Cơ sở lý thuyết
Vật liệu nhựa
Nhựa là một loại vật liệu nhân tạo được sản xuất từ các polymer hữu cơ Khi được nung nóng, nhựa sẽ trở nên dẻo và có thể dễ dàng được tạo hình dưới tác động của lực, sau đó giữ nguyên hình dáng đã được định hình.
Vật liệu nhựa dùng để ép phun rất đa dạng với hơn 20000 loại nhựa nhiệt dẻo và
- Chất liên kết: loại nhựa tổng hợp
- Chất độn : ở dạng bột, sợi tấm, vô cơ, hữu cơ…
- Ngoài ra còn có thêm các chất phụ gia
2.1.3 Một số loại nhựa thường dùng
Nhựa PVC xuất hiện phổ biến trong cuộc sống hàng ngày với hai dạng chính: dạng cứng và dạng mềm Độ cứng của PVC phụ thuộc vào tỷ lệ pha trộn dầu; tỷ lệ dầu càng cao thì nhựa càng mềm Nhựa PVC mềm thường được sử dụng trong các sản phẩm y tế và vỏ dây điện, trong khi nhựa PVC cứng chủ yếu được ứng dụng trong ống nước.
- Độ bền cơ học cao
- Chịu được điều kiện thời tiết khắc nghiệt
- Có nhiều biến thể khác nhau nên được sử dụng trong nhiều điều kiện khác nhau
- Cách điện, cách nhiệt tốt
- Khối lượng riêng hạt nhựa nguyên sinh PS : khoảng 1.4g/cm 3
- Nhiệt độ nóng chảy : 150 o – 180 o C (PVC mềm), 160 o – 190 o C (PVC cứng)
- Nhiệt độ khuôn thích hợp khi ép : 45 o – 60 o C
Nhựa là một trong những vật liệu phổ biến nhất trong cuộc sống hàng ngày, được sử dụng để sản xuất nhiều sản phẩm thông dụng như cốc nhựa, mốc quần áo, lược, thau và đồ chơi trẻ em.
Hình 2 1: Hình ảnh ứng dụng của vật liệu PVC
7 Đặt tính vật lý của hạt nhựa nguyên sinh PP:
- Tỷ trọng tương đối nhẹ, dẻo và độ bền cao
- Dòn, dễ bị phá vỡ thành từng mãnh ở nhiệt độ thấp
- Lão hoá nhanh nếu để ngoài trời trong thời gian dài
- Nhiệt độ khuôn thích hợp :55 o – 65 o C
PS Polystyrene là một loại nhựa được ưa chuộng trong nhiều lĩnh vực đòi hỏi tính thẩm mỹ và độ trong suốt, chẳng hạn như hộp đựng DVD, hộp đựng mỹ phẩm, mặt bảo vệ đồng hồ và mặt kính đèn chiếu xe Hạt nhựa nguyên sinh PS sở hữu nhiều đặc tính vật lý nổi bật, giúp sản phẩm đạt được hiệu quả cao trong ứng dụng.
- Giòn và độ cứng cao
- Cách điện, cách nhiệt tốt
- Khối lượng riêng hạt nhựa nguyên sinh PS : khoảng 1.05g/cm 3
- Nhiệt độ khuôn thích hợp khi ép : 40 o – 60 o C
Hình 2 2: Hình ảnh ứng dụng của vật liệu nhựa PP
Nhựa PA6 được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm công nghiệp với các sản phẩm như lưới lọc nhiên liệu, bình chứa dầu, vỏ máy hút bụi và các linh kiện chịu mài mòn Trong đời sống hàng ngày, nhựa PA6 cũng được sử dụng để sản xuất túi nilon và áo mưa Những đặc tính vật lý của hạt nhựa nguyên sinh PA6 đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất và độ bền của các sản phẩm này.
- Có độ bền cơ học cao, độ cứng và độ dẻo tốt
- Chống lão hoá, khả năng giảm xốc tốt, tính trượt tốt
- Chịu mài mòn, kháng dung môi hữu cơ và nhiên liệu
- Nhiệt độ khuôn thích hợp :80 o – 90 o C
Hình 2 3: Hình ảnh ứng dụng của vật liệu PS
Hình 2 4: Hình ảnh ứng dụng của vật liệu nhựa PA
ABS (Acrylonitrile – Butadiene – Styrene) là loại nhựa được sử dụng phổ biến trong các sản phẩm điện tử, bao bì bảo vệ máy móc, đồ chơi trẻ em và phụ kiện ô tô Hạt nhựa nguyên sinh ABS có nhiều đặc tính vật lý nổi bật, giúp tăng cường độ bền và tính linh hoạt cho các ứng dụng khác nhau.
- Độ cứng cao nên khó bị xước khi xảy ra va chạm nhẹ
- Chịu bền khi tiếp xúc với nhiệt trong thời gian dài
- dễ tạo màu sáng hoặc phản quang
- Khối lượng riêng hạt nhựa nguyên sinh PS : khoảng 1.05g/cm 3
- Nhiệt độ khuôn thích hợp khi ép : 50 o – 60 o C
Polyethylene (PE) là vật liệu phổ biến trong ngành công nghiệp sản xuất ống dẫn nước, khí và chất lỏng, cũng như ống bảo vệ cáp điện Các sản phẩm PE thường gặp trong cuộc sống hàng ngày bao gồm can nhựa và thùng nhựa Hạt nhựa nguyên sinh ABS cũng có những đặc tính vật lý đáng chú ý.
- Tính kết nối cao nên có độ kín cao, không bị hở - rò rỉ
- Tuổi thọ cao có khi tới 50 năm mới lão hoá
- Chống ăn mòn do hoá chất
- Chịu áp lực và va đập tốt
- Khối lượng riêng hạt nhựa nguyên sinh PS : khoảng 0.94-0.97g/cm 3
- Nhiệt độ khuôn thích hợp khi ép : 40 o – 60 o C
Hình 2 5: Hình ảnh ứng dụng của vật liệu nhựa ABS
Công nghệ ép phun [27]
Công nghệ ép phun là phương pháp sử dụng nhựa nóng chảy để lấp đầy khuôn Sau khi nhựa được làm nguội và đông cứng trong khuôn, sản phẩm sẽ được lấy ra nhờ hệ thống đẩy mà không xảy ra bất kỳ phản ứng hóa học nào trong quá trình này.
2.2.2 Nhu cầu và hiệu quả kinh tế
Sản phẩm nhựa hiện diện xung quanh chúng ta với đa dạng từ dụng cụ học tập như thước, viết, compa đến đồ chơi trẻ em, cũng như các sản phẩm phức tạp như bàn, ghế, vỏ tivi, máy tính và các chi tiết trong 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 của chúng ta trở nên đẹp và tiện nghi hơn.
Phần lớn sản phẩm nhựa hiện nay được sản xuất bằng công nghệ ép phun, nhờ vào những ưu điểm như độ dẻo dai, trọng lượng nhẹ, khả năng tái chế và không phản ứng hóa học với không khí trong điều kiện bình thường Vật liệu nhựa đang dần thay thế các loại vật liệu truyền thống như sắt, nhôm, gang và đồng, vốn đang ngày càng cạn kiệt Do đó, nhu cầu sử dụng nhựa trong tương lai dự kiến sẽ tăng cao Điều này cũng dẫn đến việc giá thành khuôn ép không còn được coi là đắt đỏ, bởi lợi nhuận từ việc sản xuất hàng loạt sản phẩm từ một khuôn ép phun là rất lớn, có thể lên tới hàng chục hoặc hàng trăm ngàn sản phẩm nhờ vào máy ép nhựa.
Nhu cầu về sản phẩm nhựa sẽ tiếp tục tồn tại cho đến khi có vật liệu thay thế tốt hơn Tuy nhiên, để bảo vệ môi trường, chúng ta cần sử dụng nhựa một cách hợp lý và hiệu quả.
Hình 2 6: Hình ảnh ứng dụng của vật liệu nhựa PE
- Tạo ra những sản phẩm có hình dáng phức tạp
- Khả năng tự động hoá và chi tiết có tính lặp lại cao
- Sản phẩm ép phun có màu sắc phong phú và độ nhẵn bóng bề mặt cao nên không cần gia công lại
- Phù hợp dạng sản xuất hàng khối và đơn chiếc ( trong trường hợp đặc biệt )
2.2.4 Quy trình công nghệ ép phun Ép phun là phương pháp đúc tạo hình sản phẩm kết hợp công đoạn phun (nhựa nóng chảy) và ép khuôn để tạo hình dạng sản phẩm Qhuy trình ép phun trải qua 4 bước chính:
- Bước 1: Nguyên liệu được gia nhiệt nóng chảy với một nhiệt độ thích hợp bằng máy ép nhựa
- Bước 2 : Nhựa nóng chảy được bơm vào khuôn đang ở trạng thái đóng với một áp lực lớn thông qua hệ thống trục vít của máy ép nhựa
- Bước 3 : Làm mát khuôn để phần nhựa nóng chảy trong khuôn chuyển sang trạng thái rắn
- Bước 4 : Mở khuôn để lấy sản phẩm ra ngoài
Nguyên liệu thô dạng cứng, bao gồm hạt nhựa nguyên sinh và nhựa tái chế, được đưa vào phểu nguyên liệu của máy ép nhựa Từ phểu, nguyên liệu sẽ được chuyển đến hệ thống trục vít xoắn, nằm dọc theo xilanh, có nhiệm vụ trộn đều và đẩy nguyên liệu về phía trước Hệ thống gia nhiệt xung quanh xilanh sẽ nung chảy nguyên liệu để chuẩn bị cho quá trình ép.
Hình 2 7: Hình ảnh các sản phẩm được làm bằng vật liệu nhựa
Trục vít hoạt động như một pit tông, đẩy nhựa nóng chảy về phía trước với áp lực lớn Nhựa lỏng được phun vào khuôn qua hệ thống kênh dẫn, trong khi khuôn đang ở trạng thái đóng để tạo hình sản phẩm.
Hình 2 9: Hình ảnh nhựa được phun vào lòng khuôn Hình 2 8: Hình ảnh hạt nhựa được đưa vào trục vít
Nhựa lỏng cần được đông cứng sau khi được đổ đầy vào khuôn để có thể lấy ra Trong quá trình này, hệ thống làm mát hoạt động để hạ nhiệt khuôn và chuyển đổi nhựa nóng chảy thành trạng thái rắn.
Hệ thống kìm khuôn của máy ép hoạt động bằng cách từ từ kéo nửa khuôn di động (hay còn gọi là nửa khuôn đực) ra một khoảng nhất định, đủ để lấy sản phẩm ra ngoài Sau đó, nửa khuôn sẽ được đóng lại để bắt đầu chu kỳ sản xuất mới.
2.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến công nghệ ép phun [24]
2.2.5.1 Nhiệt độ a) Sự không đồng nhất của nhiệt độ
Nhiệt độ của nhựa sẽ thay đổi trong suốt quá trình di chuyển từ đầu phun máy ép cho đến lòng khuôn
Quá trình thay đổi nhiệt độ trong ép phun chủ yếu xảy ra do ma sát giữa nhựa và khuôn, cùng với sự truyền nhiệt từ các tấm khuôn ra môi trường bên ngoài Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm trong quá trình ép phun.
Nhiệt độ thay đổi sẽ làm thay đổi độ nhớt của nhựa
Nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến khả năng nén ép vật liệu vào khuôn
Nhiệt độ ảnh hưởng đến thời gian làm nguội của sản phẩm
2.2.5.2 Tốc độ phun a) Tầm quan trọng của tốc độ phun
Quyết định khả năng điền đầy khuôn Đảm bảo tính đồng nhất của vật liệu tại vị trí đầu tiên đến vị trí sau cùng trong lòng khuôn
Hình 2 10: Hình ảnh lấy sản phẩm ra khỏi lòng khuôn
Tốc độ phun ảnh hưởng đến các vùng như xung quanh cổng phun, phần giao nhau và khuôn điền đầy cuối cùng Ngoài ra, tốc độ phun cũng có thể gây ra nhiều khuyết tật trong quá trình sản xuất.
Hiện tượng tạo bọt khí, cong vênh do co rút
Hiện tượng sản phẩm bị biến màu
Bề mặt không tốt tại vùng gần cổng phun c) Các vùng thường tập trung bọt khí
Những vùng điền đầy cuối cùng của lòng khuôn
Những vùng dòng chảy bị nghẽn d) Các nguyên nhân dẫn đến hiện tượng bọt khí
Thiết kế hệ thống thoát khí không đúng
Phun với tốc độ phun quá cao nên không khí không thoát ra kịp
Vị trí cổng phun không thích hợp e) Phun với tốc độ phun quá cao
Sự biến dạng của sản phẩm sẽ khác nhau khi phun với tốc độ quá cao qua các phần khác nhau của lòng khuôn
Phun với tốc độ cao đòi hỏi lực ép khuôn lớn
Phun qua cổng phun với tốc độ cao có thể gây ra hiện tượng phun tia, dẫn đến dòng chảy rối và làm giảm chất lượng bề mặt sản phẩm gần cổng phun Để tránh tình trạng tập trung bọt khí và đảm bảo sản phẩm được điền khuôn tốt mà không kéo dài thời gian phun, cần thiết lập tốc độ phun khác nhau ở các vùng khác nhau Đặc biệt, khi phun cho các sản phẩm thành mỏng, việc điều chỉnh tốc độ phun là rất quan trọng.
Đối với các sản phẩm có thành mỏng, cần điều chỉnh tốc độ phun nhanh nhất có thể để tránh tình trạng không lấp đầy khuôn do nhựa bị nguội Việc cài đặt tốc độ phun thay đổi là rất quan trọng trong quá trình sản xuất.
Không phải thay đổi tốc độ phun là có kết quả ngay, vì nó còn phụ thuộc vào quán tính của trục vít
2.2.5.3 Áp suất phun Áp suất là một thông số chính trong quá trình ép phun, thông số này ảnh hưởng đén sự ổn định về mặt kích thước và cơ tính của sản phẩm a) Áp suất nén (bão hòa) Áp suất nén là áp suất tăng lên trong khuôn sau khi khuôn được điền đầy Nó ảnh hưởng đến tổng lượng vật liệu được ép vào trong khuông
Lượng nhựa được nén vào trong khuôn sẽ bù vào sự co ngót trong quá trình làm nguội
Khối lượng sản phẩm phụ thuộc vào áp suất nén, trong đó áp suất duy trì là mức áp suất trong giai đoạn giữ áp sau khi đạt được áp suất nén tối đa Thời gian duy trì áp là khoảng thời gian từ khi áp suất nén đạt cực đại cho đến khi cổng phun đông đặc Ngoài ra, sự thất thoát áp suất trong khuôn xảy ra do dòng chảy bị giới hạn, rãnh dẫn cong và ma sát.
Do vật liệu làm nguội làm giảm khả năng chảy
Hậu quả là gây ra sự co ngót không đều d) Tầm quan trọng của áp suất khuôn
Việc sát định áp suất khuôn giúp kiểm soát được sự ổn định của sản phẩm
Kiểm soát được khả năng điền đầy khuôn và độ nén chặt của vật liệu e) Đường cong áp suất
Hiện tượng co ngót
2.3.1 Định Nghĩa Độ co ngót nhựa (Độ co rút nhựa ) hay tỷ lệ co ngót nhựa (Shrinkage) là yếu tố quan trọng hàng đầu trong thiết kế khuôn nhựa Đó là hiện tượng thể tích vật lý của nhựa thay đổi khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn Đối với khuôn ép nhựa Độ co rút của nhựa trong khuôn ép là quá trình thay đổi thể tích của sản phẩm trước và sau quá trình làm mát
2.3.2 Phân loại co ngót Độ co ngót trong chu kỳ ép Độ co ngót sau khi sản phẩm lấy ra khỏi khuôn Độ co ngót toàn bộ bằng tổng hai loại co ngót trên
2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ co ngót
Bề dày thành phẩm tăng lên thì độ co ngót cũng tăng lên
Bề dày ảnh hưởng rất lớn đến quá trình co ngót mà khó có thể điều chỉnh được bằng các thông số của máy Ảnh hưởng của áp suất
- Thời gian duy trì áp càng dài, áp suất cực đại trong lòng khuôn càng cao thì độ co ngót càng thấp, khối lượng sản phẩm tăng lên
Trong hầu hết các khuôn, áp suất thay đổi dọc theo chiều dài dòng chảy, dẫn đến sự khác biệt về độ co ngót ở các vị trí khác nhau.
16 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ cao trong quá trình ép nhựa dẫn đến độ co ngót tăng, vì khi nhựa giãn nở nhiều hơn, lượng vật liệu nén vào khuôn sẽ giảm.
- Đối với nhựa bán kết tinh thì nhiệt đô khuôn có ảnh hưởng đến độ co ngót vì ảnh hưởng đến thời gian làm nguội
Sự định hướng phân tử
- Các phân tử định hướng là do ứng suất trượt, sau đó được giữ lại do kết hợp với quá trình làm nguội
Các phân tử polymer thường có xu hướng trở về trạng thái tự do trong điều kiện nhiệt độ bình thường và không bị giới hạn trong khuôn Hiện tượng co ngót theo dòng chảy sẽ diễn ra mạnh mẽ hơn khi có sự định hướng.
2.3.4 Cách xác định mức độ co ngót
Mức độ co ngót trong khuôn ép nhựa phụ thuộc vào các thông số vật lý của nhựa và kinh nghiệm của nhà thiết kế khuôn Để sản xuất sản phẩm bằng công nghệ ép phun, nhà thiết kế cần điều chỉnh kích thước lòng khuôn lớn hơn kích thước sản phẩm dự kiến một tỷ lệ nhất định, nhằm đảm bảo sản phẩm co lại đúng kích thước mong muốn sau khi ép Độ co ngót của nhựa thường dao động từ 2/1000 đến 20/1000.
Nếu yếu tố co rút được thể hiện bằng ký hiệu α (alpha), nó có thể được định nghĩa bởi phương trình sau:
𝐿 : (mm) kích thước sản phẩm ở nhiệt độ lý tưởng (thường 20ºC).
Khái niệm về điều khiển nhiệt độ khuôn trong quá trình phun ép
Quá trình gia nhiệt làm tăng nhiệt độ khuôn, giúp giảm thiểu hoặc loại bỏ các vấn đề liên quan đến ép.
Khi nhiệt độ khuôn tăng cao, quá trình giải nhiệt khuôn nhựa sẽ kéo dài, dẫn đến chu kỳ phun ép kéo dài và làm tăng giá thành sản phẩm Do đó, việc kiểm soát nhiệt độ khuôn trong quá trình phun ép là rất quan trọng.
Hình 2.11: Bộ gia nhiệt khuôn ép nhựa
2.4.1 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 cả tấm khuôn (volume heating) và gia nhiệt cho bề mặt khuôn (surface heating) Trong nhóm gia nhiệt toàn bộ tấm khuôn, phương pháp gia nhiệt bằng hơi nước (steam heating) có thể đạt tốc độ gia nhiệt từ 1°C/s đến 3°C/s Tuy nhiên, độ gia nhiệt theo phương pháp này không được đánh giá cao và việc giải nhiệt cho khuôn cũng gặp nhiều khó khăn.
Hình 2.12: Hệ thống gia nhiệt khuôn bằng hơi nước (Steam heating)
Để tăng nhiệt độ khuôn với chi phí thấp, có thể sử dụng nước nóng ở nhiệt độ khoảng 90 - 100 độ C Trong trường hợp yêu cầu nhiệt độ cao hơn 100 độ C, cần nén nước với áp suất cao hoặc sử dụng dầu nóng Tuy nhiên, phương pháp sử dụng nước áp suất cao có thể làm giảm tuổi thọ các vị trí nối và cần xem xét vấn đề an toàn Bên cạnh đó, tiêu hao năng lượng cũng là một yếu tố quan trọng Sử dụng dầu nóng có thể giảm khả năng truyền nhiệt giữa lưu chất và khuôn do hệ số truyền nhiệt của dầu thấp.
Hình 2.13: 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 sử dụng phương pháp gia nhiệt cho bề mặt khuôn, giúp quá trình điền đầy nhựa vào lòng khuôn hiệu quả hơn nhờ lớp cách nhiệt Phương pháp này có khả năng 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.
Ngoài việc sử dụng tia hồng ngoại để gia nhiệt cho khuôn, phương pháp dùng điện trở cũng đã được nghiên cứu và đề xuất Tuy nhiên, phương pháp này chủ yếu được áp dụng để hỗ trợ làm nóng khuôn ở nhiệt độ cao, đặc biệt là đối với những khuôn có thành mỏng Hơn nữa, điện trở thường chỉ có khả năng tăng nhiệt độ khuôn từ 20°C đến 30°C.
Hình 2.14: Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngoại
Để giải quyết vấn đề điều khiển nhiệt độ khuôn, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và đề xuất gần đây nhằm hạn chế lớp nguội (Frozen layer) Một trong những phương pháp phổ biến là sử dụng bề mặt khuôn có nhiệt độ cao trong quá trình điền đầy và làm nguội, đồng thời kiểm soát nhiệt độ khuôn bằng lưu chất với hai loại nhiệt độ Phương pháp này có ưu điểm là áp dụng được cho tất cả các loại khuôn mà không cần thay đổi kết cấu, tuy nhiên, nó cũng gặp phải vấn đề về tiêu hao năng lượng và thời gian chu kỳ.
Việc gia nhiệt từ bên ngoài khuôn có thể được thực hiện bằng phương pháp cảm ứng từ, giúp cung cấp nhiệt trực tiếp cho bề mặt khuôn mà không làm tăng nhiệt độ toàn bộ tấm khuôn trong suốt chu trình Tuy nhiên, để thiết kế bộ cảm ứng từ phù hợp, các công ty sản xuất cần thực hiện tính toán cẩn thận và sẽ phải đầu tư thêm chi phí cho quá trình 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 góp phần làm tăng độ cong vênh của sản phẩm nhựa sau khi phun ép Để khắc phục vấn đề này, mô hình cuộn dây 3D được đề xuất nhằm cải thiện độ đồng đều nhiệt độ trên bề mặt khuôn và giảm thiểu hiện tượng cong vênh của sản phẩm.
Hình 2.16: Phương pháp kết hợp hai nguồn nhiệt độ cho gia nhiệt khuôn
Hình 2.17: 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 điền đầy khuôn, mang lại thành công trong sản xuất sản phẩm quang học Gần đây, Kazerm et al đã đề xuất một phương pháp thiết kế khuôn mới, trong đó bề mặt lòng khuôn được phủ hai lớp: lớp cách nhiệt tiếp xúc với lòng khuôn để hạn chế truyền nhiệt và lớp dẫn nhiệt bên ngoài để hấp thu nhiệt từ module gia nhiệt Phương pháp này được ứng dụng cho các sản phẩm yêu cầu độ chính xác và cơ tính cao.
Hình 2.18: Phương pháp thiết kế khuôn của kazerm
Để đáp ứng yêu cầu gia nhiệt cho các bề mặt phức tạp, phương pháp phun khí nóng vào lòng khuôn (gas heating) đã được nghiên cứu và đánh giá hiệu quả Quy trình này diễn ra như sau: vào cuối chu kỳ phun ép, hai tấm khuôn sẽ mở ra để lấy sản phẩm ra ngoài Sau đó, tấm khuôn di động sẽ được di chuyển đến vị trí tiếp theo.
Kênh làm mát (đầu vào)
Kênh làm mát (đầu ra)
Trong bước 2 của quá trình gia nhiệt, khí nóng được phun vào lòng khuôn, tạo ra sự truyền nhiệt đối lưu giữa khí và bề mặt khuôn Nhiệt năng từ khí nóng làm tăng nhiệt độ bề mặt khuôn đến mức cần thiết Sau khi khí nóng ngừng phun, hai tấm khuôn sẽ được đóng hoàn toàn, và nhựa nóng chảy sẽ được ép vào lòng khuôn.
Hình 2.19: Quy trình gia nhiệt bằng từ trường cho khuôn phun ép nhựa
Với phương pháp này, nhiệt độ bề mặt khuôn có thể được tăng từ 60 0 C đến
Phương pháp "magnetic heating" cho phép gia nhiệt nhanh chóng đến 120 độ C chỉ trong 2 giây, giúp rút ngắn thời gian chu kỳ sản phẩm Tuy nhiên, cần thiết kế lại khuôn phun ép (Hình 2.20) để tích hợp hiệu quả hệ thống gia nhiệt này.
Hình 2.20: Mô hình thí nghiệm khả năng gia nhiệt cho lòng khuôn
Tuy nhiên, với phương pháp như trên, việc thiêt kế hệ thống gia nhiệt là một
Một trong những thách thức lớn cho người thiết kế khuôn là việc tối ưu hóa cấu trúc của khuôn Để giải quyết vấn đề này, phương pháp gia nhiệt bằng từ trường sẽ được áp dụng thông qua thiết bị bên ngoài khuôn, giúp đơn giản hóa thiết kế và cải thiện hiệu suất.
Taguchi, ANOVA, Neural network
Phương pháp Taguchi, do Genichi Taguchi phát triển, là một phương pháp thống kê nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm Gần đây, phương pháp này đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như kỹ thuật, công nghệ sinh học, tiếp thị và quảng cáo Các nhà thống kê chuyên nghiệp đánh giá cao những mục tiêu và cải tiến mà phương pháp Taguchi mang lại, đặc biệt là trong nghiên cứu thiết kế thí nghiệm.
Taguchi quy định 3 mục tiêu:
Bình thương – tốt hơn b Đóng góp của Taguchi
Cô lập và loại bỏ các yếu tố ảnh hưởng đến sự biến đổi chất lượng sản phẩm là cần thiết để giảm thiểu tổn thất doanh thu cho các nhà sản xuất.
Taguchi đã phát triển một phương pháp gọi là mảng trực giao, giúp xác định các ảnh hưởng gián tiếp và kiểm soát chi phí trong sản xuất Quy tắc của Taguchi cho sản xuất nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tối ưu hóa quy trình để nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu lãng phí.
Taguchi cho rằng cơ hội tối ưu để loại bỏ các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm nằm trong hai giai đoạn chính: thiết kế sản phẩm và quy trình sản xuất Vì vậy, ông đã phát triển một chiến lược chất lượng nhằm áp dụng hiệu quả cho các kỹ thuật liên quan.
2 quá trình trên Quá trình có 3 giai đoạn:
Thiết kế dung sai d Thiết kế thí nghiệm của Taguchi d.1 Khái niệm thiết kế thí nghiệm (DOE)
Thiết kế thí nghiệm (DOE) là một công cụ mạnh mẽ trong nhiều tình huống thí nghiệm, cho phép kiểm soát nhiều yếu tố đầu vào nhằm xác định ảnh hưởng đến yếu tố đầu ra mong muốn Việc áp dụng DOE giúp tối ưu hóa quy trình và cải thiện chất lượng sản phẩm.
24 những tương tác quan trọng giữa các yếu tố cái mà có thể bị thiếu sót khi thử nghiệm với một yếu tố tại một thời điểm
Thiết kế thí nghiệm (DOE) là phương pháp quan trọng khi nghiên cứu tác động của nhiều yếu tố đầu vào đến các yếu tố đầu ra Trong đó, phương pháp DOE của Taguchi nổi bật với khả năng tối ưu hóa quy trình và cải thiện chất lượng sản phẩm.
Bước 1: Xác định các định tính chất lượng của sản phẩm và các thông số thiết kế quan trọng cho sản phẩm hay quy trình
Trước khi thực hiện thí nghiệm, việc nắm rõ kiến thức về sản phẩm hoặc quy trình là rất quan trọng để xác định các yếu tố có thể ảnh hưởng đến kết quả Để xây dựng danh sách các yếu tố, đầu vào cho thí nghiệm thường được thu thập từ tất cả những người tham gia dự án.
Bước 2: Xác định hàm mục tiêu để tối ưu hóa là rất quan trọng, đặc biệt trong việc giảm thiểu các đặc tính chất lượng mà nhà sản xuất quan tâm Để thực hiện điều này, cần tính toán các tỷ lệ S/N một cách chính xác.
Để tối ưu hóa các đặc tính chất lượng mà nhà sản xuất quan tâm, cần phải tính toán các tỷ lệ S/N cho các trường hợp phát huy tối đa hiệu suất.
𝑛 𝑢=1 ] (2.3) Đối với trường hợp giữ nguyên chất lượng mà nhà sản xuất quan tâm, định nghĩa về các tỷ lệ S/N nên được tính toán:
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N) là một chỉ số quan trọng để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố bên trong và bên ngoài đến kết quả thí nghiệm Nó được sử dụng để đo lường ảnh hưởng của các yếu tố trong quá trình thử nghiệm, giúp nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của dữ liệu thu được.
𝑦 𝑢 : dữ liệu quan sát được
𝑌̅ : là giá trị trung bình của thí nghiệm
S : là tổng phương sai của giá trị thử nghiệm
Bước 3: Lựa chọn thông số cho từng cấp độ
Khi xác định các biến độc lập, cần quyết định số cấp độ cho mỗi biến Sự lựa chọn này phụ thuộc vào các tham số hiệu suất mà các cấp độ đó ảnh hưởng đến.
Nếu tham số hiệu suất phụ thuộc vào biến độc lập theo hàm tuyến tính, số mức độ sẽ là 2 Ngược lại, nếu biến độc lập không có mối quan hệ tuyến tính, số mức độ có thể tăng lên 3, 4 hoặc hơn nữa, tùy thuộc vào mối quan hệ bậc hai, bậc ba hoặc bậc cao hơn.
Việc lựa chọn số lượng cấp độ cho mỗi thông số trong nghiên cứu không nhất thiết phải đồng nhất, và quyết định này hoàn toàn phụ thuộc vào người nghiên cứu Số lượng cấp độ càng nhiều cho từng thông số sẽ góp phần nâng cao độ tin cậy của thí nghiệm.
Bước 4: Lựa chọn thí nghiệm mảng trực giao Orthogonal Arrays
Nếu có ba thông số như điện áp, nhiệt độ và áp suất cùng với hai cấp độ (cao, thấp), mảng phù hợp để lựa chọn sẽ là L4.
Ngoài ra, ta có thể chọn mảng trực giao bằng cách ứng dụng phần mềm Minitab18
Việc lựa chọn mảng trực giao phụ thuộc vào khả năng tiến hành thí nghiệm, thời gian chế tạo sản phẩm, chi phí chế tạo…
Ví dụ, có bốn thông số và ba cấp độ, chúng ta có thể lựa chọn mảng trực giao L9 hoặc L27
Số lượng các tham số đầu vào
Hình 2 11: Hình ảnh thiết kế mảng trực giao trên minitab18
Bước 5: Tiến hành thí nghiệm
Khi lựa chọn mảng trực giao, các thí nghiệm được thực hiện dựa trên sự kết hợp của các cấp độ khác nhau Kết quả của từng thí nghiệm sẽ được ghi lại để tiến hành phân tích ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng mong muốn.
Bước 6: Phân tích dữ liệu và dự đoán mức tối ưu hiệu suất
Xây dựng mô hình thực nghiệm
Thiết kế, mô phỏng dòng chảy sản phẩm (phần mềm Moldex3D)
3.1.1 Thiết kế thông số ép cho sản phẩm
Thiết kế thí nghiệm là một kỹ thuật quan trọng nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất thông qua việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu suất Trong nghiên cứu này, phương pháp Taguchi được áp dụng để thiết kế thí nghiệm, với 4 thông số mỗi thông số có 3 mức độ, dẫn đến 81 thí nghiệm cần thực hiện Để đơn giản hóa quy trình, mảng trực giao (OA) được sử dụng như một kỹ thuật thống kê, giúp hoán vị các đầu vào và tạo ra các test case tối ưu, từ đó giảm thiểu công sức trong giai đoạn lập kế hoạch và thiết kế thí nghiệm.
Với các thông số đầu vào của từng loại vật liệu :
Bảng 3 1: Bảng thông số đầu vào của vật liệu PP/15%GF
Nhiệt độ sấy: 80 °C Thời gian sấy: 60 phút
Yếu tố Mức độ 1 Mức độ 2 Mức độ 3
Nhiệt độ nóng chảy, A (°C) 200 220 240 Áp suất phun, B (MPa) 15 20 25 Áp suất bão hoà, C (MPa) 12 16 20
Bảng 3 2: Bảng thông số đầu vào của vật liệu PA6/15%GF
Nhiệt độ sấy: 80 °C Thời gian sấy: 60 phút
Yếu tố Mức độ 1 Mức độ 2 Mức độ 3
Nhiệt độ nóng chảy, A (°C) 250 260 270 Áp suất phun, N(MPa) 20 25 30 Áp suất bão hoà, C (MPa) 16 20 24
Bảng 3 3: Bảng thông số đầu vào của vật liệu ABS/15%GF
Nhiệt độ sấy: 80 °C Thời gian sấy: 60 phút
Yếu tố Mức độ 1 Mức độ 2 Mức độ 3
Nhiệt độ nóng chảy, A (°C) 210 230 250 Áp suất phun, B (MPa) 25 30 35 Áp suất bão hoà, C (MPa) 20 24 28
Sử dụng phần mềm Minitab 18, chúng ta thiết kế mảng trực giao với 4 yếu tố và 3 mức độ, chọn mảng trực giao L27 do hình dạng chi tiết đơn giản, giúp giảm chi phí và thời gian chế tạo.
Bảng 3 4: Bảng trực giao L27 OA
3.1.2 Mô phỏng và kiểm tra khả năng điền đầy từ các thông số đã thiết kế
Dòng chảy khuôn Moldex3D R16 cung cấp thông tin chi tiết về các thuộc tính của nhựa thông qua cơ sở dữ liệu vật liệu Để phân tích độ co ngót, các tham số quá trình được lựa chọn bao gồm nhiệt độ nóng chảy, áp suất phun, áp suất bão hòa và thời gian bão hòa Các thí nghiệm mô phỏng đã được thực hiện cho tất cả các bộ thông số quy định và được trình bày trong Bảng L27 OA, trong khi các thông số máy và quy trình khác được giữ nguyên theo mặc định.
Hình 3 1: Hình ảnh phần mềm Moldex3D
Hình 3 2: Hình ảnh mô phỏng khả năng điền đầy của vật liệu PP/15%GF
Hình 3 3: Hình ảnh mô phỏng khả năng điền đầy của vật liệu
Hình 3 4: Hình ảnh mô phỏng khả năng điền đầy của vật liệu
Sau khi mô phỏng trên phần mềm Moldex3D, các bộ thông số thiết kế cho thấy khả năng điền đầy lòng khuôn hiệu quả Sản phẩm bị co ngót nhiều nhất ở cuốn phun và chiều dài theo phương x Do cuốn phun khó đo và không quan trọng, chúng ta chọn chiều dài sản phẩm làm tiêu chí để đo độ co ngót.
Tiến hành thực nghiệm chế tạo sản phẩm
3.2.1 Chuẩn bị a Vật liệu ép
PP/15%GF, PA6/15%GF, ABS/15%GF
- Polypropylene (PP): hạt nhựa PP 1100N
Xuất xứ: Ả rập Xê út
Thông số kỹ thuật tham khảo: http://adong.cnv.vn/templates/pictures/content/3_1_2_%20PP%20INJECTION%201-1100N%20APC%20-%20TDS%20copy.pdf
- Acrylonitrin butadien styren (ABS): hạt nhựa ABS 750SW
Hãng sản xuất: Kumho Petrochemical
Thông số kỹ thuật tham khảo: http://adong.cnv.vn/templates/pictures/content/3_5_%20ABS%205-
750SW%20KUMHO%20PETRO%20-%20TDS%20copy.pdf
- Polyamide (PA6): hạt nhựa PA6 B30S
Nhà sản xuất: Lanxess – Đức
Thông số kỹ thuật tham khảo:
Hình 3 5: Hình ảnh hạt nhựa PP 1100N
Hình 3 6: Hình ảnh hạt nhựa ABS 750SW
44 http://asepolytech.com/wp- content/uploads/2018/05/Durethan_B30S_000000_ASTM_internet.pdf b Mẫu ép phun và khuôn mẫu
Mẫu ép hình chữ nhật (100 x 30 x 1.5 mm) được ép phun bằng máy nhựa SHINE W120B (xuất xứ Đài Loan, năm sản xuất 2012)
Kích thước lòng khuôn (101.56 x 30.45 x 1.5 mm)
Hình 3 8: Hình ảnh 3D của chi tiết Hình 3 7: Hình ảnh hạt nhựa PA6 B30S
3.2.2 Cách thức tiến hành thực nghiệm
Trước khi tiến hành thí nghiệm ép phun cần sấy khô nhựa
Mỗi loại nhựa sấy trong khoảng 60 phút ở nhiệt độ 80 °C
Cách tiến hành thí nghiệm:
Mỗi thí nghiệm sản xuất ra 6 sản phẩm, trong đó chúng ta loại bỏ 3 sản phẩm đầu tiên do các thông số cài đặt có thể chưa đạt yêu cầu trong quá trình thực hiện thí nghiệm Chỉ những sản phẩm đạt tiêu chuẩn mới được giữ lại.
- Dùng bút lông đen ghi lại từng trường hợp ( trường hợp 1, trường hợp 2, trường hợp 3) cho mỗi lần thí nghiệm
- Sau mỗi lần tiến hành 1 thí nghiệm tiếp theo ta phải cài đặt lại thông số cho máy
Hình 3 9: Hình ảnh khuôn dùng để ép phun chi tiết
Hình 3 10: Hình ảnh máy ép nhựa SHINE W120B
Sau 9 lần thí nghiệm, sẽ có một lần cần thay đổi nhiệt độ Khi đó, chúng ta sẽ cài đặt lại nhiệt độ cho máy, sau đó chờ cho nhiệt độ đạt yêu cầu trước khi tiếp tục quá trình ép.
Hình 3 11: Hình ảnh sản phẩm ép phun của vật liệu PP/15%GF
Hình 3 12: Hình ảnh sản phẩm ép phun của vật liệu PA6/15%GF
Đo và thống kê kết quả thí nghiệm
Dụng cụ đo: Thước cặp điện tử, độ chia nhỏ nhất 0.01mm
Để đo độ co ngót, chúng ta sẽ thực hiện việc đo chiều dài của vật theo chiều Ox, vì độ co ngót có ảnh hưởng rõ rệt nhất theo hướng này Quá trình đo sẽ bao gồm việc đánh dấu 6 điểm dọc theo chiều dài của chi tiết.
Ox như hình vẽ bên dưới, sau đó lấy trung bình của 6 lần đo
Sử dụng khối gỗ hình chữ nhật đã được mài phẳng hai mặt tiếp xúc, đặt chi tiết lên bề mặt phẳng và ép chi tiết vào mặt phẳng đó để tiến hành đo đạc theo hình vẽ.
Hình 3 13: Hình ảnh sản phẩm ép phun của vật liệu ABS/15%GF
Hình 3 15: Hình ảnh gá đặt để đo chiều dài của sản phẩm b.Thống kê kết quả thí nghiệm:
Bảng 3 5: Bảng thống kê kết quả đo của vật liệu PP/15%GF
Hình 3 14: Hình ảnh 6 điểm cần đo trên chi tiết
Bảng 3 6: Bảng thống kê kết quả đo của vật liệu PA6/15%GF
Bảng 3 7: Bảng thống kê kết quả đo của vật liệu ABS/15%GF
Khảo sát quá trình gia nhiệt lòng khuôn
3.4.1 Thiết kế sản phẩm micro
Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ lòng khuôn đến khả năng điền đầy
Hình 3 16: Mẫu sản phẩm micro
3.4.2 Thiết kế tấm gia nhiệt để thí nghiệm
Hình 3 17: Thiết kế tấm gia nhiệt
3.4.3 Gia công tấm khuôn cái
Mô hình thiết kế tấm khuôn cái
Hình 3 18: Mô hình thiết kế tấm khuôn cái
Sản phẩm tấm khuôn cái:
Hình 3 19: Sản phẩm tấm khuôn cái 3.4.4 Gia công tấm khuôn đực
Mô hình thiết kế tấm khuôn đực
1 Gc 4 lỗ lắp bạc dẫn hướng ỉ20
Gc lỗ chốt đẩy sản phẩm ỉ4
- Doa lỗ chốt đẩy sản phẩm ỉ4
- Phay thô kênh dẫn dựng Endmill ỉ3
- Phay tinh kênh dẫn Ballmill ỉ3
Sản phẩm tấm khuôn đực:
Hình 3 20: Sản phẩm tấm khuôn đực
3.4.5 Kết quả phân tích nhiệt độ
Kết quả gia nhiệt chi tiết điển hình (tấm insert) thực tế đo bằng cảm biến nhiệt độ
Gc kênh dẫn Mặt trên
- Phay rảnh tròn dung dao Ballmill 4
Hình 3 21: Kết quả mô phỏng trường nhiệt độ
Hình 3 22: Biểu đồ phân bố nhiệt độ
Kết quả gia nhiệt tấm insert thực tế đo bằng cảm biến nhiệt độ và so sánh kết quả với COMSOL
Nhiệt độ gia nhiệt tấm insert được mô phỏng và đo với 3 trường hợp:
+ Đo nhiệt độ với khoảng cách từ ống đồng tới bề mặt tấm insert lần lượt là: 5 (mm), 10 (mm), 15 (mm)
+ Tấm insert sẽ được gia nhiệt đến gần 300(˚C) và được đo bằng cảm biến nhiệt độ
Bảng 3 8: Kết quả đo bằng cảm biến nhiệt độ thực tế
STT Distance (mm) Heating time (s) Insert temp ( o C)
Bảng 3 9: Kết quả đo bằng mô phỏng COMSOL
Kết quả nhiệt mô phỏng với COMSOL
Biểu đồ phân bố nhiệt với
Nhiệt độ mô phỏng và thực tế gần bằng nhau cho thấy kết quả thực tế đáng tin cậy
Nhiệt độ tấm insert thường cao ở giữa và hai bên cạnh do nhiệt được tập trung tại trung tâm, cùng với hiệu ứng cạnh xảy ra khi gia nhiệt bằng từ trường Điều này không chỉ giúp cải thiện việc điền đầy sản phẩm mà còn tăng tính khả thi và hiệu quả của đồ án.
Thí nghiệm và mô phỏng gia nhiệt cho sản phẩm có kích thước micro
Trong thí nghiệm này, composite nhựa PP, PA6, ABS, 15%GF sẽ được sử dụng để thử nghiệm điền đầy
Vật liệu: Thép, bề dày insert: 5 mm
Hình 3 23: Kích thước mẫu thử 1
- Ứng với mỗi mức nhiệt độ nóng chảy của loại nhựa ta có các phân mức gia nhiệt tương ứng:
Bảng 3 10: Bảng các mức phân mức gia nhiệt đối với từng loại nhựa
Loại vật liệu PP/15%GF ABS/15%GF
Bảng 3 11: Bảng phân chia trường hợp thí nghiệm và mô phỏng sản phẩm Micro
Bảng 3 12: Kết quả dòng chảy nhựa giữa thí nghiệm và mô phỏng sản phẩm micro
Chi tiết mô phỏng Chi tiết thực tế Filling
SP1 SP2 SP3 SP1 SP2 SP3
Tối ưu hoá các thông số thiết kế công nghệ ép phun bằng Taguchi, ANOVA và ANN
3.5.1 Tối ưu hóa thông số thiết kế bằng Taguchi và ANOVA trên Minitab 18 Bước 1: Khởi động phần mềm và nhập giá trị đầu vào và đầu ra vào ô tính
Bước 2: ANOVA => General Linear Model => Fit General Linear Model
Bước 3: Gán đầu vào và đầu ra lần lượt vào Factors và Responses
Bước 4: Chọn OK và kết quả phân tích ANOVA được thực hiện
3.5.2 Dự đoán độ co ngót bằng mạng nơ ron trên Matlab R18
Bước 1: Khởi động phần mềm, chọn New Variable để nhập đầu vào và đầu ra cho bài toán với lần lượt tên là INPUT và TARGET
Bước 2: Nhập “ nntool” ở thanh Command Window để mở công cụ Neural
Network, gán giá trị INPUT VÀ TARGET lần lượt vào Input Data và Target Data
Bước 3: Chọn New để tạo sơ đồ bài toán mạng nơ ron nhân tạo, chọn các giá trị và thuật toán để chương trình học
Bước 4: Sơ đồ bài toán mạng nơ ron nhân tạo được tạo ra như hình bên dưới
Bước 5: Tiến hành gán giá trị INPUT và TARGET lần lượt vào Inputs và Targets
Sau đó chọn Train Network để quá trình học diễn ra
Bước 6: Quá trình học đã hoàn thành, ta có thể cho chọn Train Network nhiều lần để quá trình học chọn được kết quả dự đoán tối tốt nhất
