Tiểu luận ép phun có khí hỗ trợ

Các bằng sáng chế ban đầu nộp tại Đức Đức bằng sáng chế 2501314, ban hành 1975 đã nêu quá trình như sau: “Một phương pháp để làm một chi tiết rỗng hình thành từ ép phun một loại nhựa nhi

Báo cáo tiểu luận:

GAS ASSIST INJECTION MOLDING

Trần Quang Chiếu (11040384)

Ngày nay, khoa học kỹ thuật càng phát triển, càng đòi hỏi những chi tiết phức tạp, có độ chính xác cao nhưng giá thành phải hạ Do đó, các nhà sản xuất, các nhà khoa học phải tìm ra những công nghệ sản xuất mới để đáp ứng những nhu cầu trên.

Ép phun có khí hỗ trợ là một kỹ thuật được phát triển từ ép phun truyền thống,

kỹ thuật này khắc phục được một số vấn đề mà ép nhựa truyền thống gặp phải Nó cũng cho phép thiết kế và sản xuất được những chi tiết mà ép nhựa truyền thống không thể làm được.

Ép phun có khí hỗ trợ đã xuất hiện hơn 45 năm về trước tại nước Đức Kỹ thuật này bắt đầu được ứng dụng hơn 20 năm trước, và đã có những cải tiến quan trọng khoảng 10 năm gần đây.

Nhưng ở Việt Nam ta, kỹ thuật này còn mới mẻ và chưa được ứng dụng rộng rãi.

Nhằm mục đích tìm hiểu thêm về kỹ thuật này đồng thời cũng giúp những ai chưa nắm rõ về kỹ thuật này có cái nhìn tổng quát về ép phun có khí hỗ trợ, nhóm

7, lớp CTM 2011 với sự hướng dẫn của PGS.TS Thái Thị Thu Hà xin được thực

hiện tiểu luận, đề tài:

GAS ASSIST INJECTION MOLDING

ÉP PHUN CÓ KHÍ HỖ TRỢ

Ernst Friederich của Rohm GmbH ở Darmstadt, Đức, là người đầu tiên phát minh ra một quá trình đúc chi tiết rỗng không cần các quá trình trên Các bằng sáng chế ban đầu nộp tại Đức (Đức bằng sáng chế 2501314, ban hành 1975) đã nêu quá trình như sau:

“Một phương pháp để làm một chi tiết rỗng hình thành từ ép phun một loại nhựa nhiệt dẻo, phương pháp bao gồm việc bơm một lượng nhựa nóng chảy đủ cho việc hình thành chi tiết rỗng từ một vòi phun vào một khuôn, bơm khí áp lực cao qua vòi phun đó

để nhựa nóng chảy mở rộng và phân bố đều trên các bề mặt của khuôn, theo đó, phần rỗng được hình thành bên trong chi tiết, khí cũng góp phần làm mát chi tiết rỗng để nhiệt độ xuống dưới điểm nóng chảy của nhựa, sau đó mở bên trong của chi tiết rỗng để cân bằng áp lực trong và áp lực môi trường xung quanh, và sau

đó mở khuôn để lấy chi tiết rỗng đã thành hình Hình 1.1 minh họa các khái niệm trên.”

Hình 1.1 Bằng sáng chế US4101617, Ernst Friederich, phụ lục 10.

Hình 1.2 Sơ đồ phả hệ của GAIM, xuất phát từ Ernst Friederic.

Ferromatik Milacron (Airpress III)

Ép nhựa có khí hỗ trợ liên quan đến việc phun một shot nhựa còn thiếu vào khoang (của khuôn) Khi khí được đưa vào trong vật liệu nóng chảy, nó theo con đường ít trở lực nhất vào các phần của chi tiết với áp suất thấp và nhiệt độ cao Khi khí đi vào chi tiết, nó tạo ra một lõi rỗng bằng cách thay thế vật liệu nóng chảy (Hình 1.3) Vật liệu này nóng chảy điền vào phần còn lại của chi tiết này Sau khi điền đầy đủ, khí được chuyển sang áp lực cao, choán lấy phần co rút thể tích của vật liệu.

Có hai loại cơ bản của kỹ thuật khí hỗ trợ ép phun: Giữ cố định thể tích (đẳng tích) và giữ cố định áp lực (đẳng áp)

Phương pháp HELGA (Hettinga Liquid Gas Assist) tương đối khác các phương pháp trước đó, phương pháp này sử dụng khí nitơ Hình 1.8 minh họa quá trình này Một phần của nhựa được bơm vào khoang sau đó là phun nhựa có chứa một chất lỏng đặc biệt, độc quyền Khi tiếp xúc với nhựa nóng chảy, chất lỏng được chuyển thành một chất khí, tạo ra các lòng trống Dòng chất lỏng

bị ngắt, và quá trình phun nhựa tiếp tục Khí được chứa trong chi tiết và, tạo áp lực ra bên ngoài, giảm thiểu dấu hiệu co rút của sản phẩm Khi chi tiết nguội đi, khí mất tác dụng và vẫn không hoạt động cho dù chi tiết được nung nóng

2/ Sau một thời gian trễ đã được thiết định từ trước, khí

được bơm vào trong nhựa nóng chảy để hoàn thành quá trình điền

đầy và nén với khí;

3/ Khí sau đó tiếp tục được ép vào khuôn với áp suất nhất định để bù đắp cho sự co rút thể tích của nhựa khi nó nguội;

4/ Việc cân nhựa (lấy nhựa) trong máy ép nhựa có thể được

bắt đầu ngay sau khi các điểm cấp nhựa đông đặc , hoặc sau khi van vòi phun được đóng lại;

5/ Khí được xả ra ngoài trước khi mở khuôn.

Xin tham khảo file flash đính kèm cho trình tự của quy trình này.

có sự thúc đẩy của quá trình phun khí.

Ưu điểm: Giảm đáng kể chi phí từ:

1/ Giảm trọng lượng chi tiết, và do đó giảm chi phí vật liệu;

2/ Giảm theo chu kỳ ép nhựa, và do đó giảm chi phí sản xuất;

3/ Giảm áp lực trong khuôn, và do đó ít mòn khuôn.

2/ Sau một thời gian trễ đã được thiết định từ trước, khíđược bơm vào ở giai đoạn 1;

3/ Ở giai đoạn thứ 2, khí được bơm vào để bù đắp chophần co rút thể tích của nhựa khi nguội;

4/ Áp suất khí được duy trì đồng đều trong chi tiết nhựa;5/ Khí được xả ra ngoài hoặc rút ra trước khi mở khuôn;6/ Việc cân nhựa (lấy nhựa) trong máy ép nhựa có thể

sau khi van vòi phun được đóng lại

“Full Shot” là phương pháp thường áp dụng cho các chi tiết trong đó có cả phần dày và mỏng Khí chảy vào chi tiết theo đường ít trở kháng nhất là chỗ dày hơn nơi nhựa bên trong vẫn còn trong trạng thái nóng chảy

b/ Full-Shot process: Quy trình đầy nhựa

Ưu điểm:

1/ Xóa bỏ sinkmark, đường vân trên bề mặt sản phẩm;

2/ Không cần quá trình nén nhựa từ máy ép nhựa;

3/ Giảm áp lực trong khuôn lên đến 70%, và do đó giảm lực khóa khuôn cho phép ép được các chi tiết lớn hơn trên các máy nhỏ hơn;

4/ Giảm tiêu thụ điện năng;

5/ Giảm ứng suất đúc, và do đó cải thiện sự ổn định kích thước và chi tiết không bị méo.

* Phương pháp này được bảo hộ bởi bằng sáng chế cấp cho CGI và Mitsubishi Gas Chemicals tại Nhật Bản.

c/ CGI’s PEP Plastic Expulsion Process: Quy trình CGI’s PEP

Trình tự của quy trình PEP1:

1/ Sau khi đóng khuôn, nhựa được phun đầy hốc khuôn, nhựa được nén tạm thời bằng máy ép nhựa;

2/ Sau một thời gian trễ đã được thiết định từ trước, van vòi phun đóng lại, khí được bơm vào để tiếp tục nén;

3/ Van PEP mở;

4/ Nhựa dư được tống ra hốc khuôn thứ cấp;

5/ Khí được xả ra ngoài hoặc rút ra trước khi mở khuôn đồng thời máy tiến hành cân nhựa.

c/ CGI’s PEP Plastic Expulsion Process: Quy trình CGI’s PEP

Ưu điểm:

1/ Việc định lượng một cách chính xác lượng nhựa chưa nén

để bơm vào hốc khuôn (như trong quá trình "Short Shot) là không cần thiết Thời gian phun khí không phải là quan trọng;

2/ Áp lực từ các máy ép nhựa và / hoặc áp lực khí bảo đảm chi tiết có bề mặt, biên dạng tốt;

3/ Không có các điểm vướng của nhựa như trong phương pháp ngắn Shot-Shot;

4/ Cải thiện với lõi khí, trọng lượng giảm và thời gian chu kỳ ép giảm;

5/ Thích hợp cho hầu hết các nhựa nhiệt dẻo, bao gồm cả nylon chứa sợi thủy tinh;

6/ Thích hợp cho nhiều dạng hốc khuôn;

7/ Vị trí của cửa phun nhựa không quan trọng

c/ CGI’s PEP Plastic Expulsion Process: Quy trình CGI’s PEP

Trình tự của quy trình PEP2:

1/ Sau khi đóng khuôn, nhựa được phun đầy hốc khuôn, nhựa được nén tạm thời bằng máy ép nhựa;

2/ Sau một thời gian trễ đã được thiết định từ trước, van vòi phun đóng lại, khí được bơm vào để tiếp tục nén;

3/ Van vòi phun mở;

4/ Nhựa dư được tống ra ngược trở lại xy lanh, lúc này trục vít xuay ngược về phía sau để lấy lại lượng nhựa dư này;

5/ Đến một thời điểm được xác định từ trước, van vòi phun đóng lại, quá trình nén của khí để bù co rút (co ngót) bắt đầu

6/ Khí được xả ra ngoài hoặc rút ra trước khi mở khuôn đồng thời máy tiến hành cân nhựa

Một số tác giả gọi quy trình này là “Back-to-Screw process”, quátrình có sự trả nhựa lại vào trong xy lanh – trục vít

2/ Không cần quá trình cắt nhựa dư;

3/ Không cần van ngắt phía trong khuôn

* Sử dụng khí để áp lực lên nhựa trong khi làm mát, đẩy nó về phía

bề mặt hốc khuôn đối diện để cải thiện bề mặt sản phẩm

d/ EGM – External Gas Molding: Quy trình EGM, khí hỗ trợ phía ngoài

Lợi ích:

1/ Có thể loại bỏ các sinkmark, đường vân trên bề mặt sản phẩm;

2/ Hầu như loại bỏ ứng suất trong chi tiết ép nhựa và do đó không có sự biến dạng;

3/ Cải thiện sự ổn định kích thước 4/ Có thể làm giảm việc sử dụng vật liệu;

5/ Áp lực được sử dụng hiệu quả hơn, và do đó đòi hỏi ít áp lực hơn:

- Giảm lực kẹp khuôn do đó giảm kích thước máy;

- Giảm hao mòn trên khuôn mẫu;

- Giảm điện năng tiêu thụ;

e/ Khí hỗ trợ ngoài với áp suất chân không :

Đối với một số loại nhựa nhiệt cứng, quá trình điền đầykhông tốt, người ta có thể dùng quá trình hút chân không hỗ trợ

Người ta gắn đầu hút khí vào các đường thoát khí (airvent) của hốc khuôn (cavity) Áp suất âm này sẽ hỗ trợ cho ápsuất phun của máy ép nhựa Dòng nhựa chảy nhanh hơn, tránhhiện tượng đông cứng sớm của nhựa; đồng thời nó hút khôngkhí trong cavity ra ngoài hỗ trợ quá trình điền đầy

Hạn chế: Có thể tạo nên ba vớ tại vị trí đường thoát khí

Quá trình này được sử dụng tại một số công ty Nhật, chưathấy sử dụng rộng rãi

"thông qua vòi phun" (Xem hình 1.9)

Gas Assist Systems.AVI - YouTube.flv

b/ Thông qua kênh dẫn nhựa (Resin delivery system)

Khí được đưa vào hệ thống kênh dẫn nhựa (runner) hoặc cuống rót (sprue bushing) qua những pin khí được gọi là ép nhựa có khí hỗ trợ "qua kênh dẫn nhựa" (Xem hình 1.10) Với những chi tiết có cuống rót đồng thời là cổng phun (gate), các đường khí đều phải bắt nguồn từ cuống rót Phương pháp làm cho cả kênh dẫn nhựa bị rỗng, có thể giúp để giảm số lượng của nhựa phải tái chế.

c/ Bơm khí trực tiếp vào hốc khuôn (Mold cavity gas injection system)

Khí được đưa trực tiếp vào hốc

khuôn thông qua pin khí được

gọi là phương pháp ép nhựa có

khí hỗ trợ "in-article" (Xem

hình 1.11) Các chi tiết ép nhựa

với phương pháp này có thể

được thiết kế với các kênh khí

Có 2 phương pháp điều khiển dòng khí phun vào:

• Điều khiển thể tích – Tạo áp suất khí không liên tục

• Điều khiển áp suất - Tạo áp suất khí liên tục

1.1 Điều khiển thể tích

1.1.1 Nguyên lý hoạt động

6.1 Điều khiển thể tích

6.1.2 Đặc điểm

- Áp suất khí bị ảnh hưởng bởi đường kính và chiều dài đầu phun khí, đầu nối vào khuôn và thể tích khuôn.

- Không có quá trình giữ áp.

- Áp suất khí thực trong khuôn không được điều khiển.

6.2 Điều khiển áp suất

6.3 Đường cong áp suất khí

- Ưu điểm của khí nito:

+ Nó là khí trơ nên không sinh ra các phản ứng hóa học.

+ Không độc hại, không cháy và chi phí thấp.

- Thiết bị tạo khí nito

- Thiết bị tạo áp suất

- Thiết bị điều khiển áp suất

- Đầu phun

8.1 Thiết bị tạo khí nito

Khí nito được lọc từ không khí xung

quanh thông qua một hệ thống nhiều

màng lọc khác nhau, lưu lượng khí

sinh ra có thể đạt 100 – 450 l/ph

Thiết bị có thể được lắp đặt ở gần

hoặc ở xa máy ép phun.

8.2 Thiết bị tạo áp suất

Một máy có thể cung cấp khí nito cho

một vài máy ép phun, áp suất làm

việc có thể đạt 300bar Thiết bị có thể

được lắp đặt ở gần hoặc ở xa các máy

ép phun.

8.3 Thiết bị điều khiển áp suất

Một thiết bị điều khiển áp suất bao gồm

hệ thống điều khiển liên kết với một

hay nhiều modun điều chỉnh áp suất

Modun điều chỉnh áp suất có 2 loại:

+ Modun điều chỉnh áp suất (pressure

control module)

+ Modun đơn (monomodule).

8.3 Thiết bị điều khiển áp suất

- Modun điều chỉnh áp suất có kích thước

khá nhỏ nên nó có thể được lắp đặt gần

đầu phun khí do đó, ít tiêu hao khí nito

- Áp suất khí được điều chỉnh bằng van

có độ chính xác cao, van có thể được

điều khiển bằng điện hoặc bằng khí nén,

dầu ép

Modun đơn có các đặc điểm giống

modun điều chỉnh áp suất, điểm khác biệt

ở đây là hệ thống điều khiển điện

- Modun đơn có chức năng giống như

một modun điều chỉnh áp suất khi liên

kết trong một thiết bị điều khiển áp suất

(mobile control cabinet)

- Modun đơn có thể làm việc độc lập và

được lập trình bằng một thiết bị cầm tay

8.3 Thiết bị điều khiển áp suất

Tùy thuộc vào thiết kế của khuôn, các modun điều khiển áp suất khác nhau có thể được liên kết.

- Nếu chỉ có một hoặc hai điểm

phun khí thông qua đầu phun

của máy hoặc modun phun khí

lắp trực tiếp lên khuôn thì sử

dụng một hoặc hai đơn modun

với một thiết bị lập trình bằng

tay là một giải pháp kinh tế

hơn

NKT8.3 Thiết bị điều khiển áp suất

Tùy thuộc vào thiết kế của khuôn, các modun điều khiển áp suất khác nhau có thể được liên kết.

- Nếu có một vài modun phun

khí trên khuôn, thì một thiết bị

điều khiển áp suất cơ động sẽ

được sử dụng, nó có thể điều

khiển 8 modun điều chỉnh áp

suất hoặc đơn modun

8.4 Đầu phun khí

Khí có thể được phun vào khuôn ở nhiều vị trí khác nhau

- Khí được phun vào thông qua đầu phun của máy.

- Khí được phun vào ở các vị trí khác nhau trên khuôn.

8.4.1 Đầu phun máy (Machine nozzle)

8.4 Đầu phun khí

8.4.2 Đầu phun trên khuôn (Machine injector)

Đầu phun có kích thước nhỏ, độ chính xác cao, bao gồm 3 bộ phận chính:

- Đệm kín – có chức năng đệm kín giữa khuôn và đầu phun

- Chốt và vỏ bao – hình thành một khe hở hình vành khăn, khe hở này phải đủ lớn

để khí có thể được thổi vào trong khuôn nhưng phải đủ nhỏ để nhựa không thể lọt vào đầu phun

8.4 Đầu phun khí

8.4.2 Đầu phun trên khuôn (Machine injector)

+ Phương pháp rút khí ra ngoài

Nhựa nhiệt dẻo:

Hầu hết các vật liệu nhựa nhiệt dẻo đều có khả năng sử dụng trong công nghệ khuôn ép phun có sự kết hợp của chất khí : Ví dụ PP, PE, PVC, PS, PC, PET

Các loại vật liệu có cấu trúc tinh thể như polypropylene , nylon và

polybutylene terephtalate (PBT) có nhiều ưu thế hơn bởi vì chúng có điểm nóng chảy cao (sharp melt point ) và độ nhớt thấp, cho phép khí có thể xuyên qua dễ dàng

Sự lựa chọn vật liệu nên dựa trên những yêu cầu về đặc tính ứng

dụng như độ cứng vững , độ bền ,đặc tính ở nhiệt độ sử dụng và độ bền hóa học Cụ thể hơn, khi độ nhớt polymer tăng thì bề dày của kênh dẫn khí sẽ tăng

Ví dụ: polycarbonat và PBT

Độ nhớt polymer có thể thay đổi bằng cách thay đổi nhiệt độ nóng chảy của nó Khi nhiệt độ nóng chảy tăng, độ nhớt giảm ,dẫn đến giảm bề dày của kênh dẫn khí

 Nhựa nhiệt dẻo:

Nhìn chung, người ta tìm ra các loại vật liệu đệm chất vô cơ có dòng chảy tầng để sử dụng trong công nghệ ép phun có kết hợp chất khí Những vật liệu chứa chất đệm vô cơ có dòng chảy trượt hay dòng rắn ,công nghệ ép phun có sự hỗ trợ của chất khí không được ứng dụng

Nếu chúng ta có ý định dùng công nghệ ép phun có sự hỗ trợ của chất khí đối với nhựa nhiệt rắn, thì chúng ta nên dùng mẫu thử để đánh giá khả

năng tương thích của vật liệu tới quá trình

 Tối ưu hóa sự thiết kế chi tiết cho công nghệ ép phun có khí hỗ trợ cần tập trung vào 3 vấn đề chính sau đây:

+ Tối ưu hóa cấu trúc của kênh dẫn

+ Kích thước kênh dẫn

+ Cân bằng sự điền đầy khuôn

Cấu trúc của kênh dẫn khí trong lòng khuôn bao gồm vị trí của miệng phun khí và vị trí các kênh dẫn nhựa vào lòng khuôn Bọt khí sẽ đi theo kênh dẫn mà trở kháng thấp nhất, áp suất thấp nhất,nhiệt độ cao nhất

 Cấu trúc kênh dẫn:

Một kênh dẫn hay là một vùng có bề dày lớn hơn của chi tiết thường

sẽ là nơi có nhiệt độ cao hơn vùng có bề dày mỏng hơn bởi vì lượng

nhựa nóng nhiều hơn Vùng có áp suất thấp nhất sẽ đặc trưng cho vùng của chi tiết mà có lượng đông đặc(packing) ít nhất Kết quả dẫn tới là bọt khí đi theo đương dẫn mong muốn, điều này cần thiết cho sự điều khiển cho quá trình điền đầy nhựa cho khuôn vì thế áp suất thấp nhất trong

lòng khuôn tồn tại gần cuối của mỗi kênh dẫn Sự khác nhau về áp sẽ hút các bọt khí qua kênh dẫn ,đẩy nhựa vào các vị trí chưa được điền đầy

 Một lưu ý khác trong cấu trúc kênh dẫn khí là tránh trường hợp kênh dẫn vòng kín Kênh dẫn vòng kín sẽ dẫn tới kết quả là sự bịt kín các hạt vật liệu trong vùng kênh dẫn nơi mà bọt khí hội tụ

Kích thước kênh dẫn:

Tỷ lệ kích thước kênh dẫn với kích thước tường danh nghĩa từ 2:1 đến 2.5:1 , đây xem như là một giới hạn dưới Giới hạn trên dựa vào đặc điểm hình học của chi tiết và vị trí kênh dẫn trong chi tiết Kênh dẫn lớn dẫn tới vùng xung quanh tường có thể hình thành các rãnh, điều này dẫn tới các vùng tường mỏng lân cận không được điền đầy

 Một số hình dạng hình học kênh dẫn khí: