóng phun từ ngoài ✓ Giai đoạn 2: C c bước thực nghiệm: o Bước 1: Thực nghiệm gia nhiệt lòng khuôn mẫu thử ASTM D638 để chụp phân bố trường nhiệt độ lòng khuôn bằng camera nhiệt nhằm đ nh giá sự phân bố nhiệt độ và giá tr nhiệt độ đạt được. o Bước 2: Chọn các giá tr nhiệt độ khuôn, tiến hành phun ép sản phẩm mẫu thử ASTM D638 trên máy phun ép nhựa SW-120B nhằm chế tạo các mẫu thử. o Bước 3: Mang mẫu thử đã phun p tiến hành thử k o để đ nh gi ảnh hưởng của phương ph p gia nhiệt bằng khí nóng từ ngoài khuôn đến độ bền sản phẩm nhựa dạng thành mỏng. Quá trình thực nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm khuôn mẫu thuộc Khoa cơ khí chế tạo máy – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM với các vật liệu PA6 và PA6+30%GF và các thiết b như sau: - Máy ép nhựa Shinewell – 120B (SW-120B) - Tay máy gia nhiệt - Bộ khuôn thí nghiệm - Camera đo nhiệt độ - Cảm biến đo nhiệt độ tiếp xúc - Máy thử độ bền kéo 16
19. Chương 4. ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ GIA NHIỆT ĐẾN PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT LÒNG KHUÔN Thông qua qu tr nh nghiên cứu, chương này sẽ cho thấy ảnh hưởng của c c thông số gia nhiệt (gồm bề dày tấm insert và khe hở (khoảng c ch) giữa đầu phun kh nóng và bề mặt lòng khuôn) đến kết quả gia nhiệt bằng kh nóng. Trong qu tr nh nghiên cứu, c c gi tr nhiệt độ kh nóng kh c nhau cũng sẽ được sử dụng. Ngoài ra, kết quả gia nhiệt cũng sẽ được đ nh gi thông qua số liệu về tốc độ gia nhiệt và phân bố nhiệt độ của bề mặt lòng khuôn. 4.1 Ảnh hư ng của chiều dày t in e t đến qu tr nh gia nhiệt Với c c thông số th nghiệm này, cảm biến sẽ thu thập gi tr nhiệt độ của bề mặt khuôn với thời gian gia nhiệt là 20 s ứng với c c chiều dày kh c nhau của tấm insert. C c kết quả này được tr nh bày như h nh 4.1 và h nh 4.2. Thực nghiệm này được lập lại với 4 loại chiều dày kh c nhau của tấm insert. Kết quả nhiệt độ từ cảm biến S3 cho thấy tốc độ gia nhiệt là 8,3 ºC/s, 8,0 ºC/s, 7,1 ºC/s and 6,4 ºC/s tương ứng với c c chiều dày 0,5 mm, 1,0 mm, 1,5 mm, and 2,0 mm. Kết quả này cho thấy với c c tấm insert có chiều dày càng lớn, tốc độ gia nhiệt sẽ giảm do cần nhiều nhiệt năng hơn để nâng nhiệt độ của thể t ch tấm gia nhiệt. ) °C ( Nhiệtđộ Bề dày tấm insert 0,5 mm Bề dày tấm insert 1,0 mm Bề dày tấm insert 1,5 mm Bề dày tấm insert 2,0 mm Thời gian gia nhiệt (s) H nh 4.1: Nhiệt độ tại cảm biến S3 với c c chiều dày của tấm insert. 17
20. 230.0 126 120 121 114 192.5 173 171 155 149 155.0 196 190 172 158 117.5 167 168 153 141 80.0 131 118 120 113 oC 0.5 mm 1.0 mm 1.5 mm 2.0 mm H nh 4.2: Phân bố nhiệt độ tại bề mặt tấm insert với nhiệt độ ban đầu là 30 C, nhiệt độ kh là 300 oC tại p suất phun 7 bar, thời gian gia nhiệt là 20 s. Để đ nh gi độ ch nh x c của kết quả mô phỏng, qu tr nh thiực nghiệm đã được tiến hành với c c thông số và điều kiện biên như qu tr nh mô phỏng. C c thực nghiệm này được tiến hành 10 lần cho mỗi trường hợp chiều dày tấm insert, và gi tr trung b nh về nhiệt độ tại c c cảm biến được thu thập, t nh to n và so s nh với kết quả mô phỏng như h nh 4.3 và h nh 4.4. Nh n chung, sai lệch giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm dưới 10 °C. Sự sai lệch này có thể do trong qu tr nh thực nghiệm, gi tr nhiệt độ đo được tại c c cảm biến có độ trễ so với trường hợp mô phỏng, đặc biệt trong trường hợp gia nhiệt cho bề mặt lòng khuôn, nhiệt năng sẽ lan truyền rất nhanh đến c c v ng có nhiệt độ thấp hơn. Tuy nhiên, nh n chung kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm cho thấy kh ph hợp với nhau. ) ) °C ( °C ( Nhiệtđộ Nhiệtđộ Bề dày tấm insert 0,5 mm (Mô phỏng) Bề dày tấm insert 1,0 mm (Mô phỏng) Bề dày tấm insert 0,5 mm (Thực nghiệm) Bề dày tấm insert 1,0 mm (Thực nghiệm) Cảm biến Cảm biến H nh 4.3: So s nh kết quả mô phỏng và thực nghiệm với c c gi tr nhiệt độ tại đường X – X, bề dày 0,5 mm và 1mm. 18
21. ) ) °C ( °C ( Nhiệtđộ Nhiệtđộ Bề dày tấm insert 1,5 mm (Mô phỏng) Bề dày tấm insert 1,5 mm (Thực nghiệm) Bề dày tấm insert 2,0 mm (Mô phỏng) Bề dày tấm insert 2,0 mm (Thực nghiệm) Cảm biến Cảm biến H nh 4.4: So s nh kết quả mô phỏng và thực nghiệm với c c gi tr nhiệt độ tại đường X – X, bề dày 1,5 mm và 2 mm. 4.2 Ảnh hư ng của khe h giữa cổng phun kh nóng và bề mặt khuôn đến qu tr nh gia nhiệt H nh 4.5 tr nh bày phân bố nhiệt độ của tấm insert ứng với c c khe hở kh c nhau. Kết quả này cho thấy với khe hở càng nhỏ, nhiệt độ sẽ tập trung tại v ng trung tâm của tấm insert, kết quả là v ng trung tâm có nhiệt độ cao hơn và chênh lệch nhiệt độ trên bề mặt tấm insert cũng tăng cao. Kết quả so s nh giữa mô phỏng và thực nghiệm được tr nh bày như h nh 4.6. 230.0 129 126 130 192.5 162 173 173 155.0 210 196 184 117.5 165 167 169 80.0 131 131 130 oC 4.0 mm 7.0 mm 10.0 mm H nh 4.5: Phân bố nhiệt độ của tấm insert với khe hở thay đổi từ 4 mm đến 10 mm, thời gian gia nhiệt là 20 s và tấm insert có chiều dày 0,5 mm. 19
22. ) ) °C °C ( ( Nhiệtđộ Nhiệtđộ Khe hở 4 mm (Mô phỏng) Khe hở 7 mm (Mô phỏng) Khe hở 4 mm (Mô phỏng) Khe hở 10 mm (Mô phỏng) Khe hở 4 mm (Thực nghiệm) Cảm biến Cảm biến Khe hở 10 mm (Mô phỏng) Khe hở 10 mm (Thực nghiệm) ) ) °C ( °C ( Nhiệtđộ Nhiệtđộ Khe hở 7 mm (Mô phỏng) Khe hở 7 mm (Thực nghiệm) Cảm biến Cảm biến H nh 4.6: Kết quả so s nh nhiệt độ tại đường X – X giữa mô phỏng và thực nghiệm ứng với các khe hở khác nhau. 4.3 Kết lu n - Chiều dày của tấm insert có ảnh hưởng lớn đến tốc độ gia nhiệt, cũng như phân bố nhiệt độ trên bề mặt lòng khuôn. C c gi tr thực nghiệm và mô phỏng cho thấy tốc độ gia nhiệt cao sẽ đạt được với c c tấm insert mỏng, trong khi đó, c c tấm insert dày sẽ cho phân bố nhiệt độ đồng đều hơn. - Khe hở giữa đầu phun kh nóng và bề mặt khuôn cũng có ảnh hưởng đến tốc độ và phân bố nhiệt độ. Với khe hở nhỏ, tốc độ gia nhiệt sẽ cao, nhưng chênh lệch nhiệt độ sẽ lớn hơn. Ngược lại, với khe hở lớn, nhiệt độ sẽ phân bố đều hơn. - Qu tr nh mô phỏng cũng cho thấy phương ph p gia nhiệt bằng kh nóng phun từ ngoài có thể được tiến hành phân t ch trước, nhằm chọn được c c thông số tối ưu t y thuộc vào h nh dạng sản phẩm và kết cấu khuôn phun p. - So với c c phương ph p điều khiển nhiệt độ khuôn trong những năm gần đây, kết quả nghiên cứu của chương này cho thấy phương ph p gia nhiệt bằng khí nóng từ ngoài khuôn đã khắc phục được những tồn tại của một số phương ph p hiện có. 20
23. Chương 5. ẢNH HƯỞNG CỦA PHƯƠNG PHÁP GIA NHIỆT BẰNG KHÍ NÓNG ĐẾN ĐỘ BỀN SẢN PHẨM NHỰA DẠNG THÀNH MỎNG Trong chương này, ảnh hưởng của phương ph p gia nhiệt đến độ bền k o của sản phẩm nhựa dạng thành mỏng sẽ được nghiên cứu bằng mô phỏng và thực nghiệm thông qua c c nội dung ch nh như sau: - Qu tr nh gia nhiệt cho lòng khuôn sẽ được tiến hành mô phỏng và thực nghiệm cho lòng khuôn phun p mẫu sản phẩm có thành mỏng. Trong luận án này, vật liệu làm tấm insert cho khuôn được sử dụng là nhôm (Al) nhằm giúp quá trình hấp thu nhiệt và truyền nhiệt được tốt hơn so với các vật liệu thông dụng khác trong ngành khuôn mẫu. - Qu tr nh phun p sản phẩm nhựa thành mỏng được tiến hành mô phỏng nhằm khảo s t ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến p suất đ nh h nh của sản phẩm. - Hiện nay, vật liệu nhựa PA6 và PA6+30%GF là một trong những vật liệu phổ biến trong lĩnh vực khuôn mẫu, vì vậy, qu tr nh thử độ bền k o của sản phẩm từ các vật liệu này được tiến hành và c c kết quả được so s nh nhằm quan s t khả năng nâng cao độ bền cho sản phẩm dạng thành mỏng khi lòng khuôn được gia nhiệt. 5.1 ô ph ng qu t nh gia nhiệt cho lòng khuôn. Quá trình gia nhiệt cho tấm insert bằng kh nóng được tiến hành thông qua việc mô phỏng bằng phần mềm ANSYS CFX với mô h nh như hình 5.1. Hình 5.1: Mô hình mô phỏng quá trình gia nhiệt cho tấm insert bằng khí nóng Mô hình mô phỏng và mô h nh lưới được tr nh bày như hình 5.2. Với mô hình này, quá trình mô phỏng được tiến hành tương tự như mô h nh trong Chương 4 với các thông số mô phỏng như bảng 5.1. Tuy nhiên, điều kiện biên được cài đặt như hình 5.2. Trong mô hình phun ép thanh thử độ bền kéo, vì vùng gia nhiệt cho khuôn nhỏ, do đó, chỉ hiệu suất gia nhiệt cho 21
24. khuôn được đ nh gi thông qua gi tr nhiệt độ cao nhất tại vùng trung tâm của tấm insert. Hình 5.4 cho thấy đ p ứng nhiệt của mô hình ở các mức nhiệt độ dòng khí gia nhiệt khác nhau (thay đổi từ 200 oC đến 400 oC) trong cùng một khoảng thời gian gia nhiệt là 20 s. C c kết quả này cho thấy nhiệt độ cao tập trung tại bề mặt của tấm insert, tại v trí tạo kết cấu dạng lưới cho sản phẩm nhựa. Khí nóng vào Thể t ch kh nóng Khí nóng vào Khí nóng ra Tấm insert Lưới inflation Hình 5.2: Mô h nh sau khi chia lưới phần được gia nhiệt thanh thử độ bền kéo o o Tkhí = 200 C Tkhí= 250 C o o Tkhí= 350 C Tkhí= 300 C o Tkhí= 400 C Hình 5.3: Phân bố nhiệt độ tại tấm insert với thời gian gia nhiệt 20 s Gi tr mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ tại bề mặt tấm insert được thu thập và so s nh như h nh 5.4. Kết quả mô phỏng cho thấy ứng với các 22
25. giá tr nhiệt độ của dòng khí nóng, nhiệt độ của bề mặt lòng khuôn sẽ tăng rất nhanh trong 5 s đầu tiên của quá trình gia nhiệt. Sau đó, trong 10 s tiếp theo, nhiệt độ tại bề mặt khuôn sẽ tăng chậm lại. Khi nhiệt độ của dòng khí nóng thay đổi từ 200 oC đến 400 oC, sau 20 s, nhiệt độ của bề mặt khuôn sẽ duy trì ổn đ nh. Nhiệt độ nguồn kh 250° C Nhiệt độ nguồn kh 200° C ) C ) o ( C o ( Thực nghiệm Thực nghiệm Mô phỏng Nhiệt độ Nhiệt độ Nhiệt Mô phỏng Thời gian gia nhiệt (s) Thời gian gia nhiệt (s) Nhiệt độ nguồn kh 350° C Nhiệt độ nguồn kh 300° C ) C ) o ( C o ( Thực nghiệm Thực nghiệm Mô phỏng độ Nhiệt Nhiệt độ Mô phỏng Thời gian gia nhiệt (s) Thời gian gia nhiệt (s) Nhiệt độ nguồn kh 400° C ) C o ( Thực nghiệm Nhiệt độ Nhiệt Mô phỏng Thời gian gia nhiệt (s) H nh 5.4: Nhiệt độ tại tâm tấm insert với thời gian gia nhiệt 20 s 5.2 ô ph ng qu t nh nhựa điền đầy lòng khuôn v i qui tr nh phun ép có sử dụng ư c gia nhiệt bằng kh nóng Trong c c qui tr nh phun p nhựa, áp suất tại chu kỳ bão áp (hay áp suất giữ - packing pressure) ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tạo hình sản phẩm, cơ t nh vật liệu của sản phẩm sau khi ép. Vì vậy, quá trình mô phỏng với các thông số p không thay đổi, luận án sẽ tiến hành khảo sát sự phân bố áp suất của mẫu thí nghiệm tại chu kỳ bão áp ở 5 nhiệt độ khuôn khác nhau từ 60 oC → 180 oC đối với 2 loại nhựa PA6 và PA6+30%GF. 5.2.1 Nhựa PA6 23
26. ) MPa ( 180 °C 150 °C Áp u t Áp u 120 °C 90 °C 60 °C Th i gian định h nh( s) H nh 5.5: Biểu đồ so s nh sự phân bố p suất tại lòng khuôn với nhiệt độ khuôn kh c nhau của sản phẩm có chiều dày lưới 0,4 mm (nhựa PA6) 180 °C 150 °C 120 °C 90 °C 60 °C ) MPa ( Áp u t Áp u Th i gian định h nh (s) H nh 5.6: Biểu đồ so s nh sự phân bố p suất tại lòng khuôn với nhiệt độ khuôn kh c nhau của sản phẩm có chiều dày lưới 0,6 mm (nhựa PA6) 180 °C 150 °C 120 °C 90 °C 60 °C ) MPa ( Áp u t u Áp Th i gian định h nh (s) H nh 5.7: Biểu đồ so s nh sự phân bố p suất tại lòng khuôn với nhiệt độ khuôn kh c nhau của sản phẩm có chiều dày lưới 0,8 mm (nhựa PA6) 24
27. 5.2.2 Nhựa PA6+30%GF 180 °C 150 °C 120 °C 90 °C 60 °C ) MPa ( Áp u t u Áp Th i gian định h nh (s) H nh 5.8: Biểu đồ so s nh sự phân bố p suất tại lòng khuôn với nhiệt độ khuôn kh c nhau của sản phẩm có chiều dày lưới 0,4 mm (PA6+30%GF) ) MPa ( 180 °C 150 °C 120 °C Áp u t Áp u 90 °C 60 °C Th i gian định h nh (s) H nh 5.9: Biểu đồ so s nh sự phân bố p suất tại lòng khuôn với nhiệt độ khuôn kh c nhau của sản phẩm có chiều dày lưới 0,6 mm (PA6+30%GF) ) 180 °C MPa ( 150 °C 120 °C 90 °C Áp u t Áp u 60 °C Th i gian định h nh (s) H nh 5.10: Biểu đồ so s nh sự phân bố p suất tại lòng khuôn với nhiệt độ khuôn kh c nhau của sản phẩm có chiều dày lưới 0,8 mm (nhựa PA6+30%GF). 25
28. 5.2.3 Nh n xét Với c ng điều kiện phun p, khi gi tr nhiệt độ của tấm insert thay đổi từ 60 ˚C đến 180 ˚C, sự thay đổi của p suất đ nh h nh theo thời gian được khảo s t thông qua phương ph p mô phỏng bằng phần mềm Moldex3D trong khoảng thời gian 0,1 s đến 1 s ứng với c c trường hợp chiều dày sản phẩm kh c nhau (thay đổi từ 0,4 mm đến 0,8 mm). Kết quả mô phỏng được so s nh với nhau và c c kết luận sau được rút ra: - Với gi tr p suất đ nh h nh (packing pressure) tr nh bày như c c h nh 5.5 đến hình 5.10, có thể thấy độ giảm của p suất đ nh h nh theo thời gian từ 0,1 s đến 1 s. Nh n chung, c c kết quả này cho thấy khi nhiệt độ khuôn càng cao, p suất đ nh h nh sẽ được giữ lâu hơn, giúp nhiều nhựa được p vào lòng khuôn hơn. Điều này có thể giải th ch dựa vào hiện tượng đông đặc của nhựa khi tiếp xúc với lòng khuôn. Khi nhiệt độ khuôn cao, hiện tượng đông đặc có khuynh hướng diễn ra chậm hơn, do đó, nhựa sẽ ở trạng th i lỏng lâu hơn, và kết quả là p suất t c động tại v tr đường hàn được giữ ở mức cao trong khoảng thời gian lâu hơn so với trường hợp nhiệt độ khuôn thấp. - Ngoài ra, khi chiều dày sản phẩm càng nhỏ, p suất đ nh h nh giảm càng nhanh hơn. Điều này là do chiều dày dòng chảy nhựa mỏng, nhiệt lượng truyền ra ngoài sẽ nhanh hơn, và qu tr nh đông đặc sẽ nhanh hơn so với trường hợp sản phẩm có chiều dày lớn hơn. Tuy nhiên, khi p dụng bước gia nhiệt cho lòng khuôn, p suất đ nh h nh vẫn có thể được giữ ở mức cao, đặc biệt với trường hợp sản phẩm dày 0,4 mm như h nh 5.5 và hình 5.8. - Kết quả mô phỏng này cũng cho thấy phương ph p gia nhiệt bề mặt lòng khuôn bằng kh nóng có khả năng t c động kh tốt đến sự thay đổi của p suất đ nh h nh. Đây là một trong những cơ sở quan trọng để cải thiện độ bền của sản phẩm phun p. 26
29. 5.3 Thực nghiệ nh hư ng của phương ph p gia nhiệt cho khuôn ằng kh nóng đến độ ền của s n phẩm Tấm Khối insert insert V ng uất hiện đường hàn Tấm insert Hình 5.11: Lòng khuôn cho quá trình thực nghiệm Trong phần này, nhằm kiểm nghiệm các kết quả mô phỏng, cũng như c c kết quả về độ bền của sản phẩm, mô hình khuôn với sản phẩm là thanh thử độ bền k o được sử dụng cho quá trình thực nghiệm. H nh 5.11 tr nh bày tấm khuôn âm với c c kết cấu để lắp tấm insert vào lòng khuôn. Quá trình thực nghiệm sẽ sử dụng các thiết b như sau: - Tay máy gia nhiệt - Nguồn khí - Thiết b đo nhiệt: Thermal couple và camera hồng ngoại 5.3.1 Kh o s t t ư ng nhiệt độ của t m khuôn trong qu tr nh gia nhiệt cho t m insert Thông qua camera hồng ngoại, phân bố nhiệt độ tại bề mặt tấm khuôn cũng được thu thập và tr nh bày như hình 5.12 đến hình 5.16. C c kết quả này cho thấy khả năng gia nhiệt cục bộ của phương ph p Ex- GMTC kh tốt. Cụ thể, nhiệt độ chỉ tập trung tại v tr xuất hiện đường hàn, ngoài ra, c c v tr kh c nhiệt độ được giữ ở mức thấp. Đây là một trong những ưu điểm của phương ph p gia nhiệt bằng kh nóng nói riêng và gia nhiệt bề mặt nói chung. Ch nh v đặc điểm này, sau khi gia nhiệt và nhựa được điền đầy lòng khuôn, bước giải nhiệt cho lòng khuôn sẽ được tiến hành dễ dàng với v ng nhiệt độ cao rất nhỏ so với toàn bộ thể t ch tấm khuôn. Ngoài ra, về kh a cạnh tiết kiệm năng lượng, phân bố nhiệt độ tại bề mặt tấm khuôn cũng cho thấy gần như tất cả nhiệt năng của qu tr nh gia nhiệt chỉ tập trung tại v ng cần gia nhiệt, điều này cho thấy hiệu quả của phương ph p gia nhiệt Ex-GMTC là rất tốt. 27
30. Hình 5.12: Nhiệt độ tại bề mặt khuôn khi gia nhiệt với nguồn kh 200 oC Hình 5.13: Nhiệt độ tại bề mặt khuôn khi gia nhiệt với nguồn kh 250 oC 28
31. Hình 5.14: Nhiệt độ tại bề mặt khuôn khi gia nhiệt với nguồn kh 300 oC Hình 5.15: Nhiệt độ tại bề mặt khuôn khi gia nhiệt với nguồn kh 350 oC 29
32. Hình 5.16: Nhiệt độ tại bề mặt khuôn khi gia nhiệt với nguồn kh 400 oC 5.3.2 Thực nghiệ độ bền của s n phẩm ứng v i c c qui tr nh phun ép có nhiệt độ khuôn kh c nhau Kết quả thử k o được tổng hợp và so s nh thông qua 2 biểu đồ như hình 5.17 và hình 5.18. Kết quả này cho thấy ảnh hưởng rõ rệt của nhiệt độ tấm insert và chiều dày lưới đến khả năng ch u lực kéo của sản phẩm. + Đối với các sản phẩm được ép từ nhựa PA6: - Trong cùng một nhiệt độ lòng khuôn (hình 5.17): khi tăng chiều dày lưới thì khả năng ch u lực kéo của sản phẩm tăng lên. Ở nhiệt độ lòng khuôn 60 ºC, với chiều dày lưới 0,4 mm lực k o tương ứng là 7 kgf, khi tăng chiều dày lưới lên 0,6 mm thì lực k o tăng lên 7,5 kgf, tăng 6,83 %. Tuy nhiên, mức độ tăng của độ bền k o ngày càng rõ rệt, đặc biệt với v ng nhiệt độ tấm insert cao hơn 120 ºC. - Nh n chung, khi nhiệt độ tấm insert tăng từ 30 oC đến 150 ºC, độ bền kéo của sản phẩm có sự cải thiện rõ rệt với tất cả c c dạng chiều dày sản phẩm. Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm cũng cho thấy với chiều dày nhỏ hơn, tỉ lệ phần trăm tăng của độ bền sẽ lớn hơn. + Đối với các sản phẩm được ép từ nhựa PA6+30%GF: do có trộn thêm sợi thủy tinh trong thành phần hạt nhựa nên các sản phẩm này có khả năng ch u lực kéo cao hơn so với các sản phẩm được ép từ nhựa PA6. Xét ở cùng nhiệt độ lòng khuôn 30 ºC và chiều dày lưới là 0,4 mm, độ bền kéo của mẫu sản phẩm PA6 là 1,75 MPa trong khi mẫu sản phẩm PA6+30%GF là 30
33. 2,51 MPa. Hiện tượng độ bền của sản phẩm tăng khi phun p với nhiệt độ tấm insert cao hơn cũng xuất hiện với vật liệu composite này. Chiều dày h=0.4 mm ) Chiều dày h=0.6 mm MPa Chiều dày h=0.8 mm ( t σ Độ bền o bền k Độ Nhiệt độ khuôn (°C) H nh 5.17: Độ bền kéo của sản phẩm thành mỏng bằng nhựa PA6 Chiều dày h=0,4 mm Chiều dày h=0,6 mm Chiều dày h=0,8 mm ) MPa ( t σ Độ bền o bền Độk Nhiệt độ khuôn (°C) H nh 5.18: Độ bền kéo của sản phẩm thành mỏng bằng nhựa PA6+30%GF ❖ Để t m phương tr nh hồi quy về mối liên hệ giữa độ bền kéo của nhựa PA6 với nhiệt độ khuôn và chiều dày sản phẩm bằng phần mềm Minitab như sau: σt = 2,209 + 0,006T – 1,47h (5.1) 31
34. Trong đó: σt: Độ bền kéo (MPa) T: Nhiệt độ khuôn (ºC) h: Chiều dày sản phẩm (mm) Phương tr nh hồi quy này được kiểm nghiệm độ chính xác trên phần mềm Minitab với độ tin cậy R-sq (ajd) = 92,95 %. Vì vậy, phương trình này có thể sử dụng để dự đo n cho c c trường hợp sản phẩm nhựa PA6 với nhiệt độ và chiều dày khác nhau. ❖ Để t m phương tr nh hồi quy về mối liên hệ giữa độ bền kéo với nhiệt độ khuôn và chiều dày sản phẩm bằng phần mềm Minitab của nhựa PA6+30%GF như sau: σt = 3,317 + 0,006T – 2,335h (5.2) Trong đó: σt: Độ bền kéo (MPa) T: Nhiệt độ khuôn (ºC) h: Chiều dày sản phẩm (mm) Phương tr nh hồi quy này kiểm nghiệm độ chính xác trên phần mềm Minitab với độ tin cậy R-sq (ajd) = 93,28 %. Vì vậy, phương tr nh này có thể sử dụng để dự đo n cho c c trường hợp sản phẩm nhựa PA6+30%GF với nhiệt độ và chiều dày khác nhau. 5.4 Kết lu n - Kết quả mô phỏng qu tr nh gia nhiệt cho tấm insert cho thấy nhiệt độ cao tập trung tại bề mặt của tấm insert, tại v trí tạo kết cấu dạng lưới cho sản phẩm nhựa. - Kết quả về sự thay đổi nhiệt độ tại bề mặt tấm insert cho thấy ứng với các giá tr nhiệt độ của dòng khí nóng, nhiệt độ của bề mặt lòng khuôn sẽ tăng rất nhanh trong 5 s đầu tiên của quá trình gia nhiệt. Sau đó, trong 10 s tiếp theo, nhiệt độ tại bề mặt khuôn sẽ tăng chậm lại. - Qu tr nh nhựa điền đầy lòng khuôn được khảo s t thông qua phần mềm Moldex3D. Kết quả mô phỏng cho thấy độ giảm của p suất đ nh h nh theo thời gian từ 0,1 s đến 1 s. - C c trường hợp sử dụng bước gia nhiệt bằng kh nóng cho thấy p suất đ nh h nh vẫn có thể được giữ ở mức cao, đặc biệt với trường hợp sản phẩm dày 0,4 mm. - C c kết quả về chụp phân bố nhiệt độ của bề mặt khuôn cho thấy khả năng gia nhiệt cục bộ của phương ph p Ex-GMTC kh tốt. - Kết quả thử k o sản phẩm nhựa thành mỏng cũng được tổng hợp và so s nh với 2 loại nhựa là PA6 và PA6+30%GF. Kết quả này cho thấy ảnh hưởng rõ rệt của nhiệt độ tấm insert và chiều dày lưới đến khả năng ch u lực kéo của sản phẩm. 32
35. Chương 6. KẾT LUẬN - Thông qua qu tr nh mô phỏng và thực nghiệm, c c kết quả cho thấy: • Chiều dày của tấm insert có ảnh hưởng lớn đến tốc độ gia nhiệt, cũng như phân bố nhiệt độ trên bề mặt lòng khuôn. • Khe hở giữa đầu phun kh nóng và bề mặt khuôn cũng có ảnh hưởng đến tốc độ và phân bố nhiệt độ. • Qu tr nh mô phỏng cũng cho thấy phương ph p gia nhiệt bằng kh nóng phun từ ngoài có thể được tiến hành phân t ch trước, nhằm chọn được c c thông số tối ưu t y thuộc vào h nh dạng sản phẩm và kết cấu khuôn phun p. - Với mô h nh sản phẩm dạng thành mỏng, kết quả trong luận án cho thấy nhiệt độ cao chỉ tập trung tại bề mặt của tấm insert, tại v trí tạo kết cấu dạng lưới cho sản phẩm nhựa. Đây cũng là một trong những ưu điểm nổi bậc của phương ph p gia nhiệt bằng khí nóng. - Quá trình gia nhiệt cho thấy nhiệt độ của bề mặt lòng khuôn sẽ tăng rất nhanh trong 5 s đầu tiên của quá trình gia nhiệt. Sau đó, trong 10 s tiếp theo, nhiệt độ tại bề mặt khuôn sẽ tăng chậm lại, sau 20 s, nhiệt độ của bề mặt khuôn sẽ duy trì ổn đ nh. - C c trường hợp sử dụng bước gia nhiệt bằng kh nóng cho thấy p suất đ nh h nh vẫn có thể được giữ ở mức cao, đặc biệt với trường hợp sản phẩm dày 0,4 mm. - C c kết quả về chụp phân bố nhiệt độ của bề mặt khuôn cho thấy khả năng gia nhiệt cục bộ của phương ph p Ex-GMTC kh tốt. - Kết quả thử k o sản phẩm nhựa thành mỏng cho thấy ảnh hưởng tích cực của nhiệt độ khuôn và chiều dày lưới đến khả năng ch u lực kéo của sản phẩm. Đặc biệt, kết quả thực nghiệm cũng cho thấy với chiều dày nhỏ hơn, tỉ lệ phần trăm tăng của độ bền sẽ lớn hơn. 33
36. PHỤ LỤC: CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 1. Pham Son Minh, Tran Minh The Uyen, Dang Minh Phung and Thanh Trung Do, A study of temperature control for the pulsed cooling of injection molding process, The 2nd international conference on green technology and sustainable development, 2014, Vol. 1, pp. 81-85. 2. T ần inh Thế Uyên, Phạm Sơn Minh, Đỗ Thành Trung, Trần Văn Trọn và Phan Thế Nhân, Ảnh hưởng của p suất phun đến chiều dài dòng chảy của nhựa lỏng trên sản phẩm phun p nhựa, Tạp ch Cơ kh Việt Nam, 2014, Số 7, tr. 60-63. 3. Pham Son Minh and Tran Minh The Uyen, Numerical study on flow length in injection molding process with high-speed injection molding, International Journal of Mechanical Engineering and Applications, 2014, Vol. 2, pp. 58-63. 4. Huỳnh Đỗ Song Toàn, T ần inh Thế Uyên, Nguyễn Danh Kiên và Lê Hiếu Giang, Nâng cao độ ch nh c k ch thước sản phẩm nhựa thành mỏng bằng phương ph p kết hợp mô phỏng và thực nghiệm, Tạp ch Khoa học Gi o dục Kỹ thuật Trường ĐH SPKT TP.HCM, 2015, Số 32, tr. 42-45. 5. Phạm Sơn Minh, Đỗ Thành Trung, Lê Tuyên Gi o và T ần inh Thế Uyên, Nghiên cứu qu tr nh gia nhiệt bằng kh nóng cho khuôn phun p tạo sản phẩm dạng lưới, Tạp ch Khoa học Gi o dục Kỹ thuật Trường ĐH SPKT TP. HCM, 2015, Số 32, tr. 46-51. 6. Huỳnh Đỗ Song Toàn, T ần inh Thế Uyên, Võ Bá Anh Đại và Lê Hiếu Giang, Phân t ch gia nhiệt và làm nguội bằng nước trong khuôn p phun một số sản phẩm kh c nhau, Tạp ch Khoa học Gi o dục Kỹ thuật Trường ĐH SPKT TP. HCM, 2015, Số 33, tr. 44-50. 7. Phạm Sơn Minh, Đỗ Thành Trung, T ần inh Thế Uyên và Phan Thế Nhân, Ảnh hưởng của chiều dày sản phẩm và nhiệt độ khuôn đến độ cong vênh của sản phẩm nhựa polypropylene dạng tấm, Hội ngh Khoa học và Công nghệ Toàn quốc về Cơ kh lần thứ IV, TP. HCM, 2015, Tập 2, tr. 536 – 543. 8. Thanh Trung Do, Pham Son Minh, Tran Minh The Uyen and Pham Hoang The, Numerical study on the flow length in an injection molding process with an external air-heating step, International Journal of Engineering Research and Application, 2017, Vol. 7, pp. 85-89. 9. Thanh Trung Do, Tran Minh The Uyen and Pham Son Minh, Study on the external gas-assisted mold temperature control for thin wall injection molding, International Journal of Engineering Research and Application, 2017, Vol. 7, pp. 15-19. 34
37. 10. Pham Son Minh, Thanh Trung Do, Tran Minh The Uyen and Phan The Nhan, A study on the welding line strength of composite parts with various venting systems in injection molding process, Key Engineering Materials, 2017, Vol. 737, pp. 70-76. (SCOPUS). 11. Pham Son Minh and Tran Minh The Uyen, Numerical study on the heliacal cooling channel for injection molding process, International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, 2018, Vol. 5(2), pp. 86-91. 12. Pham Son Minh, Thanh Trung Do and Tran Minh The Uyen, The feasibility of external gas-assisted mold-temperature control for thin- wall injection molding, Advances in Mechanical Engineering, 2018, Vol. 10 (10), pp. 1-13. (SCIE). 13. Pham Son Minh, Tran Minh The Uyen, Tran Anh Son and Huynh Duc Thuan, Study on the temperature distribution of core plates during injection molding, International Journal of Engineering Inventions, 2018, Vol. 7 (10), pp. 24 – 29. 14. Minh The Uyen Tran, Son Minh Pham and Thanh Trung Do, Experimental study on external air heating for an injection molding process, ICSSE2019, 2019, pp. 681-685. 15. Tran Minh The Uyen, Le Tuyen Giao, Thanh Trung Do and Pham Son Minh, Numerical study on local heating for thin-walled product by external air heating, Materials Science Forum, 2019, Vol. 971, pp. 21- 26. (SCOPUS). 16. Tran Minh The Uyen, Nguyen Truong Giang, Thanh Trung Do, Tran Anh Son and Pham Son Minh, External Gas- Assisted Mold Temperature Control Improves Weld Line Quality in the Injection Molding Process, Materials, 2020, Vol. 13, pp. 1-19. (SCIE). 35