Nghiên cứu các ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến chất lượng sản phẩm trong khuôn với kênh dẫn nóng

- Phân tích và tính toán công suất gia nhiệt, sự mất mát nhiệt và áp suất dựa trên sự phân bố nhiệt độ trên tấm chia nhựa và đầu phun của hệ thống kênh dẫn nóng - Thiết kế và chế tạo bộ

ĐAI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa-ĐHQG TP.HCM

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Phan Đình Huấn - Chủ Tịch Hội Đồng

2 TS Hồ Thị Thu Nga -Thư Kí

3 PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh - Phản Biện 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Hùng Dũng MSHV: 12040464

Ngày, tháng, năm sinh: 22/07/1988 Nơi sinh: Tây Ninh

Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy Mã số: 605204

I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ

ÁP SUẤT ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM TRONG KHUÔN VỚI KÊNH DẪN NÓNG

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tổng quan các tài liệu

- Trình bày quy trình và phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng nhiệt và dòng chảy nhựa dẻo để đánh giá và tối ưu phương án thiết kế

- Phân tích và tính toán công suất gia nhiệt, sự mất mát nhiệt và áp suất dựa trên sự phân bố nhiệt độ trên tấm chia nhựa và đầu phun của hệ thống kênh dẫn nóng

- Thiết kế và chế tạo bộ khuôn chén xét nghiệm để tiến hành thực nghiệm

- Phân tích và lựa chọn các thông số công nghệ trong quá trình ép phun

- Thực nghiệm để đánh giá và xác định mối quan hệ của áp suất và nhiệt độ trong quá trình ép phun đến chất lượng sản phẩm

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19-01-2015

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14-06-2015

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS Thái Thị Thu Hà và PGS.TS Đặng Văn Nghìn đã hướng dẫn, giúp đỡ và hỗ trợ

rất nhiệt tình trong quá trình thực hiện luận văn này Những kiến thức và kinh nghiệm quý báu của thầy và cô đã giúp tôi có định hướng đúng đắn, rõ ràng trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Công Ty Nhựa Duy Tân đặc biệt là anh Trần Cao Minh đã tạo mọi điều kiện và hỗ trợ giúp tôi hoàn thành luận văn này

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo trong Khoa Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa TPHCM đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt cho tôi các kiến thức nền tảng trong suốt quá trình học tại trường

Ngoài ra để đạt được kết quả như ngày hôm nay, 1 điều rất quan trọng đã giúp tôi hoàn thành luận văn này chính là sự ủng hộ và khích lệ tinh thần từ

bố mẹ, anh chị em trong gia đình và người vợ tương lai của tôi Xin chân thành cảm ơn mọi người rất nhiều

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay, hơn bao giờ hết, ngành công nghiệp nhựa luôn được thúc đẩy theo

xu hướng nâng cao chất lượng sản phẩm với chi phí sản xuất phải là tối thiểu Mặc

dù hai 2 yếu tố này luôn mẫu thuẫn nhưng chúng luôn được đi kèm với nhau để đáp ứng những nhu cầu ngày càng cao từ người tiêu dùng Chất lượng của các sản phẩm nhựa đặc biệt là các sản phẩm nhựa kỹ thuật và các sản phẩm thành mỏng có ảnh hưởng quyết định về chức năng, mỹ quan cũng như tuổi thọ của chúng Chính vì nhu cầu này mà các nhà làm khuôn luôn phải áp dụng các công nghệ và phương pháp mới để thay đổi chất lượng hiện tại Một trong những giải pháp khá hiệu quả

mà các nhà làm khuôn đã nghĩ đến đó là sử dụng khuôn kênh dẫn nóng với số lượng lòng khuôn lớn nhất có thể để tăng chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và tăng hiệu quả sản xuất.Trên thực tế thì bất kì công nghệ hay hệ thống nào đi nữa điều có những điểm hạn chế nhất định, khuôn sử dụng kênh dẫn nóng cũng không ngoại lệ Một điểm hạn chế lớn nhất khi sử dụng khuôn kênh dẫn nóng với số lượng lòng khuôn càng lớn đó chính là độ đồng nhất, độ chính xác kích thước và khả năng biến tính vật liệu Do đó nhiều nhà nghiên cứu đã bắt tay vào việc xác định các yếu tố có mức độ ảnh hưởng lớn nhất trong khuôn kênh dẫn nóng đối với chất lượng sản phẩm và cuối cùng hai trong các yếu tố có vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm khi dùng khuôn kênh dẫn nóng có nhiều lòng khuôn đã được chứng minh đó

là áp suất và nhiệt độ

Vì thế, trong luận văn này đã trình bày cái nhìn tổng quan liên quan đến các nghiên cứu về các ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ trong quá trình ép đến chất lượng sản phẩm Ngoài ra còn đưa ra các phương pháp mới để tối ưu nhiệt độ và áp suất trong quá trình thiết kế khuôn kênh dẫn nóng để đạt trang thái ổn định nhất Dựa trên các dữ liệu đó để thiết kế và chế tạo một bộ khuôn thực tế với sản phẩm là chén xét nghiệm y tế sẽ được sử dụng làm thực nghiệm để đánh giá và xác định mối quan hệ của áp suất và nhiệt độ trong quá trình ép phun đến chất lượng sản phẩm

LỜI CAM KẾT

Tôi tên: Nguyễn Hùng Dũng

Học viên lớp: Cao học công nghệ chế tạo máy

Mã số học viên: 12040464

Theo quyết định giao đề tài luận văn cao học của phòng Đào Tạo Sau Đại Học của trường Đại Học Bách khoa TP.HCM, tôi đã thực hiện luận văn cao học với đề tài “Nghiên cứu các ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến chất lượng sản phẩm

trong khuôn với kênh dẫn nóng” dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Thái Thị Thu Hà

từ ngày 19/01/2015 đến 14/06/2015

Tôi xin cam kết đây là luận văn tốt nghiệp cao học do tôi thực hiện Tôi đã thực hiện luận văn theo đúng quy định của phòng Đào Tạo Sau Đại Học, Đại Học Bách Khoa TP.HCM

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam kết trên đây

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT x

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Nhu cầu về sản phẩm nhựa kỹ thuật 1

1.2 Giới thiệu về khuôn kênh dẫn nóng 3

1.3 Những vấn đề kỹ thuật cần đặt ra với khuôn sử dụng kênh dẫn nóng 6

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 8

2.1 Tổng quan về áp suất và nhiệt độ trong quá trình ép phun 8

2.1.1 Đặc tính của dòng chảy nhựa dẻo trong khuôn ép phun 8

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi áp suất và nhiệt độ trong lòng khuôn 11

2.1.2.1 Sự mất cân bằng hình học 11

2.1.2.2 Sự mất cân bằng nhiệt 13

2.1.2.3 Sự mất cân bằng ngẫu nhiên 16

2.2 Tổng quan về sự ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến chất lượng sản phẩm 18

2.3 Mục tiêu của luận văn 26

2.4 Nội dung thực hiện của luận văn 26

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ KHUÔN CHÉN XÉT NGHIỆM SỬ DỤNG KÊNH DẪN NÓNG 27

3.1 Sản phẩm chén xét nghiệm y tế 27

3.1.1 Yêu cầu kỹ thuật đối với sản phẩm 28

3.1.2 Tính chất vật liệu của sản phẩm 28

3.2 Phân tích và lựa chọn các tiêu chí đánh giá chất lượng sản phẩm 29

3.3 Tính toán và thiết kế khuôn chén xét nghiệm sử dụng kênh dẫn nóng 32

3.3.1 Thiết kế bộ chia nhựa kênh dẫn nóng 34

3.3.1.1 Kết cấu bộ chia nhựa 34

3.3.1.2 Tính toán công suất gia nhiệt 38

3.3.1.3 Tính toán sự giãn nở nhiệt 44

3.3.2 Thiết kế đầu phun nhựa 48

3.3.2.1 Kết cấu bộ đầu phun nhựa 48

3.3.2.2 Tính toán công suất gia nhiệt cho đầu phun 55

3.3.2.3 Kiểm soát nhiệt trên đầu phun 58

3.4 Cấu trúc bộ điều khiển nhiệt độ trong kênh dẫn nóng 58

3.5 Mô phỏng khuôn chén xét nghiệm sử dụng kênh dẫn nóng 60

3.5.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng Ansys và Moldflow 60

3.5.2 Mô phỏng sự phân bố nhiệt trên bộ chia nhựa bằng phần mềm Ansys 63

3.5.3 Mô phỏng dòng chảy nhựa dẻo trong quá trình ép phun bằng phần mềm Moldflow 67

3.5.3.1 Mô hình toán học của dòng nhựa chảy dẻo 68

3.5.3.2 Phân tích và mô phỏng chén xét nghiệm 71

3.6 Quy trình chế tạo và lắp ráp bộ khuôn chén xét nghiệm 75

3.6.1 Quy trình chế tạo khuôn chén xét nghiệm 75

3.6.2 Quy trình lắp ráp 79

3.6.3 Các hình ảnh sau khi chế tạo bộ khuôn chén xét nghiệm 82

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 83

4.1 Mục đích thí nghiệm 83

4.2 Mô tả các thiết bị sử dụng trong thực nghiệm 83

4.2.1 Máy ép phun 83

4.2.2 Bộ điều khiển nhiệt độ 85

4.2.3 Dụng cụ đo 86

4.3 Phân tích và lựa chọn các thông số công nghệ trong quá trình ép 86

4.4 Đường lối tiến hành thí nghiệm 90

4.5 Kết quả thí nghiệm 91

4.5.1 Thực nghiệm đơn yếu tố 91

4.5.2 Thực nghiệm yếu tố toàn phần 94

4.5.2.1 Phương trình hồi quy của trọng lượng chén xét nghiệm 95

4.5.2.2 Phương trình hồi quy của đường kính chén 97

4.5.2.3 Phương trình hồi quy của chiều cao chén 98

4.5.3 Đánh giá kết quả 99

4.5.3.1 Độ chính xác kích thước và trọng lượng 100

4.5.3.2 Mỹ quan sản phẩm 102

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 103

5.1 Các kết quả đạt được 103

5.2 Các đề nghị và hướng phát triển đề tài 104

DANH MỤC TÀI LIỆU CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

PHỤ LỤC 108

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các sản phẩm nhựa ứng dụng trong kỹ thuật.(a) Các bánh răng trong cơ cấu truyền động, (b) Các chi tiết làm bằng nhựa kỹ thuật trong hệ thống pin ô tô, (C) Các zắc cắm (connector), (D) Phím bấm điện tử, (E) Bảng điều khiển trong ô tô,

(F) Nắp điện thoại 2

Hình 1.2 Các sản phẩm thành mỏng sử dụng trong điện thoại và xe ôtô 3

Hình 1.3 Cấu trúc của hệ thống kênh dẫn [1] 4

Hình 2.1 Nguyên lý hình thành dòng chảy trong khuôn [3] 9

Hình 2.2 (a) Biểu đồ giữa tốc độ trượt cắt và độ nhớt của dòng chảy Newton và phi Newton, (b) Ảnh hưởng của trượt cắt đến hướng và độ nhớt [3] 10

Hình 2.3 Biểu đồ quan hệ giữa tốc độ trượt cắt, độ nhớt và nhiệt độ của dòng chảy phi Newton [3] 10

Hình 2.4 Mất cân bằng hình học 11

Hình 2.5 Sơ đồ bố trí và thiết kế kênh dẫn 13

Hình 2.6 Mất cân bằng nhiệt trong kênh dẫn của tấm chia nhựa 14

Hình 2.7 Sự phân bố nhiệt độ trên đầu phun của khuôn có kênh dẫn nóng [11] 15

Hình 2.8 Đường cong nhiệt độ giữa mô phỏng và thí nghiệm [11] 15

Hình 2.9 Sự mất cân bằng giữa các lòng khuôn trên khuôn semi-hot runner có 24 lòng khuôn 16

Hình 2.10 Sự mất cân bằng dòng chảy khi cân bằng về hình học và nhiệt [7] 17

Hình 2.11 Sự trượt cắt khác nhau trên cùng dòng chảy ảnh hưởng đến kết quả là sự mất cân bằng trong dòng chảy nhựa dẻo [7] 18

Hình 2.12 Sản phẩm và vị trí đặt cảm biến [8] 19

Hình 2.13 Đường cong nhiệt độ biểu diễn độ chênh lệch thời gian điền đầy giữa các lòng khuôn 19

Hình 2.14 Trọng lượng sản phẩm trong mỗi lòng khuôn khi không sử dụng hệ thống giám sát và điều khiển [8] 20

Hình 2.15 Đường cong nhiệt độ biểu diễn sự mất cân bằng dòng chảy [8] 21

Hình 2.16 So sánh độ sai lệch chuẩn của khối lượng các sản phẩm trong 4 lòng

khuôn [8] 21

Hình 2.17 Điều khiển độc lập đường cong áp suất trong mỗi lòng khuôn 22

Hình 2.18 (a) Mô hình điều khiển của phương pháp này (b) Sơ đồ khối [9] 22

Hình 2.19 Bản vẽ khay đầu ra của máy in [9] 23

Hình 2.20 Các kết quả thực nghiệm trong 2 trường hợp [9] 25

Hình 3.1 Bản vẽ sản phẩm chén xét nghiệm y tế 27

Hình 3.2 Đường cong ứng suất-biến dạng theo thời gian chịu tải trọng của vật liệu ABS 30

Hình 3.3 (a) Sản phẩm bị kéo chỉ và đuôi kim , (b) Bị đuôi kim 31

Hình 3.4 Sản phẩm bị ố mờ và cháy vàng 32

Hình 3.5 Kết cấu khuôn chén xét nghiệm y tế 34

Hình 3.6 Sự phân bố nhiệt của 2 tấm chia nhựa có kết cấu khác nhau 35

Hình 3.7 Các Sơ đồ bố trí chén xét nghiệm trên khuôn 36

Hình 3.8 Kết cấu tấm chia nhựa 37

Hình 3.9 (a) Vị trí dòng chảy bị tù, (b) Xử lý góc rẽ nhựa trên tấm chia nhựa [3] 37 Hình 3.10 Mô hình truyền nhiệt của tấm chia nhựa trong khuôn 41

Hình 3.11 Toạ độ của các lỗ trên tấm chia nhựa khi ở trạng thái nóng và lạnh 45

Hình 3.12 Sơ đồ tính toán giãn nở nhiệt theo phương Z 46

Hình 3.13 Các loại đầu phun theo phương pháp gia nhiệt 49

Hình 3.14 Các loại đầu phun theo kiểu miệng phun 51

Hình 3.15 Cấu tạo bộ đầu phun trong khuôn chén xét nghiệm y tế 53

Hình 3.16 Điện trở gia nhiệt đầu phun trong khuôn chén xét nghiệm 58

Hình 3.17 Biểu đồ đo nhiệt độ của một bộ điều khiển nhiệt độ theo dạng role tắt/mở 59

Hình 3.18 Biểu đồ đo nhiệt độ của một bộ điều khiển nhiệt độ theo dạng PID 60

Hình 3.19 Quy trình phát triển sản phẩm 61

Hình 3.20 Sự phân bố nhiệt độ trong kênh dẫn nhựa của 2 tấm chia nhựa có hình dáng khác nhau 63

Hình 3.21 Quy trình các bước phân tích của quá trình mô phỏng sự phân bố nhiệt

trên tấm chia nhựa và đầu phun 64

Hình 3.22 Xây dựng mô hình hóa sự phân bố nhiệt độ của khuôn chén xét nghiệm 65

Hình 3.23 Thiết lập nhiệt độ đầu vào cho tấm chia nhựa và đầu phun 66

Hình 3.24 Sự phân bố nhiệt trên bề mặt ngoài của tấm chia nhựa 66

Hình 3.25 Sự phân bố nhiệt trên các kênh dẫn nhựa của tấm chia nhựa 67

Hình 3.26 Đường cong áp suất trong lòng khuôn [5] 68

Hình 3.27 Quy trình các bước phân tích của quá trình phân tích các giai đoạn trong ép phun 71

Hình 3.28 Mô hình hóa của khuôn chén xét nghiệm có xét đến sự truyền nhiệt của bề mặt các tấm khuôn 72

Hình 3.29 (a) Thời gian điền đầy tại mỗi vị trí trên sản phẩm và nhiệt độ phía trước dòng chảy trong lòng khuôn 73

Hình 3.30 Sự phân bố độ co rút thể tích và đường cong lực kẹp theo thời gian 73

Hình 3.31 Kết quả phân tích hệ thống làm nguội 74

Hình 3.32 Dự đoán thời gian có thể lói sản phẩm 74

Hình 3.33 Kết quả phân tích sự biến dạng 75

Hình 3.34 Bản vẽ tấm chia nhựa 76

Hình 3.35 Quy trình chế tạo tấm tấm chia nhựa 76

Hình 3.36 Bản vẽ bạc ghép tấm chia nhựa 77

Hình 3.37 Quy trình chế tạo bạc ghép tấm chia nhựa 77

Hình 3.38 Bản vẽ thân đầu phun 78

Hình 3.39 Quy trình chế tạo thân đầu phun 78

Hình 3.40 Bản vẽ ty ngắt 79

Hình 3.41 Quy trình chế tạo ty ngắt 79

Hình 3.42 Khuôn được tách ra thành 2 cụm chính khi lắp ráp 80

Hình 3.43 (a) Cụm khuôn bên dương, (b) Cụm khuôn bên âm 82

Hình 3.44 Bộ khuôn chén xét nghiệm y tế 82

Hình 4.1 Máy ép Sumitomo loại SG150U 84

Hình 4.2 Bộ điều khiển nhiệt độ dùng trong khuôn 86

Hình 4.3 Mối quan hệ gữa các yếu tố trên đến áp suất phun[5] 88

Hình 4.4 Đường cong biểu diển ảnh hưởng của áp suất và thời gian nén giữ đến trọng lượng sản phẩm nhựa [5] 89

Hình 4.5 Thực nghiệm đơn yếu tố của trọng lượng khi nhiệt độ thay đổi 92

Hình 4.6 Thực nghiệm đơn yếu tố của đường kính chén khi nhiệt độ thay đổi 93

Hình 4.7 Thực nghiệm đơn yếu tố của đường kính chén khi nhiệt độ thay đổi 93

Hình 4.8 Thực nghiệm đơn yếu tố của trọng lượng khi áp suất nén giữ thay đổi 93

Hình 4.9 Thực nghiệm đơn yếu tố của đường kính khi áp suất nén giữ thay đổi 94

Hình 4.10 Thực nghiệm đơn yếu tố của đường kính khi áp suất nén giữ thay đổi 94

Hình 4.11 Mối quan hệ của áp suất và nhiệt độ đến trọng lượng 100

Hình 4.12 Mối quan hệ của áp suất và nhiệt độ đến chiều cao chén 101

Hình 4.13 Mối quan hệ của áp suất và nhiệt độ đến đường kính chén 101

Hình 4.14 Chén xét nghiệm sau khi thí nghiệm 102

Hình 4.15 Khuyết tật trên chén xét nghiệm khi nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp 102

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tỉ số cho phép giữa chiều dài dòng chảy và độ dày thành 2

Bảng 1.2 Các thuận lợi và hạn chế của khuôn kênh dẫn nóng [1] 5

Bảng 2.1 Các thông số ép cho 8 lần thử nghiệm [9] 24

Bảng 2.2 Độ sai lệch chuẩn của kích thước trong cả 2 trường hợp [9] 25

Bảng 3.1 Tính chất cơ học và các thông số ép của vật liệu nhựa PS-525 29

Bảng 3.2 Xác định số lòng khuôn trong khuôn chén xét nghiệm 33

Bảng 3.3 Các tính chất đặc trưng của thép 2311 38

Bảng 3.4 Năng lượng gia nhiệt trong giai đoạn 1 40

Bảng 3.5 Kết quả tính toán truyền nhiệt trên tấm chia nhựa khuôn chén xét nghiệm 43

Bảng 3.6 Thông số đện trở do nhà cung cấp Roxfil 44

Bảng 3.7 Tính toán sự giãn nở nhiệt cho khuôn chén xét nghiệm 47

Bảng 3.8 Các ưu điểm và hạn chế của các loại đầu phun theo phương pháp gia nhiệt 49

Bảng 3.9 Các ưu điểm và hạn chế của các loại đầu phun theo kiểu miệng phun 52

Bảng 3.10 Năng lượng gia nhiệt trên đầu phun 56

Bảng 3.11 Kết quả tính toán truyền nhiệt trên đầu phun 57

Bảng 4.1 Thông số máy Sumitomo SG150U 84

Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của bộ điều khiển nhiệt độ IBS sử dụng trong khuôn chén xét nghiệm 85

Bảng 4.3 Thông số áp suất và nhiệt độ với các trường hợp khác nhau 90

Bảng 4.4 Kết quả thí nghiệm của khuôn chén xét nghiệm 91

Bảng 4.5 Khảo nghiệm đơn yếu tố khi nhiệt độ ép thay đổi 92

Bảng 4.6 Khảo nghiệm đơn yếu tố khi áp suất nén giữ thay đổi 92

Bảng 4.7 Bảng mã hóa thông số đầu vào 95

Bảng 4.8 Ma trận quy hoạch 95

Bảng 4.9 Các số liệu để tính toán ti của phương trình hồi quy y1 96

Bảng 4.10 Kết quả tính toán ti của phương trình hồi quy y1 96

Bảng 4.11 Kết quả tính toán Ft và Fb của phương trình hồi quy y1 96

Bảng 4.12 Các số liệu để tính toán ti của phương trình hồi quy y2 97

Bảng 4.13 Kết quả tính toán ti của phương trình hồi quy y2 97

Bảng 4.14 Kết quả tính toán Ft và Fb của phương trình hồi quy y1 98

Bảng 4.15 Các số liệu để tính toán ti của phương trình hồi quy y3 99

Bảng 4.16 Kết quả tính toán ti của phương trình hồi quy y3 99

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

CAD: Computer Aided Design

CAE: Computer Aided Engineering

FEM: Finite Element Method

HR: Hot Runner

ASTM: American Society For Testing And Material

PTHQ: Phương Trình Hồi Quy

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Nhu cầu về sản phẩm nhựa kỹ thuật

Xã hội hiện đại, đi kèm theo đó là sự phát triển không ngừng của ngành công nghiệp nhựa đối với các mặt hàng như: tiêu dùng, thiết bị y tế, thiết bị điện tử, các sản phẩm công nghệ cao… Điều đáng quan tâm là ngành công nghiệp nhựa có những ưu điểm vượt trội so với các ngành công nghiệp khác như: sản xuất với số lượng lớn, chủng loại sản phẩm đa dạng, giá thành sản phẩm thấp, khả năng tự động hóa cao, độ chính xác tương đối cao, kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ có thể phục vụ trong nhiều lĩnh vực khác nhau Trong Ngành công nghiệp nhựa, có nhiều công nghệ khác nhau được sử dụng như: công nghệ nén-phun, đùn thổi, đùn, thổi,

ép phun…… Trong đó công nghệ ép phun là 1 trong những công nghệ được sử dụng rộng rãi nhất cho sản xuất hàng loạt lớn với các chi tiết có hình dáng phức tạp

và độ chính xác cao Chính vì vậy mà hiện nay các nước đang có xu hướng phát triển các công nghệ, các khoa học kỹ thuật hiện đại để thay thế các sản phẩm được làm bằng các vật liệu truyền thống sang các sản phẩm nhựa có độ chính xác cực kì cao và kích thước nhỏ gọn, điển hình là các sản phẩm nhựa kỹ thuật Lý do mà các nhà sản xuất muốn thay đổi chính là các sản phẩm nhựa kỹ thuật có độ chính xác cao hơn nhiều so với các sản phẩm nhựa gia dụng và mỹ phẩm, tạo hình dễ dàng cho các sản phẩm có hình dáng cực kỳ phức tạp mà hầu như các công nghệ khác không thể hoặc có thì củng phải tiêu tốn một chi phí khá cao, trọng lượng và kích thước nhỏ gọn nhưng vẫn đảm bảo được độ bền, độ va đập để chịu được các tải trọng tĩnh hoặc động trong quá trình làm việc, độ bóng bề mặt cao và đa dạng về màu sắc, năng suất sản phẩm là khá cao…Một số nhựa được đưa vào nhóm là nhựa

kỹ thuật được dùng để chế tạo các sản phẩm có hình dáng khác nhau như :POM,

PS, ABS, PA, PC, PPS … Dưới đây sẽ trình bày một số sản phẩm nhựa kỹ thuật điển hình

Hình 1.1 Các sản phẩm nhựa ứng dụng trong kỹ thuật.(a) Các bánh răng trong cơ cấu truyền động, (b) Các chi tiết làm bằng nhựa kỹ thuật trong hệ thống pin ô tô, (C) Các zắc cắm (connector), (D) Phím bấm điện tử, (E) Bảng điều khiển trong ô tô, (F) Nắp điện thoại

Ngoài ra, theo nhu cầu hiện nay luôn có xu hướng sản xuất các sản phẩm có trọng lượng nhẹ bằng cách giảm độ dày thành sản phẩm hay còn được gọi là sản phẩm thành mỏng để giảm chí phí nguyên vật liệu nhựa mà vẫn đáp ứng được các yêu cầu về độ bền, độ dai va đập Thông thường các sản phẩm được gọi là thành mỏng khi đạt một trong 2 yếu tố sau: độ dày thành sản phẩm nhỏ hơn 1mm hoặc tỷ

lệ giữa chiều dài dòng chảy và độ dày thành không được lớn hơn giá trị cho phép Giá trị này được quy định tùy thuộc vào mỗi loại vật liệu nhựa

Bảng 1.1 Tỉ số cho phép giữa chiều dài dòng chảy và độ dày thành

Hình 1.2 Các sản phẩm thành mỏng sử dụng trong điện thoại và xe ôtô

Dựa trên những ưu điểm vượt trội của các sản phẩm nhựa kỹ thuật và các sản phẩm thành mỏng thì đây là những đối tượng chính mà các nhà sản xuất sẽ nhắm tới

để cung cấp cho thị trường các sản phẩm nhựa chất lượng cao với chi phí hợp lý nhất

1.2 Giới thiệu về khuôn kênh dẫn nóng

Trong những năm qua, nhiều hệ thống mới được phát triển để nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thời gian sản xuất trong công nghệ ép phun Đặc biệt là có thể mở rộng khả năng công nghệ để chế tạo các sản phẩm thành mỏng Một trong những hệ thống mới đó chính là hệ thống kênh dẫn nóng

Hệ thống kênh dẫn nóng được phát minh cách đây khá lâu vào năm 1940 tại

Mỹ [6], nhưng cho tới những năm 1980 chúng mới được sử dụng phổ biến vì giá thành các vật liệu nhựa tăng cao và hệ thống kênh dẫn nóng ngày càng được hoàn thiện, chính vì những lý do đó đã buộc các nhà sản xuất phải áp dụng hệ thống mới này nhằm tăng chất lượng sản phẩm và giảm chí phí sản xuất để đạt tính kinh tế cao hơn Trước khi bắt đầu thiết kế một hệ thống kênh dẫn nóng, điều đầu tiên là phải hiểu thế nào là hệ thống kênh dẫn nóng

Theo tài liệu [6] thì hệ thống kênh dẫn nóng là một hệ thống liên kết giữa vòi phun của máy ép với miệng phun của khuôn để cung cấp vật liệu nhựa luôn ở trạng thái chảy dẻo vào trong lòng khuôn Điểm khác nhau so với kênh dẫn nguội trong các khuôn truyền thống là trong hệ thống kênh dẫn nóng sẽ có bộ phận gia nhiệt cho cuống phun và các nhánh phun để đưa nhựa chảy dẻo đến các lòng khuôn Sử dụng

hệ thống kênh dẫn nóng sẽ bỏ đi giai đoạn đẩy hệ thống kênh dẫn nhựa và cuống phun ra khỏi khuôn Cấu trúc cơ bản của một hệ thống kênh dẫn nóng như Hình 1.3

Hình 1.3 Cấu trúc của hệ thống kênh dẫn [1]

Khi nhà sản xuất muốn đầu tư vào bất kỳ một hệ thống mới nào, điều đầu tiên

mà họ quan tâm nhất đó chính là những thuận lợi và những hạn chế về khía cạnh kinh tế lẫn khía cạnh kỹ thuật của hệ thống đó Hệ thống kênh dẫn nóng cũng không ngoại lệ Sau đây sẽ trình bày những thuận lợi và hạn chế của hệ thống này thông qua Bảng 1.2

Bảng 1.2 Các thuận lợi và hạn chế của khuôn kênh dẫn nóng [1]

- Thời gian của chu trình ép phun ngắn hơn, do thời gian điền đầy ngắn hơn (không điền đầy hệ thống kênh dẫn sau mỗi chu kỳ), không tốn thời gian làm nguội hệ thống kênh dẫn

và rút cuống phun, hành trình khuôn ngắn hơn

- Máy phun có thể nhỏ hơn vì thể tích chung quanh kênh nóng giảm (giảm lượng nhựa điền đầy hệ thống kênh dẫn),

và do lực kẹp nhỏ hơn vì bộ chia nhựa đóng kín (không hở như hệ thống kênh dẫn nguội )

- Kết cấu khuôn phức tạp nên chi phí cao hơn

- Các quá trình vận hành

hệ thống phức tạp hơn đòi hỏi người thợ vận hành máy có tay nghề cao hơn

- Chi phí lắp đặt, bảo trì cao (chống rò rỉ nhựa, dễ

hư các thiết bị gia nhiệt, các đầu phun dễ bị mài mòn khi sản xuất nhiều)

Kỹ Thuật

- Quá trình có khả năng tự động hóa cao hơn do không phải tách nhựa điền đầy trong

hệ thống kênh dẫn

- Các miệng phun có thể được đặt tại vị trí phù hợp nhất vì đường dẫn nhựa có thể dài hơn

- Có khả năng làm biến tính vật liệu nhựa do nhiệt ,đặc biệt đối với các loại nhựa nhạy với nhiệt độ, khi dòng chảy dài và thời gian lưu lại của nhựa trong kênh dẫn lâu trong trường

khi đã kiểm soát nhiệt tốt

- Sụt áp sẽ giảm tối thiểu do nhựa trong kênh dẫn luôn được bảo đảm ở trạng thái nóng chảy

- Khả năng cân bằng dòng chảy được tác động thông qua điều khiển nhiệt độ hay bằng những

cơ cấu đặc biệt

- Quá trình điền đầy lòng khuôn hiệu quả hơn nhờ sử dụng đầu phun dạng van, các

hệ thống miệng phun nối tiếp

- Hành trình mở khuôn ngắn hơn

- Áp suất duy trì tốt hơn nên sản phẩm ít bị cong vênh

hợp chu trình ép phun dài

- Cần quá trình kiểm soát nhiệt độ phức tạp vì nếu không sẽ tạo các vùng nhiệt độ không đồng đều, làm quá trình điền đầy không đều và sinh ra nhiều vấn đề khác

1.3 Những vấn đề kỹ thuật cần đặt ra với khuôn sử dụng kênh dẫn nóng

Từ Bảng 1.2 ta có thể thấy công nghệ HR có rất nhiều ưu việt đem lại hiệu quả

và chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp nhựa là rất lớn nhưng theo sau đó vẫn còn một số hạn chế cố hữu khi sử dụng khuôn HR Chính vì thế mà nhiều năm qua các nhà sản xuất và chế tạo đã đặt ra những yêu cầu khắt khe khi thiết kế, chế tạo và bảo trì hệ thống để khắc phục hoặc giảm các yếu tố gây ra những hạn chế trong khuôn HR như sau:

Vật liệu chế tạo tấm chia nhựa và đầu phun phải có độ cứng tương đối, độ bền và khả năng chịu nhiệt cao vì áp suất phun tác động đến các kênh dẫn có thể lớn hơn 300 MPA Nếu không đủ độ bền thì sẽ xảy ra các biến dạng và tại

các vị trí lắp ráp trong hệ thống HR có thể gây ra sự rò rỉ qua các khe hở nhỏ nhất, hoặc tạo ra các khe hở mà không tồn tại trước đó Ngoài ra, các vật liệu này còn phải có hệ số dẫn nhiệt thấp để hạn chế sự mất mát nhiệt và hao tổn công suất tiêu thụ điện Ngày nay khuôn kênh dẫn nóng thường được gắn kèm với các tấm cách nhiệt để hạn chế tối đa sự mất mát nhiệt

Tính toán chính xác công suất gia nhiệt và sự giãn nở nhiệt của đầu phun

và tấm chia nhựa để nhựa luôn đạt đến nhiệt độ chảy dẻo như mong muốn và đảm bảo khe hở lắp ráp giữa các chi tiết trong hệ thống khi ở trạng thái nóng

sẽ tránh đi việc gây rò rĩ nhựa ra bên ngoài Ngoài ra, cần phải xác định chính xác vị trí đặt cảm biến nhiệt độ trên tấm chia nhựa và đầu phun để đảm bảo nhiệt độ không quá cao hoặc quá thấp trên các vị trí khác nhau

Đường kính và nhiệt độ miệng phun của khuôn HR phải được thiết kế và kiểm soát thật tốt để đảm bảo nhiệt độ tại miệng phun đủ cao mà không xảy ra tình trạng bị kéo chỉ, bị nghẹt tại thời điểm đưa nhựa chảy dẻo vào lòng khuôn Đồng thời nhiệt độ tại miệng phun đủ thấp để nhựa tạo ra các lớp đông đặc để ngăn cản nhựa chảy ra ngoài tại thời điểm mở khuôn Nhiệt độ miệng phun quá cao sẽ tạo ứng suất dư trên vùng gần miệng phun và ảnh hưởng đến

độ bền sản phẩm

Thiết kế và chế tạo kênh dẫn nhựa phải luôn ở trạng thái cân bằng tự nhiên hạn chế việc cân bằng lưu biến trừ khi có yêu cầu đặc biệt Cuối cùng, xem xét quan trọng nhất là kích thước kênh dẫn nhựa Kích thước không đúng làm giảm tốc độ dòng chảy, suy biến vật liệu và ảnh hưởng đến sản phẩm cuối cùng Các tiêu chí cho việc chọn kích thước là:

- Sự mất mát áp suất phải ít hơn 25% khả năng của máy

- Nhiệt độ ép lớn nhất cần thấp hơn nhiệt độ tối đa của nhựa khoảng 15 –

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Trong những năm gần đây thì 2 thông số trong quá trình ép phun đó là nhiệt

độ và áp suất được rất nhiều nhà nghiên cứu trong và trên thế giới quan tâm và đưa

ra nhiều bài báo, các luận văn trên các hội nghị khoa học, các trường đại học hoặc các viện nghiên cứu Chính vì thế trong chương này sẽ lần lượt trình bày các nghiên cứu liên quan đến sự thay đổi áp suất và nhiệt độ giữa các lòng khuôn và những ảnh hưởng của chúng đến chất lượng sản phẩm Ngoài ra còn trình bày các công nghệ mới được sử dụng đề hỗ trợ cho việc tính toán, thiết kế và tối ưu 2 thông số này trong khuôn kênh dẫn nóng, áp suất, nhiệt độ

2.1 Tổng quan về áp suất và nhiệt độ trong quá trình ép phun

2.1.1 Đặc tính của dòng chảy nhựa dẻo trong khuôn ép phun

Dòng chảy nhựa dẻo trong lòng khuôn là một dòng chảy khá phức tạp, nó hoàn toàn khác so với các chất lỏng như: nước, dầu … Chính vì vậy khi hiểu rõ về các đặc điểm riêng của dòng chảy nhựa trong lòng khuôn thì khi đó ta mới kiểm soát và nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa ngay trong quá trình sản xuất Dòng chảy nhựa dẻo có 2 tính chất quan trọng đó là: nguyên lý hình thành dòng chảy trong khuôn và độ nhớt Sau đây sẽ trình bày tính chất đầu tiên chính là :

Nguyên lý hình thành dòng chảy trong khuôn:

Trong quá trình ép phun, vật liệu nhựa thể hiện một ứng xử đặc biệt mà không cần phụ thuộc vào hệ thống kênh dẫn được sử dụng trong khuôn, điều này được gọi

là “Fountain Flow” Theo tài liệu [3] đã mô tả dòng chảy trong khuôn như sau: khi vật liệu nhựa đầu tiên được đưa vào trong khuôn khi đó sẽ xuất hiện một lớp nhựa trên thành khuôn và các vật liệu nhựa dẻo tiếp theo sẽ đi xuyên qua các lớp vật liệu nhựa dẻo trước đó và vượt lên đến phía trước dòng chảy, kết quả là sẽ ép các lớp dòng chảy vào thành của các kênh dẫn Điều này sẽ gây ra đó chính là các lớp dòng chảy ở gần tâm sẽ chảy nhanh hơn Kết quả là sẽ tạo ra một vận tốc có hình dáng giống parabolic Khi đó tốc độ trượt cắt của vật liệu tại phần trung gian giữa thành khuôn và nhựa chảy dẻo gần như bằng 0 Đối với khuôn hệ thống kênh dẫn nguội,

một lớp nhựa nguội được hình thành trên thành khuôn khi nhựa chảy dẻo tiếp xúc với thành khuôn do tính sự chênh lệch nhiệt độ giữa thành khuôn và nhựa chảy dẻo, nhưng đối với hầu hết khuôn sử dụng kênh dẫn nóng thì lớp nhựa nguội hầu như không hình thành do sự chênh lệch nhiệt độ giữa thành khuôn và nhựa chảy dẻo là rất nhỏ

Hình 2.1 Nguyên lý hình thành dòng chảy trong khuôn [3]

Độ nhớt:

Độ nhớt được tác giả J.P.Beaumont [3] định nghĩa như là sự cản trở đối với dòng chảy và nó được xác định bởi ứng suất cắt, ứng suất cắt này được xác định dựa trên tốc độ cắt Vật liệu nhựa có độ nhớt càng thấp thì sự cản trở dòng chảy càng ít Chất lỏng được chia thành 2 loại là: dòng chảy Newton và phi Newton Khi thay đổi tốc độ trượt cắt nhưng độ nhớt không thay đổi thì được gọi là dòng chảy Newton, nếu độ nhớt thay đổi thì được gọi là dòng chảy phi Newton Dòng chảy nhựa dẻo trong trong khuôn được gọi là dòng chảy Newton khi tốc độ trượt cắt thấp, độ nhớt của vật liệu nhựa hầu như không thay đổi giống như dòng chảy Newton Tuy nhiên, tại tốc độ trượt cắt cao trong suốt quá trình ép phun thì độ nhớt thay đổi liên tục, lúc này trở thành dòng chảy phi Newton Khi đó mối quan hệ giữa chúng tuân theo định luật chất lỏng hàm mũ hay nói đơn giản là tốc độ trượt cắt tăng khi đó độ nhớt sẽ giảm Đối với hầu hết vật liệu nhựa, dòng chảy thực tế trong quá trình ép phun tuân theo mô hình phi Newton nhựa giả (Pseudo-Plastic Newton)

Độ nhớt của chất lỏng phi Newton Pseudo-Plastic sẽ giảm khi tăng tốc độ trượt cắt Trái ngược với dòng chảy phi Newton giãn nở (Dilatant) là độ nhớt sẽ tăng khi tăng

tốc độ cắt Hình 2.2 thể hiện sự trái ngược về đặc tính độ nhớt giữa dòng chảy Newton với dòng chảy phi Newton Pseudo và chất lỏng phi Newton giãn nở

Hình 2.2 (a) Biểu đồ giữa tốc độ trượt cắt và độ nhớt của dòng chảy Newton và phi

Newton, (b) Ảnh hưởng của trượt cắt đến hướng và độ nhớt [3]

Độ nhớt của polyme thường thể hiện trên một đồ thị log-log cho thấy sự phụ thuộc vào tốc độ cắt và nhiệt độ (Hình 2.3) Trong tấm chia nhựa của khuôn kênh dẫn nóng và trong khuôn ép phun nhựa nhiệt rắn thì độ nhớt của dòng chảy nhựa dẻo thấp hơn khi lớp dòng chảy ở biên ngoài gần tấm chia nhựa được gia nhiệt và các tấm khuôn được lắp với tấm chia nhựa

Hình 2.3 Biểu đồ quan hệ giữa tốc độ trượt cắt, độ nhớt và nhiệt độ của dòng chảy

phi Newton [3]

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi áp suất và nhiệt độ trong lòng khuôn

Áp suất và nhiệt độ là các thông số rất quan trọng vì nó ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm Chính vì thế cần phải xác định rõ các yếu tố gây ra sự thay đổi áp suất và nhiệt độ trong khuôn Một trong những yếu tố đó chính là sự cân bằng dòng chảy trong quá trình ép phun Dòng chảy nhựa dẻo trong khuôn được gọi

là cân bằng khi chúng điền đầy các lòng khuôn tại cùng một thời gian với áp suất và nhiệt độ giữa các lòng khuôn là giống nhau Trong khuôn ép phun, đặc biệt là khi sử dụng khuôn kênh dẫn nóng, sự cân bằng dòng chảy phụ thuộc vào 4 yếu tố: sơ đồ

bố trí và kích thước kênh dẫn nhựa, hình học sản phẩm, độ chính xác khuôn, chế độ

ép Dựa trên 4 yếu tố trên người ta sắp xếp chúng và chia thành 3 loại chính: sự mất cân bằng hình học, sự mất cân bằng nhiệt, sự mất cân bằng ngẫu nhiên

2.1.2.1 Sự mất cân bằng hình học

Sự mất cân bằng hình học là sự mất cân bằng dòng chảy nhựa dẻo do sự mất đối xứng về hình dáng hình học của sản phẩm được làm khuôn, kích thước và sơ đồ

bố trí kênh dẫn cho khuôn có nhiều lòng khuôn (Hình 2.4) Mất cân bằng hình học

sẽ xuất hiện khi:

Hình 2.4 Mất cân bằng hình học

Sự mất cân bằng do sự bất đối xứng hình học của sản phẩm so với vị trí miệng phun trên cùng một sản phẩm (Hình 2.4.a):

Dòng chảy nhựa dẻo được điền đầy vào các vị trí khác nhau trên cùng một sản phẩm tại các thời gian khác nhau khi đó áp suất và nhiệt độ tại các vị trí khác nhau trên sản phẩm sẽ khác nhau, những vị trí trên sản phẩm được điền đầy trước sẽ có

áp suất cao hơn so với các vị trí được đầy chậm hơn Áp suất lúc này còn được gọi

là áp suất cục bộ, khi đó các vị trí có áp suất cục bộ thường dẫn đến các khuyết tật sau: hiện tượng giòn hoặc dễ bị nứt vỡ hay xuất hiện tại vùng lân cận các vùng bị nén cục bộ, sản phẩm bị dính trên khuôn gây ra sự trầy xước bề mặt khi lói ra khỏi khuôn

Sự mất cân bằng do sự bố trí kênh dẫn giữa các lòng khuôn là bất đối xứng (Hình 2.4.b)

Sự mất cân bằng này là do chiều dài kênh dẫn tính từ cuống phun đến các lòng khuôn là không bằng nhau khi đó thì dòng chảy nhựa dẻo sẽ được điền đầy trước đến các lòng khuôn có chiều dài kênh dẫn ngắn hơn so với các lòng khuôn có chiều dài kênh dẫn dài hơn Trong một vài trường hợp, nhà thiết kế cố tình thiết kế chiều dài kênh dẫn giữa các lòng khuôn là khác nhau để đáp ứng các yêu cầu từ khách hàng nhưng khi đó nhà thiết kế phải cân bằng dòng chảy bằng cách thiết kế một hệ thống các kênh dẫn có cùng sự mất mát áp suất và nhiệt độ giống nhau, và sự khác biệt trong các chiều dài dòng chảy được bù trừ bởi sự khác biệt về diện tích kênh dẫn Điều này tạo ra một sự cân bằng lưu biến (Rheological) hay còn được gọi là cân bằng được tính toán Tùy thuộc vào yêu cầu khách hàng và hình dáng sản phẩm

mà có các phương án phù hợp để khắc phục sự mất cân bằng đối với 2 trường hợp nêu trên Theo tài liệu [6] thì có hai phương án được dùng để khắc phục sự mất cân bằng phổ biến nhất là:

Cân bằng tự nhiên: Dựa trên việc sắp xếp các kênh dẫn nhựa sao cho chiều dài

kênh dẫn nhựa tới tất cả các lòng khuôn hay tới tất cả các cổng phun của lòng

khuôn đều tương tự như nhau Các ví dụ về sơ đồ kênh dẫn tạo ra sự cân bằng tự nhiên được trình bày trong Hình 2.5

Hình 2.5 Sơ đồ bố trí và thiết kế kênh dẫn

Cân bằng lưu biến: Theo tài liệu [6] thì cân bằng lưu biến là phương pháp tính

toán lưu lượng dòng chảy để thay đổi các tiết diện mặt cắt của các nhánh kênh dẫn hay nói cách khác là thay đổi đường kính của các kênh dẫn ngắn và tăng đường kính của các kênh dẫn dài, để đảm bảo là các lòng khuôn đều được điền đầy với tổn thức áp suất là như nhau Sử dụng phương pháp này có thể làm đơn giản sơ đồ bố trí sản phẩm và kích thước khuôn sẽ nhỏ gọn Thông thường phương pháp này được

thực hiện thông qua phần mềm mô phỏng để giảm thời gian tính toán

2.1.2.2 Sự mất cân bằng nhiệt

Trong khuôn kênh dẫn nóng thì nhiệt độ là một yếu tố vô cùng quan trọng, vì nếu sự phân bố nhiệt độ trên tấm chia nhựa họặc trên đầu phun không đồng đều sẽ xảy ra hiện tượng là nhiệt độ trên tấm chia nhựa có vùng nhiệt độ cao, khi đó nhựa

sẽ dễ bị biến tính cục bộ trên một số nhánh kênh dẫn và kết quả là tính chất cơ học của một số sản phẩm bị giảm đi Ngược lại, vùng có nhiệt độ thấp thì dễ gây ra bít ở

đầu phun hay bề mặt sản phẩm tại vị trí miệng phun rất dễ bị nhăn hoặc có một vài sản phẩm được điền đầy về mặt hình dáng nhưng có một số khác trong một lần ép lại không điền đủ hình dáng yêu cầu Nhưng điều khó khăn ở đây là không thể xác định được sự phân bố nhiệt độ bằng các công thức tính toán vì khối lượng tính toán

và kết cấu hình học của chúng trong hệ thống là khá phức tạp

Hình 2.6 Mất cân bằng nhiệt trong kênh dẫn của tấm chia nhựa

Do đó trong bài báo [11] của tác giả Tzu-Chau Chen và các đồng tác giả đã thực hiện việc điều tra nhiệt độ trong khuôn có kênh dẫn nóng thông qua phần mềm

mô phỏng trước khi sản xuất và chế tạo 1 bộ khuôn thực tế Thông qua phân tích

mô phỏng, người thiết kế và nhà chế tạo có thể nắm bắt các vấn đề tiềm năng trên

hệ thống kênh dẫn nóng và sửa đổi lại thiết kế trước khi chế tạo Trong bài báo này, một phương pháp mô phỏng số 3D được đề xuất và áp dụng để điều tra sự phân bố nhiệt độ trong một hệ thống kênh dẫn nóng thực sự cho vật liệu nhựa PC Sau đó tiến hành thí nghiệm 1 khuôn thực tế để so sánh kết quả giữa mô phỏng và thực tế Dưới đây là sự phân bố nhiệt độ của đầu phun trong hệ thống kênh dẫn nóng

Hình 2.7 Sự phân bố nhiệt độ trên đầu phun của khuôn có kênh dẫn nóng [11]

Để kiểm chứng độ chính xác giữa mô phỏng với thực tế thì trong bài báo này

đã đặt các cảm biển nhiệt độ trên đầu phun để đo các số liệu cần thiết khi so sánh chúng như trên Hình 2.8

Hình 2.8 Đường cong nhiệt độ giữa mô phỏng và thí nghiệm [11]

Bài báo này đã giúp giải quyết vấn đề khá khó khăn là đánh giá sự phân bố nhiệt độ trên đầu phun và kênh dẫn để tối ưu thiết kế và lựa chọn vị trí đặt cảm biến nhiệt độ hợp lý để đạt được sự cân bằng nhiệt độ trên tấm chia nhựa và đầu phun

2.1.2.3 Sự mất cân bằng ngẫu nhiên

Tác giả D.A.Hoffman and J.P.Beaumont [7] đã trình bày rằng sự mất cân bằng vẫn xuất hiện sau khi đã tính toán và thiết kế cân bằng nhiệt và cân bằng hình học cho khuôn kênh dẫn nóng, vì nó phụ thuộc nhiều vào các yếu tố khác như độ chính xác gia công, độ bóng bề mặt của các kênh dẫn đưa nhựa chảy dẻo đến các lòng khuôn Ngoài ra, nhiều năm qua nhiều nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một nguyên nhân chính gây ra sự mất cân bằng trên khuôn có nhiều lòng khuôn cho dù khuôn đã đạt được sự cân bằng hình học và sự cân bằng nhiệt [7] Đó cũng là nguyên nhân gây ra sự không đồng nhất giữa các sản phẩm trên cùng một khuôn có nhiều lòng khuôn Hình 2.9 là sản phẩm nắp Lactacyd sử dụng khuôn semi-hot runner có 24 lòng khuôn Nhìn trên hình có thể thấy, khi sản phẩm chưa điền đủ hình dáng thì các sản phẩm trên các lòng khuôn khác nhau có sự điền đầy hình học là hoàn toàn khác nhau cho dù đã có sự cân bằng nhiệt và hình học Đây là minh chứng điển hình cho sự mất cân bằng ngẫu nhiên

Hình 2.9 Sự mất cân bằng giữa các lòng khuôn trên khuôn semi-hot runner có 24

lòng khuôn

Một trong những thí nghiệm đã được tiến hành trên 1 bộ khuôn cụ thể có 8 lòng khuôn [7] với kết quả cho thấy như sau: các lòng khuôn gần với cuống phun nhất có kích thước và trọng lượng lớn hơn các lòng khuôn nằm xa cuống phun nhất vì các

sản phẩm gần cuống phun nhất được điền đầy trước so với các lòng khuôn còn lại Hình 2.10 cho thấy các sản phẩm có chấm đen là các sản phẩm được điền đầy đầu tiên

Hình 2.10 Sự mất cân bằng dòng chảy khi cân bằng về hình học và nhiệt [7]

Trong tài liệu [7] này cũng đã đưa ra nguyên nhân gây ra hiện tượng này chính

là do dòng chảy nhựa dẻo tại vùng thành khuôn có sự trượt cắt là cao nhất nên nhiệt

độ là cao nhất còn vùng ở tâm dòng chảy thì có sự trượt cắt là thấp nhất nên có nhiệt

độ là thấp hơn nên khi dòng nhựa dẻo đi sang các kênh dẫn nhánh thì sẽ chia ra 2 dòng chảy có tốc độ điền đầy khác nhau được thể hiện như trong Hình 2.11 Chính

vì thế các lòng khuôn gần cuống phun nhất thường được điền đầy sớm hơn Sự mất cân bằng khi điền đầy sẽ xảy ra hiện tượng nén cục bộ trên một số lòng khuôn được điền đầy trước, khi đó làm miền kích thước và trọng lượng giữa các lòng khuôn dao động lớn hơn và tạo ra sự không ổn định trong quá trình sàn xuất Chính vì lý do đó

đã làm hạn chế số lượng lòng khuôn và cũng đồng nghĩa với việc gia tăng chi phí và giảm việc sử dụng đối đa không gian trên máy ép trong khi khuôn có số lòng khuôn lớn thì cần thiết để đạt được số lượng sản phẩm nhựa theo đơn đặt hàng

Hình 2.11 Sự trượt cắt khác nhau trên cùng dòng chảy ảnh hưởng đến kết quả là sự

mất cân bằng trong dòng chảy nhựa dẻo [7]

2.2 Tổng quan về sự ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến chất lượng sản phẩm

Trong những năm qua, nhiều nhà nghiên cứu đã thực hiện nhiều thực nghiệm

để xác định mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất trong quá trình ép khi thay đổi các thông số này để đánh giá chất lượng sản phẩm thay đổi như thế nào thông qua các tiêu chí đặc trưng như kích thước, trọng lượng, mỹ quan sản phẩm và độ đồng nhất của các lòng khuôn khi sử dụng khuôn có nhiều lòng khuôn Ở trên đã trình bày vấn đề là khi khuôn có số lượng lòng khuôn càng cao thì sự mất cân bằng ngẫu nhiên trong dòng chảy nhựa dẻo xuất hiện và sẽ làm thay đổi nhiệt độ và áp suất trong mỗi lòng khuôn khi đó nó ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm đặc biệt là các sản phẩm yêu cầu cao như các sản phẩm nhựa kỹ thuật và sản phẩm thành mỏng Chính vì điều đó mà trong bài báo [8], tác giả Chung-Ching Huang và các đồng tác giả đã phát triển một hệ thống mới tích hợp trong khuôn kênh dẫn nóng để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ trong mỗi lòng khuôn Hệ thống đó có nhiệm vụ là giám sát và điều khiển nhiệt độ trực tiếp để thay đổi chất lượng sản phẩm ngay trong quá trình ép Phương pháp sử dụng trong hệ thống này là mỗi lòng khuôn sẽ được đặt một cảm biến nhiệt độ để thu thập tín hiệu và phản hồi về một chương trình điều khiển được lập trình bằng phần mềm Labview Lúc này có thể

theo dõi đường cong nhiệt độ tại từng thời điểm khác nhau trong lòng khuôn và khi các đường cong này có sự khác biệt so với chuẩn thiết lập thì chương trình điều khiển sẽ xuất ra các tín hiệu đến bộ điều khiển nhiệt độ trong khuôn kênh dẫn nóng

để điều chỉnh lại các nhiệt độ thiết lập của mỗi lòng khuôn Các bước này cứ lặp lại cho tới khi các đường cong nhiệt độ giữa các lòng khuôn là gần như nhau Thực nghiệm trong bài báo này [8] đã tiến hành trên một bộ khuôn có 4 lòng khuôn với sản phẩm là đồ chứa kính áp tròng

Hình 2.12 Sản phẩm và vị trí đặt cảm biến [8]

Hình 2.12 cho thấy khi chưa dùng hệ thống giám sát và điều khiển nhiệt độ thì xảy ra sự mất cân bằng hay nói cụ thể hơn là nhiệt độ trong mỗi lòng khuôn là khác nhau Chính vì điều đó mà một vài sản phẩm trong 1 lần ép sẽ có kích thước, trọng lượng, chất lượng về cơ học và bề mặt mỹ quan là khác nhau (Hình 2.13) Vì vậy một số sản phẩm được đánh giá là đạt yêu cầu kỹ thuật nhưng số còn lại trong loạt

ép thì không, khi đó sẽ gây khó khăn trong việc hiệu chỉnh và hoàn thiện khuôn

Hình 2.13 Đường cong nhiệt độ biểu diễn độ chênh lệch thời gian điền đầy giữa các

lòng khuôn

Hình 2.14 Trọng lượng sản phẩm trong mỗi lòng khuôn khi không sử dụng hệ

thống giám sát và điều khiển [8]

Còn Hình 2.14 cho thấy kết quả sau khi sử dụng hệ thống giám sát và điều khiển nhiệt độ Theo như kết quả này có thể thấy rằng khi điều chỉnh nhiệt độ ngay trong quá trình ép thì chất lượng sản phẩm thay đổi đáng kể cụ thể là:

- Trọng lượng và kích thước giữa các lòng khuôn khá đồng đều và ổn định như trong Hình 2.14 (độ sai lệch chuẩn của khối lượng các sản phẩm trong các lòng khuôn khác nhau: lúc ban đầu là 0.02 g, sau khi sử dụng hệ thống này để điều chỉnh lại là 0.002-0.04g)

- Các lòng khuôn được điền đầy tại cùng thời điểm nên không xảy ra hiện tượng bị nén cục bộ khi một vài sản phẩm trong loạt ép được điền đầy trước hoặc sau (Hình 2.15) Do đó sẽ làm giảm độ bền, độ dai va đập của sản phẩm

- Sản phẩm đồng nhất do đó không xảy ra hiện tượng bị cháy vàng khi có sự khác biệt về nhiệt độ giữa các lòng khuôn

Hình 2.15 Đường cong nhiệt độ biểu diễn sự mất cân bằng dòng chảy [8]

Hình 2.16 So sánh độ sai lệch chuẩn của khối lượng các sản phẩm trong 4 lòng

khuôn [8]

Nghiên cứu này phát triển thành công một hệ thống điều khiển trực tuyến nhiệt độ kênh dẫn nóng Công nghệ điều chỉnh nhiệt độ kênh dẫn nóng tự động được dựa trên việc sử dụng các cảm biến bên trong khuôn Chính thực nghiệm này

đã chứng minh tầm quan trọng của nhiệt độ đến chất lượng sản phẩm như thế nào, nhưng giới hạn lớn nhất của phương pháp này là chí phí sản xuất sẽ tăng lên khá cao Chính vì thế phương pháp này thường chỉ được sử dụng để sản xuất các sản phẩm nhựa kỹ thuật yêu cầu cao về chất lượng sử dụng trong lĩnh vực ô tô hoặc y

tế

Ngoài ra một bài báo [9] của tác giả D Kazmer và D Kapoor đã trình bày một thực nghiệm sử dụng một phương pháp mới để cho thấy khi điều chỉnh áp suất ngay trong lòng khuôn thì chất lượng của các sản phẩm trong mỗi lòng khuôn thay đổi như thế nào Nguyên lý của phương pháp này là điều khiển áp suất độc lập cho mỗi lòng khuôn (Hình 2.17.b) hay lòng khuôn có nhiều miệng phun (Hình 2.17.a) bằng cách thêm loại van động trong hệ thống phân phối nhựa chảy dẻo của khuôn kênh dẫn nóng

Hình 2.17 Điều khiển độc lập đường cong áp suất trong mỗi lòng khuôn Khi đó mỗi van có thể được điều khiển độc lập thông qua một bộ điều khiển nhậntín hiệu phản hồi từ cảm biến được đặt trong lòng khuôn, lúc này trên bộ điều khiển sẽ hiển thị đường cong áp suất tại từng thời điểm khác nhau trong lòng khuôn

và khi các đường cong này có sự khác biệt so với chuẩn áp suất được thiết lập trên máy ép thì bộ điều khiển sẽ xuất tín hiệu để điểu chỉnh vị trí của các van động làm thay đổi áp suất miệng phun của van với yêu cầu là các áp suất trong các lòng khuôn là như nhau, nếu vẫn chưa đạt thì tiếp tục lặp lại vòng lặp như trên (Hình 2.18)

Hình 2.18 (a) Mô hình điều khiển của phương pháp này (b) Sơ đồ khối [9]Trong bài báo [9] đã tiến hành thực nghiệm trên bộ khuôn kênh dẫn nóng có một lòng khuôn với bốn miệng phun được điều khiển đóng mở thông qua các van

động để điều chỉnh áp suất Sản phẩm thí nghiệm là một khay ở phía đầu ra của máy

in (Hình 2.19)

Hình 2.19 Bản vẽ khay đầu ra của máy in [9]

Trong thí nghiệm [9] thực hiện 2 trường hợp để so sánh sự khác nhau khi điều chỉnh áp suất và nhiệt độ trong khuôn là:

Trường hợp1: Thiết lập các thông số ép khác nhau trên máy ép như nhiệt

độ, áp suất giữ và thời gian giữ (Bảng 2.1), khi đó có thể quan sát đường cong

áp suất nhờ tín hiệu phản hồi từ cảm biến

Trường hợp 2: Thiết lập các thông số ép khác nhau như trường hợp 1 nhưng có sự khác biệt so với trường hợp trên là cho khởi động hệ thống điều khiển các van động của các miệng phun, lúc này các tín hiệu phản hồi từ cảm biến được so sánh với các giá trị đường cong thiết lập trên máy ép để điều chỉnh áp suất phun tại các miệng phun

Bảng 2.1 Các thông số ép cho 8 lần thử nghiệm [9]

Qua tất cả 8 lần thử nghiệm cho cả 2 trường hợp đã nêu ở trên có thể thấy rằng :

Sự dao động kích thước, trọng lượng của trường hợp 1 lớn hơn so với trường hợp

2 được đánh giá thông qua độ sai lệch chuẩn trong Bảng 2.2 và đường cong áp suất trong 2 trường hợp (Hình 2.20) Các đường cong áp suất trong mỗi lần thử nghiệm của trường hợp 1 đều khác nhau so với đường cong áp suất được thiết lập trên máy

ép Ngược lại, trong trường hợp 2 thì các đường cong áp suất đều gần giống nhau qua các lần thử nghiệm Chính vì thế các sản phẩm trong quá trình ép rất ổn định và các kích thước được hiệu chỉnh để đạt được kích thuớc yêu cầu ngay trong quá trình

ép mà không cần phải sửa khuôn thông qua việc điều chỉnh áp suất trên khuôn