TỔNG QUAN
Tổng quan chung
Công nghệ phun nhựa nóng chảy là quá trình định lượng chính xác nhựa vào khuôn kín dưới áp lực cao và tốc độ nhanh, giúp sản phẩm được hình thành nhanh chóng Thời gian từ khi đóng khuôn, phun nhựa, định hình sản phẩm cho đến khi lấy sản phẩm ra và đóng khuôn lại được gọi là một chu kỳ ép sản phẩm.
Phương pháp ép phun có những đặc điểm nổi bật như sản phẩm được gia công chính xác theo ba chiều nhờ vào việc tạo hình trong khuôn kín Quá trình nhựa hóa và tạo hình diễn ra trong hai giai đoạn riêng biệt: nhựa hóa trong xylanh nguyên liệu và tạo hình trong khuôn Tạo hình chỉ diễn ra khi hai nửa khuôn được khít lại với nhau Nhiệt độ khuôn phụ thuộc vào loại nguyên liệu, với nhựa nhiệt dẻo có nhiệt độ khuôn thấp hơn nhựa lỏng, trong khi nhựa nhiệt rắn thì ngược lại Quá trình ép phun diễn ra dưới áp suất cao, với chu kỳ ép thay đổi từ vài giây đến vài chục phút tùy vào kích thước và hình dạng sản phẩm Phương pháp này không chỉ tiết kiệm nguyên liệu mà còn rút ngắn thời gian hoàn tất, đảm bảo sản phẩm có chất lượng cao và tối đa hóa sản lượng.
Hình 1.1: Máy ép phun Ưu điểm:
Tạo ra những sản phẩm có hình dáng phức tạp tùy ý
Tạo ra những sản phẩm có thể tích lớn với tốc độ cao
Trên cùng một sản phẩm hình dáng giữa mặt trong và mặt ngoài có thể khác nhau
Khả năng tự động hóa và chi tiết có tính lặp lại cao
Sản phẩm sau khi ép phun có màu sắc phong phú và độ nhẵn bóng bề mặt cao nên không cần gia công lại
Phù hợp cho sản xuất hàng khối và đơn chiếc
Lợi nhuận của công nghiệp nhựa không cao
Máy ép, thiết bị và các thiết bị phụ trợ đắt (chi phí cao)
Khó kiểm soát nhiệt độ, độ nhớt, áp suất trong quá trình ép phun
Điều khiển quá trình khó khăn, máy móc không phải luôn hoạt động tốt.1.1.2 Phân loại các phương pháp gia nhiệt:
Quá trình gia nhiệt cho khuôn phun ép được phân chia thành hai nhóm chính dựa trên ảnh hưởng của nhiệt độ lên tấm khuôn: gia nhiệt toàn bộ tấm khuôn và gia nhiệt chỉ cho bề mặt khuôn.
Phương pháp gia nhiệt bằng hơi nước, như được minh họa trong Hình 1.2, có khả năng đạt tốc độ gia nhiệt từ 1 °C/s đến 3 °C/s Tuy nhiên, hiệu quả gia nhiệt của phương pháp này không được đánh giá cao, và quá trình giải nhiệt cho khuôn cũng gặp nhiều khó khăn.
Hệ thống gia nhiệt khuôn bằng hơi nước sử dụng nước ở nhiệt độ cao khoảng 900-1000°C để gia tăng nhiệt độ khuôn với chi phí thấp Khi nhiệt độ yêu cầu vượt quá 1000°C, nước cần được nén với áp suất cao để ngăn hiện tượng bay hơi, hoặc có thể sử dụng dầu nóng Tuy nhiên, việc sử dụng nước ở áp suất cao có thể làm giảm tuổi thọ các vị trí nối và tiềm ẩn vấn đề an toàn Ngoài ra, tiêu hao năng lượng cũng là một yếu tố cần lưu ý Đối với dầu nóng, khả năng truyền nhiệt giữa lưu chất và khuôn sẽ giảm đáng kể do hệ số truyền nhiệt của dầu thấp.
Hình 1.3: Hệ thống gia nhiệt sử dụng lưu chất bằng dầu nóng
Nghiên cứu cho thấy tốc độ gia nhiệt được cải thiện đáng kể khi áp dụng phương pháp gia nhiệt cho bề mặt khuôn Việc phủ một lớp cách nhiệt lên bề mặt khuôn giúp cải thiện quá trình điền đầy nhựa vào lòng khuôn và có thể nâng nhiệt độ bề mặt khuôn lên khoảng 25°C Hệ thống gia nhiệt bằng tia hồng ngoại cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng cho khuôn phun ép nhựa.
Phương pháp sử dụng điện trở để gia nhiệt cho khuôn, bên cạnh tia hồng ngoại, đã được nghiên cứu và đề xuất Tuy nhiên, trong thực tế, phương pháp này chủ yếu được áp dụng để hỗ trợ làm nóng khuôn ở nhiệt độ cao, đặc biệt là với các khuôn có thành mỏng Hơn nữa, điện trở thường chỉ có khả năng tăng nhiệt độ khuôn khoảng 20 độ, đóng vai trò như một nguồn bổ trợ nhiệt.
Hình 1.4: Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngoại
Để cải thiện việc kiểm soát nhiệt độ khuôn, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu, với mục tiêu chính là hạn chế lớp nguội bằng cách sử dụng bề mặt khuôn có nhiệt độ cao trong quá trình điền đầy và làm nguội Phương pháp phổ biến nhất là sử dụng lưu chất với hai loại nhiệt độ, có ưu điểm là áp dụng cho mọi loại khuôn mà không cần thay đổi cấu trúc Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là tiêu hao năng lượng và tăng thời gian chu kỳ Một lựa chọn khác là phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ, cung cấp nhiệt trực tiếp cho bề mặt khuôn mà không làm tăng nhiệt độ của toàn bộ tấm khuôn Tuy nhiên, để thiết kế bộ cảm ứng từ hiệu quả, các công ty cần thực hiện tính toán cẩn thận và chịu thêm chi phí thử nghiệm.
Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ kết hợp với lưu chất giải nhiệt giúp kiểm soát nhiệt độ khuôn hiệu quả Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp gia nhiệt truyền thống khác.
- Tốc độ gia nhiệt cao
- Thời gian gia nhiệt có thể kéo dài đến 20 s
- Có thể ứng dụng cho khuôn phun ép như một module đính kèm, nghĩa là không cần thay đổi kết cấu khuôn có sẵn
Hiện nay, thiết kế cuộn dây gia nhiệt chủ yếu chỉ ở dạng 2D, dẫn đến việc bố trí trên hai mặt phẳng, gây ảnh hưởng tiêu cực đến phân bố nhiệt độ trên bề mặt khuôn Điều này là một trong những nguyên nhân làm tăng độ cong vênh của sản phẩm nhựa sau khi phun ép Để khắc phục tình trạng này, mô hình cuộn dây 3D được đề xuất nhằm cải thiện độ đồng đều nhiệt độ trên bề mặt khuôn và giảm thiểu cong vênh sản phẩm.
Hình 1.6: Phương pháp kết hợp hai nguồn nhiệt độ cho gia nhiệt khuôn
Hình 1.7: Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ
Các nhà nghiên cứu đã áp dụng lớp phủ cách nhiệt mỏng để giảm thiểu mất nhiệt trong quá trình nhựa lấp đầy khuôn, đặc biệt là trong sản xuất sản phẩm quang học Bề mặt khuôn được phủ hai lớp: lớp cách nhiệt tiếp xúc với lòng khuôn để hạn chế truyền nhiệt tới các kênh giải nhiệt, và lớp dẫn nhiệt bên ngoài để hấp thu nhiệt từ module gia nhiệt Phương pháp này rất hữu ích cho các sản phẩm yêu cầu độ chính xác và cơ tính cao.
Hình 1.8: Phương pháp thiết kế khuôn của kazerm
Phương pháp gia nhiệt cho khuôn phun ép bằng khí nóng là một công nghệ mới được phát triển tại Việt Nam Quy trình này bắt đầu với việc nén không khí trong máy nén để tạo áp lực, sau đó không khí được đưa qua khối thép đã được nung nóng Khi khí thoát ra từ khối gia nhiệt, nó sẽ được phun trực tiếp lên bề mặt khuôn, giúp gia nhiệt hiệu quả cho khuôn phun ép.
Ưu điểm của phương pháp này:
- Gia nhiệt nhanh chóng, linh hoạt, nhiều vị trí
- Hệ thống đơn giản, và có thể tự động hóa
- Cần áp suất khí nén ổn định
- Môi trường làm việc ồn ào
- Tốn thời gian cho mỗi chu kì ép vì module cần phải di chuyển nghiệm
Đặt vấn đề
Sản phẩm nhựa ngày nay rất phong phú, từ đơn giản đến phức tạp và có nhiều kích thước khác nhau Với sự phát triển của xã hội, công nghệ phun ép nhựa cũng cần đáp ứng các yêu cầu mới, đặc biệt là việc chế tạo sản phẩm nhựa có bề dày nhỏ hơn 1mm để phục vụ cho các ứng dụng như chip sinh học và thiết bị quang học.
Trong quá trình sản xuất sản phẩm nhựa mỏng (chip sinh học), khi nhựa được đổ vào khuôn, các lớp nhựa tiếp xúc với thành khuôn có nhiệt độ thấp sẽ đông lại Hiện tượng đông lại này ở bề mặt tiếp xúc với khuôn dẫn đến việc giảm áp lực của dòng nhựa, làm cho nhựa không thể điền đầy lòng khuôn một cách hoàn hảo.
Để khắc phục tình trạng sản phẩm bị thiếu nhựa, cần tăng nhiệt độ bề mặt lòng khuôn tiếp xúc với nhựa đến mức tối ưu Điều này giúp giảm thiểu quá trình đông đặc của lớp nhựa tiếp xúc với khuôn mà không làm tăng quá trình giải nhiệt sau khi ép.
Hiện nay, có nhiều phương pháp gia nhiệt cho bề mặt lòng khuôn, bao gồm gia nhiệt bằng chất lỏng, điện và khí nóng Trong đó, gia nhiệt bằng chất lỏng và điện có những ưu điểm và nhược điểm như thời gian giải nhiệt lâu sau quá trình ép phun và yêu cầu kết cấu khuôn phức tạp Ngược lại, gia nhiệt bằng khí nóng mang lại nhiều lợi ích như khả năng gia nhiệt linh hoạt ở nhiều vị trí, quá trình gia nhiệt nhanh chóng và thiết bị đơn giản, giúp dễ dàng tự động hóa.
Tình hình nghiên cứu
1.3.1 Nghiên cứu trên thế giới
1 Development of gas-assisted dynamic mold temperature control system and its application for micro molding (Shia-Chung Chen, Jen-An Chang, Ying-Chieh Wang, Chun-Feng Yeh ANTEC., 2008, pp 2208-2212) [4]
Kết quả cho thấy quá trình gia nhiệt và giải nhiệt từ 60°C đến 100°C, 110°C, 120°C và trở về 60°C bằng khí diễn ra nhanh hơn so với việc sử dụng nước, như được minh họa trong Hình 1.12.
Hình 1.12: So sánh thời gian một chu kỳ gia/giải nhiệt bằng khí và bằng nước giải nhiệt khác
2 Feasibility evaluation of gas-assisted heating for mold surface temperature controlduring injection molding process (Shia-Chung Chen, Rean-Der Chien, Su-Hsia Lin, Ming-Chung Lin, Jen-An Chang Shia-Chung Chen, Rean-Der Chien, Su-Hsia Lin, Ming-Chung Lin International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol 36.,
Việc gia nhiệt bằng khí nóng giúp tăng nhiệt độ bề mặt khuôn từ 60°C lên 120°C chỉ trong 2 giây, tương đương với tốc độ trung bình 30°C/s Tuy nhiên, để nhiệt độ trở lại mức 60°C, khuôn cần khoảng 34 giây.
0C Trong khi dùng các chất làm lạnh khác phải mất tới 267 s để thực hiện một chu trình như Hình 1.13
Hình 1.13: So sánh các thay đổi nhiệt độ do gia nhiệt bằng khí và nước nóng (một chu kỳ nóng / làm mát)
Cũng theo nghiên cứu này ứng dụng cho bề mặt khuôn bằng tấm nikenl là đạt hiệu quả cao nhất và có thể ứng dụng trong công nghiệp
3 A study on the micro-injection molding of multi-cavity ultra-thin parts (S Y Yang,S C Nian, S T Huangand Y J Weng, Polymers Advances Technologies, 2011)
Việc gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa, đặc biệt đối với sản phẩm thành mỏng có cấu trúc nhiều lòng khuôn, đã chứng minh là có tác dụng tích cực trong việc tăng khả năng điền đầy lòng khuôn Ở nhiệt độ từ 70°C đến 110°C, ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến khả năng điền đầy không rõ rệt, thậm chí thấp hơn so với cấu trúc một lòng khuôn (74.68% so với 82.86%) Tuy nhiên, khi nhiệt độ đạt từ 120°C trở lên, tỷ lệ điền đầy của cấu trúc bốn lòng khuôn tăng nhanh chóng và sẽ hoàn toàn điền đầy tất cả các lòng khuôn khi nhiệt độ đạt 140°C.
Hình 1.14: Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến khả năng điền đầy lòng khuôn
4 Variable Mold Temperature to Improve Surface Quality of Microcellular Injection Molded Parts Using Induction HeatingTechnology (Shia-Chung Chen, Yu- Wan Lin, Rean-Der Chien, Hai-Mei Li Advances in Polymer Technology, Vol 27, No
Kết quả đạt được cho thấy rằng việc tăng nhiệt độ khuôn, nhiệt độ nóng chảy và tốc độ phun sẽ cải thiện chất lượng bề mặt sản phẩm ép phun Đặc biệt, độ nhám bề mặt của chi tiết đúc có thể giảm từ 25μm xuống còn 6.5μm khi nhiệt độ khuôn tăng từ 100°C lên 160°C Tuy nhiên, khi nhiệt độ đạt khoảng 180°C, độ nhám trung bình bề mặt của phần đúc sẽ tiến gần đến mức tối ưu.
5 μm Đồng thời, các phần bọt nhựa PC có thể được loại bỏ hoàn toàn nếu nhiệt độ khuôn cao hơn 160 0 C Hình 1.15
Hình 1.15: Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy phun tới độ nhám bề mặt trong đúc ép phun khuôn thành mỏng
5 Ngoài ra, một số bài báo nghiên cứu khác liên quan đến nghiên cứu này, bao gồm: Investigation of micro-injection moulding: Factors affecting the replication quality (B Sha, S Dimov, C Griffiths, M S Packianather, Journal of Materials Processing Technology, Vol 183, 2007, pp 284–296 ) [17]; Simulation and verification on rapid mold surface heating/cooling using electromagnetic induction technology (Shia-Chung Chen, Wen-Ren Jong, Jen-An Chang and Hsin-Shu Peng, 4 th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics Cairo, Egypt, 2005) [18]; Rapid mold temperature control in injection molding by using steam heating,
International Communications in Heat and Mass Transfer (M C Jeng, S C Chen, P
S Minh, J A Chang and C S Chung, Vol 37, Issue 9, 2010, pp 1295-1304) [19] 1.3.2 Nghiên cứu trong nước
Nghiên cứu của ThS Nguyễn Hộ tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM (2015) đã chỉ ra rằng phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng ảnh hưởng đáng kể đến khả năng điền đầy lòng khuôn sản phẩm nhựa dạng thành mỏng Kết quả cho thấy, khi giữ nguyên chế độ phun và độ dày sản phẩm, việc thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn sẽ dẫn đến sự khác biệt trong quá trình điền đầy Cụ thể, khi tăng nhiệt độ bề mặt lòng khuôn, khả năng điền đầy sẽ tăng lên với các mức độ khác nhau, như minh họa trong Hình 1.16.
Hình 1.16: So sánh khả năng điền đầy lòng khuôn của sản phẩm nhựa thành mỏng với vật liệu PP.
- %increase: tỉ lệ % gia tăng khả năng điền đầy lòng khuôn
- Mold surface temperature: Nhiệt độ bề mặt lòng khuôn
- 0.2: Bề dày sản phẩm nhựa ép được là 0.2 mm
- 0.4: Bề dày sản phẩm nhựa ép được là 0.4 mm
Bề dày sản phẩm nhựa ép đạt 0.6 mm cho thấy sự ảnh hưởng rõ rệt của nhiệt độ bề mặt khuôn đối với quá trình điền đầy của nhựa PP Cụ thể, ở bề dày 0.2 mm, quá trình điền đầy kém hơn so với bề dày 0.4 mm và 0.6 mm, cho thấy rằng nhiệt độ có tác động mạnh mẽ đến hiệu suất sản xuất nhựa ở các bề dày khác nhau.
Nhiều nghiên cứu gần đây đã tập trung vào phương pháp gia nhiệt và giải nhiệt khuôn ép nhựa, đặc biệt là phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng, cho thấy tiềm năng lớn trong ứng dụng tự động hóa công nghệ ép phun Công nghệ này không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn mở rộng khả năng chế tạo các sản phẩm có kích thước micromet, góp phần cải thiện quy trình sản xuất nhựa kỹ thuật cao.
Công nghệ điều khiển nhiệt độ khuôn đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ép phun Nếu nhiệt độ khuôn quá thấp, dòng chảy nhựa sẽ nhanh chóng mất nhiệt, gây khó khăn trong việc lấp đầy lòng khuôn, đặc biệt là với vật liệu ép phun composite có độ nhớt cao Điều này dẫn đến việc tăng độ nhớt và cản trở dòng chảy khi tiếp xúc với thành khuôn lạnh Ngược lại, nếu nhiệt độ khuôn quá cao, sản phẩm có thể bị ảnh hưởng bởi hiện tượng quá nhiệt và thời gian giải nhiệt kéo dài, làm tăng thời gian chu kỳ sản xuất.
Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận văn: "Nghiên cứu phân bố nhiệt độ lòng khuôn phun pháp mô phỏng" là:
- Nghiên cứu mô phỏng gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn để xác định nhiệt độ phân bố trên bề mặt lòng khuôn;
- Nghiên cứu sự phân bố nhiệt độ trong lòng khuôn ảnh hưởng tới khả năng điền đầy lòng khuôn;
Kết quả từ mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm cho thấy nhiệt độ lòng khuôn cần được điều chỉnh theo vật liệu và bề dày sản phẩm để tối ưu hóa khả năng điền đầy lòng khuôn.
Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
Nhiệm vụ đề tài: Để thực hiện đề tài này tác giả đã tiến hành các nhiệm vụ như sau:
Thiết kế tối ưu kênh dẫn nhiệt khí nóng của khuôn phun ép;
Mô phỏng quá trình gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn;
Xác định quy trình gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng tích hợp trong khuôn;
Mô phỏng quá trình điền đầy khuôn của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn với các thông số khác nhau;
Mô phỏng quá trình điền đầy khuôn của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn với các điều kiện khác nhau;
Mô phỏng quá trình điền đầy khuôn của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn với các vật liệu khác nhau;
Đánh giá ảnh hưởng của các thông số đến khả năng điền đầy khuôn
Giới hạn đề tài: Đề tài được giới hạn trong các điều kiện như sau:
Áp dụng cho chi tiết thành mỏng
Áp dụng cho vật liệu nhựa nhiệt dẻo
Kích thước sản phẩm ép làm thí nghiệm có kích thước rộng 10 mm, chiều dài tối đa 60 mm Chiều dày sản phẩm khảo sát là 0.1 mm, 0.3 mm và 0.5 mm
Xác định chiều dài sản phẩm nhựa thông qua các thí nghiệm nhiệt độ đã được chỉ định, tiến hành ép nhựa bằng máy ép phun tại Trung tâm công nghệ cao thuộc trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM.
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài "Nghiên cứu phân bố nhiệt độ lòng khuôn phun ép" sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp trong lòng khuôn thông qua mô phỏng Nghiên cứu này nhằm tối ưu hóa quá trình làm nóng và phân bố nhiệt độ trong khuôn, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm và hiệu suất sản xuất Phương pháp mô phỏng cho phép phân tích chi tiết và dự đoán hành vi nhiệt trong lòng khuôn, góp phần nâng cao hiệu quả trong ngành công nghiệp chế tạo.
Cơ sở phương pháp luận: tìm hiểu các loại tài liệu chuyên ngành, các tạp chí khoa học, báo,…
Các phương pháp nghiên cứu cụ thể bao gồm việc kế thừa các công trình và kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, đồng thời thực hiện các thử nghiệm trên mẫu thử nhằm đạt được phân tích tiết kiệm và chính xác nhất.
Phương pháp nghiên cứu phân tích: Phân tích những dữ liệu mô phỏng và đưa ra kết quả để nhận xét;
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: tiến hành thực nghiệm và xử lý, tổng hợp số liệu;
Phương pháp nghiên cứu mô phỏng: xử lý số liệu thực nghiệm để mô phỏng quá trình;
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Vật liệu nhựa sử dụng trong công nghệ ép phun
Vật liệu nhựa đóng vai trò quan trọng trong thiết kế và gia công khuôn ép phun, vì mỗi sản phẩm và chu trình ép phun có những tính chất và yêu cầu kỹ thuật riêng như độ dẻo, độ bóng bề mặt, màu sắc và độ cứng Do đó, việc lựa chọn loại vật liệu nhựa phù hợp là cần thiết để tránh sai sót trong quá trình ép và đảm bảo yêu cầu về cơ tính cũng như thẩm mỹ của sản phẩm.
Polymer là các hợp chất có cấu trúc phân tử bao gồm các nhóm nguyên tử liên kết với nhau qua các liên kết hóa học, tạo thành những chuỗi dài với khối lượng phân tử lớn Trong chuỗi chính của polymer, các nhóm nguyên tử này được lặp lại nhiều lần, tạo nên tính chất đặc trưng của chúng.
Ví dụ: polyetylen [-CH2-CH2-]n, Acrylonitrin butadien styren (ABS) [C8H8-C4H6-
Dựa vào nguồn gốc: polymer thiên nhiên, nhân tạo và polymer tổng hợp
Chất liệu có thể được phân loại dựa trên tính chất cơ lý thành hai nhóm chính: chất dẻo và chất đàn hồi Phân loại này không chỉ phổ biến mà còn liên quan mật thiết đến cấu trúc của chúng, từ đó xác định khả năng thích ứng với các yêu cầu trong ngành công nghiệp.
Nhựa nhiệt dẻo là nhóm vật liệu cao phân tử quan trọng nhất trong các polymer tổng hợp, bao gồm các cao phân tử có kích thước nhất định và cấu trúc mạch thẳng hoặc phân nhánh.
Trạng thái của nhựa nhiệt dẻo có thể chuyển từ rắn sang dẻo khi nhiệt độ tăng, và quá trình này có thể lặp lại nhiều lần Trong quá trình gia nhiệt, nhựa nhiệt dẻo chỉ thay đổi tính chất vật lý mà không xảy ra phản ứng hóa học, cho phép tái sinh nhựa này, ngoại trừ PTFE (polytetrafluoroethylene) Một số loại nhựa nhiệt dẻo phổ biến bao gồm PE, PP, PVC, PS và PMMA.
Nhựa nhiệt rắn có mật độ nối ngang dày đặc, cao hơn từ 10 đến 1.000 lần so với cao su Chúng tạo thành mạng không gian ba chiều với kích thước vô cùng lớn so với nguyên tử, mang lại nhiều tính chất vượt trội so với nhựa nhiệt dẻo, đặc biệt là khả năng chịu nhiệt Ngoài ra, nhựa nhiệt rắn không tan, không chảy và không thể tái sinh.
Ví dụ: PF, PU, nhựa epoxy, silicone,…
Cao su là một loại polymer mạch thẳng với lực liên kết thứ cấp yếu, tồn tại ở dạng chất lỏng nhớt Để sử dụng, cần tạo liên kết ngang giữa các mạch phân tử, hình thành mạng không gian ba chiều Một trong những đặc điểm nổi bật của cao su, đặc biệt là cao su tự nhiên lưu hóa, là khả năng dãn dài lên đến 1.000% Tuy nhiên, do sự hình thành liên kết ngang, cao su không thể tái sinh.
- Nhựa thông dụng: PE, PP, PVC, PS, ABS, HIPS …
- Nhựa kỹ thuật: PA, PC, POM, Teflon …
- Nhựa chuyên dụng: PE khối lượng phân tử cực cao, PTFE, PPS, PPO…
2.2.3 Các tính chất của Polymer
Một số tính chất cơ học quan trọng của vật liệu nhựa bao gồm độ bền kéo, độ dãn dài, độ cứng, độ dai va đập, khả năng chống mài mòn và modun đàn hồi Những đặc điểm này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và ứng dụng của nhựa trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
2.2.3.1 Độ bền cơ học Độ bền cơ học là khả năng chống lại sự phá hoại dưới tác dụng của các lực cơ học Độ bền của một sản phẩm làm bằng vật liệu polymer phụ thuộc nhiều yếu tố như:
- Chế độ trùng hợp, loại xúc tác, phụ gia…
- Kết cấu hình dạng sản phẩm…
Thông số cơ bản phản ánh độ bền của Polymer bao gồm giới hạn bền (𝜎b), là giá trị ứng suất mà mẫu vật chịu đựng trước khi bị phá hoại trong các điều kiện nhất định Giới hạn bền có thể được xác định qua nhiều loại biến dạng khác nhau, bao gồm biến dạng kéo đứt, biến dạng nén và biến dạng uốn, tương ứng với độ bền kéo đứt, độ bền nén và độ bền uốn của vật liệu.
Độ bền kéo đứt là chỉ số quan trọng thể hiện khả năng chịu lực của vật liệu khi bị kéo dãn Nó được xác định bằng lực tác động cụ thể và tốc độ kéo dãn nhất định cho đến khi vật liệu bị đứt.
Độ bền uốn: là khả năng chịu lực của vật liệu khi chịu uốn
Độ bền nén: là khả năng chịu lực của vật liệu khi bị nén
Giới hạn bền của polymer chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường thử nghiệm và thời gian tác dụng của lực Do đó, để so sánh độ bền của các polymer, cần thực hiện so sánh trong cùng một điều kiện thử nghiệm.
Độ biến dạng tương đối (e): là giá trị biến dạng tăng đến cực đại tại thời điểm đứt
Độ biến dạng cực đại tương đối phụ thuộc vào loại biến dạng, tốc độ biến dạng và nhiệt độ của vật liệu Điều này cho phép xác định trạng thái của vật liệu khi xảy ra hiện tượng đứt Cụ thể, đối với vật thể dòn, độ biến dạng cực đại không vượt quá vài phần trăm, trong khi đối với vật liệu mềm, độ biến dạng có thể lên đến hàng trăm đến hàng ngàn phần trăm Trong trường hợp kéo đơn trục, độ biến dạng cực đại tương đối có thể được tính bằng độ dãn dài khi vật liệu bị đứt.
2.2.3.2 Độ dai va đập Hiện trạng chống lại tải trọng động của chất dẻo thường có thể phân tích bằng kết quả kiểm tra độ dai va đập Thực hiện trên thiết bị Charpy – dùng con lắc dao động (búa) để phá vỡ mẫu thử được kẹp chặt hai đầu, xác định công va đập riêng trên 1 đơn vị diện tích mẫu thử (kJ/m 2 )
2.2.3.3 Modun đàn hồi Đặc trưng cho độ cứng của vật liệu hoặc đặc trưng cho tính chất của vật liệu, mà dưới tác dụng của một lực đã cho thì sự biến dạng của mẫu thử xảy ra đến mức nào Vật liệu đàn hồi lý tưởng, trong quá trình chịu tải, cho đến giới hạn chảy thì độ giãn dài tỷ lệ thuận với ứng suất Hệ số tỷ lệ chính là modun đàn hồi, ký hiệu là E (N/mm 2 )
Một số tính chất vật lý của nhựa: tỷ trọng, chỉ số nóng chảy, độ nhớt, co rút, tính cách điện, truyền nhiệt…
- Tỷ trọng thể hiện một phần tính chất của nguyên liệu nhựa, đơn vị: g/cm3
- Vật liệu nhựa tương đối nhẹ, tỷ trọng dao động từ 0.9 – 2 (g/cm3)
Lý thuyết truyền nhiệt
2.3.1 Các phương thức trao đổi nhiệt
Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra qua ba phương thức cơ bản, trong đó dẫn nhiệt là một phương thức quan trọng Dẫn nhiệt xảy ra khi năng lượng nhiệt được truyền từ phân tử này sang phân tử khác trong cùng một vật thể hoặc giữa hai vật thể tiếp xúc với nhau.
Dẫn nhiệt xảy ra khi các phân tử, nguyên tử hoặc electron ở vùng nóng tương tác với các hạt ở vùng lạnh hơn, chuyển giao động năng từ hạt này sang hạt khác thông qua dao động và va chạm Trong hầu hết vật chất, quá trình này còn được xem là sự dịch chuyển của dòng proton, hoặc do electron di chuyển nhanh từ nguyên tử này sang nguyên tử khác trong kim loại.
Dẫn nhiệt là quá trình quan trọng trong việc truyền nhiệt giữa các chất rắn hoặc giữa các vật thể rắn khi chúng tiếp xúc Trong chất rắn, dẫn nhiệt diễn ra mạnh mẽ nhờ vào cấu trúc mạng lưới nguyên tử ổn định và gần gũi, tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi năng lượng thông qua dao động.
Khi mật độ các hạt giảm, khoảng cách giữa chúng tăng lên, dẫn đến việc giảm khả năng dẫn nhiệt Khoảng cách lớn giữa các nguyên tử làm giảm số lần va chạm và trao đổi nhiệt Do đó, chất lỏng và đặc biệt là khí có khả năng dẫn nhiệt kém Tuy nhiên, khi nhiệt độ hoặc áp suất của khí tăng, xác suất va chạm giữa các nguyên tử tăng theo, dẫn đến khả năng dẫn nhiệt cũng tăng lên.
Tính chất dẫn nhiệt trong lòng vật liệu có thể khác với tính dẫn nhiệt ở bề mặt, nơi có thể tiếp xúc với vật liệu khác
Kim loại như đồng, platinum và vàng là những vật liệu dẫn nhiệt tốt nhờ vào khả năng của các điện tử tự do trong việc chuyển nhiệt năng nhanh chóng Các điện tử này thực hiện hầu hết các dòng nhiệt trong kim loại rắn, trong khi proton chỉ mang một phần rất nhỏ năng lượng nhiệt Điều này dẫn đến việc độ dẫn nhiệt và độ dẫn điện của hầu hết các kim loại có mối quan hệ chặt chẽ, với những dây dẫn điện tốt như đồng cũng thường dẫn nhiệt hiệu quả Hiệu ứng Peltier-Seebeck, liên quan đến hiện tượng nhiệt điện, xuất phát từ sự dẫn nhiệt của điện tử trong các chất dẫn điện.
Dẫn nhiệt trong một vật rắn tương tự như khuếch tán của các hạt trong chất lỏng, khi không có dòng chảy chất lỏng
Hình 2.7: Nguyên lý dẫn nhiệt
Khi nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt trong vật thể, Fourrier đã phát hiện rằng lượng nhiệt dQ truyền qua bề mặt dF trong khoảng thời gian dτ tỷ lệ thuận với gradient nhiệt độ, thời gian và diện tích bề mặt.
𝑑𝑄 = 𝜆 𝑑𝐹 𝑑𝜏 (bỏ qua chiều, chỉ tính độ lớn) Nếu quá trình là ổn định:
: hệ số dẫn nhiệt (hệ số tỷ lệ, độ dẫn nhiệt)
F : bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt (m 2 ) τ : thời gian (s) 2.3.1.2 Trao đổi nhiệt đối lưu 2.3.1.2.1 Quá trình đối lưu
Quá trình đối lưu là sự trao đổi nhiệt giữa các khối chất khí hoặc chất lỏng, diễn ra thông qua sự di chuyển của chúng từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp.
Hình 2.8: Tỏa nhiệt đối lưu
Tỏa nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn với dòng chất lỏng hoặc chất khí chuyển động trên bề mặt đó
Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên là hiện tượng chuyển động của chất lỏng và khí mà không cần lực bên ngoài tác động Sự chuyển động này xảy ra do sự chênh lệch mật độ phân tử giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau, tạo ra lực tự phát sinh.
- Tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức: môi trường chuyển động nhờ ngoại lực từ bên ngoài tác động vào như bơm, quạt, máy nén… a b
Hình 2.9: a: Truyền nhiệt đối lưu tự nhiên, b: Truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức
Các nhân tố ảnh hưởng tới quá trình tỏa nhiệt đối lưu:
- Tốc độ chuyển động của khối chất lỏng, chất khí
- Bản chất vật lý của chất lỏng, chất khí (, Cp, Cv )
- Cường độ và sự phân bố trường nhiệt độ
- Hình dáng, kích thước và vị trí của vách
Nhiệt lượng dQ mà một bề mặt dF của vật thể có nhiệt độ tT truyền cho môi trường xung quanh có nhiệt độ tL trong khoảng thời gian dτ tỷ lệ với hiệu số nhiệt độ giữa vật thể và môi trường Công thức mô tả mối quan hệ này là dQ = α (tT – tL).dF.dτ, trong đó tT là nhiệt độ của vật thể (đơn vị 0 C), tL là nhiệt độ của lưu chất (chất lỏng hoặc khí, đơn vị 0 C), α là hệ số cấp nhiệt, dF là diện tích bề mặt (m2) và dτ là thời gian (s).
Q = q.F =(tw-t f )F ; [W] (2.2) Trong đó F [m 2 ]- diện tích bề mặt vật
2.3.1.3 Trao đổi nhiệt bức xạ
Tất cả các vật thể có nhiệt độ cao hơn 0 K đều phát ra tia năng lượng dưới dạng bức xạ lan tỏa ra không gian xung quanh Điều này chứng tỏ năng lượng đã chuyển hóa thành bức xạ Khi nhiệt độ của vật thể càng cao, lượng nhiệt truyền đi dưới dạng năng lượng càng lớn Ngược lại, ở nhiệt độ thấp, bức xạ rất nhỏ và không có ý nghĩa trong kỹ thuật, chỉ bắt đầu có giá trị đáng kể khi đạt khoảng 100 độ.
Bức xạ hồng ngoại chỉ có ý nghĩa đáng kể khi nhiệt độ đạt 0°C, 200°C trở lên Bức xạ nhiệt liên quan đến quá trình chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác, trong đó nhiệt năng của vật chuyển thành năng lượng dao động điện từ Khi năng lượng này gặp vật khác, một phần hoặc toàn bộ sẽ bị hấp thu và chuyển đổi lại thành nhiệt năng Mức độ hấp thu phụ thuộc vào độ đen của vật Năng lượng hấp thu sau đó được phát lại dưới dạng sóng điện từ, tạo ra một quá trình tuần hoàn Do đó, một vật không chỉ phát đi năng lượng bức xạ mà còn nhận năng lượng bức xạ từ các vật khác.
Hình 2.10: Truyền nhiệt bức xạ
Bức xạ nhiệt có bản chất vật lý tương tự như bức xạ ánh sáng, tuân theo các định luật phản xạ, khúc xạ và hấp thu Nó truyền đi theo đường thẳng và có thể xuyên qua khoảng chân không với tốc độ không đổi là 3.10^10 cm/s Sự khác biệt giữa bức xạ nhiệt và bức xạ ánh sáng nằm ở bước sóng, và dựa vào chiều dài của bước sóng, người ta phân loại chúng thành các loại khác nhau.
Dạng bức xạ Chiều dài bức xạ
Tia sỏng (nhỡn được bằng mắt thường) 0,4 - 0,8àm Tia hồng ngoại (khụng nhỡn được bằng mắt thường) 0,8 - 40àm
Sóng vô tuyến điện 0,2mm - X km
Trao đổi nhiệt bức xạ đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình truyền nhiệt của nhiều thiết bị: lò hơi,
Quá trình trao đổi năng lượng giữa vật nóng và vật lạnh không chỉ diễn ra theo chiều từ vật nóng sang vật lạnh, mà còn có sự truyền năng lượng ngược lại Năng lượng mà vật lạnh nhận được được xác định bằng hiệu số giữa năng lượng nhận và năng lượng mất Tuy nhiên, theo định luật nhiệt động lực học thứ hai, vật có nhiệt độ cao luôn truyền năng lượng cho vật có nhiệt độ thấp.
Trong quá trình dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt đối lưu, cường độ của quá trình chủ yếu được xác định bởi độ chênh nhiệt độ giữa các vật Tuy nhiên, đối với trao đổi nhiệt bức xạ, cường độ không chỉ phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ mà còn vào giá trị nhiệt độ tuyệt đối của vật Càng cao nhiệt độ của vật (trong trường hợp có cùng hiệu số nhiệt độ), lượng nhiệt trao đổi qua bức xạ sẽ càng lớn.
Trao đổi nhiệt bằng bức xạ giữa các vật có thể diễn ra ngay cả trong môi trường chân không, điều này khác biệt so với các phương thức dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt.
THIẾT KẾ SẢN PHẨM VÀ BỘ GIA NHIỆT TÍCH HỢP TRONG KHUÔN PHUN ÉP NHỰA
Yêu cầu của sản phẩm
Mục đích chính của nghiên cứu này là phân tích sự phân bố nhiệt độ trong lòng khuôn phun ép, sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng tích hợp Để thực hiện nghiên cứu, sản phẩm được chọn có thiết kế đơn giản dạng thanh với kích thước cụ thể: chiều dài 60 mm, chiều rộng 10 mm, và độ dày lần lượt là 0.1 mm, 0.3 mm, và 0.5 mm, như thể hiện trong Hình 3.1.
Hình 3.1: Mô hình sản phẩm.
Thiết kế bộ phận gia nhiệt
Bộ phận gia nhiệt có kích thước 240 mm x 100 mm x 80 mm, bao gồm hai nửa tấm gia nhiệt được ghép lại với nhau theo thiết kế trong phụ lục bản vẽ.
Hình 3.2: Mô hình tấm heater 1
Hình 3.3: Mô hình tấm heater 2
Trên 2 tấm này được gắn các điện trở gia nhiệt và các rãnh dẫn khí nóng có dạng dích dắt nhằm tối đa hóa chiều dài từ cổng vào (air inlet) đến cổng ra của khí nóng (air oulet) như Hình 3.4
Hình 3.4: Bộ phận gia nhiệt của hệ thống In-GTMC
Bộ khuôn tích hợp hệ thống gia nhiệt bên trong khuôn
Mô hình bộ khuôn tích hợp hệ thống gia nhiệt bên trong khuôn được thể hiện trong hình 3.5, trong khi bộ khuôn hoàn chỉnh đã được lắp đặt trên máy phun ép SW-120B như mô tả trong hình 3.6.
Hình 3.5: Mô hình bộ khuôn tích hợp hệ thống gia nhiệt bên trong khuôn
Hình 3.6: Hệ thống In-GMTC gắn trên máy phun ép SW-120B
Cài đặt các thông số thực tế cho máy ép nhựa
- Gia nhiệt tấm insert 0.5 mm bằng khí ở các mức nhiệt độ 200 0 C, 250 0 C, 300 0 C,
- Áp suất phun thay đổi theo từng loại nhựa
- Gia nhiệt bằng khí ở các thời gian tương ứng 0 s, 5 s, 10 s, 15 s, 20 s
- Phun nhựa tương ứng ở các nhiệt độ ứng với thời gian trên
- Thông số ép của hai loại nhựa PP, PA6 (GF 0-30% và CaCO3 0-30%) được mô tả như Bảng 3.1
Bảng 3.1: Thông số ép của hai loại nhựa PP, PA6 (GF 0-30% và CaCO3 0-30%)
Tên Flamripp3625CS1 Schulamid6GF30TC
Nhà sản xuất Lanxess Lanxess
Nhiệt độ chảy 200 – 220 0 C 250 – 280 0 C Nhiệt độ khuôn 40 – 80 0 C 40 – 80 0 C
Trong quá trình phun ép, nhiệt độ nhựa (melt temperature) được điều chỉnh ở 210
Trong nghiên cứu này, sản phẩm được sản xuất ở nhiệt độ 0°C với áp suất phun 30 Kg/cm², thời gian ép phun 2 giây và tốc độ phun 30% Chiều dài sản phẩm sẽ được thí nghiệm với các nhiệt độ khuôn lần lượt là 200°C, 250°C, 300°C, 350°C và 400°C, sử dụng nhựa PP cùng với 7 loại nhựa PA6 Tỉ lệ sợi thủy tinh được thay đổi với các giá trị 0%GF, 10%GF, 20%GF, 30%GF, và các tỉ lệ CaCO3 là 10%, 20%, 30%.
Thiết bị đo nhiệt độ khuôn
Nhiệt độ phân bố trên bề mặt lòng khuôn bằng phương pháp In-GMTC được xác định thông qua camera hồng ngoại Flute TiS20 như Hình 3.7
Camera kỹ thuật số: 5 MP
Dải đo: -20 ºC đến 650 ºC
Dải phổ hồng ngoại: 7.5 ± 14 àm
Khoảng cách lấy nét tối thiểu: 0.45 m
Hình 3.7: Camera hồng ngoại Flute TiS20 + Công dụng: Xác định nhiệt độ khuôn khi kết thúc quá trình gia nhiệt
SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI THỰC NGHIỆM VỀ PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ
Mô phỏng quá trình gia nhiệt tấm insert trên phần mềm ANSYS - CFX
Nung nóng khối gia nhiệt bằng các điện trở, lần lượt ở các khoảng nhiệt độ 200 0 C,
Nhiệt độ được gia nhiệt lần lượt ở các mức 250°C, 300°C, 350°C và 400°C, sau đó phun khí từ máy nén khí với áp suất lớn hơn 5 Kg/cm² qua khối gia nhiệt Thời gian giữ nhiệt là 5 giây, 10 giây, 15 giây và 20 giây trên ba tấm insert có độ dày 0.1 mm, 0.3 mm và 0.5 mm Cuối cùng, nhiệt độ sau khi gia nhiệt được đo bằng camera đo nhiệt.
Hình 4.1: Hình chiếu thể hiện bề dày tấm insert Tsp (mm)
Hình 4.2: Vị trí phun khí 4.1.2 Điều kiện mô phỏng phân bố nhiệt độ trên ANSYS - CFX
Phần mềm ANSYS với mô đun CFX được sử dụng để mô phỏng phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn, đặc biệt cho các dòng chảy lưu chất Dòng khí gia nhiệt có hệ số nhớt động lực khoảng 1.83e-5 kg/ms, dẫn đến hệ số Re lớn và trạng thái chảy rối, vì vậy mô hình k-ε tiêu chuẩn được áp dụng Mô hình mô phỏng bao gồm khối khí và khối gia nhiệt với các điều kiện biên cụ thể Nhiệt độ khí nóng thay đổi từ 200 °C đến 400 °C và được phun trực tiếp vào bề mặt lòng khuôn với áp suất 7 atm, trong khi nhiệt độ và áp suất ban đầu lần lượt là 30 °C và 1 atm Nhiệt độ ban đầu của tấm insert cũng được cài đặt ở 30 °C Để nâng cao độ chính xác, tấm gia nhiệt sử dụng lưới hex dominant, trong khi khối khí sử dụng lưới terahedrons, đồng thời tăng số lượng phần tử ở các vùng yêu cầu độ chính xác cao.
Bảng 4.1: Thông số vật liệu trong mô phỏng gia nhiệt bằng khí nóng
Vật liệu Thông số Đơn vị Giá trị
Khối lượng phân tử kg/kmol 28.96
Khối lượng riêng kg/m 3 1.185 Độ nhớt động lực học kg/ms 1.831e-5
Khối lượng phân tử kg/kmol 55.85
4.1.3 Các bước mô phỏng phân bố nhiệt độ trên ANSYS - CFX
ANSYS - CFX là một mô đun phân tích động lực học chất lỏng phổ biến, được sử dụng để mô phỏng chính xác và đáng tin cậy nhiều loại dòng chảy khác nhau.
+ Geometry: 2 Bodies + Boundary: 1 face + Maximun Thickness: 1mm
+ inlet ( Normal Speed: 100m/s, Static temperature: 400 0 C) + Outlet (Opening temperature:
+ Model: Variable + Variabel: Temperature + Range: Use Spectified
- Default Legend View 1 + Title mode: Variable + Precision: 1 - Fixed
4.1.4 Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ trên ANSYS - CFX
Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ trên lòng khuôn với các chiều dày tấm insert 0.1 mm, 0.3 mm và 0.5 mm được trình bày trong Bảng 4.2, 4.3 và 4.4 Nhiệt độ gia nhiệt được khảo sát từ 200 °C đến 400 °C, với thời gian gia nhiệt bằng khí nóng từ 5 s đến 20 s Kết quả cho thấy nhiệt độ lớn nhất xuất hiện gần vòi phun khí nóng, và nhiệt độ bề mặt khuôn cải thiện đáng kể khi thời gian gia nhiệt và nhiệt độ khí nóng tăng Để làm rõ sự chênh lệch nhiệt độ trong các điều kiện gia nhiệt khác nhau, nhiệt độ tại vị trí A (Hình 4.2) được tổng hợp trong Bảng 4.5, 4.6 và 4.7 cho các chiều dày tấm insert 0.1 mm, 0.3 mm và 0.5 mm.
Bảng 4.2: Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ khuôn với chiều dày tấm insert 0,1mm Nhiệt độ khí
Phân bố nhiệt độ khuôn
Bảng 4.3: Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ khuôn với chiều dày tấm insert 0,3mm
Phân bố nhiệt độ khuôn
Bảng 4.4: Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ khuôn với chiều dày tấm insert 0,5mm
Phân bố nhiệt độ khuôn
Bảng 4.5: Giá trị nhiệt độ theo thời gian tại điểm A của tấm insert 0.1 mm
Nhiệt độ nguồn khí nóng
Nhiệt độ tại vị trí A
Bảng 4.6: Giá trị nhiệt độ theo thời gian tại điểm A của tấm insert 0.3 mm
Nhiệt độ nguồn khí nóng
Nhiệt độ tại vị trí A
Bảng 4.7: Giá trị nhiệt độ theo thời gian tại điểm A của tấm insert 0.5 mm
Thời gian gia nhiệt Nhiệt độ nguồn khí nóng
Nhiệt độ tại vị trí A
Tại vị trí phun A, nhiệt độ đã tăng mạnh từ 30°C lên 153.5°C sau khi được gia nhiệt bằng dòng khí nóng 400°C trong 20 giây.
Hình 4.3: So sánh nhiệt độ mô phỏng tại vị trí A với chiều dày tấm insert khác nhau
Trong công nghệ phun ép, hình dạng sản phẩm đóng vai trò quan trọng trong quá trình tạo hình Đối với sản phẩm mỏng, có nhiều phương pháp cải thiện sự điền đầy, trong đó phun ép ở nhiệt độ cao qua gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ và điện trở là phổ biến Phương pháp kiểm soát nhiệt độ khuôn bằng khí nóng đã cho thấy nhiều kết quả khả quan Cấu trúc tấm insert được sử dụng để nâng cao hiệu quả gia nhiệt, và độ dày của tấm insert là yếu tố quan trọng trong thiết kế khuôn, bị ảnh hưởng bởi độ dày sản phẩm Nghiên cứu này đã lắp đặt tấm insert kích thước 77.4 mm × 70 mm với các độ dày khác nhau vào khuôn để đánh giá khả năng gia nhiệt.
Dựa trên kết quả mô phỏng nhiệt độ tại vị trí A với nguồn khí nóng từ 200 °C đến 400 °C và thời gian gia nhiệt từ 5 s đến 20 s, trường hợp khí nóng 300 °C được chọn để phân tích ảnh hưởng của chiều dày tấm insert đến nhiệt độ khuôn Kết quả cho thấy, nhiệt độ khuôn có thể được nâng từ 30 °C lên khoảng 153.5 °C.
Phương pháp này cho thấy tốc độ gia nhiệt đạt khoảng 6.15 °C/s, với nhiệt độ khuôn cao hơn nhiệt độ chuyển pha của hầu hết các vật liệu nhựa thông thường.
Khi chiều dày tấm insert tăng từ 0.1 mm lên 0.5 mm, nhiệt độ bề mặt khuôn tăng từ 114.8 °C lên 120.1 °C, cho thấy tốc độ gia nhiệt tăng từ 5.74 °C/s lên 6 °C/s Sự gia tăng tốc độ gia nhiệt này có thể được giải thích bởi nhiệt năng cần thiết để làm nóng thể tích của tấm insert.
Tấm insert và tấm khuôn được ngăn cách bởi lớp cách nhiệt, do đó, kết quả gia nhiệt chủ yếu phụ thuộc vào thể tích tấm insert Độ dày tấm insert là 5 mm và khoảng cách giữa đầu phun khí nóng với bề mặt gia nhiệt là 3.5 mm, dẫn đến sản phẩm dày hơn có thể có thể tích tấm insert ít hơn, từ đó tốc độ gia nhiệt đạt được cao hơn Tuy nhiên, sự khác biệt về tốc độ gia nhiệt khi độ dày tấm insert thay đổi từ 0.1 mm đến 0.5 mm là không đáng kể Điều này cho thấy trong phun ép sản phẩm thành mỏng, phương pháp gia nhiệt này cho phép kiểm soát nhiệt độ khuôn và độ dày sản phẩm có thể thay đổi thấp hơn 0.5 mm Hơn nữa, tốc độ gia nhiệt rất cao trong 5 giây đầu tiên, dao động từ 13.04 °C/s đến 18.02 °C/s, vượt trội hơn so với nhiều phương pháp gia nhiệt đã được nghiên cứu trước đây.
Tại thời gian gia nhiệt 20 giây, nhiệt độ vẫn tiếp tục tăng mà không bị giới hạn, cho thấy khả năng tăng nhiệt độ tại bề mặt khuôn khi thời gian gia nhiệt kéo dài hoặc sử dụng nguồn gia nhiệt công suất lớn hơn Mặc dù vậy, nhiệt độ đạt được sau 20 giây là đủ cao cho hầu hết các loại vật liệu nhựa nhiệt dẻo trong công nghệ phun ép, do đó thời gian gia nhiệt 20 giây được áp dụng cho nhiều trường hợp khác nhau.
Kết quả thí nghiệm thực tế
Để xác minh độ chính xác của kết quả mô phỏng, thực nghiệm gia nhiệt được thực hiện với các điều kiện biên tương tự như trong mô phỏng Mỗi trường hợp được thử nghiệm 10 lần và giá trị trung bình được sử dụng để đánh giá Kết quả đo nhiệt độ tại các vị trí A, B và C cho thấy kết quả thực nghiệm thấp hơn mô phỏng, nhưng sự chênh lệch này không đáng kể với nguồn khí nóng 400 °C Sự khác biệt này có thể do độ trễ trong quá trình đo bằng ảnh nhiệt và nhiệt truyền từ vùng cao sang vùng thấp, cùng với tổn thất năng lượng trong quá trình gia nhiệt thực nghiệm Kết quả mô phỏng cũng chỉ là gần đúng trong điều kiện lý tưởng Nhìn chung, kết quả gia nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm tương đồng và sự chênh lệch nhiệt độ là không đáng kể.
Khi GMTC được sử dụng để gia nhiệt bề mặt khuôn, có sự chênh lệch nhiệt độ rõ rệt giữa khu vực đầu vào và đầu ra của khí nóng Kết quả cho thấy nhiệt độ cao nhất tại vị trí A, gần nguồn cung cấp khí nóng, trong khi nhiệt độ thấp nhất ở vị trí C, xa nguồn cung cấp khí nóng Những kết quả này chỉ ra rằng nhiệt độ thấp nhất trong nghiên cứu vẫn đáp ứng yêu cầu nhiệt độ của khuôn cho vật liệu nhựa thông thường, và nhiệt độ cao nhất không vượt quá mức làm suy giảm tính chất của vật liệu.
Bảng 4.8: Kết quả thí nghiệm đo nhiệt độ theo thời gian trên tấm insert 0.1 mm với nhiệt độ gia nhiệt là 400 0 C tại 3 điểm A, B, C
Bảng 4.9: Kết quả thí nghiệm đo nhiệt độ theo thời gian trên tấm insert 0.3 mm với nhiệt độ gia nhiệt là 400 0 C tại 3 điểm A, B, C
Bảng 4.10: Kết quả thí nghiệm đo nhiệt độ theo thời gian trên tấm insert 0.5 mm với nhiệt độ gia nhiệt là 400 0 C tại 3 điểm A, B, C
Biểu đồ so sánh và nhận xét
Hình 4.4: Biểu đồ so sánh kết quả gia nhiệt theo thời gian 5 s, 10 s, 15 s, 20 s trên tấm insert 0.1 mm với nhiệt độ gia nhiệt là 400 0 C tại 3 điểm A, B, C.
Hình 4.5: Biểu đồ so sánh kết quả gia nhiệt theo thời gian 5 s, 10 s, 15 s, 20 s trên tấm insert 0.3 mm với nhiệt độ gia nhiệt là 400 0 C tại 3 điểm A, B, C
Biểu đồ gia nhiệt theo thời gian 5s, 10s, 15s, 20s trên tấm insert 0.1mm với nhiệt độ gia nhiệt là 400 0 C tại 3 điểm A, B, C
Biểu đồ gia nhiệt theo thời gian 5s, 10s, 15s, 20s trên tấm insert 0.3mm với nhiệt độ gia nhiệt là 400 0 C tại 3 điểm A, B, C
Hình 4.6: Biểu đồ so sánh kết quả gia nhiệt theo thời gian 5 s, 10 s, 15 s, 20 s trên tấm insert 0.5 mm với nhiệt độ gia nhiệt là 400 0 C tại 3 điểm A, B, C
Dựa vào bảng kết quả ta thấy:
Thời gian gia nhiệt kéo dài sẽ làm tăng nhiệt độ của tấm insert Cụ thể, khi gia nhiệt ở nhiệt độ tối thiểu 200°C trong 5 giây, tấm insert dày 0.1 mm đạt được nhiệt độ 48.4°C.
0C; nhiệt độ cao nhất tại thời điểm gia nhiệt 400 0 C với thời gian gia nhiệt là 20 s trên tấm insert 0.5 mm là khoảng 147.4 0 C
Trong ba tấm insert với độ dày lần lượt là 0.1 mm, 0.3 mm và 0.5 mm, tấm insert có độ dày 0.5 mm cho khả năng gia nhiệt cao nhất Điều này cho thấy rằng, khi độ dày của tấm insert tăng lên, nhiệt độ gia nhiệt cũng sẽ gia tăng theo.
Kết quả so sánh từ biểu đồ cho thấy sự chênh lệch nhiệt độ giữa mô phỏng trên phần mềm và kết quả đo thực tế dao động trong khoảng 3°C đến 5°C.
Biểu đồ gia nhiệt theo thời gian 5s, 10s, 15s, 20s trên tấm insert 0.5mm với nhiệt độ gia nhiệt là 400 0 C tại 3 điểm A, B, C
