Nghiên cứu quá trình gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa theo phương pháp cảm ứng từ

Trong nhóm thứ nhất,ăph ơngăphápăgia nhiệt bằngăhơiăn ớc steam heating Hình 1.1 có th đ tăđ ợc tốcăđộ gia nhiệt từ 1oC/săđến 3o C/s [3].ăĐộ gia nhiệtătheoăph ơngăphápănàyăkhôngăđ ợcăđánh

M ỤC LỤC

Quyếtăđ nhăgiaoăđề tài

Xác nhận của cán bộ h ớng dẫn

Lý l ch cá nhân ………i

Lờiăcamăđoană……… ii

Cảm t ……… iii

Tóm tắt……… ……….iv

Mục lục ……… ……… vi

Danh sách các chữ viết tắt ……….………viii

Danh sách các hình ……… ix

Danh sách các bảng ……….xii

Ch ơngă1 1

Tổng quan 1

1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộcălĩnhăvực củaăđề tài trong và ngoài n ớc 1

1.2 Tính cấp thiết và ýănghĩaăkhoaăhọc củaăđề tài 6

1.3 Mụcăđíchănghiênăcứu,ăđốiăt ợng nghiên cứu 6

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới h n củaăđề tài 7

1.5 Cách tiếp cận và ph ơngăpháp nghiên cứu 8

1.6 Kế ho ch thực hiện 9

Ch ơngă2 10

Quá trình gia nhiệtătheoăph ơngăphápăcảm ứng từ 10

2.3 Thiết kế cuộn dây gia nhiệt 13

2.4 Một số đặcăđi m nổi bật của quá trình gia nhiệtătheoăph ơngăphápăcảm ứng từ13 Ch ơngă3 16

Ph ơngăphápăvàăthiết b thí nghiệm 16

3.1 Trang thiết b thí nghiệm 16

3.2ăPh ơngăphápăthíănghiệm 25

Ch ơngă4 27

Mô phỏng và thí nghiệm quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ 27

4.1 Giới thiệu 27

4.2 Mô phỏng quá trình gia nhiệt ứng với các thiết kế khác nhau của cuộn dây 28

4.3 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm 33

Ch ơngă5 47

Kết luậnăvàăh ớng phát tri n 47

5.1 Kết luận 47

5.2ăH ớng phát tri n 58

Tài liệu tham khảo 50

DANH M ỤC CHỮ VIẾT TẮT

CAD: Computer Aided Design

CAM: Computer Aided Manufacturing

CAE: Computer Aided Engineering

CNC: Computer Numerical Control

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 1.1 Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằngăhơiăn ớc….……….….2

Hình 1.2 Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngo i.………2

Hình 1.3ăPh ơngăphápăgiaănhiệt cho khuôn bằng dòng khí nóng……… 3

Hình 1.4ăPh ơngăphápăgiaănhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ……….4

Hình 2.1 Nguyên lý ho tăđộng củaăph ơngăphápăgiaănhiệt bằng cảm ứng từ…11 Hìnhă2.2ăDòngăđiện cảm ứngătrongăph ơngăphápăgiaănhiệt bằng cảm ứng từ…12 Hình 3.1 Máy gia nhiệt bằng cảm ứng từ……… 16

Hình 3.2 Thiết kế 1……….18

Hình 3.3 Thiết kế 2……….18

Hình 3.4 Thiết kế 3……….19

Hình 3.5 Thiết kế 4……….19

Hình 3.6ăKíchăth ớc của tấm khuôn thí nghiệm……… ….20

Hình 3.7 Thiết b điều chỉnh nhiệtăđộ khuôn……… 21

Hình 3.8 Camera nhiệt……….22

Hình 3.9 Giao diện của phần mềm phân tích nhiệtăđộ……… 23

Hình 3.10 Thiết b đoănhiệt (tiếp xúc)……….24

Hình 3.11ăCácăb ớc thí nghiệm………25

Hình 3.12 Hệ thốngăđoănhiệtăđộ………26

Hình 3.13 V tríăđoănhiệtăđộ……… 26

Hình 4.1 Mô hình mô phỏng……….29

Hình 4.4 Phân bố nhiệtăđộ của cuộn dây thứ 2………31

Hình 4.5 Phân bố nhiệtăđộ của cuộn dây thứ 3………32

Hình 4.6 Phân bố nhiệtăđộ của cuộn dây thứ 4………32

Hình 4.7 So sánh phân bố nhiệtăđộ t iă3ăđi m với 4 lo i cuộn dây……….33

Hình 4.8 Hệ thống thiết b thí nghiệm……… 34

Hình 4.9 Cuộn dây và tấm khuôn cho thí nghiệm……… 34

Hình 4.10 Kết quả gia nhiệt khi sử dụng cuộn dây 2D………35

Hình 4.11 Kết quả gia nhiệt khi sử dụng cuộn dây 3D………35

Hình 4.12 Nhiệt độ t iă3ăđi m khi cuộnădâyă2Dăđ ợc sử dụng……… 36

Hình 4.13 Nhiệtăđộ t iă3ăđi m khi cuộnădâyă3Dăđ ợc sử dụng……… 36

Hình 4.14 Khoảng cách giữa cuộn dây và khuôn………37

Hình 4.15 Chiều cao của cuộn dây……… 38

Hình 4.16ăB ớc của cuộn dây……… 38

Hình 4.17 Tiết diện của cuộn dây……….38

Hình 4.18 Nhiệtă độ bề mặt tấmă khuônă khiă Kă thayă đổi từ 1ă mmă đến 5 mm (Mô phỏng)……… 39

Hình 4.19 Phân bố nhiệtăđộ t i bề mặt khuôn khi K thayăđổi………40

Hình 4-20 Nhiệtăđộ bề mặt tấmăkhuônăkhiăHăthayăđổi từ 40mmăđến 80mm………41

Hình 4-21 Phân bố nhiệtăđộ t i bề mặtăkhuônăkhiăHăthayăđổi……… 42

Hình 4-22 Nhiệtăđộ bề mặt tấm khuôn khi P thayăđổi từ 3mmăđến 7mm (Mô phỏng)……… 43

Hình 4-23 Phân bố nhiệtăđộ t i bề mặtăkhuônăkhiăPăthayăđổi từ 3ăđến 7 mm…….44

Hình 4-24 Nhiệtăđộ t i bề mặt khuôn khi tiết diệnădâyăthayăđổi……….45

Hìnhă5.2ăMôăhìnhăchiaăl ới của cuộn dây gia nhiệt và tấm khuôn trên bề mặt khuôn

Hình 5.3 Phân bố nhiệtăđộ trên tấm khuôn trong thời gian gia nhiệt 10 giây…… 49

DANH SÁCH CÁC B NG

B NG TRANG

Bảng 1.1 Kế ho ch thực hiện……… 9

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của máy gia nhiệt bằng cảm ứng từ………….17

Bảng 3.2 Thông số của thiết b điều khi n nhiệtăđộ khuôn bằngăn ớc…….21

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của camera nhiệt……… 22

Bảng 3.4 Thông số của thiết b đoănhiệt tiếp xúc……… 24

Bảng 4.1 Thông số mô phỏng cho 4 thiết kế của cuộn dây……… 28

Bảng 4.2 Thông số chính của quá trình mô phỏng………30

Bảng 4.3 Thông số thiết kế của cuộn dây 3D……… 37

đ ợc d dàngăhơn,ăvàătrongăhầu hếtăcácătr ờng hợp, chấtăl ợng bề mặt sản phẩm sẽ

đ ợc cải thiệnăđángăk Tuy nhiên, nếu nhiệtăđộ của các tấmăkhuônătĕngăcao, quá trình giải nhiệt của khuôn nhựa sẽ b kéo dài, và chu kỳ phun ép sẽ tốn nhiều thời gian, giá thành sản phẩmăcũngăsẽ giaătĕng.ă Vìăvậy, mục tiêu quan trọng của quá trìnhăđiều khi n nhiệtăđộ khuôn phun ép là: gia nhiệt cho bề mặtăkhuônăđến nhiệtăđộ yêu cầu,ănh ngăvẫnăđảm bảo thời gian chu kỳ phun ép không quá dài

Dựa vào ảnhăh ởng nhiệtăđộ lên tấm khuôn, quá trình gia nhiệt cho khuôn phunăépăđ ợc 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,ăph ơngăphápăgia nhiệt bằngăhơiăn ớc (steam heating) (Hình 1.1) có th đ tăđ ợc tốcăđộ gia nhiệt

từ 1oC/săđến 3o

C/s [3].ăĐộ gia nhiệtătheoăph ơngăphápănàyăkhôngăđ ợcăđánhăgiáăcaoă

và quá trình giải nhiệtăchoăkhuônăcũngăsẽ gặp nhiều khóăkhĕn.ă

Trong nghiên cứu khác, tốcăđộ gia nhiệtăđ ợc cải tiến đángăk khiăph ơngăpháp gia nhiệt cho bề mặtăkhuônăđ ợc sử dụng.ăQuáătrìnhăđiềnăđầy của nhựa vào lòngăkhuônăđ ợc cải thiện khi bề mặtăkhuônăđ ợc phủ 1 lớp cách nhiệt.ăPh ơngă

pháp này có th tĕng nhiệtăđộ bề mặt khuôn lên khoảng 25o

C [4,ă5].ăSauăđó,ăhệ

thống gia nhiệt bằng tia hồng ngo iă(infraredăheating),ă(hìnhă1.2),ăđ ợc nghiên cứu

và ứng dụng cho khuôn phun ép nhựa [6, 7]

1.1 T ng quan tình hình nghiên c u thu c lĩnh vực c a đ tài ở trong và ngoài

n c

Valve exchange unit

Water Recovery Air recovery

Steam Recovery

CONTROL SYSTEM

MOLD

Hình 1.1 Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằngăhơiăn ớc (Steam heating)

Hình 1.2 Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngo i (infrared heating

Ngoài ra, nhằmăđápăứng yêu cầu gia nhiệt cho các bề mặt phức t p,ăph ơngăpháp thổiăkhíănóngăvàoălòngăkhuônă(gasăheating)ăđưăđ ợc nghiên cứu vàăđánhăgiáă[8, 9] Vớiă ph ơngă phápă này,ă nhiệtă độ bề mặt khuôn có th đ ợcă tĕngă từ 60oCă đến

120oC trong thời gian 2 giây Tuy nhiên, quá trình gia nhiệt này sẽ đ t tới tr ng thái

bảo hòa khi thời gian gia nhiệtăkéoădàiăhơnă4ăgiây.ă uăđi m củaăph ơngăphápăthổi khí nóng vào lòng khuôn (gas heating) là tốcăđộ gia nhiệt rất cao, và thời gian chu

kỳ của sản phẩm sẽ đ ợc rút ngắn Tuy nhiên, thiết kế của khuôn phun ép (Hình 1.3) cầnăđ ợc thực hiện l i nhằm tích hợp hệ thống gia nhiệt vào

Hìnhă1.3ăPh ơngăphápăgia nhiệt cho khuôn bằng dòng khí nóng (Gas heating)

Trong ph ơngă phápă giaă nhiệt bề mặtă (surfaceă heating),ă ph ơngă phápă giaănhiệt bằng cảm ứng từ (inductionăheating)ăđưăđ ợc ứng dụng nhằm h n chế độ cong vênh, co rút, làm mờ đ ờngăhànă(weldingăline),ăcũngănh ăcácăkhuyết tật khác của sản phẩm nhựa

Hình 1.4ăPh ơngăphápăgiaănhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ (Induction heating) Trong các nghiên cứu mớiă đây,ă ph ơngă phápă giaă nhiệt bằng cảm ứng từ (Hìnhă1.4)ăđ ợc kết hợp vớiăl uăchất giải nhiệt nhằmăđiều khi n nhiệtăđộ khuôn

Ph ơngă phápă giaă nhiệt bằng cảm ứng từ có nhữngă uă đi mă v ợt trội so với các

ph ơngăphápăkhácănh :

- Tốcăđộ gia nhiệt cao

- Thời gian gia nhiệt có th kéoădàiăđến 20 giây

- Có th ứng dụngăchoăkhuônăphunăépănh ămộtămoduleăđínhăkèm,ănghĩaălàăkhông cầnăthayăđổi kết cấu khuôn có sẵn

Tuy nhiên, hiện nay, các thiết kế của cuộn dây gia nhiệt chỉ giới h n ở d ng 2D, toàn bộ cuộn dây chỉ đ ợc bố trí trên 2 mặt phẳng.ăĐiều này ảnhăh ởng không

tốtă đến phân bố nhiệtă độ trên bề mặt củaă khuôn.ă Đâyă cũngă là một trong những nguyênănhânălàmătĕngăđộ cong vênh của sản phẩm nhựaăsauăkhiăphunăép.ăĐ khắc

phục hiệnăt ợng này, mô hình cuộnădâyă3Dăđ ợcăđề xuất nhằmănângăcaoăđộ đồng đều về nhiệtăđộ của bề mặt khuôn và giảm cong vênh sản phẩm

1.1.2ăTrongăn ớc:

Hiệnănay,ăcácădoanhănghiệpăViệtăNam,ăcácăđềătàiănghiênăcứuăvềălĩnhăvựcănhựaăđưăcóăđ nhăh ớngăvềănghiênăcứuătốiă uăhóaăquáătrìnhăgiảiănhiệtăchoăkhuônăphunăépănhằmăgiảiăquyếtăăbàiătoánăvềăchiăphíăsảnăxuấtătrongăngànhănhựa.ăTrongăquáătrìnhătìmăhi u,ăcácădoanhănghiệpăViệtăNamăđangătrongăquáătrìnhăkhaiăthácămộtăsốăphầnă mềmă chuyênă dùngă choă môă phỏngă quáă trìnhă giaă côngă nhựaă nh :ă C-Mold, Moldflow,ăMoldex3D,…ăNgoàiăra,ătrongănghiênăcứu,ăđưăcóămộtăsốăđềătàiătìmăhi uăvàăứngădụngăcôngăcụăCADă– CAM – CAEăđ ợcăthựcăhiện nh ăsau:

- LuậnăvĕnătốtănghiệpăcaoăhọcăcủaăhọcăviênăLểăMINHăTRÍă(ĐHăS ăPh mă

KỹăThuậtăTPăHCM):ă“T i ưỐ hóa giải nhi t ỆhỐôn Ứp phỐn”.ăLuậnăvĕnănàyăđưăđềă

cậpăđếnăcơăsởăcủaăviệcăthiếtăkếăhệăthốngăgiảiănhiệtăcủaăkhuônăépăphunădựaătrênălýăthuyếtătruyềnănhiệt,ăứngădụng ph ơngăphápănàyăđ ătínhătoánăhệăthốngăgiảiănhiệtăchoă sảnă phẩmă làă mộtă tấmă mỏng,ă sauă đóă sửă dụngă phầnă mềmă Moldflowă đ ă môăphỏng,ăki mătraăkếtăquả.ăTuyănhiên,ănộiădungăđềătàiănàyăch aăđ aăraăđ ợcăph ơngăphápătốiă uăchoăviệcăthiếtăkếăhệăthốngăgiảiănhiệt,ăvàăviệcătínhătoán,ămôăphỏngăchỉădừngăl iăởămộtăchiătiếtăquáăđơnăgiản,ăch aăphùăhợpăvớiăyêuăcầuăthựcătế

- LuậnăvĕnătốtănghiệpăcaoăhọcăcủaăhọcăviênăNGUY NăVĔNăTHÀNHă(ĐHă

BáchăKhoaăTPăHCM):ă“Nghiên c Ố xây dựng qỐi trình thiết Ệế h th ng ệàm ngỐội

cho khuôn ép phu n nhựa theo công ngh CAD / CAE”.ăLuậnăvĕnănàyăđưăđềăcậpăđếnă

lýăthuyếtătruyềnănhiệtăvàăứngădụngănóătrongăkhuônăépăphun,ănhằmăxácăđ nhăkíchă

th ớcăvàăphânăbốăhệăthốngălàmănguội,ăxâyădựngăđ ợcăquiătrìnhăthiếtăkếăhệăthốngălàmănguộiăchoăkhuônăépăphunătheoăcôngănghệăCADă/ăCAE,ăápădụngăquiătrìnhănàyăchoăsảnăphẩmălàăkhuônăvỏăbìnhăn ớcănóng

- Đề tài nghiên cứu khoa học – công nghệ,ă PGS.TSă ĐOÀNă TH MINH

TRINHăđưăthực hiệnăđề tàiă:ă“ ng dụng công ngh CAD/CAM/CAE, xác định thông

s mi ng phun, vùng d ồn nén khí, kích thước kênh d n nhựa, h th ng giải nhi t

h ợp lý cho khuôn ép phun nhựa”ă(thuộcăch ơngătrìnhă“Nghiênăcứu tự độngăhóa”ăcủa

thành phố), thực hiện trong thời gian 9-2003ăđến 8-2004, nghiệm thu ngày

30-8-2004

Tuyănhiên,ăđếnăhiện nay,ălĩnhăvựcăđiềuăkhi nănhiệtăđộăkhuônăchỉăđ ợcăhi uăvàăthựcăhiệnătheoăh ớngăgiảiănhiệtăchoăkhuôn,ăvớiămụcătiêuăquanătrọngănhấtălàălàmănguộiăkhuônătrongăthờiăgianăngắnănhất.ăNg ợcăl i,ăquáătrìnhăgiaănhiệtăchoăkhuônăvẫnăch aăđ ợcăquanătâmăđúngămức.ăDoăđó,ăthựcătr ngăcủaăsảnăxuấtăsảnăphẩmănhựaă

t iăViệtăNamăchỉădừngăl iăởănhómăcácăsảnăphẩmăđơnăgiản,ăchấtăl ợngăthấp,ăvàăchủăyếuătậpătrungăvàoălĩnhăvựcăhàngătiêuădùng

1.2 Tính c ấp thi t c a đ tài

Nh ăđưătrìnhăbàyăởătrên,ăviệcăthiếtăkếăhệăthốngăkhuônăépănhựaănóiăchungăvàăthiếtăkếăhệăthốngăđiềuăkhi nănhiệtăđộănóiăriêngălàămộtăquáătrìnhăphứcăt p,ăđòiăhỏiătốnănhiềuăchiăphíăvàăthờiăgian.ăHiệnănay,ăviệcăthiếtăkếăhệăthốngălàmănguộiăđ ợcăthựcăhiệnătheoă2ăph ơngăpháp:

- Thiếtăkếătheoăkinhănghiệm

- Thiếtăkếăvớiăsựătrợăgiúpăcủaămáyătínhă(sửădụngăcôngăcụăCAE)

Tuy nhiên, cả haiăph ơngăphápănàyăđều tập trung chủ yếu vào quá trình giải nhiệtăchoăkhuôn.ăDoăđó,ăđaăsố các công ty sản xuất sản phẩm nhựa t i Việt Nam chỉ dừng l i ở nhóm các sản phẩmăđơnăgiản, chấtăl ợng thấp, và chủ yếu tập trung vào lĩnhăvực hàngătiêuădùng.ăNgoàiăra,ăcácăph ơngăánăgiải quyết các vấnăđề về cong

vênh,ăđ ờng hàn, chấtăl ợng bề mặt…ăvẫn còn rất h n chế và tốn nhiều chi phí

trong qua trình gia công

1.3 M ục tiêu đ tƠi, đối t ợng nghiên c u

1.3.1 Mụcătiêuăđề tài:

Nghiên cứuăph ơngăpháp gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa theo nguyên lý gia nhiệt bề mặt bằng cảm ứng từ với các mụcătiêuănh ăsau:

- Tốcăđộ gia nhiệtăđủ nhanh (sau 3-5 giây, nhiệtăđộ bề mặtăkhuônăđ t tới nhiệt

1.3.2ăĐốiăt ợng nghiên cứu

Mô hình gia nhiệt cho tấm khuôn phun ép bao gồm:

- Hệ thốngăđiều khi n nhiệtăđộ cho khuôn bằngăn ớc

- Hệ thống dẫnăn ớc giải nhiệt trong lòng khuôn

- Tấm khuôn

- Ph ơngăphápămôăphỏng nhằm dự đoánăkết quả gia nhiệt cho bề mặt khuôn

1.4 Nhi m v ụ nghiên c u và gi i h n c a đ tài

1.4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Thuăthậpăvàăphânătíchătàiăliệuăvềăkỹăthuật điềuăkhi nănhiệtăđộăchoăkhuônăphunăépăgồmă2ănhómăchính:

- Môăphỏngăcácăthiếtăkếăcủaăcuộnădâyăvàăchọnăraăcácăthiếtăkếăkhảăthiă

- Thực nghiệmănhằmăki măchứngăcácăkếtăquảăphânătích,ămôăphỏng

- Tổngăkếtăvàăđ aăraăcácăph ơngăánătốiă uăhóa

1.4.2 Giới h năđề tài:

Sử dụngă ph ơngă phápă đ nhă l ợng trong quá trình tính toán, phân tích mô

phỏng kết hợp với thực nghiệm nhằm ki m chứng kết quả

1.5.2.ăPh ơngăphápănghiênăcứu

1.5.2.1 ẫhương pháp thỐ th p và tổng hợp tài li u:

Thuăthập,ăphânătíchăvàăbiênăd chătàiăliệuăliênăquanătớiăkỹăthuậtăgiaănhiệtăchoăkhuôn phunăépănhựa:ăđảmăbảoătínhăđaăd ng,ăđaăchiềuăvàătậnădụngăđ ợcăcácăkếtăquảăcủaăcácănghiênăcứuămớiănhất,ăphùăhợpăvớiănộiădungănghiênăcứuăcủaăđềătài

1.5.2.2 ẫhương pháp phân tích thực nghi m:

- Dựaătrênăcácăkếtăquảăvàăthấtăb iătrongăthựcănghiệm,ălựaăchọnăđ ợcăcấuăhình thiếtăb ăphùăhợp,ătốiă uăhóaăđ ợcăquyătrìnhăthuăthậpăkếtăquảăthíănghiệm

- Ễpădụngăquyătrìnhăthíănghiệmătrênăcácăthiếtăkếăkhácănhauăcủaăcuộnădâyă(thiếtăkếă2Dăvàă3D)

1.5.2.3 ẫhương pháp phân tích so sánh:

Dựaătrênăcácăkếtăquảăvềămôăphỏngăvàăthựcănghiệmăsoăsánhăgiữaă2ăthiếtăkếăcủaăcuộnădâyă(2Dăvàă3D)ăvềăcácăyếuătố:ă

- Phânăbốănhiệtăđộătrênăbềămặtăkhuôn

- Giáătr ănhiệtăđộăcaoănhấtăcủaăquáătrìnhăgiaănhiệt.ă

Từăđóălàmăsángătỏălýăthuyếtăvàăkếtăquảăcóătínhăthuyếtăphụcăcao

1.6 K ho ch th ực hi n

Kếăho chăthựcăhiệnăluậnăvĕn đ ợcătrìnhăbàyătómătắtătrongăbảngă1.1

STT N i dung công vi c Thời gian thực hi n Ghi chú

đề cậpăđến

Ph ơngăphápăgiaănhiệt bằng cảm ứng từ th ờngăđ ợc sử dụng trong quá trình gia nhiệt cho các vật liệu sắt từ nhằm nâng nhiệtăđộ lênăđến tr ng thái lỏng (nóng chảy), hoặcăđến nhiệtăđộ chuy năđổi pha (quá trình tôi cao tần) Hiện nay, trongăcácăph ơngăphápăgiaăcôngătiênătiến,ăph ơngăphápăgiaănhiệtănàyăcóă uăđi m

v ợt trội về tốcăđộ gia nhiệt,ăđộ ổnăđ nh,ăcũngănh ăkhả nĕngăđiều khi n quá trình gia nhiệt.ă Nhìnă chung,ă ph ơngă phápă giaă nhiệt bằng cảm ứng từ thuộcă nhómă ph ơngăpháp gia nhiệt không tiếpăxúc.ăPh ơngăphápănàyădựa trên ảnhăh ởng củaădòngăđiện cao tần trong cuộn dây (coil) t oănênădòngăđiện cảm ứng trên bề mặt cần gia nhiệt

Nhờ dòngăđiện cảm ứng này, bề mặt cần gia nhiệt sẽ đ ợcănungănóngăđến giá tr cần thiết.ăDoăđặcăđi m về dòngăđiện cảm ứng từ, trong quá trình gia nhiệt, hầuănh ăchỉ

phần vật liệu gần lớp bề mặt b ảnhăh ởngă(nungănóng),ădoăđó,ăhiệu quả của quá trình gia nhiệtăđ ợc nâng cao Ngoài ra, trong quá trình phun ép, sau khi bề mặt khuônăđ ợc gia nhiệtăvàăđ tăđến giá tr nhiệtăđộ nhấtăđ nh, nhựa nóng sẽ đ ợc phun vàoălòngăkhuôn,ăsauăđó,ăquáătrìnhăgiải nhiệt cho khuôn sẽ di năra.ăVìăph ơngăpháp

cảm ứng từ chỉ gia nhiệt t i bề mặtăkhuôn,ădoăđó,ăquáătrìnhăgiải nhiệt cho khuôn sẽ

2.1 Gi i thi u chung v ph ng pháp gia nhi t b ng c m ng t

di n ra d dàng và tốcăđộ giải nhiệt sẽ nhanhăhơnăsoăvớiăcácăph ơngăphápăgiaănhiệt khác

Nguyên lý ho tă động củaă ph ơngă phápă giaă nhiệt bằng cảm ứng từ đ ợc trìnhăbàyănh ă Hình 2.1 và 2.2 Thiết b gia nhiệt bằng cảm ứng từ sẽ cấp nguồn điện, t oăraădòngăđiện cao tần ch y trong cuộn dây (Cuộnăsơăcấp – primary coil)ănh ăHìnhă2.1.ăDòngăđiện này sẽ t o ra từ tr ờngăthayăđổi xung quanh cuộn dây với cùng

tần số của nguồn cao tần Theoăđ nh luật Faraday, nếu có một cuộn dây khác nằm trong vùng ảnhăh ởng của từ tr ờngănày,ădòngăđiện cảm ứng sẽ đ ợc t o ra bên trong cuộn thứ cấp (Secondary coil) Vì vậy,ătrongăph ơngăphápăgiaănhiệt cho bề mặtăkhuônătheoăph ơngăphápăcảm ứng từ, cuộn dây sẽ đóngăvaiătròănh ăcuộnăsơă

cấp, và bề mặt khuôn sẽ đóngăvaiătròănh ăcuộn thứ cấpă(Hìnhă2.2).ăKhiăcóădòngăđiện cao tần ch y trong cuộn dây, từ tr ờng biến thiên với tần số cao sẽ đ ợc t o ra Nếu

bề mặt cần gia nhiệt củaăkhuônăđ ợcăđặt gần cuộn dây, dòngăđiện cảm ứng sẽ xuất

hiện trên bề mặt khuôn, và quá trình gia nhiệt sẽ đ ợc thực hiện

Hình 2.1 Nguyên lý ho tăđộng củaăph ơngăphápăgiaănhiệt bằng cảm ứng từ

Hìnhă2.2ăDòngăđiện cảm ứngătrongăph ơngăphápăgiaănhiệt bằng cảm ứng từ

2.2 Hi u ng b m ặt

Trong quá trình gia nhiệt cho bề mặt khuôn, do ảnhăh ởng củaădòngăđiện cao

tần, hiệnăt ợng gia nhiệt chỉ tập trung t i bề mặt của lòng khuôn Trong các nghiên

cứu về hiệnăt ợng cảm ứngăđiện từ,ăkhiădòngăđiện có tầng số càngăcao,ădòngăđiện

cảm ứng trên vật cần gia nhiệt sẽ càng tập trung t i bề mặt.ăDoăđó,ăhiệu ứng nung nóng bề mặt sẽ càngăđ ợc th hiện rõ

Chiều sâu lớp gia nhiệt (Heating layer or Penetration depth) tính từ bề mặt

của vật cần gia nhiệtăđ ợcăxácăđ nh theo công thức sau [7]:

f







 

Với:

 :ăĐiện trở suất (Resistivity) [W.m]

µăă:ăĐộ ngấm từ (Magnetical permeability) [H/m]

f : Tần số (Frequency) [Hz]

Theoănh ăcôngăthứcătrên,ăđộ ngấm từ phụ thuộc vào tính chất vật liệu của vật cần gia nhiệt và tần số dòngăđiện.ăDoăđó,ăvới cùng lo i vật liệu, hiệu suất và chiều dày của lớp gia nhiệt có th đ ợcăthayă đổi thông qua việcăđiều chỉnh tần số của dòngăđiện Với các lo i vật liệu từ tính thấp,ănh ăđồngă(Cu)ăvàănhômă(Al),ăđộ ngấm

từ (Magneticală permeability)ă th ờngă làă 1.ă Ng ợc l i, với các lo i vật liệu sắt từ (Ferromagneticămaterial),ănh ăthép,ăđộ ngắm từ th ờngăcaoăhơnărất nhiều.ăDoăđó,ăkhi gia nhiệt cho vật liệu sắt từ, nhờ hiệu ứng bề mặt, quá trình gia nhiệt sẽ tập trung

t i bề mặt của vật cần gia nhiệt Vì vậy, hiệu suất của quá trình gia nhiệt sẽ nâng cao đángăk

2.3 Thi t k c a cu n dây gia nhi t (coil design)

Trong quá trình gia nhiệt cho bề mặtăkhuôn,ădòngăđiện cảm ứng trên bề mặt khuônăđ ợc t o ra bởi từ tr ờngăthayăđổi củaădòngăđiện trong cuộn dây (coil) Do đó,ăvới các thiết kế khác nhau của cuộn dây, từ tr ờng sẽ thayăđổi, và kết quả là phân bố nhiệtăđộ trên bề mặtălòngăkhuônăcũngăsẽ khác nhau Với thiết kế tốt, cuộn dây sẽ t o ra vùng gia nhiệt hợp lý cho bề mặt khuôn, ngoài ra, hiệu suất của quá trình gia nhiệtă cũng đ ợc tốiă uă hơn.ă Nhìnă chung,ă trongă lĩnhă vực gia nhiệt cho khuôn phun ép theo nguyên lý cảm ứng từ, cuộn dây gia nhiệt (induction coil)

th ờngăđ ợc làm từ ốngăđồng vớiăđ ờng kính từ 5ămmăđến 14 mm Tùy theo từng

lo i khuôn và khu vực cần gia nhiệt, cuộn dây có th có 1 vòng (turn) hoặc nhiều vòng d ng xoắn ốc (helical) với tiết diện tròn (round) hoặc vuông (square) Bên

c nh thông số về cuộn dây, khoảng cách giữa cuộn dây và bề mặt cần gia nhiệtăcũngă

là một trong những thông số quan trọng Nếu khoảng cách này nhỏ, hiệu suất của quá trình gia nhiệt sẽ lớnăhơn.ă[10]

2.4 M t s ố đặc đi m n i b t c a quá trình gia nhi t theo ph ng pháp c m ng

t

- Quá trình gia nhiệt:

(+) Do mậtăđộ dòngăđiện (current density) tập trung t i bề mặt gia nhiệt nên quá trình gia nhiệt sẽ đ ợc thực hiện với tốcăđộ cao

(+) Với mục tiêu nâng nhiệtă độ bề mặt lên giá tr caoă (caoă hơnă nhiệtă độ chuy n pha (Tg) của vật liệu nhựa),ăph ơngăphápăgiaănhiệt bằng cảm ứng

từ là một trong nhữngăph ơngăphápămangătínhăkhả thi nhất

(+)ăPh ơngăphápăgia nhiệt bằng cảm ứng từ có th dùngăchoătr ờng hợp cần gia nhiệt cục bộ t i một cùng nhỏ trên bề mặt khuôn

(+) Các trang thiết b đ ợc dùng trong quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ có

th đ ợc tự động hóa d dàng

- Nĕngăl ợng:

(+)ăPh ơngăphápăgiaănhiệt bằng cảm ứng từ mang tính hiệu quả cao về mặt nĕngăl ợng [11, 2, 10] Tuy nhiên, mứcăđộ hiệu quả này phụ thuộc nhiều vào lo i vật liệu cần gia nhiệt

(+) Trong qui trình phun ép nhựa, quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ

th ờng di n ra với tốcăđộ nhanh,ădoăđó, phần tổn thất nhiệtănĕngăraăngoàiămôiătr ờngăđ ợc h n chế tốtăđa

- Chấtăl ợng vùng gia nhiệt:

(+) Vùng gia nhiệt có th đ ợcăđiều khi n d dàng thông qua thiết kế cuộn dây gia nhiệt hợp lý

(+) Quá trình gia nhiệt có th đ ợc mô phỏng, tính toán chính xác tr ớc khi

tiến hành thực tế

- So vớiăcácăph ơngăphápăgiaănhiệtăkhác,ăph ơngăphápăgiaănhiệt bằng cảm ứng từ có một số uăđi m sau:

(+)ăQuáătrìnhăđiều khi n nhiệtăđộ có th đ ợc tiến hành d dàng

(+) Quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ chỉ có ảnhăh ởngăđến lớp bề mặt của khuôn,ădoăđó,ăhiệu quả về mặtănĕngăl ợngăcaoăhơnărất nhiều so vớiăph ơngăphápădùngăđiện trở đ gia nhiệt

(+) Quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ gầnănh ăkhôngăphụ thuộcăvàoăđiều kiệnămôiătr ờng bên ngoài

(+)ăĐâyălàăph ơngăphápăgiaănhiệt không ảnhăh ởng xấuăđếnămôiătr ờng

- Một số nh ợcăđi m cầnăđ ợc khắc phục củaăph ơngăphápăgiaănhiệt bằng

cảm ứng từ:

(+) Chỉ ứng dụng tốt với các lo i vật liệu sắt từ

(+) Giá của thiết b vẫn còn khá cao

(+) Với các bề mặt phức t p, rấtăkhóăđ cóăđ ợc thiết kế của cuộn dây thích

hợp

Ch ơngă3

Ch ơngănàyăsẽ giới thiệu về ứng dụng các thiết kế khác nhau của cuộn dây

nhằmănângăcaoăđộ đồng đều về nhiệtăđộ của quá trình gia nhiệt trên bề mặt khuôn Ngoài ra, các trang thiết b phục vụ cho quá trình thí nghiệmăcũngăđ ợcăđề cậpăđến

3.1 Trang thi t b thí nghi m

3.1.1 Máy gia nhiệt bằng cảm ứng từ:

Trong nghiên cứu này, máy gia nhiệt (Hình 3-1) bằng cảm ứng từ sẽ đ ợc sử

dụng nhằm cung cấp nguồnăđiện xoay chiều có tần số cao cho cuộn dây (coil) nhằm

t o ra từ tr ờng cảm ứng lên bề mặt gia nhiệt Trong quá trình gia nhiệt,ăn ớc sẽ

đ ợc sử dụngănh ădungăd ch giải nhiệt cho máy và cuộn dây Thiết b này có th cung cấp nguồnăđiệnăcóăc ờngăđộ cao nhất là 150 A với công suất cựcăđ i: 45 kW Các thông số chi tiết của thiết b đ ợcătrìnhăbàyănh ăBảng 3-1

Thông s ố Giá tr

Hệ thốngăđiều khi n PLC

Số l ợng cảm biến 04-Thg8 Công suất cựcăđ i 80(Kw)

Trong nghiên cứu này, nhiều thiết kế của cuộn dây sẽ đ ợc thử nghiệm Kích

th ớc của các cuộnădâyăđ ợc thiết kế phù hợp vớiăkíchăth ớc của tấm khuôn thí nghiệmă (100ă mmă xă 100ă mmă xă 30ă mm).ă Đ quan sát tốtă tr ờng nhiệtă độ (Temperature distribution) của quá trình gia nhiệt lên bề mặtăkhuôn,ăkíchăth ớc lớn

nhất của cuộn dây sẽ nhỏ hơnăkíchăth ớc của kề mặt khuôn Hình 3-2ăđến 3-5 trình bàyăkíchăth ớc của các cuộnădâyăđ ợc dùng trong nghiên cứu này Trong quá trình thí nghiệm, các cuộnădâyăđ ợc chế t o từ ốngăđồng

Hình 3-6 Kíchăth ớc của tấm khuôn thí nghiệm

3.1.4 Hệ thốngăđiều khi n nhiệtăđộ khuôn:

Trong quá trình làm thí nghiệm,ăđ điều chỉnh nhiệtăđộ khuôn, thiết b điều khi n nhiệtăđộ khuôn bằngăn ớcăđ ợc sử dụng Thiết b nàyă đ ợcătrìnhăbàyă nh ăHình 3-7 Thiết b điều khi n nhiệtăđộ khuôn sẽ cung cấp nguồnăn ớc chảy trong các kênh giải nhiệt của tấm khuôn thí nghiệm Nguồnăn ớc này có nhiệtăđộ từ 30o

C đến 90oC.ăCácăđặcăđi m của thiết b nàyăđ ợcătrìnhăbàyănh ăBảng 3-2

Hình 3.7 Thiết b điều chỉnh nhiệtăđộ khuôn

3.1.5 Camera nhiệt:

Trong nghiên cứu này, nhằmă quană sátă tr ờng nhiệtă độ trên bề mặt tấm khuôn, camera nhiệt (Hình 3-8) sẽ đ ợc sử dụng.ăĐâyălàăcameraăcủa công ty Avio NEO THERMO TVS-700.ăCácăđặc tính của cameraănàyăđ ợcătrìnhăbàyănh ăBảng 3-

3 Thông qua camera nhiệt, các tín hiệu về giá tr nhiệtăđộ trên bề mặt khuôn sẽ

đ ợc hi n th bởi bảngămàu,ăthôngăquaăđó,ăng ời sử dụng sẽ d dàng nhận biết phân

bố nhiệtăđộ trên bề mặt cầnăđo.ăNgoàiăra,ăcácătínăhiệuăđoăđ ợc sẽ đ ợc ghi nhận và phân tích bởi phần mềm chuyên dùng cho camera này Thông qua phầm mềm này, giá tr nhiệtăđộ t i bất kỳ v trí trên bề mặtăđoăđềuăđ ợc thu nhận nhằm phục vụ cho quá trình so sánh các kết quả của quá trình gia nhiệt Giao diện của phần mềm phân tích nhiệtăđộ đ ợcătrìnhăbàyănh ăHìnhă3-9

Hình 3.8 Camera nhiệt

B ớc sóng cảm biến (Sensor wavelength) 3~5,4ă(μm)

Tần số quét (Scanning frequency) 0,1(sec)

Độ chính xác (Minimum Sensor Accuracy) 0,08 (o

C) Khoảng nhiệt độ đoă(Temperatureărange) -20~500(oC)