Ảnh hưởng của nhiệt độ nhựa đến độ cong vênh của sản phẩm nhựa dạng tấm cũng được xem xét với chiều dày tấm thay đổi từ 1.0 mm đến 2.5 mm.. Trong quá trình thiết kế và chế tạo các sản ph
Trang 1HẠN CHẾ ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM NHỰA POLYPROPYLENE
DẠNG TẤM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ
REDUCTION OF THE WARPAGE FOR POLYPROPYLENE PLATE
BY MELT TEMPERATURE CONTROL
Phạm Sơn Minh, Thanh Trung Do, Lê Võ
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh
TÓM TẮT
Trong nghiên cứu này, quá trình phun ép các tấm nhựa polypropylene đã được tiến hành mô phỏng và thí nghiệm với sự thay đổi nhiệt độ nhựa từ 200 o C đến 280 o C Ảnh hưởng của nhiệt độ nhựa đến độ cong vênh của sản phẩm nhựa dạng tấm cũng được xem xét với chiều dày tấm thay đổi từ 1.0 mm đến 2.5 mm Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng nhiệt độ nhựa từ 200 o C lên 280 o C, độ cong vênh của sản phẩm nhựa dạng tấm giảm đáng kể Với sản phẩm có chiều dày càng mỏng, hiện tượng cong vênh và
co rút được hạn chế càng nhiều Nghiên cứu này cũng cho thấy kết quả thí nghiệm và kết quả mô phỏng tương đồng với nhau.
Từ khóa: Khuôn phun ép nhựa, nhiệt độ nhựa, độ cong vênh, chiều dày tấm.
ABSTRACT
In this research, the injection molding process of polypropylene plate is simulated and experimented
as a function of melt temperature from 200 o C to 280 o C The effect of melt temperature on the warpage of plate is examined with several plate thicknesses of 1.0 mm, 1.5 mm, 2.0 mm and 2.5 mm The result shows that when the melt temperature increases from 200 o C to 280 o C, the plate warpage significantly reduces for all types of plate thickness Also, the reductions of plate warpage and shrinkage are larger when the plate
is thinner In addition, the results of simulation and experiment have a good agreement.
Keywords: Injection molding, melt temperature, plate warpage, plate thickness.
Trang 21 GIỚI THIỆU CHUNG
Hiện nay, trong lĩnh vực gia công các sản
phẩm nhựa, phương pháp phun ép là một trong
những phương pháp phổ biến và hiệu quả nhất
Trong quy trình này, vật liệu nhựa từ dạng hạt sẽ
được gia nhiệt đến trạng thái dẻo và nóng chảy
thành dạng lỏng ở nhiệt độ thông dụng từ 150 oC
đến 300 oC Sau đó, nhựa nóng chảy sẽ được ép
vào lòng khuôn thông qua cổng phun Trong các
thông số phun ép, giá trị nhiệt độ nhựa nóng chảy
được gọi đơn giản là nhiệt độ nhựa (Melt
tem-perature) Sau khi nhựa đã điền đầy lòng khuôn,
quá trình giải nhiệt cho khuôn và sản phẩm sẽ
tiếp tục diễn ra Khi nhiệt độ nhựa giảm đến giá
trị nhiệt độ mở khuôn, hai lòng khuôn sẽ mở ra,
sản phẩm được lấy ra ngoài và chu kỳ phun ép sẽ
bắt đầu cho sản phẩm mới
Trong quá trình thiết kế và chế tạo các sản
phẩm nhựa dạng tấm với phương pháp phun ép,
hiện tượng co rút và cong vênh luôn xảy ra trong
và sau khi hoàn thành quá trình ép Hiện tượng
co rút sản phẩm xuất hiện do hiện tượng giảm thể
tích của nhựa trong quá trình nguội từ nhiệt độ
nóng chảy đến nhiệt độ mở khuôn, và sẽ tiếp tục
đến khi sản phẩm đạt đến nhiệt độ môi trường
Kết quả của hiện tượng co rút là các vết lõm xuất
hiện trên bề mặt của sản phẩm Mặc dù các vết
lõm này ảnh hưởng không nhiều đến chức năng
của sản phẩm, nhưng tính thẩm mỹ của sản phẩm
sẽ giảm đáng kể Hiện tượng co rút thường xuất
hiện tại các vị trí có chiều dày lớn [1, 2] Với các
sản phẩm nhựa, do thiết kế sản phẩm không đối
xứng, hoặc trong quá trình phun ép, sản phẩm
không nguội đều, do đó, hiện tượng co rút sẽ
không đồng đều trên toàn thể tích sản phẩm Đây
chính là nguyên nhân gây nên hiện tượng cong
vênh của sản phẩm nhựa trong lĩnh vực phun ép
[3 – 5] Ngược lại với co rút, hiện tượng cong vênh
sẽ làm sản phẩm giảm đáng kể độ chính xác về
kích thước, dẫn đến không thỏa mãn yêu cầu của
khách hàng, cũng như trong quá trình lắp ráp các
sản phẩm Ngoài ra, khi hiện tượng co rút không
đều xuất hiện, ứng suất dư sẽ tồn tại, làm ảnh
hưởng xấu đến cơ tính của sản phẩm trong quá
trình làm việc [12-14]
Độ co rút và cong vênh của sản phẩm nhựa phụ thuộc rất nhiều vào thông số phun ép như nhiệt độ khuôn (Mold temperature), áp suất phun (Filling pressure) và thời gian phun (Filling time) Nếu các thông số phun ép được chọn hợp
lý, hiện tượng cong vênh sẽ được hạn chế và thỏa mãn các yêu cầu của khách hàng Hiện nay, có nhiều phương pháp nhằm can thiệp vào quá trình cong vênh của sản phẩm như: Hạ nhiệt độ khuôn, tăng áp suất phun, tăng thời gian định hình… [6- 9] Và thông dụng nhất hiện nay, các thông số phun ép thường được kết hợp theo các phương pháp tối ưu hóa nhằm tìm ra bộ thông số hợp lý nhất [10] Đến nay, đã có nhiều nghiên cứu về vấn
đề cong vênh của sản phẩm nhựa trong lĩnh vực phun ép Tuy nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu dùng các phương pháp tối ưu hóa nhằm tìm ra các bộ thông số tốt nhất cho quá trình phun ép [11-14]
Qua các phân tích nêu trên, hiện tượng co rút và cong vênh là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng và khả năng làm việc của sản phẩm phun ép nhựa Mặc dù có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ co rút sản phẩm như vật liệu, thông số phun ép, thiết kế sản phẩm, thiết kế khuôn,… nhưng ảnh hưởng của nhiệt độ nhựa vẫn chưa được nghiên cứu nhiều và trong thực tế sản xuất, phương pháp lựa chọn theo kinh nghiệm vẫn phải được sử dụng Do đó, trong bài báo này, nhiệt độ nhựa sẽ được nghiên cứu chi tiết hơn Các kết quả về quá trình cong vênh sẽ được tổng hợp và so sánh với các chiều dày sản phẩm khác nhau Đồng thời, quá trình phun ép sẽ được nghiên cứu thông qua phương pháp thí nghiệm
và phương pháp mô phỏng với phần mềm Mold-flow 6.0 Sau đó, kết quả mô phỏng và kết quả thí nghiệm sẽ được tổng hợp và so sánh
2 MÔ TẢ THÍ NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG
Trong nghiên cứu này, nhựa Polypropylene (PP) sẽ được sử dụng trong quá trình thí nghiệm
và mô phỏng với các thông số phun ép được trìnhF
Trang 3bày như Bảng 1 Quá trình mô phỏng với phần
mềm Moldflow 6.0 sẽ được tiến hành thông qua
mô hình mô phỏng có 7658 phần tử Các kích
thước của hệ thống kênh dẫn nhựa được mô hình
hóa như tấm khuôn thực Sau khi quá trình mô
phỏng kết thúc, kết quả về độ cong vênh được thể
hiện như hình 1 Các kết quả này sẽ được tổng
hợp và so sánh với thực nghiệm
Trong quá trình thí nghiệm, nhiệt độ
khuôn được điều chỉnh ở 40 oC, thời gian điền
đầy khuôn là 1 s, thời gian định hình là 5 s, áp
suất phun và áp suất định hình được điều chỉnh
ở 100 MPa, thời gian giải nhiệt là 15 s Các sản
phẩm phun ép trong nghiên cứu là các tấm hình
chữ nhật được thiết kế với kích thước là 30 mm x
150 mm và chiều dày thay đổi là 1.0 mm, 1.5 mm,
2 mm và 2.5mm Ngoài ra, trong quá trình phun
ép, với mỗi loại chiều dày của sản phẩm, các mức
nhiệt độ nhựa sau sẽ được tiến hành thí nghiệm:
200oC, 220oC, 240 oC, 260 oC và 280 oC Ứng với
mỗi trường hợp nhiệt độ nhựa, 20 chu kỳ phun
ép sẽ được tiến hành ép thử nhằm đảm bảo hệ
thống đạt được trạng thái ổn định Sau đó, 10 chu
kỳ kế tiếp sẽ được tiến hành thu thập các mẫu cho
quá trình đo độ cong vênh Độ cong vênh của sản
phẩm được tiến hành đo như hình 2 Ứng với mỗi
loại nhiệt độ nhựa và chiều dày sản phẩm, 10 mẫu
sẽ được đo, và giá trị trung bình của các lần đo sẽ
được sử dụng nhằm so sánh và phân tích với các
trường hợp khác
Hình 1: Kết quả mô phỏng độ cong vênh của sản phẩm
dạng tấm
Hình 2: Đo độ cong vênh của sản phẩm
Bảng 1: Thông số phun ép của nhựa Polypropylene
(PP)
3 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Ứng với các giá trị nhiệt độ nhựa khác nhau, kết quả mô phỏng về độ cong vênh được tổng hợp như Bảng 2 và so sánh như hình 3 Nhìn chung, khi tăng nhiệt độ nhựa từ 200oC đến
280oC, độ cong vênh của tấm nhựa có sự thay đổi đáng kể Với mẫu thử có chiều dày càng mỏng, ảnh hưởng của nhiệt độ nhựa đến cong vênh sản phẩm sẽ càng lớn Với chiều dày 1.0 mm, 1.5
mm, 2.0 mm và 2.5 mm, độ cong vênh đã giảm lần lượt 1.116 mm, 0.756 mm, 0.711 mm và 0.171
mm Khả năng giảm cong vênh của sản phẩm khi tăng nhiệt độ nhựa có thể được giải thích bởi hiện tượng đông đặc nhựa tại vị trí cổng phun (Gate) Trong quy trình phun ép nhựa, sau khi được điền đầy vào lòng khuôn, hiện tượng co rút của vật liệu nhựa sẽ diễn ra do quá trình giảm nhiệt độ Do
đó, tiếp theo quá trình điền đầy nhựa vào lòng khuôn (Filling step) là quá trình định hình (Pack-ing step) Trong quá trình định hình, nhựa sẽ tiếp tục được ép vào lòng khuôn nhằm bù vào phần thể tích bị co rút do quá trình nguội của nhựa Quá trình định hình sẽ tiếp tục diễn ra đến khi phần vật liệu nhựa tại vị trí cổng phun đông đặc [12] Dựa vào quá trình này, nếu nhiệt độ nhựa càng cao, thời gian đông đặc của nhựa tại vị trí cổng phun sẽ dài hơn, do đó, khả năng bù vật liệu
do quá trình co rút sẽ được tiến hành trong thời gian dài hơn Vì vậy, nhìn chung, hiện tượng co rút của sản phẩm sẽ được cải thiện và kết quả là
độ cong vênh của tấm nhựa cũng thay đổi theo chiều hướng tốt hơn Với kết quả này, trong các trường hợp phun ép sản phẩm nhựa có thành
Nhiệt độ nhựa 180 - 290 °C Nhiệt độ khuôn 10.0 - 95.0 °C Tốc độ phun 80 - 240 mm/s Nhiệt độ sấy 70.0 - 93.3 °C Thời gian sấy 2.0 - 24.0 giờ
Độ ẩm cho phép 0.010 - 0.150 %
Áp suất phun 4.14 - 130 MPa
Thông số phun ép
Trang 4mỏng, phương án tăng nhiệt độ nhựa hoàn toàn
có thể sử dụng nhằm giảm độ cong vênh của sản
phẩm, cũng như tăng khả năng điền đầy lòng
khuôn Tuy nhiên, nếu tăng nhiệt độ nhựa quá
giới hạn cho phép của vật liệu, sản phẩm sẽ có thể
bị bavia hoặc giảm độ bền
Với các loại chiều dày sản phẩm khác
nhau, kết quả mô phỏng cho thấy khi tăng chiều
dày từ 1.0 mm đến 2.5 mm và tăng nhiệt độ nhựa
từ 200 oC đến 280 oC, độ cong vênh đã giảm rõ
rệt từ 1.534 mm xuống 0.11 mm Trong nghiên
cứu này, độ cong vênh giảm với tất cả các mức
nhiệt độ nhựa khác nhau khi tăng chiều dày sản
phẩm Kết quả này có thể được giải thích dựa
vào độ cứng vững của sản phẩm: Khi chiều dày
sản phẩm tăng lên, độ cứng vững của tấm được
tăng thêm đáng kể Trong qui trình phun ép, sau
khi sản phẩm được lấy ra khỏi lòng khuôn, hiện
tượng co rút của vật liệu vẫn tiếp tục diễn ra Do
đó, với sản phẩm có chiều dày lớn hơn, khả năng
chống cong vênh sẽ lớn hơn
Bảng 2: Kết quả mô phỏng độ cong vênh của sản phẩm
D (mm)
Nhiệt độ nhựa
200 1.534 1.07 0.835 0.281
220 1.199 0.692 0.591 0.21
240 0.937 0.504 0.25 0.161
260 0.743 0.516 0.139 0.117
280 0.418 0.314 0.124 0.11
Bên cạnh phương pháp mô phỏng, độ
cong vênh của sản phẩm còn được khảo sát bằng
thực nghiệm Các mẫu phun ép ở nhiệt độ khuôn
40 oC và chiều dày sản phẩm 2.5 mm ứng với các
giá trị nhiệt độ nhựa từ 200 oC; đến 280 oC đã được
tiến hành đo kiểm độ cong vênh theo phương
pháp như hình 2 Các kết quả so sánh giữa mô
phỏng và thực nghiệm được tổng hợp như Bảng
3 và so sánh như hình 4 Với chiều dày 2.5 mm,
khi tăng nhiệt độ nhựa từ 200 o lên 280 o, độ cong
vênh đã giảm từ 0.305mm xuống 0.110 mm
Ngoài ra, hình 4 cũng cho thấy kết quả thí nghiệm
và mô phỏng là tương đối giống nhau, quá trình
mô phỏng có thể dự đoán khá chính xác độ cong vênh của sản phẩm nhựa dạng tấm Độ sai lệch lớn nhất giữa mô phỏng và thực nghiệm là 0.024
mm Vì vậy, phương pháp dự đoán độ cong vênh của sản phẩm nhựa phun ép bằng phẩn mềm Moldflow là hoàn toàn khả thi
Hình 3: Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của chiều dày
sản phẩm đến độ cong vênh Bảng 3: Kết quả so sánh mô phỏng độ cong vênh của sản phẩm (δ) giữa thí nghiệm và mô phỏng ứng với
chiều dày 2.5 mm
Hình 4: Kết quả so sánh độ cong vênh của sản phẩm (δ) giữa thực nghiệm và mô phỏng ứng với nhiệt độ
nhựa thay đổi F
Trang 54 KẾT LUẬN
Qua quá trình mô phỏng và đo kiểm thực
tế, các kết luận sau đã được rút ra:
- Khi nhiệt độ nhựa tăng từ 200oC đến
280oC, độ cong vênh của sản phẩm nhựa dạng tấm
có sự thay đổi đáng kể Kết quả này tương tự cho
tất cả các chiều dày của mẫu thử Do đó, phương
pháp tăng nhiệt độ nhựa trong quá trình phun ép
hoàn toàn có thể được sử dụng nhằm hạn chế độ
cong vênh của các sản phẩm nhựa Ngoài ra, với
nhiệt độ nhựa cao, khả năng điền đầy lòng khuôn
trong các trường hợp sản phẩm dạng thành mỏng
hoặc sản phẩm phức tạp cũng được cải thiện đáng
kể Tuy nhiên, thông số nhiệt độ nhựa chỉ được
thay đổi trong khoảng cho phép của vật liệu nhựa
Nếu nhiệt độ nhựa quá cao sẽ dễ dẫn đến khuyết
tật về bavia hoặc làm chậm thời gian giải nhiệt
cho sản phẩm
- Thông qua nghiên cứu này, chiều dày
của sản phẩm cũng có ảnh hưởng lớn đến độ
cong vênh của sản phẩm nhựa dạng tấm Khi tăng
chiều dày từ 1.0 mm đến 2.5 mm, độ cong vênh đã
giảm từ 1.534 mm xuống 0.418 mm với mẫu thử
có chiều dày 1 mm Do đó, chiều dày sản phẩm
cũng là một thông số quan trọng cần được quan
tâm trong quá trình thiết kế các sản phẩm nhựa,
đặc biệt với các sản phẩm dạng thành mỏng
- Thông qua quá trình đo kiểm thực tế,
độ chính xác của các kết quả mô phỏng đã được
kiểm chứng Các kết quả so sánh giữa thí nghiệm
và mô phỏng cho thấy quá trình mô phỏng có
thể dự đoán khá chính xác độ cong vênh của sản
phẩm nhựa dạng tấm Do đó, trong quá trình sản
xuất, công cụ mô phỏng hoàn toàn có khả năng
ứng dụng trong thực tế nhằm dự đoán trước mức
độ cong vênh của sản phẩm nhựa dạng tấm, từ
đó, nhà sản xuất sẽ có các giải pháp khắc phục
hoặc hạn chế độ cong vênh của sản phẩm
Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm tác giả sẽ
tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số
phun ép khác đến quá trình co rút và biến dạng
của sản phẩm phun ép nhựa, cũng như nghiên
cứu quá trình co rút của các dạng sản phẩm khác
nhau như: Hình trụ, hình hộp,…
Ngày nhận bài: 12/6/2014 Ngày phản biện: 14/7/2014 Tài liệu tham khảo:
[1] L Shih-Jung, L Chang-Hsu and W Y-Chuan, Minimizing
the sinkmarks in injection-molded thermoplastics, Adv Polym
Technol, 2001, Vol 20(3), p 202 – 215.
[2] Y Dongang and K Byung, Direct-search-based automatic
minimization of weldlines in injection-molded parts, Polym-Plastics Technol Eng, 1998, Vol 37(4), p.509–525.
[3] R A Harris, R J M Hague and P M Dickens, The
structure of parts produced by stereolithography injection mold tools and the effect on part shrinkage, Int J Machine
Tools Manufact, 2004, Vol 44(1), p 59–64.
[4] M Kurokawa, Y Uchiyama, T Iwai and S Nagai, Performance
of plastic gear made of carbon fiber reinforced PA66, Wear,
2003, Vol 254(5-6), p 468–473.
[5] R Selden, Thin wall molding of engineering plastics – A
literature survey J Inject Mold Technol, 2000, p 159–165.
[6] B H Lee and B H Kim, Optimization of part wall thicknesses
to reduce warpage of injection-molded parts based on the modified complex method, Polym-Plastic Technol Eng, 1995,
Vol 34(5), p 793–811.
[7] M C Huang and C C Tai, The effective factors in the
warpage problem of an injection-molded part with a thin shell feature, J Mater Process Technol, 2001, Vol 110, p 1–9.
[8] M St Jacques, Analysis of thermal warpage in injection
molded flat parts due to unbalanced cooling, Polym Eng Sci,
1982, Vol 22, p 241–5.
[9] K Beiter, K Ishii and L Hornherger, Proposed a
geome-try-based sink index to predict the sink mark depth of injection-molded parts, ASME-DED, 1991 Vol 31, p 111.
[10] S J Liao, D Y Chang, H J Chen, L S Tsou, J R Ho
and H T Yau, Optimal process conditions of shrikage and
warpage of thin-wall parts Polym Eng Sci, 2004, Vol 44(5),
p 917–28.
[11] K.K Kabanemi, H Vaillancourt, H Wang and G Salloum,
Residual stresses, shrinkage, and warpage of complex injection
molded products: numerical simulation and experimental validation, Polym Eng Sci., 1998, Vol 38 (1), p 21–37.
[12] G.U Yuanxian, L.I Haimei and S Changyo, Numerical
simulation of thermally induced stress and warpage in injection-molded thermoplastics, Adv Polym Technol., 2001, Vol 20
(2), p 14–21.
[13] S.J Liu, Modeling and simulation of thermally induced
stress and warpage in injection molded thermoplastics,
Polym Eng Sci., 1996, Vol 36 (6), p 807–818.
[14] K Hiroyuki and K Kiyohito, Warpage anisotropy and
part thickness, Polym Eng Sci., 1996, Vol 36 (10), p 1326–
1335.
