Nghiên cứu chế tạo module gia nhiệt cho khuôn ép nhựa bằng khí nóng phun từ ngoài khuôn

Nghiên cứu chế tạo module gia nhiệt cho khuôn ép nhựa bằng khí nóng phun từ ngoài khuôn Nghiên cứu chế tạo module gia nhiệt cho khuôn ép nhựa bằng khí nóng phun từ ngoài khuôn Nghiên cứu chế tạo module gia nhiệt cho khuôn ép nhựa bằng khí nóng phun từ ngoài khuôn

TỔNG QUAN

TỔNG QUAN HƯỚNG NGHIÊN CỨU

Nhu cầu sử dụng sản phẩm nhựa tại Việt Nam đang tăng cao, yêu cầu doanh nghiệp cải tiến năng lực sản xuất để đáp ứng Khách hàng không chỉ chú trọng đến chất lượng mà còn đặc biệt quan tâm đến kiểu dáng và thẩm mỹ Do đó, nhu cầu về khuôn ép nhựa ngày càng gia tăng, trong khi số lượng công ty thiết kế và sản xuất khuôn ép nhựa còn hạn chế, cùng với đội ngũ kỹ sư thiết kế tay nghề cao còn thiếu Lĩnh vực công nghệ này tại Việt Nam, đặc biệt là ở thành phố Hồ Chí Minh, vẫn còn mới mẻ và thiếu các chương trình đào tạo chuyên sâu.

Hình 1.1: Các sản phẩm nhựa

Khuôn ép nhựa là thành phần quan trọng trong sản xuất sản phẩm nhựa, vì vậy việc thiết kế và chế tạo khuôn cần đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và độ chính xác cao để tạo ra sản phẩm chất lượng Tuy nhiên, ngay cả khi khuôn đạt tiêu chuẩn, sản phẩm vẫn có thể gặp lỗi hư hỏng, một trong những nguyên nhân chính là do quá trình gia nhiệt và giải nhiệt cho khuôn Đây là một quy trình phức tạp, ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm và đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu Để khắc phục các vấn đề này, nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước đã được thực hiện theo các hướng khác nhau.

1.1.1 Các đề tài nghiên cứu trong nước

Hiện nay, các doanh nghiệp Việt Nam đang tập trung vào nghiên cứu tối ưu hóa quá trình giải nhiệt cho khuôn phun ép nhằm giảm chi phí sản xuất trong ngành nhựa Để hỗ trợ cho quá trình này, họ đang khai thác các phần mềm chuyên dụng như C-Mold, Moldflow, và Moldex3D Đồng thời, nhiều đề tài nghiên cứu cũng đã được thực hiện để ứng dụng công cụ CAD – CAM – CAE vào quy trình gia công nhựa.

Luận văn tốt nghiệp cao học của Lê Minh Trí tại ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM, mang tên “Tối ưu hóa giải nhiệt khuôn ép phun”, tập trung vào thiết kế hệ thống giải nhiệt cho khuôn ép phun dựa trên lý thuyết truyền nhiệt Bài nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán hệ thống giải nhiệt cho sản phẩm tấm mỏng và sử dụng phần mềm Moldflow để mô phỏng và kiểm tra kết quả Tuy nhiên, luận văn chưa đưa ra phương pháp tối ưu cho thiết kế hệ thống giải nhiệt và việc tính toán, mô phỏng chỉ dừng lại ở một chi tiết đơn giản, không đáp ứng đầy đủ yêu cầu thực tế.

Luận văn tốt nghiệp cao học của Nguyễn Văn Thành tại Đại học Bách Khoa TP HCM mang tên “Nghiên cứu xây dựng qui trình thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun nhựa theo công nghệ CAD / CAE” Luận văn này tập trung vào lý thuyết truyền nhiệt và ứng dụng trong khuôn ép phun, nhằm xác định kích thước và phân bố hệ thống làm nguội Đồng thời, tác giả đã xây dựng qui trình thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun dựa trên công nghệ CAD / CAE và áp dụng qui trình này cho sản phẩm khuôn vỏ bình nước nóng.

PGS.TS Đoàn Thị Minh Trinh đã thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học - công nghệ với chủ đề "Ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CAE, xác định thông hợp lý cho khuôn ép phun nhựa" Đề tài này thuộc chương trình "Nghiên cứu tự động hóa" của thành phố, được thực hiện từ tháng 9 năm 2003 đến tháng 8 năm 2004 và đã được nghiệm thu vào ngày 30 tháng 8.

Năm 2004, tác giả đã áp dụng phần mềm Moldflow để tối ưu hóa hệ thống giải nhiệt cho chi tiết vỏ bình cách nhiệt và các thông số thiết kế khuôn như số miệng phun, vùng dồn nén khí và kích thước kênh dẫn nhựa Kết quả cho thấy phần mềm CAE này hỗ trợ hiệu quả cho quá trình thiết kế khuôn Tuy nhiên, tác giả vẫn chỉ tập trung vào quy trình phun ép thông dụng mà chưa đề cập đến các bước hỗ trợ quá trình điền đầy nhựa vào lòng khuôn.

Hiện nay, nghiên cứu trong nước cho thấy lĩnh vực điều khiển nhiệt độ khuôn chủ yếu tập trung vào giải nhiệt, với mục tiêu làm nguội khuôn nhanh chóng Ngược lại, quá trình gia nhiệt cho khuôn chưa được chú trọng đúng mức Hậu quả là sản phẩm nhựa tại Việt Nam chủ yếu là các sản phẩm đơn giản, chất lượng thấp và tập trung vào hàng tiêu dùng.

1.1.2 Các đề tài nghiên cứu ngoài nước

Trong ngành công nghiệp khuôn phun ép nhựa, việc tối ưu hóa điều khiển nhiệt độ khuôn được xem là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để cải thiện chất lượng bề mặt khuôn.

Nhiệt độ bề mặt lòng khuôn cao giúp quá trình điền đầy nhựa dễ dàng hơn và cải thiện chất lượng bề mặt sản phẩm Tuy nhiên, nếu nhiệt độ khuôn quá cao, quá trình giải nhiệt sẽ kéo dài, làm tăng thời gian chu kỳ phun ép và giá thành sản phẩm Do đó, mục tiêu quan trọng trong điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép là gia nhiệt đến mức yêu cầu mà vẫn đảm bảo thời gian chu kỳ không quá dài.

Quá trình gia nhiệt cho khuôn phun ép được chia thành hai nhóm chính: gia nhiệt cả tấm khuôn (volume heating) và gia nhiệt cho bề mặt khuôn (surface heating) Trong nhóm gia nhiệt cả tấm khuôn, phương pháp gia nhiệt bằng hơi nước (steam heating) có thể đạt tốc độ gia nhiệt từ 1 o C/s đến 3 o C/s Tuy nhiên, phương pháp này không được đánh giá cao do độ gia nhiệt hạn chế và gặp khó khăn trong quá trình giải nhiệt cho khuôn.

Hình 1.2: Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng hơi nước (Steam heating)

Nghiên cứu cho thấy rằng việc cải thiện tốc độ gia nhiệt cho bề mặt khuôn có thể đạt được thông qua việc sử dụng lớp cách nhiệt, giúp nâng cao quá trình điền đầy nhựa vào lòng khuôn Phương pháp này có khả năng tăng 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.

Hình 1.3: Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngoại

Để đáp ứng nhu cầu gia nhiệt cho các bề mặt phức tạp, phương pháp thổi khí nóng vào lòng khuôn (gia nhiệt bằng khí gas) đã được nghiên cứu và đánh giá.

9] Với phương pháp này, nhiệt độ bề mặt khuôn có thể được tăng từ 60 o C đến

Quá trình gia nhiệt ở 120 độ C trong 2 giây sẽ đạt trạng thái bão hòa khi kéo dài hơn 4 giây Phương pháp "gas heating" có ưu điểm là tốc độ gia nhiệt nhanh, giúp rút ngắn thời gian chu kỳ sản phẩm Tuy nhiên, cần thiết kế lại khuôn phun ép để tích hợp hệ thống gia nhiệt.

Hình 1.4: Phương pháp gia nhiệt cho khuôn bằng dòng khí nóng (Gas heating)

Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ (induction heating) được ứng dụng tương tự như các phương pháp gia nhiệt bề mặt để hạn chế tình trạng cong vênh, co rút, làm mờ đường hàn và các khuyết tật khác của sản phẩm nhựa.

Hình 1.5: Phương pháp gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ (Induction heating)

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay, việc gia nhiệt cho khuôn trong sản xuất sản phẩm nhựa đang được nghiên cứu cả ở nước ngoài và Việt Nam Mặc dù có nhiều phương pháp gia nhiệt, nhưng vẫn chưa xác định được phương pháp tối ưu cho điều kiện sản xuất tại Việt Nam Nếu tìm ra phương pháp gia nhiệt hiệu quả, chất lượng sản phẩm nhựa sẽ được cải thiện, chi phí sản xuất giảm, từ đó nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm nhựa Việt Nam trên thị trường nội địa và quốc tế, đặc biệt là trong khu vực ASEAN Nghiên cứu gia nhiệt cho khuôn ép bằng khí nóng là một hướng nghiên cứu tiềm năng, trong đó việc chế tạo module gia nhiệt cho khuôn ép nhựa bằng khí nóng phun từ ngoài khuôn có ý nghĩa quan trọng đối với các doanh nghiệp sản xuất Kết quả nghiên cứu sẽ giúp các doanh nghiệp lựa chọn giải pháp kỹ thuật gia nhiệt bằng khí nóng phun từ ngoài, mang lại hiệu quả kỹ thuật vượt trội so với các phương pháp hiện tại.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN

Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu gia nhiệt cho khuôn trước khi nhựa được đưa vào, nhằm cải thiện hiệu suất quá trình sản xuất Qua đó, các kết quả về ghi nhiệt khuôn sẽ được thực hiện và phân tích.

Quá trình gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng đã được xác thực tính khả thi, đặc biệt với kích thước lòng khuôn 50x100 mm và độ dày tương ứng.

Phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng cho quy trình phun ép đã được kiểm chứng hiệu quả qua các nghiên cứu liên quan đến đề tài này.

- Đề xuất được thiết kế, kết cấu module gia nhiệt và tay máy phụ trợ cho khuôn ép nhựa bằng khí nóng phun từ ngoài khuôn

Khảo sát và đề xuất chế độ ép cùng gia nhiệt trong quá trình vận hành khuôn để sản xuất các sản phẩm nhựa là rất quan trọng Việc sử dụng module gia nhiệt và tay máy phụ trợ sẽ giúp nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến chất lượng sản phẩm trong công nghệ ép phun.

- Giúp cho việc điều khiển nhiệt độ khuôn trở lên dễ dàng và chính xác, sau đó tạo ra sản phẩm theo đúng mong muốn của nhà sản xuất

- Giúp các doanh nghiệp có được giải pháp kỹ thuật gia nhiệt cho khuôn – gia nhiệt bằng khí nóng phun từ ngoài

- Kết cấu module gia nhiệt và tay máy phụ trợ có thể được áp dụng cho các sản phẩm ép tương tự có cùng công nghệ.

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU, KHÁCH THỂ NGHIÊN CỨU, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Mục tiêu chung: Đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu chế tạo module gia nhiệt cho khuôn ép nhựa bằng khí nóng phun từ ngoài khuôn

Mục tiêu cụ thể của bài viết này là tìm hiểu về công nghệ ép phun, phân tích và xác định các thông số của module gia nhiệt, đồng thời đề xuất kết cấu liên quan Ngoài ra, bài viết còn tập trung vào việc thiết kế và chế tạo module gia nhiệt cho khuôn bằng khí phun từ bên ngoài Cuối cùng, các kết quả gia nhiệt cho lòng khuôn sẽ được thực nghiệm và phân tích, đánh giá thông qua mô phỏng trên phần mềm Ansys.

- Sự thay đổi nhiệt độ khuôn trong quá trình gia nhiệt bằng khí nóng

- Tay máy gia nhiệt cho lòng khuôn bằng khí nóng.

NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

1.5.1 Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu công nghệ ép phun

- Phân tích, xác định các thông số của module gia nhiệt, đề xuất kết cấu liên quan

- Phân tích, đánh giá mô phỏng nhiệt trên phần mềm Ansys

- Thiết kế và lập trình gia công trên mềm Creo Parametric 3.0

- Chế tạo và lắp ráp module gia nhiệt hoàn chỉnh

- Thử nghiệm thử trên máy ép nhựa SW – 120B SHINE WELL

Xử lý dữ liệu và tạo biểu đồ so sánh giữa mô phỏng trên phần mềm Ansys và kết quả thực tế là nhiệm vụ chính Để thực hiện các nhiệm vụ này, chúng tôi sẽ tiến hành các nghiên cứu cần thiết để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của quá trình so sánh.

Nghiên cứu phương pháp phun ép

Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số gia nhiệt đến quá trình phun ép

Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến quá trình phun ép

Nghiên cứu phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng cho khuôn ép nhựa

Nghiên cứu phương pháp mô phỏng quá trình gia nhiệt cho lòng khuôn bằng phần mềm ANSYS CFX

Chế tạo tay máy gia nhiệt cho khuôn bằng khí nóng

Chế tạo nguồn phun khí nóng cho khuôn

Mô phỏng các trường hợp gia nhiệt cho lòng khuôn

Thí nghiệm và thu thập kết quả

Kết quả nhiệt độ tại bề mặt khuôn

So sánh, nhận xét và kết luận

Hình 1.6: Nội dung nghiên cứu

1.5.2 Giới hạn đề tài Đề tài nghiên cứu sẽ tập trung giải quyết những vấn đề sau:

- Nghiên cứu phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng phun từ ngoài khuôn

- Cơ cấu chuyển động chỉ theo trục Z

Trong khuôn khổ đề tài, chúng tôi tập trung vào thiết kế và chế tạo module gia nhiệt cùng tay máy phụ trợ, nhằm cải thiện quy trình ép nhựa bằng khí nóng phun từ bên ngoài khuôn.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

 Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: thu thập các thông tin có liên quan đến đề tài và tổng hợp theo từng phần cụ thể

- Các phương pháp nghiên cứu thực tiễn:

 Phương pháp thực nghiệm khoa học: tiến hành các thí nghiệm thực nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng đến độ bền uốn của vật liệu nhựa.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CÔNG NGHỆ ÉP PHUN

2.1.1 Giới thiệu công nghệ ép phun

Hiện nay, công nghệ vật liệu đóng vai trò quan trọng trong sản xuất, đặc biệt trong phương pháp phun ép truyền thống các sản phẩm nhựa Quá trình này bắt đầu với việc sấy khô hạt nhựa, sau đó đưa vào phễu của máy phun ép, nơi mà vật liệu được gia nhiệt đến nhiệt độ nóng chảy và phun vào khuôn Tuy nhiên, quy trình này có thể gặp phải một số vấn đề như tăng độ nhớt của dòng nhựa, gây khó khăn cho việc điền đầy khuôn, và độ co rút lớn của sản phẩm Để khắc phục những vấn đề này, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện, trong đó công nghệ vật liệu bọt nhựa (Microcellular foaming technology of polymers) được giới thiệu lần đầu bởi Martini vào năm 1982.

Hình 2.1: Cơ cấu máy ép phun 2.1.2 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 tham gia trao đổi nhiệt.

Dẫn nhiệt là quá trình diễn 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 dao động nhanh sang hạt dao động chậm Sức nóng được trao đổi giữa các nguyên tử hoặc phân tử lân cận thông qua sự dao động và va chạm, hoặc nhờ vào sự di chuyển của electron trong kim loại.

Dẫn nhiệt là quá trình quan trọng trong việc truyền nhiệt giữa các vật thể rắn khi chúng tiếp xúc Trong chất rắn, sự dẫn nhiệt diễn ra mạnh mẽ nhờ vào mạng lưới nguyên tử cố định và gần gũi, tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi năng lượng thông qua các dao động.

Khi mật độ các hạt giảm, khoảng cách giữa các hạt xa hơn dẫn đến khả năng dẫn nhiệt giảm Điều này xảy ra vì khoảng cách lớn giữa các nguyên tử làm giảm số lần va chạm giữa chúng, từ đó hạn chế việc trao đổi nhiệt Do đó, chất lỏng và đặc biệt là khí có khả năng dẫn nhiệt kém Tuy nhiên, trong các chất khí, khi nhiệt độ hoặc áp suất tăng, xác suất va chạm giữa các nguyên tử tăng lên, dẫn đến khả năng dẫn nhiệt cũng tăng theo.

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 sự di chuyển nhanh chóng của các điện tử tự do trong chúng Các điện tử này thực hiện hầu hết các dòng nhiệt trong kim loại, trong khi proton chỉ mang dưới 1% năng lượng nhiệt Sự dẫn điện của các kim loại thường đi đôi với độ dẫn nhiệt, vì điện tử cũng vận chuyển dòng điện trong các chất dẫn điện Do đó, các dây dẫn điện tốt như đồng cũng có khả năng dẫn nhiệt hiệu quả Hiệu ứng Peltier-Seebeck, một hiện tượng nhiệt điện, xuất phát từ khả năng dẫn nhiệt của điện tử trong các kim loại.

Dẫn nhiệt trong một vật rắn tương tự như khuếch tán của các hạt trong chất lỏng, khi không có dòng chảy chất lỏng

Nguyên lý dẫn nhiệt được xác định dựa trên định luật Fourier, theo đó, khi nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt trong vật thể, Fourier phát hiện rằng một lượng nhiệt dQ sẽ truyền qua một bề mặt dF trong khoảng thời gian d.

𝜏 sẽ tỷ lệ thuận với gradient nhiệt độ, với thời gian và diện tích bề mặt

𝑑𝑛𝑑𝐹 𝑑𝜏 (bỏ qua chiều, chỉ tính độ lớn) Nếu quá trình là ổn định:

𝜆: 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)

2.1.2.2 Trao đổi nhiệt đối lưu

Quá trình đối lưu là sự trao đổi nhiệt giữa các khối 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 2.3: Tỏa nhiệt đối lưu giữa bề mặt vật rắn và khí [3]

Tỏa nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn và dòng chất lỏng hoặc khí di chuyển trên bề mặt đó Quá trình này được phân loại thành nhiều loại khác nhau.

Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên là hiện tượng mà chất lỏng và khí di chuyển mà không cần tác động từ lực bên ngoài Sự chuyển động này xảy ra do sự chênh lệch mật độ phân tử giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau, dẫn đến lực tự phát sinh trong môi trường.

Tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức là quá trình truyền nhiệt trong đó môi trường chuyển động nhờ vào lực từ bên ngoài, như bơm, quạt và máy nén Khác với truyền nhiệt đối lưu tự nhiên, tỏa nhiệt cưỡng bức tạo ra sự chuyển động mạnh mẽ hơn, giúp tăng hiệu quả truyền nhiệt trong các hệ thống.

Hình 2.4: Các dạng Truyền nhiệt đối lưu

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 (𝜏, Cp, Cv )

+ Cường độ và sự phân bố trường nhiệt độ

Quá trình truyền nhiệt đối lưu thường được tính toán với Định luật Newton – Rickmman

Nhiệt lượng dQ mà một bề mặt dF của vật thể có nhiệt độ tT truyền cho môi trường xung quanh với 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 °C), tL là nhiệt độ của lưu chất (chất lỏng hoặc khí, đơn vị °C), α là hệ số cấp nhiệt, dF là diện tích bề mặt (đơn vị m²), và dτ là thời gian (đơn vị giây).

2.1.2.3 Trao đổi nhiệt bức xạ

Tất cả các vật thể có nhiệt độ cao hơn 0 K đều phát ra tia bức xạ năng lượng ra không gian xung quanh Năng lượng này tăng lên khi nhiệt độ của vật thể cao hơn, trong khi bức xạ ở nhiệt độ thấp gần như không đáng kể Chỉ khi nhiệt độ đạt khoảng 100 °C trở lên, bức xạ hồng ngoại mới trở nên quan trọng Bức xạ nhiệt liên quan đến quá trình chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác; nhiệt năng của vật chuyển thành năng lượng dao động điện từ Khi gặp vật khác, một phần năng lượng sẽ bị hấp thu và chuyển đổi thành nhiệt năng Mức độ hấp thu phụ thuộc vào độ đen của vật, và năng lượng hấp thu này lại được phát trở lại dưới dạng sóng điện từ, tạo thành một chu trình liên tục Do đó, mỗi vật không chỉ phát ra năng lượng bức xạ mà còn nhận năng lượng từ các vật khác.

Hình 2.5: Truyền nhiệt bức xạ [3]

Bức xạ nhiệt, về bản chất vật lý, tương tự như bức xạ ánh sáng, đều tuân theo các định luật phản xạ, khúc xạ và hấp thu Chúng truyền theo đường thẳng và có khả năng xuyên qua khoảng chân không với tốc độ không đổi là 3.10^10 cm/s Sự khác biệt giữa chúng chủ yếu nằm ở bước sóng, và tùy thuộc vào chiều dài của bước sóng, người ta phân loại chúng thành các loại khác nhau.

Bảng 2.1: Chiều dài bức xạ

Dạng bức xạ Chiều dài bức xạ

Tia sỏng (nhỡn được bằng mắt thường) 0,4 - 0,8àm

Tia hồng ngoại (không nhìn được bằng mắt thường)

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 các vật thể không chỉ diễn ra từ vật nóng sang vật lạnh, mà còn có thể xảy ra theo chiều ngược lại Theo định luật nhiệt động lực học thứ hai, năng lượng được truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp, và lượng năng lượng nhận được phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ giữa hai vật.

PHẦN MỀM ANSYS

2.2.1 Giới thiệu chung về phần mềm Ansys

Trong những năm gần đây, sự phát triển của các công cụ toán học và máy tính điện tử đã dẫn đến việc hoàn thiện các phần mềm công nghiệp Những phần mềm này được sử dụng để giải quyết nhiều loại bài toán khác nhau, bao gồm cơ học vật rắn, cơ học thủy khí, bài toán động lực học, cũng như các bài toán tường minh và không tường minh, tuyến tính và phi tuyến, và các bài toán liên quan đến trường điện từ và tương tác đa trường vật lý.

ANSYS là phần mềm mạnh mẽ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực cơ học, cho phép phân tích thiết kế cơ khí thông qua việc kết nối với các phần mềm mô hình hóa 2D và 3D Phần mềm này có khả năng phân tích trường ứng suất, biến dạng, nhiệt độ và tốc độ dòng chảy, từ đó xác định độ mòn, mỏi và phá huỷ của các chi tiết Việc này giúp tìm ra các thông số tối ưu cho công nghệ chế tạo ANSYS cũng hỗ trợ giải quyết các bài toán cơ học với nhiều loại mô hình vật liệu khác nhau như đàn hồi tuyến tính, phi tuyến, đàn dẻo, và các loại chất lỏng, khí.

Hình 2.10: Mô phỏng đàn hồi tuyến tính

Trong hệ thống tính toán đa năng của ANSYS, bài toán cơ kỹ thuật được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc

Hình 2.11: Mô phỏng dòng chảy

Cấu trúc cơ bản của một bài tính trong ANSYS bao gồm ba phần chính: tạo mô hình tính (preprocessor), thực hiện tính toán (solution) và xử lý kết quả (postprocessor).

Hiểu được các bước phân tích này trong ANSYS sẽ giúp dễ dàng hơn trong việc giải bài toán của mình

Ansys được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp:

- Các sản phẩm và quy trình công nghệ chất lượng cao và luôn được đổi mới

- Giảm số lượng mẫu thử cũng như thời gian kiểm tra sản phẩm

- Nhanh chóng thu hồi vốn do giảm được thời gian xây dựng sản phẩm mới

- Quy trình mềm dẻo và đáp ứng nhanh hơn, cho phép thay đổi thiết kế ngay cả ở các giai đoạn sau của quá trình xây dựng sản phẩm

- Chiến lược mô phỏng đón đầu tạo ra một phương pháp hiệu quả để đưa sản phẩm vào thị trường nhanh hơn và với giá thành thấp hơn

Hình 2.12: Mô phỏng ứng suất chi tiết

2.2.2 Giới thiệu về phần mềm ANSYS – Module CFX

Hình 2.13: Mô phỏng dòng chảy của khí

Phần mềm ANSYS CFX là một công cụ mô phỏng động lực học chất lỏng hiệu suất cao, đã được sử dụng trong hơn 20 năm để giải quyết các bài toán dòng chảy đa dạng.

Hình 2.14: Tiến trình giải bài toán Ansys - CFX

CFX được tích hợp trong ANSYS Workbench, cung cấp kết nối hai chiều cho các hệ thống CAD hàng đầu Nó đi kèm với các công cụ tạo và hiệu chỉnh hình học mạnh mẽ từ ANSYS Design Modeler, cùng với công nghệ chia lưới tiên tiến trong ANSYS Meshing Ngoài ra, người dùng có thể dễ dàng kéo và thả dữ liệu và kết quả để chia sẻ giữa các ứng dụng.

Hình 2.15: Giao diện cần thực hiện của CFX

Tính năng truyền nhiệt và bức xạ của CFX:

Tối ưu truyền nhiệt là yếu tố quyết định trong các thiết bị công nghiệp như cánh tuabin, khối động cơ và buồng cháy, cũng như trong thiết kế công trình và kiến trúc Để đạt được hiệu quả trong các ứng dụng này, việc dự đoán chính xác truyền nhiệt đối lưu là rất cần thiết Ngoài ra, khuếch tán nhiệt trong các khối rắn và truyền nhiệt bằng bức xạ cũng đóng vai trò quan trọng.

Hình 2.16: Kết quả của mô phỏng CFX

MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM

MÔ HÌNH MÔ PHỎNG

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ mô phỏng quá trình gia nhiệt bề mặt khuôn bằng phần mềm ANSYS CFX Các bước thực hiện mô phỏng được chi tiết trong Phụ lục 1, kèm theo mô hình mô phỏng và lưới như thể hiện trong Hình 3.1.

Hình 3.1: Mô hình mô phỏng và mô hình lưới

Phương pháp mô phỏng sẽ được thực hiện dựa trên các trường hợp được nêu trong Bảng 3.1 Trong quá trình này, các đặc tính của vật liệu và không khí sẽ được áp dụng theo thông tin trong Bảng 3.2.

Bảng 3.1: Các trường hợp mô phỏng quá trình gia nhiệt cho lòng khuôn

Nhiệt độ khối gia nhiệt 350˚C

Thời gian gia nhiệt Từ 1 đến 20 s

Bề dày tấm cần gia nhiệt 0.5 mm; 1 mm; 1.5 mm; 2 mm

Vị trí gia nhiệt Các điểm 1,2,3,4,5,6 và 7 (hình 4.7)

Bảng 3.2: Tính chất vật liệu thép C45 và Nhôm 6061

Khối lượng phân tử 55.85 kg/kmol 26.98 kg/kmol

Trọng lượng riêng 7.87 g/cm 3 2.7 g/cm 3

Nhiệt dung riêng 0.486 J/Kg.K 0.896 J/Kg.K

Trong nghiên cứu này, hệ thống tay máy 1 bậc tự do sẽ được thiết kế và chế tạo để mang nguồn phun khí nóng vào giữa tấm khuôn âm và tấm khuôn dương Khí nóng sẽ được phun vào lòng khuôn cho đến khi đạt nhiệt độ cần thiết, sau đó tay máy sẽ đưa nguồn phun khí nóng ra ngoài Khi hai tấm khuôn đóng lại, chu kỳ phun ép sẽ bắt đầu Phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng phun từ ngoài khuôn hoạt động theo nguyên lý: sau khi kết thúc một chu kỳ phun ép, hai nửa khuôn mở ra để lấp sản phẩm, và module gia nhiệt sẽ di chuyển vào giữa hai nửa khuôn Khi đến vị trí cần thiết, khí nóng sẽ được phun vào để tăng nhiệt độ bề mặt khuôn Sau khi đạt yêu cầu, module gia nhiệt sẽ rời khỏi khuôn, và hai nửa khuôn sẽ đóng lại để bắt đầu chu kỳ phun ép mới.

Step 1: Mold Open Position Step 2 (Heating Position)

Hot gas flow passes and heats the mold surface

Step 3 (Molding Position) Close Mold to Molding Position and Injection

Hình 3.2: Nguyên lý phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng phun từ ngoài khuôn

Nhằm thực hiện mô hình thí nghiệm như trên, các chi tiết và thiết bị cần thiết cho mô hình được trình bày như Phụ Lục 3

3.3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN

3.3.1 Mạch điện điều khiển xy-lanh khí nén

Hình 3.3: Mạch điện điều khiển xy-lanh khí nén 3.3.2 Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống:

- Đặt nhiệt độ cho relay nhiệt

+ Khi nhiệt độ của khối gia nhiệt dưới nhiệt độ đặt, relay nhiệt ON, thì Contactor sẽ đóng và gia nhiệt cho khối

+ Khi nhiệt độ khối gia nhiệt trên nhiệt độ đặt, relay nhiệt OFF, thì Contactor sẽ ngắt gia nhiệt cho khối

Sau khi khối gia nhiệt đạt nhiệt độ yêu cầu, nhấn nút start để kích hoạt rơ le K1 đóng và duy trì trạng thái Selanoi Y1 nhận điện, khiến xylanh di chuyển ra ngoài, đưa khối gia nhiệt đến vị trí cần phun khí Khi timer K2 đếm đủ 10 giây, K2 sẽ thay đổi trạng thái, ngắt rơ le K1, làm mất nguồn cho selanoi Y1 và cấp điện cho selanoi Y2, khiến xylanh trở về vị trí cũ.

- Tuy nhiên, khi xylanh đi xuống thì khối phải luôn được gia nhiệt

3.4 CHẾ TẠO MODULE GIA NHIỆT VÀ TAY MÁY 1 BẬC TỰ DO

Chức năng: Gia nhiệt cho dòng khí

Hình 3.4: Khối gia nhiệt 1 vòi phun

Hình 3.5: Khối gia nhiệt 2 vòi phun

3.4.2 Hình ảnh thực tế quá trình chế tạo module gia nhiệt

Hình 3.6: Lắp thử lên máy để kiểm tra độ cứng vững của khung đỡ

Hình 3.7: Lắp thử lên máy để kiểm tra độ cứng vững của khung đỡ

Hình 3.8: Mạch điện thực tế

Hình 3.9: Lắp mạch điều khiển xy lanh và heater vào bộ khung module

Hình 3.10: Module đã được chế tạo hoàn chỉnh

Hình 3.11: Lắp module lên máy ép

Hình 3.12: Lắp module lên máy ép và tiến hành chạy thử

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN

3.3.1 Mạch điện điều khiển xy-lanh khí nén

Hình 3.3: Mạch điện điều khiển xy-lanh khí nén 3.3.2 Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống:

- Đặt nhiệt độ cho relay nhiệt

+ Khi nhiệt độ của khối gia nhiệt dưới nhiệt độ đặt, relay nhiệt ON, thì Contactor sẽ đóng và gia nhiệt cho khối

+ Khi nhiệt độ khối gia nhiệt trên nhiệt độ đặt, relay nhiệt OFF, thì Contactor sẽ ngắt gia nhiệt cho khối

Sau khi khối gia nhiệt đạt nhiệt độ yêu cầu, nhấn nút start để kích hoạt rơ le K1, giữ cho selanoi Y1 có điện, giúp xylanh di chuyển ra vị trí cần phun khí Khi timer K2 đếm đủ 10 giây, K2 sẽ ngắt rơ le K1, làm mất nguồn cho selanoi Y1, trong khi selanoi Y2 được cấp điện để xylanh trở về vị trí ban đầu.

- Tuy nhiên, khi xylanh đi xuống thì khối phải luôn được gia nhiệt.

CHẾ TẠO MODULE GIA NHIỆT VÀ TAY MÁY 1 BẬC TỰ DO

Chức năng: Gia nhiệt cho dòng khí

Hình 3.4: Khối gia nhiệt 1 vòi phun

Hình 3.5: Khối gia nhiệt 2 vòi phun

3.4.2 Hình ảnh thực tế quá trình chế tạo module gia nhiệt

Hình 3.6: Lắp thử lên máy để kiểm tra độ cứng vững của khung đỡ

Hình 3.7: Lắp thử lên máy để kiểm tra độ cứng vững của khung đỡ

Hình 3.8: Mạch điện thực tế

Hình 3.9: Lắp mạch điều khiển xy lanh và heater vào bộ khung module

Hình 3.10: Module đã được chế tạo hoàn chỉnh

Hình 3.11: Lắp module lên máy ép

Hình 3.12: Lắp module lên máy ép và tiến hành chạy thử

THÍ NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

(*) Thí nghiệm kiểm chứng khả năng gia nhiệt bằng khí nóng

Trong nghiên cứu này, thiết bị tay máy gia nhiệt cho khuôn bằng khí nóng đã được thử nghiệm để đánh giá khả năng gia nhiệt cho bề mặt khuôn Tay máy được thiết kế với khối gia nhiệt cài đặt ở 350°C, có nhiệm vụ nâng nhiệt độ dòng khí từ 30°C lên 350°C Sau khi đạt được nhiệt độ yêu cầu, thí nghiệm sẽ được thực hiện với bốn loại chiều dày tấm insert: 0.5 mm, 1.0 mm, 1.5 mm và 2.0 mm Các chức năng của tay máy trong quá trình thí nghiệm sẽ được điều khiển theo các bước cụ thể.

 Vị trí số 1 (vặn qua trái) để vào chế độ Auto, xy-lanh sẽ tự động được kéo lên

 Vị trí số 2 (vặn ngay giữa) tắt máy

 Vị trí số 3 (vặn qua phải) để vào chế độ Manual

+ Nút Nhấn chọn các chế độ:

Nút điều khiển xy-lanh đi xuống

Nút điều khiển xy-lanh đi lên

+ Đồng hồ thời gian: Điều chỉnh thời gian phun khí 0s-30s

Quá trình gia nhiệt cho tấm insert diễn ra trong 20 giây, sau đó tấm insert được làm nguội về nhiệt độ phòng để chuẩn bị cho thí nghiệm tiếp theo Trong suốt quá trình gia nhiệt, nhiệt độ tại 7 vị trí khác nhau sẽ được ghi lại và so sánh, như thể hiện trong Hình 4.7.

(*) Thí nghiệm khả năng ứng dụng phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng trong chu trình phun ép nhựa

Để nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng trong quy trình phun ép nhựa, tay máy đã được lắp lên máy phun ép theo quy trình từ Hình 4.1 đến Hình 4.6 Trong đề tài này, tay máy và các module gia nhiệt sẽ được kết hợp với các nghiên cứu khác nhằm kiểm tra khả năng hoạt động và hiệu quả của phương pháp gia nhiệt từ bên ngoài.

- Khảo sát quá trình gia nhiệt bằng khí nóng phun từ bên ngoài cho khuôn phun ép với các chiều dày tấm insert khác nhau

- Nâng cao độ bền kéo cho sản phẩm nhựa dạng lưới

- Khảo sát chiều dày dòng chảy nhựa trong qui trình phun ép có sử dụng khí nóng phun từ bên ngoài

- Khảo sát quá trình làm mờ đường hàn trên sản phẩm nhựa với qui trình phun ép có sử dụng khí nóng

Hình 4.1: Chuẩn bị vận hành

Hình 4.3: Vận hành, điều khiển vị trí vòi phun

Hình 4.4: Vòi phun đang di chuyển đi xuống

Hình 4.5: Module đã vào vị trí phun

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Trong nghiên cứu này, tay máy gia nhiệt và module gia nhiệt 1 cổng phun sẽ được áp dụng để gia nhiệt bề mặt lòng khuôn có kích thước như Hình 4.7 Kết quả gia nhiệt sẽ được theo dõi qua biến thiên nhiệt độ tại một điểm trên bề mặt lòng khuôn, như thể hiện trong Hình 4.7 Bên cạnh đó, chiều dày của tấm insert trong lòng khuôn sẽ được thay đổi với 4 giá trị khác nhau để khảo sát ảnh hưởng của chiều dày tấm insert đến quá trình gia nhiệt bằng khí nóng.

4.2.1 Kết quả so sánh nhiệt độ mô phỏng và thực nghiệm

+ Kết quả mô phỏng bằng phần mềm ANSYS:

 Các tấm insert được mô phỏng có kích thước là 50x100 mm và có chiều dày lần lượt 0.5mm, 1mm, 1.5mm, 2mm

 Vật liệu tấm insert: Nhôm tấm

 Nhiệt độ nguồn khí nóng: 350 o C

Hình 4.7: Vị trí đo nhiệt độ

Các kết quả mô phỏng bằng phần mềm ANSYS được so sánh với thí nghiệm và trình bày tại Phụ lục 2

Các kết quả nhiệt độ tại cuối quá trình gia nhiệt (20s) được tổng hợp và so sánh tại Bảng 4.1

Bảng 4.1: Nhiệt độ tại bề mặt khuôn sau 20 s gia nhiệt bằng khí nóng

7 (mm) (Mô phỏng ( 0 C) / Thực nghiệm ( 0 C))

- Nhận xét: Qua các kết quả như Bảng 4.1 và Phụ lục 2, quá trình gia nhiệt bằng khí nóng có các nhận xét như sau:

Kết quả đo cho thấy trong khoảng thời gian từ 1 đến 3 giây sau khi gia nhiệt, nhiệt độ tăng nhanh chóng Tuy nhiên, sau khoảng 10 đến 15 giây, tốc độ tăng nhiệt giảm dần hoặc ngừng lại.

Nhiệt độ cao nhất được ghi nhận ở điểm số 6, gần khối gia nhiệt, do khí nóng từ ống phun có xu hướng bay lên trên, dẫn đến sự phân bố nhiệt độ giảm dần ra các hướng xung quanh Kết quả mô phỏng cho thấy điểm 6 có nhiệt độ cao hơn điểm 7, và sự chênh lệch này càng rõ rệt trong kết quả thực nghiệm, chứng tỏ rằng quá trình bức xạ nhiệt đóng vai trò quan trọng trong phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng.

Hình 4.8: Phân bố nhiệt độ tại bề mặt tấm insert

Với tốc độ gia nhiệt hiện tại, sau 20 giây, điểm số 3 đạt nhiệt độ trên 150˚C cho cả 4 chiều dày tấm insert, mặc dù giá trị này giảm dần theo thời gian Nghiên cứu cho thấy, với phương pháp phun khí một vòi, nhiệt độ cao tập trung tại điểm số 3 với bán kính 22.5 mm, cho phép các sản phẩm có kích thước nhỏ hơn 50 mm sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng khí phun từ bên ngoài để làm nóng bề mặt lòng khuôn Về sự sai lệch giữa thực nghiệm và mô phỏng, do giới hạn thời gian và khả năng máy tính, mô hình gia nhiệt sử dụng lưới tetra với kích thước tối đa 1.5 mm Phương pháp chia lưới này có ưu điểm là nhanh và dễ tự động hóa, nhưng lại có nhược điểm là độ chính xác thấp hơn so với các loại lưới khác, và thời gian mô phỏng dài hơn, yêu cầu bộ nhớ cao hơn Kích thước phần tử bán tinh (1.5 mm) cũng góp phần gây ra sai số trong mô phỏng, do đó, để đạt độ chính xác cao, kích thước lưới có thể cần giảm xuống tới 0.12 mm trong một số trường hợp.

Những nhược điểm này dẫn đến sự sai lệch giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm Thêm vào đó, độ trễ của cảm biến nhiệt trong quá trình thực nghiệm cũng ảnh hưởng tiêu cực đến kết quả đo.

Để giảm thiểu sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm, các nghiên cứu trong tương lai cần sử dụng cấu hình máy tính mạnh mẽ hơn, giảm kích thước lưới và áp dụng các phương pháp chia lưới tiên tiến.

Trong nghiên cứu về các phương pháp gia nhiệt bề mặt khuôn, độ chính xác của quá trình mô phỏng là một thách thức lớn Nghiên cứu này chỉ ra rằng sai lệch lớn nhất giữa mô phỏng và thực nghiệm đạt 25°C So với các nghiên cứu khác, mức sai lệch này có thể được coi là nằm trong vùng cho phép.

Hình 4.9: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm quá trình gia nhiệt bằng từ trường [11]

Hình 4.10: Thay đổi nhiệt độ khuôn với phương pháp gia nhiệt bằng từ trường [12].

ỨNG DỤNG TAY MÁY GIA NHIỆT CHO CÁC NGHIÊN CỨU VỀ GIA NHIỆT CHO KHUÔN BẰNG KHÍ NÓNG

GIA NHIỆT CHO KHUÔN BẰNG KHÍ NÓNG

Sau khi kiểm tra khả năng gia nhiệt của phương pháp phun khí nóng từ bên ngoài, hệ thống tay máy đã được ứng dụng cho nhiều nghiên cứu khác và đạt được kết quả tích cực.

Tay máy 1 bậc tự do đã được chế tạo và thử nghiệm với tải trọng 8.5 kg, đạt độ chính xác vị trí 5.0 mm sau khi dừng 2 giây Tốc độ di chuyển của tay máy đáp ứng yêu cầu trong quá trình gia nhiệt khuôn, được kiểm tra qua các thí nghiệm gia nhiệt cho cổng phun, sản phẩm dạng lưới, nghiên cứu dòng chảy nhựa trong khuôn, và làm mờ đường hàn cho sản phẩm nhựa.

(a) Khuôn thí nghiệm gia nhiệt cho cổng phun

(b) Sản phẩm trong thí nghiệm gia nhiệt cho cổng phun

Hình 4.11: Thí nghiệm gia nhiệt cho cổng phun

(a) Khuôn trong thí nghiệm gia nhiệt cho sản phẩm dạng lưới

(b) Sản phẩm trong thí nghiệm gia nhiệt cho sản phẩm dạng lưới

(c) Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ bền kéo của sản phẩm dạng lưới

Hình 4.12: Thí nghiệm gia nhiệt cho sản phẩm dạng lưới

(a) Khuôn trong thí nghiệm nghiên cứu dòng chảy nhựa

(b) Chiều dài dòng chảy nhựa ứng với các nhiệt độ khuôn khác nhau

Hình 4.13: Thí nghiệm về chiều dài dòng chảy nhựa

(a) Khuôn trong thí nghiệm về làm mờ đường hàn

(b) Kết quả về làm mờ đường hàn

Hình 4.14: Thí nghiệm về làm mờ đường hàn