Nâng cao hiệu quả của quá trình điều khiển nhiệt độ trong khuôn phun ép bằng phương pháp điều khiển PID Nâng cao hiệu quả của quá trình điều khiển nhiệt độ trong khuôn phun ép bằng phương pháp điều khiển PID Nâng cao hiệu quả của quá trình điều khiển nhiệt độ trong khuôn phun ép bằng phương pháp điều khiển PID
Giới thiệu chung
Đặt vấn đề
Hiện nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã dẫn đến việc thiết kế và phát triển các sản phẩm nhựa ngày càng phức tạp Quá trình phun ép các sản phẩm này đang gặp nhiều thách thức Để cải thiện khả năng điền đầy khuôn cho các chi tiết lớn, nhiệt độ khuôn cần được duy trì cao hơn nhiệt độ chuyển pha của vật liệu nhựa trong suốt quá trình phun ép.
Nhiệt độ bề mặt lòng khuôn cao giúp quá trình điền nhựa dễ dàng hơn và cải thiện chất lượng bề mặt sản phẩm Tuy nhiên, nếu nhiệt độ khuôn quá cao, thời gian giải nhiệt sẽ kéo dài, dẫn đến chu kỳ phun ép lâu hơn và tăng chi phí sản phẩm Do đó, mục tiêu quan trọng trong điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép là đạt được nhiệt độ yêu cầu cho bề mặt khuôn mà vẫn đảm bảo thời gian chu kỳ phun ép hiệu quả.
Quá trình điều khiển nhiệt độ là một nhiệm vụ phức tạp do đặc tính quán tính lớn của đối tượng, dẫn đến phản ứng chậm với các tác động điều khiển.
Trong quá trình nghiên cứu và phát triển sản phẩm chất lượng cao, các chuyên gia trong lĩnh vực khuôn phun ép đã nhận thấy rằng nhiệt độ của khuôn đóng vai trò quyết định trong việc xác định sản phẩm cuối cùng là đạt tiêu chuẩn hay không.
Tôi đã chọn đề tài “Nâng cao hiệu quả của quá trình điều khiển nhiệt độ trong khuôn phun ép bằng phương pháp PID” nhằm tìm ra giải pháp khắc phục tình trạng không ổn định nhiệt độ của khuôn.
2 phun ép nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm số lượng sản phẩm bị phế đồng thời tăng năng suất sản xuất.
Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.1.2.1 Kết quả nghiên cứu ngoài nước
Nghiên cứu của nhóm tác giả từ bộ môn kỹ thuật cơ khí tại đại học Chung Yuan Christian, Đài Loan, đã tiến hành đánh giá tính khả thi của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng nhằm điều khiển nhiệt độ bề mặt khuôn trong quá trình phun ép.
Phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng có khả năng nâng nhiệt độ bề mặt khuôn từ 60°C lên 120°C chỉ trong 2 giây, với tốc độ trung bình khoảng 30°C/giây, và mất 34 giây để giảm nhiệt độ về 60°C Ngược lại, phương pháp gia nhiệt bằng nước nóng cần đến 192 giây để đạt được nhiệt độ tương tự và 75 giây để hạ nhiệt độ về 60°C.
Hình 1.1: So sánh sự thay đổi nhiệt độ đo được cho phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng và gia nhiệt bằng nước nóng
1.1.2.2 Kết quả nghiên cứu trong nước
Gia nhiệt bằng điện trở “Tối ưu hóa hệ thống điều khiển nhiệt độ bằng điện trở và nước cho tấm khuôn dương” [5]
Trong nghiên cứu so sánh giữa mô phỏng và thí nghiệm cho tấm khuôn C45, kết quả cho thấy nhiệt độ cuối quá trình gia nhiệt trong mô phỏng đạt 96°C, trong khi thí nghiệm chỉ đạt 74°C, tạo ra sự chênh lệch khoảng 22°C.
57 0 C chênh lệch giữa thí nghiệm và mô phỏng là 0.13 0 C
Nghiên cứu phân bố nhiệt của tấm khuôn dương với phương pháp gia nhiệt bằng điện trở [6]
Hình 1.3: Biểu đồ nhiệt độ tại tâm bề mặt lòng khuôn của hai tấm insert Al, CT3
- Nhiệt độ lúc cuối quá trình gia nhiệt của tấm khuôn với vật liệu Al là 80.02 ºC, tấm khuôn vật liệu CT3 là 70.4ºC
- Tốc độ gia nhiệt của tấm insert Al là 0.57º C s diễn ra nhanh hơn tấm CT3 là 0.43ºC/s
- Nhiệt độ lúc cuối quá trình giải nhiệt của tấm khuôn Al là 32ºC, tấm khuôn CT3 là 38ºC
- Tốc độ giải nhiệt của tấm insert Al cao 0,686ºC/s, và tấm khuôn CT3 là 0,463ºC/s
1.2 Mục đích của đề tài
Vật liệu nhựa ngày càng trở nên phổ biến trong cuộc sống hiện đại, với các nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc sản xuất các sản phẩm nhỏ như chip điện tử và thiết bị y tế, cũng như những sản phẩm lớn yêu cầu thời gian phun ép dài và nhiệt độ khuôn ổn định Nhiệt độ khuôn đóng vai trò quan trọng trong quá trình phun ép, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm nhựa Việc kiểm soát và điều khiển nhiệt độ khuôn là cần thiết để đảm bảo chất lượng sản phẩm tốt nhất, chính vì vậy tác giả đã chọn đề tài này để nghiên cứu.
“Nâng cao hiệu quả của quá trình điều khiển nhiệt độ trong khuôn phun ép bằng phương pháp PID ” với mục đích như sau:
- Gia nhiệt cho khuôn phun ép
- Điều khiển và giám sát hệ thống qua màn hình
- Kiểm soát quá trình gia nhiệt cho khuôn phun ép
- Nâng cao hiệu suất gia nhiệt cho khuôn từ đó nâng cao chất lượng tăng năng suất trong việc phun ép nhựa
1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài
- Làm mô hình thực tế, nghiên cứu đặc tính của khuôn và cho ra hàm truyền nhiệt dựa trên mô hình thực tế
- Sử dụng SIMENS S7-1200 để điều khiển nhiệt độ bằng PID
- Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của hệ thống sử dụng phần mềm TIA Portal và Win CC
1.3.2 Giới hạn của đề tài
Trong khuôn khổ của luận văn, nghiên cứu tập trung vào tấm khuôn có kích thước 200x100x40 mm, được điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp PID thông qua PLC S7-1200 Việc lập trình và giao tiếp được thực hiện bằng phần mềm TIA Portal của SIEMENS.
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Vật liệu nhựa và thuộc tính
- Xử lý số liệu thực nghiệm
- Thực nghiệm tìm ra hàm truyền
- Thiết kế giao diện màn hình giao tiếp máy tính
- Lập trình điều khiển bằng PLC
2.1 Giới thiệu về công nghệ ép phun
2.1.1 Nhu cầu thực tế và hiệu quả kinh tế mà phương pháp mang lại
Trên thị trường hiện nay, sản phẩm nhựa rất đa dạng, từ dụng cụ học tập như thước kẻ và bút viết đến đồ chơi trẻ em và các sản phẩm phức tạp như bàn ghế, vỏ điện thoại, và chi tiết ô tô, xe máy Những sản phẩm này không chỉ có hình dáng và màu sắc phong phú mà còn góp phần làm cho cuộc sống trở nên tiện nghi hơn Công nghệ ép phun đã giúp nhựa trở thành một phần thiết yếu trong cuộc sống nhờ vào các đặc tính như độ dẻo dai, nhẹ, khả năng tái chế, và không phản ứng hóa học với không khí trong điều kiện bình thường Điều này đã dẫn đến việc nhựa dần thay thế các vật liệu truyền thống như sắt, nhôm, và đồng thau Do đó, nhu cầu sử dụng vật liệu nhựa trong tương lai sẽ tiếp tục tăng cao, thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghệ khuôn mẫu.
Công nghệ ép phun cho phép sản xuất các sản phẩm với chi tiết tinh xảo mà khó có thể chế tạo bằng phương pháp khác Phương pháp này tạo ra lượng phế phẩm tối thiểu ở các đường rãnh và cổng phun, đồng thời sản phẩm bị loại cũng có thể được tái sử dụng, mang lại hiệu quả cao trong sản xuất.
7 tính tiết kiệm chi phí nguyên liệu
2.1.2 Khái niệm về công nghệ ép phun
Công nghệ ép phun là một phương pháp gia công sản phẩm bằng cách gia nhiệt nhựa đến nhiệt độ thích hợp, khiến nhựa trở nên dẻo Dưới áp suất lớn từ máy ép phun, nhựa chảy được phun vào khuôn qua hệ thống kênh dẫn cho đến khi đầy Sau khi khuôn được làm nguội, nhựa đông cứng lại và sản phẩm được lấy ra nhờ hệ thống đẩy.
2.1.3 Đặc điểm của công nghệ ép phun
Công nghệ ép phun là quá trình phun nhựa nóng chảy vào khuôn kín với áp lực cao và tốc độ nhanh, giúp sản phẩm được định hình chỉ sau một thời gian ngắn Sau khi sản phẩm được lấy ra, quy trình tiếp tục cho sản phẩm tiếp theo Thời gian từ khi đóng khuôn, phun nhựa, định hình sản phẩm, đến khi lấy sản phẩm ra và đóng khuôn lại được gọi là chu kỳ ép sản phẩm.
Ngoài những đặc điểm trên, công nghệ ép phun còn có những đặc điểm sau:
Sản phẩm gia công đạt độ chính xác cao theo ba chiều nhờ vào quá trình tạo hình trong khuôn kín Quá trình này bao gồm hai giai đoạn riêng biệt: nhựa hóa diễn ra trong xylanh và tạo hình được thực hiện trong khuôn.
Quá trình tạo hình chỉ diễn ra khi hai nửa khuôn được đóng kín lại với nhau Nhiệt độ khuôn phụ thuộc vào loại nguyên liệu phun ép: đối với nhựa nhiệt dẻo, nhiệt độ khuôn thường thấp hơn nhiệt độ của nhựa lỏng, trong khi đối với nhựa nhiệt rắn, nhiệt độ khuôn lại cao hơn nhiệt độ nhựa lỏng.
- Vùng tạo hình của khuôn được lấp đầy nguyên liệu thì khuôn mới chịu tác dụng lực của pittong đúc gián tiếp qua nhựa lỏng
- Tùy theo hình dáng hay kích thước của sản phẩm mà chu kỳ ép thay đổi từ mấy giây đến mấy chục phút
- Gia công bằng công nghệ ép phun tiết kiệm được nguyên liệu và đồng thời công đoạn hoàn tất cũng tốn ít thời gian 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
Các phương thức trao đổi nhiệt
Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra qua ba phương thức cơ bản, được phân loại dựa trên cách thức truyền động năng giữa các phân tử của hai vật.
Dẫn nhiệt là quá trình chuyển giao năng lượng giữa các phân tử, nguyên tử hoặc hạt nhỏ hơn, khi các hạt ở vùng nóng (dao động nhanh) tương tác với hạt ở vùng lạnh hơn (dao động chậm) Điều này xảy ra khi năng lượng động học từ hạt dao động nhanh được truyền cho các hạt dao động chậm, dẫn đến việc sức nóng được trao đổi giữa các nguyên tử hoặc phân tử lân cận.
Trong hầu hết các vật chất, sự tương tác giữa các động và va chạm thường được xem là sự dịch chuyển của dòng proton, hoặc do electron dao động nhanh di chuyển từ một nguyên tử khác, đặc biệt là 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 tiếp xúc Trong các chất rắn, dẫn nhiệt diễn ra hiệu quả do mạng lưới nguyên tử cố định và gần nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi năng lượng thông qua dao động.
