KỸ THUẬT KHUÔN MẪU (CÔNG NGHỆ GIA CÔNG POLYME)

• Đề tài: • 1.Máy ép phun (nguyên lý làm việc) • 2. Bộ phận ép phun và hóa dẻo • 3. Khuôn(một khuôn cụ thể) • 4. Bộ phận kẹp • 5. Bộ phận điều khiển và hệ thống truyền động • 6.Thiết kế khuôn bằng solidwork, proe, … • 7 Tính toán khuôn bằng moldflow • 8. Máy thổi (nguyên lý làm việc) • 9. Kỹ thuật ép phun khí (gas injection mold) • 10. Kỹ thuật ép phun sandwich (sandwich injection mold) • 11. Kỹ thuật ép phun nén ( injection – compression mold)

KỸ THUẬT KHUÔN MẪU

(CÔNG NGHỆ GIA CÔNG POLYME)

GV LÊ VŨ HẢI

• Đề tài:

• 1.Máy ép phun (nguyên lý làm việc)

• 2 Bộ phận ép phun và hóa dẻo

• 3 Khuôn(một khuôn cụ thể)

• 4 Bộ phận kẹp

• 5 Bộ phận điều khiển và hệ thống truyền động

• 6.Thiết kế khuôn bằng solidwork, pro-e, …

• 7 Tính toán khuôn bằng moldflow

• 8 Máy thổi (nguyên lý làm việc)

• 9 Kỹ thuật ép phun khí (gas injection mold)

• 10 Kỹ thuật ép phun sandwich (sandwich injection mold)

• 11 Kỹ thuật ép phun nén ( injection – compression mold)

• 12 Kỹ thuật ép phun sau (back- injection mold)

• 13 Máy đùn (nguyên lý làm việc)

• Hệ thống làm mát

• Hệ thống đẩy

Tài liệu tham khảo

Một số thuật ngữ

Nozzle: béc phun

Blow mold: khuôn thổi

Injection Blow mold: khuôn thổi ép Extrusion Blow mold: khuôn thổi đùn Injection mold: khuôn ép phun

CHƯƠNG 1:

NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA

NHỰA

1 Phân loại và định nghĩa vật liệu polyme

Nhựa và các vật liệu đàn hồi là tên của polyme hữu cơ nhân tạo đƣợc sản xuất từ hỗn hợp hữu cơ có trọng lƣợng phân tử thấp

Có ba nhóm vật liệu polymer khác nhau hoàn toàn:

Nhựa nhiệt dẻo có thể nấu chảy được nhiều lần, có khả năng phân hủy, ít phòng lên với nhiều dung môi Ở nhiệt độ bình thường, chúng thay

đổi từ trạng thái mềm dai đến dẻo hoặc rất cứng Nhựa nhiệt dẻo chiếm thị phần lớn nhất trong

ngành nhựa

Nhựa nhiệt dẻo trong thì tương tự như kính

về cấu trúc phân tử Chúng khác với nhựa nhiệt dẻo tương tự pha lê, có màu đục như sữa Khi

một loại nhựa trong như kính, bảo đảm đó là

nhựa nhiệt trong

Hộp đĩa CD là một ví dụ của nhựa nhiệt trong CD được sản xuất từ nhựa nhiệt trong như kính, do đó trong suốt Tuy nhiên nó được phủ

một lớp có tính phản xạ(nhôm hoặc vàng) Việc phủ nhôm, vàng để giống như kính Vì vậy tia

laser không đi xuyên qua CD mà phản xạ lại

Vật liệu đàn hồi không thể nóng chảy, hòa tan nhưng có thể làm phồng lên Ở nhiệt độ

phòng nó có trạng thái mềm dẻo Các sản phẩm làm từ vật liệu đàn hồi như là siêu, lốp xe Cao

su tự nhiên là trường hợp đặc biệt của loại vật liệu này

Nhựa nhiệt cứng thì cứng Chúng không thể định hình bằng biến dạng dẻo, không nóng chảy, chịu được nhiệt cao Chúng không hòa tan

và khá khó khăn để làm phòng lên Chúng cứng

và giòn ở nhiệt độ bình thường

Nhựa nhiệt dẻo + Hàng tiêu dùng và chi tiết mài mòn thấp

ABS (styrene co-polymers)

STT Nhựa Mềm

ra

Bắt lửa

Màu lửa Cháy

1.2 Các dặt tính biến dạng của nhựa

Các vật liệu polyme có các đặc tính khác nhau khi gia nhiệt Các đặc tính này phụ thuộc

vào nhiều yếu tố khác nhau bao gồm cấu trúc hóa học của phân tử polyme và lực liên kết nội phân

tử

Ép phun là phương pháp gia công chủ yếu

Nó cách khác, vật liệu phải tồn tại ở trạng thái dẻo

để có thể gia công Trạng thái dẻo được đặc trưng bằng các tính chất dòng chảy nhớt

Tính chất biến dạng khi chịu nhiệt độ là đặc tính của vật liệu polymer

Tg: nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh , Tf: nhiệt độ nóng chảy, Td: nhiệt độ phân hủy

Một khi vượt quá nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh, các lực nội phân tử trở nên quá yếu để các ngoại lực làm tách các phân tử lớn với nhau

Cường độ ứng suất giản, trong khi độ giản dài

tăng Ở khoảng nhiệt độ này, nhựa tồ tại ở trạng thái dẻo hoặc đàn hồi như cao su

Cường độ ứng suất giảm, trong khi độ giản dài tăng lên Ở khoảng nhiệt độ này, nhựa tồn tại

ở trạng thái mềm dẻo hoặc như cao su

Khi nhiệt độ tiếp tục tăng cao, lực nội phân

tử hoàn toàn biến mất Polyme tiếp tục trạng thái mềm dẻo đến trạng thái chảy Sự chuyển tiếp này

được biểu diễn bằng khoảng nhiệt độ chảy(Tf)

Nhiệt độ này không thể chỉ định một cách chính

xác Các phương pháp gia công chính như ép phun thực hiện trong phạm vi nhựa nhiệt dẻo

Nếu nhiệt độ vượt quá nhiệt độ phân hủy (Td) thì polyme bị phân hủy

1.3 Các phương pháp định hình và

compound

Ép phun là một trong các phương pháp sử l{ chủ yếu Nó thực hiện ở trạng thái nhựa nhiệt dẻo, nghĩa là trên nhiệt độ chảy, nhiệt độ nóng chảy kết tinh, dưới nhiệt độ phân hủy

Nguên liệu phối trộn (conpound) có nghĩa là vật liệu thô Nó có các dạng: hạt nhỏ, bột, hạt lớn

Nguyên liệu phối trộn phải được lưu trữ trong điều kiện khô ráo Vì độ ẩm không vượt quá giới hạn cho phép (0,1 -:- 0,3 đối với nhựa nhiệt dẻo) Tuy nhiên đối với compound ẩm ướt có thể được sấy ở nhiệt độ khoảng 120 -:- 130 độ trong vòng 8 đến 12 giờ

Ths.Lê Vũ Hải

1.4 Nóng chảy của nhựa

1.4.1 Độ nhớt

Trong quá trình ép phun, polyme tồn tại ở trạng thái nhựa nhiệt dẻo Độ nhớt của chất lỏng là thước đo độ cản của dòng chảy Với chất lỏng

newton, như nước độ, nhớt được định nghĩa bằng η

Để hình dung độ nhớt là gì? Hai thùng có cùng kích thước một thùng đựng nước, một

thùng đựng chất sơn, hai thùng có hai vòi ở đáy cùng đường kính Tiến hành mở vòi cùng một lúc

Ta thấy thời gian chảy hết nước nhỏ hơn thời gian chảy hết sơn Ta nói nước có độ nhớt thấp hơn

1.4.2 Sức căng bề mặt và …

Biên dạng của tốc độ dòng chảy trong ống

Khi chất lỏng chảy trong ống, vận tốc lớn nhất ở giữa mặt cắt ngang của ống Vận tốc giảm dần hướng về thành ống Tại thành ống vận tốc bằng không

Bên cạnh độ nhớt, các yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến tính có thể gia công của nhựa trong việc gia công ép phun Bảng sau trình bày một số loại nhựa được sử dụng trong gia công

ép phun, cung như các tính chất quan trong

trong gia công( ví dụ như, độ co ngót, khả năng chảy, khoảng nhiệt độ gia công)

Chiều dày thành sản phẩm nhựa nhiệt dẻo

TT Vật liệu Chiều dày min (mm) Chiều dày trung bình (mm) Chiều dày max

Quan hệ giữa độ nghiêng thành với độ cao và

chiều dày thành

CHƯƠNG 2:

CÔNG NGHỆ ĐÙN

Sản phẩm sản xuất bằng máy đùn

Phương pháp đùn liên tục chỉ áp dụng cho vật liệu đàn hồi và nhựa nhiệt dẻo, còn đối nhựa nhiệt rắn thì chỉ dùng phương pháp đùn gián đoạn trên máy đùn piston

Đặc điểm của phương pháp đùn liên tục

+ Sản phẩm chỉ định hình theo hai chiều

+ Năng suất máy rất cao

+ Sản phẩm: màng mỏng, tấm phẳng, sợ, ống, bọc cáp, dây dẫn, các sản phẩm rỏng

4.2 MÁY ĐÙN TRỤC VÍT

4.2.1 Phân loại

A- Phân loại theo số trục vít

- Máy 1 trục hay nhiều trục

- Đối với máy nhiều trục, các trục có thề ăn khớp hoặc không ăn khớp, quay cùng chiều hay ngược chiều Do cấu tạo truyền động phức tạp, nên máy nhiều trục ít được sử dụng trong công nghiệp đùn tạo hình, mà thường dùng để trộn và nhựa hóa hỗn hợp

B- Phân loại theo công dùng:

SX ống cứng

SX màng mỏng

Tráng phủ và

SX tấm

Đúc dưới áp suất Cán tấm

SX sơ, sợi

Đùn chi tiết dạng profil

Đùn

SX ống mềm

SX profil Đùn phôi thổi khí

SX màng ống

SX màng phẳng Bọc dây và cáp

SX màng phức hợp và tấm phẳng

SX màng ống

SX dây phẳng

SX màng phẳng

4.2.2 Cấu tạo máy đùn trục vít

Do tính chất đơn giản, dễ vận hành trong công nghiệp polime, máy đùn 1 trục vít thường được sử dụng để gia công sản phẩm

A- Cửa cấp liệu: cửa nạp liệu có thể có tiết diện tròn, chữ nhật, hay vuông, thành đứng, xiêng, tiếp xúc hay võng sâu xuống

Dạng cửa nạp liệu hình c thường được sử dụng khi nguyên liệu ở dạng băng dài

Chiều dài của cửa nạp liệu không bé hơn một bước răng vít

B- Trục vít: Nhiệm vụ của nó là tiếp nhận nguyên

liệu tại cửa nạp, tải tới vùng nhựa hóa, tạo

ma sát trượt để nhựa hóa và trộn, tác dụng như một máy bơm nhựa lỏng tạo một áp

suất để đẩy nhựa thoát khỏi đầu tạo hình

Như vậy nguyên liệu trong trục vít chia thành 3

3 Vùng phối liệu: ở đó nguyên liệu ở dạng chảy nhớt

Trong qua trình di chuyển của nguyên liệu

từ cửa nạp đến đầu tạo hình, nguyên liệu thay đổi trạng thái từ rắn đến mềm cao, rồi chảy nhớt, nên khối lượng riêng thay đổi, và do đó trục vít phải có một hệ số nén nào đó, cho nên trục vít có một trong các dạng sau:

Xét về mặt cơ học, trục vít có chiều cao răng không đổi bền hơn Trái lại, xét về mặt thiết kế, chế tạo và tính năng kỹ thuật thì trục vít có bước không đổi ổn định hơn

Dạng 4.4 e với vùng phối liệu từ 5 đến 10D thường sử dụng cho gia công các loại nhựa dễ chảy, bền nhiệt như PE, PB, PA, PUB, PC Với các loại nhựa có điểm nóng chảy rõ ràng và PS thì dạng vít thường dùng là 4.4f Còn để gia

công các loại nhựa như ABS, CA, PVC, người ta dùng vít 4.4a

Một trong những kích thước có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm là chiều dài

trục vít, vì nó ảnh hưởng đến thời gian lưu lại của nguyên liệu trong máy

Tùy theo mục đích sử dụng, chiều dài của trục vít thay đổi trên một khoảng rộng Để gia công cao su, chiều dài vít so với đường kính L/D biến thiên từ 3 đến 4 Còn đối với vít dùng gia công nhựa nhiệt dẻo, L/D từ 15 -:- 20

Chiều dài của các vùng phân chia trên trục vít tuy có tính chất quy ước nhưng rất quan

trọng, nhất là chiều dài vùng phối liệu Những máy có chiều dài vùng phối liệu ngắn các

thông số nhiệt độ, áp suất, năng suất rất biến động Trái lại, máy có chiều dài vùng phối liệu dài các thông số trên ổ định hơn đồng thời áp suất cũng lớn hơn

Trục vít thường được chế tạo thép không

rỉ Một trong những đòi hỏi quang trọng đối với việc chế tạo trục vít độ cứng của kim loại dùng

chế tạo trục vít, và phải có hệ số ma sát của

nguyên liệu gia cố lên bề mặt phải bé, vì một trong những yếu tố đảm bảo năng suất cao là

hệ số ma sát của vật liệu polyme trên bề mặt trục vít phải bé hơn hệ số ma sát trên bề mặt xylanh Trong nhiều máy để đảm bảo điều

kiện trên, phải tiến hành làm nguội xylanh

Chiều cào của răng vít phải được tính toán

đủ để đảm bảo độ bền, thường không vượt quá 0,007 lần đường kính, và cũng phải đảm bảo được sự ổn định của dòng chảy nên chiều cao cũng không vượt quá 0,1 lần bề rộng rãnh vít

Chiều cao răng vít đùn

Tùy theo cách đốt nóng, lớp ngoài có 1 hay

2 vỏ Những máy dùng để gia công cao su

thường có 2 vỏ để có thể gia nhiệt bằng hơi

nước, hoặc tác nhân nhiệt khác, vì đòi hỏi

nhiệt độ không cao, nhưng có yêu cầu kiểm

soát nhiệt chặt chẽ

Còn dùng gia công chất dẻo, vỏ ngoài

thường 1 lớp, được đốt nóng bằng điện trở vì đòi hỏi nhiệt cao

D- Đầu tạo hình

Bộ phận này giữ nhiệm vụ tạo hình sản phẩm, vì tính đa dạng của sản phẩm đùn nên đầu tạo hình cũng đa dạng: đầu tạo hình màng mỏng, đầu tạo hình ống, đầu tạo hình bọc dây dẫn, đầu tạo hình profile…

yêu cầu đầu tạo hình là

- Không có điểm dừng trên dòng chảy

- Tổn thất áp suất nhỏ

Đầu tạo hình

Sơ đồ cấu tạo một số đầu tạo hình tiêu biểu

a/ Đầu tạo hình tấm

phẳng kiểu đuôi cá

b/ Đầu tạo hình tấm

phẳng kiểu ống góp

Đầu tạo hình

sản xuất ống và phôi ống

Đầu tạo hình sản suất màng ống

Đầu tạo hình bọc dây dẫn

Ngoài các bộ phận chính trên, máy đùn còn có các bộ phận khác như lưới lọc, bộ hướng dòng, …

4.2.3 Quá trình hoạt động của máy đùn

Qua cửa nạp, nguyên liệu rớt vào rãnh vít,

trục vít quay nguyên liệu được tải dần về phía

trước đến vùng nhựa hóa Trong quá trình vận

chuyển do nhiệt cung cấp từ xylanh và do ma sát, nhiệt độ của nguyên liệu tăng lên và chuyển từ

trạng thái rắn rời, sang mềm cao và cuối cùng là dạng chảy nhớt liên tục Ở vùng phối liệu nhờ ma sát mà nhựa lỏng được đẩy tới trước, tạo một áp suất ở đầu trục vít đẩy nhựa thoát khỏi đầu tạo hình Ra khỏi đầu tạo hình, hình dáng sản phẩm được hình thành, sản phẩm cần được làm nguội đến trạng thái thủy tinh

Sản phẩm sau khi được định hình ở dạng liên tục, tùy theo mục đích sử dụng và loại

sản phẩm, người ta có thể cắt thành từ đoạn cần thiết

Việc làm nguội sản phẩm khi thoát ra khỏi đầu tạo hình có thể bằng không khí hay nước

4.2.4 Sự biến đổi trạng thái và chuyển

động của nguyên liệu trong rãnh vít

1/ Vùng nạp liệu: ở vùng này vít giữ chức năng là tải vật liệu Chuyển động của nguyên liệu tuân theo qui luật ma sát khô và sự đảo lộn khối

vật liệu chưa rõ ràng, sự chuyển động của vật liệu mang đặc điểm chuyển động khối, sự thay đổi khối lượng riêng là kết quả của việc vật

liệu bị nén ép trong rãnh vít

2/ Vùng nhựa hóa(làm chảy): vít đóng vai trò

nhựa hóa khối hỗn hợp Nguyên liệu ở vùng

này là hỗn hợp nhựa lỏng và nhựa bột, chuyển động của nguyên liệu tuân theo qui luật ma

sát rắn có bôi trơn, hiện tượng đảo lộn xuất hiện rõ nét hơn

3/ Vùng phối liệu hay nhựa lỏng: Trục vít đóng vai trò như một máy bơm Nguyên liệu đã

hoàn toàn chuyển sang trạng thái chảy nhớt, tuy chuyển động mang tính chất chuyển động khối, nhưng khác với vùng nạp liệu, ở đây

chuyển động tuân theo các qui luật ma sát

nhớt với sự hình thành các lớp mỏng

Tính năng của máy đùn trục vít phụ thuộc vào nó thực hiện 3 nhiện vụ này như thế nào Trên nguyên tắc tổng quát của máy đùn có thể xác định bằng sự phân tích tính năng của từng vùng sau đó kết hợp lại Tuy nhiên khi vùng phối liệu không bị quá tải, thì chúng ta có thể

sử dụng các kết quả phân tích vùng này để tính toán vận hành máy Ngoài ra từ kết quả phân tích này chúng ta có thể rút ra được một

số kết luận tổng quát về các đặc trưng như độ đồng nhất về nhiệt độ của sản phẩm, về tốc

độ đùn, … Cho nên trong các phần sau chúng

ta chỉ tiến hành

phân tích vùng phối liệu của máy trong đó coi như một máy bơm loại vít

4.3 Đặc điểm dòng chảy của nhựa trong

rãnh vít

4.3.1 Mô tả dòng chảy:

Nhựa lỏng di chuyển trong vít đùn là do

chuyển động tương đối của vít so với xylanh

Để tính toán, thường chúng ta xem trục vít

đứng yên, còn xylanh chuyển động quay với vận tốc V = 2.π.R.N

Khi xylanh quay, lớp nhựa lỏng tiếp xúc với thành xylanh sẽ có vận tốc thành xylanh, vận tốc này giảm dần theo bề sâu của rãnh vít và bằng 0 tại đáy trục vít

Do răng vít hình xoắn ốc nên vận tốc V được phân thành 2 thành phần

Vz: hướng dọc theo trục vít

Vx: vuông góc với đường trục

Nếu đầu ra của trục vít để hở, chúng ta có 2

dòng chảy:

+ Dòng chảy dọc trục, Vz, quyết định lưu lượng của nhựa được đùn ra

+ Dòng chảy ngang, Vx, dòng chảy này không

ảnh hưởng đến lưu lượng đùn của nhựa,

nhưng có tác dụng đảo trộn chất lỏng trong

rãnh vít, tạo sự động đều nguyên liệu

Dòng chảy khi đầu ra của vít để hở gọi là

dòng chảy nhớt vì nó hình thành do sự chuyển động tương đối của xylanh, lưu lượng dòng

chảy này là lưu lượng cực đại của máy đùn

Khi đầu ra của vít bị cản( do lưới lọc, đầu tạo hình), thì áp suất được hình thành tại đầu trục vít Chúng ta xem như có một dòng chảy ngược hay dòng chảy áp suất ( vì do sự sai biệt

áp suất) được hình thành Thực tế không có

dòng chảy này, mà dòng chảy dọc trục bị giảm khi đầu ra cản trở, để dễ phân tích, với khái

niệm dòng chảy áp suất, chúng ta có thể xem như dòng chảy dọc trục của vít là tổng dòng

chảy nhớt và dòng chảy áp suất, tức lưu lượng của dòng chảy dọc trục bằng hiệu số lưu lượng của dòng chảy nhớt và dòng chảy áp suất

Khi đầu ra bị bịt kín hoàn toàn, lưu lượng dọc trục của nhựa bằng khg, nghĩa là hiệu ứng

2 dòng chảy thuận nghịch bằng nhau Khi đó

áp suất hình thành tại đầu trục vít là cựa đại

Ngoài hai dòng chảy thuận và chảy nghịch ảnh hưởng đến lưu lượng của vít đùn Chúng

ta còn có dòng chảy rò, chủ yếu là do sự sai biệt áp suất của nhựa lỏng ở 2 bên răng vít Dòng chảy này chảy qua khe hở giữa đỉnh răng vít và thành xylanh Sự hiện của dòng chảy rò làm giảm lưu lượng chung của vít đùn Tuy nhiên khi khe hở bé và nhựa lỏng có độ nhớt cao, thì tổn thất lưu lượng của dòng chảy rò

là không đáng kể, nên khi tính toán thường ít chú ý đến dòng chảy này